工程材料基础优秀PPT.ppt

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1、工程材料基础你现在浏览的是第一页，共121页 材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。材料三大类。你现在浏览的是第二页，共121页第一节 工程材料的性能 材材料料性性能能的的决决定定因因素素：化化学学成成分分、内内部部组组织织和和状状态态。其其中中“化化学学成成分分”是是改改变变性性能能的的基基础础，“处处理理”是是改改变变性性能能的的手手段段，“组组织织”是是性性能能变化的根据。变化的根据。在在工工程程材材料料领领域域，力力学学性

2、性能能是是工工程程材材料料的的重重 要要 性性 能能。力力 学学 性性 能能（或或 机机 械械 性性 能能，Mechanical Mechanical PerformancePerformance）是是指指材材料料受受到到外外加加载载荷作用时，所反映出来的固有性能。荷作用时，所反映出来的固有性能。你现在浏览的是第三页，共121页一、强度一、强度 强强度度(Strength)(Strength)是是指指材材料料抵抵抗抗由由外外力力载载荷荷所所引引起起的的应应变变或或断断裂裂的的能能力力，外外力力载载荷荷方方式式不不同同，描描述述强度的指标也不同。强度的指标也不同。（一）抗拉强度（一）抗拉强度 塑

3、塑性性较较好好的的金金属属或或高高分分子子材材料料常常用用抗抗拉拉强强度度衡衡量量其其抵抵抗抗破破坏坏的的能能力力，它它是是通通过过标标准准试试样样在在拉拉伸伸试试验验机机上上通通过过拉拉伸伸试试验验测测出出来来的的。图图1-11-1为为低低碳碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。你现在浏览的是第四页，共121页1 1、金属材料抗拉强度、金属材料抗拉强度 图图1-2a1-2a为低碳钢的拉伸曲线。为低碳钢的拉伸曲线。图图1-2b1-2b为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。抗抗拉拉强强度度是是表表示示材材料料在在拉拉伸伸过过程程中中单单位

4、位面面积积所所能能承承受受的的最大拉伸力，用最大拉伸力，用b（单位单位MPaMPa）表示，计算方法为：）表示，计算方法为：b b=P=Pb b/A/A0 0 式中：式中：P Pb b试样拉伸时的最大拉力（试样拉伸时的最大拉力（N N）A A0 0试样的原始载面积（试样的原始载面积（m m2 2）屈屈服服强强度度是是工工程程材材料料在在外外力力作作用用下下开开始始产产生生屈屈服服时时单单位位面积所能承受的最大拉伸力。用面积所能承受的最大拉伸力。用ss表示，计算方法为：表示，计算方法为：s s=Ps/A=Ps/A0 0 式中：式中：Ps Ps 试样产生屈服现象时的对应载荷（试样产生屈服现象时的对应

5、载荷（N N）。）。2 2、高分子材料抗张（拉）强度、高分子材料抗张（拉）强度图图1-31-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。你现在浏览的是第五页，共121页（二）抗折（弯）强度（二）抗折（弯）强度 图图1-4(a)1-4(a)，1-4(b)1-4(b)分分别别为为三三点点、四四点点弯弯曲曲加载示意图加载示意图 其中三点弯曲抗折强度计算公式为：其中三点弯曲抗折强度计算公式为：式式中中，P P为为断断裂裂载载荷荷（N N），L L为为下下支支点点间间跨跨距距（mmmm），b b为为试试样样的的宽宽度度（mmmm），h h为为试试样样的的厚厚度度

6、（mmmm）。强度单位为强度单位为MPaMPa。你现在浏览的是第六页，共121页 二、塑性二、塑性 工工程程材材料料的的塑塑性性(plasticity)(plasticity)是是指指工工程程材材料料在在外外力力作作用用下下产产生生塑塑性性变变形形而而不不被被破破坏坏的的能能力力。对对应应拉拉伸伸变变形形，通通常常用用两两种种方方式式来来表表示示，即即伸伸长长率率（）和断面收缩率）和断面收缩率()()。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L0100%)/L0100%=(A =(A0 0-A-A1 1)/A0100%)/A0100%式中式中L L0 0-试样标距的原始长度；试样标距的原始长度；L

