《金屬材料與熱處理》全套教學(xué)課件

Contents材料的發(fā)展機(jī)械工程材料的分類本課程的教學(xué)目的和基本要求緒論緒論第1章金屬材料的性能第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第3章金屬的塑性變形與再結(jié)晶第4章鋼的熱處理第5章工業(yè)用鋼第6章鑄鐵第7章有色金屬及粉末冶金材料第8章高分子材料、陶瓷材料與復(fù)合材料第9章機(jī)械零件的選材全套可編輯PPT課件材料的發(fā)展

0.1163石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代新時(shí)代陶器司母戊鼎農(nóng)具模具新型材料機(jī)械工程材料

的分類

0.2

陶瓷材料屬于無機(jī)非金屬材料，工業(yè)用陶瓷材料可分為普通陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類。。

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。

為有機(jī)合成材料，也稱為聚合物，可將其分為

工程塑料、橡膠和合成纖維等。黑色金屬：包括鐵和以鐵為基的合金，如鋼

有色金屬：除黑色金屬以外的所有金屬及其合金，如鋁金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料機(jī)械工程材料本課程的教學(xué)目的和基本要求

0.37基本要求熟悉常用金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律。掌握常用金屬材料的性能與應(yīng)用，具有選擇常用金屬材料和改變材料性能的初步能力。了解與本課程有關(guān)的新材料、新技術(shù)、新工藝及其發(fā)展概況。目的使學(xué)生獲得常用機(jī)械工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程和將來從事生產(chǎn)技術(shù)工作奠定必要的基礎(chǔ)。ThankYou!Contents金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的工藝性能第一章金屬材料的性能金屬材料的

力學(xué)性能

1.1材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)1.1.1強(qiáng)度強(qiáng)度是指材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度強(qiáng)度1.拉伸試驗(yàn)和力—伸長曲線試驗(yàn)前強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度通過拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定。

將金屬材料制成一定形狀和尺寸的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如下圖所示。圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣圓形橫截面試樣斷裂后縮頸處最小直徑斷后最小橫截面積斷后標(biāo)距原始標(biāo)距圓形橫截面試樣平行長度的直徑原始橫截面積試驗(yàn)時(shí)

將標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢進(jìn)行拉伸。試驗(yàn)機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄拉伸過程中載荷與伸長量之間的關(guān)系，繪制出力—伸長曲線。低碳鋼的力—伸長曲線圖如下圖所示。示例TextOe段為彈性變形階段eeL段為屈服階段eLm段為均勻塑性變形階段mz段為縮頸階段低碳鋼的力—伸長曲線圖2.強(qiáng)度指標(biāo)機(jī)床屈服強(qiáng)度規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度

規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度是指非比例延伸率等于規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距百分率時(shí)的應(yīng)力。

屈服強(qiáng)度是指當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的主要依據(jù)之一，評(píng)定材料質(zhì)量的重要指標(biāo)

抗拉強(qiáng)度Rm是指相應(yīng)最大力（Fm）的應(yīng)力，表明了材料在拉伸條件下單位截面積上所能承受的最大應(yīng)力。

斷后伸長率A是指斷后標(biāo)距的殘余伸長量（Lu

－L0）與原始標(biāo)距（L0）之比的百分率，其計(jì)

算公式為：

斷面收縮率Z是指斷裂后試樣橫截面積的最大

縮減量（S0－Su）與原始橫截面積（S0）之比

的百分率：1.1.2塑性塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。斷后伸長率斷面收縮率塑性

金屬材料的斷后伸長率A和斷面收縮率Z數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。1.1.3硬度硬度是指材料抵抗其他硬物壓入的能力，或者說材料抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。1.布氏硬度布氏硬度的測定原理如下圖所示。布氏硬度測定原理對(duì)一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比，即硬度數(shù)值符號(hào)（HBW）球體直徑（mm）試驗(yàn)力（kgf）試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15s不標(biāo)注）布氏硬度

350HBW5/750示例表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球在750kgf試驗(yàn)力下保持10～15s測定的布氏硬度值為350；

600HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金球在30kgf試驗(yàn)力下保持20s測定的布氏硬度值為600。布氏硬度值的測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確，常用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵等，也可用于調(diào)質(zhì)處理的機(jī)械零件。但不適合測量成品零件和薄件?？偨Y(jié)2.洛氏硬度洛氏硬度的測定原理如下圖所示。洛氏硬度測定原理如左圖所示，在初試驗(yàn)力F0和主試驗(yàn)力F1的先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分兩個(gè)步驟壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，測量在初試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度h。用下式計(jì)算洛氏硬度值：1－在初試驗(yàn)力F0下的壓入深度；5－試樣表面；2－由主試驗(yàn)力F1引起的壓入深度；6－測量基準(zhǔn)面；

3－卸除主試驗(yàn)力F1后的彈性回復(fù)深度；7－壓頭位置4－殘余壓入深度h；硬度值符號(hào)洛氏硬度硬度值實(shí)際測定時(shí)，可在硬度計(jì)的刻度盤上直接讀出洛氏硬度值。符號(hào)常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，分別記作HRA、HRB、HRC示例50HRC60HRA洛氏硬度測定簡單，方便快捷，壓痕小，對(duì)工件表面損傷小，適宜大量生產(chǎn)中的成品件檢驗(yàn)。但是測量時(shí)需在被測表面的不同部位測量數(shù)點(diǎn)，取平均值?？偨Y(jié)三種常用洛氏硬度的試驗(yàn)規(guī)范如下表所示。洛氏硬度標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭類型初試驗(yàn)力F0/N主試驗(yàn)力F1/N總試驗(yàn)力F/N適用范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐98.07490.3588.420～88硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳層等BHRB直徑

1.5875mm球98.07882.6980.720～100有色金屬，退火、正火鋼等CHRC金剛石圓錐98.071373147120～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等3.維氏硬度維氏硬度的測定原理如下圖所示。維氏硬度測定原理如左圖所示，將兩相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭以選定的試驗(yàn)力F（N）壓入被測試樣表面，保持一定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣壓痕兩對(duì)角線長度d1和d2，求其平均值d（mm）。維氏硬度值與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比，即硬度數(shù)值符號(hào)（HV）試驗(yàn)力（kgf）試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15s不標(biāo)注）維氏硬度640HV30/20示例表示用30kgf試驗(yàn)力保持20s測定的維氏硬度值為640。維氏硬度的適用范圍寬，具有連續(xù)性，所以可測量從極軟到極硬的材料。數(shù)值準(zhǔn)確可靠，誤差小，故廣泛應(yīng)用于測量金屬鍍層、薄片材料和化學(xué)熱處理后的滲層硬度等。但不適于成批生產(chǎn)的常規(guī)試驗(yàn)。總結(jié)1.1.4韌性韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力。1.沖擊吸收能量沖擊吸收能量采用夏比擺錘沖擊試驗(yàn)測定。將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣（V型和U型）置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測定試樣的吸收能量K（J）。試樣形狀表面粗糙度內(nèi)部組織狀態(tài)環(huán)境溫度影響因素因此，其測定數(shù)據(jù)的重復(fù)性差，不能直接用于強(qiáng)度計(jì)算，只能作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考指標(biāo)。2.多沖抗力在一定的沖擊能量下，將試樣斷裂前的沖擊次數(shù)作為多次沖擊抗力指標(biāo)，稱為多沖抗力。材料強(qiáng)度塑性影響因素大能量一次沖擊時(shí)，其沖擊抗力主要取決于塑性；小能量多次沖擊時(shí)，其多沖抗力主要取決于強(qiáng)度。1.1.5疲勞強(qiáng)度材料在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)受無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限或疲勞強(qiáng)度。經(jīng)過一定時(shí)間的工作后，零件會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。材料承受的交變應(yīng)力R與斷裂循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可用R-N曲線來表示，如下圖所示。R-N曲線如左圖所示，應(yīng)力值R越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)越多。當(dāng)應(yīng)力降低到某一值后，R-N曲線與橫坐標(biāo)軸平行，此時(shí)的應(yīng)力值即為疲勞極限。

