金屬材料及機(jī)械制造工藝項(xiàng)目一改變材料性能的方法

工程一改變材料性能的方法

任務(wù)1金屬材料的性能任務(wù)2金屬材料的結(jié)構(gòu)任務(wù)3鋼的熱處理任務(wù)4金屬的塑性變形與強(qiáng)化【知識(shí)目標(biāo)】

1.熟悉并掌握金屬材料的常用力學(xué)性能，了解材料的物理、化學(xué)及工藝性能；

2.理解鐵碳相圖及鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系；

3.掌握一般金屬材料的熱處理方法；

4.了解金屬材料的塑性變形及強(qiáng)化方法。

【能力目標(biāo)】

1.具備金屬材料常用力學(xué)性能的檢測(cè)能力；

2.具備通過(guò)熱處理及其他強(qiáng)化方法改善金屬材料力學(xué)性能及工藝性能的能力。

任務(wù)1金屬材料的性能

在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)、石油化工和日常生活各個(gè)領(lǐng)域需要使用大量的工程材料。生產(chǎn)實(shí)踐中，往往由于選材不當(dāng)造成機(jī)械達(dá)不到使用要求或過(guò)早失效，因此了解和熟悉材料的性能成為合理選材、充分發(fā)揮工程材料內(nèi)在性能潛力的重要依據(jù)。金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能是指材料在使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能，它包括力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能等；工藝性能是指材料對(duì)各種加工工藝適應(yīng)的能力，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。1.1力學(xué)性能

在機(jī)械制造領(lǐng)域選用材料時(shí)，大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)。力學(xué)性能范圍較廣，按試驗(yàn)溫度區(qū)分，可分為高溫力學(xué)性能、常溫力學(xué)性能和低溫力學(xué)性能，這里主要介紹常溫力學(xué)性能。

材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，可分為靜載荷、沖擊載荷和疲勞載荷三種。(1)靜載荷：大小不變或變動(dòng)很慢的載荷，例如床頭箱對(duì)機(jī)床床身的壓力。

(2)沖擊載荷：突然增加或消失的載荷，例如空氣錘錘頭下落時(shí)錘桿所承受的載荷。

(3)疲勞載荷：周期性的動(dòng)載荷，例如機(jī)床主軸在機(jī)床加工過(guò)程中承受的交變載荷。

力學(xué)性能是指材料在各種載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有剛度及強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度等。1.1.1剛度及強(qiáng)度

金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度愈高的材料，所承受的載荷愈大。按照載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。工程上常以屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。

強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過(guò)金屬拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣逐漸施加拉伸載荷的同時(shí)連續(xù)測(cè)量力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)量，直至把試樣拉斷為止，依據(jù)測(cè)出的拉伸曲線，即可求出相關(guān)的力學(xué)性能。圖1-1所示為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣通常分為長(zhǎng)試樣和短試樣兩種。圖1-1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在GB/T228.1—2021?金屬材料拉伸試驗(yàn)第1局部：室溫試驗(yàn)方法?中，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行了規(guī)定，試樣的形狀可以多樣，試樣標(biāo)距也分為比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距兩種，因而有比例試樣和非比例試樣之分。

(1)比例試樣。凡試樣標(biāo)距與試樣原始橫截面積有以下關(guān)系的，稱為比例標(biāo)距，試樣稱為比例試樣。

式中：L0為原始標(biāo)距；k為比例系數(shù)；S0為原始橫截面積。(1-1)(2)非比例試樣。非比例試樣的標(biāo)距與試樣原始橫截面積不滿足式(1-1)的關(guān)系。

