第一章金屬材料的力學(xué)性能

1、第1章 工程材料各類機(jī)電產(chǎn)品，大多是由種類繁多、性能各異的工程材料通過(guò)加工制成的零件構(gòu)成的。工程材料分金屬材料和非金屬材料，其中金屬材料是工程中應(yīng)用最廣泛的。本章主要介紹金屬材料的力學(xué)性能、組織、熱處理工藝等基本知識(shí)，以及常用金屬材料和非金屬材料的應(yīng)用知識(shí)。 11金屬材料的力學(xué)性能 金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料在使用過(guò)程中應(yīng)具備的性能，它包括力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等）、物理性能（密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等）和化學(xué)性能（耐蝕性、抗氧化性等）。工藝性能是金屬材料從冶煉到成品的生產(chǎn)過(guò)程中，適應(yīng)各種加工工藝（如：冶煉、鑄造、冷熱壓力加工

2、、焊接、切削加工、熱處理等）應(yīng)具備的性能。 金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在載荷作用時(shí)所表現(xiàn)的性能。這些性能是機(jī)械設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝評(píng)定及材料檢驗(yàn)的主要依據(jù)。111 強(qiáng)度 金屬材料的強(qiáng)度、塑性一般可以通過(guò)金屬拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。1拉伸試樣拉伸試樣的形狀通常有圓柱形和板狀兩類。圖1.1.1（a）所示為圓柱形拉伸試樣。在圓柱形拉伸試樣中d0為試樣直徑，0為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，根據(jù)標(biāo)距長(zhǎng)度和直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長(zhǎng)試樣（0=10d0）和短試樣（0=5d0）。 2拉伸曲線 試驗(yàn)時(shí),將試樣兩端夾裝在試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭上,隨后緩慢地增加載荷,隨著載荷的增加,試樣逐步變形而伸長(zhǎng),直到被拉斷為止。在試驗(yàn)過(guò)程中，試

3、驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄了每一瞬間負(fù)荷F和變形量，并給出了它們之間的關(guān)系曲線，故稱為拉伸曲線（或拉伸圖）。拉伸曲線反映了材料在拉伸過(guò)程中的彈性變形、塑性變形和直到拉斷時(shí)的力學(xué)特性。 圖1.1.1(b)為低碳鋼的拉伸曲線。由圖可見(jiàn)，低碳鋼試樣在拉伸過(guò)程中，可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。圖1.1.1拉伸試樣與拉伸曲線a)拉伸試樣 b) 拉伸曲線 當(dāng)載荷不超過(guò)Fp時(shí)，拉伸曲線OP為一直線，即試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比地增加，如果卸除載荷，試樣立即恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，即試樣處于彈性變形階段。載荷在Fp-Fe間，試樣的伸長(zhǎng)量與載荷已不再成正比關(guān)系，但若卸除載荷，試樣仍然恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，故仍處于彈性變形階段。

4、 當(dāng)載荷超過(guò)Fe后，試樣將進(jìn)一步伸長(zhǎng)，但此時(shí)若卸除載荷，彈性變形消失，而有一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，稱為塑性變形或永久變形。 當(dāng)載荷增加到Fs時(shí)，試樣開(kāi)始明顯的塑性變形，在拉伸曲線上出現(xiàn)了水平的或鋸齒形的線段，這種現(xiàn)象稱為屈服。 當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生了頸縮現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸減少，故載荷也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上的k點(diǎn)時(shí)，試樣就被拉斷。 3強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下,抵抗塑性變形和斷裂的能力。 （1）彈性極限 金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力稱為彈性極限，用符號(hào)e表示： Fe e = Ao式中

5、Fe 試樣產(chǎn)生彈性變形時(shí)所承受的最大載荷； Ao 試樣原始橫截面積。 （2）屈服強(qiáng)度 金屬材料開(kāi)始明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用符號(hào)s表示： Fs s = Ao式中 Fs 試樣屈服時(shí)的載荷； Ao 試樣原始橫截面積。 生產(chǎn)中使用的某些金屬材料，在拉 圖1.1.2屈服強(qiáng)度測(cè)定伸試驗(yàn)中不出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，無(wú)法確定其屈服點(diǎn)s。所以國(guó)標(biāo)中規(guī)定，以試樣塑性變形量為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí),材料承受的應(yīng)力稱為“條件屈服強(qiáng)度”,并以符號(hào)0.2表示。0.2的確定方法如圖1.1.2所示：在拉伸曲線橫坐標(biāo)上截取C點(diǎn)，使OC=0.2%0，過(guò)C點(diǎn)作OP斜線的平行線，交曲線于S點(diǎn)，則可找出相應(yīng)的載荷F0.2

6、,從而計(jì)算出0.2。（3）抗拉強(qiáng)度（又稱強(qiáng)度極限） 金屬材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用符號(hào)b表示： Fb b= Ao式中 Fb 試樣在斷裂前的最大載荷； Ao 試樣原始橫截面積。 脆性材料沒(méi)有屈服現(xiàn)象，則用b作為設(shè)計(jì)依據(jù)。112塑性 金屬材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性。常用的塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率（）和斷面收縮率（y）。1伸長(zhǎng)率 試樣拉斷后，標(biāo)距長(zhǎng)度的增加量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比稱為伸長(zhǎng)率，用d表示： 1 0 = 100% 0式中 0試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)； l試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)。 材料的伸長(zhǎng)率隨標(biāo)距長(zhǎng)度增加而減少。所以，同一材料短試樣的伸長(zhǎng)率d5大于長(zhǎng)試

