金屬材料與熱處理對于新課的態度為什么學？——Why學什么？——What怎樣學？——How好不好學？——Easyordiffcult?一、課程的性質（Why)課程性質：專業技術基礎課研究對象：金屬材料材料是人類生存和發展的物質基礎。機械工程材料按化學成分可分成金屬材料和非金屬材料兩大類，其中應用最廣的仍是金屬材料。金屬材料黑色金屬如鋼、鑄鐵等灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、合金鋼等有色金屬如銅、鋁等純銅、黃銅、青銅、純鋁、鋁合金、純鈦、鈦合金等非金屬材料高分子材料如塑料、橡膠等熱塑性塑料、熱固性塑料、天然或合成橡膠等無機非金屬材料如陶瓷、水泥、玻璃等粘土陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷等復合材料如粒子增強復合材料、纖維增強復合材料等纖維樹脂復合材料、纖維金屬復合材料等材料的四大家族金屬材料之所以應用廣泛，原因是其來源豐富。具有優良的力學性能和工藝性能，如具有較高的強度、優良的塑性和韌性；具有耐熱性、耐低溫性、耐蝕性；可鑄造、鍛造、沖壓和焊接；還有良好的導電性、導熱性等。金屬材料的性能可以通過化學成分、熱處理或其他加工工藝進行調整，使其性能可在較大范圍內變化，以滿足工程需要。學習目的學習本課程的目的是使學生獲得常用金屬材料的種類、成分、組織、性能和改性方法的基本知識。二、課程的含義(What)金屬材料與熱處理的科學含義:研究金屬材料的成分、組織結構、熱處理與性能之間關系的科學。

因

果從材料學的角度看，金屬材料的性能取決于內部結構，而金屬材料的內部結構又取決于成分和加工工藝，這同時也是金屬材料與熱處理這門課程一條鮮明的主線。內因化學成分外因性能

內部組織結構熱處理和塑性變形性能與成分和加工工藝的關系成分:材料的成分不同，其內部組織結構就不同，其性能也就不同；如鋼和鑄鐵；加工工藝、熱處理：可以使材料的性能在很大的范圍內變化，如刀具的淬火，塑性變形：可以產生加工硬化，從而改變材料的性能；金屬的性能首先取決于其內部組織結構，而組織結構又取決于化學成分和加工工藝（熱處理）。含碳量低于2.11%含碳量高于2.11%本課程的任務就是以金屬材料的性能為核心，以培養學生的能力為目標，以金屬材料的應用為出發點，介紹常用金屬材料的性能與成分、組織結構、加工工藝之間的關系，重點是機械工業中常用的金屬材料。三、課程的任務和要求課程基本要求（教學目標）1.了解常用工程材料的成分、結構、組織和性能的關系及變化規律。2.掌握常用工程材料的種類、牌號、性能及用途。對典型的機器零件和工具等會合理正確地選用工程材料。3.具有正確選擇一般零件熱處理工藝方法及確定熱處理工序位置的初步能力。4.對不同材料零件的失效，具有一定的分析問題和解決問題的能力。四、材料科學的發展材料發展概括▲《天工開物》—明朝科學家：宋應星箸▲石器時代陶器時代銅器時代：司母戊鼎（公元前11—16世紀）1130×780×1100戰國編鐘（前475—221年）65個總重2500Kg天然石，獸骨，樹枝泥巴（日曬→原始陶器；火燒→瓷器用具）鐵器時代滄州大獅（公元953年）重50T,長5.3m,寬3m人工復合材料塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等★智能材料每一種材料的發現和利用，都使人類利用和改造自然的能力得到了提高，成為人類進步的一個里程碑。殲-10戰斗機全機大量采用鈦合金、復合陶瓷、納米技術纖維等，有效減少空重增加載彈量和隱身性能。F22“猛禽”戰斗機制造材料中：鈦合金占39％，復合材料占24％，鋁合金16％。五、課程的特點、安排和學習方法課程的特點雜，多，廣，邏輯性差。概念多，抽象，一般多為文字敘述；但無計算。難易結合。學習方法認真聽講，勤看書，多理解，要記憶。

教學安排

（1）內容核心：材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間的關系及其在各種條件下的變化規律。（2）內容結構金屬學原理―熱處理原理和工藝―常用金屬材料（3）學時安排

總學時：60/80實驗：8優慕課第一單元金屬的力學性能及測試導讀金屬材料之所以在現代工業中獲得廣泛應用，主要是由于其具有加工過程和使用過程中所需要的各種優越性能，金屬材料的性能是選擇材料的主要依據。掌握各種金屬材料的性能及其表征指標，對于正確選擇和使用金屬材料、充分發揮其性能潛力、保證構件或零件質量是十分重要的。性能使用性能工藝性能

力學性能

物理性能

化學性能

強度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞

熔點、密度以及電、磁、光和熱

耐腐蝕和抗氧化性性能使用性能工藝性能

鑄造性能鍛壓性能焊接性能熱處理性能切削加工性能工藝性能和使用性能的關系既有聯系又不相同的兩類性能，都是金屬材料本身蘊藏著的。由于目的不同，這兩類性能上的好與壞或高與低，有時是一致的，有時卻是互相矛盾的。例如，一些要求高強度或高硬度或耐高溫的材料常常會給壓力加工、機械加工、鑄造等工藝帶來不少困難，有時甚至會達到否定某些材料的程度。金屬材料的力學性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時，對變形與斷裂的抵抗能力及發生變形的能力。材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。力學性能材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標。常用的力學性能有：強度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。模塊一強度與塑性一、金屬靜拉伸實驗單向靜拉伸試驗（Tensiletest）是在試樣兩端緩慢地施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，直至拉斷為止。1.拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）1.拉伸試樣（GB/T228-2010）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0經過機加工的試樣經過拉伸試驗的試樣不經機加工試樣萬能材料試驗機

