第2章純金屬的結(jié)晶與鐵碳合金

1、第2章 純金屬的結(jié)晶與鐵碳合金 不同的金屬材料具有不同的性能，即使是同一種材料，在不同的條件下其性能也不相同。金屬材料之所以具有不同的性能與它的晶體結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。 純金屬雖然具有好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，在工業(yè)中獲得了一定的應(yīng)用，但力學(xué)性能較低，價格較高，且種類有限，因此，工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的金屬材料大都是合金，尤其是鐵碳合金。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、金屬的晶體結(jié)構(gòu) 金屬及合金的性能是由其成分及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)所決定。一切固態(tài)物質(zhì)按其構(gòu)造可分為晶體（crystalloid，crystal）與非晶體（noncrystal）兩種。 非晶體的特點是原子的排列不規(guī)則，如玻璃、瀝青和松香等都是非晶體。晶體的特點

2、是它們的原子都按一定的次序作有規(guī)則的排列，如金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬都屬于晶體。 為了便于分析和描述晶體中原子排列的情況，把每個原子看成一個小球，把這些小球用假想線條連接起來，就得到一個抽象化了的空間格子。這種表示晶體中原子排列形式的空間格子叫晶格（crystal lattice）。晶格的最小單元稱為晶胞（unit cell）。晶胞中原子排列的規(guī)律能完全代表整個晶格中原子排列的規(guī)律，人們研究金屬的晶格結(jié)構(gòu)，一般都是取出晶胞來研究的。 二、常見的晶格類型 常見的金屬晶體的晶格形式有如下三種： 1.體心立方晶格（BCC（Body-Centered Cubic lattice） 原子分布在立方體的

3、各結(jié)點和中心處，其特點是金屬原子占據(jù)著立方體的八個頂角和中心， 屬于這一類的金屬有鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)和-Fe(溫度小于912純鐵)。這類金屬有相當(dāng)大的強度和較好的塑性。2.面心立方晶格（FCC（Face Centered Cubic lattice） 原子分布在立方體的各結(jié)點和各面的中心處。金屬原子除占據(jù)立方體的八個頂角外，立方體的六個面的中心也各有一個金屬原子。屬于這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)和-Fe等（溫度在1394912純鐵)。 這類金屬的塑性都很好。 3.密排六方晶格 原子分布在六方柱體的各個結(jié)點和上下底面中心處各有一個原子，還

4、有上下兩個六方面的中間有三個原子。屬于這種晶格的金屬有鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。第二節(jié) 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)一、 單晶體與多晶體 金屬是由很多的小晶體組成的，這些小晶體叫做晶粒，金屬是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。多晶體是由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。晶粒之間的接觸面叫晶界。 如果一塊晶體就是一顆晶粒(晶格排列方位完全一致)就是單晶體。單晶體必須專門人工制作。 單晶體在不同方向上具有不同性能的現(xiàn)象稱為各向異性（anisotropy，anisotropism）。 普通金屬材料都是多晶體。多晶體的金屬雖然每個晶粒具有各向異性，但由于各個晶粒位向不同，加

5、上晶界的作用，這就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整個多晶體呈現(xiàn)出無向性，即各向同性（isotropy，isotropism）。 二、晶體的缺陷（crystal imperfection） 在實際晶體中，由于某種原因，原子的規(guī)律排列受到干擾和破壞，使晶體中的某些原子偏離正常位置，造成原子排列的不完全性稱為晶體缺陷，晶體缺陷對金屬的性能有顯著影響。 晶體缺陷按幾何形狀可分為： 1.點缺陷 晶體中的原子總是在某一位置上作熱振動。溫度升高時，動能特別高的原子就要脫離周圍原子的束縛，可能進(jìn)入別的晶格間隙處成為“間隙原子”或跑到金屬表面上去。而原來的位置成為沒有原子的“空位”?？瘴缓烷g隙原子的出現(xiàn)，使它

6、們失去平衡而造成晶格畸變(歪扭)。 2.線缺陷 線缺陷是晶體中呈線狀分布的缺陷，其具體形式是各種類型的位錯，晶體中有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)則的錯排現(xiàn)象，這就是位錯。刃型位錯是最常見的一種。在一個晶體的某一面的上半部比下半部多出了一個原子面象刀刃一樣插入，稱為“刃型位錯”。實際金屬晶粒內(nèi)存在有大量的位錯，高的位錯密度是強化金屬的重要途徑之一。 3.面缺陷面缺陷是指晶體中有一維空間方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。這類缺陷主要是指晶界和亞晶界。 多晶體存在有晶界，由于晶界是相鄰兩晶粒間不同晶格方位的過渡區(qū)，致使該區(qū)域內(nèi)的原子排列不整齊，偏離其平衡位置，產(chǎn)生晶格畸變。在實際金屬晶體的晶

7、粒內(nèi)部，原子排列也不是完全有規(guī)則的，而是由許多位向差很小的晶塊所組成的。這些小晶塊稱為嵌鑲塊或亞晶粒。在亞晶粒內(nèi)部的原子排列位向是一致的。但在亞晶粒的交界面，即亞晶界處也存在著晶格畸變。 應(yīng)當(dāng)指出，晶體缺陷不等于人們常說的缺點。金屬材料中晶體缺陷的存在對金屬的性能有著重大的影響。第三節(jié) 金屬的結(jié)晶過程和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 一、金屬的結(jié)晶過程 (一)結(jié)晶過程的基本概念 各種機械零件的制造工藝一般是澆鑄成型或先澆鑄成鑄錠后再經(jīng)冷熱加工而成，所以了解金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程是十分必要的。 金屬從高溫液體狀態(tài)冷卻凝固為固體(晶體)狀態(tài)的過程稱結(jié)晶（crystallization，crystallize

