工程材料第四章
第四章 工程材料 复习题
第四章工程材料复习题一、填空题1、金属的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有强度、硬度、塑性。
衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有疲劳强度和冲击韧性。
2、钢以铁、碳为主要元素，其中碳的质量分数为小于2.11%，铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。
3、钢按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
4、普通质量的结构钢主要用于工程结构和机械零件方面。
5、金属分为黑色金属和有色金属。
6、碳钢的编号为：碳素结构钢采用拼音字母Q和数字表示其屈服强度；优质碳素结构钢用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，如45钢；碳素工具钢用字母T表示；铸造碳钢用ZG代表铸钢二字汉语拼音首位字母。
7、合金钢的编号为：低低合金高强度结构钢由代表屈服点的汉语拼音字母Q；合金结构钢如40Cr表示平均碳的质量分数ωc= 0.40%，平均铬的质量质量分数ωCr<1.5%；滚动轴承在牌号前加G。
8、合金钢是为了改善钢的性能，在钢中加入其他合金元素。
9、合金钢分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
10、铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
11、灰铸铁的断口呈浅白色，其牌号用符号HT和数字表。
12、球墨铸铁的牌号用符号QT和数字表示。
13、机械零件需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢。
14、碳的质量分数在0.30%～0.55%之间的属于中碳钢。
15、钢的普通热处理（也叫整体热处理）有退火、正火、淬火和回火，钢的表面热处理有表面淬火热处理和化学热处理。
16、降低钢的硬度，改善切削加工性能常用的热处理有退火和正火，若是高碳钢或是高合金钢要采用退火处理。
17、钢淬火常用的冷却介质有水和油，淬火处理的目的是提高工件的强度、强度和耐磨性。
淬火后钢的硬度主要取决于钢的含碳量高低。
18、淬火和高温回火结合的处理称为调质，处理后钢的性能特点是有良好的综合性能，适合轴和齿轮类零件的热处理。
工程材料习题集参考答案(第四章)
习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。
2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。
组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。
两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。
3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。
而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。
当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。
共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。
4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。
5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。
不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。
6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。
影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。
7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。
工程材料力学第四章轴向拉压杆的变形
拉(压)杆的纵向变形 （轴向变形） 基本情况下(等直杆，两端受轴向力)：
纵向总变形Δl = l1-l （反映绝对变形量）
l 纵向线应变 （反映变形程度） l
1
fl
f ( x x)
x
f
l
x
x
沿杆长均匀分布 的荷载集度为 f 轴力图
fx
微段的分离体
y
pbd 2b 0
pd 2
13
所以
pd (2 10 Pa)(0.2m) -3 2 2(510 m)
6
4010 Pa 40 MPa
6
14
2.
如果在计算变形时忽略内压力的影响，则可认为
薄壁圆环沿圆环切向的线应变e(周向应变)与径向截面上
的正应力s 的关系符合单轴应力状态下的胡克定律，即
ν
亦即
- n
低碳钢(Q235)：n = 0.24~0.28。
7
思考：等直杆受力如图，已知杆的横截面面积A和材料的 弹性模量E。
1.列出各段杆的纵向总变形ΔlAB，ΔlBC，ΔlCD以及整个 杆纵向变形的表达式。
2.横截面B, C及端面D的纵向位移与各段杆的纵向总变
形是什么关系？
uB L1
22
作业：4-7,4-91 Pa ~ 2.101011 Pa 200GPa ~ 210GPa
l 1 FN 胡克定律的另一表达形式： l E A
E
←单轴应力状态下的胡克定律
6
横向变形因数(泊松比)(Poisson’s ratio)
单轴应力状态下，当应力不超过材料的比例极限时，
清华大学工程材料第五版第四章
二、按使用范围分类
1. 通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料 2. 工程塑料 和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之 综合工程性能(机械性能、耐热耐寒性能、 三以上。 耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。
如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和 ABS等。 3. 耐热塑料 能在较高温度（100 ℃～200 ℃）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树 脂、环氧树脂等。
七、氨纶 化学名称为聚氨酯纤维，商品名称为氨纶。 由聚酯、芳香族二异氰酸酯聚合，用脂肪族二 胺交联而成。 1、特点 ●高弹性。伸长600%～750%时，回弹率达 95％以上。 2、应用 用作运动衣、游泳衣。与涤纶混纺后，制 作夏季衣服。
4.3
合成橡胶
橡胶 具有极高弹性的高分子材料。
●性能特点 弹性变形量可达100％～1000％，而且回 弹性好，回弹速度快。 橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和 不透气、不透水性。
聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、
尼龙轴套
尼龙拉杆
