1、材料是人类文明生活的物质基础，人类历史的石器时代、青铜时代和铁器铁时代就是按生产活动中起主要作用的工具材料划分的。 材料的发展史，就是人类社会的发展史，是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。 现代社会中，材料对工业和科技领域的发展都起着举足轻重的作用。 目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,近一二十年来，金属材料的发展受到了巨大的压力，这种压力来自外部和内部两个方面： 外部压力：从20世纪中期开始，高分子材料的崛起，尤其是工程塑料从性能到应用许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上原料丰富、价
2、格便宜，产量以惊人的速度增长。与此同时，先进陶瓷材料也崭露头角，特别是在现代电子工业中占有重要地位。因此，材料领域从金属材料的一统天下转变为金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局。 内部压力：主要是能源、资源和环境三个方面。 金属材料的近百年的大力发展，某些主要的金属矿 产资源日渐紧张，高品位的金属矿产很快减少，低 品位的矿产使能源消耗和成本增加。金属工业是能 源的最重要消耗者，也是严重的环境污染者。这些 问题对金属材料今后的发展提出了有力的挑战。,金属材料可分为几类： 按组成成分分：纯金属（简单金属）、合金（复杂金属）。 按实用分：黑色金属（指铁和铁的合金）、有色金属（指除黑色金属外的金属和
3、合金）。,金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两类： 金属材料使用性能：指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，包括机械性能(如强度、塑性、弹性、硬度等) 、物理性能(如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等) 、化学性能(如耐蚀性、抗氧性、化学稳定性)等。 金属材料使用性能的决定了零件的使用范围与使用 寿命。 金属材料工艺性能：指机械零件在加工制造过程中， 金属材料在冷、热加工条件下表现出来的性能(铸造性、 可焊性、可锻性、热处理性、切削加工性等)。 金属材料工艺性能决定了材料在制造过种中被加工 成成品的难易。加工条件不同，体现 出的性能也就不同。,一般机械零件都是在常温、
4、常压和非强烈腐蚀介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同形式载荷的作用。 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能称为机械性能或称为力学性能。 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。 承受载荷性质不同，对金属材料的机械性能要求也将不同。 常用的机械性能包括强度、硬度、冲击韧性、多次中击抗力和疲劳极限等。材料的这些性能以量值的形式体现，按一这的值选取，下面将分别讨论各种性能的测量方法和使用。,金属材料在静载荷的作用下抗永久塑性变形和断裂的能力称为强度。,1.强度,金属材料的强度要通过拉伸实验得出强度 性能指标。 静载荷拉伸试验是工业上最常用力学性能试验方法之一。试验时在试样的两端
5、缓慢地施加试验力，使试样的标距部分受轴向拉力，沿轴向伸长，直至试样拉断为止。试验目的： 测定试样对外加试验力的抗力，求出材料的强度值； 测定试样的破断的塑性变形的大小，求出材料的塑性值。,1.强度,拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量L（某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差L=Lu-Lo）的FL曲线称为拉伸曲线图。整个曲线可分为以下几个阶段： 【op/pe阶段】直线，弹性变形阶段，卸去载荷时，试样完恢复原状。 【es阶段】曲线，屈服阶段(弹性变形+塑性变形)。s点出现“屈服“ 现象，出现明显塑性变形。 【sb阶段】曲线，均匀塑变(弹性变形+均匀塑性变形)。b点为最大载荷，试样出现“缩颈”现象，拉伸
6、力达到最大值，试样即将断裂。Z点试样被拉断。,1.强度,弹性极限点e 弹性极限是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，可按下式计算： e=Fe/AoFe：试样产生完全弹性变形时的最大载荷；A0：试样原始横截面积(mm)。,1.强度,屈服强度s 屈服强度是材料开始产生明显塑性变形时的最应力，可按下式计算： s=Fs/AoFs：试样屈服时的载荷；S0：试样原始横截面积(mm)。 屈服强度的理论意义是作为塑性材料的设计依据，即零件产生塑性变形即定义为破坏。,1.强度,抗拉强度b 抗拉强度是材料断裂前的最大应力值，对应材料承受最大均匀塑性变 形的抗力，即： b=Fb/Ao Fb：试样断裂前所承受的
