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1、材料科学材料科学 与工程概论与工程概论目目 录录第第1 1 章章 绪论绪论 第第2 2 章章 材料的原子结构和原子间结合键材料的原子结构和原子间结合键 第第3 3 章章 无机非金属材料无机非金属材料 第第4 4 章章 金属材料金属材料 第第5 5 章章 高分子材料高分子材料 第第6 6 章章 复合材料复合材料 第第7 7 章章 纳米材料纳米材料第第8 8 章章 生物材料生物材料 第四章第四章金金 属属 材材 料料主要内容主要内容1.1.概述概述2.2.晶体学基础与结构晶体学基础与结构 3.3.晶体缺陷晶体缺陷4.4.金属的凝固金属的凝固5.5.结晶理论的实际应结晶理论的实际应用用6.6.相图相
2、图7.7.铁碳相图与铁碳合金铁碳相图与铁碳合金8.8.材料的变形与断裂材料的变形与断裂9.9.金属的回复与再结晶金属的回复与再结晶10.10.钢的热处理工艺钢的热处理工艺11.11.几种常见的有色金属几种常见的有色金属简介简介 新新型型材材料料的的特特点点是是高高性性能能化化，高高功功能能化化，高高复复合合化化。材材料料科科学学已已成成为为多多学学科科互互相相交交叉叉、相相互互渗渗透透的的科科学学。进进入入 2121世世纪纪，各各种种新新型型材材料料的的研研制制、开开发发与与应应用用，日日新新月月异异，与与日日俱俱增增。下面我们来谈谈金属材料方面的常识。下面我们来谈谈金属材料方面的常识。1 1
3、 概概 论论 材料是社会发展的标志，而金属材料是现代文明的基础。材料是社会发展的标志，而金属材料是现代文明的基础。金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、铬、锰等金属及其合金，有色金属则是铁、铬、锰金括铁、铬、锰等金属及其合金，有色金属则是铁、铬、锰金属以外的其它金属材料，如轻有色金属铝、镁、锂，重有色属以外的其它金属材料，如轻有色金属铝、镁、锂，重有色金属铜、锌、铅，稀有金属钛、锆、钒、钨、钼等，都是有金属铜、锌、铅，稀有金属钛、锆、钒、钨、钼等，都是有色金属的代表。从金属材料的总体来看，钢铁材料的产量很色金属的代表。从金
4、属材料的总体来看，钢铁材料的产量很大，约占世界金属的大，约占世界金属的9595，而且价格低廉。由于钢铁材料的，而且价格低廉。由于钢铁材料的性能良好，能满足大多数情况下使用，所以用量较大。其他性能良好，能满足大多数情况下使用，所以用量较大。其他金属材料虽然产量不大，但就其性能与应用方面考虑，有着金属材料虽然产量不大，但就其性能与应用方面考虑，有着不可替代的位置，所以金属材料的发展也十分迅速。不可替代的位置，所以金属材料的发展也十分迅速。1）钢铁材料）钢铁材料钢铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，钢铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，钢铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，钢
5、铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江苏铁本公司苏铁本公司苏铁本公司苏铁本公司100 100 100 100 亿的项目都关停了，和前几年相比、亿的项目都关停了，和前几年相比、亿的项目都关停了，和前几年相比、亿的项目都关停了，和前几年相比、每吨涨价每吨涨价每吨涨价每吨涨价1000100010001000元，如果元，如果元，如果元，如果1000100010001000万吨的厂，净盈利万吨的厂，净盈利万吨的厂，净
6、盈利万吨的厂，净盈利100100100100亿）亿）亿）亿）。但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加什么元素呢？）什么元素呢？）什么元素呢？）什么元素呢？）加加入入C C元元素素，C C在在铁铁中中的的最最大大固固溶溶量量6.696.69（1 1）小小于于C C
7、 0.02180.0218，相相对对纯纯净净，我我们们称之为工业纯铁；（线圈铁心中用到）称之为工业纯铁；（线圈铁心中用到）（2 2）0.0218%0.0218%C C 2.112.11，称称为为共共析析钢钢；（钢筋、各种板材、铁轨等）（钢筋、各种板材、铁轨等）（3 3）2.11%2.11%C C 6.696.69，共共晶晶铸铸铁铁。（复杂铸件、铸造轧辊等）（复杂铸件、铸造轧辊等）根据性能要求，合理改善组织（热处理，回复再根据性能要求，合理改善组织（热处理，回复再结晶）。钢中的有害杂质结晶）。钢中的有害杂质S S、P P。使钢的塑性明显使钢的塑性明显下降，除下降，除 S S、P P（冶炼钢用的脱
