金屬材料工藝學基礎第1頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四材料、信息、能源稱為現代技術的三大支柱。

復合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四零件的生產工藝過程選材選毛坯預先熱處理機械加工最終熱處理檢驗

應根據零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環境等：其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價格等多方面考慮。第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四毛坯選擇車削傳統的有現代的有有液態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、磨削等數控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法機械加工方法第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

一個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到的加工精度、加工質量、加工范圍、加工效率是不同的。

預先熱處理：

為使切削加工能順利進行，可通過預先熱處理調整硬度，為切削加工做好組織準備。最終熱處理：使材料的性能達到要求。第5頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四第一篇金屬材料導論第6頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四主要內容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構1.3合金的結構1.4二元合金狀態圖第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四§1.1材料的強度與塑性1.拉伸試驗及拉伸曲線2.拉伸曲線所確定的力學性能指標及意義1.1金屬材料的主要性能第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四一、靜載單向靜拉伸應力――應變曲線

1.拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第9頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

ΔLF0

低碳鋼拉伸曲線

脆性材料拉伸曲線2.拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：第10頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四縱坐標為應力σ單位MPa(MN/mm)，橫坐標為應變ε其中：σ=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

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11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

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性能指標及意義1．剛度和彈性剛度材料在受力時，抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa

本質是：反映了材料內部原子結應力的大小，組織不敏感的力系指標。

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

應力――應變保持線性關系的極限應力值

第12頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四彈性極限：σe=Fe/Ao

不產永久變形的最大抗力。2.強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強度s：材料發生微量塑性變形時的應力值。即在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續伸長時的應力。

條件屈服強度0.2：高碳鋼等無屈服點，國家標準規定以殘余變形量為0.2%時的應力值作為它的條件屈服強度，以σ0.2來表示

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

s0.2第13頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3.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；δ5、δ10(L0=5d,10d)

斷面收縮率

ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

>時，無頸縮，為脆性材料表征；

<時，有頸縮，為塑性材料表征。斷裂后拉伸試樣的頸縮現象第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四§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。1．布氏硬度

第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。第16頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四符號HBS或HBW之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。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測得的布氏硬度值為120。布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。

缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經驗關系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2．洛氏硬度定義：HR=k-(h1-h0)/0.002常用標尺有：B、C、A三種①HRA

硬、薄試件，如硬質合金、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；如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結果分散度大。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計第18頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四維氏硬度試驗原理維氏硬度計3.維氏硬度第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點：既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。

第20頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四§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。指標為沖擊韌性值ak。第21頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標準試樣斷口截面積S(J/cm)ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結晶狀。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。在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象稱韌脆轉變。發生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。第22頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四疲勞：承受載荷的大小和方同隨時間作周期性變化，交變應力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發生斷裂。§1.4疲勞強度

（80%的斷裂由疲勞造成）周次σ疲勞強度σ-1：材料經無數次應力循環而不發生疲勞斷裂的最高應力值。條件疲勞極限：經受107應力循環而不致斷裂的最大應力值。陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強度較高，纖維增強復合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘余應力等。第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四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構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。第24頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四§1.5材料的斷裂韌性

1．問題的提出低應力脆斷――斷裂力學斷裂韌性是量度材料抵抗裂紋失穩擴展阻力的物理量,是材料抵抗應力脆性斷裂的韌性參數.

2．應力場強度因子K

前面所述的力學性能，都是假定材料內部是完整、連續的，但是實際上，內部不可避免的存在各種缺陷（夾雜、氣孔等），由于缺陷的存在，使材料內部不連續，這可看成材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應力集中產生，形成一個裂紋尖端應力場。表示應力場強度的參數——“應力場強度因子”。

I：單位厚度，無限大平板中有一長度2a的穿透裂紋

Y：裂紋形狀，加載方式，試樣幾何尺寸，試驗類型有關的系數――幾何形狀因子。Y=

I第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3．斷裂韌性

對于一個有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，Y值是一定的，當外力逐漸增大，或裂紋長度逐漸擴展時，應力場強度因子也不斷增大，當應力場強度因子KI增大到某一值時，就可使裂紋前沿某一區域的內應力大到足以使材料產生分離，從而導致裂紋突然失穩擴展，即發生脆斷。這個應力場強度因子的臨界值，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抵抗脆性斷裂的能力。