7、最大载荷；S0：试样原始横截面积(mm)。 抗拉强度表示材料抵抗断裂的能力，是设计结构和零件、评定金属材料的重要指标之一。脆性材料没有屈服现象，则用b作为材料设计的依据。,1.强度,塑性是指金属材料在载荷下产生塑性变形而不破坏的能力。常用 塑性指标是延伸率 和断面收缩率 两个指标均用百分率(%)表示。 延伸率 是指试样拉断后的伸长量与原始标距之比的百分数，即：,2.塑性,L1试样拉断后的的标距 ； L0试样原始标距,断面收缩率 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,2.塑性,A1试样拉断处的最小横截面积 ； A0试样原始截面积。 塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义
8、。将5% 的材料称为脆性材料； 5% 称为塑性材料。 塑性好的材料适宜于各种压力加工，如冲压、挤压、冷拔、热轧及锻造等。,硬度指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部抗塑性变形的能力，是金属材料一项重要的技术指标。 硬度是金属材料热处理后常用的机械必能指标，有时硬度指标要作为技术要求被标在零件图上，也是硬度要求较高的工具、模具必检的质量指标。 一般情况下，硬度值和抗拉强度值之间存在一定的对应关系，要求不高时可以估算。 在工程上常用的硬度指标根据材料的软硬程度可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度3种。,3.硬度,用一定大小的试验力F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面
9、，保持规定的时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d，然后按公式求出布氏硬度HB值。 优点：测定结果准确，能消除因不均匀引起的测量误差； 缺点：压痕大，不适应测量 成品件硬度，也不宜测量薄件硬度；测量 速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表而且操作不够简单。 在工程上有时可以利用布氏硬度工值与抗拉强度之间有近似的正比关系进行估算，,3.硬度,用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。 用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度，由公式求出，可在洛氏硬度计上直接读出
10、。 优点：试验简单、方便、迅速；压痕小，可测成品，薄件. 缺点：数据不够准确，应测三点取平均值；不应测组织不均匀材料，如铸铁。 测量范围： 用于测量淬火钢、硬质合金等材料。,3.硬度,用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。 维氏硬度值：用压痕对角线长度表示。如：640HV。 优点：测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；可测成品与薄件； 缺点：试样表面要求高，费工。 测量范围 ：常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,3.硬度,冲击韧性是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试
11、验来测定金属材料的冲击韧度。 机械零部件在服役过程中不仅受到静载荷或变动载荷作用，而且受到不同程度的冲击载荷的作用。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料 冲击吸收功或冲击韧度。 在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。 试验表明：在冲击能量不太大的情况下，其承受反复冲击的能力主要取决于强度，而不是很高的冲击韧性ak 。,4.冲击韧性,实验时，将标准试样放在冲击试验机的支座上，然后把质量为m的摆锤提升h1高度，摆锤由此高度落时将试样冲断，度升到h2高度。因此，冲断试样所消耗的功为 Ak=mg(h1-h2) 冲击吸收功Ak越大，
12、冲击韧性越好。冲击值低的材料即脆性材料，如铸铁，其Ak值很低，因此不能用来制造需承受冲击载荷的零件。除了材料性质 以外，冲击功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。,4.冲击韧性,在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。 疲劳强度金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。,5.疲劳强度,一段铁丝弯一次一般不会断，但经反复弯折，或早或迟就会断开。这是什么原因呢？这里面涉及到材料的一个基本特性疲劳。,5.疲劳强度,让我们看看铁丝是怎样被弯断的。在这个