8、冶炼钢用的脱S S剂）；加入精炼剂）；加入精炼剂。目前比较成熟的是稀土剂。目前比较成熟的是稀土(工业味精）添加剂。工业味精）添加剂。因为稀土可以抗氧化、除气除杂。钢中的气体主因为稀土可以抗氧化、除气除杂。钢中的气体主要是要是H H2 2，产生产生氢脆氢脆（安钢赔款的例子）（安钢赔款的例子）。坦坦克克给给人人以以无无坚坚不不摧摧的的印印象象，但但它它有有一一段段鲜鲜为为人人知知的的故故事事。由由于于坦坦克克具具有有火火力力强强、防防护护好好和和机机动动性性高高的的特特点点，因因此此各各国国都都把把它它当当作作陆陆军军的的突突击击力力量量使使用用，战战士士们们都都称称它它为为“活活动动的的碉碉堡堡
9、”。然然而而坦坦克克是是怎怎样样成成长长起起来来的的、材材料料又又是是怎怎样样为为它它的的发发展展创创造造条条件件的的呢呢？19161916年年，第第一一次次世世界界大大战战进进入入了了第第三三个个年年头头，在在法法国国索索玛玛河河畔畔的的战战场场上上，英英、德德两两军军用用猛猛烈烈的的炮炮火火互互相相射射击击，双双方方的的士士兵兵都都隐隐蔽蔽在在战战壕壕里里，谁谁也也不不敢敢“越越雷雷池池一一步步”。9 9月月1515日日黎黎明明，英英军军又又开开始始炮炮击击，德德军军照照常常还还击击。突突然然，从从英英军军阵阵地地发发出出一一阵阵隆隆隆隆的的怪怪声声。不不一一会会，许许多多象象大大铁铁盒盒
10、似似的的庞庞然然大大物物向向德德军军直直冲冲过过来来。德德军军慌慌忙忙向向它它射射击击，可可是子弹一碰上去就反弹回来。是子弹一碰上去就反弹回来。坦克鲜为人知的故事坦克鲜为人知的故事坦克鲜为人知的故事坦克鲜为人知的故事这这种种能能攻攻能能防防又又能能跑跑的的怪怪物物就就是是坦坦克克，它它一一出出现现就就在在战战场场上上显显示示出出巨巨大大的的威威力力。可可是是过过了了不不久久，所所向向披披靡靡的的英英国国坦坦克克，出出乎乎意意料料地地被被德德国国的的一一种种特特殊殊炮炮弹弹击击穿穿。英英方方分分析析了了德德军军弹弹头头的的成成分分，发发现现里里面面含含有有钨钨这这种种元元素素，钨钨和和钢钢中中的
11、的碳碳结结合合，生生成成很很硬硬的的碳碳化化钨钨，用用这这种种钢钢制制成成的的炮炮弹弹穿穿透透力力很很强强，所所以以能能摧摧毁毁坦坦克克。现现在在的的坦坦克克装装甲甲厚厚度度达达150240150240毫毫米米，采采用用铬铬锰锰硅硅钢钢或或铬铬镍镍钼钼钢钢，经经过过热热处处理理制制成成，可可以以经经得得住住直直径径120120毫毫米米的的炮炮弹弹轰轰击击。但但是是增增加加装装甲甲的的厚厚度度，坦坦克克的的重重量量也也会会增增加加。为为了了提提高高防防弹弹能能力力和和减减轻轻重重量量，又又出出现现了了金金属属和和非非金金属属复复合合结结构构的的装装甲甲材材料料（防弹衣上要用到）。（防弹衣上要用到
12、）。(1).(1).造船（航空母舰与造船厂位置）；造船（航空母舰与造船厂位置）；(2).(2).高速公路及桥梁建设（桥墩问题）；高速公路及桥梁建设（桥墩问题）；(3).(3).铁丝生锈（组织与应力问题）；铁丝生锈（组织与应力问题）；(4).(4).钢铁热处理问题（轴承的内柔外刚）钢铁热处理问题（轴承的内柔外刚）。钢铁材料的应用与实例分析钢铁材料的应用与实例分析钢铁方面的基础知识我们将在钢铁方面的基础知识我们将在材料科学基础材料科学基础中详细介绍中详细介绍 铝铝属属于于轻轻金金属属范范畴畴，铝铝合合金金的的用用量量仅仅次次于于钢钢铁铁材料，尤其是航天材料中材料，尤其是航天材料中用量较大用量较大。
13、因为：。因为：（1）铝合金的密度小；（轻质）铝合金的密度小；（轻质）（2）耐耐腐腐蚀蚀性性能能好好；（Al与与O2作作用用生生成成Al2O3保保护膜）护膜）（3）铝铝的的塑塑性性好好，冷冷热热加加工工均均可可。（具具有有面面心心立方结构，略提金属的三种典型结构）立方结构，略提金属的三种典型结构）2 2）铝及其合金材料）铝及其合金材料 与与钢钢铁铁一一样样，工工程程材材料料中中大大都都使使用用加加入入合合金金元元素素的的铝铝合合金金，而而不不使使用用纯纯铝铝，因因为为纯纯铝铝 的的 强强 度度 与与 硬硬 度度 很很 低低（强强 度度 大大 约约 8080100MPa100MPa）。通通常常加加
