1、LOGO機械工程材料機械工程材料 陳剛陳剛哈爾濱工業大學哈爾濱工業大學(威海威海)，材料科學與工程學院，材料科學與工程學院 材料材料材料是可用于制造器皿、結構的原料。材料是具有結構、光、磁、電的用途的物質。材料是能為人類社會經濟制造有用器材(或物品)的物質。肖紀美肖紀美.材料的定義及材料學的劃分材料的定義及材料學的劃分.材料科學與工程學報材料科學與工程學報.2006/04材料是人類從事生產和生活的物質基礎。舊石器時代石器舊石器時代石器新石器時代石器新石器時代石器石器時代石器時代鏟鏟斧斧鋤鋤青銅武器青銅武器青銅鼎青銅鼎青銅貨幣青銅貨幣青銅農具青銅農具青銅時代青銅時代鐵器時代鐵器時代材料的發展與人

2、類社會簡圖材料的發展與人類社會簡圖材料的發展水平和利用程度是人類文明進步的標志材料的發展水平和利用程度是人類文明進步的標志按組成與結合鍵分：按組成與結合鍵分： v 1、金屬材料、金屬材料v 2、高分子材料、高分子材料v 3、陶瓷材料、陶瓷材料v 4、復合材料、復合材料機械工程材料機械工程材料是用于機械工程、電器工程、是用于機械工程、電器工程、建筑工程等領域的材料。建筑工程等領域的材料。LOGO高分子材料高分子材料金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料v以金屬鍵結合為主以金屬鍵結合為主 v良好的導電性、導熱性、良好的導電性、導熱性、延展性和金屬光澤延展性和金屬光澤 v用量最大、應用最廣泛用

3、量最大、應用最廣泛黑色金屬：鐵、錳、鉻及其合金等黑色金屬：鐵、錳、鉻及其合金等 有色金屬：輕金屬有色金屬：輕金屬,重金屬重金屬,貴金屬貴金屬,稀有金屬稀有金屬 金屬材料金屬材料帶材帶材異形材異形材板材板材管材管材v以共價鍵和離子鍵為主以共價鍵和離子鍵為主v熔點高、硬度高、耐腐熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大蝕、脆性大 v分為傳統陶瓷、特種陶分為傳統陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類瓷和金屬陶瓷三類 陶瓷材料陶瓷材料車用陶瓷燈座及絕緣體車用陶瓷燈座及絕緣體陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發動機陶瓷發動機v以分子鍵和共價鍵為主以分子鍵和共價鍵為主v耐蝕性、電絕緣性、減耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小振性好，密度小

4、v包括塑料、橡膠及合成包括塑料、橡膠及合成纖維等纖維等 分子鍵分子鍵共價鍵共價鍵烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯土木工程用有機纖維土木工程用有機纖維米其林干性車胎米其林干性車胎米其林中性車胎米其林中性車胎米其林雨胎米其林雨胎v金屬基復合材料金屬基復合材料v陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料v高分子復合材料高分子復合材料 玻璃纖維增強高分子復合材料玻璃纖維增強高分子復合材料把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料以把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。F1賽車底盤為碳纖維復合材料賽車底盤為碳纖維復合材料材料的材料的性

5、能性能包括包括使用性能和工藝性能使用性能和工藝性能使用性能：在服役條件下，能保證安全可靠工作所使用性能：在服役條件下，能保證安全可靠工作所必備的性能；指機械性能、物理性能和化學性能必備的性能；指機械性能、物理性能和化學性能等；等；工藝性能：材料的可加工性；包括鍛造性能、鑄造工藝性能：材料的可加工性；包括鍛造性能、鑄造性能、焊接性能、熱處理及切削性能。性能、焊接性能、熱處理及切削性能。性能性能車身車身構件用鋼構件用鋼較好的冷較好的冷沖壓性能沖壓性能增壓柴油機曲軸增壓柴油機曲軸高的疲勞極限、高的疲勞極限、沖擊沖擊韌性和韌性和表面的耐磨性。表面的耐磨性。曲軸曲軸軸類用鋼軸類用鋼化學成分化學成分：組成

