工程材料學(xué)-晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、性質(zhì)和應(yīng)用

1、工程材料學(xué)晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、性質(zhì)和應(yīng)用緒論1、工程材料及其發(fā)展概況：工程材料：與工程有關(guān)的材料，包括：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類。發(fā)展史：2、學(xué)習(xí)內(nèi)容：本書中將介紹：金屬學(xué)、熱處理原理與工藝、金屬材料三部分的內(nèi)容；金屬學(xué)：介紹晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、二元合金相圖、鐵碳合金相圖、金屬的塑性變形和再結(jié)晶。熱處理原理與工藝：熱處理：將金屬在固態(tài)下加熱到預(yù)定溫度、并在該溫度下保溫一段時間，然后以一定的速度冷卻下來的熱加工工藝。本書中將介紹有關(guān)熱處理原理與工藝的一些知識（鋼的熱處理）。金屬材料：研究合金鋼的成分、組織、性能、特點(diǎn)等（合金鋼）。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：一個中心：金屬及合金的成分、組織結(jié)構(gòu)間

2、的變化規(guī)律；二個圖形：相圖、曲線 ；五大轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、奧氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、回火轉(zhuǎn)變；四把大火：正火、退火、淬火、回火；八大鋼種：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、軸承鋼、刃具鋼、模具鋼、量具鋼、特殊性能鋼。3、學(xué)習(xí)方法： 課堂上的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)堂消化溫故而知新4、學(xué)習(xí)特點(diǎn)：概念性強(qiáng)；連貫性強(qiáng)；實(shí)踐性強(qiáng)；抽象性強(qiáng)；參考書：金屬材料及熱處理 史美堂主編、 工程材料學(xué) 燕來生主編、金屬學(xué)與熱處理 崔忠圻主編教材：工程材料陳積偉 機(jī)械工業(yè)出版社；第一章 金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能 特點(diǎn)第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶體的概念：1.1晶體：內(nèi)部的原子呈一定規(guī)律重復(fù)排列著的固態(tài)物質(zhì)。書P2圖1-1；例如：鉆石、冰等。

3、晶體的特性：有一定的熔點(diǎn)；各向異性晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線非晶體 ： 蜂蠟、玻璃 等。液體晶體金剛石、NaCl、冰 等。 1.3空間點(diǎn)陣：用以表示晶體中原子（離子或分子）排列形式的空間格子，也叫晶格。（在這里將晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)忽略而抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)，用許多平行的直線將這些陣點(diǎn)連接所構(gòu)成的三維空間格架）1.4晶胞：從晶格中選取一個能夠完全反映原子排列規(guī)律的最小幾何單元。晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度a、b、c ，單位為埃（）；以及軸間夾角、。例如：a=b=c，而=90就是簡單立方晶胞。晶格常數(shù)a，b，c晶胞2 、金屬的特性2.1 外觀 特征：金屬光澤和不透明性2.2 正

4、的電阻溫度系數(shù)2.3 良好的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性3、金屬晶體中常見的三種晶格類型： 3.1 體心立方晶胞（Body Centered Cubic) （簡稱bcc）書P4圖1-3 3.1.1 原子分布：8個頂點(diǎn)各有一個原子，在體心處還有一個原子。 3.1.2 原子個數(shù)： 3.1.3 原子半徑：原子半徑r= a。3.1.4 致密度與配位數(shù)： 致密度：晶胞中所含的原子所占的體積與該晶胞的體積之比，用K表示。 k=n Va /Vc bcc的k=0.68 （n=2;v=4/3r3;V=a3 配位數(shù)：晶格中與任一原子最近鄰、且等距的原子數(shù)目，用N表示。而bcc的N=8。晶格常數(shù)： a=b=c；

