工程材料及材料成型技術基礎1第一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2第二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3第三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日高壓容器4第四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日緒論材料毛坯的三大類成型方法：鑄造焊接鍛造5第五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日緒論第一篇工程材料第二篇材料成形技術目錄6第六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日工程材料7第七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日緒論第一章

工程材料的結構與性能第二章

金屬材料的凝固與固態相變第四章

金屬材料熱處理第五章

金屬材料表面改性第六章

金屬材料本篇內容8第八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日緒論一、材料的發展史

材料(metals)是人類用來制作各種產品的物質，是先于人類存在的，是人類生活和生產的物質基礎。反映人類社會文明的水平。1.石器時代：古猿到原始人的漫長進化過程。原料：燧石和石英石。2.新石器時代：原始社會末期開始用火燒制陶器。3.青銅器時代：夏(公元前2140年始)以前就開始了4.鐵器時代：春秋戰國時期(公元前770～221年)開始大量使用鐵器9第九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日5.鋼鐵新時代十八世紀前人們對材料的認識是非理性的,只停留在工匠和藝人的水平上。而其后西歐和俄國工業迅速發展，鋼鐵需求急劇增加，推動發展出一門新學科—金屬學。人們才開始理性的認識材料。6.二十世紀以來的現代

支撐人類文明大廈的四大支柱技術：材料科學與技術、生物科學與技術能源科學與技術、信息科學與技術二十世紀五、六十年代鋼鐵基本達到鼎盛時期,其它新材料快速發展。有機合成材料、復合材料、陶瓷材料、功能材料等等。出現了很多新材料學科。10第十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日材料的品種、數量和質量已成為衡量一個國家技術和國防力量的重要標志之一。據粗略估計，目前世界的材料達36萬多種，今后每年還將以5％的增長率增加。11第十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日二、工程材料學的任務工程材料：

制造工程結構和機器零件使用的材料工程材料學：是材料學的實用部分,主要闡述結構材料的成分、組織、性能及應用等方面的一般規律。12第十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日學習《工程材料》課程基本要求（教學目標）：1.了解常用工程材料的成分、結構、組織和性能的關系及變化規律。2.掌握常用工程材料的種類、牌號、性能及用途。對典型的機器零件和工具等會合理正確地選用工程材料。3.具有正確選擇一般零件熱處理工藝方法及確定熱處理工序位置的初步能力。4.對不同材料零件的失效，具有一定的分析問題和解決問題的能力。13第十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

三．材料的分類

1、金屬材料①黑色金屬—鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵等)②有色金屬—黑色金屬以外的所有金屬及其合金。

2、高分子材料

①塑料—主要指工程塑料。又分熱塑性和熱固性塑料。②合成纖維—由單體聚合而成再經過機械處理成纖維材料。③橡膠—經硫化處理，彈性優良的聚合物。分通用和特種橡膠④膠粘劑—分樹脂型、橡膠型和混合型。14第十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3．陶瓷材料①普通陶瓷—主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料.②特種陶瓷—高熔點的氧化物、碳化物、氮化物等燒結材料。③金屬陶瓷—用生產陶瓷的工藝來制取的金屬與碳化物或其它化合物的粉末制品。4．復合材料是由兩種或兩種以上的材料組合而成的材料。①按基體相種類分：聚合物基、金屬基、陶瓷基、石墨基等。②按用途分：結構、功能、智能復合材料。15第十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日本部分重點1)工程材料的概念

制造工程結構和機器零件使用的材料2)工程材料的分類金屬材料

鋼鐵材料有色金屬及其合金有機高分子材料塑料橡膠等陶瓷材料復合材料16第十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日第一章工程材料的結構與性能

§1-1材料原子(或分子)的相互作用

當大量原子(或分子)處于聚集狀態時，它們之間以鍵合方式相互作用。由于組成不同物質的原子結構各不相同，原子間的結合鍵性質和狀態存在很大區別。

17第十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§1-1材料原子(或分子)的相互作用1、離子鍵當正電性金屬原子與負電性非金屬原子形成化合物時，通過外層電子的重新分布和正、負離子間的靜電作用而相互結合，故稱這種結合鍵為離子鍵。離子晶體硬度高，強度大，脆性大。如氯化鈉，陶瓷。