7、樣的伸長(zhǎng)率d10。 2斷面收縮率 試樣拉斷后，標(biāo)距橫截面積的縮減量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用y表示： A0 A1 y = 100% A0式中 A0試樣原橫截面積(mm)； A1試樣拉斷后最小橫截面積(mm )； d、y是衡量材料塑性變形能力大小的指標(biāo)，d、y大，表示材料塑性好，既保證壓力加工的順利進(jìn)行，又保證機(jī)件工作時(shí)的安全可靠。 金屬材料的塑性好壞，對(duì)零件的加工和使用都具有重要的實(shí)際意義。塑性好的材料不僅能順利地進(jìn)行鍛壓、軋制等成型工藝，而且在使用時(shí)萬(wàn)一超載，由于塑性變形，能避免突然斷裂。1.1.3 硬度 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。它是指金屬表面抵抗局部塑性變形或破壞的能

8、力，是檢驗(yàn)毛坯或成品件、熱處理件的重要性能指標(biāo)。目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的靜負(fù)荷壓入法硬度試驗(yàn)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。 1布氏硬度 布氏硬度試驗(yàn)原理如圖1.1.3所示。它是用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量試樣表面的壓痕直徑。布氏硬度值HBS或HBW是試驗(yàn)力F除以壓痕球形表面積所得的商，即：式中 F壓入載荷(N)； A壓痕表面積(mm2)； d壓痕直徑(mm)； D淬火鋼球(或硬質(zhì)合金球)直徑(mm)； 布氏硬度值的單位為MPa,一般情況下可不標(biāo)出； 壓頭為淬火鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以

9、下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用HBW表示，適用于布氏硬度值在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前為硬度值，符號(hào)后面按以下順序用數(shù)值表示試驗(yàn)條件： (1)球體直徑； (2)試驗(yàn)力；(3)試驗(yàn)力保持時(shí)間(1015s不標(biāo)注)。 例如：125HBSl0/1000/30表示用直徑10mm淬火鋼球在10009.8N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為125；500HBW5750表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7509.8N試驗(yàn)力作用下保持1015s測(cè)得的布氏硬度值為500。 布氏硬度試驗(yàn)是在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。當(dāng)FD2的比值保持一定時(shí)，能使同一材料所得的布氏硬度值相同，不同材料的硬度值可以比較。試

10、驗(yàn)后用讀數(shù)顯微鏡在兩個(gè)垂直方向測(cè)出壓痕直徑，根據(jù)測(cè)得的d值查表求出布氏硬度值。 布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)出的硬度值準(zhǔn)確可靠，因壓痕面積大，能消除因組織不均勻引起的測(cè)量誤差；布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度之間有近似的正比關(guān)系：sbKHBS(或HBW)（低碳鋼K0.36，合金調(diào)質(zhì)鋼K0.325；灰鑄鐵K0.1)。 布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：當(dāng)用淬火鋼球時(shí)不能用來(lái)測(cè)量大于450HBS的材料；用硬質(zhì)合金球時(shí)，亦不宜超過(guò)650HBW；壓痕大，不適宜測(cè)量成品件硬度，也不宜測(cè)量薄件硬度；測(cè)量速度慢，測(cè)得壓痕直徑后還需計(jì)算或查表。 圖1.1.3布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖 圖1.1.4洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖 2洛氏硬度 以頂角為120的金

11、剛石圓錐體或一定直徑的淬火鋼球作壓頭,以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面，根據(jù)壓痕的深度確定被測(cè)金屬的硬度值。如圖1.1.4所示當(dāng)載荷和壓頭一定時(shí)，所測(cè)得的壓痕深度h(h3-h1)愈大，表示材料硬度愈低，一般來(lái)說(shuō)人們習(xí)慣數(shù)值越大硬度越高。為此，用一個(gè)常數(shù)K(對(duì)HRC,K為0.2；HRB，K為0.26)減去h，并規(guī)定每0.002mm深為一個(gè)硬度單位，因此，洛氏硬度計(jì)算公式是： 根據(jù)所加的載荷和壓頭不同，洛氏硬度值有三種標(biāo)度：HRA、HRB、HRC，常用HRC，其有效值范圍是20-67HRC。 洛氏硬度是在洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其硬度值可直接從表盤(pán)上讀出。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB230-83和ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)R80

12、規(guī)定，洛氏硬度符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面的字母表示級(jí)數(shù)。如60HRC表示C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為60。 洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可以測(cè)定軟、硬金屬的硬度；壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。但壓痕小，測(cè)量組織不均勻的金屬硬度時(shí)，重復(fù)性差，而且不同的硬度級(jí)別測(cè)得硬度值無(wú)法比較。 3維氏硬度 維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，同樣是根據(jù)壓痕單位面積上所受的平均載荷計(jì)量硬度值，不同的是維氏硬度的壓頭采用金剛石制成的錐面夾角a為136的正四棱錐體，如圖1.1.5所示。 維氏硬度試驗(yàn)是在維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試樣大小、厚薄選用(5120)9.8N載荷壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后去除載荷，

