工程材料与机械制造基础-4-铁碳合金
02189《机械制造基础》课程考试大纲 B附答案
机械制造基础自学考试大纲上海大学编I．课程性质与设置目的要求(一)课程性质、特点和设置目的“机械制造基础”是《机械制造及自动化》专业专科自学考试计划中的一门专业基础课，是为培养满足《机械制造及自动化》高级人才需要而设置的。
通过该课程的学习,了解常用工程材料的性能和选用原则；掌握各种主要加工方法的实质、基本工艺理论与工艺特点；培养分析零件结构工艺性和选择加工方法的初步能力,从而为学习其他后继课程奠定基础。
（二）考试要求1．了解常用金属的一般性质、适应范围和选用原则2．初步掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点和基本原理。
并具有选择毛胚，零件加工方法的基本知识。
3．了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大致结构和范围。
4．初步掌握零件的结构工艺性和常用金属的工艺性。
5．掌握工程材料及热处理工艺。
6．了解现代制造技术的典型工艺、方法及其原理。
II．课程的基本内容与考核目标第一章工程材料一、课程内容1．金属材料简介2．晶体的结构3．金属的结晶4、二元合金和其晶体结构5．铁碳合金6．钢的热处理7．塑料8．现代结构材料9．功能材料10．纳米材料二、考核要点1．机械性能（强度、硬度、弹性、塑性、冲击韧性等）2．金属的晶体结构3．金属的结晶过程。
晶粒大小对金属性质的影响，冷却曲线和过冷度,同素异构转变。
4．合金的基本结构5．二元合金状态图的概念6．铁碳合金的基本组织7．铁碳合金状态图的基本概念(铁碳合金状态图的组元和各部分组成，钢的组织转变）8．钢的热处理原理（热处理过程中━加热及冷却时的组织转变）9．钢的热处理工艺（退火、正火、淬火、回火等热处理方法的实质及其应用）10．常用工程塑料的分类和性能11．现代结构材料的种类和性能12．功能材料的种类和分类13．纳米材料的性能及其应用三、考核要求1．识记：1）强度、硬度、弹性、塑性、冲击韧性等概念2）了解钢和铸铁的分类及性能3）晶粒、晶格、晶胞、结晶的概念4）了解结晶的过程5）铁碳合金的基本组织6）了解塑料的分类和性能7）了解结构材料的分类和性能8）了解纳米技术的性能及其应用2．领会：1）掌握晶粒大小对金属性质的影响2) 同素异构转变的性质3) 掌握钢冷却转变产物的特点、形成条件及其力学性能3．应用:1）合金的基本结构2）掌握铁碳合金状态图，能简单分析不同状态时的组织变化 3）掌握钢的热处理工艺方法及其应用场合第二章铸造成形一、课程内容1．铸件成形理论基础2．造型方法3．铸造工艺分析4．特种铸造5．常用铸造方法的比较6．铸造新工艺新技术简介二、考核要点1．铸造生产的基本概念、工艺过程和特点2．合金流动性及其对铸件质量的影响，影响流动性的因素3．影响收缩的主要因素、缩孔的形成及其预防措施4．铸造内应力、变形和裂纹的形成及其防止5．各种造型方法的特点和应用6．铸造工艺图的制定7．铸件结构与铸造工艺的关系8．常用铸铁的类别、性能和应用9．熔模铸造的工艺过程及其特点适用场合10．金属型铸造的工艺过程及其特点适用场合11．压力铸造的工艺过程及其特点适用场合12．离心铸造的工艺过程及其特点适用场合14．各种铸造方法的比较三、考核要求：1．识记1）流动性的概念。
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
《工程材料及机械制造基础》教学大纲
《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。
本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。
掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。
Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。
工程材料与机械制造基础课后习题答案
⼯程材料与机械制造基础课后习题答案《⼯程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第⼀章材料的种类与性能（P7）１、⾦属材料的使⽤性能包括哪些？⼒学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是⾦属的⼒学性能？它包括那些主要⼒学指标？⾦属材料的⼒学性能：⾦属材料在外⼒作⽤下所表现出来的与弹性和⾮弹性反应相关或涉及⼒与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、⼀根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最⼤载荷为多少？断⾯收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛⽒硬度的测试原理。
以压头压⼊⾦属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应⼒松弛？蠕变：⾦属在长时间恒温、恒应⼒作⽤下，发⽣缓慢塑性变形的现象。
应⼒松弛：承受弹性变形的零件，在⼯作过程中总变形量不变，但随时间的延长，⼯作应⼒逐渐衰减的现象。
6、⾦属腐蚀的⽅式主要有哪⼏种？⾦属防腐的⽅法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐⽅法：1）改变⾦属的化学成分；2）通过覆盖法将⾦属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第⼆章材料的组织结构（P26）1、简述⾦属三种典型结构的特点。
体⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的中⼼和每个顶⾓各有⼀个原⼦。
