教學(xué)課件 金屬學(xué)與熱處理-崔忠圻

1、金屬學(xué)與熱處理A Metallography and heat-treatment 多媒體教學(xué)課件課 時：56 教 材：金屬學(xué)與熱處理 1 課程研究的對象、目的及要求 一 研究對象、任務(wù)和目的 1 研究的對象 金屬和合金。 什么是金屬？什么是合金？ （1）金屬的性質(zhì) * 高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； * 金屬光澤； * 良好的延展性(塑性)； * 不透明緒論 即：具有正的電阻溫度系數(shù)。* * *電阻隨溫度升高而升高 金屬與非金屬的本質(zhì)差別 t=0 (1+T)T非金屬金屬 某些純金屬在絕對零度附近的超導(dǎo)電性(2) 金屬與合金的定義金屬定義：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。合金定義：一種金屬元素與另一種或幾種

2、其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。 試用金屬鍵模型解釋： 金屬特性(3) 金屬中原子的結(jié)合方式 在金屬晶體中，金屬原子失去價電子后成為正離子, 所有價電子成為自由電子并為整個原子集團(tuán)所公有, 所有自由電子圍繞所有原子核運動，形成電子云，金屬正離子沉浸在電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用而使金屬原子結(jié)合起來形成金屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱為金屬鍵。非金屬中：離子鍵、共價鍵等結(jié)合鍵強(qiáng), 具飽和性較高硬度結(jié)合鍵極強(qiáng)、方向性很高硬度、無塑性2 本課程的主要任務(wù)： 研究金屬與合金的化學(xué)成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能四要素及四要素之間的關(guān)系與變化規(guī)律。 此亦為材料科學(xué)的研究內(nèi)容

3、 實際中我們最關(guān)心的是性能 舉例： b(MPa)鋁合金 400600銅合金 60070040鋼(退火態(tài)) 50040鋼(調(diào)質(zhì)態(tài)) 800性能取決于什么因素呢？ 化學(xué)成分不同，性能不同 純鋁 40 純銅 60 純鐵 200 化學(xué)成分相同，處理方式不同，性能不同0.8C 的鋼鋸條800，冷卻方式不同 一根出爐后水冷，性硬而脆，一彎就斷； 另一根隨爐緩慢冷卻，性軟，彎曲90 不斷。 又如： 石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成， 但性能迥異。 原因：碳原子的空間排列方式不同 即內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同提高材料性能的主要途徑： 一方面改變材料的化學(xué)成分，另一方面改進(jìn)材料的生產(chǎn)工藝，進(jìn)而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。*材

4、料科學(xué)研究的四要素及相互關(guān)系線： 性 能Performance加工工藝Process化學(xué)成分Composition組織結(jié)構(gòu)Construction內(nèi)因外因 （1）原子結(jié)構(gòu)：取決于原子種類什么是組織結(jié)構(gòu)？材料不同層次的結(jié)構(gòu)（2）晶體結(jié)構(gòu)：原子在空間的排列方式合金相形貌金屬多晶體結(jié)構(gòu) 顯微組織（3）組織結(jié)構(gòu)（顯微組織）： 在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察到的金屬的內(nèi)部形貌原子種類;內(nèi)部原子排列的方式;合金元素的存在方式;內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷 材料的組織結(jié)構(gòu)取決于:3 目的 利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：（1）進(jìn)行科學(xué)研究；（2）指導(dǎo)生產(chǎn)實踐；（3）研制新合金材料。二、本課程內(nèi)容 1 金屬材料科

5、學(xué)研究內(nèi)容： 成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能 其課程體系： 金屬學(xué)、金屬熱處理、金屬材料學(xué)、 金屬性能、材料分析技術(shù)與方法等 2 本課程主要內(nèi)容: 金屬學(xué)： 第一 第八章 金屬熱處理：第九 第十章 金屬材料學(xué)：第十一章 第十三章 (1)掌握金屬材料的基本概念、基本理論與基本實驗方法；(2)掌握金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能間關(guān)系的一般規(guī)律；(3)了解金屬材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。四 參考文獻(xiàn)：(1)材料科學(xué)基礎(chǔ), 西安交通大學(xué), 石德珂(2)工程材料, 朱張校，清華大學(xué)出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福，武漢理工大學(xué)出版社, 2001三 要求：一、金屬材料性能的種類2

6、 金屬材料力學(xué)性能 金屬材料加工過程： 冶煉鑄造鑄錠板棒型管焊接機(jī)加工冷軋冷拔深沖鍛件鑄件機(jī)加工：車、銑、刨、磨零件或構(gòu)件熱軋熱鍛工藝性能使用性能故材料性能包含使用性能與工藝性能兩方面：1 使用性能 ：在使用條件下所表現(xiàn)的性能 力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等)； 物理性能（光、電、磁等）； 化學(xué)性能 (抗氧化性、抗腐蝕性等)； 其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)；2 工藝性能： 材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的 鑄造性能（流動性、收縮、偏析等)； 壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等； 切削加工性； 焊接性； 熱處理性能； 等等二、力學(xué)性能： 工程材料在外力作用下所反應(yīng)出來的性能 又稱機(jī)械性

7、能 主要包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等強(qiáng)度與塑性的測定借助應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能應(yīng)力: = P/A0 (MPa)應(yīng)變: = L/L1 =(L1-L0)/L01 應(yīng)力應(yīng)變曲線 拉伸實驗測定 變形三階段： (1) 彈性變形、 (2) 塑性變形、 (3) 斷裂彈性變形塑性變形斷裂 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線(1) 彈性變形:特點： 應(yīng)力撤消后, 變形消失； 應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系； 總變形量很?。?% 主要性能指標(biāo)： 彈性極限e ：保持彈性變形的最大應(yīng)力，MPa 彈性模量E： =E(2 ) 塑性變形: 應(yīng)力撤消后, 變形僅部分消失，存在殘余、永久性的變形。特點：(

