第2、3章_金屬工藝學(xué)

1、金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué)蔡飛華第第2 2章章 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能第第3 3章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第第2章章 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 本節(jié)重點(diǎn)：本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能, ,包括材料的強(qiáng)包括材料的強(qiáng) 度度 、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞 強(qiáng)度等。強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法材料分類材料分類復(fù)合材料復(fù)合材料金屬材料金屬材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料材料的性能材料的性能使用性能工藝性能

2、 物理性能 化學(xué)性能 力學(xué)性能 熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能 (指金屬材料在指金屬材料在使用過(guò)程中表現(xiàn)使用過(guò)程中表現(xiàn)出的性能出的性能)(指金屬材料在指金屬材料在加工過(guò)程中表現(xiàn)加工過(guò)程中表現(xiàn)出的性能出的性能)金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 -是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的性能。思考思考如果把鐵絲和鋼如果把鐵絲和鋼絲折彎有何區(qū)別絲折彎有何區(qū)別? 常用的力學(xué)性能主要有常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。研究力學(xué)性能意義研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第一節(jié)第一節(jié) 剛度、強(qiáng)度、塑性剛度、強(qiáng)度、塑性一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線一、拉伸試

3、驗(yàn)及拉伸曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī) OE段：彈性變形 階段； 平臺(tái)或鋸齒（ES段）：屈服階段； SB段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。 B點(diǎn)：形成了“縮頸”。 BK段：非均勻變形階段，承載下降，到K點(diǎn)斷裂。 1 、變形過(guò)程、變形過(guò)程2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)力 ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S 0表示: F = ( M pa ) S 0應(yīng)變應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示: l = l 0應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - 曲線曲線） 形狀和拉伸曲線相同，單位不同思考思考怎樣比較不同材料抵怎樣比較不同材料抵抗外力能

4、力的大小？抗外力能力的大??？2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線、應(yīng)力與應(yīng)變曲線 比例極限（比例極限（ p ） 例例:彈簧秤彈簧秤 彈性極限（彈性極限（ e） 如如:彈簧彈簧 屈服極限（屈服極限（ s ） 抗拉極限抗拉極限(b)二、剛度二、剛度 是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力E 式中的式中的E為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上常用常用E作為衡量材料剛度的指標(biāo)。作為衡量材料剛度的指標(biāo)。 E值越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小，則值越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小，則剛度越大剛度越大 彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金

5、屬的本性彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金屬的本性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性狀態(tài)下工作，對(duì)剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)狀態(tài)下工作，對(duì)剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形。臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形。三、強(qiáng)度三、強(qiáng)度 金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力能力 工程上工程上常用常用的金屬材料的的金屬材料的強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)指標(biāo)： 屈服點(diǎn)（屈服點(diǎn)（ s ）或規(guī)定殘余）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（伸長(zhǎng)應(yīng)力（ r）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b)屈服點(diǎn)（

6、 s ）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力0.2:r規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力0ssFS材料屈服時(shí)的拉力（N） 屈服點(diǎn)（屈服極限）0.2原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）： 屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)很重要，大多數(shù)零件不允許有塑零件不允許有塑性變形性變形規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力:對(duì)有明顯屈服現(xiàn)對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料象的材料對(duì)無(wú)明顯屈服現(xiàn)對(duì)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料象的材料抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值0bbFS拉伸過(guò)程中最大的拉力（N）四、塑性四、塑性 在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力久變形的能力 常用的塑性判據(jù)常用的塑性判

7、據(jù)： 拉伸時(shí)的拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率和和斷面收縮率斷面收縮率1、斷后伸長(zhǎng)率由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率數(shù)值不數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如: 10試樣試樣 L0=10d0 5 試樣試樣 L0=5d010100%oLLL試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）1L oL 試樣原始標(biāo)距（mm）2、斷面收縮率010100%SSL試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）1S oS 試樣原始截面積（mm2） . 塑性對(duì)材料的意義塑性對(duì)材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.

