機(jī)械工程材料-第一章至第四章機(jī)械工程材料

1機(jī)械工程材料常書戰(zhàn)講師2緒論一、材料科學(xué)的重要地位1．材料的發(fā)展與人類社會(huì)的發(fā)展緊密聯(lián)系。人類社會(huì)歷史：石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。2．我國(guó)勞動(dòng)人民在材料發(fā)展上曾取得輝煌成就。3．材料在現(xiàn)代科技中占有重要地位。材料、信息和能源是現(xiàn)代科技三大支柱。二、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展1、材料與人類生活人類社會(huì)依據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料來進(jìn)行歷史劃分

舊石器時(shí)代新石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代

舊石器時(shí)代（250萬年前）人類在地球上出現(xiàn)之后，最早使用的工具是石頭。

舊石器時(shí)代（250萬年前）石頭——石器

新石器時(shí)代（1萬年前）原始社會(huì)末期，開始用火燒制陶器，發(fā)展成陶瓷。精美石器陶器—人類第一種合成材料

青銅器時(shí)代（4000年前）奴隸社會(huì)，青銅冶煉技術(shù)得到很大發(fā)展。我國(guó)青銅冶煉始于夏代，商周時(shí)代，達(dá)到較高水平青銅（銅錫合金）人類發(fā)明的第一種合金

鐵器時(shí)代（1400年前，春秋戰(zhàn)國(guó)）生產(chǎn)工具由青銅器過渡到鐵器，其重大發(fā)展對(duì)社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。漢代“先煉鐵后煉鋼”技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。鐵器物品鐵制車輪

其他材料與陶瓷材料和金屬材料發(fā)展的同時(shí)天然高分子材料

棉、麻、絲綢材料功能材料

磁鐵—指南針

新石器（制陶）—東漢（制磁）—唐（釉）—唐（頂峰）

陶瓷的發(fā)展2.材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系

現(xiàn)代社會(huì)文明的三大支柱：能源、信息和材料信息時(shí)代是建立在材料的基礎(chǔ)上硅半導(dǎo)體→晶體管→集成電路→計(jì)算機(jī)磁性材料→信息貯存激光材料+光導(dǎo)纖維→信息傳輸→信息網(wǎng)絡(luò)能源技術(shù)以材料為支撐再生能源、核能、燃料電池等信息時(shí)代11三、機(jī)械工程材料課程的內(nèi)容1.材料的化學(xué)成分與材料的結(jié)構(gòu)、組織及性能間的關(guān)系（基礎(chǔ)理論部分）。

2.材料的加工工藝與材料的結(jié)構(gòu)、組織及性能間的關(guān)系。

3.常用金屬材料的應(yīng)用及性能。如：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。12實(shí)際上由四部分組成：金屬學(xué)熱處理原理與工藝金屬材料其他材料基礎(chǔ)保證關(guān)鍵擴(kuò)展課程總特點(diǎn)：內(nèi)容多，涉及面廣，前后關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，概念性、理解性、結(jié)論性、記憶性內(nèi)容多，數(shù)學(xué)推理較少。要采取相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法：多看、多理解、多記憶13三、固體材料中的結(jié)合鍵

組成物質(zhì)的粒子，如原子、離子或分子之間的相互作用力稱為結(jié)合鍵。整體材料的性質(zhì)主要是由結(jié)合鍵的性質(zhì)決定的。分子鍵、氫鍵物理鍵：聚集過程中不發(fā)生電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)合力，如：化學(xué)鍵：由于電子運(yùn)動(dòng)使原子產(chǎn)生聚集的結(jié)合力離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵14四、工程材料的分類簡(jiǎn)單金屬原子之間的結(jié)合鍵完全為金屬鍵；過渡族金屬原子的結(jié)合鍵以金屬鍵為主，但是也有共價(jià)鍵成分。由于金屬鍵沒有方向性,原子之間也沒有選擇性,所以在受外力作用而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)金屬鍵不會(huì)破壞。以金屬為主體的工程金屬材料不僅具有較高的彈性模量、硬度和強(qiáng)度，而且具有很好的塑性、韌性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。

金屬材料黑色金屬：有色金屬：鐵和以鐵為基的合金鋼鑄鐵鐵合金黑色金屬以外的所有金屬及其合金，如鋁（Al）、銅（Cu）等（應(yīng)用最廣的是黑色金屬，重點(diǎn)學(xué)習(xí)）根據(jù)材料的本性或其結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料可以分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料等四大類。

15陶瓷材料陶瓷材料無機(jī)玻璃（硅酸鹽玻璃）工業(yè)用玻璃玻璃陶瓷，如，耐熱耐蝕微晶玻璃陶瓷普通陶瓷，如，日用陶瓷特種陶瓷，如電容器陶瓷（BaTiO3，壓電陶瓷（PbTiO3)金屬陶瓷：如結(jié)構(gòu)陶瓷（Al2O3,SiC,Si3N4）工具陶瓷（TiC,B4C，BN等）陶瓷是金屬元素(或亞金屬如硅等)的化合物，可以認(rèn)為是各種無機(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱。金屬原子與異種原子化合時(shí)形成很強(qiáng)的離子鍵，同時(shí)也存在有一定成分的共價(jià)鍵，但仍以離子鍵為主。陶瓷的硬度很高，化學(xué)穩(wěn)定性好，可以制造各種耐蝕、耐熱用具，在一些特殊的情況下也可用作為結(jié)構(gòu)材料。但是由于離子鍵、共價(jià)鍵對(duì)周圍原子（或離子）有選擇性或方向性,在受外力作用而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)結(jié)合鍵就會(huì)破壞，所以一般陶瓷材料脆性都很大。

16高分子材料主要組分是有機(jī)高分子化合物。高分子化合物每個(gè)分子可含有幾千、幾萬甚至幾十萬個(gè)原子，分子量在5000以上。大分子內(nèi)的原子之間由很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，而大分子與大分子之間的結(jié)合力為范德華力和氫鍵。由于大分子鏈很長(zhǎng)，大分子之間的接觸面比較大，特別當(dāng)分子鏈纏結(jié)在一起時(shí)，大分子之間可以產(chǎn)生較大的結(jié)合力，所以：高分子材料具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及較低的密度等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。高分子材料（亦稱聚合物）塑料橡膠合成纖維膠粘劑17復(fù)合材料復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上不同材料通過－定的工藝復(fù)合而成的，性能明顯優(yōu)于原材料的新材料。

復(fù)合材料通常分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料三大類。

如果選擇適合的組分材料及復(fù)合工藝，可以得到在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性等方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越的材料，復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展前景

第一章工程材料的性能1.1材料的使用性能1.1.11.1.2材料的力學(xué)性能材料的物理化學(xué)性能1.2材料的工藝性能1.3常用力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的意義第一章工程材料的主要性能本章重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)目的

通過本章的學(xué)習(xí)，掌握材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)及力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的應(yīng)用1.常用的力學(xué)性能指標(biāo)2.力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的意義1.1材料的使用性能

1.1材料的使用性能基本內(nèi)容和要求1.1.1材料的力學(xué)性能

1.掌握力學(xué)性能指標(biāo)及意義2.了解拉伸實(shí)驗(yàn)過程及相關(guān)指標(biāo)概念和意義。3.了解各種硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和應(yīng)用范圍。4.了解沖擊實(shí)驗(yàn)方法和所測(cè)指標(biāo)的意義。材料的性能：工藝性能、使用性能。

