模具材料與熱處理全套教程

(第四版)《模具材料與熱處理》新世紀(jì)高職高專教材編審委員會組編主編吳元徽趙利群主審雷勇濤課題一金屬材料的基礎(chǔ)知識任務(wù)一金屬材料的性能任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織任務(wù)三金屬材料的變形與再結(jié)晶很多人都看過電影《泰坦尼克號》，這艘1912年完工的，在當(dāng)年最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）游船，竟在其處女航中沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。為什么號稱“不會沉沒”的船在撞上一個冰山后3小時就沉沒了?任務(wù)一金屬材料的性能如圖1-2所示是兩個沖擊試驗(yàn)結(jié)果。它可以科學(xué)地回答泰坦尼克號沉沒這百年未解之謎。左面的試樣取自海底的泰坦尼克號，右面的是現(xiàn)代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的泰坦尼克號采用了航行環(huán)境溫度下有缺口敏感的、且含硫、磷高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口?，F(xiàn)代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。圖1-2任務(wù)一金屬材料的性能一、物理性能1.密度和熔點(diǎn):(1)密度;(2)熔點(diǎn)2.熱學(xué)性能:(1)導(dǎo)熱性;(2)比熱容;(3)熱膨脹系數(shù)3.電學(xué)性能:(1)導(dǎo)電性;(2)介電常數(shù)與介電強(qiáng)度;(3)鐵電性能;(4)超導(dǎo)電性4.磁學(xué)性能:(1)磁導(dǎo)率;(2)矯頑力二、化學(xué)性能任務(wù)一金屬材料的性能1.耐蝕性2.抗氧化性三、力學(xué)性能1、強(qiáng)度金屬抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。常用的強(qiáng)度判據(jù)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，其大小通常用應(yīng)力來表示。根據(jù)載荷作用的方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度（σb）、抗壓強(qiáng)度（σbc）、抗彎強(qiáng)度（σbb）、抗剪強(qiáng)度（τb）和抗扭強(qiáng)度（τt）等五種。一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為金屬材料強(qiáng)度高低的判據(jù)。任務(wù)一金屬材料的性能(1)拉伸試樣:拉伸試樣的形狀有圓形和矩形兩類。在國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T228—2002)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》中，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。圖1-3圓形截面的拉伸試樣任務(wù)一金屬材料的性能

(2)力-伸長曲線:拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線叫做力伸長曲線。

圖1-4是低碳鋼的力伸長曲線，縱坐標(biāo)表示力F，單位是N;橫坐標(biāo)表示伸長量Δl，單位是mm。由力伸長曲線可以看出，隨著拉伸力的不斷增加，試樣經(jīng)歷了以下幾個變形階段:圖1-4低碳鋼的力-伸長曲線

任務(wù)一金屬材料的性能①Oe——彈性變形階段:②es——微量塑性變形階段③ss′——屈服階段④s′b——強(qiáng)化階段⑤bz——縮頸階段變形階段：任務(wù)一金屬材料的性能

在拉伸試驗(yàn)中具有屈服現(xiàn)象的金屬材料稱為塑性材料，而工程上使用的金屬材料，大多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，這類金屬材料稱為脆性材料。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生縮頸。圖1-5為鑄鐵的力伸長曲線。

圖1-5鑄鐵的力-伸長曲線任務(wù)一金屬材料的性能（3）強(qiáng)度指標(biāo)主要包括屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度①屈服點(diǎn):試樣在拉伸過程中力不增加(保持恒定)仍能繼續(xù)伸長(變形)時的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，其計算公式為σs=Fs/S0（1-3）式中σs——屈服點(diǎn)，MPa;Fs——試樣屈服時的載荷，N;S0——試樣原始橫截面面積，mm2。對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按GB/T228—2002規(guī)定可用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σ0.2表示。σ0.2表示試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距長度部分的殘余伸長率達(dá)到0.2%時的應(yīng)力，也稱屈服強(qiáng)度。計算公式為σ0.2=F0.2/S0（1-4）式中σ0.2——規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，MPa;F0.2——?dú)堄嗌扉L率達(dá)到0.2%時的載荷，N;S0——試樣原始橫截面面積，mm2。

任務(wù)一金屬材料的性能②抗拉強(qiáng)度:試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。其計算公式為σb=Fb/S0（1-5）式中σb——抗拉強(qiáng)度，MPa;Fb——試樣承受的最大載荷，N;S0——試樣原始橫截面面積，mm2?？估瓘?qiáng)度表示材料在拉伸載荷作用下的最大均勻變形的抗力。零件在工作中所承受的應(yīng)力，不允許超過抗拉強(qiáng)度，否則會產(chǎn)生斷裂?？估瓘?qiáng)度σb和屈服點(diǎn)σs一樣，也是機(jī)械零件設(shè)計和選材的主要依據(jù)。在工程上把σs/σb稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比高，則材料強(qiáng)度的有效利用率高，但過高也不好，一般以0.75左右為宜。任務(wù)一金屬材料的性能2.塑性斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力稱為塑性。常用的塑性判據(jù)是斷后伸長率和斷面收縮率。它們也是由拉伸試驗(yàn)測得的。試樣拉斷后標(biāo)距長度的伸長量與原始標(biāo)距長度的百分比稱為斷后伸長率，其計算公式為

δ=(l1-l0)/l0×100%（1-6）式中δ——試樣斷后伸長率，%;l0——試樣原始標(biāo)距長度，mm;l1——試樣拉斷后的標(biāo)距長度，mm。試樣拉斷后，縮頸處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比稱為斷面收縮率，其計算公式為ψ=(S0-S1)/S0×100%（1-7）式中ψ——斷面收縮率，%;S0——試樣原始橫截面面積，mm2;S1——試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面面積，mm2。任務(wù)一金屬材料的性能3.硬度材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。硬度是各種零件和工具必備的性能指標(biāo)，硬度試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作方便，且不破壞被測試工件，因此廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)。常用的硬度表示法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。任務(wù)一金屬材料的性能（1）布氏硬度HB

布氏硬度是用一定載荷P，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積S確定硬度大小。其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度試驗(yàn)原理圖布氏硬度計

任務(wù)一金屬材料的性能計算公式布氏硬度值=F/S=0.102*2F/πD（D-（D2-d2）1/2）由上式試驗(yàn)時測量出壓痕的平均直徑d，經(jīng)計算或查表得硬度值。布氏硬度的符號及表示壓頭為淬火鋼球，測試硬度值在450以下材料：

HBS壓頭為硬質(zhì)合金球，測試硬度值在450～650的材料：HBW表示：硬度值—符號—壓球直徑—載荷—載荷保持時間如：150HBS10/10000/30500HBW5/7500※應(yīng)用由于布氏硬度所用的測試壓頭材料較軟，所以不能測試太硬的材料。任務(wù)一金屬材料的性能（2）洛氏硬度HR

洛氏硬度是將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種。計算公式：洛氏硬度值=c-h/0.002應(yīng)用：材料硬度較高或試樣過小時。HRA適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；

HRB適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等；

HRC適用于測量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。

洛氏硬度操作簡便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應(yīng)用。任務(wù)一金屬材料的性能洛氏硬度測量原理圖任務(wù)一金屬材料的性能（3）維氏硬度HV

維氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為金剛石四棱錐體，所加負(fù)荷較?。?～120kgf）。它所測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負(fù)荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測定過程比較麻煩。全自動維氏硬度計任務(wù)一金屬材料的性能三種硬度值之間的換算近似關(guān)系：

1、HRC≈1/10HBS（W）硬度值在200～600HBS（W）2、HBS≈HV硬度值在小于450

HBS（W）4.韌性金屬在斷裂前吸收變形能量的能力稱為韌性。（1）沖擊試驗(yàn):將待測的金屬材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，放置時試樣缺口應(yīng)背向擺錘的沖擊方向，如圖1-8（a）所示。再將具有一定重量G的擺錘升至一定的高度H1（圖1-8（b）），使其獲得一定的初始勢能（GH1），然后使擺錘落下，將試樣沖斷。擺錘剩余勢能為GH2。試樣被沖斷時所吸收的能量即是擺錘沖擊試樣所做的功，稱為沖擊吸收功圖1-8沖擊試驗(yàn)示意圖任務(wù)一金屬材料的性能⑵標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣：兩種，一種是常用的梅氏試樣（試樣缺口為U型）；另一種是夏氏試樣（試樣缺口為V型）。同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其梅氏試樣的aK值顯著大于夏氏試樣的aK值，所以兩種試樣的aK值不能互相比較。夏氏試樣必須注明aK（夏）。

沖擊試樣任務(wù)一金屬材料的性能沖擊吸收功：AK=GH1-GH2=G(H1-H2)(1-10)式中AK——沖擊吸收功，J;

GH1——擺錘初始勢能;GH2——擺錘剩余勢能;G——擺錘重量，N;H1——擺錘初始高度，m;H2——沖斷試樣后，擺錘回升高度，m。沖擊韌度是指沖擊試樣缺口處單位橫截面面積上的沖擊吸收功，其計算公式為ɑK=AK/S0(1-11)式中ɑK——沖擊韌度，J/cm2;AK——沖擊吸收功，J;S0——試樣缺口處橫截面面積,cm2。

任務(wù)一金屬材料的性能5.疲勞強(qiáng)度許多零件和制品，經(jīng)常受到大小及方向變化的交變載荷，在這種載荷反復(fù)作用下，材料常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下即發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞”。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂任務(wù)一金屬材料的性能疲勞斷裂的原因：一般認(rèn)為是由于材料表面與內(nèi)部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。措施：通過合理選材，改善材料的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小材料和零件的缺陷，提高零件表面光潔度，對表面進(jìn)行強(qiáng)化等，可以提高材料的疲勞抗力。注意：實(shí)踐證明，在規(guī)定條件下用小尺寸試樣測得的力學(xué)性能，不能直接代表材料制成零件后的性能。任務(wù)一金屬材料的性能材料在規(guī)定次數(shù)（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為“疲勞極限”。影響因素：循環(huán)應(yīng)力、溫度、材料的化學(xué)成分及顯微組織表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力等任務(wù)一金屬材料的性能四、工藝性能任務(wù)一金屬材料的性能(1)流動性(2)收縮性(3)偏析1.鑄造性能2.壓力加工性能3.焊接性能4.切削加工性能5.熱處理性能金屬是指具有金屬光澤、良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、一定強(qiáng)度和塑性的物質(zhì)，如鐵、錳、鋁、銅等。具有金屬特性的元素稱為金屬元素。在所有應(yīng)用材料中，凡是由金屬元素或是以金屬元素為主而形成的、具有一般金屬特性的材料通稱為金屬材料。高強(qiáng)度是人們對結(jié)構(gòu)材料的最主要追求，因?yàn)樗橇悴考⌒突幕A(chǔ)。為什么工業(yè)上一般不使用純金屬而多使用合金呢?為什么生產(chǎn)上常?？梢杂迷黾咏饘倬w缺陷的方法來提高其強(qiáng)度?通常，采用某種措施提高金屬材料的強(qiáng)度，往往會以降低它的塑性和韌性為代價。那么有沒有一種方法既能增加金屬材料的強(qiáng)度又能提高其塑性和韌性?舉世聞名的南京長江大橋?yàn)槭裁床皇褂脙r格低廉的碳鋼，而要花費(fèi)巨資研制當(dāng)時我國尚沒有的錳鋼投入使用?任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織

雖然金屬材料的性能受到許多方面因素的影響，是一個十分復(fù)雜的問題，但長期實(shí)踐和探索研究表明:決定金屬及合金性能的基本因素是金屬的內(nèi)部微觀構(gòu)造，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)。因此，掌握金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)及其對性能的影響，對于更好、更合理地使用金屬材料，并充分挖掘它們的潛力具有非常重要的意義。

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

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)。

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織a、具有規(guī)則的外形。b、有固定的熔點(diǎn)。c、具有各向異性1、晶體與非晶體⑴晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。

非晶體：材料的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”。（一）、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識⑵特征2、晶格與晶胞（1）晶體結(jié)構(gòu)：晶體中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子、分子、原子集團(tuán))在三維空間有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不同，排列的規(guī)則不同，或者周期性不同，就可以形成各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)。（2）空間點(diǎn)陣：。假定晶體中的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)都是固定的剛性小球，那么晶體即由這些剛性小球按一定幾何規(guī)則排列的緊密堆積，如圖1-10(a)所示。由圖可見，原子在晶體中是有規(guī)則的、周期性的排列的。這種排列的形式稱為空間點(diǎn)陣，簡稱點(diǎn)陣(unit1attlce)。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（3）晶格(1attlce)：為方便起見，人為地將點(diǎn)陣用直線連接起來形成空間格子稱之為晶格。（4）晶胞(unitlatticecell)：由于晶體中原子的規(guī)則排列具有周期性的特點(diǎn)，通常只從晶格中選取一個能夠完全反映晶格對稱特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（5）晶格常數(shù)：整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長度a、b、c及棱間夾角α、β、γ來表示。圖中通過晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)沿其三條棱邊作三個坐標(biāo)軸X、Y、Z，稱為晶軸。晶胞的棱邊長度，稱為晶格常數(shù)(1atticeconstant)或點(diǎn)陣常數(shù)，晶胞的棱間夾角又稱為晶軸間夾角。習(xí)慣上，以原點(diǎn)O的前、右、上方為軸的正方向(反之為負(fù)方向)。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（二）純金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)自然界中的晶體有成千上萬種，它們的晶體結(jié)構(gòu)各不相同。但若根據(jù)晶胞的三個晶格常數(shù)和三個軸間夾角的相互關(guān)系對所有的晶體進(jìn)行分析，空間點(diǎn)陣只能有14種，并歸納為七個晶系。由于金屬原子趨向于緊密排列，所以在工業(yè)上使用的金屬元素中，除了少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)金屬具有面心立方(fcc)、體心立方(bcc)和密排六方(hcp)三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

