金屬材料與熱處理高職PPT完整全套教學(xué)課件

單元一

金屬的性能單元1金屬的性能.pptx單元2金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶.ppt單元3鐵碳合金和碳鋼.pptx單元4鋼的熱處理及表面處理?.ppt單元5合金鋼.ppt單元6鑄鐵.ppt單元7有色金屬及其合金.ppt單元8粉末冶金.ppt單元9非金屬材料.ppt單元10新型材料.ppt單元11機(jī)械零件材料及毛坯的選擇.ppt全套PPT課件金屬的力學(xué)性能01金屬的物理性能和化學(xué)性能02金屬的工藝性能03本章內(nèi)容

工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能、被用來(lái)制造零件和工具的材料。工程材料按成分可分為四類(lèi)：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料，鋼鐵、陶瓷、塑料和玻璃鋼分別為這四種材料的典型代表。其中金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的，并具有金屬特性的工程材料。金屬材料種類(lèi)繁多，用途廣泛，按化學(xué)組成分類(lèi)，金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類(lèi)。金屬材料目前仍占據(jù)材料工業(yè)的主導(dǎo)地位，從常用材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，我們可以發(fā)現(xiàn)包括九大類(lèi)約1200余種常用材料。為了能更合理地使用金屬材料，充分發(fā)揮其作用就必須了解各種金屬材料的性能。

項(xiàng)目概述項(xiàng)目目標(biāo)工藝性能是指材料在加工過(guò)程中表現(xiàn)出的性能，包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。03金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能；01使用性能主要包括力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、疲勞強(qiáng)度等）、物理性能（如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性等）和化學(xué)性能（如耐蝕性、抗氧化性等）；021、金屬的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料抵抗外力作用的能力，是金屬材料最主要的使用性能，包括強(qiáng)度、塑形、硬度、韌性以及疲勞強(qiáng)度等。合理的力學(xué)性能指標(biāo)，為零件的正確設(shè)計(jì)、合理應(yīng)用、工藝路線制定提供了主要依據(jù)。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，可將載荷分為靜載荷、沖擊載荷和交變（循環(huán)）載荷等（1）靜載荷。對(duì)工件或試樣緩慢加載，不隨時(shí)間而變化的量。（2）沖擊載荷。短時(shí)間快速增加的載荷。（3）交變載荷。大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化或非周期性變化的載荷。一、強(qiáng)度1.拉伸試驗(yàn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，先將材料加工成一定形狀和尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上將試樣夾緊，施加緩慢增加的拉力（載荷），一直到試樣被拉斷為止。在這個(gè)過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪制出載荷F和試樣變形量Δl的關(guān)系曲線，此曲線叫作拉伸曲線。標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣如圖1-1所示，圖中d0為試樣直徑，l0為標(biāo)距長(zhǎng)度，即計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果時(shí)試樣的有效長(zhǎng)度。試樣有長(zhǎng)試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）之分，一般采用的試樣直徑d0=10mm。d0l0 l11-1標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣2.強(qiáng)度指標(biāo)（1）彈性極限（彈性強(qiáng)度）彈性極限是材料所能承受的、不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，用σe表示。圖1-2a中e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值就是低碳鋼的彈性極限。式中：σe——彈性極限（MPa）；Fe——材料在彈性變形內(nèi)能承受的最大拉力（N）；S0——試樣拉伸前的截面積（mm2）。（2）屈服極限（屈服點(diǎn)）材料在拉伸過(guò)程中不增大力仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，稱為屈服點(diǎn)，用σs表示，亦表示材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。圖1-2（a）中s點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值就是低碳鋼的屈服點(diǎn)。σs——屈服點(diǎn)（MPa）；Fs——材料屈服時(shí)的拉力（N）；S0——試樣拉伸前的截面積（mm2）。有些金屬材料（如鑄鐵和高碳鋼）在拉伸曲線上沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，很難測(cè)定其屈服強(qiáng)度σs。在這種情況下，為衡量它們的屈服特性，工程技術(shù)上把試樣產(chǎn)生0.2%殘留變形的應(yīng)力值作為材料的屈服強(qiáng)度，又稱條件屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。屈服強(qiáng)度表示材料抵抗微量塑性變形的能力。機(jī)械零件在工作中一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服點(diǎn)是衡量材料強(qiáng)度的重要力學(xué)性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。σs越大，材料允許的工作應(yīng)力也就越高。2.強(qiáng)度指標(biāo)二、塑性固體金屬在外力作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力就被稱為塑性。塑性的好壞或大小，用伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ來(lái)衡量。伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越高，表明金屬材料的塑性越好，它們也都是由拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。1.伸長(zhǎng)率試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與試樣原始標(biāo)距比值的百分率稱為伸長(zhǎng)率，計(jì)算方法如下：式中：δ——伸長(zhǎng)率（%）；l0——試樣原始長(zhǎng)度（mm）；l1——試樣拉伸后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）。應(yīng)當(dāng)指出，伸長(zhǎng)率的大小與試樣的尺寸有關(guān)。為了方便進(jìn)行比較，須將試樣標(biāo)準(zhǔn)化。在材料手冊(cè)中，?？梢钥吹溅?和δ10兩種符號(hào)，它分別表示用l0=5d和l0=10d（d為試樣的直徑）兩種不同長(zhǎng)度試樣測(cè)定的伸長(zhǎng)率。l1是試樣的均勻伸長(zhǎng)和產(chǎn)生細(xì)頸后伸長(zhǎng)的總和，相對(duì)來(lái)說(shuō)，短試樣中細(xì)頸的伸長(zhǎng)量所占的比例大。故同一材料所測(cè)得的δ5和δ10不同的，例如鋼材的δ5大約為δ10的1.2倍。三、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度不是金屬獨(dú)立的基本性能，而是反映材料彈性、強(qiáng)度與塑性的綜合性能指標(biāo)。硬度與耐磨性具有直接關(guān)系，硬度越高，耐磨性越好。機(jī)械制造中所用的刀具、量具、模具要保證使用性能和壽命，都應(yīng)具有足夠的硬度。硬度是材料的一個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便、迅速、不需要破壞試樣，設(shè)備也比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)大多數(shù)金屬材料，可以從硬度值估算出它的抗拉強(qiáng)度，因此在設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)條件中大多規(guī)定材料的硬度值，檢驗(yàn)材料或工藝是否合格有時(shí)也需要采用硬度指標(biāo)。因此，硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于檢查金屬材料的性能、熱加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。1.布氏硬度法布氏硬度法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據(jù)壓痕直徑d計(jì)算其硬度值的方法，用HB表示，原理如圖1-3所示。布氏硬度用HBS或HBW表示。HBS表示壓頭為淬硬鋼球，用于測(cè)定布氏硬度值在450以下的材料，如軟鋼、灰鑄鐵和有色金屬等；HBW表示壓頭為硬質(zhì)合金，用于測(cè)定布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度值計(jì)算方法如下：式中：HBS（HBW）——用鋼球（硬質(zhì)合金）試驗(yàn)時(shí)的布氏硬度值； P——試驗(yàn)力（N）； D——球體直徑（mm）； d——壓痕平均直徑（mm）。布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，壓頭球體的直徑D、試驗(yàn)載荷P及載荷保持的時(shí)間t，應(yīng)根據(jù)被試金屬材料的種類(lèi)、硬度值的范圍及厚度進(jìn)行選擇。常用的壓頭直徑l、2、2.5、5和10mm五種。試驗(yàn)載荷可從9.807N（1kgf）～29.42KN（3000kgf）范圍內(nèi)改變。載荷保持的時(shí)間，一般黑色金屬為10～15s，有色金屬為30s，布氏硬度值小于35時(shí)為60s。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好，由于通常采用的10mm直徑球壓頭，3000kg試驗(yàn)力，其壓痕面積大，能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相綜合影響的平均值，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，即測(cè)量誤差小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。因此特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料，還可用于有色金屬和軟鋼。其缺點(diǎn)是壓痕較大，易損壞成品表面和不能測(cè)量較薄的試樣，由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過(guò)渡都會(huì)使壓痕直徑的測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差，成品檢驗(yàn)有困難，因此，不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。在測(cè)試不同材料時(shí)，需要更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，而且壓痕直徑的測(cè)量也比較麻煩，用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受限制。1.布氏硬度法當(dāng)HB＞450或試樣過(guò)小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。洛氏硬度原理和布氏硬度原理相似，以壓痕塑性變形深度來(lái)確定硬度指標(biāo)，原理如圖1-4所示。將頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除載荷，通過(guò)測(cè)量殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算硬度。如果直接壓痕深度來(lái)計(jì)量指標(biāo)，則會(huì)出現(xiàn)材料越硬，壓痕深度越小，硬度讀數(shù)越小的狀況，這與通常習(xí)慣的表示方法相矛盾。因此，落實(shí)洛氏硬度采用某個(gè)選定的常數(shù)K減去壓痕深度值h，并規(guī)定壓痕深度0.002mm為1°，則洛氏硬度的計(jì)算公式如下：HR=K-e式中：HR——洛氏硬度值；K——常數(shù)，用金剛石壓頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)K為100，用鋼球壓頭時(shí)K為130；e——?dú)堄鄩汉凵疃取Ｂ迨嫌捕鹊臄?shù)值可直接從硬度計(jì)上的刻度盤(pán)上讀出。由洛氏硬度的計(jì)算公式可知，刻度盤(pán)上的數(shù)值越大，說(shuō)明壓痕越淺，材料硬度越高；刻度盤(pán)上數(shù)值越小，說(shuō)明壓痕越深，材料硬度越低。