18第十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2、共價鍵

當兩個相同的原子或性質相差不大的原子相互接近時，它們的原子間不會有電子轉移。此時原子間借共用電子對所產生的力而結合，這種結合方式稱為共價鍵。

結合力很大，硬度高，強度大，脆性大，熔點高，沸點高，揮發性低。如金剛石、SiC、BN等19第十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3、金屬鍵金屬自由原子結構的特點是具有較少的外層電子，并且電離能很小。這就決定了它們與其它元素結合時，易失去外層價電子而成為陽離子的傾向較大。金屬正離子與自由電子間的靜電作用，使金屬原子結合起來形成金屬整體，這種結合方式稱為金屬鍵。有良好的導電性和導熱性，正的電阻溫度系數，不透明，有特有的金屬光澤，有良好的塑性變形能力，強韌性好。20第二十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日4、分子鍵

自由原子狀態已經形成穩定電子殼層的惰性氣體He、Ne、Ar等和分子狀態的H2、N2、02等在低溫時都能結合成液態或固態，在此結合過程中，并不給出或接受電子。這種存在于中性的原子或分子之間的結合力稱為分子鍵。

硬度低，熔點低，良好的絕緣性。如高分子材料塑料。21第二十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日5、氫鍵氫鍵是一種特殊的分子間作用力。當兩種負電性大而原子半徑較小的原子與氫原子結合時，氫原子與一種原子之間形成共價鍵，與另一種原子之間形成氫鍵。如F—H…F，O—H…O，N—H…O等。氫鍵的本質是靜電吸引力，具有飽和性和方向性。22第二十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

晶體結合的強度用結合能表示，是指晶體分解為單個原子(或分子)所作的功，或單個原子凝聚形成晶體所放出的能量，用J／mol表示。共價鍵晶體和離子鍵晶體的結合能約為105(J／mol)數量級；金屬鍵晶體的結合能約為104(J／mol))數量級；分子鍵晶體的結合能約為103(J／mol)數量級。

因此，共價鍵晶體和離子鍵晶體結合最強，金屬鍵晶體次之，分子鍵晶體最弱。23第二十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶體

——

材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規則、周期性排列。非晶體

——原子無規則堆積，也稱為“過冷液體”。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體金剛石、NaCl、冰等。液體§1-2晶體材料的原子排列24第二十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1．2．1金屬的晶體結構1)晶體(從宏觀上看）

晶體的特點：其原子在空間作有規律的排列。晶體的性能：具有一定的熔點和凝固點，呈各向異性。25第二十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日原子（離子）的剛球模型原子中心位置

晶體結構26第二十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶胞點陣（晶格）模型27第二十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶胞XYZabc晶格常數a，b，c28第二十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

金屬晶體中的晶面和晶向XYZabc晶面通過原子中心的平面晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc29第二十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2）晶格和晶胞（從微觀上看）

晶格：用—些假想的幾何線條將晶體中原子的振動中心連接起來所構成的空間格子。

晶胞：晶格的一個基本單元。30第三十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3）常見金屬晶格形式①體心立方晶格

特點：具有相當高的強度和較好的塑性。這種晶格的金屬有：鉻、鉬、鎢、釩和鐵（0℃—912℃，α—Fe）等。31第三十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶格常數：a=b=c；

===90晶胞原子數：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa232第三十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日②面心立方晶格

特點：塑性良好。這種晶格的金屬有：鋁、鋼、鎳和鐵（912℃—1394℃，γ—Fe)等。33第三十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶格常數：a=b=c；

===90晶胞原子數：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向434第三十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日③密排六方晶格

屬于密排六方晶格的金屬有C（石墨）

Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、Ti等。35第三十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶格常數：底面邊長a