5、=903.2 、面心立方晶胞（Face Centered Cubic）（英文簡稱fcc）3.2.1 原子分布：8個頂點(diǎn)各有一個原子，立方體的每個面的中心還各有一個原子。書P6圖1-43.2.2 原子個數(shù)：3.2.3 晶格常數(shù)：a=b=c； =903.2.4 原子半徑：在每個面的對角線上原子是緊密接觸的，r= a3.2.5 致密度與配位數(shù)：K=0.74 ；N=12。 3.3.1 原子分布：六方體的12個頂點(diǎn)各有一個原子，上下底面的面中心各有一個原子，晶胞內(nèi)還有3個原子。3.3.2 原子個數(shù)： 3.3 密排六方晶胞（hcp） 書P7圖1-53.3.3 晶格常數(shù)：底邊棱長a；兩底面間的高度c。3.3

6、.4 原子半徑與致密度與配位數(shù)：r=a/2 ，K=0.74，N=12。晶格類型原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度bcc280.68fcc4120.74hcp6120.74表11三種典型金屬晶格的數(shù)據(jù)三種典型金屬晶格的各種數(shù)據(jù)見書 P7表1-1 4、晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：4.1 定義：晶向：在晶體的晶格中穿過兩個以上原子中心的方向（直）線。晶面：在晶體的晶格中通過原子中心所構(gòu)成的平面。晶面、晶向指數(shù)：表示各種晶面和晶向位向的統(tǒng)一符號，以表示它們在晶體中的方位和方向。確定步驟如下： 設(shè)坐標(biāo)軸 ：以晶胞的三條棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)應(yīng)在待定晶面之外。 求截距：以晶格常數(shù)a、b、c為度量單位，求出晶

7、面在各軸上的截距。 求倒數(shù)：將各截距值求倒數(shù)。 化整數(shù)： 將前面的三個倒數(shù)化為最小簡單整數(shù)，并放在圓括號內(nèi)。一般表示為（hkl），如果截距為負(fù)值，則在相應(yīng)的指數(shù)上加負(fù)號，例如（kl）。4.2 晶面指數(shù)注意：1、這里所謂的晶面指數(shù)并非僅指一個晶格中的某一個晶面，而是泛指該晶格中所有那些與其相平行的位向相同的晶面。 2、在同一晶格中，有些晶面雖然在空間位向上不同，但其原子排列情況完全相同，將這些晶面列為同一晶面族，用hkl表示，（晶面在空間位向上不同但其原子排列情況完全相同表現(xiàn)在指數(shù)上是數(shù)字不變，而對這些數(shù)字進(jìn)行排列組合） 4.3 晶向指數(shù)：用來表示晶向在晶體中的原子排列情況及位向的符號。確定步驟

8、： 設(shè)坐標(biāo)軸：以晶胞的三個棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z。 引平行線：過原點(diǎn)引一條有向直線平行于待定晶向求坐標(biāo)值：以晶格常數(shù)為度量單位，在該方向上求出最近原子的坐標(biāo)值?；麛?shù) ：將三個坐標(biāo)值化為最小簡單整數(shù)，放入方括號內(nèi)，一般用uvw表示。注意：所有互相平行，方向一致的晶向具有相同的晶向指數(shù)。當(dāng)晶向指數(shù)某一坐標(biāo)為負(fù)方向時，則該坐標(biāo)值為負(fù)值，同一直線有相反的兩個晶向，其晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但符號相反。晶向族：原子排列相同，但空間位向不同的所有晶向構(gòu)成晶向族，用uvw表示。 特點(diǎn)：立方結(jié)構(gòu)的晶體中，晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但排列順序不同，則具有相同的原子排列在立方結(jié)構(gòu)的晶體中，當(dāng)一晶向uvw位于或平行于某一晶

9、面（hkl）時，則hu+kv+lw=0；當(dāng)某一晶向與某一晶面垂直時，則u=h、v=k、w=l。晶面及晶向的原子密度晶面原子密度=該面積上實(shí)際包含的原子數(shù)/晶面面積晶向原子密度=該長度上實(shí)際包含的原子數(shù)/晶向長度體心立方晶體中110 、111面心立方晶體111、 110密排六方晶體 底面 底面對角線4.4 晶體的各向異性由于晶體中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子間距離不同，導(dǎo)致原子結(jié)合力不同，從而引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ作業(yè)：1、解釋下列名詞：晶體， 晶胞，致密度，配位數(shù)，晶體的各向異性，晶面指數(shù)，晶向指數(shù)2、常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排列和晶格常數(shù)有什么特點(diǎn)？ -Fe、