2.洛氏硬度法符號(hào)壓頭總負(fù)荷/N硬度值有效范圍使用范圍HRA120°金剛石圓錐58860~85測(cè)量硬質(zhì)合金，表面淬硬層或滲碳層HRB1.588mm鋼球98025~100測(cè)量有色金屬或退火、正火鋼等HRC120°金剛石圓錐147020~67測(cè)量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等測(cè)量較硬的材料，如淬火后的鋼件和硬質(zhì)合金時(shí)用金剛石壓頭；測(cè)量退火鋼、有色金屬、銅合金等相對(duì)較軟的金屬時(shí)，采用淬火鋼球壓頭。根據(jù)壓頭種類(lèi)和所加載荷的不同，分為9個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C，這三種標(biāo)尺測(cè)得的洛氏硬度分別為HRA、HRB和HRC，如表1-2所示。應(yīng)用最多的是HRC。用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此沒(méi)有聯(lián)系，不能直接比較。表1-2常用的三種洛氏硬度試驗(yàn)范圍洛氏硬度表示方法是在硬度符號(hào)前注明硬度數(shù)值，如46HRC，表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為46，75HRA表示用A標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為75。洛氏硬度操作簡(jiǎn)便、迅速、硬度可直接讀出、壓痕小，不損傷工件表面，采用不同標(biāo)尺可以測(cè)量從較軟到較硬的或厚度較薄的、面積較小的材料的硬度，故洛氏硬度廣泛應(yīng)用于工廠熱處理車(chē)間的質(zhì)量檢索。洛氏硬度的缺點(diǎn)是壓痕較小，代表性差。若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。2.洛氏硬度法維氏硬度原理和布氏硬度相同，根據(jù)壓痕單位面積上所承受的載荷大小來(lái)測(cè)量硬度值，不同的是維氏硬度采用錐面夾角136°的金剛石四棱錐體作為壓頭，如圖1-5所示。壓頭在試驗(yàn)力F作用下將試樣表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度

d，進(jìn)而可以計(jì)算壓痕面積S（mm2），試驗(yàn)力F除以壓痕表面積S所得的商，即為維氏硬度值。維氏硬度用符號(hào)HV表示，計(jì)算公式如下：

式中：F——載荷（N）； S——壓痕的表面積（mm2）； d——壓痕兩對(duì)角線的算術(shù)平均長(zhǎng)度（mm）。3.維氏硬度法

由上述計(jì)算公式可知，根據(jù)測(cè)得的d和F，即可得到HV值。但在實(shí)際應(yīng)用中，維氏硬度一般不計(jì)算出，只需要根據(jù)d值查維氏硬度表即可求出硬度值。維氏硬度試驗(yàn)常用試驗(yàn)力范圍為：49.03～980.7N，如果維氏硬度試驗(yàn)時(shí)選用的試驗(yàn)力較小，達(dá)到0.098～1.961N，則可測(cè)定金屬箔、極薄的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。因?yàn)閴汉鄢叽巛^小，為了提高測(cè)量精度，需要配用顯微放大裝置，這就是顯微維氏硬度（顯微硬度）。圖1-5維氏硬度實(shí)驗(yàn)示意圖3.維氏硬度法

維氏硬度表示方法與布氏相同，維氏硬度符號(hào)HV前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間，如640HV30/20，表示在實(shí)驗(yàn)壓力30kgf持壓20s的情況下測(cè)得的維氏硬度值為640。維氏硬度值具有連續(xù)性（10～1000HV），可測(cè)硬度范圍很大，但金剛石壓頭價(jià)格高，一般不用于普通件的硬度測(cè)量。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，即可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能相互比較?？蓽y(cè)量大塊材料、表面硬化層及經(jīng)化學(xué)熱處理的表面層（如滲氮層）的硬度。維氏硬度的缺點(diǎn)是硬度值需要通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，工作效率比洛氏硬度法低得多，不如洛氏法簡(jiǎn)便。上述各種硬度測(cè)量法，相互間沒(méi)有理論換算關(guān)系，故試驗(yàn)結(jié)果不能直接進(jìn)行比較，應(yīng)查閱硬度換算表進(jìn)行比較。3.維氏硬度法四、韌性實(shí)際生產(chǎn)中，許多零件會(huì)受到?jīng)_擊力作用，如活塞銷(xiāo)、沖模等，此時(shí)不能再用靜載荷下的性能來(lái)描述沖擊載荷作用下的性能。故對(duì)工作受沖擊載荷的構(gòu)件應(yīng)考慮其韌性，而沖擊韌性是衡量金屬韌性的常用判據(jù)。金屬材料抵抗沖擊載荷（動(dòng)載荷）作用而不被破壞的能力稱為沖擊韌性，其大小用沖擊韌度來(lái)表示，用符號(hào)αk表示，單位為J/cm2，可用一次沖擊試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定如圖1-6。試驗(yàn)時(shí)首先把被測(cè)材料制成圖1-7所示的試樣，放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支架上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向。將一定質(zhì)量G的擺錘升到一定高度H后自由落下，沖斷試樣后，擺錘上升高度為h。故試樣折斷時(shí)所吸收的功為Ak=G（H-h）

式中：Ak——沖擊吸收功（J）； G——擺錘的重力（N），G=mg； H——擺錘舉起高度（m）； h——擺錘沖擊試樣后回升高度（m）。 αk值表示材料沖擊韌度的高低，習(xí)慣上用沖擊韌度值αK來(lái)表示材料的沖擊韌性，沖擊韌度值的計(jì)算公式為四、韌性一般來(lái)說(shuō)，將αK值低的材料稱為脆性材料，αK值高的材料稱為韌性材料（塑性材料）。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，Ak、αK是評(píng)定金屬材料力學(xué)性能的重要依據(jù)，Ak、αK對(duì)組織缺陷非常敏感，能靈敏地反映出材料的質(zhì)量、宏觀缺口和微觀組織的差異，能有效地檢驗(yàn)金屬材料在冶煉、加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。此外，材料的韌性還和溫度有關(guān)，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低的材料，低溫下承受沖擊的能力就越強(qiáng)。同時(shí)，沖擊韌度值還受試樣的尺寸、形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織的影響。因此，沖擊韌度值一般只作為選擇材料的參考。2、金屬的物理性能和化學(xué)性能物理性能一、金屬的物理性能是指金屬在重力、電磁場(chǎng)、熱力（溫度）等物理因素作用下，所表現(xiàn)出的性能或固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。物質(zhì)單位體積內(nèi)所具有的質(zhì)量稱為密度（體積質(zhì)量），其計(jì)算公式為1.密度V

m式中：ρ——密度，（g/cm3）；m——物質(zhì)的質(zhì)量（kg）；V——物質(zhì)的體積（m3）。1.密度表1-3常用金屬的密度金屬名稱密度（g/cm3）金屬名稱密度（g/cm3）金屬名稱密度（g/cm3）鎂1.74銅8.96灰鑄鐵6.8~7.4鋁2.7銀10.49碳鋼7.8~7.9鋅7.13鉛11.34青銅7.4~9.2錫7.3金19.32黃銅8.5~8.6鐵7.87鎂合金1.75~1.85鋁合金2.55~3密度是金屬材料的重要物理性能。常用金屬材料的密度見(jiàn)表1-3。一般將密度大于5g/cm3

的金屬稱為重金屬，如鐵、銅；密度小于5g/cm3

的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂。金屬材料的密度，直接關(guān)系到由它所制造設(shè)備的自重和效能。對(duì)于運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，材料的密度越小，消耗的能量越少，效率越高。金屬材料的密度對(duì)選材具有重要的意義，比如，采用高強(qiáng)度的鈦合金和鋁鎂合金代替鋼材，可以減輕飛機(jī)自重，提高載重能力，同時(shí)降低油耗。此外，還可以計(jì)算大型零件質(zhì)量，鑒別金屬或檢測(cè)金屬鑄件內(nèi)部的致密度等。2.熔點(diǎn)

金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。各種純金屬的熔點(diǎn)都是固定的；合金的熔點(diǎn)則因?yàn)榛瘜W(xué)成分的不同而不同，大多數(shù)是在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。例如，鋼和生鐵都是由鐵和碳組成的，但由于含碳量不同，其熔點(diǎn)并不同。根據(jù)熔點(diǎn)高低，金屬分為難熔金屬（如鎢、釩、鉻）和易熔金屬（如錫、鉛）。常用金屬的熔點(diǎn)見(jiàn)表1-4。熔點(diǎn)對(duì)于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接來(lái)說(shuō)是重要的工藝參數(shù)。如高熔點(diǎn)的鎢、鉬可以用來(lái)制造耐高溫的電爐加熱元件、電燈絲等，它們?cè)诨鸺?dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。表1-4常用金屬的熔點(diǎn)金屬名稱熔點(diǎn)（℃）金屬名稱熔點(diǎn)（℃）金屬名稱熔點(diǎn)（℃）銀960.8鐵1538鉬2625鋁660.1鎂650鎳1453銅1083錫231.91鉛327鉻1903鎢3380鈦16773.熱膨脹性大部分固體材料在加熱時(shí)都會(huì)發(fā)生膨脹，金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的性能稱為金屬的熱膨脹性，熱膨脹性可以用線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)表示，體膨脹系數(shù)近似是線膨脹系數(shù)的3

