教学课件：《金属材料热处理》1

1、金属材料与热处理任务一 金属材料的力学性能任务二 金属材料的工艺性能项目一金属材料的主要性能学习重点1知识目标（1）了解材料力学性能指标的测定原理，相关实验仪器设备的结构、应用及其组成。（2）掌握材料强度、刚度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度指标的基本含义与应用。2技能目标掌握强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度的测定方法。项目一金属材料的主要性能金属材料的力学性能是指材料在载荷作用下所表现出来的特性（即金属材料在载荷作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能）。它取决于材料本身的化学成分和材料的微观组织结构。任务一金属材料的力学性能一、强度任务一金属材料的力学性能一、强度

2、任务一金属材料的力学性能一、强度强度是指材料在载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。强度的大小通常用应力表示，符号为，单位为MPa（兆帕）。1屈服点se是试样保持弹性变形的最大应力；当应力大于e时，产生塑性变形；当应力达到s时，试样变形出现屈服。此时的应力称为材料的屈服点（s），其表达式如下：任务一金属材料的力学性能一、强度2抗拉强度b试样拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号b表示：任务一金属材料的力学性能一、强度3交流与讨论几种常用金属材料的刚度与弹性指标任务一金属材料的力学性能二、刚度材料受力时，抵抗弹性变形的能力称为刚度，它表示材料产生弹性变形的难易程度。刚度的大小，通常用弹性模

3、量E（单向拉伸或压缩时）及G（剪切或扭转时）来评价。弹性模量大小主要取决于金属的本性（晶格类型和原子结构），而与金属的纤维组织无关，但温度变化会对弹性模量产生影响，温度升高，弹性模量减小。任务一金属材料的力学性能三、塑性塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。（一）断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的百分比，用符号表示：任务一金属材料的力学性能三、塑性（二）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示：任务一金属材料的力学性能三、塑性金属材料强度与塑性的新、旧标准名词与符号对照任务一金属材料的力学性能四、硬度

4、硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬的指标。常见的硬度试验方法：布氏硬度（主要用于原材料检验）、洛氏硬度（主要用于热处理后的产品检验）、维氏硬度（主要用于薄板材料及材料表层的硬度测定）、显微硬度（主要用于测定金属材料的显微组织及各组成相的硬度）。任务一金属材料的力学性能四、硬度（一）布氏硬度1布氏硬度测试原理任务一金属材料的力学性能四、硬度2布氏硬度的表示方法布氏硬度用符号HB表示。任务一金属材料的力学性能四、硬度布氏硬度试验规范任务一金属材料的力学性能四、硬度3布氏硬度的特点及应用布氏硬度试验时，压痕面积较大，受测量不均匀度影响较小，故测量结果较准确，

5、适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度。另外，由于布氏硬度与b之间存在一定的经验关系，因此得到了广泛的应用。但布氏硬度试验测试时，压痕较大，不宜用来测成品，特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用来测太硬的材料。任务一金属材料的力学性能四、硬度（二）洛氏硬度1洛氏硬度测试原理任务一金属材料的力学性能四、硬度2洛氏硬度表示方法洛氏硬度符号HR表示，HR前面为硬度数值，HR后面为使用的标尺。3洛氏硬度的特点及应用在洛氏硬度试验中，选择不同的试验载荷和压头类型对应不同的洛氏硬度标尺，便于用来测定从软到硬较大范围的材料硬度。任务一金属材料的力学性能四、硬度常用三种洛氏硬度的试验条件及

6、应用范围任务一金属材料的力学性能四、硬度（三）维氏硬度1维氏硬度测试原理任务一金属材料的力学性能四、硬度2维氏硬度表示方法维氏硬度值是用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV，HV前面为硬度值，HV后面的数值依次表示试验载荷（单位kgf）和试验载荷保持时间（保持1015s时不标注）。任务一金属材料的力学性能四、硬度3维氏硬度的特点及应用维氏法使用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结构精确可靠，其特点是不存在试验载荷，且与压头直径有一定比例关系的约束，不存在压头变形问题，压头轮廓清晰，但效率不如洛氏硬度高。任务一金属材料的力学性能五、韧性韧性是指材料

7、在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。（一）冲击韧性金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。材料的冲击韧性表达式为：任务一金属材料的力学性能五、韧性冲击吸收功还与温度有关。Ak值随温度降低而减小。在不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性越好。选择金属材料时，应使该材料的韧脆转变温度低于其服役环境的最低温度。冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关。任务一金属材料的力学性能五、韧性任务一金属材料的力学性能五、韧性（二）断裂韧度1低应力脆断的概念有些高强度材料的机件常常在远低于屈

