材料與成形技術(shù)1課件

目錄1.1概述

1.1.1金屬材料的發(fā)展

1.1.2非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展

1.1.3新材料的發(fā)展趨勢1.2固體材料的性能1.3金屬的結(jié)構(gòu)

1.3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.3.2實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.4金屬的結(jié)晶

1.4.1純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象

1.4.2金屬的同素異構(gòu)性

1.4.3金屬鑄錠的組織1.5二元合金

1.5.1二元合金的相結(jié)構(gòu)

1.5.2二元合金相圖

1.5.3相圖與性能的關(guān)系1.6鐵碳合金

1.6.1鐵碳合金的基本相和基本組織

1.6.2鐵碳合金相圖1.7碳鋼

1.7.1碳鋼的分類

1.7.2碳鋼的牌號1.8鑄鐵

1.8.1鑄鐵的分類及特性

1.8.2鑄鐵的石墨化過程

1.8.3鑄鐵的牌號與性能1.9鋼的熱處理

1.9.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

1.9.2鋼在非平衡冷卻時的轉(zhuǎn)變

1.9.3鋼的常用熱處理工藝

1.9.4鋼的形變熱處理

1.9.5鋼的表面淬火

1.9.6鋼的化學(xué)熱處理1.10鋼中的合金元素

1.10.1合金元素在鋼中的分布

1.10.2合金元素在鋼中的作用1.11合金鋼

1.11.1合金結(jié)構(gòu)鋼

1.11.2合金工具鋼

1.11.3特殊性能鋼1.12非鐵金屬材料

1.12.1鋁及鋁合金

1.12.2銅及銅合金

1.12.3鎂合金

1.12.4鈦合金

1.12.5軸承合金第1章工程材料

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟和機械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。材料作為生產(chǎn)活動的基本投入之一，對生產(chǎn)力的發(fā)展有深遠的影響。歷史上曾把當時使用的材料，當作歷史發(fā)展的里程碑，如“石器時代”、“青銅器時代”、“鐵器時代”等。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一。周朝是青銅器的極盛時期，到春秋戰(zhàn)國時代，已普遍應(yīng)用鐵器。直到19世紀中葉，大規(guī)模煉鋼工業(yè)興起，鋼鐵才成為最主要的工程材料?？茖W(xué)技術(shù)的進步，推動了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進了合成材料的興起和應(yīng)用；20世紀80年代特種陶瓷材料又有很大進展，工程材料隨之擴展為包括金屬材料、有機高分子材料（聚合物）和無機非金屬材料三大系列的全材料范圍。人類早在6000年以前就發(fā)明了金屬冶煉，公元前4000年，古埃及人便掌握了煉銅技術(shù)。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5％的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時期，已經(jīng)大量使用鐵器。11.1概述1.1.1金屬材料的發(fā)展1.1.3新材料的發(fā)展趨勢陶瓷材料近幾十年的發(fā)展也十分引人注目。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技術(shù)領(lǐng)域已成為耐高溫、耐腐蝕和各種功能材料的主要用材。航空、航天、電子、通信、機械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展對材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等已在航空航天工業(yè)和交通運輸、石油化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。工程材料目前正朝高比強度（單位密度的強度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。圖1-1為材料比強度隨時間的進展的示意圖，該圖表明今日先進材料強度比早期材料增長50倍。圖1-1材料比強度隨時間的進展31.2固體材料的性能4新材料主要在以下幾方面獲得發(fā)展：

1.先進復(fù)合材料由基體材料（高分子材料、金屬或陶瓷）和增強材料（纖維、晶須、顆粒）復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。

2.光電子信息材料

光電子信息材料包括量子材料、生物光電子材料、非線性光電子材料等。

3.低維材料

指超微粒子（零維）、纖維（一維）和薄膜（二維）材料，這是近年來發(fā)展最快的材料領(lǐng)域。

4.新型金屬材料

如鎳基高溫合金、非晶態(tài)合金、微晶合金、Al-Li合金金屬間化合物等。固體材料的主要性能包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能等。力學(xué)性能是工程材料最主要的性能，又稱機械性能，指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括彈性、強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種外載荷如圖1-2所示。1.強度和塑性圖1-2載荷的形式材料強度指材料在達到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，如彈性極限、屈服點、抗拉強度、疲勞極限、蠕變極限等等。按外力作用的方式不同，強度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強度等。工程上最常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。52)塑性

7Op的斜率E(E=)稱為材料的彈性模量，即引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力。工程上把彈性模量E稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量E主要取決于材料的化學(xué)成分、合金化、熱處理，冷熱加工對它的影響很小。室溫時鋼的彈性模量E在190000～22000MPa之間。彈性模量隨溫度的升高而逐漸降低。載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，稱為塑性變形，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性的大小用伸長率δ和斷面收縮率ψ表示。(1-2)式中:l──試樣拉斷后對接的標距長度，mm；

l0──試樣原標距長度，mm。(1-3)3)強度8式中S0──試樣原始橫截面積，mm2。

S──試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積(mm2)。

δ、ψ愈大，表示材料的塑性愈好。伸長率δ的值隨試樣原始長度增加而減小。所以，同一材料的短試樣(l0＝5d0，d0為試樣原標距直徑)比長試樣(l0＝10d0)的伸長率大20％左右。用短試樣和長試樣測得的伸長率分別用δ5和δ10表示。金屬材料因具有一定的塑性才能進行各種變形加工，并使零件在使用中偶然過載時，產(chǎn)生一定的塑性變形，而不至于突然斷裂，提高零件使用的可靠性。在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。按外力作用方式不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度等，以抗拉強度最為常用。當材料承受拉力時，強度主要是指屈服強度σs和抗拉強度σb。(1)屈服強度σs如圖1-3所示，在s點（稱屈服點）出現(xiàn)橫向震蕩曲線或水平線段，這表示拉力不再增加，但變形仍在進行，此時若卸載，試樣的變形不能全部消失，產(chǎn)生微量的塑性變形。σs即表示材料在外力作用下開始產(chǎn)生塑性變形時的最低應(yīng)力，即材料抵抗微量塑性變形的能力。需要指出，大多數(shù)金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按GB228－1987要求，取規(guī)定非比例伸長與原標距長度比為0.2％時的應(yīng)力（記為σp0.2），作為屈服強度指標，稱為條件屈服強度，可用σ0.2表示。2.硬度9（1-4）式中:F0.2──試樣產(chǎn)生0.2％塑性變形時的外力。零件在工作時一般不允許發(fā)生塑性變形。所以，屈服強度是零件設(shè)計時的主要參數(shù)。（2）抗拉強度抗拉強度為圖1-3所示的σb值，是試樣保持最大均勻塑性變形的極限應(yīng)力，即材料被拉斷前的最大承載能力。當載荷達到Fb時，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面逐漸縮小，故載荷也逐漸減小，當達到拉伸曲線上k點時，試樣發(fā)生斷裂。

σs與σb的比值稱為屈強比，其值一般在0.65～0.75之間。屈強比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，萬一超載也不會馬上斷裂；屈強比愈大，材料的強度利用率愈高，但可靠性降低?？估瓘姸仁橇慵O(shè)計時的重要參數(shù)。合金化、熱處理、冷熱加工對材料的σs與σb均有很大的影響。硬度是指金屬材料表面抵抗其它硬物體壓入的能力，它是衡量金屬材料軟硬程度的指標。硬度值和抗拉強度等其它力學(xué)性能指標之間存在一定關(guān)系，故在零件圖上，對力學(xué)性能的技術(shù)要求往往是標注硬度值。3.沖擊韌度