8、1)變形具永久性、不可逆性(2)應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；(3)變形量較大可以塑性加工的原因殘余變形量彈性變形量sb塑性變形中的重要指標(biāo): 承受的應(yīng)力大?。?斷裂前塑性變形量的大小: 抗拉強(qiáng)度(b): 抵抗最大均勻塑性變形的應(yīng)力值屈服強(qiáng)度(s): 抵抗微量塑性變形的應(yīng)力值斷后伸長率()、斷面收縮率( )三、力學(xué)性能及指標(biāo)（一）強(qiáng)度 材料抵抗變形或斷裂的能力稱為。1 彈性極限(e ) ：規(guī)定彈性極限r(nóng)0.012 屈服強(qiáng)度：材料開始發(fā)生明顯塑性變形時的應(yīng)力值 (s ), Mpa 。 (1) 實質(zhì)是抵抗微量塑性變形的抗力。 (2) 無明顯屈服現(xiàn)象時采用條件屈服極限0.2 規(guī)定殘余伸長率為0.2%時對應(yīng)的

9、應(yīng)力值s0.2bbe 低碳鋼與鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線 斷裂與塑性變形是材料失效的形式3 抗拉強(qiáng)度：材料在破斷前所承受的最大應(yīng)力值（ b ） , Mpa 。 產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。 存在頸縮現(xiàn)象不均勻塑性變形注意： 塑性變形中: s 2 （二）塑性 材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。 (1) 伸長率（ ）：試樣拉斷后標(biāo)距的增長量與原始標(biāo)距長度之比; = (L斷后-L原始)/ L原始%=L / L0 % (2) 斷面收縮率（ ）：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比. = (A原始- A斷后)/ A原始%=A / A0 % 、越高，材料的塑性越好 通常 5% 脆性材料 塑性的意義： 成

10、形 安全（三）硬度 材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受壓時抵抗表面局部塑性變形的能力。 衡量材料軟硬程度的指標(biāo) 硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系(1) 布氏硬度(HB)較軟材料有色金屬 (2) 洛氏硬度(HR)硬度中等鋼鐵材料 具體：HRA、HRB、HRC 其中HRC：軟硬范圍較寬，應(yīng)用最廣 維氏硬度(HV) 較硬材料顯微硬度(HV) 測定材料內(nèi)部微區(qū)的相、組織的硬度球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等 布氏硬度(HB)通常碳素鋼：bHB測定壓痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：h: 壓痕深度 k:常數(shù)，0.2或0.26mm;0.002mm: 一個洛氏硬度單位適

11、合測量的材料HRA：硬質(zhì)合金 ； HRC: 淬火鋼HRB: 低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵 洛氏硬度：維氏硬度： 壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值金剛石正四棱錐體壓頭 硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F（四）韌性 當(dāng)加載速度極快時，不能用靜載荷下的 s、 b作失效判據(jù)。1 引入沖擊韌性(k) : 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力用破壞材料時所消耗的功衡量,是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo) ，k；或，kk =Ak/s金屬的k與溫度直接相關(guān)：（1）T，k（2）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk ：當(dāng)T Tk 時，金屬為脆性狀態(tài)k 脆性區(qū)韌性區(qū)當(dāng)材料內(nèi)部

12、存在裂紋缺陷時： 2 斷裂韌度KIc裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中應(yīng)力被放大 當(dāng)、a達(dá)到某臨界值時,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，此時的KI稱為斷裂韌度KIc 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的性能引入應(yīng)力場強(qiáng)度因子：應(yīng)力大小裂紋尺寸裂紋形狀工程材料：制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件、 工具、特 殊性能材料(耐蝕、耐高溫) 分類：按原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)分一、金屬材料： 黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金 純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金 占工程材料的90 有色金屬：黑色金屬以外所有金屬、合金 輕金屬、難熔金屬、貴金屬等 金屬鍵(過渡金屬含少量共價鍵)3 工程材料的分類二、 陶瓷材料陶瓷定義： 由一種或多種金屬元素(含半金屬元素如Si等)同一種非金屬元素形成的

13、化合物。 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、 傳統(tǒng)：硅酸鹽類材料 現(xiàn)今：各種無機(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱 不含碳?xì)溲踅Y(jié)合的化合物離子鍵為主硬度高、脆 普通陶瓷：硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料 特種陶瓷：高熔點的氧化物、碳化物、氮 化物、硅化物等的燒結(jié)材料 金屬陶瓷：金屬與碳化物或其他化合物的粉末冶金制品 發(fā)展：納米技術(shù)陶瓷增韌三、高分子材料： 有機(jī)合成材料、聚合物 大分子化合物：共價鍵、分子鍵 較高強(qiáng)度、良好的塑韌性、 較強(qiáng)的耐腐蝕性、優(yōu)良的絕緣性 工程塑料、合成纖維、合成橡膠 四、復(fù)合材料： 金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料 目前非金屬材料的應(yīng)用：5%6% 金

14、屬材料仍是最主要的工程材料思考題 1 簡述本課程的主要內(nèi)容以及本課程的基本任務(wù)； 2 金屬材料的性能與哪三大因素有關(guān)，提高材料性能的兩條主要途徑是什么？ 3 材料的性能包括哪兩個方面？說明下列符號所表示的意義及量綱： e、s、b、0.2、ak 、HB、HRC、Hv； 4 什么是強(qiáng)度？塑性？硬度？韌性？第六章金屬的塑性變形和再結(jié)晶 6.1 金屬的變形特性6.2單晶體的塑性變形6.3多晶體的塑性變形6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響6.5冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶6.6金屬的熱加工6.7超塑性6.2單晶體的塑性變形滑移滑移系滑移的位錯機(jī)制刃位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動孿生6.3多晶體的塑性

15、變形不同時性不均勻性協(xié)調(diào)性只有處在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先開動每個晶粒的變形量各不相同，而且由于晶界的強(qiáng)度高于晶內(nèi)，使得每一個晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推算，每個晶粒至少需要有五個獨立滑移系。6.3多晶體的塑性變形不同時性不均勻性協(xié)調(diào)性6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響形成纖維組織6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響形成形變織構(gòu)6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響形成形變織構(gòu)6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響亞結(jié)構(gòu)細(xì)化點陣畸變嚴(yán)重隨著變形量的增加，位錯交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變胞金屬在塑性