7、 L1 1-试样拉断瞬间标距的实际长度；试样拉断瞬间标距的实际长度；A A0 0-试样原始截面积；试样原始截面积；A A1 1-试样断囗处的截面积。试样断囗处的截面积。你现在浏览的是第七页，共121页三、冲击韧度三、冲击韧度 冲冲击击韧韧度度是是指指被被冲冲击击试试件件在在一一次次冲冲击击试试验验时时被被冲冲断断所所吸吸收收的的能能量量A Ak k除除以以原原试试件件的的最最小小横横截截面面积积A A0 0所所得得的的值值。用用符符号号a ak k(单单位位为为J/m)J/m)表表示示。工工程程上上常常用用摆摆锤冲击试验机来测定冲击韧度，锤冲击试验机来测定冲击韧度，图图1-51-5为试验示意图

8、为试验示意图 a ak k=A=AK K/A/A0 0 式中式中 A AK K-摆锤对冲击试样做的功（摆锤对冲击试样做的功（J J）；）；A A0 0-试样缺口处截面积（试样缺口处截面积（cmcm2 2）。）。你现在浏览的是第八页，共121页四、疲劳强度四、疲劳强度 图图1-61-6列出了几种变动载荷示意图。列出了几种变动载荷示意图。疲疲劳劳强强度度(fatigue(fatigue strength)strength)是是工工程程材材料料承承受受规规定定循循环环次次数数（常常取取10106 6-10-107 7）而而不不失失效效的的最最大大应应力力，用用 表表示示。下下标标表表示示应应力力循循

9、环环对对称系数，由下式确定：称系数，由下式确定：=minmin/maxmax 式中式中minmin-循环应力中数值最小的应力；循环应力中数值最小的应力；maxmax-循环应力中数值最大的应力。循环应力中数值最大的应力。试试样样承承受受不不同同的的应应力力幅幅a aa a=(=(maxmax-minmin )/2)/2与与循循环环断断裂裂周周次次N N之之间间的的关关系系曲曲线线，称称疲疲劳劳曲曲线，如线，如图图1-71-7所示。所示。你现在浏览的是第九页，共121页 五、硬度五、硬度 硬硬度度(Hardness)(Hardness)是是指指更更硬硬的的外外来来物物体体作作用用于于固固体体材材料

10、料上上时时，固固体体材材料料抵抵抗抗塑塑性性变变形形、压压入入或或压痕的能力。压痕的能力。你现在浏览的是第十页，共121页六、断裂韧性六、断裂韧性 断断裂裂韧韧性性K KIC IC 是是材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展能能力力的的度度量量，是是材材料料抵抵抗抗低低应应力力脆脆性性断断裂裂的的能能力力。K KICIC主主要要用用于于脆脆性性材材料料，断断裂裂韧韧性性的的测测量量方方法法与与抗抗折折强强度度测测量量方方法法相相类类似似（见见图图1-111-11）。不不同同之之处处是是在在弯弯曲曲试试样样中中部部预预制制一一个个0.1mm0.1mm左左右右宽宽的的小小口口，以以模模拟材料内部

11、微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性拟材料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性K KICIC。K KICIC计算公式计算公式:Y Y-是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数c c-裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力.a a-材料内部裂纹长度的一半材料内部裂纹长度的一半韧性，表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力你现在浏览的是第十一页，共121页 物物理理性性能能指指不不发发生生化化学学反反应应就就能能表表现现出出来来的的性性能能，如如密密度度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。熔点、导热性、导电性、热膨

12、胀性和磁性等。七、七、金属材料的物理和化学性能金属材料的物理和化学性能 化化学学性性能能是是材材料料在在化化学学介介质质的的作作用用下下所所表表现现出出来来的的性性能能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。你现在浏览的是第十二页，共121页1 1）导热性。）导热性。指材料传导热量的能力用导热系数表示，当温度垂直梯度为1/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。与热有关的性能与热有关的性能 2 2）热热容容。指指材材料料在在加加热热时时能能吸吸收收热热量量，冷冷却却时时能能放放出出热热量量的的性性质质，单单位位质质量量材材料料每

13、每升升高高一一度度所所需需要要的的热热量量称称为为比比热容热容c(J/kgK)。3 3）耐热性。）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。4 4）耐耐燃燃性性。指指材材料料对对火火焰焰和和高高温温的的抵抵抗抗性性能能；可可分分为为不不燃燃材材料、难燃材料，易燃材料。料、难燃材料，易燃材料。5 5）耐耐火火性性。指指材材料料长长期期抵抵抗抗高高热热而而不不熔熔化化的的性性能能，耐耐熔熔性性，耐耐火火材材料料还还应应不不变变形形，能能承承载载；分分为为耐耐火火材材料料、难难熔熔材材料料、易易熔熔材料。材料。你现在浏览的是第十三页，共121页八、金属材料的