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式均勻塑性變形

2.力－伸長曲線57應力ABFAs=F/A(單位:N/m2orPascal(Pa))58應變應變用來描述塑性變形和彈性變形程度單位長度上的變化量：

e=DL/L0無單位(m/m,mm/mm)59拉伸試樣的頸縮現象

(a)試樣(b)伸長(c)產生縮頸(d)斷裂ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。

二、強度及表征指標強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術上重要的力學性能指標。按照載荷的性質，材料強度有靜強度、疲勞強度等；按照環境條件，材料強度有常溫強度、高溫強度等，高溫強度又包括蠕變極限和持久強度。除了上述材料強度外，還有機械零件和構件的結構強度。工程上常用的強度指標有強度指標有屈服強度、規定殘余延伸強度、抗拉強度等。材料強度的大小通常用應力（單位面積上所承受的力）來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結構的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa。

強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。1.屈服強度1.屈服強度屈服強度是金屬材料開始產生明顯塑性變形的最小應力值，其實質是金屬材料對初始塑性變形的抗力。在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應的應力稱為上、下屈服強度，分別用ReH和ReL表示。ReH和ReL的計算公式如下：1.2規定塑性延伸強度對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現象，無法確定其屈服強度。國標GB/T228-2010規定，一般規定以試樣達到一定殘余伸長率對應的應力作為材料的屈服強度，稱為規定塑性延伸強度，通常記作Rp。例如Rp0.2表示殘余伸長率為0.2%時的應力。加載時測量。

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2=工程上各種構件或機器零件工作時均不允許發生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和規定殘余延伸強度Rp是工程技術上重要的力學性能指標之一，也是大多數機械零件選材和設計的依據。ReL

和Rp常作為零件選材和設計的依據。傳統的強度設計方法，對韌性材料，以屈服強度為標準，規定許用應力[σ]=ReL/n，安全系數n一般取2或更大。2.抗拉強度材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號Rm表示。Rm=FbS0計算公式抗拉強度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現縮頸現象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。屈服強度

抗拉強度

3.屈強比屈服強度與抗拉強度的比值（）稱為材料的屈強比。屈強比的大小對金屬材料意義很大。但屈強比過大，材料在斷裂前塑性“儲備”太少，對應力集中敏感，安全性能下降，合理的屈強比一般在0.60～0.75之間。第一位數字表示抗拉強度，如4，表示抗拉強度為400MPa。第二位表示屈強比，一般為0.8。屈服強度與抗拉強度的比值（）稱為材料的屈強比。1.上面鋼棒、銅棒、木棒，哪一種材料“結實”？2.“結實”與金屬材料的哪個力學性能指標意思相近？強度

1.金屬材料的強度怎么測試？2.強度的表征指標有哪些？屈服強度

抗拉強度

金屬材料僅有高的強度，就完美嗎？

三、常用塑性指標（二）衡量指標金屬材料斷裂前發生塑性變形的能力。斷面收縮率：斷后伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。（一）定義1.斷后伸長率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——試樣拉斷后的標距,mm;l0——試樣的原始標距,mm。同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。由于大多數韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d）測得的斷后伸長率A11.3。2.斷面收縮率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。1．拉伸試樣的原標距長度為50mm，直徑為10mm。試驗后將已斷裂的試樣對接起來測量，標距長度為73mm，頸縮區的最小直徑為6mm，試求該材料的斷后伸長率和斷面收縮率。3.塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。斷后伸長率A和斷面收縮率Z越大，說明材料在斷裂前發生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。

a）安全，防止產生突然破壞；

b）緩和應力集中；

c）金屬鍛壓、軋制、沖壓、位拔、冷彎等變形加工。強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現象稱為超塑性。由于超塑性狀態具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領域被中應用。超塑性技能訓練金屬常溫拉伸試驗掃描二維碼觀看低碳鋼拉伸試驗視頻。

GB/T228-2002新標準

GB/T228-1987舊標準名稱符號名稱符號屈服強度①－屈服點σs上屈服強度ReH上屈服點σsU下屈服強度ReL下屈服點σsL規定殘余延伸強度Rr規定殘余延伸應力σr抗拉強度Rm抗拉強度σb斷后伸長率A或A11.3斷后伸長率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ模塊二硬度測試

材料抵抗表面局部塑性變形的能力。壓入法硬度試驗設備簡單，操作迅速方便，可直接在工件上測量而不傷工件，更為重要的是通過硬度測量可以估計出金屬材料的其它力學性能指標，如強度、塑性等。硬度是金屬力學性能中最常用的性能之一，硬度試驗在科研和生產中得到了廣泛應用。壓入法：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。刻劃法：莫氏硬度表征材料對切斷的抗力。回跳法：里氏硬度、肖氏硬度表征金屬彈性變形功的大小。常用的硬度方法一、布氏硬度布氏硬度試驗是指用一定直徑的硬質合金球以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定保持時間后卸除試驗力，用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗。1.原理布氏硬度=

FS凹=2FπD[D-（D2-d2）?]

布氏硬度實際測試時，硬度值是不用計算的，利用讀數放大鏡測出壓痕直徑d，根據d值查平面布氏硬度表即可得出硬度值。

2.試驗規范由于不同金屬材料的硬度不同、工件有厚有薄，按照金屬布氏硬度試驗方法執行GB/T231.1－2002《金屬布氏硬度試驗第1部分:試驗方法》。進行布氏硬度試驗時，試驗力F與壓頭直徑（mm）的平方的比值（0.102F/D2）應為30、15、10、5、2.5、1中的一個。在試樣尺寸允許時，應優先選用直徑為10mm的球壓頭進行試驗。測量比較軟的材料。測量范圍<650HBW的金屬材料。3.特點及應用壓痕大，測量準確，但不能測量成品件。4.實驗（錄像）1.