16、變形中產(chǎn)生大量點陣缺陷（空位、間隙原子、位錯等），使點陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。6.4塑性變形對金屬組織與性能的影響各向異性形變強(qiáng)化形成了纖維組織和變形織構(gòu)變形過程中，位錯密度升高，導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細(xì)化，對位錯的滑移產(chǎn)生巨大的阻礙作用6.5冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶6.5冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶6.5冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶3）雜質(zhì)與合金元素退火溫度越高，再結(jié)晶晶粒越粗4）變形溫度5）退火溫度雜質(zhì)與合金元素，細(xì)化晶粒變形溫度越高，再結(jié)晶晶粒越粗再結(jié)晶晶粒大小的控制1）冷變形程度變形度越大，晶粒越細(xì)小2）原始晶粒尺寸原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒越細(xì)T再（K）= (0.35

17、0.4) T熔（K）6.6金屬的熱加工改善鑄態(tài)組織缺陷出現(xiàn)纖維組織可使鑄態(tài)組織中的氣孔、疏松及微裂紋焊合，提高金屬致密度，某些高合金鋼中的萊氏體和大塊初生碳化物可被打碎并使其分布均勻等。在熱加工過程中鑄態(tài)金屬的偏析、夾雜物、第二相、晶界等逐漸沿變形方向延展，在宏觀工件上勾畫出一個個線條，這種組織也稱為纖維組織。6.6金屬的熱加工第二章 純金屬的結(jié)晶 結(jié)晶 ： 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w金屬的過程 金屬生產(chǎn)的第一步 本章目的： 1 介紹金屬結(jié)晶的基本概念和基本過程 2 闡明金屬實際的結(jié)晶組織及其控制一、結(jié)晶的概念與現(xiàn)象 結(jié)晶概念: 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w 結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為1 金屬的結(jié)晶 純金屬結(jié)

18、晶時的熱分析曲線特點： 冷卻曲線( T-t )低于熔點才發(fā)生結(jié)晶存在結(jié)晶平臺1 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象： (1) 過冷現(xiàn)象 金屬在低于熔點的溫度結(jié)晶的現(xiàn)象 (2) 結(jié)晶過程伴隨潛熱釋放 結(jié)晶潛熱：液相結(jié)晶為固相時釋放的熱量。2 金屬結(jié)晶的微觀過程:金屬結(jié)晶的微觀過程: （1）形核 從液體中形成具有一定臨界尺寸的小晶體(晶核)的過程 （2）長大 晶核由小變大長成晶粒的過程 實際金屬最終形成多晶體注： 單個晶粒由形核長大 多個晶粒形核與長大交錯重疊 * 當(dāng)只有一個晶核時 單晶體 * 晶核越多，最終晶粒越細(xì)二 金屬結(jié)晶的條件1 熱力學(xué)條件 熱力學(xué)：研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度 轉(zhuǎn)變的可能性 熱力學(xué)第二定律：

19、在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 即G = G(轉(zhuǎn)變后) G(轉(zhuǎn)變前) S固結(jié)晶時只有存在T 才 能 保 證：G V= GS GL r0 時， 系統(tǒng)的G 0 結(jié)晶過程可發(fā)生； 形成穩(wěn)定晶核 隨 r ， G 晶核長大為系統(tǒng)自由能降低過程； 晶核可長大r0當(dāng) r 0, 熱力學(xué)上結(jié)晶不可發(fā)生，但液相中結(jié)構(gòu)起伏的穩(wěn)定狀態(tài)不同： 當(dāng) r rk 時， 隨 r ， G 晶胚尺寸減小為自發(fā)過程會瞬間離散, 只能保持結(jié)構(gòu)起伏狀態(tài)，不能長大。r0 當(dāng) rk r r0時， 隨 r ， G 晶胚長大為自發(fā)過程 即該尺寸區(qū)域的晶胚不再瞬間離散，而為穩(wěn)定且可長大的 。r0注意

20、： 實際當(dāng)rk r 0, 按熱力學(xué)理論LS不能發(fā)生，然而: rk ：為臨界晶核尺寸 原因:過冷液體中存在能量起伏, 其中高能區(qū)可能使G 0, 此時：結(jié)晶總阻力 形核功：過冷液體形核時的障礙 Gk 1/3 (4r2k) 1/3 Sk 代入球形晶胚自由能表達(dá)式可得： 事實上，只要 r rk, 即為穩(wěn)定晶核。原因： 液體中除結(jié)構(gòu)起伏外，還存在能量起伏 故形核功可以依靠能量起伏來補(bǔ)償結(jié)論： 除結(jié)構(gòu)起伏外，形核還借助能量起伏條件 形核功的影響因素 ：隨T ，G即：增大過冷度，可顯著降低形核阻力 （3） 形核率（N = cm -3 s 1）： 單位時間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目。 意義: N 越大，結(jié)

21、晶后獲得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好。形核率控制因素: N = N1 N2 N 1 受形核功影響的因子；(T, N 1) N 2 受擴(kuò)散控制的因子。(T, N 2) T對N的影響矛盾、復(fù)雜實際純金屬： 隨T, N; 且T =0.2Tm金屬玻璃2 非均勻形核（非自發(fā)形核）： 晶核依附于液態(tài)金屬中現(xiàn)成的微小固相雜質(zhì)質(zhì)點的表面形成。見教材50：公式222圖211非均勻形核特點： 形核功； T=0.02Tm 遠(yuǎn)小于均勻形核 結(jié)晶時形核要點1、必須要有過冷度T，晶胚尺寸rrK。2、rK與T成反比。T rK。3、均勻形核既需結(jié)構(gòu)起伏，又需能量起伏 液體中的自然現(xiàn)象。4、結(jié)晶必須在一定溫度下進(jìn)行(擴(kuò)

22、散條件)5、在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)金屬凝固總是以非均勻形核進(jìn)行。 均勻形核T=0.2Tm 非均勻形核T=0.02Tm 二 晶核的長大 1 液固界面類型 光滑界面 粗糙界面 為原子尺度當(dāng)顯微觀察時， 恰好相反小平面界面非小平面界面光滑界面: 液固界面截然分開 粗糙界面: 液固界面犬牙交錯 金屬多為粗糙界面 2 晶核長大的機(jī)制 光滑界面有兩種機(jī)制：(1) 二維晶核長大機(jī)制 速度很慢 (2) 晶體缺陷長大機(jī)制 結(jié)構(gòu)上存在臺階時 如螺型位錯速度較 (1) 快 粗糙界面主要有一種機(jī)制：(3) 垂直長大機(jī)制（連續(xù)長大） 界面上所有位置均為生長點： 垂直界面連續(xù)長大； 長大速度遠(yuǎn)較(1)(2)快； 金屬晶體長大

