工程材料与机械制造基础培训课件
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工程材料与机械制造基础52页PPT
包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料
玻璃纤维增强高分子复合材料 25
现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度 高等优点。
光学显微镜
灰铸铁的显微组织
Pb-Sn共晶组织 13
1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于 晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识 从最初的假想到科学的现实。
Si表面的重构图象
X-射线衍射仪
14
1932年发明了电子 显微镜，把人们带 到了微观世界的更 深层次（10-7m）
光镜下
电镜下
31
工艺-组织-性能之间关系的例子
Steel with 0.4%C
32
三、材料的性能
使用性能：材料在使用过程
神
中所表现的性能。包括力学
舟 一
性能、物理性能和化学性能。
号
飞
工艺性能：材料在加工过程
船
中所表现的性能。包括铸造、
锻压、焊接、热处理和切削
性能等。
33
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为变形。
纪律 考试
要求: 关手机 不要在下面开小会 有问题举手
平时表现: 30% 期末考试: 70%
随机点名
答疑安排
5
主要内容
一、材料的发展及种类 二、课程的性质和任务 三、材料的性能
6
哥
一、材料发展及种类
伦 比
1、材料的发展
亚 号
航
2、材料的种类
天
飞
机
材料是指人类用以制造
工程材料及机械制造基础 PPT课件
21
二、物理性能和化学性能
如：比重、熔点、耐腐蚀性等。
22
三、工艺性能
（材料适应成型加工工艺的能力， 反映对材料成型加工的难易程度） 铸造性能 压力加工性能 焊接性能 切削加工性能 热处理工艺性能
23
思考：
1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？ 2、已知某钢材的σS =240 MPa，σb =400
C： C↑——σ、HB↑，δ、ak↓。 当C>0.9%时，σ↓ Si： Si↑——σ、HB↑，δ、ak↓。 但∵Si含量少，故影响不大。 Mn： Mn↑——σ、HB↑，并减少S的危害。也
∵Mn含量少，故影响不大。 S: 生成FeS，FeS与Fe形成晶体（985℃熔点），
易热脆(高温加工时容易产生裂纹)。 P： P↑——σ、HB↑，δ、ak↓↓。易冷脆(钢在低
布氏硬度： 以压痕单位球面积上所承受载荷的大小， 作硬度值。（HB）
洛氏硬度： 以压痕的深度来确定其的硬度值。 （HRC）
19
HBS 压头为淬火钢球，用于测定较软金 属材料（<450HBS）如有色金属、灰 铸铁、退火、正火、调质钢。
HBW 压头为硬质合金球，用于测定较 硬金属材料（>450HBW）。
有色金属：铜、铝、镁、钛等及其合金 陶瓷
——无机非金属材料 玻璃 混凝土 塑料
——有机高分子（高分子聚合物）材料 橡胶 纤维
金属基 ——复合材料
纤维基
5
1、材 料
1.1 材料的分类——按性能分：
——结构材料：利用材料的力学性能，所制备的各 类器件或构件是为了承受各种形式 的载荷，主要起支撑作用。
——功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、 力、化学性能和理化效应的各种新 材料。 用以对信息和能量的感受、计划、 输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、 记忆、存储、显示、发射、转化和 变换的目的。
二、物理性能和化学性能
如：比重、熔点、耐腐蚀性等。
22
三、工艺性能
（材料适应成型加工工艺的能力， 反映对材料成型加工的难易程度） 铸造性能 压力加工性能 焊接性能 切削加工性能 热处理工艺性能
23
思考：
1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？ 2、已知某钢材的σS =240 MPa，σb =400
C： C↑——σ、HB↑，δ、ak↓。 当C>0.9%时，σ↓ Si： Si↑——σ、HB↑，δ、ak↓。 但∵Si含量少，故影响不大。 Mn： Mn↑——σ、HB↑，并减少S的危害。也
∵Mn含量少，故影响不大。 S: 生成FeS，FeS与Fe形成晶体（985℃熔点），
易热脆(高温加工时容易产生裂纹)。 P： P↑——σ、HB↑，δ、ak↓↓。易冷脆(钢在低
布氏硬度： 以压痕单位球面积上所承受载荷的大小， 作硬度值。（HB）
洛氏硬度： 以压痕的深度来确定其的硬度值。 （HRC）
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HBS 压头为淬火钢球，用于测定较软金 属材料（<450HBS）如有色金属、灰 铸铁、退火、正火、调质钢。
HBW 压头为硬质合金球，用于测定较 硬金属材料（>450HBW）。
有色金属：铜、铝、镁、钛等及其合金 陶瓷
——无机非金属材料 玻璃 混凝土 塑料
——有机高分子（高分子聚合物）材料 橡胶 纤维
金属基 ——复合材料
纤维基
5
1、材 料
1.1 材料的分类——按性能分：
——结构材料：利用材料的力学性能，所制备的各 类器件或构件是为了承受各种形式 的载荷，主要起支撑作用。
——功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、 力、化学性能和理化效应的各种新 材料。 用以对信息和能量的感受、计划、 输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、 记忆、存储、显示、发射、转化和 变换的目的。
工程材料与机械制造基础-第2章
材料承受的交变应力σ与材料在断裂前承受交 变应力的循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来表 示。
图 疲劳曲线和对称循环交变应力图
材料承受的交变应力越大，则断裂时应力循 环次数N越小。