原理二、洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值標尺硬度符號壓頭類型總載荷(N或kg

f

)

測量范圍應用范圍AHRA120°金剛石圓錐體588.4(60)20～88硬質合金、表面硬化層、淬火工具鋼等BHRBW?1.588mm硬質合金球980.7(100)10～100低碳鋼、銅合金、鋁合金、鐵素體可鍛鑄鐵CHRC120°金剛石圓錐體1471(150)20～70淬火鋼、調質鋼、高硬度鑄鐵2.試驗規范常用洛氏硬度標尺的試驗范圍HRA、HRC壓頭HRBW壓頭優點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。3.優缺點缺點：壓痕小，測量不準確，需多次測量。4.實驗（錄像）1.測試原理和布氏硬度試驗原理基本相同。采用兩相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石作為壓頭。2.試驗力

常用的試驗力：49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。三、維氏硬度3.表示方法

640HV30/20測量范圍在5～3000HV4.適用范圍

測量從極軟到極硬的材料，測量薄片金屬、金屬鍍層及零件表面硬化層的硬度。采用1Kgf(9.81N)或小于1Kgf(9.81N)負荷進行的維氏硬度試驗稱為維氏硬度。三、里氏硬度各硬度值之間大致有以下關系：布氏硬度值在200～450HBW范圍內，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，HBW≈HVQuestion1：金屬材料在靜載荷下的力學性能有哪些？

Answer：強度、硬度、塑性。Question2：強度、硬度、塑性各有哪些表征指標？

Answer：屈服強度、抗拉強度布、洛、維氏硬度（HB、HR、HV）斷后伸長率、斷面收縮率。學習回顧

Question3：測試上述指標需要做什么試驗？

Answer：靜拉伸試驗、硬度測試葫蘆島市某企業委托進行ZG200-400（20鋼）鑄件力學性能檢驗。檢驗項目為強度、硬度、塑性、沖擊韌性。什么是沖擊韌性？沖擊韌性如何測試？金屬沖擊韌性的測試任務：ZG200-400鑄鋼沖擊韌性的測試除靜載荷外，金屬材料在工作時還經常受到動載荷的作用。任務導入沖擊載荷沖擊載荷對金屬材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷，應對金屬材料提出相應的力學性能要求。1.沖擊載荷2.沖擊韌性3.沖擊試驗的分類4.沖擊試樣5.一次擺錘沖擊試驗的原理6.沖擊斷口一、知識準備任何沒有理論知識支撐的操作都是蠻干！在較短時間內快速作用物體上的載荷稱為沖擊載荷。加載速率高，作用時間短。有時利用，有時要抵抗，有時盡量避免或減小。1.沖擊載荷金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。韌性是金屬材料重要的力學性能。強度、硬度、塑性、韌性。2.沖擊韌性“兩度兩性”按試驗溫度條件來分，可分為高溫沖擊、室溫沖擊和低溫沖擊三類。按受力形式來分，又可分為簡支梁沖擊（夏比沖擊試驗）和懸臂梁沖擊（艾氏沖擊試驗）。3.沖擊試驗的分類標準沖擊試樣有夏比U型缺口試樣和夏比V型缺口試樣兩種類型。缺口的作用是為了使試樣承受沖擊載荷時在缺口附近造成應力集中，使塑性變形局限在缺口附近不大的體積范圍內，并保證試樣一次沖斷且使斷裂發生在缺口處。4.沖擊試樣選擇試樣類型的原則應根據試驗材料的產品技術條件、材料的服役狀態和力學特性，一般情況下，尖銳缺口試樣適用于韌性較好的材料。如不能制備標準試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應缺口的標準試樣相同，缺口應開在試樣的窄面上。注意：鑄鐵或工具鋼等脆性材料，常采用無缺口沖擊試樣。（10×10×55mm）5.一次擺錘沖擊試驗的原理執行標準：GB/T229－2007《金屬夏比擺錘沖擊試驗方法》。

mgh1-mgh2=

K沖擊能量（單位為焦耳/J）即為材料沖擊韌性的表征指標。5.一次擺錘沖擊試驗的原理

沖擊能量U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV。沖擊能量的值越大，材料的韌性越高，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊能量高的材料稱為韌性材料，沖擊能量低的材料稱為脆性材料。依據斷口形貌可以定性地表示金屬材料的沖擊韌性。沖擊斷口由纖維區、放射區、剪切唇三個區組成。纖維區面積越大，剪切唇越明顯，表明材料的沖擊韌性越高。6.沖擊斷口

纖維區

放射區

剪切唇

一組沖擊試樣的斷口照片哪個試樣沖擊韌性高？

高

中

低1.試樣檢查2.沖擊試驗3.沖擊試驗報告二、任務實施工具：游標卡尺，缺口檢查儀測量試樣的長、寬、高等尺寸。檢查缺口位置、形狀和尺寸。1.沖擊試樣檢查試驗條件（材料牌號、規格、材料狀態、試驗溫度、試驗機打擊能量、試驗日期等）。起擺。放置試樣。沖擊。讀數。2.沖擊試驗3.沖擊試驗報告三、低溫脆性低溫脆性——隨溫度降低，金屬沖擊能量下降，由韌性狀態轉變為脆性狀態的現象。冷脆：材料因溫度降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現象。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。

韌性階段沖擊波動階段脆性階段沖擊韌性與溫度的關系溫度沖擊能量體心立方金屬具有韌脆轉變溫度。大多數面心立方金屬沒有。轉變溫度（Tt

）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區使用的材料要十分重要。缺口沖擊試驗最大的優點就是測量迅速簡便。用于控制材料的冶金質量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質量。用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉變溫度）。設計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉變溫度。四、沖擊試驗的應用

【小資料】GB/T229－2007與GB/T229－1994相比，在金屬沖擊韌性的名稱和符號等方面有較大變化，為此，將關于金屬材料沖擊韌性的新、舊標準名稱和符號對照列于下表中。新標準GB/T229－2007舊標準GB/T229－1994名稱符號名稱符號

沖擊能量K

沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊能量KU2U型缺口沖擊吸收功AKUV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊能量KV2V型缺口沖擊吸收功AKV五、課后

2.通過微信答疑1.閱讀PDF教材，理解、鞏固

3.登錄優慕課，共享各種教學資源模塊四

金屬疲勞

人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復嗎？金屬材料在受到交變應力或重復循環應力時，往往在工作應力小于屈服強度的情況下突然斷裂，這種現象稱為疲勞。1.變動載荷和循環應力1.變動載荷——引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、方向均隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動應力。變動應力可分為規則周期變動應力(也稱循環應力)和無規則隨機變動應力兩種。金屬疲勞產生的原因a)應力大小變化b)c）應力大小和方向都變化d)應力大小和方向無規則變化

