材料概论 (3)

优质碳素结构钢 钢号用碳的平均质量分数的万分数表示： 20钢[表示w(C)=0.20%（万分之20）优 质碳素结构钢]、45Mn钢等等 主要用于制造各种机器零件：轴、齿轮、 弹簧等
碳钢的牌号及用途（三）
铸钢 ZG+数字 数字表示碳的平均质量分数（以万分数 表达） ZG25，表示w(C)=0.25%的铸钢 用来制造形状复杂而需要一定强度、塑 性和韧度的零件，如起重运输机中的齿 轮、联轴器及重要的机件
相图（phase diagram）
什么是相图？ 相图能干什么？ 怎样得到相图？ 怎样看相图？
什么是相图？
相（phase）：体系中具有相同物理与化 学性质的，且与其他部分以界面分开的 均匀部分称为相 。 单相组织、多相组织 材料中相的状态是研究组织的基础；相 的状态由其成分和所处温度决定
什么是相图？
电阻法
物质在不同温度下的电阻率是不同的，在转变前后， 物质的电阻率虽温度的变化规律不同。
静态法
此类方法主要用于测定固态下发生的转 变。
取一系列不同成分的合金，在不同温度下，长时间加 热、保温，建立平衡状态，然后将试样迅速冷却以保 持高温时的平衡状态，在室温下测定不同成分试样的 某些参数（如点阵常数）和性能（如硬度、电阻率、 热膨胀和磁性），当有转变发生、相的状态改变，性 能发生突变，突变处即为固态转变的临界点，在相图 对应不同温度的水平线上标注出这些临界点，连接得 出相图中的转变相界线。
δ →γ ↑
γ →α ↓
碳在铁碳合金的作用
碳在铁素体和奥氏体中的溶解度随温度下降而 降低 碳使合金熔点降低，降低幅度虽碳的质量分数 增大而下降 碳使铁碳合金的同素异构转变温度发生变化 铁碳合金含碳量越高，室温平衡组织中渗碳体 质量分数越大，硬度和强度越高 铁碳合金按碳的质量分数分为碳钢与铸铁（w （C）>2.11%）
c为组元数，p为相数，f为自由度数 自由度数指在结晶过程中，保持相数不变的平 衡条件下，影响状态的内外部因素中可以发生 变动的数目：温度和相成分（恒定大气压）
相律
两相反应 三相反应 L α L α+β
f=c-p+1 =2-2+1=1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f=c-p+1 =2-3+1=0
温度或成分 温度和成分 固定
杠杆定律
过共析（hypereutectoid）合 hypereutectoid 金：0.77-2.11 wt.%C
常温平衡组织： 初析（proeutectoid）渗碳体 +珠光体
碳钢（w(C)<2.11%）分类
按碳的质量分数： 低碳钢[w(C)≤0.25%]、中碳钢[0.25% <w(C)≤0.6%]、 高碳钢[w(C)>0.6%] 按钢的质量（杂质硫、磷的质量分数）： 普通碳素钢[w(S)≤0.055%， w(P)≤0.045%]，优质碳 素钢[w(S)≤0.050%， w(P)≤0.040%]，高级优质碳素 钢[w(S)≤0.030%， w(P)≤0.035%] 按用途： 碳素结构钢：工程构件如桥梁、船舶、建筑构件等和 机器零件如齿轮、轴、连杆等 碳素工具钢：工具如刃具、量具、模具等
碳钢
碳在α铁、γ铁和δ铁中均以间隙形式存 在于固溶体中，分别称为铁素体、奥氏 体和δ固溶体（或高温铁素体）。 碳与铁可形成用分子式Fe3C表示的化合 物，成为渗碳体。 铁素体：0.022% (727 0C)，磁性(< 768 0C) 奥氏体：2.11% (1148 0C)，不具磁性
碳在铁碳合金的作用
相律和杠杆定律
分析相图的两个重要依据 相律用于说明合金或其它材料在平衡结 晶过程中温度和相成分的变化 杠杆定律则是定量给出结晶过程中两相 的相对量的变化和最后组织中两相的相 对量以及组织的相对量
相律
相律是表示材料系统相平衡条件的热力学表达 式，具体表示系统的自由度、组元数和相数之 间的关系
f = c − p +1
第一节 铁及铁基合金概述
工业纯铁 强度低、硬度低、塑性好 α铁（α-Fe） 常温晶体结构为BCC，910°C γ铁（γ-Fe） FCC，910-1390°C δ铁（δ-Fe） BCC，1390-1538°C
碳钢
碳钢是指以铁和碳元素为主，含有少量 锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入 元素的钢。 铁碳合金，碳是其中最主要的合金元素， 其主要作用反映在铁碳合金相图上
动态法
T/ C A
o
wB
B
取不同成分的合金，在相图的成分坐标上引出垂直线。 A-B A-B系相图
1A 0B 0.8A 0.2B 0.6A 0.4B 0.4A 0.6B 0.2A 0.8B 0A 1B
经熔化，混合均匀后，测定其在缓慢冷却条件下，性 能随温度的变化。在有相变发生时，合金系统的状态 和结构发生变化，相应的物理化学性质也会突变，根 据性能突变点对应的温度可以作出相图。
A组元的质量分数为a，摩尔分数为 xA，其相对原子量为m；B组元的 组元的质量分数为b，摩尔分数为 xB，其相对原子量为n
