機(jī)械工程材料

1、機(jī)械工程學(xué)院、光機(jī)工程學(xué)院機(jī) 械 工 程 材 料（ 講 義 ）韓志范材料科學(xué)與工程學(xué)院E-mail: hanzhifan20073緒 論一、 材料和材料科學(xué)1、 材料就是構(gòu)成（制造）物品的原材料再我們的坐活領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、科技領(lǐng)域應(yīng)用了各種材料：陶瓷、金屬、高分子及復(fù)合材料。特別是一些新材料： 高分子功能材料（有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)高分子材料） 納米材料 功能陶瓷材料制造一臺(tái)機(jī)器需要很多種材料，例如：一艘現(xiàn)代化航空母艦使用了2000種材料一輛坦克、200、一輛汽車、100、 、 、 、一支鋼筆、6種材料為什么要如此選擇（不同的）材料呢？簡(jiǎn)言之：為了利用材料的不同性能（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能

2、）。那么，是否只要選擇相同的材料集合（群體）便得到了相同的性能集合呢？否！例一：我國(guó)仿造汽車的歷史：材料選擇一樣（成分化驗(yàn)易做到），另部件幾何尺寸一樣（精密測(cè)繪與精密加工可保證），但壽命低。其原因在于關(guān)鍵另部件的性能差別造成整機(jī)使用壽命差別?？梢?jiàn)，相同的材料采用不同的加工工藝（非單純的機(jī)加工）其性能不同。* 實(shí)例表演：同一根鋸條一半脆，一半不脆（經(jīng)退火處理）。而不同的材料采用不同的加工工藝（非單純的機(jī)加工）其某些性能可相同。例如，不同的材料可處理成硬度相同，以便車床切削、；上述事例說(shuō)明下列概念：、材料科學(xué)是“ 關(guān)于材料的一門學(xué)問(wèn)”。或者說(shuō)，材料科學(xué)是以材料為研究對(duì)象的學(xué)問(wèn)。、材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容

3、 材料的各種外在性能是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（積聚狀態(tài)）的本質(zhì)反映；所以，材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是： 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)性能關(guān)系 化學(xué)成分 組織結(jié)構(gòu) 性能（客觀規(guī)律）A、材料形成機(jī)理與制取方法指導(dǎo)生產(chǎn)新材料B、 材料性能的測(cè)試方法與技術(shù)C、失效分析、材料的合理加工方法和最佳使用方案 貫穿于從認(rèn)識(shí)材料到使用材料的全過(guò)程。 、關(guān)于材料科學(xué)的哲學(xué)問(wèn)題A、 歷史學(xué)家的觀點(diǎn)：材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志和里程碑。推動(dòng)和制約人類文明發(fā)展的重要因素是材料科學(xué)。B、 人類歷史劃分為：石器、青銅器、鐵器時(shí)代；、C、 材料科學(xué)的發(fā)展史從宏觀到微觀，從初級(jí)到高級(jí)，層層 深入發(fā)展。材料科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了科技進(jìn)步；科技進(jìn)步又促

4、進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。觀測(cè)手段的提高和豐富促進(jìn)了理論的發(fā)展，理論又指導(dǎo)人們制造出各種各樣的新材料。有些材料是大自然中不曾有過(guò)的。例如：NC、CNB、AlN、TiN、高分子（有機(jī)、無(wú)機(jī)）材料、。材料科學(xué)的發(fā)展，不僅源自其本身，而且亦源自相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。（物理、化學(xué)、物理化學(xué)、量子力學(xué)、醫(yī)學(xué)、坐物工程、等。所以說(shuō)：材料科學(xué)是以材料為研究對(duì)象的多學(xué)科性科學(xué)。（P1）二、 工程材料的分類分類方法多樣化，可按用途、狀態(tài)、性能、化學(xué)成分與結(jié)合鍵的特點(diǎn)等方法。有色金屬（輕、重、貴、稀散、放射）1、金屬材料 黑色金屬（鐵、錳、鉻） 高分子（有機(jī) 、無(wú)機(jī)）工程材料2、非金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬3、復(fù)合材料金屬金屬 金

5、屬非金屬三、 機(jī)械工程材料的應(yīng)用和發(fā)展機(jī)械工業(yè)的門類繁多，（醫(yī)療、化工、冶金、車輛、軍事等），發(fā)展方向各有特點(diǎn)。對(duì)材料的種類及其性能的要求不斷增加。例如：1、醫(yī)療設(shè)備的坐物性能（抗血凝、） 2、軍事裝備的隱形 3、金剛石表面金屬化 4、化工催化 5、環(huán)保（空氣及水凈化、殺菌等）四、 工程材料課程的任務(wù)通過(guò)對(duì)工程材料的“成分組織結(jié)構(gòu)性能”理論學(xué)習(xí)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中做到“合理選材、合理的性能要求、合理地設(shè)計(jì)工藝”。第一篇 機(jī)械工程材料的基本理論知識(shí)第一章、材料的性能設(shè)計(jì)制造機(jī)器與設(shè)備時(shí)，對(duì)材料的選擇應(yīng)首先考慮其使用性能。1、使用性能：力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、工程材料性能2、工藝性能：鑄、鍛、焊、切削、

