金屬材料課件

3-1金屬材料3-2金屬的晶體結(jié)構(gòu)3-3合金材料3-4鐵碳合金的基本知識3-5鑄鐵3-6非鐵金屬及合金3-7非晶態(tài)合金3-8金屬材料的再結(jié)晶第三章金屬材料何處需要金屬材料？概述高爐戰(zhàn)國編鐘越王寶劍鐵器鐵制農(nóng)具蒸汽機鋼筋混凝土樁基工程破粉碎設(shè)備地鐵列車汽車工業(yè)火箭發(fā)射磁懸浮列車1.金屬材料的組成由金屬元素或以金屬元素為主形成的，并具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。

3.1金屬材料（1）、金屬原子的結(jié)構(gòu)金屬鍵模型⊕正離子·自由電子圖3-3-1金屬建模型金屬材料內(nèi)部原子間的結(jié)合主要依靠金屬鍵，它幾乎貫穿在所有金屬材料之中，這就是金屬材料有別于其它材料的根本原因。當金屬原子凝聚而形成晶體時，其結(jié)合鍵稱為金屬鍵。

（2）、金屬鍵根據(jù)化學(xué)鍵性，周期表中的金屬元素分為：簡單金屬：內(nèi)電子層完全填滿或完全空著，結(jié)合鍵—金屬鍵；過渡族金屬：內(nèi)電子層未完全填滿，結(jié)合鍵—金屬鍵/共價鍵混合，以金屬鍵為主。（4）、金屬材料的物化性質(zhì)A、物理性能密度熱性能光性能磁性能氧化腐蝕性能不同材料的拉伸應(yīng)力--應(yīng)變曲線材料的拉伸應(yīng)力--應(yīng)變曲線可鑄造性：灰口鑄鐵、錫青銅較好；壓加性：（熱鍛和冷沖壓時變形能力）低碳鋼優(yōu)于中高碳鋼碳鋼優(yōu)于合金鋼鑄鐵脆不能壓加可焊接性：低碳鋼--好；高碳鋼、鑄鐵--差切削加工性能：（速度、光潔度、刀具壽命、切削功耗等）灰口鑄鐵好熱處理性能：淬硬性、淬透性、變形趨勢、表面氧化、回火脆性等C、工藝性能解釋！！純鐵：Tm＝1538℃，ρ＝7.87×103kg/m3,具有鐵磁性，模量為2000MPa；性質(zhì)：常溫晶體結(jié)構(gòu)－－體心立方，20℃點陣常數(shù)－－0.288，α-Fe；910－1390℃面心立方，915℃點陣常數(shù)－－0.364，γ-Fe；1390℃以上體心立方，δ-Fe；工業(yè)純鐵：含少量雜質(zhì)，強度低、硬度低、塑性好，主要作為磁性材料使用；鋼：含碳量低于2.11%的鐵碳合金叫鋼。碳鋼：以鐵和碳元素為主，含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的鋼。晶格常數(shù)，晶胞的軸長或軸長比值

碳鋼??！主要指力學(xué)性能取決于鋼中的碳含量，而一般不添加大量的合金元素的鋼，有時也稱為普碳鋼或碳素鋼。碳鋼也叫碳素鋼，含炭量WC小于2%的鐵碳合金。碳鋼除含碳外一般還含有少量的硅、錳、硫、磷氧、氮等。按用途可以把碳鋼分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和易切削結(jié)構(gòu)鋼三類。碳素結(jié)構(gòu)鋼又分為建筑結(jié)構(gòu)鋼和機器制造結(jié)構(gòu)鋼兩種。按含碳量可以把碳鋼分為低碳鋼（WC≤0.25%）,中碳鋼（WC0.25%——0.6%）和高碳鋼（WC>0。6%）。按磷、硫含量可以把碳素鋼分為普通碳素鋼（含磷、硫較高）、優(yōu)質(zhì)碳素鋼（含磷、硫較低）和高級優(yōu)質(zhì)鋼（含磷、硫更低）。一般碳鋼中含碳量較高則硬度越高，強度也越高，但塑性較低。