6、材料各元素在材料中的組成和濃度。：組成材料各元素在材料中的組成和濃度。加工工藝：加工工藝：車、銑、磨車、銑、磨：調整材料形狀、尺寸精度：調整材料形狀、尺寸精度壓力加工：調整材料形狀、尺寸精度，可改變組織壓力加工：調整材料形狀、尺寸精度，可改變組織及結構及結構焊接：材料連接，也需考慮焊接部位的組織及結構焊接：材料連接，也需考慮焊接部位的組織及結構鑄造：調整材料形狀、尺寸精度，可改變組織鑄造：調整材料形狀、尺寸精度，可改變組織熱處理：可改變組織及結構熱處理：可改變組織及結構組織組織：用肉眼或借助于不同放大倍數的顯微鏡所觀察到的：用肉眼或借助于不同放大倍數的顯微鏡所觀察到的金屬內部的情景。金屬內部的

7、情景。v習慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱習慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱低倍組低倍組織或宏觀組織織或宏觀組織。v放大放大100 2000倍的組織稱倍的組織稱高倍組織或顯微組織高倍組織或顯微組織。v在電子顯微鏡下放大幾千在電子顯微鏡下放大幾千 幾十萬倍的組織稱幾十萬倍的組織稱精細組織精細組織或電鏡組織或電鏡組織。鋼錠的宏觀組織鋼錠的宏觀組織顯微組織顯微組織電鏡組織電鏡組織鋼的宏觀組織、顯微組織和電鏡組織Al的高分辨透射電鏡象的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的純鐵晶體的X-射線衍射譜射線衍射譜結構結構：材料中各原子的具：材料中各原子的具體組合狀態。一般通過體組合狀態。一般通過X-射線

8、衍射或透射電鏡研究。射線衍射或透射電鏡研究。含碳量對性能的影響含碳量對性能的影響亞共析鋼隨含碳量亞共析鋼隨含碳量增加，鋼的增加，鋼的強度、強度、硬度升高，塑性、硬度升高，塑性、韌性下降韌性下降。含碳量對工藝性能的影響含碳量對工藝性能的影響 切削性能切削性能: 中碳鋼合適中碳鋼合適 可鍛性能可鍛性能: 低碳鋼好低碳鋼好 焊接性能焊接性能: 低碳鋼好低碳鋼好 鑄造性能鑄造性能: 共晶合金好共晶合金好FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C

9、+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度Steel with 0.4%C 化學成分確定后，加工工藝可改變材料組織和性能化學成分確定后，加工工藝可改變材料組織和性能研究材料的化學成分、加工工藝、組織、結構與性能(以力學性能為主)之間關系。課程目的課程目的：建立建立化學成分化學成分、組織結構組織結構、加工加工工藝工藝與與性能性能之間的關系，能夠合理選材并設之間的關系，能夠合理選材并設計零件加工工藝。計零件加工工藝。1、設計中應該考慮哪些問題？、設計中應該考慮哪些問題？2、按照什么順序進行考慮？、按照什么順序進行考慮？例：齒輪的選材及加工工藝例：齒輪的選材及加工工藝工作條件工作條件：高

10、速運轉齒輪間存在較大的高速運轉齒輪間存在較大的彎曲應力、接觸彎曲應力、接觸應力（應力集中于某點）、摩擦力應力（應力集中于某點）、摩擦力齒輪工作的失效形式：齒輪工作的失效形式：齒根斷裂、彎曲疲勞、齒根斷裂、彎曲疲勞、接觸疲勞、剝落與磨損接觸疲勞、剝落與磨損。性能要求性能要求：1、齒輪工作表面應堅硬耐磨（、齒輪工作表面應堅硬耐磨（針針對對接觸疲勞、剝落與磨損接觸疲勞、剝落與磨損）；）；2、心部應具有良好的韌性和塑性（、心部應具有良好的韌性和塑性（針對針對齒根齒根斷裂、彎曲疲勞斷裂、彎曲疲勞）。）。選材與加工工藝：選材與加工工藝：(1)低碳鋼滲碳淬火；低碳鋼滲碳淬火；(2)中碳鋼感應加熱表面淬火；中

11、碳鋼感應加熱表面淬火；(3)中碳鋼調質處理加氮化處理；中碳鋼調質處理加氮化處理；(4)熱處理后再加表面冷塑性變形熱處理后再加表面冷塑性變形(如噴丸等如噴丸等)強化。強化。設計中主要考慮：設計中主要考慮：1、根據零件的、根據零件的工作條件工作條件判斷出它的判斷出它的失效形失效形式式，并由此指定零件需要達到的，并由此指定零件需要達到的性能指標性能指標；2、材料的合理選取材料的合理選取(成分，結構，組織成分，結構，組織)；3、材料的、材料的加工工藝和路徑加工工藝和路徑。v主要參考書：主要參考書： 機械工程材料機械工程材料 哈爾濱工業大學出版社哈爾濱工業大學出版社v成績評定方法：成績評定方法：平時成績