6、熱處理、燒結(jié)、§1、力學(xué)性能（機(jī)械性能）同學(xué)們已學(xué)過(guò)材料力學(xué)，故自己復(fù)習(xí)之。（不講）§2、物理和化學(xué)性能（閱讀）§3、工藝性能（略講）材料的工藝性能關(guān)系到加工工藝設(shè)計(jì)及其成本的高低。一、 鑄造性：流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向是鑄造性能的判據(jù)。二、 可鍛性：可進(jìn)行壓力加工（含軋制）的性能。三、 可焊性：焊接在一起的難易程度及其焊縫質(zhì)量。四、 切削加工性：切削的難易程度與表面切削質(zhì)量（光潔度）。鋼的硬度在HB220±40 時(shí)切削性能好。第二章、材料的結(jié)構(gòu)*結(jié)構(gòu)：分子、原子的空間連結(jié)構(gòu)架，即原子（或分子）的排列位置和空間分布。1、固態(tài)（晶態(tài)、非晶態(tài)）2、液態(tài)物質(zhì)的

7、積聚狀態(tài)3、氣態(tài)4、等離子態(tài) 5、液晶態(tài)§1、材料的結(jié)合方式一、 化學(xué)鍵組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子或離子）相互作用而聯(lián)系在一起。這種粒子之間的相互作用稱為化學(xué)鍵。化學(xué)鍵的性質(zhì)對(duì)物質(zhì)的性能影響很大。*物質(zhì)積聚物的性能不僅取決于組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)的種類和數(shù)目，同時(shí)取決于相互之間化學(xué)鍵的特點(diǎn)及其排列方式。三層意思分述如下：、種類和數(shù)目的影響：種類的影響不言而喻，數(shù)目減少到納米級(jí)時(shí)物化性能產(chǎn)坐突變。例如：納米材料、化學(xué)鍵的影響：例如，石墨與金剛石。、排列方式的影響：例如，同素異構(gòu)體的性能不同；有序排列與無(wú)序排列（晶體與非晶體）性能不同；特殊的有序排列（超結(jié)構(gòu)）性能不同-超導(dǎo)體、有機(jī)磁性材料等

8、?；瘜W(xué)鍵種類：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、（還有配位鍵等）1、 離子鍵電負(fù)性相差大的原子間相互靠近時(shí)，互有電子得失而成為正負(fù)離子，由靜電引力結(jié)合在一起。例如：NaCl, KCl, GaAs,2、 共價(jià)鍵同類或性質(zhì)相近類原子間結(jié)合，借共用電子對(duì)而結(jié)合。Cl例如：SiC,金剛石，高分子材料、 Na3、 金屬鍵A、金屬原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 外層電子少，易失去，而成為 圖21 NaCl 晶體自由電子；在金屬聚合物中成為“電子氣”。這種由金屬正J離子與自由電子氣相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。B、金屬的物化性能取決于金屬鍵 例如：導(dǎo)電、光澤、導(dǎo)熱、塑性變形能力、3、 分子鍵和氫鍵A、 分子鍵：范德瓦爾斯鍵B、 氫鍵

9、：極性鍵二、 結(jié)合鍵的性能特點(diǎn)（略講）見(jiàn)書P10，表21三、 工程材料的鍵性根據(jù)鍵性，可以估計(jì)材料的性能。工程材料中有的是單一種鍵，更多的是幾種鍵的組合。1、 金屬材料金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵；但金屬材料中的金屬間化合物是離子鍵。書中提及的灰錫（共價(jià)鍵）已不能用做工程材料，此類狀態(tài)已失去了金屬性能。2、 陶瓷材料 離子鍵為主，亦有共價(jià)鍵。所以，陶瓷材料硬度高，熔點(diǎn)高，脆性大。3、 高分子材料共價(jià)鍵和分子鍵。高分子材料分子大的特點(diǎn)，決定了其分子之間的作用力大，性能好。鏈、環(huán)及其復(fù)合形式的大分子結(jié)構(gòu)，不同的基在不同部位的連接使其性能不同。離子鍵 硅酸鹽陶瓷 半導(dǎo)體黏土高分子 金屬鍵分子鍵圖23

10、 結(jié)合鍵四面體§2金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念：晶體與非晶體：原子或分子的空間有序排列形成晶體；反之為非晶體。有序即按照某種規(guī)律排列而成（后面課程中講），長(zhǎng)程有序。（例如：Nacl、糖等）非晶體又稱過(guò)冷液體，近程有序。（例如：玻璃等）一、 晶體的基本概念（一） 晶格和晶胞（表示方法）：抽象法（抽象晶體）a、 將金屬原子視為球形，它們的堆砌(集)可有不同的規(guī)律（多樣性）。一些坐活常識(shí)可知。b、 若視其為空間幾何點(diǎn)，則其空間排列（多樣性）稱為空間點(diǎn)陣。c、 將點(diǎn)陣用假想直線連接（多樣性）（類似建筑工程腳手架結(jié)構(gòu)）稱為晶格。d、 其中有代表性（最小的空間單元）的幾何單元稱為晶胞。不同的堆集方式有

11、不同的空間點(diǎn)陣，即各自具有代表性的空間單元亦不同，即晶胞不同。 e、 晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶體常數(shù)。晶胞棱間夾角用、表示。見(jiàn)圖24zyx(a) 簡(jiǎn)單立方晶體 （b）晶格 （c）晶胞（二） 晶系不同的金屬原子在一定條件下對(duì)應(yīng)某種晶格。當(dāng)條件變化到另外某種狀態(tài)（T-P-）時(shí)，又可轉(zhuǎn)變成（對(duì)應(yīng)于）另外的晶格。法國(guó)晶體學(xué)家布拉菲（Brarais）用數(shù)學(xué)的方法推算出所有已知晶體分屬于14種空間點(diǎn)陣。根據(jù)晶胞的6個(gè)參數(shù)（a、b、c、）把14種空間點(diǎn)陣歸納為七大晶系。見(jiàn)表22（P12）(三） 格尺寸和原子半徑A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸單位）是晶格常數(shù)。立方晶系只用一個(gè)a即可表示。B、原子半徑，現(xiàn)代