每个体⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：2个。
塑性较好。
⾯⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的8个顶⾓和6个⾯的中⼼各有⼀个原⼦。
每个⾯⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：4个。
塑性优于体⼼⽴⽅晶格的⾦属。
密排六⽅晶格：晶格属于六⽅棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项⾓上各有⼀个原⼦，两个端⾯的中⼼各有⼀个原⼦，晶胞内部有三个原⼦。
每个密排六⽅晶胞原⼦数为：6个，较脆2、⾦属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和⾯缺陷。
使⾦属抵抗塑性变形的能⼒提⾼，从⽽使⾦属强度、硬度提⾼，但防腐蚀能⼒下降。
3、合⾦元素在⾦属中存在的形式有哪⼏种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和⾦属化合物两种。
机械工程材料 第3章 铁碳合金相图及碳钢
第二节 铁碳合金相图
3) 过共晶白口铸铁的结晶过程
Ld’＋Fe3CⅠ
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图
工业纯铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
第二节 铁碳合金相图
第二节 铁碳合金相图
3.2.3、铁碳合金含碳量与组织、性能的变化规律
第二节 铁碳合金相图
d -Fe1394°Cg -Fe912°Ca -Fe
● 晶格类型 bcc
fcc
bcc
● 致密度 0.68
0.74 →（胀大） 0.68
● 符合形核、长大结晶规律
● 转变过程恒温、可逆
纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒 得到细化，对于钢的性能提高具有十分重要的意义，是制 定热处理工艺和合金化的理论基础。
第一节 铁碳合金的相与组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
第3章 铁碳合金相图及碳钢
重点：
1）铁碳合金相图的绘制 2）铁碳合金基本相与基本组织 3）碳素钢的牌号及应用
难点：
1）铁碳合金平衡结晶过程 2）铁碳合金相图的分析及应用
课时：
4 学时
第一节 铁碳合金的相与组织
3.1.1、纯铁的同素异构转变
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
铁碳合金相图在生产实际中的应用之我见
青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试科目：工程材料及机械制造基础**：***学号： **********班级： 2011级本科三班专业：机械制造及其自动化铁碳合金相图在生产实际中的应用之我见摘要：钢铁是现代制造工业中应该用最广泛的金属材料，是以铁碳为基本组元的复杂合金。
为了研究铁碳合金的组织、结构和成分、温度之间的关系，探讨平衡组织的形成以及变化规律，必须研究铁碳合金相图。
相对于其他的二元合金相图，铁碳合金相图是一个比较复杂的二元合金相图。
它不仅可以表示不同成分的铁碳合金在在平衡条件下的成分、温度与组织之间的关系，而且可以推断其性能与成分、温度的关系。
因此，铁碳合金相图是研究钢铁成分、组织和性能之间的理论基础，也是制定各种热价工工艺的依据。
在工业生产中，需要钢铁的性能各不一样，在其强度、硬度、塑性、韧性各方面都有可能有不同的要求，那么，怎样才能的到需要的铁碳合金呢，这就需要我们对铁碳合金相图有充分的认识和使用能力。
所以，铁碳合金相图在生产实际中有着广泛的作用。
因为铁碳合金相图是从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，所以，在生产实际中，铁碳合金相图在为工程上选材、用材，铸、锻、焊，热处理等工艺流程方面有着广泛的应用。
关键词：铁碳合金相图钢铁材料热处理1、在选材方面的应用。
由铁碳合金相图可见，铁碳合金中随着碳含量的不同，其平衡组织也各不相同，随着含碳量的升高，组织成分为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+二次渗碳体、珠光体+二次渗碳体+莱氏体、莱氏体、一次渗碳体+莱氏体。
对其铁碳合金的名称为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。
大体依次是强度硬度随之增强，韧性塑性随之减弱。
所以，我们可以根据工件的不同性能要求来更好的选择合适的材料。
例如，一些机器的底座、要求不太高的外形复杂的箱体，我们可以选用铸铁材料，其含碳量高，流动性较好，熔点低，易于铸造；对于一些桥梁、船舶、锅炉、车辆及塔吊、起重机等对塑性、韧性要求较高的工件材料我们可以选用含碳量低一些的亚共析钢，其有一定强度，但含碳量少，韧性塑性高；对于一些活塞及机器内部一些受冲击载荷要求较高强度的零件材料，多选用综合性能比较好的亚共析钢，即含碳量中等的亚共析钢，其强度和韧性都比较好；而制造各种切削刀具，各种模具，量具时，就要选用含碳量较高的共析钢、过共析钢，其含碳量较高，所以强度硬度很高，有很高的抗变形能力和耐磨性。
工程材料与机械制造基础 第四章 铁碳合金相图及碳素钢
织为单相A （γ）
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
(0.77~2.11%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图
室温下两相的相对重量百分比：
1 2
3 4
3
在2点, 共晶
