金屬材料與熱處理校本教材(上交材料)

目錄緒論一、金屬材料與熱處理的發(fā)展史三、本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)目的二、金屬材料與熱處理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的作用和地位第一章 金屬的性能第一節(jié) 金屬及金屬材料的分類第二節(jié) 金屬的力學(xué)性能第三節(jié)金屬的工藝性能第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié) 金屬的結(jié)晶第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第三章鐵碳合金第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織第二節(jié) 鐵碳合金相圖及其應(yīng)用第四章 碳素鋼第一節(jié) 雜質(zhì)元素對碳素鋼性能的影響第二節(jié) 碳素鋼的分類第三節(jié) 碳素鋼的牌號、性能及用途第五章鋼的熱處理第一節(jié) 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變第三節(jié) 鋼的退火與正火第四節(jié) 鋼的淬火第五節(jié) 鋼的回火第六章合金鋼第一節(jié) 合金元素對鋼的影響第二節(jié) 合金鋼的分類和牌號第三節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼第四節(jié) 合金工具鋼第五節(jié) 特殊性能鋼第七章 鑄鐵第一節(jié) 鑄鐵的基礎(chǔ)知識第二節(jié) 灰鑄鐵第三節(jié) 可鍛鑄鐵第四節(jié) 球墨鑄鐵第八章有色金屬及其合金第一節(jié) 鋁及鋁合金第二節(jié) 銅及銅合金第三節(jié) 鈦及鈦合金一―一一一.-一―.一.一?一.-———-—一―一一一.-一―.一.一?一.-———-—-一一—一一. 一—-金屬材料與熱處理緒論.金屬材料與熱處理的發(fā)展史人類社會發(fā)展的歷史證明， 材料是人類生存、 發(fā)展以及改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料是人類文明大廈的基石。 縱觀人類利用材料的歷史， 在遙遠(yuǎn)的古代， 我們的祖先是以石器為主要工具 ;公元前 4300年，人類就能夠使用自然的金、銅，并有一些鍛打、 熱加工等形式的工藝。 人類最早使用的鐵是隕鐵， 是從篝火中發(fā)現(xiàn)的。鐵的熔煉大約在公元前 2800年，最早生產(chǎn)鋼的年代難以確定，最初的鋼是由熟鐵滲碳得到的。 人類使用鐵器的時間在世界各地有所不同， 我國在公元前 6世紀(jì)已經(jīng)出現(xiàn)了生鐵制品。 金屬材料的使用， 在人類社會發(fā)展史中具有劃時代的意義。.金屬材料與熱處理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的作用和地位當(dāng)今國際社會公認(rèn)， 材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱。 從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展史中可以看到， 每一項重大的技術(shù)發(fā)明往往都有賴于新材料的發(fā)展。在人類使用的眾多材料中， 金屬材料以其所特有的各種優(yōu)異性能， 被廣泛地應(yīng)用于生活和生產(chǎn)中，是現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的重要材料。在 21世紀(jì)金屬材料仍將占有重要地位，其主要原因是：①金屬材料資源豐富，在相當(dāng)長時間內(nèi)不會枯竭，在海洋和地殼深處都還蘊藏著大量的金屬礦物有待開發(fā) ；②金屬材料有非常成熟的生產(chǎn)工藝、 相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模、 相當(dāng)多的生產(chǎn)加工設(shè)施和長期的使用經(jīng)驗，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料 ；③金屬材料具有優(yōu)異的綜合性能，是高分子材料和陶瓷材料無法替代的；④金屬材料仍具有很大的改進和發(fā)展空間， 其新技術(shù)和新產(chǎn)品在不斷增加， 材料質(zhì)量在不斷提高。 熱處理是通過改變金屬材料的組織或改變表面成分及組織， 使其性能發(fā)生變化的一種加工工藝。熱處理是決定產(chǎn)品性能、 壽命和可靠性的關(guān)鍵， 熱處理水平是制造業(yè)競爭力的核心要素之一。 利用熱處理技術(shù)優(yōu)勢， 充分發(fā)揮材料潛力， 引領(lǐng)新產(chǎn)品的開發(fā)是裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新的重要途徑。 然而，我國熱處理水平與國際先進水平存在很大差距， 熱處理技術(shù)落后已成為我國制造業(yè)由大變強的瓶頸。 抓好熱處理是我國制造業(yè)由大變強的必由之路。.本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)目的本課程的主要內(nèi)容由金屬的性能、金屬學(xué)、熱處理、金屬材料幾部分組成。根據(jù)培養(yǎng)高級技工人才的需要， 還對機械零件的選材、 工藝路線分析、 典型零件熱處理分析及熱處理設(shè)備和新工藝等方面作了適當(dāng)?shù)慕榻B。本課程的學(xué)習(xí)目的包括以下幾個方面 :(1)在金屬性能方面 掌握金屬材料的力學(xué)性能，即在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能，了解金屬材料的工藝性能。(2)在金屬學(xué)方面 了解金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程以及二元合金相圖、鐵碳合金及其相圖的基本理論，為進一步學(xué)習(xí)熱處理和金屬材料知識打下基礎(chǔ)。(3)在熱處理方面掌握鋼鐵熱處理的基本原理和方法以及熱處理工序在零件加工過程中的作用和位置， 以便能根據(jù)零件的技術(shù)條件選定熱處理方法， 合理安排零件的加工路線。(4)在金屬材料方面 掌握常用的碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及硬質(zhì)合金等材料的成分、 組織、性能和用途的基本知識， 以便能合理選用金屬材料并確定其工藝路線。第一章金屬的性能知識目標(biāo) :掌握金屬材料的力學(xué)性能。熟悉金屬材料的工藝性能。技能目標(biāo) :掌握金屬材料力學(xué)性能的衡量指標(biāo)，包括強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。正確分析影響金屬材料工藝性能的因素。金屬材料是現(xiàn)代機械制造業(yè)的基本材料， 由于它具有許多良好的性能， 被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。金屬材料的性能包含使用性能和工藝性能兩個方面。所謂使用性能， 是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能， 它包括物理性能 （密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等 ）、化學(xué)性能 （耐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等 ）和力學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞決定了它的使用范圍與使用壽命，其中力學(xué)性能是零件設(shè)計和選材時的主要依據(jù)。所謂工藝性能， 是指金屬材料在加工制造過程中所表現(xiàn)出來的性能， 是對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，它包括鑄造性能、焊接性能、壓力加工性能、切削加工性能、熱處理性能等。第一節(jié)金屬及金屬材料的分類所謂金屬， 是指由單一元素構(gòu)成的具有特殊光澤以及一定的延展性、 導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性的物質(zhì)，如金、銀、銅、鐵、鋁、錳、鋅等。而合金是指由一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法合成的具有金屬特性的材料。金屬材料是金屬及其合金的總稱， 即金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料通常分為三大類， 即黑色金屬材料、 有色金屬材料和特種金屬材料。黑色金屬黑色金屬又稱為鋼鐵材料，包括工業(yè)純鐵、碳鋼、鑄鐵，以及各種用途的合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括錳（Mn）、銘（G）以及它們的合金。黑色金屬的命名來源于鋼鐵表面常常被一層黑色的F6304膜覆蓋，而鉆和銘常用來與鐵制成合金鋼，故將鉆和銘與鐵一起統(tǒng)稱為黑色金屬。有色金屬有色金屬是指除了鐵、 鉻、鉻以外的所有金屬及其合金， 通常又將其分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等。有色金屬中除了金為黃色，銅為赤紅色以外，多數(shù)呈銀白色。有色金屬合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。(1)重金屬一般是指p>4.5g/cm3的有色金屬，包括元素周期表中的大多數(shù)過渡元素，如銅(Cu)、鋅(Zn)、鍥(Ni)、鉆(Co)、鴇(W)、鑰(Mo)、鎘(Cd)及汞(Hg)等，止匕外，睇(Sb｝似Bi)、鉛(Pb)及錫(Sn痔也屬于重金屬。重金屬主要用作各種用途的鍍層及多元合金。(2)輕金屬p<4.5g/cm3的有色金屬稱為輕金屬，如鋁(Al)、鎂(Mg)、鈣(Ca>鉀(K)、鈉(Na)、葩(Cs痔。工業(yè)上常采用電化學(xué)或化學(xué)方法對Al、Mg及其合金進行加工處理，以獲得各種優(yōu)異的性能。(3)貴金屬 是指物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，地殼中蘊藏量少、價格昂貴或具有雍容華貴外觀的有色金屬， 共有金 (Au)、 銀 (Ag)、 鉛 (Pt)、 銠 (Rh)、 鈀 (Pd)、 銥 (Ir)、釘(Ru和鉞(Osyl種。工業(yè)上常采用電鍍方法在價格便宜的基體上獲得貴金屬的薄鍍層，以滿足高穩(wěn)定性、電接觸性能以及貴重裝飾品的需求。(4)稀有金屬 一般是指在自然界中含量較少、分布稀散及研究應(yīng)用較少的有色金屬。稀有金屬包括稀土金屬、放射性稀有金屬、稀有貴金屬、稀有輕金屬、難溶稀有金屬及稀有分散金屬等。.1.3特種金屬特種金屬包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬和功能金屬， 其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等 ;還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復(fù)合材料等。第二節(jié)金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能是指金屬在外力作用下抵抗變形和破壞的能力， 主要有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等性能指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能是非常重要的，機械設(shè)備及工具設(shè)計制造中的材料選擇大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)， 力學(xué)性能也是評定金屬材料質(zhì)量的主要判據(jù)， 還是對產(chǎn)品加工過程實施質(zhì)量控制的重要參數(shù)。所以，熟悉和掌握金屬材料的力學(xué)性能具有重要的意義。.載荷金屬材料在加工或使用過程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)作用形式不間，可將載荷分為拉伸載荷、 壓縮載荷、 彎曲載荷、 剪切載荷、 扭轉(zhuǎn)載荷等， 如圖1-1所示。根據(jù)作用性質(zhì)不同可將載荷分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷蘭種。(1靜載荷是指大小不變或變化緩慢的載荷，如靜拉力、靜壓力等。(2)沖擊載荷 是指在短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。(3)交變載荷 是指大小、方向或大小和方向隨時間而發(fā)生周期性變化的載圖1-1載荷的作用形式a）拉伸載荷b）壓縮載荷c）彎曲載荷d）剪切載荷e）扭轉(zhuǎn)載荷.變形金屬材料在外力作用下所發(fā)生的幾何形狀和尺寸的變化稱為變形。 按去除載荷后變形能否完全回復(fù)，可將變形分為彈性變形和塑性變形兩種。（1）彈性變形是指隨載荷的去除而消失的變形。（2）塑性變形也稱為永久變形，是指不能隨載荷的去除而消失的變形。.應(yīng)力金屬材料受外力作用時，為了保持不變形，材料內(nèi)部的原子之間因相互作用而產(chǎn)生的與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用R表示,其計算公式如下R= （1-1）式中R應(yīng)力，單位為MPa（1Pa=1N/m2;1MPa=lN/mm2=106Pa）；F——外力，單位為N（外力的大小等于內(nèi)力）；S 面積，單位為mm2。1.2.1強度材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度，其大小通常用應(yīng)力來表示。根據(jù)載荷作用方式不同，可將強度分為屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗扭強度等。一般情況下，多以屈服強度和抗拉強度作為判別強度高低的重要依據(jù)?？估瓘姸群退苄允峭ㄟ^拉伸試驗測定的。拉伸試驗方法是將被測金屬試樣裝夾在拉伸試驗機（圖1-2）上，在試樣兩端緩慢施加軸向拉伸載荷，觀察試樣的變形情況，同時連續(xù)測量外力和相應(yīng)的伸長量，直至試樣斷裂，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)即可計算出有關(guān)的力學(xué)性能。.拉伸試樣國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。圖1-3所示為圓形拉伸試樣，其中，do為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始直徑；L。為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始標(biāo)距長度。標(biāo)準(zhǔn)拉伸試