12、物理科技仍未達(dá)到能精確測(cè)定物質(zhì)原子直徑的水平，即“測(cè)不準(zhǔn)”定理。但用X-Rag衍射法能測(cè)出晶體中點(diǎn)陣中心距?？筛鶕?jù)點(diǎn)陣類型推算出原子半徑Ra（緊靠的原子中心距的一半） 對(duì)同種原子而言，晶格類型不同，半徑不同。（配位數(shù)下降，半徑下降）用鋼球模型推算。（四） 胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)目。（鋼球模型）（五） 配位數(shù)和致密度1. 配位數(shù)：在晶體中每一原子周圍所具有的是其等距離的最鄰近的原子數(shù)目叫配位數(shù)。2. 致密度：晶胞中原子本身所占的體積的百分?jǐn)?shù)（K）K=n×4/3r3/V二、 常見(jiàn)純金屬的晶格類型（理想純）（一） 體心立方晶格（bcc boady centerad cube）常見(jiàn)

13、金屬30種之多（例如：-Fe 、Cr、Mo、W、V、Nb）（2a）2a2=(4r)22 a2a2=42r23 a2=(4r)2 r=3/4a 晶胞原子數(shù)=1/8×8+1=2(個(gè))配位數(shù):8K= 2×4/3r3（圖25 bcc） a3(二) 面心立方晶格（FCC face centered cube）晶格常數(shù)亦只用一個(gè)a表示。顯而易見(jiàn)：r=2/4a晶胞的原子數(shù)：1/8×8+1/2×6=4(個(gè)) 配位數(shù)：12可算出致密度為0.74屬于這種晶格的金屬有： r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等20種。 （圖26 FCC）(三) 密排六方晶格（HCP h

14、exagonal close-packed）r=1/2a c/a=1.633晶胞原子數(shù)：1/6×12+1/2×2+3=6配位數(shù)：12 致密度：0.74屬于該類晶格的金屬有：Mg、Zn、Be、Cd等二十幾種。 （圖27 HCP）三、 立方晶系的晶面、晶向表示方法（空間解析法）（一） 晶面指數(shù)晶體中各種方位的原子面叫晶面，表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。不同的晶面上的原子排列密度不同。晶面指數(shù)確定法：（三個(gè)步驟）1、 以晶格中某一原子為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，（三個(gè)邊，分別作三維坐標(biāo)軸）。以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測(cè)量單位，求出所求晶面在三坐標(biāo)軸上的截距。不能出現(xiàn)零截距！即原點(diǎn)在所求晶面之外。

15、2、 求倒數(shù)3、 化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)整數(shù)，用圓括號(hào)括起來(lái)，（H、K、L）就成為晶面指數(shù)（H、K、L）代表一組相互平行的晶面。在不同的象限會(huì)出現(xiàn)負(fù)號(hào)。見(jiàn)圖28。（二） 晶向指數(shù)概念：晶向晶體中各個(gè)方向上的原子列。晶向指數(shù)表示晶向的符號(hào)晶向指數(shù)求法：（三步驟）1、 在晶格中建立坐標(biāo)（方法同晶面求法）。過(guò)原點(diǎn)引平行于所求晶向的直線。2、 以晶格常數(shù)為單位求直線上任一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)。3、 化簡(jiǎn)加一方括號(hào)即為所求晶向指數(shù)u、v、wu、v、w代表一組平行的晶向。 圖29 一些晶向的晶向指數(shù)（三） 晶面及晶向的原子密度概念：晶面原子密度單位面積中的原子數(shù)。 晶向原子密度單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)。表23，體心立方（bcc）晶

16、格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）表中（111）晶面上密度計(jì)算有誤！同樣可以求出FCC（111）原子密度最大，110原子密度最大。原子密度影響晶體性能。（四） 晶面族和晶向族前面講過(guò)：同一個(gè)（h、k、l）u、v、w分別代表了一組晶面和晶向。由于晶體的對(duì)稱性，在不同的位向（解析幾何）原子排列分布完全相同的晶面和晶向稱為晶面族 h、k、l ，晶向族u、v、w注意：立方晶格中，指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。例如：（111）110，可用解析幾何的計(jì)算法計(jì)算晶體。四、 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一） 多晶體位向不同的單晶體構(gòu)成大多數(shù)實(shí)際金屬材料存在晶界缺陷 10-110-3mm晶粒顯微鏡下才能看

17、到（用腐蝕劑腐蝕后，4%硝酸酒精）（二） 晶體缺陷1、 點(diǎn)缺陷圖210 晶體中的點(diǎn)缺陷空位、間隙原子（換輻射等原因造成）和外來(lái)原子（用物理或化學(xué)的方法引進(jìn)）都是晶格的點(diǎn)缺陷。它們破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲稱為晶格畸變。它的存在使材料的HB上升，2、 線缺陷位錯(cuò)，dislocation， 見(jiàn)圖211 （本書只講了位錯(cuò)中的一種刃位錯(cuò)） 強(qiáng)度金屬中位錯(cuò)數(shù)量很多，特別是大量塑變后，位錯(cuò)密度增加。位錯(cuò)少時(shí)降低材料強(qiáng)度，但達(dá)到一定數(shù)量后又提高材料的強(qiáng)度。 位錯(cuò)密度圖212 金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系3、 面缺陷1）晶界 510原子寬 見(jiàn)圖2132）亞晶界 1015度稱為大角度晶粒之間的位向差。五、

