目錄

第二章工程材料(1)2.5.1固溶體2.5.2固溶體的性能2.6鐵碳合金2.6.1鐵碳合金基本組織2.6.2鐵碳合金相圖2.6.3鐵碳合金室溫組織性能隨成分的變化規律2.1概述2.2金屬材料簡介2.2.1金屬材料的種類2.2.2金屬材料的性能2.3晶體的結構2.3.1晶體與非晶體2.3.2實際金屬的晶體結構2.4金屬的結晶2.4.1金屬結晶過程2.4.2鑄態晶粒的大小2.4.3金屬的同素異構

2.5二元合金的晶體結構

第二章工程材料

材料是現代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一，是發展國民經濟特別是機械工業的重要物質基礎；是生產活動的基本投入。材料的利用標志著人類生活的進展，歷史上有“石器時代”、“青銅器時代”和“鐵器時代”。當前，材料總數有50萬余種之多，而且新材料每年以5%左右的速度遞增。材料的質量、品種和數量已成為衡量一個國家科技、經濟水平和國防力量的重要標志之一。12.1概述動畫1轎車車身部分的材料2

以汽車工業為例：一輛轎車，需用800多種材料，動畫1是轎車車身部分所采用的材料。2.2金屬材料簡介

2.2.1金屬材料的種類

傳統金屬材料是能源、通信、交通運輸、建筑、家用電器等行業中最基本的構成物質。金屬材料是工程材料中廣泛應用的大類。金屬材料可分為黑色金屬和有色金屬兩類。除了黑色金屬以外的其他金屬材料統稱為有色金屬，如銅、鋁及其合金、軸承合金、硬質合金等。常用的黑色金屬材料分為碳鋼和鑄鐵兩大類。31.碳鋼

碳鋼按質量分可分為普通質量鋼、優質鋼、高級優質鋼、特級優質鋼等。按化學成分分可分為：

(1)低碳鋼(wC≤0.25%)。

(2)中碳鋼(wC＝0.25%～0.6%)。

(3)高碳鋼(wC＞0.6%)。

(4)合金鋼(低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼)等。按用途分可分為結構鋼(工程結構鋼、機器零件用鋼等)、工具鋼(制造刃具、模具、量具等)、特殊性能鋼(如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等)。42.鑄鐵

鑄鐵可分為一般工程應用鑄鐵和特殊性能鑄鐵。在一般工程應用鑄鐵中，碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的不同，這類鑄鐵又可分為灰口鑄鐵(碳以粗片狀石墨形式出現)、可鍛鑄鐵(碳以團絮狀石墨形式出現)、球墨鑄鐵(碳以球狀石墨形式出現)和蠕墨鑄鐵(碳以蠕蟲狀石墨形式出現)。特殊性能鑄鐵既有含石墨的和不含石墨的(白口鑄鐵鐵碳合金中的碳以Fe3C形式出現)。這類鑄鐵的合金元素含量較高(wMe>3%)，可應用于高溫、有腐蝕或磨料磨損的工況條件。(如耐磨鑄鐵代號KmTB、冷硬鑄鐵代號LT、耐熱鑄鐵代號RT、耐蝕鑄鐵代號ST等。)5

表1

常用的黑色金屬材料（教材P3表1-1）

6名稱分類/標準號編號方法用途舉例說明碳鋼碳素結構鋼GB/T700-1988Q235-AF屈服點為235MPa、質量為A級的沸騰鋼

一般以型材供應的工程結構件，制造不太重要的機械零件及焊接件優質碳素結構鋼GB/T699-199945表示平均wC=0.45%的優質碳素結構鋼

用于制造曲軸、傳動軸、齒輪、連桿等重要零件碳素工具鋼GB/T1298-1986T8T8A表示平均wC=0.8%的碳素工具鋼，A表示高級優質

制造需較高硬度、耐磨性、又能承受一定沖擊的工具，如手錘、沖頭等一般工程鑄造碳鋼GB/T5613-1995ZG200-400表示屈服強度為200MPa、抗拉強度為400MPa的碳素鑄鋼

適用于鑄造成形的鋼質零件，（ZG200-400為低碳鑄鋼，ZG310-570為中碳鑄鋼，ZG340-640為高碳鑄鋼）續表7名稱分類/標準號編號方法用途舉例說明合金鋼合金結構鋼GB/T699-199940Cr表示平均wC為萬分之40，主加元素為Cr40Cr為調質鋼，用于承受彎曲、扭轉、拉壓、沖擊等復雜應力的重要件，如傳動軸、曲軸等高合金刃具鋼GB/T9943-1988