共析鋼：碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到α——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到γ——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余出來的碳將與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。從反映鋼的組織結(jié)構(gòu)與鋼的含碳量和鋼的溫度之間關(guān)系的鐵碳平衡狀態(tài)圖上可知，當碳的含量正好等于0.77%時，即相當于合金中滲碳體（碳化鐵）約占12%，鐵素體約占88%時，該合金的相變是在恒溫下實現(xiàn)的。即在這種特定比例下的滲碳體和鐵素體，在發(fā)生相變時，如果消失兩者同時消失（加熱時），如果出現(xiàn)則兩者又同時出現(xiàn)，在這一點上這種組織與純金屬的相變類似?；谶@個原因，人們就把這種由特定比例構(gòu)成的兩相組織當作一種組織來看待，并且命名為珠光體，這種鋼就叫做共析鋼。即含碳量正好是0.77%的鋼就叫做共析鋼，它的組織是珠光體。

(a)簡單立方晶體；(b)晶格；(c)晶胞的示意圖

3.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶胞示意圖(a)剛球模型；（b）質(zhì)點模型；（c）晶胞原子數(shù)1、體心立方晶格面心立方晶胞示意圖

(a)剛球模型；（b）質(zhì)點模型；（c）晶胞原子數(shù)2、面心立方晶格

密排六方晶胞示意圖(a)剛球模型；（b）質(zhì)點模型；（c）晶胞原子數(shù)3、密排六方晶格典型金屬的晶格(bcc)典型金屬的晶格(fcc)典型金屬的晶格(cph)晶體中的缺陷—點缺陷晶體中的兩種位錯（面缺陷）BSCCO

雙晶原子分辨TEM圖像位錯起始點由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。在碳鋼中特意加入一種或多種合金元素，形成合金鋼。3.3合金材料1、合金合金鋼－－alloysteel在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當?shù)募庸すに?，可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當條件下，就能形成各自的碳化物，當缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。合金鋼的分類：按所含合金元素含量多少：分為低合金鋼（含量＜5％），中合金鋼（含量5％～10％），高合金鋼（含量＞10％）；按所含主要合金元素的種類：分為鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等；按質(zhì)量分為優(yōu)質(zhì)合金鋼、特質(zhì)合金鋼；按用途可分為：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼。（1）工程構(gòu)件、機械零件用鋼：合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼；（2）加工工具：刃具鋼、模具鋼、量具鋼；（3）具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、耐酸鋼、軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼等。合金鋼的編號：按碳的質(zhì)量分數(shù)、合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級別編號：（1）首用數(shù)字標明碳的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位；工具鋼和特殊性能鋼以以千分之一為單位；如工具鋼碳的質(zhì)量分數(shù)超過1％時，碳的質(zhì)量分數(shù)不標出。（2）首用數(shù)字后為元素符號，表示鋼中的主要合金元素，質(zhì)量分數(shù)由后綴數(shù)字表明，小于1.5％不標，1.5－－2.49％標2，2.5－－3.49％標3，……。例如：40Cr鋼（結(jié)構(gòu)鋼）；5CrMnMo鋼（工具鋼）（3）專用鋼用其用途的漢語拼音自首來標明：GCr15、Y40Mn.（4）高級優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號的末尾加“A”滾珠鋼易切削鋼合金元素在鋼中的作用：合金元素與鐵作用－－首先形成固溶體－－超過溶解度后則形成碳化體：（1）合金元素溶于鐵素體使鋼的室溫強度提高－－固溶化作用；（2）Ni和Mn的質(zhì)量分數(shù)較高時－γ→α轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫；Cr、C、N、Cu會使γ→α轉(zhuǎn)變溫度降低，但不如Ni和Mn嚴重；Cr、W、Mn、V、Ti、Si質(zhì)量分數(shù)高到一定程度，鋼凝固形成的體心立方結(jié)構(gòu)會一直保持到室溫－－這些元素通稱為鐵素體穩(wěn)定元素。奧氏體合金元素在鋼中的作用：合金元素與碳的作用－－按與鋼中碳元素親合力的大小分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素：（1）非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；（2）碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti（形成碳化物的穩(wěn)定性由弱到強）。合金滲碳體是部分鐵元素被碳化物形成元素置換后的滲碳體，如（Fe，Cr）3C、（Fe，Mn）3C，晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，但比滲碳體略穩(wěn)定，硬度也較高些，對提高耐磨性更有利。合金碳化物Mn3C、Cr7C3、Mn23C6、Fe3W3C等，比合金滲碳體的穩(wěn)定性更高，而Mn2C、W2C、VC、SiC等具有更高的穩(wěn)定性－－穩(wěn)定性越高的碳化物，熔點、硬度越高，加熱時也難溶于奧氏體中因此對提高鋼的力學(xué)性能和工藝性能影響很大。

