第1章 金屬學基礎知識

第1章：金屬學基礎知識重點：金屬材料的力學性能、鐵碳合金相圖難點：鐵碳合金相圖第1章：金屬學基礎知識力學性能：金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗變形和破壞的能力，

1.1.1強度和塑性1.1金屬材料的力學性能-----材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力1、強度(strength)——金屬材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力

抵抗塑性變形的能力s

Sbz

?屈服強度yieldstrength（s

）?抗拉強度tensilestrength（

Rm

）:材料在拉斷前能承受的最大應力抵抗斷裂的能力

Sbzs

Rm

2、塑性plasticity——金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力

1、延伸率：試樣拉斷后，伸長的長度與原始長度之比的百分率2、斷面收縮率：試樣拉斷后，斷面縮小的面積與原截面面積之比的百分率通常以A區(qū)別塑性好壞:A25%的材料為塑性材料

A25%的材料為脆性材料1.1.2硬度hardness

硬度——金屬表面抵抗其它更硬物體壓入的能力1、布氏硬度（HB）原理：HB=0.102×金屬種類布氏硬度值范圍試樣厚度（mm）負荷F（kgf）與鋼球直徑D的相互關系鋼球直徑D（mm）負荷F（N（kgf））負荷保持時間（秒）鋼鐵140~4506~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)10<140>66~3<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)10非鐵金屬>1306~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)3036~1309~33~6<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)308~35>66~3<3F=2.5D210.05.02.52452(250)613(62.5)153(15.2)60

表1-1測定布氏硬度應遵守的條件布氏硬度的書寫表示方法①硬度數(shù)據(jù)；②布氏硬度符號；③球體直徑；④試驗力（kgf

）；⑤試驗力保持時間（1015s不標注）壓頭為鋼球（用于HB≤450的材料）HBS；壓頭為硬質合金球（用于HB=450650的材料）HBW例如，120HBS10/1000/30，表示直徑10mm的鋼球在1000kg(9.807kN)試驗力的作用下，保持了30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度的特點測值準確；操作麻煩；不能測成品、大量需逐件檢驗的材料硬度適用范圍

組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度,如鑄鐵、鑄鋼、非鐵金屬材料及熱處理后鋼材毛坯或半成品2、洛氏硬度

用壓痕凹陷的深度確定硬度值HR=(K-h)/0.002金剛石圓錐壓頭：K=0.2鋼球壓頭：K=0.26◆原理：表1-2常

用

洛

氏

硬

度

值

符

號及

試

驗

條

件

標尺硬度符號壓頭型號初載+主載=總載荷（N（kgf））常用范圍應用舉例AHRA金鋼石圓錐98.07+490.3=588.4(10+50=60)70~85碳化物、硬質合金、表面淬火鋼BHRB鋼球1.588mm98.07+882.6=980.7(10+90=100)25~100軟鋼、退火鋼、銅合金等CHRC金鋼石圓錐98.07+1373=1471(10+140=150)20~67淬火鋼、調質鋼等◆洛氏硬度的特點：操作簡便；測值離散性大◆適用范圍在批量的成品或半成品質量檢驗中廣泛使用，也可測定較薄工件或表面有較薄硬化層的硬度。◆硬度的書寫表示方法：如25HRC1.1.3沖擊韌度——金屬材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出來的抵抗破壞的能力

沖擊功Ak=G(h1-h2)（J）沖擊韌度k=Ak/S0(J/cm2)1.1.4疲勞強度

金屬的疲勞——金屬材料在遠低于其屈服強度的交變應力長期作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象

◆疲勞破壞過程：表面產(chǎn)生疲勞裂紋（應力集中嚴重或強度低的部位）裂紋擴展突然斷裂◆疲勞斷口特征

◆疲勞強度

—材料在長期（無數(shù)次）經(jīng)受交變載荷作用

下，不至引起斷裂的最大應力

機械零件的傳統(tǒng)強度設計為σ<[σ]=σ0.2/n(n為安全系數(shù)),

有些高強鋼制造的零件或大型焊接構件如橋梁、船舶等，有時會在工作應力遠低于材料屈服強度甚至低于許用應力的條件下突然發(fā)生脆性斷裂，這種工作應力遠低于材料屈服強度的斷裂叫低應力脆斷。1.1.5斷裂韌度裂紋尖端附近應力場示意應力強度因子：衡量裂紋尖端附近應力場強弱程度的力學參量Y：與裂紋形狀、試樣幾何尺寸及加載方式有關的一個無量綱的系數(shù)（一般為1～2）；：外加應力（N/mm2）；a：裂紋的半長（mm）斷裂韌度（KⅠC）：導致裂紋失穩(wěn)擴展而使材料脆斷的應力強度因子的臨界值KⅠC表明了材料抵抗裂紋擴展的能力，即有裂紋存在時，材料抵抗脆性斷裂的能力。當