W18Cr4VwC=0.70%～1.65%，wW=17.5%～18.5%，wCr=3.8%～4.4%，wV=1.00%～1.40%用于淬透性好、紅硬性高，截面尺寸不大的刃具灰鑄鐵灰口鑄鐵GB/T9439-1988HT200表示試樣直徑為30mm，平均抗拉強度200MPa的灰口鑄鐵承受較大載荷或較重要的零件，如汽缸、齒輪、底座、飛輪、床身等可鍛鑄鐵GB/T9440-1988KTZ450-06平均抗拉強度不小于450MPa,伸長率不小于6%的珠光體可鍛鑄鐵

制造負荷較高的耐磨損零件，如曲軸、連桿、齒輪、凸輪軸等薄壁小鑄件球墨鑄鐵GB/T1348-1988QT450-10表示抗拉強度大于450MPa,伸長率10%的球墨鑄鐵承受沖擊振動的零件如曲軸、蝸桿等續表名稱分類編號方法用途舉例說明灰鑄鐵蠕墨鑄鐵GB/T5612-1985RuT340表示平均抗拉強度大于450MPa的蠕墨鑄鐵

制造大截面復雜鑄件，主要用來代替高強度灰口鑄鐵、合金鑄鐵特殊性能鑄鐵抗磨鑄鐵GB/T8263-1999KmTBMn5W3中錳球墨鑄鐵，具有一定的強度和韌性，耐磨料磨損

可制造承受干摩擦及為磨料磨損條件下工作的零件，在礦山、冶金、電力、建材和機械制造等行業有廣泛的應用耐熱鑄鐵GB/T9437-1988RQTSi4Mo

在鑄鐵中加入Si、Al、Cr等元素，使鑄鐵在高溫下表面形成一層致密的氧化膜，保護內層不被繼續氧化

可制造在高溫工況下工作的零件耐蝕鑄鐵GB/T8491-1987STSi11Cu2CrR

合金元素的作用是提高鑄鐵基體組織的電位，使鑄鐵表面形成一層致密的保護膜可制造在腐蝕工況下工作的零件,廣泛用于化工等行業82.2.2金屬材料的性能

固體材料主要性能力學性能物理性能化學性能工藝性能

力學性能即材料在外力作用下表現出來的性能，包括彈性、強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種載荷如動畫2所示。9動畫2

常見的各種外載荷

102.3晶體的結構

2.3.1晶體與非晶體固體可分為晶體和非晶體兩類。晶體中原子按一定規則排列。最普通的非晶體是玻璃，它的原子排列較不規則。非晶體的結構比晶體結構更難確定。

1.晶體的空間點陣和晶系如果把所有具有相同環境的原子或原子群作為一個質點，則晶體結構可以抽象為這些質點在空間上的、周期性規則排列的空間點陣。112.晶格、晶胞和晶格常數動畫3

晶體中原子排列示意圖

在空間點陣中取一單位體積（通常為平行六面體）作為點陣的最小組成單元，稱為晶胞。晶胞的大小和形狀以晶胞的棱邊長a、b、c和棱邊之間的夾角α、β、γ來表示(見動畫3)。12

根據晶胞的三條棱邊是否相等、三個夾角是否相等以及是否為直角，晶體學將所有晶體分為7個晶系，14種空間點陣。稱作布喇菲空間點陣，如圖1所示。常見的三種晶格類型：體心立方晶格。面心立方晶格。密排六方晶格。3.常見的晶格類型

13圖1

布喇菲空間點陣

由于結晶條件或加工等方面的影響，使原子的排列規則受到破壞，存在偏離理想結構的區域，稱為晶格缺陷。晶格缺陷可分為三類：點缺陷。線缺陷。面缺陷。2.3.2實際金屬的晶體結構141.晶格缺陷1）點缺陷

點缺陷是指長、寬、高三個方向上尺寸都很小的缺陷，如“間隙原子”、“置換原子”和“空位”（見動畫4）。間隙原子是在晶格的間隙中存在多余原子；置換原子是指結點上的原子被異類原子所置換；晶格空位是在正常的晶格結點上出現空位。15動畫4

點缺陷示意圖

線缺陷是指在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸很小的缺陷，呈線狀分布，其具體形式是各種類型的位錯，如動畫5所示。2）線缺陷動畫5刃型位錯結構示意圖163）面缺陷