10、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各屬何種晶體？3、在立方晶體中，一平面通過Y=0.5、Z=3并平行于X軸，它的晶面指數(shù)是多少？繪圖表示。1、單晶體與多晶體幾個名詞：晶粒：在實(shí)際使用的金屬材料中，晶體是由許多細(xì)小的顆粒組成，這些細(xì)小的顆粒，叫做晶粒。 單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體（理想晶體），由一個晶粒所組成。如單晶Si半導(dǎo)體。 多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體 晶界：晶粒與晶粒之間的界面。第二節(jié)實(shí)際金屬中的晶體缺陷2. 實(shí)際金屬晶體的缺陷晶體缺陷類型（1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子（2）線缺陷：位錯（3）面缺陷：晶界與亞晶界實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)律的地方統(tǒng)稱為“晶體缺陷2、晶

11、體的缺陷：2.1 點(diǎn)缺陷：其特征是在三個方向上的尺寸都很小，常見的有“空位”、“間隙原子”。 空位：當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因，脫離原來的平衡位置，則在原處出現(xiàn)了一個空結(jié)點(diǎn)，叫做空位?？瘴?間隙原子 間隙原子：處于晶格間隙中的原子，叫做間隙原子。由于空位和間隙原子的存在，會使其周圍的晶格發(fā)生畸變。 2.2 線缺陷: 位錯：在晶格中，發(fā)生一列或幾列原子有規(guī)律的錯排的現(xiàn)象。 類型：刃型位錯；螺型位錯。 刃型位錯：使晶體的右上部分相對右下部分發(fā)生了局部的滑移，結(jié)果在晶格的上半部分中擠出了一層多余的原子面，猶如用一把鋒利的尖刀將晶體的上半部分切開，沿切口硬插入額外的半層原子面，將刃口處的原子列EF

12、稱為刃型位錯。在晶體右上角施加一切應(yīng)力，促使右上部晶體中的原子沿滑移面自左向右移動一個原子間距，由于此時左上角的原子尚未滑移，于是在晶體內(nèi)部就出現(xiàn)了已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。在邊界附近，原子排列的規(guī)則性遭到了破壞，此邊界線就相當(dāng)于額外半原子面的邊緣。 螺型位錯： 在立方晶體的右端施加一切應(yīng)力，使右端的上下兩部分沿滑移面ABCD發(fā)生了一個原子間距的相對切變，于是就出現(xiàn)了已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界BC，BC就是螺型位錯。A從滑移面上下相鄰兩層晶面上原子排列的情況可以看出，在aa的右側(cè)晶體的上下兩個部分相對錯動了一個原子間距，但在aa和BC之間，則發(fā)現(xiàn)上下兩層相鄰原子發(fā)生錯排和不對齊的現(xiàn)象，這一地帶稱

13、為過渡地帶。此過渡地帶的原子被扭曲成了螺旋形狀。如果從a開始，按順時針方向依次連接過渡地帶的各原子，每旋轉(zhuǎn)一周，原子面就沿滑移方向前進(jìn)一個原子間距，就如一個右旋螺紋一樣。螺位錯 2.3 面缺陷： 晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間原子排列無規(guī)律的過渡層。 亞晶界：在金屬晶體的每一個晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并不像理想晶體那樣完整，它是由許多位向很小的小晶塊組成，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面叫做亞晶界。亞晶界 以上我們討論的是晶體缺陷，凡是晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸變，因而會引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化學(xué)和機(jī)械性能顯著變化。例如：由于晶界上存在著

