第一章

金屬材料的性能第一章金屬材料的性能

零件是構成機械產品的基本單元，零件材料的各方面性能是產品質量的基礎，決定著產品的使用性能和壽命。本章介紹金屬材料的機械性能、物化性能、工藝性能的性能指標和含義及相關的測定方法；在工程應用中如何根據需要選擇合適性能的材料。第一章金屬材料的性能

1．掌握金屬材料的各項力學指標和用途；2．熟悉金屬材料的物理性能和工藝性能相關知識及實際應用意義；3．了解各項力學指標的測定和計算方法。第一節(jié)金屬材料的機械性能

材料性能鑄造性

可鍛性

可焊性

熱處理性

工藝性能使用性能切削加工性

機械性能

強度

硬度

韌性

塑性

疲勞強度

第一章金屬材料的性能

金屬材料的機械性能

第一節(jié)金屬材料的物理性能和化學性能

第二節(jié)鋼在冷卻時的組織轉變第三節(jié)第一節(jié)金屬材料的機械性能1.強度金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久塑性變形和斷裂的能力，稱為強度。在工程上使用彈性極限、屈服強度、抗拉強度。第一節(jié)金屬材料的機械性能強度的獲得方式-拉伸試驗（a）試樣

圖1-1

比例試樣第一節(jié)金屬材料的機械性能強度的獲得方式-拉伸試驗（b）低碳鋼拉伸曲線第一節(jié)金屬材料的機械性能屈服極限S強化階段彈性極限P屈服階段強度極限B頸縮階段彈性階段第一節(jié)金屬材料的機械性能(1)彈性極限σe彈性極限是材料產生完全彈性變形時所能承受的最大應力，它可按下式計算：

(1-2)式中Fe—試樣產生完全彈性變形時的最大載荷，A0—試樣的原始橫截面面積。第一節(jié)金屬材料的機械性能(2)屈服強度σs屈服強度是材料開始產生明顯塑性變形時的最小應力，屈服強度可按下式計算：

(1-3)式中

Fs—試樣產生屈服時的載荷，

A0—試樣的原始橫截面面積。第一節(jié)金屬材料的機械性能(3)抗拉強度σb 抗拉強度是材料斷裂前的最大應力值；對應材料承受最大均勻塑性變形的抗力，即：

(1-4)式中

Fb--試樣在斷裂前所承受的最大載荷，

A0—試樣的原始橫截面面積。第一節(jié)金屬材料的機械性能2．塑性塑性是指金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力。常用的塑性指標是延伸率δ和斷面收縮率ψ，兩個指標均為百分率(%)表示。

(1-5)

(1-6)

3．硬度硬度是指材料抵抗其他硬物壓入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性變形的能力，是金屬材料一項重要的技術指標。在工程上常用的硬度指標根據材料的軟硬程度可分為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。第一節(jié)金屬材料的機械性能(1)布氏硬度(HB)布氏硬度試驗按國家標準的規(guī)定，以直徑為D的淬硬鋼球或硬質合金作壓頭，在壓力F下壓入待測金屬表面，保持一定時間后卸去載荷，此時試樣表面出現(xiàn)直徑為d的壓痕。用壓力F除以壓痕表面積所得的值，作為被測材料的布氏硬度值，單位Kgf/mm2(MPa)，一般不標單位。

第一節(jié)金屬材料的機械性能圖1-3布氏硬度實驗原理(2)洛氏硬度(HR)是用一個頂角為120o的金剛石圓錐體或直徑為?1.588mm的淬硬鋼球為壓頭，以一定的壓力壓入材料表面，根據壓頭壓入深度確定硬度見圖1-4。其值可直接從硬度計刻度盤讀出。第一節(jié)金屬材料的機械性能圖1-4洛氏硬度實驗原理第一節(jié)金屬材料的機械性能洛氏硬度根據壓頭及載荷不同，分為HRA、HRB、HRC三種

表1-1洛氏硬度符號、試驗條件和應用硬度符號壓頭類型總壓力N（kgf）硬度值有效范圍應用HRC120°金剛石圓錐體1470(150)20～67HRC(相當225HBS以上)淬火鋼件HRB?1.588mm淬硬鋼球980(100)25～100HRB(相當60～30HBS)軟鋼、退火鋼、銅合金HRA120°金剛石圓錐體588(60)70HRA以上(相當350HB以上)硬質合金、表面淬火鋼第一節(jié)金屬材料的機械性能布氏硬度與洛氏硬度的特點比較布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實驗數據的重復性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。

由于壓痕較大，成品檢驗也有困難。

通常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等材料的硬度。第一節(jié)金屬材料的機械性能布氏硬度與洛氏硬度的特點比較洛氏硬度的特點：

洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質量檢查中應用最多。

但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測硬度值的重復性也差。(3)維氏硬度(HV)是根據壓痕單位面積上所受的平均載荷計量硬度值，但不同的是維氏硬度的壓頭采用金剛石制成的錐面夾角α為136°的正四棱錐體，如圖1-5所示。

第一節(jié)金屬材料的機械性能圖1-5維氏硬度實驗原理第一節(jié)金屬材料的機械性能4沖擊韌性

有些機件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機的起落架等。瞬時沖擊引起的應力和應變要比靜載荷引起的應力和應變大得多，因此在選擇制造該類機件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。第一節(jié)金屬材料的機械性能金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。試驗表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復沖擊的能力，主要取決于強度。沖擊值對組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質量的有效方法。第一節(jié)金屬材料的機械性能沖擊試驗試驗原理ak=AK/A（J·cm-2）

式中：Ak—折斷試樣所消耗的沖擊功（J）

A—試樣斷口處的原始截面積（mm2）

沖擊韌度：第一節(jié)金屬材料的機械性能5．疲勞強度

工程上一些機件工作時受交變應力或循環(huán)應力作用，即使工作應力低于材料的屈服強度，但經過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。零件的疲勞斷裂過程可分為裂紋產生、裂紋擴展和瞬間斷裂三個階段。第一節(jié)金屬材料的機械性能圖1-7

鋼鐵材料的疲勞曲線(σ-N)由圖可見，σ越小，疲勞壽命N越大。當應力低于某一數值時，經無數次應力循環(huán)也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應力稱為材料的疲勞極限。在疲勞強度的測定中，不可能把循環(huán)次數作到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數作為基數。常用鋼材的循環(huán)基數為10７次，有色金屬和某些超高強度鋼的循環(huán)基數為10８次。