8、服点的状态下发生脆性断裂；中、低强度的重型机件、大型结构件也有类似情况，这就是低应力脆断。研究和试验表明，低应力脆断总是与材料内部的裂纹及裂纹的扩展有关。因此，裂纹是否易于扩展，就成为衡量材料是否易于断裂的一个重要指标。任务一金属材料的力学性能五、韧性2裂纹扩展的基本形式裂纹扩展可分为张开型（型）、滑开型（型）和撕开型（型）三种基本形式任务一金属材料的力学性能五、韧性3断裂韧度及其应用当材料中存在裂纹时，在外力的作用下，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加的应力（称为名义应力）、裂纹长度a及距裂纹尖端的距离有关，即施加的应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场。为表述该应力场的强度，引入了应力场强度

9、因子的概念，即：任务一金属材料的力学性能五、韧性常见工程材料的断裂韧度值任务一金属材料的力学性能六、疲劳强度（一）疲劳断裂某些机械零件，在工作应力低于其屈服强度甚至是弹性极限的情况下发生的断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突发性的，事先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性。任务一金属材料的力学性能六、疲劳强度（二）疲劳强度弯曲疲劳曲线，由曲线可以看出，应力值越低，断裂前的循环次数越多；我们把试样承受无数次应力循环也不发生断裂的最大应力值作为材料的疲劳强度。任务一金属材料的力学性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能，

10、以便降低成本，从而获得质量优良的零件。工艺性能主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面，其反应了金属材料在各种零件加工、结构设计和工具制造的过程中适应各种冷热加工的能力。任务二金属材料的工艺性能一、材料可加工性可加工性是指金属在切削加工时的难易程度。可加工性好的金属对使用的刀具磨损量小，可以选用较大的切削用量，加工表面也较光洁，反之较差。在保证零件使用要求的条件下，应尽可能选择可加工性好的材料。任务二金属材料的工艺性能二、铸造性将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。（一）流动性：充满型腔能力。（二）收缩率：缩孔数量的多少和分布特征。（三）偏析倾向：材料成分

11、的均匀性。任务二金属材料的工艺性能三、锻造性材料进行压力加工（锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等）的可能性或难易程度的度量。（一）塑性变形能力：材料不被破坏的前提下的最大变形量。（二）塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。任务二金属材料的工艺性能四、焊接性利用部分熔体，将两块材料连接在一起。（一）连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。（二）焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。任务二金属材料的工艺性能五、热处理性能可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。任务二金属材料的工艺性能谢谢观赏!金属材料与热处理任务一 金属的晶体结构任务二 纯金属的结晶项目二 金属

12、的晶体结构与结晶学习重点1知识目标（1）晶体与非晶体概念。（2）金属的晶体结构类型。（3）掌握纯金属的结晶。2技能目标（1）实际金属的晶体结构。（2）细化晶粒的方法。（3）金属的冷却曲线和过冷现象。项目二 金属的晶体结构与结晶一、晶体与非晶体（一）晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体，常态下金属主要以晶体形式存在，晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体，在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。任务一 金属的晶体结构一、晶体与非晶体（二）晶格与晶胞1晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架称为晶格。直线的交点（原子中心）称结点，由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。任务一

13、金属的晶体结构一、晶体与非晶体2晶胞晶体中有代表性的最小的几何单元，称为晶胞。任务一 金属的晶体结构一、晶体与非晶体3晶格常数晶胞的大小和形状可用晶胞的三个棱边长度a、b、c（单位nm，1nm=10-9m）及三棱边夹角、表示。任务一 金属的晶体结构二、金属的典型晶体结构（一）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子。任务一 金属的晶体结构二、金属的典型晶体结构（二）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的六个面中心各有一个原子。任务一 金属的晶体结构二、金属的典型晶体结构

14、（三）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是正六方柱体，由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长，另一个是柱体高度。在密排六方晶格的12个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构（一）多晶体结构和亚结构单晶体：晶体内部位向（即原子排列方向）完全一致的晶体。多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。多晶体每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面就是晶界。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构（二）晶体缺陷在实际晶体中，原子排列并不是像理想晶体那

15、样规则和完整，由于许多因素的影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点缺陷、线缺陷及面缺陷。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构1点缺陷 空间三维方向上尺寸都很小的缺陷，常见的点缺陷有空位、间隙原子与置换原子。（1）空位：在正常的晶格结点上没有原子。（2）间隙原子：个别晶格空隙之间存在的多余原子。（3）置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构点缺陷破坏了原子间的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格的畸变，从而引起金属强度

16、、硬度提高，塑性、韧性的下降。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构2线缺陷线缺陷是指二维尺度很小，而第三维尺度很大的缺陷，也称位错。位错分为两类，即刃型位错和螺旋位错，刃型位错是比较简单的位错。（1）位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构（2）刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面像刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。（3）位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。任务一 金属的晶体结构三、实际

