材料的組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

10第三章材料的組織構(gòu)造與性能的關(guān)系在第一章，我們特別強調(diào)指出微觀構(gòu)造不同性能會不同。上一章，我們進一步明確了微觀構(gòu)造的具體物理意義。微觀構(gòu)造具體怎樣影響性能，有哪些客觀規(guī)律，就是這一章大家要學習的內(nèi)容。把握了這些學問，將會為大家選用材料，研制材料供給理論依據(jù)。構(gòu)造材料和功能材料的區(qū)分在于人們對于材料主要要求的性能不同。對于構(gòu)造材料，材料的強度、韌性是主要要求的性能，這種性能對材料的組織、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的聲、電、熱、光、磁等物理性能和化學性能，它們往往材料二局部來介紹。構(gòu)造材料在工業(yè)文明中發(fā)揮了巨大作用。大到海洋平臺，小到一枚螺絲釘，它們所用材料都要考慮承載力量，都是用構(gòu)造材料。面對２１世紀，進一步進展空間技術(shù)、核能、海洋開發(fā)、石油、化工、建筑建材及交通運輸?shù)鹊热耘f要依靠于構(gòu)造材料。其中金屬材料以前是，現(xiàn)代仍舊是占主導地位；在一些關(guān)鍵部位或特別環(huán)境下如高溫、腐蝕條用它做構(gòu)造材料；復合材料由于可利用各種材料之長，正成為大家關(guān)注的熱點，其作為構(gòu)造材料使用的場合不斷增加?？傊?，這幾類材料都可以作構(gòu)造材料，但各有優(yōu)缺點，通過學習大家要把握這幾類構(gòu)造材料的特點和一些典型材料微觀構(gòu)造對性能的影響規(guī)律。功能材料是當代技術(shù)，如信息技術(shù)、生物工程技術(shù)、航空航天技術(shù)、能源技術(shù)、先進制造技術(shù)、先進防范技術(shù)……的物質(zhì)根底，是技術(shù)革命的先導，它的用量不大，但作用不小。金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的復合更有可能開發(fā)出多功能的功能材料。由于這幾類材料的聲、光、電、熱、磁各物理性質(zhì)在本質(zhì)上有共同的地方，所以功能材料局部我們按電、光、磁的挨次來介紹。這三種物理性質(zhì)用的較多。對于電、光、磁本質(zhì)的了解可以使我們簡潔理解形形色色的功能材料。第一節(jié)構(gòu)造材料材料在承載時發(fā)生的變化彈性、塑性、強度、韌性無論是何種材料，在載荷的作用下，都要產(chǎn)生一些變化，我們管它叫變形。最明顯的是，一根橡皮筋受拉會變長，去除拉力后又恢復了原樣；但假設(shè)是一根鐵絲，我們可以很簡潔將其彎曲，但卸載后，彎曲外形還會保持。能恢復的變形稱之為彈性變形，不能恢復的變形稱之為塑性變形。明顯，不同材料，發(fā)生彈性變形、塑性變形的難易程度不同。載荷與確定變形的關(guān)系可用來評價材料的變形力量，但其中含有尺寸因素的影響。σP/Aσ0

P為載A為試件的起始橫截面積；應變ε△L/L，即試件相對變形的大小。L

為試件0 0 0的長度，△L當材料發(fā)生彈性變形的時候，應力與應變呈線性關(guān)系，即σ＝Eε，這就是著名的虎克定律，E講，材料彈性變形是外力作用所引起的原子間距離發(fā)生可逆變化的結(jié)果。因此，材料對原子間距離有關(guān)。在工程上，絕大局部構(gòu)造件和機器零件，都是在彈性狀態(tài)下工作，不允許發(fā)生塑性變形。因此人們格外關(guān)注材料抵抗塑性變形的力量，表征這種力量的是一些強度指標。3-1有彈性變形階段且彈性變形量很小，即只有應力－應變間呈直線關(guān)系段；橡皮的彈性變形所需載荷很小，彈性變形量很大；低碳鋼彈性變形量小，塑性變形量較大。下面我們以合金鋼的拉伸應力－應變曲線〔圖3-2〕σ-ε間關(guān)系－旦偏離線性就表示材料的塑性變形開頭了，如加載至圖3-2的AAB發(fā)生0.2%剩余應變時的應力作為屈服強度，記作σ 或σ，用以表示材料發(fā)生明顯塑0.2 y性變形的抗力，這是一個很重要的衡量構(gòu)造材料性能的指標。在圖3-2σ3-2b3-3，覺察屈服后隨應力增加材料均勻變細，當應力消滅最大縮“。一旦頸縮消滅，材料的完全斷裂就為期不遠了。但從圖3-2在哪兒嗎？答案在習題一欄中。依據(jù)變樣子況可知，σ是材料發(fā)生最大均勻變形的b抗力，是材料在拉伸條件下所能承受的最大負荷的應力值。這個值是設(shè)計和選材的主要料。材料的塑性是以斷裂后的塑性變形大小來表示的。拉伸條件下,可用延長率δ和斷ψδ=(L-L)/L100%ψf 0 0=(A-A)/A×100%,其中LA0 f 0 f f雖然在材料承受載荷的力量上是靠強度，但塑性這個指標也很重要。由于假設(shè)是強度高、塑性低，則材料在最終斷裂前無任何征兆消滅，這是相當危急的。如自行車高速轉(zhuǎn)則輪箍會彎曲，有可能還能修復，假設(shè)材料塑性差，則車輪就會裂開，可以想象的出，造成的后果要嚴峻的多。一般來講強度高的材料塑性低，塑性高的材料強度低。真正好的材料應當是強度和塑性都高，也就是σ-ε曲線下所包圍的面積應當大。這個面積反映了材料發(fā)生斷裂時外界做功的大小，這個量稱之為韌性。與韌性相對的是脆性，實際表現(xiàn)是材料在很低的應力下〔常常低于屈服應力〕發(fā)生突然的斷裂。特別留意脆性和塑性不互為反義詞，盡管脆性材料往往塑性很差，如玻璃。硬度日常生活中，人們對材料的評價往往愛用“軟上，為了在不破壞工件的狀況下，便利地成批檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量，在對構(gòu)造材料的性能評價上，還確定了“硬度”這樣一共性能指標。本質(zhì)上一般可以認為，硬度是指材料外表法硬度值表示材料外表局部裂開的力量。在生產(chǎn)上使用最廣泛的是靜負荷壓入法試驗，依據(jù)壓頭外形、材料及加載大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度，它們適用于不同的材料。各種硬度的壓頭外形、材料、載荷、運用范圍等見表3-1。實踐證明材料的強度越高，硬度值也越高。材料的各硬度值之間、硬度和強度之間有近似的對應關(guān)系。我們簡潔介紹一些，對大家今后檢驗材料或許是有用的。非淬火鋼