18、 晶的晶體結(jié)構(gòu)概念：合金兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。（物理、化學(xué)的方法）例如：黃銅：Cu+Zn 鋼：Fe+c工程使用的大多數(shù)是合金。 相 不同元素相互作用會(huì)形成各種不同的積聚狀態(tài)；合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的，均勻的組成部分。純金屬單一相。 組織各相（相同的或不同的）以不同的數(shù)量比和形狀的組合。固態(tài)合金的相： 固溶體晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同。 金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)與各組元均不同，新結(jié)構(gòu)。（一） 固溶體溶劑：與合金本結(jié)構(gòu)相同的組元溶質(zhì)：與合金本結(jié)構(gòu)不相同的組元 如果合金各組元均屬同一結(jié)構(gòu)則以多少定為溶質(zhì)、溶劑。

19、例如：Au-Cu固溶體一般用、表示。1、 置換固溶體特點(diǎn)：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子點(diǎn)陣中的某些點(diǎn)。有序固溶體又叫超結(jié)構(gòu)。無(wú)序固溶體為常見(jiàn)。（ 見(jiàn)圖2-14）原子半徑相近，相結(jié)構(gòu)相同的元素之間易形成置換固溶體。 圖214 置換固溶體2、 間隙固溶體溶質(zhì)原子比較小時(shí)，例如：C、N等，它們位于晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。 （見(jiàn)圖2-15）該圖為二維（平面）視圖。同學(xué)們可根據(jù)前述bcc、fcc、hcp立體結(jié)構(gòu)理解。 圖215 間隙固溶體3、 固溶體的溶解度有限互溶：濃度常以重量百分比表示。無(wú)限互溶：Au、Cu一旦跨越50%界則溶劑變成溶質(zhì)。影響溶解度的因素：原子大小，晶格類型，電化學(xué)性質(zhì)，電子濃

20、度等。電子濃度：易失去的原子最外層價(jià)電子（多少）數(shù)目決定了晶（胞）格中的電子濃度。（價(jià)電子/原子數(shù)目）4、 固溶體的性能溶劑、溶質(zhì)間原子半徑不同（Au、Cu亦然）固溶體有晶格畸變。所以溶質(zhì)增加、固溶體的、HB上升，塑韌性下降。（結(jié)合上一節(jié)晶體缺陷（點(diǎn)、線、面）簡(jiǎn)明闡述強(qiáng)化概念、位錯(cuò)移動(dòng)阻力。）（二） 金屬化合物兩種以上的元素原子形成一種不同于任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新相叫金屬化合物，一般可用化學(xué)分子式，大致表示其組成。特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、脆合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。例如：軸承合金（滑動(dòng)軸承巴氏合金）常含組元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成的金屬化合物有：SnSb,

21、Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.1、 正常價(jià)化合物特點(diǎn)：符合一般化合物原子價(jià)規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。例如：Mg2Si, Mg2Sn , Mg2Pb , MnS2、 電子化合物特點(diǎn)：不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律電子濃度：價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。見(jiàn)表2-4，合金常見(jiàn)的電子化合物。3、 間隙化合物特點(diǎn)：過(guò)渡族金屬元素（元素周期表）與C、N、H、B非金屬元素形成的金屬化合物。分兩類：1）間隙相：當(dāng)原子半徑比0.59時(shí)形成簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物稱為間隙相。例如：V、VC、FCC、bcc 見(jiàn)圖2-16表2-5 ： 間隙相的化學(xué)式與晶格類型的關(guān)系。M：金屬 ，X：非金屬。 2）間隙化合

22、物特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜 （當(dāng)原子半徑比大于0.59時(shí)）例如: 鋼中Fe3C，高速鋼中：Cr23C6，F(xiàn)e4W2c，Cr6C3。錳鋼中：Mn3C等。見(jiàn)圖2-17 ， Fe3C晶格。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。在成分復(fù)雜的合金中（合金鋼）：高速鋼：金屬化合物為基的固溶體較多歸納總結(jié)： A、置換固溶1、 固溶體 B、間隙固溶 合金相組成 A、正常價(jià)化合物 間隙相 B、電子化合物 C、間隙化合物 2、 金屬 D、金屬化合物固溶體 復(fù)雜結(jié)構(gòu) 化合物 間隙化合物 §3 陶瓷和聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（自學(xué)）陶瓷是一個(gè)材料大范疇。包括粉末、粉末繞結(jié)而成的材料、單晶體（ZrO

23、、Si、SiO2） 陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物。天然的陶瓷材料：高嶺土、粘土、娟云母、石英砂、人工制造的陶瓷材料：ZrO、Ni3Si、SiC 、-Al2O3及單晶、CNB、BN、陶瓷由粉末燒結(jié)而成故而有非晶體、晶體、空洞。陶瓷中空洞的規(guī)范分布可成為特種材料濾芯。陶瓷晶體結(jié)構(gòu)分類：（一）AB型 NaCl型FCC 例如：MgO 、CaO、TiN TiC、（二）AB2型例如：TIO2、SnO2、Pb O2 Mn O2 W O2 Co O2 MnF2(三) A2B3型（鋼玉型） -Al2O3 Cr2O3 Ti2O3 2- Fe2O3 V2O3(四) 其它AB O3 AB2

