材料是人類社會發(fā)展的物質基礎

1、緒 論材料是人類社會發(fā)展的物質基礎，是人類生產和生活的物質基礎，所以歷史學家以石器時代、陶瓷時代、銅器時代來劃分古代史各階段，而今人類正跨入人工合成材料的新時代。 如今，材料能源和信息以成為發(fā)展現(xiàn)代化生產的三大支柱，而材料又是能源與信息發(fā)展的物資基礎。各種材料的性能好壞直接影響到產品的質量、壽命和可靠性?，F(xiàn)代工業(yè)裝備向著高速、自動、精密等方向發(fā)展。我們是繼往開來的接班人，要努力學好工程材料，為四化做貢獻。 這門課學習內容有（主要內容）：除解決正確選材外，還涉及到一些加工工藝問題，尤其是熱處理工藝。因此，正確選材、合理用材、正確選材熱處理方法來滿足機械零件性能要求是這門課學習的主導線。 工程材料

2、是一門內容廣泛，理論和實踐相結合的課程，希望我們共同努力完成本課程的學習任務。 1.金屬工藝學的主要內容: 機械制造工藝分為 機械工程材料:機械產品制造所必須的物質基礎,是工業(yè)的糧食，材料性能的好壞直接影響著產品的質量、壽命和可靠性。 機械工程材料分為 成型工藝：把原材料或半成品加工成所需形狀和尺寸產品的過程。 2.金屬工藝學的特點 綜合性能強 系統(tǒng)介紹工程材料的加工如:鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工 等全部工藝過程。 實踐性強 有利于培養(yǎng)實踐技能，提高動手能力，為獲取“雙規(guī)”提供保障。 3學習這門課的目的 通過理論和實踐，同學們應掌握機械工程材料，金屬加工和熱處理的理論基礎知識。初步具有

3、金屬加工的操作技能。 4要求： a.了解常用機械工程材料及該性工藝的類別和用途，初步具有一定的實驗操作技能和正確使用常用金屬材料和常規(guī)熱處理工藝的粘貼 b.了解金屬加工的工藝應用范圍。 c.了解實驗的基本原理和設備，通過實驗具有一定的實驗操作技能和正確分析實驗的能力。 d.熱愛勞動文明生產，保護環(huán)境和具有質量與效益的意識。 金屬材料的性能分：使用性能、工藝性能。 使用性能：為保證機械零件或工具能正常工作，金屬材料應具備的性能，在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學性能、物理性能（如導電性、導熱性、熱膨脹性等）和化學性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）。 工藝性能：在制造機械零件及工具過程中，金屬材料

4、適應各種冷、熱加工的性能。如鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理性、切削加工性等。 力學性能是指機械零件或工具在使用過程中，要受到各種載荷的作用，金屬材料在載荷作用下所反映出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊吸收功、疲勞極限、斷裂韌度等。 第一章 金屬的力學性能 第一節(jié) 強度與塑性 材料受外力作用時，將會產生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形塑性變形斷裂。 彈性變形是外力去除后能夠自行恢復的變形。塑性變形是外力去除后不能完全自動恢復而保留下來的變形，又稱永久變形。 一、拉伸試驗：可求出金屬材料的強度與塑性。 1.拉伸試樣 2.力伸長曲線 二、強度 強度是指金屬材料在載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂

5、的能力。 應力是指材料單位面積上的內力。 內力是當金屬材料受載荷作用未引起破壞時，其內部產生與載荷相平衡的力。 1.屈服點與規(guī)定殘余伸長應力 屈服點是指金屬材料開始產生屈服現(xiàn)象時的最低應力。用符號s表示 sFs/So 式中 Fs表示試樣屈服時所承受的拉伸力（N） So表示試樣原始橫截面積（平方毫米） 2.抗拉強度 抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應力，用符號b表示。 bFb/So 式中 Fb表示試樣承受的最大拉伸力（N） So表示試樣原始橫截面積（平方毫米） 三、 塑性指標 塑性是材料在靜載荷作用下產生變形而不破壞的能力。評定材料塑性的指標是斷后伸長率和斷面收縮率。 1.斷后伸長率 斷后伸

6、長率是指試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。用符號表示。 =(l1-l0)/ l0100% 2.斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號表示。即 =(S0-S1)/S0100% 斷面收縮繁不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了材料的塑性。 塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機械零件除要求具用較高的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達5或斷面收縮率達10的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。 第二節(jié) 硬度 硬度是指材料抵抗局

7、部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個綜合的物理量。 材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。 硬度的測定常用壓入法。把規(guī)定的壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積或深度確定其硬度值。根據(jù)壓頭和壓力不同，常用的硬度指標有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度（HV）。 一、布氏硬度 1、試驗原理 用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，以相應的試驗力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭

8、時，布氏硬度用符號“HBS”表示;用硬質合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBW”表示。 HBS(HBW)：用鋼球（硬質合金球）試驗的布氏硬度值； F：試驗力（N）； d：壓痕平均直徑（mm）； D：鋼球（硬質合金球）直徑（mm） 布氏硬度的單位為N/mm2，但習慣上只寫明硬度值而不標出單位。 2、選擇試驗規(guī)范 在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑、施加的試驗力和試驗力保持時間、應根據(jù)被測試金屬的種類和試樣厚度，按下表所示的布氏硬度試驗規(guī)范正確地進行選擇。 布氏硬度試驗規(guī)范 材料 布氏硬度 0.102/D 2 備注 鋼及鑄鐵 140 140 10 30 單位： 單位： mm 銅及其合金 35 35130

9、 130 5 10 30 輕金屬及其合金 35 3580 80 25 10 10 鉛、錫 1.25 由布氏硬度值的計算公式可以看出，當所加試驗力與鋼球（或硬質合金球）直徑已選定時，硬度埴HBS（HBW）只與壓痕直徑d 有關。d 越大，則HBS（HBW）值越小，表明材料越軟；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。 除了采用鋼球（或硬質合金球）直徑為10，試驗力為3000（），保持時間1015s的試驗條件外，在其它試驗條件下測得的硬度值，應在符號HBS的后面用相應的數(shù)字注明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。 如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的鋼球作壓頭，在1

10、000kgf(9807N)的試驗力作用下，保持時間為30s后所測得的硬度值為120。 如500HB5/750，即表示用5mm的硬質鋼球作壓頭，在750kgf(735N)的試驗力作用下，保持時間為0115s后所測得的硬度值為500。 淬火鋼球用于測定硬度HBS450的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調質處理的鋼材等。為了避免壓頭變形，可用硬質合金球壓頭，它適用于測試HBW650的金屬材料。（我國目前布氏硬度試驗機壓頭主要是淬火鋼球。） 3、試驗的優(yōu)缺點 布氏硬度試驗的優(yōu)點是：試驗時使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測得的硬度值也較準確。 布氏硬度試驗的缺點是：對金屬表面

11、的損傷較大，不易測試太薄工件的硬度，也不適于測定成品件的硬度。 布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻的材料（如鑄鐵）硬度。 二、洛氏硬度 1、試驗原理 洛氏硬度是以頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 如下圖所示，00為金剛石壓頭還沒有和試樣接觸的位置。11是在初試驗力作用下壓頭所處的位置，壓入深度為h1，目的是為了消除由于試樣表面不光潔對試驗結果的精確性造成的不良影響。圖中22在總

12、試驗力（初試力主試驗力）作用下壓頭所處位置，壓入深度為h2。33是卸除主試驗力后壓頭所處的位置，由于金屬彈性變形得到恢復，此時壓頭實際壓入深度為h3。故由于主試驗力所引起的塑性變形而使壓頭壓入深度為hh3h1。洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個常數(shù)c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號表示。 式中，c為常數(shù)（對于 HRC、HRA，c取0.2；對于HRB，c取0.26）。由此獲得的洛氏硬度值為一無名數(shù)，試驗時一般由試驗機指示器上直

13、接讀出。 2、常用洛氏硬度標尺及適用范圍 標尺 壓頭類型 總試驗力 kgf 硬度值有效范圍 應用 HRA HRB HRC 120金剛石圓錐體 (1/16) ” ( 1.588)鋼球 120金剛石圓錐體 600 1000 1500 7088 20100 2070 硬質合金、表面淬火層或滲碳層等 有色金屬、退火、正火鋼等 淬火鋼、調質鋼等 上述洛氏硬度的三種標尺中，以應用最多，一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度與布氏硬度之間關系約為1：10，如40相當于400。 如50，表示用標尺測定的洛氏硬度值為50。硬度值應在有效測量范圍內（為2070）為有效。 3、試驗優(yōu)缺點 優(yōu)

14、點：操作簡單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值； 壓痕小，故可直接測量成品或較薄工件的硬度； 對于和采用金剛石壓頭，可測量高硬度薄層和深層的材料。 缺點：由于壓痕小，測得的數(shù)值不夠準確，通常要在試樣不同部位測定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。 三、維氏硬度 布氏硬度試驗不適用于測定硬度較高的材料。 洛氏硬度試驗雖然可用于測定較材料和硬材料，但其硬度值不能進行比較。 維氏硬度試驗可以測量從軟到硬的各種材料以及金屬零件的表面硬度，并有連續(xù)一致的硬度標尺。 1、試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗力大小來計算硬度值。區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136的金

15、剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時間后卸除試驗力，測量壓痕兩對角線長度，如書上圖15所示。維氏硬度值用四棱錐壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示，符號。 式中作用在壓頭上的試驗力（） d壓痕兩對角線長度的平均值（） 值的單位為 / 2 ，但習慣上只寫出硬度值而不標出單位。 2、常用試驗力及其適用范圍 維氏硬度試驗所用試驗力視其試件大小、薄厚及其它條件，可在49.03980.7的范圍內選擇試驗力。常用的試驗胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7。 符號前面的數(shù)字為硬度值，后面依次用相應數(shù)字注明試驗力和試驗力保持時間（1015s不標注