13、状态下，铁丝上表面的材料处于拉伸应力中，而下表面材料处于压缩应力中。当弯曲的方向改变时，上表面和下表面受力也发生变化。 由于反复的弯曲铁丝，铁丝上下表面不断的处于拉伸-压缩-拉伸这样的交替应力中。材料在这种反复应力状态下的强度要低于静止应力状态下的强度。当达到一定的弯曲次数后，铁丝就断了。,应力越大，寿命越短 一根铁丝，反复弯曲的越厉害，铁丝断裂所需要弯曲的次数越少，断裂的越迅速。这符合我们的生活直觉的。 疲劳寿命具有累积性 比如，一根铁丝在弯曲一千次的时候会断裂。如果今天弯曲了一百次，搁置一边，第二天继续弯曲，那么需要再弯曲它多少次，铁丝才会断裂呢？是不是铁丝在休息了一夜之后，寿命又恢复到了
14、一千次？不是的。由于你在前一天已经弯曲了它一百次，你只要再弯曲它九百次它就会断裂了。这就是材料寿命的累积性。,5.疲劳强度,在设计和工程应用时除要根据实际工况考虑选择材料的各项机械性能参数，还要充分考虑金属材料的物理性能、化学性能等，这些性能在特殊要求的工作环境下起到非常重要的作用。 金属材料的物理性能是：指金属特有的属性：如密度、磁性、熔点、导电性、光泽、热膨胀性等。 金属材料的化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。,单位体积内所含某种物质的质量称不该物质的密度。表达式如下： P=m/v P物质密度，单位为kg/m3 m物质质量，单位为kg v物质的体积，单位为m3 密度是金属材料的特性
15、之一，不同金属材料的密度是不同的。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量(重量)也就越大。 金属材料的密度，直接关系到它所制成设备的自重和效能。一般将密度小于5X103kg/m3的金属称为轻金属。密度大于5X103kg/m3 称为重金属。在要求特殊和有重量要求时一般选择合适的金属，如航空航空天零件一般用轻金属材料来制作。,1.物理性能度,金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。 每种金属都有同定的熔点。而合金的熔点取决于它对的成分，是个变化的值。 如，钢和生铁都是铁和碳的合金，但由于含碳量不同，熔点也不同。 熔点是金属和合金冶炼、铸造、焊接等热加工的重要工艺参数，熔点高的金属称为难
16、熔金属(如钨、钢、钒等)，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮和喷气式飞机上得到广泛 应用。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造印刷铅字、保险丝(铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。,1.物理性能度,金属材料传导热量的性能称为导热性。导热性的大小通常用来热导率来衡量，热导率越大，金属的导热性越好。 金属的导热能力最好的是银，其次是铜、铝，一般合金的导热性比纯金属差。 导热性是金属材料的重要性能之一，在制定焊接、铸造、铸造和热处理工艺时，除了考虑熔点以外还必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，从而使金属材料在热加工后产生变形或破坏。
17、 导热性好的金属其散热性能好，因些在制造散热器、热交换与活塞等零件时要选用导热性好的金属材料，如使用铜和铝材料做散热器和暖气片。,1.物理性能度,金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性的指标是电阻率，电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。 电阻率越小，金属导电性能越好，金属导电性以银为是好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差，导电性好的金属如纯铜、纯铝，适合做导电材料，如用它制作电缆和电线；导电性差的金属如铁铬铝合金适于做电热元件 。,1.物理性能度,金属材料随着温度变化而发生膨胀或收缩的特性物称为热膨胀性。 一般来说，金属受热时膨胀，体积增大；冷却时收缩，体积减少。热膨胀性
18、大小用线胀系数和体胀系数表示。体胀系数近似为线胀系数的3倍。在很多实际工作中需要考虑材料热胀冷缩的影响 。例如，在加工工件时要在温度底时测量工件的尺寸，否者就很容易 出废品一。,1.物理性能度,金属材料在磁场中受到磁化能吸引金属的性能称为磁性。 根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可将金属材料分为铁磁性材料(如铁，钴等)、顺磁性材料(如锰、铬等)和抗磁性材料(如铜、锌等)3类。 铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或消弱外磁场对材料本身的磁化作用。 工程上使用的磁性料是铁磁性材料，铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测试仪表等。顺磁材料