11評定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標稱為沖擊韌度aK。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。其測定方法是按GB229-1984制成帶U形缺口的標準試樣，將具有質(zhì)量G（單位：kg）的擺錘舉至高度為H（單位：m），使之自由落下（圖1-4），將試樣沖斷后，擺錘升至高度h（單位：m）。如試樣斷口處的截面積為S（單位：cm2）。則沖擊韌性aK（單位：J/cm2)的值為：圖1-4擺錘沖擊試驗圖1-5材料的沖擊韌度值－溫度關(guān)系曲線4.疲勞強度12aK=

(1-5)式中：

S──試樣缺口處的原始截面積，cm2。材料的沖擊韌度值主要取決于其塑性，并與溫度有關(guān)。第二次世界大戰(zhàn)中，美國建造了約5000艘全焊接“自由輪”。其中在1942年至1946年間發(fā)生破斷的船舶達1000艘，1946年至1956年之間有200艘發(fā)生嚴重折斷事故。1943年1月美國的一艘T-2y油船停泊在裝貨碼頭時斷裂成兩半。當時計算的甲板應(yīng)力水平僅為70MPa，遠遠低于船板鋼的強度極限。1945年－1948年美國國家標準局認真分析和研究了第二次世界大戰(zhàn)焊接船舶的破斷事故，通過在不同的溫度下對材料進行一系列沖擊試驗，得知材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減?。▓D1-5），當溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。該溫度范圍稱為“冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍”。其數(shù)值愈低，表示材料的低溫沖擊性能愈好。這對于在低溫下工作的零件具有重要的意義。許多機器零件的彈簧、軸、齒輪等，在工作時承受交變載荷，當交變載荷的值遠遠低于其屈服強度時發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載作用下材料的斷裂不同，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，事先無明顯的塑性變形，屬于低應(yīng)力脆斷。圖1-6疲勞曲線

13金屬材料所受的最大交變應(yīng)力σmax愈大，則斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）愈少，最大交變應(yīng)力σmax與循環(huán)周次N構(gòu)成的曲線，稱為疲勞曲線，如圖1-6所示。當最大交變應(yīng)力σmax低于某一值時，曲線與橫坐標平行，表示循環(huán)次數(shù)N可以達到無窮大，而試樣仍不發(fā)生疲勞斷裂，該交變應(yīng)力值稱為疲勞強度或疲勞極限，用σ-1表示。一般規(guī)定鋼材的循環(huán)次數(shù)N為107，非鐵金屬為108。零件的疲勞失效過程分為三個階段：疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴展、瞬時斷裂。產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，是由于材料內(nèi)部的缺陷、加工過程中形成的刀痕、尺寸突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中等。材料的強度愈高，疲勞強度也愈高。當工件表面留存殘余壓應(yīng)力時，材料表面疲勞極限提高。

材料的疲勞強度與其抗拉強度之間存在一定的經(jīng)驗關(guān)系，如碳鋼σ-1≈0.43σb，合金鋼σ-1≈0.35σb＋12MPa。因此在其他條件相同的情況下，材料的疲勞強度隨抗拉強度的提高而增加。6.金屬的高溫力學(xué)性能15材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。許多機械零件在高溫下工作，在室溫下測定的性能指標就不能代表其在高溫下的性能。一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服強度σS、硬度等值都將降低，而塑性將會增加，除此之外，還會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。蠕變是指金屬在高溫長時間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強度，也會逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。在9·11恐怖事件中，美國引以為傲的紐約世界貿(mào)易中心大樓完全倒塌?？植婪肿咏俪值目蜋C撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂直塌落而不是傾倒？這里部分牽涉到材料在高溫下的力學(xué)性能問題。視頻1世界貿(mào)易中心大樓倒塌紐約世界貿(mào)易中心大樓曾是世界第一高樓，它高411m，單個塔樓的重量約5萬噸，美國憑借高強度的建筑鋼材，和高水平的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)建成了這個龐然大物。事實證明紐約世界貿(mào)易中心大樓的建筑鋼材和結(jié)構(gòu)設(shè)計都是過得硬的，大樓不僅經(jīng)歷了近30年的風(fēng)雨依然完好，甚至這次飛機的巨大撞擊也未能使之立即傾倒。從9·11事件看高溫蠕變撞擊大樓的波音757飛機起飛重量104t，波音767飛機起飛重量156t，它們的飛行速度大約是每小時1000km。從速度比這小得多的汽車相撞事故，可以想象這次大型客機撞擊大樓的沖擊力有多么的巨大，但據(jù)幸存者描述，飛機的撞擊使大樓雖然晃動了近1m，但無論是內(nèi)部還是外部并沒有嚴重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵。這次撞擊大樓的波音757飛機大約可載35t燃油，波音767飛機可載51t燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠程航班，所以飛機上的油箱估計裝滿了燃油。在起飛后這些飛機很快改變航線撞擊紐約世界貿(mào)易中心大樓，機上燃油消耗很少，幾乎將它們的滿滿一飛機油箱的優(yōu)質(zhì)航空煤油都撒到了大樓里，燃起了熊熊大火。長時間猛烈的大火燒軟了飛機所撞擊的那幾個樓層的鋼材，而它上部樓層約數(shù)千噸到上萬噸的重量自然就會落下來，像一個巨大的鐵錘，砸向下面的樓層，對下面的樓層結(jié)構(gòu)的沖擊力遠遠大于其原先靜止時的重力，下面的樓層結(jié)構(gòu)自然難以承受，于是一層層垂直地垮塌下來。北京時間9月11日晚20:45第一架飛機撞擊世貿(mào)大樓的北部塔樓接近頂部的位置。由于這種波音757飛機所載燃油較少，加上撞擊位置較高，上層壓力較小，所以大火燒了很久，直到北京時間9月11日晚22:28，大火燃燒了1小時43分鐘后世貿(mào)大樓北部塔樓才倒塌。161.3金屬的結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體，非金屬物質(zhì)大部分也是晶體，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等，而常見的玻璃、松香等，則為非晶體。1.3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)17圖1-8晶體中原子排列示意圖1.晶體和金屬的特性原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”，如圖1-8a所示。晶體具有固定的熔點。金屬晶體中，金屬原子失去最外層電子變成正離子，每一個正離子按一定規(guī)則排列并在固定位置上作熱振動，自由電子在各正離子間自由運動，并為整個金屬所共有，形成帶負電的電子云。正離子與自由電子的相互吸引，將所有的金屬原子結(jié)合起來，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”。3.晶向與晶面191)立方晶系的晶向指數(shù)在晶體中，任意兩個原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。通常采用晶向指數(shù)來確定晶向在晶體中的位向（圖1-9）。確定立方晶系的晶向指數(shù)方法如下：(1)選定晶胞的某一點陣為原點，以晶胞的3條棱邊為坐標軸，以棱邊的長度為單位長度；(2)過原點作一有向線平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指數(shù)[uvw]，如果方向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同，但符號相反；(3)取有向線段上任一點的座標值化為最簡整數(shù)，加以方括號，[uvw]即為晶向指數(shù)。例如，當坐標值x=1，y=2,z=1/3時，其晶向指數(shù)為[361]。圖1-9立方晶系的一些晶向指數(shù)圖1-10立方晶系中一些主要晶面的晶面指數(shù)202)立方晶系的晶面指數(shù)晶體中各種方位的原子面稱為晶面。立方晶系的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法確定，即晶面指數(shù)是根據(jù)晶面與3個坐標軸的截距來決定。晶面指數(shù)的一般表示形式為(hkl)，其確定步驟如下：(1)建立坐標：選晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞陣點為坐標原點（以免出現(xiàn)零截距），以晶胞3條棱邊為坐標軸，以晶格常數(shù)為單位；(2)取晶面的三坐標截距值為倒數(shù)，并化為最簡整數(shù)，依次計入圓括號()內(nèi)，即為該晶面的晶面指數(shù)。與晶向指數(shù)相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指數(shù)。指數(shù)值相同而符號相反的兩個晶面，如(100)與()，則平行地分布在原點兩邊。圖1-10所示為立方晶系中一些主要晶面的晶面指數(shù)。4.常見的晶格類型根據(jù)晶胞的三條棱邊是否相等、三個夾角是否相等以及是否為直角關(guān)系，晶體學(xué)將所有晶體分為7個晶系，14種空間點陣，稱作布喇菲空間點陣（圖1-101）。由于金屬鍵結(jié)合力較強，使金屬原子具有趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。圖1-10_1布喇菲空間點陣212)