1.平均應力2.應力幅tσ一個應力循環零件在受到循環應力作用時，經過一定循環周次后，往往在工作應力遠小于抗拉強度（甚至屈服強度）的情況下突然斷裂，這種現象稱為疲勞。據統計，各類斷裂失效中，80%是由于各種不同類型的疲勞破壞所造成的。

2.疲勞斷裂低應力破壞。無征兆破壞。累積的損傷結果。盡管疲勞失效的最終結果是部件的突然斷裂，但實際上它們是一個逐漸失效的過程，從開始出現裂紋到最后破斷需要經過很長的時間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區域組成，即疲勞裂紋產生區（裂紋源）、裂紋擴展區和最后斷裂區。1998年6月3日，德國艾舍德高速列車脫軌事故中的車輪輪緣疲勞斷口金屬疲勞裂紋大多產生于零件或構件表面的薄弱區。由于材料質量、加工缺陷或結構設計不當等原因，在零件或試樣的局部區域造成應力集中，這些區域便是疲勞裂紋核心產生的策源地。在金屬零件或構件中可能有一個疲勞裂紋源，也可能出現兩個或多個。

3.疲勞極限當應力低于某值時，材料經受無限次循環應力也不發生疲勞斷裂，此應力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應力比），就是S-N曲線中的平臺位置對應的應力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。

對一般低、中強度鋼：107周次對高強度鋼：108周次對鋁合金，不銹鋼：108周次對鈦合金：107周次4.提高金屬抗疲勞破壞的途徑（1）零件設計時形狀、尺寸合理。應盡量避免尖角、缺口和截面突變。（2）降低零件表面粗糙度，提高表面加工質量。如表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋、夾雜等）和表面加工損傷（刀痕、磨痕、擦傷等）。（3）采用各種表面強化處理。如滲碳、滲氮、表面淬火、噴丸和滾壓等都可以有效地提高疲勞極限。

表面強化提高疲勞極限示意圖

a)未進行表面強化b)表面強化后表面應力超過疲勞極限表面應力低于疲勞極限第二單元金屬的晶體結構硅表面原子排列碳表面原子排列在目前使用的含112種元素的元素周期表中，金屬元素共90種，如鐵、銅、鋁等都是金屬元素。金屬元素在室溫時，除水銀（汞）為液態外，其余皆為固態。金屬是一種不透明，具有金屬光澤、具有良好的導電性、導熱性，具有一定的塑性，并具有正的電阻溫度系數的物質。模塊一純金屬的晶體結構

金屬由原子組成。原子的結合方式和排列方式決定了金屬的性能。金屬的性能是由其組織結構決定的，其中結構指的就是晶體結構。金屬的晶體結構就是其內部原子的排列方式，因為金屬是晶體，所以稱為晶體結構。

一、晶體與非晶體

1、晶體：原子在三維空間內的周期性規則排列。長程有序，各向異性。2、非晶體：原子在三維空間內不規則排列。長程無序，各向同性。3、在自然界中除少數物質（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數無機化合物和有機化合物，甚至植物纖維都是晶體。有些晶體具有規則的多面體外形，如水晶；有些則沒有規則整齊的外形，如金屬。

晶體有固定的熔點，而非晶體則沒有。晶體有一定的熔點且性能呈各向異性，而非晶體與此相反。。晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉變：玻璃經長時間加熱能變為晶態玻璃；金屬從高溫液態急冷，可變為非晶態金屬；非晶態金屬具有高的強度與韌性等一系列突出性能，近年來已為人們所重視。二、金屬晶體結構基礎知識晶格、晶胞和晶格常數晶體：空間點陣：由幾何點做周期性的規則排列所形成的三維陣列。空間點陣中的點－陣點。它是純粹的幾何點，各點周圍環境相同。晶格：描述晶體中原子排列規律的空間格架稱之為晶格。

晶胞：空間點陣中能代表原子排列規律的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構成空間點陣的最基本單元。選取原則：能夠充分反映空間點陣的對稱性；相等的棱和角的數目最多；具有盡可能多的直角；體積最小。晶格常數三個棱邊的長度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。晶向與晶面晶向：空間點陣中各陣點列的方向。晶面：通過空間點陣中任意一組陣點的平面。布拉菲點陣

7個晶系，

14種點陣。大部分（2/3）的金屬屬于三種典型的晶體結構。立方六方四方菱方正交單斜三斜三、典型晶體結構在元素周期表一共約有110種元素，其中80多種是金屬，占2/3。而這80多種金屬的晶體結構大多屬于三種典型的晶體結構。它們分別是：

1、體心立方晶格（BCC）

2、面心立方晶格（FCC）

3、密排六方晶格（HCP）

1.體心立方晶格（

BCC）原子排列方式常見金屬原子個數原子半徑配位數致密度間隙半徑

體心立方晶胞特征：

晶格常數：a=b=c,α=β=γ=90°具有體心立方晶格的金屬有：鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、α-鐵(α-Fe,<912℃)等。體心立方晶格原子個數每個晶胞實際占有的原子個數。（分析時要認真考慮每個原子的空間狀況）原子半徑晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半。體心立方晶胞中原子相距最近的方向是體對角線,所以原子半徑與晶格常數a之間的關系為：致密度晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度(也稱密排系數)。致密度越大,原子排列緊密程度越大。

體心立方晶胞的致密度為：

晶胞(或晶格)中有68%的體積被原子所占據,其余為空隙。

體心立方晶格原子個數：2配位數：8致密度：0.68常見金屬：

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數：a(a=b=c)原子半徑：原子球塔原子球塔位于比利時首都布魯塞爾西北郊的海塞爾高地，是布魯塞爾十大名勝之一，與倫敦的水晶宮，巴黎的埃菲爾鐵塔一同成為世博會留下的永恒紀念……

原子球塔是為1958年布魯塞爾世界博覽會而建的金屬結構的紀念性建筑物，比利時著名的建筑大師昂-瓦特凱恩(AndréWaterkeyn)設計。高102米，重達2200噸，包括9個直徑18米的球體，與連接圓球的鋼管構成相當于放大1650億倍的α鐵的體心立方晶體結構。原子排列方式常見金屬原子個數原子半徑配位數致密度間隙半徑