8、）。純金屬的結(jié)晶過程可以用熱分析的方法來研究。通過實驗將金屬液體緩慢冷卻凝固過程中溫度與時間的關(guān)系繪制成的曲線稱為冷卻曲線示。如圖所示純金屬的冷卻曲線，曲線上有一水平段，就是純金屬的實際結(jié)晶溫度，水平段的長度就是實際結(jié)晶所需的時間，結(jié)晶完了以后曲線又連續(xù)下降。出現(xiàn)水平段的原因是由于結(jié)晶潛熱的放出補償了冷卻散失的熱量，圖中T0表示理論結(jié)晶溫度，也就是金屬的結(jié)晶速度恰好等于它的熔化速度時所對應(yīng)的溫度，顯然當(dāng)高于這個溫度時，固態(tài)金屬便不斷熔化，只有當(dāng)?shù)陀谶@個溫度時，液態(tài)金屬才會不斷結(jié)晶。所以實際結(jié)晶溫度必須在理論結(jié)晶溫度以下，這種現(xiàn)象稱為過冷（super-cooling，overcooling），其

9、溫度差稱過冷度，即理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差：T=T0-Tn。過冷是結(jié)晶的必要條件，T越大， 結(jié)晶的推動力也越大，結(jié)晶速度越快。過冷度大小與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越快，過冷度越大，即實際結(jié)晶溫度越低，反之亦然。隨著液態(tài)金屬溫度的下降，原子活動能力逐漸減小，當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，在液態(tài)金屬內(nèi)部，有一些原子自發(fā)的聚集在一起，并按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來，形成規(guī)則排列的原子集團而成為結(jié)晶的核心，稱晶核。液態(tài)金屬中一些外來的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點也可成為結(jié)晶的核心，前者稱為自發(fā)晶核，后者稱為外來晶核。當(dāng)晶粒開始出現(xiàn)后，液態(tài)金屬的原子就以它為中心按一定的幾何形狀不斷地向它聚集，即這些晶核不斷地長大。

10、同時，液體中又有新的晶核不斷地形成及長大，直到液態(tài)金屬已全部耗盡，晶體相互抵觸結(jié)晶過程也就完成了。最后便形成了許多外形不規(guī)則的、大小不等的、排列方向不相同的小晶體，叫做晶粒。晶粒間的交界面稱為晶界。金屬晶體是這些小晶粒組成的多晶體。 (二)晶粒大小與機械性能的關(guān)系 金屬結(jié)晶后的晶粒大小對機械性能影響很大，一般是晶粒愈細(xì)，強度、硬度愈高，塑性、韌性也愈好。因此通?？偸窍Ｍ饘俨牧系木ЯＳ?xì)愈好。 鑄造生產(chǎn)中為了得到細(xì)晶粒的鑄件，常采取以下幾種方法： 1.加快冷卻速度 金屬結(jié)晶過程中過冷度愈大，結(jié)晶推動力增加，生核速率增長要快一些，故過冷度愈大，晶粒愈細(xì)。因此降低澆鑄溫度、增大冷卻速度(如采用金屬

11、型、水冷鑄型等)可使晶粒細(xì)化。薄壁鑄件的晶粒較細(xì)，厚大的鑄件往往是粗晶，鑄件外層的晶粒較細(xì)，心部是粗晶。 2.變質(zhì)處理在澆注時向液態(tài)金屬中加入一定的變質(zhì)劑，起到外來晶核的作用，并能在鑄件的整個體積內(nèi)都能得到均勻細(xì)化的晶粒。 3.振動 機械振動、超聲波振動、電磁振動均使新晶粒數(shù)量增加，生核能量提高，生核率提高，達(dá)到細(xì)化目的。 此外，還可以采用熱處理和壓力加工的方法，使固態(tài)金屬的粗晶粒細(xì)化。二、 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(allotropic transformation) 大多數(shù)金屬的晶格類型都是一成不變的，但是，鐵、錳、錫、鈦等金屬的晶格類型都會隨溫度的升高或降低而發(fā)生改變。一種固態(tài)金屬，在不同的溫

12、度區(qū)間具有不同的晶格類型的性質(zhì)稱為同素異構(gòu)性（allotropy）。 金屬在固態(tài)下晶格隨溫度發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫做同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，它同樣包含晶核的形成和長大，故又叫重結(jié)晶。轉(zhuǎn)變時也有結(jié)晶潛熱的放出和過冷現(xiàn)象。純鐵是具有同素異構(gòu)性的金屬 ，當(dāng)純鐵液體冷卻到1538時，結(jié)晶為固態(tài)，為體心立方晶格，稱為鐵，繼續(xù)冷卻至1394轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，稱為鐵，到912時又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為鐵。鐵在固態(tài)下發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，這是由鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵能夠進(jìn)行熱處理的重要依據(jù)。第四節(jié) 合金的基本概念 一、合金的基本概念 1.合金(alloy) 合金是以

