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工 程 材 料,绪 论,材料的重要性科学研究和技术发展的目的 改变人类生活材料对我们的生活产生着重大影响 过去的、现在的、未来的影响材料也是制造工程师们实现产品制造的原料 产品功能的载体、制造加工的对象,2,t课件,推荐课外读物宗培言、丛东华主编，机械工程概论，机械工业出版社，2004年2月第1版，16开268页，TH-43/Z93这是一本介绍机械设计制造及其自动化专业的书。它解答了同学们最为关心的一些问题，包括：本专业涵盖哪些知识范围，大学阶段要学些什么，以及将来能做哪些方面的工作等，对刚刚进入专业学习的同学了解本专业，给自己未来的学习和事业定位都具有很好的指导意义。建议每个同学都认真读一读。另外，同名的书籍还有另外一些，内容大同小异。郝应其编著，缤纷多彩的材料世界， 北京工业大学出版社，1993年5月第1版，32开119页，TB3/H24a 这是一本介绍各种材料及它们的应用的小册子。内容精彩生动，对大家了解各种材料，增强对材料课程学习的兴趣，十分有益。内容简单，大家基本上都能读懂，而且不用花太多的时间，建议每个同学都找来读读。此外，图书馆类似的小册子还有很多，不妨根据自己的兴趣选看12本。,3,t课件,为什么要学习工程材料课程工程上使用哪些材料,4,t课件,工程材料研究哪些问题材料的结构、性能（第一、二、三章）金属材料的结晶过程及组织成分分析（第二章）金属材料的塑性变形机理（第三章）改变材料性能的方法（第四章）各种材料的牌号、用途、如何选择材料（第五、六、七章）材料失效分析（第七章）,5,t课件,如何学好工程材料课程本课程的重点与难点本课程的学习方法与教学要求,6,t课件,本课程的推荐参考书目张继世主编，机械工程材料基础， 高等教育出版社 ，2002年4月第1版，小16开243页，TH14-43/Z32储凯主编，机械工程材料，重庆大学出版社，1998年6月第1版，16开214页，TH14/C73詹武主编，工程材料，机械工业出版社，1997年10月第1版，16开354页，TB3-43/Z26以上3本书内容与我们使用的教材相仿，难度按上面由上到下的排列顺序由浅入深。对某些我们教材上说的不太清楚明白的内容，可查阅这些参考书。潘强、朱美华、童建华编著，工程材料，上海科学技术出版社，2005年9月第2版，16开311页，TB3-43/P18(2) 王晓敏编著，工程材料学，哈尔滨工业大学出版社 ，2002年8月第2版，16开292页，TB3/W37b(2)以上2本书比我们使用的教材稍深，但都是非常好的教材。对程度较高希望学习更深入一些内容的同学，可以参看，不懂的地方可以与老师讨论。,7,t课件,第一章：材料的性能,什么是材料的性能 材料在使用和加工过程中所表现出来的各种性能,8,t课件,材料包括哪些性能 材料的力学性能和工艺性能是我们关注的重点,9,t课件,材料的力学性能力学性能又称为机械性能1. 材料的强度与塑性强度强度的概念：材料在外力作用下抵 抗变形和断裂的能力强度可分为：抗拉强度、抗压强度 、抗弯强度、抗剪强 度疲劳强度等等,10,t课件,塑性塑性的概念：材料在外力作用下呈 现出的不可恢复到原 状的变形而不发生破 坏的能力衡量塑性的指标：伸长率与断面收 缩率,11,t课件,拉伸试验与拉伸曲线拉伸试验（拉伸试验机）,拉伸试验机,12,t课件,拉伸曲线应力与应变的概念应力：单位面积 上所受的力， 单位：Pa 应变：单位长度 的变形量， 