7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯誉称"透明金属"， ●具有优良的综合性能。冲击韧性和延 性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模 量较高，不受温度的影响； ●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； ●透明度高，可染成各种颜色； ●吸水性小； ●绝缘性能优良，在10 ℃～130 ℃间介 电常数和介质损耗近于不变。
有机玻璃顶棚
二、热固性塑料 1. 酚醛塑料(PE) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂,再加入 添加剂而制得。一般为热固性塑料。 ●具有一定的机械强度和硬度, 耐磨性好； ●绝缘性良好, 耐热性较高，耐蚀性优良。 ●缺点是性脆，不耐碱。
酚醛塑料的应用：
第四章工程材料课后习题
解：我们设薄壁圆管的平均半径和壁厚分别为 R0 和 δ 。微剪力τ dA 对截面圆心（矩心）
的微力矩为 R0τdA ，由构成关系知，该截面的扭矩为
∫ T = A R0τdA
(a)
由于中心对称，τ 沿圆周方向大小不变；又由于管壁很薄，τ 沿壁厚方向也可近似地认为是均
匀分布的。这样一来，式(a)可以写成
4-24 .....................................................................................................................................................16
d = 2R0 − δ，D = 2R0 + δ
横截面的极惯性矩为
Ip
=
π 32
(D4
−
d4)
=
π 32 [(2R0
+
δ)4
−
(2R0
−
δ)4 ]
=
πR0δ 2
(4R02
+
δ2)
由此可得
τ max
=
T Ip
( R0
+
δ) 2
=
T πR0δ (4R02
+δ
2 ) (2R0
+δ
)
=
T (2β + 1) πβδ 3(4β 2 + 1)
第四章 扭 转
题号
页码
4-4 .........................................................................................................................................................1
工程材料第四章作业参考答案
1 、什么是滑移与孪生？一般条件下进行塑性变形时，为什么在锌、镁中易出现孪晶? 而在纯铜中易产生滑移带?答：滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。
体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。
面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
铜是面心立方，锌、镁是密排六方，故在锌、镁中易出现孪晶，而在纯铜中易产生滑移带。
2 、根据纯金属及合金塑性变形的特点，可以有几种强化金属性能的方式？答：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。
单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。
但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。
随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。
加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
3 、用手来回弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，最后铁丝被弯断。
试解释过程演变的原因？答：用手来回弯折一根铁丝时，铁丝会发生冷塑性变形。
随着弯折的持续，铁丝的冷塑性变形量会增加，从而发生加工硬化，此时，铁丝的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，故逐渐感到有些费劲。
进一步弯折时，铁丝会因为超过疲劳强度而被弯断。
4 、什么是变形金属的回复、再结晶？再结晶晶粒度受哪些因素的影响?答：回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。
当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整均匀的等轴晶粒。
工程材料第四章习题答案
工程材料作业（4）答案1.解释下列现象:(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。
第四章 工程材料 复习资料(学生)
第四章工程材料复习资料一、金属的力学性能1、金属的力学性能是指金属材料在下所表现出来的性能。
它主要包括、、、和。
2、在外力的作用下，材料抵抗和的能力，称为强度。
当承受拉力时，强度特性指标主要是和。
3、在外力的作用下，材料不能恢复的变形称为，产生永久变形而为断裂的能力称为。
4、是指固体材料对外界物体机械作用（压陷、刻划）的局部抵抗能力。
硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。
常用的硬度指标有（HBW）、（HBC）和（HV）等。
硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而较差。
5、金属材料抵抗冲击载荷的能力称为。
用A k表示，单位为J。
A k值越大，则材料的韧性就越。
A k值低的材料叫做材料，A k值高的材料叫。
工作时要承受很大的冲击载荷时应选用A k值高的材料制造，如齿轮、连杆。
铸铁的A k值很低，A k值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。
6、疲劳强度是指金属材料在无限多次作用下而不破坏的最大应力，或称为。
二、黑色金属材料1、金属材料分为和两大类，常用的黑色金属主要有和两种；常用的有色金属有和两种。
2、钢中的有害元素是，硫产生，磷产生；有益元素是，能提高钢的。
3、钢的分类按化学成分分类碳素钢合金钢按钢的品质分类如碳素结构钢、低合金结构钢按钢的用途分类主要用于制造各种机械零件和工程结构构件优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢和合金工具钢、弹簧钢、轴承钢主要用于制造工具、模具、量具及刃具合金结构钢和工具钢，钢号后面加“A”具有特殊物理和化学性能三、钢的编号分类别编号方法举例类碳钢碳素结构钢Q235AF优质碳素结构钢45、60Mn 碳素工具钢T8A一般工程用铸造碳钢ZG200—400合金钢低合金高强度结构钢Q390A合金结构钢40Cr、30CrMoA、60Si2Mn滚动轴承钢GCr15合金工具钢Cr12MoA、9SiCr不锈钢与耐热钢10Cr7Mn9Ni4N、022Cr17Ni7N四、性能及应用1、碳质量分数而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