13、一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料。即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的鋼鐵材料就是鐵和碳組成的合金；普通黃銅是銅與鋅組成的合金。合金除具備純金屬的基本特性外，還兼有優(yōu)良的機械性能與特殊的物理、化學(xué)性能。 2.組元 組成合金最簡單的、最基本的、能夠獨立存在的元素稱為組元，簡稱元。組元一般是指元素，但有時穩(wěn)定的化合物也可以作為組元，如Fe3C、Al2O3等。合金按組元的數(shù)目可分為二元合金、三元合金及多元合金。例如黃銅是由銅和鋅組成的二元合金；硬鋁是鋁、銅和鎂三種元素組成的三元合金；保險絲是錫、鉍、鎘和鉛四種元素組成的四元合金

14、等。 3.合金系 由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，這一系列合金構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。例如黃銅是由銅和鋅組成的二元合金系。 4.相(phase) 合金中具有同一化學(xué)成分、同一晶格形式并以界面分開的各個均勻組成部分稱為相。如均勻的液體稱為單相，液相和固相同時存在則稱為兩相。純鐵在不同溫度下可以出現(xiàn)不同的相：液相、鐵相、鐵相和鐵相。 5.組織(constitution) 由單相或多相組成的具有一定形態(tài)的聚合物，稱為組織.純金屬的組織是由一個相組成的，合金的組織可以是一個相或多個相組成。 二、合金的相結(jié)構(gòu) 合金之所以比純金屬性能優(yōu)越主要是由于合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于純金屬

15、。合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但根據(jù)各元素在結(jié)晶時相互作用的不同可以把它們歸納為三種。 1.固溶體（solid solution） 固溶體就是在固態(tài)下兩種或兩種以上的物質(zhì)互相溶解構(gòu)成的單一均勻的物質(zhì)。例如，銅鎳合金就是以銅(溶劑)和鎳(溶質(zhì))形成的固溶體,固溶體具有與溶劑金屬同樣的晶體結(jié)構(gòu). 這種溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體叫做固溶體。 根據(jù)固溶體晶格中溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置不同，分為置換固溶體（substitution solid solution）和間隙固溶體（interstitial solid solution）兩種。置換固溶體即溶劑晶格上的原子部分地被溶質(zhì)原

16、子所代替。黃銅就是鋅溶于銅中的置換固溶體。間隙固溶體即溶質(zhì)原子夾雜在溶劑晶格中間。鐵碳合金中的鐵素體和奧氏體都是碳溶于鐵中的間隙固溶體。 由于各種元素的原子大小、化學(xué)性質(zhì)不同，當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑中時，致使溶劑的晶格發(fā)生歪扭。固溶體晶格的畸變使合金強度和硬度升高，而塑性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金機械性能的重要途徑之一。 2.金屬化合物 是指合金各組元的原子按一定的整數(shù)比化合而成的一種新的金屬化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，而且其晶格一般都比較復(fù)雜。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。例如鐵碳合金中的Fe3C。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，能提高其強度、硬度和耐磨性，

17、但會降低其塑性和韌性。 3.機械混合物 當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在著，形成各組元晶體的機械混合物。組成機械混合物的物質(zhì)可能是純組元、固溶體或者是化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。絕大多數(shù)工業(yè)用合金都是混合物，它們的性能決定于組成混合物各部分的性能，以及它們的形態(tài)、大小和分布。第五節(jié) 鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金中碳原子和鐵原子可以有幾種不同的結(jié)合方式：一種是碳溶于鐵中形成固溶體；另一種是碳和鐵化合形成化合物；此外，還可以形成由固溶體和化合物組成的混合物。 一、鐵素體(F，) 碳溶解于-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體(fer

18、rite，簡稱固溶體)。用符號F表示。晶體結(jié)構(gòu)呈體心立方晶格，碳在鐵中的溶解度極小，隨溫度的升高略有增加，在室溫時的溶解度僅有0.008%，在727 時最大溶解度為0.0218%。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，它的強度和硬度較低，塑性和韌性則很高。 二、奧氏體(A) 碳溶解于-Fe中的間隙固溶體稱為奧氏體(austenite，源自威廉·查德勒·羅伯特- 奧斯?。?843-1902年）爵士，英國冶金學(xué)家。簡稱固溶體)，通常用符號A表示。晶體結(jié)構(gòu)呈面心立方晶格。由于鐵晶格中間隙較大，因此在727時能溶解0.77%碳，在1148時的最大溶解度達(dá)到2.11%，奧氏體存在于727以上的

19、高溫區(qū)間，具有一定的強度和硬度，以及很好的塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造或軋制時所要求的組織。 三、滲碳體(Fe3C，cementite) 滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C，含碳量為6.69%，其晶胞是八面體，晶格構(gòu)造十分復(fù)雜。滲碳體的性能很硬很脆，滲碳體在鋼中主要起強化作用，隨著鋼中含碳量的增加，滲碳體的數(shù)量增多，鋼的強度和硬度提高，而塑性下降。 四、珠光體(P) 珠光體（pearlite）是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示，它是由硬的滲碳體片和軟的鐵素體片層片相間，交錯排列而成的組織。所以其性能介于它們二者之間，強度較高,，同時保持著良好的塑性和韌性。 五、萊氏體(L