8、提高安全性提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂免突然斷裂 2.1 強(qiáng)度與塑性第第2 2章章 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能 常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和疲勞等。強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。塑性塑性是指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生變形而不破壞的能力。復(fù)習(xí)提要復(fù)習(xí)提要力力- -伸伸長(zhǎng)長(zhǎng)曲曲線線2.1.2 強(qiáng)度的主要指標(biāo)1.彈性極限彈性極限試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。2.屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)試樣在試驗(yàn)過(guò)程中力示增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)（變形）時(shí)的應(yīng)

9、力。3.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值。MPaSFee0MPaSFbb0MPaSFss02.1.3 塑性的主要指標(biāo)塑性塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。1.斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，用符號(hào)表示，讀作 德?tīng)査?。?式中 l1試樣拉斷后對(duì)接的標(biāo)距長(zhǎng)度； l 0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。 其中：l0=10d0時(shí)，稱為長(zhǎng)試樣； l0=5d0時(shí)，稱為短試樣。100100%lll2.1.3 塑性的主要指標(biāo)2.斷面收縮率斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的比值，用符號(hào)表示，讀作普賽。即 式中 S0試樣原始橫截面積； S1試樣拉

10、斷后縮頸處最小橫截面積。010100%SSS2.3 沖擊韌度與疲勞極限2.3.1 沖擊韌度沖擊韌度定義：金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。通過(guò)金屬夏比沖擊試驗(yàn)可以測(cè)定金屬的沖擊韌度。新課程新課程 在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。1.擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn) 把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。試樣沖斷時(shí)所消耗的試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功

11、A k為為: A k = m g H m g h (J)沖擊吸收功沖擊吸收功 沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。 2.韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 金屬材料的沖擊吸收功與沖擊試驗(yàn)溫度有關(guān)。在一系列不同溫度的沖擊試驗(yàn)中，測(cè)繪的沖擊吸收功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線，稱為沖擊吸收 功-溫度曲線， 如圖2.7所示。 2.3.1 沖擊韌度 有些金屬材料的沖擊吸收功-溫度曲線，具有明顯的上平臺(tái)區(qū)、下平臺(tái)區(qū)和過(guò)渡區(qū)三部分。沖擊吸收功急劇變化或斷口韌脆急劇轉(zhuǎn)變的溫度范圍，稱為韌脆韌脆轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度。 金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低較低時(shí)，表示其低溫沖擊韌性較好較

12、好。韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高較高的金屬材料，不宜在高寒地區(qū)使用，以免在冬季金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷現(xiàn)象脆斷現(xiàn)象。2.3.2 疲勞 疲勞疲勞是指金屬材料在循環(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力作用下，局部產(chǎn)生永久性積累損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程。 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力是指應(yīng)力的大小、方向，或大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力。應(yīng)力值通常小于材料的屈服點(diǎn)。 工作中循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，發(fā)生突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂疲勞斷裂。 疲勞斷裂與在靜載荷作用下的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先均無(wú)明顯的塑性變形，很難覺(jué)察到，危險(xiǎn)性大，甚至造成嚴(yán)重事故。 研究疲勞問(wèn)題時(shí)，需要測(cè)

13、定疲勞曲線。大量試驗(yàn)表明，金屬材料所承受的最大應(yīng)力max愈大愈大，則斷裂斷裂前前所經(jīng)受的循環(huán)周次N（定義為疲勞壽命）愈小愈小。這種最大應(yīng)力max與 疲勞壽命N的關(guān)系 曲線稱為疲勞曲線 ，或稱S-N曲線。 2.3.2 疲勞 鋼鐵材料的S-N曲線如圖2.9中曲線1的形式，其特征是當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)周次可以達(dá)到很大，甚至無(wú)限大，而試樣仍不發(fā)生疲勞斷裂。這就是試樣不發(fā)生斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力，該應(yīng)力值稱為疲勞極限疲勞極限。光滑試樣的對(duì)稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞極限用-1表示。按GB/T43371984規(guī)定，一般鋼鐵材料取循環(huán)周次為107次時(shí)，能承受的最大循環(huán)應(yīng)力為疲疲勞極限勞極限。2.2 硬硬 度度

14、硬度：硬度：硬度試驗(yàn)方法硬度試驗(yàn)方法: 壓入法壓入法 它是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)；它是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)；它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。(表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）或劃痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）維氏硬度（維氏硬度（HV）一、布氏硬度1、測(cè)定原理布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 2、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗(yàn)力保持 時(shí)間（s） 試驗(yàn)力（0

15、.102N）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7350N試驗(yàn)力作用下保持1015s測(cè)得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如 170HBS。 3、適用范圍常用于測(cè)小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測(cè)淬火鋼件的硬度。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)值重復(fù)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)值重復(fù)性強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果性強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確準(zhǔn)確缺點(diǎn)：壓痕大，不缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)適合成品檢驗(yàn)二、洛氏硬度測(cè)定原理硬度硬度符號(hào)符號(hào)壓頭類壓頭類型型總實(shí)總實(shí)驗(yàn)力驗(yàn)力F/N 硬度值有效范圍硬度值有效范