當(dāng)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱時(shí)，疲勞極限可用R-1表示。提高材料的疲勞極限的措施減輕零件應(yīng)力集中改善零件表面粗糙度進(jìn)行表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理、表面復(fù)合強(qiáng)化等）金屬材料的物理和化學(xué)性能

1.21.2.1金屬材料的物理性能1.密度密度是指單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，用符號(hào)ρ表示，即物質(zhì)的質(zhì)量，g物質(zhì)的體積，cm3物質(zhì)的密度，g/cm3密度小于5g/cm3的金屬輕金屬航空航天器上密度大于5g/cm3的金屬重金屬金屬材料2.熔點(diǎn)熔點(diǎn)是指金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度。熔點(diǎn)高的金屬難熔金屬多用來制造耐高溫零件熔點(diǎn)低的金屬易熔金屬金屬材料多用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。3.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力，通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率的符號(hào)為λ，單位為W/(m·K)。熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。熱加工和熱處理時(shí)，須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過程中形成大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形或開裂?？偨Y(jié)大多數(shù)金屬材料都具有良好的導(dǎo)熱性，其中，銀、銅、鋁的導(dǎo)

熱性最好。4.導(dǎo)電性導(dǎo)電性是指金屬材料傳導(dǎo)電流的能力，通常用電導(dǎo)率來衡量。電導(dǎo)率越大，金屬材料的導(dǎo)電性越好。所有金屬材料都具有導(dǎo)電性，其中以銀最好，銅、鋁次之。制造導(dǎo)電零件和電線。導(dǎo)電性好的金屬（純銅和純鋁）制造加熱爐的電阻絲和儀表零件等。導(dǎo)電性差的金屬或合金（如鎢、鉬、鐵、鉻等）5.熱膨脹性熱膨脹性是指金屬材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性。熱膨脹性的大小可用線膨脹系數(shù)αl和體膨脹系數(shù)αV表示，即膨脹前長度，m膨脹后長度，m；線膨脹系數(shù),1/K體膨脹系數(shù)，1/℃溫度變化量，K或℃。

膨脹系數(shù)越大，金屬熱脹冷縮的程度就越大。金屬材料的熱脹冷縮性質(zhì)在機(jī)械制造中非常重要。總結(jié)在外磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等

在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等；

能抗拒或削弱外磁場對(duì)材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。6.磁性鐵磁性材料順磁性材料抗磁性材料金屬材料用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)和測量儀表等用于制造要求避免電磁場干擾的零件鐵磁性材料順磁性材料升溫居里點(diǎn)部分金屬材料的物理性能及機(jī)械性能參見教材表1-3所示。1.2.2金屬材料的化學(xué)性能1.耐腐蝕性耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗氧氣、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力。示例鋼鐵生銹銅生銅綠碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差，鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性

好，鋁合金和銅合金也有較好的耐腐蝕性。2.抗氧化性抗氧化性是指金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力。金屬材料的氧化過程會(huì)隨其溫度的提高而加速。工業(yè)鍋爐、加熱設(shè)備和汽輪機(jī)等設(shè)備上在高溫下工作的零件，要求所用零件材料具有良好的抗氧化性?？偨Y(jié)示例煉鋼金屬材料的

工藝性能

1.31.3.1鑄造性能1.流動(dòng)性鑄造性能是指金屬材料鑄造成型獲得優(yōu)良鑄件的能力，它主要取決于材料的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向。流動(dòng)性是指熔融金屬的流動(dòng)能力。金屬材料的化學(xué)成分澆注溫度熔點(diǎn)高低影響因素同一種金屬材料，澆注溫度越高，流動(dòng)性越好。2.收縮性收縮性是指鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象。影響鑄件的尺寸精度使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力等缺陷使鑄件容易產(chǎn)生變形，甚至開裂鑄件收縮鑄造用金屬材料的收縮率越小越好?？偨Y(jié)3.偏析傾向

偏析現(xiàn)象會(huì)使鑄件各部分的組織和性能不一致，從而引起強(qiáng)度、塑性和抗蝕性等下降，降低鑄件質(zhì)量。

偏析是指金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織不均勻的現(xiàn)象。幾種金屬材料鑄造性能的比較如下表所示。材料流動(dòng)性收縮性偏析傾向其他體收縮線收縮灰鑄鐵好小小小鑄造內(nèi)應(yīng)力小球墨鑄鐵稍差大小小易形成縮孔、縮松，白口化傾向小鑄鋼差大大大導(dǎo)熱性差，易發(fā)生冷裂鑄造黃銅好小較小較小易形成集中縮孔鑄造鋁合金尚好小小較大易吸氣，易氧化1.3.2鍛造性能鍛造性能是指金屬材料用鍛壓加工方法成型的能力。金屬材料的塑性變形抗力影響因素塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。金屬材料的化學(xué)成分與加工條件對(duì)鍛造性能的影響很大。示例具有良好的鍛造性能銅合金和鋁合金室溫下鍛造性能較好碳鋼加熱狀態(tài)下不能鍛造鑄鐵1.3.3焊接性能鍛造焊接性能是指金屬材料能焊接成具有一定使用性能的焊接接頭的特性。材料的化學(xué)成分采用的工藝合金元素影響因素一般來說，低碳非合金鋼的焊接性能優(yōu)良，高碳非合金鋼的焊接性能較差，鑄鐵的焊接性能很差。合金鋼的焊接性能比非合金鋼差。1.3.4切削加工性能切削加工性能是指切削加工金屬材料的難易程度。它一般用切削后的表面質(zhì)量和刀具壽命來表示。工件的化學(xué)成分工件的組織狀態(tài)工件的硬度工件的塑性影響因素金屬材料具有適當(dāng)?shù)挠捕群妥銐虻拇嘈詴r(shí)切削加工性能良好。提高鋼的切削加工性能改變鋼的化學(xué)成分（如加入少量鉛、磷等元素）進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ㄈ绲吞间撨M(jìn)行正火、高碳鋼進(jìn)行球化退火等）1.3.5熱處理工藝性能熱處理工藝性能是指金屬材料經(jīng)熱處理可使性能順利改善的性質(zhì)。示例對(duì)于鋼而言，熱處理工藝性能主要包括：A淬透性B淬硬性C氧化和脫碳D變形及開裂退火正火淬火回火表面熱處理熱處理方法ThankYou!Contents金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)晶合金的晶體結(jié)構(gòu)第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二元合金相圖金屬的

晶體結(jié)構(gòu)

2.11.晶體與非晶體2.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

是指原子（離子或分子）在三維空間有規(guī)則地

周期性重復(fù)排列的物質(zhì)，有規(guī)則的外形、固定的

熔點(diǎn)，且各向異性。

是指原子（離子或分子）在空間無規(guī)則排列的

物質(zhì)，沒有規(guī)則的外形、固定的熔點(diǎn)，且各向

同性。晶體非晶體固態(tài)物質(zhì)金剛石石墨松香玻璃2.晶格與晶胞晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。各種晶體結(jié)構(gòu)便可用許多小剛球緊密堆垛的模型來表示，如下圖所示。晶體原子排列示意圖用一些假想的直線將各原子中心連接起來，形成一個(gè)空間格架，如下圖所示。晶格抽象的、用于描述原子排列規(guī)律的空間格架稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格。在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，通常只從晶格中取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來進(jìn)行分析。這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞，如下圖所示。晶胞如左圖所示，晶胞的大小和形狀可用晶胞的三條棱邊長a、b、c和棱邊夾角α、β、γ來描述，其中，a、b、c稱為晶格常數(shù)或點(diǎn)陣常數(shù)。3.晶面和晶向在晶體中，由一系列原子組成的平面稱為晶面。立方晶系中常用的晶面指數(shù)如左圖所示的（100）、（110）、（111）、（112）是立方晶系中比較常用的晶面指數(shù)。通過任意兩個(gè)原子中心的直線所指的方向稱為晶向。如左圖所示的[100]、[010]、[001]、[111]、[110]、[210]是立方晶系中的一些常用晶向指數(shù)。2.1.2常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格質(zhì)點(diǎn)模型剛球模型體心立方晶胞α-Fe、δ-Fe、Cr、V、Mo、W、Nb示例如左圖所示，體心立方晶格的晶胞為一立方體，立方體的八個(gè)頂角上各排列著一個(gè)原子，立方體的中心有一個(gè)原子。晶胞的三個(gè)棱邊長度相等。（1）原子數(shù)晶胞原子數(shù)如左圖所示，在體心立方晶胞中，每個(gè)角上的原子與其相鄰的八個(gè)晶胞所共有，晶胞中心的原子完全屬于這個(gè)晶胞。所以，體心立方晶胞中所含的原子數(shù)為：（2）原子半徑