12、占平時成績占20%(出勤出勤+作業或隨堂測試作業或隨堂測試)，課程結束時的期末考試，課程結束時的期末考試成績占成績占80%。v隨機點名，兩次不到，平時成績為隨機點名，兩次不到，平時成績為0；v三次曠課，本門課成績以三次曠課，本門課成績以0分計！分計！第一篇第一篇 金屬材料基礎金屬材料基礎第二篇第二篇 工業用鋼工業用鋼第三篇第三篇 鑄鋼與鑄鐵鑄鋼與鑄鐵第四篇第四篇 有色金屬材料有色金屬材料第五篇第五篇 非金屬材料非金屬材料第一篇第一篇 金屬材料基礎金屬材料基礎第一章第一章 純金屬的晶體結構與組織純金屬的晶體結構與組織第二章第二章 二元合金的相結構與組織二元合金的相結構與組織第三章第三章 金屬的塑

13、性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶 應力、介質作用下的性能指標應力、介質作用下的性能指標第四章第四章 評定金屬材料在評定金屬材料在第一章第一章 純金屬的晶體結構與組織純金屬的晶體結構與組織第一節第一節 純金屬的晶體結構純金屬的晶體結構第二節第二節 純金屬的結晶與組織純金屬的結晶與組織第一節第一節 純金屬的晶體結構純金屬的晶體結構一、晶體結構一、晶體結構根據原子聚集態，金屬包括：晶體、非晶、準晶根據原子聚集態，金屬包括：晶體、非晶、準晶體體非晶體：無周期性和對稱性的固體，原子或分子非晶體：無周期性和對稱性的固體，原子或分子無規則排列。無規則排列。晶體：結構具有周期性和對稱性的固體，原子或晶體：

14、結構具有周期性和對稱性的固體，原子或分子排列規則。分子排列規則。準晶：原子或分子排列的規則程度介于晶體與非準晶：原子或分子排列的規則程度介于晶體與非晶體之間。晶體之間。 晶態晶態非晶態非晶態SiO2的結構的結構原子結構模型假設：原子原子結構模型假設：原子靜止不動，且為剛性小球靜止不動，且為剛性小球剛性小球堆積剛性小球堆積晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成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。的三維空間格架。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規律的最小幾何單元。晶胞晶胞l晶格常數：晶胞各邊晶格常數：晶胞各邊的尺寸的尺寸 a、b、cl各

15、棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示表示l晶胞以晶胞以a、b、c為周為周期，分別沿期，分別沿X、Y和和Z方向平移，即得到方向平移，即得到該晶胞的空間點陣該晶胞的空間點陣晶胞晶胞立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜體心立方：室溫下的純鐵、鉻、鎢等面心立方：銅、鋁及911-1392oC時的鐵等密排六方：鈹、鎂、鋅等金屬晶體的三種典型晶胞金屬晶體的三種典型晶胞l晶胞形狀和大?。壕О螤詈痛笮。豪膺呴L度和夾角。棱邊長度和夾角。l原子半徑：原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。間距的一半。l晶胞原子數：晶胞原子數：一個晶胞內所包含的

16、原子數目。一個晶胞內所包含的原子數目。l配位數：配位數：晶格中與任一原子距離最近且相等的原晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數目。子數目。l致密度：致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分數。晶胞中原子本身所占的體積百分數。描述晶胞的參數描述晶胞的參數原子半徑：原子半徑：原子個數：原子個數：配位數：配位數：致密度：致密度：晶格常數：晶格常數：a(a=b=c)體心立方體心立方a/43常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等280.68原子半徑：原子半徑：原子個數：原子個數：配位數：配位數：致密度：致密度：晶格常數：晶格常數： a(a=b=c)面心立方面心立方常見金屬：常見金屬：

17、-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等a/420.74 124原子半徑：原子半徑：原子個數：原子個數：配位數：配位數：致密度：致密度：晶格常數：底面邊長晶格常數：底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633密排六方密排六方a/2常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等0.74126晶格類型體心立方晶格 bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞結構晶胞常數abc 90oabc 90oab；c/a1.633 90o；120o晶胞內原子數原子半徑致密度0.680.740.74配位數81212典型金屬-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb

18、Mg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Cov面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序密排六方晶格密排六方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABABAB面心立方晶格面心立方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABCABCABC多晶型多晶型-Fe -Fe -Fe比容比容:單位質量晶體的體積。單位質量晶體的體積。v晶面晶面v晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱原子面稱晶面晶面。v表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶面指數。晶面指數。晶面與晶向晶面與晶向(立方晶系立方晶系)v 確定原點，建立坐標系，確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三求出所求晶面在三個坐標軸上的截距個坐

19、標軸上的截距。v 取三個截距值的倒數并按比例取三個截距值的倒數并按比例化為最小整數，化為最小整數，加圓括弧加圓括弧，形式為（，形式為（hkl）。）。v求截距為求截距為 、1、 晶面的指數晶面的指數 (1)截距值取倒數為截距值取倒數為0、1、0(2)加圓括弧得（加圓括弧得（010）v畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數的倒數取三指數的倒數1、1、1/2,化成最小整數為化成最小整數為2、2、1，即為，即為X(a)、Y(b)、Z三坐標軸上的截距三坐標軸上的截距v 晶向晶向v晶體中各晶體中各方向上的方向上的原子列稱原子列稱晶向晶向。v表示晶向的符號稱表示晶向的符號稱晶向指數晶向指數。v 確定原點，

20、建立坐標系，過原點作所求晶確定原點，建立坐標系，過原點作所求晶向的平行線。向的平行線。v 求直線上任一點的坐標值并按比例化為最求直線上任一點的坐標值并按比例化為最小整數，加方括弧。形式為小整數，加方括弧。形式為uvw。已知晶向指數為已知晶向指數為110, 畫出該晶向。畫出該晶向。找出找出1、1、0坐標點坐標點,連連接原點與該點的直線接原點與該點的直線即所求晶向。即所求晶向。110234已知某過原點晶向上一點的坐標為已知某過原點晶向上一點的坐標為1、1.5、2，求該直線的晶向指數。求該直線的晶向指數。將三坐標值化為最小整數加方括弧得將三坐標值化為最小整數加方括弧得234。acbv指數雖然不同，但

21、原子排列完全相同的晶向和晶面稱作指數雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用晶向族或晶面族。分別用hkl和和表示。表示。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、111111111111XZY說明：說明： 在立方晶系中，指數在立方晶系中，指數相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直。

22、互垂直。1XZY(221)221110110 遇到負指數，遇到負指數，“-”-”號號放在該指數的上方。放在該指數的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如 0 0與與110110方方 向相反。向相反。1v三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數稱單位面積晶面上的原子數稱晶面原子密度晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數稱單位長度晶向上的原子數稱晶向原子密度晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向密排面或密排方向。密排面密排面密排方向密排方向體心立方晶格體心立方晶格110面心立方晶格面心立方晶格111密排六方

23、晶格密排六方晶格六方底面六方底面底面對角線底面對角線三種常見晶格的密排面三種常見晶格的密排面和密排方向和密排方向六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格實際金屬的晶體結構為多晶實際金屬的晶體結構為多晶純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖單晶體：單晶體：其內部晶格方位完全一其內部晶格方位完全一致的晶體。致的晶體。多晶體：多晶體：實際使用的金屬材料是實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、由許多彼此方位不同、外形不規則的小晶體組外形不規則的小晶體組成，這些小晶體稱為成，這些小晶體稱為晶粒晶粒。二、晶體缺陷二、晶體缺陷宏觀組織宏觀組

24、織v晶體缺陷：晶體缺陷： 偏離晶體完整性的微觀區域，偏離晶體完整性的微觀區域，或晶格的或晶格的不完整部位不完整部位。 實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即形狀可分三類，即點、線、面缺陷點、線、面缺陷。 點缺陷點缺陷 空間三維尺寸都很空間三維尺寸都很小的缺陷小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子v空位：未被原子占據的晶格結點?？瘴唬何幢辉诱紦木Ц窠Y點。v間隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔g隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。體金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方

25、的四面體和八面體間隙置換原子：取代原來原子位置置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱的外來原子稱置換原子置換原子。空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態，使晶格發生扭曲態，使晶格發生扭曲(晶格局部晶格局部彈性變形彈性變形)，稱，稱晶晶格畸變格畸變。位錯位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發生局部滑：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發生局部滑移，滑移面上滑移區與未滑移區的交界線稱作位錯。移，滑移面上滑移區與未滑移區的交界線稱作位錯。分為：分為：刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯

26、 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯v刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。的邊緣就是刃型位錯。v半原子面在上方時，稱正位錯，用半原子面在上方時，稱正位錯，用“ ”表示。表示。v半原子面在下方時，稱負位錯，用半原子面在下方時，稱負位錯，用“ ”表示。表示。平面示意圖平面示意圖v位錯密度：單位體積內所包含的位錯線總長度。位錯密度：單位體積內所包含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)v金屬的位錯密度為金

27、屬的位錯密度為1041012/cm2透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線) 面缺陷面缺陷晶界、亞晶界及孿晶界晶界、亞晶界及孿晶界晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為個原子間距，位向差一般為2040。單晶體多晶體晶界：晶粒之間的交界晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面。晶粒越細小，晶界面積越大。面積越大。光學金相顯示的純鐵晶界光學金相顯示的純鐵晶界亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁v亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2

28、)的小晶塊。的小晶塊。v亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看作。亞晶界也可看作位錯壁。位錯壁。金屬中晶體兩部分沿某一公共面構成鏡面對稱的位金屬中晶體兩部分沿某一公共面構成鏡面對稱的位向關系，公共晶面為向關系，公共晶面為孿晶面孿晶面。孿晶馬氏體，又稱針狀馬氏體孿晶馬氏體，又稱針狀馬氏體實際金屬的強度遠遠小于理想金屬實際金屬的強度遠遠小于理想金屬(理論值理論值)晶體缺陷帶來晶體缺陷帶來晶格能量增加晶格能量增加隨金屬缺陷的隨金屬缺陷的增加，金屬強增加，金屬強度先降后增度先降后增。金屬材料的金屬材料的物理化學性能隨缺陷增加也產生物理化學性能隨缺陷增加也產生變化變化例如：冷

29、加工后位錯密度增加，晶格畸變很大，例如：冷加工后位錯密度增加，晶格畸變很大，給自由電子的運動造成一定程度的干擾，從而使給自由電子的運動造成一定程度的干擾，從而使電阻有所增加電阻有所增加；由于位錯密度增大，晶體處于高；由于位錯密度增大，晶體處于高能量狀態，金屬易與周圍介質發生化學反應，使能量狀態，金屬易與周圍介質發生化學反應，使抗腐蝕性能降低抗腐蝕性能降低。晶界晶界光學顯微鏡下工業純鐵的組織光學顯微鏡下工業純鐵的組織晶界晶界晶面晶面光學顯微鏡光學顯微鏡物鏡物鏡經經過過物物鏡鏡的的漫漫射射光光線線v一一. 純金屬結晶的溫度條件純金屬結晶的溫度條件v二二. 純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程v三三.

30、影響金屬鑄態組織的因素影響金屬鑄態組織的因素第二節第二節 純金屬的結晶與組織純金屬的結晶與組織v物質由液態轉變為固態的過程稱為物質由液態轉變為固態的過程稱為凝固凝固。v物質由液態轉變為晶態的過程稱為物質由液態轉變為晶態的過程稱為結晶結晶。v物質由一個相轉變為另一個相的過程稱為物質由一個相轉變為另一個相的過程稱為相變相變。結晶過程是相變過程。結晶過程是相變過程。S常熟pVTG純金屬液固兩相體積自由能與溫度關系 T液體和晶體自由能隨溫度變化液體和晶體自由能隨溫度變化T0T1一、純金屬冷卻的溫度條件一、純金屬冷卻的溫度條件當溫度大于或小于當溫度大于或小于T0時，相變才可能發生。時，相變才可能發生。v

31、液態金屬在理論結晶溫度以下開始結晶液態金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現象稱的現象稱過冷過冷。v理論結晶溫度與實際結晶溫度的差理論結晶溫度與實際結晶溫度的差 T稱稱過冷度過冷度 T= T0 T1 熱分析法熱分析法v金屬結晶時溫度與時間的關金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱系曲線稱冷卻曲線冷卻曲線。v曲線上水平階段所對應的溫曲線上水平階段所對應的溫度稱實際結晶溫度度稱實際結晶溫度T1。v曲線上水平階段是由于結晶曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。時放出結晶潛熱引起的。 純金屬的冷卻曲純金屬的冷卻曲線線v過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。過