23、的主方式 3 晶體的生長形態(tài)（1）液固界面前沿溫度分布 正溫度梯度溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增加而提高。靠近模壁處負(fù)溫度梯度溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增加而降低。（2） 晶體的生長形態(tài) (一) 正溫度梯度下 光滑界面: 易于形成具有規(guī)則形狀的晶體。(100)密排面(簡單立方中)，長大速度慢(101)非密排面，長大速度快最終外表面為密排面 粗糙界面: “平面長大”方式平面晶 (二) 負(fù)溫度梯度下 “枝晶生長”方式樹枝晶常見 會解釋樹枝晶形成 1 粗糙界面 2 光滑界面 多為小平面樹枝狀晶體 有時為規(guī)則外形晶體三、晶粒大小及控制 1 晶粒大小對材料性能的影響 常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，

24、強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性也越好。 但高溫下晶界為弱區(qū)，晶粒細(xì)小強(qiáng)度反而下降，但晶粒過于粗大會降低塑性 。此時須采用適當(dāng)粗晶粒度。 2 鑄造中晶粒大小的控制 形核率越大，長大速度越小，則單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。 單位體積中的晶粒數(shù)目為： ZV=0.9（N / G）3 / 4 細(xì)化晶粒： 提高形核率N， 降低晶核長大速度G工業(yè)上常用的方法：（1）增加過冷度 過冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度遠(yuǎn)高于G增加過冷度 加大冷卻速度（2）變質(zhì)處理 添加固相微粒或表面非均勻形核 變質(zhì)處理定義：在澆注前往液體中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核，該工藝稱為。孕育劑選擇原則： 點

25、陣匹配：即結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)。 孕育劑熔點遠(yuǎn)高于金屬本身 如- Fe為 f c c 結(jié)構(gòu) a0.3652nm Cu也為 f c c 結(jié)構(gòu) a0.3688nm 在液體Cu中加入少量Fe，可促進(jìn)形核。 又如 Zr 能促進(jìn) Mg 的非均勻形核 Ti 能促進(jìn) Al 的非均勻形核。（3）振動、攪動： 機(jī)械方法、電磁波攪拌、 超聲波攪拌等。2 金屬鑄錠的組織與缺陷 1、鑄錠三晶區(qū)1表層細(xì)晶區(qū)2中間柱狀晶區(qū)3中心等軸晶區(qū)鑄錠結(jié)構(gòu)圖（一）表層細(xì)晶區(qū) 形成原因： （1）過冷度T大。 （2）模壁作為非均勻形核的位置。特點：晶粒細(xì)小，組織致密， 機(jī)械性能好， 薄，無實用意義（二）柱狀晶區(qū) 形成原因： (1) 細(xì)晶區(qū)

26、形成后，模壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度T較低，不易形成新的晶核； (2) 細(xì)晶區(qū)中某些取向有利的晶粒可以顯著長大； (3)晶體沿垂直于模壁 (散熱最快)相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。特點：組織粗大而致密； 為“鑄造織構(gòu)”鑄造織構(gòu)：鑄造過程中形成的一種晶體學(xué)位向一致的鑄態(tài)組織稱為。 又稱“結(jié)晶織構(gòu)”注意：晶粒外形(外貌)與晶粒取向的差別另有：形變織構(gòu)細(xì)晶區(qū)中：晶粒的無序取向柱狀晶區(qū)中：晶粒的一致取向最大散熱方向（三）中心等軸粗晶區(qū) 形成原因： （1）液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，可同時形核。 （2）未熔雜質(zhì)、沖斷的枝晶分枝可作為非均勻形核的核心。 （3）散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。 長成

27、等軸晶。 由于過冷度T不大，晶粒較粗大。 等 軸 晶 柱 狀 晶優(yōu)點： 無方向性，無明顯弱面，熱加工性能好。缺點： 顯微縮孔多，致密性差。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)致密缺點： 1、由于結(jié)晶位向一致，性能有方向性，熱加工性能差 2、兩個不同方向柱狀晶的結(jié)合處雜質(zhì)多、強(qiáng)度低，稱為弱面，熱軋時易破斷。 等軸晶和柱狀晶體性能比較2 鑄錠組織的控制 一般有三個晶區(qū)，凝固條件復(fù)雜，在某些情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。塑性好金屬鋁、銅等發(fā)展柱狀晶塑性相對較低的金屬、鋼等發(fā)展等軸晶（一）促進(jìn)柱狀晶生長的方法： 總體：(1) 加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力 促進(jìn)散熱的方向性(2) 降低液相內(nèi)部非均勻形核的可能性

28、具體： (1) 提高鑄錠模的冷卻能力。 如： 金屬模代替砂型模； 增加金屬鑄模的厚度等 注意：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適于尺寸較小的鑄件 原因：若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶的發(fā)展（增加形核率）。 例：連鑄小截面鋼坯時，采用水冷結(jié)晶器， 連鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。（2）提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度。 具體：提高澆注溫度與澆注速度。（3）提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目。 熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，從而減少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。例如： 1、磁性鐵合金方向?qū)Т怕首畲?，柱狀晶的一次軸正好也是這個方向。 發(fā)展柱狀晶，獲得

29、最好的磁學(xué)性能。 2、燃?xì)廨啓C(jī)葉片，其負(fù)荷具有方向性，要求在葉片軸線方向有較高的強(qiáng)度。 使柱狀晶的長度方向和葉片軸線方向平行。（二）控制鑄錠組織在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用柱狀晶制備燃?xì)廨啓C(jī)葉片定向凝固生產(chǎn)技術(shù)與裝置葉片感應(yīng)加熱爐 單晶制備方法（三）、發(fā)展等軸晶，限制柱狀晶的方法 降低澆注溫度和澆注速度，減小液體過熱度，在液體中保留較多非均勻形核核心； 小鑄件：可用過冷度的方法形核率； 大鑄件：變質(zhì)處理；3、金屬鑄錠組織缺陷自學(xué) 縮孔 氣孔 夾雜物 小結(jié): 具有臨界晶核尺寸的晶胚驅(qū)動力GS-GL阻 力S能量起伏與結(jié)構(gòu)起伏類似，是一種自然存在，瞬時出現(xiàn)，大小不等形核功具有臨界晶核尺寸的晶胚(液相)轉(zhuǎn)變?yōu)榫?/p>