(1)體心立方晶格(bodycenteredcubiclattice)：體心立方晶體的晶胞如圖2.3所示。其晶胞是一個立方體，晶格常數(shù)a=b=c，晶軸間夾角α=β=γ=900，所以通常只用一個晶格常數(shù)α表示即可。在體心立方晶胞的每個角上和晶胞中心都有一個原子。在頂角上的原子為相鄰八個晶胞所共有，故每個晶胞只占1／8，只有立方體中心的那個原子才完全屬于該晶胞所獨(dú)有，實(shí)際上每個體心立方晶胞所包含的原子數(shù)為：（8×l）／8+l=2個。具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬有α-Fe、W、Mo、V、β-Ti等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

圖1-12體心立方晶胞任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

(2)面心立方晶胞(facecenteredcubiclattice)：面心立方晶體的晶胞如圖2.4所示。其晶胞也是一個立方體，晶格常數(shù)d＝b＝c，品軸間夾角α=β=γ=900，所以也只用一個晶格常數(shù)α表示即可。在面心立方晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都有一個原子。面心立方晶胞所包含的原子數(shù)為（8×1）／8+（6×1）／2=4個。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬有γ—Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

圖1-13面心立方晶胞任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

(3)密排六方晶胞(closepackedlatticehexagonal)：密排六方晶體的晶胞如圖2.5所示。它是由六個呈長方形的側(cè)面和兩個呈正六邊形的底面所組成的一個六方柱體。因此，需要用兩個晶格常數(shù)表示，一個是正六邊形的邊長a，另—個是柱體的高c。在密排六方晶胞的每個角上和上、下底面的小心都有一個原子，另外在中間還有三個原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原子數(shù)為：6×1／6×2+2×1／2+3=6個。具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti、α-Co等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

圖1-14密排六方晶胞

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（三）晶面和晶向的表示方法1.晶面：在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。2.晶向：任意(兩個原子之間連線)一列原子所指的方向稱為晶向。3.晶面指數(shù)和晶向指數(shù)：為了分析的方便，通常用一些晶體學(xué)指數(shù)來表示晶面和晶向，分別稱為晶面指數(shù)和晶向指數(shù)，其確定方法如下。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（1）晶面指數(shù)(indicesofclystalfaces)晶面指數(shù)的確定步驟如下：①選取三個晶軸為坐標(biāo)系的軸，各軸分別以相應(yīng)的點(diǎn)陣常數(shù)為量度單位；②從欲確定的晶面組中，選取一個不通過原點(diǎn)的晶面，找出它在三個坐標(biāo)軸上的截距；3取各截距的倒數(shù)，按比例化為簡單整數(shù)h、k、l，而后用括號括起來成（h、k、l），即為所求晶面的指數(shù)。當(dāng)某晶面與一晶軸平行時，它在這個軸上的截距可看成是∞，則相應(yīng)的指數(shù)為0。當(dāng)截距為負(fù)值時，在相應(yīng)的指數(shù)上邊加以負(fù)號。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

由于對稱關(guān)系，晶體中等同的晶面，即原子或分子排列相同的晶面，往往不只一組，例如立方系中和（111）面等同的還有三組，即(i11)、(1i1)、(11i)等。這四組合稱一個晶面族或晶面系，取其中之一的指數(shù)，用大括號括上而成｛111｝來表示這個晶面族。推而廣之，則可用｛hkl｝來泛指各晶面族。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（2）晶向指數(shù)(oritantionindex)晶向指數(shù)的確定步驟如下：①以晶胞的三個棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z，以棱邊長度(即晶格常數(shù))作為坐標(biāo)軸的長度單位；②通過坐標(biāo)原點(diǎn)作一與所求晶向平行的另一晶向；③求出這個晶向上任一質(zhì)點(diǎn)的矢量在三個坐標(biāo)標(biāo)軸上的分量(即求出任一質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù))：④將此數(shù)按比例化為簡單整數(shù)u、v、w，而后用方括號括起來成[uvw]，即得所求的晶向指數(shù)。如坐標(biāo)數(shù)為負(fù)值，即在相應(yīng)指數(shù)上邊加負(fù)號，例如[uvw]。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

與晶面相似，晶體中的相似晶向，即線周期等同的晶向，也是成族出現(xiàn)的，稱之為晶向族，以<uvw>來表示。在立方晶系中，晶面指數(shù)與晶向指數(shù)在數(shù)值上完全相同或成比例時，它們是互相垂直的，例如[111](111)，如圖1.9所示。晶向[UVW]與晶面｛hkl｝之間各指數(shù)滿足式(1-1)：hU十kV十lW=0(1—1)任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，總是不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，金屬學(xué)中將這種原子組合的不規(guī)則性，統(tǒng)稱之為結(jié)構(gòu)缺陷，或晶體缺陷。根據(jù)缺陷相對于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，可將它分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織1、點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小的,不超過幾個原子直徑的缺陷。

（1）空位：晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。空位附近的原子會偏離正常結(jié)點(diǎn)位置,造成晶格畸變。空位的存在有利于金屬內(nèi)部原子的遷移（即擴(kuò)散）。（2）間隙原子：位于晶格間隙之中的原子，稱為間隙原子。間隙原子會造成其附近晶格的很大畸變。（3）置換原子：材料中總存在著一些其它元素的雜質(zhì)，它們可以形成間隙原子，也可能取代原來原子的位置，成為置換原子，它們都會導(dǎo)致附近晶格的畸變。三種點(diǎn)缺陷的形態(tài)見圖。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)空位、間隙原子和外來原子都是晶格的點(diǎn)缺陷。它們破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱為晶格畸變。點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，降低了材料的塑性和韌性。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體中的點(diǎn)缺陷

1、2－空位；3、4－間隙原子；5、6－置換原子。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)2.線缺陷（位錯）線缺陷指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。晶體中最普通的線缺陷就是位錯，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。這種錯排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯，圖所示為常見的一種刃型位錯。在金屬晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對于另一部分出現(xiàn)一個多余的半原子面。這個多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。這種線缺陷稱刃型位錯。半原子面在上面的稱正刃型位錯,半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯。在位錯線周圍，由于原子的錯排使晶格發(fā)生了畸變，距位錯線越遠(yuǎn)，晶格畸變越小，應(yīng)力也越小，原子排列逐漸趨于正常。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)螺型位錯：晶體右邊的上部點(diǎn)相對于下部的距點(diǎn)向后錯動一個原子間距，即右邊上部相對于下部晶面發(fā)生錯動。若將錯動區(qū)的原子用線連接起來，則具有螺旋型特征。這種線缺陷稱螺型位錯。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)3.面缺陷

（

晶界和亞晶界）

面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。（1）晶界實(shí)際金屬為多晶體,是由大量外形不規(guī)則的小晶體即晶粒組成的。晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時適應(yīng)相鄰兩個晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上，晶界在空中呈網(wǎng)狀右圖。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)（2）亞晶界

晶粒也不是完全理想的晶體，而是由許多位向相差很小的所謂亞晶粒組成的。亞晶粒的交界稱為亞晶界。亞晶界是晶粒內(nèi)的一種面缺陷，其結(jié)構(gòu)可以看成是位錯的規(guī)則排列，右圖。晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度和塑性。晶粒越細(xì),晶界越多,金屬的強(qiáng)度,塑性越好。細(xì)化晶粒是改善金屬機(jī)械性能的有效手段。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)三、合金的晶體結(jié)構(gòu)（一）合金的基本概念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熔合在一起，形成具有金屬特性的物質(zhì)。2、組元：組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元。3、合金系：由二個或二個以上的組元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金。4、相：合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分。5、組織：用金相分析的方法，觀察到的具有某種特征的合金組成物。實(shí)質(zhì)上它是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱。合金的性能由組織決定，而組織由相組成。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織（二）固溶體