13、用附在試驗(yàn)機(jī)上測(cè)微計(jì)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d,然后通過(guò)查表或根據(jù)下式計(jì)算維氏硬度值：HV=F/A=(1.85440.102F/d2)MPa式中 A壓痕的面積(mm) d壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度(mm); F試驗(yàn)載荷(N)。 根據(jù)國(guó)標(biāo)(GB4340-84)和ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)R81規(guī)定,維氏硬度符號(hào)HV前是硬度值，符號(hào)HV后附以試驗(yàn)載荷。如640HV30/20表示在309.8N作用下保持20s后測(cè)得的維氏硬度值為640。 圖1.1.5維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖 維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)加載小，壓痕深度淺，可測(cè)量零件表面淬硬層，測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度d誤差小，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)率比洛氏硬度試驗(yàn)低，不宜于成批生產(chǎn)檢驗(yàn)。114 沖擊韌性 生

14、產(chǎn)中許多機(jī)器零件，都是在沖擊載荷(載荷以很快的速度作用于機(jī)件)下工作。試驗(yàn)表明，載荷速度增加，材料的塑性、韌性下降，脆性增加，易發(fā)生突然性破斷。因此，使用的材料就不能用靜載荷下的性能來(lái)衡量，而必須用抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力，即沖擊韌性來(lái)衡量。 目前應(yīng)用最普遍的是一次擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)。將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的兩支座上，使試樣缺口背向擺錘沖擊方向(圖1.1.6)，然后把質(zhì)量為m的擺錘提升到h1高度，擺錘由此高度下落時(shí)將試樣沖斷,并升到h2高度。因此沖斷試樣所消耗的功為Ak=mg(h1-h2)。金屬的沖擊韌性ak就是沖斷試樣時(shí)在缺口處單位面積所消耗的功即：ak =Ak/A(J/cm2)式中

15、 ak沖擊韌性(J/cm2)； A試樣缺口處原始截面積(cm2)； Ak沖斷試樣所消耗的功(J)。圖1.1.6沖擊試驗(yàn)原理1-支座 2-試樣 3-指針 4-擺錘 沖擊吸收功Ak值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤(pán)上直接讀出。Ak值的大小，代表了材料的沖擊韌性高低。材料的沖擊韌性值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。所以，沖擊韌性除了用來(lái)表征材料的韌性大小外，還用來(lái)測(cè)量金屬材料隨環(huán)境溫度下降由塑性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，也用來(lái)考查材料對(duì)于缺口的敏感性。1.1.5 疲勞強(qiáng)度 許多機(jī)械零件是在交變應(yīng)力作用下工作的，如軸類、彈簧、齒輪、滾動(dòng)軸承等。雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈

16、服強(qiáng)度,但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會(huì)發(fā)生斷裂,這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。它與靜載荷下的斷裂不同，斷裂前無(wú)明顯塑性變形,因此,具有更大的危險(xiǎn)性。 交變應(yīng)力大小和斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系通常用疲勞曲線來(lái)描述（圖1.1.7）。疲勞曲線表明，當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)次數(shù)無(wú)窮多也不發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。光滑試樣的對(duì)稱彎曲疲勞極限用-1表示。在疲勞強(qiáng)度的測(cè)定中， 圖1.1.7鋼的疲勞曲線不可能把循環(huán)次數(shù)作到無(wú)窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作為基數(shù)，超過(guò)這個(gè)基數(shù)就認(rèn)為不再發(fā)生疲勞破壞。常用鋼材的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。 疲勞破斷常發(fā)生金屬材料最薄弱的部位，如熱處理

17、產(chǎn)生的氧化、脫碳、過(guò)熱、裂紋；鋼中的非金屬夾雜物、試樣表面有氣孔、劃痕等缺陷均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使疲勞強(qiáng)度下降。為了提高疲勞強(qiáng)度加工時(shí)要降低零件的表面粗糙度和進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，如表面淬火、滲碳、氮化、噴丸等，使零件表層產(chǎn)生殘余的壓應(yīng)力，以抵消零件工作時(shí)的一部分拉應(yīng)力，從而使零件的疲勞強(qiáng)度提高。12 鐵碳合金121 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1晶體的基本概念 （1）晶體 自然界中的固態(tài)物質(zhì)，雖然外形各異、種類繁多，但都是由原子或分子堆積而成的。根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況，通?？梢苑譃榫w和非晶體兩大類。晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性的重復(fù)排列；非晶體中的這些質(zhì)點(diǎn)，則是雜亂無(wú)章

18、的堆積在一起無(wú)規(guī)則可循。這就是晶體和非晶體的根本區(qū)別。晶體有一定的熔點(diǎn)且性能呈各向異性，而非晶體與此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蠟等少數(shù)物質(zhì)以外，包括金屬和合金在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。 （2）晶格、晶胞、晶格常數(shù)圖121晶體結(jié)構(gòu)示意圖為了清楚地表明原子在空間的排列規(guī)則，可以把原子看成是一個(gè)幾何質(zhì)點(diǎn)，把原子之間的相互聯(lián)系與作用假想為幾何直線，這樣一來(lái)晶體結(jié)構(gòu)就可以直接用幾何學(xué)來(lái)討論了。這種用于描述原子在晶體中排列規(guī)則的三維空間幾何點(diǎn)陣稱為晶格。圖121b是簡(jiǎn)單立方晶格的示意圖。晶體中原子排列規(guī)律是具有明顯的周期性變化。因此在晶格中就存在一個(gè)能夠代表晶格特征的最小幾何單元，稱之為晶胞