=0.362HBHB>175bσ碳鋼 σ鑄鋼 σ

=0.345HB HB<175b=2.5HSb=51.3×104/(100-HRC2 HRC<10b=(0.3-0.4)HBb=8.6×10/(100-HRC) HRC>40b斷裂韌性

0.2

并考慮肯定的安全系數(shù)來確定構(gòu)造材料的許用應力[σ]的，即[σσ

0.2會發(fā)生塑性變形，更不會斷裂，然而事實并非如此。大量事例的試驗分析說明，低應力的，也可能是在加工過程中產(chǎn)生的，還可能是在使用中形成的，因而是難以避開的。這就是說，在實際應用中，材料在承受載荷后，還可能導致已有微裂紋的擴展，當裂紋尺最重要的是應力強度因子的概念。這個應力強度因子表示了裂紋在外界名義應力作用下，處于彈性平衡狀態(tài)時，裂紋尖端四周應力場的強弱，也就是說，應力強度因子確定了裂紋尖端四周各點的應力大小。對于含有裂紋的機械另件，在外力作用下裂紋擴展有三種類型：張開型、滑移型和剪切型〔3-4，對于這三種不同類型的裂紋擴展，其應力強度因子不同，分別用KKKⅠ Ⅱ Ⅲ況，我們重點介紹這種類型。I斷裂力學的分析計算說明K YI

