工程材料讲稿0902.ppt

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1、工 程 材 料, 罗烽 主讲,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,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

2、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。,为什么要学习工程材料课程 工程上使用哪些材料,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

3、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）,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,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

4、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。,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,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,材料的力学性能 力学性能又称为机械性能 1.

5、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,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,拉伸试验与拉伸曲线 拉伸试验（拉伸试验机）,拉伸试验机,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,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

6、曲线中的位置 曲线上的A点,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,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,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,屈服强度(屈服点)s B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

7、的应力值，用0.2表示,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,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,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,伸长率

8、(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,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,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,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,上堂重点 材料性能：树状图 基本概念：强度、塑

9、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。,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？,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

10、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,硬度试验（硬度计）,洛氏硬度计,布氏硬度计,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。,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,测量对象 压痕深度(可直接 从硬度

11、计上读出) 公式 h0：初载荷下的压痕深度，单位mm h1：主载荷下的压痕深度，单位mm h1-h0：主载荷使压头压入材料形成的压痕深度,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）,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,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,测量对象：压痕球冠的表面积 公式,优缺点 优点：测量结果准确，

12、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,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,冲击试验（冲击试验机）,冲击试验机,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,冲击韧度的应用 冲击韧度是反映材料质

13、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,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

14、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,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,疲劳试验与疲劳曲线,疲劳试验机,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

15、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,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,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

16、、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,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,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,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,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,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

17、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；,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 ）,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）,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

18、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。,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？,晶胞原子数、配位数、致密度（见后面的具体例子，定义见教材 ）,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,

19、 W 等,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,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,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

20、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,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,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,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,面缺陷的概念：某二维的尺度

21、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,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）,合金的相结构 基本的合金相及其分类,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）,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）,固溶体的性质 溶质原子与溶剂原子

22、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,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,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,合金的组成 单相或多

23、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,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,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,晶核的长大 晶核的长大过程,晶核形成与长大过程,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

24、常见的方式。形成树枝状晶体，简称枝晶,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。,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

25、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。,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。,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

26、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。,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？,

27、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,影响晶粒大小的因素 形核率 长大速度,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,控制晶粒大小的方法 加大过冷度 变质处理 震动与搅拌,纯金属的同素异晶转变 工业纯铁的同素异晶转变现象,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

28、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,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,二元合金相图的建立,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,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

29、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,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,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,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,二元共晶相图 二元共晶相图,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

30、区,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）,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,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,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,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,合金性

31、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,相图与性能的关系,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,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

32、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,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,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

33、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,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,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

34、冷却至7270C时发生共析转变得到的产物,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,莱氏体Ld 与 低温莱氏体Ld 7270C以上称莱氏体，代号Ld 7270C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),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

35、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,铁碳合金相图（简化的铁碳合金相图） 基本形状,相图的构成 共晶相图 + 共析相图,相图的构成（续） 共晶相图 + 共析相图,特征点,特征线,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,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),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

36、),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,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：P Fe3CII：细小，看不见,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,Wc 0.0218% 合金（工业纯铁）,2点以上

37、 （因包晶转变过程被省略，故不讨论） 23点间 A 34点间 F+A 4-5点间 F 5点以下 F+Fe3CIII 工业纯铁的室温组织：F+Fe3CIII,D,F,K,Fe3C,11480C,12270C,7270C,区域 组织组成物,P = (F+Fe3C共析 ) Ld = (A+Fe3C共晶 ) Ld = (P+Fe3CII+Fe3C共晶 ),区域（续） 相组成物,不同含碳量铁碳合金的名称及室温组织,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,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

38、性与F含量有关 （F塑性、韧性高）,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,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,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,