14、晶格畸變，因而在室溫下對金屬材料的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為使金屬材料具有更高的強(qiáng)度和硬度，顯然，晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度、硬度就越高。 晶體缺陷對金屬性能的影響 第三節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu)3.1 概念1.合金 一種金屬元素與另外一種或幾種金屬或非金屬元素相互溶合而形成的具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元： 組成合金的最基本的、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)叫做組元。它是組成合金的元素或穩(wěn)定的化合物；例如：碳鋼的組元是鐵和碳，也可以認(rèn)為是鐵和金屬化合物（Fe3C）。 由兩個組元組成的合金，稱為二元合金。3.二元合金合金舉例：碳鋼（carbon steel）：是鐵與碳所組成的合金。 白銅：主要是銅與鎳所組成

15、的合金。黃銅(brass)：是銅與鋅等元素組成的合金。 合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、 強(qiáng)磁性、耐蝕性等。 在金屬或合金中，凡是具有相同成分，相同晶體結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開的均勻組成部分，稱為相。相固態(tài)合金相的種類及特點(diǎn)在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。純金屬在固態(tài)時為一個相（固相），在熔點(diǎn)以上為另一個相（液相）。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。 (1 )固溶體的分類： 按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的所占的位置，可將固溶體分為兩大類：置換固溶體和間隙固溶體。溶劑能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格

16、相同的組元稱為溶劑。溶質(zhì)失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。+1、固溶體： 在固態(tài)下，溶質(zhì)原子可以不同方式進(jìn)入溶劑金屬組元的晶格中去，這樣所形成的新相，稱之為固溶體。固溶體一種固相置換固溶體: 溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。如書P34圖3-1a）所示；根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。 溶質(zhì)原子有規(guī)則地占據(jù)溶劑結(jié)構(gòu)中的固定位置，溶質(zhì)與溶劑原子數(shù)之比為一定值時，所形成的固溶體稱為有序固溶體。否則為無序固溶體。銅和金形成的置換固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于059方可。溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)

17、位置而是進(jìn)入溶劑晶格的間隙時，所形成的固溶體。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C 、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變越大。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的分布是隨機(jī)的，間隙固溶體都是無序固镕體。-19碳在 Fe中的間隙固溶體（2）固溶體中的溶解度C及其影響因素： C=溶質(zhì)元素的重量（原子數(shù)）/固溶體的總重量（總原子數(shù)）100%。 當(dāng)C有一定限度時，這種固溶體叫做有限固溶體。 當(dāng)C沒有一定限度時，（即溶質(zhì)元素與溶劑元素之間可以形成任何比例的固溶體,固溶度達(dá)100 ），這種固溶體叫做無限固

18、溶體。只有當(dāng)溶質(zhì)元素與溶劑元素之間形成置換固溶體時，才有可能形成無限固溶體；而形成間隙固溶體時，只能是有限固溶體。晶體結(jié)構(gòu)： 溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同的元素之間具有較大的溶解度，可形成無限固溶體或有限固溶體。晶體結(jié)構(gòu)不同的元素之間的溶解度較小，形成有限固溶體。（例如，具有fcc晶格的Mn、Cu、Ni等在fcc的-Fe中的溶解度較大，而在具有bcc的-Fe中的溶解度較小。）影響固溶體溶解度的因素：原子大小因素：當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的原子直徑差別（d=d溶劑-d溶質(zhì)） 小時，易形成置換固溶體，而且差別越小，C越大，當(dāng)差別小到一定程度時，C。當(dāng)d14%-15%時，可形成無限固溶體。例如，以鐵為基的固溶體此差別

19、8%時，C。反之，當(dāng)差別大時，易形成間隙固溶體。間隙原子造成的晶格畸變比置換原子造成的晶格畸變大得多，所以其溶解度一般不會很大。電負(fù)性：得電子成為負(fù)離子的能力 負(fù)電性相差越大，他們的化學(xué)親和力就越大，就越容易形成化合物，而不易形成固溶體，即使形成固溶體，溶解度也很小。二組元電負(fù)性差別小，易形成固溶體且溶解度大，即兩組元在周期表中位置接近。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)度硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相 通過向溶劑中溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，而使固溶體合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。(3)固溶強(qiáng)化：固溶體與純金屬相比電阻率矯頑力逐漸