aaK的表達式中可以看出，當名義應力確定時，隨著裂紋aK也增加，我們把Ⅰ Ⅰ裂紋擴展至產(chǎn)生突然斷裂的裂紋長度叫作臨界值裂紋長度aac cK

IC定的材料，在肯定條件下它有確定的值。另外，我們還可以覺察，假設(shè)要使材料能承受和斷裂韌性是二個完全不同的概念，肯定要把他們分清楚。現(xiàn)在，重要的機件，特別是航空航天所用機件設(shè)計，其強度指標除考慮屈服強度外都必需依據(jù)斷裂韌性進展進一步的核準，明確所允許的臨界裂紋尺寸。金屬材料金屬材料在國民經(jīng)濟中的作用金屬材料是人類進展和應用的最古老的材料,5000近半個世紀來，金屬材料從原來幾乎一統(tǒng)天下的地位局部地為其他材料取代，但這并預見，至少在二十一個世紀，金屬材料在現(xiàn)代社會材料消費中仍占主導地位。在金屬材料中，鋼的用量最大，目前全球年消耗達八億多噸。尤其對我們國家更是如此。國家科21世紀上半葉，依據(jù)我國國情，中國的建設(shè)起碼還要半個世紀。以我國高速建設(shè)為例，現(xiàn)在總長1萬多公里，試想假設(shè)把各省間大城市都聯(lián)結(jié)起來，得需要多鋼、多少水泥，還不要說大橋、港口、碼頭等。我國調(diào)整大路大干線還沒有開頭，象“橫三條、豎二條”等等還都沒建，怎么說中國的鋼鐵工業(yè)就成了夕陽工業(yè)了呢？假設(shè)沒有鋼鐵工業(yè)的支持，中國下一個世紀的現(xiàn)代化建設(shè)將沒有根底，中國的鋼鐵工業(yè)不是夕陽產(chǎn)業(yè)。因此，在構(gòu)造材料局部，首先給大家介紹金屬材料。在前面講結(jié)合鍵的時候，我們變形更簡潔，所以對于金屬材料來說主要要解決的問題是設(shè)法提高其強度。爭論覺察，金屬材料的強度對組織特別敏感，通過組織調(diào)整可以提高其強度。金屬材料的強化方式對于金屬來說，產(chǎn)生不行恢復的塑性變形主要靠的是位錯滑移，因此但凡能使位錯運動受阻的方法都能提高其強度，通常有固溶強化、形變強化、晶界強化、其次相強化等。另外假設(shè)完全消退材料中的位錯，使其發(fā)生整體滑移，屈服強度也會提高，目前已研制出無位錯的金屬須，但實際應用還有困難。在此只介紹阻礙位錯運動的一些方法。固溶強化固溶體和純金屬都是單相組織，但是它們的強度不同，固溶體高于純金屬。圖３－５表示的是碳對α-Fe〔ppm〕就使屈服強伸強度的影響，縱座標為拉伸強度增加值?？梢钥吹郊僭O(shè)要提高50Mpa，大約需要1%(at)Mo、Ni，而對于Cr、Co、V10%(at)，這種參加合金元素形成固溶體而使3-53-6強化的效果大于置換式固溶元素的強化效果。寸相差越大，應力場越強；另一方面也與它們二者彈性模量的大小有關(guān)。可以說，置換式或間隙式溶質(zhì)原子對位錯的運動，起著原子尺寸障礙的作用。形變強化3-2需的應力是不斷增加的，這種現(xiàn)象叫形變強化，也叫加工硬化。形變強化手段實際上早就為人類所應用，如古代穴居時代的人，就已承受敲打黃銅塊的方法，使其成為具有肯定強度和有用外形的物品?，F(xiàn)在，人們更是利用這種特性來制造高強度銅絲、鋼絲等。另外，形變強化也有不利的一面。由于經(jīng)過肯定變形的材料，它的屈服強度已不是原來的屈服強度，而是增高了，變形量越大，增加的越多，越接近抗伸強度的值，同時，塑性越來越差。這樣的材料使用起來就比較危急。再有就是連續(xù)變形抗力的增加也使其進一步加工遇到困難，如設(shè)備加工力量可能不夠，或者加工質(zhì)量不合要求等等。材料宏觀上的塑性變形對應著微觀構(gòu)造發(fā)生了什么樣的變化呢？圖３－７a是具有等軸晶粒的純鐵，經(jīng)過變形后晶粒都變成拉長的了〔圖3-7。假設(shè)用透射電子〔圖3-103-15/cm108-101/cm3-9)，位錯密度越高，所需臨界應力越大。因此對于形變硬化的微觀機理我們可以這樣來理解：產(chǎn)生金屬變形主要是通過原有位錯的運動，在運動都受到其他位錯的阻礙，因此強度提高了。方向的擇優(yōu)排列，這種晶體的擇優(yōu)取向稱之為織構(gòu)。擇優(yōu)取向的結(jié)果就使得原來各向同以實現(xiàn)的。另外，大家知道制做變壓器用的硅鋼片，為了產(chǎn)生高的磁感應強度，也要求有特定的擇優(yōu)取向。經(jīng)過冷變形晶粒被拉長、且得到強化的材料還可以再變回到原來的組織構(gòu)造，圖3-103-10a33%冷變形后的黃銅的組織照片，從中可以3-10b5803在晶內(nèi)孿晶界上，滑移臺階上，有很多細小的晶粒，隨著加熱時間的延長，這些小晶?！矆D3-10直到8〔圖3-1058℃保溫，1540μm120μm，3-10e)，70010200μm。在某一恒定溫度下時間的影響更顯著。冷加工變形的材料經(jīng)再結(jié)晶以后強度顯著降低，幾乎又回到了冷加工前的狀態(tài)〔圖3-1。這種特性在工程應用上格外有意義。一方面生再結(jié)晶；另一方面也提示人們，當一種合金冷加工成形時，假設(shè)變得很硬、很難加工，可以將其加熱到肯定溫度，使其產(chǎn)生再結(jié)晶變軟后再連續(xù)冷加工。我們已可以體會到，對于再結(jié)晶來說，再結(jié)晶溫度格外重要。應當說這個溫度是個溫度范圍。為了衡量不同材料的結(jié)晶行為，人們將在1義為再結(jié)晶溫度。通過大量試驗數(shù)據(jù)的歸納覺察這個溫度與材料的熔點有肯定的相關(guān)性，一般在熔點(K)1/21/3再結(jié)晶溫度越低.對冷變形金屬經(jīng)加熱發(fā)生再結(jié)晶這樣一種處理叫做再結(jié)晶退火.在退火過程中之所以會發(fā)生結(jié)晶是由于經(jīng)過猛烈塑性變形的金屬和合金,處于一種亞穩(wěn)的高能量狀態(tài).這樣的金屬力求轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的組態(tài).加熱使得金屬原子更易集中,進展重排列,結(jié)果冷加工造成的缺陷消逝,變成了變形前的穩(wěn)定狀態(tài).晶界強化3-12純鐵晶粒尺寸對其屈服強度和抗拉強度的影響,可以看出屈服強度及抗拉強度都與晶粒尺寸的負二分之一次方成正比,這樣一個關(guān)系可寫成σ0.=σ0+Kd-1/,被稱之為Hall-Petch3-13粒尺寸與延長率的關(guān)系,可以看出,隨晶粒尺寸的削減,延長率增加,說明隨著晶粒細化,在強度提高的同時,塑性也是提高的.因此,材料的韌性大幅度提高,這是這種強化手段的最突出的優(yōu)點.晶界強化的微觀機制在于:對于多晶體來說,位錯運動必需抑制晶界的阻力.這是由于晶界二側(cè)晶粒的取向不同,所以在某一個晶粒中滑移的位錯不能穿越晶界進入相鄰晶傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實行技術(shù)改造、產(chǎn)品升級換代。在鋼鐵工業(yè)方面正大力研制一代鋼鐵材料,一個重要的爭論思路就是利用晶粒細化到達既提高強度又提高塑性的目的.已有爭論數(shù)μm韓國、德國等世界經(jīng)濟強國的重視。其次相強化所謂其次相強化是指在金屬基體〔通常是固溶體〕中還存在另外的一個或幾個相，融狀態(tài)下參加異相顆粒制成復合材料，也可以通過合金化使得冷卻過程中有其次相析出，等等。由于主要是其次相和基體的性質(zhì)打算材料的性能，所以在爭論強化機理時可不考慮材料的加工過程。我們主要考察其次相的本性，可以將其分成二類，一類是很硬很強的其次相顆粒，的效果不同，微觀機制也不一樣。圖3-14a30%ZnAlO23