合金在固態(tài)下，合金組元之間通過溶解而形成的一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。固溶體特性：1固溶體成分可以在一定范圍內(nèi)變化，在相圖上表現(xiàn)為一個區(qū)域。2固溶體必須保持溶劑組元的點(diǎn)陣類型。3純金屬結(jié)構(gòu)有哪些類型，固溶體也應(yīng)有哪些類型，即固溶體本身沒有獨(dú)立的點(diǎn)陣類型。4組元的原子尺寸不同會引起的點(diǎn)陣畸變，原子尺寸相差越大，引起的畸變也越大。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)1.按溶劑分類(1)一次固溶體：以純金屬組元作為溶劑的固溶體稱為一次固溶體，也叫邊際固溶體。(2)二次固溶體：以化合物為溶劑的固溶體稱二次固溶體，或叫中間固溶體。如電子化合物、間隙相。有的化合物和化合物之間，也可以相互溶解而組成固溶體，如Fe3C和Mn3C，TiC和TiN等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)2按固溶度(溶解度)分類(1)有限固溶體：溶質(zhì)組元在固溶體內(nèi)的濃度只能在一個有限度的范圍內(nèi)變化，這個限度叫固溶極限，也叫固溶度或溶解度，超過這個限度，就會有其他合金相(另一種固溶體或化合物)形成。(2)無限固溶體：當(dāng)固溶體的固溶度達(dá)到100％時，即溶質(zhì)能以任何比例溶入溶劑時，就叫無限固溶體或連續(xù)固溶體。一次無限固溶體：Cu-Ni系、Ag-Au系、Cu-Au系、Ti-Zr系、Mg-Cd系等。二次無限固溶體：TiC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、VC-NbC、ZrC-NbC以及TiC-TiN等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)3根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)置換固溶體間隙固溶體任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)4.按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對分布進(jìn)行分類(1)無序固溶體：溶質(zhì)原子統(tǒng)計式地或隨機(jī)地分布在溶劑晶體點(diǎn)陣中，它或占據(jù)著與溶劑一些位置，或占據(jù)著溶劑原子間的間隙?？床怀鲇惺裁从行蛐曰蛞?guī)律性，這類固溶體叫無序固溶體。(2)有序固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例并按一定順序和一定方向，圍繞著溶劑原子分布。既可以是代位式的有序，也可以是間隙式的有序。有的固溶體由于有序化引起結(jié)構(gòu)類型的變化，有的書中將有序固溶體列入中間相。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)5固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)固溶強(qiáng)化的原因

由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)（三）金屬化合物

合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于其任一組成元素，一般可用分子式表示，且具有一定的金屬性質(zhì)。金屬化合物的成分都處在兩組元最大溶解度之間，因此也叫中間相。其一般特點(diǎn)是高熔點(diǎn)、高硬度和高脆性。它是許多合金的重要組成相。金屬化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)。

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)（四）機(jī)械混合物

純組元、固溶體和金屬化合物是構(gòu)成合金內(nèi)部組織的基本相。除此之外，在合金的組織中常出現(xiàn)由兩種或兩種以上的相機(jī)械地混合在一起而組成的一種多相組織，稱之為機(jī)械混合物。機(jī)械混合物中各組成相仍保持各自原有的晶格類型和性能。而機(jī)械混合物的性能則取決于各組成相的性能以及它們的數(shù)量、形狀、大小和分布情況。

任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織三、合金的晶體結(jié)構(gòu)四、金屬材料的組織1、組織的概念

將一小塊金屬材料用金相砂紙磨光后進(jìn)行拋光，然后用侵蝕劑侵蝕，即可獲得一塊金相樣品。在金相顯微鏡下觀察，就可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱為顯微組織，簡稱組織。

所謂的組織是指用金相觀察方法，在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。也可以說是人們觀察（包括用肉眼直接觀察或借助于儀器觀察）到的合金的特征與形貌。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織2、組織的決定因素金屬材料的組織取決于它的化學(xué)成分和工藝過程。金屬材料的化學(xué)成分一定時，工藝過程則是其組織的最重要的影響因素。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織四、金屬材料的組織3、組織與性能的關(guān)系金屬材料的性能由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。金屬的組織結(jié)構(gòu)由材料的成分、工藝所決定。金屬材料的性能則由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能。金屬材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能之間有著密切的關(guān)系。了解它們之間的關(guān)系，掌握材料中各種組織的形成及各種因素的影響規(guī)律，對于合理使用金屬材料有著十分重要的意義。任務(wù)二金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織四、金屬材料的組織任務(wù)為什么具有體心立方晶格的鐵、面心立方晶格的銅等金屬都有較好的塑性，而具有密排六方晶格的鋅就比較脆?我們知道漂亮的汽車外殼、裝飲料的易拉罐都是用冷軋板沖成的，怎樣才能使得這些板材在平面各方向的變形能力基本一樣，而在厚度方向的變形要小于在平面內(nèi)的變形?如何制造變壓器鐵芯的硅鋼片，才會使鐵損減小到最低限度以提高變壓器的效率?冷拔鋼絲時，鋼絲拉過模孔后其斷面尺寸不斷減小，單位面積上所受的力不斷增大，但鋼絲出模后卻從不會被拉斷，這又是什么原因呢?構(gòu)件難免會經(jīng)受偶然超載，如何才能確保其安全可靠?當(dāng)一種合金需冷加工成型時，常常會碰到這樣的情況:在加工過程中工件會變得越來越硬而很難再繼續(xù)加工，采取什么樣的措施才能完成加工呢?任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶分析金屬的塑性與構(gòu)成這種金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān):滑移系甚多的面心立方和體心立方晶體，如鐵、銅等的形變能力可以得到充分的發(fā)揮，故具有很好的塑性;相反，具有密排六方晶體的金屬如鋅等，由于滑移系少，晶粒之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)性很差，所以其塑性變形能力較低，脆性較大。

任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶分析當(dāng)金屬發(fā)生冷塑性變形時，會出現(xiàn)形變織構(gòu)，織構(gòu)有有利的一面:制造變壓器鐵芯的硅鋼片，因其組織是具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體，這種結(jié)構(gòu)沿絲織構(gòu)方向最易磁化，若采用具有絲織構(gòu)的硅鋼片做變壓器，可使鐵損大大減小，磁導(dǎo)率顯著增大，可成倍提高設(shè)備效率;生產(chǎn)上利用織構(gòu)的另一個例子是，利用板織構(gòu)在平面各方向的變形能力基本一樣，而在厚度方向的變形要小于在平面內(nèi)的變形這一特點(diǎn)，用冷軋板可以沖成漂亮的汽車外殼及裝飲料的易拉罐，這種少無切削的成型方式，不但制成品的質(zhì)量好，還能極大地提高材料的利用率，十分值得推廣。

