金屬材料基本知識部分

1、增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識1. 1. 金屬材料的力學（機械）性能金屬材料的力學（機械）性能1） 強強 度度 2）塑）塑 性性 3） 硬硬 度度 4） 沖擊韌性沖擊韌性 5）疲勞）疲勞 強強 度度 1） 強強 度度 強度的概念強度的概念 強度的測定強度的測定拉伸實驗拉伸實驗 強度指標強度指標A A 金屬材料基本知識金屬材料基本知識力學性能的定義：力學性能的定義： 材料在外力作用下，表現(xiàn)出（靜載荷、動載荷、材料在外力作用下，表現(xiàn)出（靜載荷、動載荷、交變載荷）的性能交變載荷）的性能 強度的概念強度的概念 定義定義 指金屬在靜載荷作用下，抵抗指

2、金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形塑性變形 或或斷裂斷裂的能力。的能力。 強度是機械零件（或工程構件）在設計、加工、強度是機械零件（或工程構件）在設計、加工、使用過程中的主要性能指標，特別是使用過程中的主要性能指標，特別是選材選材 和和設計設計 的的主要依據(jù)。主要依據(jù)。 應用應用 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86GB6397-86） 力力伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）伸長曲線（以低碳鋼試樣為例） 脆性材料的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線 強度的測定強度的測定拉伸實驗拉伸實驗 強度的測定強度的測定拉伸實驗拉伸實驗 （GB6397-86GB6397-86）長試樣：長試樣：L L0 0=10d=10d

3、0 0短試樣：短試樣：L L0 0=5d=5d0 0圖圖1 1 拉伸試樣示意圖拉伸試樣示意圖圖圖2 2 強度的測定強度的測定拉伸實驗拉伸實驗 力力伸長曲線伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。拉伸實驗錄像拉伸實驗錄像彈性變形階段彈性變形階段 屈服階段屈服階段頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象強化階段強化階段圖圖3 3 拉伸試樣斷裂示意圖拉伸試樣斷裂示意圖圖圖4 4 低碳鋼低碳鋼拉伸曲線拉伸曲線關鍵詞：關鍵詞： LF0 0 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。脆性材料在斷裂前沒有明

4、顯的屈服現(xiàn)象。 圖圖4 4 低碳鋼低碳鋼拉伸曲線拉伸曲線圖圖5 5 脆性材料拉伸曲線脆性材料拉伸曲線 強度指標強度指標 屈服點屈服點 抗拉強度抗拉強度 在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力，用符號伸長時的應力，用符號s s表示。表示。 材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號b b表表示。示。 脆性材料的屈服點：脆性材料的屈服點： 試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣標距長度的試樣標距長度的0.2%0.2%時的應力，用符號時的應力，用符號0.20.

5、2表示。表示。 FsA0s= 屈服點計算公式屈服點計算公式 應用：應用：s和和0.2常作為零件常作為零件選材選材 和和設計設計 的依據(jù)。的依據(jù)。脆性材料的屈服點脆性材料的屈服點LF0 0F0.20.2%L0F0.2A00.2=圖圖6 6 b=FbA0 抗拉強度計算公式抗拉強度計算公式 應用：應用： 脆性材料制作脆性材料制作機械零件和工程構機械零件和工程構件時的件時的選材選材和和設計設計的依據(jù)。的依據(jù)。圖圖4 4 低碳鋼低碳鋼拉伸曲線拉伸曲線 衡量指標衡量指標2 2） 塑塑 性性斷面收縮率：斷面收縮率：伸長率：伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百

6、分比。 試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。始橫截面積的百分比。 定義定義金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形（不可恢復）的能力。金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形（不可恢復）的能力。 伸長率（伸長率（ ）l l1 1-l-l0 0l l0 0100%100%= =l l1 1試樣拉斷后的標距試樣拉斷后的標距,mm;,mm;l l0 0試樣的原始標距試樣的原始標距,mm,mm。圖圖7 7 伸長率計算示意圖伸長率計算示意圖 斷面收縮率斷面收縮率（ ）S0-S1S0=100%S S0 0試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積,mm,mm2 2；S S1 1頸

7、縮處的橫截面積頸縮處的橫截面積,mm,mm2 2 。圖圖8 8 斷面收縮率計算示意圖斷面收縮率計算示意圖 3 3） 硬硬 度度硬度的定義：硬度的定義： 抵抗更硬物體壓入的能力。抵抗更硬物體壓入的能力。常用的硬度衡量：常用的硬度衡量：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。度等。硬度的其它衡量：硬度的其它衡量：肖氏硬度肖氏硬度HSHS、銼氏硬度、顯微、銼氏硬度、顯微 硬度硬度HMHM硬度的數(shù)值越大，硬度越高。硬度的數(shù)值越大，硬度越高。但相互之間不能比但相互之間不能比較，必須查表為同單位才行。較，必須查表為同單位才行。 布氏硬度：布氏硬度：HBHB 原理原理布氏硬度布氏硬度= F