使用性能：是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能。如：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。

工藝性能：是指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能。如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性。第1章11.1.1材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。力學(xué)性能—外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等。指標(biāo)：強(qiáng)度、剛度、硬度、塑性、韌性等。強(qiáng)度、剛度與塑性2第1章靜載單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力(σ)：?jiǎn)挝粰M截面積的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣：長(zhǎng)試樣L0=10d0

短試樣L0=5d0

1.1.1材料的力學(xué)性能第1章3靜載單向靜拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線介紹拉伸實(shí)驗(yàn)：彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段試樣斷裂1.1.1材料的力學(xué)性能4靜載單向靜拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線分析拉伸實(shí)驗(yàn)：oe彈性變形階段csd屈服階段db強(qiáng)化階段bk縮頸階段k試樣斷裂第1章1.1.1材料的力學(xué)性能第1章5(1)強(qiáng)度①彈性極限σe

σe=Fe/So

材料拉伸時(shí)保持彈性變形，不發(fā)生永久變形的最大應(yīng)力。

單位:MPa(MN/mm2)

金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。

②屈服極限σs(屈服強(qiáng)度或屈服點(diǎn))σs=Fs/So

（MPa）金屬材料開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。（MPa）1.1.1材料的力學(xué)性能第1章6條件屈服強(qiáng)度σ0.2

—規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。(△L=0.2%LO)

用于無屈服點(diǎn)的中高碳鋼。脆性材料：σb=σs

灰口鑄鐵③抗拉強(qiáng)度σb

(強(qiáng)度極限)是試樣被拉斷前的所能承受的最大應(yīng)力

σb=Fb/So（MPa）材料抵抗外力而不致斷裂的最大應(yīng)力值

屈強(qiáng)比——

σs與σb的比值。

屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，

屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。(2)剛度表示材料抵抗彈性變形的能力。

彈性模量E—E=σ/ε楊氏彈性模量,應(yīng)力應(yīng)變的比值,單位MPa。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章7E愈大，剛度越大，彈性變形越不容易進(jìn)行。(3)塑性斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力1.1.1材料的力學(xué)性能第1章8斷面收縮率不受試樣尺寸的影響δ、ψ越大，材料塑性越好2.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。

硬度測(cè)量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念，

硬度試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其他機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章9(1)布氏硬度硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測(cè)定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

①布氏硬度測(cè)定的原理是把一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以規(guī)定的載荷F壓入被測(cè)材料表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)出壓痕直徑d，求出壓痕面積，實(shí)驗(yàn)載荷除以球面壓痕表面積所得的商即為布氏硬度。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章10布氏硬度測(cè)試原理示意圖1.1.1材料的力學(xué)性能第1章11布氏硬度測(cè)定主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料。

標(biāo)注：如120HBS10/1000/10，即表示用直徑D=10mm的淬火鋼球壓頭在1000kgf(9.8KN)的試驗(yàn)載荷作用下，保持10秒所測(cè)得布氏硬度值為120

。HBS只可用來測(cè)定硬度值小于450的金屬材料

500HBW5/750表示用直徑D=5mm的硬質(zhì)合金球壓頭在750kgf(7.35KN)的試驗(yàn)載荷作用下，保持10-15秒(不標(biāo)注)所測(cè)得布氏硬度值為500。HBW可用來測(cè)定硬度值450-650的金屬材料布氏硬度的試驗(yàn)規(guī)范②布氏硬度的表示方法1.1.1材料的力學(xué)性能第1章12(2)洛氏硬度（HR）

①洛氏硬度測(cè)試原理

洛氏硬度測(cè)定時(shí)需要先后施加二次載荷（初載荷F0和主載荷F1）預(yù)加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好,

以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。洛氏硬度就是以主載荷引起的殘余壓入深度來表示硬度值。硬度值的大小直接由硬度計(jì)表盤上讀出

1.1.1材料的力學(xué)性能第1章13洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理示意圖1.1.1材料的力學(xué)性能第1章14②洛氏硬度表示方法——如40～45HRC

常見洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍硬度符號(hào)壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏色常用硬度值范圍使用范圍HRA金鋼石圓錐60黑

色20~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火層等HRBφ1.5875mm鋼球100紅

色25~100有色金屬、退火及正火鋼等HRC金鋼石圓錐150黑

色20~67調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等151.1.1材料的力學(xué)性能第1章15③特點(diǎn)與應(yīng)用

洛氏硬度測(cè)定僅產(chǎn)生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗(yàn)。

設(shè)備簡(jiǎn)單，操作迅速方便。但測(cè)一點(diǎn)無代表性，不準(zhǔn)確，需多點(diǎn)測(cè)量，然后取平均值。洛氏硬度可用來測(cè)定各種金屬材料的硬度。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章16(3)維氏硬度(HV)

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個(gè)連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，因而制定了維氏硬度試驗(yàn)法。

是用一種頂角為136°的正四棱錐體金鋼壓頭，在載荷F(kgf)作用下，試樣表面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d(mm)供以計(jì)算試樣的硬度值?！鶕?jù)d值查表即可得到硬度值。①維氏硬度試驗(yàn)法原理1.1.1材料的力學(xué)性能第1章17

維氏硬度試驗(yàn)主要用來測(cè)定金屬鍍層、薄片金屬以及化學(xué)熱處理(如氮化、滲碳等)后的表面硬度。

維氏硬度用符號(hào)HV表示，HV前面為硬度值，HV后面的數(shù)字按試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)載荷保持時(shí)間(10～15s不標(biāo)注)的順序表示試驗(yàn)條件。例如：

640HV30表示用294.2N(30kgf)的試驗(yàn)載荷，保持10～15s(不標(biāo)出)測(cè)定的維氏硬度值為640；

640HV30/20表示用294.2N(30kgf)的試驗(yàn)載荷，保持20s測(cè)定的維氏硬度值為640。②維氏硬度的表示方法1.1.1材料的力學(xué)性能第1章183.沖擊韌性(Ak或ak

)

韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積F

單位為焦耳/厘米2（J/cm2）

ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。Ak=mg(h1-h2)沖擊吸收(Ak)

：?jiǎn)挝粸榻苟鷽_擊韌度(ak)

：韌脆轉(zhuǎn)變溫度：沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章19沖擊韌性實(shí)驗(yàn)Ak=h1-h24.疲勞強(qiáng)度σ-1

1.1.1材料的力學(xué)性能第1章2080%的斷裂由疲勞造成

疲勞斷裂：材料在承受大小和方同隨時(shí)間作周期性變化(包括交變應(yīng)力和重復(fù))的載荷作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度(疲勞極限)：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。循環(huán)基數(shù)：鋼鐵材料10；非鐵金屬10；腐蝕介質(zhì)作用下107陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。865.金屬材料的斷裂韌度

有些高強(qiáng)度材料的零(構(gòu))件往往在遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)的狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；中、低強(qiáng)度的重型零(構(gòu))件、大型結(jié)構(gòu)件也有類似情況。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章21(2)裂紋擴(kuò)展的基本形式(1)低應(yīng)力脆斷(3)斷裂韌度及其應(yīng)用

應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：1.1.1材料的力學(xué)性能第1章22單位為MPa·m1/2，

斷裂韌度：當(dāng)KI達(dá)到某一臨界值時(shí)，就能使裂紋尖端附加的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋將發(fā)生突然的失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件脆斷。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI就稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。KIC的單位與KI相同，它表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展(即抵抗脆性斷裂)的能力。