14、工艺性能八、金属材料的工艺性能 金金属属材材料料的的工工艺艺性性能能指指金金属属材材料料适适应应加加工工工工艺艺要要求求的的能能力力。按按工工艺艺方方法法的的不不同同，可可分分为为铸铸造造性性能能、锻锻造造性性能能、焊焊接性能、切削加工性能和热处理性能接性能、切削加工性能和热处理性能。你现在浏览的是第十四页，共121页1 1）铸铸造造性性能能。指指利利用用金金属属的的可可熔熔性性将将其其熔熔化化后后，注注入入铸铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。2 2）锻锻造造性性能能。指指金金属属材材料料在在锻锻造造过过程程中中承承受受压

15、压力力加加工工而而具具有有的塑性变形能力。的塑性变形能力。3 3）焊接性。）焊接性。指材料被焊接的难易性质。指材料被焊接的难易性质。4 4）切切削削加加工工性性。表表示示对对材材料料进进行行切切削削的的难难易易程程度度，可可用用切切削削抗抗力力的的大大小小、加加工工表表面面质质量量、排排屑屑的的难难易易程程度度和和切切削削刀刀具具的的寿寿命命来来衡量。衡量。5 5）热热处处理理工工艺艺性性。指指标标有有淬淬硬硬性性、淬淬透透性性、淬淬火火变变形形与与淬淬裂裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。你现在浏览的是第十五页，共121页低碳钢拉伸

16、试样示意图低碳钢拉伸试样示意图你现在浏览的是第十六页，共121页低碳钢拉伸曲线示意图低碳钢拉伸曲线示意图你现在浏览的是第十七页，共121页不同金属的应力不同金属的应力-应变拉伸曲线图应变拉伸曲线图你现在浏览的是第十八页，共121页聚合物应力应变图聚合物应力应变图你现在浏览的是第十九页，共121页三点弯曲加载示意图三点弯曲加载示意图你现在浏览的是第二十页，共121页三点弯曲加载示意图三点弯曲加载示意图你现在浏览的是第二十一页，共121页冲击韧性实验示意图冲击韧性实验示意图你现在浏览的是第二十二页，共121页变载荷示意图变载荷示意图你现在浏览的是第二十三页，共121页疲劳曲线图疲劳曲线图你现在浏览

17、的是第二十四页，共121页断裂韧性测量示意图断裂韧性测量示意图你现在浏览的是第二十五页，共121页第第2节节 金属材料的结构金属材料的结构1 1）晶晶体体。其其内内部部原原子子在在空空间间作作有有规规则则的的排排列列，如如食食盐盐、金金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2 2）非非晶晶体体。其其内内部部原原子子杂杂乱乱无无章章地地不不规规则则的的堆堆积积，如如玻玻璃璃、沥青等。沥青等。一、一、金属的晶体结构金属的晶体结构 3 3）晶体结构）晶体结构。指晶体中原子排列的方式，指晶体中原子排列的方式，如图如图2-1a2-1a所示。所示。4 4）晶晶格格。把把晶晶体体内

18、内的的每每一一个个原原子子看看成成一一个个小小球球，把把这这些些小小球球用用线线条条连连接接起起来来，形形成成一一个个空空间间格格架架，这这种种空空间间格格架架叫叫晶晶格，格，如图如图2-1b2-1b 所示。所示。5 5）晶胞。）晶胞。晶格的最小几何组成单元，晶格的最小几何组成单元，如图如图2-1c2-1c所示。所示。你现在浏览的是第二十六页，共121页晶体点阵和晶胞示意图晶体点阵和晶胞示意图你现在浏览的是第二十七页，共121页6 6）晶格常数）晶格常数。晶胞中各棱边的长度，单位为晶胞中各棱边的长度，单位为 7）金属中常见的晶体结构）金属中常见的晶体结构 体体心心立立方方晶晶格格：晶晶胞胞是是