20、d)奧氏體與滲碳體的機械混合物稱為萊氏體，(Ld，ledeburite，)。它是C=4.3%的鐵碳合金液體在1148發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。因奧氏體在727時將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在727以下， 萊氏體由珠光體和滲碳體組成的機械混合物稱為低溫萊氏體(Ld)。萊氏體的機械性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。第六節(jié) 鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)。相圖（phase diagram）又稱平衡圖或狀態(tài)圖。它是用實驗數(shù)據(jù)繪制而成的。鐵碳合金相圖是人類經(jīng)過長期實踐并進(jìn)行大量科學(xué)實驗總結(jié)出來的。由于C>6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值，因此相圖成分軸僅標(biāo)出含碳量小于6.69%的合

21、金部分，另外，F(xiàn)e3C是個穩(wěn)定的化合物， 可以作為一個組元，因此研究的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。 如圖18-14所示是簡化了的Fe-Fe3C狀態(tài)圖。 一、Fe-Fe3C相圖的主要點、線、區(qū) (一)主要特性點 Fe-Fe3C相圖中部分特性點的溫度、含碳量及其含義見表18-1。 (二)主要特性線 1.ACD線液相線，在此線以上的區(qū)域為液相， 當(dāng)合金液冷卻到此線時開始結(jié)晶。 2.AECF線固相線，合金熔液冷卻到此線時結(jié)晶完畢，此線以下為固相區(qū)。 3.ECF線共晶線，它是一條重要的水平線，溫度為1148，液態(tài)合金冷卻到此線時，在恒溫條件下，將從液體中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，

22、即發(fā)生共晶反應(yīng)(eutectic reaction)：LA+Fe3C所形成的共晶體為萊氏體。 4.PSK線共析線，代號A1。也是一條重要的水平線，溫度為727，當(dāng)合金冷卻到此線時，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，即共析反應(yīng)(eutectoid reaction)：A F+FeC3所形成的共析體為珠光體。 5.ES線代號Acm。是碳在奧氏體中的溶解度線。在1148時奧氏體中的溶碳能力最大為2.11%，隨著溫度降低溶解度沿此線降低，而在727時僅為0.77%C，所以含碳量大于0.77%的鐵碳合金， 自1148冷至727的過程中，由于奧氏體含碳量的減少， 將從奧氏體中析出二次滲碳體(F

23、e3CII)，以區(qū)別于自液體中結(jié)晶出的一次滲碳體(Fe3CI)。 6.GS線代號A3，奧氏體冷卻到此線時，開始析出鐵素體，使奧氏體含碳量沿此線向0.77%遞增。 (三)相圖中的主要相區(qū)如表18-2所示。二、鋼和生鐵的劃分 E點成分是鋼與生鐵的分界線，E點左邊的鐵碳合金稱為鋼(steel 含碳量小于0.0218%的稱為純鐵)。E點右邊的稱為生鐵(pig iron)。 1.工業(yè)純鐵(Armco iron) C<0.0218%常溫組織為F，F(xiàn)e3CIII數(shù)量極少，經(jīng)常忽略。 2.鋼(0.02182.11) %C鋼的共同特點是在AESG區(qū)域中全是A組織，當(dāng)溫度下降時A發(fā)生如下的轉(zhuǎn)變：若鋼的含碳量

24、等于0.77%時，A在727 時全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，即A P；若含碳量小于0.77%時，則A在GS線首先析出F，冷卻到PSK線時剩余的A發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，最后的組織為F+P；若含碳量大于0. 77%時，則A在ES線首先析出二次滲碳體， 冷卻到PSK線時，A發(fā)生共析反應(yīng)變成P，最后的組織為P+Fe3CII， 所以根據(jù)A析出的情況，鋼可分為三種： 亞共析鋼(hypoeutectoid steel)：(0.02180.77) %C,常溫組織為F+P。 共析鋼(eutectoid steel)： C=0.77%，常溫組織為P。 過共析鋼(hypereutectoid steel)：(0.772.11

25、) %C，常溫組織為P+Fe3CII。 3.生鐵(白口鐵) (2.116.69) %C 生鐵的共同特點是在ECF線上都有共晶反應(yīng)，都有萊氏體的組織存在。生鐵也分為三種： 亞共晶生鐵：(2.114.3)%C，常溫組織為：P+Fe3CII+Ld 共晶生鐵：C=4.3%，常溫組織為Ld 過共晶生鐵：(4.36.69)%C，常溫組織為Ld+Fe3CI 。 在1148727之間的萊氏體是A 與滲碳體組成的混合物，在727以下的萊氏體是P與滲碳體組成的混合物，萊氏體的性能基本上與滲碳體相同，因此，上述這三種不同的組織的鑄鐵統(tǒng)稱為白口鑄鐵。 三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析 (一)鋼的組織轉(zhuǎn)變 1.共析鋼的組

26、織轉(zhuǎn)變 圖18-14中合金I為含碳量0.77%的共析鋼，冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D18-15所示。當(dāng)液態(tài)合金溫度降到1點以后，開始結(jié)晶出奧氏體，直至2點結(jié)晶完畢，在2-3點間是單相奧氏體的冷卻，當(dāng)溫度降到3點(S點)，奧氏體在恒溫下發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體。溫度繼續(xù)下降至室溫，珠光體不再發(fā)生組織變化。所以，共析鋼室溫時的平衡組織為珠光體。 2.亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變圖18-14中合金II為亞共析鋼，當(dāng)溫度降到1點以后，開始從合金液中結(jié)晶出奧氏體，奧氏體的數(shù)量隨溫度的降低而逐漸增多，溫度降到2點，合金液全部凝固，在2-3點之間是單一奧氏體冷卻。溫度降到3點后，從奧氏體中不斷析出鐵素體。溫度降到4點，剩