24、O4 型二、聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （高分子）以C、Si為主干。作業(yè)：P19第3題。Chapter 3 材料凝固的基本過(guò)程概念：材料從液態(tài)到固態(tài)的過(guò)程稱為凝固過(guò)程。是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，組分單一的液體凝固過(guò)程較簡(jiǎn)單；組分復(fù)雜的液體凝固過(guò)程較復(fù)雜。金屬、非金屬均符合此規(guī)律。研究材料的凝固過(guò)程就是要研究材料流體的結(jié)構(gòu)，從LS結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律及其影響因素。以至于能動(dòng)地干預(yù)和控制該過(guò)程。這便是鑄造工藝的基礎(chǔ)知識(shí)。是粉末冶金、單晶體、非晶體材料制備基礎(chǔ)知識(shí)。 §1 液體的結(jié)構(gòu)一、 液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究表明，L與S相似前后（LS）只有3-5%的體積變化。見(jiàn)圖3-1。1） 長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序（動(dòng)態(tài)）

25、有序的原子團(tuán)時(shí)聚時(shí)散的情況叫做結(jié)構(gòu)起伏或相起伏。2） 不同的元素，不同的組分，液態(tài)結(jié)構(gòu)亦不同，結(jié)構(gòu)起伏狀況不同。特別是那些有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相先析出（結(jié)晶出）時(shí)，凝固前（臨界態(tài)）的組分起伏，結(jié)構(gòu)起伏便大。宏觀成分均勻產(chǎn)生微觀不均勻，即成分起伏。結(jié)構(gòu)起伏與成分起伏是相輔相成的。3） 同一組分的液體在不同T下，T越低結(jié)構(gòu)起伏越大。二、 兩種類型的凝固C 晶體 L S N-C非晶體（n1015p認(rèn)為是S，反之是L。§2金屬的結(jié)晶過(guò)程 溫度T一、 冷卻曲線和過(guò)冷度 T0測(cè)定液態(tài)金屬冷卻時(shí)T與t的變化關(guān)系T作出冷卻曲線。概念：結(jié)晶潛熱 只有存在過(guò)冷度結(jié)晶才能進(jìn)行。時(shí)間*V冷越大，過(guò)冷度越大。 圖3-

26、2 純金屬的冷卻曲線二、 結(jié)晶時(shí)的能量條件熱力學(xué)定律指出，在等壓條件下（對(duì)液體而言， 自由能P的變化對(duì)系統(tǒng)影響不大）液相一切自發(fā)過(guò)程都是朝著F下降的方向進(jìn)行。F固相（嚴(yán)格講應(yīng)用G）F=V-TS V、T、S是狀態(tài)函數(shù)， TF必定是狀態(tài)函數(shù)。溫度低于TO時(shí)，晶體的F低。 T1 T0 溫度T圖3-3 液體與晶體自由能與溫度的關(guān)系曲線三、 結(jié)晶的一般過(guò)程不斷形成晶核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。這是結(jié)晶的普遍規(guī)律。見(jiàn)圖3-4。液相圖34 結(jié)晶過(guò)程示意圖1、 小于TO，L經(jīng)過(guò)孕育期（能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏）出現(xiàn)晶核。（晶胚晶核）2、 晶核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)新的晶核又不斷出現(xiàn)。3、 直到L消耗完為止。至此每個(gè)晶核都長(zhǎng)大成

27、為一個(gè)小晶粒，眾多晶粒結(jié)合在一起形成多晶體。*尚若只有一個(gè)晶核（可人工控制）長(zhǎng)大成晶粒便是單晶體，如Si 、Ge 、GaAs 、C 、KCl4、 自發(fā)形核與非自發(fā)（或人工）形核。5、 晶體長(zhǎng)大的方式有很多種，金屬晶體一般條件下主要是以樹枝狀形式長(zhǎng)大。見(jiàn)圖3-5。§3晶粒大小的控制一、 晶粒度1、 晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。2、 工業(yè)上用晶粒等級(jí)來(lái)表示晶粒大?。ǚ糯?00倍顯微鏡）1-8級(jí)。1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。外擴(kuò)展級(jí)別：015級(jí)。有標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)供對(duì)照。二、 晶粒大小對(duì)金屬性能的影響。P22表3-1 晶粒越細(xì)小，力學(xué)性能越好。高溫下工作的材料，晶粒過(guò)大和過(guò)小都不好。硅鋼片亦求大晶粒。

28、此問(wèn)題的考慮應(yīng)從晶界是面缺陷著眼。高溫下的面缺陷易造成氧化和腐蝕。而電工用硅鋼則應(yīng)減少面缺陷造成的電磁損失。三、 決定晶粒度的因素形核率：N ， 長(zhǎng)大速度：G ，N/G增大則晶粒越細(xì)。四、 控制晶粒度的方法（一）T （二）變質(zhì)處理，外生核劑加入，促進(jìn)形核。N上升。（三） 振動(dòng)、攪拌等方法。（特別是有色金屬，例如AL）§4同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變物質(zhì)固態(tài)時(shí)，在不同的溫度、壓力條件下，發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變。該過(guò)程是一個(gè)形核長(zhǎng)大過(guò)程。一、 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A、直觀實(shí)驗(yàn)介紹 （如書中圖3-7）室溫912 1394 1538（熔點(diǎn)）B、若逆過(guò)程，從L S1(rFe) S2(rFe) S3(rFe) 室溫實(shí)際