20、升高，導(dǎo)電率下降等。固溶強(qiáng)化的原因 ？ 由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。-252、金屬化合物： 它是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又稱為中間相。新相的晶格結(jié)構(gòu)與合金的各組元的晶格結(jié)構(gòu)都不相同。一般可用分子式來大致表示其組成。 在化合物中具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，所以又稱為金屬化合物。如：碳鋼中 的Fe3C；金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐 磨性，但會降低塑性和韌性。可以作為功能材料使用，難以作為結(jié)

21、構(gòu)材料使用。2.1、分類：(1 )正常價化合物：符合一般化合物的原子價規(guī)律，有嚴(yán)格的化合比，成分固定不變，并可用化學(xué)式來表示。例如：Mg2Si、MnS等，正常價化合物具有較高的硬度和脆性。CaF2型的晶格形式和ZnS型晶格形式-28(2)電子化合物： 不遵守原子價規(guī)律但符合電子濃度（組元貢獻(xiàn)的價電子數(shù)與合金相原子數(shù)目之比值）規(guī)律的化合物。電子濃度(即電子數(shù)原于數(shù))為32的電子化合物，皆具有體心立方晶格稱之為相。如CuZn、 Cu5Sn、 FeAl、 NiAl等。電子濃度為2113的電子化合物皆具有復(fù)雜立方晶格，稱為相如Cu5Zn8、Cu31Sn8等。電子濃度為74的電子化合物，皆具有密排六方晶

22、格，稱作相。如CuZn3 、Cu8Sn等電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合，有明顯的金屬特性，它的熔點(diǎn)、硬度很高，但塑性較低，在許多有色金屬中為重要的強(qiáng)化相。(3)間隙化合物(interstitial compounds)是由過渡族金屬(Fe、Cr、Mn 、 Mo、W、V等)同原子直徑較小的非金屬元素(C、N、H、B等)形成的化合物。在不同于組成元素的新晶格中，尺寸較大的過渡族元素占據(jù)晶格的正常位置，尺寸較小的非金屬原子則有規(guī)則的嵌入晶格的間隙中。間隙化合物種類間隙相復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物-30間隙相： 當(dāng)r非/r金屬0.59時，形成的間隙化合物具有比較簡單的晶格結(jié)構(gòu)，稱為間隙相。例如：VC具有fcc結(jié)

23、構(gòu)。 間隙相具有十分突出的金屬特性，有金屬光澤和良好的導(dǎo)電性，熔點(diǎn)和硬度極高，間隙化合物的合理存在，可有效地提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性及耐磨性。是高速鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相，也是合金工具鋼和高溫金屬陶瓷中的重要組成相。如TiC、WC 、 TiN、VC、NbC 、Mo2N、Fe4N等 間隙化合物： 當(dāng)r非/r金屬0.59時，所形成的化合物具有較復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，稱為間隙化合物。例如： Fe3C，具有正交晶格。 間隙化合物也具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但與間隙相相比，它們的熔點(diǎn)和硬度要低一些，而且在加熱時，容易分解。VC晶體結(jié)構(gòu)Fe3C晶體結(jié)構(gòu)(3)彌散強(qiáng)化定義：工程中的合金常常以固溶體為主，輔以金

24、屬化合物彌散分布，來提高合金整體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，這種強(qiáng)化方式成為彌散強(qiáng)化或第二相質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化材料組成、結(jié)構(gòu)與性能之關(guān)系 現(xiàn)代材料科學(xué)的核心第四節(jié) 金屬材料的組織奧氏體組織 奧氏體晶粒一般為等軸狀多邊形，在奧氏體晶粒內(nèi)有孿晶。如圖所示。 圖中出現(xiàn)的灰白不同的襯度是由于各晶粒暴露在試樣表面上的晶面具有不同的取向的緣故。 (a) T8 鋼的奧氏體晶粒(暗場像) (b) 1Cr18Ni9Ti鋼室溫的奧氏體組織馬氏體的新定義： 馬氏體是原子經(jīng)無需擴(kuò)散的集體協(xié)同位移的晶格改組過程，得到的具有嚴(yán)格晶體學(xué)關(guān)系和慣習(xí)面的，形成相中伴生極高密度位錯、或?qū)渝e或精細(xì)孿晶等晶體缺陷的整合組織。超低碳鋼(0.08%C)