第二節(jié)金屬材料的物化性能在設計和工程應用時除了要根據實際工況考慮選擇材料的各項機械性能參數，還要充分考慮金屬材料的其它性能，這些性能在特殊要求的工作環(huán)境下起到非常大的作用。主要是金屬材料的物理性能和化學性能。1.物理性能金屬材料的物理性能是指金屬特有的屬性，如密度、磁性、熔點、導電性、光澤、熱膨脹性能等。第二節(jié)金屬材料的物化性能(1)密度單位體積內所含某種物質的質量稱為該物質的密度。密度的表達式如下：(1-10)式中物質的密度(kg／m3),物質的質量(kg),V物質的體積(m3)。第二節(jié)金屬材料的物化性能第二節(jié)金屬材料的物化性能密度是金屬材料的特性之一，不同金屬材料的密度是不同的。在體積相同的情況下．金屬材料的密度越大．其質量(重量)也就越大。金屬材料的密度，直接關系到用它所制成設備的自重和效能。一般將密度小于5×103kg／m3。的金屬稱為輕金屬．密度大于5×103kg／m3稱為重金屬。在要求特殊和有重量要求時一般選擇合適的金屬，如航空航天零件一般用輕金屬材料來制作。密度公式的其他用途是可以計算大型零件的質量，測量金屬的密度，也可以鑒別金屬和確定某些金屬鑄件的致密程度。第二節(jié)金屬材料的物化性能(2)熔點金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點。每種金屬都有同定的熔點。而合金的熔點決定于它的成分是個變化的值，例如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于含碳量不同，熔點也不同。熔點是金屬和合金冶煉、鑄造、焊接等熱加工的重要工藝參數，熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鋼、釩等)，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭．導彈．燃氣輪機和噴氣式飛機上得到廣泛應用。熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫．鉛等)，可以用來制造印刷鉛字(鉛與銻的合金)、保險絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。第二節(jié)金屬材料的物化性能(3)導熱性金屬材料傳導熱量的性能稱為導熱性，導熱性的大小通常用熱導率來衡量，熱導率的符號是A(單位是W／(m·K))，熱導率越大,金屬的導熱性越好。金屬的導熱能力最好的是銀,其次是銅、鋁，一般合金的導熱性比純金屬差。導熱性是金屬材料的重要性能之一，在制定焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時，除考慮熔點以外還必須考慮材料的導熱性，防止金屬材料在加熱或冷卻過程中形成過大的內應力，從而使金屬材料在熱加工后產生變形或破壞。導熱性好的金屬其散熱性能也好，因此在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時．要選用導熱性好的金屬材料，如使用銅和鋁材料做散熱器和暖氣片。第二節(jié)金屬材料的物化性能(4)導電性金屬材料傳導電流的性能稱為導電性。衡量金屬材料導電性能的指標是電阻率，電阻率是用來表示各種物質電阻特性的物理量。某種材料制成長1米、橫截面積是1平方毫米的導線的電阻，叫做這種材料的電阻率。電阻率的標準單位是。電阻率越小，金屬導電性能越好，金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導電性比純金屬差，導電性好的金屬如純銅、純鋁，適于做導電材料．如用它制作電纜和電線；導電性差的金屬如鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。第二節(jié)金屬材料的物化性能(5)熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說。金屬受熱時膨脹．體積增大；冷卻時收縮。體積減小。熱膨脹性的大小用線脹系數α和體脹系數γ來表示。體脹系數近似為線脹系數的3倍。在很多實際工作中需要考慮材料熱脹冷縮的影響，例如在加工工件時要在溫度低時測量工件的尺寸，否者就很容易出廢品。第二節(jié)金屬材料的物化性能(6)磁性金屬材料在磁場中受到磁化能吸引金屬的性能稱為磁性。根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，可將金屬材料分為鐵磁性材料(如鐵、鈷等)、順磁性材料(如錳、鉻等)和抗磁性材料(如銅、鋅等)三類。鐵磁性材料在外磁場中能強烈地被磁化；順磁性材料在外磁場中只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用。工程上使用的強磁性料是鐵磁性材料，鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機、測試儀表等。順磁材料用于電磁鐵、電器開關、電機、液壓控制開關等。抗磁性材料則用作要求避免電磁場干擾的零件和結構材料第二節(jié)金屬材料的物化性能2、化學性能(2)抗氧化性金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力,稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加劇。例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理和焊接等熱加工時表面的氧化現(xiàn)象比較嚴重，這不僅造成材料的過量損耗，還可能形成各種缺陷。為此，在加工時常在工件的周圍形成一種保護氣氛，避免金屬材料的氧化。比如煉鋼時上端為二氧化碳氣體，焊接時用不同的保護氣體以避免金屬被氧化。第二節(jié)金屬材料的物化性能2、化學性能(3)化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設備(如鍋爐、加熱設備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等)上的部件須選用熱穩(wěn)定性好的材料來制造。第三節(jié)金屬材料的工藝性能工藝性能是指金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力，即金屬材料采用某種加工方法制成產品的難易程度。金屬材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。工藝性能直接影響到零件制造工藝和質量，是選材和制定零件加工工藝路線時必須考慮的因素之一。第三節(jié)金屬材料的工藝性能1．鑄造性能金屬在鑄造成形過程中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的主要指標有流動性、收縮性和偏析等。(1)流動性。熔融金屬的流動能力稱為流動性。它主要受金屬化學成分和澆注溫度等的影響。流動性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。第三節(jié)金屬材料的工藝性能1．鑄造性能(2)收縮性。鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的能力稱為收縮性。鑄件收縮不僅影響鑄件的尺寸精度，還會使鑄件產生縮孔、疏松、內應力、變形和開裂等缺陷。故用于鑄造的金屬其收縮率越小越好。第三節(jié)金屬材料的工藝性能1．鑄造性能(3)偏析。金屬凝固后，內部化學成分或組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴重時能使鑄鐵產生鑄造缺陷。第三節(jié)金屬材料的工藝性能2.鍛造性能鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要與金屬的塑性和變形抗力有關。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。例如黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下就有良好的鍛造性能，碳鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好，而鑄鐵則不能鍛壓。第三節(jié)金屬材料的工藝性能3.焊接性能焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應性，也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)良焊接質量的難易程度。對于碳鋼和低碳合金鋼，焊接性能主要與金屬材料的化學成分有關(其中碳的影響最大)，如低碳鋼具有良好的焊接性，而中高碳鋼、合金鋼、鑄鐵等焊接性能較差。第三節(jié)金屬材料的工藝性能4.切削加工性能對金屬材料進行切削加工的難易程度稱為切削加工性能。切削加工性能一般用工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命等指標來衡量，在金屬切削加工過程中切削加工性是主要考慮的性能。切削加工性能好的金屬對加工的刀具磨損小，加工表面粗糙度小。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學成分、組織狀態(tài)、硬度、塑性、導熱性和形變強度等。一般認為金屬材料具有適當硬度(170～230HBS)和足夠的脆性時較易切削，所以鑄鐵比鋼的切削加工性能要好，一般低碳鋼比高碳合金鋼的切削加工性能要好，改變鋼的化學成分和進行適當的熱處理是改善鋼切削加工性能的重要途徑。第三節(jié)金屬材料的工藝性能5.熱處理性能熱處理性能是指金屬材料在規(guī)定的熱處理條件下獲得需要的組織和機械性能的能力,它是金屬材料非常重要的性能。本章小結金屬材料在各行各業(yè)應用的非常廣泛，主要是因為金屬材料有綜合的機械性能和良好的工藝性能。在工程上，合理選擇材料的關鍵就是多方面、全方位選擇材料的性能量值，不是簡單地確定一兩個性能指標。第二章

金屬的晶體結構和結晶第二章金屬的晶體結構和結晶

金屬及其合金的晶格結構不同，材料的性能變化顯著。本章介紹純金屬的晶體結構及結構類型；合金的概念和合金的晶體結構；晶體結構對機械性能的影響；在冷、熱變形時晶格的變化規(guī)律和性能變化。純金屬的晶體結構第一節(jié)合金金屬的晶體結構第二節(jié)純金屬的結晶第三節(jié)第二章金屬的晶體結構和結晶