8、 A凹凹=2FDD-（D-d ）圖圖9 9 圖圖10 10 布氏硬度計布氏硬度計 布氏硬度：布氏硬度：HBHB試驗：試驗：GB84GB84。一定直徑的鋼球。一定直徑的鋼球HBSHBS（硬質合金（硬質合金HBWHBW）規(guī)規(guī)定的載荷及時間。定的載荷及時間。 HBHBF/S (N/mmF/S (N/mm2 2) 650) 650例：例：鋼球直徑：鋼球直徑：10mm10mm，載荷：，載荷：30KN30KN（F F30D30D2 2），）， 時間：規(guī)定時間：規(guī)定1010（s s）。）。材料：壓痕直徑：材料：壓痕直徑：d d0 03.92mm 3.92mm 查表：查表： HBSHBS239239 應用范圍

9、：應用范圍：鑄鐵、有色鑄鐵、有色金屬、非金屬材料。金屬、非金屬材料。 測量范圍測量范圍: HBS450; : HBS450; HBW650. HBW650. 優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：壓痕大，測量壓痕大，測量準確，但不能測量成品準確，但不能測量成品件件。 試驗（錄像）試驗（錄像）圖圖11 11 布氏硬度法布氏硬度法 洛氏硬度洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC） 試驗：試驗：GB83GB83。一定錐形的金剛石一定錐形的金剛石（淬火鋼球），在規(guī)（淬火鋼球），在規(guī)定載荷和時間后，測定載荷和時間后，測出的壓痕深度的大小。出的壓痕深度的大小。圖圖12 12 洛氏硬度計洛氏硬度計 洛氏硬度洛氏硬度（

10、HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC） 原理：原理： 加預載荷加預載荷 加主載荷加主載荷 卸除主載荷卸除主載荷讀硬度值讀硬度值圖圖14 14 洛氏硬度測量原理圖洛氏硬度測量原理圖圖圖13 13 洛氏硬度測量示意圖洛氏硬度測量示意圖測量錄像測量錄像202067671500N1500N120120金剛石圓錐體金剛石圓錐體HRCHRC25251001001000N1000N 1.588mm 1.588mm鋼球鋼球HRBHRB70708585600N600N120120金剛石圓錐體金剛石圓錐體HRAHRA常用洛氏硬度標度的試驗范圍常用洛氏硬度標度的試驗范圍 洛氏硬度的應用范圍洛氏硬度的應用范圍:

11、鋼及合金鋼鋼及合金鋼。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：測成品、薄的工件，無材料限制，但不精確。測成品、薄的工件，無材料限制，但不精確。一般通常習慣用一般通常習慣用HRCHRC。 4 4） 沖擊韌性沖擊韌性 沖擊試樣沖擊試樣圖圖15 15 沖擊試樣樣件沖擊試樣樣件圖圖4 4）沖擊韌性沖擊韌性 沖擊試驗原理及方法沖擊試驗原理及方法 試驗原理試驗原理：試樣被：試樣被沖斷過程中吸收的能沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（量即沖擊吸收功（Ak ）等于擺錘沖擊試樣）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。前后的勢能差。試驗過程如圖所示試驗過程如圖所示 計算公式計算公式 A Ak=k=GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（

12、H H1 1 - H- H2 2）沖擊韌度沖擊韌度（a k）：）： 沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。圖圖15 15 擺錘式沖擊實驗機擺錘式沖擊實驗機5 5）疲勞強度）疲勞強度圖圖15 15 疲勞曲線疲勞曲線增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識 2. 2. 金屬材料的物理、化學及工藝性能金屬材料的物理、化學及工藝性能1）物理性能）物理性能 密度密度 熔點熔點 熱膨脹性熱膨脹性 導熱性導熱性 導電性導電性 磁性磁性A A 金屬材料基本知識金屬材料基本知識2）化學性能）化學性能 耐酸性耐酸性 耐堿性耐堿性 抗氧化性抗氧化

13、性 3）工藝性能）工藝性能 鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性 焊接性焊接性 切削加工性切削加工性增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識）晶體的基本知識A A 金屬材料基本知識金屬材料基本知識2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構3 3）實際金屬的晶體結構）實際金屬的晶體結構3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識）晶體的基本知識（1）晶體與非晶體）晶體與非晶體 晶體晶體 內部質點按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物內部質點按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質稱為晶體。質

14、稱為晶體。 有固定的熔點（如鐵為有固定的熔點（如鐵為1538，銅為，銅為1083，鋁為，鋁為660）；一般具有規(guī)則的外形；在不同的方向上具）；一般具有規(guī)則的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。非晶體及其特性非晶體及其特性 內部質點無規(guī)則的堆積在一起的物質稱為非晶體。內部質點無規(guī)則的堆積在一起的物質稱為非晶體。 與晶體相反，沒有固定的熔點；表現(xiàn)出各向同性。與晶體相反，沒有固定的熔點；表現(xiàn)出各向同性。 晶體與非晶體在一定條件下可互相轉化。晶體與非晶體在一定條件下可互相轉化。 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識