16、）。如,表示30kgf (294.2N) 試驗力，保持時間為20s測得維氏硬度值為640。 維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學熱處理后的表面硬度，其結果精確可靠。當試驗力小于0.2 kgf（1.961）時，可用于測量金相組織中不同相的硬度。 3、試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：與布氏、洛氏硬度試驗比較，維氏硬度試驗不存在試驗力與壓頭直徑有一定比例關系的約束； 不存在壓頭變形問題； 壓痕輪廓清晰，采用對角線長度計量，精確可靠，硬度值誤差較小。 缺點：其硬度值需要先測量對角線長度，然后經(jīng)計算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗高。 四、里氏硬度簡介 里氏硬度試驗用規(guī)定質量的沖擊體在彈力作

17、用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭距試樣表面1處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。其表示符號為。 如700表示用型沖擊裝置測定的里氏硬度值為700。 第二章 純金屬與合金的晶體結構第一節(jié) 金屬的晶體結構 一、晶體結構的基本知識 1、晶體與非晶體 固態(tài)物質的性能與原子在空間的排列情況有著密切的關系。固態(tài)物質按原子排列特點可分為晶體與非晶體兩大類。 凡原子按一定規(guī)律排列的固態(tài)物質，稱為晶體。如金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金等。 晶體的特點是： 原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復排列。 具有一定的熔點，如鐵的熔點為1538，銅的熔點為1083。 晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具

18、有各向異性。 非晶體的特點是： 原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。 沒有固定熔點，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動性的液體。如塑料、玻璃、瀝青 等。 各個方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。 2、晶體結構的基本知識 晶格 為了清楚的表明原子在空間的排列規(guī)律，人為地將原子看作一個點，再用一些假想線條，將晶體中各原子的中心連接起來，便形成了一個空間格子，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間幾何圖形稱為結晶格子，簡稱晶格。晶格中的每個的點稱為結點。晶格中各種不同方位的原子面，稱為晶面。 晶胞 晶體中原子的排列具有周期性變化的特點，因此只要在晶格中選取一個能夠完全反映晶

19、格特征的最小的幾何單元進行分析，便能確定原子排列的規(guī)律。組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞。實際上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堆積而成的。 晶格常數(shù) 為了研究晶體結構的需要，在結晶學中規(guī)定用晶格常數(shù)來表示晶胞的幾何形狀和大小。晶胞的各棱邊長為a、b、c，稱為晶格常數(shù)。當晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角=90時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。 二、常見金屬的晶格類型 體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞是一個立方體，原子分布在立方體的各結點和中心處。晶胞中原子數(shù)可參照如下的計算方法：晶胞每個結點上原子為相鄰的8個晶胞共有，加上晶胞中心一個原子，故每個晶胞原子數(shù)n=81/8+1=2(個

20、)。 屬于體心立方晶格類型的金屬有-Fe（912以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢等。 面心立方晶格 面心立方晶格和晶胞也是一個立方體，原子分布在立方體的各結點和各面的中心處。晶胞中原子數(shù)可參照如下計算方法：晶胞每個結點上的原子為相鄰的8個晶胞所共有，而每個面中心的原子卻為兩個晶胞所共有，所以，每個晶胞中的原子數(shù)為n=81/8+61/2=4(個)。 屬于面心立方晶格類型的金屬有-Fe（1394912的鈍鐵）、鋁、銅、銀等。 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是在正六方柱體的十二個結點和上、下兩底面的中心處各排列一個原子，另外，中間還有三個原子。該晶胞要用兩個晶格常數(shù)表示，一個是六邊形的邊長a，另一個是柱體

21、的高度c。當軸比為1.633時，原子排列最緊密。晶胞原子數(shù)要參照如下的計算方法：密排六方晶胞每個結點上的原子為相鄰的6個晶胞所共有，上下底面中心的原子為兩個密排六方晶胞所共有，晶胞中間的三個原子為該晶胞所獨有，故密排六方晶胞中的原子數(shù)n=121/6+21/23=6(個)。 屬于這種晶格類型的金屬有鎂、鋅、鎘、鈹?shù)取?三、金屬的實際晶體結構 單晶體與多晶體 單晶體即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無任何缺陷存在。 多晶體即由許多位向不同的晶體組成，且其內部還存在著多種晶體缺陷。 晶粒即在多晶體材料內，晶體位向基本相同的小晶體。 晶界即多晶體材料中相鄰晶粒間的界面。 金屬的晶體缺陷 、點缺

22、陷 點缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見的點缺陷是空位和間隙原子。在實際晶體結構中，晶格的某些結點往往未被原子所占有，這種空著的位置稱為空位；與此同時，又有可能在個別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子，這種不占有正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱為間隙原子。在空位和間隙原子附近，由于原子間作用力的平衡被被壞，使其周圍原子發(fā)生靠攏或撐開，因此晶格發(fā)生歪曲（亦稱晶格畸變），使金屬的強度提高，塑性下降。 、線缺陷 線缺陷是在空間的一個方向上尺寸很大，其余兩個方向上尺寸很小的一種缺陷。晶體中的線缺陷通常是指各種類型的位錯。所謂位錯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)律的錯排現(xiàn)象。這種錯排有許