樣的比例系數(shù)k=5.65(Lo=k。);即Lo=5do；當(dāng)以此比例系數(shù)獲得的原始標(biāo)距長度Lo小于15mm時，應(yīng)優(yōu)先選用k=11.3的比例試樣(Lo=10do)。拉伸試樣可分為長試樣(Lo=10do)和短試樣(Lo=5do)兩種。圖1-2拉伸試驗機 圖1-3圓形拉伸試樣a)拉伸前b)拉斷后三、拉伸曲線做拉伸試驗時，通過拉伸試驗機將載荷和試樣伸長量的變化自動記錄下來，并繪制成曲線。所繪制的曲線是以載荷為縱坐標(biāo)，以試樣的伸長量為橫坐標(biāo)，能夠反應(yīng)拉伸載荷F與伸長量AL之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線,也稱為力-伸長曲線。圖1-4所示為低碳鋼試樣的力，伸長曲線，圖中縱坐標(biāo)表示力F(N),橫坐標(biāo)表示試樣伸長量AL(mm)。圖1-4低碳銅試樣的力伸長曲線低碳鋼在拉伸試驗過程中，明顯地出現(xiàn)以下幾個變形階段

Oe彈性變形階段在此階段，試樣變形完全是彈性的，試樣的伸長量與拉伸力成正比，此時如果卸除載荷，試樣即恢復(fù)原狀。 Fe為試樣彈性變形時的最大載荷。ss'屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限繼續(xù)增加達到s點載荷時，在試樣表面上可看到表征金屬晶體滑移的跡象。此時，在外力不增加或略有減小的情況下，試樣變形繼續(xù)進行，該現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象，拉伸力Fs稱為屈服載荷。屈服后，材料開始出現(xiàn)明顯的塑性變形。s'b強化階段當(dāng)拉伸力超過屈服載荷F,后，試樣材料因發(fā)生明顯塑性變形，其內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了排列調(diào)整，抵抗變形的能力有所增加，伸長變形也隨之增加，拉伸曲線形成s'b曲線段，稱為試樣材料的強化階段。在此階段隨著變形程度的增加，試樣變形抗力也隨之增加，這種現(xiàn)象稱為形變強化(或加工硬化)，F(xiàn)m為拉伸試樣承受的最大載荷。bz縮頸階段當(dāng)拉伸力達到Fm以后，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，在該區(qū)域試樣的橫截面積急劇縮小，這種特征稱為縮頸現(xiàn)象。由于縮頸使試樣局部截面積減小，導(dǎo)致試驗力隨之降低，直至試樣在縮頸處斷裂。 z點為斷點。圖1-5所示為拉伸試樣的縮頸現(xiàn)象。工業(yè)上所使用的金屬材料在進行拉伸試驗時，其載荷與變形量之間的關(guān)系并非都與上述情況相同。例如高碳鋼等，在拉伸試驗時沒有屈服現(xiàn)象，所測得的力，伸長曲線如圖1-6所示。生縮頸，如鑄鐵。圖1-7所示為鑄鐵的力-伸長曲線。圖生縮頸，如鑄鐵。圖1-7所示為鑄鐵的力-伸長曲線。圖1-6高碳鋼試樣的力-伸長曲線彈性極限和剛度(1)彈性極限是指金屬材料由彈性變形過渡到彈?塑性變形時的應(yīng)力。應(yīng)力超過彈性極限以后，金屬材料便開始產(chǎn)生塑性變形。彈性極限表征金屬材料產(chǎn)生彈性變形的能力，是衡量金屬材料最大彈性變形的抗力指標(biāo)。彈性極限用符號ere表示，其計算公式如下(2-1)