合金金屬的結晶第四節(jié)金屬的塑性變形第五節(jié)第一節(jié)純金屬的晶體結構金屬原子結構的特點是在失去外層電子后，正離子與自由電子以金屬鍵的方式相互作用，將金屬原子有規(guī)則地結合起來。原子之間結合力的方式和大小就決定了金屬的內部組織結構，進而宏觀體現(xiàn)為金屬的性能。因此了解金屬的內部組織結構，對掌握金屬材料的性能是非常重要的，為便于理解微觀的粒子結構，在分析問題時引入了一些簡單、抽象的模型，便于學習過程中的理解和掌握。第一節(jié)純金屬的晶體結構金屬原子結構的特點是在失去外層電子后，正離子與自由電子以金屬鍵的方式相互作用，將金屬原子有規(guī)則地結合起來。原子之間結合力的方式和大小就決定了金屬的內部組織結構，進而宏觀體現(xiàn)為金屬的性能。因此了解金屬的內部組織結構，對掌握金屬材料的性能是非常重要的，為便于理解微觀的粒子結構，在分析問題時引入了一些簡單、抽象的模型，便于學習過程中的理解和掌握。第一節(jié)純金屬的晶體結構一、金屬構成的晶體結構

晶體的基本概念晶體內部的原子按一定幾何形狀進行有規(guī)則地重復排列,如圖2-1(a)所示，表現(xiàn)為晶體特征，即有固定的熔點和各向異性，如金剛石、石墨及固態(tài)金屬與合金。第一節(jié)純金屬的晶體結構(1)晶格為了便于分析晶體中原子排列規(guī)律，形象地將原子近似地看成一個點、并用假想的直線將各原子中心連接起來表示原子之間的作用力，便形成一個空間網格結構(圖2-1(b)),便于理解金屬的內部微觀的組織結構。這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間幾何圖形，稱為晶格,晶格中直線的交點稱為結點。第一節(jié)純金屬的晶體結構(2)晶胞在晶體中，原子有規(guī)則地排列且有周期性的特點。為便于分析，通常從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖2-1(c)所示。晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而形成。第一節(jié)純金屬的晶體結構(3)晶格參數晶胞大小和形狀可用晶格參數來表示。晶格參數包括晶胞的棱邊長度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ（圖2-1c）。晶胞的棱邊長度a、b、c又稱為晶格數。第一節(jié)純金屬的晶體結構二、金屬中常見的晶格類型(1)體心立方晶格體心立方晶胞如圖2-2(a)和(b)所示,在晶胞的八個角上各有一個金屬原子，構成立方體,在立方體的中心還有一個原子，所以叫作體心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鉻、釩、鎢、鉬和α－鐵等。圖2-2體心立方晶格與晶胞示意圖第一節(jié)純金屬的晶體結構(2)面心立方晶格面心立方晶格如圖2-3(a)和(b)所示。在晶胞的八個角上各有一個原子，構成立方體。在立方體的六個面的中心各有一個原子，所以叫做面心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛和γ－鐵等。圖2-3面心立方晶格與晶胞示意圖第一節(jié)純金屬的晶體結構圖2-4密排立方晶格與晶胞示意圖(3)密排六方晶格密排六方晶格如圖2-4(a)和(b)所示。在晶胞的十二個角上各有一個原子，構成六方柱體。上下底面中心各有一個原子。晶胞內部還有三個原子，所以叫做密排六方晶格。屬于這類晶格的金屬有鈹、鋅和α－鈦等。。第一節(jié)純金屬的晶體結構。第一節(jié)純金屬的晶體結構三、金屬實際的晶體結構

在形成晶體的過程中，晶體的形成時因結晶的條件不同，在液體完全結晶成為固體之后，固體內形成晶格，但也會產生一些晶格上的缺陷，這些缺陷導致晶體的機械性能產生變化。。第一節(jié)純金屬的晶體結構1.單晶體晶體內部的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。單晶體的結構特點是原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列，在不同方向上的物理、化學和力學性能不相同，即為各向異性。只有經過特殊制作才能獲得單晶體，如半導體元件、磁性材料、高溫合金材料等。。單晶體第一節(jié)純金屬的晶體結構多晶體

一般的金屬材料，在形成固態(tài)的時候，如圖2-5所示,在很小的體積內晶格位向是一致的，這種外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體通常稱為晶粒。而各個晶粒之間彼此間位向卻不同，這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。。多晶體第一節(jié)純金屬的晶體結構2.晶體中的缺陷(1)點缺陷

是指在長、寬、高三方向上尺寸都變化的一種缺陷，最常見的是晶格空位和間隙原子，如圖2-6所示。點缺陷可使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開，造成晶格畸變。晶體中晶格空位和間隙原子都處在不斷地運動和變化之中，晶格空位和間隙原子的運動是金屬中原子擴散的主要方式之一，這對熱處理過程起著重要的作用。。第一節(jié)純金屬的晶體結構(2)線缺陷

是指在晶體中呈線狀分布(在一個方向上尺寸很大，另兩個方向上尺寸很小)的缺陷，常見的線缺陷是各種類型的位錯。其中刃型位錯是一種比較簡單的位錯，如圖2-7所示。在位錯線EF附近，由于原子錯排而產生了晶格畸變，使位錯線上方附近原子受到壓力，而其下方附近原子受到拉力，而位錯線中心的原子錯動最大，晶格畸變嚴重，離位錯線越遠，晶格畸變越小，甚至恢復正常。。刃型位錯示意圖第一節(jié)純金屬的晶體結構(3)面缺陷晶界實際上是不同位向晶粒之間原子無規(guī)則排列的過渡層，如圖2-8所示。實驗證明，晶粒內部的晶格位向也不是完全一致的，每個晶粒皆是由許多位向差很小的小晶塊互相鑲嵌而成的，這些小晶塊稱為亞組織。亞組織之間的邊界稱為亞晶界。。圖2-8晶界過渡示意圖第一節(jié)純金屬的晶體結構(3)面缺陷亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所形成的小角度晶界，如圖2-9所示。晶界處表現(xiàn)出較高的強度和硬度。晶粒越細小，晶界越多，它對塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強度、硬度越高。晶界還有耐蝕性低、熔點低、原子擴散速度較快的特點。

。圖2-9亞晶界結構示意圖第二節(jié)合金的晶體結構。一、合金的基本概念(1)合金合金是指兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬元素）熔合在一起組成的具有金屬特性的物質。(2)組元組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元。通常組元就是指組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。

(3)合金系可以由給定組元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金就構成了一個合金系。

第二節(jié)合金的晶體結構。一、合金的基本概念(4)相在純金屬或合金中，具有相同的化學成份、晶體結構和相同物理性能的組分稱為“相”。

(5)組織一般將直接用肉眼觀察到的，或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內部的微觀形貌圖像統(tǒng)稱為組織。第二節(jié)合金的晶體結構。二、合金的相結構1．固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。

(1)固溶體的分類按溶質原子在晶格中所占位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體(圖示)。第二節(jié)合金的晶體結構。二、合金的相結構(2)固溶強化固溶強化是當溶質原子溶入溶劑晶格中使晶體產生畸變，增加了變形抗力，因而導致材料強度、硬度提高。這種通過溶入溶質元素，使固溶體強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金力學性能的重要途徑之一。

(a)置換固溶體（b）間隙固溶體固溶體中晶格畸變示意圖第二節(jié)合金的晶體結構。二、合金的相結構2．金屬化合物金屬化合物是指合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相，一般可用分子式表示。金屬化合物的晶格類型和性能不同于組成它的任一組元，它具有復雜的晶格類型，熔點高，性能硬而脆。當合金中存在金屬化合物時，一般能提高合金的強度和硬度，但塑性和韌性降低，故金屬化合物是合金的重要強化相。第三節(jié)純金屬的結晶1.純金屬的冷卻曲線純金屬的結晶過程可用冷卻曲線來描述。圖2-12為用熱分析法測繪的冷卻曲線，即在金屬液體緩慢冷卻的過程中，觀察并記錄溫度隨時間變化的數值，將其繪制在溫度、時間坐標中而得到的。

