金屬材料工藝學(xué)基礎(chǔ)

金屬材料工藝學(xué)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。

復(fù)合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六零件的生產(chǎn)工藝過程選材選毛坯預(yù)先熱處理機(jī)械加工最終熱處理檢驗(yàn)

應(yīng)根據(jù)零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環(huán)境等：其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價(jià)格等多方面考慮。第三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六毛坯選擇車削傳統(tǒng)的有現(xiàn)代的有有液態(tài)成形毛坯塑性成形毛坯連接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯車削、刨削、銑削拉削、鏜削、磨削等數(shù)控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法機(jī)械加工方法第四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

一個(gè)具體零件的加工往往可用多種不同的加工方法，而每種加工方法所能達(dá)到的加工精度、加工質(zhì)量、加工范圍、加工效率是不同的。

預(yù)先熱處理：

為使切削加工能順利進(jìn)行，可通過預(yù)先熱處理調(diào)整硬度，為切削加工做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理：使材料的性能達(dá)到要求。第五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一篇金屬材料導(dǎo)論第六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六主要內(nèi)容1.5鐵碳合金1.1金屬材料的主要性能1.2金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)1.3合金的結(jié)構(gòu)1.4二元合金狀態(tài)圖第七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六§1.1材料的強(qiáng)度與塑性1.拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線2.拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義1.1金屬材料的主要性能第八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力――應(yīng)變曲線

1.拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

ΔLF0

低碳鋼拉伸曲線

脆性材料拉伸曲線2.拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：第十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六縱坐標(biāo)為應(yīng)力σ單位MPa(MN/mm)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變?chǔ)牌渲校害?F/S

表示材料抵抗變形和斷裂的能力

ε＝（L1-L0）/L03.曲線分為四階段：

1）階段I（ope）――彈性變形階段

p:Fp

，e:Fe（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）

op段：△L∝P

直線階段

pe段：極微量塑性變形（0.001--0.005%)2）階段II（ess’）段――屈服變形

S:屈服點(diǎn)

Fs3）階段III（s’b）段――均勻塑性變形階段

b:

Fb

材料所能承受的最大載荷第十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

4）階段IV(bK)段――局部集中塑性變形－－頸縮

鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義1．剛度和彈性剛度材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa

本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)應(yīng)力的大小，組織不敏感的力系指標(biāo)。

彈性：材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力。比例極限：σp=Fp/Ao

應(yīng)力――應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值

第十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六彈性極限：σe=Fe/Ao

不產(chǎn)永久變形的最大抗力。2.強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。即在拉伸試驗(yàn)過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。

條件屈服強(qiáng)度0.2：高碳鋼等無屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，以σ0.2來表示

抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。

s0.2第十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

延伸率

延伸率與試樣尺寸有關(guān)；δ5、δ10(L0=5d,10d)

斷面收縮率

ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征；

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征。斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六§1.2材料的硬度抵抗外物壓入的能力，稱為硬度――綜合性能指標(biāo)。1．布氏硬度

第十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。第十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)第十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2．洛氏硬度定義：HR=k-(h1-h0)/0.002常用標(biāo)尺有：B、C、A三種①HRA

硬、薄試件，如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。②HRB輕金屬，未淬火鋼，如有色金屬和退火、正火鋼等。③HRC

較硬，淬硬鋼制品；如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)第十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)3.維氏硬度第十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。

第二十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六§1.3沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak。第二十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積S(J/cm)ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。第二十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六疲勞：承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。§1.4疲勞強(qiáng)度

（80%的斷裂由疲勞造成）周次σ疲勞強(qiáng)度σ-1：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限：經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。第二十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。第二十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六§1.5材料的斷裂韌性

1．問題的提出低應(yīng)力脆斷――斷裂力學(xué)斷裂韌性是量度材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力的物理量,是材料抵抗應(yīng)力脆性斷裂的韌性參數(shù).