25、馬氏體形貌10m低碳板條狀馬氏體 .0.03C-2Mn 0MnVTiNb鋼淬火馬氏體組織 板條狀馬氏體組織特征示意圖4.4.2 低碳鋼（0.08-0.3C）淬火馬氏體 SEM 20CrMo鋼板條狀馬氏體組織 2Cr13鋼淬火馬氏體組織 TEM 2Cr13鋼馬氏體板條內(nèi)的纏結(jié)位錯和層錯TEM 20Cr2Ni4鋼板條狀馬氏體組織（a）和板條內(nèi)的高密度位錯和層錯（b） 低碳鋼立方馬氏體（0.21.9%C) 正方馬氏體 1.含碳量0.2%時，晶體結(jié)構(gòu)都是體心正方的。2.中碳鋼馬氏體亞結(jié)構(gòu)主要是高密度位錯 ,有時含孿晶.碳含量提高，孿晶數(shù)量增加。3.高碳鋼馬氏體內(nèi)的孿晶是相變孿晶，大量的精細(xì)而規(guī)則的孿晶

26、。4.隨著碳含量的提高，從低碳鋼的板條狀馬氏體變?yōu)橹刑间摰臈l片狀馬氏體，高碳鋼的片狀，凸透鏡狀馬氏體。TEM，35CrMo鋼板條狀馬氏體 35CrMo鋼板條狀馬氏體內(nèi)的纏結(jié)位錯 35CrMo鋼馬氏體板條內(nèi)的纏結(jié)位錯和層錯 TEM 45鋼條片狀馬氏體TEM 45鋼馬氏體位錯亞結(jié)構(gòu)4.4.4 高碳馬氏體形貌T10鋼高溫淬火片狀馬氏體組織60Si2CrV鋼的馬氏體組織 GC15鋼的隱晶馬氏體組織 CrWMn鋼馬氏體片內(nèi)的孿晶和位錯馬氏體片撞擊裂紋(CrWMn)馬氏體（黑色) (1200加熱，Ms稍下等溫淬火）典型蝶狀馬氏體馬氏體形貌 (1200加熱，Ms稍下等溫淬火）TEM .T10鋼的隱晶馬氏體形

27、貌高速鋼的隱晶馬氏體， 鋼中馬氏體的層錯亞結(jié)構(gòu)TEM W6Mo5Cr4V2鋼隱晶馬氏體中的層錯亞結(jié)構(gòu)TEM W6Mo5Cr4V2鋼隱晶馬氏體中的層錯亞結(jié)構(gòu)（左上角是Cu-Al合金馬氏體的層錯亞結(jié)構(gòu)） 4.4.5 超高碳馬氏體球墨鑄鐵的淬火馬氏體組織 貝氏體的新定義： 鋼中的貝氏體是過冷奧氏體的中溫區(qū)過渡性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，以貝氏體鐵素體為基體，同時可能存在滲碳體或碳化物、殘留奧氏體等相，貝氏體鐵素體的形貌多呈條片狀，內(nèi)部存在亞片條、亞單元、較高密度位錯等精細(xì)亞結(jié)構(gòu)。這種整合組織稱為貝氏體。上貝氏體組織示意圖a. c，無碳貝氏體b. 粒狀貝氏體d. 羽毛狀上貝氏體1）超低碳貝氏體組織超低碳貝氏體鋼的貝氏