17、金属的晶体结构位错对性能的影响：以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构3面缺陷面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷有晶界和亚晶界。（1）晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原子排列紊乱，具有非晶态特征。任务一 金属的晶体结构

18、三、实际金属的晶体结构晶界的重要特性：1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小，即晶界多的材料的强度、硬度高。2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀，因此固态下结构的改变首先从晶界开始。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构（2）晶界与亚晶界1）晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。晶界的特点：原子排列不规则；熔点低；耐蚀性差；易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；晶界是相变的优先形核部位。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构2）亚晶界：亚晶

19、粒之间的交界面称亚晶界，如图2 13b。亚晶界也可看作位错壁。3）亚晶粒：在多晶体的每一个小晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小，位向差很小（210）的小晶块，它们相互镶嵌形成晶粒。任务一 金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构任务一 金属的晶体结构一、金属结晶的基本规律（一）冷却曲线与过冷度液态金属在结晶时的“温度时间”曲线称为冷却曲线。将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属冷却曲线。任务二 纯金属的结晶一、金属结晶的基本规律（二）纯金属的结晶过程 液态金属结晶是在结晶温度平台由形核和晶核长大两个密切联系的基本过程来实

20、现的。液态金属结晶时，先在液体中形成一些极微小的晶核，再以其为核心不断长大。这些晶体长大的同时，液态金属的其他部位又会出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失任务二 纯金属的结晶一、金属结晶的基本规律（三）晶核的形成与长大1晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。（1）自发形核：从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。（2）非自发形核：依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。任务二 纯金属的结晶一、金属结晶的基本规律2晶核的长大方式晶核形成后便开始长大。金属晶体主要以树枝状长大。在晶体继续成长的过程中，由于棱角处

21、的散热条件好，生长快，先形成一次晶轴，又会产生二次晶轴、三次晶轴从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶任务二 纯金属的结晶一、金属结晶的基本规律（四）金属结晶后晶粒的大小1晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用单位体积内或单位面积上的晶粒数目来表示。工业生产上用晶粒度级别数来确定晶粒度的级别，级别数越大，晶粒越细。任务二 纯金属的结晶二、细化晶粒的方法晶粒的大小Z主要取决于晶核的形核率N（单位时间、单位体积内形成的晶核数目）和长大速率G。形核率是指单位时间内、单位体积中产生的晶核数，长大速率是指单位时间内晶核长大的线速度，它们的关系如下：任务二 纯金属的结晶二、细化晶粒的方法（一）提高过冷

22、度液态金属结晶的形核率N、长大速率G与过冷度之间的关系。任务二 纯金属的结晶二、细化晶粒的方法（二）变质处理生产中为了得到细晶粒的铸件，常在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。例如，在浇注灰铸铁时加入石墨粉，在浇注高锰钢时加入锰铁粉，向铝液中加入TiC、VC等，都会使形核率增大；而在铝硅合金中加入钠盐，可以减慢Si晶核的长大速率。任务二 纯金属的结晶二、细化晶粒的方法铸铁变质处理前后的组织任务二 纯金属的结晶二、细化晶粒的方法（三）附加振动或搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，从而使晶核数目

23、显著增加，达到细化晶粒的效果。任务二 纯金属的结晶谢谢观赏!金属材料与热处理任务一二元合金的晶体结构任务二二元合金相图项目三二元合金的相结构与结晶任务三二元合金相图的类型与分析任务四合金性能与相图间的关系学习重点1知识目标（1）掌握有关金属的晶体结构类型及性能特点。（2）了解有关合金的基本概念。（3）掌握合金相的结构类型及性能特点。2技能目标（1）学会合金相图的分析和使用。（2）掌握相图与合金性能间的规律，学会选用和配置合金。项目三二元合金的相结构与结晶一、合金的基本概念（一）合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质叫合金，也可以是金属与非金属或化合物组成的。（二）

24、组元组成合金的最基本、独立的物质是组元，其通常是纯元素，也可以是金属、非金属或是稳定的化合物。任务一二元合金的晶体结构一、合金的基本概念（三）相合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分就构成了相。合金中相与相有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。合金在固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。相的基本属性是一致的晶体结构和原子排列方式，相同的物理、化学性能，与周围的非同相物质之间有确定的界面，不同的相可予以机械性分离。任务一二元合金的晶体结构一、合金的基本概念（四）显微组织显微组织实质上是指在显微镜下，观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数

25、量、大小和分布的组合。（五）合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相根据固态下，合金的组元间作用方式不同，合金的相结构（基本相）可分为两类，即固溶体和金属间化合物。（一）固溶体合金在固态下，各组元之间仍能互相溶解而形成的均匀的晶态固体称为固溶体。固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同，而其他组元的晶格结构将消失。固溶体中保持原来晶体结构的组元元素称为溶剂，晶体结构消失的组元元素称为溶质。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相1固溶体的分类按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同可分为间隙固溶体和置换固溶体。