14、入入的的合合金金元元素素有有：CuCu（显显著著提提高高铝铝合合金金强强度度)、MgMg、ZnZn、SiSi、MnMn及及ReRe稀土元素等。稀土元素等。纯纯铝铝一一般般多多用用在在导导电电、输输电电方方面面（因因为为其其导导电性能好、损耗低，空中输电一般用铝线）电性能好、损耗低，空中输电一般用铝线）(1).1).电电脑脑散散热热片片（材材料料问问题题、设设计计问问题题）；(2).2).铝导线输电而不用铜导线；铝导线输电而不用铜导线；(3).3).铝合金耐空气腐蚀但不耐酸碱；铝合金耐空气腐蚀但不耐酸碱；(4).4).高高强强度度铝铝合合金金的的开开发发与与应应用用(电电梯梯、建筑建筑)。铝及其
15、合金的应用铝及其合金的应用铝合金的分类铝合金的分类 按按合合金金成成分分和和生生产产工工艺艺特特点点可可分分为为：变变形形铝铝合合金金、铸造铝合金。（铸造铝合金。（图示分析图示分析）变变形形铝铝合合金金：一一定定成成分分的的铝铝合合金金熔熔化化后后，浇浇铸铸成成圆圆形形坯坯锭锭，然然后后压压力力加加工工出出一一定定形形状状的的制制品品。（要要求塑性好、工艺成型性好）求塑性好、工艺成型性好）铸铸造造铝铝合合金金：将将熔熔融融的的合合金金液液体体直直接接浇浇铸铸到到定定型型模模具具里里，获获得得成成型型铸铸件件。（要要求求铸铸造造性性能能好好，如如流流动性好、收缩率小等）动性好、收缩率小等）铝合金
16、的强化铝合金的强化细细晶晶强强化化：想想方方设设法法使使晶晶粒粒细细小小，如如加加大大冷冷却强度、添加细化剂等。却强度、添加细化剂等。热热处处理理强强化化：根根据据合合金金元元素素不不同同温温度度下下在在铝铝基基体体中中的的溶溶解解度度不不同同，加加热热到到一一定定温温度度，突突然然急急冷冷，形形成成过过饱饱和和的的固固溶溶体体。当当然然并并不不是是所有铝合金都能热处理。所有铝合金都能热处理。冷冷变变形形强强化化：又又称称加加工工硬硬化化。也也就就是是合合金金材材料随变形量的增加而强度升高的现象。料随变形量的增加而强度升高的现象。纯纯铜铜呈呈紫紫红红色色，所所以以又又称称紫紫铜铜，属属于于重重
17、有有色色金金属属范范畴畴，纯纯铜铜最最显显著著的的特特点点是是导导电电、导导热热性性好好，仅仅决决于于银银（银银导导电电、导导热热性性最最好好）。纯纯铜铜主主要要用用于于制制作作导导电电、导导热热的的高高性性能能器器材材，如如电电缆缆线线、散散热热管管和和冷冷凝凝器等。器等。3 3）铜及其合金材料）铜及其合金材料铜合金材料铜合金材料1)1)黄黄铜铜：由由于于铜铜加加入入合合金金元元素素ZnZn后后呈呈黄黄色色，所所以以叫叫黄黄铜铜。主主要要有有H80H80、H68H68、H62H62黄黄铜铜，前前两两种种组组织织是是单单相相黄黄铜铜，H62H62为为两两相相（）黄黄铜铜；H80H80色色泽泽美
18、美观观，多多用用于于装装饰饰材材料料，H68H68强强度度高高、塑塑性性好好，有有“弹弹壳壳黄黄铜铜”之之称称（季季裂裂问问题题），H62H62强强度度高高于于H68H68，塑塑性性稍稍差差，用于强度高于用于强度高于H68H68的黄铜。的黄铜。2)2)青铜青铜：有锡青铜、铝青铜与铍青铜：有锡青铜、铝青铜与铍青铜(冶炼昂冶炼昂贵、人体有害贵、人体有害)。它们的强度、硬度、耐蚀性。它们的强度、硬度、耐蚀性依次升高。特别是铍青铜（依次升高。特别是铍青铜（1.7%Be2.5%1.7%Be(TmTnTn)。金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度TnTn与理论结晶温度与理论结晶温度TmTm之差，我们称之为过
19、冷度，用符号之差，我们称之为过冷度，用符号T T表示，表示，T T越大，则实际结晶温度越低。越大，则实际结晶温度越低。4.2 4.2 结晶的驱动力结晶的驱动力 由热力学第二定律知道，等温等压下，系统总是自发的由热力学第二定律知道，等温等压下，系统总是自发的从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。液相金属和从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。液相金属和固相金属的自由能之差固相金属的自由能之差(GvGv)，就是促使这一转变的驱动力。，就是促使这一转变的驱动力。状态的自由能可用状态的自由能可用 G=H-TS G=H-TS 表示表示 其中其中H H：焓、：焓、T T：温度、：温度、S S：熵。