體心立方晶胞原子半徑與晶格常數(shù)a之間的關(guān)系為

：晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑。（3）配位數(shù)和致密度配位數(shù)在晶格中，與任意一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)稱為配位數(shù)。配位數(shù)越大，原子排列越緊密。體心立方晶格的配位數(shù)為8。致密度晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比稱為致密度，也稱為密排系數(shù)。其計(jì)算公式為：一個(gè)原子的體積晶胞的體積晶體的致密度一個(gè)晶胞實(shí)際包含的原子數(shù)示例

體心立方晶胞的致密度為：在體心立方晶胞（或晶格）中有68%的體積被原子所占，其余為空隙。總結(jié)2.面心立方晶格質(zhì)點(diǎn)模型剛球模型面心立方晶胞γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag示例如左圖所示，面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各排列著一個(gè)原子。（1）原子數(shù)晶胞原子數(shù)如左圖所示，在面心立方晶胞中，每個(gè)表面中心的原子為相鄰兩個(gè)晶胞所共有，所以，晶胞原子數(shù)為：（2）原子半徑在面心立方晶胞中，面對(duì)角線上的原子相切，排列最緊密，所以，原子半徑為（3）配位數(shù)和致密度配位數(shù)面心立方晶格的配位數(shù)

如左圖所示，以面中心的原子為例，與之相距最近的是它周圍頂角上的4個(gè)原子，這5個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)平面，這樣的平面共有3個(gè)，這3個(gè)面彼此互相垂直，結(jié)構(gòu)形式相同，所以與該原子相距最近且距離相等的原子共有在面心立方晶胞（或晶格）中有74%的體積被原子所占，其余為空隙?？偨Y(jié)致密度面心立方晶胞的致密度為：3.密排六方晶格質(zhì)點(diǎn)模型剛球模型密排六方晶胞Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti示例如左圖所示，密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六方柱體，柱體的十二個(gè)頂角和上、下面中心各排列著一個(gè)原子，上、下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子。

密排六方晶胞的晶格常數(shù)用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表示，兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120°，側(cè)面與底面之間的夾角為90°。（1）原子數(shù)晶胞原子數(shù)如左圖所示，六方柱每個(gè)角上的原子為相鄰六個(gè)晶胞所共有，上、下底面中心的原子為相鄰兩個(gè)晶胞所共有，晶胞內(nèi)的三個(gè)原子完全屬于這個(gè)晶胞，所以，晶胞中的原子數(shù)為：（2）致密度

密排六方晶胞的致密度為（3）配位數(shù)密排六方晶格的配位數(shù)如左圖所示，以晶胞上底面中心的原子為例，它不僅與周圍六個(gè)角上的原子相接觸，而且與其下面位于晶胞內(nèi)的三個(gè)原子及其上鄰晶胞內(nèi)的三個(gè)原子相接觸，

故其配位數(shù)為12。

密排六方晶胞的原子半徑為：2.1.3金屬晶體的各向異性金屬晶體的力學(xué)、物理、化學(xué)等方面性能在不同方向上是不一樣的。單晶體鐵示例單晶體鐵的彈性模量E在[111]方向上為2.9×105Mpa而在[100]方向上為1.35×105Mpa。在磁場中沿[100]方向磁化比沿[111]方向磁化容易。金屬晶體的力學(xué)、物理、化學(xué)等方面性能在不同方向上是不一樣的。總結(jié)實(shí)際應(yīng)用的金屬一般都是多晶體。實(shí)際金屬在宏觀上各個(gè)方向的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。2.1.4實(shí)際金屬中的晶體缺陷由于許多因素（如結(jié)晶條件、原子熱運(yùn)動(dòng)及加工條件等）的影響，某些區(qū)域的原子排列會(huì)受到干擾和破壞，這種區(qū)域稱為晶體缺陷。1.點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小，不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。當(dāng)某個(gè)原子具有足夠高的能量時(shí)，就可擺脫晶格中相鄰原子對(duì)它的束縛，脫離平衡位置，遷移到其他地方，這樣在原來位置就形成了空位。離位原子可遷移到晶格間隙處形成間隙原子。若晶體中的異類原子具有足夠高的能量，可能會(huì)遷移到結(jié)點(diǎn)上形成置換原子。晶格空位間隙原子置換原子點(diǎn)缺陷

晶格畸變將會(huì)使晶體的強(qiáng)度、硬度升高，電阻增大。

在點(diǎn)缺陷附近，由于原子間作用力的平衡遭到破壞，使其周圍的其他原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列，這種變化稱為晶格畸變。2.線缺陷線缺陷是指在某一方向尺寸較大而另外兩個(gè)方向尺寸很小的晶體缺陷，其具體形式是位錯(cuò)。位錯(cuò)是指晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了位置錯(cuò)動(dòng)而形成的缺陷。刃型位錯(cuò)示意圖如左圖所示，規(guī)則排列的晶體中間錯(cuò)排了半列多余的原子面，多余的半原子面不延伸入原子未錯(cuò)動(dòng)的下半部晶體中，刀片的刃口線為位錯(cuò)線，這就是刃型位錯(cuò)。刃形位錯(cuò)是晶格畸變的中心線，距離位錯(cuò)線越近，晶格畸變?cè)酱?；距離位錯(cuò)線越遠(yuǎn)，晶格畸變?cè)叫??？偨Y(jié)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)示意圖

如上圖所示，晶體右上部的原子相對(duì)于下部的原子向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距，即右上部相對(duì)于下部晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，若將錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起來，則具有螺旋型特征，這種缺陷稱為螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)位錯(cuò)密度單位體積中位錯(cuò)線的總長度或晶體中單位面積上位錯(cuò)線的根數(shù)=影響金屬的塑性變形、強(qiáng)度、疲勞腐蝕等物理化學(xué)性能位錯(cuò)密度的變化位錯(cuò)在晶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)3.面缺陷面缺陷是指在兩個(gè)方向尺寸較大，而在第三個(gè)方向尺寸很小，呈面狀分布的晶體缺陷，主要包括晶界和亞晶界。晶界晶界是不同位向晶粒之間的過渡區(qū)。晶界過渡結(jié)構(gòu)示意圖如左圖所示，晶界上的原子受相鄰晶粒的影響處于折中位置。晶界的厚度取決于相鄰晶粒的位相差大小，一般只有幾個(gè)至幾十個(gè)原子間距?？偨Y(jié)亞晶界在實(shí)際金屬的每個(gè)晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并非完全一致，而是存在一些尺寸很小、位向差也很小（一般不超過2°）的小晶塊，這些小晶塊稱為亞晶，亞晶之間的界面稱為亞晶界，如下圖所示。亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖亞晶界實(shí)質(zhì)上是由一系列位錯(cuò)組成的，是晶粒內(nèi)部的一種面缺陷。金屬的結(jié)晶