。圖2-12純金屬的冷卻曲線第三節(jié)純金屬的結晶冷卻曲線的說明由冷卻曲線可知，在金屬液體緩慢冷卻時，隨著熱量向外散失，溫度不斷下降，當溫度降到T0時，開始結晶。由于結晶時放出的結晶潛熱補償了其冷卻時向外散失的熱量，故結晶過程中溫度不變，即冷卻曲線是出現(xiàn)了一水平線段，水平線段所對應的溫度稱為理論結晶溫度。理論結晶溫度是無限緩慢的冷卻的條件下結晶的溫度，在低于T0溫度時，金屬由液態(tài)完全變成固態(tài)，形成了固體的晶體。

。第三節(jié)純金屬的結晶冷卻曲線的說明在實際冷卻的過程中，因冷卻的速度很快，純金屬往往是在低于理論結晶溫度才開始結晶，即圖2-12中的實際的T1的溫度時才開始結晶，此時的結晶溫度為實際的溫度。實際溫度低于理論溫度的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象；理論溫度與實際溫度的差值，稱為過冷度，用?T表示。?T=T0-T1，過冷度不是一個恒定的值，與結晶過程中的冷卻速度有關，冷卻速度越快，過冷度越大。在實際的結晶過程中，金屬都是在一定過冷度下結晶的。。第三節(jié)純金屬的結晶2．純金屬的結晶過程金屬的結晶過程形象地分為晶核形成和長大兩個基本過程，如圖2-13所示，而且這兩個過程是同時進行的。。圖2-13金屬結晶示意圖液態(tài)金屬形核晶核長大完全結晶形核和晶核長大的過程第三節(jié)純金屬的結晶兩種形核方式——

自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質上生成的晶核。第三節(jié)純金屬的結晶兩種長大方式——

平面生長與樹枝狀生長。平面生長第三節(jié)純金屬的結晶第三節(jié)純金屬的結晶在完成了晶核之后，晶核向著不同位向按樹枝生長方式長大，當成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時，晶體就向著尚未凝固的部位生長，直到枝晶間的金屬液全部凝固為止，最后形成了許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。這些外形不規(guī)則而內部原子排列規(guī)則的小晶體稱為晶粒。由于每個晶粒的位向不同，使它們相遇時不能合為一體，這些晶粒與晶粒之間的分界面稱為晶界。圖2-14是在金相顯微鏡下觀察到的低碳鋼的晶粒和晶界的圖像。第三節(jié)純金屬的結晶3．金屬結晶晶粒的大小第三節(jié)純金屬的結晶晶粒大小是金屬組織的重要標志之一，金屬晶粒大小可用單位體積內的晶粒數目來表示，數目越多，晶粒越細小。但為了測量方便，常以單位截面晶粒數目或晶粒的平均直徑來表示，金屬的晶粒大小對金屬的力學性能有重要影響。一般來說，在常溫下，細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度和韌性。3．金屬結晶晶粒的大小第三節(jié)純金屬的結晶(1)增加過冷度結晶時增加過冷度ΔT，會使結晶后晶粒變細。增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻轉變速度，晶粒長大的時間縮短，造成晶粒小。實際生產中，常常是采用降低鑄型來提高冷卻速度。

3．金屬結晶晶粒的大小第三節(jié)純金屬的結晶(2)變質處理變質處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的難熔的物質(變質劑)，在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒被顯著細化。如在鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣合金能使鑄鐵中的石墨細化，以提高鑄鐵的力學性能指標；在鋼液中加入鈦、鋯、鋁等，增加形核率或降低長大速率，達到晶粒細化的目的。3．金屬結晶晶粒的大小第三節(jié)純金屬的結晶(3)附加振動在金屬結晶時，利用機械振動、超聲波振動、電磁振動等方法，既可使正在生長的枝晶熔斷成碎晶粒而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。(4)降低澆注速度在澆注時，以較慢速度進行澆注，可以使形核的過程在一定流速下實現(xiàn)，流動的液體可以將形成的晶枝破碎成較小的顆粒，增加了形核率，實現(xiàn)了細化晶粒的目的。4．金屬的同素異晶形成第三節(jié)純金屬的結晶大多數金屬在結晶后晶格的類型比較穩(wěn)定，而有些金屬如鐵、錳、鈦、鈷等在結晶成固態(tài)后繼續(xù)冷卻時，通過晶格內原子的重新排列導致晶格類型還會發(fā)生一定的變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化，稱為金屬的同素異晶轉變。由同素異晶轉變所得到的不同晶格類型的晶體，稱為同素異晶體。

4．金屬的同素異晶形成第三節(jié)純金屬的結晶金屬的同素異晶轉變是在固態(tài)下發(fā)生的，故又具有其本身的特點：(1)同素異晶轉變比較容易過冷。一般液態(tài)金屬結晶時的過冷度比較小(幾度到幾十度)，固態(tài)轉變的過冷度較大(可達幾百度)，這是因為固態(tài)下原子擴散比在液態(tài)中困難，轉變容易滯后。(2)同素異晶轉變容易產生較大的內應力。由于晶格類型不同，原子排列方式不同，晶格類型的變化會引起金屬體積的微小變化，晶粒之間原有的作用會產生改變，從而產生較大的內應力。這也是鋼在加熱和冷卻后就會引起應力，導致工件變形甚至開裂的重要因素。第四節(jié)合金的結晶純金屬的結晶過程是在恒溫下進行的，體現(xiàn)為冷卻曲線有一個平臺，而合金的結晶卻不一定在恒溫下進行。純金屬在結晶過程中只有一個液相和一個固相，而合金在結晶過程中，在不同的溫度范圍內會存有不同數量的相，各相的成分有時也會發(fā)生變化；同時對于同一合金系，因成分不同，其得到的晶相組織也會差別，即便是同一成分的合金，其組織也會隨溫度的不同其晶相也會發(fā)生變化。

第四節(jié)合金的結晶純金屬的結晶過程是在恒溫下進行的，體現(xiàn)為冷卻曲線有一個平臺，而合金的結晶卻不一定在恒溫下進行。純金屬在結晶過程中只有一個液相和一個固相，而合金在結晶過程中，在不同的溫度范圍內會存有不同數量的相，各相的成分有時也會發(fā)生變化；同時對于同一合金系，因成分不同，其得到的晶相組織也會差別，即便是同一成分的合金，其組織也會隨溫度的不同其晶相也會發(fā)生變化。

第四節(jié)合金的結晶建立一個坐標系以Cu—Ni合金含銅的比例值為橫坐標，以溫度為縱坐標，將開始融化的臨界溫度和全部融化的臨界溫度標注在坐標內，開始結晶溫度的連線為液相線，該線以上為液相區(qū)，所有成分的Cu—Ni合金均處于液態(tài)；結晶終了溫度的連線為固相線，液相線下為固態(tài)合金組織；兩曲線之間為液、固兩相共存的兩相區(qū)。第四節(jié)合金的結晶CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)第四節(jié)合金的結晶二、二元合金的結晶過程