倍。熱膨脹大小一般用線膨脹系數(shù)表示，計(jì)算公式為

L2

L1L1t式中：α——線膨脹系數(shù)（1/℃）；L1——膨脹前長(zhǎng)度（m）；L2——膨脹后長(zhǎng)度（m）；Δt——升高的溫度（℃）。在相同的溫度條件下，不同金屬的膨脹程度卻不相同。對(duì)于特別精密的儀器，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)低的材料。實(shí)際工作中，很多地方都要考慮熱膨脹性，例如，焊接異種金屬時(shí)要考慮兩種金屬的線膨脹系數(shù)是否接近，否則金屬構(gòu)件會(huì)變形；軸與軸瓦之間要留有合適的間隙，防止軸熱膨脹后和軸瓦卡死；測(cè)量零件時(shí)，要保持在室溫，甚至要恒溫；在材料熱加工和熱處理過(guò)程中更要考慮熱膨脹行為，如果表面和內(nèi)部熱膨脹不一致，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料變形或開(kāi)裂。4.導(dǎo)熱性金屬傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性，表現(xiàn)為金屬在加熱和冷卻時(shí)傳遞熱量的能力。金屬導(dǎo)熱能力的大小常用熱導(dǎo)率表示，熱導(dǎo)率越大，說(shuō)明金屬的導(dǎo)熱性越好。熱導(dǎo)率是指在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于熱流方向單位截面積上的熱流量。金屬材料都是熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于非金屬材料。純金屬導(dǎo)熱性優(yōu)于合金，而且純度越高，導(dǎo)熱性越好。金屬中銀和銅的導(dǎo)熱性最好，鐵的導(dǎo)熱性較差。導(dǎo)熱性是金屬材料重要性能之一，是熱處理和熱加工工藝經(jīng)常要考慮的一重要因素。例如，熱處理時(shí)，導(dǎo)熱性的好壞直接決定著加熱時(shí)間的長(zhǎng)短。淬火處理時(shí)，若材料的導(dǎo)熱性越差，在加熱和冷卻時(shí)表面和內(nèi)部的溫差越大，內(nèi)應(yīng)力越大，越容易發(fā)生變形和開(kāi)裂。5.導(dǎo)電性金屬能傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。常用導(dǎo)電率γ和電阻率ρ來(lái)衡量金屬的導(dǎo)電性，γ=1/ρ。電阻率ρ是指長(zhǎng)為1m、橫截面積為1mm2的物體，在一定溫度下所具有的電阻數(shù)，單位是Ω?m。電阻率ρ越小，材料的導(dǎo)電性就越好，通過(guò)電流時(shí)電能損失越?。环粗畵p失電流越大。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性一樣，是隨著合金化學(xué)成分的復(fù)雜化而降低的，因此，純金屬的導(dǎo)電性比合金好。銀是所有金屬中導(dǎo)電性最好的金屬，其次是銅和鋁?？紤]到成本和安全性，常采用銅或鋁作為導(dǎo)電材料。而導(dǎo)電性差的金屬則可作為電熱元件的材料，如鎳鉻合金等。金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度的升高，電阻增大。含有雜質(zhì)或受到冷變形會(huì)導(dǎo)致金屬的電阻上升。6.磁性金屬在磁場(chǎng)中被磁化而呈現(xiàn)磁性的性能稱為磁性，通常用磁導(dǎo)率μ（H/m）表示。在眾多金屬中，鐵及其合金（包括鋼和鑄鐵）具有明顯磁性，在外加磁場(chǎng)中，能被強(qiáng)烈磁化，鈷、鎳也具有磁性，但相對(duì)弱得多，這類(lèi)材料稱為鐵磁性材料。另外有在外加磁場(chǎng)的作用下，呈現(xiàn)十分微弱的磁性的材料，如錳、鉻、鉬等，稱為順磁性材料。還有能夠抵抗或減弱外加磁場(chǎng)磁化作用的金屬材料，稱為抗磁性材料。磁性材料是制造變壓器、電動(dòng)機(jī)以及儀表組件的材料，有軟磁材料和硬磁材料之分。軟磁材料指易于磁化并可反復(fù)磁化的材料，但當(dāng)外磁場(chǎng)去除后磁性隨之消失；硬磁材料指經(jīng)磁化后，當(dāng)外磁場(chǎng)去除后仍保留磁性，并具有高的剩磁和矯頑力?？勾判圆牧蟿t可用作要求避免電磁場(chǎng)干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料。二、化學(xué)性能金屬材料在機(jī)械制造中，不但要滿足力學(xué)性能、物理性能的要求，同時(shí)也要求具有一定的化學(xué)性能，尤其是要求耐腐蝕、耐高溫的機(jī)械零件，更應(yīng)重視金屬材料的化學(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)介質(zhì)作用所表現(xiàn)出來(lái)的性能，通常包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。金屬的腐蝕既造成表面金屬光澤的缺失和材料的損失，也造成一些隱蔽性和突發(fā)性的事故。在金屬材料中，碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差，而不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦及其合金的耐腐蝕性較好。鉻鎳不銹鋼可以耐含氧酸的腐蝕；銅及銅合金、鋁及鋁合金能耐大氣的腐蝕。對(duì)金屬材料而言，其腐蝕形式主要有兩種：一種是化學(xué)腐蝕，另一種是電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬直接與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生純化學(xué)作用，例如，鋼的氧化反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕是金屬在酸、堿、鹽等電介質(zhì)溶液中由于原電池的作用而引起的腐蝕。提高材料的耐腐蝕性的方法很多，如均勻化處理、表面處理等都可以提高材料的耐腐蝕性。1.耐腐蝕性金屬材料在高溫條件下抗空氣、水蒸氣、燃?xì)獾妊趸哪芰ΨQ為抗氧化性。在高溫下金屬材料極易與氧結(jié)合，形成氧化皮，不僅造成金屬的損耗和浪費(fèi)，也會(huì)形成各種缺陷，因此高溫下使用的工件，除要求材料具有高溫抗氧化的能力外，還應(yīng)該采取有效的措施，避免金屬材料發(fā)生氧化，如在金屬材料表面覆蓋保護(hù)層、保持金屬材料表面的潔凈和干燥等。材料中的耐熱鋼、高溫合金、鈦合金等都具有好的高溫抗氧化性。2.抗氧化性耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱為材料的化學(xué)穩(wěn)定性。高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下工作的設(shè)備或零部件，如鍋爐、汽輪機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)選擇熱化學(xué)穩(wěn)定性高的材料來(lái)制造。3.化學(xué)穩(wěn)定3、金屬的工藝性能物理性能

金屬材料的工藝性能是指在選用金屬材料制造機(jī)械零件的過(guò)程中，采用某種加工方法的難易程度，加工方法包括液態(tài)成型（鑄造）、塑性加工（冷熱塑性加工）、焊接、切削加工和熱處理等方法。金屬的工藝性能主要有鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。金屬工藝性能的好壞影響零件加工后的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本。一、鑄造性能將液體金屬澆注入與零件幾何形狀相適應(yīng)的鑄形空腔中，待冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的工藝方法稱為鑄造。鑄造是獲得零件毛坯的主要方法之一。金屬的鑄造性能是指鑄造成形過(guò)程中，金屬材料具有的成型性能，包括充型能力、流動(dòng)性、收縮性、偏析性、氧化性、吸氣性等。若金屬材料易氧化、吸氣、流動(dòng)性差，收縮大和偏析嚴(yán)重，就很難鑄出合格的鑄件。在金屬材料中，灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。液體金屬充滿鑄型的能力稱流動(dòng)性。流動(dòng)性好的金屬，澆注時(shí)金屬液容易充滿鑄型的型腔，能獲得輪廓清晰、尺寸精確、薄而形狀復(fù)雜的鑄件，還有利于金屬液中夾雜物和氣體的上浮排除。相反，金屬的流動(dòng)性差，則鑄件易出現(xiàn)冷隔、澆不足、氣孔、夾渣等缺陷。影響金屬流動(dòng)性的因素很多，主要有金屬材料的化學(xué)成分、澆注溫度和鑄型工藝等。鑄鐵中的磷能提高流動(dòng)性，而硫則降低流動(dòng)性。鑄型越復(fù)雜，型腔狹窄的部分越多，對(duì)液體金屬流動(dòng)的阻力就越大。溫度越高，流動(dòng)性越好，然而鑄型材料導(dǎo)熱性越好，金屬液體的溫度下降得越快，就會(huì)使合金流動(dòng)性變差。1.流動(dòng)性鑄造金屬?gòu)囊簯B(tài)凝固到冷卻至室溫的過(guò)程中體積和尺寸的收縮程度稱為收縮性。當(dāng)液體合金的體積收縮很大時(shí)，在鑄件上容易產(chǎn)生縮孔，因此，要設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。當(dāng)固體收縮很大，同時(shí)又受到阻礙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，致使鑄件變形，甚至開(kāi)裂等缺陷。此外，收縮性影響金屬材料焊接質(zhì)量，收縮性小的金屬焊接質(zhì)量好。影響收縮性的因素很多，主要有金屬材料的化學(xué)成分、澆注溫度和鑄型工藝等。常用金屬中灰鑄鐵與錫青銅的收縮率較小，而鑄鋼和黃銅具有較大的收縮率。金屬凝固后，鑄件各個(gè)不同部位的化學(xué)成分并不均勻，這種現(xiàn)象稱為偏析。偏析會(huì)嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能和物理性能，使鑄件各個(gè)部分的強(qiáng)度、塑性不同，影響鑄件質(zhì)量，尤其是大尺寸鑄件。產(chǎn)生偏析的原因有：合金凝固溫度范圍大、澆注溫度高、澆注和冷卻速度快。2.收縮性3.偏析4.吸氣性和氧化性鑄造金屬在熔化時(shí)不可避免的吸收大量氣體的能力稱為吸氣性。如果吸收的氣體多，而在冷卻凝固時(shí)來(lái)不及排出去，鑄件中便會(huì)形成氣孔。鑄造金屬液體在與氧氣接觸時(shí)容易被氧化，所形成的氧化物不易被清除，鑄件便會(huì)有夾渣的缺陷。影響吸氣性和氧化性的主要因素時(shí)金屬的種類(lèi)，如鉛的吸氣性大，而鎂的氧化性很?chē)?yán)重。二、塑性加工性能塑性加工是指金屬毛坯在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，使其改變形狀、尺寸和改善性能，獲得型材、棒材、板材、線材或鍛壓件的加工方法。塑性加工方法有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等。金屬塑性加工分冷熱塑性加工：冷塑性加工是指再結(jié)晶溫度以下的塑性變形，而熱塑性加工是指再結(jié)晶溫度以上的塑性變形。金屬在塑性加工時(shí)塑性成形的難易程度稱為塑性加工性能。金屬的塑性加工性能主要決定于塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的塑性加工性能就越好。低的塑性變形抗力使設(shè)備耗能少，優(yōu)良的塑性使產(chǎn)品獲得準(zhǔn)確的外形而不遭破裂。一般純金屬的塑性加工性能良好，含合金元素和雜質(zhì)愈多，塑性加工性能愈差。低碳鋼的塑性加工性能優(yōu)于高碳鋼，黃銅和鋁合金的塑性加工性能比鋼好，而鑄鐵則不能進(jìn)行塑性加工。三、焊接性能金屬材料的焊接性，是指被焊接金屬在采用一定的焊接工藝方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。同一種金屬材料，采用不同的焊接方法或焊接材料，其焊接性可能會(huì)有很大的不同。金屬的焊接性能包括兩方面內(nèi)容：其一是工藝焊接性，即在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)、無(wú)缺陷的焊接接頭的能力；其二是使用焊接性，即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求所規(guī)定的各種使用性能的程度。焊接的好壞與材料的化學(xué)成分和采用的工藝有關(guān)。鋼的焊接性主要取決于鋼中的化學(xué)成分，尤其是碳的含量。把鋼中合金元素（包括碳）的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量稱碳當(dāng)量，用符號(hào)WCE