的硬顆粒，可以看到當位錯運動滑移到這顆粒四周時，由于這個3-14b3-15aNiNiAlAlO3 23可以穿過這個其次相,并使這個其次相變形,但所需應力要比沒有這種其次相時高,所以合金的屈服應力要為這個其次相變形所限制,關(guān)于位錯切過其次相的示意圖表示在圖3-15b。需要指出的是其次相對強度的影響除與其本性〔其次相的成份、構(gòu)造〕有關(guān)外,還與其次相顆粒的尺寸、外形、數(shù)量、分布有關(guān)。當其次相顆粒本身格外細小，彼此間距離也很小時，這種其次相的強化作用就比較大；假設(shè)其次相顆粒尺寸變大，間距也變大，其次相顆粒的強化作用就有所下降了。比較低的。高度彌散分布的其次相；(3)選用阻力高的硬質(zhì)點。金屬材料的熱處理熱處理是一種加工手段，前面我們介紹的再結(jié)晶退火就是熱處理的一種。熱處理的目的就是要轉(zhuǎn)變材料的組織狀態(tài)，進而轉(zhuǎn)變材料的性能。具體來說，熱處理就是將材料的一種熱加工工藝。是不是全部的金屬都能進展熱處理呢？這個問題與合金相圖有關(guān)。原則上只有在加熱和冷卻時發(fā)生溶解度顯著變化或者類似純鐵能發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料，即有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進展熱處理。熱處理工藝很簡潔，就是掌握加熱溫度、保溫時間和冷卻速度三個因素，但熱處理后的結(jié)果則是千變?nèi)f化，這里的奇特就在規(guī)律。鋼的熱處理么樣的組織。那么，熱處理還會轉(zhuǎn)變材料的組織嗎？答案是會。關(guān)鍵在于冷卻速度，在用相圖爭論組織形成時，是用的最慢的抱負化的冷卻速度，即在每個溫度下，都使原子的集中到達動態(tài)平衡。假設(shè)冷卻速度變快，得到的組織就會不同，下面我們以共析鋼為例進展介紹。依據(jù)相圖，共析反響γ→〔α＋FeC〕727℃可以發(fā)生，也叫做奧氏體分解，33-160.125℃/minAAAcmAcAc1 3 1 3AcmArArArcm1 30.8%碳的共析鋼來說，以前我們已講過，緩慢冷卻的平衡組織是珠光體。由于奧氏體轉(zhuǎn)變，變成了構(gòu)造、成份都不同的兩個相，α-FeFeC3子的集中。由于溫度較高，鐵原子和碳原子都可以進展較充分的集中，α-Fe度接近于平衡濃度。當冷卻速度較快時，相變發(fā)生的溫度較低，假設(shè)溫度低到鐵原子集中困難而碳原子還能集中時，奧氏體仍舊分解為α-FeFeCα-Fe3FeC3體〔圖3-17。當冷卻速度再快，如在水中冷卻，則相變發(fā)生的溫度更低，此時鐵原子α-FeFeC3αˊ相。αˊ相中碳濃度遠遠超過平衡α相的溶解度?？梢哉f，αˊ相是碳在α3-18肯定的臨界冷卻速度才能形成馬氏體。歸納上述冷卻速度的影響可以看出，存在著二大類固態(tài)相變，一類是原子相變時存在原子集中，為集中型相變，如珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變；還有一類是不存在原子的集中，但原子也發(fā)生了重排，為非集中型相變，如馬氏體相變。Ms-2℃-19℃之間，每片馬氏體的形成時間約10--10-7秒。在某個溫度停留，不能使馬氏體量增加。隨溫度進一步降低，由于有的馬氏體片形成，馬氏體量會增加?！灿纸兄悄芙饘佟尘哂杏洃浌δ艿母?，在“學問博覽”中有較具體的介紹。用一塊拋光的試樣，進展馬氏體相變，相變完成后，在試樣外表可以看到有規(guī)律的凸凹不平，和馬氏體組織形態(tài)類似，稱為外表浮凸〔圖3-19，這個現(xiàn)象說明馬氏體轉(zhuǎn)變時的原子重排是通過奧氏體的切變完成的。假設(shè)用透射電鏡進一步觀看馬氏體中的柳葉形片，覺察其中有很多的孿晶，所以這種片狀馬氏體又叫孿晶馬氏體〔3-20〕另外人們還覺察，假設(shè)鋼的含碳量在0.2%以下，則馬氏體的顯微組織不再是片狀，而是板條狀〔3-21，在透射電鏡下，板條中有很多位錯〔圖3-21b。這種板條馬氏體又叫位錯馬氏體。3-220.8%共析鋼在不同溫度下轉(zhuǎn)變時所獲得組織的硬度，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低硬度明顯上升，說明馬氏體具有高硬度、高強度。另外還有試驗說明，無碳馬284Mpa98-137Mpa。由于馬氏體相變147-186Mpa。馬氏體高強度、高硬度的緣由是多方面的，首先，馬氏體的晶體構(gòu)造為體心正方，不具備位錯易動的密排滑移面，因而位錯不易滑移；其次，鐵素體通常只含0.03%的碳原子，而馬氏體中的含碳量和材料本身的含碳量一樣，因此馬氏體中有大量過飽和的碳原子，固溶強化是馬氏體硬度高的主要機制之一；再有，不管是板條狀馬氏體的板條還是片狀馬氏體的條片都很細小，晶界強化機制也起很大作用；第四，馬氏體的板條或條片內(nèi)部有大量的位錯或?qū)\晶，說明形變強化在馬氏體中也存在。馬氏體強度高，但韌性很差，不能直接作為構(gòu)造材料使用。但由于馬氏體是一種亞穩(wěn)定的過渡相，在肯定的條件下，還會發(fā)生變化，即馬氏體的分解，我們后面再講。鋼在冷卻時組織轉(zhuǎn)變不僅對熱處理工藝很重要，而且有重要的工程意義。由于很多鋼制零件都是在高溫狀態(tài)進展加工，如鍛造．軋制等；在加工完以后，必需要掌握其冷卻速度，才能得到所需的微觀組織。在熱處理的工藝參數(shù)中，除冷卻速度外，還有加熱溫度和保溫時間，它主要影響冷卻前奧氏體的晶粒尺寸，溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越大。大的奧氏體晶粒冷卻后得到的組織相對也粗大。在熱處理工藝中，有“幾把火“是很重要的概念。①將組織偏離平衡態(tài)的鋼加熱到適當溫度,保溫一段時間,然后緩慢冷卻(爐冷)以獲得接近平衡態(tài)組織的熱處理工藝叫退火，明顯，退火工藝使材料軟化。②將鋼件加Ac3

