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1 、 材料的结构与性能

1 、 材料的结构与性能. 1.1 金属材料的性能 1.2 高分子材料的结构与性能 1.3 陶瓷材料的结构与性能. 1.1 金属材料的性能. 1.1.1 工艺性能 1.1.2 机械性能 1.1.3 理化性能. 1.1.1 工艺性能. 铸造性能： 流动性、收缩性、偏析. 锻造性能： 塑性、变形抗力. 焊接性能： 焊接性、碳当量. 切削性能： 表面粗糙度、刀具寿命. 热处理性能： 淬透性. 1.1.2 机械性能. 强度、塑性、硬度、疲劳强度、断裂韧性. 1.1.3 理化性能. ● 物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性 。.

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1 、 材料的结构与性能

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Presentation Transcript

  1. 1、 材料的结构与性能 1.1金属材料的性能 1.2高分子材料的结构与性能 1.3陶瓷材料的结构与性能

  2. 1.1金属材料的性能 1.1.1工艺性能 1.1.2机械性能 1.1.3理化性能

  3. 1.1.1 工艺性能 铸造性能：流动性、收缩性、偏析 锻造性能：塑性、变形抗力 焊接性能：焊接性、碳当量 切削性能：表面粗糙度、刀具寿命 热处理性能：淬透性

  4. 1.1.2 机械性能 强度、塑性、硬度、疲劳强度、断裂韧性

  5. 1.1.3 理化性能 ● 物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。 ● 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性。

  6. 2、 金属材料的 组织与性能控制 2.1纯金属的结晶 2.2合金的结晶 2.3金属的塑性加工 2.4钢的热处理 2.5钢的合金化 2.6 表面技术

  7. 2.1 纯金属的结晶 1.纯金属的结晶条件 2.纯金属的结晶过程 3.同素异构转变 4.细化铸态金属晶粒的措施

  8. 1.　纯金属的结晶条件 晶体 液体 结晶：液体 --> 晶体 凝固：液体 --> 固体（晶体 或 非晶体） 结晶

  9. 冷却曲线 纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能） T t 过冷度 T= T0 - Tn T0 理论结晶温度 }T Tn 开始结晶温度

  10. 冷却速度越大，则过冷度越大。

  11. 2.　纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程 完全结晶 形核 晶核长大 液态金属

  12. （1）形核过程 两种形核方式 ——自发形核 与 非自发形核 自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。 非自发形核 ——是依附于外来杂质上生成的晶核。

  13. （2）晶核长大过程 两种长大方式 ——平面生长 与 树枝状生长。 树枝状 生长 平面生长

  14. 3．同素异构转变 -Fe，bcc -Fe，fcc 金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。 纯铁的同素异构转变 1394 C 912 C -Fe，bcc  -Fe，fcc  -Fe，bcc 912 C

  15. 纯铁的冷却曲线 T 1538 }-Fe，bcc 1394 }-Fe，fcc 912 }-Fe，bcc 770 铁磁性 t Cooling curve

  16. 4.　细化铸态金属晶粒的措施 晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。 细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象 比较： 细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓

  17. 细化晶粒的措施 1.　提高过冷度 2.　变质处理 3.　振动结晶

  18. （1）提高过冷度 G，N N G T 形核率N、长大速度G 与 过冷度T 的关系

  19. （2）变质处理 在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。 （3）振动结晶 ——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。

  20. 2.2 合金的结晶 2.2.1.　二元合金的结晶 2.2.2　合金的性能与相图的关系 2.2.3　铁碳合金的结晶

  21. 2.2.1　二元合金的结晶 1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图

  22. 1．匀晶相图 T,C 1500 L 1455 1400 1300 1200 L+  1100 1000 1083  Ni Cu 100 20 40 60 80 Ni% 相图（平衡图、状态图） 平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。

  23. 铜-镍合金匀晶相图 T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Ni Cu 100 20 40 60 80 Ni% 液相线 液相区 L 纯镍熔点 1455 L+  1083 纯铜熔点  固相线 固相区 液固两相区

  24. 匀晶合金的结晶过程 T,C 1500 L 1455 1400 1300 1200 L+  1100 1000 1083  Ni Cu 100 20 40 60 80 Ni% L T,C  L a c 匀晶转变L L d b  匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。  t 冷却曲线

  25. 杠杆定律 杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1 T,C 1500 L 1455 1400 1300 1200 L+  1100 1000 1083  Ni Cu 100 20 40 60 80 Ni% 1. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。 2. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。 杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为 QL/QH=b1c1/a1c1 Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH c 1 a1 c1 b1 T1 T2 2 a b

  26. 例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量 T,C 1500 L 1455 1400 1300 1200 L+  1100 1000 1083  Ni Cu 100 20 40 60 80 Ni% 解：作成分线和温度线如图。 c 根据杠杆定律推论，Q /QH= a1b1 /a1c1 =12/48=1/4 a1 c1 1280 C b1 a 答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。 18 66 30