底面間距c

側面間角120

側面與底面夾角90晶胞原子數：6原子半徑：a/2致密度：0.7436第三十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.2.2實際晶體結構1)單晶體和多晶體

單晶體——結晶方位完全一致的晶體，如單晶Si半導體。多晶體——由許多外形不規則的晶體顆粒(簡稱晶粒)所組成。這些晶粒內仍保持整齊的晶胞堆積。各晶粒之間的界面——晶界。37第三十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關，其直徑一般在1～0.001mm之間。在多晶體中，由于各晶粒的位向不同，使其各向異性受到了抵消，造成各向性能接近相同的現象，稱為——各向同性晶粒體積越大，強度、韌性等綜合力學性能越差。晶粒體積越小，強度、韌性等綜合力學性能越好。38第三十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2)晶體缺陷

(1)點缺陷

——是一種在三維空間各個方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子間距的缺陷。空位包括：間隙原子置換原子等39第三十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（2）線缺陷

——是指在三維空間兩維方向的尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對較大的缺陷。屬于這類缺陷的主要是各種類型的位錯。

位錯——是在晶體中某處有一列或若干列原子發生了有規律的錯排現象。位錯最基本的形式有：刃型位錯螺型位錯40第四十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（3）面缺陷

——是指在三維空間一維方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。最常見的面缺陷是金屬中的晶界和亞晶界。41第四十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日實際金屬中的缺陷對材料力學性能的影響:點缺陷的存在，提高了材料的硬度和強度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯密度可提高金屬強度，但塑性隨之降低;面缺陷能提高金屬材料的強度和塑性;細化晶粒是改善金屬力學性能的有效手段;42第四十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日本節重點晶體、晶格和晶胞三種典型晶格類型晶粒大小和性能的關系晶體缺陷類型43第四十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§1-4合金的晶體結構

合金——由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素通過熔煉、燒結或其他結合生成的具有金屬特性的物質。如：鐵碳合金、銅合金、鋁合金等。44第四十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達到的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、強磁性、耐蝕性等。組成合金的元素或穩定化合物——組元。由幾種元素構成即為幾元合金45第四十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

相——具有相同化學成分、相同晶體結構，并由明顯分界面隔開的各個均勻組成部分。1.4.1合金的相、組織及其關系組織——用金相顯微鏡觀察法,在金屬及合金內部看到的涉及各相(晶體或晶粒)大小、方向、形狀排列狀況等組成關系和構造情況的微觀形貌。46第四十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日合金的組織是由數量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構成的材料具有不同的性能。同一種鋼經過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。47第四十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

1.4.2固溶體固溶體分類置換固溶體間隙固溶體固溶體——有些合金組元在凝固后溶質原子溶入溶劑晶格而形成的單一均勻的晶體48第四十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

溶質與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。

溶質原子有規則地占據溶劑結構中的固定位置，溶質與溶劑原子數之比為一定值時，所形成的固溶體稱為有序固溶體。否則為無序固溶體。-1849第四十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日間隙固溶體溶質原子與溶劑原子直徑之比應小于0．59方可。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質原子將使間隙固溶體發生畸變，其濃度越大，畸變越大。間隙固溶體都是無序固溶體。50第五十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日置換

固溶體無限固溶體和有序固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體和無序固溶體。兩組元晶體結構相同，原子半徑和電化學特性接近，則容易形成置換固溶體。無限固溶體形成條件兩組元晶體結構相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質原子半徑rB的相對差(rA—rB)\rA小于8%左右時。兩元素間的電負性相差越小越好。51第五十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.4.3金屬化合物金屬化合物——合金各組元相互化合而形成的一種新的物質。性能特點：具有明顯的金屬的性質。具有自己特殊的晶格，與各組元不同。具有較高的熔點、較大的脆性和較高的硬度。52第五十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.4.4合金性能1、固溶強化

溶劑的晶格發生畸變，使固溶體的強度和硬度升高的現象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金力學性能的重要途徑之一。2、第二相強化