15、）晶體的基本知識（2）晶格、晶胞和晶格常數(shù)）晶格、晶胞和晶格常數(shù)圖圖16 16 晶體中原子排列示意圖晶體中原子排列示意圖-原子對垛模型原子對垛模型3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識）晶體的基本知識（2）晶格、晶胞和晶格常數(shù)）晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶格晶格 假設原子為剛性小球，假設原子為剛性小球，利用假想的幾何線條連利用假想的幾何線條連接起來構成一個空間格接起來構成一個空間格架，這種抽象的，用于架，這種抽象的，用于描述原子在晶體中排列描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架就形式的幾何空間格架就叫晶格。叫晶格。圖圖17 17 晶體中原子排列示圖晶體中原子排列示圖-晶格晶

16、格3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識）晶體的基本知識（2 2）晶格、晶胞和晶格常數(shù)）晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶胞晶胞 最小的能夠完全反映晶格特征的最小的能夠完全反映晶格特征的幾何單元稱為晶胞。幾何單元稱為晶胞。 晶格常數(shù)晶格常數(shù) 如圖，如圖，、，a a、b b、c c為晶格常數(shù)為晶格常數(shù)。 圖圖19 19 晶格常數(shù)晶格常數(shù)圖圖18 18 晶體中原子排列示圖晶體中原子排列示圖-晶胞晶胞3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1 1）晶體的基本知識）晶體的基本知識（2 2）晶格、晶胞和晶格常數(shù)）晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶胞選取應滿足下列條件晶胞選取應滿足下列條件 ： 晶胞幾

17、何形狀充分反映點陣對稱性；晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性； 平行六面體內相等的棱和角數(shù)目最多；平行六面體內相等的棱和角數(shù)目最多； 當棱間呈直角時，直角數(shù)目應最多；當棱間呈直角時，直角數(shù)目應最多； 滿足上述條件，晶胞體積應最小。滿足上述條件，晶胞體積應最小。 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構（1 1）金屬的特性和金屬鍵）金屬的特性和金屬鍵 特性特性: 良好的導電性、導熱性、塑性，具有金屬光澤，良好的導電性、導熱性、塑性，具有金屬光澤，不透明，正的電阻溫度系數(shù)。不透明，正的電阻溫度系數(shù)。 原因原因: 這主要是與金屬原子的內部結構以及原子間的結這主要是與

18、金屬原子的內部結構以及原子間的結合方式有關。合方式有關。 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構（1 1）金屬的特性和金屬鍵）金屬的特性和金屬鍵 金屬鍵金屬鍵: : 當大量金屬原子結合在一起，構成金屬晶當大量金屬原子結合在一起，構成金屬晶體時，金屬原子失去外層電子變成正離子；失去的體時，金屬原子失去外層電子變成正離子；失去的外層電子成為自由電子，為整個金屬所共有，構成外層電子成為自由電子，為整個金屬所共有，構成電子云，金屬正離子在其平衡位置作高頻率的熱振電子云，金屬正離子在其平衡位置作高頻率的熱振動；金屬離子和自由電子之間的引力與離子間和電動；金屬離子和

19、自由電子之間的引力與離子間和電子間的斥力相平衡，從而構成穩(wěn)定的金屬晶體。這子間的斥力相平衡，從而構成穩(wěn)定的金屬晶體。這種結合方式稱之為金屬鍵。種結合方式稱之為金屬鍵。 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構 金屬特性的金屬鍵理論解釋金屬特性的金屬鍵理論解釋: :自由電子在電場的作用下定向運動形成電流，從而自由電子在電場的作用下定向運動形成電流，從而顯示出良好的導電性。顯示出良好的導電性。隨著溫度升高，正離子振動的振幅要加大，對自由隨著溫度升高，正離子振動的振幅要加大，對自由電子通過的阻礙作用也加大，因而，金屬的電阻是電子通過的阻礙作用也加大，因而，金屬的

20、電阻是隨溫度的升高而增加的，即具有正的電阻溫度系數(shù)。隨溫度的升高而增加的，即具有正的電阻溫度系數(shù)。自由電子的運動和正離子的振動可以傳遞熱能，因自由電子的運動和正離子的振動可以傳遞熱能，因而使金屬具有較好的導熱性。而使金屬具有較好的導熱性。3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構 金屬特性的金屬鍵理論解釋金屬特性的金屬鍵理論解釋 ( (續(xù)）續(xù)）: :當金屬發(fā)生塑性變形后，正離子與自由離子間所能當金屬發(fā)生塑性變形后，正離子與自由離子間所能保持金屬鍵的結合，使金屬顯示出良好的塑性。保持金屬鍵的結合，使金屬顯示出良好的塑性。自由電子能吸收可見光的能量，故金屬具有不

21、透明自由電子能吸收可見光的能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后跳到較高能級的電子，當它重新跳性。吸收能量后跳到較高能級的電子，當它重新跳回到原來低能級時，就把所吸收的可見光的能量以回到原來低能級時，就把所吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，在宏觀上就表示為金屬的電磁波的形式輻射出來，在宏觀上就表示為金屬的光澤。光澤。2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構（2 2）金屬中常見的晶格）金屬中常見的晶格 體心立方晶格：體心立方晶格： a=b=c =90 晶胞中實際原子數(shù)為晶胞中實際原子數(shù)為: 具有體心立方晶格的金屬有：具有體心立方晶格的金屬有： -Fe、Cr、W、Mo、V等。等。21818a)