任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶分析冷拔鋼絲時，正是由于鋼絲產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，使被拉細(xì)了的鋼絲強(qiáng)度得到顯著提高，不再繼續(xù)變形，這才使得塑性變形能夠均勻地分布在整個鋼絲上，而不是集中在某些局部區(qū)域，所以才可以用冷拔的方法加工鋼絲成型。同樣道理，由于這種加工硬化現(xiàn)象的存在，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生偶然超載時，能夠避免悲劇的產(chǎn)生。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形（一）單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。1.滑移變形：是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。將一個表面經(jīng)過拋光的純鋅單晶進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線條痕跡，稱為滑移帶，如圖1-21所示。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶圖1-21純鋅單晶體滑移變形示意圖一、金屬的塑性變形2.滑移變形有如下特點(diǎn)：（1）滑移變形只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生。不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力(滑移臨界切應(yīng)力)大小不同。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。（2）滑移變形是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運(yùn)動的結(jié)果?；撇⒎鞘蔷w兩部分沿滑移面作整體的相對滑移，而是通過位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。如圖1-22。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶圖1-22晶體在切應(yīng)力作用下的變形一、金屬的塑性變形(3)位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量?？偦屏恳欢ㄊ沁@個方向上的原子間距整數(shù)倍。(4)滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進(jìn)行。這是由于密排面之間、密排方向之間的距離最大，結(jié)合力最弱。因此滑移面是晶體的密排面，滑移方向?yàn)樵摼w的密排方向。(5)滑移變形時晶體伴隨有轉(zhuǎn)動。如圖所示，在拉伸時，單晶體發(fā)生滑移，外力軸將發(fā)生錯動，產(chǎn)生一力偶，迫使滑移面向拉伸軸平行方向轉(zhuǎn)動。同時晶體還會以滑移面法線為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使滑移方向趨于最大切應(yīng)力方向。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形單晶體的滑移變形任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形滑移系:一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。如體心立方晶格中，(110)和[111]即組成一個滑移系。三種常見的晶格的滑移系見表4—1?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好?；品较?qū)谱饔帽然泼娲?，所以面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬不同晶格的滑移系一、金屬的塑性變形3.孿生(twin)、孿晶、孿晶帶：晶體在切應(yīng)力作用下，其一部分將沿一定的晶面(孿晶面)產(chǎn)生一定角度的切變，稱為孿生(twin)。其晶體學(xué)特征是晶體相對于孿晶面成鏡面對稱，如圖右圖所示。以孿晶面為對稱面的兩部分晶體稱為孿晶。發(fā)生孿生變形的部分稱為孿晶帶。孿晶中的晶格位向變化任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形4.孿生與滑移不同，它只在一個方向上產(chǎn)生切變。（1）孿生所產(chǎn)生的形變量很小，一般不一定是原子間距的整數(shù)倍。（2）孿生變形較滑移變形一次移動的原子較多，故其臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移所需的切應(yīng)力。例如鎂的孿生臨界切應(yīng)力為5MPa~35MPa，而滑移臨界切應(yīng)力僅為0.5MPa。（3）只有在滑移變形難于進(jìn)行時，才會產(chǎn)生孿生變形。密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，滑移系少，在不利于滑移取向時，塑性變形常以孿生變形的方式進(jìn)行。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形（二）多晶體的塑性變形

由于晶界的存在和每個晶粒中晶格位向不同，多晶體的塑性變形表現(xiàn)出不同于單晶體的特點(diǎn)。1．不均勻的塑性變形過程（1）每個晶粒的位向不同，其內(nèi)部的滑移面及滑移方向分布也不一致。（2）在外力作用下，各晶粒內(nèi)滑移系上的分切應(yīng)力不同。如圖下圖所示。多晶體金屬中各晶粒所處的位向任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形（3）有些晶粒所處的位向?yàn)橐谆莆幌?，有稱為“軟位向”。并將首先達(dá)到臨界分切應(yīng)力值而開始滑移。（4）還有一些晶粒所處的位向，最難滑移，被稱為“硬位向”。（5）首批處于軟位向的晶粒，在滑移過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。會導(dǎo)致從軟位向逐步到硬位向，不再繼續(xù)滑移。（6）鄰近未變形的硬位向晶粒轉(zhuǎn)動到“軟位向”并開始滑移。（7）多晶體的塑性變形，先發(fā)生于軟位向晶粒，后發(fā)展到硬位向晶粒，是一個塑性變形有先后和不均勻的塑性變形過程。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形2．晶粒間位向差阻礙滑移（1）各相鄰晶粒之間存在位向差。（2）當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，周圍的晶粒發(fā)生諧調(diào)塑性變形，保持晶粒間的連續(xù)性。（3）某晶粒發(fā)生滑移變形必須能帶動相鄰晶粒也發(fā)生相應(yīng)的滑移變形。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶圖1位錯在晶界處的堆積示意圖圖2晶界對拉伸變形的影響一、金屬的塑性變形3．晶界阻礙位錯運(yùn)動（1）晶界是相鄰晶粒的過渡區(qū)，原子排列不規(guī)則。（2）當(dāng)位錯運(yùn)動到晶界附近時，受到晶界阻礙而堆積起來(稱位錯的塞積)，如下圖1所示。若使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力。（3）晶界的變形抗力大于晶內(nèi)。下圖2所示為雙晶粒試樣的拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在晶界處變形很小，而遠(yuǎn)離晶界的晶粒內(nèi)變形量很大。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形4.細(xì)晶強(qiáng)化（1）金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多其塑性變形的抗力便越大，表現(xiàn)出強(qiáng)度越高。（2）金屬晶粒越細(xì)，有利于滑移和能參與滑移的晶粒數(shù)目也越多。總塑性變形量很大，塑性的提高。（3）細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

（一）冷塑性變形對金屬顯微組織的影響

1.顯微組織呈現(xiàn)纖維狀（1）金屬發(fā)生塑性變形后，晶粒形狀發(fā)生形變。纖維組織：原本等軸狀的晶粒沿形變方向相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)形變量很大時，晶粒變成細(xì)條狀或纖維狀，稱之為纖維組織，如下圖所示。變形前后晶粒形狀變化示意圖任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶（2）各向異性：導(dǎo)致沿纖維方向的力學(xué)性能比垂直纖維方向的高得多。2.組織內(nèi)的亞晶粒增多（1）金屬無塑性變形或塑性變形程度很小時，位錯分布是均勻的。（2）但在大量變形之后，晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯。如圖所示。金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)形變織構(gòu)示意圖任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

3.產(chǎn)生形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：金屬塑性變形到很大程度(70％以上)時，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向大致趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的(晶粒的位向大致趨近于一致的)結(jié)構(gòu)為形變織構(gòu)。（2）形變織構(gòu)分為兩種：1一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，稱為絲織構(gòu)。2另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向，稱為板織構(gòu)。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

（二）塑性變形對金屬性能的影響

1.加工硬化：隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化(也稱為形變強(qiáng)化)，如下圖所示。2.加工硬化的原因：位錯密度及其他晶體缺陷的增加是導(dǎo)致加工硬化。（1）隨著變形量增加，位錯密度急劇增高.位錯間的交互作用增強(qiáng)，引起塑性變形抗力提高。（2）(晶粒碎化導(dǎo)致)亞晶界的增多，這使強(qiáng)度得以提高。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

