金屬學(xué)第一章課件

1、 金屬學(xué)是學(xué)習(xí)金屬材料課程的基礎(chǔ)，它是研究金屬和合金的成分、組織(結(jié)構(gòu))與性能之間關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。對(duì)于焊接工藝人員，只有掌握必要的金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉金屬的性能、構(gòu)成和結(jié)晶特點(diǎn)，才能對(duì)金屬材料在熔焊過(guò)程中所發(fā)生的變化(包括焊接接頭成分、組織性能的變化)規(guī)律有所理解，做到正確合理地選用材料，制定結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)工藝。第一節(jié)金屬材料的性能 金屬材料的性能一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是使用性能，它反映金屬材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，它決定了金屬材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性和使用壽命；另一類(lèi)是工藝性能，它反映了金屬材料在加工制造過(guò)程中的各種特性，如鑄造性、鍛造性、焊接性和

2、切削加工性等，它決定了金屬材料在制造、加工機(jī)械零件時(shí)的難易程度。本節(jié)主要介紹金屬材料的使用性能。一、金屬的力學(xué)性能 通常機(jī)器零件或工程結(jié)構(gòu)在工作中都要受到外力的作用，金屬在外力的作用下所表現(xiàn)的性能叫做力學(xué)性能。 按外力(載荷)作用性質(zhì)的不同，可分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。在不同性質(zhì)的載荷作用下，金屬所表現(xiàn)的特性與抵抗破壞的能力不同，因而需要用不同的力學(xué)性能指標(biāo)。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選材時(shí)，材料的力學(xué)性能是確定產(chǎn)品主要尺寸的依據(jù)。1.硬度 硬度是表示固體材料表面抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量金屬軟硬的力學(xué)性能指標(biāo)。此外，硬度又是反

3、映材料的成分、組織與力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，金屬的硬度越高，則強(qiáng)度越高，而塑性和韌性越低。因此，硬度雖然不是零件設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，但是對(duì)工作條件不同的零件，為保證其使用壽命，也會(huì)提出不同的硬度要求。由于硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便、快捷，并可直接在零件或工具上進(jìn)行測(cè)試而不破壞試樣，故應(yīng)用最廣泛。 測(cè)定硬度的方法很多，在生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是壓入硬度測(cè)試法中的布氏硬度法、洛氏硬度法和維氏硬度法。 (1)布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是將一定直徑的硬質(zhì)合金球以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣的表面，保持規(guī)定時(shí)間使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，卸除試驗(yàn)力(圖1-1)，測(cè)量試樣表面壓痕直徑，將試驗(yàn)力與球面壓痕單位表面積的比值稱(chēng)為布氏硬度

4、值，用符號(hào)HBW表示。由上式可知，當(dāng)F、D一定時(shí)，布氏硬度值僅與壓痕直徑d有關(guān)。d越小，布氏硬度值越高，即材料的硬度越高。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，并不需要每次都按式(1-1)進(jìn)行計(jì)算，而是用專(zhuān)用的讀數(shù)放大鏡測(cè)出壓痕直徑(圖1-2)后，直接從硬度換算表中查出硬度值。 布氏硬度試驗(yàn)范圍上限為650HBW。按國(guó)標(biāo)GB/T 231.12002的規(guī)定，布氏硬度值的標(biāo)記應(yīng)包括硬度符號(hào)、球直徑、試驗(yàn)力數(shù)字和試驗(yàn)力保持時(shí)間，如：(2)洛氏硬度洛氏硬度是用壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球)壓入試樣表面，根據(jù)壓痕深度來(lái)確定金屬硬度的。金剛石圓錐壓頭用于測(cè)定較硬的材料，如淬火后的鋼件；鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭則用于測(cè)定較軟的鋼

5、件。試驗(yàn)時(shí)，為了使壓頭與試樣表面接觸良好，硬度試驗(yàn)原理示意圖如圖1-3所示。 洛氏硬度用符號(hào)HR表示。為了擴(kuò)大硬度計(jì)的測(cè)量范圍，采用不同壓頭和試驗(yàn)力，可組成多種不同的硬度標(biāo)度，并在符號(hào)HR后綴字母加以標(biāo)明。最常用的是HRC、HRB和HRA三種，見(jiàn)表1-1。 洛氏硬度與布氏硬度之間沒(méi)有理論上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能通過(guò)計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。但對(duì)同類(lèi)材料，在相同狀態(tài)下和一定硬度值范圍內(nèi)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上可得到一些經(jīng)驗(yàn)換算關(guān)系。如當(dāng)材料硬度220HBW時(shí)，有1HRC10HBW的近似關(guān)系，可在實(shí)踐中進(jìn)行對(duì)比。 洛氏硬度試驗(yàn)操作迅速簡(jiǎn)單，壓痕小，不損傷試樣表面，測(cè)量范圍大，故應(yīng)用范圍較廣。但也因壓痕小，對(duì)于組織粗大且不均

6、勻的材料，測(cè)試結(jié)果誤差較大，數(shù)值重復(fù)性差。通常要求從試樣不同位置測(cè)試三點(diǎn)，然后取平均值。 (3)維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度基本相同，也是根據(jù)壓痕單位面積上所承受的壓力大小來(lái)計(jì)量硬度值。區(qū)別是維氏硬度實(shí)驗(yàn)是用兩面夾角為136的金剛石四棱錐體作壓頭。維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理如圖1-4所示。 試驗(yàn)時(shí)，在一定試驗(yàn)力F的作用下將壓頭壓入試樣表面，在試樣表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1和d2，以其平均值計(jì)算出壓痕表面積S，用F/S表示維氏硬度值，符號(hào)為HV。 維氏硬度的測(cè)量范圍為11000HV，標(biāo)注方法與布氏硬度相同。與布氏、洛氏硬度試驗(yàn)相比，維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：壓頭壓痕小，可檢測(cè)試件