19、一一个个正正六六方方体体，立立方方体体的的八八个个角角上上和和立立方方体体的的中中心心各各有有一一个个原原子子，如如图图1-2a1-2a。其其原原子个数为：子个数为：，如铬、钠等。，如铬、钠等。你现在浏览的是第二十八页，共121页 面心立方晶格：面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图。其原角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图。其原子个数为：子个数为：，如铝，铜等。，如铝，铜等。你现在浏览的是第二十九页，共121页 密密排排六六方方晶晶格格：晶晶胞胞是是一一个个正正六六方方柱柱体体，在在六六方方柱柱体体的

20、的十十二二个个角角上上和和上上、下下底底面面的的中中心心各各有有一一个个原原子子，在在上上、下底面之间还均匀分布着三个原子如图示，如镁、锌等。下底面之间还均匀分布着三个原子如图示，如镁、锌等。你现在浏览的是第三十页，共121页4.4.多晶结构多晶结构(多晶体多晶体)大大块块金金属属材材料料通通常常是是由由许许多多小小晶晶体体组组成成的的，如图。如图。你现在浏览的是第三十一页，共121页 5.5.晶体缺陷晶体缺陷 (1)(1)点缺陷点缺陷 常常见见的的点点缺缺陷陷有有三三种种，即即空空位位、间间隙隙原原子子和和置置换原子，如图所示。换原子，如图所示。你现在浏览的是第三十二页，共121页 5.5.

21、晶体缺陷晶体缺陷 (2)(2)线缺陷线缺陷 刃刃型型位位错错是是一一种种比比较较典典型型的的线线缺缺陷陷，其其结结构构特特点如图所示。点如图所示。(3)(3)面缺陷面缺陷 你现在浏览的是第三十三页，共121页二、二、金属的结晶金属的结晶1、结结晶晶。指指金金属属的的原原子子由由近近程程有有序序状状态态（液液态态）转转变变成成长长程有序状态（晶态）的过程程有序状态（晶态）的过程。2 2、纯纯金金属属结结晶晶的的冷冷却却曲曲线线。金金属属液液非非常常缓缓慢慢的的冷冷却却时时，记记录录温温度度随随时时间间而而变变化化的的曲曲线线，如如图图所所示示。出出现现水水平平线线段段的的原原因因是是结结晶时放出

22、大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。3 3、过过冷冷。在在实实际际结结晶晶过过程程中中，金金属属液液只只有有冷冷却却到到理理论论结结晶晶温温度度（熔熔点点）以以下下的的某某个个温温度度时时才才结结晶晶的的现现象象。理理论论结结晶晶温温度度 和和实实际际结结晶晶温温度度 之之间间的的温温度度差差 叫叫过过冷冷度度，它它与与冷冷却却速速度有关，冷却越快，过冷度越大。度有关，冷却越快，过冷度越大。冷却曲线图冷却曲线图你现在浏览的是第三十四页，共121页4 4、结晶过程。、结晶过程。晶体形核和成长过程。如图所示，在液体晶体形核和成长过程。如图

23、所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即的原子团，成为结晶的核心，即晶核晶核 （形核过程）。然后原（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒晶粒（成长过（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒

24、之间形成界个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为面，称为晶界晶界。在晶界处，晶粒之间的晶向和晶面均不相同。在晶界处，晶粒之间的晶向和晶面均不相同。晶向：晶体中质点的位置、质点列晶向：晶体中质点的位置、质点列（在一个方向上的（在一个方向上的质点，质点，“可用一条线串起来的质点可用一条线串起来的质点”）的方向）的方向晶面：阵点（晶粒中有序排列的原子、离子、分子等晶面：阵点（晶粒中有序排列的原子、离子、分子等质点）构成的平面质点）构成的平面你现在浏览的是第三十五页，共121页a)d)c)b)液态金属的结晶过程示意图 你现在浏览的是第三十六页，共121页5 5）单单晶晶体体。

25、结结晶晶后后，每每个个晶晶核核长长成成为为一一个个晶晶体体，称称为为单晶体。单晶体。6 6）多多晶晶体体。由由许许多多外外形形不不规规则则、大大小小不不等等、排排列列位位向向不不同同的的小小颗颗粒粒晶晶体体组组成成。在在多多晶晶体体中中，这这些些小小颗颗粒粒晶晶体体叫叫晶晶粒粒；晶晶粒粒与与晶晶粒粒之之间间的的界界面面叫叫晶晶界界。晶晶粒粒的的大大小小影影响响材材料料的的力力学学、物物理理、化化学学性性能能，一一般般情情况况下下，晶晶粒粒越越细细，强强度度和和硬硬度度越越高高，塑塑性性和和韧韧性性越越好好。因因为为晶晶粒粒越越细细小小，晶晶界界就就多多，晶晶界界处处的的晶晶体体排排列列极极不不