2、面心立方晶格（

FCC）金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。面心立方晶胞的特征：晶格常數：a=b=c,α=β=γ=90°具有這種晶格的金屬有：鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ-鐵(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶格

原子個數在面心立方晶胞中,每個角上的原子在晶格中同時屬于8個相鄰的晶胞,因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為1/8,而每個側面中心的那個原子則屬于兩個晶胞。所以一個體心立方晶胞所含的原子數為4個。

原子半徑

：原子半徑原子個數：4配位數：12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數：a面心立方晶格

3、密排六方晶格（

HCP）原子排列方式常見金屬原子個數原子半徑配位數和致密度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。具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。

密排六方晶胞的特征：晶格常數：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表達,兩相鄰側面之間的夾角為120°,側面與底面之間的夾角為90°。原子個數原子半徑：原子半徑原子個數：6配位數：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數：底面邊長a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格

r=a/2

三種常見金屬晶格的結構特點晶格類型晶胞中的原子數原子半徑致密度常見金屬體心立方20.68鉻(Cr)、鎢(w)、鉬(Mo)、釩(V)、α-Fe面心立方40.74銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)γ-Fe密排六方60.74鎂(Mg)、鋅（Zn）、鎘（Cd）

三、同素異構轉變某些金屬在固態下的晶體結構是不固定的，而是隨著溫度、壓力等因素的變化而變化，如鐵、鈦等，這種現象稱為同素異構轉變，也稱為重結晶。下面以鐵為例子來說明同素異構轉變：α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------LBCC（912℃）FCC（1394℃）BCC金屬的同素異構轉變為其熱處理提供基礎，鋼能夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固態下發生同素異構轉變。鐵的同素異構轉變模塊二合金的相結構合金：是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質。例如碳鋼是鐵和碳組成的合金。組元：組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元，簡稱為元。一般的說，組元就是組成合金的元素。例如銅和鋅就是黃銅的組元。一、基本概念合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。如Fe-C系，Fe-Cr系等。2相相：是指合金中成分、結構均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。3組織：

由不同形態、大小、數量和分布的相組成的綜合體。如單相、兩相、多相合金。金屬及的組織一般應用顯微鏡才能看到，所以常稱顯微組織。組織：組織是指金相顯微鏡下觀察到的材料的微觀形貌特征。合金中的各種相是組成合金的基本單元，而合金組織則是合金中各種相的綜合體。一種合金的力學性能不僅取決于它的化學成分，更取決于它的顯微組織。金屬通過熱處理可以在不改變化學成分的前提下獲得不同的組織，從而獲得不同的力學性能。合金中的相按結構可分為：固溶體和金屬化合物。

合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結構與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質，含量較少。二、固溶體

固溶體用α、β、γ等符號表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B),其中A為溶劑,B為溶質。例如，銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用α表示,亦可表示為Cu(Zn)。

2、分類

按溶質原子在溶劑晶格中的位置,固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。按溶質原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。按溶質原子在固溶體中分布是否有規律，固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種。在一定條件(如成分、溫度等)下，一些合金的無序固溶體可轉變為有序固溶體。這種轉變叫做有序化。間隙固溶體置換固溶體Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物（上）完全互溶的固態Cu-Ni合金單相固溶體；（下）WZn>39%的Cu-Zn合金中由固溶體和化合物CuZn兩相組成。3.固溶體的性能無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質原子的存在都會使晶格發生畸變，使其性能不同于原純金屬。由于溶質原子的溶入，固溶體發生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。固溶強化

純銅的Rm為220MPa,硬度為40HBW,斷面收縮率Z為70%。當加入1%鎳形成單相固溶體后,強度升高到390MPa,硬度升高到70HBW,而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體的綜合力學性能很好,常常作為合金的基體相。固溶體與純金屬相比,物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導電率下降,磁矯頑力增大。隨著溶質原子的溶入，金屬電阻升高，而且固溶體的電阻值與溫度關系不大，工程上應用的精密電阻和電熱材料等都廣泛應用固溶體合金，如熱處理爐用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni電阻絲等多是固溶體合金。三、金屬化合物若新相的晶體結構不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等。在這些化合物中，Fe3C和β相均具有相當程度的金屬鍵及一定的金屬性質，是一種金屬物質，稱為金屬化合物。包括：正常價化合物、電子化合物（電子相）、間隙化合物。而FeS、MnS具有離子鍵，沒有金屬性質，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程帶來的，數量少且對合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜物。金屬化合物一般具有復雜的晶體結構，熔點高，高硬度、低塑性，硬而脆。當合金中出現金屬化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性。金屬化合物是工具鋼、高速鋼等鋼中的重要組成相。四、合金的組織類型合金的組織類型一般分為兩種，即單相固溶體型和機械混合物型。大多數合金的組織都屬于機械混合物型,通過調整固溶體中溶質含量和金屬化合物的數量、大小、形態及分布狀況，可以使合金的力學性能在較大范圍內變動，以滿足工程上不同的使用要求。模塊三金屬的晶體缺陷在晶體內部原子排列并不是完全規則的，在局部一定尺寸范圍內原子排列不規則的現象稱為晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變）和性能控制（如材料強化）中具有重要作用。就好象維納斯的“無臂”之美更深入人心，晶體缺陷賦予材料豐富內容。一、單晶體與多晶體如果晶體中所有原子排列位向一致，這個晶體稱為單晶體。單晶體具有各向異性。單晶體只有通過特殊的方法才能制取，如航空發動機中的單晶葉片。多晶體：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大。多晶體具有各向同性。點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。包括空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。二、晶體缺陷一、點缺陷由于原子熱振動造成的。1、點缺陷的類型空位與間隙原子2.點缺陷的產生及其運動（1）點缺陷的產生平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點缺陷的運動（遷移、復合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）3、點缺陷與材料行為（1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）力學性能（屈服強度提高。）二、線缺陷（位錯）