當KI>KIC時，裂紋失穩擴展，發生脆斷。

KI＝KIC時，裂紋處于臨界狀態

KI<KIC時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發生脆斷。KIC可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩擴展能力的力學性能指標。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應力等無關，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關。第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四4．應用斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現。（1）探測出裂紋形狀和尺寸，根據KIC

，制定零件工作是否安全K≥KIC，失穩擴展。（2）已知內部裂紋2a，計算承受的最大應力。（3）已知載荷大小，計算不產生脆斷所允許的內部宏觀裂紋的臨界尺寸。5.Titanic沉沒原因I第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四思考題1將鐘表發條拉成一直線，問這是彈性變形還是塑性變形？怎樣判斷它的變形性質？2疲勞破壞有什么危害？在什么情況下發生疲勞破壞，產生原因是什么？如何提高零件的疲勞強度？第29頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.金屬的結晶：原子由無序狀態向有序狀態轉變的過程。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金屬的晶體結構第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四一、晶體與非晶體1.晶體：指原子呈規則、周期性排列的固體。常態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化。2.區別(a)是否具有周期性、對稱性(b)是否長程有序(c)是否有確定的熔點(d)是否各向異性金屬的結構晶態非晶態Si2O的結構第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、金屬的晶體結構1.金屬的晶體結構晶體結構描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。1）理想晶體——實際晶體的理想化三維空間無限延續，無邊界嚴格按周期性規劃排列，是完整的、無缺陷。原子在其平衡位置靜止不動2）理想晶體的晶體學抽象空間規則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結點，構成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）第32頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四晶格：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（即原子中心）稱結點。由結點形成的空間的陣列稱空間點陣。晶胞：能代表晶格原子排列規律的最小幾何單元.第33頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3）晶胞的描述

晶體學參數：a,b,c,α,β,γ晶格常數：a,b,c4)晶系：根據晶胞參數不同，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：一個晶胞內所包含的原子數目。7)配位數：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分數。第34頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.三種典型的金屬晶體晶胞(1）體心立方晶胞晶格常數：a(a=b=c)原子半徑：原子個數：2配位數：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等第35頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四（2）面心立方晶胞

晶格常數：a原子個數：4配位數：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等第36頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四(3)密排六方晶胞

晶格常數：底面邊長a和高c，

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

第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四三．實際金屬的晶體結構

理想晶體+晶體缺陷——實際晶體

實際晶體——單晶體和多晶體

單晶體：內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．晶體缺陷實際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規則性的部分(1)點缺陷——晶格結點處或間隙處，產生偏離理想晶體的變化

第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四空位

晶格結點處無原子置換原子

晶格結點處為其它原子占據間隙原子

原子占據晶格間隙空位間隙原子大置換原子小置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀態，使晶格發生扭曲，稱晶格畸變。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。第40頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

刃型位錯螺型位錯(2)線缺陷(位錯)

二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排

位錯：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。有刃型位錯和螺型位錯兩種類型。第41頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四刃型位錯：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，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“?”表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“?”表示。第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四位錯密度：單位體積內所包含的位錯線總長度。

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

。位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。從-關系可以看出，減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。第43頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四(3)面缺陷一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區域。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壁。第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四四、金屬的同素異構轉變1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方概念：

金屬在固態下，隨著溫度的改變其晶體結構發生變化的現象。

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，從而達到改善材料性能的目的。第46頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

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。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47頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。組織實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態、數量、大小和分布的組合。鐵碳合金中的組織分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三類。第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結構與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四分類1）按溶質原子的位置分置換固溶體

其中溶質原子占據溶質原子點陣位置的固溶體。晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學性質相近.間隙固溶體

溶質原子位于溶劑原子點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

固溶強化

由于溶質原子溶入溶劑晶格產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。

溶質原子溶入→晶格畸變→位錯運動阻力上升→金屬塑性變形困難→強度、硬度升高。

第50頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2、金屬化合物

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金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。當合金中出現金屬化合物時，可提高其強度、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51頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3、機械混合物

機械混合物是由結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。機械混合物各相保持原有的晶格，因此，機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。鐵碳合金中的機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械混合物稱為高溫萊氏體；由珠光體和滲碳體組成的機械混合物稱為低溫萊氏體。第52頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四一、金屬的結晶