2.2液態(tài)金屬固體晶態(tài)一次結(jié)晶實(shí)際使用的大多數(shù)固態(tài)金屬，一般都要經(jīng)過冶煉和鑄造的過程，即要經(jīng)過由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的結(jié)晶過程。一種固體晶態(tài)金屬另一種固體晶態(tài)二次結(jié)晶或重結(jié)晶2.2.1金屬的結(jié)晶條件純金屬的結(jié)晶常通過熱分析法進(jìn)行測定，其冷卻曲線，如下圖所示。位錯(cuò)把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，觀察記錄溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成曲線，即冷卻曲線。純金屬結(jié)晶的冷卻曲線如左圖所示，當(dāng)冷卻到理論結(jié)晶溫度T0時(shí)，結(jié)晶并未開始，而是繼續(xù)冷卻到T0以下的某一溫度T1才開始結(jié)晶。這種實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差稱為過冷度，用ΔT表示，即冷卻速度金屬的性質(zhì)金屬的純度影響因素冷卻速度越大，金屬越純，過冷度越大。過冷度過冷金屬結(jié)晶必要條件2.2.2金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程如下圖所示。金屬的結(jié)晶過程示意圖如上圖所示，液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，首先在液體中形成一些極微小的晶體，稱為晶核，然后它們不斷吸收周圍的原子而長大。同時(shí)，液體中又會(huì)不斷地產(chǎn)生新的晶核并逐漸長大，直至液態(tài)金屬全部結(jié)晶。1.晶核的形成

由液態(tài)金屬本身的原子集團(tuán)發(fā)展成一定尺寸晶核的過程稱為自發(fā)形核或均勻形核。

當(dāng)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)與金屬的相似或相當(dāng)時(shí)，金屬原子就會(huì)以它們?yōu)榛仔纬?/p>

結(jié)晶核心，這種形核方式稱為非自發(fā)形核或

非均勻形核。自發(fā)形核非自發(fā)形核形成方式自發(fā)形核和非自發(fā)形核同時(shí)存在于金屬液體中，但在實(shí)際金屬和合金中，非自發(fā)形核往往比自發(fā)形核更為重要，起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。2.晶核的長大枝晶生成過程如下圖所示。枝晶生成過程示意圖如上圖所示，晶核的尖角處生長較快形成一次晶軸。隨著結(jié)晶過程的發(fā)展，逐漸長出二次晶軸、三次晶軸等，如此不斷生長和發(fā)展下去，最終形成樹枝狀晶體，簡稱枝晶。2.2.3晶粒的大小及控制金屬晶粒的大小用晶粒度表示。晶粒度單位面積或單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目或晶粒平均直徑=指單位時(shí)間內(nèi)在單位體積中產(chǎn)生的晶核數(shù)。形核速度N（形核率）形核率越大，則結(jié)晶后單位體積中的晶粒數(shù)就越多，晶粒就越細(xì)小。指單位時(shí)間內(nèi)晶核長大的線速度。長大速度G（長大率）影響晶粒度的因素若形核率一定，長大率越小，則結(jié)晶所需的時(shí)間越長，生成的晶核越多，晶粒就越細(xì)小。一般來說，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度越高，塑性和韌性越好。細(xì)化晶粒是提高金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要途徑。細(xì)化晶粒的主要方法有增大過冷度、變質(zhì)處理和附加振動(dòng)等。1.增大過冷度金屬結(jié)晶時(shí)，形核率N和長大率G均與過冷度有關(guān)，如下圖所示。形核率和長大率與過冷度的關(guān)系如左圖所示，隨著過冷度的增大，形核率和長大率均會(huì)增大，但當(dāng)過冷度超過一定值后，形核率和長大率都會(huì)降低。形核率N增大得更快，N/G增大，晶粒細(xì)化。采用散熱快的金屬鑄型降低金屬鑄型的預(yù)熱溫度減小涂料層的厚度采用水冷鑄型提高冷卻速度增大過冷度2.變質(zhì)處理對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，生產(chǎn)上多采用變質(zhì)處理來細(xì)化晶粒。變質(zhì)處理是在液體金屬中加入變質(zhì)劑或孕育劑，增加非自發(fā)晶核的數(shù)量或阻礙晶核的長大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。示例鋼液少量Ti、V鋁液少量Ti、Zr鋁硅合金鈉鹽3.附加振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)超聲波振動(dòng)電磁振動(dòng)攪拌使枝晶破碎、折斷，這樣，不僅使已形成的晶粒因破碎而細(xì)化，而且破碎了的細(xì)小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了結(jié)晶核心，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。2.2.4同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得到的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。純鐵在結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線如下圖所示。純鐵在結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線在液態(tài)純鐵1538℃時(shí)開始結(jié)晶，形成具有體心立方晶格的δ-Fe溫度繼續(xù)降低到1394℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe。再冷卻至912℃時(shí)又發(fā)生一次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，面心立方晶格的γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe。

純鐵的三種同素異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變可表示為:金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，故稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的晶格變化將會(huì)引起金屬的體積發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬變形或開裂，因此，應(yīng)有工藝措施予以防止。總結(jié)2.2.5鑄錠的結(jié)構(gòu)1.鑄錠的組織金屬鑄錠的剖面示意圖如下圖所示。金屬鑄錠的剖面示意圖

表層細(xì)晶區(qū)的晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能好。但該區(qū)很薄，故對(duì)鑄錠的性能影響不大。

中心等軸晶區(qū)不存在明顯的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)、咬合，各個(gè)方向上的力學(xué)性能均勻，是一般情況下的金屬（特別是鋼鐵鑄件）所要求的結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)上常采用低溫澆注、變質(zhì)處理、附加振動(dòng)和攪拌等措施獲得等軸晶粒。

柱狀晶區(qū)的組織比較致密，但晶粒間常存有非金屬夾雜物和低熔點(diǎn)雜質(zhì)而形成脆弱面，在熱軋或鍛造時(shí)易產(chǎn)生開裂。因此，對(duì)熔點(diǎn)高、雜質(zhì)多的金屬，不希望產(chǎn)生柱狀晶區(qū)；但對(duì)熔點(diǎn)低、不含易熔雜質(zhì)、塑性較好的有色金屬及其合金或承受單向載荷的零件（如汽輪機(jī)葉片等），常采用順序凝固法獲得柱狀組織。為減少縮松，可提高澆注時(shí)的液面。要嚴(yán)格控制產(chǎn)生氣體的各種因素。2.鑄錠的缺陷在軋制和鍛造前需切去?？s孔縮松氣孔缺陷合金的晶體結(jié)構(gòu)

2.32.3.1合金的基本概念組元是指組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。鐵碳合金中的Fe和C黃銅中的Cu和Zn碳鋼中的Fe3C合金系是指由給定組元按不同比例配制出的一系列成分不同的合金。各種牌號(hào)的碳鋼相相是指在合金中具有相同的成分、晶體結(jié)構(gòu)及性能，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分。固液共存系統(tǒng)中的相有固相和液相兩種。組織合金的組織是指由一種或多種相以不同的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布形式而組成的綜合體。單相組織多相組織2.3.2合金的相結(jié)構(gòu)1.固溶體固溶體是指合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。（1）固溶體的分類置換固溶體置換固溶體如左圖所示，置換固溶體是指溶質(zhì)原子置換溶劑中的部分原子，并且占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體，示例

Fe、Mn、Ni、Cr、Mo等元素都可以相互形成置換固溶體。無序固溶體有序固溶體一定條件下位錯(cuò)溶質(zhì)原子的分布一般是無序的。通過原子的擴(kuò)散，有些合金的溶質(zhì)原子可以過渡到有序排列。有限固溶體的溶解度還與溫度有關(guān)，隨溫度的升高，溶解度增加。各組元的晶格類型相同，原子半徑差越小，在元素周期表中的位置越靠近，則溶解度越大，甚至能形成無限固溶體。無限固溶體有限固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體如左圖所示，間隙固溶體是指溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中形成的固溶體。示例原子半徑較小的H、O、C、B、N等元素與過渡族金屬都可形成間隙固溶體。研究表明，只有在溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑的比值小于0.59時(shí)，才有可能形成間隙固溶體。間隙固溶體是有限固溶體?？偨Y(jié)（2）固溶體的性能間隙固溶體如左圖所示，在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的溶入，溶劑的晶格會(huì)發(fā)生一定程度的畸變。晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力提高合金的強(qiáng)度和硬度如上圖所示，這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。2.金屬化合物金屬化合物是指合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相，一般可用分子式表示。正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物是指嚴(yán)格遵守原子價(jià)規(guī)律的金屬化合物，其成分固定。