位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。意義：對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發現理論晶體模型剛性切變強度與與實測臨界切應力的巨大差異（2～4個數量級）。1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。1947年，柯垂耳提出溶質原子與位錯的交互作用。1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。之后，用SEM直接觀察到了晶體中的位錯。位錯的基本類型有刃型位錯和螺型位錯，其中最簡單的是刃型位錯。刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)電子顯微鏡下的位錯觀察

強度與位錯密度的關系

退火金屬中位錯密度一般為1010～12m-2左右。位錯的存在極大地影響金屬的力學性能。當金屬為理想晶體或僅含極少量位錯時,金屬的屈服強度很高,當含有一定量的位錯時,強度降低。當進行形變加工時,位錯密度增加,屈服強度將會增高。3.面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力學和物理化學性能具有重要影響。1晶界（1）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。即使在一個晶粒內部，原子排列的位向也不完全一致，而是存在著許多尺寸很小、位向差很小（一般是幾十分到1°～2°）的小晶塊，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞結構（或亞晶粒、嵌鑲塊），在亞結構內部，原子的排列位向是一致的。兩相鄰亞結構間的邊界稱為亞晶界。晶界的性能：（1）

界面能會引起界面吸附。（2）

界面上原子擴散速度較快。（3）

對位錯運動有阻礙作用。（4）

易被氧化和腐蝕。（5）

原子的混亂排列利于固態相變的形核。（6）熔點低。種類主要形式對材料性能的影響點缺陷空位,間隙原子等電阻增加，金屬擴散，金屬強化，固態相變等線缺陷刃型位錯,螺型位錯金屬塑性變形與強化，金屬擴散，固態相變面缺陷晶界,亞晶界易腐蝕,易擴散,熔點低,強度高,細晶強化第三單元金屬的結晶凝固結晶金屬由液態轉變為固態的過程。結晶是指從原子不規則排列的液態轉變為原子規則排列的晶體狀態的過程。288

金屬的結晶物質從液態到固態的轉變過程。若凝固后的物質為晶體，則稱之為結晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結晶。凝固過程影響后續工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結晶過程。平衡結晶溫度或理論結晶溫度金屬熔點通常把金屬從液態轉變為固體晶態的過程稱為一次結晶。而把金屬從一種固體晶格轉變為另一種固體晶格的過程稱為二次結晶或重結晶。

同素異晶轉變模塊一純金屬的結晶一、熱分析試驗方法熱分析試驗方法過冷結晶潛熱1.冷卻曲線信息量很大呦2過冷現象（1）過冷：金屬的實際結晶溫度總是低于其理論結晶溫度的現象。（2）過冷度：金屬材料的理論結晶溫度(Tm)與其實際結晶溫度T0之差△T=Tm-T0(3)過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。二、結晶過程1.結晶的基本過程形核－長大晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織2.晶核的形成均勻形核12

非均勻形核自發形核(均勻形核)：在液態金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團。當溫度降到結晶溫度以下時，短程有序的原子集團變得穩定，不再消失，成為結晶核心。這個過程叫自發形核。均勻形核非自發形核（非均勻形核）：實際金屬內部往往含有許多其它雜質。當液態金屬降到一定溫度后，有些雜質可附著金屬原子，成為結晶核心，這個過程叫非自發形核。非均勻形核實際金屬結晶主要以樹枝狀長大。這是由于存在負溫度梯度，冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優越，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優先形成的晶枝稱一次晶軸，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸…，樹枝間最后被填充。實際金屬結晶時，晶體多以樹枝狀長大方式長大。3.樹枝狀長大合金的結晶理論與純金屬相同。合金的結晶不是在恒溫下進行的，有一定的結晶溫度范圍。在結晶過程中不只有一個固相和液相，而是在不同范圍內有不同的相，各相成分也發生變化。模塊二晶粒大小及控制

一、細晶強化金屬結晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化,是提高金屬力學性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。1.增加過冷度

一定體積的液態金屬中，若形核率N(單位時間單位體積形成的晶核數,個/m3·s)越大，則結晶后的晶粒越多，晶粒就越細小；晶體長大速度G(單位時間晶體長大的長度,m/s)越快，則晶粒越粗。

二、細化晶粒的措施隨著過冷度的增加,形核速率和長大速度均會增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,結果使晶粒細化。增大過冷度的主要辦法是提高液態金屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強的模子。實際生產中，通常采用降低鑄型溫度、采用蓄熱大和散熱快的金屬鑄型、局部加冷鐵以及采用水冷鑄型等。這種方法只適合于小件或薄件，對于大型工件，如冷卻速度過大，會使結晶時的內應力加大，導致工件的變形甚至開裂。2.變質處理變質處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質劑，以增加晶核的數量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善組織。例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁等。

氣輪機轉子的宏觀組織(縱截面)細晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)鑄鐵變質處理前后的組織變質處理前變質處理后變質處理使組織細化。變質劑為硅鐵或硅鈣合金。3.振動

在金屬結晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結晶核心，獲得細小的晶粒。

4.電磁攪拌將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現象，液態金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結晶核心，從而可細化晶粒。鑄錠三晶區12

鑄錠缺陷模塊三金屬鑄錠的組織工業上應用的金屬零部件一般由兩種途徑獲得：一種是將液態金屬澆注到一定形狀與尺寸的鑄型中直接凝固而成，稱為鑄件（Casting）。另一種是通過液態金屬澆注成方或圓的鑄錠（Ingotcasting），然后再通過熱軋或鍛壓，最終可能通過切削加工和熱處理，甚至焊接來獲得零部件的幾何尺寸和性能。金屬結晶后的組織統稱為鑄態組織。對于鑄件來說，鑄態組織和缺陷直接影響它的力學性能。對于鑄錠來說，鑄態組織和缺陷直接影響它的加工性能，也有可能影響到最終零部件的力學性能。金屬鑄錠的組織和質量，不僅在鑄造生產中，而且對幾乎所有的金屬零部件都是重要的。一、鑄錠三晶區2006200720082009中間柱狀晶粒層表面細晶粒層中心等軸晶粒層323⑴表層細晶區：澆注時，由于冷模壁產生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區。⑵柱狀晶區：由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區。⑶中心粗等軸晶區:由于結晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導致柱狀晶生長停止，當心部液體全部冷至實際結晶溫度T1以下時，在雜質作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。金屬鑄錠的三個晶區的形成327表層細晶粒層