27、余的奧氏體在恒溫下轉(zhuǎn)變成珠光體。4點以下不再發(fā)生組織變化， 所以亞共析鋼的室溫平衡組織是由鐵素體和珠光體組成的。亞共析鋼中含碳量愈高，鐵素體愈少，而珠光體量則愈多，反之亦然。 當(dāng)溫度降到1點以后，開始從合金液中結(jié)晶出奧氏體，奧氏體的數(shù)量隨溫度的降低而逐漸增多，溫度降到2點，合金液全部凝固，在2-3點之間是單一奧氏體冷卻。溫度降到3點后，從奧氏體中不斷析出鐵素體。溫度降到4點， 剩余的奧氏體在恒溫下轉(zhuǎn)變成珠光體。4點以下不再發(fā)生組織變化， 所以亞共析鋼的室溫平衡組織是由鐵素體和珠光體組成的。亞共析鋼中含碳量愈高，鐵素體愈少，而珠光體量則愈多，反之亦然。 3.過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過共析鋼，冷卻過程中

28、的組織轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢寒?dāng)溫度降到1點以后，開始從合金液中結(jié)晶出奧氏體，直到2點結(jié)晶完畢。在2-3點之間為單相奧氏體。到3點時從奧氏體中析出二次滲碳體。隨著溫度的下降，析出的二次滲碳體不斷增加，奧氏體的數(shù)量與含碳量卻逐漸減少，4點時，剩余的奧氏體的數(shù)量進(jìn)行共析反應(yīng)，生成珠光體。4點以后組織不再發(fā)生變化， 所以過共析鋼的室溫平衡組織是由珠光體和呈網(wǎng)狀的二次滲碳體組成。 (二)生鐵的組織轉(zhuǎn)變（略） 四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用1 .選擇材料的主要依據(jù)碳對鐵碳合金的組織和性能有著重大的影響隨著含碳量增高，不僅鐵素體數(shù)量減少，滲碳體的數(shù)量增加，而且滲碳體存在的形式也起變化，由分散在鐵素體的基體內(nèi)變成分布在珠光體的周

29、圍，最后當(dāng)形成萊氏體時，滲碳體又作為基體出現(xiàn)。因此，使不同成份的鐵碳合金在機械性能和工藝性能等方面產(chǎn)生了極大的差異。 當(dāng)含碳量增加時，硬度增加，塑性、韌性降低，而強度首先是隨含碳量增加而增加，當(dāng)C>1%時，強度反而下降了。這是由于二次滲碳體發(fā)展成連續(xù)網(wǎng)狀，削弱了晶粒間的結(jié)合力，使鋼變得硬、脆，強度下降。對于白口鐵來說，由于出現(xiàn)了以滲碳體為基體的萊氏體，性能硬脆難以切削加工，很少應(yīng)用。 根據(jù)圖中成分-組織-性能關(guān)系的規(guī)律，可以按照零件或工具性能要求，進(jìn)行合理的選材。如果需要塑性好韌性高的材料時，則可選用鐵素體組織多的碳鋼；對于要求綜合機械性能較高的材料，可選用組織是鐵素體加珠光體的碳鋼。當(dāng)

30、需要硬度高、耐磨性好的材料時，則應(yīng)選含碳更高的其組織是珠光體加滲碳體的碳鋼。2.制定熱加工工藝方面的應(yīng)用在鑄造生產(chǎn)方面，根據(jù)鐵碳合金相圖確定澆鑄溫度，在鍛造生產(chǎn)中，可以確定鋼材在鍛造時必須選擇在奧氏體區(qū)的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，便于塑性變形。在焊接方面，可根據(jù)鐵碳合金相圖分析低碳鋼焊接接頭的組織變化情況。在熱處理時，擬訂淬火、退火、正火等各種熱處理加熱規(guī)范。第七節(jié) 碳素鋼碳素鋼(carbon steel，簡稱碳鋼)就是含碳量小于2.11%的鐵碳合金，實際使用的含碳量小于1.5%，其中還含有少量Si、Mn、P、S等雜質(zhì)。 一、常存雜質(zhì)對鋼性能的影響 1.錳 錳是煉鋼時用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的，錳有很

31、好的脫氧能力，還可以與硫形成MnS,從而消除了硫的有害作用。錳是碳鋼中的有益元素。 2.硅硅也是作為脫氧劑而進(jìn)入鋼的，硅的脫氧能力比錳還強，還能提高鋼的強度及質(zhì)量，是有益元素。 3.硫 硫常以FeS形式存在，F(xiàn)eS與Fe 形成低熔點的共晶體， 熔點為985，分布在晶界，當(dāng)鋼材在（10001200）進(jìn)行壓力加工時，共晶體熔化，使鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。因此，硫是鋼中有害元素，含硫量必須嚴(yán)格控制。 4.磷磷也是鋼中的有害元素，它使鋼在低溫時變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性，因此，鋼中含磷量也要嚴(yán)格控制。 5.氫 鋼中氫能造成氫脆、白點等缺陷，是有害元素。 二、碳鋼的分類 碳鋼有以下三種分類方法。 (