大多數(shù)合金的組元在液態(tài)下能相互溶解，成為均勻的液體，因此，只具有一個液相。在凝固以后，由于各組元的原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)不同，各組元之間相互作用不同，在固態(tài)合金中可能會出現(xiàn)不同的相結(jié)構(gòu)。而合金中各種相的結(jié)構(gòu)對合金的性能起決定性作用，合金組織的變化對合金的性能則有很大影響。2、合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)合金中元素之間相互作用的不同，合金中的相基本上可以分為兩類：固溶體和化合物。我們主要討論化合物中的正常價化合物；電子化合物；間隙化合物。

一些材料的磁性參數(shù)工具材料工具鋼—扳手(wrench)六角鋼圓股鋼絲繩鋼筋斜拉橋

橋三角架儲罐不銹鋼餐具耐熱不銹鋼纖維(stainlessfiber)不銹鋼的應(yīng)用—城市雕塑不銹鋼廚具不銹鋼護欄不銹鋼護欄不銹鋼花板不銹鋼旗桿首都鋼鐵公司新日鐵鋼鐵生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)爐煉鋼煉鋼煉鋼車間預(yù)熱器鋼管檢驗不銹鋼：在大氣和一般腐蝕介質(zhì)中具有很高的耐腐蝕性的鋼種，實際上也會發(fā)生腐蝕，但在不同介質(zhì)中腐蝕行為不同。金屬腐蝕的概念：物理化學(xué)中一詳細介紹！！提高金屬耐腐蝕能力措施：減少原電池形成的可能性，使金屬具有均勻的單相組織，并盡可能提高金屬的電極電位；形成原電池時，盡可能減小兩極的電極電位差，并提高陽極的電極電位；減小甚至阻斷腐蝕電流，使金屬鈍化，即在表面形成致密的、穩(wěn)定的保護膜，將介質(zhì)與金屬分開。鋼中：滲碳體的電極電位高，為陰極；鐵素體的電極電位低,為陽極—被腐蝕。一般第二相的電極電位往往較高，使基體作為陽極被腐蝕掉。不銹鋼：用途和性能要求：例如化工領(lǐng)域，耐腐蝕。合金化特點：（1）碳的質(zhì)量分數(shù)：耐腐蝕性要求越高，碳的質(zhì)量分數(shù)要求越低。大多數(shù)不銹鋼的碳含量在0.1—0.2%；刃具和工具不銹鋼碳含量在0.85—0.95%，此時必須相應(yīng)提高Cr的質(zhì)量分數(shù)。（2）加入最主要的合金元素Cr:Cr能提高基體的電極電位；Cr在氧化性介質(zhì)中（如水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸等）極易鈍化，生成致密的氧化層，使鋼的耐腐蝕性大大提高。（3）同時加入Ni:可獲得單相的奧式體組織，顯著提高耐腐蝕性并改善鋼的塑性，或形成奧氏體-鐵素體組織，通過熱處理，提高鋼的強度。在鐵碳合金中共析反應(yīng)所形成的鐵素體和滲碳體，固態(tài)下既不能相互溶解，又不能彼此反應(yīng)形成化合物，而構(gòu)成了機械混合物，叫做珠光體，通常用P表示。因此，珠光體也稱為機械混合物。由于珠光體是由硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組成的混合物，所以，其機械性能介于滲碳體和鐵素體之間。珠光體的布氏硬度HB約為180，抗拉強度σb≈750MPa。

3、機械混合物（1）鐵素體

（2）奧氏體

（3）滲碳體

（4）馬氏體

（5）貝氏體（B）（上、下）（6）珠光體（P）、回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體等3.4鐵碳合金的基本知識1、鐵碳合金的基本相（a）鐵素體的顯微組織（b）奧氏體的顯微組織（c）馬氏體的單位晶胞

(a)(b)(c)鐵素體：

(ferrite，縮寫：FN)即碳溶于α-Fe中的固溶體，具有體心立方點陣。亞共析成分的奧氏體通過先共析析出形成鐵素體。這部分鐵素體稱為先共析鐵素體或組織上自由的鐵素體。隨形成條件不同，先共析鐵素體具有不同形態(tài)，如等軸形、沿晶形、紡錘形、鋸齒形和針狀等。鐵素體還是珠光體組織的基體。在碳鋼和低合金鋼的熱軋（正火）和退火組織中，鐵素體是主要組成相；鐵素體的成分和組織對鋼的工藝性能有重要影響，在某些場合下對鋼的使用性能也有影響。