20、无论是液相还是固相，其：熵。无论是液相还是固相，其自由能均随温度和压力的变化而变化，可用下式表示：自由能均随温度和压力的变化而变化，可用下式表示：dGdG=VdP-SdTVdP-SdT 又知熵的物理意义：表征系统中原子排列混乱程度的参又知熵的物理意义：表征系统中原子排列混乱程度的参数。显然数。显然S S液液SS固固 。热力学证明得到：热力学证明得到：式中式中T T过冷度，过冷度，LmLm为熔化潜热，显然为熔化潜热，显然GvGv00，使得结晶过程得以进行，并且知使得结晶过程得以进行，并且知T T越大，越大，GvGv越负越负（正比关系），结晶的驱动力越大。（正比关系），结晶的驱动力越大。4.3 4
21、.3 形核规律形核规律 金属结晶时，形核方式有均匀形核和非均匀形核二种，金属结晶时，形核方式有均匀形核和非均匀形核二种，一般纯金属通过均匀形核结晶（无杂质及异相质点），而实一般纯金属通过均匀形核结晶（无杂质及异相质点），而实际的合金材料主要通过非均匀形核结晶。际的合金材料主要通过非均匀形核结晶。均匀形核的能量条件。系统自由能的变化包括：体积自均匀形核的能量条件。系统自由能的变化包括：体积自由能的下降和表面自由能的增加，单位体积自由能的下降为由能的下降和表面自由能的增加，单位体积自由能的下降为GvGv(0)(0)，单位面积表面能为，单位面积表面能为，假设球体半径为，假设球体半径为r r，则：，则
22、：其中变化参数为球半径其中变化参数为球半径r r，r r无限小时为液态，只有当无限小时为液态，只有当r r大大于某一数值，且于某一数值，且G0G0时，结晶过程才能顺利进行。时，结晶过程才能顺利进行。4.44.4长大规律长大规律 液体中出现第一批略大于临界半径的晶核后，液体的结液体中出现第一批略大于临界半径的晶核后，液体的结晶过程就开始了，结晶过程的持续，既依赖于新晶核的不断晶过程就开始了，结晶过程的持续，既依赖于新晶核的不断产生，又依赖于已有晶核的进一步长大。而界面的微观结构产生，又依赖于已有晶核的进一步长大。而界面的微观结构必然影响晶核的长大。固必然影响晶核的长大。固液界面按微观结构分为两种
23、：光液界面按微观结构分为两种：光滑界面和粗糙界面。滑界面和粗糙界面。光滑界面物质的长大机理：光滑界面物质的长大机理：界面上反复形成二维晶核界面上反复形成二维晶核的机制，这种机制的长大速率很慢。；的机制，这种机制的长大速率很慢。；填补缺陷的机制，填补缺陷的机制，由于晶体中的缺陷十分有限，所以其长大速率也很小由于晶体中的缺陷十分有限，所以其长大速率也很小。粗糙界面的物质长大机理：粗糙界面的物质长大机理：具有粗糙界面的物质，界面具有粗糙界面的物质，界面上有很多空位，液相中的原子可直接添加到这些位置，使晶上有很多空位，液相中的原子可直接添加到这些位置，使晶体整个界面沿垂直方向向液相中长大，我们称这种长
24、大方式体整个界面沿垂直方向向液相中长大，我们称这种长大方式为垂直长大，生长速度快。为垂直长大，生长速度快。金属的生长形态：金属的生长形态：如果液相中的温度分布不均匀，也就如果液相中的温度分布不均匀，也就是说存在温度梯度，它们的生长形态是不一样的。在正温度是说存在温度梯度，它们的生长形态是不一样的。在正温度梯度下，当粗糙界面时：由于温度分布不均匀，固相在推进梯度下，当粗糙界面时：由于温度分布不均匀，固相在推进过程中晶体生长速度越来越慢，固液界面为稳定的平面状形过程中晶体生长速度越来越慢，固液界面为稳定的平面状形态；当光滑界面时：由于原子是通过台阶的侧向扩展向界面态；当光滑界面时：由于原子是通过台
25、阶的侧向扩展向界面推进，所以界面为台阶状形态。在负的温度梯度下，由于过推进，所以界面为台阶状形态。在负的温度梯度下，由于过冷度分布不均匀，且距界面越远处的液体温度越低，伸入液冷度分布不均匀，且距界面越远处的液体温度越低，伸入液相的晶核生长速率较大，致使晶核处产生二次结晶核心，周相的晶核生长速率较大，致使晶核处产生二次结晶核心，周而复始的下去，生长出象树枝状的晶体，这种长大方式称为而复始的下去，生长出象树枝状的晶体，这种长大方式称为树枝状生长。还应指出的是：树枝状生长方式在粗糙界面的树枝状生长。还应指出的是：树枝状生长方式在粗糙界面的物质中最明显，在光滑界面物质中很少见。物质中最明显，在光滑界面
26、物质中很少见。5 5 结晶理论的实际应用结晶理论的实际应用 细化晶粒不仅能提高材料的强度，还能提高材料的塑性细化晶粒不仅能提高材料的强度，还能提高材料的塑性和韧性，我们称通过细化晶粒来提高材料强度的方法为细晶和韧性，我们称通过细化晶粒来提高材料强度的方法为细晶强化，下面分析细化晶粒的方法。强化，下面分析细化晶粒的方法。1).1).提高过冷度提高过冷度 提高提高T T有助于增加形核率，这时虽然长大线速度也增加，有助于增加形核率，这时虽然长大线速度也增加，但影响趋势不如形核率显著，因此增加但影响趋势不如形核率显著，因此增加T T可以使铸件的晶粒可以使铸件的晶粒得到细化。得到细化。2).2).变质处