(A)发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的共晶
体称低温莱氏体, 用
Le’表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。
S
§4-3 铁碳合金的结构和相图
共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。
室温下两相的 相对重量百分 比为：
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
5、共晶白口鉄的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 (A)
与共晶Fe3C的机械混合物, 呈鱼骨状。
Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
工程材料及机械制造基础习题及答案
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
工程材料及机械制造基础教材
工程材料及机械制造基础教材《工程材料与机械制造基础》是一本综合性的教材，主要分为三篇。
第一篇为工程材料，主要介绍了金属材料的主要性能、金属的晶体结构与结晶、铁碳合金、钢的热处理以及常用金属材料等内容。
其中，着重讲述了钢铁材料和热处理的内容。
第二篇为热成形工艺基础，主要介绍铸造成形、锻压成形、焊接成形等内容。
此外，还系统阐述各种热加工工艺方法、特点、规律、应用与结构工艺性等内容。
第三篇为冷成形工艺基础，主要介绍金属切削的基础知识、常用加工方法综述、典型表面加工分析等内容。
本篇综合介绍了各种机加工方法、特点、应用等内容。
第四篇：机械制造工艺与装备这一部分主要介绍了机械制造的基本工艺，包括切削工具、夹具、量具和机床等基础知识。
同时，还会涉及到现代制造技术，如数控加工、柔性制造系统、计算机辅助制造等。
第五篇：工程材料的应用与选择这一部分将从工程应用的角度，介绍如何根据实际需要选择和使用工程材料。
包括材料的选用原则、材料性能与成本的综合考虑、材料的可加工性、耐腐蚀性、耐磨性等方面的内容。
第六篇：质量控制与检测这一部分将介绍质量控制的基本原理和方法，包括统计过程控制、抽样检验等。
同时，还将介绍常用的检测技术和方法，如无损检测、硬度测试、金相分析等。
附录：实验指导与习题这一部分将提供一系列的实验指导和习题，帮助学生巩固和应用所学知识。
实验指导部分将详细介绍实验的步骤、方法和注意事项；习题部分则将涵盖教材中的各个知识点，供学生练习和巩固。
《工程材料与机械制造基础》可以满足教学计划60~90课时的教学需要，可作为高等学校机电类应用型本科教学用书，也可作为高职高专、夜大等学生的教材，并可供工程技术人员参考。
总的来说，《工程材料与机械制造基础》是一本综合性的教材，旨在为学生提供全面的工程材料和机械制造基础知识。
通过学习和实践，学生可以掌握基本的工程材料和机械制造技术，为未来的学习和工作打下坚实的基础。
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Cu-Ni无限固溶体
近，晶格类型相同的置换固溶体，
才有可能形成无限固溶体。
化 合 物
• 间隙固溶体都是有限固溶体。
Cu-Zn有限固溶体
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。
.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。
H
共晶相图
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 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。 F4 100 % 室温下Ⅱ的相对重量百分比为： Q Ⅱ FG
等，而溶剂元素一般
是过渡族元素。
形成间隙固溶体的一
般规律为r质/r剂<0.59。 间隙固溶体都是无序 固溶体。
固溶体
• ③ 固溶体的溶解度 • 溶质原子在固溶体中的极限浓度。
• 溶解度有一定限度的固溶体称有限
固溶体。
• 组成元素无限互溶的固溶体称无限
固溶体。 • 组成元素原子半径、电化学特性相
单相 合金
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。 与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。 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 固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固 溶体和间隙固溶体。
二元相图分析
二元相图的基本类型与分析
匀晶相图
两组元在液态和固
态下均无限互溶时
所构成的相图称二 元匀晶相图。
以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
匀晶相图
• 相图由两条线构成 ，上面是液相线， 下面是固相线。 • 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+ ）。
A B
共晶相图
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。
A
B
• ④ 固溶线: 溶解度 点的连线称固溶线 。相图中的CF、DG 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 在一定温度下，由一定 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。。