面心立方晶格23面心立方晶格的晶胞如圖1-12a所示，由八個原子構(gòu)成一個立方體，在立方體六個面的中心各有一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實際上只占有1／8個原子，中心面上的原子為二個晶胞共有，如圖1-12b所示，故晶胞中實際原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4個。屬于這類晶格的金屬有：γ-Fe、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎳(Ni)、金(Au)等。圖1-12面心立方晶胞3)

密排六方晶格24密排六方晶格的晶胞如圖1-13a所示，是一個六方柱體。柱體的上、下底面六個角及中心各有一個原子，柱體中心還有三個原子。柱體角上的原子為相鄰六個晶胞共有，上、下底面的原子為兩個晶胞共有，柱體中心的三個原子為該晶胞獨有，如圖1-13b所示，故晶胞中實際原子數(shù)為12×1/6+2×1/2+3=6個。屬于這類晶格的金屬有：鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)等。圖1-13密排六方晶胞5.晶體結(jié)構(gòu)的致密度25由于把金屬看成是剛性小球，所以即使是一個緊挨一個地排列，原子間仍會有空隙存在。晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，用來對原子排列的緊密程度進行定量比較。體心立方晶胞中含有2個原子，這2個原子的體積為2×(4／3)πr3，式中r為原子半徑，如圖1-14所示，原子半徑與晶格常數(shù)a的關(guān)系為r=(／4)a，晶胞體積為a3，故體心立方晶格的致密度為這表明在體心立方晶格中，有68％的體積被原子所占有，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均為0.74。顯然，致密度數(shù)值愈大，原子排列就愈緊密。所以，當純鐵由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹。

圖1-14體心立方晶胞原子半徑計算27鋼鐵材料的晶粒的尺寸一般為10-1～10-3mm，所以必須在顯微鏡下才能觀察到。在顯微鏡下觀察到的各種晶粒的形態(tài)、大小和分布情況，稱為“顯微組織”。同一顆晶粒內(nèi)還存在許多尺寸更小、位向差也很小(1°～2°)的小晶塊，稱為“亞晶粒”，亞晶粒的邊界稱為“亞晶界”，如圖1-16_2所示。圖1-16_2晶界和亞晶界2.晶格缺陷28實際金屬晶體中，由于結(jié)晶條件或加工等的影響，使原子的排列規(guī)則受到破壞，因而晶體內(nèi)部存在大量的晶格缺陷。根據(jù)晶格缺陷的幾何形狀特點，可分為三類。1)點缺陷點缺陷是指長、寬、高三個方向上尺寸都很小的缺陷，如“間隙原子”、“置換原子”和“空位”。間隙原子是在晶格的間隙中存在多余原子(圖1-17a)；置換原子是指結(jié)點上的原子被異類原子所置換(圖1-17b)；晶格空位是在正常的晶格結(jié)點上出現(xiàn)空位(圖1-17c)。由于晶格點缺陷的存在，使點缺陷周圍的晶格發(fā)生靠攏或撐開的現(xiàn)象，從而造成晶格畸變。空位和間隙原子總是處在不停地運動和變化之中，空位和間隙原子不停地運動，是金屬中原子擴散的主要方式之一，這對熱處理和化學(xué)熱處理過程都是極為重要的。圖1-17點缺陷示意圖2)線缺陷29線缺陷是指在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸很小的缺陷，呈線狀分布，其具體形式是各種類型的位錯。較簡單的一種是“刃型位錯”，如圖1-18所示，好像沿著某個晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一樣。多出的一列原子位于晶體的上部稱為“正刃型位錯”，用符號“┴”表示；多出的一列原子位于晶體的下部稱為“負刃型位錯”，用符號“┬”表示。圖1-18刃型位錯示意圖3)面缺陷30面缺陷是指在兩個方向上尺寸較大，而在另一個方向上尺寸很小的缺陷，如圖1-18_2所示。如晶界和亞晶界。多晶體中存在晶界和亞晶界，晶界和亞晶界處原子不規(guī)則排列，導(dǎo)致晶格畸變，使晶界處能量高出晶粒內(nèi)部，使晶界表現(xiàn)出與晶粒內(nèi)部不同的性能。如晶界易被腐蝕；晶界的熔點較低；晶界處原子擴散速度較快；晶界的強度、硬度較晶粒內(nèi)部高。圖1-18_2面缺陷示意圖1.4金屬的結(jié)晶31原子從一種聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種規(guī)則排列的過程，稱為“結(jié)晶”，結(jié)晶可以是液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬；或固態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬，即固態(tài)金屬的相變。金屬的結(jié)晶一般在過冷的條件下進行；結(jié)晶的過程是由形成晶核和晶核長大兩個階段組成。1.4.1純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象純金屬都有一個固定的熔點或結(jié)晶溫度。金屬的結(jié)晶溫度可以用熱分析法測定。將液態(tài)金屬放在坩堝中緩慢冷卻，在冷卻過程中記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪成如圖1-19所示的純金屬冷卻曲線。溫度Tm為純金屬的晶體與液體平衡共存的溫度，稱為理論結(jié)晶溫度。顯然在Tm溫1．純金屬的冷卻曲線圖1-19金屬結(jié)晶的冷卻曲線示意圖度純金屬的結(jié)晶速度與熔化速度相等。所以，只有進一步冷卻使金屬的實際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度Tm時，結(jié)晶才能進行，如圖1-19曲線b所示。實際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度Tm的現(xiàn)象，稱為過冷，其差值稱為過冷度ΔT，即ΔT=Tm－Tn。過冷度不是恒定值，其大小取決于液態(tài)金屬的冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度。同一液態(tài)金屬，冷卻速度愈大，過冷度也愈大。2.純金屬的結(jié)晶過程32圖1-20表示純金屬的結(jié)晶過程。液態(tài)金屬中存在有序排列的原子小集團，隨液態(tài)金屬原子的熱運動，這些原子小集團時聚時散，當溫度低于理論結(jié)晶溫度時，這些原子小集團成為有規(guī)則排列的小晶體，稱為“晶核”。晶核通過吸附周圍的原子，沿各個方向以不同的速度長大，同時又有新的晶核形成，在晶核的棱角處長大速度最快，生成晶體的主干，又稱一次晶軸，如圖1-21中的Ⅰ。在晶體主干長大的過程中，又不斷生出了分枝，如圖1-21中的Ⅱ、Ⅲ，其形態(tài)如同樹枝，故稱為“枝晶”，如圖1-21所示。如果在結(jié)晶的過程中，有足夠的液體金屬填滿各枝晶間的空隙，則凝固后，枝晶就不會顯露出來。因此，往往是在金屬的表面上才可以顯示出它的外形，如圖1-22所示。