32、冷度越大。金屬原子在結晶過程中的自由能變化 GLGSGA二、純金屬的結晶過程二、純金屬的結晶過程液相中先形成液相中先形成微小的晶體，微小的晶體，即晶核；隨后即晶核；隨后晶核長大而結晶核長大而結晶。晶。固體固體金屬結晶過程包括：金屬結晶過程包括：形核與長大形核與長大形核方式形核方式自發形核（均質形核）非自發形核（非均質形核）非均質形核：依附于未溶非均質形核：依附于未溶的固態雜質表面而形核。的固態雜質表面而形核。均質形核：只靠液態金屬本均質形核：只靠液態金屬本身在一定過冷度下形成晶核。身在一定過冷度下形成晶核。晶體生長方式晶體生長方式注：注：v純金屬結晶后由晶粒組純金屬結晶后由晶粒組成；形核越多，

33、晶粒越成；形核越多，晶粒越細小。細小。v每個晶粒以每個晶粒以“枝晶方式枝晶方式”長成；最后晶粒的規則長成；最后晶粒的規則形狀被破壞。形狀被破壞。 枝干會發生偏斜或折斷枝干會發生偏斜或折斷而產生缺陷。而產生缺陷。v初期，結晶加速進行。初期，結晶加速進行。v晶粒相互接觸后，結晶過程趨于緩慢。晶粒相互接觸后，結晶過程趨于緩慢。02468Time/s轉變量轉變量/%v形核率形核率(N)：單位時：單位時間內單位體積液體中間內單位體積液體中形成晶核的數量。形成晶核的數量。v生長速度生長速度(G)：單位：單位時間內晶核生長的線時間內晶核生長的線長度。長度。N越大，越大，G越小，晶越小，晶粒越小。粒越小。影響

34、純金屬鑄態組織的因素：影響純金屬鑄態組織的因素：N、 G受受過冷度和雜質過冷度和雜質影響；影響；外來雜質增加形核率，同外來雜質增加形核率，同時阻礙晶體生長。時阻礙晶體生長。細化晶粒的方法細化晶粒的方法增加冷卻速度，導致增加冷卻速度，導致結晶過冷度增加，使結晶過冷度增加，使得得N較大，從而實現較大，從而實現細化晶粒。細化晶粒。變質處理變質處理：液態金屬中加入：液態金屬中加入難熔固體顆粒難熔固體顆粒增加形增加形核率，而細化晶粒的方法。核率，而細化晶粒的方法。細化晶粒的方法細化晶粒的方法變質劑變質劑機械振動等措施也能細化晶粒。機械振動等措施也能細化晶粒。電磁含Cu4%的鋁合金，凝固后的合金組織。(a

35、)無攪拌；(b)攪拌后不銹鋼鋼錠的宏觀組織。(a)無超聲振動；(b)超聲振動機械振動等措施也能細化晶粒。機械振動等措施也能細化晶粒。第二章第二章 二元合金的相結構與組織二元合金的相結構與組織第一節第一節 合金的相結構合金的相結構第二節第二節 二元合金相圖二元合金相圖基本類型及相圖分析基本類型及相圖分析第四節第四節 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第三節第三節 二元合金相圖的二元合金相圖的純金屬機械性能差，故工業上廣泛應用的是合金純金屬機械性能差，故工業上廣泛應用的是合金材料。材料。例如：例如： Fe: b=250MPa C: b =0 Fe-C合金合金(0.45%C) 正火態正火態: b =610MP

36、a通過合金化改善純金屬的機械性能。通過合金化改善純金屬的機械性能。鋁硅合金顯微組織（硅鋁分別鋁硅合金顯微組織（硅鋁分別為合金組元）為合金組元）v合金合金是由兩種或兩種以上金屬元素或金屬和非是由兩種或兩種以上金屬元素或金屬和非金屬組成的具有金屬特性的物質。金屬組成的具有金屬特性的物質。v組元組元是指組成合金的是指組成合金的最簡單、最基本、能最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質。夠獨立存在的物質。v合金化合金化是采用合金元是采用合金元素來改變金屬性能的素來改變金屬性能的方法。方法。第一節第一節 合金的相結構合金的相結構v合金中凡成分相同、結構相同、合金中凡成分相同、結構相同、聚集態相同，并與其它部分