22、 剛球剛球模型模型b)質點質點模型模型c)c)晶胞原晶胞原子數(shù)子數(shù)圖圖20 20 體心體心立方晶胞立方晶胞2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構（2 2）金屬中常見的晶格）金屬中常見的晶格 面心立方晶格：面心立方晶格： a=b=c =90 晶胞中實際原子數(shù)為晶胞中實際原子數(shù)為: 具有體心立方晶格的金屬有：具有體心立方晶格的金屬有： -Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。等。圖圖21 21 面心面心立方晶胞立方晶胞4216818a)剛球 模型b)質點 模型c) 晶胞 原子數(shù)2 2）金屬的晶體結構）金屬的晶體結構（2 2）金屬中常見的晶格）金屬中常見的晶格 密排六方晶格：密排六方晶格： a

23、=b c =90a=b c =90 =120 =120 密排六方晶格中實際原子數(shù)為密排六方晶格中實際原子數(shù)為: 具有密排六方晶格的金屬有：具有密排六方晶格的金屬有： Mg、Zn、Be、Cd等。等。圖圖22 22 密排密排六方晶胞六方晶胞個632126112a)a)剛球模型剛球模型b)b)質點模質點模型型c)c)晶胞原子晶胞原子 數(shù)數(shù)3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）晶體結構的致密度）晶體結構的致密度 致密度：致密度：是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。比。 體心立方的致密度：體心立方的致密度： 333422a）（晶胞體積個原子體積68. 0

24、834334233aa）（）（3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）晶體結構的致密度）晶體結構的致密度 面心立方與密排六方的致密度面心立方與密排六方的致密度 計算同體心立方，均為計算同體心立方，均為0.740.74。 致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。4 4）配位數(shù)的概念）配位數(shù)的概念配位數(shù)是指晶體結構中，與任一原于最近鄰并且等配位數(shù)是指晶體結構中，與任一原于最近鄰并且等距離的原子數(shù)。距離的原子數(shù)。 體心立方：體心立方：8 8；面心立方：；面心立方：1212；密排六方：；密排六方：1212 配位數(shù)的多少也可以反映原子排列的緊密程度。配位數(shù)的多少也可以

25、反映原子排列的緊密程度。3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構5 5） 晶面與晶向晶面與晶向 在晶體中，由一系列原子所構成的平面稱為晶面，在晶體中，由一系列原子所構成的平面稱為晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。 不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子間相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就顯子間相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就顯示不同的力學性能和理化性能。示不同的力學性能和理化性能。 表述不同晶面和晶向的原子排列情況及其在空間的表述不同晶面和晶向的原子排列情況及其在空間的位向稱為晶面

26、指數(shù)和晶向指數(shù)。位向稱為晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構5 5） 晶面與晶向晶面與晶向（1 1）晶向指數(shù)求法）晶向指數(shù)求法 設坐標設坐標 求截距求截距 取倒數(shù)取倒數(shù) 化整數(shù)化整數(shù) 列括號列括號圖圖23 23 晶向指數(shù)求法示意圖晶向指數(shù)求法示意圖3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構5 5） 晶面與晶向晶面與晶向（1 1）晶面指數(shù)求法）晶面指數(shù)求法 設坐標設坐標 求坐標值求坐標值 化整數(shù)化整數(shù) 列括號列括號圖圖24 24 晶面指數(shù)求法示意圖晶面指數(shù)求法示意圖 3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）實際金屬的晶體結構）實際金屬的晶體結構（1）多晶體和亞組織

27、）多晶體和亞組織 概念概念 單晶體單晶體把晶體看成是由原子按一定的幾何規(guī)把晶體看成是由原子按一定的幾何規(guī)律作周期性排列而成的，即晶體內部的晶格位向是律作周期性排列而成的，即晶體內部的晶格位向是完全一致的晶體，這樣的晶體稱為單晶體。實際使完全一致的晶體，這樣的晶體稱為單晶體。實際使用的工業(yè)金屬材料，即使體積很小，其內部仍包含用的工業(yè)金屬材料，即使體積很小，其內部仍包含了許多顆粒狀的小晶體，每個小晶體內部的晶格位了許多顆粒狀的小晶體，每個小晶體內部的晶格位向是一致的，而各個小晶體彼此間的位向都不同。向是一致的，而各個小晶體彼此間的位向都不同。3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）實際金屬

28、的晶體結構）實際金屬的晶體結構（1）多晶體和亞組織）多晶體和亞組織 概念概念 晶粒晶粒 外形不規(guī)則的小晶體。外形不規(guī)則的小晶體。 晶界晶界 晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒之間的界面。 多晶體多晶體 實際上由許多晶粒組成的晶體。實際上由許多晶粒組成的晶體。 顯微組織或金相組織顯微組織或金相組織晶粒尺寸很小，如：鋼鐵晶粒尺寸很小，如：鋼鐵材料的晶粒一般在材料的晶粒一般在1010-1-11010-3-3mmmm左右，故只有在金相左右，故只有在金相顯微鏡下才能觀察到這種金屬組織。顯微鏡下才能觀察到這種金屬組織。3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）實際金屬的晶體結構）實際金屬的晶體結構（1