无单位由应力-应变曲线可获得材料以下各种性能指标,13,t课件,弹性极限与弹性模量弹性极限e在材料的弹性极限范围内（即当材料所受应力小于e时），应力与应变成正比弹性极限在拉伸曲线中的位置曲线上的A点,14,t课件,弹性模量E定义式：条件： e弹性模量在拉伸曲线上的反映A点以下直线的斜率弹性模量的决定因素材料的本性刚度材料在弹性变形区内抵抗弹性变形的能力，用弹性模量E表示,15,t课件,改变金属制品刚度的措施更换金属材料改变金属制品的结构形式增加截面积弹性极限在材料使用中的意义机械零件所受的应力不能大于弹性极限值，否则可能会发生塑性变形,16,t课件,屈服强度（屈服点）屈服现象载荷不增加而塑性变形仍在增大的现象屈服点在拉伸曲线中的位置曲线上的B点,17,t课件,屈服强度(屈服点)sB点对应的应力值，用s表示无明显屈服现象材料的屈服点位置的确定：塑性变形达0.2%处对应的应力值，用0.2表示,18,t课件,屈服强度在材料使用中的应用屈服强度是评价材料承载能力的重要指标材料所受的应力不应超过屈服点（否则材料将产生塑性变形）屈服阶段的结束曲线中的C点C点以后，材料需要继续增大应力才能产生新的塑性变形,19,t课件,抗拉强度（强度极限）缩颈现象材料拉断前断裂部位附近直径变小抗拉强度b试样所能承受的最大拉应力抗拉强度在拉伸曲线上的位置曲线上的D点,20,t课件,抗拉强度在材料使用中的意义抗拉强度是评价材料安全性的重要指标材料所受的应力绝不可超过抗拉强度（否则材料有断裂的危险）比强度概念：强度与密度之比意义：衡量不同材料抗拉能力。如玻璃钢的比强度可能高于钢材,21,t课件,伸长率(延伸率)、断面收缩率评价材料塑性的指标伸长率(延伸率)其中：L0为试样的原始长度L1为试样拉断后的总长度为E点的横坐标是评价材料塑性最常用的指标,22,t课件,断面收缩率 其中：S0是试样原始截面积 S1是试样拉断后断口的 截面积,23,t课件,塑性在材料使用中的意义良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件伸长率和断面收缩率数值越大，材料的塑性越好,24,t课件,材料“塑性好”与“容易变形”的区别“塑性好”是指材料伸长率和断面收缩率数值大，其压力加工性能好“容易变形”是指令材料产生初始塑性变形所需要的应力，即屈服强度的大小“容易变形”的材料不一定“塑性好”，反之亦然,25,t课件,上堂重点材料性能：树状图基本概念：强度、塑性、应力、应变、应力-应变曲线、由应力-应变曲线能获得哪些力学性能指标；基本力学性能指标： 弹性极限、弹性模量、刚度、屈服强度（屈服点）、抗拉强度、比强度、延伸率、断面收缩率； 它们的含义、符号、测量方法、计算公式、单位、在材料使用上的应用，等等；“容易变形”与“塑性好”的区别。,26,t课件,复习与思考“塑性好”指的是什么，在应力应变曲线上如何衡量两种材料谁的塑性好？ 若拉伸应力由e逐渐加大到s，此时材料发生什么变化？应力应变曲线中，当拉伸应力达到b后，出现曲线走向向下（即应力减小而变形仍继续增加）的现象，请解释原因？,27,t课件,2. 材料的硬度硬度的概念材料抵抗其它硬物压入其表面的能力硬度可分为洛式硬度、布式硬度、维式硬度等最常用的硬度指标是：洛氏硬度和布氏硬度,28,t课件,硬度试验（硬度计）,洛氏硬度计,布氏硬度计,29,t课件,硬度的应用硬度是衡量材料软硬程度的指标，是材料抵抗局部塑性变形的能力；硬度与材料的强度及塑性等重要性能指标之间存在着内在联系，有一定的的对应关系；硬度便于测试，因此在实际生产中，常通过测量硬度值来检验一般零件的机械性能；硬度是材料最常用的指标之一。