式中^e——彈性極BM,單位為MPa;圖1-7鑄鐵的力-伸長曲線Fe——發(fā)生最大彈性變形時所對應(yīng)的載荷，單位為 NS———試樣原始橫截面積，單位為mm2。(2)剛度是指金屬材料在承受載荷時抵抗彈性變形的能力，用彈性模量E來衡量。E越大，金屬材料的剛度越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小。4.強度指標(biāo)(1)屈服強度和條件屈服強度屈服強度是指試樣在拉伸試驗過程中，當(dāng)載荷達到Fs后不再增加，但試樣仍然能夠繼續(xù)伸長時的應(yīng)力。屈服強度分為上屈服強度Reu和下屈服強度Rl,在工程設(shè)計和計算中，一般用下屈服強度代表其屈服強度，單位為MPa。屈服強度的計算公式如下式中ReL——屈服強度，單位為 MPa；FeL——試樣屈服時的載荷，單位為&——試樣原始橫截面積，單位為對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用規(guī)定塑性延伸強度(Rp)表示，即表示試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長率達到0.2%(圖FeL——試樣屈服時的載荷，單位為(1-4)式中Ro——規(guī)定塑性延伸強度，單位為MPa;(1-4)Fo.2——殘余伸長率達到0.2%時的載荷，單位為N;S0——試樣原始橫截面積，單位為mm2。機械零件在使用時一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強度圖1-8殘余伸長應(yīng)力RpReL和條件屈服強度吊0.2都是衡量金屬材料塑性變形抗力的指標(biāo)，是機械零件設(shè)計和選材的主要依據(jù)，也是評定金屬材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)0⑵抗拉強度抗拉強度是指試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，用符號Rm表示，其計算公式如下Rm=式中Rm——抗拉強度，單位為MPa；Fm——試樣在拉斷前所承受的最大載荷，單位為 N；S試樣原始橫截面積，單位為mm2?？估瓘姸萊m表示材料在靜拉力作用下的最大承載能力。零件在工作中所承受的應(yīng)力不應(yīng)超過抗拉強度，否則會導(dǎo)致斷裂，所以抗拉強度也是機械零件設(shè)計和選材的重要依據(jù)。1.2.2塑性.塑性的概念塑性是指金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。 金屬材料在靜拉伸載荷作用下都會產(chǎn)生變形，包括彈性變形和塑性變形，當(dāng)載荷達到一定數(shù)值時金屬材料就會斷裂。檢查斷裂后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)金屬材料都存在不同程度的殘余變形， 即發(fā)生了塑性變形。斷裂前塑性變形量大的材料，其塑性好；反之則塑性差。.塑性的衡量指標(biāo)塑性通常用斷后伸長率和斷面收縮率來表示。(1)斷后伸長率試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，用符號A表示，其計算公式如下式中——斷后伸長率，單位為%；Lu——拉斷對接后的標(biāo)距長度，單位為mm;Lo——試樣原始標(biāo)距長度，單位為mm。同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率也不同。長、短試樣的斷后伸長率分別用符號Ai。和Au表示，習(xí)慣上Aio也寫成Ao(2)斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號Z表示，其計算公式如下—— (1-7)式中Z斷面收縮率，單位為%;&——試樣原始橫截面積，單位為mm2；&——試樣拉斷后縮頸處白^橫截面積，單位為mm2。金屬材料的斷后伸長率A和斷面收縮率Z的數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料易于塑性變形，可以加工成形狀復(fù)雜的零件。例如，低碳鋼的塑性好，可通過鍛壓加工成形。另外，塑性好的材料在受力過大時首先產(chǎn)生塑性變形而不致突然斷裂，因此大多數(shù)機械零件除了要求具有足夠的強度外， 還應(yīng)具有一定的塑性。例1-1某廠購進一批45鋼，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，力學(xué)性能應(yīng)符合如下要求 ：電將35MPa,Rn》600MPa,A5>16%,Z>40%。入廠檢當(dāng)時采用d=10mm短試樣進行拉伸試驗，測得FeL=28900N,Fm=47530N,Lu=60.5mm,du=7.5mm0試列式計算其強度和塑性，并確認(rèn)該鋼材是否符合要求。1)求6和SSO—九d2-Su=_itd=-2）計算Rl和RmRl=—= =368.2MPa>335MPaRm」= =605.48MPa>600MPa3）計算A5和ZoAs=—— = 21%>16%Z= = 43.75%>40%答:試驗測得該批鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率均大于規(guī)定要求，所以這批鋼材合格。1.2.3硬度硬度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。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能，機械制造業(yè)中所用的刃具、量具、模具等都應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證其使用性能和使用壽命。有些機械零件如齒輪、曲軸等，也要具有一定的硬度，以保證足夠的耐磨性和使用壽命。另外，硬度是一項綜合力學(xué)性能指標(biāo)，其數(shù)值可間接地反映金屬的強度及金屬在化學(xué)成分、金相組織和熱處理方法上的差異，因此，硬度是金屬材料的一項重要的力學(xué)性能指標(biāo)。常用的硬度測試方法是壓人法，主要有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法三種。硬度是在專用的硬度試驗機上通過試驗測得的，如圖 1-9所示。hl圖1內(nèi)健度試疆機布氏熾度試驗機1.布氏硬度(④)hl圖1內(nèi)健度試疆機布氏熾度試驗機1.布氏硬度(④)測試原理使用一定直徑的球體儂質(zhì)合金球)作為壓頭，以規(guī)定試驗力壓人試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，然后測量球體在試樣表面上所壓出的壓痕直徑d,從而計算出壓痕球面積S,然后再計算出單位面積所受的力(F/S)fi,用此數(shù)字表示試樣的布氏硬度值，用符號HBW表示，如圖1-10所示。圖1-10布氏硬度試驗原理圖由測試原理可知，布氏硬度值是指球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力， 其計算公式如下HBW=與=0一102k ”一一、 (1⑻式中F——試驗力，單位為N;S 球面壓痕表面積，單位為mm2;D 球體直徑，單位為mm;d壓痕平均直徑，單位為mm。從式(1-8)中可以看出，當(dāng)試驗力F和壓頭球體直徑D一定時，布氏硬度僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)。d值越小，布氏硬度值越大，材料硬度就越高；反之，d值越大，布氏硬度值越小，材料硬度就越低。在實際應(yīng)用時，布氏硬度一般不用計算，而是用專用刻度放大鏡測量出壓痕直徑d,再通過查布氏硬度值表，即可得到相應(yīng)布氏硬度值，見附錄1。(2)表示方法一般布氏硬度值不標(biāo)單位，只寫明硬度的數(shù)值。布氏硬度的表示方法按以下順序書寫：硬度值、布氏硬度符號HBW、壓頭球體直徑、試驗力、

試驗力保持時間(10-15s不標(biāo)注)。例如，550HBW5/750表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球體，在7355N(750kgfM驗力的作用下，保持10-15s時測得的布氏硬度值為550,簡寫為550HBWA做布氏硬度試驗時，壓頭球體直徑D、試驗力F及試驗力保持時間t應(yīng)根據(jù)被測金屬材料的種類、硬度值范圍及試樣的厚度進行選擇，見表1-1。糧據(jù)材料和布氏硬度菇圍通擇址的條件材料布氏硬壬HH5試樣厚度/mmF/ZX修女球體直控fi/mm試驗力F/N位驗力保特時間褐色舍厘t心利到甜史，正火.科闡我強】)45-4506~34^2<23。10SX5MOW7500187510<140cl二105工，10000150062510有色業(yè)端履介命黃銅、育樹、0E自金庠)36-1JO>66^3<510105X3[0000工SOO62330軸承臺金等)<325102,58g膽156他(3)Rm與HBW的關(guān)系材料的Rm與HBW之間有以下近似關(guān)系：低碳鋼的Rm=3.53HBW,高碳鋼的Rm=3.33HBW,合金鋼的Rm=3.19HBW,灰鑄鐵的Rm?0.98HBW參見附錄2。(4)適用范圍及優(yōu)缺點布氏硬度主要適用于測定灰鑄鐵、有色金屬及各種軟鋼等硬度不是很高的材料。布氏硬度試驗法的特點是其硬度值數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量精度較高。因為試驗力大，球體直徑大，因而壓痕直徑也大，能較準(zhǔn)確地反映出金屬材料的平均性能。布氏硬度試驗法的缺點是操作時間長，對不同材料的試樣需要更換壓頭及載荷，壓痕測量也較費時，測量高硬度材料時，由于壓頭球體本身變形而使測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。用硬質(zhì)合金球作壓頭時，材料硬度必須小于 650HBW。另外壓痕較大，用于成品及較薄件試驗時也有困難。困浦氏健7試驗常用留困浦氏健7試驗常用留(1)測試原理洛氏硬度試驗是采用錐頂角為120的金剛石圓錐體或津火鋼球作為壓頭，壓人金屬表面，以測量壓痕塑性變形深度來計算洛氏硬度值。圖1-11所示為用金剛石圓錐體作為壓頭進行洛氏硬度的試驗原理圖。測量時先加初試驗力F。，壓入深度為Hi,目的是消除因零件表面不光滑而造成的誤差;然后再加主試驗力Fi,在總試驗力(Fi+F)的作用下，壓入深度為H2。卸除主試驗力Fi,由于金屬彈性變形的回復(fù)，使壓頭回升到深度為 H3的位置，則由主