26、规规则则，界界面面犬犬牙牙交交错错，互互相相咬咬合合，因而加强了金属之间的结合力。因而加强了金属之间的结合力。7 7）细细晶晶强强化化。用用细细化化晶晶粒粒的的方方法法来来提提高高金金属属材材料料的的力力学学性性能能。金金属属凝凝固固后后的的晶晶粒粒大大小小与与凝凝固固过过程程中中形形核核的的多多少少和和晶晶核核长长大大速速度度有有关关，晶晶核核越越多多，长长大大速速度度越越慢慢，晶晶粒粒越越细细。而而过过冷冷度度越越大大，产产生生的的晶晶核核越越多多，晶晶核核多多，每每个个晶晶核核长长大大受到制约，形成的晶粒就越细小。受到制约，形成的晶粒就越细小。8 8）金金属属的的细细晶晶强强化化方方法法

27、。增增加加过过冷冷度度、变变质质处处理理、附附加加振振动。动。你现在浏览的是第三十七页，共121页 二、二、合金的晶体结构合金的晶体结构 1.1.固溶体固溶体 合合金金在在固固态态下下溶溶质质原原子子溶溶入入溶溶剂剂，仍仍保保持持溶溶剂剂晶晶格格。根根据据固固溶溶体体晶晶格格中中溶溶剂剂与与溶溶质质原原子子的的相相互互位位置置的的不不同同，可可分分为为置置换换固固溶溶体体（如如黄黄铜铜）和和间隙固溶体间隙固溶体(如铁素体和奥氏体如铁素体和奥氏体)，如图所示。，如图所示。合合金金是是指指由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素或或金金属属元元素素和和非非金金属属元元素素，通通过过熔熔

28、化化或或其其它它方方法法结结合合而而成成的的具具有有金金属属特特性的物质。性的物质。组组元元（组组分分，基基于于化化学学角角度度而而言言）是是组组成成合合金金的的最最基基本本的的、独独立立的的单单元元。组组元元可可以以是是金金属属元元素素、非非金金属属元元素素或或化化合合物物（如如渗碳体）。渗碳体）。相相，成成分分相相同同、结结构构相相同同、性性能能均均匀匀，并并与与其其他他部部分分以以界界面面分分开开的的均均匀匀组组成成部部分分（基基于于化化学学、组组织织结结构构、性性能能而言）。而言）。按按照照晶晶格格结结构构的的基基本本属属性性，固固态态合合金金的的相相可可以以分分为为固固溶溶体、金属化

29、合物。体、金属化合物。你现在浏览的是第三十八页，共121页你现在浏览的是第三十九页，共121页 固固溶溶强强化化：当当溶溶质质原原子子溶溶解解在在溶溶剂剂晶晶体体中中时时，溶溶剂剂的的晶晶格格将将发发生生畸畸变变，晶晶格格常常数数发发生生变变化化。原原子子尺尺寸寸相相差差大大，化化学学性性质质不不同同，都都使使畸畸变变增增大大.融融入入固固溶溶体体中中的的原原子子造造成成晶晶格格畸畸变变，晶晶格格畸畸变变增增大大了了位位错错运运动动的的阻阻力力，使使塑塑性性变变形形更更加加困困难难，从从而而使使合合金金固固溶溶体体的的强强度度与与硬硬度度增增加加。这这种通过形成固溶体使金属强化的现象称为固溶强

30、化种通过形成固溶体使金属强化的现象称为固溶强化。（如钢和铁）（如钢和铁）固溶体的晶格畸变固溶体的晶格畸变你现在浏览的是第四十页，共121页 2.2.金属化合物金属化合物 组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 就就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。3.3.机械混合物机械混合物 由由两两种种或或两两种种以以上上的的组组元元、固固溶溶体体或或金金属属化化合合物物按按一一

31、定定重重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。量比例组成的均匀物质称为机械混合物。混混合合物物中中各各组组成成部部分分仍仍按按自自己己原原来来的的晶晶格格形形式式结结合合成成晶晶体体，如如铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体形形成成珠珠光光体体。混混合合物物的的性性能能取取决决于于组组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。你现在浏览的是第四十一页，共121页三三.二元合金相图二元合金相图(Phase Diagram)(Phase Diagram)对对于于单单一一的的一一种种合合金金（某某一一比比例例组组元元的的合合金金），我我们们可可以以