23、多類型，其中比較簡單的一種形式就是刃型位錯。圖中ABCD晶面上沿EF處多插入了一層原子面EFGH，它好象一把刀刃那樣切入晶體中，使上下層原子不能對準，產生錯排，因而稱為刃型位錯。EF線稱為位錯線。在位錯線附近晶格發(fā)生畸變，形成一個應力集中區(qū)。在ABCD晶面以上位錯線附近一定范圍內的原子受到壓應力；相反，在ABCD晶面以下一定范圍內的原子受到拉應力。離開EF線越遠，晶格畸變越小。實驗證明，在實際晶體中存在著大量刃型位錯。 、面缺陷 面缺陷是在兩個方向的尺寸很大，第三個方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷。 這類缺陷主要指晶界和亞晶界。 晶界工業(yè)上使用的金屬材料一般都是多晶體。多晶體中兩個相鄰晶粒之間的位

24、向不同，所以晶界處實際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層，該過渡層的原子排列是不規(guī)則的，如圖所示。由于過渡層原子排列不規(guī)則，使晶格處于歪扭畸變狀態(tài)，因而在常溫下會對金屬塑性變形起阻礙作用，從宏觀上來看，晶界處表現(xiàn)出有較高的強度和硬度。晶粒越細小，晶界越多，它對塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強度、硬度也就越高。 亞晶界實驗證明，晶粒內部的晶格位向也不是完全一致的。實際上每個晶粒皆是由許多位向差很小（23）的小晶塊互相嵌鑲而成的，這些小晶塊稱為亞組織（亦稱嵌鑲塊或亞結構）。亞組織之間的邊界稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所組成的小角度晶界，如圖所示。由于亞晶界處原子排列

25、也是不規(guī)則的，使晶格產生了畸變，因此，亞晶界作用與晶界相似，對金屬強度也有著重要影響，亞晶界越多，強度也越高。 第三節(jié) 合金的晶體結構 一般來說，純金屬大都具有優(yōu)良的塑性、導電、導熱等性能，但它們取制困難，價格較貴，種類有限，特別是力學性能（強度、硬度較低，耐磨性都比較低），難以滿足多種高性能的要求，因此，工程上大量使用的金屬材料都是根據(jù)性能需要而配制的各種不同成分的合金，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金及銅合金等。 一、合金的基本概念 1、合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。如黃銅是銅和鋅的組成合金；碳鋼是鐵和碳組成的合金；硬鋁是鋁、銅是鎂組成的合

26、金等。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時還具備了比純金屬更好的力學性能和特殊的物理、化學性能。另外，由于組成合金的各元素比例可以在很大范圍內調節(jié)，從而使合金的性能隨之發(fā)生一系列變化，滿足了工業(yè)生產中各類機械零件的不同性能要求。 2、組元 組成合金的基本的物質稱為組元。組元大多數(shù)是元素，如鐵碳合金中的鐵元素和碳元素是組元；銅鋅合金中的銅元素和鋅元素也是組元。有時穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如Fe3C等。 3、合金系 給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構成一個合金系。由兩個組元構成的稱為二元系，由三個組元構成的稱為三元系等。另外，也可由構成元素來命名，如鐵碳合金。 4、相 相是指在金屬

27、組織中化學成分、晶體結構和物理性能相同的組分。其中包括固溶體、金屬化合物及純物質（如石墨）。 5、組織 組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構成的總體。 將金屬試樣的磨面經(jīng)適當處理后用肉眼或借助放大鏡觀察的組織，稱為宏觀組織；將用適當方法（如浸蝕）處理后的金屬試樣的磨面復型或制成的薄膜置于光學顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的組織，稱為顯微組織。只由一種相組成的組織稱為單相組織；由幾種相組成的組織稱為多相組織。金屬材料的組織不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根據(jù)構成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類。 1、固溶體 溶質原子

28、溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，稱為固溶體。例如鐵碳合金中，鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。根據(jù)溶質元素在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。 置換固溶體就是溶質原子替換了溶劑晶格某結點上的原子而形成的（如圖）。 間隙固溶體就是溶質原子溶入溶劑晶格的單間隙之中而形成的（如圖）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。 由于溶質原子的溶入，會引起固溶體晶格發(fā)生畸變，如圖，晶格畸變使合金變形阻力增大，從而提高了合金的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。它是提高材料力學性能的重要途徑之一。例如，我國和低合金強度結構鋼，就是利用錳、硅等元

29、素來強化鐵素體，從而使材料的力學性能大為提高。 2、金屬化合物 金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來表示。 金屬化合物一般具有復雜的晶體結構，熔點高，硬度高，脆性大。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，合金的強度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韌性降低。金屬化合物是許多高合金的重要組成相，與固溶體適當配合可以提高合金的綜合力學性能。 3、機械混合物 機械混合物是合金中的一類復相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機械混合物。各相在機械混合物中仍保持原有的晶格和性能，機械混合物的性能介于組成的相性能之間，工業(yè)上大多數(shù)合