純銅冷軋后的力學(xué)性能與變形的關(guān)系任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶3.纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。（1）如沿纖維方向強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向的。（2）具有形變織構(gòu)的金屬，再結(jié)晶退火過程中極易形成再結(jié)晶織構(gòu)。（3）有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，在邊緣出現(xiàn)“制耳”，如圖所示。織構(gòu)造成的制耳示意圖任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

（4）織構(gòu)的各向異性應(yīng)用：制造變壓器鐵芯的硅鋼片，因沿[100]最易磁化，采用這種織構(gòu)可使鐵損大大減小，因而變壓器的效率大大提高。二、冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

4.塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。使電阻增大，耐腐蝕性降低。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶目的：為了消除冷變形加工以后的殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能(如提高塑性、韌性，降低硬度等)；進(jìn)一步的冷成形加工(例如深沖)困難，進(jìn)行退火處理，使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。對冷變形金屬加熱，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。如圖所示。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖三、回復(fù)與再結(jié)晶（一）回復(fù)1.回復(fù)：是指冷變形金屬在較低溫度加熱時，顯微組織無明顯改變前(即再結(jié)晶晶粒形成前)所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。2.產(chǎn)生回復(fù)的溫度為：T回＝(0.25—0.3)T熔點(diǎn)式中，T熔點(diǎn)——該金屬的熔點(diǎn)，單位為絕對溫度(K)。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶3.組織性能變化：（1）只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復(fù)合消失而大大減少。（2）晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯的變化。（3）材料的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性有一定提高，但殘余應(yīng)力則大大降低。（4）去應(yīng)力退火：利用回復(fù)現(xiàn)象既可消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織又保留了加工硬化效果。例如，用冷拉鋼絲卷制彈簧，在卷成之后都要進(jìn)行一次250～300℃的低溫處理，以消除內(nèi)應(yīng)力使其定形。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶（二）再結(jié)晶1、再結(jié)晶特點(diǎn)（1）再結(jié)晶組織性能變化：①晶粒的形狀發(fā)生變化。等軸晶粒取代被拉長及破碎的舊晶粒。②性能也發(fā)生明顯的變化?；謴?fù)到完全軟化狀態(tài)。（2）再結(jié)晶過程是一個形核和長大的過程。（3）再結(jié)晶過程并不是一個相變過程。新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。（4）再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生的。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶2、再結(jié)晶溫度：冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度，稱為再結(jié)晶溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)有如下關(guān)系：T再＝0.4T熔(T為絕對溫度)3、再結(jié)晶溫度影響因素。（1）預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量稱為預(yù)先變形度。預(yù)先變形度越大，金屬的晶體缺陷就越多，組織越不穩(wěn)定，最低再結(jié)晶溫度也就越低。當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)到一定大小后，金屬的最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值，如下圖所示。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶預(yù)先變形度對金屬再結(jié)晶溫度的影響三、回復(fù)與再結(jié)晶（2）金屬的熔點(diǎn)熔點(diǎn)越高，最低再結(jié)晶溫度也就越高。（3）雜質(zhì)與合金元素由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點(diǎn)元素，阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移，可顯著提高再結(jié)晶溫度。例如高純度鋁(99．999％)的最低再結(jié)晶溫度為80℃，而工業(yè)純鋁(99.0％)的最低再結(jié)晶溫度提高到了290℃。（4）加熱速度和保溫時間再結(jié)晶是一個擴(kuò)散過程，需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高度度下發(fā)生，而保溫時間越長，再結(jié)晶溫度越低。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶三、回復(fù)與再結(jié)晶（三）晶粒長大冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細(xì)小均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。我們應(yīng)當(dāng)避免這種使晶粒長大而導(dǎo)致晶粒粗化、力學(xué)性能變壞的情況。

任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形（一）熱加工與冷加工的區(qū)別1.通常以再結(jié)晶溫度作為冷加工和熱加工的分界。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。2.雖在較高溫度下進(jìn)行，但未能完全消除加工硬化，屬于冷加工。3.在完全消除加工硬化的溫度下所進(jìn)行的加工稱為熱加工。4.各種金屬材料的再結(jié)晶溫度相差很大。鎢在800℃變形仍為冷加工，而鉛在室溫變形就可稱為熱加工。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形（二）熱加工對金屬組織性能的影響熱加工不引起金屬的加工硬化，但因有回復(fù)和再結(jié)晶過程產(chǎn)生，金屬的組織和性能也發(fā)生顯著變化。1.改善鑄錠組織通過熱加工(如熱軋、鍛造等)可使金屬毛坯中的氣孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，將粗大的柱狀晶粒與枝晶變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸晶粒；改善夾雜物、碳化物的形態(tài)、大小、分布；其結(jié)果可使金屬材料致密程度與力學(xué)性能提高。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形2.細(xì)化晶粒（1）熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶作用，一般可使晶粒細(xì)化，因而可以提高金屬的力學(xué)性能。（2）終止加工的溫度過高，再結(jié)晶晶核長大又快，加工后得到粗大晶粒：相反則得到細(xì)小晶粒。（3）終止加工溫度不能過低，否則造成形變強(qiáng)化及殘余應(yīng)力。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形3.形成鍛造流線（1）鍛造流線（熱變形纖維組織）產(chǎn)生原因：金屬內(nèi)部的夾雜物(如MnS等)在高溫下具有一定的塑性，在熱變形過程中金屬錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使金屬錠中枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐步與變形方向一致，使之變成條狀帶、線狀或片層狀，宏觀試樣在變形方向呈現(xiàn)為一條條的細(xì)線，這就是熱變形金屬中的流線。這種組織稱為熱變形纖維組織。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形（2）鍛造流線使金屬材料的性能在不同的方向上有明顯的差異。通常沿流線的方向，其抗拉強(qiáng)度及韌性高，而抗剪強(qiáng)度低。在垂直于流線方向上，抗剪強(qiáng)度較高，而抗拉強(qiáng)度較低。（3）采用正確的熱加工工藝，可以使流線合理分布，以保證金屬材料的力學(xué)性能。任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶四、金屬的熱塑性變形圖中a為鍛造曲軸，圖中b所示為切削加工曲軸的流線分布。鍛造曲軸流線分布合理，力學(xué)性能將較高。在生產(chǎn)上，采用鍛造方法以制造齒輪及中小型曲軸，用局部鐓粗法制造螺栓。曲軸流線示意圖任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶（4）熱處理方法是不能消除或改變工件中的流線分布的，而只能依靠適當(dāng)?shù)乃苄宰冃蝸砀纳屏骶€的分布。四、金屬的熱塑性變形4.形成帶狀組織（1）鋼中出現(xiàn)沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植嫉娘@微組織，稱為帶狀組織。（2）若鋼在鑄態(tài)下存在嚴(yán)重的夾雜物偏析。（3）熱變形加工時的溫度過低。（4）帶狀組織使鋼的性能變壞，特別是橫向的塑性、韌性降低。鋼中帶狀組織任務(wù)三金屬的塑性變形與再結(jié)晶思考題：1材料的使用性能與工藝性能有何區(qū)別?2舉例說明高熔點(diǎn)的金屬和低熔點(diǎn)的金屬各有什么用途?3常用的硬度測量方法有哪些？4什么叫金屬的疲勞破壞？疲勞破壞有何特征？5材料的工藝性能有何意義？常用的工藝性能有哪些？6什么叫晶體？常見的金屬晶體有哪幾類？7晶體缺陷有哪幾類？它們對力學(xué)性能有什么影響？8簡述晶粒大小和力學(xué)性能的關(guān)系。9什么是加工硬化？它在生產(chǎn)中有何利弊？10舉例說明熱加工與冷加工的本質(zhì)區(qū)別是什么。課題一金屬材料的基礎(chǔ)知識ThankYou!Yourcompanysloganinhere(第四版)《模具材料與熱處理》新世紀(jì)高職高專教材編審委員會組編主編吳元徽趙利群主審雷勇濤課題二鋼的熱處理任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖任務(wù)二認(rèn)識鋼的組織轉(zhuǎn)變?nèi)蝿?wù)三掌握鋼的整體熱處理任務(wù)五了解熱處理新技術(shù)任務(wù)四熟悉鋼的表面熱處理任務(wù)鋼鐵材料是現(xiàn)代模具工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，數(shù)控車床是加工模具最常用的設(shè)備，生產(chǎn)中的碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金。不同的材料，其性能不同，應(yīng)用的范圍也不同。請確定圖中各部件用什么材料制造，分析碳含量和性能之間的關(guān)系，通過分析，掌握鐵碳合金相圖的應(yīng)用知識。