32、一)按鋼的含碳量分類： 1.低碳鋼（low carbon steel），含碳量00.25% 2.中碳鋼（medium carbon steel），含碳量（0.250.6）%。 3.高碳鋼（high carbon steel），含碳量>0.6%。 (二)按鋼的質(zhì)量分類 根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)S、P的多少來分： 1.普通鋼，S0.055%，P0.045% 2.優(yōu)質(zhì)鋼，S、P均0.04% 3.高級優(yōu)質(zhì)鋼，S、P均0.03% (三)按用途分類 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼，用于制造工程結(jié)構(gòu)(如橋梁、船舶、建筑、 高壓容器等)和機械零件(如齒輪、軸、螺釘、螺母、連桿等)， 這類鋼一般為低、中碳鋼。 2.碳素工具鋼，用

33、于制造各種工具(如刃具、模具和量具等)，這類鋼一般為高碳鋼。 三、碳鋼的牌號和用途 為了生產(chǎn)、選用和管理不致造成混亂，對各種鋼材進(jìn)行合理的命名和編號。 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼是工程中應(yīng)用最多的鋼種，其產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的（7080）%。根據(jù)國標(biāo)(GB700-88)規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號由以下四部分組成： (1).屈服點字母Q鋼屈服強度“屈”，漢語拼音字首。 (2).屈服點強度數(shù)值(單位MPa)。 (3).質(zhì)量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高。(4).脫氧方法符號 F沸騰鋼、 b半鎮(zhèn)靜鋼、 Z鎮(zhèn)靜鋼、TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼 在牌號中若為Z和TZ則予以省略。 例如，Q235AF表示屈服強度為2

34、35MPa的A級沸騰鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分、性能和用途見表18-3、18-4、18-5。這類鋼的煉制過程比較簡單，生產(chǎn)費用較低，價格便宜，廣泛地應(yīng)用于工程建筑、車輛、船舶、以及一般的橋梁、容器等金屬結(jié)構(gòu)。碳素結(jié)構(gòu)鋼是屬于工程結(jié)構(gòu)鋼，由于價格低廉，所以也常用于制造要求不高的機器零件，如螺釘、螺栓、螺母等。 2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼中有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量較少，化學(xué)成分控制得也較嚴(yán)格，塑性、韌性較好，運用于制造較重要的機械零件。這類鋼的牌號用兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，如45鋼即表示C=0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 根據(jù)含錳量的不同，將含錳量為(0.250.80)%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼稱

35、為普通含錳鋼，將含錳量為(0.701.20)%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼稱為較高含錳量鋼(標(biāo)出錳元素)，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號及化學(xué)成分、機械性能見表18-6。 08鋼是冷變形鋼，15、20鋼是一般的表面滲碳鋼，用于制造導(dǎo)套、擋塊、磨擦片等耐磨零件。40、45、50鋼屬于調(diào)質(zhì)鋼，主要用于制造齒輪、絲桿、連桿和各種軸類零件。6585則是碳素彈簧鋼。 3.碳素工具鋼 碳素工具鋼主要用于制造刀具、量具和模具，具有較高的硬度和耐磨性，其平均含碳量為(0.71.3)%，屬于高碳鋼。 這類鋼的質(zhì)量較高，要求S、P等雜質(zhì)的含量特別低，是經(jīng)過精煉的優(yōu)質(zhì)鋼。 碳素工具鋼的牌號是在“碳”字漢語拼音首位字母“T”的后面附加數(shù)字

36、表示，數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，例如T12 表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼，若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在其牌號后加符號A，如T12A。所有碳素工具鋼都要經(jīng)過熱處理后，才能進(jìn)一步提高硬度和耐磨性。 碳素工具鋼的牌號、成分、性能和用途見表18-7。 4.鑄鋼 鑄造碳鋼(簡稱為鑄鋼)主要用于受沖擊負(fù)荷作用的形狀復(fù)雜件，如軋鋼機機架，重載大型齒輪、飛輪等。這是因為，對于許多形狀復(fù)雜件，很難用鍛壓等方法成形，用鑄鐵又難以滿足性能要求，這時常需選用鑄鋼件。 鑄鋼的牌號由“ZG”即“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首和兩組數(shù)字組成，前一組數(shù)字表示為鑄件的屈服強度(s或0.2)的最低值，后一組數(shù)字表示抗拉強度(

37、b)的最低值。例如，ZG200-400表示s200MPa，b400MPa的鑄鋼。 鑄鋼的成分、性能和應(yīng)用舉例見表18-8和18-9。鐵和鋼的區(qū)別：鐵分為生鐵和熟鐵。熟鐵、鋼和生鐵都是鐵碳合金，以碳的含量多少來區(qū)別。一般含碳量小于0.2%的叫熟鐵或純鐵，含量在0.2-1.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵。熟鐵軟，塑性好，容易變形，強度和硬度均較低，用途不廣；生鐵含碳很多，硬而脆，幾乎沒有塑性；鋼具有生鐵和熟鐵兩種優(yōu)點，為人類廣泛利用。 鑄劍選材時通常選用材料是生鐵。但是，鑄劍時候則必須是煉好的鋼。生鐵與鋼的區(qū)別在那里呢？我們知道，生鐵、熟鐵和鋼的主要區(qū)別在于含碳量上，含碳量超過2的鐵，叫生