表示，碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)定它的焊接性。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)使用的計(jì)算公式為CE Cw

w6 5 15wMn

wCr

wMo

wV

wNi

wC碳當(dāng)量越高，鋼的焊接性越差。當(dāng)CE

＜0.

4%

時(shí)，焊接性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性優(yōu)良，焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱；CE

＝0.

4%～0.

6%

時(shí)，焊接性較差，鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，可焊性較差，焊接時(shí)需要采用適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和一定的工藝措施；CE

＞0.

6%

時(shí)，焊接性差，焊接時(shí)需要較高的預(yù)熱溫度和采取嚴(yán)格的工藝措施。如低碳鋼和低碳的合金鋼焊接性能良好，焊接質(zhì)量容易保證；高碳鋼和鑄鐵焊接性能差，焊接時(shí)需采用預(yù)熱或氣體保護(hù)，焊接工藝復(fù)雜，主要用來(lái)補(bǔ)焊機(jī)件。三、焊接性能四、切削加工性能切削加工是指通過(guò)去除材料的方法獲得所需形狀、尺寸和精度的零件，包括車(chē)削、銑削、鉆削、刨削、磨削等方法。金屬材料的切削加工性能的好壞影響其加工的難易程度。金屬材料受各種切削加工的難易程度稱為切削加工性能。切削加工性能好的金屬材料，刀具磨損小、切削速度快、加工表面粗糙度低。影響切削加工性能的因素繁多，有化學(xué)成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性、組織等，因此評(píng)價(jià)切削加工性能較復(fù)雜。一般認(rèn)為主要因素是材料的硬度和組織狀況，有利于切削加工的硬度為170～230HBS。常用材料中，鑄鐵、銅合金、鋁合金及經(jīng)過(guò)恰當(dāng)熱處理的碳鋼具有較好的切削加工性能，一些高合金鋼的切削加工性能較差。五、熱處理工藝性能熱處理是通過(guò)對(duì)固態(tài)下的材料進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從而獲得所需要的組織和性能的工藝。金屬材料的熱處理性能是指金屬材料通過(guò)熱處理改變其內(nèi)部組織和性能的難易程度。鋼的熱處理性能包括淬透性、氧化脫碳性、回火穩(wěn)定性、變形與開(kāi)裂傾向等。熱處理是改善金屬或合金性能的主要方法之一，在機(jī)械制造過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛，各種機(jī)械零件幾乎都要經(jīng)過(guò)熱處理后才能使用，熱處理工藝應(yīng)用正確與否，直接關(guān)系到機(jī)械零件的使用性能、使用壽命和制造成本。思考與練習(xí)金屬材料的性能包括

和

。力學(xué)性能主要包括

、

、

、

和

。金屬材料物理性能包括

、

、

、

、

和

?；瘜W(xué)性能包括

和

。金屬的鑄造工藝性能包括

、

、

、

和

。一、填空題思考與練習(xí)1.金屬材料的力學(xué)性能是什么？什么是強(qiáng)度和塑性?強(qiáng)度有幾種衡量指標(biāo)？什么是衡量塑性的主要指標(biāo)？2.什么是硬度？HB、HRA、HRB、HRC、HV各代表什么方法測(cè)出的硬度？3.試說(shuō)明140HBS10/1000/30、500HBW5/750、50HRC和600HV30/20所代表的含義。4.有一退火零件，設(shè)計(jì)圖上技術(shù)條件標(biāo)注HRC17，是否正確？如果有誤，你認(rèn)為錯(cuò)在哪里？應(yīng)如何改正？5.有一標(biāo)距為50mm，直徑為10mm的鋼試樣，產(chǎn)生屈服時(shí)的載荷為18950N。加載到36450N時(shí)，試樣產(chǎn)生徑縮，然后被拉斷，拉斷后測(cè)得標(biāo)距長(zhǎng)度為74mm，斷裂處直徑為4.6mm，試求該試樣的σs、σb、δ、ψ。什么是韌性？Ak和αk各代表什么？什么是疲勞和金屬的疲勞強(qiáng)度？什么是金屬的焊接性能？鋼中影響焊接性的合金元素有哪些？如何影響？二、簡(jiǎn)答題ThankYou!單元二

金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)01純金屬的結(jié)晶02合金的相結(jié)構(gòu)03本章內(nèi)容合金的結(jié)晶04金屬鑄錠組織05金屬的塑性變形與再結(jié)晶06本章內(nèi)容在外界條件一定時(shí)，材料的性能取決于金屬材料的化學(xué)成分、原子集合體的結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）和內(nèi)部組織（晶粒組織）。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)成材料的化學(xué)成分不同，材料表現(xiàn)出來(lái)的性能也不同；晶體結(jié)構(gòu)不同，材料的性能也不一樣。晶粒組織粗大，材料的性能低，晶粒組織細(xì)小，材料的性能高。金屬材料的性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著很大的關(guān)系。因此，了解金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對(duì)于生產(chǎn)中的選材和確定加工的方法，具有很重要的指導(dǎo)作用。項(xiàng)目概述項(xiàng)目目標(biāo)了解相的概念以及合金的相結(jié)構(gòu)；03了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)，熟練掌握單晶、多晶與晶粒、晶體與非晶體、晶格與晶胞概念，了解金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程；01掌握純金屬的結(jié)晶過(guò)程及控制鑄件晶粒大小的措施；02項(xiàng)目目標(biāo)掌握金屬塑性變形對(duì)金屬組織的性能的影響，了解金屬的再結(jié)晶和熱加工；06掌握杠桿定律，勻晶相圖、共晶相圖和包晶相圖的分析方法；04了解金屬鑄錠的組織、鑄錠缺陷以及如何有效的控制鑄錠組織；051、金屬的晶體結(jié)構(gòu)一切物質(zhì)都是由原子組成，根據(jù)內(nèi)部原子的聚集狀態(tài)不同，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類(lèi)。在晶體中如食鹽、雪花、各種金屬制品等，原子按一定的規(guī)律周期性排列，晶體具有固定的熔點(diǎn)（如銅的熔點(diǎn)為1083℃），且在不同方向上具有不同的性能，即晶體表現(xiàn)各向異性。而非晶體（如玻璃、松香、瀝青等）的內(nèi)部原子則是無(wú)規(guī)則地堆積在一起的，最多是局部的短程有序。與晶體不同，非晶體沒(méi)有固定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)，而是一個(gè)溫度范圍，且子非晶體各個(gè)方向上的原子聚集密度大致相同，即表現(xiàn)出各向同性。雖然晶體和非晶體有著本質(zhì)上的差別，但在一定條件下，非晶體和晶體相互轉(zhuǎn)化。例如，玻璃高溫加熱后可形成晶態(tài)玻璃，而金屬經(jīng)極速冷卻后可制成非晶金屬。一、晶體與非晶體原子通過(guò)結(jié)合鍵可構(gòu)成分子，原子之間或分子之間也靠結(jié)合鍵聚結(jié)成固體狀態(tài)。結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵和物理鍵兩大類(lèi)?；瘜W(xué)鍵即主價(jià)鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵；物理鍵即次價(jià)鍵，也稱范德華力。此外，還有一種稱為氫鍵，其性質(zhì)介于化學(xué)鍵和范德華力之間。金屬元素區(qū)別于其他元素的共性在于原子內(nèi)部最外層電子數(shù)不多于三個(gè)，這個(gè)特點(diǎn)決定了金屬原子間的結(jié)合鍵為金屬鍵，金屬的許多特性也因此得以解釋。例如，自由電子在一定電位差下運(yùn)動(dòng)構(gòu)成優(yōu)良的導(dǎo)電性。另外，在金屬一端受熱，該處的正離子的振動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，表現(xiàn)為溫度升高，它們的能量經(jīng)過(guò)自由電子的碰撞將溫度傳到整塊金屬，金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性。二、金屬原子的結(jié)合及其特性為了便于描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，可把晶體中的原子近似看成是剛性的球體，如圖2-1（a）所示，用一些假想的幾何線條連接各個(gè)原子的中心，構(gòu)成一空間結(jié)構(gòu)如圖2-1（b）所示的三維空間格架。這種表示晶體中原子排列形式的三維空間格架叫空間點(diǎn)陣或晶格。根據(jù)晶體中原子排列的規(guī)律性和周期性的特點(diǎn)，我們可以從晶格中取出一個(gè)能完全代表晶格結(jié)構(gòu)特征的最基本的幾何單元，這種基本單元叫晶胞，如圖2-1（c）所示。晶胞的各棱邊長(zhǎng)a、b、c叫作晶格常數(shù)；晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示，稱為軸間夾角。三、晶格與晶胞具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、W、V等14種。金屬晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，絕大多數(shù)都具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最型的有以下三種：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。在已知的80多種金屬元素中，大部分金屬的晶體結(jié)構(gòu)分別屬于這三種類(lèi)型。很顯然晶格類(lèi)型不同，即指晶體結(jié)構(gòu)不同。1.體心立方晶格體心立方晶格的晶胞如圖2-2所示。晶胞的三棱邊長(zhǎng)度相等，即a=b=c，三個(gè)軸之間的夾角均為90°，構(gòu)成一立方體，如圖2-2（b）所示。立方體的8個(gè)頂角和立方體中心各排列一個(gè)原子，立方體中心的原子完全屬于該晶胞，而每個(gè)頂角上的原子為相鄰的8個(gè)晶胞所共有。故體心立方晶格的致密度K（晶胞內(nèi)所有原子的體積和整個(gè)晶胞的體積的比值）為四、常見(jiàn)金屬晶格類(lèi)型2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如圖2-3