疲劳强度：当应力低于一定值时，试样可以 经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料 的疲劳强度。
对于黑色金属，一般规定应力循环107周次 而不断裂的最大应力称为疲劳极限。
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
有色金属取108周次。
金属的疲劳极限受很多因素的影响。主要有 工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。
L0
L0
式中：L1—试样拉断后的标距(mm)； L0—试样的原始标距(mm)； ΔL—最大伸长(mm)。
延伸率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的 百分比。
(2)断面收缩率
断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最 大缩减量与原横断面积的百分比。
F F0 F1 100%
F0
F0
式中：F1—试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2)； F0—试样的原始横截面积(mm2) ； ΔF—试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2) 。
铸铁塑性很差延伸率δ断面收缩率ψ几乎为 零，不能进行塑性变形加工。
二、刚度
刚度：金属材料受外力作用时，抵抗弹 性变形的能力称为刚度。
E：弹性模量
E
E越大，表示在一定应力作用下，能发生 的弹性变形越小，也就是刚度越大。
图 疲劳曲线和对称循环交变应力图
材料承受的交变应力越大，则断裂时应力循 环次数N越小。
疲劳强度：当应力低于一定值时，试样可以 经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料 的疲劳强度。
对于黑色金属，一般规定应力循环107周次 而不断裂的最大应力称为疲劳极限。
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
有色金属取108周次。
金属的疲劳极限受很多因素的影响。主要有 工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。
L0
L0
式中：L1—试样拉断后的标距(mm)； L0—试样的原始标距(mm)； ΔL—最大伸长(mm)。
延伸率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的 百分比。
(2)断面收缩率
断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最 大缩减量与原横断面积的百分比。
F F0 F1 100%
F0
F0
式中：F1—试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2)； F0—试样的原始横截面积(mm2) ； ΔF—试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2) 。
铸铁塑性很差延伸率δ断面收缩率ψ几乎为 零，不能进行塑性变形加工。
二、刚度
刚度：金属材料受外力作用时，抵抗弹 性变形的能力称为刚度。
E：弹性模量
E
E越大，表示在一定应力作用下，能发生 的弹性变形越小，也就是刚度越大。
工程材料及机械制造基础
智能制造技术
智能制造技术是一种融 合了信息技术、自动化 技术和制造技术的综合 制造模式，旨在提高生 产效率和降低成本。
05
工程材料与机械制造的应 用
航空航天领域的应用
航空航天领域对材料和机械制造的要求极高，需要具备轻质、高强度、耐高温等特 点。
钛合金、铝合金、复合材料等工程材料在航空航天领域广泛应用，用于制造飞机机 身、机翼、发动机等关键部件。
船舶工业领域的应用
船舶工业对材料和机械制造的要 求较高，需要具备耐腐蚀、高强
度、耐磨等特点。
高强度钢、铝合金、铜合金等工 程材料在船舶工业中广泛应用， 用于制造船体、推进器、锚链等
部件。
先进的机械制造技术如数控机床 加工、热处理等在船舶工业中也 得到广泛应用，提高了船舶的性
能和安全性。
06
工程材料与机械制造的未 来发展
绿色制造与可持续发展
资源高效利用
优化生产过程，降低能耗和原材料消耗，提高资源利 用效率。
环保生产
减少生产过程中的废弃物排放，降低对环境的负面影 响，如采用清洁能源、绿色工艺等。
循环经济
实现产品的全生命周期管理，推动废旧产品的回收和 再利用，以减少对自然资源的依赖。
THANKS
感谢观看
锻造
通过施加外力使金属坯料变形，制成所需形状和性能的工艺。
焊接
通过熔融金属或其填充材料，将分离的金属连接在一起的工艺。
03
非金属材料
高分子材料
高分子材料分类
01
高分子材料主要分为塑料、橡胶、纤维等，具有质量轻、绝缘
性好、耐腐蚀等特点。
高分子材料性能
02
高分子材料具有较高的弹性模量、良好的耐磨性、耐腐蚀性和
智能制造技术是一种融 合了信息技术、自动化 技术和制造技术的综合 制造模式，旨在提高生 产效率和降低成本。
05
工程材料与机械制造的应 用
航空航天领域的应用
航空航天领域对材料和机械制造的要求极高，需要具备轻质、高强度、耐高温等特 点。
钛合金、铝合金、复合材料等工程材料在航空航天领域广泛应用，用于制造飞机机 身、机翼、发动机等关键部件。
船舶工业领域的应用
船舶工业对材料和机械制造的要 求较高，需要具备耐腐蚀、高强
度、耐磨等特点。
高强度钢、铝合金、铜合金等工 程材料在船舶工业中广泛应用， 用于制造船体、推进器、锚链等
部件。
先进的机械制造技术如数控机床 加工、热处理等在船舶工业中也 得到广泛应用，提高了船舶的性
能和安全性。
06
工程材料与机械制造的未 来发展
绿色制造与可持续发展
资源高效利用
优化生产过程，降低能耗和原材料消耗，提高资源利 用效率。
环保生产
减少生产过程中的废弃物排放，降低对环境的负面影 响，如采用清洁能源、绿色工艺等。
循环经济
实现产品的全生命周期管理，推动废旧产品的回收和 再利用，以减少对自然资源的依赖。
THANKS
感谢观看
锻造
通过施加外力使金属坯料变形，制成所需形状和性能的工艺。