27、理变质处理 外加杂质能增加金属的形核率，并能阻碍晶核的长大，外加杂质能增加金属的形核率，并能阻碍晶核的长大，在液相里加入某些难熔的固体颗粒，会显著增加晶核数量，在液相里加入某些难熔的固体颗粒，会显著增加晶核数量，使晶粒得到细化。铝合金中加使晶粒得到细化。铝合金中加Al-Ti-BAl-Ti-B、Al-Ti-CAl-Ti-C等都是变质等都是变质处理的例子。处理的例子。3).3).振动搅拌振动搅拌 对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠外来对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠外来能量促使结构起伏，从而带来形核所需的能量起伏，使晶核能量促使结构起伏，从而带来形核所需的能量起伏，使晶核提前
28、形成；另一方面是使生长中的枝晶破碎，使晶核数目增提前形成；另一方面是使生长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，结晶出来的晶粒也更加细小，这已成为一种有效细化晶加，结晶出来的晶粒也更加细小，这已成为一种有效细化晶粒组织的重要手段。目前常用的方法有：机械振动、电磁感粒组织的重要手段。目前常用的方法有：机械振动、电磁感应、超声波处理等。应、超声波处理等。6 6 相相 图图 相图的基本知识相图的基本知识 相图是表示合金中合金的状态与温度，成分间的关系图相图是表示合金中合金的状态与温度，成分间的关系图解，又称状态图或平衡图。表示合金在平衡条件下，在不同解，又称状态图或平衡图。表示合金在平衡条件下，在不同温度、
29、不同成分的各相关系的图解，利用相图，可以一目了温度、不同成分的各相关系的图解，利用相图，可以一目了然的知道不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在然的知道不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成分及相对含量，以及加热或冷却时，可能发哪些相，相的成分及相对含量，以及加热或冷却时，可能发生哪些转变等，显然，相图是研究材料组织与性能的重要工生哪些转变等，显然，相图是研究材料组织与性能的重要工具，是进行金相分析、确定热处理工艺的重要依据。具，是进行金相分析、确定热处理工艺的重要依据。相图的表示方法：纵坐标表示温度，横坐标表相图的表示方法：纵坐标表示温度，横坐标表示成分（质量百分数
30、），用相应的字母表示相示成分（质量百分数），用相应的字母表示相区。区。二元相图中的杠杆定理：要求相图中任一二元相图中的杠杆定理：要求相图中任一点某温度下的相组成含量时，我们要用到杠杆点某温度下的相组成含量时，我们要用到杠杆定理。定理。WlWl+Ws=+Ws=WoWo 相律：相律是表示在平衡条件下，系统的自由度，相律：相律是表示在平衡条件下，系统的自由度，组元数和平衡相数之间的关系式。自由度数是指在不组元数和平衡相数之间的关系式。自由度数是指在不改变系统平衡相数目的条件下，可以独立改变的，不改变系统平衡相数目的条件下，可以独立改变的，不影响合金状态的因素（温度、压力等）的数目，其最影响合金状态的
31、因素（温度、压力等）的数目，其最小值为零。小值为零。相律的表达式：相律的表达式：f=c-p+2f=c-p+2。其中。其中f f：自由度，：自由度，C C：组元数，组元数，P P：平衡相数。对于液体及固态的转变，压：平衡相数。对于液体及固态的转变，压力一般影响甚小，可忽略，这时相律变为力一般影响甚小，可忽略，这时相律变为f=c-p+1f=c-p+1。解释：解释：纯金属结晶时，固相或液相时纯金属结晶时，固相或液相时p=2p=2，c=1,f=0c=1,f=0，这说明纯金属结晶在恒温下进行。，这说明纯金属结晶在恒温下进行。对于二元合金结晶，对于二元合金结晶，c=2c=2，p=2p=2，f=1f=1说明
32、有说明有一个可变因素，因为二元合金结晶是在一个温一个可变因素，因为二元合金结晶是在一个温度范围内完成的。温度是一个可变因素。度范围内完成的。温度是一个可变因素。6.1 6.1 二元相图的类型与分析二元相图的类型与分析 二元相图主要有匀晶相图、共晶相图、包二元相图主要有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图、包析相图等，书中重点介晶相图、共析相图、包析相图等，书中重点介绍了前三种类型。绍了前三种类型。7 7 铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金 碳钢和铸铁都是铁碳合金，它们是使用最碳钢和铸铁都是铁碳合金，它们是使用最为广泛的金属材料，铁碳合金相图是研究铁碳为广泛的金属材料，铁碳合金相图是研究铁碳