26、（1）间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格各结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体（2）置换固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子，而占据溶剂晶格中的某些结点位置，这种形式的固溶体称为置换固溶体。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相按照溶质原子在溶剂晶格中的溶解度分为：（1）有限固溶体：间隙固溶体一定是有限固溶体。（2）无限固溶体：在置换固溶体中，当溶质与溶剂原子半径差别较小，在化学元素周期表上的位置靠近，且晶格形式也相同时，可能形成无限固溶体，否则，是有限固溶体。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相（二）金属化合物合金组元相互作用形成的晶

27、格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式AmBn表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但塑性降低。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相1金属化合物特点熔点、硬度高，脆性大。适用于第二相质点强化或弥散强化。2金属化合物的分类根据形成条件和结构特点不同，金属化合物可分为以下三类。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相（1）正常价化合物定义：组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示。特征：严格遵守化合价规律，成分固定，可用化学式表示，不能形成固溶

28、体。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相（2）电子化合物定义：电子化合物不遵守原子价规律，而是按照一定的电子浓度比，组成一定晶体结构的化合物。电子浓度：指化合物中价电子数目与原子数目的比值。特征：虽然可用化学式表示，但成分不固定，即在电子化合物的基础上可以溶解一定量的组元，形成以该化合物为基体的固溶体。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相（3）间隙化合物定义：一般是由原子直径较大的过渡金属元素和原子直径较小的非金属元素组成。原子尺寸因素起主要作用。特征：直径较大的过渡金属元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入到晶格的空隙中。任务一二元合金的晶体

29、结构二、合金中的基本相3金属化合物的结构特点与性能特点（1）金属化合物的晶格类型与组成它的任何组元都不相同，是单相。（2）金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。（3）金属化合物是强化相。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。任务一二元合金的晶体结构二、合金中的基本相（三）机械混合物 纯金属、固溶体和金属化合物都是组成合金组织的基本相，合金组织在室温和高温下可以由一种或几种相组成，不同的相可以构成不同的组织，由两相和多相合金组织的结构中构成机械混合物。任务一二元合金的晶体结构合金相图又称状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热

30、或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。任务二二元合金相图一、二元合金相图的表示方法纯金属可以用一条表示温度的纵坐标，把其在不同温度下的组织状态表示出来。二元合金组成相的变化不仅与温度有关，而且还与合金成分有关，因此不能简单地用一个稳定坐标轴表示，必须增加一个表示合金成分的横坐标。因此，由两个组元组成的合金相图称为二元合金相图。任务二二元合金相图一、二元合金相图的表示方法纯铜的冷却曲线及相图任务二二元合金相图二、二元合金相图的测定方法任务二二元合金相图一、二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图两组元在

31、液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，即在固态下形成无限固溶体的结晶规律所组成的合金相图称为匀晶相图。1相图分析该相图由两条封闭的曲线组成液相线、固相线。在这两条曲线上有两个特性点：A点、B点。由特性点A、B连接的液相线和固相线称为特性线，它们把相图分成三个相区，即液相区，以L表示；固相区，是由Cu、Ni形成的无限固溶体，用表示；两相共存区，以L+表示。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型任务二二元合金相图任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型2枝晶偏析（1）枝晶偏析的定义在生产条件下，由于合金在结晶过程中，冷却速度比较快，且在固态下原子扩散又很困难，致使

32、固溶体内部的原子扩散来不及充分进行，晶粒内部出现成分不均匀的现象，这种现象称为晶内偏析。因为固溶体的结晶一般是树枝状方式长大，因此先结晶的树干成分与后结晶的树间成分不同，这种晶内偏析呈树枝状分布，称为枝晶偏析任务二二元合金相图任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型（2）枝晶偏析的危害：会降低合金的力学性能和可加工性。（3）枝晶偏析的消除方法：将有枝晶偏析的合金加热到高温并长时间保温，使用原子进行充分扩散，达到成分均匀化的目的，这种处理方式称为均匀化退火。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型3匀晶结晶的特点（1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，

33、也包括有形核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。（2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。（3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。（4）两相区内，温度一定，两相相对量一定。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型（二）共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态时有限互溶，并发生共晶反应，形成共晶组织的二元相图。共晶转变是在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种固相的过程。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型1相图分析任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型2相图的特点（1）共晶转变在恒温下

34、进行；（2）转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相；（3）存在一个确定的共晶点，在该点凝固温度最低；（4）成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变；（5）组成共晶体的两个固相的相对量是一定的；（6）在显微镜下具有独特的形貌，多样形态，且组织较细密。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型（三）共析相图在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同时分解形成两个新的固相，这种相图叫共析相图，如图3 10所示。此两相混合物称为共析体。任务三二元合金相图的类型与分析一、二元合金相图的基本类型相图分析：C点成分的合金从液相经过匀晶转变生产相后，继续冷却到C点温度，在此恒温下发