——化合物作為第二相可以提高合金材料強度的現象。

性能特點：取決于化合物的數量、形狀、大小與分布狀況等。53第五十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日本節重點合金、相、組織的基本概念。固溶體和金屬化合物的概念及其類型。固溶體和金屬化合物對合金性能的影響。固溶強化概念及其強化原理。54第五十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§1-5高聚物的結構高聚物——分子中含原子數很多、分子量很大的物質。是由一種或幾種簡單的低分子聚合而成的大分子鏈結構。又稱高分子化合物。在長鏈中結構相同的重復單元——鏈節

如：在聚乙烯中，—CH2—CH2—即為一個鏈節。鏈節的重復數量稱為——聚合度。由若干個鏈節所組成的具有獨立運動能力的最小運動單元——鏈段。55第五十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.5.1大分子鏈的形態

高聚物的結構形式，按其大分子鏈的幾何形狀，可分為：線型結構——是由許多鏈節聯成一條長鏈。體型結構——是分子鏈與分子鏈之間有許多鏈節相互交聯在一起，形成網狀或立體結構。56第五十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.5.2大分子鏈的構象及柔順性由于單鍵內旋引起的原子在空間占據不同位置所構成的分子鏈的各種形象，稱為——大分子鏈的構象。由于大分子鏈構象的頻繁變化，使得大分子鏈既可擴張伸長，又可卷曲收縮。大分子這種能由構象變化獲得不同卷曲程度的特性稱為——大分子鏈的柔順性。影響大分子鏈柔順性的因素主要有主鏈結構和取代基兩個方面。57第五十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.5.3高聚物的聚集態結構——是指高分子材料內部大分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構，也稱為超分子結構。高聚物按照大分子排列是否有序，分為結晶型和無定型兩類。結晶型高聚物的分子排列規整有序，無定型高聚物的分子排列雜亂不規則。58第五十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§1-6陶瓷的結構

陶瓷是由金屬和非金屬的無機化合物所構成的多晶固體物質。它實際上是各種無機非金屬材料的統稱。在室溫下，陶瓷的典型組織是由：晶相組成玻璃相氣相各相的結構、數量、形狀與分布，都對陶瓷的性能有直接的影響。59第五十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§1-7工程材料的性能金屬材料的性能包括:力學性能物理性能化學性能工藝性能如強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。如密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。如鑄造性、鍛壓性、焊接性、熱處理性和切削加工性等。

60第六十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.7.1力學性能力學性能

——指金屬材料在外力作用下所表現出來的特性。作用：材料檢驗、零件設計計算、材料選擇、評定工藝質量的重要依據。內容：強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。61第六十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1、強度1）強度的概念

——指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。2）強度的分類：抗拉強度、抗壓強度和抗彎強度等。3）強度測定方法拉伸試驗4）試驗設備安裝拉伸試棒繪制拉伸曲線62第六十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日5）標準試樣GB228—87試樣形狀（圓、板、管）試樣標距6）拉伸曲線63第六十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日7）常用的強度指標(1)彈性極限材料能保持彈性變形的最大應力

σe＝Pe/Fo

(MPa)Pe—試樣保持彈性變形的最大拉力，N；

Fo—試樣的最初截面積，mm2

。64第六十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

(2)屈服點材料開始產生屈服時的應力

σs＝Ps/Fo(MPa)Ps—試樣產生屈服時的拉力，N；

Fo—試樣的最初截面積，mm2

。屈服強度σ0.2

大多數金屬材料沒有明顯的屈服點，規定以產生0．2％塑性變形時的應力作為屈服點。脆性材料的情況拉伸時幾乎不發生塑性變形，無屈服現象。65第六十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日(3)抗拉強度

材料能承受最大載荷時的應力

σb

＝Pb/Fo

(MPa)Pb——試樣在拉斷前的最大拉力，N。頸縮現象66第六十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