29、）晶體的各向異性晶體的各向異性 當晶體內部的晶格位向完全一致而形成理想狀態(tài)當晶體內部的晶格位向完全一致而形成理想狀態(tài)下的單晶體時，該晶體必然具有各向異性的特征，下的單晶體時，該晶體必然具有各向異性的特征，但實際金屬是多晶體，表現(xiàn)各向同性。但實際金屬是多晶體，表現(xiàn)各向同性。晶粒亞組織晶粒亞組織在實際金屬晶體的一個晶粒內部，在實際金屬晶體的一個晶粒內部，其晶格也并不象理想晶體那樣完全一致，而是存在其晶格也并不象理想晶體那樣完全一致，而是存在著許多尺寸更小，位向差也很小的小晶塊，它們相著許多尺寸更小，位向差也很小的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱亞組織。互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱亞組

30、織。 亞晶界亞晶界兩相鄰亞組織間的邊界。兩相鄰亞組織間的邊界。3. 3. 金屬的晶體結構金屬的晶體結構3 3）實際金屬的晶體結構）實際金屬的晶體結構（2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 實際晶體中，原子排列不完整，偏離理想分布的實際晶體中，原子排列不完整，偏離理想分布的結構區(qū)域稱為晶體的缺陷。這種局部存在的晶體缺結構區(qū)域稱為晶體的缺陷。這種局部存在的晶體缺陷，對金屬的性能影響很大。陷，對金屬的性能影響很大。 晶體缺陷按尺寸可分為：點缺陷、線缺陷、面缺陷晶體缺陷按尺寸可分為：點缺陷、線缺陷、面缺陷（2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 點缺陷點缺陷 空位和間隙原子：空位和間隙原子：位于點陣上的原子并非位于點陣上的

31、原子并非靜的，而是以其平衡位靜的，而是以其平衡位置為中心作熱振動，總置為中心作熱振動，總有一些原子的能量大到足以克服周圍原子對它的束縛有一些原子的能量大到足以克服周圍原子對它的束縛作用，就可以脫離其原來的平衡位置，而遷移到別處作用，就可以脫離其原來的平衡位置，而遷移到別處結果，在原來的位置的上的出現(xiàn)了空結點，稱為空位。結果，在原來的位置的上的出現(xiàn)了空結點，稱為空位。圖圖25 25 晶體中的各種點缺陷晶體中的各種點缺陷 （2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 點缺陷點缺陷 形成空位的同時，產形成空位的同時，產生了間隙原子，這種不占生了間隙原子，這種不占有正常的晶格位置而處在有正常的晶格位置而處在晶格空隙之

32、間的原子稱為晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。間隙原子。 點缺陷的產生使其產生了晶格畸變，晶格畸變將點缺陷的產生使其產生了晶格畸變，晶格畸變將晶體性能發(fā)生改變，如強度，硬度和電阻增加。晶體性能發(fā)生改變，如強度，硬度和電阻增加。圖圖25 25 晶體中的各種點缺陷晶體中的各種點缺陷 （2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 線缺陷線缺陷- -位錯位錯 位錯位錯- -晶體中，晶體中，某處有一列或若某處有一列或若干列原子發(fā)生了干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 刀刃位錯：刀刃位錯：在晶體的某一水平面上，多出一個垂在晶體的某一水平面上，多出一個垂直原子面直原子面ABCDABCD，這個多原子面像刀刃一樣

33、切入晶體，這個多原子面像刀刃一樣切入晶體，使晶體上、下兩部分的原子發(fā)生了錯排現(xiàn)象。使晶體上、下兩部分的原子發(fā)生了錯排現(xiàn)象。a)刃型位錯b)螺旋位錯圖圖2626 （2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 線缺陷線缺陷- -位錯位錯 螺旋位錯：螺旋位錯：原子平面被畸變原子平面被畸變成了螺旋面。成了螺旋面。 位錯密度：位錯密度： V-V-晶體的體積晶體的體積 S-S-體積為體積為V V的晶體中位錯線的總長度。的晶體中位錯線的總長度。a)刃型位錯b)螺旋位錯圖圖2626Vs（2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 線缺陷線缺陷- -位錯位錯 圖圖2727晶須晶須 （2）晶體的缺陷）晶體的缺陷 面缺陷面缺陷 晶界：晶界：多晶體

34、中兩個相鄰晶粒間的位向差大多在多晶體中兩個相鄰晶粒間的位向差大多在30304040，原子排列成無規(guī)則的過渡層。，原子排列成無規(guī)則的過渡層。 亞晶界：亞晶界：是由一系列刃型位錯所形成的小角晶界。是由一系列刃型位錯所形成的小角晶界。亞組織越細，金屬的屈服強度越高。亞組織越細，金屬的屈服強度越高。增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金A A 金屬材料基本知識金屬材料基本知識圖圖28 28 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線圖圖29 29 結晶過程示意圖結晶過程示意圖增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金