35、生共析转变，同时析出D点的相和E点的相，即表达式如下：相图特点：共析转变是在固态下进行的，所以共析转变的产物比共晶转变的产物要细密得多。任务三二元合金相图的类型与分析二、合金的结晶过程分析（一）合金任务三二元合金相图的类型与分析二、合金的结晶过程分析（二）合金任务三二元合金相图的类型与分析二、合金的结晶过程分析（三）合金任务三二元合金相图的类型与分析二、合金的结晶过程分析（四）合金任务三二元合金相图的类型与分析一、单相固溶体合金匀晶相图是形成单相固溶体合金的相图。当溶质溶入溶剂后，要产生晶格畸变，从而引起合金的固溶强化，并使合金中自由电子的运动阻力增加，故固溶体合金的强度和电阻高于作为溶剂的纯

36、金属。而随着溶质溶入量的增加，晶格畸变增大，固溶体合金的强度、硬度和电阻与合金成分间呈曲线关系变化。任务四合金性能与相图间的关系一、单相固溶体合金固溶体合金的铸造性能与合金成分之间的关系，合金相图中的液相线与固相线之间的垂直距离与水平距离越大，合金的铸造性能越差。这是因为液相线与固相线的水平距离越大，结晶时液固两相共存的时间越长，形成树枝状晶体的倾向就越大，这种细长易断的树枝晶体阻碍液体在铸型内流动，致使合金的流动性变差。当流动性变差时，枝晶相互交错形成许多封闭微区，越不易得到外界液体的补充，故易于产生分散缩孔，使铸件组织疏松，性能变坏。任务四合金性能与相图间的关系一、单相固溶体合金任务四合金

37、性能与相图间的关系二、两相混合物合金共晶相图中，结晶后形成两相组织的合金称为两相混合物合金。形成两相混合物合金的力学性能与物理性能是处在两相性能之间，并与合金成分呈直线关系。此外，两相的细密程度也会影响合金的性能，尤其是对组织敏感的合金性能（如强度和硬度等）的影响更为显著。任务四合金性能与相图间的关系二、两相混合物合金两相混合物合金的铸造性能与合金成分间的关系，合金的铸造性能也取决于合金结晶区间的大小。共晶合金在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，具有较好的流动性，在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密性好，因此其铸造性能最好。因而在其他条件允许的情况下，铸造用金属材料尽可能选用共晶成分附近的合金。两

38、相混合物合金的变形加工性能和合金组织中硬脆的化合物相含量有关，一般两相混合物合金的变形加工性能都比固溶体合金差。但只要组织中硬脆相含量不多，其可加工性比固溶体合金好。任务四合金性能与相图间的关系二、两相混合物合金任务四合金性能与相图间的关系谢谢观赏!金属材料与热处理任务一铁碳合金的基本相与组织任务二铁碳合金相图分析项目四铁碳合金任务三典型合金的结晶过程及其组织学习重点1知识目标（1）掌握铁素体、奥氏体、渗碳体基本相及铁碳合金组织。（2）掌握Fe-Fe3C相图中的点、线、特性曲线。（3）掌握典型合金的结晶过程及其组织。（4）掌握铁碳合金的成分组织与性能间的关系。（5）掌握纯铁的冷却曲线及同素异构

39、现象。2技能目标（1）二元合金相图的建立。（2）铁碳合金相图的应用。项目四铁碳合金由铁和碳为主要元素组成的合金称为铁碳合金任务一铁碳合金的基本相与组织一、铁碳合金的组元（一）纯铁1纯铁的同素异晶转变随着温度的变化，晶格由一种类型转变成为另一种类型的转变过程，称为同素异构转变，也称同素异晶转变。同素异晶转变是钢铁一个重要特性，是能够进行热处理来改变性能的基础。同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，是重结晶过程，有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。2纯铁的性能纯铁的强度、硬度、低塑性好任务一铁碳合金的基本相与组织一、铁碳合金的组元（二

40、）渗碳体（Fe3C）Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正交晶系，含碳量为669%，通常称为“渗碳体”，有磁性转变。其性能为高硬度、高脆性，塑性、韧性近似为零，加热时易分解。任务一铁碳合金的基本相与组织二、铁碳合金的基本相在铁碳合金中，因铁和碳在固态不同温度下，可以形成固溶体和金属化合物，其基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。（一）铁素体（相）铁素体：-Fe中溶入一种或几种溶质原子构成的间隙固溶体，用符号F表示。铁素体仍然保持-Fe的体心立方晶格。任务一铁碳合金的基本相与组织二、铁碳合金的基本相（二）奥氏体（相）奥氏体：-Fe中溶入碳或其他元素形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体仍保持-Fe的面