焊接
通过熔融金属或其填充材料，将分离的金属连接在一起的工艺。
03
非金属材料
高分子材料
高分子材料分类
01
高分子材料主要分为塑料、橡胶、纤维等，具有质量轻、绝缘
性好、耐腐蚀等特点。
高分子材料性能
02
高分子材料具有较高的弹性模量、良好的耐磨性、耐腐蚀性和
机械制造技术基础第二三四章机械工程材料基础PPT课件
1.固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可 分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏 体) 。
固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的 晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大， 化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和 电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起 的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金 属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。
例如： 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC
〤 〤
（4）特点：
优点：测量操作简单，压痕小。
缺点： 测量精度较低，可比性差，不同
标尺的硬度值不能比较。
用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
应用： 是生产中应用最广 泛的硬度试验方法。
3. 维氏硬度
HV ( diamond penetrator hardness )
2.2.1.1 金属材料的力学性能
力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定 外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有： 刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和 疲劳强度等。 金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实 验来测定的，标准试样如图 1-8 所示，把试样安装在拉 伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力， 试样产生变形，直至断裂。
（1）试验原理：
用一定直径 的压头（球体），以 相应试验力压入待测 表面，保持规定时间 卸载后，测量材料表 面压痕直径，以此计 算出硬度值。
（2）计算公式：
HBS（HBW） = F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2] 不写单位：kgf/mm2
固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的 晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大， 化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和 电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起 的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金 属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。
例如： 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC
〤 〤
（4）特点：
优点：测量操作简单，压痕小。
缺点： 测量精度较低，可比性差，不同
标尺的硬度值不能比较。
用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
应用： 是生产中应用最广 泛的硬度试验方法。
3. 维氏硬度
HV ( diamond penetrator hardness )
2.2.1.1 金属材料的力学性能
力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定 外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有： 刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和 疲劳强度等。 金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实 验来测定的，标准试样如图 1-8 所示，把试样安装在拉 伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力， 试样产生变形，直至断裂。
（1）试验原理：
用一定直径 的压头（球体），以 相应试验力压入待测 表面，保持规定时间 卸载后，测量材料表 面压痕直径，以此计 算出硬度值。
（2）计算公式：
HBS（HBW） = F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2] 不写单位：kgf/mm2
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
15
●弹性变形 在外力作用下，材料内部产生应力，应力迫使原子离开 原来的平衡位置，改变了原子间的距离，使金属发生变 形。并引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的倾 向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。 图3-1
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