圖1-21枝晶示意圖圖1-22銻錠表面的樹枝狀晶體圖1-20純金屬結(jié)晶過程示意圖視頻2金屬的結(jié)晶333.金屬結(jié)晶后晶粒的大小34金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體，其晶粒的大小與晶核數(shù)目和長大速度有關(guān)。單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)稱為“形核率”，用符號N表示；單位時間內(nèi)晶核長大的平均線速度稱為“長大速度”，用符號G表示。形核率N愈高，晶核長大速度G愈小，晶粒愈細小，材料的力學(xué)性能愈好。鑄造生產(chǎn)中，常用以下方法細化液態(tài)金屬結(jié)晶的晶粒。1)增加過冷度圖1-23是實際測得的液態(tài)金屬結(jié)晶時過冷度ΔT與形核率N、長大速度G的關(guān)系。由圖可見，隨過冷度的增加，形核率和長大速度均增加。當過冷度較大時，形核率比長大速度增長得快，并當達到一定的過冷度ΔT時，各自達到一個最大值。在連續(xù)冷卻過程中，冷卻速度愈大，則過冷度愈大，形核率愈高，而長大速度相對較小，液態(tài)金屬凝固后得到細小晶粒；當緩慢冷卻時，過冷度小，晶粒粗大。圖1-23過冷度ΔT與形核率N、長大速度G的關(guān)系2)變質(zhì)處理35雖然增大冷卻速度能細化晶粒，但對于大型鑄件，不容易獲得較大的過冷度，且易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而造成裂紋的產(chǎn)生，所以在實際生產(chǎn)中常采用變質(zhì)處理來細化晶粒。澆注時，向液態(tài)金屬中加入一些高熔點、難溶解的金屬或合金，當其晶體結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬的晶體結(jié)構(gòu)相似時，使形核率大大提高，獲得均勻細小的晶粒。這種方法稱為“變質(zhì)處理”，加入的物質(zhì)稱為“變質(zhì)劑”。3)附加振動金屬結(jié)晶時，對液態(tài)金屬附加機械振動、超聲波振動、電磁振動等措施，使液態(tài)金屬在鑄模中運動，造成大原子團破碎成小原子團；枝晶斷裂，使已生長的晶粒因破碎而細化，而且破碎的枝晶尖端又形成新的晶核。這兩種結(jié)果都增加了形核率，故附加振動也能細化晶粒。對于固態(tài)金屬，可以用熱處理或壓力加工的方法細化晶粒。1.4.2金屬的同素異構(gòu)性36液態(tài)金屬結(jié)晶后獲得具有一定晶格結(jié)構(gòu)的晶體。高溫狀態(tài)下的晶體在冷卻過程中，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”，又稱為“重結(jié)晶”。一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)，稱為“同素異構(gòu)性”。如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構(gòu)性。鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，如圖1-24所示。其轉(zhuǎn)變過程如下：δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同樣遵循晶核形成和晶核長大的結(jié)晶基本規(guī)律。固態(tài)下原子擴散比液態(tài)下困難得多，致使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變具有較大的過冷度。同時，晶格結(jié)構(gòu)的改變，致密度的改變和晶體體積的改變，使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力稱為“相變應(yīng)力”。圖1-24純鐵的冷卻曲線1.4.3金屬鑄錠的組織37液態(tài)金屬結(jié)晶后形成的晶體稱為“鑄態(tài)晶”。在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬是在鑄錠模中結(jié)晶的，鑄錠的結(jié)晶屬于大體積結(jié)晶，其特點是過冷度小，整個截面存在明顯的溫度梯度，結(jié)晶是從表面至中心逐步進行，不是整個截面同時均勻結(jié)晶，所以，結(jié)晶后的組織粗細不均勻，形狀也不同。將鑄錠剖開可以看到三個不同的晶區(qū)，如圖1-25所示。圖1-25鋼錠組織的示意圖1－細晶粒層；2－柱狀晶晶粒層；3－等軸晶粒層1.5二元合金38由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)稱為合金。組成合金最基本、最獨立的物質(zhì)稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的化學(xué)元素，或是穩(wěn)定的化合物。由兩種組元組成的合金稱為二元合金。液態(tài)合金結(jié)晶時，合金組元間相互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。相是指合金中成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分以界面分開的均勻組成部分。一種或多種相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體稱為組織。相的相對數(shù)量、形狀、尺寸和分布的不同，形成了不同的組織，不同的組織使合金具有不同的力學(xué)性能。固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性，可分為固溶體和金屬化合物兩類。1.5.1二元合金的相結(jié)構(gòu)

1.固溶體合金在固態(tài)下，組元間互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。晶格與固溶體相同的組元稱為固溶體的溶劑，其它組元稱為固溶體的溶質(zhì)。溶質(zhì)以原子狀態(tài)分布在溶劑的晶格中。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。1）間隙固溶體39溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點間的間隙中形成的固溶體，稱為間隙固溶體，如圖1-26_1所示。間隙固溶體是由一些原子半徑小于1的非金屬元素，如H、O、C、B、N，溶入過渡族金屬而形成，而且只有當溶質(zhì)原子直徑與溶劑原子直徑的比值小于0.59時，才能形成間隙固溶體。溶劑晶格的間隙是有限的，因此，間隙固溶體只能是有限固溶體。溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量，稱為固溶體的濃度。在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度，稱為溶質(zhì)原子在固溶體的溶解度。間隙固溶體的溶解度與溶質(zhì)原子半徑及溶劑的晶格類型有關(guān)。溶質(zhì)原子半徑愈小，溶解度愈大。溶劑晶格類型不同，具有的間隙大小不同，溶解度也不同。圖1-26_1間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖2)置換固溶體

40溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，并占據(jù)溶劑原子的某些晶格結(jié)點位置而形成的固溶體，稱為置換固溶體，如圖1-26_2所示。置換固溶體中，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布是任意的、無規(guī)律的。如果溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，則稱為有限互溶，形成有限置換固溶體；如果合金組元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni

合金，這稱為無限互溶，形成無限置換固溶體。形成無限置換固溶體必須滿足：溶質(zhì)與溶劑晶格類型相同；溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑相近；溶質(zhì)原子與溶劑原子電負性相接近。圖1-26_2置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖此外，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度還與溫度有關(guān)，溫度愈高，溶解度愈大。3)固溶體的性能當溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，使溶劑晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致固溶體強度、硬度提高，塑性和韌性略有下降的現(xiàn)象，稱為固溶強化。如果溶質(zhì)濃度適當，固溶體亦具有良好的塑性和韌性，所以，成分得當?shù)墓倘荏w合金具有很好的綜合力學(xué)性能。溶劑晶格畸變亦使其電阻增大，所以，高電阻合金都是固溶體合金。單相固溶體在電解質(zhì)中不會像多相固溶體那樣構(gòu)成微電池，故單相固溶體合金的耐蝕性較高。2.金屬化合物