工程材料力学基础第四章
金属的断裂韧度
断裂力学的定义：在承认物件存在宏 观裂纹的前提下，利用弹塑性力学理论， 研究裂纹尖端的应力、应变及应变能的 分布情况，建立了裂纹扩展的各种新的 力学参量、断裂判据及材料断裂韧度。 断裂韧度—材料阻止裂纹扩展的韧 性指标。
第一节 线弹性条件下的金属断裂韧度
线弹性断裂力学分析方法： 应力应变分析方法――K判据 能量分析方法――G判据 一、裂纹扩展的基本型式 1、张开型（I型）裂纹扩展 2、滑开型（II型）裂纹扩展 3、撕开型（III型）裂纹扩展 实际裂纹的扩展往往是上述三种型式的组合，上 述中，I型裂纹最危险
3
裂纹尖端塑性区及修正
在单向拉伸情况下，当外加应力≥σs时，材料就会屈服，但对于含裂 纹构件，由于裂纹前端出现三向应力，此时的屈服条件就必须采用最大 剪应力判据（屈雷斯加判据）或形状改变比能判据（米赛斯判据），通 常采用较多的是米赛斯判据，其表达式为：
(σ1 −σ2 )2 + (σ2 −σ3)2 + (σ3 −σ1)2 = 2σs2
1
F
1
δ
格里菲斯裂纹体的G 格里菲斯裂纹体的GI
在格里菲斯裂纹体中（模型：无限宽板，存在长为2a的 中心穿透裂纹，B=1，拉应力）：
GI =
πaσ
2
E (1 − ν 2 )π a σ GI = E
平面应力
2
平面应变
可见，GI和KI相似，也是应力σ和裂纹尺寸a的复合参量， 只是它们的表示方式和单位不同而已。
KIC和GIC的关系
对于具有长为2a中心穿透裂纹的无限大板：
K
I
= σ
πa
1 −ν 2 G I = σ 2π a E 由此可得平面应变条件 1 −ν 2 G I = K I E 1 −ν 2 G IC = K E 平面应力条件下 G G
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
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主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
相和组织的比较
假设：红色、蓝色分 别表示不同的两个相
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
4.1 合金的相结构
固态合金的相，分成两大类：
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体
结构相同
金属化合物：相的晶体结构与组成元素的晶
体结构均不相同
主讲教师 马艳萍
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
固溶体的晶体结构特点
保持溶剂金属的晶体结构类型；
成分可以在或大或小的范围内变化；
由于溶质原子的加入，使晶格点阵发生畸变，
周围原子离开平衡位置，不可避免地引起溶 剂晶格常数发生变化。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
固溶体的性能
固溶强化：通过形成固溶体使 金属强度和硬度提高的现象 固溶强化原因：溶质原子的溶 入→晶格畸变及钉扎位错→增 大位错运动的阻力，提高变形 抗力，从而提高合金的强度和 硬度。
合金的结构与二元合金
机械工程材料
组织的定义
组织：在显微镜下所观察到的，具有一定大
小、形状和分布的金属内部的微观形貌。 在金属或合金中，由于形成的条件不同，各 种相将以不同的数量、形状、大小相互结合， 因此，在显微镜下，可以看到金属或合金具 有各种不同的组织。
合金的组织状态：合金在一定条件下，由哪 几个组织组成，以及它们的相对量。
合金的结构与二元合金
机械工程材料
第4章
二元合金
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
内容简介
本章介绍合金相结构和组织的基本概念、 二元合金相图的建立过程和分析相图的基本 方法，以及二元相图与合金性能之间带规律 性的一些关系。 重点掌握合金相结构，并学会分析二元 合金相图。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
热分析法建立Cu-Ni合金相图
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
2. 二元匀晶相图
两组元在液态、固态均能无限互溶的二元合 金系所形成的相图。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、 Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程 特点：匀晶相图中任意成分合金在冷却过程 中发生单相固溶体的凝固过程。
Fe-C二元相图
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
1.二元合金相图的建立
在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。 因此二元合金相图是一个以温度为纵坐标，合金成份 为横坐标的平面图形。 几乎所有的合 金相图都是通过 实验方法得到的。 建立相图最常用 的实验方法是热 分析法。
主讲教师 马艳萍
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
间隙化合物晶体结构示意图
间隙相（VC）的结构
间隙化合物Fe3C的晶格结构
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
间隙相
形成条件：非金属原子半径与金属原子半
径之比小于0.59，具有简单晶格结构。
特点：具有金属特性，极高的熔点和硬度,
非常稳定。
树 枝 状 共 晶 螺 旋 状 共 晶
放 射 状 共 晶
合金的结构与二元合金
机械工程材料
电子化合物及其结构类型举例
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
间隙化合物
定义：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼 等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。
性能特点：很高的熔点和极高的硬度，十分 稳定。 结构特点：尺寸较大的过渡族元素原子占据 晶格的结点位置，非金属小原子则有规则地嵌 入晶格的间隙之中。根据结构特点，又分为间 隙相和复杂结构的间隙化合物两种。
机械工程材料
二元共晶反应
共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出 两种固相的反应。
LE→αM＋βN
共晶点、共晶线、共晶反应温度
共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
⑵ 平衡结晶过程
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
（Sn＝10%）的合金结晶过程
合金在一定温度范围内 结晶； 结晶过程中，先结晶出 的固相和剩余液相的成
分都与原来合金的成分
不同，它们分别沿着固
相线和液相线变化。
结论：两相区中，相互处于平衡状态的源自个相的成分， 分别沿着两相区的两个边界线改变
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