柱狀晶粒層中心等軸晶粒區液體金屬澆入鑄模后，由于模壁溫度較低，表層

金屬劇烈冷卻，過冷度大，且模壁的異質形核作用，故鑄錠表層形成細晶粒層。柱狀晶粒區成長到一定厚度時，散熱的方向性已不明顯，內部液體處于均勻冷卻狀態，晶核在不同方向的成長速度相同，因此在鑄錠的中心便形成粗大的等軸晶粒區。表層細晶粒層形成后，鑄錠的冷卻速度下降，晶核的形成速率不如成長率大，各晶粒成長較快。由于沿垂直于模壁方向散熱較快，故晶粒編沿這一方向長大，形成柱狀晶粒層。鑄錠表層細晶區的組織致密，力學性能好，但該區很薄，對鑄錠性能影響不大。柱狀晶區的組織比中心粗大等軸晶區致密，其塑性較差，呈現各向異性，在鍛造和軋制時容易開裂。因此，對塑性較差、熔點高的金屬不希望產生柱狀晶區。中心粗大等軸晶區組織疏松，雜質較多，力學性能較低。定向凝固（Directionalsolidification）是指在熔模鑄造型腔中建立特定的溫度梯度，使金屬熔液散熱方向單一并垂直于生長中的固-液界面，從而使金屬沿與散熱相反的方向結晶，獲得單向生長的柱狀晶體。定向凝固技術最突出的成就是在渦輪風扇發動機葉片中的應用，定向凝固高溫合金渦輪葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。提高發了發動機的推力和可靠性，并延長了使用壽命。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固技術圖定向結晶裝置原理圖二、鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點等，它們對性能是有害的。1.縮孔縮孔是由于液態金屬結晶時體積收縮且補縮不足造成的。可通過改變結晶時的冷卻條件和加冒口等來進行控制。鋼錠出現縮孔在鍛軋前應切除。集中縮孔形成過程示意圖3332.偏析合金中各部分化學成分不均勻的現象稱為偏析。鑄錠(件)在結晶時,由于各部位結晶先后順序不同，合金中的低熔點元素偏聚于最終結晶區，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當控制澆注溫度和結晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結果3．氣孔金屬在熔融狀態時能溶解大量的氣體，如氮氣、氧氣、氫氣等，在冷卻過程中，由于溶解度隨溫度的降低而下降，特別是在金屬結晶時，由于氣體溶解度的劇烈下降而析出大量的氣體。當金屬完全凝固，而氣體不能逸出時，在鑄錠或件內部形成了氣孔（Castingporosity）。氣孔一般是圓形的，表面較光滑。氣孔對鑄件的危害很大，它不僅減少鑄件有效截面積，而且造成局部應力集中，成為材料斷裂的裂紋源，可以使金屬力學性能降低，甚至造成鑄件報廢。對要求承受液壓和氣壓的鑄件，若含有氣孔，能明顯降低其致密性。鑄錠內部的氣孔在壓力加工時一般可以焊合，但靠近鑄錠表層的皮下氣孔，則可能由于表皮破裂而氧化，在壓力加工時不能焊合，應在壓力加工前車去，否則易在表面形成裂紋。模塊四合金的結晶合金的結晶不是在恒溫下進行的，有一定的結晶溫度范圍。在結晶過程中不只有一個固相和液相，而是在不同范圍內有不同的相，各相成分也發生變化。用單一的冷卻曲線難以說明合金的結晶過程，就必須借助于合金相圖這一重要工具。由地圖引出相圖我家在哪里？合金的成分？合金的狀態？合金的組成相？合金相圖又稱合金狀態圖或平衡圖，是表示在平衡（極其緩慢加熱或冷卻）條件下，合金系中各種合金狀態與溫度、成分之間關系的圖形。合金的相變？相圖是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據。根據組元數,分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。2.二元合金相圖的建立目前，合金狀態圖主要是通過實驗測定的，且測定合金狀態圖的方法很多，但應用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測定為例，說明熱分析法的應用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ80%Cu+20%Ni;Ⅲ60%Cu+40%Ni；合金Ⅳ40%Cu+60%Ni；合金Ⅴ：20%Cu+80%Ni;合金Ⅵ純Ni。（2）測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點；（3）將各臨界點繪在溫度—合金成分坐標圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點連接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。LL+αα

用熱分析法測定Cu－Ni相圖相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區，液相線以上為液相區L，固相線以下為固溶體區，兩條線之間為兩相共存的兩相區（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線二、二元勻晶相圖合金的兩組元在液態和固態下均無限互溶時所構成的相圖稱為二元勻晶相圖。二元勻晶相圖是最簡單二元相圖，Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、W-Mo及Fe-Ni等合金都具有這類相圖。現以Cu-Ni合金為例分析相圖簡單二元相圖。

Cu-Ni合金相圖1.相圖構成相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區，液相線以上為液相區L，固相線以下為固溶體區，兩條線之間為兩相共存的兩相區（L+）。

2.合金的結晶過程合金的結晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。由于實際生產中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分。擴散過程總是落后于結晶過程，合金結晶是在非平衡的條件下進行的。使先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3.枝晶偏析在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象,

稱作枝晶偏析。枝晶偏析的消除不僅與冷速有關，而且與液固相線的間距有關。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學、耐蝕、加工等性能。生產上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作均勻化或擴散退火。三、二元共晶相圖當兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶,并發生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進行分析。1．相圖分析共晶相圖中有三個單相區：液相區L，固相α和β相區；三個兩相區：L+α區，L+β區，α+β區；一個三相共存點：C點。AB在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作共晶轉變或共晶反應。。