如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等

具有較高的硬度和脆性，當(dāng)它彌散分布于固溶體基體上時(shí)，可對(duì)金屬起強(qiáng)化作用。電子化合物電子化合物是指不遵守原子價(jià)規(guī)律，但是服從電子濃度規(guī)律的化合物。主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性，一般熔點(diǎn)和硬度較高，脆性大，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成的具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相間隙相間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度，非常穩(wěn)定，是高合金鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物主要以金屬鍵結(jié)合，具有金屬特性，它們也具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但比間隙相稍低些，而且加熱易分解。

Fe3C是鐵碳合金中的重要組成相，通常稱為滲碳體。它具有復(fù)雜的斜方晶格，如下圖所示。Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)如左圖所示，其中的鐵原子可以部分被錳、鉻、鉬、鎢等金屬原子置換，形成以間隙化合物為基的固溶體。二元合金相圖

2.4

合金的結(jié)晶過程較為復(fù)雜，通常運(yùn)用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。

相圖是表示合金系在平衡條件下，在不同溫度、成分下各相關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖。

利用相圖，可知各種成分的合金在不同溫度的組織狀態(tài)及一定溫度下發(fā)生的結(jié)晶和相變，了解不同成分的合金在不同溫度下的相組成及相對(duì)含量，了解合金在加熱和冷卻過程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。2.4.1二元合金相圖的基本類型勻晶相圖共晶相圖包晶相圖二元合金相圖共析相圖

在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分，因此，二元合金相圖可用溫度―成分坐標(biāo)系的平面圖來表示。1.勻晶相圖

兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時(shí)所形成的二元合金相圖稱為勻晶相圖。

屬于這類相圖的合金系主要有Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、Fe-Cr、Cr-Mo等。Cu-Ni合金相圖及結(jié)晶過程示意圖如左圖所示，A點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn)（1083℃），B點(diǎn)為Ni的熔點(diǎn)（1455℃），該相圖上面一條是液相線，下面一條是固相線，液相線和固相線把相圖分成三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)L、固相區(qū)α及液固兩相區(qū)L＋α。示例現(xiàn)以Cu-Ni二元合金相圖為例進(jìn)行分析。Cu-Ni合金相圖及結(jié)晶過程示意圖如左圖所示，以c點(diǎn)成分的Cu-Ni合金為例分析結(jié)晶過程。在1點(diǎn)溫度以上，合金為液相L。緩慢冷卻至1～2點(diǎn)溫度之間時(shí)，合金發(fā)生勻晶反應(yīng)：Lα，從液相中逐漸結(jié)晶出固溶體α。到2點(diǎn)溫度時(shí)，合金全部結(jié)晶為固溶體α。2點(diǎn)溫度以下，固溶體α逐漸冷卻。示例現(xiàn)以Cu-Ni二元合金相圖為例進(jìn)行分析。勻晶結(jié)晶的特點(diǎn)與純金屬一樣，固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程也存在形核與長大的基本規(guī)律。固溶體結(jié)晶在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，即為一個(gè)變溫結(jié)晶過程。在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的成分（即Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）是確定的。在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的質(zhì)量比是一定的。實(shí)際中，由于冷卻速度較快，原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，會(huì)造成晶粒內(nèi)成分不均勻，即產(chǎn)生枝晶偏析。2.共晶相圖

兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并在冷卻時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖稱為共晶相圖。

屬于這類相圖的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等，很多合金相圖中也都包含共晶部分。Pb-Sn二元合金相圖如左圖所示，A點(diǎn)為Pb的熔點(diǎn)，B點(diǎn)為Sn的熔點(diǎn)，AEB為液相線，ACDB為固相線。相圖中有三個(gè)單相區(qū)，即L、α和β。單相區(qū)之間有三個(gè)兩相區(qū)，即L＋α、L＋β和α＋β。在三個(gè)兩相區(qū)之間還有一條三相共存線CED，表示L＋α＋β三相共存區(qū)。示例現(xiàn)以Pb-Sn二元合金相圖為例進(jìn)行分析。(1)相圖分析Pb-Sn二元合金相圖如左圖所示，CED線稱為共晶線，E點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)E的合金稱為共晶合金。

成分位于E點(diǎn)以左、C點(diǎn)以右的合金稱為亞共晶合金。

成分位于E點(diǎn)以右、D點(diǎn)以左的合金稱為過共晶合金。示例現(xiàn)以Pb-Sn二元合金相圖為例進(jìn)行分析。

在CED線所對(duì)應(yīng)的溫度下，成分相當(dāng)于E點(diǎn)的液相同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的α相和D點(diǎn)成分的β相，即合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過程如左圖所示，液態(tài)合金冷卻1點(diǎn)溫度后，發(fā)生勻晶結(jié)晶過程，至2點(diǎn)溫度時(shí)，合金完全結(jié)晶成α固溶體。在2點(diǎn)溫度到3點(diǎn)溫度之間，α相不變。從3點(diǎn)溫度開始，從α中析出β固溶體，至室溫時(shí)，α中的Sn含量逐漸變?yōu)镕點(diǎn)所示狀態(tài)。從固態(tài)α固溶體中析出的β相稱為次生相（二次相或二次晶），用符號(hào)βⅡ表示，以區(qū)別于直接從液相中結(jié)晶出的β固溶體。(2)典型合金的平衡結(jié)晶過程合金Ⅰ共晶合金的平衡結(jié)晶過程如左圖所示，合金從液態(tài)冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，經(jīng)過一定時(shí)間到1′時(shí)反應(yīng)結(jié)束，液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿Вé罜＋βD）。

共晶體中α相和β相的含量可由杠桿定律求得合金Ⅱ（共晶合金）亞共晶合金的平衡結(jié)晶過程如左圖所示，合金冷卻到1點(diǎn)溫度后，開始結(jié)晶出α固溶體，稱為初生α固溶體。從1點(diǎn)溫度到2點(diǎn)溫度的冷卻過程中，合金發(fā)生勻晶反應(yīng)。

剛冷卻到2點(diǎn)溫度時(shí)，合金由C點(diǎn)成分的α相和E點(diǎn)成分的液相組成。然后液相發(fā)生共晶反應(yīng)，初生α相不變。經(jīng)過一定時(shí)間到2′點(diǎn)共晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)，合金的組織由初生α相和共晶（αC＋βD）組成。

在2點(diǎn)以下繼續(xù)冷卻時(shí)，將從α中析出βⅡ，從β中析出αⅡ。室溫組織為初生α＋βⅡ＋（αC＋βD）。合金Ⅲ（亞共晶合金）標(biāo)明組織組成物的Pb-Sn合金相圖如左圖所示，Pb-Sn合金的結(jié)晶組織中僅出現(xiàn)α、β兩相，因此，α、β相稱為合金的相結(jié)構(gòu)（或相組成物）。

而由于合金成分和結(jié)晶過程的變化，各種相又以不同的形狀、數(shù)量和大小組合形成不同的組織。其中，只有α、β、共晶（α＋β）、αⅡ、βⅡ在顯微組織中能夠清晰地分辨出來，它們是該合金的組織組成物。合金Ⅳ（過共晶合金）3.包晶相圖

兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖。

屬于這類相圖的合金系主要有Pt-Ag、Ag-Sn、Al-Pt等，很多合金相圖中也包含包晶部分。Pt-Ag二元合金相圖如左圖所示，ADB為液相線，ACEB為固相線。相圖中有三個(gè)單相區(qū)，即L、α和β。CF、EG分別為α和β相的固溶線。單相區(qū)之間有三個(gè)兩相區(qū)，即L＋α、L＋β和α＋β。在三個(gè)兩相區(qū)之間還有一個(gè)三相共存線CED。示例現(xiàn)以Pt-Ag二元合金相圖為例進(jìn)行分析。

CED線稱為包晶線，E點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)，E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為包晶溫度，在包晶線上會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，即D點(diǎn)成分的液體和C點(diǎn)成分的α固溶體反應(yīng)生成E點(diǎn)成分的β固溶體，其反應(yīng)可表示為