8）疲勞強度

概念材料在無數次交變應力作用下不發生疲勞斷裂所能承受的最大應力。用σ-1表示

材料規定應力循環基數鋼鐵材料，應力循環次數為106～107有色金屬，應力循環次數為107

～10867第六十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2、塑性1）概念塑性是指材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力。2）塑性指標延伸率（伸長率)

端面收縮率

68第六十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日伸長率（δ

）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標距,mm;l0——試樣的原始標距,mm。69第六十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日斷面收縮率（Ψ

）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。70第七十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3、硬度1）概念

——材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。衡量金屬材料軟硬程度的指標。2）常用方法布氏硬度法洛氏硬度法維氏硬度法3）試驗方法原理壓痕法71第七十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日(1)布氏硬度布氏硬度試驗機硬度表示方法以符號HB表示測量特點：先測得壓痕的直徑d，根據d查表確定HB的值。

HBS壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW壓頭為硬質合金球，適用于布氏硬度值在650以下的材料。72第七十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

特點測出硬度值準確、可靠；壓痕大，不宜成品檢驗；測量過程速度慢。布氏硬度值與抗拉強度的關系（低碳鋼）

σb

＝3.53HBS73第七十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日(2)洛氏硬度洛氏硬度試驗機洛氏硬度三種標尺

表示方法60HRC

特點試驗簡便、方便。壓痕小，適用成檢。測出硬度值不很準確。數字：硬度值HR：洛氏硬度C：標尺74第七十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（3）維氏硬度

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個連續一致的硬度標度，因而制定了維氏硬度試驗法。測定維氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，區別在于壓頭采用錐面夾角為1360的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形。75第七十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日特點：所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層、表面鍍層及薄片金屬的硬度。對軟、硬材料均適用，測定范圍0～1000HV。76第七十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日兩點結論三種硬度值不能直接進行比較，但可以采用特制的表格進行換算。硬度也是材料重要的力學性能指標，它影響到材料的耐磨性。一般說來，硬度高，耐磨性也好。77第七十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日4、沖擊韌度(韌性)1）概念材料抵抗沖擊載荷的能力。2）試驗方法一次性擺錘彎曲沖擊試驗。3）沖擊韌度指標以材料受沖擊斷裂時單位面積上所消耗的能量來表示的。

ak

＝Ak

/F

(J/mm2)ak值越小,表明材料的韌性越低，脆性越大。78第七十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.7.2物理性能和化學性能物理性能有密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。機械零件用途不同，對其物理性能的要求也有所不同。化學性能指在室溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力。主要有耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。79第七十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1.7.3工藝性能工藝性能是指金屬材料適應這些加工工藝要求的能力。內容鑄造性鍛壓性焊接性熱處理性和切削加工性等良好的工藝性能有利于保證質量和降低成本。80第八十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日第二章金屬材料的凝固與固態相變§2.1純金屬的結晶2.1.1凝固的基本概念

——一切物質從液態到固態的轉變過程

1、晶體的結晶

——通過凝固能形成晶體結構

1）平衡結晶溫度

81第八十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2）過冷與過冷度必須冷卻到低于Tm以下的某一個溫度T1才能結晶。這種現象稱為——過冷。理論結晶溫度Tm與實際結晶溫度T1之差稱為——過冷度。82第八十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日冷卻速度越大，則過冷度越大。83第八十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2、非晶體的凝固在非晶體的凝固中熔體實質是粘滯系數連續加大的過程，非晶固態可以看作粘滯系數很大的“熔體”。所以，非晶體的凝固是在—個溫度范圍內逐漸完成的。84第八十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.2純金屬的結晶

1、結晶及結晶過程結晶

——金屬從液體狀態轉變成晶體狀態(固態)的過程。結晶過程分為兩個階段：①晶核(結晶核心)的形成②晶核的成長85第八十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日液態金屬形核晶核長大完全結晶形核和晶核長大的過程86第八十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（1）形核過程自發形核——由液體金屬內部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非自發形核——