41、心立方晶格。任务一铁碳合金的基本相与组织二、铁碳合金的基本相（三）渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁和碳相互作用，形成的具有复杂晶格的间隙化合物，用分子式Fe3C表示。渗碳体熔点为1227，硬度很高（约1000HV），而塑性、韧性几乎为零，极脆。渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。任务一铁碳合金的基本相与组织三、铁碳合金组织（一）单相组织铁素体、奥氏体和渗碳体。（二）复相组织1珠光体（P）是由铁素体和渗碳体组成的共析混合物，Rm=770MPa，A113=20%35%，硬度为180HBS，Z=40%60%。2莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。727以上的莱氏体称为高温

42、莱氏体，由奥氏体和渗碳体（A+ Fe3C）组成或用符号Ld表示。727以下的莱氏体称为低温莱氏体，由珠光体和渗碳体组成（P+Fe3C）或用Ld表示。任务一铁碳合金的基本相与组织一、FeFe3C相图的建立铁碳合金相图是指在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所处状态或组织的图形。任务二铁碳合金相图分析一、FeFe3C相图的建立铁碳合金相图是指在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所处状态或组织的图形。任务二铁碳合金相图分析一、FeFe3C相图的建立（二）FeFe3C相图中的特性线1共晶转变线ECF以ECF水平线为中心的相图中，上半部分实

43、际上就是一个共晶相图，共晶转变发生于1148的恒温下，所以ECF线称为共晶线。2共析转变线PSK以PSK水平线为中心的相图中，下半部分实际上就是一个共析相图，这个转变发生于727的恒温下，所以PSK称为共析线，又称A1线。任务二铁碳合金相图分析一、FeFe3C相图的建立（三）三条重要的特性曲线1GS线GS线又称A3线，它是在冷却时，奥氏体转变成铁素体的开始线。GS线是由G点演变而来的，随着碳的质量分数的增加，奥氏体向铁元素进行同素异构转变的温度下降，从而使G点变成了GS线。任务二铁碳合金相图分析一、FeFe3C相图的建立2ES线ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的固溶线。ES线是从奥氏体中开始

44、析出Fe3C的临界温度线。3PQ线PQ线为碳在铁素体中的固溶线。碳在铁素体中的最大溶解度位于P点，随着温度下降，溶解度逐渐减小，室温时，铁素体中溶碳量几乎为零。任务二铁碳合金相图分析三、FeFe3C相图中的相区共分四个单相区：ACD以上液相区（L）；AESG奥氏体相区（A）；GPQ铁素体相区（F）；DCF渗碳体（Fe3C）相区。五个两相区：L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C和F+Fe3C。共晶转变线ECF线及共析转变线PSK分别看作三相共存的“特区”。任务二铁碳合金相图分析一、FeFe3C相图中铁碳合金的分类根据铁碳合金中碳的质量分数和组织的不同，将铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三

45、大类。（一）工业纯铁成分为P点（wC=00218%）左边的铁碳合金，室温组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。任务三典型合金的结晶过程及其组织一、FeFe3C相图中铁碳合金的分类（二）钢成分为P点与E点之间（wC=0.0218%2.11%）的铁碳合金。根据室温组织不同，又可以分为以下三种：1共析钢：成分为S点（wC=0.77%）的合金，其室温组织为珠光体；2亚共析钢：成分为S点左边（wC=0.0218%0.77%）的合金，其室温组织为铁素体和珠光体。3过共析钢：成分为S点右边（wC=0.77%2.11%）的合金，其室温组织为珠光体和二次渗碳体。任务三典型合金的结晶过程及其组织一、FeFe3C相图中

46、铁碳合金的分类（三）白口铸铁成分为E点右边（wC=2.11%6.69%）的铁碳合金。根据室温组织不同，又可以分为以下三种：1共晶白口铸铁：成分为G点左边（wC=4.3%）的合金，其室温组织为低温莱氏体。2亚共晶白口铸铁：成分为G点左边（wC=2.11%4.3%）的合金，其室温组织为珠光体、低温莱氏体和二次渗碳体。3过共晶白口铸铁：成分为G点右边（wC=4.3%6.69%）的合金，其室温组织为渗碳体和低温莱氏体。任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（一）共析钢的冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析这种在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两

47、种一定成分的固相转变，称为共析转变。共析转变是在恒温下进行的，该温度称为共析温度；发生共析转变的成分称为共析成分，共析成分是一定的；共析转变后的组织称为共析组织或共析体。共析转变后的铁素体和渗碳体又称为共析铁素体和共析渗碳体。由于在固态下原子扩散较困难，故共析组织均匀、细密。任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析共析钢结晶过程示意图任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（二）亚共析钢冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（三）过共析钢冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（四）共晶白口铸铁的