38、鐵；含碳量低于0.05的鐵，叫熟鐵；含碳量在0052當(dāng)中的鐵，稱為鋼。用塊煉鐵透碳鋼制造的刀，雖然比較鋒利，但仍然達(dá)不到能夠“斬金斷玉，削鐵如泥”的程度。因為這種鋼的質(zhì)量還不夠好，煉這種鋼碳滲進(jìn)的多少，分布的是否均勻，雜質(zhì)除掉的程度，都非常難掌握，而且生產(chǎn)效率極低。為了提高鋼的質(zhì)量，中國古代工匠從西漢中期起發(fā)明了“百煉鋼”的新工藝。北宋著名科學(xué)家沈括在夢溪筆談里敘述磁州百煉鋼的過程，就是連續(xù)燒鍛百余次，至斤兩不減為止。所謂“百煉鋼”，就是將塊煉鐵反復(fù)加熱折疊鍛打，使鋼的組織致密、成份均勻，雜質(zhì)減少，從而提高鋼的質(zhì)量。用百煉鋼制成的刀劍質(zhì)量很高。 全書共分18章。前7章主要介紹工程材料及熱處理，

39、鑄造成形，鍛壓成形，焊接成形，非金屬材料成形和快速成形（RP）方法及測量方法。后11章主要介紹金屬切削基本知識，鉗工，車削加工，銑、刨、鏜、拉削加工，齒輪加工，磨削、精密加工，數(shù)控加工，特種加工，計算機輔助設(shè)計與制造（cADCAM），機械制造工藝過程，先進(jìn)機械制造技術(shù)（AMT）發(fā)展等。為配合學(xué)習(xí)，每一章都附有習(xí)題，便于讀者進(jìn)行復(fù)習(xí)和總結(jié)，鞏固已學(xué)知識。為適應(yīng)機械制造技術(shù)的飛速發(fā)展，許多章節(jié)都介紹了現(xiàn)代加工方法的新成果和新發(fā)展，便于讀者了解先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。本書闡述了機械制造各種成形過程和加工過程的工藝原理、工藝方法、自身規(guī)律、相互聯(lián)系及技術(shù)進(jìn)展，注重理論教學(xué)與實踐相結(jié)合。曾獲得2000年

40、上海市優(yōu)秀教材三等獎和2004年上海市優(yōu)秀教材二等獎。2006年納入“普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材”。第1章 工程材料  1.1 概述  1.2 金屬材料簡介  1.3 晶體的結(jié)構(gòu)  1.4 金屬的結(jié)晶  1.5 二元合金晶體結(jié)構(gòu)  1.6 鐵碳合金  1.7 鋼的熱處理  1.8 塑料  1.9 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料&#

41、160; 1.10 功能材料  1.11 納米材料  習(xí)題第2章 鑄造成形  2.1 概述  2.2 鑄件成形理論基礎(chǔ)  2.3 造型方法  2.4 鑄造工藝分析  2.5 特種鑄造  2.6 常用鑄造方法的比較  2.7 鑄造新工藝新技術(shù)簡介  2.8 鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢

42、60; 習(xí)題第3章 鍛壓成形  3.1 金屬的塑性變形及鍛造性能  3.2 鍛造  3.3 板料沖壓  3.4 粉末冶金  3.5 鍛壓新工藝簡介  習(xí)題第4章 焊接成形  4.1 概述  4.2 手工電弧焊  4.3 其他焊接方法  4.4 焊接接頭  4.

43、5 常用金屬材料的焊接  4.6 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介  4.7 膠接  4.8 焊接新技術(shù)簡介  習(xí)題第5章 非金屬材料的成形5.1 塑料的成形與加工5.2 橡膠的成形加工5.3 陶瓷的成形加工5.4 復(fù)合材料的成形習(xí)題第6章 快速成形6.1 概述6.2 快速成形技術(shù)的基本過程6.3 幾種常用RP技術(shù)的工藝原理6.4 RP技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域習(xí)題第7章 測量7.1 

44、測量基礎(chǔ)知識7.2 常用計量器具介紹7.3 現(xiàn)代測試儀器簡介習(xí)題第8章 金屬切削基本知識8.1 概述8.2 切削加工基本知識8.3 金屬切削機床習(xí)題第9章 鉗工9.1 概述9.2 劃線9.3 鋸削和銼削9.4 鉆削9.5 裝配習(xí)題第10章 車削加工第11章 銑、刨、鏜、拉削加工第12章 齒輪加工第13章 磨削、精密加工第14章 數(shù)控加工第15章 特種加工第16章 CAD/CAM技術(shù)第17章 機械制

45、造工藝過程第18章 現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展編號：9018 座位號 浙江廣播電視大學(xué)2006年秋季學(xué)期開放教育本科補修課程考試機械制造基礎(chǔ)試題2007年1月題 號一二三四總 分得 分得 分評卷人一、填空題（每空1分，共20分）1 工藝性能主要有四種： 、 、 和 。 2 青銅是 和 的合金。3 在分析焊接接頭組織性能時，接頭處的金屬包括_和 兩部分。4 公差原則中的相關(guān)原則是指 與 相關(guān)。5錘上模鍛的模鏜一般分為 、_ 、 。6切削用量三要素是指 、 和 。7機械加工中，軸類零件常用 或 作為定位基準(zhǔn)。8由于材料性能的提高，汽車發(fā)動機曲軸毛坯早期多采用 方法產(chǎn)生，而現(xiàn)在常用 方法生產(chǎn)。