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。 • 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。
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。
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 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
Q
x 1x ao x 1x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx 2 ob ( ) 或Q L x1x Q xx 2 Q x1x ao
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 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端 点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 • 杠杆定律只适用于两相区。 • 例（如图）
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 过共晶合金。
A
凡具有共晶线成分 的合金液体冷却到 共晶温度时都将发
L+
C D
B
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 • 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。
工程材料与机械制造基础
第四章 铁碳合金
贾 非
海洋科学与技术学院
Dalian University of Technology
17:07
主 要 内 容
合金的相结构 固溶体 金属化合物 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 铁碳合金的结构和相图 铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图 典型成分合金平衡结晶过程分析 铁碳合金的应用
晶转变是ห้องสมุดไป่ตู้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
分垂线。在成分垂线相当 于温度t 的o点作水平线， 其与液固相线交点a、b所 对应的成分x1、x2即分别 为液相和固相的成分。
• 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
B
成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
温度（℃） 成分（wt %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。
三元相图
Fe-C二元相图
二元相图的建立
• 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 数字和字母。 • 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点 的连线叫固相线。
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。
当液态金属自高温冷 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 合金平均成分
L
匀晶相图
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。
17:07
铁碳合金
合金的相结构
• 合金是指由两种或两种
以上元素组成的具有金
属特性的物质。
• 组成合金的元素可以是
黄铜
全部是金属，也可是金
属与非金属。 • 组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。
Al-Cu两相合金
合金的相结构
• 相 是指金属或合金中凡成分相 同、结构相同，并与其它部分有 界面分开的均匀组成部分。 • 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。
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
• 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。 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。 金属化合物也是合金的 重要组成相。
枝晶偏析 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
二元相图分析
共晶相图
• 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）
Pb-Sn合金相图
Sn
共晶相图
• 相图分析 • ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。 • ② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三 个两相区： L+、L+、 + ；一个三相区：即 水平线CED。
t
1 2
杠杆定律
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。 QL x1 + Q x2 =x
解方程组得
• 则 QL + Q =1
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
杠杆定律
• 因此两相的相对重量 百分比为： xx 2 ob QL x 1x 2 ab