合金冷卻到1點(diǎn)溫度后，開始結(jié)晶出α固溶體。從1點(diǎn)溫度到2點(diǎn)溫度的冷卻過程中，合金發(fā)生勻晶反應(yīng)。剛冷卻到2點(diǎn)溫度時(shí)，合金由C點(diǎn)成分的α相和D點(diǎn)成分的L相組成。然后發(fā)生包晶反應(yīng)，β相包圍α相生成。反應(yīng)結(jié)束后，L相與α相恰好全部耗盡，形成E點(diǎn)成分的β固溶體。溫度繼續(xù)下降，從β中析出αⅡ。最后室溫組織為β＋αⅡ。示例現(xiàn)僅以合金Ⅰ為例分析結(jié)晶過程。4.包晶相圖

從一種固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共析轉(zhuǎn)變或共析反應(yīng)。兩種新相的混合物稱為共析體。含有共析反應(yīng)的相圖如左圖所示，相圖的下半部分為共析相圖，其形狀與共晶相圖類似。D點(diǎn)成分（共析成分）的合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)生成γ相后，繼續(xù)冷卻到D點(diǎn)溫度（共析溫度）時(shí)，在恒溫下發(fā)生共析反應(yīng)，同時(shí)析出C點(diǎn)成分的α相和E點(diǎn)成分的β相，即2.4.2鐵碳合金相圖

在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。整個(gè)鐵碳合金相圖由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC、FeC-C等部分組成，如下圖所示。Fe-C相圖的組成1.鐵碳合金的組元純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特征。純鐵純鐵在室溫下的力學(xué)性能大致為：抗拉強(qiáng)度Rm＝180～230MPa，斷后伸長率A11.3＝30%～50%，斷面收縮率Z＝70%～80%，布氏硬度50～80HBW。鐵與碳形成的金屬間化合物Fe3C稱為滲碳體，可用Cm表示。滲碳體鐵碳合金的組元滲碳體的熔點(diǎn)為1227℃，它是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。滲碳體硬而脆，其硬度很高（約800HBW），但塑性和韌性幾乎為零。2.鐵碳合金中的相碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F或α表示。鐵素體

鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體中碳的溶解度極小，室溫時(shí)約為0.0008%，在727℃時(shí)碳的溶解度最大，僅為0.0218%。鐵素體的力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相似，即塑性、韌性較好，強(qiáng)度、硬度較低。碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A或γ表示。奧氏體

奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體中碳的溶解度較大，在727℃時(shí)為0.77%，在1148℃時(shí)最大，為2.11%。奧氏體的強(qiáng)度、硬度不高，但塑性很好。碳溶于體心立方晶格δ-Fe中形成的間隙固溶體稱為高溫鐵素體或δ固溶體，用符號(hào)δ表示。高溫鐵素體

高溫鐵素體與鐵素體的本質(zhì)相同，兩者的區(qū)別僅在于高溫鐵素體存在的溫度范圍較鐵素體高。Fe3C相是一個(gè)化合物相，它是鋼中的主要強(qiáng)化相。Fe3C相

在鐵碳合金中的存在形式有粒狀、球狀、網(wǎng)狀和細(xì)片狀，其形狀、數(shù)量、大小及分布對(duì)鋼的性能有很大影響。3.鐵碳合金相圖分析

我們分析的鐵碳合金相圖為Fe-Fe3C相圖，如下圖所示。Fe-Fe3C相圖（1）相圖中的特性點(diǎn)、特性線

教材表2-1所示為Fe-Fe3C相圖中各特性點(diǎn)的溫度、成分和含義。各代表符號(hào)屬通用，不可隨意改變。Fe-Fe3C相圖的特性線是不同成分合金具有相同意義相變點(diǎn)的連接線。Fe-Fe3C相圖中各特性線的符號(hào)、名稱及含義如表2-2所示。（2）典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程

在一般的研究中，常將此部分省略簡化。簡化后的Fe-Fe3C相圖如下圖所示。簡化后的Fe-Fe3C相圖

按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織不同，鐵碳合金可以分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類，具體如下。wC＜0.0218%工業(yè)純鐵亞共析鋼（0.0218%＜wC＜0.77%）共析鋼（wC＝0.77%）過共析鋼（0.77%＜wC≤2.11%）0.0218%＜wC≤2.11%鋼間隙化合物亞共晶白口鑄鐵（2.11%＜wC＜4.3%）共晶白口鑄鐵（wC＝4.3%）過共晶白口鑄鐵（4.3%＜wC＜6.69%）2.11%＜wC＜6.69%白口鑄鐵

下面僅對(duì)鋼和鑄鐵平衡凝固時(shí)的轉(zhuǎn)變過程和室溫組織進(jìn)行分析。共析鋼結(jié)晶過程示意圖共析鋼

共析鋼的室溫組織全部為P。共析鋼的結(jié)晶過程如下圖所示。如左圖所示，珠光體的顯微組織一般為層片狀。它的力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，Rm＝770MPa，A11.3＝20%～30%，180HBW。亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖亞共析鋼如上圖所示，當(dāng)溫度降到1點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出A，降到2點(diǎn)時(shí)液相全部結(jié)晶為A。溫度降至3點(diǎn)時(shí)，開始從A中析出F，稱為先共析鐵素體。溫度繼續(xù)降低，F(xiàn)的量不斷增加，F(xiàn)的成分沿GP線變化，A的成分沿GS線變化。冷卻至4點(diǎn)時(shí)，剩余A中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到共析成分（wC＝0.77%），發(fā)生共析反應(yīng)，A轉(zhuǎn)變?yōu)镻。溫度繼續(xù)下降，由鐵素體中將會(huì)析出極少量的三次滲碳體，可忽略不計(jì)。1點(diǎn)以上1～2點(diǎn)2～3點(diǎn)3～4點(diǎn)4點(diǎn)～室溫亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖45鋼室溫下的顯微組織如下圖所示。如左圖所示，F(xiàn)呈白色塊狀，P呈層片狀，放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。所有亞共析鋼的室溫組織都是F＋P，只是隨碳含量的增加，P越來越多，F(xiàn)越來越少。過共析鋼結(jié)晶過程示意圖過共析鋼如上圖所示，當(dāng)溫度降到1點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出A，降到2點(diǎn)時(shí)液相全部結(jié)晶為A。溫度降至3點(diǎn)時(shí)，開始從A中析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）。溫度繼續(xù)降低，F(xiàn)e3CⅡ的量不斷增多，并呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界分布。剩余A的成分沿ES線變化，冷卻至4點(diǎn)時(shí)，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到共析成分，發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)镻。繼續(xù)冷卻，合金組織不變。1點(diǎn)以上1～2點(diǎn)2～3點(diǎn)3～4點(diǎn)4點(diǎn)～室溫過共析鋼室溫下的顯微組織

過共析鋼室溫下的顯微組織如下圖所示。如左圖所示，所有過共析鋼的室溫組織都是P＋網(wǎng)狀Fe3CⅡ，只是隨著碳含量的增加，F(xiàn)e3CⅡ越來越多，P越來越少。共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖共晶白口鑄鐵如上圖所示，溫度在1點(diǎn)以上時(shí)為液相，溫度降到1點(diǎn)時(shí)開始發(fā)生共晶反應(yīng)，生成由A和Fe3C組成的高溫萊氏體（Ld）。高溫萊氏體的性能與滲碳體類似，硬度很高，塑性極差。繼續(xù)冷卻，從A中不斷析出二次滲碳體，剩余A中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線變化。溫度降至2點(diǎn)時(shí)，A中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到共析成分，發(fā)生共析反應(yīng)，生成P。繼續(xù)冷卻，合金組織不變。1點(diǎn)以上1～2點(diǎn)2點(diǎn)～室溫共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織

共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織如下圖所示。如左圖所示，黑色部分為P，白色基體為滲碳體（共晶滲碳體和二次滲碳體混在一起，無法分辨）。亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖亞共晶白口鑄鐵如上圖所示，當(dāng)溫度降至1點(diǎn)時(shí)，開始結(jié)晶出A。隨著溫度的繼續(xù)降低，A不斷增多，其成分沿AE線變化；液相不斷減少，其成分沿AC線變化。冷卻至2點(diǎn)時(shí)，剩余液相成分達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶反應(yīng)，生成萊氏體。在2點(diǎn)到3點(diǎn)之間冷卻時(shí)，A的成分沿ES線變化，并不斷析出二次滲碳體。冷卻至3點(diǎn)溫度時(shí)，A達(dá)到共析成分，發(fā)生共析反應(yīng)，生成P。1點(diǎn)以上1～2點(diǎn)2點(diǎn)～3點(diǎn)3點(diǎn)～室溫亞共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織