所示，也是一個(gè)立方體，立方體邊長(zhǎng)為a。在立方體的8

個(gè)頂角和6

個(gè)面中心各排列一個(gè)原子，每個(gè)面上的原子同時(shí)屬于相鄰兩個(gè)晶胞，每個(gè)頂角上的原子為相鄰的8個(gè)晶胞所共有。故面心立方晶格的致密度K為四、常見(jiàn)金屬晶格類(lèi)型大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，有些金屬如鐵、鈦、鈷、鎳等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)。這類(lèi)金屬在加熱或冷卻的過(guò)程中，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度變化發(fā)生變化，金屬的這種現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的得到的不同晶格類(lèi)型的晶體稱為同素異構(gòu)體。鐵是這類(lèi)金屬的典型代表，在固態(tài)下，鐵隨溫度變化可發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成三種同素異構(gòu)體。純鐵的冷卻曲線和結(jié)構(gòu)變化如圖2-5

所示。鐵在912℃以下時(shí)是體心立方晶格，稱為α-Fe；當(dāng)加熱到912℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格α-Fe

轉(zhuǎn)變成面心立方晶格，稱為γ-Fe；當(dāng)加熱到1

394℃時(shí)再次發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由面心立方晶格γ-Fe

體心立方晶格α-Fe

又轉(zhuǎn)變成體心立方晶格，稱為δ-Fe。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)致密性不同，故當(dāng)金屬發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，金屬的體積將發(fā)生突然變化。圖2-6

是純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線。三種同素異構(gòu)體中，α-Fe

和δ-Fe

同屬體心立方結(jié)構(gòu)，致密度小于面心立方結(jié)構(gòu)的γ-Fe，故溫度加熱到912℃時(shí)，由α-Fe

轉(zhuǎn)變?chǔ)?Fe，純鐵致密度增大，體積減??；溫度到達(dá)1

394℃時(shí)，由γ-Fe

轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe，致密度減小，純鐵體積膨脹增大。五、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變五、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1.單晶體與多晶體單晶體是指在一定容積內(nèi)只含有一顆晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）的晶體，晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。這種晶體只有采用特殊的方法才能夠獲得。結(jié)構(gòu)材料很少采用單晶體，實(shí)際金屬是由許多晶格位向不同的晶粒組成的多晶體。晶粒內(nèi)部，晶格位向基本一致，而相鄰的晶粒晶格位向有所不同。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，有無(wú)晶界存在，是單晶體與多晶體的一個(gè)區(qū)別。由于金屬是多晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)際測(cè)得的金屬性能是各個(gè)位向不同的晶粒的平均性能，使金屬顯示各向同性。六、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、純金屬的結(jié)晶金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固，凝固后的固態(tài)金屬通常是晶體，故這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為結(jié)晶。所有通過(guò)冶煉和鑄造得到的金屬材料，都要經(jīng)過(guò)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的結(jié)晶過(guò)程。研究金屬結(jié)晶過(guò)程的基本規(guī)律，對(duì)改善金屬材料的組織和性能，都具有重要的意義。一、純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象將純金屬放入干坩堝2中，通過(guò)電爐1加熱使金屬熔化成液態(tài)，將熱電阻4插入金屬液中測(cè)量溫度并在坐標(biāo)圖上記錄(圖2-12)，讓液態(tài)金屬緩慢均勻冷卻至完全凝固，每隔一段時(shí)間測(cè)量一次溫度，并在坐標(biāo)圖上記錄，得到如圖2-13所示的純金屬的冷卻曲線。從圖2-13可知：（1）純金屬液的溫度隨時(shí)間的增加而逐漸下降。（2）當(dāng)冷卻到T1時(shí)，金屬的溫度隨著時(shí)間的增加卻穩(wěn)定不變。在這段時(shí)間內(nèi)，液態(tài)金屬開(kāi)始凝固釋放熱量，彌補(bǔ)了金屬對(duì)外散發(fā)的熱量，即這段時(shí)間金屬正在結(jié)晶，我們把金屬結(jié)晶過(guò)程中釋放的熱量叫作結(jié)晶潛熱。T1稱為實(shí)際結(jié)晶溫度。（3）結(jié)晶結(jié)束后，由于金屬繼續(xù)散熱，固態(tài)金屬的溫度隨時(shí)間的增加而逐漸下降。（4）過(guò)冷現(xiàn)象。金屬的熔點(diǎn)稱為理論結(jié)晶溫度，用T0表示。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象，稱為過(guò)冷現(xiàn)象。它們的溫度差ΔT=T0－T1，稱為過(guò)冷度，過(guò)冷度恒大于零。一、純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷度的大小與金屬的種類(lèi)、純度以及冷卻速度有關(guān)，可以在很大的范圍內(nèi)變化。對(duì)于化學(xué)成分完全相同的金屬，冷卻速度越大，過(guò)冷度也越大；反之亦然。液態(tài)金屬的純度低，過(guò)冷度小。二、純金屬的結(jié)晶過(guò)程二、純金屬的結(jié)晶過(guò)程由于晶胞的頂角和棱邊處的散熱性好，缺陷多，液體原子容易固定，晶粒在棱邊和頂角處就優(yōu)先長(zhǎng)大，以此類(lèi)推得到的晶體稱為樹(shù)枝狀晶體，簡(jiǎn)稱為枝晶，如圖2-17

所示。散熱方向三、晶粒大小及控制措施晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小稱為晶粒度，可以用單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目來(lái)表示，數(shù)目越多，晶粒越小。為了測(cè)量方便，通常用晶粒的平均面積或晶粒的平均直徑來(lái)表示晶粒的大小。在常溫下，細(xì)晶粒金屬與粗晶粒金屬相比，具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。晶粒細(xì)化的方法為提高金屬的力學(xué)性能，必須控制結(jié)晶后晶粒的大小，盡量細(xì)化晶粒。金屬結(jié)晶時(shí)每個(gè)晶粒都是由一個(gè)晶核長(zhǎng)大而成的，其晶粒度取決于形核率和長(zhǎng)大速度。根據(jù)形核和長(zhǎng)大規(guī)律，工業(yè)上常用的細(xì)化晶粒的方法有加大冷卻速度以增加過(guò)冷度、變質(zhì)處理和振動(dòng)處理。3、合金的相結(jié)構(gòu)純金屬雖然也有很好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在一些領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但純金屬?gòu)?qiáng)度、硬度等力學(xué)性能較低，在應(yīng)用上會(huì)受到一定限制。因此，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是合金，而不是純金屬。一、基本概念合金所謂合金就是由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素）經(jīng)過(guò)冶煉、燒結(jié)或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金不僅具有較好的綜合機(jī)械性能，而且價(jià)格比純金屬低廉，故應(yīng)用更為廣泛。給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系。組元組成合金最基本的、獨(dú)立的單元稱為組元。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金，以此類(lèi)推。相合金中的相是指具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開(kāi)的、均勻的組成部分。固態(tài)下只有一個(gè)相的合金稱為單相合金，由兩個(gè)或兩個(gè)以上相組成的合金稱為多相合金。4.組織合金的相可以以不同數(shù)量、形狀、大小和分布方式組合，構(gòu)成在顯微鏡下觀察到的不同組織。所謂組織，指的是肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。二、固溶體一組元（溶劑）保留自己的晶格類(lèi)型，另外的組元（溶質(zhì)）以原子形式進(jìn)入其中形成的相稱為固溶體。按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的配置情況即所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩類(lèi)，如圖2-18所示。1.置換固溶體置換固溶體是指溶質(zhì)原子占據(jù)了部分溶劑原子晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，如圖2-18（a）所示。置換固溶體通常是溶質(zhì)原子任意分布的無(wú)序固溶體；在一定條件下少數(shù)合金（如Cu-Au