面缺陷主要指金屬中的晶界和亞晶界(見圖2)。亞晶界指亞晶粒之間形成的交界面。亞晶粒是由被稱為鑲嵌塊的小晶粒組成的。圖2

面缺陷2.4金屬的結晶172.4.1金屬結晶過程

金屬熔液在凝固后一般都以晶質狀態存在，即內部原子由不規則的排列轉變到規則排列，形成晶體（見動畫6，視頻1）。

金屬的結晶過程是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程，即由晶核的產生和長大兩個基本過程組成的。教學視頻1

金屬的結晶動畫6

金屬的結晶

金屬結晶后的晶粒愈細小，晶界的面積就愈大。晶界面積愈大，晶體缺陷就愈多，則對金屬的力學性能影響愈大。一般情況下，細晶粒組織的強度、硬度、塑性和韌性都比粗晶粒組織好。獲得細晶粒的方法通常有:

增加過冷度。變質處理。附加振動。2.4.2鑄態晶粒的大小

182.4.3金屬的同素異構

某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結構。同一種固態的純金屬（或其他單相物質），在加熱或冷卻時發生由一種穩定狀態轉變成另一種不同的晶體結構穩定狀態，這種轉變，稱為同素異構轉變（見動畫7）。此時除體積變化和熱效應外還會發生其他性質改變。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構特性。動畫7

純鐵的同素異構轉變

19

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質的物質，稱為合金。組成合金的元素叫做組元。由兩種組元組成的合金，稱為二元合金。在物質中，凡是成分相同，結構相同，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。合金結晶后可以是一種相，也可以是由若干種相所組成。一種或多種相按一定方式相互結合所構成的整體稱為組織。相的相對數量、形狀、尺寸和分布的不同，形成了不同的組織，不同的組織使合金具有不同的力學性能。固態合金中的相，按其晶格結構的基本屬性來分，可以分為固溶體和化合物兩類。2.5二元合金的晶體結構

20

溶質原子溶入金屬溶劑中所組成的合金相稱為固溶體。按照溶質原子在固溶體中所處的位置，固溶體又可分為間隙固溶體（見動畫8）和置換固溶體（見動畫9）。間隙固溶體中的溶質元素多半是原子半徑較小的非金屬元素；對于溶質和溶劑原子大小比較接近的元素，只能形成置換固溶體。2.5.1固溶體21動畫8

間隙固溶體

動畫9

置換固溶體

溶質原子溶入溶劑晶格,將使晶格發生畸變,從而使合金的強度、硬度上升（見動畫10）。這種由于形成固溶體而引起強度提高的現象稱為固溶強化。固溶強化是強化合金的基本途徑之一。如果溶質濃度適當，固溶體亦具有良好的塑性和韌性。2.5.2固溶體的性能動畫10

晶格畸變22

鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金。一般將碳的質量分數為0.0218%～2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼，碳的質量分數大于2.11%的稱為鑄鐵。2.6鐵碳合金2.6.1鐵碳合金基本組織

1.鐵素體鐵素體是碳在α-Fe中的固溶體，用符號“F”表示。其組織結構與組織形態如圖3所示。23圖3

鐵素體(1)在727℃有最大溶解度，wC=0.0218%。

(2)強度和硬度低，韌性塑性好。力學性能如表2所示。1）鐵素體的特點

2）純鐵（＜0.02%）的力學性能(如表3所示)以上性能與晶粒大小、雜質含量有關。24σb

180~280MN/m2ψ70%～80%σ0.2100～170MN/m2δ30%～50%硬度50～80HBSak1.8~2.5MJ/m2σb250MN/m2ψ85%σ0.2120MN/m2δ50%硬度80HBSak2.0MJ/m2表2

鐵素體的力學性能表3

純鐵的力學性能

奧氏體是碳在γ-Fe中的固溶體，用符號“A”表示。高溫奧氏體的顯微組織如圖4所示。奧氏體的特點：2.奧氏體25圖4

奧氏體(1)在1148℃時有最大溶解度wC=

2.11%。當727℃時，wC=0.77%。

(2)其力學性能與碳含量及晶粒大小有關，硬度低塑性好，形變能力好。3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳的化合物，碳質量分數6.67%，用“Fe3C”或“Cem”表示。滲碳體的特點：硬度近800HBW、塑性幾乎為零。一般認為其熔點1600℃。

1.相圖分析鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料的成分、相和組織的變化規律以及與性能之間關系的重要工具。鐵碳合金相圖如動畫11所示。2.6.2鐵碳合金相圖26動畫11

鐵碳合金相圖1）相區區域27動畫12

鐵碳合金相