7、微小區(qū)域的硬度值；不存在受布氏硬度中試驗(yàn)力與壓頭直徑比例關(guān)系的約束；也不存在壓頭變形問(wèn)題；而且壓痕清晰，保證了測(cè)量的精確度，硬度值誤差較小。所以此法更適合測(cè)定極薄試樣、焊接接頭焊縫及焊接影響區(qū)的硬度。但是由于維氏硬度值需要測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度，并進(jìn)行計(jì)算或查表，其效率比洛氏硬度試驗(yàn)低，不宜用于成品生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)量。2.強(qiáng)度和塑性(1)強(qiáng)度強(qiáng)度是金屬材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。由于作用力的性質(zhì)不同，其判據(jù)可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。在生產(chǎn)中，最常用、最基本的是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)方法為拉伸試驗(yàn)法。 維氏硬度的測(cè)量范圍為11000HV，標(biāo)注方法與布氏硬度相同。與

8、布氏、洛氏硬度試驗(yàn)相比，維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：壓頭壓痕小，可檢測(cè)試件微小區(qū)域的硬度值；不存在受布氏硬度中試驗(yàn)力與壓頭直徑比例關(guān)系的約束；也不存在壓頭變形問(wèn)題；而且壓痕清晰，保證了測(cè)量的精確度，硬度值誤差較小。所以此法更適合測(cè)定極薄試樣、焊接接頭焊縫及焊接影2.強(qiáng)度和塑性(1)強(qiáng)度強(qiáng)度是金屬材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。由于作用力的性質(zhì)不同，其判據(jù)可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。在生產(chǎn)中，最常用、最基本的是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)方法為拉伸試驗(yàn)法。 為便于對(duì)不同材料的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，拉伸試驗(yàn)所用試樣的形狀和尺寸應(yīng)符合GB/T 2282002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)的規(guī)

9、定。圖1-5為圓形拉伸試樣的示意圖。圖中d0為試樣直徑，L0為標(biāo)距長(zhǎng)度，根據(jù)規(guī)定試樣分長(zhǎng)試樣(L0=10d0)和短試樣(L0=5d0)兩種。 材料受外力作用，其內(nèi)部產(chǎn)生了與外力大小相同方向相反的抵抗力，即內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力，用符號(hào)表示，即 (2)塑性塑性是金屬在外力作用下，斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。金屬材料的塑性指標(biāo)為伸長(zhǎng)率與斷面收縮率，它們同樣可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定。 1)伸長(zhǎng)率。試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與其原始標(biāo)距之比值的百分率，用符號(hào)A表示，即2)斷面收縮率。試樣拉斷后斷面面積的收縮量與其原始面積比值的百分率，用符號(hào)Z表示，即A和Z值越大，表明金屬材料的塑性越好。3.韌性

10、 韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。對(duì)于有些在使用過(guò)程中承受動(dòng)載荷的零件，如鍛錘的錘桿、連桿等，需要制定其在沖擊載荷下的性能指標(biāo)，以判定金屬材料韌性的好壞。在斷裂前發(fā)生明顯塑性變形的材料稱(chēng)為韌性材料。 韌性通常通過(guò)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)測(cè)定。圖1-7為沖擊試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)所用試樣尺寸如圖1-8a所示。我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣缺口以U形與V形缺口為主。 試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承架面上，缺口背向擺錘方向(圖1-8b)，然后將重力為G的擺錘由高度H自由落下，擊斷工件后升至高度h。因此，擺錘沖擊試樣時(shí)，斷口處所消耗的沖擊吸收功可用下式計(jì)算 沖擊韌度值隨試驗(yàn)溫度與缺口形式而變化，所以，對(duì)沖擊試

11、驗(yàn)結(jié)果必須注明試驗(yàn)溫度和缺口形式。 沖擊韌度值不僅可表示金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，而且還反映了產(chǎn)品發(fā)生脆性斷裂傾向之大小。因此，在生產(chǎn)中，不僅要對(duì)長(zhǎng)期在沖擊載荷下工作的零件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，而且對(duì)在靜載荷作用下的重要產(chǎn)品(如低溫壓力容器、高壓容器)，其材料也要求進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。二、金屬的物理性能 物理性能是指金屬在固態(tài)下所表現(xiàn)出的一系列物理現(xiàn)象，包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。物理性能屬于材料的使用性能，它不僅影響金屬材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量，而且對(duì)加工工藝，特別是對(duì)焊接的工藝性與質(zhì)量有較大影響。1.密度 密度是單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，用符號(hào)表示，單位為g/cm3。計(jì)算公式

12、為 不同金屬的密度不同。按密度的大小，將金屬分為輕金屬與重金屬兩類(lèi)。密度5g/cm3的金屬稱(chēng)為輕金屬，如鋁、鎂、鈦等及其合金；密度5g/cm3的金屬稱(chēng)為重金屬，如鐵、銅、錫、鉛等及其合金。在生產(chǎn)中，常利用金屬的密度來(lái)計(jì)算毛坯或零件的質(zhì)量。此外，密度又是選用零件材料的依據(jù)。如飛機(jī)、船舶、航天器等產(chǎn)品，為了減輕自重、節(jié)約燃料、提高承載能力，需要選用密度小而強(qiáng)度高的輕金屬；而深海潛水器、平衡重錘等，為了提高穩(wěn)定性，需要增加自重，常選用重金屬制造。常用金屬及合金的密度見(jiàn)表1-2。2.熔點(diǎn) 金屬的熔點(diǎn)是指金屬由固態(tài)熔化為液態(tài)的溫度。 純金屬的熔點(diǎn)是固定不變的，如純鐵的熔點(diǎn)為1538。合金從開(kāi)始熔化到熔化

