機(jī)械制造基礎(chǔ)_材料解讀課件

1、第一章 工程材料 材料是現(xiàn)代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一,是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)特別是機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ);是生產(chǎn)活動的基本投入。材料的利用標(biāo)志著人類生活的進(jìn)展，歷史上有“石器時(shí)代 ”、“青銅器時(shí)代”和“鐵器時(shí)代”。 當(dāng)前，材料總數(shù)有50萬余種之多，而且新材料每年以5%左右的速度遞增。 材料的質(zhì)量、品種和數(shù)量已成為衡量一個(gè)國家科技、經(jīng)濟(jì)水平和國防力量的重要標(biāo)志之一。11.1 概 述以汽車工業(yè)為例：一輛轎車，需用800多種材料，動畫1是轎動畫1 轎車車身部分的材料2車車身部分所采用的材料。 工程材料按其化學(xué)組成可分為：金屬材料、有機(jī)高分子材料和無機(jī)非金屬材料。 工程材料按其使用性能可分為：結(jié)

2、構(gòu)材料和功能材料兩種。 (1)結(jié)構(gòu)材料。主要強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能，用來制造機(jī)器零件和工程構(gòu)件的材料。 (2)功能材料。是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和理化效應(yīng)新材料。用于對信息和能量的感受、計(jì)測、傳導(dǎo)、顯示、發(fā)射轉(zhuǎn)換和變換的目的，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。工程材料的劃分3 人類早在6000年以前就掌握了金屬冶煉。公元前4000年，古埃及人便掌握了煉銅技術(shù)。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5%的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，已經(jīng)大量使用鐵器。 鑄鐵的發(fā)展經(jīng)歷了5000年的漫長歲月，只是到了蒸汽機(jī)的發(fā)明以后，由于

3、在鐵軌、鑄鐵管制造中的大量應(yīng)用，才走上工業(yè)生產(chǎn)的道路。15世紀(jì)到18世紀(jì)，從高爐煉鋼到電弧爐煉鋼，奠定了近代鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)。1.1.1 金屬材料的發(fā)展4 19世紀(jì)后半葉，歐洲社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動了鋼鐵工業(yè)的大步發(fā)展，擴(kuò)大了鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 從1949年到2004年，全世界的鋼產(chǎn)量由1.58億噸增加到10.56億噸。而我國2004年鋼產(chǎn)量達(dá)到2.725億噸，居全球鋼產(chǎn)量首位。 在鋼鐵材料發(fā)展的同時(shí)，有色金屬也得到發(fā)展。人類自1866年發(fā)明電解鋁生產(chǎn)工藝以來，鋁已成為用量僅次于鋼鐵的金屬。1910年純鈦的制取，滿足了航空工業(yè)發(fā)展的需求。鋼鐵材料的發(fā)展51.1.2 非金屬材

4、料及復(fù)合材料的發(fā)展 非金屬材料如陶瓷、橡膠等的發(fā)展歷史也十分悠久。進(jìn)入到20世紀(jì)后，更是取得了重大的進(jìn)展。人工合成高分子材料從20世紀(jì)20年代至今,發(fā)展最快、產(chǎn)量之大、應(yīng)用之廣可與鋼鐵材料相比。20世紀(jì)60年代到70年代，有機(jī)合成材料生產(chǎn)量每年以14%的速度增長，而金屬材料年生產(chǎn)增長率僅4%。1986年世界高分子材料年產(chǎn)量為9840萬噸，其中5850萬噸為塑料，合成橡膠為540萬噸，合成纖維1140萬噸。20世紀(jì)90年代，塑料產(chǎn)量已逾億噸。2002年我國塑料產(chǎn)量達(dá)到2200萬噸，出口；量達(dá)到1228萬噸。6陶瓷材料近幾十年的發(fā)展也十分引人注目。 陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技術(shù)領(lǐng)域已成為耐

5、高溫、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和多種功能材料的主要用材。 隨著航空、航天、電子、通信、機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等已在航空航天工業(yè)和交通運(yùn)輸、石油化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。7 隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平。1.1.3 新材料的發(fā)展趨勢動畫2 材料比強(qiáng)度的進(jìn)展 工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的

6、方向發(fā)展。動畫2為材料比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）隨時(shí)間的進(jìn)展，由圖可知當(dāng)代先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。8新材料主要在以下幾方面獲得發(fā)展：9 (1)先進(jìn)復(fù)合材料。由基體材料（高分子材料、金屬或陶瓷）和增強(qiáng)材料（纖維、晶須、顆粒）復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。 (2)光電子信息材料。包括量子材料、生物光電子材料、非線性光電子材料等。 (3)低維材料。指超微粒子（零維）、纖維（一維）和薄膜（二維）材料，這是近年來發(fā)展最快的材料領(lǐng)域。 (4)新型金屬材料。如鎳基高溫合金、非晶態(tài)合金、微晶合金、Al-Li合金金屬間化合物等。 (5)納米材料。又稱超微細(xì)材料，指至少在一維方向上受納米尺度（0.11

7、00nm）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料。1.2 金屬材料簡介1.2.1金屬材料的種類 傳統(tǒng)金屬材料是能源、通信、交通運(yùn)輸、建筑、家用電器等行業(yè)中最基本的構(gòu)成物質(zhì)。 金屬材料是工程材料中廣泛應(yīng)用的大類。金屬材料可分為黑色金屬和有色金屬兩類。除了黑色金屬以外的其他金屬材料統(tǒng)稱為有色金屬，如銅、鋁及其合金、軸承合金、硬質(zhì)合金等。 常用的黑色金屬材料分為碳鋼和鑄鐵兩大類。101.碳 鋼 碳鋼按質(zhì)量分可分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼等。 按化學(xué)成分分可分為： (1)低碳鋼（wC0.25%）。 (2)中碳鋼（wC0.25%0.6%）。 (3)高碳鋼（wC0.6%）。 (4)合金鋼（低合金鋼、中合

8、金鋼、高合金鋼）等。 按用途分可分為結(jié)構(gòu)鋼（工程結(jié)構(gòu)鋼、機(jī)器零件用鋼等）、工具鋼（制造刃具、模具、量具等）、特殊性能鋼（如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等）。112.鑄 鐵 鑄鐵可分為一般工程應(yīng)用鑄鐵和特殊性能鑄鐵。 在一般工程應(yīng)用鑄鐵中，碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的不同，這類鑄鐵又可分為灰口鑄鐵（碳以粗片狀石墨形式出現(xiàn)）、可鍛鑄鐵（碳以團(tuán)絮狀石墨形式出現(xiàn)）、球墨鑄鐵（碳以球狀石墨形式出現(xiàn)）和蠕墨鑄鐵（碳以蠕蟲狀石墨形式出現(xiàn)）。 特殊性能鑄鐵既有含石墨的和不含石墨的（白口鑄鐵鐵碳合金中的碳以Fe3C形式出現(xiàn)）。這類鑄鐵的合金元素含量較高（wMe3%），可應(yīng)用于高溫、有腐蝕或磨料磨損的工況條件

