1、工程材料,机械设计基础,绪 论,第一章 工程材料的理论基础,第二章 铁碳合金,第三章 钢的热处理,第四章 合金钢及炮钢,第五章 有色金属及合金,第六、七、八章,1.3 工程材料的凝固与结晶,1.1 工程材料的力学性能,1.2 工程材料的晶体结构,1.4 金属的塑性变形与再结晶,第一章 工程材料的理论基础,1.5 二元相图,第一章 1.3 工程材料的凝固与结晶,凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程 结晶：凝固后的固态物质是晶体,纯金属的结晶,金属的结晶过程,细化晶粒,陶瓷、聚合物的凝固与结晶,纯金属的结晶,Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度T：过冷度 T Tm Tn,纯金属的冷却曲线,液态金
2、属不同冷却速度下的冷却曲线,金属的结晶过程,形核 晶核长大,结 晶 过 程 示 意 图,晶 体 长 大 示 意 图,细化晶粒,细化晶粒（细晶强化）:增大过冷度变质处理附加振动,细化晶粒,生核率、成长率 和过冷度的关系,晶界长，变形抗力大，强度、硬度高； 晶粒多，分布到各晶粒变形量少且均匀，塑性、韧性好。,为什么晶粒愈细，材料的强度、硬度越高，塑性、韧性也越好？,陶瓷、聚合物的凝固与结晶,陶瓷中主要组织物如氧化物、硅酸盐是晶体，但石英（SiO2）因液体阻力大凝固时原子不能形成晶体结构。 聚合物由液态变为固态，主要由其大分子链决定。通常因其粘度高凝固时一般得不到晶体。,第一章 1.4 金属的塑性变
3、形与再结晶,金属塑性变形的实质,塑性变形后的金属组织及性能,金属塑性变形的实质,外力作用下，金属的变形过程： 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形 弹性变形的实质： 原子偏离平衡位置 塑性变形的实质： 晶粒内各部分产生相对滑移,通过位错运动 造成滑移示意图,为什么晶粒愈细，材料的强度、硬度越高，塑性、韧性也越好？ 晶界长，变形抗力大，强度、硬度高 晶粒多，分布到各晶粒变形量少且均匀，塑性、韧性好,塑性变形后的 金属组织及性能,金属的热变形,金属的加工硬化,金属的再结晶,加工硬化,金属的加工硬化现象,金属随变形程度增大，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。（也称形变强化或冷作硬化）,滑移面附近晶格畸变示意
4、图,再结晶,再结晶就是？ 再结晶后结果？ T再0.4T熔(K) 再结晶退火？,热变形,冷变形： 金属在其T再以下进行塑性变形。 热变形： 金属在其T再以上进行塑性变形。,锻钢曲轴中的流线分布,和冷变形相比，热变形具有的优点,1、热变形金属具有再结晶组织，加工硬化现象被消除 2、热变形可消除铸态金属的某些缺陷，热变形后金属的力学性能提高 3、热变形能改变铸锭中非金属夹杂物，使金属的力学性能具有明显的各向异性,和冷变形相比，热变形具有的优点,锻钢曲轴中的流线分布,第一章 1.5 二元相图,合金中的基本相,二 元 相 图,合金中的基本相,相的含义物质系统中，具有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质，
5、并有界面分开的均匀组成部分。,组织的含义材料内部各种组成物（如晶粒、相等）的数量、大小、形状和分布等特征。,相、组织和性能间的关系相构成组织；组织决定性能,材料基本相,金属化合物,非 晶 相,固 溶 体,合金基本相,固溶体在固态下组元之间互相溶解并保持某组元的晶体结构不变而形成的新相。,固溶强化由于溶入溶质原子而引起材料强度、硬度升高的现象,固溶体类型,间隙固溶体,置换固溶体,固溶体类型,形成固溶体时的晶格畸变,各组元相互作用形成的晶格类型不同于任一组元并具有金属性质的新相,金属化合物,相图含义及作用,二元相图的建立,共 晶 相 图,匀 晶 相 图,相图与性能的关系,其它类型的相图,二元相图,
6、相图含义及作用,相图含义：相图是表示材料在不同的成分下、在不同的温度下，具有何种相结构（或组织状态）的图形。,相图作用：相图是制订铸造、锻造、焊接特别是热处理等加工工艺的重要依据。,二元相图的建立,1.配制系列成分的CuNi合金,2.用热分析法，测出每种合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点温度,3.在成分（横）温度（纵）坐标系中，各成分垂线上标注对应的临界温度,4.把意义相同的临界点连成线，标明各区域内存在的相，就得到CuNi合金相图,配制系列成份的CuNi合金,铜镍合金临界点温度,CuNi合金相图的建立,匀 晶 相 图液态和固态均能无限互溶时形成的相图,相 图 分 析,合 金 结 晶 过
7、 程,杠 杆 定 律,枝晶偏析与扩散退火,特性点A、B 特性线AaB、AbB相区L、L+ ,相 图 分 析,CuNi合金的结晶过程示意图,合金结晶过程：L L+ 在结晶过程中，液（固）相的成分随着温度的变化分别沿着液（固）相线变化,CuNi合金的 结晶过程示意图,杠 杆 定 律,推导过程： 由 WL + W = 1 WL x%+W x%=1k% 得 WL= k x / xx 100% W =xk / xx 100% 因而 WL / W = kx / xk,用来求二元相图两相区内任一温度下两相的相对重量，适用于相图中任何两相区,杠杆定律的力学比喻,枝晶偏析：实际生产中，因冷却速度较快造成晶粒内成
8、分不均匀的现象。,枝晶偏析与扩散退火,扩散退火：又称均匀化退火，它是经加热（仍为固相）、保温、缓冷的工艺，使成分均匀化。,CuNi合金 枝晶偏析示意图,富Ni 区,富Cu 区,两组元液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶转变而形成的相图,共 晶 相 图,PbSb合金相图及成分线,共晶转变,二次结晶 与弥散强化,典型合金结晶过程,合金,合金,合金,合金,PbSb合金相图及成分线,共 晶 转 变, 一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应,d为共晶点，产物(+)称为共晶体，是两相机械混合物,当二次相以细小粒子均匀分布在固溶体的晶粒之中时，会使合金的塑性、韧性稍有下降而强度、硬度显著增加、这一现
9、象称为弥散强化,二次结晶与弥散强化,从固态相中析出另一种固态相的过程称为二次结晶,典型合金的结晶过程 合金：L L+ + 合金：L + + + + ( +) 合金 ：L L+ + + + ( +) 合金 ：L L+ + + + ( +),合金的结晶过程示意图,合金：L L+ +,共晶合金（合金）的结晶过程示意图,合金：L ( +) ( + + + ),亚共晶合金（合金 ）的结晶过程示意图,合金 ：L L+ ( +) + ( +) +,过共晶合金（合金 ）的结晶过程,合金 ：L L+ ( +) + ( +) + + ,标注组织的PbSb相图,其它类型的相图,共 析 相 图,形成稳定化合物的相图,共 析 相 图,合金力学性能与相图的关系,