35、屬熱處理工藝基本知識4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖30 30 簡單立方體的晶格與晶胞簡單立方體的晶格與晶胞圖圖29 29 純鐵的晶體構造純鐵的晶體構造回回顧顧增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖31 31 純鐵的同素異晶體轉變純鐵的同素異晶體轉變增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖32 32 鐵碳合金固溶體示意圖鐵碳合金固溶體示意圖圖圖33 33 間隙固溶體的晶格畸變間隙固溶體的晶格畸變增補章增補章: : 金屬材料與金屬熱處理工藝基本

36、知識金屬材料與金屬熱處理工藝基本知識4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖34 34 顯微組織下的幾種狀態(tài)圖顯微組織下的幾種狀態(tài)圖(a) 鐵素體鐵素體(b) 奧氏體奧氏體(c) 珠光體珠光體4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖35 35 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖35 35 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金鐵碳合金 狀態(tài)圖的建立狀態(tài)圖的建立 （1 1）配制不同成配制不同成分的鐵碳合金，用熱分的鐵碳合金，用熱分析法測定各合金的分析法測定各合金的冷卻曲線。冷卻曲線。 （2 2）從各冷卻曲線從各冷卻曲線上找出臨界點，并將上找出臨界點，并將各臨界點分別畫到成各臨界點分別畫

37、到成份份-溫度坐標中。溫度坐標中。 （3 3）將意義相同的將意義相同的臨界點連接起來。臨界點連接起來。4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖35 35 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖1 1） 鐵碳合金中的組元鐵碳合金中的組元（1 1）純鐵：）純鐵：C%0.0218 性能：性能： 熔點：熔點：15381538 （一個大氣壓下）（一個大氣壓下） 密度：密度：7.87g/cm7.87g/cm2 2 力學性能：力學性能： 強硬度低，塑韌性好強硬度低，塑韌性好（b b=180-280MPa=180-280MPa =40-50%, HB=50-80 =40-50%, HB=50-80） 物理性能：磁導率高物理性能

38、：磁導率高 同素異構轉變：同素異構轉變：1394-1538 -Fe1394-1538 -Fe 912-1394-Fe 912-1394-Fe； 912912以下以下 -Fe -Fe（2 2）滲碳體（）滲碳體（FeFe3 3C C） ： 性能：硬度高性能：硬度高（HV950-1050HV950-1050）強度低，塑韌性低強度低，塑韌性低（接近（接近0 0），）， 熔點：熔點：12271227 組織特征：（組織特征：（4 4硝硝酸酒精）白亮色酸酒精）白亮色 （3 3）鐵素體（）鐵素體（F F或或） 性能：強硬度低性能：強硬度低(b b=180-280MPa)=180-280MPa)； 塑韌性好（塑

39、韌性好（=30-50%,HB=50-80=30-50%,HB=50-80）；）； 鐵磁性鐵磁性 組織特征：（組織特征：（4 4硝酸酒精）白亮色硝酸酒精）白亮色（4 4） 奧氏體（奧氏體（A A） 性能：強硬度低性能：強硬度低, ,塑韌性好，比容小，順磁性塑韌性好，比容小，順磁性 組織特征：（組織特征：（4 4硝酸酒精）白亮色硝酸酒精）白亮色1 1） 鐵碳合金中的組元鐵碳合金中的組元（1 1）點（特性點）：）點（特性點）：A 1538 100A 1538 100FeFe的熔點的熔點 ；D 1227 100D 1227 100Fe3CFe3C的熔點；的熔點；G 912 100G 912 100Fe

40、Fe的同素異晶轉變點的同素異晶轉變點 （重結晶溫度點）；（重結晶溫度點）；C C 1148 4.3 1148 4.3C C 共晶點共晶點 LLdLLd（A AC C） 共晶反應共晶反應（共晶轉變點）共晶轉變點）；F 1148 6.69F 1148 6.69C C 虛點；虛點； P 727 100P 727 100FeFe虛點；虛點；K 727 6.69K 727 6.69C C虛點；虛點；E E 1148 2.11 1148 2.11C C 碳在碳在FeFe中的最大固溶量中的最大固溶量S S 727 0.77 727 0.77C C 碳在碳在FeFe中的最小固溶量中的最小固溶量 共析點共析點A

41、P AP 共析反應共析反應（共析轉變點共析轉變點）。2） FeFeFeFe3 3C C合金合金 狀態(tài)圖的分析：狀態(tài)圖的分析：鋼、鐵鋼、鐵分界點分界點（2 2）線（特性線）：）線（特性線）：（1 1）ACAC線：液相線線：液相線 開始結晶出奧氏體：開始結晶出奧氏體：LLLLA A。 DCDC線：液相線線：液相線 開始結晶出滲碳體：開始結晶出滲碳體：LL+CLL+C。（2 2）AEAE線：固相線線：固相線 奧氏體結晶終了線：奧氏體結晶終了線：L LAAAA。 ECFECF線：固相線（共晶線）：共晶反應線：固相線（共晶線）：共晶反應 LLdLLd。（3 3）GSGS線線A3A3線：線： 從奧氏體中開