30、核(固相)時須外界提供的阻力，第二章 習(xí)題與思考題1 什么是晶體，什么是非晶體？簡述二者在結(jié)構(gòu)與性能上的差別。2 金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)由哪幾種，F(xiàn)e、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各屬于哪種晶體結(jié)構(gòu)？3 在體心立方晶胞中畫出以下晶面或晶向： （121）（101）（321）（121）， 121101321121 4 金屬結(jié)晶包括哪兩個過程，結(jié)晶的條件是什么？什么叫過冷度？5 晶粒大小對材料的機(jī)械性能有何影響，影響鑄態(tài)晶粒大小的主要因素是什么？鑄造實際中如何控制金屬晶粒大??？何謂變質(zhì)處理？6 金屬鑄錠的組織有何特點，存在哪些缺陷？7 討論：什么是金屬材料的組織結(jié)構(gòu)？金屬的實

31、際結(jié)構(gòu)是怎樣的？金屬中晶體缺陷主要有哪些？這些缺陷是否是性能上的缺陷？第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖 本章目的： 1 討論合金中的相概念及其類型； 2 介紹各種類型的基本二元相圖； 3 說明相圖與合金性能間的對應(yīng)關(guān)系本章要求：1 組元、相、組織、組織組成物等基本概念；2 固溶體和化合物的本質(zhì)區(qū)別和性能特點；3 掌握分析相圖的基本方法；4 正確運用杠桿定律。 合金: 一種金屬元素與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。 Pb-Sn合金, 鋼（Fe-C）, 錫青銅(Cu-Sn(14%)）1 合金的相結(jié)構(gòu)組元組成合金最基本的、能獨立存在的物質(zhì)。 Fe-C合金：Fe(組元

32、一)-Fe3C(組元二)合金系由給定的組元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。例：Fe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C Fe-Cr-C根據(jù)組元數(shù)分為： 二元合金 、三元合金 、 多元合金。 合金相 指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并有界面與其他部分分開的均勻組成部分。(phase) 金屬或合金均由相構(gòu)成單相合金、多相合金。 用、等表示例：純鐵、鋼中的相 純鐵：-Fe； 鋼：鐵素體()滲碳體(Fe3C)；相相Fe3C 相純鐵0.45%C 鋼 相結(jié)構(gòu)，實指合金的晶體結(jié)構(gòu)（一）固溶體 合金組元通過溶解形成一種成分和性能均

33、勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。（二）金屬化合物 定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。一、相的分類二 合金的相結(jié)構(gòu) （一）固溶體 1、固溶體的分類 * 按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置分類 置換固溶體（1）置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點所形成的固溶體代位固溶體 90 Cu-10Ni合金 例： C 固溶于Fe中形成間隙固溶體 鐵素體 C 固溶于Fe中形成間隙固溶體 奧氏體（2）間隙固溶體 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。間隙固溶體 * 按固溶度分類 （1）有限固溶體溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度，超過這個限度

34、就不再溶解，這個限度稱為固溶度。 （2）無限固溶體溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑，固溶度可達(dá)到100%。按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分類（1）無序固溶體 溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布于溶劑晶格中。 （2）有序固溶體 溶質(zhì)原子按一定的規(guī)律分布在溶劑晶格中。CuAu中Cu原子：簡單四方晶系亞點陣Cu3Au中Cu原子：體心四方晶系亞點陣有序固溶體特點： 溶質(zhì)原子可形成自己的亞點陣 一定條件下固溶體可在有序和無序間相互轉(zhuǎn)化： 溫度、成分例：Fe-Al合金室溫下, 成分變化時： a. FeAl (25%atm)合金 無序相：相 b. FeAl (25%35%atm)合金 有序相：Fe3Al c. FeAl(3

35、5%50atm)合金 有序相：FeAl成分固定，溫度變化時： Fe3Al： 950：完全無序固溶體Fe3Al金屬間化合物新材料2 置換固溶體及影響因素 金屬元素之間一般都能形成置換固溶體，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni無限互溶， Zn最大溶解度為39%， Pb幾乎不溶解于銅。 受元素間原子尺寸、化學(xué)親和力、結(jié)構(gòu)類型等影響。（1）原子尺寸因素 組元間原子半徑越相近，固溶度越大。 原因：溶質(zhì)原子引起溶劑晶格的點陣畸變，產(chǎn)生畸變能，晶格畸變能越高，晶格越不穩(wěn)定，當(dāng)畸變能高到一定程度，溶質(zhì)原子將不再能溶入固溶體，只能形成其它新相。溶劑與溶質(zhì)原子的尺寸差別可用r/r 衡量： r/r =(r溶劑

36、- r溶質(zhì))/ r溶劑 （2）負(fù)電性 S原子、Al原子與Fe原子大小相差接近， 但Al在Fe中溶解度大負(fù)電性因素 負(fù)電性: 指元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子的能力。 可衡量元素間的化學(xué)親和力，即形成化合物的傾向性 取決于兩元素在周期表中的位置，相距越遠(yuǎn)，負(fù)電性相差越大，越易形成化合物。 元素間負(fù)電性相差越小，越易形成固溶體，而且固溶體的固溶度也較大。r/r分別為：0.12、0.18dAl=2.85; dS=2.08；dFe=2.54（3）晶體結(jié)構(gòu)因素 晶體結(jié)構(gòu)相同，溶解度較大。 無限固溶體溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金： Ni、Co、Cr、

37、V與Fe原子尺寸差別 B.C.C 中； c. 間隙固溶體只能是有限固溶體。4 固溶體的結(jié)構(gòu)特點 (1) 保持著溶劑的晶格類型； (2) 晶格發(fā)生畸變 (3) 偏聚與（短程）有序 (4) 有序固溶體（長程有序化） 當(dāng)固溶體發(fā)生偏聚或有序化時，強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低。5 固溶體的性能 （1）固溶體強(qiáng)硬度高于組成它的純金屬，塑韌性低于組成它的純金屬; （2）物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子的，固溶體的電阻率，電阻溫度系數(shù)，導(dǎo)熱性。 固溶體中隨著溶質(zhì)原子的加入，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象 固溶強(qiáng)化 金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一 例如：南京長江大橋采用廉價的16Mn，其中含1.2%1.