已知KIC，可根據(jù)工作應(yīng)力，確定材料中允許存在的、不

會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展的最大裂紋長(zhǎng)度；

根據(jù)材料已存在的裂紋長(zhǎng)度，確定材料能夠承受的不致脆

斷的最大應(yīng)力。

已知材料的工作應(yīng)力和最大裂紋尺寸，可以算出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)

度因子KI，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和斷裂韌度的相對(duì)大小，可判

斷材料在受力時(shí)，是否會(huì)因?yàn)榱鸭y失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。1.1.1材料的力學(xué)性能第1章23斷裂韌度的應(yīng)用1.1.2材料的物理化學(xué)性能

1.1.224

材料的物理、化學(xué)性能

1.物理性能金屬的密度就是單位體積金屬的質(zhì)量用符號(hào)ρ(g/cm3或kg/m3)表示。

(2)熔點(diǎn)：

(3)導(dǎo)電性：(4)導(dǎo)熱性：

(5)熱膨脹性：

(6)磁性：

緩慢加熱時(shí)金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度（℃或K）。

材料傳導(dǎo)熱量的能力。

是材料傳導(dǎo)電流的能力。

材料因溫度變化而引起的體積變化現(xiàn)象稱為熱膨脹性。

材料在磁場(chǎng)中能被磁化或?qū)Т诺哪芰ΨQ為導(dǎo)磁性或磁性。

(1)密度：第1章1.1.2材料的物理化學(xué)性能

第1章252.化學(xué)性能金屬材料與周圍介質(zhì)接觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。(1)耐腐蝕性——指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。(2)抗氧化性——指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮的能力。耐腐蝕性材料如：不銹鋼、塑料、陶瓷、鈦及其合金等等。如：耐熱鋼、鉻鎳合金、鐵鉻合金等。1.2材料的工藝性能

第1章26指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力1.鑄造性能——指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，

包括：流動(dòng)性能、收縮性、偏析等。

2.焊接性能——指材料焊接時(shí)其工藝方法的難易程度及接口處是否能滿足使用目的的特性。3.鍛造性能——金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，鍛造性越差。1.2材料的工藝性能含碳量4.3%的鐵碳合金鑄造性最好。1.2材料的工藝性能

第1章274.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的難易程度。包含：刀具耐用度；切削力，切削溫度，表面加工質(zhì)量，切屑的形狀或斷屑難易程度。

5.沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。

含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。含碳量越高，沖壓性越差。6.熱處理工藝性：指材料被熱處理時(shí)達(dá)到性能等要求的難易程度。

如：淬硬性、淬透性。

1.3常用力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的意義1.3常用力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的意義1.3.1剛度和彈性第1章281、剛度剛度和彈性

當(dāng)零件的尺寸和外加載荷一定時(shí)，材料的彈性模量E(或切變模量G)越高，零件的彈性變形量越小，則剛度越好。

1.3.1

如果要在給定的彈性變形量下，要求零件的重量最輕，則必須按照比剛度進(jìn)行選材。2、彈性

材料的彈性極限越高和彈性模量E越低，則彈性能越大,零件的彈性越好。

工程結(jié)構(gòu)中的彈簧都選用彈性模量較大，彈性極限或屈服強(qiáng)度較高的材料。

如汽車板彈簧，常選用合金彈簧鋼經(jīng)淬火+中溫回火，以獲得盡可能高的彈性極限和屈服強(qiáng)度。1.3.2硬度與強(qiáng)度第1章29硬度和強(qiáng)度1、硬度1.3.21.3.2硬度與強(qiáng)度第1章30硬度高，耐磨性就好，一般情況下，在一定的處理工藝下，只要硬度達(dá)到了規(guī)定的要求，其他性能也基本能達(dá)到要求。

同樣的硬度可以通過不同的處理工藝得到。

2、強(qiáng)度＜[]=/K

承受純剪或純拉的零件，如螺釘、螺栓，

承受純剪或純拉的零件，可直接作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，并取K=1.1～1.3。屈服強(qiáng)度

承受交變接觸應(yīng)力的零件，除保證表面高硬度外，要適當(dāng)提高零件心部屈服強(qiáng)度；

低應(yīng)力脆斷的零件，其承載能力決定于材料的韌性，應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档筒牧系那?qiáng)度；

承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的軸類零件，只要求一定的淬硬層深，對(duì)于零件心部的屈服強(qiáng)度不需做過高要求?？估瓘?qiáng)度1.3.2硬度與強(qiáng)度第1章31疲勞斷裂：通常也以抗拉強(qiáng)度來衡量疲勞強(qiáng)度的高低

塑性低的材料：

抗拉強(qiáng)度作為兩種不同材料或同一材料在兩種不同熱處理狀態(tài)下性能比較的標(biāo)準(zhǔn)。＜[]=

/K

1.3.3塑性和沖擊韌性第1章32塑性和沖擊韌性1.3.31、塑性

塑性指標(biāo)、

只能表示在單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的塑性，不能反映應(yīng)力集中、工作溫度、零件尺寸等對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響，因此不能可靠的避免零件脆斷。是材料產(chǎn)生塑性變形使應(yīng)力重新分布而減少應(yīng)力集中的能力的度量。沖擊韌性指標(biāo)或表征在有缺口時(shí)材料塑性變形的不足。

2.沖擊韌性或的能力，反映了應(yīng)力集中和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的塑性，而且對(duì)溫度很敏感，正好彌補(bǔ)了、由于影響材料沖擊韌性的因素很多，1.3.4斷裂韌度1.3.5材料強(qiáng)度、塑性與韌性的合理配合第1章33不能定量的用于設(shè)計(jì)。斷裂韌度1.3.4

低應(yīng)力脆斷為主要危險(xiǎn)時(shí)，其承載能力取決于材料的斷裂韌度，應(yīng)該根據(jù)斷裂韌度KIC選材。材料強(qiáng)度、塑性與韌性的合理配合1.3.5若＞1400MPa，隨強(qiáng)度增加，其疲勞壽命可能會(huì)對(duì)于以低應(yīng)力脆斷為主要危險(xiǎn)的零件，應(yīng)該反而降低。1.3.5材料強(qiáng)度、塑性與韌性的合理配合

第1章34用斷裂韌度來選材。

來計(jì)算和選材，提高屈服強(qiáng)度可以提高零件的允許工作應(yīng)力和減輕零件的重量。

以高周疲勞斷裂為主要危險(xiǎn)的零件，在

＜1400MPa范圍內(nèi)，提高材料強(qiáng)度，適當(dāng)降低塑性、韌性。這類中低強(qiáng)度材料的斷裂韌度較高，

可以用工作應(yīng)力≤／K第二章

金屬的晶體結(jié)構(gòu)56第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)實(shí)際金屬中的晶體缺陷第三節(jié)擴(kuò)散第四節(jié)金屬的結(jié)晶與鑄錠第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)57一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體：原子（離子或分子）在三維空間中有規(guī)則地周期性重復(fù)排列構(gòu)成的物質(zhì)稱為晶體。如：金屬材料、冰糖、NaCl。