42、始析出鐵素體線。從奧氏體中開始析出鐵素體線。（4 4）ESES線線AcmAcm線：線：從奧氏體中開始析出滲碳體線從奧氏體中開始析出滲碳體線 （碳在奧氏體中的固溶線）。（碳在奧氏體中的固溶線）。（5 5）PSKPSK線線A1A1線：共析線；線：共析線； 共析反應共析反應 APAP（F FC C）共晶體。）共晶體。（6 6）PQPQ線：線： 碳在鐵素體中的溶解度曲線。這種由碳在鐵素體中的溶解度曲線。這種由 鐵素體中析出的滲碳體為三次滲碳體。鐵素體中析出的滲碳體為三次滲碳體。2） FeFeFeFe3 3C C合金合金 狀態(tài)圖的分析：狀態(tài)圖的分析：4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金圖圖35 35 鐵碳合金狀

43、態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖3 3）鐵碳合金分類鐵碳合金分類工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵： C%0.0218C%0.0218 碳素鋼：碳素鋼： 亞共析鋼：亞共析鋼： 0.02180.0218-0.77-0.77C C 共析鋼：共析鋼： 0.770.77C C 過共析鋼：過共析鋼： 0.770.77-2.11-2.11C C白口鐵：白口鐵： 亞共晶白口鐵：亞共晶白口鐵：2.11-30%C 2.11-30%C 共晶白口鐵：共晶白口鐵：4.30%C4.30%C 過共晶白口鐵：過共晶白口鐵：4.30%-6.69%C4.30%-6.69%C圖圖35 35 鐵碳合金鐵碳合金狀態(tài)圖的狀態(tài)圖的典型合金典型合金圖圖36 36 共析

44、鋼的結晶過程共析鋼的結晶過程（1 1）共析鋼）共析鋼 結晶過程：結晶過程：1 12 2點：點：L0.770.77L0.770.773 3點：點：共析轉變共析轉變 PP3 3點以下：點以下：PP中的中的F F析出析出 FeFe3 3C C （忽略）（忽略）4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡結晶平衡結晶圖圖35 35 鐵碳合金鐵碳合金狀態(tài)圖的狀態(tài)圖的典型合金典型合金圖圖38 38 亞共析鋼的結晶過程亞共析鋼的結晶過程（1 1）亞共析鋼）亞共析鋼結晶過程：結晶過程：1 13 3點：點：LL，L+L+，LL4 45 5點：點：先共析先共析5 5點：點：共析轉變共析轉變 PP5

45、 5點以下：點以下：先共析先共析Fe3CFe3CP P中的中的F F析出析出Fe3CFe3C （忽略）（忽略）4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡結晶平衡結晶圖圖37 37 含碳含碳0.2%0.2%的顯微組織的顯微組織圖圖35 35 鐵碳合金鐵碳合金狀態(tài)圖的狀態(tài)圖的典型合金典型合金圖圖39 39 過共析鋼的結晶過程過共析鋼的結晶過程（1 1）過共析鋼）過共析鋼結晶過程：結晶過程： 1 12 2點：點：LL3434點：點：FeFe3 3C C+4 4點：點：共析轉變共析轉變 PP4 4點以下：點以下：PP中的中的F F析出析出FeFe3 3C C （忽略（忽略）4. 4.

46、 鐵碳合金鐵碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡結晶平衡結晶4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金5）含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響（1 1） C C對平衡組織的影響對平衡組織的影響 引起相組成物中引起相組成物中F F、 FeFe3 3C C相對量的變化：相對量的變化： C CFF、FeFe3 3C C 引起組織組成物的變化引起組織組成物的變化 C C室溫組織由室溫組織由FF+PPP+ FeFF+PPP+ Fe3 3C CP+ P+ FeFe3 3C C+LeLe Fe+LeLe Fe3 3C C+Le Fe+Le Fe3 3C C 引起組織形態(tài)的變化：引起組織形態(tài)的

47、變化： 例例FeFe3 3C C：C C不連續(xù)不連續(xù)連續(xù)網狀連續(xù)網狀6）含碳量對力學含碳量對力學( (機械機械) )性能的影響性能的影響（1 1） 原因：原因： 室溫組織類型、相組成和組織組成物相對量不同室溫組織類型、相組成和組織組成物相對量不同 組織的形態(tài)與分布不同（尤其應注意組織的形態(tài)與分布不同（尤其應注意FeFe3 3C C的分布）的分布） 引起相組成物中引起相組成物中F F、 FeFe3 3C C相對量的變化：相對量的變化： C CFF、FeFe3 3C C（2 2） 影響：影響：對鋼的影響：（如圖示）對鋼的影響：（如圖示） C C硬度硬度，塑、韌性，塑、韌性 強度：先升后降強度：先升

48、后降（當（當C C1.01.0時，時， FeFe3 3C C呈連續(xù)網狀）呈連續(xù)網狀）對白口鐵的影響：對白口鐵的影響：脆性很大，強度很低脆性很大，強度很低, , 硬度、耐磨性很高硬度、耐磨性很高 圖圖40 40 碳對鋼的力學性能的影響碳對鋼的力學性能的影響（1 1）硅）硅 Si :Si : 脫氧劑，（脫氧劑，（且強化且強化F,F,提高淬透性提高淬透性） 但但SiOSiO2 2易成易成為非金屬夾雜為非金屬夾雜, , （2 2）錳）錳 Mn Mn ： 有益元素，脫氧劑，除硫劑，（且強化有益元素，脫氧劑，除硫劑，（且強化F,F,提高提高淬透性），提高鋼的強度。但淬透性），提高鋼的強度。但MnOMnO、