16、圍應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石金剛石圓錐體圓錐體588.420 08888適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬硬適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬硬層或滲碳層層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼球鋼球980.720100100適用于測(cè)量非鐵金屬適用于測(cè)量非鐵金屬,退火、退火、正正火鋼等火鋼等HRC金剛石金剛石圓錐體圓錐體1471207070適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表表1-2選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三種表表1-2 常用的三種洛氏硬度

17、的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍2、符號(hào)002. 0hNHR3、表示方法、表示方法硬度值+HR例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于可以用于硬度很高的材料，在鋼硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。用最多。4、適用范圍、適用范圍優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕小，可在成品零件上檢測(cè) 。2.2.2 洛氏硬度值洛氏硬度值為一無(wú)名數(shù)，A、C 標(biāo)尺用洛氏硬度值、符號(hào)HR和使用的標(biāo)尺字母表示。例如，50HRC50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50；B標(biāo)尺用洛氏硬度值、符號(hào)HRB、使用的標(biāo)尺和球壓頭代號(hào)（鋼球?yàn)镾、硬質(zhì)合金為W）表示。例如：60HRBW60

18、HRBW表示用硬質(zhì)合金球壓頭在B標(biāo)尺上測(cè)得的洛氏硬度值為60。三、維氏硬度三、維氏硬度1、測(cè)定原理、測(cè)定原理用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時(shí)間后卸去試驗(yàn)力，然后測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1、d2（mm），并求出壓痕對(duì)角線的平均值d。 2、表示方法、表示方法硬度值+HV+試驗(yàn)力/保持時(shí)間如： 和 3、適用范圍、適用范圍適用于測(cè)量零件薄的表面硬化層的硬度。2.2.3 維氏硬度 與布氏硬度值一樣，維氏硬度習(xí)慣上也只寫出其硬度數(shù)值而不標(biāo)出單位。在硬度符號(hào)HV之前的數(shù)值為硬度值，HV后面的數(shù)值依次表示試驗(yàn)力值（單位為kgf）和試驗(yàn)力保持時(shí)間（保持時(shí)間為1015S時(shí)不標(biāo)柱

19、）。例如640HV30640HV30，表示在試驗(yàn)力為294.2N下，保持1015S測(cè)得的維氏硬度為640。640HV30/20640HV30/20表示在試驗(yàn)力為294.2N下，保持20S測(cè)得的維氏硬度值為640。單位換算見(jiàn)教程P13頁(yè)作業(yè)P16作業(yè)：教材P16頁(yè)，第3、10題 第第3章章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.1.1 晶體與非晶體晶體與非晶體概念：原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的概念：原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的 固體物質(zhì)固體物質(zhì)稱稱晶體晶體；非晶體非晶體則反之。則反之。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 晶晶 體體有固定熔點(diǎn)；有固定熔點(diǎn)

20、；具有各向異性。如：具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。食鹽，冰，金剛石，金屬等。 非晶體非晶體沒(méi)有固定熔點(diǎn)；沒(méi)有固定熔點(diǎn)；各向同性。如：各向同性。如：普通玻璃，松香，瀝青等。普通玻璃，松香，瀝青等。 第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.1.2 3.1.2 晶格與晶胞晶格與晶胞 晶格晶格描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間幾何圖形。 晶胞晶胞能夠反映晶格特征的最小幾何單元。晶面晶向晶晶 格格晶晶 面面晶晶 向向晶晶 胞胞3.1.2 晶格與晶胞晶格與晶胞3.1.3 3.1.3 常見(jiàn)晶格類型常見(jiàn)晶格類型 .體心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格，8個(gè)頂角和立方體中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞有原子個(gè)(

21、1/88+1)。常見(jiàn)金屬有：Cr、W、Mo、V和-Fe等。 .面心立方晶格面心立方晶格 立方體晶胞，8個(gè)頂角和6個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞有原子個(gè)(1/88+1/26)。常見(jiàn)金屬有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和-Fe等。 .密排六方晶格密排六方晶格 正六棱柱體晶胞，12個(gè)頂角和上下面中心各有一個(gè)原子，晶體內(nèi) 還有個(gè)， 每個(gè)晶胞有 原子6個(gè)。常 見(jiàn)金屬有Mg、 Zn、Be和Cd 等。體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格常見(jiàn)晶格類型： 3.1.4 3.1.4 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶粒晶粒外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體。 晶界晶界晶粒與晶粒