以上30-50℃，保溫后取出在空氣中冷卻，這是正火。正火的冷速比退火快，〔油冷或水冷〕至室溫，從而使奧氏體變成馬氏體的處理為淬火。鋁合金的熱處理鋁是一種面心立方金屬，密度為2.7Mg/設(shè)備，比方飛機、汽車等。3-23Fα沒有熱處理問題。成份在Ｆ點和Ｄ點間的合金，α相隨溫度的降低成份始終在變化，對Al-4Cu其組織構(gòu)造進而轉(zhuǎn)變性能。3-24是局部Al-CuAl-4Cu這種熱處理首先要將合金加熱到溶解度曲線以上的ααα相的成份在冷卻過程中由于原子來不及集中而無法轉(zhuǎn)變，因此，這時αCuCuA2相θ相。從而引(>120Al-4Cu合金快冷以后的拉伸強度約250Mpa7400Mpa，強化效果格外顯著。Al-4Cu的強化機制是其次相強化。馬氏體回火人們也將馬氏體進展再加熱和保溫，覺察馬氏體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的鐵素體和滲碳體。但對馬氏體而言，這一過程不稱為人工時效，而稱之為回火?；鼗饘е落摰挠捕扰c強度下降，塑性和韌性提高〔圖3-2150-25鋼中剩余應力和脆性,保持鋼在淬火后的高硬度與耐磨性。工程上各種高碳工具、模具ε(F2.C)3-26稱為回火馬氏體。300-500℃回火為中溫回火，此時的性能特點是具有肯定的韌性，較高的彈性和屈服強度，主要用于各種彈簧的處理。此時的組織為回火屈氏體，是由針狀鐵素體和細粒滲碳體組成的機械混合〔圖3-2回火后鋼件的綜合機械性能〔強度、塑性、韌性均較高。習慣上將淬火加高溫回火相3-28織，是由多邊形的鐵素體晶粒和粗粒狀滲碳體組成，叫做回火索氏體。金屬材料下面我們來看看人們是如何利用我們前面所介紹的這些原則來研制金屬材料的。一代鋼鐵材料鋼鐵材料具有價格低廉．資源豐富．生產(chǎn)規(guī)模大，易于加工使用．性能牢靠．便于21家綜合實力的重要指標之一。8000Mpa。而現(xiàn)在大量使用的碳素鋼屈服強度只有200Mpa，〔<4.5屈服強度只有400Mp800Mp隨著國民經(jīng)濟的進展，道路、橋梁、高層建筑等根底設(shè)施的更換代，將需要更大量的更高強度的鋼。據(jù)一些資料分析，假設(shè)我國的鋼產(chǎn)量要到達世界工業(yè)興旺國家的水平，產(chǎn)量需比現(xiàn)在翻一番。這對我國的資金投入、資源供給、交通運輸、環(huán)境保護等方面都是難以承受的。因此，為滿足經(jīng)濟和國防建設(shè)的需要，必需爭論的鋼鐵材料，使其在壽命不變的狀況下，強度提高一倍；或通過質(zhì)量的改進，使其壽命提高一倍。這樣就可以節(jié)約大量的鋼鐵材料，間接地講，還可以削減鋼鐵廠，減輕運輸負荷、降低能耗及對晶粒度和組織，提高鋼的純潔度，改善鋼的均勻性。晶粒尺寸為１０μm。為了到達強度提高一倍的目標，晶粒還需進一步細化。日本的爭論μm，低碳錳鋼的抗拉強度可以到達７００Mpa。韓1μm600Mpa。我國的爭論工作也可做到這種水平。提高鋼的純潔度主要是指降低鋼中有害元素S、P２ ２ ２體的含量，這樣就可以掌握鋼中氧化物、硫化物和碳氮化物的尺寸、形態(tài)、分布；削減雜物問題，但掌握夾雜物對于提高材料的強度也是格外重要的?？梢韵胍?，材料的斷裂肯定是發(fā)生在最薄弱的地方。因此，即使用再好的材料制作的構(gòu)件，只要一個截面上存在問題，破壞就在這個地方發(fā)生，整個構(gòu)件也就報廢。閱歷說明，夾雜物常常是導致破3-29樣斷裂時常常就是先在夾雜物四周先形成微裂紋，然后微裂紋擴展、連接、導致了最終的斷裂。假設(shè)夾雜物尺寸細小，外形為球形且均勻分布，危害程度就相對較小。改善鋼的均勻性也是為了避開消滅個別的薄弱環(huán)節(jié)。粒的方法，是形變熱處理〔也叫機械熱處理〕的一種。它把金屬材料壓力加工和熱處理工藝相結(jié)合，有效地同時利用了形變強化與相變強化。3-30其根本原理是鋼坯經(jīng)加熱奧氏體化后，先在高溫形變完全再結(jié)晶區(qū)進展第一階段軋制。