48、冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（五）亚共晶白口铸铁冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织二、典型合金的冷却过程分析（六）过共晶白口铸铁冷却过程分析任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系（一）碳的质量分数对铁碳合金平衡组织的影响室温时，随碳的质量分数的增加，铁碳合金的组织变化如下：任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系（二）碳的质量分数对力学性能的影响任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系（三）铁碳合金相图的应用任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁

49、碳合金的成分、组织及力学性能的关系1铸造合金的铸造性能（流动性、缩孔性、偏析性大小）与状态图中的液固相线之间的距离关系很大，液固相线距离越宽和进度流动性越差，分散缩孔越多，则共晶成分的合金熔点越低，结晶温度范围越小，故流动性越好；分散缩孔少，偏析小，因而铸造性能最好。任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系2热塑性变形单相合金比多相合金具有更好的压力加工性能，这是由于多相合金中各相的晶体结构和位相不同以及境界的作用，使变形抗力提高所致。在FeFe3C相图中，碳钢的高温区是单项奥氏体，为面心立方晶格，奥氏体状态时，强度较低但塑性较好，便于变形加工。任务三典型合金的

50、结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系3焊接方面在铁碳合金中，钢都可以进行焊接，但钢中碳的质量分数越高，其焊接性越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。4各种热处理方法的加热温度与相图有密切关系，Fe-Fe3C相图是确定钢热处理加热温度的主要依据。任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系5在选材方面在设计和生产上，通常是根据机器零件或工程构件的使用性能要求来选择钢的成分。任务三典型合金的结晶过程及其组织三、铁碳合金的成分、组织及力学性能的关系相图诀温度成分建坐标，铁碳二元要记牢。两平三垂标特点，九星闪耀五弧交。共晶共析液固线，十二面里组织标。

51、基本组织先标好，相间组织共逍遥。分析成分断组织，铸锻处理离不了。任务三典型合金的结晶过程及其组织谢谢观赏!金属材料与热处理任务一工程材料的强化任务二钢的热处理项目五工程材料强化及钢的热处理任务三钢在加热时的组织转变任务四钢在冷却时的组织转变任务五钢的热处理方式任务六热处理工艺实例学习重点1.知识目标（1）了解工程材料强化的概念及方式。（2）热处理的含义及分类。（3）共析钢的奥氏体化。（4）钢在冷却时的组织转变。（5）钢的整体热处理。（6）掌握钢的退火、正火、淬火、回火的目的。2.技能目标掌握钢的退火、正火、淬火、回火的实质、目的及应用。项目五工程材料强化及钢的热处理材料的热处理主要指钢铁材料的

52、热处理，包括了钢的热处理和钢的表面热处理两大类。钢经过适当的热处理可提高零件的强度、硬度及耐磨性，并可改善钢的塑性和切削加工性能；而经过合理的表面处理则可提高零件的耐蚀性及耐磨性，并可装饰和美化外观，延长其使用寿命。任务一工程材料的强化一、材料强化的概念使金属材料强度（主要是屈服强度）增大的过程称为强化。工程材料的强度与其内部组织、结构有着密切的关系。通过改变化学成分，进行塑性变形以及热处理等，均可提高材料的强度。由于塑性变形是通过位错运动实现的，因此，材料强化机制的基本出发点是造成障碍，阻碍位错运动。任务一工程材料的强化二、工程材料常见的强化方式（一）固溶强化固溶强化是指由于晶格内溶入溶质原

53、子而使材料强化的现象。固溶强化效果越大，则塑性韧性下降越多。因此，选用固溶强化元素时一定不能只着眼强化效果的大小，而应对塑性、韧性给予充分保证。所以，对溶质的浓度应加以控制。任务一工程材料的强化二、工程材料常见的强化方式（二）晶界强化（也称细晶强化）晶界强化是一种极为重要的强化机制。不但可以提高强度，而且还能改善钢的韧性，这一特点是其他强化机制所不具备的。晶界的作用有两个方面：一方面它是位错运动的障碍，另一方面又是位错聚集的地方。所以，晶粒越细小，则晶界面积愈大，位错运动的障碍愈多，导致强度升高。任务一工程材料的强化二、工程材料常见的强化方式（二）晶界强化（也称细晶强化）晶界强化是一种极为重要

54、的强化机制。不但可以提高强度，而且还能改善钢的韧性，这一特点是其他强化机制所不具备的。晶界的作用有两个方面：一方面它是位错运动的障碍，另一方面又是位错聚集的地方。所以，晶粒越细小，则晶界面积愈大，位错运动的障碍愈多，导致强度升高。任务一工程材料的强化二、工程材料常见的强化方式（三）第二相强化第二相强化是指利用合金中的第二相进行强化的现象。强化效果与第二相的形态、数量及其在基体上的分布方式有关。（四）冷变形强化（加工硬化或形变强化）冷变形强化是指在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。强化的原因：一是随塑性变形量的不断增大，位错密度不断增加，并使之产生