合金）的溶質(zhì)原子會(huì)以一定的比例按一定規(guī)律分布在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上，這種固溶體稱為有序固溶體（或稱超結(jié)構(gòu)）。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但固溶能力相差懸殊。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解能力，置換固溶體又可分為有限固溶體和無(wú)限固溶體。通常固溶體的溶解度是有限的，這類(lèi)固溶體稱為有限固溶體；而不存在極限濃度限制的固溶體為無(wú)限固溶體，也稱為連續(xù)固溶體，這類(lèi)固溶體中各組元可按任意比例相互溶解。大量試驗(yàn)表明，大多數(shù)合金只能有限固溶，只有兩組元的晶格類(lèi)型相同，原子半徑相差很小，原子結(jié)構(gòu)相同時(shí)，才可以無(wú)限互溶，形成無(wú)限固溶體。此外，固溶度還與溫度有關(guān)，溫度越高，固溶度越大。2.間隙固溶體

溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格中各結(jié)點(diǎn)之間的間隙所形成的固溶體為間隙固溶體，如圖2-18（b）所示。實(shí)踐證明只有當(dāng)溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之比r質(zhì)/r劑＜0.59時(shí)，才可能形成間隙固溶體，兩者大小相當(dāng)時(shí)則易形成置換固溶體。無(wú)論是置換固溶體，還是間隙固溶體，溶質(zhì)原子的溶入必然導(dǎo)致溶劑晶格的畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高合金的強(qiáng)度和硬度，這就是典型的固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。只要能適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的含量，固溶體能在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性?？梢?jiàn)固溶強(qiáng)化是金屬材料，特別是有色金屬材料的主要強(qiáng)化手段之一。在物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，固溶體的電阻率下降，電阻升高，電阻溫度系數(shù)減小。因此工業(yè)上應(yīng)用的精密電阻或電熱材料，如鐵鉻鋁電阻絲等都廣泛采用單相固溶體合金。三、金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的具有金屬特性的一種新相，又稱中間相，金屬化合物的熔點(diǎn)一般較高，性能硬且脆。當(dāng)金屬化合物在固溶體上彌散分布時(shí)能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使合金的強(qiáng)度、硬度耐磨性等得到很大的提高，但同時(shí)也降低了合金的塑性和韌性，這就是所謂的彌散強(qiáng)化現(xiàn)象。金屬化合物是各類(lèi)合金鋼、硬質(zhì)合金及其他有色金屬的重要組成相。4、合金的結(jié)晶相比純金屬，合金的凝固過(guò)程趨于復(fù)雜，合金的結(jié)晶在遵守結(jié)晶的基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，具有的特點(diǎn)主要包括兩方面：一方面合金的結(jié)晶基本上是在一定溫度范圍內(nèi)完成的，而不是在恒溫下進(jìn)行的。在一個(gè)合金系中，不同成分的合金的結(jié)晶溫度的起止點(diǎn)是不同的。合金的組織不僅隨成分的不同而不同，還會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化。顯然，僅用簡(jiǎn)單的冷卻曲線已經(jīng)無(wú)法清楚地表達(dá)合金的結(jié)晶過(guò)程，因此我們引入了相圖的概念。相圖是指合金系在平衡條件（等溫、等壓、等容）下，合金的狀態(tài)與成分、溫度與相之間相互關(guān)系的圖形。一、二元合金相圖的建立二元合金相圖可以看成是由合金系中若干不同成分的合金的冷卻曲線合并而成的，通常用熱分析法建立?，F(xiàn)以Ni-Cu二元合金為例說(shuō)明合金相圖的建立方法與步驟。配置若干組成分不同的Ni-Cu合金并將其熔化。圖2-19（a）給出的是100%Ni、80%Ni+20%Cu、60%Ni+40%Cu、40%Ni+60%Cu、20%Ni+80%Cu以及100%Cu的冷卻曲線。由圖2-19（a）可見(jiàn)，合金的凝固是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，溫度較高的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（臨界點(diǎn)）表示結(jié)晶的開(kāi)始溫度，而溫度較低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是結(jié)晶的終結(jié)溫度。二、杠桿定律

二元合金相圖中，為了方便稱呼，往往在各自區(qū)域?qū)懮舷鄳?yīng)的相符號(hào)或組織狀態(tài)符號(hào)，并給曲線標(biāo)上字母。如圖2-20所示，液相線上方是液相區(qū)，合金是液體狀態(tài)，用L表示。固相線的下方是固相區(qū)，合金是固溶狀態(tài)，用α表示。液相線與固相線之間是結(jié)晶狀態(tài)，用L+α表示。液相區(qū)和固相區(qū)中都只有一個(gè)相，屬于單相區(qū)。而由液相線和固相線圍成的那個(gè)相區(qū)屬于雙相區(qū)。

結(jié)晶過(guò)程中的合金，液相成分和固相成分隨著溫度的下降分別沿液相線和固相線變化。在給定的溫度下，作一條平行于橫軸的直線，與相應(yīng)的相線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分就是相應(yīng)相的化學(xué)成分。固液兩相的相對(duì)含量可用杠桿定律來(lái)確定。三、勻晶相圖

在固態(tài)和液態(tài)下均能無(wú)限互溶的二組元構(gòu)成的相圖為勻晶相圖，絕大多數(shù)的二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分。勻晶相圖是最簡(jiǎn)單的二元合金相圖，只有兩個(gè)單相區(qū)L及α，一個(gè)兩相區(qū)L＋α，如圖2-21所示。Cu-Ni，An-Ag，An-Pt等合金具有這類(lèi)相圖。三、勻晶相圖

合金的結(jié)晶過(guò)程和純金屬一樣，也包括形核與長(zhǎng)大兩個(gè)階段。合金的結(jié)晶是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，由于液、固兩相的成分隨溫度下降不斷地發(fā)生變化，因此，結(jié)晶過(guò)程依賴于兩組元原子的擴(kuò)散。若結(jié)晶過(guò)程中有充分時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)到平衡相的成分，這個(gè)過(guò)程稱為平衡結(jié)晶。需要著重指出的是，在每一溫度下，平衡結(jié)晶實(shí)質(zhì)包括三個(gè)過(guò)程：液相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程；固相的繼續(xù)長(zhǎng)大；固相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。

平衡結(jié)晶得到的固溶體晶粒內(nèi)的成分是均勻一致的。如果結(jié)晶是在不平衡的條件下（如冷卻速度較快）進(jìn)行的，則會(huì)出現(xiàn)先析出的α晶體的成分來(lái)不及擴(kuò)散，就被另一成分析出的α晶體包圍，造成晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的枝晶偏析現(xiàn)象，這個(gè)過(guò)程叫作非平衡結(jié)晶過(guò)程。

枝晶偏析是非平衡凝固的產(chǎn)物，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，通過(guò)“均勻化退火”或稱“擴(kuò)散退火”，即在固相線以下較高的溫度（要確保不能出現(xiàn)液相，否則會(huì)使合金“過(guò)燒”）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的保溫使原子擴(kuò)散充分，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織。四、共晶相圖

在液態(tài)相互溶解的兩組元，在一定溫度一定成分下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相，這種轉(zhuǎn)變叫作共晶轉(zhuǎn)變。具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖叫作共晶相圖。結(jié)晶出的兩種固相只能部分互溶，甚至完全不溶，其混合物稱為共晶組織或共晶體，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為共晶溫度，它比各組元的熔點(diǎn)都低。圖2-22所示的Pb-Sn合金相圖是一個(gè)典型的二元共晶相圖，具有這種相圖的還有Pb-Sn系、Al-Si系、Ag-Cu系等。五、包晶相圖

已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變，具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖叫包晶相圖。發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為包晶溫度。組成包晶相圖的兩組元，在液態(tài)時(shí)可無(wú)限互溶，而在固態(tài)時(shí)只能部分互溶。具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金有Cu-Zn、Ag-Sn、Pt-Ag等。

圖2-23所示為Pb-Sn合金相圖，圖中ACB是液相線，APDB是固相線，PE是Ag在Pt為基的α固溶體的溶解度曲線，DF是Pt在Ag為基的b固溶體的溶解度曲線。共三個(gè)單相區(qū)：液相L、固相α和固相β，此外還有3個(gè)兩相區(qū)，即L+α、L+β和α+β。水平線PDC是一條三相（L、α、β）共存線，成分在PC范圍內(nèi)的合金在該溫度都將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式如下：5、金屬鑄錠組織

鑄錠組織包括晶粒大小、形狀和取向，合金元素和雜質(zhì)分布以及鑄錠中的缺陷（縮孔、氣孔、夾雜物等）。鑄件的鑄態(tài)組織影響其機(jī)械性能，鑄錠的鑄態(tài)組織影響著其后續(xù)的加工性能以及成品的使用性能。因此了解鑄件或鑄錠的鑄態(tài)組織是十分必要的。一、鑄錠的組織1.表面細(xì)晶區(qū)（激冷帶）表面金屬液與鑄模接觸，迅速冷卻為一薄層細(xì)小等軸晶粒，組織致密，雜質(zhì)少，機(jī)械性能好，但厚度太小，沒(méi)有多大實(shí)際意義。2.柱狀晶區(qū)形成細(xì)晶區(qū)時(shí)，金屬遇冷收縮，模壁迅速升溫而膨脹，細(xì)晶區(qū)與模壁之間形成一空氣層，向外散熱能力下降，再加上結(jié)晶潛熱的釋放，造成靠近固液界面的液體前沿過(guò)冷度減小，形成新晶核的可能性不大。由于鑄模在高度方向上的尺寸是大于截面尺寸的，并且鑄模側(cè)面到中心溫差較大，只有在垂直模壁的方向上散熱條件相對(duì)好些，因此，枝晶沿此方向生長(zhǎng)，最后形成柱狀晶粒。一、鑄錠的組織