22、之間的界面。 多晶體多晶體由許多晶粒組成的晶體。 晶粒晶界 常見(jiàn)的晶體缺陷常見(jiàn)的晶體缺陷 在實(shí)際金屬晶體中，由于結(jié)晶條件的限制以及晶體受到外力的作用等，原子的排列并不絕對(duì)規(guī)則。晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域成為。間隙原子晶格空位點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷線線缺缺陷ABEHGF面面缺缺陷1.1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷在空間三個(gè)方向尺寸都很小的缺陷。特征：特征：出現(xiàn)晶格晶格空位空位和間隙原子間隙原子。性能：性能：晶格畸變，強(qiáng)度和硬度增加增加，塑性和韌性降低降低。 2.線缺陷線缺陷晶格空間兩個(gè)方向上尺寸都很小，而第三個(gè)方向的尺寸很大。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)性能：強(qiáng)度、硬度增加增加，塑性、韌性下降。 3.面缺陷面缺陷在一個(gè)方向上尺寸很小

23、，而另兩個(gè)方向上尺寸很大。性能：性能：“形形變強(qiáng)化變強(qiáng)化”。 3.2 3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 金屬原子的聚集狀態(tài)由無(wú)規(guī)則的液態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體過(guò)程。即金屬?gòu)囊簯B(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)固態(tài)晶體的過(guò)程稱為結(jié)晶結(jié)晶。3.2.1 3.2.1 冷卻曲線與過(guò)冷現(xiàn)象冷卻曲線與過(guò)冷現(xiàn)象 金屬在結(jié)晶過(guò)程中放出的結(jié)晶潛熱，維持了純金屬結(jié)晶過(guò)程中溫度不變溫度不變。 過(guò)冷度過(guò)冷度理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差。03.2.1 冷卻曲線與過(guò)冷現(xiàn)象 從冷卻曲線上可以看出，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的溫度就是純金屬進(jìn)行結(jié)晶的溫度。由于金屬在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，它補(bǔ)償了向外界散失的熱量

24、，使溫度并不隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降，因而在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)。直至金屬結(jié)晶終了，溫度又繼續(xù)下降。 結(jié)論結(jié)論：金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度越快，過(guò)冷度越大。過(guò)過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。冷是金屬結(jié)晶的必要條件。 3.2.2 3.2.2 純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程 金屬的結(jié)晶過(guò)程是不斷形成晶核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。反映在冷卻曲線上是在水平線段上完成的。1.形核形核 低于理論結(jié)晶溫度時(shí)成為結(jié)晶核心，即晶核晶核。晶核的形成過(guò)程稱為形核形核。 2. 長(zhǎng)大長(zhǎng)大 吸附其周圍液體中的金屬原子長(zhǎng)大 金屬液的結(jié)晶過(guò)程是晶核產(chǎn)生和長(zhǎng)大的過(guò)程，同時(shí)存在同時(shí)進(jìn)行。 3.2.3 3.2.3 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)

25、金屬力學(xué)性能的影響 一般情況下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。晶粒大小主要取決于形核率N和長(zhǎng)大速率V的因素。 生產(chǎn)中細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒的方法有： 增加過(guò)冷度； 變質(zhì)處理； 附加振動(dòng)。 3.2.4 3.2.4 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 在固態(tài)下，金屬的晶格類型隨溫度（或壓力）變化的特性同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 Fe Fe Fe 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格 體心立方晶格體心立方晶格 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理的依據(jù)。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一個(gè)結(jié)晶過(guò)程，稱為重結(jié)晶重結(jié)晶。同樣遵循結(jié)晶的一般規(guī)律：即和。 700800900100011001200130

26、0140015001600間L純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線 3.3 3.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金合金兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元組元組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)。 合金系合金系由給定的組元，按一定的比例配制成一系列的合金。 相相合金中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分。 組織組織由不同形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的相組成的綜合體。 如單相、兩相、多相合金。 金屬的組織一般應(yīng)用顯微鏡才能看到，所以常稱顯微組織。 由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)分為固溶體固溶體和金屬化合物金屬化合物兩大類。 3.3.1