41合金中，當溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將析出新相。若新相的晶格結(jié)構(gòu)與合金的另一組元相同，則新相為以另一組元為溶劑的固溶體。若新相的晶格類型和性能完全不同于任一組元，并具有一定的金屬特性，則新相是合金組元相互作用形成的一種新物質(zhì)——金屬化合物。Fe3C是鐵碳合金中最重要的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，碳原子直徑與鐵原子直徑之比為0.61。Fe3C又稱滲碳體，具有復(fù)雜斜方晶格。Fe3C中Fe原子可以部分地被其它金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等，稱為合金滲碳體。金屬化合物一般具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。它熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。如間隙相TiC的熔點為3410℃，硬度2850HV；WC的熔點為2876℃，硬度為1730HV；Fe3C的熔點為1227℃，硬度為860HV。金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度、耐熱性和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。因此，金屬化合物在合金中常作為強化相，它是合金的重要組成相。1.5.2二元合金相圖42合金存在的狀態(tài)由合金的成分、溫度和壓力三個因素確定。由于合金的熔煉、加工處理通常在常壓下進行，所以，合金存在的狀態(tài)可由合金的成分和溫度兩個因素確定。合金的成分或溫度改變，合金中所存在的相及相的相對量也發(fā)生改變，合金的組織和性能也發(fā)生改變。合金相圖是表示在平衡狀態(tài)下，合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解。所謂平衡，是指在一定的條件下合金系中參與相變過程的各相成分和相對質(zhì)量不再變化所達到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。利用相圖可以知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相、各個相的成分及其相對含量。分析合金在結(jié)晶過程中的變化規(guī)律，可以知道相的形狀、大小和分布狀況，即組織狀態(tài)，預(yù)測合金的性能。由兩組元組成的合金系構(gòu)成的相圖，稱為二元合金相圖，又稱為二元合金平衡相圖或二元合金狀態(tài)圖。1.二元合金相圖的確定43(1)配制幾組成分不同的Cu-Ni合金，如圖1-27a所示。(2)用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線，如圖1-27a所示。(3)找出圖中各冷卻曲線上的相變點，即冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點，a點和b點。(4)將a點和b點標在以溫度為縱坐標、以成分為橫坐標的圖中，將所有a點和b點分別連接起來，即得Cu-Ni合金相圖，如圖1-27b所示。由圖1-27a可見，純銅和純鎳的冷卻曲線上都有一個水平線段，表明純金屬的結(jié)晶過程是在恒溫下進行的。其他四個合金結(jié)晶開始后，由于放出結(jié)晶潛熱，使溫度下降變慢，冷卻曲線變得平緩；結(jié)晶終了后，不再放出結(jié)晶潛熱，溫度下降變快，冷卻曲線變得陡直。所以，在冷卻曲線上有兩個轉(zhuǎn)折點，即有兩個相變點，表明四個合金都是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的。溫度較高的相變點(a點)，表示開始結(jié)晶溫度，稱為上相變點；溫度較低的相變點(b點)，表示結(jié)晶終了溫度，稱為下相變點。圖1-27熱分析法測定Cu-Ni合金相圖2.相律

44(1)平衡當外界條件不變時，體系的狀態(tài)不隨時間而改變，即體系內(nèi)各相的成分、結(jié)構(gòu)和相對量等均不發(fā)生變化，稱為平衡狀態(tài)。平衡具有動態(tài)的性質(zhì)，達到平衡時體系中正向和逆向的過程以相等的速度進行。(2)自由度自由度是平衡體系的獨立可變因素的數(shù)目（如溫度、壓力、相的成分等），即這些因素可在一定范圍內(nèi)獨立變化而不改變其平衡狀態(tài)，則自由度為3。如改變這三者中的兩個仍能維持此兩平衡相，則自由度為2。如只能改變?nèi)咧欢挥绊懫胶庀?，自由度?shù)為1。如果三個因素都不能獨立改變，否則會引起平衡相的改變，那么自由度為零。(3)相律的表達式相律用來表示在平衡條件下，獨立組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)三者之間的關(guān)系。相律對相圖有指導(dǎo)作用。通常在只考慮溫度影響時，相律可用下式表示

F＝C－P＋1(1-7)式中：F──體系的自由度數(shù)；

C──體系中獨立組元數(shù)；

P──相數(shù)。3.二元勻晶相圖45單元系凝固時，液、固相共存，故F＝0，說明相變時溫度不能變化，為恒溫過程。二元系凝固時，如有三相共存，F(xiàn)也為零，也是恒溫過程；如是二相共存，F(xiàn)＝1，說明凝固時其溫度或平衡相成分兩者中有一個是可以獨立變化的。應(yīng)用相律可知體系中最多能共存的平衡相數(shù)。單元系C＝1，F(xiàn)＝1－P＋1＝2－P，故最多是兩個平衡相共存。二元系最多是三個平衡相共存。二組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖，稱為二元勻晶相圖。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo、Bi-Sb等二元合金系，均為勻晶相圖。1）相圖分析圖1-27為Cu-Ni二元勻晶相圖。a點連線是合金開始結(jié)晶點的連線，稱為液相線；b點連線是合金結(jié)晶終了點的連線，稱為固相線。液相線和固相線將相圖分為三個相區(qū)，液相線以上為單相液態(tài)，用“L”表示；固相線以下為單相固態(tài)，用“α”表示；液相線和固相線之間為固、液共存的二相區(qū)，用“L+α”表示。tA點是純銅的熔點，為1083℃；tB點是純鎳的熔點，為1455℃。圖1-27熱分析法測定Cu-Ni合金相圖2)杠桿定律46在結(jié)晶過程中，液、固二相的成分分別沿液相線和固相線變化。設(shè)有合金K，若想知道它在tx℃時液、固二相的成分，可作一條代表tx

℃的水平線，令其與液相線和固相線分別交于x及x′，那么x及x′的橫坐標就代表tx

℃時液、固兩平衡相的成分。即液相中含Ni量為x；固相中含Ni量為x′；合金中含Ni量為K，如圖1-28a所示。設(shè)合金的相對總質(zhì)量為1，液相的相對質(zhì)量為QL，固相的相對質(zhì)量為QS。則QL+QS=1(1-8)

QLx

+QSx′=K(1-9)解方程(1-8)與(1-9)得QL=

；QS=由圖1-28a所示的線段關(guān)系，上式可改寫成：圖1-28杠桿定律的力學(xué)比喻又(1-10)3）非平衡結(jié)晶過程分析由圖1-28b可見，液、固二相的相對量關(guān)系，如同力學(xué)中的杠桿定律。因此，在相平衡的計算中，稱式(1-10)為杠桿定律。必須注意：杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)中兩平衡相的相對含量計算。47固溶體合金在結(jié)晶過程中，只有在極其緩慢冷卻條件下，原子才能進行充分的擴散，結(jié)晶完畢時，形成成分均勻的α固溶相。但在實際鑄造條件下，冷卻較快，不能保持平衡狀態(tài)，原子擴散來不及充分進行，使α相成分不均勻。先結(jié)晶的固溶體富含高熔點組元Ni，后結(jié)晶的固溶體富含低熔點組元Cu。因而，在結(jié)晶每一溫度瞬間，α的平均濃度總是高于α/L界面處的平衡濃度，相圖中固相α的平均成分線與平衡成分線不一致，如圖1-29所示。當α相平均濃度達到合金成分(30％Ni)，結(jié)晶完成，最后得到的α固溶體成分不均勻。因固溶體結(jié)晶按樹枝狀方式進行，因而成分不均勻沿樹枝晶分布，結(jié)晶的主干含高熔點組元Ni多，枝晶外圍含低熔點組元Cu多，形成所謂“枝晶偏析”、“晶內(nèi)偏析”或“樹枝狀偏析”，如圖1-30所示。圖1-29固溶體的非平衡結(jié)晶圖1-30Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖48枝晶偏析程度取決于以下因素：（1）冷卻速度愈大，擴散進行愈不充分，偏析程度愈大。（2）相圖的結(jié)晶范圍愈大，偏析成分的范圍愈大。枝晶偏析使合金的力學(xué)性能、工藝性能降低。消除或改善方法：將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行較長時間的保溫，使偏析元素進行充分的擴散，以達到使成分均勻的目的。稱為擴散退火