19、。圖121c是一個(gè)簡(jiǎn)單立方晶格的晶胞示意圖。晶胞在空間的重復(fù)排列就構(gòu)成整個(gè)晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶體的特征。在晶體學(xué)中，用來(lái)描述晶胞大小與形狀的幾何參數(shù)稱為晶格常數(shù)。包括晶胞的三個(gè)棱邊a、b、c和三個(gè)棱邊夾角、共六個(gè)參數(shù)。 2常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu) （1）體心立方晶格體心立方晶胞如圖122（a）（b）所示。在晶胞的八個(gè)角上各有一個(gè)金屬原子，構(gòu)成立方體。在立方體的中心還有一個(gè)原子，所以叫作體心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鉻、釩、鎢、鉬和-鐵等。圖122體心立方晶格 圖123面心立方晶格 （2）面心立方晶格面心立方晶格如圖123（a）（b）所示。在晶胞的八個(gè)角上各有一個(gè)原子，構(gòu)成立

20、方體。在立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，所以叫做面心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛和r-鐵等。 （3）密排六方晶格 圖124密排六方晶格密排六方晶格如圖124（a）（b）所示。在晶胞的十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，構(gòu)成六方柱體。上下底面中心各有一個(gè)原子。晶胞內(nèi)部還有三個(gè)原子，所以叫做密排六方晶格。屬于這類晶格的金屬有鈹、鋅、-鈦和-鉻等。 3金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) （1）單晶體與多晶體的概念把晶體看成有原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成，即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體，如圖125a所示。在工業(yè)生產(chǎn)中，只有經(jīng)過(guò)特殊制作才能獲得單晶體，如半導(dǎo)體元件、磁性材料、高溫合金材

21、料等。而一般的金屬材料，即使一塊很小的金屬中也含有許多顆粒狀小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)部的晶格位向是一致的，而每個(gè)小晶體彼此間位向卻不同，這種外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體通常稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。顯然晶界處的原子排列為適應(yīng)兩晶粒間 不同晶格位向的過(guò)渡，總是不規(guī)則的。 圖125單晶體與多晶體示意圖這種實(shí)際上由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。如圖125b所示。 單晶體在不同方向上的物理、化學(xué)和力學(xué)性能不相同，即為各向異性。而實(shí)際金屬是多晶體結(jié)構(gòu)，故宏觀上看就顯示出各向同性的性能。（2）晶體中的缺陷晶體中原子完全為規(guī)則排列時(shí)，稱為理想晶體。實(shí)際上金屬由于多種原因的影響，內(nèi)部存在著大量的缺陷。

22、晶體缺陷的存在對(duì)金屬的性能有著很大的影響。這些晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。 1）點(diǎn)缺陷最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷是空位和間隙原子，如圖126所示。因?yàn)檫@些點(diǎn)缺陷的存在，會(huì)使其周圍的晶格發(fā)生畸變，引起性能的變化。晶體中晶格空位和間隙原子都處在不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，晶格空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式之一，這對(duì)熱處理過(guò)程起著重要的作用。 2）線缺陷 晶體中的線缺陷通常是各種類型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排有許多類型，其中比較簡(jiǎn)單的一種形式就是刃型位錯(cuò)。如圖127所示。位錯(cuò)密度愈大，塑性變形抗力愈大。因此，目前通過(guò)塑性變形，提

23、高位錯(cuò)密度，是強(qiáng)化金屬的有效途徑之一。圖126空位和間隙原子示意圖 圖127刃型位錯(cuò)立體模型3）面缺陷 面缺陷即晶界和亞晶界。晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間原子無(wú)規(guī)則排列的過(guò)渡層，如圖128所示。實(shí)驗(yàn)證明，晶粒內(nèi)部的晶格位向也不是完全一致的，每個(gè)晶粒皆是有許多位向差很小的小晶塊互相鑲嵌而成的，這些小晶塊稱為亞組織。亞組織之間的邊界稱為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所形成的小角度晶界，如圖129所示。晶界和亞晶界處表現(xiàn)出有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì)小晶界和亞晶界越多，它對(duì)塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度越高。晶界還有耐蝕性低、熔點(diǎn)低，原子擴(kuò)散速度較快的特點(diǎn)。圖128晶界的過(guò)渡結(jié)構(gòu)

24、示意圖 圖129亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖 4純金屬的結(jié)晶 （1）純金屬的冷卻曲線和冷卻現(xiàn)象 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程叫做結(jié)晶。了解金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程是十分必要的。現(xiàn)以純金屬為例說(shuō)明如下：純金屬由液態(tài)向固態(tài)的冷卻過(guò)程，可用冷卻過(guò)程中所測(cè)得的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線冷卻轉(zhuǎn)變曲線來(lái)表示，這種方法稱熱分析法。所測(cè)得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度（T0）。在實(shí)際生產(chǎn)中，純金屬自液態(tài)冷卻時(shí)，是有一定冷卻速度，有時(shí)甚至很大，在這種情況下，純金屬的結(jié)晶過(guò)程是在T1溫度進(jìn)行的，如圖 圖1210純金屬冷卻曲線1210所示。T1低于T0，這種現(xiàn)象稱為“過(guò)冷”。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差T（T0 - T