13、完了是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，習(xí)慣上將合金加熱到最初微量液體出現(xiàn)時(shí)的溫度作為熔點(diǎn)。按熔點(diǎn)的高低，常將金屬分為易熔與難熔金屬兩類(lèi)。熔點(diǎn)低于700的稱(chēng)為易熔金屬，如錫、鉛、鉍及其合金；熔點(diǎn)高于700的稱(chēng)為難熔金屬，如鐵、鎢、鉬、銅等及其合金。3.熱膨脹性 熱膨脹性是指固態(tài)金屬在溫度變化時(shí)熱脹冷縮的能力，在工程上常用線膨脹系數(shù)來(lái)表示，符號(hào)為l，計(jì)算公式為熔焊時(shí)，由于熱源對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件上的溫度極不均勻，不均勻的加熱溫度造成焊件上出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，而導(dǎo)致不均勻的變形和焊接應(yīng)力，而且被焊材料的線膨脹系數(shù)越大，引發(fā)的焊接應(yīng)力與變形就越大。常見(jiàn)金屬及合金的線膨脹系數(shù)見(jiàn)表1-4。4.導(dǎo)熱性 金屬

14、的導(dǎo)熱性是指金屬傳導(dǎo)熱量的能力，用熱導(dǎo)率表示，單位為W/(m)或W/(mK)。 不同金屬的導(dǎo)熱能力不同，純金屬的熱導(dǎo)率一般大于合金的熱導(dǎo)率。在常用金屬中，銀、銅、鋁的值最高。 導(dǎo)熱性好的金屬，在焊接加熱時(shí)轉(zhuǎn)移到焊件金屬內(nèi)部的熱量損失多，熱源的利用率低；而導(dǎo)熱性差的金屬，雖然熱量損失少，但焊件上的溫度分布不均勻，溫度差增大，會(huì)導(dǎo)致較大的焊接應(yīng)力與變形。常用金屬的熱導(dǎo)率見(jiàn)表1-5。5.導(dǎo)電性 金屬傳導(dǎo)電流的能力稱(chēng)導(dǎo)電性，常用電導(dǎo)率表示，符號(hào)為，單位S/m，是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 金屬導(dǎo)電能力大小的順序與熱導(dǎo)率基本相同，一般純金屬的導(dǎo)電性比合金的導(dǎo)電性好。導(dǎo)電性是隨合金化學(xué)

15、成分的復(fù)雜化而降低的，以銀、銅、鋁為最佳。工業(yè)上常用電導(dǎo)率高的材料制造電器零件，如電線、電纜、電器元件等；用電導(dǎo)率低的金屬，如康銅(銅合金)、鐵鉻鋁、鉻鎳合金等制造電阻器或電熱元件。三、金屬的化學(xué)性能 金屬的化學(xué)性能是指金屬在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力，即抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力，如耐蝕性(耐酸性、耐堿性)、耐高溫、抗氧化性等。 對(duì)于在具有腐蝕性的介質(zhì)中或在高溫時(shí)工作的構(gòu)件，不僅要求滿足金屬材料的力學(xué)性能要求，更應(yīng)注意金屬材料的化學(xué)性能要求。常見(jiàn)金屬材料的化學(xué)性能要求有：常見(jiàn)金屬材料的化學(xué)性能要求有：1.耐蝕性 金屬材料在常溫時(shí)抵抗各種介質(zhì)(如大氣、水、酸、堿、鹽等)腐蝕破壞的能力，

16、稱(chēng)為耐蝕性。 金屬材料耐蝕性的好壞主要取決于零件的工作環(huán)境及介質(zhì)，例如：在大氣環(huán)境中，純鋁的耐蝕性比鋼鐵的耐蝕性好；在具有腐蝕性介質(zhì)的條件中，化工設(shè)備、醫(yī)療器械等常采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的合金不銹鋼制作。2.抗氧化性 金屬材料在高溫時(shí)抵抗氧化的能力，稱(chēng)為抗氧化性。由于金屬材料的氧化是隨著溫度的升高而加速的，因此在高溫條件中工作的零部件，都必須具有良好的高溫抗氧化性。例如鍋爐爐內(nèi)元件、發(fā)電廠管道、加熱爐爐底板等。3.熱穩(wěn)定性 金屬材料在高溫時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性，稱(chēng)為熱穩(wěn)定性?；瘜W(xué)穩(wěn)定性是指金屬材料在高溫時(shí)同時(shí)具有耐腐蝕及抗氧化的能力。在高溫條件中運(yùn)行的設(shè)備(如汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、加熱爐等)需要選擇熱穩(wěn)定性

17、能優(yōu)良的材料來(lái)制作。第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 固態(tài)物質(zhì)按其原子的聚集狀態(tài)可分為晶體與非晶體兩大類(lèi)。原子按一定順序在空間有規(guī)則排列的物質(zhì)稱(chēng)為晶體；而非晶體內(nèi)部的原子則無(wú)規(guī)則地堆積。絕大部分固體金屬屬于晶體。一、金屬的特性 在現(xiàn)有已知元素中，根據(jù)化學(xué)元素周期表，目前發(fā)現(xiàn)的金屬元素有77種，約占已知化學(xué)元素的4/5。同非金屬相比，金屬在固態(tài)下(少數(shù)金屬在液態(tài)下)具有以下一些特性：1)良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。2)正的電阻溫度系數(shù)，即溫度升高電阻增大，而且大多數(shù)金屬在溫度下降到接近絕對(duì)溫度值時(shí)，電阻突降而趨近于零。3)具有金屬光澤和良好的反射能力。4)具有好的延展性。5)除汞以外，在25都是固體。 金屬的原子