37、有界聚集態相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為面分開的均勻組成部分稱為相相。v組元、相及組織的關系？組元、相及組織的關系？v固態合金中的相分為固態合金中的相分為固溶體固溶體和和金金屬間化合物屬間化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金固溶體固溶體：合金中組元互相：合金中組元互相溶解溶解而形成的均勻固而形成的均勻固相；習慣以相；習慣以 、 、 表示。表示。l每種固溶體僅有一種結構；與合金晶體結構相同每種固溶體僅有一種結構；與合金晶體結構相同的元素稱的元素稱溶劑溶劑。其它元素稱。其它元素稱溶質溶質。一、固溶體一、固溶體l按溶質原子所處位置分為按溶質原子所處位置分為置換固溶體置換

38、固溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體溶劑原子溶劑原子溶質原子溶質原子溶劑原子溶劑原子溶質原子溶質原子v置換固溶體置換固溶體：溶質原子占據溶劑晶格某些結點：溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體。位置所形成的固溶體。v溶質原子呈無序分布的稱溶質原子呈無序分布的稱無序固溶體無序固溶體; 呈有序呈有序分布的稱分布的稱有序固溶體有序固溶體。間隙固溶體：溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的間隙固溶體：溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。固溶體。l形成間隙固溶體的一般規律為形成間隙固溶體的一般規律為r質質/r劑劑0.59。l間隙固溶體都是無序固溶體。間隙固溶體都

39、是無序固溶體。形成間隙固溶體的溶質元素是形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金屬原子半徑較小的非金屬元素元素，如如C、N、B等，而溶劑元素一等，而溶劑元素一般是過渡族元素。般是過渡族元素。v固溶體的溶解度：溶質原子在固溶體中的極限固溶體的溶解度：溶質原子在固溶體中的極限濃度。濃度。v溶解度有一定限度的固溶體稱溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體有限固溶體；組；組成元素無限互溶的固溶體稱成元素無限互溶的固溶體稱無限固溶體無限固溶體。v組成元素原子半徑、電化學特性相近，晶格類組成元素原子半徑、電化學特性相近，晶格類型相同的型相同的置換固溶體置換固溶體，才有可能形成無限固溶，才有可能形成無限固

40、溶體。體。 v間隙固溶體都是間隙固溶體都是有限固溶體有限固溶體。間隙式間隙式置換式置換式固溶強化：固溶體固溶強化：固溶體中晶格畸變較大，中晶格畸變較大，隨溶質原子增加合隨溶質原子增加合金強度和硬度提高。金強度和硬度提高。塑性和韌性降低。塑性和韌性降低。Cu-Ni無限固溶體無限固溶體Cu-Zn有限固溶體有限固溶體固溶體固溶體化合物化合物二、金屬間化合物二、金屬間化合物l合金中其晶體結構與組成元素的晶體結構均不相合金中其晶體結構與組成元素的晶體結構均不相同的固相稱同的固相稱金屬間化合物金屬間化合物。l金屬間化合物可用化學式表示，如：金屬間化合物可用化學式表示，如：MnXm，但，但一般不遵循化合價規

41、律。一般不遵循化合價規律。l金屬金屬間間化合物化合物熔點高、硬度高，很脆，彌散分布熔點高、硬度高，很脆，彌散分布的金屬間化合物可提高合金強度、硬度和耐磨性，的金屬間化合物可提高合金強度、硬度和耐磨性，但降低塑性但降低塑性。l金屬化合物主要有金屬化合物主要有正常價化合物、電子化合物、正常價化合物、電子化合物、間隙相和具有復雜晶格的間隙化合物間隙相和具有復雜晶格的間隙化合物等。等。正常價化合物正常價化合物：符合正常原子價規律的化合物。：符合正常原子價規律的化合物。Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2Si成分固定不變成分固定不變如：如：Mg2Si、MnS等等v電子化合物：符合電子濃度規律的化合物。

42、電子化合物：符合電子濃度規律的化合物。如如CuZn等。等。PbPb基軸承合金中的電子化合物基軸承合金中的電子化合物價電子濃度為價電子數與原子價電子濃度為價電子數與原子數的比值數的比值。如：如： CuZn中，中，Cu價電子數價電子數為為1，而，而Zn價電子數為價電子數為2，所以所以CuZn價電子密度為價電子密度為3/2v電子濃度為電子濃度為3/2的電子化合物通常呈現體心的電子化合物通常呈現體心立方的立方的 相或密排六方結構；相或密排六方結構；v電子密度為電子密度為21/13的電子化合物呈現復雜立的電子化合物呈現復雜立方結構的方結構的相；相；v電子密度為電子密度為7/4的電子化合物多具有密排六的電