27、3.3.1 固溶體固溶體 溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相。 溶劑與固溶體晶格類型相同。 溶質(zhì)晶格類型消失的組元。 1.固溶體的類型固溶體的類型 （1）置換固溶體置換固溶體溶質(zhì)的原子部分取代溶劑晶格上的原子。 條件：晶格類型相同，原子半徑接近。 （2）間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)的原子溶入溶劑晶格之中形成的固溶體 動(dòng)畫(huà)顯示如下：動(dòng)畫(huà)顯示如下：間隙間隙固溶體固溶體置換固溶體置換固溶體第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.2.固溶體的性能固溶體的性能 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中，不論是形成間隙固溶體，還是置換固溶體，都將導(dǎo)致晶晶格畸變格畸變。由于固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，導(dǎo)致金

28、屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通過(guò)溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。即： 固溶體固溶體晶格畸變晶格畸變強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度增加增加固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.3.2 金屬化合物 合金元素之間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：晶格類型不同于任一組元，有較高的熔點(diǎn)，硬而脆。 金屬化合物主要用來(lái)作為碳鋼、各類合金鋼、硬質(zhì)合金及有色金屬的重要組成相。 工業(yè)上使用的合金，通過(guò)控制固溶體中溶質(zhì)含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布情況，使得合金力學(xué)性能在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，以滿足工程上不同的使用要求。 第3章 金屬的晶

29、體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.4 3.4 二元合金相圖二元合金相圖 表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相（或組織狀態(tài)）和溫度、成分之間關(guān)系的圖解，稱為合金合金平衡圖平衡圖或合金狀態(tài)圖合金狀態(tài)圖。它不僅可以清楚地了解不同成分的合金在室溫下的組織組成，而且還能充分地表明不同成分的合金在不同溫度下的相組成及其相對(duì)含量，揭示了合金在緩慢冷卻和加熱過(guò)程中的相變規(guī)律。它已成為研究合金的組織形成和變化規(guī)律的有效工具，是制定金屬冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的理論依據(jù)。第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.4.1 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 以銅鎳合金銅鎳合金為例，用熱分析法建立相圖的步驟如下： 1.由給定的合金配制一系

30、列不同成分的合金； 2.用熱分析方法測(cè)定合金系的冷卻曲線，得到各自的相變溫度點(diǎn)； 3.建立以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系，標(biāo)上各成分的相變溫度； 4.連接物理意義相同的點(diǎn)，可得到液相線液相線和固相固相線線。 二元合金相圖的測(cè)繪第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 3.4.2 3.4.2 勻晶相圖勻晶相圖 兩組元在液態(tài)和固態(tài)能無(wú)限互溶時(shí)，所構(gòu)成的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D。 1.1.相圖分析相圖分析 圖中液相線以上為液相區(qū)液相區(qū)，用符號(hào)L L表示；固相線以下為固相區(qū)固相區(qū)，用符號(hào)表示；液相線與固相線之間是液、固兩相區(qū)，用符號(hào)L+L+表示。A點(diǎn)是銅的熔點(diǎn)，B點(diǎn)是鎳的熔點(diǎn)。 第3章 金屬的

31、晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.2.合金結(jié)晶過(guò)程分析合金結(jié)晶過(guò)程分析 以圖中K點(diǎn)成分合金為例分析如下： 合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至1點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始從液相線中結(jié)晶出固溶體；隨著溫度的下降，相增多，而L相減少；至2點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄唷?實(shí)際結(jié)晶過(guò)程不可能是無(wú)限緩慢的。先結(jié)晶的晶粒與后結(jié)晶的晶粒成分不同，晶粒的心部與表層成分也不同，來(lái)不及擴(kuò)散均勻。這種現(xiàn)象稱為成分偏析成分偏析。成分偏析將影響合金的性能。第3章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.4.3 3.4.3 共晶相圖共晶相圖 兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，并且發(fā)生共晶反應(yīng)所構(gòu)成的相圖，稱為二元共晶相圖二元共晶相圖。共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)是指冷卻時(shí)由液相同時(shí)結(jié)晶兩個(gè)固相的復(fù)相混合物的反應(yīng)。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物成為共晶體共晶體，其顯微組織稱為共晶組織共晶組織。 1相圖分析 液相線ACD以上為L(zhǎng)液相區(qū)，固相線AECFD以下為固相區(qū)。三邊形AEC和CFD為兩相區(qū)。AES線左邊為固溶體相區(qū)，DFG線左邊為固溶體相區(qū)。A點(diǎn)是鉛的熔點(diǎn)，D點(diǎn)是錫的熔點(diǎn)。第3章