25、1）稱為“過(guò)冷度”。過(guò)冷度并不是一個(gè)恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度T1就越低，即過(guò)冷度T就越大。 實(shí)際金屬總是在過(guò)冷情況下進(jìn)行結(jié)晶的，所以過(guò)冷是金屬結(jié)晶的一個(gè)必要條件。 （2）金屬的結(jié)晶過(guò)程液態(tài)純金屬在冷卻到結(jié)晶溫度時(shí)，其結(jié)晶過(guò)程是：先在液體中產(chǎn)生一批晶核，已形成的晶核不斷長(zhǎng)大，并繼續(xù)產(chǎn)生新的晶核，直到全部液體轉(zhuǎn)變成固體為止。最后形成由外形不規(guī)則的許多小晶體所組成的多晶體（如圖1211所示）。圖1211金屬的結(jié)晶過(guò)程示意圖在晶核開(kāi)始長(zhǎng)大的初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，其外形也是比較規(guī)則的。隨著晶核長(zhǎng)大和晶體棱角的形成，棱角處散熱條件優(yōu)于其它部位，因此優(yōu)先長(zhǎng)大，如圖1212所示

26、。其生長(zhǎng)方式，象樹(shù)枝狀一樣，先長(zhǎng)出枝干，然后再長(zhǎng)出分枝，最后把晶間填滿，得到的晶體稱為樹(shù)枝狀晶體，簡(jiǎn)稱為枝晶。圖1212晶核長(zhǎng)大示意圖（3）晶粒大小與金屬力學(xué)性能的關(guān)系 在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。 生產(chǎn)中，細(xì)化晶粒的方法如下： 1）增加過(guò)冷度 結(jié)晶時(shí)增加過(guò)冷度T會(huì)使結(jié)晶后晶粒變細(xì)。 增加過(guò)冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻轉(zhuǎn)變速度。實(shí)際生產(chǎn)中常常是采用降低鑄型溫度和采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬鑄型來(lái)提高冷卻速度。但是，對(duì)大型鑄件，很難獲得大的過(guò)冷度，而且太大的冷卻速度，又增加了鑄件變形與開(kāi)裂的傾向。因此工業(yè)生產(chǎn)中多用變質(zhì)處理方法細(xì)化晶粒。 2）變質(zhì)處理 變質(zhì)處理是

27、在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細(xì)小的難熔的物質(zhì)（變質(zhì)劑），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒顯著細(xì)化。如往鋼液中加入鈦、鋯、鋁等。 3）附加振動(dòng) 金屬結(jié)晶時(shí)，利用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)，電磁振動(dòng)等方法，既可使正在生長(zhǎng)的枝晶熔斷成碎晶而細(xì)化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。122 合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如碳鋼是鐵和碳組成的合金。 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元，簡(jiǎn)稱為元。一般的說(shuō)，組元就是組成合金的元素。例如銅和鋅就是黃銅的組元。有時(shí)穩(wěn)定的化合物也可以看作組元，例如鐵碳合金中的Fe3C就可以看作組元。

28、通常，由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金。 相是指合金中成分、結(jié)構(gòu)均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。 通常把合金中相的晶體結(jié)構(gòu)稱為相結(jié)構(gòu)，而把在金相顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。所以合金中的各種相是組成合金的基本單元，而合金組織則是合金中各種相的綜和體。 一種合金的力學(xué)性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。通過(guò)對(duì)金屬的熱處理可以在不改變其化學(xué)成分的前提下而改變其顯微組織，從而達(dá)到調(diào)整金屬材料力學(xué)性能的目的。 根據(jù)構(gòu)成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。 1固溶體 合金

29、在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質(zhì)。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。 （1）置換固溶體溶質(zhì)原子代替溶劑原子占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體， 稱為置換固溶體，如圖1213a所示。 置換固溶體可分為有限固溶體和 圖1213固溶體的兩種類型無(wú)限固溶體兩類。 形成置換固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者晶格類型、原子直徑的差別和它們?cè)谥芷诒碇械南嗷ノ恢谩?（2）間隙固溶體 溶質(zhì)原子分布于溶劑的晶格間隙中所形成

30、的固溶體稱為間隙固溶體，如圖1213b所示。 由于晶格間隙通常都很小，所以都是有原子半徑較小的非金屬元素（如碳、氮、氫、硼、氧等）溶入過(guò)渡族金屬中，形成間隙固溶體。間隙固溶體對(duì)溶質(zhì)溶解都是有限的，所以都是有限固溶體。 （3）固溶體的性能由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(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。 2金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，又因它具有一定的金屬性質(zhì)，故稱金屬化合物。如碳鋼中的Fe3C、黃銅中的CuZn等。 金屬化合物大致可分為正常價(jià)化合物、電子化合物及間隙

31、化合物。 金屬化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)較高，硬度高，而脆性大。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。因此金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。123 鐵碳合金相圖 1純鐵純鐵的熔點(diǎn)為1538。純鐵的冷卻轉(zhuǎn)變曲線如圖1214所示。液態(tài)純鐵在1538時(shí)結(jié)晶為具有體心立方晶格的d-Fe，繼續(xù)冷卻到1394由體心立方晶格的d-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe,再冷卻到912又由面心立方晶格的-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的a-Fe，先后發(fā)生兩次晶格類型的轉(zhuǎn)變。金屬在固態(tài)下由于溫度的改變而發(fā)生晶格類