18、結(jié)構(gòu)區(qū)別于非金屬的顯著特點(diǎn)是外層電子很少(一般是12個(gè))。這些電子與原子的結(jié)合力很弱，容易脫離其束縛而成為自由電子。失去電子的金屬原子成為正離子。金屬原子結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)，又決定了其內(nèi)部原子的結(jié)合形式。 當(dāng)大量金屬原子結(jié)合在一起時(shí)，絕大多數(shù)原子將失去電子而成為正離子，并按一定的幾何形狀排列，同時(shí)進(jìn)行熱振動(dòng)，而自由電子則為整個(gè)金屬所共有，在各離子間自由運(yùn)動(dòng)。依靠正離子與電子之間引力與斥力的平衡，使金屬結(jié)合并保持一定的幾何形狀。這種結(jié)合模式稱(chēng)為金屬鍵，如圖1-9所示。 金屬的主要特征可以根據(jù)金屬鍵進(jìn)行解釋。如金屬良好的導(dǎo)電性是自由電子在電場(chǎng)作用下，進(jìn)行定向加速運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。但隨著溫度的升高，正離子熱振動(dòng)

19、的振幅和頻率都增大，增加了電子定向運(yùn)動(dòng)的阻力，而使導(dǎo)電性降低。由于正離子的振動(dòng)和自由電子的碰撞，都可將熱量從高溫傳遞到低溫，所以金屬有良好的導(dǎo)熱性。二、晶格與晶胞 為了便于描述和理解金屬內(nèi)部原子排列規(guī)律，可將原子看作固定的小球，如圖1-10a所示。這樣原子的排列就形成有規(guī)律的空間格架，稱(chēng)為結(jié)晶格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格(圖1-10b)。根據(jù)晶格中原子排列具有周期性的特點(diǎn)，可以從中選擇一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最三、常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型1.體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的8個(gè)頂角和中心各有一個(gè)原子(圖1-11)。具有體心立方晶格的金屬有Cr(鉻)、W(鎢)、Mo(鉬)、V(釩)、-

20、Fe等。這類(lèi)金屬一般都具有高的強(qiáng)度和較好的塑性。2.面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，在立方體的8個(gè)頂角和6個(gè)面的中心各有一個(gè)原子(圖1-12)。具有這種類(lèi)型晶格的金屬有Al(鋁)、Cu(銅)、Ni(鎳)、-Fe等。這類(lèi)金屬都有很好的塑性。3.密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，由6個(gè)長(zhǎng)方形的側(cè)面和2個(gè)正六邊形的底面所組成。在六方柱體的12個(gè)頂角和上下底面的中心各有一個(gè)原子，在柱體中心上下底面之間還有3個(gè)原子(圖1-13)。具有這種類(lèi)型晶格的金屬有Mg(鎂)、Zn(鋅)、Be(鈹)、Ti(鈦)等。四、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷 晶體內(nèi)部晶格原子排列位向完全一致的稱(chēng)為

21、單晶體，而工業(yè)上應(yīng)用的金屬材料，絕大多數(shù)是由許多單晶體組成的多晶體，如圖1-14所示。圖中的每個(gè)小區(qū)域叫做晶粒，晶粒間互相接觸的界面叫做晶界，每個(gè)晶粒內(nèi)部原子排列的規(guī)律相同，但是晶粒之間位向不同。 在晶體內(nèi)部并不是每個(gè)原子都處于其正常1.空位和間隙原子位置，而是在某些結(jié)點(diǎn)上沒(méi)有原子。這種在晶格中未被原子占據(jù)的結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為空位。在少數(shù)晶格的間隙處也會(huì)出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常結(jié)點(diǎn)的原子稱(chēng)為間隙原子(或空位原子)。晶體中的空位和間隙原子如圖 1-15 所示。 無(wú)論是空位或間隙原子，由于鄰近缺少或增加了一個(gè)原子，打破了原子間作用力的平衡，而使晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性遭到破壞，晶格發(fā)生歪扭，形成所謂晶格畸變。

22、晶格畸變將導(dǎo)致金屬的強(qiáng)度、硬度及電阻率升高。此外，空位與間隙原子還會(huì)在晶體內(nèi)部移動(dòng)，數(shù)量也會(huì)發(fā)生變化，并隨溫度上升數(shù)量增多。 由于空位和間隙原子是一種長(zhǎng)、寬、高尺寸都很小的缺陷，所以稱(chēng)之為晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷。2.位錯(cuò) 位錯(cuò)是指晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 位錯(cuò)有兩種主要類(lèi)型：刃形位錯(cuò)和螺形位錯(cuò)。這里僅對(duì)刃形位錯(cuò)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。 刃形位錯(cuò)是在一個(gè)完整的晶體的某一部分，上部比下部(或下部比上部)多出一個(gè)原子面(圖1-16)，這個(gè)多余的原子面的下邊緣像刀刃一樣，垂直地切入晶體之中(圖1-17)。在圍繞位錯(cuò)端部，晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性受到嚴(yán)重干擾，晶格產(chǎn)生歪扭。離端部越遠(yuǎn)，晶格歪扭程度越小