(a)合金相圖(b)冷卻和結晶示意

Cu-Ni合金的結晶過程凡是兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶．即在固態(tài)下能形成無限固溶體時．此二元合金相圖屬于勻晶相圖。例如Cu—Ni、Fe—Cr、Au—Ag合金相圖等。第四節(jié)合金的結晶(2)合金結晶過程分析以b點成分的Cu—Ni合金(Ni含量為b%)為例分析結晶過程，該合金的冷卻曲線和結晶過程如圖所示。首先利用相圖畫出該成分合金的冷卻曲線，在1點溫度以上，合金為液相L。緩慢冷卻至1-2溫度之間時，合金發(fā)生勻晶反應，從液相中逐漸結晶出α固溶體。2點溫度以下，合金全部結晶為α固溶體。第四節(jié)合金的結晶(3)枝晶偏析在結晶的過程中，在實際冷卻的過程中，因冷卻速度較快，原子擴散不能充分進行，則容易形成成分不均勻的固溶體。先結晶的樹枝晶軸含高熔點組元(Ni)較多，后結晶的樹枝晶枝干含低熔點組元(Cu)較多。結果造成在一個晶粒之內化學成分的分布不均。這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。枝晶偏析對材料的機械性能、抗腐蝕性能、工藝性能都不利。生產上為了消除其影響，常把合金加熱到高溫(低于固相線100℃左右)，并進行長時間保溫，使原子充分擴散，獲得成分均勻的固溶體。這種處理稱為擴散退火或均勻化退火。2.二元包晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生包晶反應的合金系，稱為包晶系并構成包晶相圖。例如Pt—Ag、Ag—Sn、Sn—Sb合金相圖等。第四節(jié)合金的結晶圖2-17Pt-Ag合金相圖這種由一種液相與一種固相在恒溫下相互作用而轉變?yōu)榱硪环N固相的反應叫做包晶反應。

3.二元共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應的合金系，稱為共晶系并構成共晶相圖。例如Pb—Sn、Al—Si、Ag—Cu合金相圖等。第四節(jié)合金的結晶圖2-18Pb-Sn合金相圖這種由一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應叫做共晶反應。所生成的兩相混合物叫共晶體。

3.二元共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應的合金系，稱為共晶系并構成共晶相圖。例如Pb—Sn、Al—Si、Ag—Cu合金相圖等。這種由一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應叫做共晶反應。所生成的兩相混合物叫共晶體。

第四節(jié)合金的結晶共晶反應要點PbSnT,CL+L+L+183ced共晶轉變在恒溫下進行。轉變結果是從一種液相中結晶出兩個不同的固相。存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。成分在共晶線范圍的合金都要經歷共晶轉變。第四節(jié)合金的結晶三、典型合金的結晶過程合金相圖上有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條線，表示三種不同Pb—Sn成分合金的在冷卻過程中會產生三種合金，其內部的晶相組織是有區(qū)別的，但是發(fā)生了三種不同的結晶。

圖2-18Pb-Sn合金相圖第四節(jié)合金的結晶三、典型合金的結晶過程1.合金Ⅰ液態(tài)合金冷卻到1點溫度以后，發(fā)生勻晶結晶過程，至2點溫度合金完全結晶成α固溶體，隨后的冷卻（2-3點間的溫度），α相不變。從3點溫度開始，由于Sn在α中的溶解度沿cf線降低，從α中析出βⅡ，到室溫時α中Sn含量逐漸變?yōu)閒點。最后合金得到的組織為α+βⅡ。其組成相是f點成分的α相和g點成分的β相。合金的室溫組織由α和βⅡ組成，α和βⅡ即為組織組成物。第四節(jié)合金的結晶三、典型合金的結晶過程2.合金Ⅱ

合金從液態(tài)冷卻到1點溫度后，發(fā)生共晶反應：

經一定時間到時反應結束，全部轉變?yōu)楣簿w

合金的室溫組織全部為共晶體，即只含一種組織組成物（即共晶體）；而其組成相仍為α和β相。

第四節(jié)合金的結晶三、典型合金的結晶過程3.合金Ⅲ從共晶溫度繼續(xù)往下冷卻，初生α中不斷析出βⅡ，成分由c點降至f點；此時共晶體如前所述，形態(tài)、成分和總量保持不變。合金的室溫組織為初生α+βⅡ+(α+β)。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形

由于金屬和合金的是由晶粒組成的，在外力的作用下晶格會產生變形，外觀上體現(xiàn)為金屬會產生形變而且為塑性變形。塑性是金屬的一種重要的加工性能。金屬的塑性不是固定不變的，影響的因素大致包括以下兩個方面：一是金屬的內在因素，如晶格類型、化學成分、組織狀態(tài)等；另一是變形的外部條件，如變形溫度、應變速率、變形的力學狀態(tài)等。所以，通過創(chuàng)造合適的內外部條件，就有可能改善金屬的塑性行為。第五節(jié)金屬的冷塑性變形

一、金屬塑性變形的實質對單晶體來說，當外力不大時，晶格扭曲，金屬發(fā)生少許變形，當外力取消后，原子會恢復原位，變形消失，這是彈性變形；當外力增大到一定程度后，使原子產生大于一個原子間距的位移，去掉外力，原子將不再回到原來的平衡位置，變形被保留下來，產生塑性變形，這種位移是靠晶內“位錯”的滑移實現(xiàn)的。單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。第五節(jié)金屬的冷塑性變形

(1)滑移滑移是晶體在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動的現(xiàn)象。

(a)黃銅的滑移帶

第五節(jié)金屬的冷塑性變形

滑移的特點

①滑移只能在切應力作用下才會發(fā)生,不同金屬產生滑移的最小切應力(稱滑移臨界切應力)大小不同。②滑移是在切應力作用下晶體內部位錯的結果。滑③由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數倍。④滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進行。第五節(jié)金屬的冷塑性變形

(2)孿生在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程稱孿生。發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶。孿生通常是晶體難以進行滑移時而發(fā)生的另一種塑性變形方式。以孿生方式形變的結果將產生孿晶組織，在面心立方晶體中一般難以見到變形孿晶，而在密排六方晶體中比較容易見到。因為密排六方晶體的滑移系少，塑性變形經常以孿生方式進行。圖2-23(a)為鋅的變形孿晶，其形貌特征為薄透鏡狀。純鐵在低溫下受到沖擊時也容易產生變形孿晶，其形貌如圖2-23(b)所示，在這種條件下萌生孿晶并長大的速度大大超過了滑移速度。第五節(jié)金屬的冷塑性變形