單晶體：原子排列趨向于一致的晶體。如：Si、Ge單晶。

多晶體：由位向不同的單晶體組成的合金。如：金屬材料。

非晶體：組成物質(zhì)的微粒無規(guī)則排列。如：玻璃、松香。圖1-1單晶體第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體與非晶體ABC單晶體與多晶體581、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：是指組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、離子、原子集團(tuán)）依靠一定的結(jié)合鍵結(jié)合后，在三維空間做有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。由于組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不同，排列規(guī)則不同，或者周期性不同，所以實(shí)際存在的晶體結(jié)構(gòu)可以有無限多種?？臻g點(diǎn)陣：為對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律作全面系統(tǒng)的研究，人為地引入一個(gè)幾何模型：將晶體結(jié)構(gòu)中的某一類等同點(diǎn)挑選出來，讓它們有規(guī)則地、周期性地重復(fù)排列所形成的空間幾何圖形。

（二）晶體結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣、晶格、晶胞與晶格參數(shù)59

空間點(diǎn)陣特點(diǎn)（有規(guī)則、周期性、重復(fù)排列）

1）空間規(guī)則排列點(diǎn)的陣列，無限；2）點(diǎn)陣中的每一點(diǎn)具有相同的周圍環(huán)境。

3）原子、離子等物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)抽象為一些幾何點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為“結(jié)點(diǎn)”、“格點(diǎn)”或“陣點(diǎn)”（實(shí)際為物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的平衡中心的位置）。圖1－1空間點(diǎn)陣模型圖1-2晶格示意圖2空間點(diǎn)陣

晶格：假設(shè)通過原子的中心劃出許多空間直線，這些直線連接起來就形成了“空間（幾何）格架”，這種假想格架稱為“晶格”。

60圖1－3描述晶胞六要素3晶胞與晶格參數(shù)晶胞：能夠反應(yīng)晶格特征的最小幾何單元。晶格參數(shù)包括：晶格常數(shù)－a、b、c（棱邊）棱間夾角－a、b、g晶胞在三維空間周期性重復(fù)排列晶格空間點(diǎn)陣＋直線晶體結(jié)構(gòu)總結(jié)規(guī)律的共性晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)際種類有無限多，而空間點(diǎn)陣的種類有限。614布拉菲空間點(diǎn)陣根據(jù)晶胞的對(duì)稱性，及6個(gè)晶格參數(shù)的可能的組合，可將金屬的晶體結(jié)構(gòu)總結(jié)為7大晶系，14種布拉菲點(diǎn)陣.62立方晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)立方晶系Cubica=b=ca=b=g=90°簡(jiǎn)單立方P1000體心立方I2000,???面心立方F4000，??0,?0?,0??63正方／四方晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)正方（四方）晶系Tetragonala=bca=b=g=90°簡(jiǎn)單正方P1000體心正方I2000,???64正交／斜方晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)正交晶系（斜方晶系）Orthorhombica

b

ca=b=g=90°簡(jiǎn)單斜方P1000體心斜方I2000,???底心斜方C2000，??0面心斜方F4000，??0,?0?,0??65菱方晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)菱方晶系Rhombohedrala=b=ca=b=g90°簡(jiǎn)單菱方R100066六方晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)六方晶系Hexagonala=bca=b=90°

g＝120°簡(jiǎn)單六方P100067單斜晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)單斜晶系Monoclnica

b

ca=g=90°b簡(jiǎn)單單斜P1000底心單斜C2000，??068三斜晶系晶系點(diǎn)陣常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣符號(hào)晶胞內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)三斜晶系Triclinica

b

cabg90°簡(jiǎn)單三斜P1000691.面心立方晶格（face-centeredcubic)簡(jiǎn)稱（FCC或A1））

圖1－4FCC晶格模型二、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)701）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)立方體的8個(gè)頂點(diǎn)個(gè)各有一個(gè)原子，

6個(gè)面的面心各有一個(gè)原子。

g－Fe、Au、Ag、Cu、Ni、Pb等面心立方晶格2）晶格參數(shù)

a=b=c=1aα＝β＝γ＝90°3）原子半徑：通常指晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩原子之間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距離的一半。4）晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。

n＝8×1／8＋6×1/2=4fcc晶胞中原子相距最近的方向是面對(duì)角線，因此

R＝a715）致密度和配位數(shù)致密度：?jiǎn)伟性芋w積與單胞體積之比圖1－5FCC晶格配位數(shù)致密度和配位數(shù)是描述金屬原子排列緊密程度的物理量，致密度和配位數(shù)子越大，原子排列的越緊密。配位數(shù)：?jiǎn)伟信c任一原子相距最近鄰且等距離的原子個(gè)數(shù)。所以，CN＝12K＝=74％721）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：八個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，立方體的體心有一個(gè)原子。

α－Fe、Cr、W、Mo等30種。2）晶格常數(shù)：a=b=c=1aα＝β＝γ＝90o

圖1-6體心立方的晶體結(jié)構(gòu)＝68％

CN＝84）單胞中的原子個(gè)數(shù)n＝8×1/8＋1＝22體心立方晶格（BCC或A2）3）原子半徑：(體對(duì)角線方向）R＝5）K＝733密排六方結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：原子分布在六方晶胞的12個(gè)角上，上下底面的中心和兩底面之間的三個(gè)均勻分布的間隙（3原子在底面上的投影恰為三個(gè)相間等邊三角形的中心位置）中。屬于此類晶格的金屬有：Mg、Cd、Zn、Be等。（當(dāng)原子之間距離相等時(shí)c/a=1.633最緊密結(jié)構(gòu)）2、晶格常數(shù)：a=bc，a=b=90o

，g=120o3、原子半徑：R=a/2（上下底面的對(duì)角線方向）4、晶胞原子數(shù)：n=121/6+21/2+3=65、配位數(shù)CN=12密排六方結(jié)構(gòu)＝close-packedHexagonalstructure,Hexagonalclose-packed(hcp)74晶體類型原子半徑（R）

單胞原子個(gè)數(shù)（n）

致密度

（K）

配位數(shù)(CN）

常見金屬

bcc268%8α-Fe、Cr、W等fcc474%12γ-Fe、Cu、Ni等hcp?a674%12Mg,Cd,Zn,Be等由以上數(shù)據(jù)可知：FCC，hcp為最緊密排列，BCC為次緊密排列。

晶體結(jié)構(gòu)小結(jié)75（1）在晶向中任選一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，三個(gè)基矢為坐標(biāo)軸OX、OY、OZ。（2）選取距原點(diǎn)O最近的一點(diǎn)P，以一個(gè)a為度量單位，求出P點(diǎn)坐標(biāo)值（x,y,z）（3）將坐標(biāo)值乘以最小公倍數(shù)，將其化簡(jiǎn)成最小的整數(shù)放入[uvw]內(nèi)

(不加逗號(hào)）例如：OA晶向指數(shù)為[110]，OX晶向指數(shù)為[100]，OY晶向指數(shù)為[010],OZ指數(shù)為[001]；XO指數(shù)為

[00]，ZA指數(shù)為終點(diǎn)坐標(biāo)減始

點(diǎn)坐標(biāo),故晶向指數(shù)為[11]。AXYZO圖1－7晶向指數(shù)的標(biāo)志三、立方晶系晶向指數(shù)與晶面指數(shù)（一）晶向指數(shù)：表示某晶向的空間幾何方位。用[uvw]表示。晶面：通過晶體中原子中心的平面。晶向：通過原子中心的直線為原子列，原子列代表的方向?yàn)榫颉?.立方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)志方法76(2).將各指數(shù)乘以-1如[001]與[00]代表空間另一組晶向2．晶向指數(shù)小結(jié)(1).一個(gè)晶向指數(shù)代表空間相互平行且方向相同的一