38、6%Mn，抗拉強(qiáng)度較相同碳含量的普通碳素鋼提高60；*固溶強(qiáng)化的特點： (1) 溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子濃度越高，所引起的晶格畸變越大，固溶強(qiáng)化效果越大； (2) 間隙原子的強(qiáng)化效果比置換原子的大。因為間隙原子引起的點陣畸變大。 （3）綜合機(jī)械性能好。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，不僅可以顯著提高材料強(qiáng)硬度，而且材料的塑韌性不會明顯降低。固溶體的應(yīng)用：（1） 結(jié)構(gòu)材料的基體相；（2）精密電阻、電熱材料等 材料種類b(MPa)HBS(%)純Cu2204470Cu+19%Ni單相固溶體3907050(二)、金屬化合物1 正常價化合物 特點：成分固定不變，可用化學(xué)式表示。 如Mg2Si、Mg2Sn、Mg

39、S、MnS等。具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色金屬的強(qiáng)化相。2 電子化合物 不遵守原子價規(guī)律，而是按一定的電子濃度的比值形成的化合物。電子濃度不同，化合物的晶格類型也不同。 硬、脆，有色金屬強(qiáng)化的相 特點：雖用化學(xué)式表示，但成分可變 FeAl (Al：36.5%50atm); 有序化現(xiàn)象 其它： NiAl; CuZn; CuAl 3 間隙相和間隙化合物 過渡族元素和原子半經(jīng)較小的氫、氮、碳、硼組成。 r非 / r金 0.59時，形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物間隙化合物。 (1) 間隙相 性能：極高的熔點和硬度。 如：VC; TiC; W2C 用途：硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。 (2)

40、間隙化合物 如鋼中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高的熔點和硬度，但不如間隙相用途：鋼中的重要強(qiáng)化相。固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)金屬化合物正常價化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙式金屬化合物 2 二元合金相圖的建立 給定的合金系究竟以什么狀態(tài)(相)存在，包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因是溫度和壓力，內(nèi)因則是化學(xué)成分 用相圖來表示它們之間的關(guān)系。 幾個概念： 相圖: 表示合金系中的狀態(tài)(相)與溫度，成分之間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖 相變：相與相之間的轉(zhuǎn)變；相平衡與平衡相： 合金系統(tǒng)在一定的外界條

41、件下(溫度、壓力)，經(jīng)歷任意長時間后，合金中各相的成分都是均勻、不變的，且各相的相對重量也不變，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡；這時的相稱為這種條件下的平衡相。如純鐵，在常壓下： 1538以上 L為平衡相。 在1538時 L和相兩相平衡狀態(tài) 一、二元相圖的表示方法 在常壓下， 直角坐標(biāo)系； 合金成分； 溫度； 相狀態(tài)。組元組元成分線結(jié)晶或相變起始點結(jié)晶或相變終止點B點相狀態(tài): 單相A點相狀態(tài): L +兩相Cu-Ni二元合金相圖LL +二、二元相圖的建立 熱分析法； 金相法； 膨脹法； 電阻法等。熱分析法 3 典型相圖分析一、勻晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的二元合金相圖。 如

42、CuNi、AgAu、CrMo等合金系 2 相圖分析 3 合金結(jié)晶過程 4 相律 5 二元相圖的杠桿定律 液相線 固相線 CuNi二元相圖 冷卻曲線點：A：純Cu理論熔點; B：純Ni理論熔點線：AB: 液相線; AB: 固相線； 區(qū)間：兩個單相區(qū)：L 相、相 一個兩相區(qū)：L+相區(qū)勻晶轉(zhuǎn)變式： L 原始成分為k的合金： Tt1: L (100%) T= t1: L(開始)注： L(100%)+(0%) T= t2: L注： L+ T= t4: L(結(jié)束)注：L(0%)+(100%) T t4 : (100%) 單相區(qū): 實際座標(biāo)點兩相區(qū): 液(固)相成分在溫度水平線與液(固)相線的交點處相成分判

43、定方法液(固)相線的意義: (1) 表征了各成分合金的結(jié)晶起始(終止)溫度;(2)表征了各溫度下液固兩相達(dá)到平衡時液(固)相的成分 4 相律（P7374）相律表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式：f = c - p +2系統(tǒng)自由度系統(tǒng)組元數(shù)平衡相數(shù)恒壓條件下： f = c - p +1* 二元合金系最多存在三相平衡* 二元合金系相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1 5 杠桿定律 用于確定二元相圖中兩相區(qū)各相的相對含量。証明: 設(shè)液相質(zhì)量為 WL ， 固相的質(zhì)量為W， 則合金的總質(zhì)量為 WL+ W有: WLCL+ WC=(WL+ W) C W(C-C)= WL(C- CL)arb

44、 若將合金成分C的 r 點看做支點，將WL、W看做作用于a 和 b 的力，則相當(dāng)于力學(xué)中的杠桿定律形象的比喻。 W= ( ar / ab )W0 WL = ( rb / ab )W0 杠桿定律只適用于二元相圖的兩相區(qū)arb 6 固溶體合金的結(jié)晶特點 與純金屬相比, 固溶體結(jié)晶特點： (1) 異分結(jié)晶 結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同，這種結(jié)晶稱為或選擇結(jié)晶。 (2) 結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)論：（1）勻晶轉(zhuǎn)變式：L；（2）單相區(qū)相成分與合金原始成分一致， 即坐標(biāo)點成分；兩相區(qū)成分：液相成分在液相線上，固相成分在固相線上(與溫度水平線的相交點)；（3）與純金屬不同，合金的結(jié)晶過程是在一定溫

45、度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不同溫度下兩平衡相的成分不相同，量也不同，兩相的相對量可依據(jù)杠桿定律計算得出。5 枝晶偏析 現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學(xué)成分不均勻 枝晶偏析理論上：冷卻速度無限緩慢時，擴(kuò)散使先凝固與后凝固的固溶體成分均勻一致，即固溶體晶體的長大過程是平衡不平衡平衡循環(huán)往復(fù)直到最后相圖規(guī)定的平衡成分。 原因： 合金凝固：L時在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，樹枝晶主干在較高溫度先凝固，枝及邊部在較低溫度后凝固；實際上： 冷卻過程非無限緩慢，擴(kuò)散不完全 枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成分不均勻稱之為枝晶偏析影響晶內(nèi)偏析的因素（1）分配系數(shù)k0 k0 = k / kL : 一定溫度下液固兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之比值。k0