30、金均由混合物組成，如鋼、鑄鐵、鋁合金等。 第三章純金屬與合金的結晶第一節(jié)純金屬的結晶 物質由液態(tài)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結晶。 1、冷卻曲線與過冷現(xiàn)象 由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的增長溫度不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，冷卻時間雖然增長但其溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是純金屬進行結晶溫度。出現(xiàn)水平線段的原因，是由于結晶時放出的結晶潛熱補償了向外界散失的熱量。結晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍散熱量，故溫度又重新下降。 如圖所示，金屬在無限緩慢冷卻條件下(即平衡條件下)所

31、測得的結晶溫度0稱為理論結晶溫度。但在實際生產中，金屬由液態(tài)結晶為固態(tài)時冷卻速度都是相當快的，金屬總是要在理論結晶溫度0以下的某一溫度1才開始進行結晶，溫度1稱為實際結晶溫度。實際結晶1溫度低于理論結晶溫度0的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。而0與1之差稱為過冷度，即01。 過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結晶的溫度1就越低，即過冷度就越大。 實際金屬總是在過冷情況下進行結晶的，所以過冷是金屬結晶的一個必要條件。 2、金屬的結晶過程 純金屬的結晶過程是在冷卻曲線上的水平線段內發(fā)生的。實驗證明，金屬結晶時，首先從液體金屬中自發(fā)地形成一批結晶核心，形成自發(fā)晶核，與此同時，某些外來的難熔質點了

32、可充當晶核，形成非自發(fā)晶核；隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，并繼續(xù)產生新的晶核，直到液體金屬全部消失，晶體彼此接觸為止。所以結晶過程，就是不斷地形核和晶核不斷長大的過程。如下圖所示： 結晶時由每一晶核長成的晶體就是一個晶粒。晶核在長大過程中，起初是不受約束的，能夠自由生長，當互相接觸后，便不能再自由生長，最后即形成由許多向位不同的晶粒組成的多晶體，由于晶界的晶粒內部凝固得遲、故便在其上面富集著較多低熔點的雜質。 實驗表明，在晶核開始長大的初期，因其內部原子規(guī)則排列的特點，其外形也是比較規(guī)則的，隨著晶核長大的和晶體棱角的形成，由于棱角處散熱條件優(yōu)于其它部位，晶粒在棱邊和頂角處就優(yōu)先長大，如

33、下圖所示，由此可見，其生長方式，象樹枝狀一樣，先生長出干枝稱為一次晶軸；然后再生長出分枝稱為二次晶軸。依次類推。因此，得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡稱為枝晶。 3、晶粒大小對金屬力學性能的影響 金屬結晶后是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒大小可以用單位體積內晶粒數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶粒越小。為了測量方便，常以單位截面上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為，晶粒越細，塑性變形越可分散在更多的晶粒內進行，使塑性變形越均勻，內應力集中越小；而且晶粒越細，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，越不利于裂紋

34、的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強度和韌性就越好。 4、細化晶粒的方法 金屬結晶后單位體積中晶粒的數(shù)目取決于結晶時的形核率（單位時間，單位體積液態(tài)金屬中生成的晶核數(shù)目）和晶核長大線速度（單位時間內晶核長大的線長度），它們的關系如下： 由上式可知，結晶時形核率越大，晶核長大線速度越小，結晶后單位體積內的晶粒數(shù)目就越大，晶粒就越細小。 因此，要控制金屬結晶后晶粒大小，必須控制形核率和長大線速度這兩個因素，主要途徑如下： 增加過冷度 液態(tài)金屬結晶的形核率、長大線速度與過冷度之間的關系如圖所示。金屬結晶時，圖中實線部分所示，形核率和長大線速度都隨過冷度的增加面增加，但和增長率大于的增長率，因此，增加過冷度

35、會使增大，晶粒變細。當過冷度較小時，形核率低于長大線速度，結果得到比較粗大的晶粒。 增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻速度。實際生產中常常是采用降低鑄型溫度和采用導熱系數(shù)大的金屬鑄型來提高冷卻速度。 當過冷度大到圖中虛線部分時，金屬液的溫度已經(jīng)很低，原子擴散能力極大的降低，反而使形核率和生長線速度下降。 進行變質處理 變質處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入被稱為變質劑的某種物質，發(fā)增加形核率或降低長大線速度，從而細化晶粒的方法。 有的變質劑加入液態(tài)金屬時，它們或它們的氧化物會形成起非自發(fā)晶核作用的雜質微粒，使形核率大大增加，細化晶粒，如往鋼液中加入鈦、鋁等。 還有一種變質劑，能附著在晶體前面強烈

36、阻礙晶粒長大，降低長大線速度，如往鋁硅鑄造合金中加入鈉鹽，鈉附著在硅的表面，降低硅的長大線速度，阻礙粗大片狀硅晶體形成，使合金組織細化。 附加振動 金屬結晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，發(fā)既可使正在生長的晶體破碎而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率，從而細化晶粒。第二節(jié)鐵碳合金 一般來說，純金屬大都具有優(yōu)良的塑性、導電、導熱等性能，但它們取制困難，價格較貴，種類有限，特別是力學性能（強度、硬度較低，耐磨性都比較低），難以滿足多種高性能的要求，因此，工程上大量使用的金屬材料都是根據(jù)性能需要而配制的各種不同成分的合金，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金及銅合金等。 一、合金