23、。位錯(cuò)屬于晶體中的線缺陷。3.晶界 實(shí)際的金屬材料大都是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒之間形成了晶界。晶界上的原子因兩側(cè)晶粒位向不同，需要同時(shí)適應(yīng)兩種位向，由一個(gè)晶粒逐漸向相鄰晶粒過(guò)渡，而形成了一個(gè)中間地帶(圖1-18)。由于原子排列脫離了正常位置，使晶界的能量高于晶內(nèi)的能量。高出的這部分能量稱(chēng)為界面能。五、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 大多數(shù)金屬凝固后，隨溫度下降晶格不再發(fā)生變化，如鋁、銅等。但也有少數(shù)金屬，如鐵，鈦、鈷等，在凝固后繼續(xù)冷卻時(shí)，還會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化。這種金屬在固態(tài)下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱(chēng)同素異晶性。第三節(jié)金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的概念 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

24、固態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝固。因?yàn)榻饘偈蔷w，在凝固過(guò)程中原子由不規(guī)則排列的液態(tài)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸?guī)則排列的晶體狀態(tài)，因此，通常把有金屬的凝固過(guò)程又稱(chēng)為結(jié)晶。 純金屬結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的，其過(guò)程可用冷卻曲線來(lái)描述。圖1-20所示的冷卻曲線是用熱分析法繪制的，即液體金屬在緩慢冷卻過(guò)程中，隔一段時(shí)間，測(cè)量一次溫度，直到冷卻至室溫。然后將測(cè)量結(jié)果標(biāo)注在溫度-時(shí)間坐標(biāo)平面上，即繪制出冷卻曲線。 實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷現(xiàn)象。二者之差(T0-Tn)稱(chēng)為過(guò)冷度，以符號(hào)T表示。 金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，金屬實(shí)際的結(jié)晶溫度就越低，即過(guò)冷度就越大。這是由于冷卻速度增大時(shí)，結(jié)晶過(guò)程

25、來(lái)不及進(jìn)行而產(chǎn)生的滯后現(xiàn)象，使結(jié)晶在較低溫度才開(kāi)始進(jìn)行。二、金屬的結(jié)晶過(guò)程圖1-21為金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖。結(jié)晶時(shí)，首先在液體中某些部位的原子集團(tuán)形成排列規(guī)則的微小晶核(圖1-21a)；接著已形成的晶核逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)又有新的晶核形成并長(zhǎng)大(圖1-21b)；最后，晶粒互相接觸，液體完全凝固(圖1-21c、d)。三、晶核形成與晶粒長(zhǎng)大 晶核形成有自發(fā)形核與非自發(fā)形核兩種形式。自發(fā)形核又稱(chēng)為均質(zhì)形核，是指在均勻的液體中，由少量能量較高的液體原子形成晶核的過(guò)程。自發(fā)形核所需的能量較大，需要較大的過(guò)冷度，因而形核的幾率很小，在金屬結(jié)晶的過(guò)程中不是主要的形核方式。非自發(fā)形核又稱(chēng)非均質(zhì)形核，是指在金屬結(jié)晶過(guò)程

26、中，晶核依附于液體中存在的固體界面(難熔質(zhì)點(diǎn)或容器表面)的形核過(guò)程，形核所需的過(guò)冷度小。 晶粒長(zhǎng)大可以看作是液體金屬中的原子向晶粒表面遷移堆積并結(jié)合的過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大的方式主要有平面長(zhǎng)大與枝晶長(zhǎng)大兩種方式。平面長(zhǎng)大時(shí)，晶體界面始終保持規(guī)則的外形(圖1-22a)。枝晶長(zhǎng)大時(shí)，晶粒在長(zhǎng)大過(guò)程中，猶如樹(shù)枝那樣不斷分枝(圖1-22b)。實(shí)際金屬在結(jié)晶時(shí)，多以枝晶方式生長(zhǎng)。四、控制晶粒大小的措施 金屬晶粒尺寸的大小對(duì)力學(xué)性能有很大影響。一般情況下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中總希望金屬材料能獲得較細(xì)的晶粒組織。控制晶粒的大小，應(yīng)從控制形核率和晶粒長(zhǎng)大速度之間的關(guān)系入

27、手。 生產(chǎn)中控制晶粒尺寸的措施主要有：1.提高液體金屬的過(guò)冷度 隨著過(guò)冷度的提高，金屬的形核率與晶粒長(zhǎng)大的速度均要增加，但形核率增加得更快，因此，過(guò)冷度越大，晶粒越細(xì)。 在生產(chǎn)中，提高冷卻速度可有效地提高過(guò)冷度。具體的措施有：降低澆注溫度、使用金屬鑄型或水冷等。2.變質(zhì)處理 澆注前，在液體金屬中加入某種物質(zhì)，促進(jìn)形成非自發(fā)晶核數(shù)量及阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而獲得細(xì)晶粒的方法，叫做變質(zhì)處理。例如在鑄鐵中加入Si-Fe，在純鋁中加入TiC、NbC、VC、MoC等碳化物；在鋼液中加入Al、Ti、Nb、Zr等元素。熔焊時(shí)，通過(guò)焊條或焊絲加入Al、Ti、Nb等元素，可以細(xì)化焊縫金屬的晶粒。3.振動(dòng) 采用機(jī)械振動(dòng)

28、或超聲振動(dòng)，可使生成的枝晶破碎，但使晶核數(shù)目增多，晶粒細(xì)化。五、鑄錠的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 液體金屬澆注到鋼錠模中，冷卻后成為鑄錠。鑄錠在凝固過(guò)程中，由于表面與中心的結(jié)晶條件不同，結(jié)晶結(jié)構(gòu)是不均勻的。在其橫截面上可以看到外形不同、晶粒大小不等的三個(gè)晶粒區(qū)(圖1-23)，即外層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心粗大的等軸晶區(qū)。 絕大部分金屬在結(jié)晶過(guò)程中體積要收縮，因此，金屬鑄錠或鑄件最后凝固的部位，由于缺乏液體補(bǔ)充而會(huì)形成空穴，稱(chēng)為縮孔或疏松?？s孔體積較大，多位于鑄錠上部；疏松體積小且分散分布。 在鑄錠凝固過(guò)程中，由于溶解度的下降，液體金屬中的氣體將逐漸析出。在充分緩冷的條件下，氣體可從容地排到外面，而在冷速較大時(shí)，氣