是依附于外來雜質上生成的晶核。87第八十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（2）晶核長大過程兩種長大方式平面生長樹枝狀生長。平面生長樹枝狀生長88第八十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2、影響形核和長大的因素（1）過冷度的影響（2）難熔雜質的影響

89第八十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3、晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念晶粒度——是晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數目Z。或單位面積上晶粒的數目ZJ表示。也可以用晶粒的平均線長度(或直徑)表示。90第九十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日晶粒度分8級晶粒度12345678單位面積晶粒數（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細晶強化

——

晶粒細化使金屬機械性能提高的現象比較：細晶強化-->強度、硬度、塑性、韌性↑

固溶強化-->強度、硬度↑，塑性、韌性↓91第九十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2）晶粒大小的控制（1）增大過冷度（2）變質處理變質劑的作用：作為非自發形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動，攪拌

——機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數增加，晶粒細化。92第九十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.3同素異構轉變1）概念

——少數金屬由于溫度改變而晶格也改變的現象稱為同素異構轉變。純鐵的冷卻曲線

℃t015381394912768液體無磁性有磁性δ—Feγ—Feα—Fe2）轉變過程與液態金屬的結晶很相似。3）有關結論①轉變時，體積也發生變化。②是鋼鐵材料能夠通過各種熱處理工藝改變其組織和性能的內因和根據。93第九十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日小結重點要求

1.過冷度的概念，晶粒度的影響因素。

2.晶粒大小的控制方法。一般要求

1.同素異構轉變。94第九十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.2合金的凝固2.2.1二元合金相圖與凝固相圖的概念

——是表達溫度、成分和相之間的關系，表明合金系中不同合金在不同溫度下，由哪些相組成以及這些相之間平衡關系的圖形（又稱平衡圖或狀態圖）95第九十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（1）配置不同成分的Cu－Ni合金（2）作出各合金的冷卻曲線，并找出各冷卻曲線上的臨界點（轉折點和平臺）的溫度值；（3）畫出溫度——成分坐標系，在相應成分垂直線上標出臨界點溫度；（4）將物理意義相同的點連成曲線。96第九十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1、勻晶相圖勻晶相圖

——兩組元在液態和固態均能無限互溶時所構成的相圖。(1)結晶過程97第九十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（2）杠桿定律98第九十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日99第九十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2共晶相圖共晶相圖

——兩組元在液態無限互溶，在固態有限溶解，并發生共晶轉變時所構成的相圖。共晶轉變——在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出成分一定的兩個固相的過程。

（1）相圖分析100第一百頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3、共析相圖共析相圖——是二元合金中具有固態轉變的相圖，這種相圖可以看成是雙層相圖，上層為勻晶相圖，下層類似共晶相圖。

共析轉變——在高溫時的某一成分的單相固溶體在冷至某一溫度時，又發生分解而形成兩個與母相不同的固相，這種由某一固相同時析出兩種新固相的轉變，稱為共析轉變。101第一百零一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日小結重點要求

1.相圖的總類及分析

2.杠桿定律及其應用。一般要求

1.相圖的獲得。102第一百零二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日作業P632－42－6103第一百零三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§2.3鐵碳合金平衡態的相變

基礎

鐵碳合金由鐵和碳兩種主要元素組成的合金。如：碳鋼、鑄鐵2．3．1Fe-Fe3C相圖104第一百零四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日1、鐵碳合金的基本組織與性能1）鐵素體F——碳溶于α—Fe中形成的間隙固溶體。性能特點性能近似于純鐵，即強度、硬度低（σb=180~280Mpa），塑性、韌性（δ=30%~50%）好。105第一百零五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2)奧氏體A——碳溶于γ—Fe中形成的固溶體。性能特點：強度、硬度并不高，但塑性很好。106第一百零六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日3）滲碳體Fe3C概念鐵和碳結合成的化合物(具有復雜晶格)。性能特點滲碳體的硬度很高，為800HB，塑性、韌性很差，幾乎等于零，所以滲碳體的性能特點是硬而脆。硬度很高，很耐磨，但又很脆，塑性、韌性幾乎為零。107第一百零七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日5）萊氏體Ld和低溫萊氏體Ld′概念奧氏體（珠光體）和滲碳體的機械混合物。性能特點含有大量硬而脆的滲碳體，所以硬度很高，但很脆。108第一百零八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.3.4Fe-Fe3C相圖的應用1、在選材上的應用2、在鑄造工藝制訂上的應用3、在塑性加工工藝制訂上的應用4、在熱處理工藝制訂上的應用109第一百零九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