28、體組織，OM超低碳貝氏體組織與板條狀馬氏體相似，從形貌上難以區(qū)分，需要TEM鑒別。2）無碳（化物）貝氏體當(dāng)上貝氏體組織中只有貝氏體鐵素體和殘留奧氏體而不存在碳化物時，這種貝氏體就是無碳化物貝氏體，或稱無碳貝氏體。這種貝氏體通常在低碳低合金鋼中出現(xiàn)。無碳貝氏體中的鐵素體板條平行排列，其尺寸及間距較寬，板條間是富碳奧氏體，或其冷卻過程的產(chǎn)物。往往在如下情況時出現(xiàn)： 1.由于Si、Al不溶于滲碳體中，故延遲滲碳體的形成，因此，在硅鋼和鋁鋼的上貝氏體中，常常在室溫時還保留殘余奧氏體，而不析出滲碳體，形成無碳貝氏體。 2. 在低碳合金鋼中，形成貝氏體鐵素體后，滲碳體尚未析出，貝氏體鐵素體間仍為奧氏體，碳

29、充分向奧氏體中擴(kuò)散，使奧氏體趨于穩(wěn)定而保留下來，形成無碳化物貝氏體。粒狀貝氏體羽毛狀上貝氏體羽毛狀上貝氏體是由板條狀鐵素體和條間分布不連續(xù)碳化物所組成。 貝氏體鐵素體條間的碳化物是片狀形態(tài)的細(xì)小的滲碳體，組織形貌呈現(xiàn)羽毛狀。 經(jīng)典上貝氏體，OM高碳鋼的羽毛狀貝氏體組織，OM SEM GCr15鋼的羽毛狀貝氏體組織 近年來發(fā)現(xiàn)的羽毛狀貝氏體.下貝氏體 下貝氏體在貝氏體C曲線鼻溫以下溫度區(qū)間形成。下貝氏體有經(jīng)典下貝氏體、柱狀貝氏體、準(zhǔn)貝氏體等。60Si2CrV鋼下貝氏體組織（a）OM和（b）SEM.23MnNiCrMo鋼下貝氏體 SEM GCr15鋼下貝氏體組織柱狀貝氏體珠光體的新定義：鋼中的珠光

30、體是共析鐵素體和共析碳化物的整合組織。 不是“機(jī)械混合物”。強(qiáng)調(diào)鐵素體和碳化物的來源是共析分解的，所謂整合是指兩相整體上以界面相結(jié)合，在界面處原子呈鍵合狀態(tài)，兩相以一定的位向關(guān)系相配合。 圖31片狀珠光體組織形貌依片間距不同，分珠光體、索氏體、托氏體三種。在光學(xué)顯微鏡下能夠明顯分辨出片層的珠光體，其片間距約為150450nm；片間距為80150nm的稱索氏體，其片層在光學(xué)顯微鏡下難以分辨；片間距為3080nm的珠光體，稱托氏體，只有在電鏡下才能觀察到片層結(jié)構(gòu)。 粒狀珠光體形貌圖3-2 GrC15鋼粒狀珠光體組織 圖33. 4Cr5MoV1Si鋼球狀退火組織, 類珠光體形貌圖3-4 X45CrN

31、iMo4鋼的類珠光體組織 圖35 TEM, H13鋼的珠光體組織短棒狀；（b）樹林狀；（c）叢針狀片狀珠光體、類珠光體和粒狀珠光體的組織形貌。 a.片狀 珠光體 b.類珠光體 c.粒狀珠光體 各類珠光體組織 的電鏡照片 珠光體形貌的TEM照片圖3-6 SEM 亞共析鋼的鐵素體珠光體組織 圖3-7 過共析鋼的滲碳體珠光體組織 圖38 Cu-11.8%Al800固溶處理后爐冷的共析組織 5.1 金屬材料的工藝性能1.鑄造性能 定義：金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力 用流動性、收縮性和偏析傾向來衡量。 2.鍛造性能 定義：金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力。 主要取決于金屬材料的塑性和變形抗力。