圖2-1數(shù)控車床示意圖任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖任務(wù)分析圖2-1所示的數(shù)控車床的防護(hù)罩、控制面板、冷卻液箱和排屑機(jī)殼等部件，都是沖壓加工并焊接成型的，因此應(yīng)選用具有一定強(qiáng)度并且塑性好的低碳鋼;而床身、尾座架及主軸電動機(jī)殼則由于這些部位對力學(xué)性能要求不高，大都是鑄造成型的，所以可優(yōu)先選用鑄鐵，因?yàn)殍T鐵生產(chǎn)成本低廉，具有優(yōu)良的鑄造性，其切削加工性、減振性及耐磨性都較好，剛好可以滿足其使用性能的要求;而主軸和回轉(zhuǎn)刀架不但對于強(qiáng)度有較高的要求，而且要能經(jīng)受一定的沖擊載荷，其沖擊韌性要求要好，所以一般選用45鋼等中碳鋼調(diào)質(zhì)處理。

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

金屬的結(jié)晶是鑄錠、鑄件及焊接件生產(chǎn)中的重要過程，這個過程決定了工件的組織和性能，并直接影響隨后的鍛壓和熱處理等工藝性能及零件的使用性能。相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解，是人們研究物質(zhì)相變的過程及產(chǎn)物的有效工具。在生產(chǎn)中，相圖可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)范的主要依據(jù)。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

結(jié)晶：金屬與合金從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。金屬材料冶煉后，澆注到錠?；蜩T模中，通過冷卻，液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，獲得一定形狀的鑄錠或鑄件。固態(tài)金屬處于晶體狀態(tài)，因此金屬從液態(tài)（非晶態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過程稱為結(jié)晶過程。（如圖）通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結(jié)晶，而把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。結(jié)晶過程是一個十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它不僅是材料從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，也是一個相變過程。因此，掌握結(jié)晶過程的基本規(guī)律將為研究其它相變奠定基礎(chǔ)。為了揭示結(jié)晶的基本規(guī)律，將先從結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象入手，進(jìn)而再去研究結(jié)晶過程的微觀本質(zhì)。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

（一）純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象1、冷卻曲線通過實(shí)驗(yàn)，測得液體金屬在結(jié)晶時的溫度-時間曲線稱為冷卻曲線。圖2-4是純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線（1）熱分析法：先將金屬熔化，然后以極緩慢的速度進(jìn)行冷卻在冷卻過程中，每隔一定時間，記錄一個溫度值，并以溫度為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，作出溫度與時間的關(guān)系曲線。（2）結(jié)晶潛熱：一摩爾物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相時，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。金屬熔化時從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗍俏諢崃?，稱為熔化潛熱；而結(jié)晶時從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄤t放出熱量稱為結(jié)晶潛熱。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

圖2-2熱分析裝置示意圖純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

從圖中曲線上可以看出，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的增加，由于它的熱量向外散失，溫度將不斷地降低。當(dāng)冷卻到某一溫度時，冷卻時間雖然增長，但溫度不并不下降，在曲線上出現(xiàn)了一個平臺，這個平臺所對應(yīng)的溫度就是純金屬進(jìn)行結(jié)晶的溫度。因此純金屬都有一個固定的熔點(diǎn)（或結(jié)晶溫度）從圖中曲線上可以看出，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)T0時，并未開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到T0之下某一溫度T1，液態(tài)金屬才開始結(jié)晶。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

2、純金屬結(jié)晶的條件過冷現(xiàn)象:實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）：純金屬液體在無限緩慢的冷卻條件下（平衡條件）結(jié)晶的溫度。實(shí)際結(jié)晶溫度：純金屬液體在快速冷卻條件下結(jié)晶的溫度過冷度：理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度T1之差叫做過冷度,用ΔT表示。ΔT=T0-T1金屬結(jié)晶時的過冷度不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越快，實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，即過冷度越大。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

（二）純金屬的結(jié)晶過程從微觀的角度看，金屬結(jié)晶是由晶核的形成和長大這兩個基本過程組成。

（1）晶核的形成

液體中最初形成的一些作為結(jié)晶中心的穩(wěn)定的微小晶體稱為晶核，它的形成有兩種方式。自發(fā)形核和非自發(fā)形核。（2）晶核的長大

晶核形成后，隨后便是長大。晶核長大的實(shí)質(zhì)，就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

自發(fā)形核在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團(tuán)。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個過程叫自發(fā)形核。這種由液態(tài)金屬內(nèi)部由金屬原子自發(fā)形成的晶核叫自發(fā)晶核。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

非自發(fā)形核實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個過程叫非自發(fā)形核。這種依附于雜質(zhì)而形成的晶核叫做非自發(fā)晶核。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

金屬的結(jié)晶過程如圖2-5所示。液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時，首先形成晶核，在繼續(xù)冷卻的過程中，晶核吸收周圍的原子而長大，與此同時，又有新的晶核不斷地形核和長大，直至相鄰晶體彼此接觸，液態(tài)金屬完全消失，最后得到由許多形狀、大小和晶格位向都不相同的小晶粒組成的多晶體。圖2-5純金屬結(jié)晶過程示意圖任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

（三）金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒是構(gòu)成金屬晶體的最小單位，晶粒大小是金屬組織的重要標(biāo)志之一。1．晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的指標(biāo)，可用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。工業(yè)上通常采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度分為八級，一級最粗，八級最細(xì)。2．晶粒大小對金屬性能的影響

一般來說，金屬的晶粒越細(xì)，常溫下的機(jī)械性能越好。所以細(xì)化金屬晶粒是提高其常溫性能的最佳手段之一。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