第五節(jié)金屬的冷塑性變形第五節(jié)金屬的冷塑性變形3退火孿晶某些金屬材料退火后在晶內形成退火孿晶（純銅、單相銅合金及奧氏體不銹鋼中經常出現(xiàn)）。關于退火孿晶的形成機理目前尚無完善解釋，有人提出是退火時晶界推移過程中形成的，晶粒越粗大孿晶也越發(fā)展。退火孿晶的形態(tài)和變形孿晶完全不同，如圖2-25所示。兩條直線互相平行，表明它們屬于共格晶界。圖2-25純銅的退火孿晶第五節(jié)金屬的冷塑性變形二、多晶體的塑性變形工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。但由于多晶體材料中，各個晶粒位向不同，且存在許多晶界，因此變形要復雜得多。1.多晶體中,由于晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。2.多晶體中,每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向(稱晶粒處于軟位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。第五節(jié)金屬的冷塑性變形三、合金的塑性變形當晶粒發(fā)生變形時，由于晶界的影響，周圍尚未發(fā)生塑性變形的晶粒只能以彈性變形相適應，并產生微量的位向轉動；同時在首批變形晶粒的晶界處形成位錯的堆集，引起越來越大的應力集中。當應力集中達到一定程度時，變形便越過晶界傳遞到另一批晶粒中去。因此，多晶體的塑性變形是在一批批晶粒中逐步發(fā)生，從少數晶粒開始逐步擴大到大量的晶粒中，從不均勻變形逐步發(fā)展為比較均勻的變形。合金的相結構有兩大類，即固溶體(如鋼中的鐵素體、銅鋅合金中的α相等)和化合物(如鋼中的Fe3C、銅鋅合金中的β相等)。常見的合金組織有兩種：一種是單相固溶體合金；另一種是兩相或多相合金，它們的塑性變形特點各不相同，下面分別進行討論。第五節(jié)金屬的冷塑性變形1.單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金其變形機理與多晶體純金屬相同，也是滑移和孿生，變形時也同樣會受到相鄰晶粒的影響。不同的是固溶體晶體中有異類原子存在，這種異類原子(即溶質原子)無論是以置換還是間隙方式溶入基體金屬，都會對金屬的變形行為產生影響，表現(xiàn)為變形抗力和加工硬化率提高，塑性有所下降。這種現(xiàn)象稱為固溶強化，它是由于溶質原子阻礙金屬中的位錯運動所致。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形2.多相合金的塑性變形實際使用的合金材料大多是兩相或多相合金，通過合金中存在的第二相或更多的相，使合金得到進一步的強化。多相合金除基體相外，尚有其他相(統(tǒng)稱第二相)存在。但由于第二相的數量、形狀、大小和分布的不同，以及第二相的變形特性和它與基體相(體積分數約高于70%的相)間的結合情況不同，使得合金的塑性變形變得十分復雜，但是原理還是基于滑移和孿生。在多相合金塑性變形時，通常可按第二相粒子的尺寸大小將合金分為兩大類：一類是第二相粒子的尺寸與基體相晶粒尺寸屬于同一數量級，稱為聚合型兩相合金；另一類是第二相粒子十分細小，并彌散地分布在基體晶粒內，稱為彌散分布型兩相合金。第五節(jié)金屬的冷塑性變形(1)聚合型兩相合金的變形此類合金并非第二相都能產生強化作用，只有當第二相為較強相時，合金才能得到強化。當合金發(fā)生塑性變形時，滑移首先發(fā)生于較弱的相中；如果較強相的數量很少，則變形基本上是在較弱的相中進行；如果較強相的體積分數占到30%時，較弱相一般不能彼此相連，這時兩相就要以接近于相等的應變發(fā)生變形；如果較強相的體積分數高于70%時，則該相變?yōu)楹辖鸬幕w相，合金的塑性變形將主要由其控制。第五節(jié)金屬的冷塑性變形(2)彌散型合金的變形當第二相顆粒非常細小，彌散地分布在基體相中時，合金的變形抗力很大，強度將顯著提高。通常，當第二相粒子的尺寸達到某一臨界值時，強化作用最大；而尺寸過大或過小，合金的強度均有所下降。如果第二相微粒是通過過飽和固熔體的時效處理而沉淀析出，則所產生的強化稱為沉淀強化或時效強化；如果這種微粒是靠冶金方法外加的，則稱為彌散強化。第五節(jié)金屬的冷塑性變形3．冷塑性變形對金屬組織和性能的影響在再結晶溫度以下的變形稱為冷變形。變形過程中只有加工硬化而無再結晶現(xiàn)象，變形后的金屬只具有加工硬化組織。由于產生加工硬化，冷變形需要很大的變形力，而且變形程度也不宜過大，以免縮短模具壽命和使工件破裂。但冷變形加工的產品具有表面質量好、尺寸精度高、力學性能好的優(yōu)點，一般不需再進行切削加工。常溫下，低碳鋼在冷鐓、冷擠﹑冷軋以及冷沖壓中的變形都屬于冷變形。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形3．冷塑性變形對金屬組織和性能的影響①金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度的增大,金屬的強度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化,也叫形變強化。產生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時，位錯密度增加，位錯間的交互作用增強，相互纏結，造成位錯運動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化，使強度得以提高。在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。

②由于纖維組織和形變織構的形成，使金屬的性能產生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構的板材沖制筒形零件時，即由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。在某些情況下，織構的各向異性也有好處。③塑性變形可影響金屬的物理、化學性能。如使電阻增大,耐腐蝕性降低。

④由于金屬在發(fā)生塑性變形時，金屬內部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內部會產生殘余內應力。即外力去除后，金屬內部會殘留下來應力。殘余內應力會使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴重時可導致零件變形或開裂。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形3．冷塑性變形對金屬組織和性能的影響①金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度的增大,金屬的強度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化,也叫形變強化。產生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時，位錯密度增加，位錯間的交互作用增強，相互纏結，造成位錯運動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化，使強度得以提高。在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。

②由于纖維組織和形變織構的形成，使金屬的性能產生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構的板材沖制筒形零件時，即由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。在某些情況下，織構的各向異性也有好處。③塑性變形可影響金屬的物理、化學性能。如使電阻增大,耐腐蝕性降低。

④由于金屬在發(fā)生塑性變形時，金屬內部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內部會產生殘余內應力。即外力去除后，金屬內部會殘留下來應力。殘余內應力會使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴重時可導致零件變形或開裂。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形4.冷塑性變形后在加熱時的回復與再結晶圖2-26塑性變形對低碳鋼機械性能的影響

晶粒沿變形最大的方向伸長；晶格和晶粒均發(fā)生扭曲，產生內應力；晶粒間產生碎晶。組織結構的變化使其機械性能、物理和化學性能都發(fā)生變化，而機械性能的變化最為明顯：隨著變形程度的增加，金屬的強度和硬度逐漸升高，而塑性和韌性降低(如圖2-26)，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形4.冷塑性變形后在加熱時的回復與再結晶加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)回復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，但在室溫下不易實現(xiàn)。當提高溫度時，原子因獲得熱能，熱運動加劇，使原子排列回復到正常狀態(tài)，從而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。這個過程稱為“回復”。這時的溫度稱為回復溫度T回，T回＝(0.25～0.3)T熔(T回、T熔為用絕對溫度表示的回復溫度、熔點)。第五節(jié)金屬的冷塑性變形4.冷塑性變形后在加熱時的回復與再結晶溫度升高到T熔的0.4倍時，金屬原子獲得更多的熱能，開始以碎晶或雜質為核心結晶成細小而均勻的再結晶新晶粒，從而消除全部加工硬化，這個過程稱為再結晶，這時的溫度稱為再結晶溫度T再，根據經驗公式T再≈0.4T熔，可以計算出T再。在壓力加工生產中，加工硬化給金屬繼續(xù)進行塑性變形帶來困難，應予以消除。生產中常在高于再結晶溫度下加熱已加工硬化的金屬，使其發(fā)生再結晶而再次獲得良好的塑性，這種工藝操作稱為再結晶退火。