9、。（如耐磨鑄鐵代號KmTB、冷硬鑄鐵代號LT、耐熱鑄鐵代號RT、耐蝕鑄鐵代號ST等。）12 表1 常用的黑色金屬材料 13名稱分類/標(biāo)準(zhǔn)號編 號 方 法用 途舉 例說 明碳鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700-1988Q235-A F屈服點(diǎn)為235MPa、質(zhì)量為A級的沸騰鋼 一般以型材供應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)件，制造不太重要的機(jī)械零件及焊接件優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T699-1999 45表示平均wC=0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 用于制造曲軸、傳動軸、齒輪、連桿等重要零件碳素工具鋼GB/T1298-1986T8T8A表示平均wC=0.8%的碳素工具鋼，A表示高級優(yōu)質(zhì) 制造需較高硬度、耐磨性、又能承受一定沖擊的工具，如

10、手錘、沖頭等一般工程鑄造碳鋼GB/T5613-1995ZG200-400表示屈服強(qiáng)度為200MPa、抗拉強(qiáng)度為400MPa的碳素鑄鋼 適用于鑄造成形的鋼質(zhì)零件，（ZG200-400為低碳鑄鋼，ZG310-570為中碳鑄鋼，ZG340-640為高碳鑄鋼）續(xù)表14名稱分類/標(biāo)準(zhǔn)號編 號 方 法用 途舉 例說 明合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼GB/T699-199940Cr 表示平均wC為萬分之40，主加元素為Cr。40Cr為調(diào)質(zhì)鋼，用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓、沖擊等復(fù)雜應(yīng)力的重要件，如傳動軸、曲軸等高合金刃具鋼GB/T9943-1988 W18Cr4V wC=0.70%1.65%，wW=17.5%18.5%，wC

11、r=3.8%4.4%，wV=1.00%1.40%用于淬透性好、紅硬性高，截面尺寸不大的刃具 灰鑄鐵灰口鑄鐵GB/T9439-1988HT200表示試樣直徑為30mm，平均抗拉強(qiáng)度200MPa的灰口鑄鐵承受較大載荷和較重要的零件，如汽缸、齒輪、底座、飛輪、床身等可鍛鑄鐵GB/T9440-1988KTZ450-06平均抗拉強(qiáng)度不小于450MPa,伸長率不小于6 %的珠光體可鍛鑄鐵 制造負(fù)荷較高的耐磨損零件，如曲軸、連桿、齒輪、凸輪軸等薄壁小鑄件球墨鑄鐵GB/T1348-1988QT450-10表示抗拉強(qiáng)度大于450MPa, 伸長率10%的球墨鑄鐵承受沖擊振動的零件如曲軸、蝸桿等續(xù)表名稱分 類編 號

12、 方 法用 途舉 例說 明灰鑄鐵蠕墨鑄鐵GB/T5612-1985RuT340表示平均抗拉強(qiáng)度大于450MPa的蠕墨鑄鐵 制造大截面復(fù)雜鑄件，主要用來代替高強(qiáng)度灰口鑄鐵、合金鑄鐵特殊性能鑄鐵抗磨鑄鐵GB/T8263-1999KmTBMn5W3中錳球墨鑄鐵，具有一定的強(qiáng)度和韌性，耐磨料磨損 可制造承受干摩擦及為磨料磨損條件下工作的零件，在礦山、冶金、電力、建材和機(jī)械制造等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用耐熱鑄鐵 GB/T9437-1988RQTSi4Mo 在鑄鐵中加入Si、Al、Cr等元素，使鑄鐵在高溫下表面形成一層致密的氧化膜，保護(hù)內(nèi)層不被繼續(xù)氧化 可制造在高溫工況下工作的零件 耐蝕鑄鐵 GB/T8491-1

13、987STSi11Cu2CrR 合金元素的作用是提高鑄鐵基體組織的電位，使鑄鐵表面形成一層致密的保護(hù)膜 可制造在腐蝕工況下工作的零件,廣泛用于化工等行業(yè)151.2.2 金屬材料的性能 固體材料主要性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能 力學(xué)性能即材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種載荷如動畫3所示。 16動畫3 常見的各種外載荷171. 強(qiáng) 度 18 強(qiáng)度指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前單位面積上所能承受的最大應(yīng)力即應(yīng)力 ，以低碳鋼拉伸試驗(yàn)為例：= F / S0 (單位：N/m2 ) 式中:F作用力（N）； S0試樣原

14、始截面積（m2 ）。 強(qiáng)度包括彈性極限、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、疲勞極限、蠕變極限等等。 按外力作用的方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度等。 工程上最常用的強(qiáng)度指屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 ：應(yīng)力 ：應(yīng)變P ：比例極限e ：彈性極限s ：屈服極限b ：強(qiáng)度極限 E ：材料彈性模量 （E =/ ）1）強(qiáng)度指標(biāo) 材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)可以通過實(shí)驗(yàn)測定。動畫4為低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖。19動畫4 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖 (1)彈性變形，即當(dāng)產(chǎn)生變形的外力撤除后，變形隨即消失。 (2)彈性模量E 指引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力。工程上把彈性模量E稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。 彈性模量E主要取決于

15、材料的化學(xué)成分，而合金化、熱處理、冷熱加工對它的影響很小。彈性模量隨溫度的升高而逐漸降低。 2）彈性和彈性模量 20 大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按GB228-87要求，取規(guī)定非比例伸長與原標(biāo)距長度比為0.2%時(shí)的應(yīng)力，3）條件屈服強(qiáng)度21為F0.2，它與面積之比，記為p0.2，作為屈服強(qiáng)度指標(biāo),稱為條件屈服強(qiáng)度，也可用0.2表示(見動畫5)。動畫5 條件屈服強(qiáng)度 載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性的大小用伸長率和斷面收縮率表示。 2. 塑 性 金屬材料因具有一定的塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并使零件在