碳在α-Fe中溶解度很小。727℃時最大溶解度為0.02%；室溫時，碳在α-Fe中溶解度為0.006%。奧氏體（A）奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體，常用符號A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727℃時溶碳為wc＝0.77％，1148℃時可溶碳2.11％。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在的組織。奧氏體塑性好，是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進行壓力加工時所要求的組織。奧氏體是沒有磁性的。奧氏體結(jié)構(gòu)基體晶界鉻的碳化物貧鉻區(qū)滲碳體（cementite分子式：Fe3C）鐵和碳形成的穩(wěn)定化合物，鋼中的碳化鐵（Fe3C）相。具有正交晶體結(jié)構(gòu)，其晶格為復(fù)雜的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韌性幾乎為零，脆性很大，延伸率接近于零。滲碳體的含碳量為wc＝6.67％，熔點1600℃。熱力學(xué)穩(wěn)定性不高，在一定條件下，會發(fā)生分解，形成石墨。在230℃以下，具有一定的磁性。滲碳體內(nèi)經(jīng)常固溶有其他元素。在碳鋼中，一部分鐵為錳所置換；在合金鋼中鐵被鉻、鎢、鉬等元素所置換，形成合金滲碳體。在鐵碳合金中有不同形態(tài)的滲碳體，滲碳體在鋼和鑄鐵中一般呈片狀、球狀或網(wǎng)狀。其數(shù)量、形態(tài)與分布對鐵碳合金的性能有直接影響，可作為鐵碳合金的重要強化相。

馬氏體（M）馬氏體(martensite)最先由德國冶金學(xué)家AdolfMartens(1850-1914)于19世紀90年代在一種硬礦物中發(fā)現(xiàn)。馬氏體的三維組織形態(tài)通常有片狀(plate)或者板條狀(lath)，但是在金相觀察中（二維）通常表現(xiàn)為針狀（needle-shaped）。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（BCT）。中、高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織。高的強度和硬度是鋼中馬氏體的主要特征之一，馬氏體是非平衡組織。鋼淬火時之所以會強化和硬化，就是由于形成了馬氏體。當奧氏體的冷卻速率大于臨界冷卻速率時，便過冷到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms以下，就發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而生成馬氏體。馬氏體與奧氏體具有相同的化學(xué)組成，只是結(jié)構(gòu)由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心四方晶格。鐵碳合金的馬氏體在100～700℃回火1小時后的硬度和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化貝氏體（B）貝氏體組織原先是對鋼中過冷奧氏體在中溫范圍轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)產(chǎn)物而成的。貝恩（Bain）和戴文博（Davenport）在1930年測得鋼中過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線并發(fā)現(xiàn)在中溫保溫會形成一種不同于珠光體或馬氏體的組織，后人就命名其為貝氏體。貝氏體的光學(xué)組織形貌與其形成溫度有關(guān)，在較高溫度形成的呈羽毛狀；溫度低時則呈針狀，于是把前者稱為上貝氏體，后者稱為下貝氏體。后來發(fā)現(xiàn)，除了鋼中貝氏體組織之外，一些有色合金中也會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，形成類似的貝氏體組織。珠光體（P）珠光體是奧氏體(奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體。用符號P表示，含碳量為wc＝0.77％。在珠光體中鐵素體占88%，滲碳體占12%，由于鐵素體的數(shù)量大大多于滲碳體，所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多。在球化退火條件下，珠光體中的滲碳休也可呈粒狀,這樣的珠光體稱為粒狀珠光體。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強韌性較好。其抗拉強度為750~900MPa，180~280HBS，伸長率為20~25%，沖擊功為24~32J。力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強度較高，硬度適中，塑性和韌性較好σb=770MPa，180HBS，δ=20%~35%，AKU=24~32J)。經(jīng)2-4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在不同放大倍數(shù)的顯微鏡下可以觀察到不同特征的珠光體組織。當放大倍數(shù)較高時可以清晰地看到珠光體中平行排列分布的寬條鐵素體和窄條滲碳體；當放大倍數(shù)較低時,珠光體中的滲碳體只能看到一條黑線；而當放大倍數(shù)繼續(xù)降低或珠光體變細時，珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)就不能分辨了，此時珠光體呈黑色的一團。圖為光學(xué)顯微鏡200倍下薄壁鑄件基體。經(jīng)3%硝酸酒精溶液浸蝕?？梢娏坠簿w，片狀石墨，珠光體及少量鐵素體。珠光體區(qū)域形成示意圖鐵碳狀態(tài)圖上出現(xiàn)的碳化物