組晶向。[111]與[]相互平行，但方向相反。(3).晶向上原子排列規(guī)律相同但空間方位不同的晶向

屬于同一晶向族，用<uvw>表示。（特點(diǎn)：數(shù)值相同，但符號(hào)與次序不同）如：<100>晶向族包括[100]+[010]+[001]+[00]+

[00]+[00]共6組。

<110>晶向族包括[110]+[101]+[011]+[10]+[01]+[01]再加上其反方向共12組。

<111>晶向族包括[111]+[11]+[11]+[11]再加上其反方向共8組.77（二）晶面指數(shù)（米勒指數(shù)）：表示晶面的空間幾何方位，用(hkl)表示。1．晶面指數(shù)的標(biāo)定方法（1）選擇不在要表示的晶面上的晶格中的任一結(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O，以過該點(diǎn)的三條基矢為坐標(biāo)軸OX、OY、OZ。（關(guān)鍵：晶面與坐標(biāo)原點(diǎn)不能有交點(diǎn)）（2）以單位基矢為度量單位求出該晶面與坐標(biāo)軸的截距（mnp）（3）取截距的倒數(shù)（1/m，1/n，1/p），化為最小整數(shù)放入（hkl）內(nèi)圖1－8晶面指數(shù)的標(biāo)志78（1）一個(gè)晶面指數(shù)實(shí)際代表一組原子排列相同的相互平行的晶面。將晶面指數(shù)各乘以-1，表示同一晶面如（111）與（）（2）晶面空間方位不同但原子排列規(guī)律相同屬于同一晶面

族，用{hkl}表示。如：

{100}晶面族包括（100）+（010）+（001）。

{110}晶面族包括（110）+(101)+(011)+(10)+(01)+(01){111}晶面族包括（111）+（11）+（11）+（11）4組2

晶面指數(shù)小結(jié)（三）、立方晶系晶向與晶面的關(guān)系1．指數(shù)相同的晶向與晶面相互垂直，如：（111)⊥[111]。2．晶向與晶面相互平行時(shí)滿足hu+kv+lw＝0，如(111）∥[10]79圖1－11單晶體的各向異性（四）單晶體的各向異性1、單晶體的各向異性：?jiǎn)尉w各個(gè)方向的機(jī)性、物性、化學(xué)性能等不同。

如：BCC結(jié)構(gòu)的[111]方向的彈性模量

E[111]＝290000MPa，E[100]＝135000MPa，

而多晶體的E＝210000MPa。3、多晶體的偽各向同性：多晶體沿各個(gè)方向的性能相近。原因是：?jiǎn)尉w的各個(gè)方向原子排列規(guī)律不同。多晶體是由大量位向不同的晶粒和亞晶粒組成。2、非晶體的各向同性：非晶體沿各個(gè)方向的性能完全相同。80（五）、最密排晶向與最密排晶面1.

FCC結(jié)構(gòu)的最密排晶面與最密排晶向?yàn)閧111}與<110>

2.

BCC結(jié)構(gòu)的最密排晶面與最密排晶向?yàn)閧110}與<111>體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度

81體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度

晶向指數(shù)體心立方晶格面心立方晶格晶向原子排列晶向原子密度晶向原子排列晶向原子密度<100><110><111>晶向原子密度=原子數(shù)／長(zhǎng)度82

課堂練習(xí)1.畫圖表示下列晶向及晶面

[111][110][011][001];(110)(100)2.寫出{110}{100}及<111><110>所包括的各晶向和晶面指數(shù).3.與(110)晶面平行的晶向?yàn)開_;

與(110)晶面相垂直的晶向是____。4.面心立方晶格的最密排晶面族為____,最密排晶向族是____。5.體心立方晶格的最密排晶面族為____,最密排晶向族是____。6.面心立方晶格的原子半徑是___,致密度為____,配位數(shù)是____。7.體心立方晶格的原子半徑是___,致密度為____,配位數(shù)是____。83第二節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)中存在缺陷，按照幾何特征，晶體缺陷分為：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷三類。一、點(diǎn)缺陷（零維缺陷）點(diǎn)缺陷：指在三維尺度上都很小的，不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。1、空位：就是沒有原子的結(jié)點(diǎn)?？瘴婚g隙原子由于結(jié)晶或變形使金屬原子脫離開平衡位置跑到間隙位置或晶體的外表面，在晶體內(nèi)部便形成空位和間隙原子。圖1－12晶體中的兩種空位a)肖脫基空位b)弗蘭克爾空位離開平衡位置的原子，有兩種去處：一種可能是跑到表面，此時(shí)產(chǎn)生的空位叫肖脫基空位，另一種可能跑到點(diǎn)陣間隙中，形成弗蘭克爾空位。在形成弗蘭克爾空位時(shí)，伴隨產(chǎn)生一個(gè)間隙原子。實(shí)際金屬中常見的是肖脫基空位842、間隙原子間隙原子就是位于晶格間隙中的原子。有兩種類型：自間隙原子雜質(zhì)間隙原子從晶格結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到晶格間隙中的原子雜質(zhì)原子進(jìn)入晶格間隙中形成自間隙原子的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空位，但形成自間隙原子非常困難，而金屬中小原子半徑的C、N、H、B易以間隙原子存在。雜質(zhì)間隙原子及晶格畸變空位及晶格畸變85二、線缺陷(二維缺陷)

線缺陷：指兩維尺度很小，而第三維尺度很大的缺陷，即位錯(cuò)。有兩種類型：刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)：由于變形或結(jié)晶，晶體的一部分相對(duì)晶體的另一部分相對(duì)滑移便產(chǎn)生位錯(cuò)。位錯(cuò)是變形部分與末變形部分的分界線。

1、刃型位錯(cuò)在金屬晶體中，由于某種原因，晶體的一部分沿一定晶面ABCD相對(duì)于晶體的未動(dòng)（下半）部分滑移了一個(gè)原子間距d，結(jié)果在滑移面ABCD的上半部分出現(xiàn)多余的半原子面EFGH。該半原子面中斷于EF處，象一把刀插入晶體中，刀刃為EF線，因此把半原子面EFGH與滑移面ABCD的交線EF叫做刃型位錯(cuò)線。GH86刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)“”：原子面位于滑移面的上部；負(fù)刃型位錯(cuò)“┬”：原子面位于滑移面的下部。刃型位錯(cuò)應(yīng)該是晶格畸變的中心線，實(shí)際上為幾個(gè)原子間距寬的長(zhǎng)管道。87金屬晶體中，右側(cè)上下兩部分原子沿滑移面ABCD發(fā)生了滑移，這時(shí)，已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線bb’，即位錯(cuò)線。而aa’右方的晶體，下面層原子相對(duì)錯(cuò)開了一個(gè)原子間距d，而在bb’與aa’之間出現(xiàn)了一個(gè)約有幾個(gè)原子寬的過渡區(qū)，過渡區(qū)的原子的正常位置發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)，原子沿abcd….b’。原子每作一循環(huán)排列時(shí)，移動(dòng)一原子間距。2、螺型位錯(cuò)88螺位錯(cuò)實(shí)際螺旋位錯(cuò)在空間是一個(gè)螺旋狀的晶格畸變管道，寬僅為幾個(gè)原子間距，長(zhǎng)則可穿透晶體。89位錯(cuò)對(duì)性能的影響位錯(cuò)線周圍產(chǎn)生晶格畸變(晶格歪扭現(xiàn)象)使材料的強(qiáng)度、硬度升高。