第五節(jié)金屬的冷塑性變形4.冷塑性變形后在加熱時的回復與再結晶再結晶晶粒度取決于塑性變形程度、加熱溫度和保溫時間。再結晶退火前塑性變形程度越大，再結晶晶粒越細小；加熱溫度越高，保溫時間越長，再結晶晶粒越粗大。因此，在生產中要控制好這些因素，避免再結晶晶粒粗大。第六節(jié)金屬的熱塑性變形1．熱加工與冷加工的區(qū)別由于金屬在高溫下強度下降，塑性提高。在加工時，如果溫度較高則加工金屬就變得很容易。在工業(yè)生產時將加工分成冷加工、熱加工，通常把鍛造、熱軋等成型加工叫熱加工，將冷軋、冷拉等加工稱為冷變形加工，區(qū)別冷、熱加工是以金屬再結晶的溫度為界。在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工；在再結晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工。在一般情況下，熱加工比冷加工的力學性能要好些，經過熱處理的鋼材，它的抗拉、屈服強度、塑性、韌性都會有所提高，此外，熱加工能消除殘余應力，而冷軋可能會因為在加工過程中鋼材發(fā)生屈服的不均勻變形，會產生殘余應力，這個殘余應力對穩(wěn)定性影響很大。冷加工存在冷作硬化現(xiàn)象，會使材料的韌性迅速下降，在承受載荷時，容易脆性斷裂，危害設備和人身安全。熱加工時，材料具有良好的塑性，易于變形，同時由于材料變形，使金屬的晶粒變長，在再結晶作用下，使其晶粒細化，提高了材料的綜合性能，熱加工能避免冷加工易產生的裂紋缺陷。第六節(jié)金屬的熱塑性變形2．熱加工對金屬組織和性能的影響在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工，例如鋼材的熱鍛和熱軋。由于溫度處于再結晶溫度以上，金屬材料發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結晶過程。因此塑性變形引起的加工硬化效應隨即被再結晶過程的軟化作用所消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。熱加工對金屬的組織和性能的影響：①熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕甚至消除樹枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等；明顯提高金屬的機械性能，特別是韌性和塑性。

②熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結晶獲得等軸細晶粒，而使金屬的機械性能全面提高。但這與熱加工的變形量和加工終了溫度關系很大，一般來說變形量應大些，加工終了溫度不能太高。③熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成纖維組織(或稱“流線”)，使金屬的機械性能特別是塑性和韌性具有顯的方向性，縱向上的性能顯著大于橫向上的。因此熱加工時應力求工件流線分布合理。鍛造曲軸的合理流線分布，可保證曲軸工作時所受的最大拉應力與流線一致，而外加剪切應力或沖擊力與流線垂直，使曲軸不易斷裂。切削加工制成的曲軸，其流線分布不合理，易沿軸肩發(fā)生斷裂。

本章小結通過金屬原子微觀結構模型，揭示了金屬的實際晶體結構、結晶過程及結晶缺陷，實際結晶對金屬性能的影響，分析晶體結晶的規(guī)律和控制結晶過程的方法，討論了在塑性變形時，冷、熱加工后晶體的變化對材料性能的影響。第三章

鐵碳合金第三章鐵碳合金鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金，具有較廣的力學性能，在現(xiàn)代工業(yè)中是應用最為廣泛的金屬材料。本章主要介紹鐵碳合金的基本相和鐵碳合金相圖的意義和應用，對鐵碳合金中典型的組織及其特點詳細分析說明，碳素鋼的分類和應用。第三章鐵碳合金

鐵碳合金的基本相第一節(jié)鐵碳相圖第二節(jié)碳鋼第三節(jié)第一節(jié)鐵碳合金的基本相1．純鐵的同素異構體轉變金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構轉變。在圖3-1中給出的為純鐵的冷卻曲線，當液態(tài)純鐵在1538℃進行結晶，得到具有體心立方晶格的δ—Fe，繼續(xù)冷卻到1394℃時發(fā)生同素異構轉變，δ—Fe轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩谩狥e，再冷卻到912℃時又發(fā)生同素異構轉變，γ—Fe轉變?yōu)轶w心立方晶格的α—Fe，如再繼續(xù)冷卻到室溫，晶格的類型不再發(fā)生變化。圖3-1鐵的同素異構轉變過程示意圖第一節(jié)鐵碳合金的基本相2．鐵碳合金的基本組織(1)鐵素體(F)圖3-2為鐵素體的顯微組織。鐵素體的顯微組織與純鐵相同，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當含碳量接近共析成分時，鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網狀分布在珠光體的周圍。碳溶于α—Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，常用符號“Ｆ”表示。第一節(jié)鐵碳合金的基本相2．鐵碳合金的基本組織(2)奧氏體(A)如圖3-3所示,奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號Ａ表示。奧氏體仍保持γ—Fe的面心立方晶格。第一節(jié)鐵碳合金的基本相2．鐵碳合金的基本組織(3)滲碳體(Fe3C)如圖3-3所示,奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號Ａ表示。奧氏體仍保持γ—Fe的面心立方晶格。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖一、相圖分析第二節(jié)Fe—Fe3C相圖第二節(jié)Fe—Fe3C相圖2Fe—Fe3C相圖中重要的線和相區(qū)根據前期的知識，在相圖中的AC和CD線為液相線，AE和ECF線為固相線。除了上述區(qū)分物質狀態(tài)的線外，還有三條特殊的線。(1)ES線它是碳在奧氏體中溶解度曲線。在1148℃時，奧氏體中碳的質量分數為2.11%，而在727℃時，奧氏體中碳的質量分數為０.77%。故凡是碳的質量分數＞0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃時，都會從奧氏體中沿晶界析出滲碳體，稱為二次滲碳體(Fe—Fe3CⅡ)。ES線又稱Acm線。(2)PQ線它是碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727℃時，鐵素體中碳的質量分數為0.0218%，而在室溫時，鐵素體中碳的質量分數為0.0008%。故一般鐵碳合金由727℃冷至室溫時，將由鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體(Fe—Fe3CⅢ)。在碳的質量分數較高的合金中，因其數量極少可忽略不計。(3)GS線它是合金冷卻時自奧氏體中開始析出鐵素體的析出線，通常稱為Ａ3線。在上述線間形成了四個單相區(qū)：液相區(qū)(L)、奧氏體區(qū)(A)、鐵素體區(qū)(F)、滲碳體區(qū)(Fe3C)。在相圖中包括兩個特征點：共晶點C、共析轉變點S。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析1工業(yè)純鐵圖3-5工業(yè)純鐵結晶示意圖合金的室溫平衡組織為F+Fe3CⅢ。F呈白色塊狀；Fe3CⅢ量極少，呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CⅢ，則組織全為F。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析2共析鋼共析鋼緩冷到室溫的組織為珠光體。圖3-6共析鋼結晶過程示意圖第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析3亞共析鋼在室溫下的顯微組織都是鐵素體和珠光體。圖3-7亞共析鋼結晶過程示意圖第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析4過共析鋼在顯微鏡下，F(xiàn)e3CⅡ呈網狀分布在層片狀P周圍。含1.2%碳的過共析鋼的組成相為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CⅡ和P。圖3-8過共析鋼結晶過程示意圖第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析5.共晶白口鑄鐵

圖3-9共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖過共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體+低溫萊氏體。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖二、典型鐵碳合金結晶過程分析6亞共晶白口鑄鐵

圖3-10亞共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖亞共晶白口鑄鐵的室溫組織為珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖三、鐵碳合金成分、組織與性能之間的關系第二節(jié)Fe—Fe3C相圖三、鐵碳合金成分、組織與性能之間的關系1.碳鋼的機械性能與碳含量的關系

可知鐵碳合金的含碳量和溫度之間關系密切:小于0.0218％時組織全部為F；等于0.77％時全部為P；等于4.3％時全部為′；等于6.69％時全部為Fe3C；在它們之間的組織則為相應組織的混合物。