§1.1 金属塑性变形的实质
33
§2-1 自由锻造
一、自由锻设备
空气锤 锻锤
65~750Kg
蒸汽—空气 630Kg~5T
锤水压机
压力机 油压机
锻锤吨位 = 落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆
压力机吨位 = 滑块运动到下始点时所产生的最大压力
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
§2-1 自由锻造
34
二、自由锻基本工序
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
§1-0 概述
13
（3）最小阻力定律 当外力作用于金属时，金 属有可能向各个方向变形，但最大变形将是 向着阻力最小方向。
（4）金属塑性变形时存在弹性变形 塑性变形 是金属弹性变形达到一定值后才能发生的， 金属塑性变形时仍然存在弹性变形。
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
T回=(0.25～0.3)T熔
当温度升高到该金属熔点温度的0.4倍时，金属原子获得更多 的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新的晶粒，从 而消除了全部加工硬化现象。这个过程称为再结晶，这时的温 度称为再结晶温度。
工程材料及机械制造基础培训课件-第三篇塑性成形培训
§1-2 塑性变形后金属的组织和性能
金属材料在压力加工时成形的难易程度。可锻性的优劣 是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
第一节 材料的力学性能
1是材料在拉断前
0
承受最大载荷时的应力。
F
F0.2
s0.2
bs
e
σb (Rm)=Fb/S0 （MPa）
纯金属
b
k
脆性材料
它表征了材料在拉伸条件下 所能承受的最大应力。
0.2%
l
l l0
抗拉强度 — 脆性材料选材的强度计算主要依据。
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
F F F
120
0
h
第一节 材料的力学性能
19
σb 与HB的关系
低碳钢： σb≈3.6HB 高碳钢： σb≈3.4HB 调质合金钢： σb≈3.25HB
5．冲击韧性(Ak)
H1
材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。
AK = G（H1 – H2）（J） ak = AK /S （J/m2）
F
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
第一节 材料的力学性能
11
d0 拉伸实验 l0 F
F Fb
s
F Fs
Fe e
b F S0
k
L
lk
dk
o
缩颈
l
l l0
拉伸曲线 应力—应变曲线
e — 弹性极限点 K — 断裂点
S — 屈服点
b — 极限载荷点
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
• 金属的成分 • 合适的显微组织 • 加工路线
显微组织是决定性能的主要内因（本章的 工程意义）
工程材料及机械制造基础培训课件-第一篇工程材料基础知识培训
机械制造技术基础培训课件 (PPT 120页)
◆互为基准原则 【例】主轴零件精基准选择（图5-8）
轴径
轴径 锥孔
◆自为基准原则
图5-8 主轴零件精基准选择
【例】床身导轨面磨削加工（图5-9）
图5-9 导轨磨削基准选择
5.2.3 精基准的选择
【例】铰孔、拉孔、研磨（图5-10） 【例】浮动镗刀块镗孔（图5-11）
图5-10 外圆研磨示意图
图5-11 浮动镗刀块
Process Planning
5.2 定位基准的选择
Selection of Location Datum
5.2.1 定位基准
在加工时用于工件定位的基准称为定位基准。又可进一步 分为：
粗基准
使用未经机械加工表面作为定位基准，称为粗基准。
精基准
使用经过机械加工表面作为定位基准，称为精基准。
附加基准
零件上根据机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。 如用作轴类零件定位的顶尖孔，用作壳体类零件定位的 工艺孔或工艺凸台（图5-1）等。
5.2.1 定位基准
A 工艺凸台
A向
图5-1 小刀架上的工艺凸台
5.2.2 粗基准的选择
◆保证相互位置要求原则——如果首先要求保证工件上加 工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗 基准。 ◆余量均匀分配原则——如果首先要求保证工件某重要表 面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。
砂型铸造 13级以下 自由锻造 13级以下 普通模锻 11～15 钢模铸造 10～12 精密锻造 8～11 压力铸造 8～11 熔模铸造 7～10
冲压件 8～10 粉末冶金件 7～9 工程塑料件 9～11
大 一般
大 大 一般 较小 较小 小 很小 小 很小 较小
各种材料
轴径
轴径 锥孔
◆自为基准原则
图5-8 主轴零件精基准选择
【例】床身导轨面磨削加工（图5-9）
图5-9 导轨磨削基准选择
5.2.3 精基准的选择
【例】铰孔、拉孔、研磨（图5-10） 【例】浮动镗刀块镗孔（图5-11）
图5-10 外圆研磨示意图
图5-11 浮动镗刀块
Process Planning
5.2 定位基准的选择
Selection of Location Datum
5.2.1 定位基准
在加工时用于工件定位的基准称为定位基准。又可进一步 分为：
粗基准
使用未经机械加工表面作为定位基准，称为粗基准。
精基准
使用经过机械加工表面作为定位基准，称为精基准。
附加基准
零件上根据机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。 如用作轴类零件定位的顶尖孔，用作壳体类零件定位的 工艺孔或工艺凸台（图5-1）等。
5.2.1 定位基准
A 工艺凸台
A向
图5-1 小刀架上的工艺凸台
5.2.2 粗基准的选择