43、子化合物多具有密排六方的方的 相。相。間隙相間隙相由過渡族元素與由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非等小原子半徑的非金屬元素組成。金屬元素組成。間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點，非常穩間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點，非常穩定。定。形成間隙相的尺寸條件是非金屬原子半徑與金屬形成間隙相的尺寸條件是非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值原子半徑的比值0.59。WCWC、VCVC、TiCTiC、ZrCZrC等屬于間隙相。等屬于間隙相。VC的的結結構構v如如Fe3C稱滲碳體，是鋼稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復雜中重要組成相，具有復雜斜方晶格。斜方晶格。Fe3C的晶格的晶格v除正常價化合

44、物外，其他類型金屬間化合物的成除正常價化合物外，其他類型金屬間化合物的成分可變；也可形成以金屬間化合物為基的固溶體。分可變；也可形成以金屬間化合物為基的固溶體。 如：化合物如：化合物AnBm晶格保持不變，過剩的晶格保持不變，過剩的B置換置換A，形成缺位固溶體；形成缺位固溶體；C也可置換也可置換A或或B，形成置換，形成置換固溶體。固溶體。 以固溶體為基，彌散分布金屬間化合物，可以固溶體為基，彌散分布金屬間化合物，可提高強度、硬度和耐磨性，即提高強度、硬度和耐磨性，即第二相質點強第二相質點強化或稱彌散強化化或稱彌散強化。第二節第二節 二元合金相圖二元合金相圖v相圖相圖是用來表示合金系中各合金在是用

45、來表示合金系中各合金在緩冷條件緩冷條件下下結晶過程的簡明圖解。又稱結晶過程的簡明圖解。又稱狀態圖或平衡圖狀態圖或平衡圖。v也是也是用圖解方法表示不同成分、溫度下合金中用圖解方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關系相的平衡關系（組成相的關系）。（組成相的關系）。熱分析法熱分析法 二元相圖的建立步驟為：二元相圖的建立步驟為：v1. 配制配制不同成分不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的線，找出曲線上的臨界點臨界點（停歇點或轉折點）。（停歇點或轉折點）。v2. 將臨界點標在溫度將臨界點標在溫度-成分坐標中的成分垂線上。成分坐標中的成分垂線上。v3. 將垂線上相

46、同意義的點連接起來，并標上相將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應的數字和字母。應的數字和字母。v溫度在液相線以上時，合溫度在液相線以上時，合金為液態金為液態(L);溫度在固相溫度在固相線以下時，合金為固態線以下時，合金為固態();溫度在固相線和液相溫度在固相線和液相線之間的區域，為固液混線之間的區域，為固液混合區合區(+L)。v結晶開始點連線叫結晶開始點連線叫液相線液相線。結晶終了點連線為。結晶終了點連線為固相線固相線。二元合金相圖：勻晶相圖、共晶相圖和包晶相圖二元合金相圖：勻晶相圖、共晶相圖和包晶相圖勻晶相圖勻晶相圖 LL+ 成分（成分（wt%Ni）溫度（溫度（）CuNi液相線固相線tA

47、tB12從液相中結晶出單一固相的轉變稱為從液相中結晶出單一固相的轉變稱為勻晶轉變或勻晶反應勻晶轉變或勻晶反應。兩組元在液兩組元在液態和固態下態和固態下完全互溶，發完全互溶，發生勻晶反應生勻晶反應時所構成的時所構成的相圖稱作相圖稱作勻勻晶相圖晶相圖。第三節第三節 二元合金相圖的基本類型及相圖分析二元合金相圖的基本類型及相圖分析 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線兩者差別？兩者差別？某成分合金任意溫度下固相量和液相量？固相或某成分合金任意溫度下固相量和液相量？固相或液相內溶質濃度？液相內溶質濃度？v處于兩相區的合金，由相圖可知道兩平衡相的成處于兩相區的合金，由相圖可知道兩平衡相的成分，用分，用杠桿定律杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。求出兩平衡相的相對重量。12 t 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡相的成分：設合金成分為設合金成分為x，過，過x做成做成分垂線。在成分垂線相當分垂線。在成分垂線相當于溫度于溫度t 的的o點作水平線，點作水平線，與液固相線交點與液固相線交點a、b所對