16、使用中偶然過載時(shí)，產(chǎn)生一定的塑性變形，而不致于突然斷裂，提高零件使用的可靠性。223. 硬 度 硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。 硬度試驗(yàn)方法：以壓入法最為普遍，它是表示材料抵抗更硬物體壓入其內(nèi)的能力。 常見的硬度表示方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。 (1)布氏硬度。壓痕單位面積上的試驗(yàn)力。測量如視頻1和動畫6所示。 布氏硬度表示方法示例： 120HBS10/1000/30； 450HBW5/1500。 教學(xué)視頻1 布氏硬度的測量(點(diǎn)擊畫面啟動視頻)23動畫7 洛氏硬度測量 (2)洛氏硬度。以主試驗(yàn)力下產(chǎn)生的塑性變形壓痕深度來度量。壓頭常用金剛石圓錐或鋼球，如動畫7，視頻2所示。

17、24動畫6 布氏硬度測量 68HRA； 84HRB； 60HRC。 HRA測定硬質(zhì)合金、表面淬火層。 HRB測定有色金屬、退火鋼、正火鋼。 HRC測定淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼。洛氏硬度表示方法示例： 教學(xué)視頻2 洛氏硬度測量25 動畫8是維氏硬度測定方法的示意。維氏硬度可采用統(tǒng)一的硬度指標(biāo)，可以測量很軟到很硬的材料的硬度，但測量麻煩。 維氏硬度表示方法示例： 600HV30/20。 (3)維氏硬度。以壓痕單位面積上的試驗(yàn)力來度量。26動畫8 維氏硬度測定4. 沖擊韌度 將帶有缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，安放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上,把重量為G的擺錘從一定高度H 落下，將試樣沖斷，之后擺錘仍繼續(xù)擺動升至高度h，設(shè) ：

18、 AkG（Hh）。沖擊韌度值：k=Ak / S (J/cm2)。式中S 為試樣缺口處的截面積(cm2)。27動畫9 沖擊試驗(yàn) 沖擊韌度是評定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標(biāo)，通常采用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測定，如動畫9所示。5. 疲勞強(qiáng)度 許多機(jī)械零件如彈簧、軸、齒輪等，在工作時(shí)承受交變載荷，即交變應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，但在若干次循環(huán)后還會發(fā)生斷裂。圖1為軸的疲勞試驗(yàn)示意。圖1 軸的疲勞試驗(yàn)28 實(shí)驗(yàn)證明，金屬材料能承受的交變應(yīng)力與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 有如動畫10所示的規(guī)律。由圖可知，當(dāng)?shù)陀谀骋恢禃r(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示材料可經(jīng)無限次循環(huán)而不斷裂，這一應(yīng)力稱疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。 用1表示光

19、滑試樣對稱彎曲疲勞強(qiáng)度。一般鋼的循環(huán)次數(shù)為107，有色金屬為108。 疲勞強(qiáng)度（續(xù)）29動畫10 疲勞強(qiáng)度曲線 (1)應(yīng)力水平低,往往遠(yuǎn)低于屈服極限S。 (2)斷裂前無明顯形變。 2）疲勞極限r(nóng) 對稱彎曲循環(huán)疲勞極限用-1表示。 (1)疲勞曲線(N)有明顯的水平線段，則水平線段對應(yīng)的應(yīng)力為-1。 (2)疲勞曲線沒有明顯的水平線段，則在規(guī)定的疲勞壽命內(nèi)不存在疲勞破壞所對應(yīng)的最大應(yīng)力。1）疲勞破壞的主要特點(diǎn)306.斷裂韌度 在生產(chǎn)實(shí)踐中，一些大型、重型或高強(qiáng)度材料零件或構(gòu)件的突然斷裂事故，如大型鐵橋、萬噸輪船、飛機(jī)機(jī)翼突然斷裂和高壓容器爆炸等。這種在材料所承受的應(yīng)力低于許用應(yīng)力的情況下，發(fā)生的無明

20、顯塑性變形的脆性斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。 研究表明，低應(yīng)力脆斷總是由材料中宏觀裂紋的擴(kuò)展引起的。這種裂紋可能是氣孔、縮松、夾雜物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用過程中形成，因而是難以避免的。材料在外力作用下，其中裂紋長度達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。斷裂韌度便是指材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗低應(yīng)力脆斷的能力。31 如動畫11所示，材料中存在一條長度為2a的裂紋，在與裂紋方向垂直的外加拉應(yīng)力的作用下，裂紋尖端附近的應(yīng)力分布不再均勻，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成裂紋尖端應(yīng)力集中場。 動畫11 低應(yīng)力脆斷示意圖327. 高溫下的力學(xué)性能 材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。 許多

21、機(jī)械零件在高溫下工作，所以在室溫下測定的性能指標(biāo)不能代表其在高溫下的性能。 一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服極限S、硬度等值都將降低，而塑性將會增加，除此之外，還會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。 蠕變是指金屬在高溫長時(shí)間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度，也會逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機(jī)高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。33 在9.11恐怖事件中，美國紐約世界貿(mào)易中心大樓完全倒塌(見視頻3)。恐怖分子劫持的客機(jī)撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂直塌落而不是傾倒？這里可能部分牽涉到材料在高溫下的力學(xué)性能問題。教學(xué)視頻3 世界貿(mào)易中心大樓倒塌 紐約世貿(mào)大

22、樓曾是世界第一高樓，它高411m，單個(gè)塔樓的重量約5104t。撞擊大樓的波音757飛機(jī)起飛重量104t，波音767飛機(jī)起飛重量156t 。它們的飛行速度大約是每小時(shí)1000km。從速度比這小得多的汽車相撞事故，可以想象大型客機(jī)撞擊大樓的沖擊力有多么的巨大。 世貿(mào)大樓倒塌34案例 教學(xué)視頻4 倒塌原因分析 這次撞擊大樓的波音757飛機(jī)大約可載35t燃油，波音767飛機(jī)可載51t燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠(yuǎn)程航班，所以飛機(jī)上的油箱估計(jì)裝滿了燃油。在起飛后這些飛機(jī)很快改變航線撞擊紐約世界貿(mào)易中心大樓，機(jī)上燃油消耗很少，幾乎將它的滿滿一油箱的優(yōu)質(zhì)航空煤油都撒到了大樓里，并燃起了熊熊大火。 但據(jù)幸

23、存者描述，飛機(jī)的撞擊使大樓雖然晃動了近1m，但整幢大樓無論是內(nèi)部還是外部并沒有嚴(yán)重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵（見視頻4）。35 長時(shí)間猛烈的大火燒軟了飛機(jī)所撞擊的那幾個(gè)樓層的鋼材，數(shù)千噸到上萬噸重的上部樓層自然就會落下來，像一個(gè)巨大的鐵錘，砸向下面的樓層，對下面的樓層結(jié)構(gòu)的沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其原先靜止時(shí)重力，下面的樓層結(jié)構(gòu)自然難以承受，于是一層層垂直地垮塌下來。 北京時(shí)間9月11日晚20點(diǎn)45分另一架撞擊世貿(mào)大樓北部塔樓接近頂部的位置。因其所載燃油較少，加上撞擊位置較高，上層壓力較小，所以直到北京時(shí)間9月11日晚22點(diǎn)28分，即大火燃燒了1小時(shí)43分后，世貿(mào)大樓北部塔樓才倒塌。 北京