改善金屬材料的性能的方法：①細晶強化②合金化③進行熱處理④冷變形強化110第一百一十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.4.2奧氏體的形成過程及影響因素1、奧氏體的形成過程

共析鋼加熱到Ac1

以上時，P→A

共析鋼A化過程——形核、長大、Fe3C完全溶解、C的均勻化。111第一百一十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日

亞（過）析鋼的A化:P→A后，先共析F或Fe3CⅡ

溶解。亞共析鋼加熱到Ac1以上時，組織中的珠光體先轉變為奧氏體，而組織中的鐵素體只有在加熱到Ac3以上時才能全部轉變為奧氏體。同樣，過共析鋼只有加熱到Accm以上時才能得到均勻的單相奧氏體組織。112第一百一十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.4.3奧氏體晶粒的長大及影響因素加熱溫度，保溫時間↑→晶粒尺寸↑合金元素除Mn、P外→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓113第一百一十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日奧氏體晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一種指標，奧氏體晶粒度有三種不同的概念起始晶粒度是指珠光體剛剛全部轉變成奧氏體時其晶粒的大小實際晶粒度是指鋼在某個具體熱處理或熱加工下所獲得的奧氏體晶粒的大小本質晶粒度表示鋼在規定條件下奧氏體晶粒的長大傾向114第一百一十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日根據奧氏體晶粒在加熱時長大的傾向性不同，將鋼分為兩類一類是晶粒長大傾向小的鋼，稱本質細晶粒鋼另一類是晶粒長大傾向大的，稱本質粗晶粒鋼115第一百一十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日§2.5鋼在冷卻時的轉變熱處理的冷卻方式可分為兩種：一種是將奧氏體迅速冷至Ar1以下某個溫度，等溫停留一段時間，再繼續冷卻，通常稱之為“等溫冷卻”，圖曲線1

另一種是將奧氏體以一定的速度冷卻，如水冷、油冷、空冷、爐冷等，稱為“連續冷卻”,圖中曲線2116第一百一十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日2.5.1過冷奧氏體等溫轉變曲線（C曲線）1）過冷奧氏體等溫轉變曲線（TTT圖）的建立

共析碳鋼的等溫轉變曲線通常采用金相法配合測量硬度的方法建立，有時需用磁性法和膨脹法給予補充和校核。117第一百一十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日（2）貝氏體類型的組織貝氏體是鐵素體及其彌散分布著的碳化物所形成的亞穩組織。奧氏體向貝氏體的轉變屬半擴散型轉變，鐵原子基本不擴散而碳原子還有一定擴散能力。118第一百一十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日貝氏體的兩種類型：

上貝氏體(B上)550℃～350℃

下貝氏體(B下)350℃～Ms119第一百一十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日上貝氏體(B上)：在光學顯微鏡下呈羽毛狀120第一百二十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日下貝氏體(B下)：在光學顯微鏡下呈暗黑色針葉狀121第一百二十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日貝氏體的力學性能完全取決于顯微組織結構和形態。上貝氏體中鐵素體較寬，塑性變形抗力較低。同時滲碳體分布在鐵素體之間，容易引起脆斷，在工業生產上應用價值較低。122第一百二十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期日下貝氏體組織中的片狀鐵素體細小，碳的過飽和度大，位錯密度高。而且碳化物沉淀在鐵素體內彌散分布，因此硬度高、韌性好，具有較好的綜合力學性能。生產中常采用等溫淬火的方法獲得下貝