2、鐵碳合金狀態(tài)圖Fe-Fe3C相圖

ABCD為液相線；AHJECF為固相線；相圖中有5個單相區(qū)：液相區(qū)L；δ相區(qū)；奧式體區(qū)γ或A；鐵素體區(qū)α或F；滲碳體區(qū)Fe3C。相圖中有7個兩相區(qū)：L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、F+A、A+Fe3C、α+Fe3C。相圖中有3條三相平衡的水平線：HJB、ECF、PSK。PSK—共析線（A1線）GS（A3線）ES（Acm線）鐵～碳相圖根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的不同，可以將鐵碳合金分為三大類：純鐵，含碳量＜0.0218%，其顯微組織為鐵素體。鋼，含碳量在0.0218～2.11%之間。又可以分為三種：

亞共析鋼，含碳量＜0.77%。共析鋼，含碳量為0.77%。

過共析鋼，含碳量在0.77～2.11%之間。白口鐵，含碳量在2.11～6.67%之間。根據(jù)室溫時組織的不同，白口鐵可以分為三種：

亞共晶白口鐵，含碳量在2.11～4.3%之間。

共晶白口鐵，含碳量為4.3%。

過共晶白口鐵，含碳量在4.3～6.67%之間。

共析鋼的結(jié)晶過程示意圖

以45號鋼為例，其室溫時的平衡組織－－鐵素體＋珠光體；溫度超過A1時－－珠光體轉(zhuǎn)換為奧氏體，且隨著溫度的升高－－鐵素體逐漸溶入奧氏體；溫度超過A3時－－鐵素體逐漸溶入奧氏體，得到較細的奧氏體晶粒，碳在奧氏體中的質(zhì)量分數(shù)與鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)相同。共析鋼（w(c)=0.77%）加熱至A1以上時－－單相奧氏體。過共析鋼（w(c)>0.77%）加熱至Acm以上時－－單相奧氏體，溫度在Ac1～Acm之間時－－滲碳體＋奧氏體?？偨Y(jié)：所有含碳量不同的碳鋼在加熱溫度超過GSE顯示都可獲得單相奧氏體組織，加熱使鋼的室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的工序統(tǒng)稱為奧氏體化。3、鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變加熱組織為單相奧氏體的工件以較高的速度冷卻，奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變溫度低于A3、A1，差值為過冷度。不同的過冷度，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同。共析鋼：冷卻到723－500℃，得到珠光體組織,過冷度不同，片層組織粗細不同，分別可得到珠光體、索氏體、托氏體。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度越高，片層越粗，反之則相反。過冷到230－550℃長期保溫，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變貝氏體類組織。轉(zhuǎn)變溫度不同，貝氏體形態(tài)不同，550－350℃形成上貝氏體，350－230℃形成下貝氏體，前者呈羽毛狀，后者呈黑色針狀。奧氏體化的工件放入水中快速冷卻，奧氏體將在更低的溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變，得到馬氏體。鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變退火：將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（隨爐冷卻），以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝－－完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應(yīng)力退火；正火：鋼材或鋼件加熱到Ac3(亞共析鋼)和Acm（過共析鋼）以上30－50℃，保溫適當時間后，在空氣中均勻冷卻，得到珠光體類組織（一般為索氏體）的熱處理工藝；正火熱處理工藝用途：（1）作為最終熱處理；（2）作為預(yù)先熱處理；（3）改善切削加工性能。鋼的常規(guī)熱處理淬火：將鋼加熱至奧氏體化后，快速冷卻，是組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝；回火：鋼件淬火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的性能，將其加熱到Ac1以下的某個溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝；回火的分類：低溫回火－－150－200℃之間，目的是降低淬火應(yīng)力，提高工件韌度，保證淬火后的高硬度和高耐磨性；中溫回火－－350－500℃之間，目的是得到回火托氏體組織；高溫回火－－500－650℃之間，目的是得到回火索氏體組織。