2．應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K

前面所述的力學(xué)性能，都是假定材料內(nèi)部是完整、連續(xù)的，但是實(shí)際上，內(nèi)部不可避免的存在各種缺陷（夾雜、氣孔等），由于缺陷的存在，使材料內(nèi)部不連續(xù)，這可看成材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)。表示應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的參數(shù)——“應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子”。

I：?jiǎn)挝缓穸?，無限大平板中有一長(zhǎng)度2a的穿透裂紋

Y：裂紋形狀，加載方式，試樣幾何尺寸，試驗(yàn)類型有關(guān)的系數(shù)――幾何形狀因子。Y=

I第二十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3．?dāng)嗔秧g性

對(duì)于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，Y值是一定的，當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋長(zhǎng)度逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到某一值時(shí)，就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示，它表明了材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷裂的能力。

當(dāng)KI>KIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。

KI＝KIC時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài)

KI<KIC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。KIC可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。第二十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六4．應(yīng)用斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。（1）探測(cè)出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)KIC

，制定零件工作是否安全K≥KIC，失穩(wěn)擴(kuò)展。（2）已知內(nèi)部裂紋2a，計(jì)算承受的最大應(yīng)力。（3）已知載荷大小，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的內(nèi)部宏觀裂紋的臨界尺寸。5.Titanic沉沒原因I第二十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第二十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六思考題1將鐘表發(fā)條拉成一直線，問這是彈性變形還是塑性變形？怎樣判斷它的變形性質(zhì)？2疲勞破壞有什么危害？在什么情況下發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生原因是什么？如何提高零件的疲勞強(qiáng)度？第二十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2.金屬的結(jié)晶：原子由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。有晶體形成。1.三種常見的金屬的晶格類型：

體心立方面心立方密排六方1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六一、晶體與非晶體1.晶體：指原子呈規(guī)則、周期性排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。

非晶體：原子呈無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。2.區(qū)別(a)是否具有周期性、對(duì)稱性(b)是否長(zhǎng)程有序(c)是否有確定的熔點(diǎn)(d)是否各向異性金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)第三十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。1）理想晶體——實(shí)際晶體的理想化三維空間無限延續(xù)，無邊界嚴(yán)格按周期性規(guī)劃排列，是完整的、無缺陷。原子在其平衡位置靜止不動(dòng)2）理想晶體的晶體學(xué)抽象空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）第三十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間的陣列稱空間點(diǎn)陣。晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元.第三十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3）晶胞的描述

晶體學(xué)參數(shù)：a,b,c,α,β,γ晶格常數(shù)：a,b,c4)晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交單斜三斜5）原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。6)晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。7)配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。第三十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2.三種典型的金屬晶體晶胞(1）體心立方晶胞晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等第三十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）面心立方晶胞

晶格常數(shù)：a原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等第三十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六(3)密排六方晶胞

晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等

第三十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面第三十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六三．實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

理想晶體+晶體缺陷——實(shí)際晶體

實(shí)際晶體——單晶體和多晶體

單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，各向異性1．晶體缺陷實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分(1)點(diǎn)缺陷——晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化

第三十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六空位

晶格結(jié)點(diǎn)處無原子置換原子

晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)間隙原子

原子占據(jù)晶格間隙空位間隙原子大置換原子小置換原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。第四十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)(2)線缺陷(位錯(cuò))

二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排

位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種類型。第四十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“?”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“?”表示。第四十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬中的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2

。位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。從-關(guān)系可以看出，減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。第四十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）第四十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六(3)面缺陷一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。分為晶界、亞晶界、表面等

晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5-10個(gè)原子間距，位向差一般為20-40°。位向差很小（10’-2°)的小晶塊為亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。第四十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方概念：

金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

意義：

可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的目的。第四十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。Al-Cu兩相合金1.3鐵碳合金的基本組織

組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。第四十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。鐵碳合金中的組織分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三類。第四十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質(zhì)第四十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六分類1）按溶質(zhì)原子的位置分置換固溶體

其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶質(zhì)原子點(diǎn)陣位置的固溶體。晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學(xué)性質(zhì)相近.間隙固溶體

溶質(zhì)原子位于溶劑原子點(diǎn)陣的間隙位置中的固溶體，原子半徑較小。2）按溶解度分有限固溶體無限固溶體3）按分布有序度分有序固溶體無序固溶體固溶強(qiáng)化由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升→金屬塑性變形困難→強(qiáng)度、硬度升高。

第五十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2、金屬化合物

合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的Fe3C第五十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3、機(jī)械混合物