由于進展掌握軋制的鋼一般含有微量的易形成碳化物的Nb、V、Ti控軋，使細化了的奧氏體晶粒經(jīng)多道次變形充分壓扁，并在晶粒內(nèi)引入大量位錯與形變帶。如狀態(tài)５。這樣，當進展鐵素體相變時可以有大量的鐵素體形核位置，為充分細化制造了有利條件。最終在(γ+α)二相區(qū)進展第三階段控軋。其目的有二，一是通過軋制在α晶粒中引入大量位錯及其亞構(gòu)造和織構(gòu)，借此挖掘強化效應；二是通過二相區(qū)控軋，既有利于微合金元素在αγ晶粒中連續(xù)引入形變α故經(jīng)過〔γ＋α〕兩相區(qū)控軋的微合金鋼強度韌性都大幅度提高，這個提高中有合金元素固溶強化的作用，晶粒細化的作用，其次相的作用及位錯強化的作用，幾乎利用了全部的強化手段。從這個技術(shù)中，我們可以看到綜合、穿插思維的重要，另外，這個技術(shù)得以實施關(guān)鍵在于工業(yè)設(shè)備力量能滿足變形和控溫的要求。鋁-鋰合金通常將密度低于4.5Mg/m3的金屬稱為輕金屬。鋁合金就是最常用的一種輕金屬。Al合金有高的比強度和比剛度、耐大氣腐蝕，良好的工藝性和高的導電、導熱性，廣泛用于①建筑構(gòu)造工業(yè)，如框架、面板、頂棚等；②容器和包裝工業(yè)，如易拉罐；③電氣工業(yè)Al導線；④航空航天工業(yè)。鋰是自然界中最輕的金屬，密度0.53Mg/，1861%(wtLiAl3%，6%，是其他添加元素，包括輕金屬元素B、Mg所不及的〔圖－3。因此，鋰作為主要添加元素之一的鋁合金是半個多世紀以來鋁合金領(lǐng)域里的最重要進展。LiAl1924Al-Li(Al-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li)用作鑄件成型材，但在隨后的時間里，由于有工藝更簡潔或性能優(yōu)良的鋁合金問世，Al-LiAlcoa公司，1957bRA-5Cvigilante701974AlcoaX2023了該牌號。到此可以算是Al-LI70Al-Li80Al-Li金又進入了半工業(yè)規(guī)模試產(chǎn)和航空應用試驗階段。時從α過飽和固溶體中首先析出AlLi-δˊ3-33，3是一種面心立方構(gòu)造，AlLi動的阻礙作用。圖3-34Al-LiAlLi，平均320nmAl-LiCu，可提高其強韌性。緣由在于CuCu5%。X2023Al-Li熱處理和形變熱處理等手段使其斷裂韌性到達了傳統(tǒng)Al另外，Al-Li〔表3-Al-Li合金成為Al-LiAl-Li產(chǎn)生形變與斷裂的機制與室溫不同有關(guān)。3-2Al-Li2090-T81Li1.9/2.6，Cu2.4/3.0，Mg0.25，Zr0.08/0.15〕人們還研制了以顆?；蚓ы歋iCAl-Li130Gpa，沖擊韌性比常用AlAl-Li8-15%。LawrenceBerkeley試驗室已選定Al-LiAl-Li打算，要將Al-LiAl-Li格較高，熔鑄工藝還有問題，廢料回收未解決等，故世界上很多國家還都在投入人力、物力進展Al-LiAl-Li應替代傳統(tǒng)Al21銅合金Cu的密度8.94Mg/m3，為重有色金屬，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。CuCu3700〔Cu-Sn〕80400〔即純銅(Cu-Zn(Cu-SnCu-AlCu-Be(Cu-Ni)四大類,主要用于導電、導熱、彈性、裝飾、造幣等，其中純銅用量約占2/3。Cu8pPa3pPa。有位錯的單晶體，位錯開頭運動的切應力只有50Kpa0.3Mpa0.1mm，在退火狀50Mpa，再經(jīng)過大變形〔ε≥80%〕380Mpa，但延長506%，塑性顯著變壞。黃銅常被用做裝飾性場合，如一些標牌、徽章等，彈殼也是黃銅做的，我們還常常39%時，室溫下為單相α3-35αα相黃銅的強度高于純銅，但仍有很好的冷、熱加工性能。當Zn39%后，合金中消滅以CuZn〔βˊ相〕為基的固溶體，這種黃銅為雙相黃銅。最早使用的青銅是Cu-Sn點介紹一下鈹青銅。1.7-2.53-36Cu-Beσ