32、型轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有熱效應(yīng)產(chǎn)生，故在冷卻曲線上，可看到在1394和912處出現(xiàn)平臺(tái)。純鐵在770時(shí)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變。在770以下的a-Fe呈鐵磁性，在770以上a-Fe的磁性消失。770稱為居里點(diǎn)，用A2表示。工業(yè)純鐵雖然塑性好，但強(qiáng)度低， 所以很少用它制造機(jī)械零件。在工業(yè)上應(yīng)用最廣的是鐵碳合金。2鐵碳合金基本相 鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無(wú)限互溶；在固態(tài)時(shí)根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同， 圖1214純鐵的冷卻曲線碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物，或者形成固溶體與化合物組成的機(jī)械混合物。因此，鐵碳合金在固態(tài)下有以下幾種基本相。 （1）鐵素體 碳溶于a-Fe中形成的間

33、隙固溶體稱為鐵素體，常用符號(hào)F表示。鐵素體仍保持a-Fe的體心立方晶格，碳溶于a-Fe的晶格間隙中。由于體心立方晶格原子間的空隙較小，碳在a-Fe中的溶解度也較小，在727時(shí)，溶碳能力為最大wc0.0218，隨著溫度降低，a-Fe中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在室溫時(shí)降到0.0008% 。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。圖1215為鐵素體的顯微組織。 （2）奧氏體 碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。奧氏體仍保持-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格間隙較大，故奧氏體的溶碳能力較強(qiáng)。在1148時(shí)溶碳能力為最大wc2.11，隨著溫度下降，-Fe中

34、的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在727時(shí)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77。奧氏體是一個(gè)硬度較低塑性較高的相，適用于鍛造。是絕大多數(shù)鋼熱成形所要求加熱到奧氏體狀態(tài)。 （3）滲碳體鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C稱為滲碳體，用Fe3C表示。滲碳體中的wc=6.69，熔點(diǎn)為1227，是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。滲碳體的硬 圖1215鐵素體的顯微組織度很高，但塑性和韌性幾乎等于零。滲碳體是鋼中主要強(qiáng)化相，在鐵碳合金中存在形式有：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)鋼的性能圖1216 Fe-Fe3C相圖有很大的影響。 滲碳體是一種亞穩(wěn)定相，在一定的條件下會(huì)分解，形成石墨狀的自由碳和鐵：Fe3C3F

35、e十C(石墨)，這一過(guò)程對(duì)鑄鐵具有重要的意義。 3鐵碳合金相圖分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.69的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值。另外，F(xiàn)e3C中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69，是個(gè)穩(wěn)定的金屬化合物，可以作為一個(gè)組元，因此,研究的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，如圖1216所示。（1）鐵碳合金相圖分析 相圖中的AC和CD線為液相線，AE和ECF線為固相線。相圖中有四個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)(L)、奧氏體區(qū)(A)、鐵素體區(qū)(F)、滲碳體區(qū)(Fe3C)。 Fe-Fe3C相圖主要特征點(diǎn)及含義見(jiàn)表121所示。表121 Fe-Fe3C相圖中特征點(diǎn)符號(hào)溫度/碳的含量wc100說(shuō)明A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶

36、點(diǎn)D12276.69滲碳體熔點(diǎn)E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120a-Fe、-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69滲碳體的成分P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q室溫0.0008碳在a-Fe中的溶解度 相圖由共晶、共析轉(zhuǎn)變組成： 1）wc=(2.116.69)的鐵碳合金，緩冷至1148(ECF共晶線)都發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：LcAE十Fe3C轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為萊氏體(Ld)。 2）wc0.0218的鐵碳合金，緩冷至727(PSK共析線)都發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：AsFp十Fe3C轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的機(jī)

37、械混合物，稱為珠光體(P)。共析溫度以A1表示。 鐵碳合金中還有三條重要的特性線： 1）ES線 它是碳在奧氏體中溶解度曲線。在1148時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11，而在727時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77。故凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.77%的鐵碳合金自1148冷至727時(shí)，都會(huì)從奧氏體中沿晶界析出滲碳體，稱為二次滲碳體(Fe3CII)。ES線又稱Acm線。 2）PQ線 它是碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727時(shí)，鐵素體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218，而在室溫時(shí)，鐵素體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0008。故一般鐵碳合金由727冷至室溫時(shí)，將由鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。在

38、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的合金中，因其數(shù)量極少可忽略不計(jì)。 3）GS線 它是合金冷卻時(shí)自?shī)W氏體中開(kāi)始析出鐵素體的析出線，通常稱為A3線。 （2）鐵碳合金的分類 按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金相圖中的合金可分成工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類。 1)工業(yè)純鐵：wc0.0218。 2)鋼：0.0218wc2.11。鋼又分為: 亞共析鋼：0.0218wc0.77； 共析鋼：wc0.77； 過(guò)共析鋼：0.77wc2.11。 3)白口鑄鐵：2.11wc6.69。白口鑄鐵又分為： 亞共晶白口鑄鐵：2.11wc4.3； 共晶白口鑄鐵: wc4.3；過(guò)共晶白口鑄鐵: 4.3wc6.69。 4典型鐵碳合金的結(jié)晶

39、過(guò)程及其組織 下面以圖1217、圖1221所示的幾種典型的鐵碳合金為例，分析其平衡結(jié)晶過(guò)程。 （1）共析鋼(wc0.77)圖1217 鋼部分的典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程分析示意圖圖1217中合金，1點(diǎn)溫度以上為L(zhǎng)，在12點(diǎn)溫度之間從L中不斷結(jié)晶出A，緩冷至2點(diǎn)以下全部為A，23點(diǎn)之間為A冷卻，緩冷至3點(diǎn)時(shí)A發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AsP）生成P。該合金的室溫組織為P，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖1217所示，顯微組織如圖1218所示。（2）亞共析鋼（0.0218wc0.77） 圖1217中合金，1點(diǎn)溫度以上為L(zhǎng)，在12點(diǎn)溫度之間從L中不斷結(jié)晶出A，冷至2點(diǎn)以下全部為A，23點(diǎn)之間為A冷卻，34點(diǎn)之間A不斷轉(zhuǎn)