機(jī)械混合物是由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織。它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。機(jī)械混合物各相保持原有的晶格，因此，機(jī)械混合物的性能介于各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還于各相的形狀、大小和分布有關(guān)。鐵碳合金中的機(jī)械混合物有珠光體和萊氏體。（1）珠光體

由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（2）萊氏體

分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為高溫萊氏體；由珠光體和滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為低溫萊氏體。第五十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六一、金屬的結(jié)晶

1.結(jié)晶與凝固的區(qū)別

2.純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象

3.純金屬的結(jié)晶過程

4.金屬晶粒的大小與控制霧凇1.4鐵碳合金狀態(tài)圖第五十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六（一）結(jié)晶與凝固的區(qū)別

凝固：L→S

S可以是非晶

結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程

一次結(jié)晶：L→S晶態(tài)

二次結(jié)晶：S→S晶態(tài)（二）純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象

1.結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力

ΔF≤0（不是過冷度ΔT）自然界的自發(fā)過程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是ΔF≤0

體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能→U，其中可以對(duì)外做功或向外釋放的能量叫自由能→F，F(xiàn)=U-TS（熵）第五十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

a.當(dāng)溫度T>T0時(shí)，F(xiàn)s>FL,

液相穩(wěn)定

b.當(dāng)溫度T<T0時(shí)，F(xiàn)s<FL,

固相穩(wěn)定

c.當(dāng)溫度T=T0時(shí)，F(xiàn)s=FL,

平衡狀態(tài)

T0：理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度）在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)2.冷卻曲線與過冷度1）冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。

純金屬的冷卻曲線第五十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2）過冷與過冷度液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度。T=T0–T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。第五十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六（三）純金屬的結(jié)晶過程1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程組成。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。界面自由能體積自由能晶胚晶核rrcΔG*自由能變化ΔG第五十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。第五十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。非均勻形核示意圖第五十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3、晶核的長(zhǎng)大方式

晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即平面長(zhǎng)大和樹枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。平面長(zhǎng)大第六十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第六十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。（四）金屬晶粒的大小與控制

1.晶粒度工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)來表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來評(píng)級(jí)。第六十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2.決定晶粒度的因素

晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大速度。

單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度過冷度對(duì)N、G的影響

叫長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。第六十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷度ΔT太高，D降低——N降低、G降低所以，過冷度ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，細(xì)化3.控制晶粒度的因素①提高過冷度第六十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六②變質(zhì)處理又稱孕育處理。

即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。③振動(dòng)，攪拌等

對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。第六十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六思考題1在純金屬的冷卻曲線上為什么會(huì)出現(xiàn)一水平臺(tái)階？2為什么晶粒越細(xì)小其力學(xué)性能越好？3如果結(jié)晶時(shí)晶核不多而生長(zhǎng)速度快，則結(jié)晶后的晶粒是粗還是細(xì)？第六十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六二、二元合金相圖的基本知識(shí)

1.相圖的基本概念相圖是用來表示合金系中各合金結(jié)晶過程的簡(jiǎn)明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。第六十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六

多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如Fe-C合金中的Fe3C。

相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖三元相圖第六十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六幾乎所有的相圖都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。2、相圖的建立第六十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六（1）配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。（2）在溫度-成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分垂線上。（3）將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖中，結(jié)晶開始點(diǎn)的連線叫液相線。結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫固相線。

Cu-Ni合金相圖第七十頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六3、杠桿定律當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：

⑴確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。第七十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六在成分垂線相當(dāng)于溫度t

的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。⑵確定兩平衡相的相對(duì)重量

設(shè)合金(x)的總重量為1，液相(x1)重量為QL，固相(x2)重量為Q。第七十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六則QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長(zhǎng)度。第七十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：或oobbxx1x2QLQ第七十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)無必要使用，三相區(qū)不能使用。第七十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，在結(jié)晶過程中固相中的原子來不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4、枝晶偏析第七十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長(zhǎng)時(shí)間保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火。通過擴(kuò)散退火可使原子充分?jǐn)U散，使成分均勻。第七十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六1

鐵碳合金的基本組織鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韌性好，強(qiáng)度、硬度低。奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。三、鐵碳合金狀態(tài)圖的建立鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據(jù)。第七十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六2兩種反應(yīng)1148℃（1）共晶反應(yīng)

一定成分的液相在一定的溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)。L4.3%c