,30,t课件,洛式硬度代号：HR不同的压头称为不同的标尺常用的标尺有A、B、C，分别用代号HRA、HRB、HRC表示 压头1200金刚石圆锥体：适用于A、C标尺 1.588mm淬火钢球：适用于B标尺,31,t课件,测量对象压痕深度(可直接从硬度计上读出)公式 h0：初载荷下的压痕深度，单位mmh1：主载荷下的压痕深度，单位mmh1-h0：主载荷使压头压入材料形成的压痕深度,32,t课件,优缺点优点：测量简便迅速，压痕小缺点：数据不够准确，重复性较差 （尤其对成分不均匀的材料）,33,t课件,应用洛式硬度方便快捷，是目前工厂中应用最广泛的硬度试验方法,各种标尺的硬度试验规范及适用的材料,34,t课件,布式硬度代号：HB 使用不同材质的压头分别用HBS、HBW表示压头淬火钢球：适用于硬度值小于450的材 料，用代号HBS表示 硬质合金球：适用于硬度值大于450小 于650的材料，用代号 HBW表示,35,t课件,测量对象：压痕球冠的表面积公式,36,t课件,优缺点优点：测量结果准确，测量精度高缺点：压痕面积大（对零件有损伤）应用布式硬度通常用于铸铁、有色金属及其合金、结构钢、非金属材料等的测量实际测量时可根据压痕直径直接查表得到硬度值，不需要用公式计算,37,t课件,3. 材料的冲击韧度韧性与脆性韧性：材料在塑性变形和断裂 全过程中吸收能量的能 力，吸收的能量越多， 韧性越好脆性：与韧性相反的概念,38,t课件,冲击试验（冲击试验机）,冲击试验机,39,t课件,冲击韧度（冲击吸收功）概念：材料抵抗冲击破坏的能力公式：决定冲击韧度值的因素内部因素：材料本身特性，如，成 份、显微组织、冶金质 量等 外部因素：如，试样尺寸、缺口形 状、试样粗糙度、试验 环境等,40,t课件,冲击韧度的应用冲击韧度是反映材料质量和设计选材的重要指标之一根据试样的缺口形式不同，有ku和kv两种冲击韧度值，二者直接不能直接进行比较和换算材料的韧性会随环境温度下降而降低，在超过某一温度（韧脆转换温度）后，材料冲击韧度会急剧降低，由韧性材料变为脆性材料。韧脆转换温度越低，材料的低温冲击韧性越好。这对于在寒冷地区和低温下工作的零件和机器尤为重要,41,t课件,冲击韧度的应用（续）实际应用中，机械零件很少是受到大能量的一次冲击就破坏的，而是受到小能量的多次冲击后才发生破坏。一般来说，材料抵抗大能量一次冲击的能力取决于材料的塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力则取决于材料的强度。因此，冲击韧性对一般零件只具有参考意义。在零件设计时，不能片面追求高的k值，这是因为k值过高会降低材料的强度，从而导致零件因强度不够而失效对脆性材料，不采用冲击韧度指标,42,t课件,4. 材料的疲劳强度材料的疲劳断裂例子：用手反复弯曲来折断一段铁丝概念：在交变载荷的反复作用下，即使其载荷(应力)远小于抗拉强度b（材料发生破坏的最低应力），甚至小于屈服强度s（材料发生塑性变形的最低应力），材料也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂后果：机械零件的断裂，80%以上都是疲劳断裂，断裂前没有明显征兆，突然断裂，后果十分严重,43,t课件,疲劳试验与疲劳曲线,疲劳试验机,44,t课件,疲劳强度当材料承受的交变应力低于某一数值-1时，虽经无数次循环，材料也不会发生疲劳断裂，这个应力值-1称为材料的疲劳强度由于疲劳试验不可能进行无限次循环，而且有些材料的疲劳曲线上没有水平部分。