40、變成F，緩冷至4點(diǎn)時(shí)，剩余的A成分為wc0.77，發(fā)生共析反應(yīng)（AsP）生成P。該合金的室溫平衡組織為F十P，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖1217所示，顯微組織如圖1219所示。 （3）過(guò)共析鋼(0.77wc2.11） 圖1217中合金，1點(diǎn)溫度以上為L(zhǎng)，在12點(diǎn)溫度間從L中不斷結(jié)晶出A，23點(diǎn)為A冷卻，34點(diǎn)間從A中不斷析出沿晶界分布，呈網(wǎng)狀的Fe3CII，緩冷至4時(shí)，剩余的A成分為wc0.77，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AsP）生成P。該合圖1218共析鋼的顯微組織 圖1219亞共析鋼的顯微組織圖1220過(guò)共析鋼的顯微組織金室溫平衡組織為P十Fe3CII，其冷卻曲線及平衡結(jié)晶過(guò)程如圖1217所示，顯微

41、組織如圖1220所示。 (4)共晶白口鑄鐵(wc4.3) 圖1221中合金，1點(diǎn)溫度以上為L(zhǎng)，緩冷至1點(diǎn)溫度（1148）時(shí)，L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變(LcAE十Fe3C)生成萊氏體(Ld)，在12點(diǎn)之間時(shí)，Ld中A的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線逐漸減少而不斷析出Fe3CII。當(dāng)緩冷至2點(diǎn)時(shí)，共晶A成分降圖1222 白口鑄鐵部分的典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程分析示意圖圖1222共晶白口鑄鐵顯微組織 圖1223亞共晶白口鑄鐵顯微組織為wc0.77，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AsP）生成P。該合金的室溫平衡組織是由P和Fe3C組成的共晶體，加少量Fe3CII稱為低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體(Ld)。其冷卻曲線及平衡結(jié)晶過(guò)如圖1221所示，顯

42、微組織如圖1222所示。 (5)亞共晶白口鑄鐵(2.11wc4.3圖1221中合金，1點(diǎn)溫度以上為L(zhǎng)，在12點(diǎn)間不斷自L中結(jié)晶出A，溫度降至2點(diǎn)時(shí)，剩余L相的成分達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變(LcAE十Fe3C)形成萊氏體，冷卻2點(diǎn)以下，自初晶A和共晶A中析出Fe3CII， 所以A中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線降低。當(dāng)溫度達(dá)到3點(diǎn)時(shí)，A成分為wc0.77，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AsP）生成P。該合金的室溫平衡組織為P十Fe3CII+Ld，其冷卻曲線及平衡結(jié)晶過(guò)程如圖1221所示。顯微組織如圖1223所示。 (6)過(guò)共晶白口鑄鐵(4.3wc6.69圖1221中合金，1點(diǎn)溫度以 圖1224 過(guò)共晶白口鑄鐵顯微組織

43、上為L(zhǎng)，在12點(diǎn)間不斷自L中結(jié)晶出Fe3C，溫度降至2點(diǎn)時(shí)，剩余L相的成分達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變(LcAE十Fe3C)生成Ld，在23點(diǎn)中，共晶A中析出Fe3CII，到3點(diǎn)時(shí)A成分為wc77發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AsP）生成P，此合金的室溫平衡組織為Fe3C十Ld。其冷卻曲線及平衡結(jié)晶過(guò)程如圖1221所示，其顯微組織如圖1224所示。5碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響 （1）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響由Fe-Fe3C相圖可知,隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金顯微組織發(fā)生如下變化： FF十Fe3CIIIF十PPP+Fe3CIIP十Fe3CII十LdLdLd十Fe3C從圖中看出，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

44、增加時(shí)，不僅組織中Fe3C相對(duì)量增加，而且Fe3C大小、形態(tài)和分布也隨之發(fā)生變化，即由分布在F晶界上(如Fe3CIII)，變?yōu)榉植荚贔的基體內(nèi)(如P)，進(jìn)而分布在原A的晶界上(如Fe3CII)，最后形成Ld時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)，即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的鐵碳合金具有不同的組織，因此它們具有不同的性能。 （2）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的力學(xué)性能影響如圖1225所示。由于硬度對(duì)組織形態(tài)不敏感,所以鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，高硬度的Fe3C增加，低硬度的F減少，故鋼的硬度呈直線增加，而塑性、韌性不斷下降。又由于強(qiáng)度對(duì)組織形態(tài)很敏感。在亞共析鋼中，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,強(qiáng)度高的P增加，

45、強(qiáng)度低的F減少，因此強(qiáng)度隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77時(shí)，鋼的組織全部為P，P的組織越細(xì)密，則強(qiáng)度越高。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77wc0.9時(shí)，由于強(qiáng)度很低的、少量的、一般未連成網(wǎng)狀的Fe3CII沿晶界出現(xiàn)，所以合金的強(qiáng)度增加變慢；當(dāng)wc0. 9時(shí),Fe3CII數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀分布在晶界處，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度明顯下降。 （3）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工藝性能的影響 1）切削加工性金屬的切削加工性能是指其經(jīng)切削加工成工件的難易程度。低碳鋼中F較多，塑性 圖1225碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的力學(xué)性能影響好，切削加工時(shí)產(chǎn)生切削熱大，易粘刀，不易斷屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳鋼中Fe3C多，刀