33、合金的重要工具，了解和掌握铁碳相图的分析合金的重要工具，了解和掌握铁碳相图的分析与应用，对于钢铁材料的研究和使用、各种热与应用，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定、以及工艺废品原因的分析等加工工艺的制定、以及工艺废品原因的分析等都有极为重要的指导意义。都有极为重要的指导意义。7.1 7.1 铁碳合金中的组元及相铁碳合金中的组元及相 纯铁：纯铁：熔点为熔点为15381538，温度变化时会发生，温度变化时会发生同素异构转变，在同素异构转变，在1394139415381538之间为体心立之间为体心立方结构，叫方结构，叫-Fe-Fe，在，在912-1394912-1394之间为面心之间为面
34、心立方结构，称为立方结构，称为-Fe-Fe，在，在912912以下为体心立以下为体心立方结构，称为方结构，称为-Fe-Fe。由高温到低温：由高温到低温：体心体心bccbcc面心面心fccfcc体心体心bccbcc，这种特征为钢的热处理与合金化提供了，这种特征为钢的热处理与合金化提供了必要的结构基础。必要的结构基础。铁中的固溶体铁中的固溶体:碳溶解于碳溶解于或或铁中形成的固铁中形成的固溶体为铁素体，分别用溶体为铁素体，分别用和和表示，铁素体的表示，铁素体的韧性较好、塑性良好，是提供加工变形的必要韧性较好、塑性良好，是提供加工变形的必要基体。碳在基体。碳在的最大溶解度为的最大溶解度为0.0218%
35、0.0218%，在，在中的最大溶解度为中的最大溶解度为0.09%0.09%。溶解于。溶解于铁中形成铁中形成的固溶体称为奥氏体，用的固溶体称为奥氏体，用表示。表示。FeFe3 3C C（渗碳体）：（渗碳体）：FeFe3 3C C具有复杂的斜方结构，具有复杂的斜方结构，无同素异构转变，它的硬度很高，但塑性极低，无同素异构转变，它的硬度很高，但塑性极低，是典型的脆硬相。它在钢和铸铁中可呈片状、是典型的脆硬相。它在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状分布，是碳钢中的主要强化球状、网状、板状分布，是碳钢中的主要强化相，它的量、形状、分布状况对钢的性能影响相，它的量、形状、分布状况对钢的性能影响很大。很大
36、。7.2 Fe-Fe7.2 Fe-Fe3 3C C相图分析相图分析 相图中有五个单相区：相图中有五个单相区：L L、Fe3CFe3C，有七个两相区：有七个两相区：L L、L L、L LFeFe3 3C C、Fe3CFe3C、FeFe3 3C C。三条水平线：包晶转。三条水平线：包晶转变线、共晶转变线、共析转变线、此三条线间的相互变线、共晶转变线、共析转变线、此三条线间的相互连接构成了铁碳相图。连接构成了铁碳相图。三个代表性反应三个代表性反应 在在14951495发生包晶反应，生产物为奥氏体；发生包晶反应，生产物为奥氏体；在在11481148发生共晶反应，生产物为莱氏体；发生共晶反应，生产物为莱
37、氏体；在在727727发生共析反应，生产物为珠光体。发生共析反应，生产物为珠光体。四条重要的固态转变线：四条重要的固态转变线：GSGS线线-中开始析出铁素体中开始析出铁素体（降温）或铁素体全部转变为奥氏体（升温）的转变线，（降温）或铁素体全部转变为奥氏体（升温）的转变线，常称此温度为常称此温度为A3A3温度（温度（A3A3温度是一个范围，不是一个固定的温度是一个范围，不是一个固定的温度点）。温度点）。ESES线线-碳在奥氏体中的固溶度线，此温度常称为碳在奥氏体中的固溶度线，此温度常称为AcmAcm温度，低于此温度，温度，低于此温度，中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，中将析出渗碳体，称为二次渗碳体
38、，记作记作FeFe3 3CC，以区别液相中经，以区别液相中经CDCD线析出的一次渗碳体线析出的一次渗碳体FeFe3 3CC。GPGP线线-碳在铁素体碳在铁素体中的固溶度线，在中的固溶度线，在+两相区温度变化两相区温度变化时，铁素体中的含碳量沿这条线变化。时，铁素体中的含碳量沿这条线变化。PQPQ线线-碳在铁素体碳在铁素体中的固溶度线，共析温度以下时，从中的固溶度线，共析温度以下时，从析出的渗碳体为三析出的渗碳体为三次渗碳体，记作次渗碳体，记作Fe3CFe3C。770 770线表示铁素体的磁性转变温度线表示铁素体的磁性转变温度(居里点居里点)，称，称A2A2温度，温度，770770以上无磁性，以