32、 3.焊接性能 定義：金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。 4、切削加工性能 一般用切削后的表面質(zhì)量和刀具壽命來表示。 5、熱處理性能 定義：金屬材料適應(yīng)各種熱處理工藝的性能。 衡量： 熱導(dǎo)率、淬硬性、淬透性、淬火變形、開裂趨勢、表面氧化及脫碳趨勢、過熱過燒的敏感趨勢、晶粒長大趨勢、回火脆性等。 第五節(jié) 金屬材料的性能特點(diǎn)5.2.1 金屬材料的力學(xué)性能5.2 金屬材料的使用性能1. 了解力學(xué)性能的種類、概念及指標(biāo)。2. 了解拉伸實(shí)驗(yàn)過程及相關(guān)指標(biāo)概念和意義。3. 了解各種硬度實(shí)驗(yàn)測試方法和應(yīng)用范圍。4. 了解沖擊實(shí)驗(yàn)方法和所測指標(biāo)的意義。一、金屬材料的機(jī)械性能 是指金屬材料在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。

33、機(jī)械性能外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等。指標(biāo)：強(qiáng)度、剛度、硬度、塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 單位: MPa(MN/mm2) 分：抗拉強(qiáng)度b、抗壓bc、抗彎bb、抗剪b、抗扭t。靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線介紹拉伸實(shí)驗(yàn)：彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段試樣斷裂5靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線介紹拉伸實(shí)驗(yàn)：ob彈性變形階段bcd屈服階段db強(qiáng)化階段Bk縮頸階段k試樣斷裂1.材料的結(jié)構(gòu)與性能 1.2 金屬材料的性能 單元3 6根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)確定一些強(qiáng)度指標(biāo) 彈性極限e（elastic limit） 材料拉伸時保持彈性變

34、形，不發(fā)生永久變形的最大應(yīng)力。 彈性極限：e=Fe/Ao =E 剛度 表示材料彈性變形抗力的大小。 彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。E愈大，使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也應(yīng)愈大。E=/ 楊氏彈性模量,應(yīng)力應(yīng)變的比值。單位 MPa 屈服極限s（屈服強(qiáng)度或屈服點(diǎn)） 金屬材料開始發(fā)生微量塑性變形的抗力。s=Fs/Ao 條件屈服強(qiáng)度 產(chǎn)生0. 2%殘余塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值。 用于無屈服點(diǎn)的中高碳鋼。脆性材料：b=s 灰口鑄鐵 抗拉強(qiáng)度b （強(qiáng)度極限）是試樣被拉斷前的最大承載能力， b=Fb/Ao（MPa）（MPa）材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值 屈強(qiáng)比 s與b的比值。 屈強(qiáng)比

35、愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高， 屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。延伸率拉伸試樣斷裂后，標(biāo)距長度的伸長量占原來標(biāo)距長度的百分?jǐn)?shù)，成為材料在拉伸時的斷后伸長率，用 表示。3. 硬度 布氏硬度材料抵抗另一更硬物體壓入其內(nèi)的能力。 硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念， 硬度試驗(yàn)簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其它機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。 布氏硬度值HB是以試樣單位壓痕球形面積上所承擔(dān)的載荷數(shù)表示。即單位面積所承受的壓力 。 布氏硬度測定的原理是把一定直徑的淬火鋼

36、球，以規(guī)定的載荷P壓入被測材料表面，保持一定時間后卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積F計(jì)算出平均應(yīng)力值，以此為布氏硬度值的計(jì)量指標(biāo)，并用符號HB表。 布氏硬度測定主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料。 標(biāo)注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120 在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的條件下得到的。簡單標(biāo)注：200230HB或300330HBS 布氏硬度試驗(yàn)只可用來測定小于HB450的金屬材料， 洛氏硬度（HR） 基本原理洛氏硬度屬壓入法用一個頂角為120的金鋼石圓錐為壓印頭，先將98N初載使壓印頭與試樣的表面接觸良好，此時將硬度儀刻度盤上的指針對準(zhǔn)零點(diǎn)，然后加上1373N主載荷，金剛石圓錐壓入試樣表面一定時間后，卸去主載，材料回彈少許，此時壓痕的深度作為測量硬度的依據(jù)，通過換算，此時的硬度可由刻度盤上直接讀出。 布氏硬度實(shí)驗(yàn)硬度符號壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