試驗力Fi作用而引起的塑性變形的壓痕深度e=也-hi,也稱為殘余壓痕深度增量。顯然，e值越大，被測金屬的硬度越低。為了符合數(shù)值越大，硬度越高的習(xí)慣，用一個常數(shù)K標(biāo)尺刻度滿程)減去e來表示硬度值的大小，并用每0.002mm的壓痕深度作為一個硬度單位，由此獲得洛氏硬度值，用符號HR表示，其計算公式如下HRK-e0.002式中HRK-e0.002式中式——常數(shù)，用金剛行圓悔體壓頭進行試驗時發(fā)取O'Omm,用鋼球壓頭進行試鼎時*取0.26mm；e-殘余壓痕深度增景，單位為圖1-12所示為HR-150型洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)圖。硬度計由負(fù)荷機構(gòu)、加載負(fù)荷控制機構(gòu)、測量指示機構(gòu)、試樣支承機構(gòu)和機架等部分組成。圖1-13HR—常氏使度計結(jié)構(gòu)】一吊環(huán)2T鏤仟3—媒母4-吊桿3一吊鞋6一欲用7—托森加卸貨得手柄9-耀沖器調(diào)節(jié)僮I。-黑沖SS11—01？一試捏力E焰一浴佛14-111 跖一生地17T示百分表第一工作臺19—升降埋1L30一手輪卻一止推推甫22-?tT23一城杠導(dǎo)座狷一定位套匯一連桿錯JS標(biāo)尺睡頭類型錯JS標(biāo)尺睡頭類型總試聆力使質(zhì)值后*HHC匕0"金剛石劇爆體1471.020-671HRR*1.5能E用球9807金剛右國博體m4W-851表京用洛氏硬度標(biāo)尺的試隅條件事洛氏硬度沒有單位，試驗時硬度值可直接從洛氏硬度刻度盤上讀出。(2)常用洛氏硬度標(biāo)尺及其適用范圍常用的洛氏硬度標(biāo)尺有A、B、C三種,標(biāo)注在洛氏硬度符號HR后面，其中C標(biāo)尺的應(yīng)用最為廣泛。蘭種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和應(yīng)用范圍見表1-2。(3)表示方法洛氏硬度值寫在符號HR前面,符號后面注明使用的標(biāo)尺。例如，45HRC表示C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為45。⑷優(yōu)缺點洛氏硬度的優(yōu)點是①壓痕小，可用來測量成品或較薄工件的硬度；②試驗操作簡單迅速圖143維氏硬度測試原理③采用不同硬度標(biāo)尺，能測量從很軟到很硬的各種金屬材料。缺點是由于壓痕小，當(dāng)材料內(nèi)部組織不均勻時，硬度值波動較大，測量結(jié)果不能反映被測材料的平均硬度。因此，在進行洛氏硬度測試時，需要在不同部位測量數(shù)次，然后取平均值來表示被測金屬的硬度。.維氏硬度(1)測試原理如圖1-13所示，維氏硬度測試原理與布氏硬度測試原理相同，將相對面夾角為136。的金剛石正四棱錐體壓頭，以選定的試驗力壓人試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后卸除試驗力，然后測量壓痕對角線的平均長度，計算出硬度值。維氏硬度是用正四棱錐體壓痕單位面積上承受的平均壓力表示硬度值， 用符號HV表示，其計算公式如下HV=0.1S9I (1-10)式中F——試驗力，單位為N;D——壓痕兩條對角線長度白算術(shù)平均值，單位為mm。在試驗中，維氏硬度值與布氏硬度值一樣，也可根據(jù)測得壓痕兩條對角線的平均長度，從表中直接查出。(2)表示方法及適用范圍維氏硬度常用試驗力在49.03-980.7N范圍內(nèi)，其表示方法與布氏硬度相同，硬度值寫在符號前面，符號后面寫試驗條件。例如，642HV30表示用294.2N(30kgf)試驗力，保持10-158測定的維氏硬度值為642;642HV30/20表示用294.2N(30kgM驗力，保持208測定的維氏硬度值為642。由于維氏硬度試驗時所用試驗力小，壓痕深度較淺，故可測較薄工件的硬度，尤其是滲碳、滲氮層的硬度；另外，維氏硬度具有連續(xù)性(10-1000HV),故可測從很軟到很硬的各種金屬材料的硬度，且準(zhǔn)確可靠。維氏硬度試驗的缺點是，測量壓痕對角線長度比較麻煩，且對試樣表面質(zhì)量要求較高。1.2.4韌性許多機械零件在工作中往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如內(nèi)燃機的活塞銷、沖床的沖頭、鍛鈕的鉆桿和鍛模等。制造這類零件所采用的材料，其性能指標(biāo)不能單純用強度、塑性、硬度來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力， 即韌性的大小。目前，工程上常用一次擺鉆沖擊缺口試樣來測定材料的韌性。材料韌性的好壞是用沖擊韌度來衡量的。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度，用 ak來表示。ak值的大小表小材料的韌性好壞。一■股把ak值低的材料稱為脆性材料，ak值局的材料稱為韌性材料。.沖擊試樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，常用的標(biāo)準(zhǔn)試樣有10mmx10mmx55mm的U型缺口和V型缺口試樣，如圖1-14和圖1-15所示。

UR]iH±ti.ia5J±060si沁10I間J」」”；、UR]iH±ti.ia5J±060si沁10I間J」」”；、圖1-14U型試樣缺口沖擊試樣 圖L15箏型試樣輪口沖擊試樣.擺鉆一次沖擊試驗的原理及方法(1)原理沖擊試驗是利用能量守恒原理，即沖斷試樣所做的功等于擺鉆沖擊試樣前后的勢能差。(2)方法將被測金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣放置在試驗機支架上，試樣缺口位于兩支架間，且背向擺鉆沖擊方向，如圖1-16a所示。將一定質(zhì)量的擺鈕升至一定高度磯，則此時擺鉆具有勢能GHi,然后使擺鈕自由落下，將試樣沖斷并回升高度磯，則此時擺鉆的剩余勢能為GHz,如圖1-16所示。擺鈕沖斷試樣所消耗的勢能即是擺鉆沖擊試樣所做的功，稱為沖擊吸收功，用符號Ak表示，單位為J,其計算公式如下4二GH.-GH2=G(H\-耳) {1-1】)式中八一肺由吸收功，單位為hC——擺建的重力.單位為N；一接棒初始高度.單位為小也一沖斷迷樣后，翔銖回升的高度,單位為"V試驗時，沖擊吸收功Ak值可直接從試驗機刻度盤上讀出。用Ak除以試樣缺口處的橫截面積S0,即可得到被測材料的沖擊韌度a%其單位為J/cm20aK的計算公式如下般地■次沖擊試鴕3一族擇?一刻膜生5—楮甘般地■次沖擊試鴕3一族擇?一刻膜生5—楮甘式中5圖1廣附1TE漆3一仇架沖擊韌度，單位為沖匕吸收功,單位為試樣缺口處的原始橫截面積,單位為cm.曄南身冏AkuaK必須說明，使用不同類型的試樣進行試驗時，具沖擊吸收功應(yīng)分別標(biāo)為或Akv,沖擊韌度則標(biāo)為aKu或AAkuaKaK值取決于試樣的材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關(guān)系。值對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷及顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會使aK值明顯降低；同種材料的試樣,aK或aaK或aK值不能直材料的aK值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)aK值急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（TK）。沖擊韌度指標(biāo)的實際意義在于揭示材料的變脆傾向。.小能量多沖擊試驗絕大實踐證明，承受沖擊載荷的機械零件很少因一次大能量沖擊而致破壞,多數(shù)是在小能量多沖擊作用下破壞的，如沖模上的沖頭、鍛壓機的鉆桿、柴油機的曲軸等。這種破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴展的結(jié)果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。對于這樣的零件，用沖擊韌度作為設(shè)計依據(jù)顯然是不符合實際的。絕大小能量多沖擊試驗原理如圖1-17所示，試樣在沖頭多次沖擊 ，『‘下斷裂，經(jīng)受的沖擊次數(shù)代表金屬的抗沖擊能力?！?4T小元?立坤由Bit厚?

I—■一：實踐證明，沖擊韌度高的材料，小能量多沖擊抗力不一定高。一般金屬材料受大能量沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主要取決于材料的沖擊韌度向的大?。欢谛∧芰慷鄾_擊條件下，其沖擊抗力主要取決于材料的強度和塑性，即強度越高、塑性越好，其沖擊抗力越大。

1.2.5疲勞強度.疲勞的概念（1）交變應(yīng)力大小和方向隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力 （也稱為循環(huán)應(yīng)力）。工程上許多機械零件都是在交變應(yīng)力作用下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種滾動軸承等，在工作過程中各點的應(yīng)力是隨時間作周期性變化的。（2）疲勞在交變應(yīng)力的作用下，即使零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服強度，但經(jīng)過較長時間的工作后也會產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，如圖1-18所示。1-18軸的1-18軸的疲心斷裂疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件的失效中約有80%以上屬于疲勞破壞，而疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以危害性極大。.產(chǎn)生疲勞的原因疲勞斷裂是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷（劃痕、夾雜、軟點、顯微裂紋等），這些地方的局部應(yīng)力大于屈服強度，從而發(fā)生局部塑性變形而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。這些裂紋隨著循環(huán)應(yīng)力次數(shù)的增加而逐漸擴展，直至最后承載的截面減小到不能承受所加載荷而突然斷裂。因此，疲勞破壞的宏觀斷口是由疲勞裂紋的策源地及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)（粗糙部分）組成的，如圖1-19所示。.疲勞強度在循環(huán)應(yīng)力作用下，金屬所承受的循環(huán)應(yīng)力R和斷裂時相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為R-N疲勞曲線，如圖1-20所示。費后新整山