◆保证相互位置要求原则——如果首先要求保证工件上加 工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗 基准。 ◆余量均匀分配原则——如果首先要求保证工件某重要表 面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。
砂型铸造 13级以下 自由锻造 13级以下 普通模锻 11～15 钢模铸造 10～12 精密锻造 8～11 压力铸造 8～11 熔模铸造 7～10
冲压件 8～10 粉末冶金件 7～9 工程塑料件 9～11
大 一般
大 大 一般 较小 较小 小 很小 小 很小 较小
各种材料
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平衡组织
枝晶偏析组织
二元相图分析
共晶相图
温度（℃）
• 当两组元在液态 下完全互溶，在 固态下有限互溶, 并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
• 以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
共晶相图
• 相图分析
• ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 A
② 电子化合物—符合电子 浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与 原子数的比值。
③ 间隙化合物—由过渡族 元素与C、N、B、H等小 原子半径的非金属元素 组成。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si Pb基轴承合金中的电子化合物
金属化合物
• a. 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间 隙化合物。如
l 液固相线不仅是相区 分界线, 也是结晶时两 相的成分变化线；匀 晶转变是变温转变。
二元相图分析
• 杠杆定律 • 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 • 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： • ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
H
共晶相图
l 由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
l 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变
化， Ⅱ的重量增加。 室温下Ⅱ的相对重量百分比为： Q Ⅱ
F4 FG
100%
• 由于二次 相析出温
度较低， 一般十分
细小。
Q
QⅡ
共晶相图
• Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B l 成分大于 D点合金结晶
• M4X (Fe4N)、 • M2X (Fe2N、 W2C)、 • MX (TiC、VC、TiN)等。 • 间隙相具有金属特征和极高
的硬度及熔点，非常稳定。 • 部分碳化物和所有氮化物属
于间隙相。
VC的结构
金属化合物
• b. 具有复杂结构的间隙化合物
• 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间 隙化合物。
合金平均成分
匀晶相图
l 从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀 晶反应。
• 随温度下降，固溶 体重量增加，液相 重量减少。
• 液相成分沿液相线 变化，固相成分沿 固相线变化。
匀晶相图
• 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时 ，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶 体的成分又变回到合金成分3上来。
• 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 • 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 • 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
l 生产上常将铸件加热到固相 线以下100-200℃长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均 匀，消除枝晶偏析，这种热 处理工艺称作扩散退火。
枝晶偏析 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
• 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
共晶相图
• 温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。
由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 • 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu
成分（wt %Ni）
Ni
Cu-Ni合金相图
二元合金状态图的建立
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。
• 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
二元相图的建立
共晶体长大示意图
共晶相图
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合金称
A
过共晶合金。
l 凡具有共晶线成分 的合金液体冷却到
L+
B
C
D
共晶温度时都将发
生共晶反应。
共晶相图
• 合金的结晶过程 • ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