4.二元共晶相圖49兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限溶解，結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成兩相機械混合物的相圖稱為共晶相圖。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等合金的相圖，都屬于共晶相圖。1）相圖分析現(xiàn)以Pb-Sn合金為例，對共晶相圖進行分析。Pb-Sn合金共晶相圖如圖1-31所示。aeb為液相線，acedb為固相線。a點（327℃）為Pb的熔點，b點（232℃）為Sn的熔點。cf為Sn溶于Pb的溶解度曲線，dg為Pb溶于Sn的溶解度曲線，溶解度曲線又稱固溶線。合金系有三個相：液相L、固相α和β，α相是Sn溶于Pb的固溶體，β相是Pb溶于Sn的固溶體。相圖中有三個單相區(qū)：L、α和β；三個兩相區(qū)：L+α、L+β及α+β；一個三相區(qū)：L+α+β，即水平線ced。圖1-31Pb-Sn相圖50

c點以左的合金結(jié)晶完畢時，都是α固溶體；d點以右的合金結(jié)晶完畢時，都是β固溶體；成分在c點和d點之間的合金，當溫度下降到ced線(183℃)時，成分為e點的液態(tài)合金在結(jié)晶時，將同時結(jié)晶出成分為c點的α固溶體(αc)和成分為d點的β固溶體(βd)。即Le→αc+βd

這種一定成分的液相，在一定溫度下，同時結(jié)晶出成分不同的兩種固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變。e點稱為共晶點，ced線稱為共晶線。成分對應(yīng)于共晶點的合金稱為共晶合金，成分位于ce之間的合金稱為亞共晶合金，成分位于ed之間的合金稱為過共晶合金。為了研究組織的方便，常常將組織組成物標注在合金的相圖上，如圖1-32所示。常溫狀態(tài)下，Pb-Sn合金的組織分為五個區(qū)：α+βⅡ、α+(α+β)+βⅡ、(α+β)、β+(α+β)+αⅡ、β+αⅡ，組織組成物為α、αⅡ、β、βⅡ、(α+β)。βⅡ為從α相中析出的Pb溶于Sn的固溶體；αⅡ為從β相中析出的Sn溶于Pb的固溶體，αⅡ和βⅡ稱為次生相或二次相。它們與從液相中析出的初生相α和β成分和結(jié)構(gòu)相同，但它們的形態(tài)、數(shù)量、分布均不相同。因此，α與αⅡ(或β與βⅡ)同是一種相，但卻是兩種不同的組織。α和β相形成溫度較高，晶粒較粗大，呈樹枝狀或顆粒狀；αⅡ和βⅡ形成溫度較低，呈細小顆粒狀分布在固溶體α(或β)晶粒內(nèi)或呈網(wǎng)狀分布在固溶體α(或β)晶界上。圖1-32標注組織組成物的Pb-Sn相圖51圖1-33Pb-Sn亞共晶合金圖1-34Pb-Sn過共晶合金圖1-35Pb-Sn合金中的顯微組織(100×)顯微組織(100×)比重偏析(100×)亞共晶合金的最終組織為α+(α+β)+βⅡ，其顯微組織見圖1-33。圖中暗黑色樹枝狀為初晶α固溶體，黑白相間分布的為(α+β)共晶體，α枝晶內(nèi)的白色顆粒為βⅡ。過共晶合金的最終組織為β+(α+β)+αⅡ，其顯微組織見圖1-34。圖中亮白色卵形為初晶β固溶體，黑白相間分布的為(α+β)共晶體，β初晶內(nèi)的黑色小顆粒為αⅡ。2)比重偏析52合金在結(jié)晶時，如果結(jié)晶出來的晶體的比重與液相的比重相差較大，則這些晶體便會上浮或下沉，從而導(dǎo)致鑄件上、下部分的化學(xué)成分不一樣。這種因比重不同而造成的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為比重偏析。圖1-35所示為亞共晶Pb-Sn合金組織中，因比重較小的α晶上浮而形成的比重偏析。比重偏析使鑄件各部分的成分、組織、性能不同，影響鑄件的使用。比重偏析不能通過熱處理消除，只能采取控制合金的成分、澆注時進行攪拌、增加冷卻速度來消除。5．二元共析相圖從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為共析轉(zhuǎn)變。圖1-36為具有共析轉(zhuǎn)變的二元合金相圖。圖中A、B為兩組元，合金結(jié)晶后得到γ固溶體，γc固溶體在衡溫下進行共析轉(zhuǎn)變：γc→αd+βe(αd+βe)稱為共析體，c點為共析點，dce為共析線，對應(yīng)的溫度稱為共析轉(zhuǎn)變溫度。因為共析轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進行的，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴散困難，因而過冷度較大。與共晶體相比，共析體的組織較細小且均勻。圖1-36具有共析轉(zhuǎn)變的二元合金相圖1.5.3相圖與性能的關(guān)系52合金的力學(xué)性能與物理性能決定于合金的成分及組織，合金的某些工藝性能如鑄造性能還與合金的結(jié)晶特點有關(guān)。而相圖表明了合金的成分、組織及合金的結(jié)晶特點，因此利用相圖可大致判斷合金的性能，并作為選用材料和制定工藝的參考。1.合金形成單相固溶體當合金形成單相固溶體時，合金的性能與組元的性質(zhì)及溶質(zhì)原子的溶入量有關(guān)。對于一定的溶劑和溶質(zhì)來說，溶質(zhì)溶入溶劑量愈多，則合金的強度(σb)、硬度(HB)愈高，電阻愈大，電阻溫度系數(shù)(α)愈小，如圖1-37所示?？偟膩碚f，形成單相固溶體的合金具有較好的綜合力學(xué)性能。但是，固溶強化使合金所能提高的強度、硬度有限。圖1-37固溶體合金的力學(xué)性能、物理性質(zhì)與合金成分的關(guān)系2.當合金形成兩相混合物53共晶和共析轉(zhuǎn)變都會形成兩相混合物，如圖1-38所示。在單相α固溶體和單相β固溶體區(qū)間，力學(xué)性能、物理性能與成分呈曲線關(guān)系，在兩相區(qū)內(nèi)，合金性能介于兩組成相之間，與成分呈直線關(guān)系，是兩相的平均值。但應(yīng)指出，只是當合金兩相的晶粒較粗且分布均勻時，性能與成分的關(guān)系才符合直線關(guān)系。當形成細小的共晶體和共析體時，合金的力學(xué)性能將偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)如虛線所示的高峰。相圖與工藝性能的關(guān)系如圖1-39所示。由圖可見，合金的鑄造性能取決于合金結(jié)晶區(qū)間的大小。共晶成分的合金在恒溫下結(jié)晶，固、液兩相區(qū)間為零，結(jié)晶溫度最低，故流動性最好。在結(jié)晶時易形成集中縮孔，鑄件的致密性好，故鑄造合金應(yīng)選用共晶成分附近的合金。1.6鐵碳合金54鐵碳合金是以鐵和碳為組元的二元合金，是機械制造中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。1.6.1鐵碳合金的基本相和基本組織鐵是具有同素異構(gòu)的金屬。鐵碳合金的基本組元是Fe與Fe3C，屬于二元合金。其基本相有鐵素體、奧氏體和滲碳體三種。由基本相組成的鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體和低溫萊氏體六種。其特性歸納列于表1-2中。組織名稱符號組織特點碳的最大溶解度力學(xué)性能鐵素體F碳溶解于體心立方晶格α-Fe中所形成的固溶體0.0218％塑性和韌性較好δ＝30％～50％，σb=180～280MPa奧氏體A碳溶解于面心立方晶格Υ-Fe中所形成的固溶體2.11％質(zhì)軟、塑性好δ＝40％～50％HBW＝170～220滲碳體Fe3C具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的鐵與碳的間隙化合物6.69％塑性、韌性幾乎為零，脆、硬珠光體PWC=0.77％的奧氏體同時析出F與Fe3C的機械混合物（共析反應(yīng)）