因此，通常规定，碳钢以循环107次、有色金属和某些超高强度钢以循环108次而发生断裂所需的应力作为其疲劳强度非金属材料的疲劳强度一般远低于金属材料,45,t课件,疲劳强度与抗拉强度的关系一般钢铁材料的值约为其b的一半疲劳强度的应用影响疲劳强度数值的因素：材料本身、残余应力、表面质量、应力循环特性等提高疲劳强度的措施：表面强化处理（滚压、喷丸、表面淬火、渗碳、渗氮等）、减少零件表面粗糙度等,46,t课件,材料的其它性能简介物理性能包括：密度与熔点、电学性能、热学 性能、磁学性能、光学性能等 化学性能包括：耐腐蚀性能、抗氧化性能、化 学稳定性等工艺性能包括：铸造性能、焊接性能、压力加 工性能、切削加工性能、热处理 性能等,47,t课件,第二章：工程材料基础知识,概论：组织结构及与性能的关系结构 通常指材料的构造形式，即如何由原子、分子、通过一定的结合形式构成材料的方式,48,t课件,组织 通过显微镜观察到的固态材料内部的微观形貌，又称为显微组织,金相显微镜,49,t课件,组织结构与性能的关系 组织结构决定了材料的性能，可以通过改变材料的组织结构来改变材料性能,50,t课件,第一节：金属的晶体结构晶体与非晶体的基本概念晶体、非晶体晶体：原子规则排列的材料非晶体：原子无规则堆积的材料,51,t课件,晶体的特点（与非晶体的区别）原子或分子在三维空间按照一定规则作周期性的重复排列某些晶体，如食盐、天然金刚石等，具有规则的外形；具有固定的熔点（凝固点），溶解（凝固）过程中温度始终保持不变；具有各向异性的特征。 金属通常（在自然冷却时）都是晶体，但采用特殊的冷却方法（急冷）可获得非晶体金属；,52,t课件,晶体有关的一些基本概念晶格：用一些假想的空间直线把原子连结起来，构成一个三维的空间几何格架，称为晶格；晶胞：（定义见教材 ）晶格常数：（定义见教材 ）,53,t课件,晶面、晶向 （了解一般概念，定义见教材，“晶面指数”与“晶向指数”不要求）,54,t课件,上堂重点基本力学性能指标(续)： 硬度、布氏硬度、洛氏硬度、冲击韧度、疲劳强度等，它们的含义、符号、测量方法、计算公式、单位、在材料使用上的应用，等等；材料的其它性能;材料的结构与组织的概念，组织结构与性能的关系;晶体与非晶体、晶体材料的特点；有关晶体的基本概念：晶格、晶胞、晶格常数、晶面、晶向等。,55,t课件,复习与思考用标准试样测得的材料的力学性能能否直接代表材料制成零件的力学性能？为什么？(1)何谓硬度？(2)布氏硬度与洛氏硬度的主要区别是什么？(3)为什么工程上广泛使用硬度作为评定材料性能的一个指标？,56,t课件,晶胞原子数、配位数、致密度（见后面的具体例子，定义见教材 ）,57,t课件,金属材料典型的晶体结构 在金属元素中，90%以上的金属都属于下面3种晶体结构体心立方晶格晶胞原子数2配位数8致密度68%常见金属Fe, Cr, W 等,58,t课件,面心立方晶格晶胞原子数4配位数12致密度74%常见金属Fe, Cu, Al 等密排六方晶格晶胞原子数6配位数12致密度74%常见金属Mg, Zn, Be 等,59,t课件,实际金属的晶体结构晶体缺陷概念：晶体中存在的、偏离其固有几何特征的部分，称为晶体缺陷分类：分为点缺陷、线缺陷与面缺陷影响：缺陷的存在会影响材料的性能可变性：晶体缺陷在温度变化和加工过程中，会发生增加、移动、合并或消失等各种变化,60,t课件,点缺陷 概念：在空间三维的尺度都很小，尺寸范围不超过几个原子直径的缺陷分类：空位与间隙原子晶格畸变：由于缺陷（不单是点缺陷，也包括其它类型的缺陷）的存在而导致的晶格变形影响：提高了材料的强度与硬度，降低了材料的塑性和韧性,61,t课件,线缺陷 概念：在空间三维中，某一维的尺度很长，而另外二维的尺度很小的一类缺陷分类：刃型位错与螺型位错影响：少量的位错使强度下降，大量的位错使强度提高，但塑性都会下降,62,t课件,面缺陷单晶体：材料中原子呈完全规则排列的部分（如天然金刚石、水晶等）多晶体：实际晶体材料(如金属)由许多局部排列规则的单晶体组成，称为多晶体晶粒：多晶体中不同方位、形状不规则的小的单晶体,63,t课件,晶界：晶粒之间的交界面。