46、具磨損嚴(yán)重，故切削加工性也差。中碳鋼中F和Fe3C的比例適當(dāng)，切削加工性較好。在高碳鋼Fe3C呈球狀時(shí)，可改善切削加工性。 2）可鍛性金屬可鍛性是指金屬壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。當(dāng)鋼加熱到高溫得到單相A組織時(shí)，可鍛性好。低碳鋼中鐵素體多可鍛性好，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加金屬可鍛性下降。白口鑄鐵無(wú)論在高溫或低溫，因組織是以硬而脆的Fe3C為基體，所以不能鍛造。 3）鑄造性能合金的鑄造性能取決于相圖中液相線與固相線的水平距離和垂直距離。距離越大，合金的鑄造性能越差。低碳鋼的液相線與固相線距離很小，則有較好的鑄造性能，但其液相線溫度較高，使鋼液過(guò)熱度較小，流動(dòng)性較差。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加

47、，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，鑄造性能變差。共晶成分附近的鑄鐵，不僅液相線與固相線的距離最小，而且液相線溫度也最低，其流動(dòng)性好，鑄造性能好。4）可焊性隨著鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的塑性下降，可焊性下降。所以，為了保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，應(yīng)優(yōu)先選用低碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25的鋼）。6鐵碳合金相圖的應(yīng)用 1）選材料方面的應(yīng)用 根據(jù)鐵碳合金成分、組織、性能之間的變化規(guī)律，可以根據(jù)零件的服役的條件來(lái)選擇材料。如要求有良好的焊接性能和沖壓性能的機(jī)件，應(yīng)選用組織中鐵素體較多、塑性好的低碳鋼 (wc0.25)制造，如沖壓件、橋梁、船舶和各種建筑結(jié)構(gòu)；對(duì)于一些要求具有綜合力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性都較高)的

48、機(jī)器構(gòu)件，如齒輪、傳動(dòng)軸等應(yīng)選用中碳鋼(wc0.250.6)制造；高碳鋼(wc0.6)主要用來(lái)制造彈性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、磨具、量具等；對(duì)于形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)座等可選用鑄造性能好的鑄鐵來(lái)制造。2）制定熱加工工藝方面的應(yīng)用 在鑄造生產(chǎn)方面，根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度。澆注溫度一般在液相以上150左右。另外，從相圖中還可看出接近共晶成分的鐵碳合金，熔點(diǎn)低、結(jié)晶溫度間隔小，因此它們的流動(dòng)性好，分散縮孔少，可得到組織致密的鑄件。所以，鑄造生產(chǎn)中，接近共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。 在鍛造生產(chǎn)方面，鋼處于單相奧氏體時(shí)，塑性好，變形抗力小，便于鍛造成型。因此，鋼材的

49、熱軋、鍛造時(shí)要將鋼加熱到單相奧氏體區(qū)。一般碳鋼的始鍛溫度為12501150，而終鍛溫度在800左右。 在焊接方面，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖分析低碳鋼焊接接頭的組織變化情況。各種熱處理方法的加熱溫度的選擇也需參考Fe-Fe3C相圖，這將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)討論。必須指出，鐵碳合金相圖不能說(shuō)明快速加熱和冷卻時(shí)鐵碳合金組織的變化規(guī)律。相圖中各相的相變溫度都是在所謂的平衡（即非常緩慢地加熱和冷卻）條件下得到的。另外，通常使用的鐵碳合金中，除含鐵、碳兩元素外，尚有其他多種雜質(zhì)或合金元素，這些元素對(duì)相圖將有影響，應(yīng)予以考慮。124 碳素鋼、鑄鐵 1碳素鋼 （1）碳素鋼分類 按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)又可分為低碳鋼(wc0.

50、25%）；中碳鋼(wc0.250.60)；高碳鋼(wc0.60)。按鋼的冶金質(zhì)量和鋼中有害雜質(zhì)元素硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分普通質(zhì)量鋼(ws=0.035%0.050，wp=0.0350.045)；優(yōu)質(zhì)鋼(ws、wp均0.035)；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(ws =0.0200.030，wp0.0250.030)。按用途分類結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼 。 （2）鋼的編號(hào) 1)碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法由代表屈服點(diǎn)屈字的漢語(yǔ)拼音字母、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)及脫氧方法符號(hào)四個(gè)部分按順序組成。牌號(hào)中Q表示“屈”；A、B、C、D表示質(zhì)量等級(jí)，它反映了碳素鋼結(jié)構(gòu)中有害雜質(zhì)（S、P）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少，（C、D）級(jí)硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低、質(zhì)量好，可作重要焊接結(jié)構(gòu)件。例如Q235AF，即表示屈服點(diǎn)為235Nmm2、A等級(jí)質(zhì)量的沸騰鋼。F、b、Z、TZ依次表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼，一般情況下符號(hào)Z與TZ在牌號(hào)表示中可省略。 2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 其牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)倍。例如45鋼，表示平均wc =0.45%；08鋼表示平均wc =0.08%。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，分為普通錳鋼(wMn0.25%0.80%)與較高錳的鋼(wMn=0.70%1.20%