49、MnSMnS易成為易成為非金屬夾雜物非金屬夾雜物, Mn, Mn，有益元素，脫氧劑，有益元素，脫氧劑; ;降低鋼降低鋼的的脆性。的的脆性。7）鋼中雜質元素對組織性能的影響鋼中雜質元素對組織性能的影響4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金（3 3）硫）硫S : S : S S0.050%.0.050%. 不利作用：有害元素，引起熱熱脆（紅脆性）不利作用：有害元素，引起熱熱脆（紅脆性）; ; 原因原因:(:(FeSFeSFeFe）為共晶體，）為共晶體，985985為液體。硫為液體。硫的含量越高，熱脆性越嚴重。的含量越高，熱脆性越嚴重。 有利作用：提高切削加工性有利作用：提高切削加工性. . (4) (4)

50、磷磷P: P: P P 0.00450.0045 不利作用：有害元素，冷脆。使鋼常溫下其塑不利作用：有害元素，冷脆。使鋼常溫下其塑性和韌性急劇下降，脆性轉變溫度升高，在低溫性和韌性急劇下降，脆性轉變溫度升高，在低溫時時這種現(xiàn)象更加嚴重。這種現(xiàn)象更加嚴重。（原因：固溶于（原因：固溶于FF鋼強硬度鋼強硬度，塑韌性，塑韌性） 有利作用：提高切削加工性有利作用：提高切削加工性, ,使彈片易碎等使彈片易碎等7）鋼中雜質元素對組織性能的影響鋼中雜質元素對組織性能的影響4. 4. 鐵碳合金鐵碳合金（5 5）氫）氫 H H：0.00010.0001 有害元素，氫脆，白點。過多的氫分子會導有害元素，氫脆，白點。

51、過多的氫分子會導鋼的開裂鋼的開裂, ,時效形成氮化物時效形成氮化物脆化。脆化。 冶金時防止進入，冶金時防止進入， 去氫退火。去氫退火。（6 6）氮）氮N N 、氧、氧O O ： 一般情況下均是有害元素一般情況下均是有害元素 H H 氫脆，氫脆， 白點白點塑韌性塑韌性 O O 形成氧化物形成氧化物 非金屬夾雜非金屬夾雜 控制方法：控制方法： N N 加入加入A Al lAAl lN N O O 加脫氧劑加脫氧劑 Si,MnSi,Mn等等 總之，雜質元素對鋼材的性能與質量影總之，雜質元素對鋼材的性能與質量影響很響很大，必須嚴格控制在所規(guī)定的范圍內。大，必須嚴格控制在所規(guī)定的范圍內。 7）鋼中雜質元

52、素對組織性能的影響鋼中雜質元素對組織性能的影響8）鋼的分類鋼的分類圖圖41 41 鋼的分類示意圖鋼的分類示意圖8）鋼的分類鋼的分類（1 1）碳素鋼分如下三類：）碳素鋼分如下三類： 普通碳素結構鋼：普通碳素結構鋼： 新：新：Q235AQ235A（F F、b b、Z Z）、）、s235MPas235MPa。 舊：甲類鋼：舊：甲類鋼：A1A1、A2A2、A3A3、A7A7滿足機械性滿足機械性 能要求的。能要求的。 乙類鋼：乙類鋼：B1B1、B2B2、B3B3、.B7.B7滿足化學性滿足化學性 能要求的。能要求的。 特類鋼：特類鋼：C2C2、C3C3、.C5.C5滿足機械和化學性滿足機械和化學性能要求

53、的。能要求的。 通常用于制造型材、螺釘、鐵釘、鐵絲、建筑材通常用于制造型材、螺釘、鐵釘、鐵絲、建筑材料等。料等。8）鋼的分類鋼的分類（1 1）碳素鋼分如下三類：）碳素鋼分如下三類： 優(yōu)質碳素結構鋼：優(yōu)質碳素結構鋼： 普通含錳量鋼：普通含錳量鋼：0.250.250.80.8MnMn。 較高含錳量鋼：較高含錳量鋼：0.700.701.201.20MnMn。舉例：舉例：4545： 0.450.45C C左右、左右、 0.500.500.800.80MnMn左右。左右。 45Mn45Mn：0.450.45C C左右、左右、 0.700.701.001.00MnMn左右。左右。 常用于齒輪、主軸、連桿常用于齒輪、主軸、連桿4545。 彈簧、板簧、發(fā)條彈簧、板簧、發(fā)條6565、65Mn65Mn。 8）鋼的分類鋼的分類（1 1）碳素鋼分如下三類：）碳素鋼分如下三類： 碳素工具鋼：碳素工具鋼： 優(yōu)質碳素工具鋼：優(yōu)質碳素工具鋼： T T數(shù)字。數(shù)字。 高級優(yōu)質碳素工具鋼：高級優(yōu)質碳素工