29、體來(lái)不及析出，便以氣泡的形式殘留在液體金屬中，凝固后便形成了氣孔。大多數(shù)氣孔在熱軋時(shí)可以焊合，但在有些情況下也會(huì)使表面起皺或形成小裂紋。第四節(jié)合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 純金屬以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高熔點(diǎn)及耐腐蝕等優(yōu)異性能，在某些領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，純金屬的強(qiáng)度和硬度都比較低，不宜用來(lái)制造一些對(duì)力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零件、工具或結(jié)構(gòu)件，也無(wú)法滿足某些在特殊條件下工作的產(chǎn)品多方面、高性能的要求。因此，純金屬的應(yīng)用受到一定的限制。在實(shí)際的生產(chǎn)或生活中，用量最大的是合金。一、基本概念 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素，通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如

30、黃銅是銅、鋅組成的合金；碳素鋼是鐵與碳組成的合金等。 合金具有很多優(yōu)于純金屬的特性，如較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性，優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能等。合金還可以通過(guò)調(diào)整組成或熱處理而獲得滿足多種用途的各種性能要求。另外合金容易冶煉，價(jià)格也比純金屬低廉。 合金的優(yōu)異性能最根本的是由其組成所決定的。組成合金最基本而獨(dú)立的物質(zhì)稱(chēng)為組元，簡(jiǎn)稱(chēng)元。一般情況下，組元就是組成合金的元素，如銅和鋅是組成黃銅的組元。但有時(shí)合金中的穩(wěn)定化合物，也可視為組元，如鐵碳合金中的Fe3C。合金可以根據(jù)組元的數(shù)目命名，由兩個(gè)組元組成的合金稱(chēng)為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱(chēng)為三元合金等。合金的成分一般以組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，符號(hào)為w，

31、如wC=0.1，表示組元碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1。 為了說(shuō)明合金的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這里引入相的概念。合金的相，是指在合金中具有相同化學(xué)成分和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的均勻部分。各相之間有明顯的分界線，叫做相界。如純金屬在結(jié)晶時(shí)，固液并存，二者成分雖然相同，但結(jié)構(gòu)(即聚集狀態(tài))不同，分別稱(chēng)為固相和液相。在純鐵中，多晶體的晶粒間存在于晶界，但每個(gè)晶粒的成分與結(jié)晶結(jié)構(gòu)都相同，因此同屬一個(gè)相。在鐵碳合金中，室溫下存在-Fe和Fe3C，兩者的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)均不同，而各為一個(gè)相，即鐵碳合金由兩相組成。通常所謂的組織，就是金屬或合金中不同形狀、大小、數(shù)量和分布的“相”相互結(jié)合的綜合體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金的性能決定于組織，而組織

32、又取決于合金中各個(gè)相的成分、類(lèi)型和性質(zhì)。根據(jù)合金內(nèi)部各元素的相互作用，組成合金的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬間化合物及機(jī)械混合物三種基本類(lèi)型。1.固溶體 溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相稱(chēng)為固溶體。其中基體金屬稱(chēng)為溶劑，溶入的元素稱(chēng)為溶質(zhì)。固溶體是合金組成中重要的相。 如將鹽或糖放在水中，即可得到水溶液。溫度降低水結(jié)成冰，則形成鹽或糖在水(冰)中的固溶體。合金也有類(lèi)似的情況，如單相的黃銅就是鋅在銅中的固溶體(稱(chēng)為相)。其中銅是溶劑，鋅是溶質(zhì)。又如碳素鋼中的鐵素體，則是碳在-Fe中的固溶體。(1)置換式固溶體即溶質(zhì)原子代替部分溶劑原子所占據(jù)晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。相當(dāng)于溶劑原子被

33、溶質(zhì)原子所置換，如wZn39的Cu-Zn合金(圖1-24a)。在合金中，大多數(shù)溶于-Fe或-Fe中的合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni等，都是以置換的形式溶于鐵中。圖1-24b為Si溶于-Fe中的情況。(2)間隙式固溶體即溶質(zhì)原子插入溶劑晶格的間隙而形成的固溶體，碳溶于-Fe就是典型的間隙式固溶體，如圖1-25所示。(3)合金的固溶強(qiáng)化形成固溶體時(shí)，雖然溶劑的晶格保持不變，但因溶質(zhì)與溶劑原子間尺寸與化學(xué)性質(zhì)存在一定的差別，置換式或間隙式固溶體都會(huì)發(fā)生晶格歪扭(圖1-26)。兩種原子半徑差別越大，化學(xué)性質(zhì)相差越遠(yuǎn)，晶格歪扭就越嚴(yán)重。 晶格歪扭，使得金屬在外力下，固溶體晶體發(fā)生塑性變形時(shí)，晶面之間

34、相對(duì)滑動(dòng)的阻力增加，表現(xiàn)為固溶體的強(qiáng)度和硬度比純金屬高。這種因形成固溶體而引起合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬?gòu)?qiáng)度的重要途徑之一。圖1-27為鐵素體中溶入合金元素對(duì)硬度的影響。2.金屬間化合物 金屬間化合物是合金組元間相互作用而形成的一種新相，其晶格類(lèi)型與性能完全不同于其任一組成元素。金屬間化合物可用分子式表示，但與普通化合物不同，其組成可在一定范圍內(nèi)變化，并具有一定的金屬性質(zhì)(如導(dǎo)電性)，故稱(chēng)為金屬間化合物。如鋁合金中的CuAl2、Mg2Si；鐵碳合金中的Fe3C；合金鋼中的TiC、VC、WC、Cr23C6等。3.機(jī)械混合物 組成合金的基本相是純金屬、固溶體和金屬化