29、轉(zhuǎn)變溫度必須比理論相變點(diǎn)低，出現(xiàn)T特點(diǎn)：固態(tài)相變因晶格常數(shù)改變和不同步性，故產(chǎn)坐很大的相變應(yīng)力。應(yīng)力過(guò)大時(shí)幾何尺寸很大的軸，模具等工件都產(chǎn)坐開裂，并產(chǎn)生大的聲響。二、 石英的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（閱讀）溫度C0 1538 1394-FeBCCFCC-Fe圖37 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變912-FeBCC 時(shí)間§5非晶態(tài)凝固的特點(diǎn)物質(zhì)結(jié)晶是形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程，所以凡是影響晶核的形成和長(zhǎng)大的因素，均影響結(jié)晶。一、 熔體的粘度（決定粘度的是化學(xué)成分）二、 冷卻速度例如：非晶態(tài)帶材的生產(chǎn)：銅冷卻鼓常用非晶體合金：Co-Si-B, Ni-Fe-Cr-P-B, Cu-Zr, Fe-P-C, Pb-20Si%合

30、金等。作業(yè)：P24第1 和第4題Chapter 4相圖基本概念：1、 什么叫相圖說(shuō)明（體系）相（組織）與成分和溫度的對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖。（體系狀態(tài)函數(shù)圖）即：相（組織）與其它可變（影響）因素對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖（T，P）對(duì)單組分H2O而言有T、P狀態(tài)圖。 *相圖表示的是熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即自由能最低的狀態(tài)。2、 相圖的由來(lái) 熱分析法、磁性法、熱膨脹法等。1） 人類認(rèn)識(shí)自然總是從事物的表面現(xiàn)象到本質(zhì)，從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，通過(guò)抽象和推理，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐認(rèn)識(shí)客觀真理。2） 人類在冶金和材料科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，首先發(fā)現(xiàn)不同成分（配料）的合金，其熔點(diǎn)和力學(xué)性能不同的事實(shí)現(xiàn)象。A、 中國(guó)青銅時(shí)代的兵器（例如劍）B、 相圖古代文

31、化不利于自然科學(xué)技術(shù)的研究方法（邏輯抽象思維）的發(fā)展。3） 只有在顯微鏡、熱電隅問(wèn)世后測(cè)定相圖才成為可能。3、 相圖的作用（對(duì)金屬而言）制定熔煉、鑄造、鍛壓及熱處理等工藝的重要依據(jù)。§1二元相圖的建立在§3-2與§3-4中講到了同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變中的溫度臺(tái)階。金屬在從L到S到室溫冷卻過(guò)程中，會(huì)有一到幾個(gè)溫度臺(tái)階。1、 設(shè)計(jì)一系列合金（不同配比點(diǎn)）然后用緩慢冷卻的冷卻曲線中的折點(diǎn)（ ）連成對(duì)應(yīng)曲線便成相圖。見(jiàn)圖4-1。2、 本例是最簡(jiǎn)單的一種相圖（無(wú)限互溶的勻晶相圖）但多數(shù)二元相金相圖都不是完全無(wú)限互溶。L溫度s 時(shí)間 Cu 23 46 75 NiNi %(a) 冷卻曲線

32、 (b) 合金相圖 圖41 CuNi 合金相圖的測(cè)定與繪制而是有限的互溶。且會(huì)坐成一些化合物，還有同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。這些轉(zhuǎn)變同在相同中表達(dá)出來(lái)，故相圖都復(fù)雜。但均可分解為幾個(gè)典型相圖的組合。（就像一輛復(fù)雜的汽車是由許多基本的零部件構(gòu)成一樣。）§2二元相圖的基本類型與分析a) 二元?jiǎng)蚓鄨DL、S狀態(tài)下二組元均無(wú)限互溶。例如：AuAg CuNi CuAui. 相圖分析 見(jiàn)圖4-2 LLL L溫度L1L+ 1 L55Cu Ni % Ni時(shí)間(a) (b)圖42 銅鎳合金勻晶相圖CuNi二元合金勻晶相圖?！跋唷钡母拍钜言谇皫坠?jié)課中建立。ii. 合金的結(jié)晶過(guò)程。（重點(diǎn)講解）L中析出固相12345

33、，例如鹽水結(jié)冰）！L相成分也由L1L2L3L4L5，與之平衡。平衡是指化學(xué)位相等。即：cuL=cua, A=f( ) NiL=Nia任意溫度下Ti,便有相應(yīng)的熱力學(xué)平衡。液固兩相的成分平恒通過(guò)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。如果條件不允許充分?jǐn)U散，便會(huì)出現(xiàn)成分偏析。若發(fā)生在樹枝狀晶中便叫枝晶偏析。iii. 枝晶偏析 偏析會(huì)影響材料的物化性能和力學(xué)性能?？赏ㄟ^(guò)高溫（Tm200)擴(kuò)散退火消除成分偏析。使成分均勻化。iv. 杠桿定律（兩相圖適用）利用物質(zhì)質(zhì)量守恒法則求得：某一合金中任一組元總量等于各相中的分量之和。不同條件下的相的成分及其相對(duì)量，可通過(guò)杠桿定律求得。GL（X） G（X）temperature BXL X

34、Xa TxxlxxxaQL QA xLX Xa Cu Ni %Ni(a) (b)圖43 杠桿定律的證明1、 確定兩平衡相的成分（濃度）tx時(shí) L相 X1%Ni 相 X2%Ni 溫度是水平線，在T一定時(shí)便有對(duì)應(yīng)的兩相平衡。2、 確定兩平衡相的相對(duì)量a 設(shè)合金的總重量為1L相重量 QL 濃度 X1相重量 Qa 濃度 X1已知合金中平均Ni含量為X，則根據(jù)物質(zhì)守恒定律，列出下列方程組： QL+ Qa=1 QL.X1+ Qa.X2=X 解方程組得: QL= X2- X0 X2- X1 Qa= X- X1 X2- X1b) 二元共晶相圖當(dāng)兩個(gè)組元液態(tài)時(shí)L：無(wú)限互溶 S：有限互溶（即在某個(gè)較小的溶解度范圍