在晶界上，原子排列是紊乱的亚晶粒：晶粒内部位向相差很小(10以内)的部分亚晶界：亚晶粒之间的交界面,64,t课件,面缺陷的概念：某二维的尺度很大而另一维尺度很小的一类缺陷面缺陷包括：晶界与亚晶界面缺陷的影响：能提高金属材料的强度和塑性,65,t课件,第二节：合金的相结构基本概念合金：（见教材 ）组元：（见教材 ）合金系：相同组元按不同比例所构成一系列不同的合金。如Fe与C按不同比例构成了各种钢、铁材料相（合金相）：（见 教材）,66,t课件,合金的相结构基本的合金相及其分类,67,t课件,固溶体 合金中的基本相基本概念固溶体：（见教材）溶质、溶剂：（见教材）间隙固溶体：（见教材）置换固溶体：（见教材）,68,t课件,溶解度：溶质溶入溶剂的量有限固溶体：溶解度有限的固溶体无限固溶体：溶解度无限的固溶体固溶强化：（见教材）,69,t课件,固溶体的性质溶质原子与溶剂原子直径比小于0.59时才能形成间隙固溶体，溶质通常都是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、C、O、N等间隙固溶体永远都是有限固溶体溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置靠近、晶格类型相同、原子半径差越小的元素，溶解度越大，越容易形成无限互溶的置换固溶体，如Mn、Cr、Si、Ni、Mo等都能与Fe形成置换固溶体,70,t课件,晶格畸变导致的固溶强化，是金属材料强化的重要途径之一对力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相,71,t课件,金属化合物 合金中的强化相原子结合形式：化合具有一定的金属性质，如导电性熔点高、硬而脆、塑性韧性差最常见的金属化合物：Fe3C,72,t课件,合金的组成单相或多相复合大多数工业合金均为固溶体加少量化合物构成的混合物改变组成相的比例，改变其中固溶体中溶质溶剂的比例，改变化合物的形态、大小及分布等，都可以改变合金的性能,73,t课件,第三节：纯金属结晶与同素异晶转变纯金属的结晶基本概念结晶的概念：（见教材 ）纯金属的冷却曲线过冷度：T = T0-Tn,74,t课件,结晶过程晶核的生成 自发形核与非自发形核：（见教材 ）,晶核形成与长大过程,75,t课件,晶核的长大晶核的长大过程,晶核形成与长大过程,76,t课件,金属晶体形成的主要方式： 1、平面生长方式 平衡条件下或过冷度较小时出现，在实际金属的结晶中较少见 2、树枝状生长方式 过冷度较大、尤其是存在非自发形核时出现，是金属晶体结晶最常见的方式。形成树枝状晶体，简称枝晶,77,t课件,上堂重点三种金属晶体的晶格结构及参数；晶体缺陷的概念、点缺陷、线缺陷、面缺陷的概念及对材料性能的影响；合金基本概念：合金、组元、合金系、相及分类；固溶体及相关概念：溶质、溶剂、间隙固溶体、置换固溶体；有限与无限固溶体、溶解度、晶格畸变与固溶强化；金属化和物的特点及在合金中的作用、合金的组成及影响性能的因素；纯金属结晶：结晶概念、冷却曲线、过冷度、结晶过程、自发形核与非自发形核、晶粒长大的方式。,78,t课件,上次作业评讲(1)“塑性好”指的是什么？(2)在应力应变曲线上如何衡量两种材料谁的塑性好？ 