46、得 分評卷人二、選擇題（每小題2分，共20分）1共析鋼奧氏體過冷到500-230oc之間進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變得到的最終產(chǎn)物屬于的產(chǎn)物為（ ）A貝氏體類型 B珠光體類型 C馬氏體類型 D滲碳體類型2鋼的淬硬件主要決定于（ ）A合金元素含量 B含碳量 C工件大小 D淬火介質(zhì)3下列不屬于壓力加工方法是（ ）。A拉拔 B切削 C自由煅 D板料沖壓4孔的最大實體尺寸就是其（ ）A實體尺寸 B最小極限尺寸 C最大極限尺寸 D基本尺寸5車刀的前角是（ ）A前刀面與基面之間的夾角 B前刀面與切削平面之間的夾角 C主切削刃與基面之間的夾角 D主切削刃與副切削刃之間的夾角6為了改善軸類零件的綜合機械性能，通常對軸進(jìn)行（

47、）熱處理。A正火 B回火 C調(diào)質(zhì) D完全退火7.在鐵碳相圖中含炭量為0.77%的鋼的奧氏體冷s點時析出（ ）A萊氏體 B鐵素體 C二次滲碳體 D珠光體8.塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料，下列塑料材料中不屬于熱固性塑料的是（ ）A酚醛塑料 B聚氯乙烯 C氨基塑料 D環(huán)氧樹脂塑料9.屬于壓力焊的是（ ）A摩擦焊 B手式電弧焊 C自動氬弧焊 D氣體保護(hù)焊10.在車床最適于加工的零件是（ ）A平板類 B軸類 C輪齒成型 D箱體類得 分評卷人三、簡答題（共45分）1.簡述低溫回火、中溫回火、高溫回火所得到的組織及其性能特點。（20分）2.什么叫配合，有哪些種類的配合，分別具有什么樣的特征值（從間隙和過盈

48、分析）？（15分）3.什么是砂輪的硬度和組織密度，它們基本分為那些類型。（10分）得 分評卷人四、改錯題：試改進(jìn)下列各圖中的不合理之處，并簡述理由（第1小題8分，第2小題7分，共15分）改進(jìn)前：（a）鑄件上鉆孔 （b）銑床加工槽改進(jìn)后：改進(jìn)理由：（a） 鑄件上鉆孔（b）銑床加工槽機械制造基礎(chǔ)模擬題及參考答案（第二套）2010年06月07日wy  機械制造基礎(chǔ)課模擬題及參考答案一、 填空題（每小題 1 分，共 30 分）1在室溫下，百分之九十以上的金屬具有 、 和 三種緊密的晶體結(jié)構(gòu)。2FeFe3C相圖中，PSK線為 ，S點為，其含碳量為 ，其含碳量為 ，溫度為 ，其反應(yīng)式為

49、 。3鑄件的凝固方式，根據(jù)凝固區(qū)域?qū)挾炔煌?，一般?、 和 三種類型。4液態(tài)合金的 能力，稱為流動性。合金的結(jié)晶范圍愈 ，其流動性愈好。因此，在選擇鑄造合金時，應(yīng)盡量選擇 的合金。5皮帶輪在批量生產(chǎn)時應(yīng)采用 毛坯。6. 金屬切削過程的實質(zhì)，是被切削金屬連續(xù)受到刀具的 和 ，產(chǎn)生 和 ，最終使被切削金屬與母體分離形成切屑的過程。7互換性表現(xiàn)為對產(chǎn)品零、部件在裝配過程中三個不同階段的要求，即裝配前 ；裝配時 ；裝配后 。8軸、孔配合種類的選擇主要應(yīng)考慮 。9基本偏差是離零線 的極限偏差，當(dāng)尺寸公差帶在零線以上時，以 為基本偏差，當(dāng)尺寸公差帶在零線以下時，以 作為基本偏差。10黃銅是由銅和 組成的合

50、金。11切屑的形態(tài)主要有 、 和 。二、選擇題（將你認(rèn)為正確的答案的字母填入括號內(nèi)。每小題2分，共20分）1熱處理時，一般都要使金屬常溫組織經(jīng)加熱變?yōu)? )組織。 A. 珠光體 B滲碳體 C. 奧氏體 D萊氏體2共析鋼過冷奧氏體，當(dāng)其冷卻速度超過臨界冷卻速度時，在MS-Mf溫度范圍內(nèi)發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為( )。 A. 貝氏體 B珠光體 C馬氏體 D滲碳體3鑄件縮孔常產(chǎn)生的部位是( )。 A. 冒口 B. 最后凝固區(qū) C澆口4鋼的淬硬性主要決定于( )。 A. 合金元素含量 B淬火介質(zhì) C工件大小 D含碳量5采用一般的工藝方法，下列金屬材料中，焊接性能較好的是( )。 A. 銅合金 B. 鋁合金 C可鍛鑄件 D. 低碳鋼6板料在沖壓彎曲時，彎曲圓弧