硬度(HB)主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和相對數量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。隨碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F減少，所以合金的硬度呈直線關系增大，由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時的約800HB。圖3-13性能隨含碳量的變化第二節(jié)Fe—Fe3C相圖四、Fe-Fe3C相圖的應用1.在鋼鐵材料選用方面的應用⑴Fe—Fe3C相圖所表明的某些成分-組織-性能的規(guī)律，為鋼鐵材料選用提供了根據；⑵建筑結構和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材；⑶各種機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應選用碳含量適中的中碳鋼；⑷各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選用含碳量高的鋼種；⑸純鐵的強度低，不宜用做結構材料，但由于其導磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等；⑹白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖四、Fe-Fe3C相圖的應用2.在鑄造工藝方面的應用根據Fe—Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產中，碳含量規(guī)定在0.15～0.6%之間，因為這個范圍內鋼的結晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖四、Fe-Fe3C相圖的應用3.在熱鍛、熱軋工藝方面的應用Fe—Fe3C相圖能對熱加工起到指導的作用。鋼處于奧氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內進行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100～200℃范圍內。溫度高，鋼的變形抗力小，節(jié)約能源，設備要求的噸位低，但溫度過高，鋼材會嚴重燒損或發(fā)生晶界熔化（過燒）。終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點，避免變形時出現(xiàn)大量F，形成帶狀組織而使韌性降低。過共析鋼變形終止溫度應控制在PSK線以上一點，以便把呈網狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太低，過高可導致再結晶后奧氏體晶粒粗大，熱加工后的組織也粗大。第二節(jié)Fe—Fe3C相圖四、Fe-Fe3C相圖的應用4.在熱處理工藝方面的應用Fe—Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據Fe—Fe3C相圖確定的。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素1.錳和硅的影響Si、Mn加入鋼中，可將鋼液中的FeO還原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn還與鋼液中的S形成MnS而大大減輕S的有害作用。這些反應產物大部分進入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含Mn量約為0.25～0.80%。鋼中含Si量約為0.03～0.40%。脫氧劑中的Si與Mn總會有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產生固溶強化作用。在含量不高(＜1％時)，可以提高鋼的強度，而不降低鋼的塑性和韌性，一般認為Si與Mn是鋼中有益元素。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素1.錳和硅的影響Si、Mn加入鋼中，可將鋼液中的FeO還原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn還與鋼液中的S形成MnS而大大減輕S的有害作用。這些反應產物大部分進入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含Mn量約為0.25～0.80%。鋼中含Si量約為0.03～0.40%。脫氧劑中的Si與Mn總會有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產生固溶強化作用。在含量不高(＜1％時)，可以提高鋼的強度，而不降低鋼的塑性和韌性，一般認為Si與Mn是鋼中有益元素。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素2.其它雜質的影響⑴S的影響。S在固態(tài)鐵中幾乎不溶解，它與鐵形成熔點為1190℃的FeS，F(xiàn)eS又與γ—Fe形成熔點更低的(985℃)共晶體。即使鋼中含S量不高，由于嚴重偏析，凝固快完成時，鋼中的S幾乎全部殘留在枝晶間的鋼液中，最后形成低熔點的(Fe+FeS)共晶。含有硫化物共晶的鋼材進行熱壓力加工(加熱溫度一般在1150～1250℃之間)，分布在晶界處的共晶體處于熔融狀態(tài)，一經軋制或鍛打，鋼材就會沿晶界開裂。這種現(xiàn)象稱為鋼的熱脆。如果鋼水脫氧不良，含有較多的FeO，還會形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，熔點更低（940℃），危害性更大。對于鑄鋼件，含硫過高，易使鑄件發(fā)生熱裂；S也使焊件的焊縫處易發(fā)生熱裂。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素2.其它雜質的影響⑴S的影響。S在固態(tài)鐵中幾乎不溶解，它與鐵形成熔點為1190℃的FeS，F(xiàn)eS又與γ—Fe形成熔點更低的(985℃)共晶體。即使鋼中含S量不高，由于嚴重偏析，凝固快完成時，鋼中的S幾乎全部殘留在枝晶間的鋼液中，最后形成低熔點的(Fe+FeS)共晶。含有硫化物共晶的鋼材進行熱壓力加工(加熱溫度一般在1150～1250℃之間)，分布在晶界處的共晶體處于熔融狀態(tài)，一經軋制或鍛打，鋼材就會沿晶界開裂。這種現(xiàn)象稱為鋼的熱脆。如果鋼水脫氧不良，含有較多的FeO，還會形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，熔點更低（940℃），危害性更大。對于鑄鋼件，含硫過高，易使鑄件發(fā)生熱裂；S也使焊件的焊縫處易發(fā)生熱裂。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素2.其它雜質的影響⑵P的影響。P在鐵中固溶度較大，鋼中的P一般都固溶于鐵中。P溶入鐵素體后，有較之其他元素更強的固溶強化能力，尤其是較高的含P量，使鋼顯著提高強度、硬度的同時，劇烈地降低鋼的塑、韌性，并且還提高了鋼的脆性轉化溫度，使得低溫工作的零件沖擊韌性很低，脆性很大，這種現(xiàn)象通常稱為鋼的冷脆。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素2.其它雜質的影響⑶O、H、N的影響。O在鋼中溶解度很小，幾乎全部以氧化物夾雜形式存在，如FeO、Al2O3、SiO2、MnO2等，這些非金屬夾雜使鋼的力學性能降低，尤其是對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等危害很大。H在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時，劇烈地降低鋼的塑、韌性，增大鋼的脆性，這種現(xiàn)象稱為氫脆。少量N存在于鋼中，會起強化作用。N的有害作用表現(xiàn)為造成低碳鋼的時效現(xiàn)象，即含N的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后，隨時間的延長，鋼的強度、硬度上升，塑、韌性下降，脆性增大，同時脆性轉變溫度也提高了，造成了許多焊接工程結構和容器突然斷裂事故。第三節(jié)碳鋼一、碳鋼中雜質元素2.其它雜質的影響⑶O、H、N的影響。O在鋼中溶解度很小，幾乎全部以氧化物夾雜形式存在，如FeO、Al2O3、SiO2、MnO2等，這些非金屬夾雜使鋼的力學性能降低，尤其是對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等危害很大。H在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時，劇烈地降低鋼的塑、韌性，增大鋼的脆性，這種現(xiàn)象稱為氫脆。少量N存在于鋼中，會起強化作用。N的有害作用表現(xiàn)為造成低碳鋼的時效現(xiàn)象，即含N的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后，隨時間的延長，鋼的強度、硬度上升，塑、韌性下降，脆性增大，同時脆性轉變溫度也提高了，造成了許多焊接工程結構和容器突然斷裂事故。第三節(jié)碳鋼二、非合金鋼（碳鋼）的分類1.碳鋼分類方法⑵按鋼的質量分⑴按鋼的碳含量分⑶按用途分第三節(jié)碳鋼二、非合金鋼（碳鋼）的分類1.碳鋼分類方法⑷按鋼的冶煉方法分第三節(jié)碳鋼二、非合金鋼（碳鋼）的分類2.非合金鋼的分類方法⑴按主要質量等級分類分①普通質量非合金鋼②優(yōu)質非合金鋼③特殊質量非合金鋼第三節(jié)碳鋼二、非合金鋼（碳鋼）的分類2.非合金鋼的分類方法⑵按主要性能及使用特性分類①以規(guī)定最高強度為主要特性的非合金鋼②以規(guī)定最低強度為主要特性的非合金鋼③以限制碳含量為主要特性的非合金鋼④非合金易切削鋼⑤非合金工具鋼⑥具有專門規(guī)定磁性或電性能的非合金鋼第三節(jié)碳鋼三、碳鋼的牌號及用途1.普通碳素結構鋼第三節(jié)碳鋼三、碳鋼的牌號及用途2.優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼的鋼號用平均碳含量的萬分數表示。例如鋼號“20”，即表示碳含量為0.20％（萬分之二十）的優(yōu)質碳素結構鋼。“45”表示碳含量為0.45％的優(yōu)質碳素結構鋼。若鋼中錳含量較高，則在其鋼號后附以符號“Mn”，如