37、的基本概念 1、合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。如黃銅是銅和鋅的組成合金；碳鋼是鐵和碳組成的合金；硬鋁是鋁、銅是鎂組成的合金等。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時還具備了比純金屬更好的力學性能和特殊的物理、化學性能。另外，由于組成合金的各元素比例可以在很大范圍內調節(jié)，從而使合金的性能隨之發(fā)生一系列變化，滿足了工業(yè)生產中各類機械零件的不同性能要求。 2、組元 組成合金的基本的物質稱為組元。組元大多數(shù)是元素，如鐵碳合金中的鐵元素和碳元素是組元；銅鋅合金中的銅元素和鋅元素也是組元。有時穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如Fe3C等。 3、合金系 給定組元按

38、不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構成一個合金系。由兩個組元構成的稱為二元系，由三個組元構成的稱為三元系等。另外，也可由構成元素來命名，如鐵碳合金。 4、相 相是指在金屬組織中化學成分、晶體結構和物理性能相同的組分。其中包括固溶體、金屬化合物及純物質（如石墨）。 5、組織 組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構成的總體。 將金屬試樣的磨面經(jīng)適當處理后用肉眼或借助放大鏡觀察的組織，稱為宏觀組織；將用適當方法（如浸蝕）處理后的金屬試樣的磨面復型或制成的薄膜置于光學顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的組織，稱為顯微組織。只由一種相組成的組織稱為單相組織；由幾種相組成的

39、組織稱為多相組織。金屬材料的組織不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根據(jù)構成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類。 1、固溶體 溶質原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，稱為固溶體。例如鐵碳合金中，鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。根據(jù)溶質元素在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。 置換固溶體就是溶質原子替換了溶劑晶格某結點上的原子而形成的（如圖）。 間隙固溶體就是溶質原子溶入溶劑晶格的單間隙之中而形成的（如圖）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。 由于溶質原子的溶入，會引起固溶體晶格發(fā)生

40、畸變，如圖，晶格畸變使合金變形阻力增大，從而提高了合金的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。它是提高材料力學性能的重要途徑之一。例如，我國和低合金強度結構鋼，就是利用錳、硅等元素來強化鐵素體，從而使材料的力學性能大為提高。 2、金屬化合物 金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來表示。 金屬化合物一般具有復雜的晶體結構，熔點高，硬度高，脆性大。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，合金的強度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韌性降低。金屬化合物是許多高合金的重要組成相，與固溶體適當配合可以提高合金的綜合力學性能。 3、機械混合

41、物 機械混合物是合金中的一類復相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機械混合物。各相在機械混合物中仍保持原有的晶格和性能，機械混合物的性能介于組成的相性能之間，工業(yè)上大多數(shù)合金均由混合物組成，如鋼、鑄鐵、鋁合金等。 三、純鐵的同素異構轉變 固態(tài)金屬隨溫度變化而發(fā)生晶格改變的現(xiàn)象，稱為同素異構轉變。純鐵即具有同素異構轉變的特征，如圖所示，可見，純鐵在1538結晶后，具有體心立方晶格，稱為鐵；當冷卻到1394時發(fā)生同素異構轉變，由體心立方晶格的鐵轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦蔫F；繼續(xù)冷卻至912時，再次發(fā)生同素異構轉變，又由有面心立方晶格的鐵轉變成了具有體心立方晶格的鐵。再繼續(xù)冷卻時晶格類型不再發(fā)生變化。

42、同素異構轉變是純鐵的一個重要特性，以鐵為基的鐵碳合金之所以能通過熱處理顯著改變其性能，就是由于鐵具有同素異構轉變的特性。 同素異構轉變不僅存在于純鐵中，而且存在于以鐵為基的鋼鐵材料中，這是鋼鐵材料性能呈多種多樣、用途廣泛，并能通過各種熱處理進一步改善其組織與性能的重要因素。 金屬的同素異構轉變過程與液態(tài)金屬的結晶過程相似，實質上它是一個重要結晶過程。因此，它同樣遵循著結晶的一般規(guī)律：有一定的轉變溫度；轉變時需要過冷；有潛熱產生；轉變過程也括晶核的形成和晶核的長大兩階段。 四、 鐵碳合金的（基本組織）相 在固態(tài)鐵碳合金中，鐵和碳的相互作用有兩種：一是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體，如鐵素體與奧

43、氏體；二是鐵和碳原子按一定的比例相互作用形成金屬化合物，如滲碳體。 鐵素體、奧氏體、滲碳體均是鐵碳合金的基本相。 1、鐵素體（） 碳溶于鐵中的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號或表示。它仍保持鐵的 體心立方晶格，由于體心立方晶格原子間的空隙很小，因而溶碳能力極差，在727時的最大溶碳量為0.0218，在600是溶碳量約為0.0057，室溫下幾乎為零0.0008。因此，其室溫性能幾乎和純鐵相同，鐵素體的強度、硬度不高（b=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韌性(=30%-50%,Akv=128-160J)。所以以鐵素體為基體的鐵碳合金適于塑性成形加工。 2、奧氏體（） 碳溶于