第一階段：200℃以下，馬氏體分解－－回火馬氏體；第二階段：200－300℃，殘余奧氏體分解－－回火馬氏體；第三階段：250－400℃，回火托氏體的形成；第四階段：400℃以上，回火索氏體的形成。馬氏體中的碳以ε碳化物的形式析出，過飽和度減少，正方度降低。

鐵素體和細粒狀滲碳體的混合組織。

鐵素體和粒狀滲碳體的混合組織。

鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變1概論

2灰鑄鐵

3可鍛鑄鐵

4球墨鑄鐵

5蠕墨鑄鐵

6特殊性能鑄鐵

碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%的鐵碳合金，通常含有較高的Si、Mn、S、P等元素。3.5鑄鐵在鐵碳合金中，碳可以間隙固溶于鐵或以化合態(tài)的滲碳體形式和游離態(tài)的石墨形式存在。滲碳體：復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)；石墨：簡單的六方晶格。滲碳體為亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下能分解為鐵和石墨，而石墨則是穩(wěn)定相。它可以從鑄鐵溶液中析出也可以從奧氏體中析出。1.鑄鐵的石墨化過程石墨化就是在鑄鐵中碳原子形成石墨的過程。灰口鑄鐵、球墨鑄鐵—石墨從溶液中析出；可鍛鑄鐵—白口鑄鐵經(jīng)長時間高溫回火，由滲碳體分解得到。石墨化過程：第一階段：鑄鐵液體結(jié)晶出一次石墨（過共晶石墨），在1154℃石墨與奧氏體同時從液相中析出（共晶石墨）；第二階段：1154--738℃，奧氏體析出二次石墨；第三階段：738℃，石墨與鐵素體同時由奧氏體中析出共析石墨。按對石墨化的作用分：

促進石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co阻礙石墨化元素：Cr、W、Mo、V、Mn以及P、SS強烈促進鑄鐵的白口化，是力學(xué)性能和鑄造性能惡化，S的質(zhì)量分數(shù)控制在0.15%以下。

石墨化程度不同，得到的鑄鐵類型和組織不同：白口鑄鐵、麻口鑄鐵、灰口鑄鐵。

灰口鑄鐵：由石墨和基體（鐵素體、珠光體、鐵素體加珠光體）兩部分構(gòu)成；

麻口鑄鐵：由石墨和珠光體和Ld構(gòu)成；白口鑄鐵：由珠光體、Fe3C和Ld構(gòu)成，不進行石墨化。高溫萊式體：奧式體和滲碳體組成的混合物。低溫萊式體（Ld）：珠光體、二次滲碳體、共晶滲碳體組成2.鑄鐵中的合金元素3.鑄鐵的組織和分類灰口鑄鐵：灰口鑄鐵具有片狀石墨，引起嚴重應(yīng)力集中，抗拉強度和塑性較低。但鑄鐵的壓縮強度不受石墨片的影響；蠕墨鑄鐵：相對于灰口鑄鐵，蠕墨鑄鐵具有蠕蟲狀石墨，石墨長厚比減少，端部較鈍，抗拉強度和塑性都提高；可鍛鑄鐵：可鍛鑄鐵具有團絮狀石墨，應(yīng)力集中較輕，抗拉強度增大，塑性也明顯改善；根據(jù)石墨形態(tài)對非白口鑄鐵進行分類：灰口鑄鐵：具有片狀石墨的鑄鐵；可鍛鑄鐵：具有團絮狀石墨的鑄鐵；球墨鑄鐵：具有球狀石墨的鑄鐵；蠕墨鑄鐵：具有蠕蟲狀石墨的鑄鐵。4.鑄鐵性能特點球墨鑄鐵：球墨鑄鐵具有球狀石墨，應(yīng)力集中最小，抗拉強度和塑性也最大。A、石墨造成脆性切削，鑄鐵切削加工性能優(yōu)異；B、鑄鐵的鑄造性能良好，鑄鐵凝固時形成石墨所產(chǎn)生的膨脹，減少了鑄鐵件的體積收縮，降低了鑄鐵件中的內(nèi)應(yīng)力；C、石墨有良好的潤滑作用，并能存儲潤滑油，使鑄鐵有良好的耐磨性；D、石墨對震動的傳遞起消減作用，使鑄鐵具有良好的減震作用；E、大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對缺口不敏感。5.鑄鐵的特殊性能灰口鑄鐵的顯微組織(a)鐵素體灰口鑄鐵；(b)鐵素體-珠光體灰口鑄鐵；(c)珠光體灰口鑄鐵可鍛鑄鐵的顯微組織(a)鐵素體可鍛鑄鐵；(b)珠光體可鍛鑄鐵(a)蠕墨鑄鐵電子金相1000×(b)蠕墨鑄鐵光學(xué)金相100×