變形量越大，位錯(cuò)密度越大，材料的強(qiáng)度、硬度越高。

實(shí)際晶體中存在著大量的位錯(cuò)，一般以空間三維網(wǎng)狀分布網(wǎng)絡(luò)中的各線段可以是刃型，螺型或混合型位錯(cuò)。晶體中位錯(cuò)數(shù)目的多少一般用位錯(cuò)密度ρ表示，ρ=L/V，是單位晶體中所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度，單位為cm/cm3

。在退火態(tài)金屬中ρ≈106-108cm-2

，而經(jīng)冷形變后ρ↑到1011~1012cm-2。90三．面缺陷(二維缺陷)

面缺陷：是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。有兩種類型：晶界(相鄰晶粒位向差θ>1～3o)與亞晶界(θ<1～3o)

。1、晶界：位向不同的相鄰晶粒之間的接觸界面，屬于面缺陷。隨相鄰晶粒位向的不同，晶界寬度為5~10個(gè)原子間距。晶界分小角度晶界(θ<10o)和大角度晶界(θ>10o)

。

圖1－151Cr17不銹鋼中的多晶體圖1－16晶界原子排列示意圖91小角度晶界1）小角度晶界:晶粒之間的位相差θ<l0o

晶粒內(nèi)部的亞晶界(θ=1～3o)為小角度晶界。2）大角度晶界:晶粒之間的位相差θ>10o晶粒,

多晶體(θ>20o)為大角度晶界.3）晶界處原子排列紊亂，所以具有較高的界面能。

圖1－17小角度晶界示意圖（對(duì)稱傾側(cè)晶界）q/2q/2對(duì)稱傾側(cè)晶界：兩晶粒位向差為q，是由一系列平行等距的刃位錯(cuò)垂直排列而組成的。扭轉(zhuǎn)晶界922、亞晶界每個(gè)晶粒可分為若干個(gè)位向相差很小(一般θ<1～3o)的亞晶粒。亞晶粒之間的邊界叫亞晶界。晶粒越細(xì)，晶界面積越大，材料的強(qiáng)度、硬度越高，塑性韌性越好。

3、晶粒與晶界對(duì)性能的影響93第三節(jié)擴(kuò)散原子在金屬晶體中移動(dòng)距離超過其平均原子間距的遷移現(xiàn)象。一、擴(kuò)散定義二、擴(kuò)散方式自擴(kuò)散：原子的遷移不引起濃度變化的擴(kuò)散，如純金屬中的擴(kuò)散。異擴(kuò)散：原子的遷移伴隨有濃度變化的擴(kuò)散，簡(jiǎn)稱擴(kuò)散，如雜質(zhì)含量較高的金屬中的擴(kuò)散。三、擴(kuò)散機(jī)制1）直接換位機(jī)制：相鄰兩原子直接交換位置。2）環(huán)形換位機(jī)制：同一平面上的幾個(gè)原子繞某一瞬時(shí)軸旋轉(zhuǎn)換位。1、換位擴(kuò)散機(jī)制94擴(kuò)散機(jī)制3、間隙擴(kuò)散機(jī)制：雜質(zhì)原子在晶格間隙中遷移。適用于雜質(zhì)原子半徑較小的原子如C、N、H、B等。2、空位擴(kuò)散機(jī)制：通過空位的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)原子的遷移。95四、影響擴(kuò)散的因素3、表面及晶體缺陷1、溫度2、晶體結(jié)構(gòu)在擴(kuò)散激活能Q不變的條件下，擴(kuò)散系數(shù)與溫度成呈指數(shù)關(guān)系。D：擴(kuò)散系數(shù)；D0:擴(kuò)散常數(shù)，cm2s-1；Q：擴(kuò)散激活能，J/mol；R：氣體常數(shù)，8.3143Jmol-1K-1；T：絕對(duì)溫度，K可見，在一定溫度范圍內(nèi)，提高加熱溫度可以加速擴(kuò)散過程。溫度是影響擴(kuò)散速度的主因。

不同晶型結(jié)構(gòu)的晶體中原子的擴(kuò)散速度不同。如，F(xiàn)e在910°C，要發(fā)生g-Fea-Fe轉(zhuǎn)變。而體心立方a-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)大約為面心立方g-Fe的240倍。而C、N等元素在a-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)，也遠(yuǎn)大于在g-Fe中的。致密度較低的晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散激活能較低。

金屬的表面和內(nèi)表面尤其是晶界及亞晶界等，由于存在大量的缺陷，晶格畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，激活能小，易實(shí)現(xiàn)躍遷。金屬內(nèi)外表面上的擴(kuò)散較體內(nèi)擴(kuò)散快100~1000倍。964.固溶體類型間隙擴(kuò)散激活能顯著低于空位擴(kuò)散激活能，因而系數(shù)較大。97第四節(jié)金屬的結(jié)晶與鑄錠金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過程，實(shí)質(zhì)上是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長(zhǎng)程有序狀態(tài)的過程。（一）結(jié)晶的概念結(jié)晶：金屬由液態(tài)凝固為固態(tài)的現(xiàn)象。一次結(jié)晶：金屬由液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。二次結(jié)晶：金屬由一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。（二）結(jié)晶的分類一、金屬的結(jié)晶981．當(dāng)G液=G固時(shí)結(jié)晶不能進(jìn)行。

2．當(dāng)G液<G固時(shí),熔化是自發(fā)過程。

3．只有當(dāng)G固<G液時(shí),結(jié)晶是自發(fā)過程。

圖1－18G與ΔT的關(guān)系曲線（三）結(jié)晶的熱力學(xué)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件是：固相的自由能必須低于液相的自由能，即G液>G固，才能使ΔT>0。G液－G固＝ΔG為相變的驅(qū)動(dòng)力。ΔT↑則ΔG↑，結(jié)晶容易進(jìn)行?；蛘哒f，金屬從高溫冷卻下來時(shí)，必須使溫度低于T0結(jié)晶過程才能進(jìn)行。Tn：實(shí)際結(jié)晶溫度；T0或Tm：理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）993.結(jié)論：1）純金屬恒溫結(jié)晶。2）過冷是結(jié)晶的必要條件（根本原因？）圖1-19溫度－時(shí)間曲線（四）金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象與過冷度1.過冷現(xiàn)象：指液態(tài)金屬實(shí)際結(jié)晶溫度（Tn）低于理論結(jié)晶溫度(Tm)的現(xiàn)象。（或指實(shí)際冷卻到結(jié)晶溫度以下而暫不結(jié)晶的現(xiàn)象。）2.過冷度(ΔT)：Tm-Tn=ΔT