  27. 2．共晶相图 液相线 铅-锡合金共晶相图 固相线 T,C L L +  固溶线 L +    固溶线  +  Pb Sn Sn%

  28. 共晶转变分析 共晶反应线 表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。 T,C L L +  L +    c d e 共晶点 表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。  +  Pb Sn Ld c + e

  29. T,C L L +  L +   183  e c d  +  Sn Pb 共晶反应要点 • 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。

  30. T,C L L +  L +   183  e c d  +  Sn Pb X1合金结晶过程分析 L  T,C L 1 L+  L 2  e  c 3   + Ⅱ { g f 4 Ⅱ t 冷却曲线 X1

  31. X1合金结晶特点 L 1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。  T,C L L+  L 2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + Ⅱ   组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。  + Ⅱ Ⅱ  t 冷却曲线

  32. T,C L L +  L +   183  e c d  +  (+ ) Sn Pb L X2合金结晶过程分析（共晶合金） (+ ) T,C L L L(+ ) 共晶体 (+ ) t 冷却曲线 X2

  33. T,C L+(+ )+ L L +  L +   183  e c d  +  Sn Pb X3合金结晶过程分析（亚共晶合金） T,C L 1 L+  (+ )+  2 (+ )+  + Ⅱ t X3

  34. 标注了组织组成物的相图

  35. 3．包晶相图 包晶转变： Ld + c  e 铂-银合金包晶相图 T,C T,C L L L +  L +  L +   d  c L +  e  +   +  Ⅱ f g Ag Pt t Ag%

  36. 4. 共析相图 共析转变：   ( + ) 共析体 L L +  T,C  +  +    d e c  +  A B

  37. 2.2.2 相图与性能的关系 • 合金的使用性能与相图的关系 • ● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。

  38. 2. 合金的工艺性能与相图的关系 ● 铸造性能 　　液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。 ● 锻造、轧制性能 　　单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。

  39. 2.2.3　铁碳合金的结晶 1．铁碳相图 2．结晶过程 3．成分-组织-性能关系 4．Fe-Fe3C相图的应用

  40. 1．铁碳相图 (Fe-Fe3C相图) (1) Fe-Fe3C相图的组元 ● Fe —— α–Fe、δ-Fe (bcc) 和γ-Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。 ● Fe3C ——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 (2) Fe-Fe3C相图的相 ● 液相 L ● δ相 （高温铁素体 ）—— δ–Fe（C）固溶体 ● γ相（A ，奥氏体）—— γ-Fe（C）固溶体 ● α相 （F，铁素体） —— α-Fe（C）固溶体 ● Fe3C （ Cem， Cm，渗碳体）——复杂晶体结构

  41. (3) 相图中重要的点和线 液相线ABCD 固相线AHJECF 包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点C L4.3(A2.11+Fe3C) 高温莱氏体,Le或Ld 共析线 PSK，共析点S A0.77(F0.02+Fe3C) 珠光体, P ES线：C在A中的固溶线 PQ线：C在F中的固溶线

  42. 2．铁碳合金的平衡结晶过程 Fe-C 合金分类 工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 %共析钢　 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 % 白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁　 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 几种常见碳钢

  43. (1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程 室温组织F+Fe3CⅢ(微量)500×

  44. (2)共析钢( C % = 0.77 % )结晶过程 P中各相的相对量： Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )　　≈ 0.77 / 6.69 = 12 % F % ≈ 1 –12 % = 88 % 珠光体 强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。 室温组织:层片状P (F+共析Fe3C) 500×

  45. (3)亚共析钢( C % = 0.4 % )结晶过程 各组织组成物的相对量： P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218)　　≈ 51 %F % ≈ 1 –51 % = 49 % 各相的相对量： Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %F % ≈ 1 – 6 % = 94 % 室温组织:F+P，500×

  46. (4)过共析钢( C % = 1.2 % )结晶过程 各组织组成物的相对量： Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77)　　≈ 7 %P % ≈ 1 –7 % = 93 % 各相的相对量： Fe3CII % ≈ 1.2/ 6.69 = 18 %F % ≈ 1 – 18 % = 82 % 室温组织:P+Fe3CII 400×

  47. (5)共晶白口铁( C % = 4.3 % )结晶过程 室温组织: （低温）莱氏体 Le′（P+Fe3CII +共晶Fe3C）, 500× 莱氏体 Le′的性能：硬而脆

  48. (６)亚共晶白口铁( C % = 3 % )结晶过程 室温组织: Le′+P+Fe3CII 200×

  49. (６)过共晶白口铁( C % = 3 % )结晶过程 室温组织: Le′+Fe3CI 500×

  50. 标注了组织组成物的相图

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