蠕墨鑄鐵是近二十幾年來發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，其強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定韌性和較高的耐磨性。同時它還具有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。隨著工業(yè)的發(fā)展，對鑄鐵的性能要求愈來愈高，不但要求鑄鐵具有更高的機械性能，而且還要求具有某些特殊性能，如耐磨性、耐熱性和耐蝕性等。向鑄鐵中加入一定量的合金元素，便獲得特殊性能的合金鑄鐵。鑄鐵按結(jié)構(gòu)(石墨的形態(tài))可分為

四種類型：灰口鑄鐵(Graycastiron)可煅鑄鐵(malleablecastiron)球墨鑄鐵(Graphitecastiron)白口鑄鐵(Whitecastiron)CastIronWhiteIronGrayIronMalleableIronDuctileIronCementiteGraphite0.05%MgGraphiticIronsCastIronSteelCastIronWhydocastironshavehighcarboncontent?MalleableIron(1.5%Si,2.5%C)ferriteGraphiteWhiteIron(Fe3C+a)700Cg+Fe3C-->a+CFe3C+a-->Fe3C+g+CFerriticMaleableIron760CT(C)1004008001000600Time(hr)1020304012345680010001400T(C)g+Ca+Cg+Fe3C(metastable)%CWhite(0%Si)andGrayCastIron(2%Si)GrayWhiteFe3CGraphiteFlakeStablegrayIronMetastableWhiteIronPearliteMetastableL-->g+Fe3CStableL-->g+CHardBrittleMachinable12345660010001400T(C)g+Ca+graphiteora+Fe3Cg+Fe3C%CAlloyElementsChangePhaseDiagramg+b5006007008009001000%Ca+Fe3CMnAlloyHypereutectoidat0.6%C Austeniteformsat700°C01%MnAlloycanbedeformedat700C(gphase)whereasTheplanecarbonsteelwouldbedispersionhardenedaCarbonSteelMnAlloySteelg除了鋼鐵材料外，其它金屬及合金是不以鐵為基的則稱為非鐵金屬及合金。非鐵金屬及合金的種類很多，其產(chǎn)量和使用量不及鋼鐵，但由于它們具有某些獨特的性能和優(yōu)點，因而成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。本節(jié)僅對工業(yè)中廣泛使用非鐵金屬及合金中的鋁、銅、鈦合金做一些簡要介紹。

3.6非鐵金屬及合金（1）純銅(紫銅)：紫銅就是工業(yè)純銅，比重為8.96，熔點為1083℃。在固態(tài)時具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。塑性好，容易進行冷—熱加工。（2）黃銅：Cu-Zn合金或以Zn為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。它的色澤美觀，加工性能好。按化學(xué)成分的不同，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。（3）白銅：Cu-Ni合金，包括鋅白銅（含Zn）、錳白銅（含錳）、鉄白銅（含鐵）。1.銅及其合金自然銅（a）α單相黃銅的顯微組織(100×)（b）α+β'雙相黃銅的顯微組織(100×)（4）青銅：青銅原指Cu-Sn合金，是人類應(yīng)用最早的一種合金，但工業(yè)上習(xí)慣稱含有Al、Si、Pb、Mn、Be等的銅基合金為青銅。所以，青銅包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。本節(jié)主要介紹錫青銅。錫青銅:當錫青銅的含Sn量＜5～6%時，其室溫組織是單相α固溶體。α固溶體是Sn在Cu中的固溶體，具有良好的塑性；當錫青銅的含Sn量＞5～6%，錫青銅的室溫組織為α+共析體(α+δ)。δ相是以電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體，是一個硬脆相。鋁是地殼中儲量最豐富的元素之一，約占全部金屬的三分之一。由于制取鋁的技術(shù)不斷提高，使鋁成為價廉而應(yīng)用廣泛的金屬。其特點如下：鋁的比重（2.7）輕，約為銅的1/3，屬于輕金屬。熔點是660℃。鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都很好，僅次于銀和銅。因此，鋁被廣泛用于制造導(dǎo)電材料和熱傳導(dǎo)器件。鋁在大氣中有良好的耐腐蝕性。由于鋁和氧親和力強，能生成致密、堅固的氧化鋁(Al2O3)薄膜，可以保護薄膜下層金屬不再繼續(xù)氧化。固態(tài)鋁呈面心立方晶格，塑性好，但強度低，可經(jīng)冷塑性變形使其強化。純鋁中含有Fe、Si等雜質(zhì)。隨雜質(zhì)含量增加，鋁的性能下降。