55、的交互作用增强，使变形抗力增加。二是随塑性变形量的增大使晶粒变形、破碎，直至形成亚晶粒，亚晶界阻碍位错运动，从而使强度和硬度提高。任务一工程材料的强化二、工程材料常见的强化方式（五）相变强化相变强化主要是指马氏体相变强化以及下贝氏体相变强化等，它是钢铁材料强化的重要途径。相变强化不是一种孤立的强化方式，而是固溶强化、沉淀硬化、形变强化、细晶强化等多种强化效果的综合。（六）表面强化材料表面强化是指利用各种表面处理、表面扩渗和表面涂覆等技术，来改善材料表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性和抗疲劳性等性能，或者是赋予材料表面以特定的理化性能，从而达到有效地提高产品质量并延长其使用寿命的目的。任务一工程

56、材料的强化二、工程材料常见的强化方式（七）纤维增强的复合强化用高强度的纤维同适当的基体材料相结合，来强化基体材料的方法称为纤维增强复合强化，用于复合材料的强化。任务一工程材料的强化钢在固态下加热、保温和冷却过程中，会发生一系列组织转变，钢中的内部组织发生转变规律就是热处理，根据热处理制定的温度、时间、冷却介质等参数，达到改善性能的目的，就是热处理工艺。任务二钢的热处理一、热处理的概述热处理是提高材料使用性能和改善工艺性能的基本途径之一，是挖掘材料潜力、保证产品质量、延长使用寿命的重要工艺。热处理是指采用适当方式对材料或工件进行加热、保温和冷却的过程，以获得预期组织结构，从而获得所需性能的工艺方

57、法。任务二钢的热处理二、热处理分类根据加热和冷却方式的不同以及组织和性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：（一）整体热处理对工件整体进行穿透加热的热处理，包括退火、正火、淬火和回火等。（二）表面热处理为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺，包括感应淬火、火焰淬火、接触电阻加热淬火、激光淬火和电子束淬火等。任务二钢的热处理二、热处理分类（三）化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理，包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。（四）其他热处理包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。任务三钢在加热时的组织转变一、钢

58、热处理的临界温度根据铁碳相图可知，图中的A1线、A3线和Acm线是钢在室温下发生组织转变的临界点，在实际热处理条件下，相变是在不平衡条件下进行的，其相变点与相图中的相变温度有一些差异。由于过热和过冷现象的影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温。加热或冷却速度越快，这种现象越严重。任务三钢在加热时的组织转变一、钢热处理的临界温度任务三钢在加热时的组织转变二、钢的奥氏体化过程（一）共析钢的加热转变由FeFe3C相图可知，室温的钢只有加热到PSK线温度以上才能发生组织转变，即获得奥氏体。在珠光体转变为奥氏体的过程中，体心立方晶格的铁素体改组为面心立方晶格的奥氏体，渗碳体溶入奥氏体中。钢在热处理

59、加热时的奥氏体化即有铁晶格的改组，又有铁原子与碳原子的扩散。当共析钢加热到Ac1以上温度时，将形成奥氏体。奥氏体的形成也是通过形核和长大来实现。其转变可分为四个阶段，即奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余Fe3C的溶解、奥氏体均匀化四个过程。任务三钢在加热时的组织转变二、钢的奥氏体化过程（一）共析钢的加热转变亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。但是，由于这两类钢的室温组织中除了珠光体以外，亚共析钢中还有共析铁素体，过共析钢中还有共析二次渗碳体，所以，要想得到单一奥氏体组织，亚共析钢要加热到Ac3线以上，过共析钢要加热到Accm线以上，以使共析铁素体或共析二次渗碳体完成向奥氏

60、体的转变或溶解。任务三钢在加热时的组织转变二、钢的奥氏体化过程任务三钢在加热时的组织转变二、钢的奥氏体化过程（二）奥氏体晶粒的长大及控制1.影响奥氏体长大的因素影响奥氏体的转变因素很多，如加热温度、加热速度和原始组织等。加热温度越高，加热速度越快，形成奥氏体的速度越快；原始组织中钢的成分相同，组织越细，相界面越多，奥氏体形成的速度越快。任务三钢在加热时的组织转变二、钢的奥氏体化过程2.奥氏体晶粒大小的表示方法奥氏体晶粒度是指钢加热到相变点（亚共析钢为Ac3，过共析钢为Ac1或Accm）以上某一温度，并保温一定时间所得到的奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒大小的表示方法有三种：晶粒的平均直径（d）、单位