44、鐵中的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號或表示。它仍保持鐵的面心立方晶格。由于面心立方晶格原子間的空隙比體心立方晶格大，因此碳在鐵中的溶碳能力比在鐵中要大些。在727時的溶碳量為0.77，隨著溫度的升高溶量增加，到1148是時達到最大2.11。奧氏體的力學性能與其溶碳量及晶粒大小有關，一般奧氏體的強度、硬度為（b約為400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韌性(=40%-50%)，無磁性。因為奧氏體的硬度較低而塑性較高，易于鍛壓成型。 3、滲碳體 滲碳體具有復雜晶格的間隙化合物，分子式為，其6.69，是鋼和鑄鐵中常用的固相。熔點約為1227，滲碳全硬度很高（9501050），而塑性與

45、韌性幾乎為零，脆性很大。滲碳體不能單獨使用，在鋼中總是和鐵素體混在一起，是碳鋼中主要強化相。滲碳體在鋼和鑄鐵中存在形式有片狀、球狀、網(wǎng)狀、板狀，它的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況對鋼的性能影響很大。 滲碳體是一種亞穩(wěn)定相，在一定條件下會發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳。第五章鐵碳合金相圖與非合金鋼第一節(jié) 鐵碳合金的結晶過程 一、 共析鋼的結晶過程 圖中表示共析鋼（ Wc0.77），合金在1點以上為液體（L），當緩冷至稍低于1點溫度時，開始從液體中結晶出奧氏體（A），A的數(shù)量隨溫度的下降而增多。溫度降到2點時，液體全部結晶為奧氏體。2S點之間，合金是單一奧氏體相。繼續(xù)緩冷至S點時，奧氏體發(fā)生共析轉變，轉

46、變成珠光體（P）。727以下，P基本上不發(fā)生變化。故室溫下共析鋼的組織為P。共析鋼的結晶過程如下圖所示。 二、 亞共析鋼的結晶過程 圖 36中合金表示亞共析鋼。合金在1點以上為液體。緩冷至稍低于1點，開始從液體中結晶出奧氏體，冷卻到2點結晶終了。在23點區(qū)間，合金為單一的奧氏體組織，當冷卻到與GS線相交的3點時，開始從奧氏體中析出時，就會將多余的碳原子轉移到奧氏體中，引起未轉變的奧氏體的含碳量增加。沿著GS線變化。當溫度降至4點（727）時，剩余奧氏體含碳量增加到了Wc0.77，具備了共析轉變的條件，轉變?yōu)橹楣怏w。原鐵素體不變保留了在基體中。4點以下不再發(fā)生組織變化。故亞共析鋼的室溫組織為鐵素

47、體珠光體。亞共析鋼的結晶過程如圖38所示。 三、 過共析鋼的結晶過程 圖 3-6中合金表示過共析鋼。合金在1點以上為液體，當緩冷至稍低于1點后，開始從液體中結晶出奧氏體，直至2點結晶終了。在23點之間是含碳時為合金奧氏組織。緩冷至3點時，奧氏體中開始沿晶界析出滲碳體（即二次滲碳體）。隨著溫度不斷降低，由奧氏體中析出的二次滲碳愈來愈多，而奧氏體中的含碳量不斷減少，并沿著ES線變化。34點之間的組織為奧氏體二次滲碳體。降至4點（727）時，奧氏體的成分達到了共析成分，于是這部分奧氏體發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w。在4點以下，合金的組織不再發(fā)生變化。故室溫組織為珠光體二次滲碳體。過共析鋼結晶過程如圖3

48、9。 四、 共晶白口鐵的結晶過程 圖 36中合金表示共晶白口鐵（Wc4.3）。合金在C 點溫度以上為液體，當降至C 點時，液態(tài)合金將發(fā)生共晶轉變，結晶出奧氏體與滲碳體的機械混合物，即高溫萊氏體。轉變是在恒溫下進行，其中奧氏體的成分是E點的成分。溫度繼續(xù)下降時，萊氏體中的奧代體將不斷析出二次滲碳體，剩余奧氏體的碳濃度不屢減少，并沿著ES線變化。12點之間的組織為高溫萊氏體，是由奧氏體，二次滲碳體和共晶滲碳體組成（A+Fe 3 C +Fe 3 C共晶）。當溫度降至2點（727）時，萊氏體中的奧氏體的含碳量降到了Wc0.77，發(fā)生共析轉變，生成珠光體，即高溫萊氏體（Ld）轉變?yōu)榈蜏厝R氏體（L d），