46、1時, k0越小偏析越小。 實質(zhì)是與液相線和固相線間的水平距離或成分間隔有關(guān)間隔越小，偏析越小。k0 1 k0 1 晶內(nèi)偏析對合金的機(jī)械性能不利。 可用高溫擴(kuò)散退火(固相線下100200)的方法減輕或消除又稱均勻化退火（2）溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力：擴(kuò)散能力大偏析?。?）冷卻速度：一般V小，偏析小 但V過大時，因晶粒細(xì)小而成分均勻6 區(qū)域偏析: 固溶體合金由于不平衡結(jié)晶造成大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象 應(yīng)用：區(qū)域提純7 成分過冷 過冷度：Tm-T實際 由T實際改變引起的過冷 熱過冷相圖成分分布成分過冷區(qū)（1）成分過冷定義： 固溶體結(jié)晶過程中，盡管液相實際溫度分布一定，但由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化，改變

47、了液相的熔點，這種由成分變化引起的過冷現(xiàn)象稱為。（2）成分過冷對晶體成長形狀和鑄錠組織的影響 金屬一般為粗糙界面: 純金屬: 取決于液固前沿溫度分布 正溫度梯度平面晶； 負(fù)溫度梯度樹枝狀 固溶體： 取決于液固前沿溫度分布+成分過冷 負(fù)溫度梯度樹枝狀但正溫度梯度下： 隨成分過冷程度增大分別形成平面晶、胞狀晶和樹枝晶。G1：仍為正溫度梯度； 平面晶G2：小的成分過冷區(qū)； 胞狀晶G3：相當(dāng)于負(fù)溫度梯度； 樹枝晶Al-Cu合金三種晶粒組織平面晶胞狀晶樹枝晶平面晶所需過冷度較大，工業(yè)實際中通常達(dá)不到，故金屬、固溶體合金鑄件組織一般為樹枝晶組織。二 二元共晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時相

48、互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱為二元共晶相圖。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相圖都是二元共晶相圖。 共晶轉(zhuǎn)變式： L （液）（固）+ （固）2 相圖分析液相線: AEB ； 固相線: ACEDB固溶體溶解度線： FC, GD共晶線： CED 水平線；共晶點：E 點EABCDFG相 區(qū)： 單相區(qū) ：L、 兩相區(qū)： L+、L+、+ 三相區(qū)： L+共晶轉(zhuǎn)變式： LE M + N3 結(jié)晶過程分析 (1) 成分(共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFG冷卻曲線結(jié)晶過程示意圖 E : 共晶點(包含共晶的成分與溫度)共晶轉(zhuǎn)變式：LE C+ DEABCDFGLLLEC

49、 + DLE F + G實際轉(zhuǎn)變過程復(fù)雜：注意：(1) 共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(+) 多相鄰間隔協(xié)同長大，稱為共晶體或共晶組織；CF+GDG+F(2)共晶體中隨后析出的二次相多依附于原共晶體生長，故往往觀察不到。EABCDFG亞共晶成分： CE亞共晶轉(zhuǎn)變式： L c + (C +D)+ LC + LE C+ (C+D)L成分F+G+(F+G)先共晶相共晶體(組織) (2) 成分(亞共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFGL + ( LE + D ) (C +D) +DL成分 (F+ G) +G 過共晶成分： ED過共晶轉(zhuǎn)變式： D + (C +D)先共晶相共晶組織 (3) 成分(過共晶成分)結(jié)晶過程EABCDF

50、G 成分為勻晶轉(zhuǎn)變 (A-C; D-B)L ( L + ) F+GL成分 (4) 成分(勻晶成分)結(jié)晶過程 其它形狀共晶相圖4 合金的組織構(gòu)成EABCDFG 亞共晶合金： + 成分在FG之間的合金均由 +相構(gòu)成；但不同合金中兩相的形成過程與形貌各不相同。共晶合金與過共晶合金呢？(先共晶和共晶) (和共晶)各成分合金的組織構(gòu)成EABCDFG先共晶+ +(+)共晶先共晶+ +(+)共晶(+)共晶+例題：計算Pb-30%Sn合金冷卻到室溫時的相構(gòu)成與組織構(gòu)成，共晶體中各相所占的比例以及的百分含量。EABCDFG4問題：共晶體中兩相所占的比例如何計算?5 共晶組織形態(tài) 共晶體(共晶組織)定義： 由共晶

51、反應(yīng)形成的細(xì)密的兩相或多相機(jī)械混合物共晶組織形態(tài)：見 P 91層片狀棒狀球狀針狀共晶組織形態(tài)針狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀Pb-Sn共晶合金Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金的顯微組織6 共晶系合金的不平衡結(jié)晶現(xiàn)象（1）偽共晶 定義：由非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱為 形成條件： 過冷度或冷卻速度控制在右圖陰影區(qū)（2）離異共晶 定義：當(dāng)先共晶相數(shù)量較多而共晶組織較少時，先共晶相形成后，共晶組織中與先共晶相相同的那一相會依附在先共晶相上上生長， 形成條件：成分控制在M或N附近致使另一相單獨存在于晶界，從而失去共晶組織的特征，這種兩相分離的共晶稱為 Al-4%Cu合金的鑄態(tài)組織 均

52、勻退火后三 包晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖。 PtAg、SnSb、CuSn、CuZn 包晶轉(zhuǎn)變式： L + 單相區(qū) L、；兩相區(qū) L、L、三相區(qū) P D C（包晶轉(zhuǎn)變線） 包晶轉(zhuǎn)變2 相圖分析 液相線 A C B 固相線 A P D B 溶解度曲線： P E、D FPtAg合金+ L(P + LC)DLDF+E組織組成：+PtAg合金組織組成：+ LP + LCP+ DLDP+(P+LC)PtAg合金 組織組成： + LP + LCLC + DLDLC+(P+LC)+ 實際中受擴(kuò)散條件限制，包晶轉(zhuǎn)變往往不完全 非平衡態(tài)共晶、包晶、共