=1250-1500Mpa，遠遠超b過其他銅合金，甚至可以和高強鋼相媲美。與此同時，鈹青銅的彈性極限、疲乏極限、耐磨性、抗蝕性也很優(yōu)異。另外，它也無磁性，受沖擊時不產(chǎn)生火花，因此，鈹青銅在工業(yè)上用來制造各種周密儀器、儀表的重要彈性元件、耐磨元件〔如齒輪、軸套〕和航海羅盤，以及電焊機電極、防爆工具等。86Be在Cu中的溶解度為2.1608℃為1.55CuBe析出過程與Al隨航天、航空、微電子等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛進展，已有牌號銅合金已不能全面滿足高技術(shù)的各項要求，主要是其導電、導熱性與其高強、高溫性能難以兼顧。現(xiàn)在，依靠先進冶金工藝技術(shù)開發(fā)出來了很多先進銅合金，用其制作的零部件可具備多種功能。如電子工業(yè)大規(guī)模集成電路的引線框架曾承受過FeNi42σ≥600MPa)和抗b高溫軟化溫度(900K)均較高，但導電率低，僅為3%IACS。依據(jù)微電子技術(shù)的進展需要，需要材料的性能為σ≥600Mpa，抗高溫軟化溫度≥800K，導電率≥80%。這樣高的導電b率只有銅合金才能實現(xiàn)。而對于銅合金，則要設(shè)法提高其強度。為此美國開發(fā)了氧化鋁Al(0.1-0.6wt%)的銅合金熔液，借助高壓惰性氣體，將之霧化為超細合金顆粒，再經(jīng)原位擇優(yōu)氧化，使其中絕大局部的鋁形成AlO顆粒，對這樣的粉末經(jīng)壓結(jié)、燒結(jié)、制得板坯，再經(jīng)多道23次冷軋與退火工序，最終加工成周密帶材。度、高導電和耐高溫工作環(huán)境的元器件，如微波管、繼電器開關(guān)簧片及各類電極材料。航空與醫(yī)用鈦合金883℃以上為體心立方構(gòu)造稱βαTiAlFeMgTiTiρ為4.5Mg/σ/ρ)是各種金Ti對人體生物組織液穩(wěn)定和人體細胞相容性好，可作為生物醫(yī)學材料，制成鈦接骨板、接3-37Ti-6Al-4VTi50α-Tic/a平衡狀態(tài)和亞穩(wěn)定狀態(tài)下的相組成，可粗略分為三大類：α〔α＋β〕型鈦合金和β型鈦合金。鈦合金最初主要是用在航空領(lǐng)域，2080得快速進展。1950F84Ti等非承力構(gòu)件。1954〔α＋βTi-6Al-4VJ57子盤和葉片。60了“全鈦飛機”SR7193%。70F14、F152533上也開頭使用鈦合金，如波音747Ti-6Al-4V1.780M2.2B1BTi料和工藝技術(shù)已進展到更高的水平，一架B1B93噸的傳力構(gòu)造件。 近年來航空上軍用飛機和發(fā)動機用Ti量可達總構(gòu)造重量的20-305-10%，主要使用部位是機身構(gòu)造件與起落架支撐梁，發(fā)動機的壓氣3-38。在現(xiàn)有航空航天用鈦合金中，應用最廣泛的是綜合性能好的Ti-6Al-4V，它可以用來制400℃的各種飛機構(gòu)造件和發(fā)動機零部件。Ti-6Al-4V各種鈦合金總用量的一半以上。但將來航空航天飛行器及其推力系統(tǒng)要求進展比Ti-6Al-4V合金。其中β型高強鈦合金和鈦鋁化合物為基的高溫鈦合金是很有進展前途的。下面分別對這三種鈦合金做簡潔介紹。Ti-6Al-4VTiα＋β型鈦合金，其合金成份為5-6Al、4%V3-39Ti-6AlVVβ4%Vβ相保持到室溫，但由于VTiβ相的強化作用不大。Alα相穩(wěn)定元素，Alα相得到強化。1173Mpa，并在482℃還有很好的熱穩(wěn)定性，在飛機上主要用做發(fā)動機殼體、壓縮機葉片，構(gòu)造鍛件和緊固件等。Ti-6Al-4V通過熱處理，可以得到具有不同組織，不同性能的材料。一般是把合金βαβ晶?！矆D3-40α相，可以阻擋β晶粒的長大。這種組織性能均勻，具有很高的塑性和強度。Ti-6Al-4Vα+ββ相見發(fā)生無集中的馬氏體轉(zhuǎn)變，生成過飽和的αˊ500℃左右時效的過程中，αˊ相分解成彌散的α和β相，這樣，強度可以提高20-25%，但塑性要低，經(jīng)這樣處3-41TEMα相以及含有針狀α的β轉(zhuǎn)變基體。這種組織狀態(tài)很少使用。特別要指出的是鈦合金中的馬氏體與3-42750-8501-2hα＋β組織，綜合性能最好。β型鈦合金β鈦合金是進展高強度〔σb≥1400-1500MPa〕鈦合金潛力最大的合金。由于參加了大量的β穩(wěn)定元素，空冷或水冷在室溫能得到全β相的組織，再通過時效處理析出α相彌散質(zhì)點可大幅度提高強度。β-21S是美國二十世紀90年月開發(fā)出的一種β鈦合金，其成份為Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。合金元素中Mo、Nbβ穩(wěn)定元素?？梢钥闯?，β穩(wěn)定元素的含量遠大于α＋ββ鈦合金中也參加α穩(wěn)定元素Al，目的還是為了強化αα3-43β－21S到時效前為單相〔β相〕等軸組織，時效后為α＋β二相組織，α相細小、彌散均勻分3-44是560℃αα相本身有固溶強化，再就是大量的α相存在引起的其次相強化。這種β鈦合金除具有高強度，深淬透性和冷成形加工能外，突出的優(yōu)點在于高抗蝕性及良好的耐熱性，可用于制作有溫度要求的飛機構(gòu)造件或發(fā)動機構(gòu)造件、蜂窩、緊固件和液壓管件，還可用做金屬基復合材料的基體、鑄件等。