• 组织 一种或多种相按一定方式 相互结合所构成的整体。
• 显微组织 是指在显微镜下观察 到的金属中各相或各晶粒的形态 、数量、大小和分布的组合。
• 固态合金中的相分为固溶体和金 属化合物两类。
两相 合金
合金的相结构
• 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构
相同的固相。习惯以、、表示。 l 与合金晶体结构相同的元素称溶
l枝晶偏析
• 合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)
枝晶偏析
• 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的 现象称作枝晶偏析。
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
共晶相图
• ② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 • 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’ 19.2
wt%Sn
共晶相图
• 析出过程中两相相间形核 、互相促进、共同长大， 因而共晶组织较细，呈片 、棒、点球等形状。
固溶体
• ④ 固溶体的性能 • 随溶质含量增加, 固溶体的
强度、硬度增加, 塑性、韧 性下降—固溶强化。 • 产生固溶强化的原因是溶 质原子使晶格发生畸变及 对位错的钉扎作用。 l 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。
合金的相结构
Qα
x x1 x2 x1
杠杆定律
• 因此两相的相对重量
百分比为：
QL
xx 2 x1x 2
ob ab
Q
x1x x1x 2
ao ab
两相的重量比为：
QL Q
xx 2 x1x
(
ob ao
)
或Q
L
x1x
Q xx2
杠杆定律
• 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆
定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温
共晶相图
共晶组织形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固)
条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
• 相图被两条线分为 三个相区，液相线 以上为液相区L ， 固相线以下为 固 溶体区，两条线之 间为两相共存的两 相区（L+ ）。
L
液相线 L +
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
匀晶相图
• 合金的结晶过程
• 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合 金为例说明。
l 当液态金属自高温冷
L
却到 t1温度时，开始 结晶出成分为1的固 溶体，其Ni含量高于
B
线分别为 Sn在 Pb
中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
• 固溶体的溶解度随 温度降低而下降。
共晶相图
• ⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。
• 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金
同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶
体，形成这两个相的机械混
合物：LE ⇄(C + D)
A
• 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] • 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 • 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 • 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的
• ⑵ 金属化合物 • 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同
的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点 、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
l 当合金中出现金属化合 物时，可提高其强度、 硬度和耐磨性，但降低 塑性。
l 金属化合物也是合金的 重要组成相。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物
① 正常价化合物—符合正 常原子价规律。如Mg2Si
剂。其它元素称溶质。
l 固溶体是合金的重要组成相，实 际合金多是单相固溶体合金或以
Cu-Ni置换固溶体
固溶体为基的合金。
l 按溶质原子所处位置分为置换固 溶体和间隙固溶体。
Fe-C间隙固溶体
固溶体
• ① 置换固溶体 • 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 • 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称
在一定温度下，由一定
B
成分的液相同时结晶出
两个成分和结构都不相
同的新固相的转变称作
共晶转变或共晶反应。。
共晶相图
• 共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共 晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织
工程材料与机械制造基础
第四章 铁碳合金
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
*
主要内容
l 合金的相结构
固溶体
金属化合物
l 二元合金状态图的建立
二元相图的建立
杠杆定律
共晶相图
共析相图