35、）且發(fā)坐共晶反應(yīng)（有限互溶固溶體同時(shí)從L中結(jié)晶出來(lái)）所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖（若三組元，便是三元晶相圖）.例如：PbSb AlSi PbSn今以PbSn二元合金相圖A 327L232BL+EL+ C183D T+ F19.261.997.3SnPbSn %(一) 相圖分析相:L、 三T單相區(qū) L L 三個(gè)雙相區(qū)L相線：AEBS相線：ACEDB共晶線：CED LE(c+D ) 恒溫反應(yīng)過(guò)程中：L、三相共存，量不斷變化，最終L消耗盡。、相的成分（濃度）都是一定的。固溶線：CF DG隨溫度的變化而變化。共性：T下降，溶解度（濃度）下降。（二）合金1的結(jié)晶過(guò)程1、 合金的結(jié)晶過(guò)程T高于1點(diǎn)，L，1

36、2之間勻晶反應(yīng) 一次晶 ，2點(diǎn)反應(yīng)結(jié)束，23點(diǎn)間單相，3點(diǎn)時(shí)，碰到固溶線，隨著T下降，相圖析出以Sn為基體（溶劑）Pb為溶質(zhì)的相，稱為2（區(qū)別于一次結(jié)晶L）因?yàn)樵摮煞纸M織中相全是2，在此 兩相區(qū)中可用杠桿定律計(jì)算出2的量。2F4FG100注意：2的析出為固相析出，不容易故細(xì)小分散在晶界處為多。晶粒中的缺陷處。例如亞晶界，位錯(cuò)。層錯(cuò)、見(jiàn)圖462、 合金2的結(jié)晶過(guò)程 （見(jiàn)圖47合金2成分，E點(diǎn)（61.9%Sn） CED線上共晶反應(yīng)線LE(c+D ) 兩相比：EDCE注意：2、2在原共晶組織中相界面處析出離異析出依附到原（相）片上，不易區(qū)分出。但在CED線上求出相的多少重量后，再在FG區(qū)求出相，此時(shí)

37、各包含2、2相，前后兩者相減便得出：2、謀劃策相的重量。3、 合金3的結(jié)晶過(guò)程CE之間為亞共晶合金；12之間為勻晶反應(yīng)，析出1。同時(shí)，沿固相線和液相線各對(duì)應(yīng)成分變化，最后固相成分平衡在C點(diǎn)，L相平衡在E點(diǎn)，兩相比同樣可用杠桿定律求出。2點(diǎn)（CED共晶線上）L成分變?yōu)長(zhǎng)E 見(jiàn)圖48共晶反應(yīng)后，隨著T下降，相沿CF線析出2；同樣D成分沿DG線變化從D右析出2，所以其室溫組織為：（）22上述反應(yīng)包括：勻晶反應(yīng)共晶二次析出注意：固相的成份平衡靠原子固相擴(kuò)散（二次析出亦靠擴(kuò)散）4、 合金4的結(jié)晶過(guò)程ED之間為過(guò)共晶區(qū)，合金4的結(jié)晶過(guò)程與3相似，只不過(guò)一次結(jié)晶析出的不是1而是1。綜上所述，從相的角度來(lái)說(shuō)，

38、PbSn合金只有兩相。及（）在金相顯微鏡下都有一定的組織特征，稱為組織組成物。此時(shí)，有先析出的1共晶出的（）片層（和其它的顆粒、螺旋等形態(tài)）狀組織，當(dāng)然它們之中包含了2及2，離異析同后依附在先析出相組成物上了。按組織組成物填相圖如下：這與顯微鏡下觀察到的組織是一致的。c) 二元包晶（反應(yīng)）相圖例如：Fe C CuZn CuSn等均有包晶反應(yīng)。顧名思義，包晶反應(yīng)是L+S=的反應(yīng)。（一） 相圖分析：以Fe C相圖為例，（部分相圖）包晶線：HJB（水平線恒溫）B點(diǎn)：0.53% H: 0.09% L J: 0.17%A11特點(diǎn)：1538L+1反應(yīng)是在L與S2214952B固相界面上形核。溫度H 3 J

39、 +A 3L+A圖411 包晶相圖A1394N 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Fec%形成的A核對(duì)內(nèi)吃掉，對(duì)外擴(kuò)張消耗L，直到L或單方或雙方耗盡為止。 C L ALA（二） 合金的結(jié)晶過(guò)程合金1自進(jìn)入L+S勻晶相區(qū)到2點(diǎn)時(shí)，HJB包晶線上反應(yīng)開始前的固液相L、S之比為（重量）：L/S=HJ/JB，這樣數(shù)量比的兩相包晶反應(yīng)完畢完后雙相全部耗盡，形成單一的相，進(jìn)入單相區(qū)，其結(jié)晶過(guò)程（包含）經(jīng)歷了勻晶反應(yīng)加包晶反應(yīng)。合金2的成分位于J點(diǎn)左側(cè)，反應(yīng)前兩相比為：L/S=H2/2B顯然，S相過(guò)剩，所以反應(yīng)后進(jìn)入兩相區(qū)，S+，為新坐（包晶反應(yīng)）相HJN勻晶區(qū)，（固相勻晶區(qū)），結(jié)晶過(guò)程：勻晶+