KⅠ≥KⅠc時，裂紋就會擴展而導致低應力脆斷作業(yè)

2.何為金屬的強度、塑性、硬度、沖擊韌度斷裂韌度？

1.2.1金屬的晶體結構與結晶1、金屬的晶體結構◆晶體：原子（離子或分子）具有規(guī)則排列的物質◆晶格(crystallattices)：把晶體中的原子看成剛性小球，用假想的線條把各原子的中心連接起來所構成的空間格架（1）純金屬晶體結構的基本類型

◆晶格常數(shù)：晶胞的各邊尺寸及三個鄰邊的夾角◆晶胞(unitcell)：晶格中能代表晶格特征的最基本的單元體心立方晶格（body-centeredcubic）晶格常數(shù)：a晶胞內原子數(shù)：2致密度：0.68典型金屬：a-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb致密度：晶體中原子本身所占體積與該晶胞體積之比原子半徑:a致密度==0.68或68%面心立方晶格(face-centeredcubic)晶格常數(shù)：a晶胞內原子數(shù)：4致密度：0.74典型金屬：-Fe、AI、Cu、Ni原子半徑：密排六方晶格(close-packedhexagonal)晶格常數(shù)：a、c，c/a=1.633晶胞內原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74典型金屬：Be、Mg、Zn（3）實際金屬中的晶體缺陷

◆單晶體◆多晶體：◆晶界：晶粒與晶粒之間的界面1）點缺陷(空位、間隙原子)對結構的影響：引起晶格畸變對性能的影響：使金屬的強度、硬度升高產(chǎn)生原因：原子熱運動點缺陷處在不斷運動變化中2）線缺陷（位錯dislocation）位錯：晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象對結構的影響:引起晶格畸變對性能的影響：少量位錯使金屬的強度降低，大量位錯使金屬的強度升高線缺陷固定不變？產(chǎn)生原因：局部塑性變形、結晶過程中3）面缺陷（晶界、亞晶界）晶界特點：原子排列不規(guī)則；熔點低；原子擴散速度快；常溫下晶界強度高于晶粒強度，高溫下晶界強度低于晶粒強度晶界：晶粒與晶粒之間的界面金屬晶體中有缺陷是件壞事？◆面缺陷對性能的影響——常溫下，使金屬的強度、硬度提高亞晶界：亞晶粒與亞晶粒之間的界面◆晶粒由亞晶（或稱鑲嵌塊、亞結構）組成2、金屬的結晶Request

：1、掌握結晶、過冷度的概念及獲得細晶粒鑄件的方法2、了解結晶的基本過程（1）結晶的概念—--金屬由液態(tài)轉變?yōu)榫w固態(tài)的過程熔點用熱分析法測定◆過冷度：平衡結晶溫度與實際結晶溫度之差T0Tn△T溫度溫度時間時間（2）結晶過程1、晶核的形成2、晶核長大長大方式：枝晶成長自發(fā)形核/非自發(fā)形核。◆枝晶成長過程中，由于液體的流動、枝軸本身的重力作用及彼此間的碰撞、雜質元素的影響，會使某些枝軸偏斜或折斷，以致造成亞結構、亞晶界及位錯

常溫下，金屬的晶粒越細小，強度、硬度越高，塑性、韌性越好（3）影響結晶后晶粒大小的因素及細化晶粒的措施◆影響結晶后晶粒大小的因素1、形核率（N）：單位時間單位體積內的形核數(shù)2、生長率(G)/晶核的長大速度△TNGNG結晶時的冷卻速度(△T)越大，金屬的晶粒越細◆獲得細晶粒鑄件的方法：1、增大冷卻速度（過冷度）

(采用金屬鑄模、鑲嵌冷鐵)2、變質處理---在液態(tài)金屬結晶前有意地加入少量細小、難溶某種物質，以造成大量的人工晶核，從而獲得細小晶粒（如向鋼液中加入少量鋁、釩、鈦等，可在鋼液中形成大量氧化鋁、氧化釩等細小質點，從而增加了形核率）3、施加振動合金：由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

組元：組成合金的獨立的最基本的物質合金系：由若干給定組元可以配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金構成一個合金系。1.2.2合金的晶體結構與結晶（1）固溶體：當合金由液態(tài)結晶為固態(tài)時，組元間仍能相互溶解而形成的均勻相