xA =
a/m a/m+b/n
b/n xB = a/m+b/n
相图能干什么？
研制、开发新材料，确定材料的成分 利用相图制定材料生产和处理工艺 利用相图分析平衡状态的组织和推断不平衡态 可能的组织变化 利用相图与性能关系预测材料的性能 利用相图进行材料生产过程中的故障分析
怎么得到相图？——相图的建立
通过热力学计算和分析可以建立相图（物理化 学） 实际材料相图的建立主要依靠实验方法：
二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质 结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点有动态法和静 态法两种方法，如前者有热分析、膨胀法、电阻法等；后者有金 相法、X射线结构分析等。相图的精确测定必须由多种方法配合 使用。 下面介绍用室温的冷却曲线，得到各临界点。（热分析法——应 用最多、最普遍的动态法）
碳钢的牌号及用途（一）
普通碳素结构钢（普碳钢） 钢号有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 数字表示其最低的屈服强度 Q195、Q215、Q235：塑性好，有一定的强度， 通常轧制成钢板、钢筋、钢管等 Q255、Q275：强度高，通常轧制成成型钢、 钢板做构件用
碳钢的牌号及用途（二）
碳在铁素体和奥氏体中的溶解度随温度 下降而降低
固溶线
碳在铁碳合金的作用
碳在铁素体和奥氏体中的溶解度随温度 下降而降低 碳使合金熔点降低，降低幅度随碳的质 量分数增大而下降
w(C)=4.3% 的铁碳合金 熔点最低
碳在铁碳合金的作用
碳在铁素体和奥氏体中的溶解度随温度 下降而降低 碳使合金熔点降低，降低幅度虽碳的质 量分数增大而下降 碳使铁碳合金的同素异构转变温度发生 变化
γ → α + Fe3C
共析反应，析出铁素体 和渗碳体的片层相间的 机械混合物——珠光体
w(C)%=0.77%的铁碳 合金称为共析 （eutectoid）合金
珠光体组织
珠光体组织
γ → α + Fe3C
γ → α + Fe3C
γ →α
亚共析（hypoeutectoid） 合金:0.022-0.77 wt.%C
杠杆定律确定两相共存状态 下两相的相对量
QL ⋅ R = Qα ⋅ S
QL S = Qα R
二元匀晶相图 a-b: L b-d: d-e :α
L →α
二元共晶相图
L →α + β
L →α
L →α
α →β
共晶反应点
L →α + β
α → β II β → α II
α初生相+共晶（α+β）+ βII
相图就是用来描述材料相的状态和温度及成分 关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡 状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学 最稳定、自由焓最低的状态。
相平衡：最低自由能（温度、压力和成分）； 多相系统中各组元在各相中化学位相等
什么是相图？
相图的表示方法 表示二组元系统相的平衡状 态与温度、成分关系的二元 相图是平面图形 纵轴：温度；横轴：成分 成分：质量分数和摩尔分数
常温平衡组织： 初析（proeutectoid）铁素 体+珠光体
亚共析（hypoeutectoid） 合金:初析（proeutectoid） 铁素体+珠光体
过共析（hypereutectoid）合 hypereutectoid 金：0.77-2.11 wt.%C
常温平衡组织： 初析（proeutectoid）渗碳体 +珠光体
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
热分析法
动态法
热膨胀法
材料在发生转变时常伴随体积或长度的变化，测量试 样长度随温度的变化，作出热膨胀曲线，由曲线上的 转折点可找到转变的临界点，测出不同成分合金的临 界点，标注在相应成分的垂直截线上，可作出相应的 相图。
相图的结构
组元 是组成相图的独立组成物：有确定的熔点；不会转化为其他化合 物 通常把具有n个组元都是独立的体系称为n元系，组元数为一的体 系称为单元系。 纯的元素、稳定的化合物 相区 是代表不同相的状态的区域：单相区和双相区 L、α、β、γ… 相界线 是在相图上将各相区分隔开的线。 液相线（liquidus）、固相线（solidus）、固溶线（solvus）、水 平反应线、其他相界线… 组织区 指在室温下具有不同组织状态的区域。
第三章 金属材料
第一节 铁及铁基合金概述
第二节 钢的热处理 第三节 合金钢 第四节 铸铁 第五节 非铁金属及其合金
金属材料
纯金属材料和以纯金属为基的合金 金属键；金属键+共价键
金属材料
良好的导电性和导热性 正的电阻温度系数 良好的反射能力，不透明及金属光泽 良好的塑性变形能力