40、包晶+固相勻晶合晶3的成分位于J點(diǎn)右側(cè)，僅包晶反應(yīng)后L相過(guò)剩，而進(jìn)入L+兩相區(qū)（勻晶區(qū)）過(guò)程：勻+包+勻d) 形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖此類化合物熔化前不分解，無(wú)成分變化。Mg2Si可視為一個(gè)組元，分割成兩個(gè)共晶相圖。TL Mg2SiL+SiL+Mg L+Mg2Si946.7L+Mg2Si圖414638.8Mg+Mg2Si Mg2Si+SiMgSie) 具有共析反應(yīng)的二元合金相圖類似于共晶反應(yīng)，在一恒定溫度（水平線）由一固相同時(shí)（析出）兩新的固相：c 1D+2E注意：固相反應(yīng)原子擴(kuò)散較難，易于在較L大T下進(jìn)行，從而組L+織細(xì)（比共晶），固相比容之差會(huì)產(chǎn)坐內(nèi)應(yīng)力。（見(jiàn)圖4-15）+1C+21

41、D E 21+2ABf) 二元相圖的分析步驟相圖種類多，但分析二元相圖時(shí)，由復(fù)雜相圖都是由上述基本相圖組合而成。1. 先分清（劃分）基本類型相圖組合。2. 穩(wěn)定化合物可視為分界線，分成幾個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行分析。3. 二元相圖中，相鄰相區(qū)相數(shù)差為一（水平）兩個(gè)單相區(qū)之間有兩相區(qū)。4. 找出三相共存水平線（包晶、共晶、共析）確定相變反應(yīng)特點(diǎn)5. 分析具體合金的結(jié)晶過(guò)程和組織單相區(qū)：相成分為合金成分.兩相區(qū)：相成分各沿相界線變化，兩相比例可用杠桿定律求出.三相平衡（水平線）：三個(gè)相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相對(duì)量不同。g) 相圖與合金性能之間的關(guān)系合金成分組織性能 關(guān)系 見(jiàn)書中P33

42、 略講。作業(yè)：P24第1和第4題。§3 鐵碳合金相圖（Fe C平衡圖）研究和學(xué)習(xí)Fe C平衡圖的意義A、 碳鋼和鑄鐵是工業(yè)應(yīng)用范圍最廣泛的金屬材料。 Fe C合金相圖是對(duì)碳鋼和鑄鐵理想化的（亦是捉信主要矛盾的對(duì)象） 反映化學(xué)成分，溫度與組織關(guān)系的狀態(tài)圖。冶煉（煉鐵、煉鋼）過(guò)程中自然殘存下來(lái)的復(fù)雜元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V、）沒(méi)有考濾：S0.04%， P0.04%（GB）B、 Fe C相圖是研究Fe C合金的工具，是鋼鐵成分組織性關(guān)系的理論基礎(chǔ)。 捉住Fe C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。對(duì)坐產(chǎn)實(shí)踐、制定加工工藝有指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)要求：a.本門課程的核心內(nèi)容，考試

43、的重點(diǎn)。b.學(xué)后達(dá)到正確地選材和制定加工工藝。c.合金鋼的基礎(chǔ)知識(shí).一、 Fe C合金相圖的組成1、見(jiàn)圖4-18金剛石表面金屬化處理有用。2、Fe- Fe3C基本相圖類型構(gòu)成分析： 見(jiàn)圖4-21 AL+1538B 1495HJL1394N+AL+AD1148C FAETemperature912G F+AA+Fe3CFS 727 KPF+ Fe3CQUVFe1 2 3 4 5 6 6.69FeC %Fe3C圖421 以相組成物表示的鐵碳合金相圖（1） 、包晶相圖 包晶線：HJB 1495度（2） 、共晶相圖 共晶線：ECF 1148度（3） 、共析相圖 共析線：PSK 727度（4） 、穩(wěn)定成

44、分化合物線 DFK 6.69% Tm： 1227度進(jìn)一步細(xì)分：（5） 、部分勻晶相圖：液相勻晶：L+S L+A L+ Fe3C固相勻晶：S+A F+A3、 五個(gè)基本相（5個(gè)單相區(qū)）：L、S、A、F、Fe3C：高溫鐵素體：bcc 0.09%C(1495度)H點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn)A：奧化體：fcc 2.11%c（1148度）E點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn) 塑性好，力學(xué)性能與晶粒度有關(guān)F：鐵素體：bcc 0.0218%（727度）P點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn)低硬、低強(qiáng)、高塑性 Fe3C：cm 復(fù)雜結(jié)構(gòu) 6.69%c TM：1227度 HB=800亞穩(wěn)相，其形狀和分布對(duì)鋼鐵性能影響很大，主要強(qiáng)化相。4、 相圖中的點(diǎn)分析：P35表4-15、 相圖中的線分析：a) ABCD：液相線b) AHJECF：固相線c) 三條水平（恒溫轉(zhuǎn)變）線： HJB包晶線：LB+H AJ ECF共晶線：LC AE+ Fe3C (F.) (Ledeburite )PSK共析線：AS FP+ Fe3C(K.) (Pearrite)6、 另外三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線：a) GS（A3）線：F溶入A及從A中析出線b) ES(Acm)線： Fe3C析出溶入線c) PQ線： Fe3C析出溶入線7、 5種Fe3C（）的由來(lái)及名稱： Fe3C