机械工程材料第2章

第2章材料的制备与相图Chapter2MaterialsManufactureandPhaseDiagrams2.1材料的制备过程2.2二元相图的基本类型2.3典型二元相图的应用——Fe-C相图分析2.4凝固与结晶理论的应用2.1材料的制备过程冶炼铸造铸锭铸件铸件铸件铸锭铸件热轧热锻板、型、管、线材机加工零件（机加工）零件焊接机加工冷轧、拔、冲零件2.1.1材料凝固与结晶的条件（1）熔融液体的粘度（内因）——是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为金属晶体（2）冷却速度（外因）——冷速越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低，而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非晶合金。2.1.2金属材料的制备1.金属的冶炼2.纯金属的结晶规律⑴液态金属的结构特点（结晶的充分条件）结构起伏(相起伏)液态金属中存在短程有序原子集团⑵金属结晶的必要条件nmTTT过冷度过冷是结晶的必要条件热分析法测定金属结晶温度不同冷速下的冷却曲线示意图过冷度的影响因素冷速↑↑T自由能与温度的关系曲线金属结晶的能量条件⑶纯金属结晶的普遍规律——不断形成晶核与晶核不断长大的连续过程形核的方式:①自发形核以液态金属中的结构起伏为基础②非自发形核依赖于液体中的固体质点晶核长大方式①平面方式长大②以树枝晶方式长大为主单晶体与多晶体示意图金属锑锭的组织示意图2.2二元相图的基本类型有关相图的基本概念：合金状态一定条件下合金有哪几个相组成相变临界点相变的温度相图反映在平衡条件下，合金的状态同温度、成分之间关系的图形。热分析法建立Cu-Ni二元合金相图的过程2.2.1相图的建立用热分析法建立Cu-Ni相图（a）冷却曲线（b）测定的相图2.2.2匀晶相图特点：两组元在液态、固态下均可以任意比例互溶（无限固溶体）Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等1.相图分析•特性点•特性线•相区•基本相2.固溶体合金的平衡结晶过程分析Cu-Ni合金的显微组织示意图（1）变温结晶（2）在结晶过程中，两平衡相的成分和相对百分含量是不断变化的。液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；此间的任一温度瞬时，都可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含量。固溶体合金的平衡结晶规律(与纯金属相比)3.杠杆定律及其应用内容表述:在合金相图的两相区内,若温度一定,则该温度下两平衡相的成分及两平衡相的相对量是一定的,且两相相对量之比等于各自相距较远的线段之比。适用条件：仅适用于两相区，用来求两个平衡相的化学成分和相对百分含量。4.不平衡结晶——枝晶偏析（a）不平衡结晶；（b）不平衡结晶的组织概念:不平衡条件下,先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同,这种在一个晶粒内出现的成分不均匀现象称为枝晶偏析。消除办法:扩散退火(均匀化退火)2.2.3共晶相图1.相图分析（1）共晶相图的形成形成条件：固态为有限固溶体，发生共晶反应。（2）相区与基本相（3）特性线与特性点NM℃EL183MEN水平线——共晶线(三相区)2.典型合金的平衡结晶过程（1）有限固溶体合金Ⅰ（2）共晶成分的合金Ⅱ（3）亚共晶成分合金Ⅲ（4）过共晶成分合金Ⅳ（1）有限固溶体合金Ⅰ10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织123（1）有限固溶体合金Ⅰ杠杆定律的应用在kth温度下，计算α和βⅡ的百分含量（2）共晶成分的合金Ⅱ共晶合金的冷却曲线及室温下的组织（3）亚共晶成分合金Ⅲ亚共晶合金的冷却曲线及组织1122’初晶的截取位置及相应的组织形貌（3）亚共晶成分合金Ⅲ（4）过共晶成分的合金过共晶合金的冷却曲线及组织13.两种填写相图的方法以相组分形式填写的相图3.两种填写相图的方法标明组织组分的铅-锡合金相图2.2.4包晶相图的特征Fe-C相图包晶部分4.包晶相图的特征2.2.5具有稳定化合物的相图2.2.6具有共析反应的相图合金的性能与相图的关系2.2.7二元合金相图与性能之间的关系1.合金的使用性能与相图的关系2.合金的工艺性能与相图的关系合金铸造性能与相图的关系预习准备“2.3铁碳合金相图分析”内容的课堂讨论参见“学习指导”P16~17中的课堂讨论（铁碳合金相图）提纲进行充分准备。2.3铁碳合金相图分析铁碳相图讨论总结一、相、相组分、组织、组织组分的关系1相=相组分(相组成物）2组织是由相组成的3组织组分一定是组织，但组织不一定等于组织组分，组织=各组织组分总和⑴对平衡组织的影响⑵对力学性能的影响Wc不同，F和Fe3C的相对量不同；Fe3C的形态不同，导致性能不同Fe3C的形态对性能的影响：共析Fe3C呈片状——↑强度、硬度↓塑性、韧性Fe3CⅡ呈网状——↓↓强度、塑性、韧性共晶Fe3C为连续基体——↑硬度↓强度、塑性、韧性二、含碳量对铁碳合金平衡组织与性能的影响2.4凝固与结晶理论的应用2.4.1铸态晶粒度的控制晶粒度:晶粒大小用晶粒的平均面积或平均直径来表示晶粒度对性能的影响——细晶强化晶粒度的影响因素形核率（N）N↑晶粒细化长大速度（G）G↓晶粒细化GN↑则晶粒细化控制晶粒度的方法：2.化学变质处理3.增强液体流动法1.控制过冷度T↑GN↑低温浇注金属型代替砂型水冷铸铁局部加冷铁2.4.2定向凝固技术单晶体的制备1.尖端形核法2.垂直提拉法