1、合金的晶體結構

----溶質溶解在溶劑中形成的均勻相固溶體的晶體結構與溶劑的晶體結構相同相：金屬及合金中化學成分相同、晶體結構相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分間隙固溶體：溶質原子處于溶劑晶格的間隙中形成的固溶體置換固溶體：溶質原子占據(jù)溶劑晶格的某些結點位置形成的固溶體◆固溶體的分類間隙固溶體只能是有限固溶體置換固溶體可是有限固溶體或無限固溶體固溶強化solidsolutionstrengthening：通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度提高的現(xiàn)象◆固溶體的性能特征：1）具有明顯的金屬特性

2）可以用分子式表示其組成

3）硬度高，脆性大，熔點高

4）具有復雜的晶體結構（2）金屬化合物：合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種具有明顯金屬特性的化合物

相圖：表示平衡狀態(tài)下合金系中合金的狀態(tài)同溫度、成分之間關系的圖形也稱狀態(tài)圖或

平衡圖2.合金的結晶（1)合金相圖的建立

2)用熱分析法測定各個合金的冷卻曲線------1)配制一系列不同成分的Cu—Ni合金

合金Ⅰ100%Cu0%Ni

合金Ⅱ80%Cu20%Ni

合金Ⅲ60%Cu40%Ni

合金Ⅳ40%Cu60%Ni

合金Ⅴ20%Cu80%Ni

合金Ⅵ0%Cu100%Ni熱分析法以銅鎳合金為例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ溫度時間溫度Ni%Cu20406080Ni5、4)將各臨界點標在相應的溫度—成分坐標系中,將意義相同的點連接起來3)找出各冷卻曲線上的臨界點LL+

液相線固相線溫度Ni%Cu20406080NiAB12（2）合金結晶過程分析同素異晶轉變：金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格類型轉變-Fea-Fe-Fe-Fe-Fe-Fea-Fe1.3鐵碳合金相圖1.3.1鐵碳合金的基本組元和相1、純度時間含碳量：727C——0.0218%

室溫——0.0008%性能：強度、硬度低，塑性、韌性好2、鐵素體ferrite（F、）：碳在a-Fe中的

間隙固溶體性能：強度、硬度低，塑性、韌性好3、奧氏體（A、）：碳在-Fe中的間隙固溶體含碳量：1148

C——2.11%727C——0.77%4、滲碳體（Fe3C）：鐵和碳形成的具有復雜晶體結構的金屬化合物性能：硬度極高，脆性極大，強度、塑性、韌性極差含碳量：6.69%1.3.2鐵碳合金相圖分析F+Fe3CA+Fe3C

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69A:純鐵的熔點1、相圖中的點E:碳在-Fe中的最大溶解點S:共析點(0.77%C,727°C)C:共晶點（4.3%C,1148°C)D:滲碳體的熔點F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69P：：碳在-Fe中的最大溶解度點G：-Fe與-Fe的同素異晶轉變點Q：碳在-Fe中的溶解度點F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69AECF:固相線

2、相圖中的線ACD:液相線ECF:共晶線共晶反應：一定成分的液相在某一恒溫下同時結晶出兩種成分和結構都不相同的晶體的相變過程F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69萊氏體ledeburite(Le、Ld)：共晶反應得到的奧氏體和滲碳體的機械混合物低溫萊氏體的性能：硬度高、脆性大，強度、塑性、韌性很低

共析反應：一定成分的固溶體在某一恒溫下同時轉變?yōu)閮煞N成分和結構都不相同的晶體的相變過程PSK:共析線F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69珠光體pearlite（P）：共析反應得到的鐵素體和滲碳體的機械混合物珠光體的性能：強度較高，硬度、塑性、韌性介于鐵素體和滲碳體之間GS:含碳量小于0.77%的鐵碳合金在冷卻時自奧氏體中析出鐵素體的開始線

ES:碳在奧氏體中的溶解度曲線PQ:碳在鐵素體中的溶解度曲線F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691）工業(yè)純鐵（含碳量≤0.0218%）2）鋼（含碳量為0.0218-2.11%）1.3.3典型合金結晶過程及其室溫下平衡組織3）白口鑄鐵（C=2.11-6.69%）鐵碳合金的分類F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.692）鋼

共析鋼：C=0.77%

亞共析鋼：C=0.0218-0.77%

過共析鋼：C=0.77-2.11%F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.693）白口鑄鐵

共晶白口鑄鐵：C=4.3%

亞共晶白口鑄鐵：C=2.11-4.3%

過共晶白口鑄鐵：C=4.3-6.69%F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691、共析鋼F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.692、亞共析鋼F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.693、過共析鋼AL+ALAA+Fe3CGPS

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C4、共晶白口鑄鐵Le’(p+Fe3C)

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C5、亞共晶白口鑄鐵

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C6、過共晶白口鑄鐵

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3CF+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

溫度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691.3.4鐵碳合金相圖在工業(yè)中的應用

1、鐵碳合金的成分、組織與性能之間的關系（1）含碳量對平衡組織的影響

F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