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（1H曷留廿）府赤臂曉廣疆區(qū)<??*>]It11-19遭芳斷襄的宏觀即口承電國從圖1-20中可以看出，金屬承受的交變應(yīng)力R越小，則斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越多;反之，R越大，則N越少。當(dāng)應(yīng)力達到民時，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示應(yīng)力低于此值時，試樣可經(jīng)受無數(shù)次周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強度。在對稱循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞強度通常用符號 R-1表示。顯然，R-1的數(shù)值越大，金屬材料抵抗疲勞破壞的能力越強。疲勞強度是指金屬材料在無數(shù)多次交變應(yīng)力作用下而不被破壞的最大應(yīng)力。實際上，金屬材料不可能做元數(shù)次交變載荷試驗， 對于黑色金屬， 一般規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 107周次時試樣仍不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞強度 ;對于有色金屬、不銹鋼等規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 108周次。.提高疲勞強度的途徑金屬零件的疲勞強度受到很多因素的影響， 如工作條件、 表面狀態(tài)、 材料成分、組織及殘余內(nèi)應(yīng)力等。 改善零件的結(jié)構(gòu)形式、 降低零件表面粗糙度值及采取各種零件表面強化的方法，都能提高金屬零件的疲勞強度。第三節(jié)金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料在加工過程中對不同加工方法的適應(yīng)能力， 包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能等。工藝性能直接影響到金屬材料加工的難易程度、 加工質(zhì)量、 生產(chǎn)效率及加工成本等， 所以工藝性能是選材和制訂零件工藝路線時必須考慮的因素之一。1.3.1鑄造性能金屬及合金經(jīng)鑄造后獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。 衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動性、收縮性和偏析傾向等。流動性熔融金屬的流動能力稱為流動性， 它主要受金屬化學(xué)成分和澆注溫度等的影響。流動性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。收縮性鑄件在凝固和冷卻過程中， 其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮’ 性。鑄件收縮不僅影響尺寸精度， 還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、 疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷，故用于鑄造的金屬，其收縮率越小越好。鐵碳合金中，灰鑄鐵收縮率小，鑄鋼收縮率大。偏析傾向金屬凝固后， 其內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 偏析嚴(yán)重時可能使鑄件各部分的組織和力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。有色金屬（如青銅 ）的鑄造性很好，常用于鑄造精美的工藝品。鑄鐵的鑄造性能好于鑄鋼，因此常用鑄造方法生產(chǎn)零件。壓力加工性能壓力加工是指用壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形， 改變其形狀、 尺寸和性能， 從而獲得型材或鍛壓件的一種加工方法。 壓力加工的方法有鍛造、 軋制、擠壓、冷拔、沖壓等，如圖 1-21所示。金屬材料用壓力加工方法成形而得到優(yōu)良工件的難易程度稱為壓力加工性能。 壓力加工性能的好壞主要與金屬的塑性和變形抗力有關(guān)，塑性越好， 變形抗力越小， 金屬的壓力加工性能越好。 影響壓力加工性能的主要一.- ———.一? 一—一一.- ———.一? 一—一一―一一一.-一―.一.一?一.-因素是金屬的化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，純金屬的壓力加王性能優(yōu)于一般合金。鐵碳合金中，含碳量越低，壓力加工性能越好；合金鋼中，合金元素的種類和含量越多，壓力加工性能越差。碳鋼在加熱狀態(tài)下壓力加工性能較好，鑄鐵則不能進行壓力加工。b) c} G e>圖】出力加工方法示意圖Q軋制b｝擠壓C）樓俄d）敢選e）碑碑區(qū)焊接性能焊接是通過加熱、加壓或兩者并用，使用或不使用填充材料，使工件達到結(jié)合的一種方法。焊接方法可分為三大類，即熔焊、壓焊和奸焊。熔焊是將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法。常用的熔焊有電弧焊、氣焊、電子束焊、等離子弧焊、激光焊等。壓焊是焊接時對焊件施加壓力，以完成焊接的方法。應(yīng)用最普遍的壓焊是電阻焊。釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作為奸料，將焊件和奸料加熱到高于軒料熔點、低于母料熔化的溫度，利用液態(tài)纖料浸潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的方法。圖1-22所示為電弧焊和氣焊示意圖。?)用圖1-22電孤焊和氣焊示意圖＞）電或焊b）氣餌焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)能力，也就是在一定的焊接工藝條件下，金屬材料獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度。焊接性能好的金屬材料，容易用一般焊接方法和工藝進行操作，焊接時不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接后接頭強度與母材相近。碳鋼和低合金鋼的焊接性能主要與金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)（其中碳的影響最大），如低碳鋼具有良好的焊接性；高碳鋼、鑄鐵的焊接性較差，焊接時需采用預(yù)熱或氣體保護焊等，焊接工藝復(fù)雜。