杠杆定律的力学比喻
Q bc Q ab L% ； ＝α ％＝ Q ac Q ac
固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含 量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性 和韧性没有明显降低。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
2.金属间化合物
金属间化合物：合金组元相互作用形成的晶
格类型和特性完全不同于任一组元的新相, 又称
中间相。一般可用分子式大致表示其组成。
特点：具有复杂的晶格、熔点较高、硬而脆。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
⑴ 相图分析
液相线：AEB 固相线：AMENB 共晶线：MEN MF是Sn在α 相中的溶解度线， NG是Pb在β 中的溶解度线。 三个单相区：α、β、L； 三个双相区：L+α、L+β、α+β； 一个三相区： L+α+β。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性
提高, 而塑性和韧性降低。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
金属间化合物的分类
根据金属化合物的形成规律及结构特点，
可将其分为三大类型：
⑴ 正常价化合物
⑵ 电子化合物
⑶ 间隙化合物：间隙相、间隙化合物
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
结晶过程中的反应：匀晶反应＋二次相析出 室温下的组织 α+βⅡ 室温下的相 α+β
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
共晶合金的结晶过程
结晶过程中发生共晶反应 室温下的相为： α+β 室温下的组织为： 共晶体 （α+β）
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
机械工程材料
共晶组织形态
针 状 共 晶
合金的结构与二元合金
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1.固溶体
溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂 晶格类型而形成的相。 它总是以一种元素(与合金晶体结构相同) 作为溶剂，另一种或多种元素作为溶质的。 固溶体用α、β、γ……来表示。
主讲教师 马艳萍
合金的结构与二元合金
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固溶体的分类
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：
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固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比
溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
尺寸、晶格类型、电化学性质以及电子浓度
等。
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合金的结构与二元合金
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间隙固溶体与置换固溶体的比较
晶格畸变
有限固溶与无限固溶
固溶强化 形成条件不同
合金的结构与二元合金
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电子化合物
定义：不遵守化合价规律但符合一定电子浓 度（化合物中价电子数与原子数之比）的化 合物。 形成：由ⅠB族或过渡族元素与ⅡB族、ⅢA族、 ⅣA族、ⅤA族元素所组成。 性能特点：主要以金属键结合, 具有明显的 金属特性, 可以导电。熔点和硬度较高，塑 性较差。
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置换固溶体的特点
溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形 成的固溶体。 形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径 差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称 之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
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合金的结构与二元合金
合金的结构与二元合金
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4.0 合金的基本概念
合金：一种金属元素同另一种或几种元素, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具 有金属特性的物质。 组元：组成合金的独立的、最基本的单元。 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物 合金系：由给定组元配制成一系列成分不同 的合金组成的一个系统。
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合金的结构与二元合金
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相的定义
相同的晶体结构并以界面相互分开的均匀组成 部分。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相：在金属或合金中，凡具有相同的化学成分、
固态合金中两类基本相：固溶体和金属化合物 合金的相状态：合金在一定条件下的相组成情 况，包括相的种类和相对量。
主讲教师 马艳萍
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合金的结构与二元合金
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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
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3. 二元共晶相图
二元共晶相图：两组元在液态无限互溶，固
态有限互溶或完全不互溶，且冷却过程中发生 共晶反应的二元合金系所形成的相图。如Pb-Sn 、Cu-Ag、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。 共晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分 不同的固相（共晶体）的过程。
二元合金系，杠杆定律只适用于相图中的两相区, 且 只能在平衡状态下使用。图例