19、用于电磁铁、电器开关、电机、液压控制开关等，抗磁性材料则用做要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。 铁磁材料在温度升高到一定数值时，磁性被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，在工程上常按需要来进行转变。,1.物理性能度,金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他 化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。因机械工作环境的复杂性，一些介质的腐蚀作用对金属材料的危害很大。它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大事故。这种现象在制药、化肥生产 、制酸、制大碱、医疗等部门表现的尤为突出。因此，提高 金属材料的耐腐蚀性能对于延长金属材料的使用寿命具有现实 的经济意义。,2.化学
20、性能,金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 金属材料的氧化随温度升高而加剧。例如，钢材在铸造、铸造、热处理和焊接等热加工时表面的氧化现象比较严重，这不仅造成材料的过量损耗，还可能形成各种缺陷。为此，在加工时常在工件的周围形成一种保护气层，避免金属材料的氧化。,2.化学性能,化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称 。金属材料在高温下的化学稳定 性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备 (如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件 应选用 热稳定,2.化学性能,工艺性能是指金属材料对不同加工艺方法的适应能力，即金属材料采用某种加工方法制成产品的难易程度。 金属材料的工艺性
21、能包括铸造性能、铸造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。 工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材的制订零件加工工艺路线时必须考虑的因素 之一。,金属在铸造成形过程中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩 性和偏析等。 (1)流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。它主要受金属化学成分和浇注积温度等影响。流动性动金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 (2)收缩性：缩不仅影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故用于铸造的金属其收缩越小越好。 的材料来制造。 (3)偏析：金属凝固后，内部化学成分中组
22、织的不均匀现象穭为偏析。偏析严重时能使铸铁产生铸造缺陷。,1.铸造性能,了解金属的内部组织结构，对掌握金属材料的性能是非常重 的，这使用于理解 微观的粒子结构，在分析问题时引入了一些简单、抽象的模型，便于学习过程中的理解和掌握。 自然界中的固态物质，虽然外表各异、种类繁多，但都是由原子或分子堆积而成的。根据内部原子堆积的情况，通常可以分为晶体和非晶体两大类。,晶体原子排列结构 非晶体原子排列结构,单晶体 多晶体,提示：不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能；金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。,晶向,3. 金属晶体常见的晶体类型(2/9),
23、3. 金属晶体常见的晶体类型(3/9),3. 金属晶体常见的晶体类型(4/9),3. 金属晶体常见的晶体类型(5/9),由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化；这是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因； 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 使它们的形变能力不同。,3. 金属晶体常见的晶体类型(6/9),3. 金属晶体常见的晶体类型(7/9),3. 金属晶体常见的晶体类型(8/9),3. 金属晶体常见的晶体类型(9/9),4.晶体的缺陷(1/5),4.晶体的缺陷(2/7),空位 间隙原子,4.晶体的缺陷(3/7),4.晶体的缺陷(4/7),4.晶体
24、的缺陷(5/7),4.晶体的缺陷(6/7),面缺陷的种类 面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。,4.晶体的缺陷(6/7),由于晶界处原子排列不规则，偏离平衡位置，因而使晶界上原子的平均能量高于晶内原子的平均能量，这部分高出的能量称为晶界能。晶界能的存在和原子排列不规则使晶界具有一系列不同于晶内的特性。 晶界比晶内易受腐蚀，晶界处熔点低，晶晶界对塑性变形的阻碍作用等。在常温下，晶界处不易产生塑性变形，故晶界处硬度和强度均较晶内高。晶粒越细小，晶界亦多，则金属的强度和硬度亦越