35、合物。當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)既不互相溶解，又不形成化合物，各組元相似保持著它原有的晶格類(lèi)型和性能，而且按一定的比例，以混合形式存在，這種由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱(chēng)為機(jī)械混合物。機(jī)械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物等各自的混合物，也可以是它們之間的化合物。在金屬材料中機(jī)械混合物類(lèi)型的合金很多，如青銅、鋁硅合金、鋼、鑄鐵等。機(jī)械混合物合金三、合金的結(jié)晶特點(diǎn) 合金的結(jié)晶過(guò)程與純金屬遵循相同的規(guī)律，即在過(guò)冷條件下由形核與晶核長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程所組成，最后形成多晶體。但合金是由兩種或兩種以上的組元所組成，而且組成的比例還可以有多種變化，所以其結(jié)晶過(guò)程比純金屬?gòu)?fù)雜得多。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方

36、面：1)純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，而合金的結(jié)晶過(guò)程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，即結(jié)晶開(kāi)始和終了的溫度不同，有兩個(gè)或兩個(gè)以上的臨界溫度。2)合金從結(jié)晶開(kāi)始到結(jié)束，液體金屬與已凝固的固態(tài)金屬的成分不同，而且兩者的成分都隨溫度而改變，最后通過(guò)原子擴(kuò)散而達(dá)到均勻化。當(dāng)結(jié)晶終止時(shí)，晶體的平均化學(xué)成分與原合金相同。3)純金屬結(jié)晶后是單項(xiàng)組織，而合金除可形成單項(xiàng)固溶體外，在大多數(shù)情況下，合金結(jié)晶時(shí)往往形成雙相或多相組織。第五節(jié)鐵碳合金相圖 鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料。鐵和碳是鋼鐵中的基本組成元素。鐵和碳的合金稱(chēng)為鐵碳合金；合金鋼與合金鑄鐵是加入合金元素的鐵碳合金。為了熟悉各種鋼鐵材料的組織與性能，以便

37、合理地選材及制訂合理的加工工藝，首先必須熟悉鐵碳合金相圖。對(duì)于焊接工藝人員，為了保證焊接質(zhì)量，必須掌握鋼鐵在焊接過(guò)程中其成分、組織與性能的變化規(guī)律。為此，更需對(duì)鐵碳合金相圖有較深入地理解。一、鐵碳合金的組元和基本組織 碳可以溶于各種晶格的鐵中，并可與鐵形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。在鋼和鑄鐵中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wC)一般在5以下，因?yàn)樘荚阼F中的最大溶解度為6.69%，所以鐵碳合金基本的組元為Fe與Fe3C。也就是說(shuō)，鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖。鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1.鐵素體(F) 碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，

38、稱(chēng)為鐵素體。碳在-Fe中的位置，如圖1-28所示。600時(shí)-Fe中能溶解碳wC=0.008。隨著溫度的升高，晶體缺陷增多，-Fe的溶碳量逐漸增加。當(dāng)溫度升高到727時(shí)，溶碳量wC=0.0218。由于-Fe的溶碳量很小，所以鐵素體的性能幾乎和純鐵相同，即強(qiáng)度、硬度低，而塑性和韌性高。在顯微鏡下觀察，鐵素體呈明亮的多邊形晶粒，如圖1-29所示。2.奧氏體(A) 碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，稱(chēng)為奧氏體。碳在-Fe中的位置，如圖1-30所示。-Fe的溶碳能力比-Fe高。在727時(shí)，碳的溶解度為wC=0.8。隨著溫度的升高，其溶解度增加，在1148時(shí)，wC=2.11。在Fe-Fe3C系中，奧氏體存

39、在于7271495的溫度范圍內(nèi)。高溫下奧氏體的顯微組織，如圖1-31所示，其晶粒呈多邊形，與鐵素體的顯微組織相近似，但晶粒邊界較鐵素體平直。3.滲碳體(Fe3C) 由于碳在-Fe或-Fe中的溶解度有限，所以當(dāng)碳的含量超過(guò)碳在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳就會(huì)和鐵形成化合物Fe3C，稱(chēng)為滲碳體。滲碳體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wC=6.69，它是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物，硬度很高，脆性很大，幾乎沒(méi)有塑性。 滲碳體在鋼和鑄鐵中與其他相共存時(shí)，可以呈片狀、粒狀(球狀)、網(wǎng)狀等不同形態(tài)。滲碳體是碳鋼中主要的強(qiáng)化相，它的形態(tài)、大小及分布對(duì)鋼的性能有很大的影響。4.珠光體 珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。珠光

40、體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為wC=0.77，性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有較高的強(qiáng)度和硬度(Rm=770MPa，180HBW)，良好的塑性和韌性(A=2030)。在珠光體組織中，滲碳體一般呈片狀分布在鐵素體基體上，鐵素體與滲碳體呈交替重疊形態(tài)5.萊氏體(Ld) 存在于7271148高溫區(qū)間的萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱(chēng)為高溫萊氏體。在727以下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱(chēng)為低溫萊氏體，用“Ld”表示。萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相連，硬度很高(可達(dá)700HBW)，塑性、韌性很差。萊氏體組織可看成是在滲碳體基體上分布著粒狀?yuàn)W氏體或珠光體。二、鐵碳合金相圖 在極其緩慢加熱(或冷卻)條件下