32、通通过过冷冷却却曲曲线线来来描描述述温温度度与与时时间间的的关关系系，研研究究相相之之间间的平衡。的平衡。然然而而，对对于于整整个个合合金金体体系系（不不同同比比列列组组元元的的合合金金），例例如如Fe-CFe-C合合金金体体系系，不不同同成成分分、不不同同温温度度时时相相或或组组织织的的组组成成及及其其变变化化规规律律，仅仅仅仅靠靠冷冷却却曲曲线线方方法法是是不不够够的的，可可以考虑用一系列的冷却曲线来分析。以考虑用一系列的冷却曲线来分析。将将同同一一合合金金体体系系的的不不同同冷冷却却曲曲线线组组合合在在一一起起，组组成成合合金金相相图图（又又称称状状态态图图、平平衡衡图图），用用来来描描

33、述述合合金金在在平平和和条条件件下下，不不通通过过成成分分、不不同同温温度度时时相相或或组组织织的的组组成成及及其变化规律。其变化规律。你现在浏览的是第四十二页，共121页三三.二元合金相图二元合金相图(Phase Diagram)(Phase Diagram)1 1相图的建立方法与步骤相图的建立方法与步骤 以铜镍（以铜镍（Cu-NiCu-Ni）为例）为例 （1 1）配制一系列成分不同的合金。）配制一系列成分不同的合金。（2)2)作作出出各各种种不不同同成成分分合合金金的的冷冷却却曲曲线线，并并找找出出冷冷却却曲线上相变点（转折点）的温度，如图曲线上相变点（转折点）的温度，如图a)a)所示。所

34、示。你现在浏览的是第四十三页，共121页1 1相图的建立方法与步骤相图的建立方法与步骤 （3 3）以以温温度度为为纵纵座座标标、成成分分为为横横座座标标建建立立一一个个直直角角座座标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图。标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图。（4 4）把把具具有有相相同同意意义义的的各各相相变变点点连连成成曲曲线线，即即将将所所有有上上相相变变点点相相连连，所所有有下下相相变变点点相相连连，则则构构成成了了图图所示的所示的Cu-NiCu-Ni二元合金相图。二元合金相图。你现在浏览的是第四十四页，共121页2 2匀匀晶晶相相图图(两两组组元元在在固固态态下下互互溶溶，结结晶

35、晶成成单单一一的的相相）Cu-NiCu-Ni合合金金相相图图既既是是匀匀晶晶相相图图，如如图图所所示。示。你现在浏览的是第四十五页，共121页3 3共共晶晶相相图图（两两组组元元在在固固态态下下不不能能互互溶溶，在在一一定定温温度度下下结结晶晶出出两两种种具具有有不不同同成成分分的的相相固固（体体）相）相）下图为下图为PbPbSnSn二元共晶相图。二元共晶相图。你现在浏览的是第四十六页，共121页第第3节节 铁碳合金铁碳合金（体心立方晶格）（体心立方晶格）（面心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）（体心立方晶格）一、一、铁碳合金的基本组织和性能铁碳合金的基本组织和性能1.铁的同素异晶转变

36、铁的同素异晶转变 金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。转变如下所示。你现在浏览的是第四十七页，共121页你现在浏览的是第四十八页，共121页2.2.铁素体（铁素体（F F）碳碳溶溶于于 中中的的固固溶溶体体，它它保保持持体体心心立立方方晶晶格格结结构

37、构。溶溶解解度度（0.008%0.008%0.02%0.02%），故故性性质质接接近近纯纯铁铁，强强度度、硬硬度度低低，塑性、韧性好。塑性、韧性好。3.3.奥氏体（奥氏体（A A）碳碳溶溶于于 中中固固溶溶体体，保保持持面面心心立立方方晶晶格格结结构构。溶溶解解度度（0.77%0.77%2.11%2.11%），其其强强度度和和硬硬度度略略高高于于铁铁素素体体，塑塑性性、韧性较好。韧性较好。4.4.渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）铁铁和和碳碳组组成成的的金金属属化化合合物物，复复杂杂斜斜方方晶晶体体结结构构。含含碳碳量量为为6.69%6.69%，其其硬硬度度很很高高，塑塑性性、韧韧性性几几