2.鋁及其合金鋁合金狀態(tài)圖的一般類型形變鋁合金：成分在D點以左的合金，當加熱到固溶線以上時，得到的是均勻的單相固溶體，適于壓力加工，所以，稱為形變鋁合金；當成份在F點以左的合金，其α固溶體成分不隨溫度而變，不能用熱處理使之強化；成分在D～F點之間的鋁合金，其α固溶體成分隨溫度而變化，可用熱處理強化。α+β鋁的冶煉鋁質(zhì)材料的應(yīng)用鋁質(zhì)材料的應(yīng)用鋁合金的應(yīng)用鋁合金飛機鋁質(zhì)材料的應(yīng)用形變鋁合金：防銹鋁合金（LF5、LF11、LF21等，主要合金元素是Mn、Mg）、硬鋁合金（LY1、LY11、LY12等，屬于Al-Cu-Mg系合金，另含有少量Mn以及Ti和B）、超硬鋁合金（Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量Cr，LC4、LC6等）、煅鋁合金（Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金，LD5、LD7、LD10等）鑄造鋁合金：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等4中合金。Al-Si：ZL201、ZL202、ZL105、ZL107等，用于形狀復(fù)雜的零件；Al-Cu：ZL201、ZL202、ZL203等，用于制造300℃以下工作的零件；高溫下不受沖擊的零件；可作為結(jié)構(gòu)材料、鑄造承受中等載荷和形狀較簡單的零件。Al-Mg：ZL301、ZL302等，用于制造承受沖擊載荷在腐蝕性介質(zhì)中工作的形狀并不復(fù)雜的零件；Al-Zn：ZL401、ZL402等，用于制造汽車、拖拉機的發(fā)動機零件及形狀復(fù)雜的儀器原件，也可用于制造日用品。AluminumAlloysHall-HeroultProcess8%ofearthcrustisAl飛機飛機19世紀中葉，鋼時代20世紀初，鋁時代20世紀中葉，鎂時代21世紀，鈦時代3.鈦合金鈦——曾經(jīng)被稱為“稀有金屬”地殼外層中含量達0.6%,總儲量7億噸以上金屬元素中僅次于鐵、鋁、鎂，位處第四銅的60倍，鉬的600倍稀有？鈦——不尋常的綜合優(yōu)點?。”蠕撦p得多：密度只有鋼的1/4比強度高：比鋁、鋼更結(jié)實（同等重量）抗腐蝕：耐高溫：α-鈦：882.5℃以下，密排六方β-鈦：882.5℃以上，體心立方飛機蒙皮的使用溫度/攝氏度金紅石鈦材料的應(yīng)用鈦材料的應(yīng)用

鈦材料的應(yīng)用鈦材料的應(yīng)用鈦材料的應(yīng)用鈦鋼型材人工器官鈦合金：α-鈦合金、β-鈦合金、（α+β）-鈦合金

合金元素：鋁、硼、鉬、釩等α-鈦合金：加入鋁、硼等α穩(wěn)定元素，TA7，Ti-5Al-2.5Sn，用于制造導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機的渦輪機匣等；β-鈦合金：加入鉬、鉻、釩等，TB1，

Ti-3Al-13V-11Cr，用于制造氣壓機葉片、軸、輪盤等重載回轉(zhuǎn)件，以及飛機構(gòu)件；（α+β）-鈦合金：TC4，Ti-6Al-4V，用于制造載400℃以下長期使用的零件、要求一定高溫強度的發(fā)動機零件，以及在低溫下使用的火箭、導(dǎo)彈的夜氫燃料罐。Al-LiAlloysLithiumdensity0.54g/ccAircraftskinsModulusDensity1234%Li2.5%Rapid