提示： (1)塑性的好坏是用材料的塑性指标“伸长率”和“断面收缩率 ”来衡量的，其数值越大塑性越好，塑性好的材料可以有更大的变形能力，更适宜压力加工；(2)曲线右端点(拉断点)E的横坐标越大塑性越好。,79,t课件,若拉伸应力由e逐渐加大到s，此时材料发生什么变化？提示： 拉伸应力超过e后材料出现少量不可恢复的塑性变形，当加大到s后出现屈服现象，即使不增大应力也会继续产生新的塑性变形。,80,t课件,应力应变曲线中，当拉伸应力达到b后，出现曲线走向向下（即应力减小而变形仍继续增加）的现象，请解释原因？提示：拉伸曲线上纵坐标所代表的拉伸应力为名义应力，它由=F/S 计算得来，这里的S是试样的原始截面积。由于拉伸实验中，当应力超过b后试样出现“缩颈”现象，实际横截面积减小，因此尽管重的拉伸力F下降，但缩颈部份所承受的实际应力还是在继续增大的。而应力应变曲线是由F-L曲线变换而来，应力应变曲线在b后走向向下所反映的是名义应力(F/S)的下降，而不是“缩颈”部分实际承受的应力下降。,81,t课件,复习与思考(1)什么是固溶体？(2)溶质原子的加入会如何影响晶格形状？(3)分析由此而产生的机械性能的改变；已知-Fe的晶格常数(a=36.3nm)大于-Fe的晶格常数(a=28.9nm)，为什么-Fe冷却到9120C转变为-Fe时体积反而增大？(1)合金主要由哪两大类相构成？(2)是如何构成的？(3)金属化合物对合金性能有何影响？(4)如何通过调整相本身及相的组成来调整合金的性能？,82,t课件,晶粒大小与控制 晶粒大小对力学性能的影响一般情况下，晶粒越细，力学性能越好,83,t课件,影响晶粒大小的因素形核率长大速度,84,t课件,晶粒大小的衡量方式晶粒度晶粒度：1mm2试样截面面积上晶粒的数目，或晶粒的平均线长度（或直径）晶粒度等级：共分8级，1级最粗，8级最细晶粒度等级的计算式：m=2N+2(其中m为每mm2中的晶粒数，N为晶粒度等级数)晶粒度等级的测量：100倍金相图像与标准晶粒度图比较,85,t课件,控制晶粒大小的方法加大过冷度变质处理震动与搅拌,86,t课件,纯金属的同素异晶转变 工业纯铁的同素异晶转变现象,87,t课件,同素异晶转变概念：固态金属在温度变化时由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象，称为金属的同素异晶转变它是一种固态下的晶格重新构建，类似于液态结晶过程，但比液态结晶需要更大的过冷度（即更大的动力）同素异晶转变后，金属的性能会发生较大改变，同时可能会出现一些缺陷，如应力、变形等金属是否具有同素异晶转变特性与金属本身特性有关常见的具有同素异晶转变特性的金属有铁、钛、锰、铬等,88,t课件,第四节：合金的结晶与二元合金相图合金的结晶与相图合金的结晶与纯金属结晶类似：形核、长大,89,t课件,二元合金相图的建立,90,t课件,相图的基本概念相图，又称为平衡相图或合金状态图用图形的方式表明合金系中各种不同合金的状态、组织、温度和成分之间的关系,91,t课件,相图的作用分析合金系中不同成分的合金在升温或降温时的相、组织等的变化情况可对不同温度下各相、组织等作定量计算，定量分析合金的组成物（一般了解）可根据相图对合金材料在使用温度下的相及组织情况进行分析判断，从而预测合金的性能是制定合金熔炼、铸造、锻造、热处理等工艺的重要依据,92,t课件,二元匀晶相图二元匀晶相图匀晶相图中的特征点、线、区包括：纯金属的熔点、液相线与固相线、液相区、固相区与液固两相区等,93,t课件,什么合金会形成匀晶相图两组元在液、固两种状态都能无限互溶的合金。