結(jié)晶冷卻速度越大↑，過冷度ΔT越大↑；ΔT↑則結(jié)晶所需要的時(shí)間越短。V3＞V2＞V1V1V2V3平臺(tái)現(xiàn)象：液態(tài)金屬由高溫冷卻下來時(shí)，由于周圍環(huán)境吸熱，溫度會(huì)均勻下降，由于結(jié)晶時(shí)會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，彌補(bǔ)了金屬向四周散發(fā)的熱量，使液態(tài)金屬在結(jié)晶過程中保持溫度不變，出現(xiàn)水平“平臺(tái)”，結(jié)晶結(jié)束，溫度繼續(xù)均勻下降。100二、金屬結(jié)晶過程2.孕育期－在某一過冷度下等溫停留的時(shí)間。過冷度越大，孕育期越短，結(jié)晶容易進(jìn)行。1．金屬結(jié)晶一般包括：晶核的形成（形核）與晶核的長(zhǎng)大，而且是邊形核、邊長(zhǎng)大的規(guī)律。（一）金屬結(jié)晶的一般規(guī)律圖1-20金屬結(jié)晶過程示意圖晶胚晶核1011.形核當(dāng)過冷度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，晶胚尺寸便能滿足形核所需要的晶核尺寸的要求，晶胚(過冷液相中近程排列原子集團(tuán))便成為晶核。圖1-21樹枝狀生長(zhǎng)示意圖2.長(zhǎng)大晶核形成后，在較小的ΔT下便能自發(fā)的長(zhǎng)大，首先長(zhǎng)出一次晶軸，二次晶軸、三次晶軸┉的樹枝狀晶體。由于晶粒間長(zhǎng)大相互妨礙，最后長(zhǎng)成多邊形的晶粒。（二）形核與長(zhǎng)大自發(fā)形核(均勻形核）：從液體內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核：依附于雜質(zhì)而生成的晶核。（需過冷度小，實(shí)際優(yōu)先、主導(dǎo)）102（三）晶粒的細(xì)化晶粒度：就是指晶粒的大小，用單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長(zhǎng)度（或直徑）來表示。1、晶粒度晶粒是由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體，實(shí)際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒越細(xì)，金屬不僅強(qiáng)度高，塑性、韌性也好。細(xì)化晶粒是提高材料機(jī)械性能的重要手段。1033.動(dòng)態(tài)細(xì)化在澆鑄前，攪拌、超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)等使ΔT↑，N↑，以達(dá)ZV↑?？梢哉蹟?、分裂枝晶，增加晶核數(shù)目。圖1-22金屬晶粒度大小與過冷度的關(guān)系2.工業(yè)中細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施ΔT↑，ZV↑,晶粒越細(xì)。

N－形核率，G－長(zhǎng)大速度

ZV－為單位體積中的晶粒數(shù)目2.變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入能促進(jìn)形核（N↑），抑制長(zhǎng)大（G↓）的形核劑，使ZV↑，以達(dá)細(xì)化晶粒的目的。1）提高結(jié)晶時(shí)的冷卻速度，增大過冷度104三、金屬鑄錠組織由于柱狀晶區(qū)的形成，散熱無方向性，且N↓↓，長(zhǎng)成粗等軸晶區(qū)。該晶區(qū)，晶粒粗大，性能無方向性。圖1-23鑄錠組織三晶區(qū)（一）細(xì)晶粒區(qū)（外殼層）澆鑄時(shí)，由于激冷，使ΔT↑↑，模壁凹凸不平，促進(jìn)形核，在極短的時(shí)間內(nèi)形成大量的晶核，組織致密，但很薄。細(xì)晶粒區(qū)的成分均勻，強(qiáng)度高，韌性好.（二）柱狀晶區(qū)（垂直于鑄錠表面）隨著細(xì)晶粒區(qū)的形成，使ΔT↓↓，N↓↓且散熱出現(xiàn)了方向性，故長(zhǎng)成垂至于模壁方向的平行的柱狀晶體。該晶區(qū)，晶粒相互平行，性能出現(xiàn)了方向性。而且在柱狀晶區(qū)交界處出現(xiàn)了性能的脆弱面。（三）中心粗等軸晶區(qū)鑄件：鑄造后不再經(jīng)塑性加工的產(chǎn)品；鑄錠：鑄造后還要經(jīng)塑性加工的產(chǎn)品。散熱方向105第三章

Fe-C合金相圖106本章內(nèi)容§3－1純鐵及其鐵碳合金§3－2Fe-Fe3C相圖分析§3－3典型合金的平衡結(jié)晶過程§3－4合金的成分與組織及性能之間的關(guān)系§3－5Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用及局限性107§3－1純鐵及其鐵碳合金Ⅰ、鐵和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe-C相圖可分為幾部分：FeFe3CFe2CFeCCC,%6.69%9.70%17.7%脆性大，無實(shí)用意義108Fe-Fe3C合金相圖Ⅱ

純鐵及其鐵碳合金相912℃

1394℃一、工業(yè)純鐵及其特性工業(yè)純鐵指含雜質(zhì)為0.10～0.20％的純鐵，sb、HB低，d、aK

好。（一）特性：1.純鐵具有同素異晶轉(zhuǎn)變：在固態(tài)不同溫度發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變。

即α-Feγ-Feδ-Fe(BCC)(FCC)(BCC)sb=180~230MPaHB=50~80d=30~50%aK=160~200J/cm2j=70~80%主要利用其高的導(dǎo)磁率，作電工材料。1102.碳原子溶入α-Fe、γ-Fe的可形成間隙固溶體。(1)

a相：又稱為鐵素體－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的間隙形成的固溶體，用“F”或“a”表示。呈體心立方晶格，最大含碳量為0.0218%，(P點(diǎn))溫度為727℃。性能－бb、HB低，δ、αK好。（2）g相：又稱為奧氏體－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的間隙形成的固溶體，用“A”或“g”表示，具有FCC晶體結(jié)構(gòu)

。含碳量為－727℃時(shí)為0.77%；1148℃時(shí)為2.11％性能－高塑性、高韌性、良好的鍛造性能，強(qiáng)度、硬度較低.（3）d相：又稱為高溫鐵素體：是碳原子溶入d-Fe中的間隙形成的固溶體，用“d”表示，具有BCC晶體結(jié)構(gòu)

。最大含碳量為1495℃時(shí)為0.09%。111二、滲碳體（Fe3C）－CementiteFe3C為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，屬于正交晶系，含碳量為6.69％。通常稱為“滲碳體”，用符號(hào)Cm表示。性能：高硬度，高脆性，塑性近似為零，加熱易分解。sb=30MPaHB=800d=0物相形貌：滲碳體根據(jù)形成條件不同，有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等，對(duì)性能有較大影響。Fe3C3Fe＋C（石墨）石墨具有六方結(jié)構(gòu),強(qiáng)度、硬度極低

§3－2Fe-Fe3C相圖分析

圖1Fe-Fe3C相圖113一、Fe-Fe3C相圖中的點(diǎn)符號(hào)溫度（℃）含碳量（%）說明A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液相合金的成分C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)(計(jì)算值)E11482.11C在奧氏體中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A3）H14950.09C在中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69滲碳體的成分L06.69滲碳體的成分M7700純Fe的居里點(diǎn)N13940-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A4O7700.5鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變溫度P7270.0218C在中的最大溶解度Q室溫0.0008室溫時(shí)C在中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)（A1）114三個(gè)重要點(diǎn)：J、C、S共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是A與Fe3C的共晶混合物，稱為萊氏體（Ledeburite)，以Le或Ld表示。J點(diǎn)：包晶點(diǎn)。LB+dHAJ1495?CL0.53+d0.09A0.171495?CC點(diǎn)：共晶點(diǎn)：LCAE+Fe3C1148?CL4.3A2.11+Fe3C1148?CL4.31148?CLe4.3115萊氏體組織萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲碳體，在顯微鏡下為塊狀或粒狀A(yù)分布在滲碳體基體上。116共析點(diǎn)S共析產(chǎn)物：鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，稱為珠光體（Pearlite），以符號(hào)P表示。其中FP=88%,Fe3C=12%ASFP+Fe3C727?CS點(diǎn)：共析點(diǎn)：A0.77F0.0218+Fe3C727?CA0.77727?CP0.77性能：強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于F與Cm之間。層片狀二、相及相區(qū)