24、時(shí)間9月11日晚21點(diǎn)03分撞擊世貿(mào)大樓的南部塔樓。因其所載燃油量大，加上撞擊位置較低，上層壓力很大，所以北京時(shí)間9月11日晚22點(diǎn)05分，大火燃燒了1小時(shí)02分后，南部塔樓反而率先倒塌。撞擊世貿(mào)大樓的受力分析361.3 晶體的結(jié)構(gòu)1.3.1晶體與非晶體 固體可分為晶體和非晶體兩類。 晶體中原子按一定規(guī)則排列。最普通的非晶體是玻璃，它的原子排列較不規(guī)則。非晶體的結(jié)構(gòu)比晶體結(jié)構(gòu)更難確定。 1.晶體的空間點(diǎn)陣和晶系 如果把所有具有相同環(huán)境的原子或原子群作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，則晶體結(jié)構(gòu)可以抽象為這些質(zhì)點(diǎn)在空間上的、周期性規(guī)則排列的空間點(diǎn)陣。372.晶格、晶胞和晶格常數(shù)動畫12 晶體中原子排列示意圖 在空間點(diǎn)

25、陣中取一單位體積（通常為平行六面體）作為點(diǎn)陣的最小組成單元，稱為晶胞。晶胞的大小和形狀以晶胞的棱邊長a、b、c 和棱邊之間的夾角、來表示(見動畫12)。38 根據(jù)晶胞的三條棱邊是否相等、三個(gè)夾角是否相等以及是否為直角，晶體學(xué)將所有晶體分為7個(gè)晶系，14種空間點(diǎn)陣。稱作布喇菲空間點(diǎn)陣，如圖2所示。 常見的三種晶格類型： 體心立方晶格； 面心立方晶格； 密排六方晶格。3.常見的晶格類型39圖2 布喇菲空間點(diǎn)陣 （1）體心立方晶格結(jié)構(gòu)(見動畫13)。40動畫13 體心立方晶胞 （2）面心立方晶格結(jié)構(gòu)(見動畫14) 。41動畫14 面心立方晶胞 （3）密排六方晶格結(jié)構(gòu)(見動畫15)。42動畫15 密排

26、六方晶胞 1. 多晶體與亞結(jié)構(gòu) 結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為“單晶體”，如圖3所示。單晶體在不同晶面和晶向的力學(xué)性能不同，這種現(xiàn)象稱為“各向異性”。 實(shí)際金屬晶體內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)部晶格位向一致，而各小晶體之間晶格位向不同。小晶體稱為“晶?！?，晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”。在晶界上原子排列是不規(guī)則的。這種由多晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”，如圖4所示，多晶體呈現(xiàn)各向同性。 1.3.2 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 圖3 單晶體圖4 多晶體43 由于結(jié)晶條件或加工等方面的影響，使原子的排列規(guī)則受到破壞，存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，稱為晶格缺陷。 晶格缺陷對金屬的許多性能有極重要的影

27、響，與晶體的凝固、固態(tài)相變、擴(kuò)散等過程都有重大關(guān)系，特別是對塑性變形、強(qiáng)度和斷裂等起著決定性的作用。 晶格缺陷可分為三類： 點(diǎn)缺陷； 線缺陷； 面缺陷。 2. 晶格缺陷441）點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是指長、寬、高三個(gè)方向上尺寸都很小的缺陷，如“間隙原子”、“置換原子”和“空位”（見動畫16）。間隙原子是在晶格的間隙中存在多余原子；置換原子是指結(jié)點(diǎn)上的原子被異類原子所置換；晶格空位是在正常的晶格結(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)空位。45動畫16 點(diǎn)缺陷示意圖 線缺陷是指在一個(gè)方向上尺寸較大，而在另外兩個(gè)方向上尺寸很小的缺陷，呈線狀分布，其具體形式是各種類型的位錯，如動畫17所示。較簡單的一種是“刃型位錯”，好像沿著某個(gè)晶面插

28、入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一樣。多出的一列原子位于晶體的上部稱為“正刃型位錯”，用符號“”表示；位于晶體的下部稱為“負(fù)刃型位錯”， 用符號“”表示。2）線缺陷動畫17 刃型位錯結(jié)構(gòu)示意圖 46 面缺陷主要指金屬中的晶界和亞晶界(見圖5)。 (1)晶界：指晶粒之間形成的交界面。 (2)亞晶界：指亞晶粒之間形成的交界面。亞晶粒是由被稱為鑲嵌塊的小晶粒組成的。3）面缺陷 晶界、亞晶界是晶體缺陷中的面缺陷。所有這些缺陷，都將導(dǎo)致周圍的晶格發(fā)生明顯的畸變，從而對金屬的力學(xué)性能、化學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。47圖5 面缺陷 (1)存在短程有序現(xiàn)象，即液體中微小體積范圍內(nèi)存在著緊密接觸規(guī)則排列的原子團(tuán)

29、，瞬間又變成另外的原子團(tuán)。 (2)存在結(jié)構(gòu)起伏現(xiàn)象，即液態(tài)金屬中的原子集團(tuán)此起彼伏地不斷產(chǎn)生與消失的現(xiàn)象。此現(xiàn)象也稱為相起伏。 (3)存在成分起伏現(xiàn)象，即固溶體合金的液體中微小體積范圍內(nèi)偏離液相平均成分現(xiàn)象。 (4)在一定條件下形成長程有序，即晶體中大范圍原子有序穩(wěn)定排列。1.4 金屬的結(jié)晶1.4.1 結(jié)晶的概念 1. 液體的金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)482.純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線 曲線2表示實(shí)際的結(jié)晶過程。在實(shí)際結(jié)晶時(shí)，實(shí)際結(jié)晶溫度Tn總是低于理論結(jié)晶溫度Tm ，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。即TmTnT 。金屬結(jié)晶的過冷度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，過冷度就越大。 動畫18 純金屬結(jié)晶時(shí)的