切削加工性能切削加工是指通過機床提供的切削運動和動力， 使刀具和工件產(chǎn)生相對運動,林加工森面圖1-23車削加工從而切除工件上多余的材料，以獲得合格零件的加工過程。零件常通過對毛坯進行切削加工而制成，如車削加工、銃削加工、磨削加工、刨削加工等，如圖1-23林加工森面圖1-23車削加工切削加工金屬材料的難易程度稱為切削加工性能， 一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命等方面來衡量。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、塑性、導(dǎo)熱性和形變強化等。一般認(rèn)為，金屬材料具有適當(dāng)硬度（170-230HBW）ffi足夠的脆性時較易切削，所以鑄鐵比鋼的切削加工性能好，一般碳鋼比高合金鋼的切削加工性能好。改變鋼的化學(xué)成分和進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，是改善鋼的切削加工性能的重要途徑。熱處理性能金屬材料通過熱處理可以改善其切削加工性能，也是改善其力學(xué)性能的重要途徑。熱處理性能包括淬透性、淬硬性、過熱敏感性、回火脆性、變形與開裂傾向、氧化脫碳傾向等（這些內(nèi)容將在第6章中詳細(xì)論述）。復(fù)習(xí)思考題.什么是金屬？什么是金屬材料4屬材料通常分為哪三類？.什么是材料的使用性能？材料的使用性能和工藝性能有何區(qū)別？.什么是金屬的力學(xué)性能？金屬的力學(xué)性能包括哪些？.根據(jù)作用性質(zhì)不同，載荷可以分為哪幾類？.什么是變形？變形可以分為哪兩類？.拉伸試驗?zāi)軠y量哪些力學(xué)性能指標(biāo)？.繪出低碳鋼力-伸長曲線，并說明曲線上的幾個變形階段。.什么是強度加量強度的常用指標(biāo)有哪些？.Rl和吊0.2有何區(qū)別？.什么是塑性？衡量塑性的指標(biāo)有哪些？各用什么符號表示？塑性好的材料有何實用意義？.某廠購進一批鋼材，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)值 ：&L=340MPa,Rm=540MPa,A=19%,Z=45%驗收時，用該材料制成d=10mm的短試樣（原始標(biāo)距Lo長度為50mm）做拉伸試驗，當(dāng)試驗力達到28260N時，試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象；試驗力增加到45530N時，試樣發(fā)生縮頸現(xiàn)象，然后斷裂。拉斷后的標(biāo)距長度為60.5mm,斷裂處直徑為7.3mm。試計算這批鋼材是否合格。.什么是硬度？測量硬度常用的方法有哪三種？各用什么符號表示？它們各適用于測量哪些材料的硬度？.布氏硬度實驗法有哪些優(yōu)缺點 ?說明其適用范圍。TOC\o"1-5"\h\z.什么是韌性 ?多次沖擊時材料的沖擊抗力主要取決于什么 ?.什么是金屬的疲勞 ?疲勞破壞有什么特征 ?.簡述金屬產(chǎn)生疲勞的原因及防止疲勞的措施。.什么是疲勞極限 ?影響疲勞極限的因素有哪些 ?19.什么是金屬的工藝性能 ?主要包括哪些內(nèi)容 ?第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶知識目標(biāo) :了解三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特點及常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)。掌握金屬材料的結(jié)晶條件、基本過程和細(xì)化晶粒的主要方法。技能目標(biāo) :能運用細(xì)化晶粒的措施提高金屬材料的力學(xué)性能。能運用金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變理論改善金屬材料的組織和性能不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能， 即使是同一種金屬材料， 在不同的條件下其性能也是不同的。 金屬性能的這些差異從本質(zhì)上來說， 是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指組成材料的原子種類和數(shù)量， 以及它們的排列方式和空間分布。因此，了解金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對金屬性能的影響， 熟悉金屬結(jié)晶的基本規(guī)律，對于控制材料的性能、正確選用和加工金屬材料，具有非常重要的意義。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1.1晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子 （或分子 ）的聚集狀態(tài)是否有序，可分為晶體與非晶體兩大類。在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子 （或分子 ）在三維空間皇有序、有規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體，自然界中絕大多數(shù)固體都是晶體，如常用的金屬材料、水晶、氯化鈉等 ;凡原子 （離子或分子 ）在三維空間呈無序堆積狀況的物質(zhì)稱為非晶體，如普通玻璃、松香、石蠟等。非晶體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與液體結(jié)構(gòu)相似， 故非晶體也被稱為凍結(jié)的液體。由于晶體內(nèi)部的原子 （或分子 ）排列具有規(guī)律性，所以，自然界中的許多晶體往往具有規(guī)則的幾何外形，如結(jié)晶鹽、水晶、天然金剛石等。晶體的幾何形狀與晶體的形成條件有關(guān)， 如果條件不具備， 其幾何形狀也可能是不規(guī)則的。 故晶體與非晶體的根本區(qū)別不是幾何外形規(guī)則與否，而是其內(nèi)部原子排列是否有規(guī)則。晶體與非晶體的區(qū)別除了幾何形狀是否規(guī)則外，還表現(xiàn)在以下方面 :1）非晶體沒有固定的熔點，加熱時隨溫度的升高會逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動性的液體 ;冷卻時液體逐漸變稠，最終變?yōu)楣腆w。而晶體有固定的熔點，當(dāng)加熱溫度升高到某一溫度時， 固態(tài)晶體在此溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。 例如，純鐵的熔點為 1538℃，銅的熔點為 1083℃ ，鋁的熔點為 660℃。2）非晶體由于原子排列元規(guī)則，在各個方向上的原子聚集密度大致相同，故在性能上表現(xiàn)為各向同性。而晶體在不同的方向上具有不同的性能，即晶體表現(xiàn)出各向異性。晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，如玻璃經(jīng)高溫長時間加熱后能形成晶態(tài)玻璃。而通常呈晶態(tài)的物質(zhì)從液態(tài)快速冷卻時也可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w， 如金屬液體在冷卻速度超過107C/S時，可得到非晶態(tài)金屬。晶體可分為金屬晶體和非金屬晶體兩大類。金屬晶體除了具有晶體所共有的特征外，還具有一些獨特的性能，如具有金屬光澤、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性等。.晶格和晶胞在金屬晶體中，原子是按一定的幾何規(guī)律呈周期性有規(guī)則排列的， 不同晶體的原子排列規(guī)律不同。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似看作是一個個剛性小球，則金屬晶體就是由這些剛性小球按一定幾何規(guī)則緊密排列而成的物體，如圖2-1所示。由于這種圖形不便于分析晶體中原子的空間位置，為了便于研究晶體中原子的排列情況，可將剛性小球再簡化成一個點，用假想的線將這些點連接起來，構(gòu)成有明顯規(guī)律性的空間格架。這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架稱為晶格，如圖2-2a所示。品格由許多形狀、大小相同的幾何單元在三維空間重復(fù)堆積而成。為了便于討論，通常從品格中選取一個能完全反映品格特征的最小幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律， 最小幾何單元稱為晶胞，如圖2-2b所示。國露3國露3簡單立方晶格的晶胞表示方法.品格常數(shù)不同元素的原子半徑大小不同，在組成晶胞后，晶胞大小也不相同。在金屬學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點作為坐標(biāo)原點，沿其三條棱邊作為坐標(biāo)軸x、y、，稱為晶軸。規(guī)定在坐標(biāo)原點的前、右、上方為坐標(biāo)軸的正方向，并以棱邊長度a、b、c分別作為坐標(biāo)軸的長度單位，如圖2-3所示。晶胞的大小和形狀完全可以由三個棱邊長度和三個晶軸之間的夾角來表示。 晶胞的棱邊長度稱為晶格常數(shù)，對于立方品格來說，晶胞的三個方向上的棱邊長度都相等（a=b=c）,用一個晶格常數(shù)a表示即可。品格常數(shù)的單位為？（埃，l?=10-10m）o三個晶軸之間的夾角也相等，即a=B=y=9C0O.晶面和晶向在晶體中由一系列原子中心所構(gòu)成的平面稱為晶面。圖2-4所示為簡單立方品格的一些晶面。通過兩個或兩個以上原子中心的直線可代表品格空間排列的一定方向，稱為晶向，如圖2-5所示。由于晶體中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子之間的結(jié)合力大小也就不同，從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，即晶體的各向異性，這是晶體區(qū)別于非晶體的重1） 加 力圖2*埼單立方品格中的晶面 圖1） 加 力圖2*埼單立方品格中的晶面 圖25茍單立方品格中的拈向要標(biāo)志之一。晶體的這種特性不僅表現(xiàn)在力學(xué)性能上，還表現(xiàn)在物理性能和化學(xué)性能上，并在工業(yè)生產(chǎn)中有著一定的應(yīng)用。圖工-匕體心方方品典圖工-匕體心方方品典.1.2金屬晶格的類型在自然界存在的金屬元素中，除了少數(shù)金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外， 絕大多數(shù)金屬（占85%以上）都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)。最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種類型，即體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方品格。.體心立方品格體心立方品格的晶胞是一個立方體（a=b=ca=B=Y=900）,其原子位于立方體的八個頂角上和立方體的中心，如圖2-6所示。由于晶胞角上的原子同時為相鄰的八個晶胞所共有，而立方體中心的原子為該晶胞所獨有，所以，每個體心立方晶格晶胞中實際含有的原子數(shù)為1個+8個/8=2個。具有體心立方品格的金屬有a-屬（a-Fe）、銘（Cr）、銳（V）、鴇（W）、鑰（Mo）等金屬。.面心立方晶格（丫-Fe、鋁（Al）、銅（Cu>鉛（Pb）、鍥（Ni）、金（Ai數(shù)盥（丫-Fe、鋁（Al）、銅（Cu>鉛（Pb）、鍥（Ni）、金（Ai數(shù)盥1） kJu）、銀（Ag滸金屬。F斕］圖"7面心立方晶胞.密排六萬品格密排六方品格的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角上和上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內(nèi)，如圖2-8所示。晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長a和晶胞高度c表示，兩者的比值c/a=1.633,此時，上下兩底面的原子與柱體內(nèi)的三個原子緊密接觸，是真正的密排六方結(jié)構(gòu)。由于晶胞角上的原子為六個晶胞所共有，上下底面中心的原子為兩個晶胞所共有，而柱體內(nèi)的三個原子為該晶胞所獨有，故每個密排六方晶格晶胞中實際含有的原子數(shù)為 12個/6+2個/2+3個=6個。具有密排六方品格的金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鉞(Be'鎘(Cd污。圖24南排六方拈胞以上三種品格由于原子排列規(guī)律不同，它們的性能也不同。一般來說，具有體心立方品格的金屬材料，其強度較高而塑性相對較差一些；具有面心立方品格的金屬材料，具強度較低而塑性很好；具有密排六方品格的金屬材料，具強度和塑性均較差。當(dāng)同一種金屬的晶格類型發(fā)生改變時，金屬的性能也會隨之發(fā)生改變。第二節(jié)金屬的結(jié)晶金屬材料的成形通常需要通過熔煉和鑄造，要經(jīng)歷由液態(tài)變成固態(tài)的凝固過程。金屬由原子不規(guī)則聚集的液體轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程稱為結(jié)晶。了解金屬結(jié)晶的過程及規(guī)律，對于控制材料內(nèi)部組織和性能都具有重要的意義。純金屬的冷卻曲線及過冷度金屬的結(jié)晶過程可以通過熱分析法進行研究，圖2-9所示為熱分析裝置示意圖。將要研究的純金屬放人培竭中加熱，使其熔化成液體，并把熱電偶浸人到熔化的金屬液中，然后緩慢地冷卻下來，在冷卻過程中，每隔一定的時間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度-時間坐標(biāo)圖中，這樣就獲得了純金屬的冷卻曲線，如圖2-10所示。圖310純金屬的冷卻眥線圖310純金屬的冷卻眥線圖2與睛分析法裝置示意圖I一熱電偶2-ltW3T屬液4一咆爐由冷卻曲線可見，液體金屬隨著冷卻時間的延長，其熱量不斷向外界散失，溫度不斷下降。當(dāng)冷卻到a點時，液體金屬開始結(jié)晶，隨著冷卻時間的延長溫度并不降低，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個平臺。這是由于在結(jié)晶過程中釋放出來的結(jié)品潛熱補償了向外界散失的熱量，導(dǎo)致結(jié)晶時的溫度不隨時間的延長而下降，直到b點結(jié)晶終了。a-b兩點之間的水平線即為結(jié)晶階段，這個平臺所對應(yīng)的溫度就是純金屬的結(jié)晶溫度。金屬結(jié)晶終了后，溫度又繼續(xù)下降。純金屬在極緩慢冷卻條件下的結(jié)晶溫度1*12-11純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線G理的結(jié)晶bl實際結(jié)晶稱為理論結(jié)晶溫度，用To表示。在實際生產(chǎn)中，金屬的實際結(jié)晶溫度(Ti)往往低于理論結(jié)晶溫度(T)。這種金屬的實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，二者之差稱為過冷度，即AT=TT1*12-11純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線G理的結(jié)晶bl實際結(jié)晶實踐證明，過冷度與冷卻速度有關(guān)，結(jié)晶時冷卻速度越快，金屬的實際結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。純金屬的結(jié)晶過程.形核液態(tài)金屬的結(jié)晶是在一定過冷度的條件下，從液體中首先形成一些按一定品格類型排列的微小而穩(wěn)定的小晶體，然后以它為核心逐漸長大的。這些作為結(jié)晶核心的微小晶體稱為晶核。在晶核長大的同時，液體中又不斷產(chǎn)生新的晶核并且不斷長大，直到它們互相接觸，液體完全消失為止。簡言之，結(jié)晶過程是晶核的形成與長大的過程，如圖2-12所示。

圖212純金屬結(jié)黯過程小意圖圖212純金屬結(jié)黯過程小意圖.晶核長大在過冷條件下，品核一旦形成就立即開始長大。在晶核長大的初期，其外形比較規(guī)則。隨即晶核優(yōu)先沿一定方向按樹枝狀生長方式長大。晶體的這種生長方式就像樹枝一樣，先長出干枝，再長出分枝，所得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡稱枝晶。當(dāng)成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時，晶體就向著尚未凝固的部位生長，直到枝晶間的金屬液晶粒全部凝固為止,最后形成了許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。這些外形不規(guī)則而內(nèi)部原子排列規(guī)則的小晶體品界稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的分界面稱為晶界。圖2-13所示為在金相顯微鏡下觀察到的純鐵的晶粒和晶界的圖像。結(jié)晶后只有一個晶粒的晶體稱圖243純鐵的顯微組織為單晶體，如圖2-14a所示，單晶體中的原子排列位向是完全一致的，其性能是各向異性的。結(jié)晶后由許多位向不同的晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖2-14b圖243純鐵的顯微組織uM!lMMi;lau=uM!lMMi;lau=陰2”單Mr體如多晶體結(jié)構(gòu)求意時*｝華晶悍b）/據(jù)作2.2.3晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒大小對金屬的力學(xué)性能具有重要的影響。實驗表明，在室溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強度、硬度、塑性和韌性。晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響見表2-1o工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒來提高材料強度的方法稱為細(xì)晶強化。*21晶檢大小對純帙力學(xué)性睫的墨響M粒平均出好?d(*)1S4M3D.6252164539.52.02685H朝gl.fr270gJ0.7為了提高金屬的力學(xué)性能，必須控制金屬結(jié)晶后的晶粒大小。由結(jié)晶過程可知:金屬晶粒大小取決于結(jié)晶時的形核率（單位時間、單位體積所形成的晶核數(shù)目）與晶核的長大速度。形核率越高，長大速度越慢，結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。因此，細(xì)化品粒的根本途徑是提高形核率及降低晶核長大速度。常用細(xì)化晶粒的方法有以下幾種：