41、(稱(chēng)之為平衡態(tài))，鐵碳合金的成分與組織狀態(tài)、溫度三者之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖解，稱(chēng)之鐵碳合金相圖(圖1-33)。 在鐵碳合金相圖中，成分坐標(biāo)軸僅標(biāo)出wC6.69%時(shí)的合金部分，因?yàn)閣C6.69%的鐵碳合金，在工業(yè)中沒(méi)有實(shí)用意義。在研究此成分鐵碳合金時(shí)，合金中的碳全部為亞穩(wěn)定的化合物Fe3C。因此，鐵碳合金相圖的基本組元為Fe3C時(shí)，我們所說(shuō)的鐵碳合金相圖，實(shí)際上是指簡(jiǎn)化后的FeFe3C相圖(圖1-34)。2.主要特性線(1)液相線ACD在此線以上鐵碳合金處于液體狀態(tài)(L)。(2)固相線AECF在此線以下鐵碳合金均是固體狀態(tài)，合金冷卻到此線時(shí)，結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。(3)ES線是碳在奧氏體中的飽和溶解

42、度曲線(固溶線)，也叫做Acm線。在1148時(shí)奧氏體中溶碳量達(dá)到最大值wC=2.11。隨溫度下降，到達(dá)727時(shí)溶解碳wC為0.77。因此，wC0.77的合金，在7271148的冷卻過(guò)程中都將從奧氏體中析出滲碳體。(4)GS線表示wC0.77的鐵碳合金冷卻時(shí)由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開(kāi)始線，或者說(shuō)在加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線，也叫做A3線。(5)PQ線是碳在鐵素體中的固溶度曲線。鐵碳合金冷卻到此線，將從鐵素體中析出三次滲碳體(Fe3C)。由于其數(shù)量極少，在一般鋼中影響不大，可忽略。(6)GP線GP線為鐵碳合金冷卻時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線或者加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開(kāi)始線。(7

43、)ECF線是共晶轉(zhuǎn)變線。C點(diǎn)共晶點(diǎn)，即wC=4.3共晶成分的液相，在共晶溫度1148時(shí)同時(shí)結(jié)晶出wC=2.11的奧氏體和滲碳體兩個(gè)固相，即此共晶產(chǎn)物稱(chēng)為萊氏體，用Ld表示。(8)PSK線共析轉(zhuǎn)變線，也是A1線。S點(diǎn)為共析點(diǎn)。共析轉(zhuǎn)變時(shí)從一種固相中同時(shí)析出另外兩種固相的過(guò)程。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱(chēng)為共析體。鐵碳合金的共析轉(zhuǎn)變是在727時(shí)，wC=0.77的奧氏體同時(shí)析出wC=0.0218的鐵素體和滲碳體組成的細(xì)密混合物。即三、鐵碳合金分類(lèi)及平衡組織 鐵碳合金根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫平衡組織的不同，一般可分為工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵三大類(lèi)，見(jiàn)表1-8。四、鐵碳合金對(duì)組織和性能的影響 碳是決定鋼鐵材料組織和性能最主要

44、的元素。不同成分的鐵碳合金在室溫時(shí)的組織都是由鐵素體和滲碳體兩個(gè)基本相組成，如圖1-35所示。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體量減少，且滲碳體的形態(tài)和分布也發(fā)生了變化，所以鐵碳合金具有不同的室溫組織和性能。 鐵碳合金的力學(xué)性能隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硬度越來(lái)越高，而塑性、韌性不斷下降；當(dāng)wC0.77時(shí)，隨著含碳量的增加，強(qiáng)度也越來(lái)越高；當(dāng)wC0.77時(shí)，由于合金中大量滲碳體呈網(wǎng)狀臨界分布，使鋼的脆性增加，特別是在白口鑄鐵中出現(xiàn)大量滲碳體和萊氏體組織，故強(qiáng)度明顯下降。因此，為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度、一定的塑性和韌性，鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)1.4。五、鐵碳合金相圖的應(yīng)用 鐵碳合金相圖反映了

45、鐵碳合金成分、組織和溫度三者之間的變化規(guī)律，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義，可作為選用材料的依據(jù)，也可作為鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)，具體說(shuō)明如下。1.選材 鐵碳合金相圖總結(jié)了鐵碳合金組織和性能隨成分變化的規(guī)律。因此，可以根據(jù)構(gòu)件的工作條件和性能要求，選擇合適的材料。例如：若需要塑性好、韌性高的材料，可選用低碳鋼；若需要強(qiáng)度、硬度、塑性都好的材料，可選用中碳鋼；若需要硬度高、耐磨性好的材料可選用高碳鋼；若需要耐磨性高、不受沖擊的零部件用材料，則可選用白口鑄鐵。2.鑄造 由鐵碳合金相圖可知，接近共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍窄，具有良好的鑄造性能。因此，在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。根據(jù)鐵碳合金相圖中液相線的位置，可確定鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度，為制訂鑄造工藝提供依據(jù)。3.鍛造 單相奧氏體組織強(qiáng)度較低，塑性較好，便于塑性變形加工。因此，鋼材的鍛造、軋制均選擇在單相奧氏體區(qū)的溫度范圍進(jìn)行。對(duì)于亞共析鋼一般控制在GS線以上；而對(duì)于過(guò)共析鋼則選擇在PSK線以上的溫度，以便于打碎二次滲碳體，改善鋼材性能。4.焊接 焊接時(shí)焊縫到母材被加熱的區(qū)域(熱影響區(qū))溫度是不同的。由鐵碳合金相圖可知，受不同加熱溫度的影響，各區(qū)域冷卻后會(huì)出現(xiàn)不同的組織，使焊接接頭性能發(fā)生變化，尤其是高強(qiáng)度鋼焊接在焊后需要采用如預(yù)熱或緩冷等熱