當(dāng)鑄模表面和中心溫差過(guò)大且無(wú)新晶核生成，柱狀晶可以長(zhǎng)到鑄錠中心，甚至與對(duì)面的柱狀晶相連接，形成穿晶，如圖2-25所示。此時(shí)第三層晶粒組織便不存在。相反之下，柱狀層也有可能不存在。3.中心等軸晶區(qū)隨柱狀晶發(fā)展，越靠近鑄錠中心，散熱越困難，剩余液體溫度趨于均勻，加上雜質(zhì)的作用，即使液體在過(guò)冷度很小的條件下也開(kāi)始結(jié)晶，直到與柱狀晶接觸完成結(jié)晶為止。由于此時(shí)散熱不具有方向性，等軸晶區(qū)的晶粒在各個(gè)方向上的尺寸接近均等，呈顆粒狀分布，且粗大，組織比較疏松。二、鑄錠組織控制

不同晶區(qū)具有不同的性能，如柱狀晶組織致密，性能具有方向性；細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)小，機(jī)械性能好等。在不同的凝固條件下，設(shè)法使性能好的晶區(qū)盡可能大，不利的晶區(qū)盡量減少，直至消失，是非常有意義的。鑄錠組織中柱狀晶對(duì)性能的影響占主要地位，了解影響柱狀晶生長(zhǎng)的因素是很有必要的。

鑄造溫度低，冷卻速度慢，有利于保持截面溫度的均勻性，促進(jìn)等軸晶的形成，適用于鋼鐵鑄件的組織。由于柱狀晶的接觸面常有非金屬雜質(zhì)或低熔點(diǎn)雜質(zhì)，為了避免在熱軋、鍛造時(shí)開(kāi)裂，對(duì)于熔點(diǎn)高和雜質(zhì)多的金屬，不宜生成柱狀晶。6、金屬的塑性變形與再結(jié)晶

鑄態(tài)金屬材料往往存在晶粒粗大不均、不致密等缺陷，所以大多數(shù)金屬材料在冶煉澆鑄后，都要經(jīng)過(guò)軋制、冷拔、鍛造、沖壓等塑性加工，使金屬產(chǎn)生各種塑性變形，得到所需的外形尺寸，并改善金屬材料的組織和性能，從而提高金屬材料的機(jī)械性能。因此研究金屬的塑性變形規(guī)律對(duì)于改進(jìn)加工工藝、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、合理使用材料等都具有重要的指導(dǎo)意義。塑性變形方式主要有：滑移、孿生、扭折、晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變等。一、單晶體的塑性變形

如圖2-26（a）所示，對(duì)單晶體進(jìn)行拉伸，晶體受到的外力P在晶體內(nèi)的某一晶面分解為兩種應(yīng)力。一個(gè)是垂直于該晶面的應(yīng)力，即正應(yīng)力σ，另一個(gè)是平行于該晶面的應(yīng)力，即切應(yīng)力τ。在正應(yīng)力作用下，彈性范圍內(nèi)，晶體被拉長(zhǎng)，撤力后，晶體又恢復(fù)原狀，增大正應(yīng)力，則晶體被拉斷，圖2-26（b）所示；而切應(yīng)力作用下，晶格在彈性扭曲之后，進(jìn)一步伸長(zhǎng)變形，造成滑移，如圖2-26（c）所示。通過(guò)大量的滑移面的滑移，最終宏觀上表現(xiàn)為試樣被拉長(zhǎng)，同時(shí)滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和扭曲，如圖2-26（d）?；齐m然是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，但實(shí)際上取決于滑移面內(nèi)滑移方向上的分切應(yīng)力的大小。只有當(dāng)分切應(yīng)力大于某一臨界值時(shí)才能滑移，該臨界值即為臨界分切應(yīng)力，用符號(hào)τk表示。二、多晶體的塑性變形

工業(yè)中實(shí)際使用的金屬大多是多晶體，室溫下多晶體塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。由于多晶體是由許多形狀、大小、位向各不相同的晶粒組成的，并且多晶體內(nèi)存在大量晶界，從而使多晶體的塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。

外力作用下，晶體內(nèi)各晶粒滑移次序和變形量隨晶粒位向和晶界數(shù)目的不同而不同。晶粒中的各個(gè)晶粒并不是同時(shí)發(fā)生塑性變形的，分切應(yīng)力大的滑移系，首先發(fā)生滑移，到達(dá)晶界時(shí)，由于晶界處原子排列不規(guī)則，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并在晶界附近堆積，與此同時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)還受到鄰近不同位向的晶粒的阻礙。隨著外力的增加，位錯(cuò)進(jìn)一步堆積，最終致使鄰近晶粒中位錯(cuò)開(kāi)始，變形便從一批晶粒傳遞到另一批晶粒。單位體積內(nèi)的晶粒越細(xì)小，晶粒的數(shù)目就越多，晶界就越多，不同位向的晶粒也越多，受到的塑性變形抗力越大，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。因此要盡可能的細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。三、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1.塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響（1）塑性變形還會(huì)使晶體內(nèi)部晶粒破碎，形成位向不同的小晶塊，即亞結(jié)構(gòu)。在亞結(jié)構(gòu)的邊界上聚集著許多位錯(cuò)，隨變形程度增大，亞結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，進(jìn)一步增加了滑移的阻力。（2）金屬塑性變形時(shí)，外形發(fā)生變化的同時(shí)，內(nèi)部晶粒形狀也發(fā)生了很大的變化。通常是晶粒沿變形方向壓扁或拉長(zhǎng)。原來(lái)沒(méi)有變形的晶粒，經(jīng)過(guò)加工變形后，晶粒形狀逐漸發(fā)生變化。隨著變形方式和變形量的不同，晶粒形狀的變化也不一樣，如在軋制時(shí)，單個(gè)晶粒沿著變形方向逐漸伸長(zhǎng)，變形量越大，晶粒伸長(zhǎng)的程度也越顯著。（3）多晶體在塑性變形時(shí)也伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒會(huì)逐漸取向趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫作變形織構(gòu)。變形織構(gòu)有絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類(lèi)型。三、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響2.塑性變形對(duì)金屬性能的影響（1）加工硬化。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙引起的變形抗力增大，使塑性變形困難，即金屬的強(qiáng)度和硬度隨變形量增大而增加，塑性和韌性則下降，金屬的這一現(xiàn)象即為加工硬化或形變強(qiáng)化。加工硬化可以提高金屬的強(qiáng)度，是強(qiáng)化金屬的重要手段，尤其對(duì)那些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料顯得更為重要。加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素。另一方面，加工硬化使金屬塑性降低，使進(jìn)一步的冷塑變形困難，進(jìn)一步變形需要更大的動(dòng)力。有時(shí)由于塑性過(guò)低，繼續(xù)變形會(huì)導(dǎo)致金屬開(kāi)裂，可以通過(guò)中間熱處理來(lái)消除加工硬化，但這樣做會(huì)增加成本。（2）使金屬產(chǎn)生某些物理和化學(xué)性能變化。經(jīng)過(guò)冷塑性變形的金屬，物理性能和化學(xué)性能也發(fā)生變化。比如導(dǎo)熱系數(shù)下降，導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降。變形后由于晶體缺陷（位錯(cuò)和空位）的增加，是擴(kuò)散速度的加大。此外，金屬處于高能狀態(tài)，原子活動(dòng)能力加強(qiáng)，金屬更易腐蝕。（3）殘余應(yīng)力。金屬在塑性變形時(shí)，外力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高，隨后散失掉，但尚有一小部分（約10%）保留在金屬內(nèi)部，形成殘余應(yīng)力和晶格畸變。按殘余應(yīng)力作用范圍的不同，分為三類(lèi)：第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力（宏觀殘余應(yīng)力）、第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力（微觀殘余應(yīng)力）、第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力（晶格畸變）四、回復(fù)與再結(jié)晶

溫度較高時(shí)，原子有活動(dòng)能力，形變后處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)的金屬開(kāi)始向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，金屬的結(jié)構(gòu)和性能都有所變化，這種變化分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。1.回復(fù)圖2-27中，當(dāng)溫度低于在T1時(shí)，屬于回復(fù)階段。在這一過(guò)程中，主要是各種點(diǎn)缺陷進(jìn)行各種形式的遷移、中和，使點(diǎn)缺陷密度明顯降低，晶格畸變程度大為減輕，從而使內(nèi)應(yīng)力有所降低，但晶粒外形尚無(wú)明顯變化，位錯(cuò)密度降低很少，力學(xué)性能變化不大，冷變形強(qiáng)化狀態(tài)基本保留?；貜?fù)退火正是利用這一點(diǎn)得以進(jìn)行的。四、回復(fù)與再結(jié)晶2.再結(jié)晶圖2-27中，從T1升到T2的階段屬于再結(jié)晶階段。T1溫度時(shí)，形變組織的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)少數(shù)的新晶粒的形核，并逐漸長(zhǎng)大，溫度到達(dá)T2后，形變組織消失，晶粒全部變?yōu)榈容S晶粒，性能發(fā)生了明顯變化。再結(jié)晶過(guò)程首先是在晶粒碎化最嚴(yán)重的地方產(chǎn)生新晶核，然后晶核吞并舊晶核而長(zhǎng)大，直到舊晶核完全被新晶核代替為止。再結(jié)晶后的晶粒內(nèi)部晶格畸變消失，位錯(cuò)密度減小，金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性顯著上升，使變形金屬的組織和性能基本上恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。3.晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶結(jié)束后得到的是無(wú)畸變的等軸再結(jié)晶初始晶粒，溫度升高，晶粒尺寸長(zhǎng)大。根據(jù)長(zhǎng)大特征，晶粒長(zhǎng)大可分為兩種類(lèi)型：一種是隨溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)而均勻連續(xù)長(zhǎng)大，稱為正常長(zhǎng)大；另一種則是在長(zhǎng)大過(guò)程中，個(gè)別晶粒急速長(zhǎng)大，形成非常粗大的組織，叫反常生長(zhǎng)，或二次結(jié)晶。五、金屬的熱加工1.冷加工與熱加工生產(chǎn)中，除一些鑄件和燒結(jié)件外，幾乎所有金屬材料都要進(jìn)行熱加工，從金屬學(xué)角度講，使金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形，都稱為熱加工，低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工。前面所說(shuō)的金屬塑性變形的情況是冷加工。