25、高。,前言,1.合金的基本概念,1.合金的基本概念,1.合金的基本概念,1.合金的基本概念,2.合金的相结构,固溶体的分类： 按溶质原子在晶格中所占位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 置换固溶体：溶质原子占据了溶剂原子晶格结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。,2.合金的相结构,置换固溶体 间隙固溶体,形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者晶格类型、原子直径的差别和它们在周期表的相互位置。,当溶质与溶剂原子半径相接近时，溶质原子不能处于溶剂晶格的间隙中，而只能占据溶剂晶格的结点位置，保持溶剂晶格不变，但引起晶格常数的改变。 根据固溶体中溶剂原子溶解情况 ，置换
26、固溶体又分为有限 溶体和无限固溶体。 若溶质原子在溶剂中的溶解量受到限制，只能部分占据溶剂 晶格的结点位置，则称为有限固溶体； 若两组元可以按任意比例溶解，即溶剂原子能无限制地占据 溶剂晶格的结点，则形成无限固溶体。.,2.合金的相结构,由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，使合金的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。这种通过溶入原子，使合金强度和硬度提高的方法叫固溶强化。固溶强化是提高材料力学性能的重要途径之一。,2.合金的相结构,(2)金属化合物 金属化合物是合金元素间发生相互作用而生成 的具有金属性质 的一种新相，其晶格类型和性能不同于合金中的任一一组成元素，一般可有分子式来表示。
27、金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。 金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁金属的重要组成相。,1.结晶的概念,晶体物质都有一个平衡结晶温度(溶点)，液体低于这一温度时才能结晶，固体高于这一温度时便发生熔化。 在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，处于平衡状态。 非晶体物质无固定的凝固温度，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。,2.纯金属的结晶 (1/5),2.纯金属的结晶 (2/5),2.纯金属的结晶 (3/5),液态金属 形成晶核 晶核长大 部分结晶 完全晶体程,2.纯金属的结晶 (4/5),【非
28、自发形核】在实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒。金属结晶时，依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易。这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核。 能起非自发晶核作用的杂质，其晶体结构和晶体参数应与金属的相似，这样它才能成为非自发晶核的基底。 自发晶核和非自晶核同时存在于金属液 中，但非自发形核往往起优先和主导作用,2.纯金属的结晶 (5/5),由于每个晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界,3.金属结晶后的晶粒大小控制 (1/2),纯金属的多晶体显微组织,3.金属结晶后的晶粒大小控制 (2/2),工业上常用以下方法来细化晶粒： 增加过冷度：
29、随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 变质处理：在金属液中加入一些难熔的变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理。变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 附加振动：在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。,4.金属同素异晶转变(1/2),大多数的金属结晶后，在继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化
30、。但某些金属在固态下，因所处温度不同，而具有不同的晶格形式。 同素异晶转变 金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶体的晶体，称为同素异晶体。 液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有体心立方晶格的-Fe；继续冷到1394时发生同素异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格-Fe；再继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe。 纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。,4.金属同素异晶转变(1/2),同素异晶的重结晶（二次结晶） 金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。它也是一