30、冷卻曲線 49 金屬在結(jié)晶過程中（見動畫18）。將液態(tài)金屬放在爐中緩慢冷卻，得到冷卻曲線 1。由于結(jié)晶時(shí)放出潛熱，結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行。在無限緩慢冷卻條件下的平衡結(jié)晶溫度Tm稱為理論結(jié)晶溫度。 金屬熔液在凝固后一般都以晶質(zhì)狀態(tài)存在，即內(nèi)部原子由不規(guī)則的排列轉(zhuǎn)變到規(guī)則排列，形成晶體，（見動畫19，視頻5）。金屬的結(jié)晶過程是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程，即由晶核的產(chǎn)生和長大兩個(gè)基本過程組成的。1.4.2 金屬結(jié)晶過程教學(xué)視頻5 金屬的結(jié)晶50動畫19 金屬的結(jié)晶 金屬結(jié)晶后的晶粒愈細(xì)小，晶界的面積就愈大。晶界面積愈大，晶體缺陷就愈多，則對金屬的力學(xué)性能影響愈大。一般情況下，細(xì)晶粒組織的強(qiáng)度、硬度、

31、塑性和韌性都比粗晶粒組織好。 獲得細(xì)晶粒的方法通常有: 增加過冷度； 變質(zhì)處理； 附加振動。1.4.3 鑄態(tài)晶粒的大小 511. 過冷度對晶粒大小的影響 晶粒大小是成核速率N（成核數(shù)目/cm3s）和生長速率G（cm3/s）的函數(shù)。成核速率愈大，生長速率愈小，則晶粒愈細(xì)。隨著過冷度的增加，晶核的形成速率增加，同時(shí)晶核的長大速度也增加。但是，成核速率N大大高于生長速率G，因此增加過冷度能獲得細(xì)晶粒組織。動畫20為N、G與T 的關(guān)系。 動畫20 N、G與T 的關(guān)系 522. 變質(zhì)處理細(xì)化晶粒 晶核形成方式可分成勻質(zhì)形核和異質(zhì)形核兩種。勻質(zhì)形核是由熔液自發(fā)形成新晶核的過程，亦稱自發(fā)形核。而實(shí)際金屬并不

32、很純，凝固時(shí)晶核往往首先依附在未熔質(zhì)點(diǎn)的表面而形成，這種形核方式稱為異質(zhì)形核。利用異質(zhì)形核可使晶核大量增加，從而使晶粒細(xì)化。 變質(zhì)處理就是利用異質(zhì)形核的原理，在澆注前在金屬液中加入某些高熔點(diǎn)的物質(zhì)作為結(jié)晶核心，以獲得細(xì)晶粒組織，也稱孕育處理。加入的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑，也稱孕育劑。 533. 附加振動細(xì)化晶粒58 生產(chǎn)中還常以機(jī)械振動、超聲波振動、電磁振動等方法，使熔融金屬在鑄型中產(chǎn)生運(yùn)動，從而使晶體在長大過程中不斷被破碎，最終獲得細(xì)晶粒組織。 用細(xì)化晶粒強(qiáng)化金屬的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，它是強(qiáng)化金屬材料的基本途徑之一。541.4.4 金屬的同素異構(gòu) 某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)。同一種固態(tài)

33、的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種不同的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，這種轉(zhuǎn)變，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（見動畫21）。此時(shí)除體積變化和熱效應(yīng)外還會發(fā)生其他性質(zhì)改變。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。動畫21 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 55 鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如動畫21所示。鐵在1394以上時(shí)具有體心立方晶格，稱為-Fe；冷卻至1394912之間，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц穹Q為-Fe；繼續(xù)冷卻至912以下，又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為-Fe。 2.金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程類似。轉(zhuǎn)變時(shí)遵循結(jié)晶的一般規(guī)

34、律，如具有一定的轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變過程包括形核、長大兩個(gè)階段等。因此，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也可以看作是一種結(jié)晶，有時(shí)也稱為重結(jié)晶。通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可以使晶粒得到細(xì)化。1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程56 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)，稱為合金。組成合金的元素叫做組元。由兩種組元組成的合金，稱為二元合金。 在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。合金結(jié)晶后可以是一種相，也可以是由若干種相所組成。 一種或多種相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體稱為組織。相的相對數(shù)量、形狀、尺寸和分布的不同，形成了不同的組織，不同的組織使合金具有不同的力

35、學(xué)性能。 固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可以分為固溶體和化合物兩類。1.5 二元合金的晶體結(jié)構(gòu)57 溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的合金相稱為固溶體。固溶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仍保持溶劑金屬的結(jié)構(gòu)，只引起晶格參數(shù)的改變。當(dāng)兩組元在固態(tài)無限溶解時(shí)，所形成的固溶體稱為連續(xù)固溶體或無限固溶體；當(dāng)兩組元在固態(tài)部分溶解時(shí)，所形成的固溶體稱為有限固溶體或端際固溶體。 按照溶質(zhì)原子在固溶體中所處的位置，固溶體又可分為間隙固溶體和置換固溶體。間隙固溶體中的溶質(zhì)元素多半是原子半徑較小的非金屬元素；對于溶質(zhì)和溶劑原子大小比較接近的元素，只能形成置換固溶體。1.5.1 固溶體58 間隙固溶體是由一些原子半徑小于1

36、 的非金屬元素，如:H、O、C、B、N，溶入過渡族金屬而形成，且只有當(dāng)溶質(zhì)原子直徑與溶劑原子直徑的比值小于0.59時(shí)，才能形成間隙固溶體。溶劑晶格的間隙是有限的，因此間隙固溶體只能是有限固溶體（見動畫22）。 1.間隙固溶體 溶入單位固溶體中溶質(zhì)原子的量，稱為固溶體的濃度。在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度，稱為溶質(zhì)原子在固溶體的溶解度。間隙固溶體的溶解度與溶質(zhì)原子半徑及溶劑的晶格類型有關(guān)。溶質(zhì)原子半徑愈小，溶解度愈大，溶劑晶格類型不同，具有的間隙大小不同，溶解度也不同。59動畫22 間隙固溶體 對于溶質(zhì)和溶劑原子大小比較接近的元素，只能形成置換固溶體（見動畫23）。 2.置換固溶體

37、置換固溶體中，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布是任意的、無規(guī)律的。如果溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，則稱有限互溶，形成有限置換固溶體；如果合金組元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，這叫無限互溶，形成無限置換固溶體。 溶質(zhì)原子與溶劑原子的原子半徑相差愈小，則溶解度愈大。若溶劑元素與溶質(zhì)元素在元素周期表中位置靠近，則晶格類型相同，往往可以按任意比例配制，形成無限固溶體。60動畫23 置換固溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格,將使晶格發(fā)生畸變,從而使合金的強(qiáng)度、硬度上升（見動畫24）。這種由于形成固溶體而引起強(qiáng)度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化合金的基本途徑之一。如果溶質(zhì)濃度適當(dāng)，固溶體