如：Cu-Ni, W-Mo等,94,t课件,运用相图分析成分由相图可分析两相共存时每个相的成分百分比,95,t课件,二元共晶相图二元共晶相图,96,t课件,相图分析点：纯金属熔点、共晶点线：液相线、固相线、共晶线、最大溶解度线区：单相区、两相区、三相区,97,t课件,共晶转变（共晶反应）共晶转变过程共晶转变式共晶转变的产物：共晶组织（共晶体）,98,t课件,什么合金会形成共晶相图两组元在液态时无限互溶、在固态时有限互溶的合金。如：Pb-Sn, Fe-Fe3C等,99,t课件,二元共析相图二元共析相图相图分析：点：纯金属的同素异晶转变点、共析点线：开始转变线、转变结束线、共析线、最大溶解度线区：单相区、两相区,100,t课件,共析转变（共析反应）共析转变过程共析转变式 共析转变的产物：共析组织（共析相）共析组织的特点比共晶组织更加弥散细小存在较大内应力,101,t课件,什么合金会形成共析相图固态二元合金中，两组元在高温时无限互溶、低温时有限互溶的合金，形成二元共析相图,102,t课件,合金性能与相图的关系工艺性能及影响因素影响铸造性能的因素：流动性、缩孔、偏析等它们均与结晶温度范围有关，分析见后面 影响压力加工性能的因素：塑性、韧性单相固溶体较好，两相混合物较差影响切削加工性能的因素：强度、硬度两相混合物较好，单相固溶体较差,103,t课件,相图与性能的关系,104,t课件,第五节：铁碳合金相图铁碳合金的组元铁塑性、韧性好，但强度低，很少直接用作机械零件同素异晶转变，转变温度，晶格结构碳在铁碳合金中存在的三种形式：间隙固溶体溶质、与铁的化合物、自由态石墨,105,t课件,铁碳合金的基本相、组织及其性能铁素体F又称纯铁体、铁素体，代号F（或 ）C溶入-Fe形成的间隙固溶体是铁碳合金的一种基本相，也是一种单相组织溶C能力：常温下含C0.0008%，7270C时最大，为0.0218%性能与纯铁相似力学性能：b=180200MPa =30%50% HBS=5080 k=160200J/cm2,106,t课件,奥氏体A代号A（或 ）C溶入-Fe形成的间隙固溶体7270C以上的高温下存在是铁碳合金的一种基本相，也是一种单相组织溶C能力： 7270C时0.77%，11480C时最大，为2.11%强度硬度低，塑性韧性好，是钢进行压力加工需要的组织力学性能：b=400MPa =40%50% HBS=170220,107,t课件,渗碳体Fe3C金属化合物，分子式Fe3C，也用作代号一种稳定的、具有复杂晶格结构的间隙化合物是铁碳合金的一种基本相，也是一种单相组织，同时也常将它看作铁碳合金的一个组元含C恒定，始终为6.69%，熔点12270C，没有同素异晶转变硬度高，强度低，塑性韧性极差，非常脆,108,t课件,是钢铁材料中的硬化相，对钢的性能有很大的影响渗碳体中的部分铁原子也可以被铁碳合金中的其它金属原子（Mn、Cr等）取代，形成所谓合金渗碳体，如(Fe, Mn) 3C、(Fe, Cr)3C等在一定条件下（如大于9000C长时间加热后来缓慢冷却），可分解而形成石墨状的自由碳 Fe3C 3Fe + C(石墨)这种反应在铸铁中有重要意义,109,t课件,珠光体P代号P，因为在显微镜下观察有珍珠光泽而得名含C0.77%的A冷却至7270C时发生共析转变得到的产物,110,t课件,由F和Fe3C组成的一种二相组织（机械混合物）性能介于F和Fe3C之间力学性能：b=750MPa =20%30% HBS180 k=2432J/cm2,111,t课件,莱氏体Ld 与 