39、下有磁性。以上无磁性，以下有磁性。230230线表示渗碳体的磁性转变温度线表示渗碳体的磁性转变温度,称称A0A0温度，温度，230230以上渗碳体无铁磁性，以下有一定的铁以上渗碳体无铁磁性，以下有一定的铁磁性。磁性。7.3 7.3 合金与杂质元素的影响合金与杂质元素的影响 碳的影响：碳的影响：亚共析钢随含碳量的增加，亚共析钢随含碳量的增加，P P数量数量增多，因而强度、硬度上升而塑性、韧性下降。过共增多，因而强度、硬度上升而塑性、韧性下降。过共析钢除析钢除P P的影响外，出现了硬脆的二次渗碳体，当含的影响外，出现了硬脆的二次渗碳体，当含碳量小于碳量小于1.01.0时，一般还不连结成网状。当含量
40、碳时，一般还不连结成网状。当含量碳大于大于1.01.0以后，二次渗碳体呈连续网状分布，并且以后，二次渗碳体呈连续网状分布，并且含碳量越高、网越厚，使钢的性能骤然下降，脆性很含碳量越高、网越厚，使钢的性能骤然下降，脆性很大，引起钢材料的早期断裂。大，引起钢材料的早期断裂。硫的影响：硫的影响：S S是钢中的有害元素，与是钢中的有害元素，与FeFe形成低熔点形成低熔点的的FeSFeS，分布于组织晶界处，导致材料在热加工时开，分布于组织晶界处，导致材料在热加工时开裂，热塑性下降，裂，热塑性下降，这种现象叫这种现象叫“热脆热脆”。为了消除。为了消除S S的危害，使钢材能正常热加工成型，一般加入的危害，使
41、钢材能正常热加工成型，一般加入MnMn元素元素脱脱S S，使二者形成高熔点的，使二者形成高熔点的MnSMnS，MnSMnS在高温下有一定在高温下有一定塑性塑性,不产生热脆，从而有效抑制了不产生热脆，从而有效抑制了S S的热脆性。另外，的热脆性。另外，在某些不需热加工的材料中，为了提高材料的切削加在某些不需热加工的材料中，为了提高材料的切削加工性能，又要人为地提高工性能，又要人为地提高S S的含量。也就是说的含量。也就是说S S元素可元素可以改善合金材料的切削加工性能。以改善合金材料的切削加工性能。MnMn的影响：的影响：MnMn在碳钢中的含量一般为在碳钢中的含量一般为0.250.250.80.
42、8。它是作为脱氧去硫的元素加入的，因此属于。它是作为脱氧去硫的元素加入的，因此属于有益元素。对于用有益元素。对于用SiSi和和AlAl脱氧的钢材。脱氧的钢材。MnMn还可以提高还可以提高SiSi和和AlAl的脱氧效果。消除非金属元素的脱氧效果。消除非金属元素S S和和O O的危害。的危害。SiSi的影响的影响：SiSi在碳钢中含量小于在碳钢中含量小于0.500.50时，也时，也是钢中的有益元素，因为是钢中的有益元素，因为SiSi可以脱去有害元素的氧的可以脱去有害元素的氧的影响，并且可以增大钢液的流动性。另外，影响，并且可以增大钢液的流动性。另外，SiSi元素还元素还能提高钢的强度。但当能提高钢
43、的强度。但当SiSi含量超过含量超过0.80.81.01.0时，钢时，钢的塑性及韧性显著下降。的塑性及韧性显著下降。P P的影响：的影响：在含碳量较高的钢中，由于在含碳量较高的钢中，由于P P元素的存元素的存在降低了材料的塑性和韧性，增加了钢的冷脆在降低了材料的塑性和韧性，增加了钢的冷脆(低温低温脆性脆性)，所以，所以P P是有害元素，对其含量要严格控制。在是有害元素，对其含量要严格控制。在含碳量较低的钢中，含碳量较低的钢中，P P可以提高钢的强度，且冷脆倾可以提高钢的强度，且冷脆倾向较小。消除向较小。消除P P的危害时，可以加入的危害时，可以加入Re-CuRe-Cu合金。合金。H H的影响：
44、的影响：H H在钢中危害极大，氢溶入钢中使钢的在钢中危害极大，氢溶入钢中使钢的塑性、韧性显著降低，引起塑性、韧性显著降低，引起“氢脆氢脆”；当原子态氢析；当原子态氢析出时，造成钢组织内部出现裂纹性质的缺陷，形成白出时，造成钢组织内部出现裂纹性质的缺陷，形成白点。点。H H在钢中的溶解度很小，主要来源于冶炼过程中，在钢中的溶解度很小，主要来源于冶炼过程中，锈蚀含水的炉料以及从炉气中直接吸收的氢。其消除锈蚀含水的炉料以及从炉气中直接吸收的氢。其消除措施为：钢材料进行去氢退火处理，使措施为：钢材料进行去氢退火处理，使H H逸出。逸出。说明：锻件在锻后尽快冷却到氢溶解度小、扩散系数大的说明：锻件在锻后