相區(qū)：五個(gè)單相區(qū)：L、d、

A、F、Fe3C。七個(gè)雙相區(qū)：L＋A、L＋d、

L+Fe3C、d

＋A、A＋F、A＋Fe3C、F＋Fe3C。三個(gè)三相區(qū)：L+d+A、

L＋A＋Fe3C、F+A+Fe3C相：L、d、A、F、Fe3C五個(gè)相。三、線:(一)液相線-ABCD線

(二)固相線-AHJECF線(三)三條水平線

共晶線－ECF線

包晶線－HJB線

共析線－PSK線－A1線(四)同素異晶轉(zhuǎn)變線－GS線（A3線），加熱時(shí)由F→A，

冷卻時(shí)由A→F

(五)溶解度曲線2.

PQ線，C在F中的溶解度曲線。合金自727℃冷至室溫時(shí)，由F→Fe3CⅢ

1.ES線:

C在A中的溶解度曲線，大于S點(diǎn)碳含量合金，由1148℃冷卻到727℃時(shí)A→Fe3CⅡ，ES線又叫Acm§3－3典型合金的平衡結(jié)晶過程一.Fe-C合金分類（一）工業(yè)純鐵:C％<0.0218％（二）鋼:含C％為0.0218％～2.11％

1.共析鋼C％＝0.77％

2.亞共析鋼0.0218％<C％<0.77％

3．過共析鋼0.77％<C％<2.11％(三)白口鑄鐵:2.11％<C％<6.69％

1.共晶白口鐵C％＝4.3％

2．亞共晶白口鐵2.11％<C％<4.3％

3．過共晶白口鐵4.3％<C％<6.69％120

二．典型合金的結(jié)晶過程（一）工業(yè)純鐵（C<0.0218%)1．當(dāng)T在T1～T2時(shí)，由L→δ2．在T2～T3時(shí)δ的成分不變

3.在T3～T4時(shí)由δ→A

4.T4～T5,A成分不變

5.T5～T6,由A→F

室溫組織為：F+Fe3CⅢ圖2典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置

F:白色等軸晶粒；Fe3C：呈小白片狀分布于F晶界121（二）鋼1.共析鋼（0.77％C）圖3共析鋼的結(jié)晶過程及冷卻曲線122共析鋼的室溫組織(1000X)，單P組織123共析鋼的室溫組織(5000X)1241.共析鋼（0.77％C）

727℃（1）T在T1～T2時(shí)由L→A初隨T↓L％↓，A％↑。（2）當(dāng)T=727℃時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體,恒溫結(jié)晶AS(FP

+Fe3C共析)（P）室溫組織為:珠光體P(F+Fe3C)珠光體中相組成物相對(duì)重量:WF=×100%=88.7%WFe3C共析

=×100%=11.3%1252.亞共析鋼的結(jié)晶過程分析亞共析鋼的結(jié)晶過程及冷卻曲線126亞共析鋼的室溫組織(30鋼-0.30%C)，白色F，黑塊P127亞共析鋼的室溫組織(40鋼-0.40%C)128

2.亞共析鋼WFe3C

=

1-94%

=6%

727℃

(1)T4～T5之間由A→F初.(2)T=727℃時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體.AS(FP

+Fe3C共析)（P）共析后組織：F初＋P（F＋Fe3C）共析后0.4%C鋼組織中組織組成物相對(duì)重量為:WP

=×100%=50.5%WF初

=1–50.5%

=49.5%共析后組織中相組成物相對(duì)重量為:WF=×100%=94%

1293.過共析鋼的結(jié)晶過程分析圖4-9過共析鋼的結(jié)晶過程及冷卻曲線130過共析鋼的結(jié)晶后的室溫組織(苦味酸腐蝕液)塊狀P＋黑色Fe3CⅡ131過共析鋼的結(jié)晶后的室溫組織(4%HNO3腐蝕液)塊狀P＋白色Fe3CⅡ1323.過共析鋼P(yáng)％＝1－7％＝93％

727℃（1）T1～T2之間，由L→A（2）T2～T3之間，A成分不變（3）T3～T4之間由A→Fe3CⅡ,

組織為：A＋Fe3CⅡFe3CⅡ呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界析出.（4）T4時(shí)，剩余奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體.

反應(yīng)式為：AS(FP

+Fe3C共析)(P)室溫組織：Fe3CⅡ＋P室溫組織組成物相對(duì)重量為：Fe3CⅡ％＝×100％＝7％133（三）白口鑄鐵-1.共晶白口鐵圖11共晶白口鐵的結(jié)晶過程及冷卻曲線134圖12共晶鑄鐵室溫組織：白色共晶Fe3C基體上+點(diǎn)狀和棒狀P1351．共晶白口鐵結(jié)晶過程分析（1）合金在1148℃發(fā)生共晶反應(yīng)，生成高溫萊氏體，恒溫結(jié)晶，LC(AE+Fe3C共晶)Le

萊氏體基體為Fe3C共晶，第二相為A。

組織為：Le（A＋Fe3C共晶）

(2)合金在1148℃～727℃之間冷卻時(shí)，

由A→Fe3CⅡ

組織為：Le（A＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶）（3）合金在727℃時(shí)剩余A發(fā)生共析反應(yīng)生成P組織

AS

（FP

+Fe3C共析)P，Le→L‘e

Le′為低溫萊氏體。

室溫組織為L(zhǎng)e′（P＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶）

1148℃

727℃1362.亞共晶白口鐵結(jié)晶過程分析圖13亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程及冷卻曲線137圖14亞共晶鑄鐵室溫組織:P＋Fe3CⅡ+Le’:共晶Fe3C基體＋點(diǎn)狀和棒狀P1382.亞共晶白口鐵(1)T1～T2之間由L→A初

組織為：L＋A(2)T=1148℃時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，生成萊氏體Le

組織為：

A＋Le

（A＋Fe3C共晶）(3)1148℃～727℃之間冷卻時(shí)，

由A→Fe3CⅡ

組織為:A＋Fe3CⅡ＋Le（A＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶）(4)T=727℃時(shí)，剩余A發(fā)生共析反應(yīng)生成P

Le→Le′(P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）

室溫組織為：P＋Fe3CⅡ＋Le′

1392.過共晶白口鐵的結(jié)晶過程分析圖15過共晶白口鐵的結(jié)晶過程及冷卻曲線

140

圖16過共晶鑄鐵室溫組織:白條狀先共晶Fe3CⅠ+Le’1412.過共晶白口鐵

(1)T=T1時(shí)，由L→Fe3CⅠ

組織為:L＋Fe3CⅠ(2)T=1148℃時(shí)剩余L相發(fā)生共晶反應(yīng)生成高溫萊氏體組織為:Fe3CⅠ＋Le

(3)合金在1148℃～727℃之間冷卻時(shí)由A共晶→Fe3CⅡ

組織為：Fe3CⅠ＋Le(4)T=727℃時(shí)剩余A共晶發(fā)生共析反應(yīng)生成P,

Le→Le′

室溫組織為：Fe3C