38、亦具有良好的塑性和韌性。1.5.2.固溶體的性能動畫24 晶格畸變61 鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金。一般將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的稱為鑄鐵。1.6 鐵碳合金1.6.1 鐵碳合金基本組織 1鐵素體 鐵素體是碳在-Fe中的固溶體，用符號“F”表示。其組織結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)如圖6所示。62圖6 鐵素體 (1)在727有最大溶解度， wC =0.0218%。 (2)強(qiáng)度和硬度低，韌性塑性好。力學(xué)性能如表2所示。1）鐵素體的特點(diǎn) 2）純鐵（0.02%）的力學(xué)性能(如表3所示)以上性能與晶粒大小、雜質(zhì)含量有關(guān)。63b 180280MN/m2

39、70%80%0.2100170MN/m230%50%硬度5080HBSak1.82.5MJ/m2b250MN/m285%0.2120MN/m250%硬度80HBSak2.0MJ/m2表2 鐵素體的力學(xué)性能表3 純鐵的力學(xué)性能 奧氏體是碳在-Fe中的固溶體，用符號“A”表示。高溫奧氏體的顯微組織如圖7所示。奧氏體的特點(diǎn)： (1)在1148時(shí)有最大溶解度wC= 2.11%，727時(shí)wC=0.77%。 (2)其力學(xué)性能與碳含量及晶粒大小有關(guān)，一般硬度約在170220 HBS ，=40 % 50%。 (3)形變能力好，形變抗力小。2奧氏體64圖7 奧氏體 滲碳體是鐵和碳的化合物，碳含量為6.67%，用

40、“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示。 滲碳體的特點(diǎn)：3滲碳體65硬度近800HBW塑性幾乎為零一般認(rèn)為其熔點(diǎn)1600 （有資料介紹其計(jì)算值為1227） 1. 相圖分析 鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料的成分、相和組織的變化規(guī)律以及與性能之間關(guān)系的重要工具。 鐵碳合金相圖如動畫25所示。1.6.2 鐵碳合金相圖66動畫25 鐵碳合金相圖1）相區(qū)區(qū)域67動畫26 鐵碳合金相區(qū)分析2）各特性線68動畫27 鐵碳合金相圖特性線3）主要特性點(diǎn)69特性點(diǎn)溫度wC100含 義特性線含 義ACDEFGKPSQ1538114812271148114891272772772760004.36.692.1

41、16.6906.690.02180.770.0057純鐵的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)碳在奧氏體中的最大溶解度滲碳體的成分-Fe-Fe轉(zhuǎn)變點(diǎn)滲碳體的成分碳在鐵素體中最大溶解度共析點(diǎn)碳在鐵素體中的溶解度 ACCDAEGSGPESPQECFPSK液相線，液態(tài)合金開始結(jié)晶出奧氏體液相脫溶線，液相開始脫溶出Fe3C固相線，即奧氏體結(jié)晶終了線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體開始線，即A3線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體終了線脫溶線，奧氏體脫溶出Fe3C，(Acm線)脫溶線，鐵素體開始脫溶出Fe3C共晶轉(zhuǎn)變線，LC EFe3C共析轉(zhuǎn)變線，S PFe3C，即A1線(注:本表是指冷卻過程中相變的含義)表4 鐵碳合金的特性點(diǎn)2.典型鐵碳合金平

42、衡結(jié)晶過程分析 鐵碳合金相圖上的各種合金，一般分為三類： (1)工業(yè)純鐵（w C 0.02% ），室溫組織為固溶體。 (2)鋼（w C = 0.02 %2.11 % ）,根據(jù)室溫組織不同，分為：70亞共析鋼（ wC 0.77 % ），（見動畫29）；共析鋼 （ wC 0.77 % ），（見動畫28）；過共析鋼（ wC 0.77 % ），（見動畫30） 。(3)白口鑄鐵(w C= 2.11 %6.67 %)，根據(jù)室溫的不同，分為：亞共晶白口鑄鐵（ wC 4.3 % ），（見動畫32）；共晶白口鑄鐵 （ wC 0.43） ，（見動畫31）；過共晶白口鑄鐵（ wC 4.3 %） ，（見動畫33）。1

43、）共析鋼結(jié)晶過程71動畫28 共析鋼結(jié)晶過程2）亞共析鋼結(jié)晶過程動畫29 亞共析鋼結(jié)晶過程723）過共析鋼結(jié)晶過程動畫30 過共析鋼結(jié)晶過程734）共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程118動畫31 共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程745）亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程動畫32 亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程756）過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程動畫33 過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程76 隨著合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在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，因此合金的力學(xué)性能也相應(yīng)變化（見圖8）。1.6.3 鐵碳合金室溫組織性能隨成分的變化規(guī)律77圖8 鐵碳合金室溫組織性能變化規(guī)律 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫和

44、冷卻，從而獲得所需的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝過程。熱處理應(yīng)伴隨固態(tài)相變或擴(kuò)散。1.7 鋼的熱處理1.7.1 概述 在機(jī)床工業(yè)中，有60%70%的工件需要熱處理。汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中，有70%80%的工件要進(jìn)行熱處理;而滾動軸承和工模具則幾乎100%需要進(jìn)行熱處理。 教學(xué)視頻6 熱處理概述78 在圖9的Fe-Fe3C相圖中，A1、A3和Accm是碳鋼在極其緩慢地加熱或冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度，是平衡臨界點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，不可能極其緩慢地加熱和冷卻，因此不可能在平衡臨界點(diǎn)進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變。如圖9所示，實(shí)際加熱時(shí)各臨界點(diǎn)分別用Ac1、 Ac3和Accm線表示，而實(shí)際冷卻時(shí)臨界點(diǎn)位置分別用Ar1、Ar3和Arcm線表示

45、。 (1)過熱:加熱時(shí)高于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象。 (2)過冷:冷卻時(shí)低于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象。1.7.2 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變79圖9 Fe-Fe3C相圖 鋼加熱時(shí)奧氏體的形成也是通過形核及長大過程來實(shí)現(xiàn)的。 現(xiàn)以共析鋼為例說明奧氏體形成的三個(gè)步驟（見動畫34）： (1)奧氏體晶核的形成和長大。 (2)殘余滲碳體的溶解。 (3)奧氏體成分均勻化。 亞共析鋼與過共析鋼的奧氏體形成過程與共析鋼基本相同。1.奧氏體的形成過程80動畫34 共析鋼奧氏體形成過程 奧氏體晶粒形成后，繼續(xù)加熱或恒溫保持，它們將聚集長大，即由小晶粒合并為較粗大的晶粒。由熱力學(xué)原理可知，這是一種必然發(fā)生的過