49、其組織由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成（P+ Fe 3 C +Fe 3 C共晶）。共晶白口鐵的顯微組織如圖34所示，共晶白口鐵的結晶過程如圖310所示。 五、 亞共晶白口鐵的結晶過程 圖36中合金表示亞共晶白口鐵。合金在1點溫度以上為液體，緩冷至稍低于1點溫度，開始從液體中結晶出奧氏體。12點溫度之間組織為液體和奧氏體。繼續(xù)緩冷，結晶出的奧氏體量不斷增多，而液體量不斷送還減少，奧氏體的含碳量不斷沿AE驪變化，液體的碩深度沿AC驪變化。溫度緩冷 至2點（1148）時，奧氏體的含碳量為E點的成分，液體的碳濃度為C點的濃度，于是這部分液體發(fā)生共晶轉變。在23點溫度區(qū)間，隨著溫度的不斷下降，奧氏體

50、的含碳量沿ES線變化，并不斷析出二次滲碳體。因此23點溫度區(qū)間內的組織為奧代體、二次滲碳體和高溫萊氏體（A+Fe 3 C +Ld）。緩冷至3點（727）時，Wc0.77的奧氏體發(fā)生析轉變，轉變?yōu)橹楣怏w。最后室溫組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體（P+Fe 3 C +L d）。亞共晶白口鐵的結晶過程如圖311所示。 六、 過共晶白口鐵的結晶過程 圖 36中合金表示過共晶白口鐵。合金在1點溫度以上為液體。當溫度緩冷至稍低于1點時，從液體中開始結晶出一次滲碳體（Fe 3 C ）。溫度不斷下降，結晶出的一次滲碳體不斷增多，剩余液體量相對減少。同時，液體的碳濃度沿著CD驪不斷變化，至2點時，乘余液體W

51、c4.3，于是發(fā)生共晶轉變，形成高溫萊氏體。此時的組織為一次滲碳體高溫萊氏體。隨后繼續(xù)冷卻時的轉變情況與共晶白口鐵相同，最終組織為一次滲碳體低溫萊氏體。過共晶白口鐵的結晶過程如圖312所示。 白口鐵因有共晶轉變，所以組織中出現(xiàn)了萊氏體基體，萊氏體的存在，使得白口鐵硬度很高，脆性很大，所以實際生產中很少直接使用，一般用用煉鋼原料。 第二節(jié) 鐵碳相圖的應用 一、 含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響 隨著含碳量的增加，合金的室溫組織中不僅滲碳體的數(shù)量增加，其形態(tài)、分布也有變化，回此，合金的力學性能也相應發(fā)生變化。鐵碳合金的成分、組織、相組成、組織組成、力學性能等變化規(guī)律如圖 313所示。 亞共析鋼

52、的組織是由鐵素體和珠光體組成，隨含碳量的增加。其組織中珠光體的數(shù)量隨之增加，因而強度、硬度也升高，塑性、韌性不斷下降。過共析鋼的組織是由珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體組成，隨著鋼中含碳量的增加，其組織中珠光體的數(shù)量不斷減少，而網(wǎng)狀二次滲碳體的數(shù)量相對增加，因因強度、硬度上升，而塑性、韌性值不斷下降。但是，當鋼中 Wc0.9時，二次滲碳體將沿晶界形成完整的網(wǎng)狀形態(tài)，此時雖然硬度繼續(xù)增高，但因網(wǎng)狀二次滲碳體割裂基體，故使鋼的強度呈迅速下降趨勢。至于塑性和韌性，則隨著含碳量的增加而不斷降低。實際生產為了保證碳鋼具有足夠的強度，一定的塑性和韌性，Wc一般不應超過1.31.4。 Wc2.11的鐵碳合金，基本上都

53、已成了硬脆的滲碳體，強度很低，塑性和韌性隨滲碳體相對量的增加呈迅速下降趨勢。 二、 鐵碳相圖在工業(yè)中的應用 鐵碳相圖從客觀上反映了鋼鐵材料的組織隨成分和溫度變化的規(guī)律，因此在工程上為選材、用材及制鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝提供了重要的理論依據(jù)。如圖 314所示。 1、 在選材方面的應用 由鐵碳相圖可風，鐵碳合金中隨著含碳量的不同，其平衡組織各來相同，從而導致其力學性能不同。因此，可以根據(jù)零件的不同性能要求來合理地選擇材料。 2、 在鑄造生產上的應用 參照鐵碳相圖可以確定鋼鐵的澆注溫度，通常澆注溫度在液相線以上 5060。 3、 在鍛壓生產上的應用 鋼在室溫時的組織為兩相混合物，塑性較差，變

54、形困難，只有將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)，才具有較低的強度，較好的塑性和較小的變形抗力，易于成形。 4、 在焊接生產上的應用 焊接時，由于局部區(qū)域被快速加熱，故從焊縫到母材各處的溫度是不相同的。 5、 在熱處理生產上的應用 從鐵碳相圖可知：鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。第六章 鋼的熱處理 鋼的熱處理： 是將固態(tài)鋼材采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構與性能的工藝 。熱處理不僅可用于強化鋼材，提高機械零件的使用性能，而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。其共同點是：只改變內部組織結構，不改變表面形狀與尺寸。 第一節(jié) 鋼的熱處理原理 熱處理的目的是改變鋼的內部組織結構，以改善鋼的性能，通