1.結晶與凝固的區別

2.純金屬的冷卻曲線和過冷現象

3.純金屬的結晶過程

4.金屬晶粒的大小與控制霧凇1.4鐵碳合金狀態圖第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四（一）結晶與凝固的區別

凝固：L→S

S可以是非晶

結晶：一種原子排列狀態（晶態或晶態）過渡為另一種原子規則排列狀態（晶態）的轉變過程

一次結晶：L→S晶態

二次結晶：S→S晶態（二）純金屬的冷卻曲線和過冷現象

1.結晶驅動力

ΔF≤0（不是過冷度ΔT）自然界的自發過程進行的熱力學條件都是ΔF≤0

體系中各種能量的總和叫做內能→U，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

a.當溫度T>T0時，Fs>FL,

液相穩定

b.當溫度T<T0時，Fs<FL,

固相穩定

c.當溫度T=T0時，Fs=FL,

平衡狀態

T0：理論結晶溫度（熔點或平衡結晶溫度）在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態2.冷卻曲線與過冷度1）冷卻曲線金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應的溫度稱實際結晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。

純金屬的冷卻曲線第55頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2）過冷與過冷度液態金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現象稱過冷。理論結晶溫度與實際結晶溫度的差T稱過冷度。T=T0–T1過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。第56頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四（三）純金屬的結晶過程1、結晶的基本過程結晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。液態金屬中存在著原子排列規則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下，經一段時間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，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57頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶核產生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2、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。由液體中排列規則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態雜質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59頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3、晶核的長大方式

晶核的長大方式有兩種，即平面長大和樹枝狀長大。實際金屬的結晶主要以樹枝狀長大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸…，樹枝間最后被填充。平面長大第60頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四樹枝狀結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61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

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.晶粒度工業生產上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.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大速度。

單位時間、單位體積內形成的晶核數目叫形核率(N)。單位時間內晶核生長的長度過冷度對N、G的影響

叫長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四過冷度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，細化3.控制晶粒度的因素①提高過冷度第64頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四②變質處理又稱孕育處理。

即有意向液態金屬內加入非均勻形核物質從而細化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質叫變質劑（或稱孕育劑）。③振動，攪拌等

對正在結晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數目顯著增加。第65頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四思考題1在純金屬的冷卻曲線上為什么會出現一水平臺階？2為什么晶粒越細小其力學性能越好？3如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶粒是粗還是細？第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、二元合金相圖的基本知識

1.相圖的基本概念相圖是用來表示合金系中各合金結晶過程的簡明圖解。又稱狀態圖或平衡圖。合金系是指由兩個或兩個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單、最基本、能夠獨立存在的物質。第67頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四

多數情況下組元是指組成合金的元素，但對于既不發生分解、又不發生任何反應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律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據。根據組元數,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68頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。2、相圖的建立第69頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四（1）配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉折點）。（2）在溫度-成分坐標中做成分垂線，將臨界點標在成分垂線上。（3）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。相圖中，結晶開始點的連線叫液相線。結晶終了點的連線叫固相線。

Cu-Ni合金相圖第70頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四3、杠桿定律當合金在某一溫度下處于兩相區時，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重量百分比。現以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律：

⑴確定兩平衡相的成分：設合金成分為x，過x做成分垂線。第71頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四在成分垂線相當于溫度t

的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。⑵確定兩平衡相的相對重量

設合金(x)的總重量為1，液相(x1)重量為QL，固相(x2)重量為Q。第72頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四則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)的長度。第73頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：或oobbxx1x2QLQ第74頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四上式與力學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距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區。單相區無必要使用，三相區不能使用。第75頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金的結晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，在結晶過程中固相中的原子來不及擴散，使先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后結晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4、枝晶偏析第76頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關，而且與液固相線的間距有關。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學、耐蝕、加工等性能。生產上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火。通過擴散退火可使原子充分擴散，使成分均勻。第77頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四1

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：是奧氏體發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態鐵碳合金發生共晶轉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、組織及性能之間關系的理論基礎，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據。第78頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2兩種反應1148℃（1）共晶反應

一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩種成分和結構均不相同的固相的反應。L4.3%c