46、程，因?yàn)榫Я：喜⑹咕Ы缈偯娣e減少，從而使總晶界能降低。 (1)奧氏體轉(zhuǎn)變剛完成時(shí)的細(xì)小晶粒稱為起始晶粒度。 (2)在給定溫度下的奧氏體晶粒度稱為實(shí)際晶粒度。 (3)奧氏體晶粒長大是一個(gè)自發(fā)過程。 (4)奧氏體晶粒越大，冷卻后的晶粒也越大，力學(xué)性能則越低。 (5)鋼的成分不同，奧氏體晶粒的長大傾向也不同，這種傾向稱為本質(zhì)晶粒度。2. 奧氏體晶粒的長大81本質(zhì)粗晶粒度：奧氏體隨溫度的升高迅速長大的鋼。如用錳硅脫氧的鋼、沸騰鋼等。本質(zhì)細(xì)晶粒度：奧氏體晶粒長大傾向小，加熱到較高溫度時(shí)晶粒才顯著長大的鋼，如用鋁脫氧的鋼、鎮(zhèn)靜鋼等。本質(zhì)粗晶粒度和本質(zhì)細(xì)晶粒度之分，如圖10所示。82圖10 本質(zhì)粗晶粒度鋼

47、和本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼比較58級的鋼為本質(zhì)細(xì)晶粒度的鋼。14級的鋼為本質(zhì)粗晶粒度鋼。本質(zhì)晶粒度鋼劃分8314級為本質(zhì)粗晶粒度鋼,58級為本質(zhì)細(xì)晶粒度的鋼(見圖11)。圖11 鋼的晶粒度等級 加熱鋼使其奧氏體化只是熱處理的第一步，而冷卻過程則是熱處理的關(guān)鍵一步。在熱處理生產(chǎn)中，奧氏體冷卻時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度通常都低于臨界點(diǎn)，即有一定的過冷度。為了了解奧氏體在冷卻過程中的相變規(guī)律，通常采用兩種方法：其一是把鋼加熱奧氏體化后，快速冷卻到A1以下，在不同過冷度下等溫，測定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線；另一種是在不同冷卻速度（如爐冷、空氣冷、油冷、水冷）的連續(xù)冷卻過程中測定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出奧氏體

48、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。這兩種曲線能正確說明奧氏體的冷卻條件與組織轉(zhuǎn)變間的相互關(guān)系，是熱處理的理論基礎(chǔ)。 1.7.3 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變841.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)及TTT曲線 轉(zhuǎn)變動力學(xué)所研究的是轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變溫度和時(shí)間的關(guān)系，以及影響這種關(guān)系的因素。如將奧氏體化后的共析鋼急冷至A1以下的某一溫度，并在該溫度下保持，設(shè)法測定過冷奧氏體轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系，即可繪出等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線。在若干不同溫度下測得若干動力學(xué)曲線，分別截取轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了（或終止）所需的時(shí)間，即可繪出這種鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖，簡稱TTT曲線（Time，Temperature，Trans- formation ），亦稱“C曲線”，如動

49、畫35的下半部分所示。 85動畫35 TTT曲線 在動畫35中A1以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)域。A1以下轉(zhuǎn)變開始線（圖中as、bs、cs的連線，稱奧氏體轉(zhuǎn)變開始線）以左的區(qū)域奧氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間孕育期（以轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)軸之間的距離來表示）后，它將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完畢形成的線段（圖中af、bfa、cf的連線）稱奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。這種在孕育期暫時(shí)存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體，稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體在不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變所需的孕育期是不同的。隨轉(zhuǎn)變溫度降低,孕育期先逐漸縮短，然后又逐漸變長，在550左右孕育期最短，過冷奧氏體最不穩(wěn)定，它的轉(zhuǎn)變速度最快，這里稱為C曲線的“鼻尖”。A1以下，

50、轉(zhuǎn)變終止線以右的區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，在轉(zhuǎn)變開始線和轉(zhuǎn)變終止線之間為過冷奧氏體和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。圖中水平線Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度線，Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度。TTT曲線圖詳解86按溫度的高低和組織形態(tài)分87動畫35：TTT曲線 按照溫度的高低和組織形態(tài)，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變?nèi)鐒赢?5所示,可以分為三種：550以上為珠光體轉(zhuǎn)變，Ms線以下為馬氏體轉(zhuǎn)變，550到Ms點(diǎn)之間為貝氏體轉(zhuǎn)變。1）珠光體轉(zhuǎn)變 (1)珠光體的組織形態(tài)及性能（見圖12）。過冷奧氏體在A1至550將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。 根據(jù)片層的厚薄不同，這類組織又可分細(xì)為：珠光體：形成溫度為A1 650,片層較厚,用符號“P”表示。索氏體：形成溫

51、度為650600,片層較薄,用符號“S”表示。托氏體：形成溫度為600550,片層極薄,用符號“T”表示。2.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物特點(diǎn)、 形成條件及力學(xué)性能88圖12 珠光體 (2)珠光體組織的性能。動畫36為共析鋼珠光體的片間距與力學(xué)性能間的關(guān)系： 89動畫36 力學(xué)性能與轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系 珠光體、索氏體和托氏體三者之間只有形態(tài)上的粗細(xì)之分，無本質(zhì)之區(qū)別。 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，則珠光體片間距減小,力學(xué)性能提高。 (3)珠光體轉(zhuǎn)變過程。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過程也是形核和長大的過程。 (1)貝氏體的組織形態(tài)和特性。過冷奧氏體在550Ms將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，貝氏體用符號“B”表示。貝氏體可分為

52、上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）。2）貝氏體轉(zhuǎn)變上貝氏體：形成溫度為550350。A特征：呈羽毛狀。B性能：上貝氏體的力學(xué)性能差，無實(shí)用價(jià)值。下貝氏體：形成溫度為350Ms。A特征：呈黑針狀。B性能：下貝氏體具有優(yōu)良的力學(xué)性能, 生產(chǎn)上常用。90 上貝氏體轉(zhuǎn)變過程（過冷到550350）。上貝氏體轉(zhuǎn)變過程。 形成鐵素體晶核片狀鐵素體平行生長析出滲碳體短棒上貝氏體 下貝氏體轉(zhuǎn)變過程（過冷到350Ms時(shí)）。 形成鐵素體晶核鐵素體長成針狀鐵素體內(nèi)析出片狀碳化物下貝氏體 由于貝氏體形成時(shí)只有碳原子發(fā)生擴(kuò)散，而鐵原子不擴(kuò)散，因此貝氏體轉(zhuǎn)變屬于半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。(2)貝氏體轉(zhuǎn)變過程，如動畫37所示。91動畫3