鈦鋁化合物為基的鈦合金推重比，始終是型鈦合金爭論的目的之一。這需要解決二個問題，一是材料的抗氧化803－3Ti基高溫合金相近。美國已有二個以TiAlTi-21Nb-14Al3Ti-21Nb-14Al-3.5V-2MoTi-21Nb-14Al>6μm的箔材，我國也已有試制品〔圖3-4。的塑性較低，影響它的實際應用，我國北京科技大學研制出了一種含有少量稀土元素YTiAl基合金D681100350Mpa，同時其25%。無機非金屬材料直到二十世紀初，除了建筑用的磚瓦、玻璃，人類所使用的非金屬材料幾乎全部還是大自然的賞賜。但一個世紀來非金屬的人工材料的進展卻大有超過金屬材料的勢態(tài)。目前，無機非金屬材料和金屬材料、高分子材料三足鼎立，構(gòu)成了固體材料的三大支柱〔復合材料是由這三種材料復合制成的〕無機非金屬材料的種類很多，作為構(gòu)造材料，我們主要介紹構(gòu)造陶瓷、水泥和玻璃三類材料。構(gòu)造陶瓷構(gòu)造陶瓷是指作為工程構(gòu)造材料使用的陶瓷材料，主要用于高機械強度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦，以及高硬度等性能。陶瓷雖然抗壓強度相當高，但抗拉強度卻很小，是一種陶瓷的性能如ZrO2陶瓷等。氧化物陶瓷—－—氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氧化鈦、氧化鎂等。非氧化物陶瓷——氮化鋁、氮化硼、氮化硅等氮化物陶瓷及碳化硅、碳化鈦、碳化硼等碳化物陶瓷。陶瓷材料的根本組織構(gòu)造陶瓷材料的微觀構(gòu)造都是由晶相、玻璃相和氣孔組成。各相的組成構(gòu)造、數(shù)量幾何形是由二種或二種以上的不同組元形成時得不平衡的組織構(gòu)造。晶粒是陶瓷晶體相的組成單元，它是陶瓷材料最根本最重要的顯微組成。陶瓷晶體的主要缺陷是空位。玻璃相在陶瓷中起粘結(jié)作用，它降低陶瓷的燒結(jié)溫度和其高溫強度。陶瓷微觀構(gòu)造對其性能的影響構(gòu)造陶瓷的機械強度和斷裂韌性對其應用格外重要，陶瓷材料機械強度的大小通常用抗彎強度、抗張強度和抗壓強度來表示。陶瓷材料的機械強度與其成分、構(gòu)造和制造工藝都有親熱的關(guān)系。就成分來說，氧化鋁瓷和滑石瓷，它們的成分不同，其機械強度也就不同。氧化鋁的抗彎強度、抗張強度、抗壓強度和抗沖擊強度都比滑石瓷高〔MgO,SiO2〕而且其機械強度隨氧化鋁含量的增加而增大。陶瓷的微觀構(gòu)造對其性能有很大影響。晶粒細的陶瓷具有較高的機械強度，而粗晶粒材料則由于存在較多缺陷，簡潔產(chǎn)生裂紋，使材料的強度下降。這是由于，對于多晶材料，的擴展要走迂回曲折的道路，晶粒愈細，此路程愈長，材料的強度愈高。此外，多晶材料中孔是使陶瓷材料機械強度下降的重要緣由害的一面外，在特定狀況下，也有有利的一面。就是存在高的應力梯度時〔例如由熱震引起的應力，氣孔能起到容納變形，阻擋裂紋擴展的作用。就制造工藝來說，其影響是多方面的，制造工藝直接影響了制成陶瓷的微觀構(gòu)造從而性，使其機械強度降低。機械強度從本質(zhì)上來說，是由其內(nèi)部的結(jié)合力所打算的。以高鋁瓷為例，其理論強度4.9×1010N/m29.8×103~1.73×104N/m2，抗彎1.96×108~2.94×108N/m21.96×108N/m2左右。實際強度的主要緣由在瓷體的裂開。改善陶瓷材料強、韌性的措施材料強度的本質(zhì)是內(nèi)部質(zhì)點間的結(jié)合力。從對材料的形變及斷裂的分析可知，在晶體構(gòu)造穩(wěn)定的狀況下，影響強度的主要參數(shù)有三個，即彈性模量E、斷裂功〔斷裂外表能〕γ和裂紋尺寸c發(fā)生脆斷的臨界應力 其中E是非構(gòu)造敏感的γ與微觀構(gòu)造有關(guān)，但單相材料的微觀構(gòu)造對γ的影響不大唯一可掌握的是材料中的微裂紋可以把微裂紋理解成各種缺陷的總和。所以強化措施大多從消退缺陷和阻擋其進展著手，有以下幾方面：1。微晶、高密度與高純度為了消退缺陷，提高晶體的完整性，細、密、勻、純是當前陶瓷進展的一個重要方面。近年來消滅了很多微晶、高密度、高純度陶瓷，例如用熱壓工藝燒結(jié)的Si3N4陶瓷，密度接近理論值，幾乎沒有氣孔。將塊體材料制成細纖維，強度大約提高一個數(shù)量級，制成晶須則可提高兩個數(shù)量級，與理論強度的大小同數(shù)量級。晶須提高強度的主要緣由之一就是提高了晶體的完整性。表3-4列出了一些纖維和晶須的特性；材料塊體Al材料塊體AlO2 30.28抗拉強度〔Gpa〕纖維2.121BeOBeOZrOSiN23 40.14〔穩(wěn)定態(tài)〕0.14〔穩(wěn)定態(tài)〕0.12～0.14〔反響燒結(jié)〕－2.1－13.3－14高抗裂力量與預加應力人為地預加應力，在材料外表造成壓應力層，可以提高材料的抗拉強度。脆性斷裂通AlO在1700℃下在硅油中淬火，強度就會提2 3同，也可到達預加應力的效果。相變增韌相變增韌是一種有效的增加、增韌方法。利用多晶多相陶瓷中某些相組分在不同溫度的相變，從而到達增加、增韌的效果，這統(tǒng)稱為相變增韌。例如，利用ZrO的馬氏體相變2可以改善陶瓷材料的力學性能。ZrO相變又分為應力誘導相變增韌、微裂紋增韌和外表壓應力三種。相變增韌不但存2ZrO2

陶瓷中，將ZrO2

相顆粒參加其它陶瓷材料中也能產(chǎn)生相變增韌的效果。Z