45、尽快冷却到氢溶解度小、扩散系数大的温度区域，一般在温度区域，一般在C C 曲线鼻尖偏上附近，经长时间保温，以曲线鼻尖偏上附近，经长时间保温，以降低钢中的含氢量，避免形成白点钢降低钢中的含氢量，避免形成白点钢。例例1.1.一批螺纹钢（钢筋混凝土用）具有下列特性：在拉一批螺纹钢（钢筋混凝土用）具有下列特性：在拉力很小的情况下断裂，并且断面收缩率很低，在离地面力很小的情况下断裂，并且断面收缩率很低，在离地面2 2米高米高的地方抛出，落地时断裂。请分析原因并提出改进措施。的地方抛出，落地时断裂。请分析原因并提出改进措施。措施：去氢退火；降低措施：去氢退火；降低SiSi含量；提高含量；提高MnMn含量；
46、加稀土铜含量；加稀土铜处理剂。处理剂。例例2.2.一批钢材料在热加工时很难成型，塑性很低，出现一批钢材料在热加工时很难成型，塑性很低，出现开裂折断现象，请分析原因并给出改进措施。开裂折断现象，请分析原因并给出改进措施。措施：降低措施：降低S S含量，加入适量含量，加入适量MnMn（MnMn 0.8%0.8%）。）。8 8 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 材料的强度与塑性是两个重要的力学参数，它们与材料材料的强度与塑性是两个重要的力学参数，它们与材料的组织和结构有密切关系，材料受力后要发生变形与断裂，的组织和结构有密切关系，材料受力后要发生变形与断裂，掌握其规律，研究其微观机制，分析影响塑性变
47、形的各种因掌握其规律，研究其微观机制，分析影响塑性变形的各种因素，设法阻止或延缓塑变的发生是强化材料的重要途径，这素，设法阻止或延缓塑变的发生是强化材料的重要途径，这对生产实际很重要。对生产实际很重要。金属塑性变形有以下三个阶段：金属塑性变形有以下三个阶段：弹性变形弹性变形弹塑性变弹塑性变形形断裂。断裂。弹塑性变形阶段材料强度为什么增加？材料随弹塑性变形阶段材料强度为什么增加？材料随变形量的增加发生了加工硬化或形变强化。随着塑性变形的变形量的增加发生了加工硬化或形变强化。随着塑性变形的增大，变形抗力不断增加的现象称之为加工硬化。增大，变形抗力不断增加的现象称之为加工硬化。8.18.1弹性变形弹
48、性变形 普弹性概念：普弹性概念：晶体材料发生弹性变形时，应力与应变成晶体材料发生弹性变形时，应力与应变成线性关系，去掉外力后，应变立刻完全消失，晶体恢复到未线性关系，去掉外力后，应变立刻完全消失，晶体恢复到未变形状态。变形状态。滞弹性概念：滞弹性概念：在弹性范围内加载或去载，发现应变不是在弹性范围内加载或去载，发现应变不是瞬时达到其平衡位置，而是要一段时间后，慢慢恢复平衡，瞬时达到其平衡位置，而是要一段时间后，慢慢恢复平衡，材料的这种性质叫滞弹性。（常用材料一般都具有滞弹性，材料的这种性质叫滞弹性。（常用材料一般都具有滞弹性，只不过有的材料明显，有的材料不明显）只不过有的材料明显，有的材料不明
49、显）。在工程上应重视滞弹性的影响。如：受力在工程上应重视滞弹性的影响。如：受力滞弹性发生滞弹性发生未回复时再次受力未回复时再次受力弹性变形增大弹性变形增大周而复始周而复始材料应力材料应力产生松弛产生松弛弹性回复与振动衰减弹性回复与振动衰减发生断裂发生断裂造成灾难后果。造成灾难后果。具体应用实例象皮鞋保养问题、火车过桥问题，都是运用滞具体应用实例象皮鞋保养问题、火车过桥问题，都是运用滞弹性的例子。弹性的例子。8.28.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 当应力超过弹性极限时，材料将产生塑性变形。当应力超过弹性极限时，材料将产生塑性变形。工程上应用的大多是由多晶体组成的材料，而多晶体工程上应用的大
50、多是由多晶体组成的材料，而多晶体的塑性变形与各晶粒的变形相关联，掌握了单晶体的的塑性变形与各晶粒的变形相关联，掌握了单晶体的变形规律，将有助于了解多晶体的塑性变形本质，我变形规律，将有助于了解多晶体的塑性变形本质，我们先来分析几个概念。们先来分析几个概念。滑移：滑移：晶体的塑性变形是晶体的一部分相对另一部分晶体的塑性变形是晶体的一部分相对另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这种变形方式叫沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这种变形方式叫滑移。滑移。也可表述为：也可表述为：滑移是晶体的一部分沿着一定的滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动晶面和晶向相对于另一部分作相对的