53、析反應(yīng)圖型與反應(yīng)式比較共析轉(zhuǎn)變： 一個固相中同時析出兩個新的固相穩(wěn)定化合物的相區(qū)呈直線 Mg2Si Fe3C四 相圖與合金性能之間的關(guān)系（一）機(jī)械性能和物理性能固溶體強(qiáng)硬度較純金屬高純金屬導(dǎo)電性較固溶體高線性共晶成分附近性能突變（二） 鑄造性能鑄造缺陷： 偏析、疏松、縮孔等 結(jié)晶的溫度范圍、成分范圍越大，偏析、縮孔等越嚴(yán)重。鑄造性能取決于結(jié)晶區(qū)間：液固相線之間距離越大(溫度和成分的間距)，鑄造性能越差。結(jié)論： 純金屬、共晶體鑄造性能最好流動性好偏析傾向小減少分散縮孔為集中縮孔偏析傾向（三） 鍛造、壓力加工及切削加工性能 單相固溶體的鍛造與壓力加工性能較佳，但切削加工性能不好； 合金為兩相混合物

54、時，切削加工性能較好，但鍛造與壓力加工性能較差?？傮w： 單相固溶體不宜制作鑄件而適于承受壓力加工；鑄造材料應(yīng)當(dāng)選用共晶體盡可能多的合金 關(guān)于相構(gòu)成與組織構(gòu)成：第三章 習(xí)題與思考題1 解釋下列名詞： 合金 組元 相 組織 2 什么是固溶體？什么是金屬間化合物？二者在結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用上各有何不同？3 什么是固溶強(qiáng)化？該強(qiáng)化方式有何特點？Mn和C在鋼中的強(qiáng)化效果哪個大？為什么？4 有形狀相同的兩個Cu-Ni合金鑄件，一個含50Ni，一個含10Ni，鑄件自然冷卻后，哪一個鑄件的偏析嚴(yán)重？5 為什么鑄造合金常選用共晶成分的合金？6 討論：Pb-Sn合金相圖如下所示：(1) 試標(biāo)出各區(qū)域的組織；(2) 指

55、出組織中含最多和最少的成分；(3) 指出組織中含共晶體（）最多和最少的成分，(4) 指出最容易和最不容易產(chǎn)生枝晶偏析的成分；(5) 含30Sn的Pb-Sn合金在183剛結(jié)束共晶反應(yīng)時和室溫時，各具有何種相構(gòu)成與組織構(gòu)成？第四章 鐵碳合金 本章是本課程的重點章 本章目的： 1 介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相； 2 分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程和其成分組織性能間關(guān)系；說明鐵碳相圖的基本應(yīng)用； 3 介紹各種碳鋼的牌號及應(yīng)用。本章重點：（1）重要概念：鐵素體 奧氏體 珠光體 萊氏體 共晶滲碳體 共析滲碳體 二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；鐵碳合金中各

56、種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關(guān)系 1 鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金應(yīng)用最廣泛的合金 一 鐵碳合金中的基本相和基本組織 (一) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能 1 純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A4A3A2(770)居里點(順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一2 純鐵的顯微組織 單相的Fe3 純鐵(工業(yè)純鐵)的性能 強(qiáng)度低(b=180230MPa); 硬

57、度低(50HBS80HBS)、軟; 塑性好(:3050； :70 80 ) 鐵磁性4 應(yīng)用： 儀器儀表用軟磁鐵芯（二） 鐵碳合金中的基本相和基本組織 1 基本組元： Fe、C 2 基本相： （1）鐵素體(或 F ) ： 定義: C在體心立方Fe中的間隙固溶體 但C在Fe中的溶解度極小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能: 強(qiáng)硬度低(50HBS80HBS)， 塑韌性好(:70 80 ; Ak=160J ) 與工業(yè)純鐵同良好塑韌性鋼中基體相（2）奧氏體(或 A ) 定義：C在面心立方Fe中的間隙固溶體 溶碳量較大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能:

58、 強(qiáng)硬度較低； 塑性較好, 變形抗力較低, 易于鍛壓成形; 順磁性。 熱加工(塑性變形) 相 合金化后成為室溫基體相(無磁性)；（3）滲碳體(Fe3C) Fe與C形成的金屬化合物，含6.69%C， 復(fù)雜正交晶系。 性能 強(qiáng)度低：b= 30MPa; 硬度高：800HB 無塑性：=0; =0; Ak=0 弱的鐵磁性(0.9%后，強(qiáng)度反而下降；原因： 與構(gòu)成相或組織的性能有關(guān)。 鐵素體相: 軟韌相， 滲碳體相：硬脆相； 珠光體組織的性能介與兩者之間: 強(qiáng)韌 F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 8

59、00 硬度： 非組織敏感性能 主要取決于相構(gòu)成，包括組成相的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。 相構(gòu)成： FFe3C 隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C) 亞共析鋼硬度與相構(gòu)成或碳含量關(guān)系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %強(qiáng)度： 對組織形態(tài)很敏感。故不僅與相構(gòu)成有關(guān)，更主要的與組成相的形態(tài)、分布即組織構(gòu)成有極大關(guān)系。亞共析鋼： F先+P構(gòu)成，均為韌性組織，強(qiáng)度與硬度一致。隨碳含量增加，鋼中強(qiáng)韌的P組織數(shù)量增加，而強(qiáng)硬度很低的F先不斷下降，故合金強(qiáng)度隨硬度增大而增大

60、；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40過共析鋼： Fe3C先+P，為韌性組織脆性組織 與脆性組織(Fe3C先)的形態(tài)直接相關(guān)： C0.9%1.0%后，隨C而陡降。出現(xiàn)網(wǎng)狀Fe3CFe3C為沿晶粒狀塑韌性： Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由 F 提供，隨C%增高， F不斷減少，故塑韌性不斷下降。思考題： 試從化學(xué)成分、相構(gòu)成、組織構(gòu)成等方面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機(jī)械性能進(jìn)行分析、比較、解釋。 (三) 對工藝性能的影響 1 切削加工性能 材料的硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度; 材料的硬度太硬,刀具磨損嚴(yán)重。 鋼的