38、乎乎为为零零，脆脆性性极极大大，在在一一定定条条件件下下分分解为铁和石墨。解为铁和石墨。你现在浏览的是第四十九页，共121页6.6.莱氏体莱氏体LdLd 莱莱氏氏体体在在7277270 0C C以以上上，由由奥奥氏氏体体与与渗渗碳碳体体组组成成的的机机械械混混合合物物，称称为为高高温温莱莱氏氏体体LdLd；在在7277270 0C C以以下下，该该组组织织转转变变为为由由珠珠光光体体与与渗渗碳碳体体组组成成的的机机械械混混合合物物，称称为为低低温温莱莱氏氏体体LdLd。其其力力学学性性能能与与渗渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。碳体相似，硬度较高，脆性较大。5.5.珠光体珠光体P P 珠珠光光体

39、体是是铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的机机械械混混合合物物。珠珠光光体体强强度度较较高高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。你现在浏览的是第五十页，共121页二、二、铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金相图：铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一

40、般研究的铁碳合金状态图实际等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。钢：钢：含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金；的铁碳合金；铸铁：铸铁：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。你现在浏览的是第五十一页，共121页二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图 1 1铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相 （1 1）铁铁素素体体 碳碳原原子子溶溶于于-Fe-Fe中中形形成成间间隙隙固固溶溶体体，原原子子排排列列仍仍为为体体心心立立方方点点阵阵，该该结结构构即即为为铁铁素素体，用体，用F F或或表示。表示。（2

41、2）奥奥氏氏体体 碳碳原原子子若若溶溶于于-Fe-Fe中中，形形成成间间隙隙固固溶溶体体，仍仍保保持持面面心心立立方方晶晶体体结结构构，该该结结构构称称为奥氏体，用为奥氏体，用A A或或表示。表示。（3 3）渗渗碳碳体体 是是铁铁和和碳碳的的化化合合物物，含含碳碳量量为为6.69 wt6.69 wt，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。2 2铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 下下图图为为简简化化的的铁铁碳碳合合金金相相图图。相相图图中中各各主主要要特特征征点点均均具具有有重重要要含含义义，连连接接各各特特征征点点将将组组成成特特征征线线，特特征征线线则则将将相

42、相图图分分成成特特征征区区，点点、线线、面面及其含义。及其含义。你现在浏览的是第五十二页，共121页你现在浏览的是第五十三页，共121页 相图上的特性线和点如下：相图上的特性线和点如下：2）AECFAECF线线（固固相相线线）。当当合合金金冷冷却却到到此此线线时时，金金属属液液全全部部结晶为固相，在此线以下区域为固相。结晶为固相，在此线以下区域为固相。1）ACDACD线线（液液相相线线）。当当金金属属液液冷冷却却到到此此线线时时开开始始结结晶晶，在在此此线以上区域为液相。线以上区域为液相。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。3）A A

43、点点。纯铁的熔点（。纯铁的熔点（153815380 0C C）。）。4 4）D D点点。渗碳体的熔点（。渗碳体的熔点（122712270 0C C）。）。5 5）C C点点。共共晶晶点点，温温度度114811480 0C C，成成分分4.3%C4.3%C。共共晶晶：指指合合金金在在一一定定的的条条件件(温温度度、成成分分)下下，由由液液体体合合金金中中同同时时结结晶晶出出两两种种不不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织组织的的转变转变。即即 你现在浏览的是第五十四页，共121页6 6）ECFECF线线（共共晶晶线线）。含含碳碳量量在在2.11%2.11%6.69

44、%6.69%的的铁铁碳碳合合金金，冷冷却却到到此此线线时时（11481148度度），将将发发生生共共晶晶反反应应，同同时时结结晶晶出出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。7 7）ESES线线。是是碳碳在在 中中的的溶溶解解度度曲曲线线，E E点点表表示示在在114811480 0C C时时碳碳在在 中中的的最最大大溶溶解解度度为为2.11%2.11%。随随着着温温度度降降低低，溶溶解解度度下下降降，即即含含碳碳量量大大于于0.77%0.77%的的奥奥氏氏体体冷冷却却过过程程中中都都将将从从奥奥氏氏体体中中析析出出渗渗碳碳体体（次次生生渗渗碳碳体体），常常称称为为