31、个结晶过程，只不过这个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶。 重结晶的特点 (a)需要较大的过冷度 ：重结晶的过程遵循结晶规律。有一定的转变温度，转变时需要过冷、有潜热产生。转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但由于同素异晶转变是在固态下进行的，其原子扩散要比液态下困难的多，因此转变需要较大的过冷度。 (b)产生较大的内应力：当晶体从一种晶格类型转变为另一种晶格类型时，有致密度的变化，则会引起晶体体积的变化，而产生较大的内应力。 例如，-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，产生内应力，严重时导致工件变形和开裂。 同素异晶转变是金属的一个重要性能，
32、凡具有同素异晶转变的金属及合金，都可用热处理方法改变其性能。,5.合金的结晶概念,6.二元合金相图,7.二元合金相图的建立,7.二元合金相图的建立,(3)Cu-Ni合金相图简介 A点为纯铜的熔点(10830C)；B为纯镍的熔点(14450C)； 为液相线，在此线以上，合金为液相L；为固相线，在此线以下，合金处于固相，金属相为Cu-Ni组成的无限固溶体，用表示； 液相与固相线之间为固液相两相共存区。即L+a.,液相线,固相线,液相区,固相区,液相线,7.二元合金相图的建立,(4)合金结晶过程分析 以x0点成分的Cu-Ni合金为例，分析结晶过程： 在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至1-2温度
33、之间时，合金发生匀晶反应，从液相逐渐结晶出固溶体。2点温度以下，合金全部结晶为固溶体。,1,2,0-1,1-2,2-3,1,2,3,与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括形核与长大两个过程，同时，在两相区间，当温度一定时，两相成分(即Ni)是确定的，固溶体结晶时成分是变化的(L相沿l1 l2变化，a相沿C1-C2变化)，缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成 的是成分均匀的固溶体。,为使金属材料形成所需要的形状和尺寸，工业生产中广泛采用锻造、挤压、轧制、冲压、拉拔、车、铣、刨、钻等加工方法。通过压力加工时的塑性变形，金属材料的组织和性能得到一定的那改善。,各种金属制品在工作时要受
34、到外力的作用，具有一定塑性的金属材料在受外力而破坏时总要经过塑性变形阶段。 研究金属塑性变形的规律对改善产品质量和合理使用金属材料都具有十分重要的意义。,冲圧,1.金属材料变形特性,2.单晶体的塑性变形(1/8),2.单晶体的塑性变形(2/8),2.单晶体的塑性变形(3/9),外力在上的分解晶面,切应力作用下的滑移变形,锌单晶拉伸照片,2.单晶体的塑性变形(4/8),2.单晶体的塑性变形(5/8),2.单晶体的塑性变形(6/8),拉伸时晶体转动示意图,2.单晶体的塑性变形(7/8),2.单晶体的塑性变形(8/8),孪生与滑移的主要区别,3.多晶体的塑性变形(1/4),3.多晶体的塑性变形(2/
35、4),多晶体金属的塑性变形抗力比相同材料单晶体要大的很多。,3.多晶体的塑性变形(3/4),晶向示意图,3.多晶体的塑性变形(4/4),4.塑性变形后金属的性能(1/7),4.塑性变形后金属的性能(2/7),4.塑性变形后金属的性能(3/7),4.塑性变形后金属的性能(4/7),4.塑性变形后金属的性能(5/7),4.塑性变形后金属的性能(6/7),按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：,4.塑性变形后金属的性能(7/7),5.热变形加工与冷变形加工,6.热变形加工与冷变形加工的区别,7.金属的热加工(1/6),7.金属的热加工(2/6),7.金属的热加工(3/6),黄铜60%变形
36、270度再结晶 350度再结晶 750度再结晶,7.金属的热加工(4/6),7.金属的热加工(5/6),7.金属的热加工(6/6),8.金属热变形加工时性能的变化,8.金属热变形加工时性能的变化,钢铁材料是现代工业中应用最为广泛的材料。虽然它们的种类很多，但都是以铁和碳作为基本组元的合金。 要了解铁碳合金，首先应研究铁碳相图。 铁碳相图是研究在平衡状态下，铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具，掌握铁碳相图对于制定钢铁材料的加工工艺具有重要的指导意义。,由于铁和碳之间相互作用的复杂性，铁和碳可以形成Fe3C、 Fe2C 、 FeC 等一系列稳定的化合物，而稳定的化合物可以作为