.增加過冷度金屬的形核率和長大速度均隨過冷度不同而發(fā)生變化， 但兩者的變化速率不同，在很大范圍內(nèi)形核率比晶核長大圖 2-15形核率和晶核長大速度與速度增長更快，因此，增加過冷度能使晶粒細(xì)化。圖 2-15過冷度的關(guān)系示意圖所示為形核率和晶核長大速度與過冷度的關(guān)系。 在鑄造生產(chǎn)時用金屬型澆注的鑄件比用砂型澆注得到的鑄件晶粒細(xì)小， 就是因為金屬型散熱快， 過冷度大的緣故。 這種方法只適用于中、 小型鑄件， 因為大型鑄件冷卻速度較慢， 不易獲得較大的過冷度，而且冷卻速度過大時容易造成鑄件變形、 開裂，對于大型鑄件可采用其他方法使晶粒細(xì)化。隨著急冷技術(shù)的發(fā)展， 已成功研制出超細(xì)晶金屬、 非晶態(tài)金屬等新材料。 例如，使液態(tài)金屬連續(xù)流人旋轉(zhuǎn)的冷卻軋輥之間， 急、冷后可獲得非晶態(tài)金屬材料薄帶。非晶態(tài)金屬具有高的強度和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻率、良好的耐蝕性等優(yōu)良性能。.變質(zhì)處理變質(zhì)處理又稱為孕育處理， 是在澆注前向液態(tài)金屬中加人一些細(xì)小的形核劑（又稱為變質(zhì)劑或孕育劑 ），使它們分散在金屬液中作為人工晶核， 以增加形核率或降低晶核長大速度，從而獲得細(xì)小的晶粒。例如，向鋼液中加人鐵、硼、鋁等，向鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣等變質(zhì)劑，均能起到細(xì)化晶粒的作用。 生產(chǎn)中大型鑄件或厚壁鑄件， 常采用變質(zhì)處理的方法細(xì)化晶粒。.振動處理金屬在結(jié)晶時， 對金屬液加以機械振動、 超聲波振動和電磁振動等， 一方面外加能量能促進形核， 另一方面擊碎正在生長中的枝晶， 破碎的枝晶又可作為新的晶核，從而增加形核率，達到細(xì)化晶粒的目的。2.2.4金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷前面所介紹的金屬晶體結(jié)構(gòu)是理想情況下的結(jié)構(gòu)， 在實際使用的金屬材料中，由于加進了其它種類的原子， 且材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來有規(guī)律的原子排列方式受到干擾， 不像理想晶體那樣規(guī)則排列， 這種晶體中原子紊亂排列的現(xiàn)象稱為晶體缺陷。按照缺陷在空間的幾何形狀及尺寸不同，可將晶體缺陷分為點缺陷、 線缺陷和面缺陷。 晶體結(jié)構(gòu)的不完整性會對晶體的性能產(chǎn)生重大影響， 特別是對金屬的塑性變形、 固態(tài)相變以及擴散等過程都起著重要的作用。.點缺陷點缺陷是指在三維空間各個方向上尺寸都很小 （原子尺寸范圍內(nèi) ）的缺陷，常見的點缺陷有空位、 間隙原子、 置換原子等。 空位是指在晶格中應(yīng)該有原子的地方而沒有原子，沒有原子的結(jié)點稱為空位，如圖2-16a所示;間隙原子是指位于個別晶格間隙之中的多余原子，如圖 2-16b所示 ;置換原子是指晶格結(jié)點上的原子被其他元素的原子所取代，如圖2-16c所示。在點缺陷附近，由于原子間作用力的平衡被破壞， 使其周圍的其它原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列， 這種變化稱為晶格畸變。晶格畸變將使材料的力學(xué)性能及物理化學(xué)性能發(fā)生改變，如強度、硬度及電阻率增大，密度減小等。一―一一一.-一―.一.一?一.-——一―一一一.-一―.一.一?一.-———-—-一一一--一. 一—-a) 加 G圖2-16點缺陷a）空位b）間隙原子c）置換原子.線缺陷線缺陷是指晶體內(nèi)部的缺陷呈線狀分布，常見的線缺陷是各種類型的位錯。位錯是品格中有一列或若干列原子發(fā)生了某些有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯的基本類型有兩種，即刃型位錯和螺型位錯。（1）刃型位錯圖2-17a所示為刃型位錯示意圖，圖中晶體的上半部多出一個原子面（稱為半原子面），它像刀刃一樣切人晶體，具刃口即半原子面的邊緣便為一條刃型位錯線。在位錯線周圍會造成晶格畸變，嚴(yán)重晶格畸變的范圍約為幾個原子間距。（2）螺型位錯圖2-17b所示為螺型位錯示意圖，圖中晶體右邊的上部原子相對于下部原子向后錯動一個原子間距，即右邊上部晶面相對于下部晶面發(fā)生錯動。若將錯動區(qū)的原子用線連起來，則具有螺旋型特征，故稱為螺型位錯。位錯是晶體中極為重要的一類缺陷，它對晶體的塑性變形、強度和斷裂起著決定性的作用。金屬材料的塑性變形便是通過位錯運動來實現(xiàn)的。圖2-17線缺陷a）刃型位錯b）螺型位錯.面缺陷面缺陷是指晶體中的晶界和亞晶界，如圖 2-18所示。（1）晶界實際金屬一般為多品體，在多晶體中，相鄰兩晶粒間的位向不同，品界處原子的排列必須從一個晶粒的位向過渡到另一個晶粒的位向，因此晶界成為兩晶粒之間原子無規(guī)則排列的過渡層，晶界寬度一般在幾個原子間距到幾十個原子間距內(nèi)變動，如圖2-18a所示。晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度較大。a)圖2/8晶界與亞晶界示意圖