熱加工過(guò)程中的回復(fù)和再結(jié)晶分為兩類(lèi)：一類(lèi)是回復(fù)、再結(jié)晶與變形同步進(jìn)行，稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；另一種是回復(fù)、再結(jié)晶是在形變終止后進(jìn)行保溫或冷卻的過(guò)程中進(jìn)行的，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。五、金屬的熱加工2.熱加工對(duì)組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織。金屬材料構(gòu)件多是由金屬鑄錠經(jīng)軋制得到的。熱加工可使鑄錠內(nèi)的缺陷得到明顯改善，如氣泡得到焊合、疏松被壓實(shí)，材料致密度增加。通過(guò)熱加工，可以使鑄態(tài)時(shí)的粗大柱狀晶變細(xì)，可以改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小和分布，還可以部分消除枝晶偏析。因此，經(jīng)過(guò)軋制和鍛造的鋼材，性能優(yōu)于鑄件。（2）纖維組織。熱加工可以使鑄態(tài)金屬中的偏析和非金屬夾雜沿著變形的方向拉長(zhǎng)，形成所謂的“流線”，纖維組織。纖維組織使金屬材料機(jī)械性能呈現(xiàn)各向異性。沿纖維方向具有較高的機(jī)械性能（包括抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性），垂直于纖維組織方向的性能則比較低五、金屬的熱加工3.帶狀組織金屬在經(jīng)過(guò)熱加工后會(huì)出現(xiàn)帶狀組織，其形成原因主要是鑄態(tài)中的成分偏析在壓力加工時(shí)未被充分消除。圖2-29是在金相顯微鏡下觀察到的中碳鋼帶狀組織，白色的鐵素體和黑色的珠光體成帶狀分布。帶狀組織也會(huì)使金屬機(jī)械性能具有方向性，使材料塑性和韌性顯著降低，并惡化材料的切削性能。一、判斷題單晶體和多晶體均呈現(xiàn)各向異性。（ ）冷卻速度越大，過(guò)冷度越小。（ ）晶粒大小可以用單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目來(lái)表示，目越多，晶粒越小。（ ）二、填空題金屬晶體結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的有三種類(lèi)型： 、

和

。晶體缺陷的幾何形狀特征，分為三類(lèi)： 、

和

。晶粒大小與形核率（單位時(shí)間單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目）和晶粒長(zhǎng)大的速度有關(guān)。根據(jù)形核和長(zhǎng)大規(guī)律，工業(yè)上常用的細(xì)化晶粒方法有

、

和

。根據(jù)金屬間化合物的形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為

、

和

三種類(lèi)型。按照質(zhì)原子在溶劑晶格中的配置情況即所占位置的不同，固溶體可分為

和

兩類(lèi)。金屬經(jīng)塑性變形后，隨溫度的升高，金屬的組織和性能發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變化分為

、

和

三個(gè)階段。思考與練習(xí)三、綜合題思考與練習(xí)ThankYou!單元三鐵碳合金和碳鋼鐵碳合金相圖01

典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程02碳鋼03本章內(nèi)容鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對(duì)于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的開(kāi)發(fā)以及工藝廢品原因的分析都有很重要的指導(dǎo)意義。Fe-Fe3C（滲碳體）相圖是一個(gè)典型的二元合金相圖。在Fe-Fe3C相圖中包含了二元典型的包晶、共晶、共析反應(yīng)，同時(shí)還有一個(gè)穩(wěn)定化合物，掌握鐵碳合金相圖的分析方法，對(duì)我們學(xué)習(xí)二元合金相圖具有重要的幫助。在鋼鐵材料中，應(yīng)用最廣泛的是碳鋼。這是因?yàn)樘间撘睙捄?jiǎn)便，價(jià)格低廉，在一般情況下能滿足使用要求。因此，本單元重點(diǎn)介紹了工業(yè)用碳鋼的分類(lèi)、編號(hào)和性能。項(xiàng)目概述項(xiàng)目目標(biāo)了解碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響；03了解和掌握鐵碳合金相圖的基本特征，會(huì)分析鐵碳合金相圖；01掌握典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程；021、了解碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響鋼鐵材料是鐵碳合金系少具有實(shí)用價(jià)值的部分，是目前人類(lèi)社會(huì)中應(yīng)用最為廣泛的工程材料。普通碳鋼和鑄鐵均屬鐵碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵實(shí)際上有意加入合金元素的鐵碳合金。為了熟悉鋼鐵材料的組織和性能，以便在生產(chǎn)中合理使用，首先必須研究鐵碳合金的相圖。反映鐵碳合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度關(guān)系及其變化規(guī)律的相圖已誕生了一百多年，是人類(lèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和大量科學(xué)試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。本單元將較詳細(xì)地介紹鐵碳相圖中只有實(shí)用價(jià)值的部分的Fe-Fe3C

相圖，并介紹與此相圖相對(duì)應(yīng)的、工業(yè)用量頗大的碳素鋼。一、鐵碳合金中的相與基本組織從冷卻曲線上可知，第一個(gè)1583℃的平臺(tái)是鐵的結(jié)晶溫度，結(jié)晶后是體心立方晶格δ-Fe。當(dāng)溫度降到1394℃出現(xiàn)第二個(gè)平臺(tái)。這是Fe在固態(tài)下第一次同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變成為面心立方的γ-Fe。當(dāng)繼續(xù)冷卻到912℃時(shí)出現(xiàn)第三個(gè)平臺(tái)，這是Fe的第二次同素異晶轉(zhuǎn)變。變成體心立方的β-Fe。當(dāng)溫度降低到912℃以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。正因?yàn)镕e具有這種同素異晶轉(zhuǎn)變，才使得鋼也存在多種固體相變，為鋼的合金化和熱處理打下了基礎(chǔ)。2.鐵與碳相互作用構(gòu)成的基本相Fe-Fe3C是組成Fe-Fe3C相圖的兩個(gè)基本組元。在Fe-Fe3C二元合金系中，由于鐵和碳之間相互作用不同，鐵和碳既可形成固溶體，也可形成金屬化合物。鐵素體、奧氏體和滲碳體是鐵-碳合金的三個(gè)基本相。（1）鐵素體。鐵素體是碳在α-Fe中形成的固溶體，常用“F（或α）”表示，是間隙固溶體，α-Fe為溶劑，保持體心立方晶格。由于α-Fe的晶格間隙比碳原子的半徑小得多，因此，溶碳能力極差。在727℃時(shí)溶碳量最大，僅為0.02%，室溫時(shí)溶碳量為0.0008%。而且，碳原子一般存在于晶格缺陷處。在顯微鏡下觀察，鐵素體如圖3-2所示。圖3-2鐵素體的顯微組織示意圖一、鐵碳合金中的相與基本組織（2）奧氏體。奧氏體是碳在γ-Fe中形成的固溶體，常用“A”表示，奧氏體也是間隙固溶體，因其晶格間隙尺寸較大，故碳在γ-Fe中的溶解度較大，在727℃時(shí)，溶碳量為0.77%，隨著溫度的升高溶碳量逐漸增大。在1148℃時(shí)溶碳量最大，為2.11%。奧氏體在顯微鏡下的形態(tài)如圖3-3所示。圖3-3奧氏體的顯微組織示意圖一、鐵碳合金中的相與基本組織二、鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)，鐵和碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC，由于含碳量高于6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值，因而只研究Fe-Fe3C相圖部分，F(xiàn)e-Fe3C相圖如圖3-4所示。2.Fe-Fe3C相圖中的特性線ABCD線：液相線，ABCD線以上區(qū)域，鐵碳合金處于液態(tài)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc≤4.3%的鐵碳合金在AC線開(kāi)始結(jié)晶出奧氏體（A）；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc＞4.3%的鐵碳合金在CD線開(kāi)始結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳，常用Fe3CI表示。AHJECF：固相線，固相線以下區(qū)域，鐵碳合金呈固態(tài)。整個(gè)相圖主要是由包晶、共晶和共析三個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變組成的。HJB線。包晶轉(zhuǎn)變線，在這條線上發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變LBδHγJ，產(chǎn)物為奧氏體二、鐵碳合金相圖分析2.典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程一、鐵碳合金的分類(lèi)鐵碳合金按其含碳量及室溫組織可分為三大類(lèi)：工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵。典型鐵碳合金的成分與室溫組織見(jiàn)表3-2。表3-