σb=600～800MPa，δ=20％～25％，HBW＝170～230萊氏體LdLdˊWC=4.3％的金屬液體同時結(jié)晶出A和Fe3C的機械混合物(共晶轉(zhuǎn)變)硬度很高，塑性很差表1-2鐵碳合金基本組織1.6.2鐵碳合金相圖551.相圖分析在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C兩元素會形成固溶體和化合物。鐵碳合金(Fe-Fe3C)相圖是研究鐵碳合金的成分、溫度、組織三者之間關(guān)系的圖形，是研究鋼和鑄鐵的組織圖1-40Fe-Fe3C相圖和性能的基礎(chǔ)，是選擇鋼鐵材料的依據(jù)，對制定材料成形及熱處理加工工藝有重要的指導(dǎo)意義。圖1-40為Fe-Fe3C相圖（圖中不加括號部分為相組成物，加括號部分為組織組成物）。由于當碳的質(zhì)量分數(shù)為6.69％時，鐵與碳全部形成硬而脆的滲碳體，所以實際使用的鐵碳合金碳的質(zhì)量分數(shù)一般不超過5％。因此Fe-Fe3C相圖只研究Fe-Fe3C部分。1)Fe-Fe3C相圖中的特性點和特性線(見表1-3)56Fe-Fe3C相圖表示了鐵碳合金系中不同碳含量的合金在冷卻過程中所發(fā)生的相變，各溫度時合金的相組成物和組織組成物，可以由合金的室溫組織了解它們的力學(xué)性能，確定其應(yīng)用范圍，對零件的選材、加工工藝的制定有直接的指導(dǎo)意義。特性點溫度/℃wC×/％含義特性線含義ABCDEFGHJKNPSQ153814951148～12271148114891214951495727139472772760000.534.36.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057純鐵的熔點包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金成分共晶點滲碳體的熔點碳在奧氏體中的最大溶解度滲碳體的成分α-Feγ-Fe轉(zhuǎn)變點碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶點滲碳體的成分γ-Feδ-Fe轉(zhuǎn)變點碳在鐵素體中最大溶解度共析點碳在鐵素體中的溶解度ABBCCDAHHNJEJNGSGPESPQPSKHJBECFδ相液相線，液相開始結(jié)晶出δ固溶體γ相液相線，液相開始結(jié)晶出γ固溶體液相脫溶線，液相開始脫溶出Fe3CⅠδ相的固相線碳在δ相中的溶解度線γ相的固相線（δ＋γ）相區(qū)與γ相區(qū)的分界線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體開始線，即A3線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體終了線脫溶線，奧氏體脫溶出Fe3CⅡ，即Acm線脫溶線，鐵素體開始脫溶出Fe3CⅢ共析轉(zhuǎn)變線，γSαP＋Fe3C，即A1線包晶轉(zhuǎn)變線，LB＋δHγJ共晶轉(zhuǎn)變線，LCγE＋Fe3C表1-3鐵碳合金狀態(tài)圖中的特性點和特性線注:本表是指冷卻過程中相變的含義2)Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)57相圖中有五個基本相，相應(yīng)的有五個單相區(qū)：即液相區(qū)L、δ固溶體相區(qū)（亦稱高溫鐵素體δ）、奧氏體相區(qū)A，鐵素體相區(qū)F，滲碳體相區(qū)Fe3C。相圖中有七個二相區(qū)：即L+δ、δ+A、L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。包晶線、共晶線與共析線可看作是三相共存的三相區(qū)：L+δ+A、L+A+Fe3C、A+F+Fe3C。根據(jù)相接觸法則，相圖中兩相區(qū)的兩個組成相由其相鄰的兩個單相區(qū)決定。因此，可以由單相區(qū)填寫出二相區(qū)的相組成物。3)Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的分類根據(jù)成分不同，鐵碳合金可分為三大類，見表1-4。合金種類工業(yè)純鐵碳鋼白口鑄鐵（又稱生鐵）亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶鑄鐵共晶鑄鐵過共晶鑄鐵

WC/％＜0.02180.0218～0.770.770.77～2.112.11～4.34.34.3～6.69室溫組織FF+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld′Ld′Fe3CⅠ+Ld′力學(xué)性能軟塑性、韌性好綜合力學(xué)性能好硬度大硬而脆表1-4鐵碳合金的分類2.典型成分合金平衡結(jié)晶過程分析58平衡結(jié)晶過程是指合金由液態(tài)緩慢冷卻到室溫所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變的過程。通過對它的分析，可以了解某成分的合金在溫度下降的每個階段相的組成和相的相對量的變化，直至推出室溫組織。以下是6種典型的鐵碳合金的結(jié)晶過程分析。1)共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼的結(jié)晶過程分析碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11％的共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼，從液態(tài)緩慢冷卻到室溫的過程中，均無共晶轉(zhuǎn)變，室溫組織均由奧氏體轉(zhuǎn)變而來。奧氏體在平衡冷卻過程中有可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變有以下三種：共析轉(zhuǎn)變AwC0.77％P(Fwc0.0218％+Fe3C)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變AwC＜0.77％F+AwC％↑碳的溶解度變化AwC＞0.77％AwC％↓+Fe3CⅡ圖1-41共析鋼的結(jié)晶過程

圖1-41為共析鋼的結(jié)晶過程示意圖。溫度在1～2區(qū)間，按勻晶方式形成奧氏體，凝固完畢，到2點后，形成單相奧氏體。奧氏體冷卻到727℃(3點)時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。溫度繼續(xù)降低時，鐵素體的溶碳量沿PQ線變化，析出Fe3CⅢ，并與共析滲碳體混在一起，不易分辨。因此，共析鋼室溫組織仍為珠光體，它是呈片狀的鐵素體與呈片狀的滲碳體形成的機械混合物，其顯微組織中亮白色基底為鐵素體，黑色線條為滲碳體。59圖1-42亞共析鋼的結(jié)晶過程