b）晶界b）.祀晶界a)圖2/8晶界與亞晶界示意圖

b）晶界b）.祀晶界第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有些金屬在固態(tài)下存在著兩種以上的晶格形式， 在冷卻或加熱過程中，隨著溫度的變化，其晶格類型也隨之變化。金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變由一種品格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N品格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有鐵、鉆、鐵、錫、鈕等。以不同品格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異構(gòu)體。同一金屬的同素異構(gòu)體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母a、B、丫、6等表小。鐵是典型的具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬，由圖2-19所示純鐵的冷卻曲線可見，液態(tài)純鐵在1538c結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的？-Fe繼續(xù)冷卻到1394c時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，？-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦难?Fe再冷卻到912c時又發(fā)生問素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，丫-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方品格的a-Fe;再繼續(xù)冷卻到室溫，晶格類型不再發(fā)生變化，保持體心立方品格的a-Fe止匕外，在770c時出現(xiàn)了一個平臺，此溫度下鐵的晶格類型沒有變化，也不發(fā)生形核長大過程，因此，在此不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，只是原子最外層電子有所變化，釋放出一定的熱量，該溫度稱為純鐵的磁性轉(zhuǎn)變點（也稱為居里點）。低于770c時純鐵可被磁化，高于770c時純鐵不能被磁化。i”工 射江￥=* 1-F臼**a-Fe（體心正方晶格面心立方晶格）（體心立方曲格）應(yīng)該注意，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變不僅存在于純鐵中,也存在于以鐵為基的鋼鐵材料中。正是因為具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，鋼鐵材料才具有多種多樣的性能，獲得廣泛應(yīng)用，并能通過熱處理進一步改善其組織和性能。金屬發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時原子重新排列，所以它也是一種結(jié)晶過程。為了把這種固態(tài)下進行的轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶相區(qū)別，特稱之為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程有許多相似之處， 如有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時有過冷現(xiàn)象，放出或吸收潛熱，轉(zhuǎn)變過程是一個形核和晶核長大的過程（圖2-20）圖2-19純鐵的冷卻曲線 圖2-20-y-Fe-a-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程示意圖止匕外，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變，又具有以下特點：1）在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，新晶粒的晶核優(yōu)先在舊相晶粒的晶界處形核，當(dāng)舊相的晶粒較細(xì)小時，晶界面積較大，新相形核較多，轉(zhuǎn)變結(jié)束后形成的晶粒較細(xì)小。2）轉(zhuǎn)變需要較大的過冷度，一般液體金屬結(jié)晶的過冷度為幾攝氏度到幾十?dāng)z氏度，而固態(tài)相變時的過冷度可達幾百攝氏度，這主要是因為固態(tài)下原子的擴散比液態(tài)中困難，轉(zhuǎn)變?nèi)菀撞逗蟆?）由于不同品格類型中原子排列的密度不同，在固態(tài)相變時伴隨著體積變化,轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。例如，丫-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Fe時，鐵的體積會膨脹約1%,這是鋼在熱處理時產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形和開裂的重要原因。復(fù)習(xí)思考題一、名詞解釋晶體、非晶體、晶格、晶胞、單晶體、多晶體、晶粒、晶界、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、問答題1第試用晶面和晶向的相關(guān)知識分析羊晶體具有各向異性的原因。.金屬品格的常見類型有哪幾種？試?yán)L出它們的晶胞示意圈。.實際晶體的晶體缺陷有哪幾種類型？它們對金屬的力學(xué)性能有哪些影響？.何謂金屬的結(jié)晶？純金屬的結(jié)晶是由哪兩個基本過程組成的？.何謂過冷現(xiàn)象和過冷度？過冷度與冷卻速度有何關(guān)系？.晶粒大小對金屬的力學(xué)性能有何影響？細(xì)化晶粒的常用方法有哪幾種？.試寫出純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式，并指出轉(zhuǎn)變溫度及在不同溫度范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)。第三章鐵碳合金知識目標(biāo) :了解合金的組織對合金性能的影響。鐵碳合金的基本組織、符號及性能。技能目標(biāo) :能運用鐵碳合金相圖分析鐵碳合金的組織和性能。能根據(jù)鐵碳合金相圖選擇零件材料。鐵碳合金是以鐵和碳為組元的二元合金， 是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的合金。 鐵碳合金是以鐵為基本元素， 以碳為主加元素組成的合金。 在液態(tài)時， 碳可以大量溶入鐵中;在固態(tài)時，碳僅少量溶于鐵中形成固溶體。當(dāng)含碳量超過碳在鐵中的固態(tài)溶解度時， 則出現(xiàn)金屬化合物。 此外，還可以形成由固溶體和金屬化合物組成的混合物。 可對鐵碳合金采用各種熱加工工藝， 尤其是金屬熱處理技術(shù)， 大幅度地改變某一成分合金的組織和性能。第一節(jié)合金的基本組織3.1.1合金概述(1)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經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。 工業(yè)上廣泛應(yīng)用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。銅合金是人類最早利用的金屬材料。(2)組元 組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組元通常是組成合金的元素， 有時也可將穩(wěn)定的化合物作為組元。 由兩個組元組成的合金稱為二元合金;由三個組元組成的合金稱為三元合金 ;由三個以上組元組成的合金稱為多元合金。例如，普通黃銅就是由銅和鋅兩種組元組成的二元合金，硬鋁是由鋁、銅、鎂三種組元組成的三元合金。當(dāng)組元不變，而組元比例發(fā)生變化時，可以得到一系列不同成分的合金，將這一系列相同組元的合金稱為合金系。(3)相 合金中化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分稱為相，相與相之間具有明顯的界限。各相的大小、形狀和分布方式對合金的性能起著決定性的作用。(4)組織 合金的組織是指合金中不同相之間相互組合而成的綜合體，各相的數(shù)量、形狀、大小及分布方式的不同形成了合金組織。 可以用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)。 合金的組織不同， 其性能也就不同。 只由一種相組成的組織稱為單相組織，由兩種或兩種以上的相組成的組織稱為多相組織。3.1.2固溶體一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相稱為固溶體， 溶入的元素稱為溶質(zhì)， 而基體元素稱為溶劑。 固洛體保持溶劑的晶格類型， 溶質(zhì)原子則分布在溶劑晶格之中。

1.固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑品格中所處的位置不同，間隙固溶體兩種類型。(1)置換固溶體溶質(zhì)原子替代溶劑品格節(jié)點上的某些原子形成的固溶體稱為置換固溶體，如圖4-1a所示。按溶質(zhì)溶解度的不同，可將置換固溶體分為有限固溶體和無限固洛體。若溶質(zhì)與溶劑原子結(jié)構(gòu)相似，原子半徑差別小，在元素周期表中位置相近，則溶解度大；若二者品格類型也相同，則可形成無限固溶體。例如，銅與鎂，鐵與銘的合金就 可以形1.固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑品格中所處的位置不同，間隙固溶體兩種類型。(1)置換固溶體溶質(zhì)原子替代溶劑品格節(jié)點上的某些原子形成的固溶體稱為置換固溶體，如圖4-1a所示。按溶質(zhì)溶解度的不同，可將置換固溶體分為有限固溶體和無限固洛體。若溶質(zhì)與溶劑原子結(jié)構(gòu)相似，原子半徑差別小，在元素周期表中位置相近，則溶解度大；若二者品格類型也相同，則可形成無限固溶體。例如，銅與鎂，鐵與銘的合金就 可以形成無限固溶體(類似溶液中的水與酒精，可以無限互溶)?？蓪⒐倘荏w分為置換固溶體和O溶劑憾F?溶質(zhì)原子*)圖4-10溶JK原子?溶質(zhì)期F固溶體結(jié)構(gòu)示意圖(2)間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格各節(jié)點之間的間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體，如圖4-1b所示。由于溶劑品格間隙有限，故間隙固溶體全部為有限固溶體。溶質(zhì)原子都是一些原子半徑比較小的非金屬元素，如碳、氮、硼等非金屬元素溶入鐵中形成的固溶體即屬于這種類型。 有限固溶體的溶解度與溫度有關(guān)，溫度越高，溶解度越大。.晶格畸變1*142溶質(zhì)原F對晶格畸變影響示意圉

a)間眥固溶體b)酉換固溶體阻礙了晶體的滑移，使圄溶體的強1*142溶質(zhì)原F對晶格畸變影響示意圉

a)間眥固溶體b)酉換固溶體阻礙了晶體的滑移，使圄溶體的強.固溶體的性能由于溶質(zhì)原子的溶入，造成了晶格畸變，度、硬度提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高材料力學(xué)性能的重要途徑之一，例如，在低合金鋼中利用鉆、硅等元素來強化鐵素體，同時保持了相當(dāng)好的塑性和韌性。3.1.3金屬化合物合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物，它可用化學(xué)式來表示。金屬化合物的品格類型不同于任一組元，一般具有復(fù)雜的品格結(jié)構(gòu)，其性能具有“三高一穩(wěn)定”的特點，即高熔點、高硬度、高脆性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。合金中出現(xiàn)化合物時，通常能顯著地提高合金的強度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性也會明顯降低。金屬化合物是各種合金鋼、硬質(zhì)合金和許多有色金屬的重要組成相。

3.1.4混合物兩種或兩種以上的相按一定的體積分?jǐn)?shù)組成的物質(zhì)稱為混合物。 在混合物中各組成相仍保持著它原有的品格類型和性能，而整個混合物的性能介于各組成相性能之間，與各組成相的性能及相的數(shù)量、形狀、大小和分布情況等密切相關(guān)。第二節(jié)鐵碳合金相圖3.2.1鐵碳合金的基本組織鋼鐵材料是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，其中碳鋼和鑄鐵都是鐵和碳的合金。在鐵碳合金中，碳與鐵可以形成固溶體，也可以形成化合物，還可以形成混合物。在鐵碳合金中有以下幾種基本相及組織。.鐵素體碳溶解于體，心立方晶格的a-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示，如圖4-6所示。由于a-Fe品格間隙較小，所以鐵素體溶碳量很小，727c時碳在a-Fe中的溶解度最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.0218%,室溫時溶解度幾乎為零圖4-7鐵素體的顯微組織(Wc=0.0008%)。鐵素體性能與純鐵相似，即具有良好的塑性和韌性，強度和硬度較低。鐵素體的顯微組織如圖4-7所示。圖4-7鐵素體的顯微組織圖4-6鐵素體的模型.奧氏體碳溶解于面心立方晶格的丫-Fe中形成的間隙固溶體為奧氏體，用符號A表示，如圖4-8所示。由于丫-Fe品格間隙較大，故奧氏體溶碳能力較強。727c時碳在奧氏體中的溶解度為Wc=0.77%隨著溫度的升高，溶解度逐漸增大，在1148c時達到Wc=2.11%奧氏體存在于727c以上的高溫范圍內(nèi)，且呈面心立方晶格，具有良好的塑性，大多數(shù)鋼材要加熱到高溫奧氏體狀態(tài)進行塑性變形加工。 當(dāng)鐵碳合金緩慢冷卻到727c時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷慕M織。奧氏體的顯微組織如圖4-9所示。圖4-12低溫萊氏體的顯微組織圖4-9奧氏體的顯微組織圖4-8奧氏體的模型圖4-9奧氏體的顯微組織.滲碳體滲碳體是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物，具化學(xué)式為Fe3C。滲碳體具有復(fù)雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)，與鐵和碳的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，如圖4-10所示。滲碳體的性能特點是高熔點（1227C卜高硬度（950-1050HV）,斷后伸長率和沖擊韌度幾乎為零。滲碳體沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，但有磁性轉(zhuǎn)變，在230c以下具有弱鐵磁性，而在230c以上則失去磁性。在適當(dāng)?shù)臈l件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻），滲碳體可分解為鐵和石墨，這對鑄鐵的生產(chǎn)具有重要意義。.珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。奧氏體從高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形成的混合物，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%,如圖4-11所示。在珠光體中鐵素體和滲碳體仍保持各自原有的品格類型，珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間， 有一定的強度和塑圖4-10滲碳體的模型 圖圖4-10滲碳體的模型 圖4-11珠光體的顯微組織.萊氏