3．晶粒大小的控制

（1）決定晶粒度的因素

結(jié)晶時，每個晶核都長大形成一個晶粒，所以在長大速度相同的情況下，形核越多，晶粒越細(xì)。通常把單位時間單位體積內(nèi)形成晶核的數(shù)目叫做形核率（N）；把晶核在單位時間內(nèi)生長的長度叫做長大速率（G）。其比值N/G越大，晶粒越細(xì)小。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖（2）控制晶粒度的方法

a）增加過冷度：如金屬型鑄造

b）變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前加入變質(zhì)劑，以增加形核率或降低長大速率，從而細(xì)化晶粒的方法。c）附加振動：使生長中的枝晶破碎。d）降低澆注速度：沖擊碎化先形成晶粒。一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

（四）鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵具有多晶型性，圖2-6是鐵的冷卻曲線。1.純鐵在1538℃結(jié)晶為δ-Fe，它具有體心立方晶格。圖2-6純鐵的冷卻曲線任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

2.當(dāng)溫度繼續(xù)冷卻至1394℃時，δ—Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩谩狥e，通常把δ—Fe→γ—Fe的轉(zhuǎn)變稱為A4轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為A4點(diǎn)。3.當(dāng)溫度繼續(xù)冷卻至912℃時，面心立方晶格的γ-Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α—Fe，把γ—Fe→α—Fe的轉(zhuǎn)變稱為A3轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為A3點(diǎn)。

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖一、純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

4.在912℃以下，鐵的晶體結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。因此，鐵具有三種同素異晶狀態(tài)，即δ-Fe、γ-Fe和α—Fe。5.α—Fe在770℃還將發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，即由高溫的順磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蔫F磁性狀態(tài)。稱為A2轉(zhuǎn)變，把磁性轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵的居里點(diǎn)。磁性轉(zhuǎn)變時，鐵的晶格類型不變，所以磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

（一）鐵碳合金的基本組織鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的二元合金，其組織是隨成分、溫度的不同而變化的，但歸納起來仍然是固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三種形態(tài)。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖包括鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體（1）鐵素體碳溶解在α-Fe中所形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號“F”來表示。由于碳和鐵的原子直徑和晶格類型存在很大差異，所以當(dāng)它們以固溶體的形式結(jié)合時，只能是間隙固溶體。而α-Fe是體心立方晶格，晶格間隙半徑較小，因此碳在α-Fe中的固溶度也較小。在727℃時，α-Fe中碳的最大溶解量僅為Wc=0.0218%，并隨著溫度的下降而逐漸減小，至室溫時降到最低點(diǎn)Wc=0.0008%。鐵素體是鐵碳合金在室溫下的主要組織，起著基體相的作用。由于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚微，固溶強(qiáng)化作用小，所以鐵素體的性能與純鐵相似，即具有良好的塑性、較低的強(qiáng)度和硬度。

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

（2）奧氏體碳溶解在γ-Fe中所形成的間隙固溶體稱為奧氏體，以符號“A”表示。和鐵素體相同，當(dāng)碳原子溶入γ-Fe形成奧氏體時，也只能是間隙固溶體?？墒怯捎诿嫘牧⒎骄Ц竦目障遁^集中，有利于碳原子的溶入，所以奧氏體的固溶度比鐵素體大得多，它的最大固溶度為Wc=2.11%（1148℃）。奧氏體是鐵碳合金的高溫組織，在平衡條件下，它的最低存在溫度是727℃，此時奧氏體的Wc=0.77%。雖然奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于鐵素體，但由于晶格類型的原因，其性能特點(diǎn)仍然是塑性好，而強(qiáng)度、硬度低，是絕大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造和軋制時所要求的組織。另外，奧氏體的一個重要物理性能是沒有鐵磁性。

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

（3）滲碳體滲碳體是鐵和碳以一定比例化合而成的亞穩(wěn)定的金屬化合物，其分子式為Fe3C，以符號“Cm”來表示。它的Wc=6.69%，是一個固定值。滲碳體具有復(fù)雜晶格，其性能特點(diǎn)是高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)，并且?guī)缀鯖]有塑性，它是鐵碳合金中的強(qiáng)化相。通過不同的熱處理方法，可以改變滲碳體在鐵碳合金中的形態(tài)、大小、多少及分布，從而改變材料的性能。這正是熱處理的重要原理之一。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

（4）珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體所組成的機(jī)械混合物，它是平衡條件下Wc=0.77%的奧氏體在727℃進(jìn)行共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，以符號“P”表示。珠光體中的鐵素體和滲碳體呈片層相間的形態(tài)，稱為片狀珠光體。經(jīng)過一定的處理，可以得到鐵素體基體上分布著顆粒狀的滲碳體，稱為粒狀（球狀）珠光體。珠光體的強(qiáng)度、硬度較鐵素體高，但塑性、韌性差。在硬度相同的情況下，球狀珠光體的塑性、韌性要好于片狀珠光體。由此可見，珠光體的力學(xué)性能主要取決于其組成相的形態(tài)、大小和分布。

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（5）萊氏體萊氏體是Wc=4.3%的鐵碳合金，在1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而從液相中同時析出的奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號“Ld”來表示。由于奧氏體在727℃時還將轉(zhuǎn)變成珠光體，所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種機(jī)械混合物稱為低溫萊氏體，用“L′d”來表示。萊氏體的力學(xué)性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

1、特征點(diǎn)符號

溫度,℃

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω(C)%

含

義

A

1538

0

純鐵的熔點(diǎn)

B

1495

0.53

包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分

C

1148

4.30

共晶點(diǎn)Lc

→

AE+Fe3C

D

1227

6.69

Fe3C的熔點(diǎn)

E

1148

2.11

碳在γ-Fe中的最大溶解度

F

1148

6.69

Fe3C的成分

G

912

0

α-Fe→

γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A3)

H

1495

0.09

碳在δ-Fe中的最大溶解度

J

1495

0.17

包晶點(diǎn)LB+δH

→

AJ

K

727

6.69

Fe3C的成分

N

1394

0

γ-Fe→

δ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A4)

P

727

0.0218

碳在α-Fe中的最大溶解度

S

727

0.77

共析點(diǎn)(A1)AS→FP+Fe3C

Q

600

0.0057

600℃時碳在α-Fe中的溶解度

(室溫)

(0.0008)

任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析

2、主要特性線相圖中各不同成分的合金具有相同意義的臨界點(diǎn)的邊線。（1）ACD線：液相線，在此線以上合金處于液體狀態(tài)，用符號“L”表示，合金冷卻到此線時開始結(jié)晶。結(jié)晶開始線（2）AECF線：固相線，液體合金冷卻至此線全部結(jié)晶為固體，此線以下為固相線。結(jié)晶終了線（3）ECF水平線：共晶線，在此線上的液態(tài)合金冷卻時將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。Lc→Ld(AE+Fe3C)高溫萊氏體：奧氏體與滲碳體的共晶混和物,以符號Ld表示低溫萊氏體：珠體體與滲碳體的共晶混和物,以符號Ld′表示性能：與滲碳體相似，硬度很高，塑性、韌性極差任務(wù)一分析并應(yīng)用鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖的分析