60圖1-42為wC<0.53％的亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖。溫度降至1點后開始從液相中析出δ相；至2點后，液相與δ相一起發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，生成奧氏體，反應(yīng)結(jié)束后，尚有多余的液相；至3點，液相全部變?yōu)閵W氏體，合金全部凝固，形成單相奧氏體。繼續(xù)冷至4點起，奧氏體中析出鐵素體，鐵素體在奧氏體晶界處優(yōu)先生核并長大，而奧氏體和鐵素體的成分分別沿GS和GP線變化。到5點時，奧氏體中WC變?yōu)?.77%，這時便發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，原先析出的鐵素體保持不變，所以亞共析鋼轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金的組織為鐵素體和珠光體，繼續(xù)冷卻時，鐵素體中會析出三次滲碳體，因其量極少，可忽略不計。亞共析鋼在室溫時，其組織由呈顆粒狀的鐵素體和呈層片狀的珠光體組成。圖1-43過共析鋼的結(jié)晶過程61所有的亞共析鋼，室溫時的組織都是由鐵素體和珠光體組成，其差別僅是鐵素體和珠光體的相對量不同，碳含量愈高，珠光體愈多，鐵素體愈少。圖1-43為過共析鋼結(jié)晶過程示意圖。合金冷到1點，開始從液相中結(jié)晶出奧氏體，直至2點凝固完畢，形成單相奧氏體，當冷卻到3點，開始從奧氏體中析出二次滲碳體(Fe3CⅡ)。二次滲碳體沿奧氏體晶界析出，呈網(wǎng)狀分布。至4點(727℃)時，奧氏體成分變?yōu)樘嫉馁|(zhì)量分數(shù)為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。最終組織為珠光體與二次網(wǎng)狀滲碳體。2）共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析62碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11％的三種白口鑄鐵均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。共晶產(chǎn)物萊氏體冷卻至共析線后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體，反應(yīng)式為Ld(AE+Fe3C共晶)→Ld′(P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶)其實質(zhì)是共晶奧氏體析出二次滲碳體，并在727℃時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。組織中的鐵素體、滲碳體、珠光體和低溫萊氏體一旦形成，在隨后的冷卻過程中不再發(fā)生相變。圖1-44_1為共晶白口鑄鐵結(jié)晶示意圖。合金在1點(1148℃)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成由共晶滲碳體和共晶奧氏體組成的機械混合物──高溫萊氏體Ld。繼續(xù)冷卻時共晶奧氏體中析出二次滲碳體，二次滲碳體與共晶滲碳體混在一起，無法分辨。溫度降到2點(727℃)時，共晶奧氏體的碳含量降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。因此，室溫時共晶白口鑄鐵是由共晶滲碳體、珠光體和二次滲碳體組成，這種組織稱為低溫萊氏體Ld＇。圖1-44_1共晶白口鑄鐵結(jié)晶示意圖63圖1-44_2亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶示意圖64圖1-44_2為亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶示意圖。合金冷卻到1點，從液相中結(jié)晶出初晶奧氏體，隨著溫度下降，初晶奧氏體不斷增多，液相不斷減少，冷卻到2點(1148℃)時，奧氏體的WC為2.11%，液相的WC為4.3%，液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體，合金組織為初晶奧氏體和高溫萊氏體Ld。在2～3點之間繼續(xù)冷卻時，初晶奧氏體和共晶奧氏體都要析出二次滲碳體，隨二次滲碳體的析出，至3點(727℃)時，奧氏體的WC下降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，初晶奧氏體和共晶奧氏體都轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，亞共晶白口鑄鐵在室溫下的組織是珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體Ld＇。其顯微組織示意圖中黑色塊狀或樹枝狀部分為初晶奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體，基體為低溫萊氏體，從初晶奧氏體和共晶奧氏體中析出的二次滲碳體與共晶滲碳體混合在一起，在顯微鏡下無法分辨。圖1-44_3過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程示意圖65圖1-44_3為過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程示意圖。當合金冷到1點，開始從液相中結(jié)晶出初晶滲碳體，也叫一次滲碳體(Fe3CⅠ)，一次滲碳體呈粗大片狀，在合金繼續(xù)冷卻的過程中不再發(fā)生變化。當溫度繼續(xù)下降到2點(1148℃)剩余液相碳的質(zhì)量分數(shù)達到4.3%，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體與低溫萊氏體。3.鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系661)鐵碳合金的相組成物、組織組成物的相對量鋼和白口鑄鐵中的相組成物和兩組織區(qū)域內(nèi)的組織組成物的相對量，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖運用杠桿定律進行計算。2)碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳合金力學(xué)性能的影響當碳的質(zhì)量分數(shù)增多，不僅滲碳體的數(shù)量增加，而且滲碳體存在的形式也發(fā)生變化，由分散在鐵素體基體內(nèi)（如珠光體）變成分布在珠光體的晶界上，最后當形成萊氏體時，滲碳體又作為基體出現(xiàn)。滲碳體是強化相。如果滲碳體分布在固溶體晶粒內(nèi)，滲碳體的量愈多，愈細小，分布愈均勻，材料的強度就愈高；當滲碳體分布在晶界上，特別是作為基體時，材料的塑性和韌性將大大下降。碳含量對鋼的平衡組織力學(xué)性能的影響如圖1-45所示。對亞共析鋼來說，隨碳含量的增加，組織中珠光體的數(shù)量相應(yīng)地增加，鋼的硬度、強度呈直線上升，而塑性則相應(yīng)降低。對過共析鋼來說，緩冷后由珠光體與二次滲碳體所組成，隨著碳含量的增加，二次滲碳體發(fā)展成連續(xù)網(wǎng)狀。當碳含量超過1.2%時，鋼變得硬、脆、強度下降。對白口鑄鐵來說，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。圖1-45碳含量對鋼的平衡組織力學(xué)性能的影響671.7碳鋼68目前工業(yè)上使用的鋼鐵材料中，碳鋼占有很重要的地位。由于碳鋼冶煉方便，加工容易，價格低且在許多場合碳鋼的性能可以滿足要求，故在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。碳鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11％的鐵碳合金。實際生產(chǎn)中使用的碳鋼含有少量的錳、硅、硫、磷等元素，這些元素是從礦石、燃料和冶煉等渠道進入鋼中的。雜質(zhì)對鋼的力學(xué)性能有重要的影響。雜質(zhì)元素對鋼的影響見表1-5。表1-5雜質(zhì)元素對鋼的影響雜質(zhì)名稱雜質(zhì)含量%在鋼中的影響錳（Mn）wMn<1.2脫氧，降低鋼的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi<0.4脫氧，強化鐵素體，提高鋼的強度、硬度；但塑性、韌性下降硫（S）wS<0.055～0.040生成低熔點共晶體，形成熱脆磷（P）wP<0.055～0.040全部溶于鐵素體，提高鐵素體的強度、硬度，但形成冷脆1.7.1碳鋼的分類69碳鋼的分類見表1-6。表1-6碳鋼的分類分類方法鋼種質(zhì)量分數(shù)或脫氧情況特點按碳的質(zhì)量分數(shù)分類低碳鋼wC≤0.25％強度低，塑性和焊接性能較好中碳鋼wC＝0.25％～0.6％強度較高，但塑性和焊接性能較差高碳鋼wC>0.6%塑性和焊接性能很差，強度和硬度高按鋼的質(zhì)量分普通鋼wS≤0.055％,wP≤0.045％含S、P量較高，質(zhì)量一般優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.040％，wP≤0.040％含S、P量較少，質(zhì)量較好高級優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.030％,wP≤0.035％含S、P量很少，質(zhì)量好按用途分結(jié)構(gòu)鋼wC＝0.08％～0.65％制造各種工程構(gòu)件和機器零件工具鋼wC>0.65％制造各種刀具、量具和模具按脫氧程度分沸騰鋼（F）僅用弱脫氧劑脫氧，F(xiàn)eO較多鋼錠內(nèi)分布有許多小氣泡，偏析嚴重鎮(zhèn)靜鋼（Z）澆注時完全脫氧，凝固時不沸騰氣泡、疏松少，質(zhì)量較高半鎮(zhèn)靜鋼（b）介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間質(zhì)量介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間1.7.2碳鋼的牌號

70常用的碳鋼牌號如表1-7所示。表1-7常用的碳鋼牌號分類編號方法常用牌號用途

舉例說明碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-AF屈服點為235MPa、質(zhì)量為A級的沸騰鋼Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等一般以型材供應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)件，制造不太重要的機械零件及焊接件（參見GB700-1988）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

45表示平均wC=0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲軸、傳動軸、齒輪、連桿等重要零件（參見GB699-1988）碳素工具鋼T8T8A表示平均wc=0.8%的碳素工具鋼，A表示高級優(yōu)質(zhì)T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需較高硬度、耐磨性、又能承受一定沖擊的工具，如手錘、沖頭等（參見GB1298-1986）一般工程鑄造碳鋼ZG200-400表示屈服強度為200MPa、抗拉強度為400MPa的碳素鑄鋼ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形狀復(fù)雜的需要采用鑄造成形的鋼質(zhì)零件（參見GB11352-1989）1.8鑄鐵71鑄鐵是應(yīng)用廣泛的一種鐵碳合金材料，其wC>2.11％。鑄鐵材料基本上以鑄件形式應(yīng)用，但近年來連續(xù)鑄鐵板材、棒材的應(yīng)用也日見增多。鑄鐵中的碳除極少量固溶于鐵素體中外，還因化學(xué)成分、熔煉處理工藝和結(jié)晶條件的不同，或以游離狀態(tài)（即石墨）、或以化合形態(tài)（即滲碳體或其他碳化物）存在，也可以二者并存。1.8.1鑄鐵的分類及特性鑄鐵可分為一般工程應(yīng)用鑄