亞共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織如下圖所示。如左圖所示，黑色塊狀或樹枝狀為P，黑白相間的基體為Ld′，二次滲碳體和共晶滲碳體混在一起，無法分辨。所有亞共晶白口鑄鐵的室溫組織均為P＋Fe3CⅡ＋Ld′，只是隨碳含量的增加，Ld′越來越多，其他量越來越少。過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖過共晶白口鑄鐵如上圖所示，當(dāng)溫度降至1點(diǎn)時(shí)，開始結(jié)晶出一次滲碳體（Fe3CⅠ）。隨著溫度的繼續(xù)降低，F(xiàn)e3CⅠ不斷增多，液相不斷減少，其成分沿DC線變化。冷卻至2點(diǎn)時(shí)，液相成分達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶反應(yīng)，生成Ld。溫度繼續(xù)降低，F(xiàn)e3CⅠ的成分和結(jié)構(gòu)不再變化，而萊氏體則會(huì)在3點(diǎn)溫度后轉(zhuǎn)變?yōu)長d′。1點(diǎn)以上1～2點(diǎn)2點(diǎn)～3點(diǎn)3點(diǎn)～室溫亞共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織

過共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織如下圖所示。如左圖所示，圖中白色條狀為Fe3CⅠ，黑白相間的基體為Ld′。所有過共晶白口鑄鐵的室溫組織均為Ld′＋Fe3CⅠ，只是隨碳含量的增加，F(xiàn)e3CⅠ量增加。4.含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織及性能的影響

由鐵碳合金相圖可知，隨著碳含量的增加，鐵碳合金顯微組織發(fā)生如下變化：（1）含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響F＋Fe3CⅢ→F＋P→P→P＋Fe3CⅡ→P＋Fe3CⅡ＋Ld′→Ld′→Ld′＋Fe3CⅠ

鐵碳合金組織中，隨含碳量的增加，不僅滲碳體的數(shù)量相應(yīng)增加，而且滲碳體的形態(tài)和分布也在發(fā)生變化：Fe3CⅢ（點(diǎn)狀或沿鐵素體晶界分布的小片狀）共析Fe3C（呈層片狀分布在珠光體中）Fe3CⅡ（沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布）共晶Fe3C（為萊氏體的基體）Fe3CⅠ（呈條狀分布在萊氏體上）亞共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織

從相組成物的情況看，，隨著含碳量的增加，鐵素體相減少，滲碳體相增多，含達(dá)到6.69%時(shí)，全部由滲碳體相組成。如下圖所示。鐵碳合金含碳量的變化，不僅會(huì)引起相的相對(duì)數(shù)量的變化，還會(huì)引起組織形態(tài)的變化，從而引起鐵碳合金性能的變化。總結(jié)

當(dāng)wC＜0.9%時(shí)，隨含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度不斷上升，而塑性和韌性不斷下降。（2）含碳量對(duì)鐵碳合金性能的影響

當(dāng)wC＞0.9%時(shí)，由于網(wǎng)狀滲碳體的存在，鋼的強(qiáng)度開始明顯下降，塑性和韌性進(jìn)一步下降，而硬度仍在增高。為保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度、一定的塑性和韌性，鋼的含碳量一般不超過1.3%?？偨Y(jié)5.鐵碳合金相圖的應(yīng)用（1）在選材方面的應(yīng)用應(yīng)選用低碳鋼（wC＜0.25%）建筑用鋼和各種型材應(yīng)選用中碳鋼（wC＝0.25%～0.6%）機(jī)械零件應(yīng)選用高碳鋼（wC＝0.6%～1.3%）各種工具（2）在鑄造方面的應(yīng)用

在鑄造生產(chǎn)中，共晶成分附近的鑄鐵得到了廣泛的應(yīng)用。常用鑄鋼的含碳量規(guī)定在0.15%～0.6%之間，因在此范圍內(nèi)，鋼的結(jié)晶溫度范圍較小，鑄造性能較好。

（3）在鍛造方面的應(yīng)用（4）在焊接方面的應(yīng)用

為了獲得均勻一致的組織、性能，可通過焊后熱處理來調(diào)整和改善。

在鑄造生產(chǎn)中，共晶成分附近的鑄鐵得到了廣泛的應(yīng)用。常用鑄鋼的含碳量規(guī)定在0.15%～0.6%之間，因在此范圍內(nèi)，鋼的結(jié)晶溫度范圍較小，鑄造性能較好。

（5）在熱處理方面的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖對(duì)于制定鋼的熱處理工藝有重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火等的加熱溫度都是根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。ThankYou!Contents金屬的塑性變形塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響金屬的再結(jié)晶第3章金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的熱變形加工金屬的

塑性變形

3.11.滑移3.1.1單晶體的塑性變形滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）相對(duì)另一部分發(fā)生滑動(dòng)的過程。①滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。特點(diǎn)滑移時(shí)所受應(yīng)力示意圖如左圖所示，單晶體受拉伸時(shí)，外力F作用在滑移面上的應(yīng)力可分解為正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ。試驗(yàn)表明，要使單晶體發(fā)生滑移，作用于滑移面上的切應(yīng)力在滑移方向上的分量必須達(dá)到某臨界值，這個(gè)臨界值稱為臨界切應(yīng)力。②晶體的滑移是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的?；茣r(shí)所受應(yīng)力示意圖如上圖所示，晶體在滑移時(shí)并不是滑移面上的全部原子同時(shí)移動(dòng)，而是只有位錯(cuò)線中心附近的少數(shù)原子移動(dòng)很小的距離（小于一個(gè)原子間距），這樣所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性滑移時(shí)低得多。③晶體發(fā)生的總變形量一定是這個(gè)方向上原子間距的整數(shù)倍。④滑移的結(jié)果產(chǎn)生滑移帶。⑤滑移總是沿晶體中原子排列最密的晶面和該晶面上原子排列最密的晶向進(jìn)行的。⑥滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)?；泼娴霓D(zhuǎn)動(dòng)

如左圖所示，在拉伸時(shí)，單晶體發(fā)生滑移，外力將發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生一力偶，迫使滑移面向拉伸軸平行方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是，滑移面趨向于與拉伸軸平行，而使試樣兩端的拉力重新作用在同一條直線上。2.孿生孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變的變形過程，如下圖所示。孿生示意圖如左圖所示，孿生的結(jié)果是使孿生面兩側(cè)的晶體形成了鏡面對(duì)稱關(guān)系，孿晶帶中的晶格位向發(fā)生了變化，孿晶帶兩邊晶體的晶格位向沒有變化。相對(duì)滑移，孿生需要更大的切應(yīng)力，對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)較小，但孿生能夠改變晶體位向，使滑移系轉(zhuǎn)動(dòng)到有利的位置，可以使受阻的滑移通過孿生調(diào)整取向而繼續(xù)變形?？偨Y(jié)3.1.2多晶體的塑性變形示例兩個(gè)晶粒的金屬拉伸試驗(yàn)如左圖所示，拉伸后，試樣呈竹節(jié)狀，說明晶界的變形抗力較大，變形較小。多晶體塑性變形的方式與單晶體相同，但變形要復(fù)雜得多。在多晶體金屬中其滑移抗力比單晶體大。兩個(gè)晶粒的金屬拉伸試驗(yàn)：

一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切

應(yīng)力方向，稱這些晶粒處于軟位向。

另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力

方向相差較大，稱這些晶粒處于硬位向。軟位向硬位向多晶體的晶粒位向

細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)化機(jī)制，不但可以提高金屬的強(qiáng)度，而且還能改善金屬的韌性。金屬材料得到細(xì)小而均勻的晶粒組織能夠使其強(qiáng)度、塑性和韌性均得以改善（即細(xì)晶強(qiáng)化）。塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