45、A Acmcm线线8 8）GSGS线线。是是冷冷却却过过程程不不同同含含碳碳量量的的奥奥氏氏体体中中析析出出铁铁素素体体的的转转变线，常称为变线，常称为A A3 3线。线。你现在浏览的是第五十五页，共121页1010）PSKPSK线线（共共析析线线）。含含碳碳量量在在0.02%0.02%6.69%6.69%的的铁铁碳碳合合金金，冷冷却却到到此此线线时时（7277270 0C C），将将发发生生共共析析反反应应，从从奥奥氏氏体体中中同同时时结结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A A1 1线。线。9 9）S S点点。共共析析点点，温温度度727727

46、0 0C C，成成分分0.77%0.77%。共共析析转转变变：指指合合金金在在一一定定条条件件下下，由由一一种种固固相相转转变变成成两两个个固固相相的的机机械械混混合物的合物的过过程。程。即：即：你现在浏览的是第五十六页，共121页3.铁碳合金的组织转变铁碳合金的组织转变 工业纯铁工业纯铁 含碳量小于含碳量小于0.0218%0.0218%的铁碳合金，的铁碳合金，钢钢 含碳量在含碳量在0.0218%0.0218%2.11%2.11%的铁碳合金，的铁碳合金，共析钢共析钢 含碳量等于含碳量等于0.77%0.77%，亚共析钢亚共析钢 含碳量小于含碳量小于0.77%0.77%，过共析钢过共析钢 含碳量位

47、于含碳量位于0.77%0.77%2.11%2.11%，白口铸铁白口铸铁 含碳量在含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金的铁碳合金 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 含碳量等于含碳量等于4.3%，亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 含碳量位于含碳量位于2.11%4.3%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 含碳量位于含碳量位于4.3%6.69%你现在浏览的是第五十七页，共121页3.1.钢的结晶过程钢的结晶过程 为为方方便便起起见见，按按照照铁铁碳碳合合金金的的分分类类，把把相相图图分分为为钢钢和和白白口口铁铁两两部部分分；如如图图为为经经过过简简化化的的钢钢的的铁铁碳碳合合金金相相图图。下下面面分分析析其其结结晶晶

48、过过程：程：1）共析钢）共析钢（如图（如图I号合金）的结晶过程号合金）的结晶过程 其其室室温温组组织织为为珠珠光光体体，为为层层片片状状组组织织，具具有有较较高高的的强强度度 =800MPa，硬硬度度HBS=230,塑性较低塑性较低 =12%。钢的铁碳合金相图钢的铁碳合金相图0.772.11C%你现在浏览的是第五十八页，共121页2）亚共析钢）亚共析钢（如图（如图II号合金）的结晶过程号合金）的结晶过程 其其室室温温组组织织为为铁铁素素体体加加珠珠光光体体,其其性性能能介介于于铁铁素素体体和和珠珠光光体体之之间间；随随含含碳碳量量升升高高，珠珠光光体量增多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。体量增

49、多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。3）过共析钢）过共析钢（如图（如图III号合金）的结晶过程号合金）的结晶过程其其室室温温组组织织为为渗渗碳碳体体加加珠珠光光体体，随随含含碳碳量量升升高高，渗渗碳碳体体量量增增多多，故故硬硬度度增增加加，韧韧性性下降。下降。钢的铁碳合金相图钢的铁碳合金相图0.772.11C%你现在浏览的是第五十九页，共121页 铸铸铁铁根根据据含含碳碳量量的的不不同同可可分分为为共共晶晶白白口口铸铸铁铁（4.3%C）、亚亚共共晶晶白白口口铸铸铁铁（4.3%C）；下面分别分析其结晶过程。）；下面分别分析其结晶过程。3.2 白口铸铁的结晶过程白口铸铁的结晶过程 生铁的铁碳合金相图

50、生铁的铁碳合金相图2.114.36.690C1）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁（如图（如图V）的结晶过程）的结晶过程其室温组织为其室温组织为莱氏体莱氏体。你现在浏览的是第六十页，共121页 其室温组织为珠光体加莱氏体。其室温组织为珠光体加莱氏体。生铁的铁碳合金相图生铁的铁碳合金相图2.114.36.690C2）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁（如图（如图IV）的结晶过程）的结晶过程3）过共晶白口铸铁）过共晶白口铸铁（如图（如图IIV）的结晶过程）的结晶过程 其室温组织为渗碳体加莱氏体。其室温组织为渗碳体加莱氏体。你现在浏览的是第六十一页，共121页第四节第四节 钢的热处理钢的热处理 热热处处理理：将