在共晶線對應的溫度下（183℃），E點成分的合金同時結晶出C點成分的

固溶體和D點成分的

固溶體，形成這兩個相的機械混合物：LE?(

C+D)共晶反應的產物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發生共晶反應的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。Pb-Sn共晶組織2.Pb-Sn合金的結晶過程共晶合金結晶過程亞共晶合金結晶過程過共晶合金的結晶過程3.相組分和組織組分不同成分的Pb-Sn合金具有不同的顯微組織，其中α、αⅡ、β、βⅡ及共晶組織（α＋β）各具有一定的組織特征，是組成顯微組織的獨立部分，并在顯微鏡下可以明顯區分，稱之為組織組分。成分位于F點至G點之間的Pb-Sn合金，盡管結晶后室溫顯微組織有所不同，但均由α和β兩相所組成，所以α、β兩相稱為合金的相組分。模塊五合金的性能與相圖的關系一、合金的力學性能與相圖的關系合金形成單相固溶體時，隨溶質溶入量的增加，合金的硬度、強度升高，而電導率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關系曲線上有一極大值或極小值。當合金形成兩相混合物時，其性能是兩相性能值的算術平均值。隨著成分的變化，合金的強度、硬度、導電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關，組織愈細，性能愈好。當合金形成穩定化合物時，在化合物處性能出現極大值或極小值。二、合金工藝性能與相圖的關系合金的工藝性能與相圖也有密切的聯系。如鑄造性能（包括流動性、縮孔分布、偏析大小）與相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關。相圖中液相線與固相線的距離愈寬，形成枝晶偏析的傾向越大，同時先結晶出的樹枝晶阻礙未結晶液體的流動，則流動性愈差，分散縮孔愈多。共晶成分的合金鑄造性能最好，即流動性好，分散縮孔少，偏析程度小，所以鑄造合金的成分常選共晶成分或接近共晶成分。合金的流動性、縮孔性質與相圖之間的關系合金的性能與相圖的關系小結壓力加工性能好的合金是單相固溶體。因為固溶體的塑性變形能力大，變形均勻；而兩相混合物的塑性變形能力差。相圖中的單相合金不能進行熱處理，只有相圖中存在同素異構轉變、共析轉變、固溶度變化的合金才能進行熱處理。

第四單元鐵碳合金相圖我家在哪里？合金的成分？合金的狀態？合金的組成相？合金相圖又稱合金狀態圖或平衡圖，是表示在平衡（極其緩慢加熱或冷卻）條件下，合金系中各種合金狀態與溫度、成分之間關系的圖形。合金的相變？

概述鋼鐵是現代工業中應用最廣泛的材料，其基本組成元素是鐵和碳，故稱為鐵碳合金。普通碳鋼和鑄鐵就屬于鐵碳合金的范疇，而合金鋼則是有意加入一些合金元素的鐵碳合金。為了研究鐵碳合金的組織與成分、溫度的關系，就必須學習鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖最早是在1899年測定的，距今已有100多年了，但仍在不斷地完善，在不同的書籍中相圖中的數據可能不盡相同，這是正常的。模塊一鐵碳合金中的基本相

純鐵的同素異構轉變

α-Feγ-Feδ-FeBCC（912℃）FCC(1394℃）BCC金屬的同素異構轉變為其熱處理提供基礎，鋼能夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固態下發生同素異晶轉變。

一、鐵碳合金中的基本相鐵碳合金中的Fe和C可形成鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體三個基本相。這些基本相以機械混合物的形式結合還可形成珠光體（P）和萊氏體（Ld)。鐵碳合金中這些基本相和組織性能各異，其數量、形態、分布直接決定了鐵碳合金的性能。1.鐵素體（ferrite）

鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體，用符號“F”（或α）表示，體心立方晶格；雖然BCC的間隙總體積較大，但單個間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時)，室溫時幾乎為0，因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。鐵素體的力學性能特點是塑性、韌性好，而強度、硬度低。A=30%~50%，KU=128~160JRm=180~280MPa，50~80HBW。鐵素體的顯微組織與純鐵相同，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現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的網狀分布在珠光體的周圍。金相檢驗2.奧氏體（Austenite）奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，用符號“A”（或γ）表示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時)，727℃時為0.77%。在一般情況下，奧氏體是一種高溫組織，穩定存在的溫度范圍為727~1394℃，故奧氏體的硬度低、塑性較高，通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工，如鍛造、熱軋等時，都應將其加熱成奧氏體狀態，所謂“趁熱打鐵”正是這個意思。Rm=400MPa，170~220HBW，A=40%~50%。奧氏體還有一個重要的性能，就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場的零件或部件。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。3.滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物，用化學分子式“Fe3C”表示。碳質量分數Wc=6.69％，熔點為1227℃。質硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。滲碳體是鋼中的強化相，根據生成條件不同滲碳體有條狀、網狀、片狀、粒狀等形態，它們的大小、數量、分布對鐵碳合金性能有很大影響。總結：在鐵碳合金中一共有三個相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點是十分重要的。名稱符號Rm/MPaHBWA/%Ak/J鐵素體F2308050160奧氏體A40022050∕滲碳體Fe3C30800≈0≈0模塊二鐵碳合金相圖

鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為Fe-Fe3C相圖，此時相圖的組元為Fe和Fe3C。FeFe3CFe2C

FeCCC%(wt%)→

一、鐵碳相圖中的主要特性點Fe—Fe3C相圖看起平比較復雜，但它仍然是由一些基本相圖組成的，我們可以將Fe—Fe3C相圖分成上下兩個部分來分析。一、相圖中的一些特征點相圖中應該掌握的特征點有：A、D、E、C、G（A3點）、S（A1點），它們的含義一定要搞清楚。?????相圖中的一些線應該掌握的線有：ECF線、PSK線（A1線）、GS線（A3線）、ES線（ACM線）

二、鐵碳相圖中的特性線水平線ECF為共晶轉變線。碳質量分數在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金,在平衡結晶過程中均發生共晶轉變。在1148℃，4.3%C的液相發生共晶轉變:Lc(AE+Fe3C)，轉變的產物稱為萊氏體，用符號Ld表示。

1.共晶轉變線存在于1148~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示，組織由奧氏體和滲碳體組成。存在于727℃以下的萊氏體稱為變態萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號Ldˊ表示，組織由滲碳體和珠光體組成。低溫萊氏體是由珠光體、Fe3CⅡ和共晶Fe