37、一个独立的的组元，因此，整个铁碳相图可以分解为Fe- Fe3C 、Fe3C- Fe2C 、 Fe2C- FeC等一系列二元相图。 鉴于C5%的铁碳合金没有实用价值，研究的铁碳相图，实际上是Fe和Fe3C二个基本组元组成Fe- Fe3C相图。,要了解铁碳合金，首先应研究铁碳相图,1. 纯铁的同素异构转变,金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。,2. 纯铁的同素异构体转变过程(1/2),由于纯铁具有同素异构转变，因而才有可能对钢和铸进行各种热处理，以改变其组织和性能。,2. 纯铁的同素异构体转变过程(2/2),金属的同素异构转变的一般规律： 金属的同素异构转变
38、与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律： (a)在发生同素异构转变时，需要过冷，也会放出潜热； (b)新同素异构晶体的形成也包括形核和长大两个过程来完成的；,例如 -Fe转变为 - Fe时，铁的体积会膨胀约1。它可引起钢淬火时产生应力， 严重时会导致工件变形和开裂。,3. 铁碳合金的基本组织(1/4),碳溶于-Fe中形成的间隙溶体称为铁素体，常用F表示。由于体心立方晶格原子间的空隙较小，碳在-Fe中的溶解度很低，在727时溶碳量最大，可达0.0218%。随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量几乎为零(约为0.0008%)。,铁素体的力学性能几乎与
39、纯铁相同，其强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。工业纯铁(C0.02%)在室温时的组织即铁素体晶粒组成。,3. 铁碳合金的基本组织(2/4),3. 铁碳合金的基本组织(4/4),1. 铁碳合金的相图,2. 铁碳合金的相图分析(1/8),主要特性点 在铁碳相图中，有很多晶相转换点，这些点代表着铁碳合金在冷却或加热的过程中，铁碳合金钢内晶相的变化，各个点代表的温度如下,2. 铁碳合金的相图分析(2/8),主要相区 (1)三个单相区 液相区：ACD以上区为液相区，用字符L表示； 奥氏体相区：AESGA区，用字符A表示，E点对应的成分(2.11%)，是碳在铁素体中的最大溶解度 铁素体相区：GPQG
40、区，用字符F表示，P点对应成分(0.0218%)是碳在铁素体中的最大溶解度。 渗碳体相区：DFK垂线为渗碳体相区，表明渗碳体具有固定成分。,2. 铁碳合金的相图分析(3/8),(2)五个两相区 L+A两相区：ACEA区域，凡是含碳量C4.3%的液相缓冷到液相线(AC线)对应的温度时，都会结晶出奥氏体。在此区内液相和奥氏体共存在，并处于平衡。 F+A两相区：GSPG区域，含碳量C0.77%的铁碳合金缓冷至GS线对应的温度时，将由奥氏体中析出铁素体。奥氏体的含碳量随温度降低，沿GS线变化至0.77%。GS线是从奥氏体中析出铁素体的开始线。 在此区内，与奥氏体平衡的铁素体，其含碳最量随温度降低沿GP
41、线变化至0.0218%，C0.0218的铁碳合金，当缓冷至GP线对应温度时，奥氏体全部转变成铁素体。,2. 铁碳合金的相图分析(4/8),A+Fe3C两相区：EFKSE区域，在此区内奥氏体中的含碳量C随温度的降低沿ES线从2.11%变化到0.77%。由于奥氏体中含碳量的减少，将由奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3C)。 ES线是C0.77%合金中碳在奥氏体中的溶解度曲线，是Fe3C从奥氏体析出的开始线。 L+Fe3C两相区：CDFC区域，凡是含碳量C4.3%的液相，缓冷到液相线(CD线)对应温度时，都会结晶出渗碳体，称为一次渗碳体(Fe3C1),2. 铁碳合金的相图分析(5/8),F+
42、Fe3两相区：PKLQP区域。PQ线为碳在铁素体中的溶解度曲线。当合金从7270C缓冷至室温时，碳在铁素体中的溶解度沿PQ线变化，并析出三次渗碳体(Fe3C),L,Q,2. 铁碳合金的相图分析(6/8),二个恒温转变 共晶转变：ECF水平线为铁碳合金的共晶转变线。C点为共晶点，C点成分(c=4.3%)的液相在1148时结晶出E点成分(c=2.11%)的奥氏体和F点成分(c=669%)的渗碳体。 共晶转变产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。 凡是c=2.11%-6.69%的铁碳合金都会发生共晶转变。 莱氏体体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则呈颗粒状分布在渗碳体
43、基体中。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是一种塑性很差的组织。,2. 铁碳合金的相图分析(7/8),共析转变：PSK水平线为铁碳合金的共析转变线。S点为共析点，S点的成分(c=0.77%) 的奥氏体在727时析出P点成分(c=0.0218%)的铁素体和K点成分(c=6.69%)的渗碳体。此转变称为共析转变。 转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，符号为P。共析转变温度常标为A1温度，共析线也称为A1线。,2. 铁碳合金的相图分析(8/8),三条重要的固态转变线： GS线：奥氏体开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体转变线。 ES线：碳在奥氏体中的溶解限度线。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳
44、体，称为二次渗碳体Fe3C，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。 PQ线：碳在铁素体中的溶解度线。在727时，碳在铁素中的最大溶解度为0.0218%，600时降为0.008%，因此铁素体在冷却过程中，将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3C。,1. 钢和生铁的划分(1/6),E点成分是钢与生铁的分界线； E点左边的铁碳合金称为钢( 含碳量小于0.0218%的称为纯铁)。E点右边的称为生铁。 工业纯铁( c0.0218%) 常温组织为F，Fe3CIII，数量极少，经常忽略。,1. 钢和生铁的划分(2/6),2.钢(0.0218 %c2.11%) 钢的共同特点是在AESG区域中全是A组织
45、，当温度下降时，A发生如下的转变： (a)若钢的含碳量等于0.77%时，A在727 时全部转变为珠光体，即A P； (b)若含碳量小于0.77%时，则A在GS线首先析出F，冷却到PSK线时剩余的A发生共析反应转变为P，最后的组织为F+P； (c)若含碳量大于0. 77%时，则A在ES线首先析出二次渗碳体， 冷却到PSK线时，A发生共析反应变成P，最后的组织为P+Fe3CII，所以根据A析出的情况，钢可分为三种：,1. 钢和生铁的划分(3/6),亚共析钢：(0.02180.77) %C,常温组织为F+P。 共析钢：C=0.77%，常温组织为P。 过共析钢：(0.772.11) %C，常温组织为P
46、+Fe3CII。 3.生铁(白口铁) (2.116.69) %C 生铁的共同特点是在ECF线上都有共晶反应，都有莱氏体的组织存在。生铁也分为三种： 亚共晶生铁：(2.114.3)%C，常温组织为：P+Fe3CII+Ld 。 共晶生铁：C=4.3%，常温组织为Ld 。 过共晶生铁：(4.36.69)%C，常温组织为Ld+Fe3CI 。 在1148727之间的莱氏体是A 与渗碳体组成的混合物，在727以下的莱氏体是P与渗碳体组成的混合物，莱氏体的性能基本上与渗碳体相同，因此，上述这三种不同的组织的铸铁统称为白口铸铁。,1.工业纯铁,以含碳0.01的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如下。 合金
47、在1点以上为液相L； 冷却至稍低于1点时，开始从L中结晶出 ，至2点合金全部结晶为 。从3点起， 逐渐转变为A 至4点全部转变完。,4-5点间A冷却不变。 自5点始，从A中析出F 。F在A晶界处生核并长大，至6点时 全部转变为F 。 在6-7点间 冷却不变。 在7-8点间，从F晶界析出Fe3C。因此合金的室温平衡组织为F+ Fe3C 。F呈白色块状； Fe3C量极少，呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3C ，则组织全为F 。,2.共析钢的结晶过程,图中表示共析钢（ Wc0.77），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多
48、。 温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。2S点之间，合金是单一奥氏体相。继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。727以下，P基本上不发生变化。故室温下共析钢的组织为P。 共析钢的结晶过程如下图,3.亚共析钢的结晶过程,图 36中合金表示亚共析钢。合金在1点以上为液体。缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。在23点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。沿着GS线变化。当温度降至4点（727）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc0.77，具备了共
49、析转变的条件，转变为珠光体。原铁素体不变保留了在基体中。4点以下不再发生组织变化。故亚共析钢的室温组织为铁素体珠光体。 亚共析钢的结晶过程如图38所示。,4.过共析钢的结晶过程,图 3-6中合金表示过共析钢。合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。在23点之间是含碳时为合金奥氏组织。缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。34点之间的组织为奥氏体二次渗碳体。降至4点（727）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。在4点以下，合金的组织不再发生变化。故室温组织为珠光体二次渗碳体。过共析钢结晶过程如图39。,