53、7 貝氏體形成的固溶體，用符號“M”表示。 馬氏體的形態(tài)特點(diǎn)：其組織形態(tài)分為板條狀和針狀兩大類： 板條馬氏體：顯微組織如圖13所示。形態(tài)呈細(xì)長的扁棒狀，顯微組織為細(xì)條狀。 馬氏體板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是高密度的位錯，因而又稱為位錯馬氏體。 針狀馬氏體：顯微組織如圖14所示。形態(tài)呈雙凸透鏡的片狀，顯微組織為針狀。其亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，因此又稱為孿晶馬氏體。(3)馬氏體轉(zhuǎn)變。92圖13 板條馬氏體圖14 針狀馬氏體即碳在-Fe中過飽和 馬氏體的硬度、韌性與碳含量的關(guān)系如動畫38所示。 碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以馬氏體是鋼的主要強(qiáng)化手段之一。 塑性和韌性：主要取決于亞結(jié)構(gòu)形式和碳在馬氏體中的過飽

54、和度。 馬氏體的性能： 93動畫38 碳含量對馬氏體性能的影響 馬氏體的形態(tài)取決于碳含量。當(dāng)wC0.2%時(shí)，為板條M；當(dāng)wC 1.0%時(shí)，為針狀M；當(dāng)wC 0.2 %.0%時(shí)，為板條和針狀的混合組織。馬氏點(diǎn)概念及馬氏體轉(zhuǎn)變歸納（見39）：94動畫39 碳含量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響高速長大;馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性;存在殘余奧氏體用“A殘”表示;Ms 、Mf取決于奧氏體的碳含量。 上馬氏體點(diǎn)：發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度稱為上馬氏體點(diǎn)，用“Ms”表示。 下馬氏體點(diǎn)：馬氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度稱為下馬氏體點(diǎn)， 用“Mf”表示。 因此馬氏體轉(zhuǎn)變可歸納為： 鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫、冷卻，以求

55、獲得所需性能的一種工藝。 鋼的熱處理工藝的作用： (1)能消除上一工藝過程所產(chǎn)生的缺陷。 (2)能為下一工藝過程創(chuàng)造條件。 (3)能充分發(fā)揮鋼材潛力，提高工件性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長工件使用壽命。 任何一種熱處理都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成（如動畫40）。熱處理通常有退火、正火、淬火、回火、表面淬火和化學(xué)熱處理等幾種主要方法。1.7.4 常用的鋼的熱處理 1.鋼的熱處理工藝95動畫40 熱處理工藝曲線 退火和正火是生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝，主要用于改善材料的切削加工性能。對于一些受力不大、性能要求不高的機(jī)器零件，也可以做為最終熱處理。其目的是: 2.鋼的退火與正火1）退火與正火的

56、目的96調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工；消除殘余應(yīng)力；細(xì)化晶粒，改善組織；為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。退火：將鋼加熱、保溫，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 退火工藝：包括完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火 、再結(jié)晶退火和均勻化退火等（見動畫41,視頻7,圖15）。 (1)完全退火。加熱到Ac3以上3050，保溫后隨爐冷到600以下，再出爐空氣冷卻。目的是細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度以便于切削加工。97動畫41 各種退火工藝示意(1)2）退火(2)等溫退火。 亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼加熱到Ac1以上2030，保溫后快速冷卻到稍低于Ar1的溫度后進(jìn)行等溫處理,使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻,再在空氣中冷卻。

57、目的與完全退火相同，但時(shí)間可縮短一半，適用于大批生產(chǎn)。 (3)球化退火。將過共析鋼加熱到Ac1以上2030，保溫后隨爐冷到700左右，再出爐空氣冷卻。使?jié)B碳體球化，降低硬度，改善切削加工性。 (4)去應(yīng)力退火。將鋼加熱到500650,保溫后隨爐冷卻。目的是消除殘余應(yīng)力,提高工件的尺寸穩(wěn)定性。動畫41 各種退火工藝示意(2)98(5)再結(jié)晶退火。 在再結(jié)晶溫度以上的退火，不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。目的是消除加工硬化，細(xì)化晶粒。 (6)均勻化退火。將工件加熱到1100左右，保溫1015h，隨爐緩冷到350，再出爐空冷。高溫下長期保溫的目的是使原子充分?jǐn)U散，消除晶內(nèi)偏析。動畫41：各種退火工藝示意(3)9

58、9教學(xué)視頻7 鋼的退火100 正火是將鋼加熱到 Ac3或Accm以上3050，保溫后空氣中冷卻的熱處理工藝。 正火具有以下幾方面的應(yīng)用： (1)碳含量C0.25%的鋼經(jīng)正火后能提高硬度，改善切削加工性能。3）正火圖15 退火后組織圖16 正火后組織101 (2)消除過共析鋼中的二次滲碳體。 (3)作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。正火的冷卻速度稍快于退火，由TTT曲線可知，二者的組織是不一樣的。正火后的組織比退火細(xì)，如圖15，16所示。教學(xué)視頻8 鋼的正火1023. 鋼的淬火 亞共析鋼：淬火溫度為Ac3以上3050，組織為馬氏體。 共析鋼和過共析鋼：淬火溫度為Ac1以上3050，組織為細(xì)馬氏體加顆

59、粒狀滲碳體和少量殘余奧氏體。 合金鋼：一般淬火溫度為臨界點(diǎn)以上50100。提高淬火溫度有利于合金元素在奧氏體中充分溶解和均勻。103動畫42 碳鋼淬火加熱溫度范圍 淬火是將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫后以大于臨界冷卻速度Vk的速度冷卻的熱處理工藝。淬火目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的力學(xué)性能（見圖42 ,視頻9）。 1）淬火溫度 選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體。一般淬火溫度在臨界點(diǎn)以上。教學(xué)視頻9 鋼的淬火104 (3)最常用的淬火介質(zhì)是水和油。水是經(jīng)濟(jì)且冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。油主要用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。 (4)熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。它只適用于形狀復(fù)雜和變形

60、要求嚴(yán)格的小件的分級淬火和等溫淬火。 (1)為了保證得到馬氏體組織，淬火速度必須大于臨界冷卻速度Vk，但往往會引起工件變形和開裂。 (2)要想既得到馬氏體又避免變形和開裂，理想的淬火冷卻曲線如動畫43所示。2）淬火介質(zhì)105動畫43 理想淬火曲線3）淬火方法 常用淬火方法有單液淬火法、雙液淬火法、分級淬火法、等溫淬火法等(如視頻10,動畫44)。 (1)單液淬火法。將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法，如水淬、油淬等。 (2)雙液淬火法。將加熱的工件放入一種冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，然后轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)冷卻的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。 雙液淬火主要用于形狀復(fù)