3.23.2.1形成纖維組織，性能趨向各向異性變形前如上圖所示，金屬產(chǎn)生塑性變形時(shí)，當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將會(huì)被拉長成為細(xì)條狀或纖維狀，這種組織稱為纖維組織。形成纖維組織后，金屬的性能會(huì)具有明顯的方向性，呈一定程度的各向異性，縱向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于橫向。變形后變形前后晶粒形狀變化示意圖3.2.2產(chǎn)生加工硬化隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化或加工硬化。實(shí)際意義在機(jī)加工過程中可利用加工硬化強(qiáng)化金屬，提高其

強(qiáng)度、硬度和耐磨性。加工硬化有利于金屬進(jìn)行均勻變形。加工硬化可提高零件在使用過程中的安全性。3.2.3形成形變織構(gòu)沖壓件的制耳現(xiàn)象如左圖所示，用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時(shí)，由于不同方向上的塑性差別很大，變形不均勻，導(dǎo)致零件邊緣不齊，出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象。示例

形變織構(gòu)會(huì)使金屬性能呈現(xiàn)明顯的各向異性。金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，各晶粒的晶格位向會(huì)沿著變形方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)變形量很大（70%以上）時(shí)，各晶粒的位向?qū)⑴c外力方向趨于一致，這種結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。

形變織構(gòu)的形成在許多情況下都是不利的。但織構(gòu)在某些情況下也是有利的?？偨Y(jié)

由于位錯(cuò)等晶體缺陷的增加形成的晶格畸

變應(yīng)力,占絕大部分,是金屬強(qiáng)化的主要因素。

金屬表層和心部之間變形不均勻會(huì)形成平

衡于表層與心部之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力.

相鄰晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同部位之間變形不均勻形成的微觀內(nèi)應(yīng)力.第一類應(yīng)力第二類應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力3.2.4產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力是指去除外力后，殘留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力。它主要是由于金屬在外力作用下內(nèi)部變形不均勻造成的。第三類應(yīng)力雖然在變形金屬中占的比例不大，但在大多數(shù)情況下，不僅會(huì)降低金屬的強(qiáng)度，而且還會(huì)因隨后的應(yīng)力松弛或重新分布引起金屬變形。金屬的再結(jié)晶

3.3金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很多變化，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，于是會(huì)存在向穩(wěn)定低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。變形金屬的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大如左圖所示，隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)過程。在室溫下，這種轉(zhuǎn)變一般不易實(shí)現(xiàn)，如果進(jìn)行加熱，因原子活動(dòng)能力增加，可使金屬恢復(fù)到變形前的穩(wěn)定狀態(tài)。3.3.1回復(fù)加熱溫度較低時(shí)，材料的強(qiáng)度和硬度只略有下降，塑性略有提高，而殘余應(yīng)力則大大降低。此階段稱為回復(fù)。使金屬產(chǎn)生回復(fù)的溫度稱為回復(fù)溫度，用T回表示。對(duì)于純金屬T回＝（0.25～0.3）T熔生產(chǎn)中，常利用回復(fù)現(xiàn)象將已產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化的金屬在較低溫度下加熱，以降低其殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果，這種處理稱為去應(yīng)力退火?？偨Y(jié)示例對(duì)于純金屬3.3.2再結(jié)晶1.再結(jié)晶過程

再結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不是一個(gè)恒溫過程。通常所說的再結(jié)晶溫度T再是指發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。它與金屬的熔點(diǎn)T熔、成分及變形程度等因素有關(guān)。加熱溫度較高時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，破碎的、被拉長或壓扁的晶粒變?yōu)榫鶆?、?xì)小的等軸晶粒，這一變化過程也是通過形核和晶核長大方式進(jìn)行的，故稱為再結(jié)晶。T再≈0.4T熔

示例對(duì)于純金屬金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對(duì)變形量稱為預(yù)先變形度。加熱溫度越高，原子的活動(dòng)能力越強(qiáng)，晶界越易遷移，晶粒長大越快。當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，保溫時(shí)間越長，晶粒越粗大。加熱溫度和保溫時(shí)間預(yù)先變形度影響因素2.再結(jié)晶后的晶粒大小再結(jié)晶后的晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大影響，因此，生產(chǎn)上非常重視控制再結(jié)晶后的晶粒度。預(yù)先變形度預(yù)先變形度與再結(jié)晶晶粒大小的關(guān)系當(dāng)變形度過大（＞90%）時(shí)，晶粒可能再次出現(xiàn)異常長大預(yù)先變形度很小時(shí)，不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變化。當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)到2%～10%時(shí)，再結(jié)晶的晶粒度特別粗大。超過臨界變形度后，隨著變形量的增大，再結(jié)晶后的晶粒越來越細(xì)。3.3.3晶粒長大大晶粒吞并小晶粒晶界遷移金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等力學(xué)性能都顯著降低晶粒的長大可以減少金屬晶界的總面積，使金屬能量進(jìn)一步降低，是一種自發(fā)過程。晶粒長大金屬的

熱變形加工

3.4在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形加工熱變形加工鉛的最低再結(jié)晶溫度在0℃以下，因此，它在室溫下的變形加工便屬于熱變形加工。在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變形加工冷變形加工加工方式鎢的最低再結(jié)晶溫度約為1200℃，即使在稍低于1200℃的高溫下進(jìn)行變形加工仍屬于冷變形加工。在實(shí)際的熱變形加工（熱軋、熱鍛）中需要提高加熱溫度加速再結(jié)晶過程，故生產(chǎn)中的實(shí)際熱加工溫度常常比再結(jié)晶溫度高得多?？偨Y(jié)熱變形加工對(duì)金屬組織和性能的影響主要包括以下幾個(gè)方面。①流線使金屬的力學(xué)性能出現(xiàn)明顯的各向異性，沿流線方向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著高于垂直于流線方向上的相應(yīng)性能。熱變形加工后，塑性雜質(zhì)順著金屬主要伸長方向呈帶狀分布，形成纖維組織（又稱為流線）。示例鍛造曲軸切削加工曲軸如上圖所示，鍛造曲軸有合理的流線分布，在工作中承受的最大拉應(yīng)力與流線平行，切應(yīng)力與流線垂直，所以不易斷裂。如上圖所示，切削加工曲軸，其流線分布不合理，沿軸肩易發(fā)生斷裂。②熱變形加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大組織，同時(shí)再結(jié)晶過程能使晶

粒細(xì)化，提高其力學(xué)性能。③熱變形加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋壓合，提高金屬的致密度，減輕甚至消除樹枝晶偏析，改善夾雜物、第二相的分布，明顯提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性。ThankYou!Contents鋼的整體熱處理鋼的化學(xué)熱處理其他熱處理技術(shù)第4章鋼的熱處理熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的表面熱處理熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注及工序位置的安排包括感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等。包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等。包括形變熱處理、真空熱處理、可控氣氛熱處理、離子熱處理等。包括退火、正火、淬火、回火等。整體熱處理表面熱處理化學(xué)熱處理其他熱處理熱處理鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

4.11.加熱溫度的確定4.1.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼加熱時(shí)的奧氏體化溫度，一般需根據(jù)Fe-Fe3C相圖來確定。加熱和冷卻對(duì)臨界點(diǎn)A1、A3和Acm的影響如左圖所示，在Fe-Fe3C平衡相圖中，A1、A3和Acm三條相變線分別代表共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度。為與平衡條件下的相變線相區(qū)別，通常將加熱時(shí)的相變線稱為Ac1、Ac3和Accm，將冷卻時(shí)的相變線稱為Ar1、Ar3和Arcm線。2.奧氏體的形成示例以共析鋼為例，分析奧氏體的形成過程。

（1）奧氏體晶核的形成奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的兩相界面上形成。奧氏體的形核奧氏體的長大

（2）奧氏體晶核的長大

奧氏體晶核將向鐵素體和滲碳體兩個(gè)方向不斷長大。同時(shí)，新的奧氏體晶核也將不斷形成并長大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。（3）殘余滲碳體的溶解

當(dāng)鐵素體全部消失后，仍有部分滲碳體尚未溶解