低温莱氏体Ld7270C以上称莱氏体，代号Ld7270C以下称低温莱氏体或变态莱氏体，代号Ld含C4.3%的液态铁碳合金冷却至11480C时发生共晶转变，结晶生成由A和Fe3C组成的一种机械混合物（共晶产物）(Ld)，在7270C时由于A的转变而形成由P、Fe3CII和Fe3C组成的机械混合物(Ld),112,t课件,Ld是一种由A和Fe3C组成的二相组织（机械混合物）Ld是一种由F和Fe3C组成的二相组织（机械混合物）含大量硬而脆的Fe3C，硬度高，塑性极差,113,t课件,铁碳合金相图（简化的铁碳合金相图）基本形状,114,t课件,相图的构成共晶相图 + 共析相图,115,t课件,相图的构成（续）共晶相图 + 共析相图,116,t课件,特征点,117,t课件,特征线,118,t课件,典型合金的结晶过程分析Wc = 0.77% 合金（共析钢）,白色片: F 黑色片: Fe3C,119,t课件,白: F 黑: P,0.0218% Wc 0.77% 合金（亚共析钢）,亚共析钢的室温组织：F+P (其中：P=F+Fe3C共析),120,t课件,大白纹：Fe3CII层片区域：P,0.77% Wc 2.11% 合金（过共析钢）,过共析钢的室温组织：P+Fe3CII (其中：P=F+Fe3C共析),121,t课件,Wc = 4.30% 合金（共晶白口铸铁）,共晶白口铸铁的室温组织：Ld (Ld = P+Fe3C共晶+Fe3CII）,白： Fe3C+ Fe3CII黑： P,122,t课件,2.11% Wc 4.30% 合金（亚共晶白口铸铁）,亚共晶白口铸铁的室温组织：P+Fe3CII+Ld (其中：Ld = P+Fe3C共晶+Fe3CII）,白：Ld 黑：PFe3CII：细小，看不见,123,t课件,4.30% Wc 6.69% 合金（过共晶白口铸铁）,过共晶白口铸铁的室温组织：Fe3CI+Ld (其中：Ld = P+Fe3C共晶+Fe3CII）,白片： Fe3CI其它： Ld,124,t课件,Wc 0.0218% 合金（工业纯铁）,2点以上 （因包晶转变过程被省略，故不讨论）23点间 A34点间 F+A4-5点间 F5点以下 F+Fe3CIII工业纯铁的室温组织：F+Fe3CIII,D,F,K,Fe3C,11480C,12270C,7270C,125,t课件,区域组织组成物,P = (F+Fe3C共析 )Ld = (A+Fe3C共晶 )Ld = (P+Fe3CII+Fe3C共晶 ),126,t课件,区域（续）相组成物,127,t课件,不同含碳量铁碳合金的名称及室温组织,128,t课件,铁碳合金相图的应用铁碳合金成分、组织、相、性能的数量关系,129,t课件,铁碳合金相图的应用基本相、组织对力学性能的影响强度与P含量有关 （P强度高）硬度与Fe3C含量有关 （Fe3C硬度大）塑性韧性与F含量有关 （F塑性、韧性高）,130,t课件,选材方面的应用根据不同成分钢材的组成情况，可估计材料的性能低碳钢( Wc0.25%) 塑性、韧性较好中碳钢(Wc 0.25%0.6%) 强度、塑性、韧性都较适中， 较常用高碳钢(Wc 0.6%1.3%) 硬度高、耐磨,131,t课件,热加工方面的应用铸造：可确定不同成分合金的熔化温度与浇注温度由结晶温度区间的大小可判断铸造性能的好坏锻造与热压力加工：可根据不同成分合金奥氏体化温度的高低确定需要加热的温度焊接：可分析焊接件在焊缝附近不同区域受不同温度影响后的组织情况，从而采取相应的热处理措施以调节和改善焊缝及附近材料的性能热处理：可确定不同含碳量钢材需要加热的温度,132,t课件,应用时的注意实际钢材中含有的其它合金成分会使相图发生一些变化以上研究的是平衡合金相图，实际合金结晶常需要较大过冷度，其相图会与平衡相图有些不同,133,t课件,