如果采用比例試樣，一般應(yīng)采用短試樣，即比例系數(shù)k值為5.65，此時(shí)L0?=?10D0；如采用此比例系數(shù)時(shí)不滿足最小標(biāo)距15mm，那么一般采用長(zhǎng)試樣，即比例系數(shù)k值為11.3，此時(shí)L0?=10D0。根據(jù)材料的性質(zhì)不同，拉伸曲線形狀也不盡相同。圖1-2為退火低碳鋼的拉力—延伸曲線。圖中縱坐標(biāo)表示拉伸力F，單位為N；橫坐標(biāo)表示試樣標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL，單位為mm。如果我們將延伸率e，(又稱應(yīng)變)定義為試樣原始標(biāo)距的增量ΔL與原始試樣的標(biāo)距L0之比，將應(yīng)力R定義為拉伸力F與試樣原始橫截面積S0之比，將會(huì)得到如圖1-3所示的退火低碳鋼的應(yīng)力—延伸率曲線，又稱應(yīng)力—應(yīng)變曲線。下面以退火低碳鋼的拉力—拉伸曲線為例說(shuō)明拉伸過(guò)程中的幾個(gè)變形階段。

(1)?OE—彈性變形階段：試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比增加，此時(shí)假設(shè)卸載，試樣能完全恢復(fù)原狀。

(2)?ESC—屈服階段：當(dāng)載荷超過(guò)一定數(shù)值后，試樣除產(chǎn)生彈性變形外，開始出現(xiàn)塑性變形，此時(shí)假設(shè)卸載，試樣的伸長(zhǎng)局部只能局部回彈恢復(fù)。當(dāng)載荷增加到FeH時(shí)以后，圖形上出現(xiàn)水平或鋸齒形線段，表示載荷不增加，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)，材料喪失了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象叫屈服。我們把試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最高載荷定義為上屈服載荷FeH，把在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的最低載荷定義為下屈服載荷FeL。圖1-2退火低碳鋼的拉力—延伸曲線圖1-3退火低碳鋼的應(yīng)力—延伸率曲線(3)?CB—均勻塑性變形階段：屈服階段后，試樣隨載荷增加而繼續(xù)伸長(zhǎng)，此時(shí)開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，試樣伸長(zhǎng)量隨載荷增加而增大。Fm為試樣拉伸試驗(yàn)的最大載荷。

(4)?BK—縮頸階段：載荷到達(dá)最大值Fm后，試樣伸長(zhǎng)量迅速增大而橫截面局部開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸〞現(xiàn)象，由于截面積減小，試樣變形所需載荷也隨之降低，在K點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。

工程上使用的金屬材料，并不是都有明顯的四個(gè)階段，對(duì)于脆性材料，彈性變形后馬上發(fā)生斷裂，沒(méi)有明顯的屈服階段，如圖1-4所示的鑄鐵的應(yīng)力—延伸率(又稱應(yīng)力—應(yīng)變)曲線。圖1-4鑄鐵的應(yīng)力—延伸率曲線1．剛度指標(biāo)

在彈性變形階段OE段，假設(shè)卸掉載荷，試驗(yàn)可以恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。

材料在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力與延伸率的比值為一定值，其值大小反映了材料彈性變形的難易程度，稱為彈性模量E，單位為N/mm2，即

E?=?tanα(1-2)

彈性模量E表達(dá)了材料抵抗彈性變形的能力。材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度，其指標(biāo)為彈性模量E。彈性模量是材料最穩(wěn)定的性質(zhì)之一，主要取決于材料內(nèi)部的原子間的作用力，除了隨溫度升高而逐漸降低之外，一般的材料強(qiáng)化手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響極小。因此，要想改變一個(gè)零件或構(gòu)件的剛度，可以通過(guò)增加其橫截面積或改變截面形狀的方法獲得。2．強(qiáng)度指標(biāo)

金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來(lái)度量的，即材料受載荷作用后內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與載荷相平衡的內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

1)屈服強(qiáng)度

材料在拉伸試驗(yàn)的屈服階段，拉力不增加(即保持恒定)而試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，稱為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL，單位為N/mm2，即(1-3)(1-4)式中：ReH為上屈服強(qiáng)度(N/mm2)；FeH為試樣在發(fā)生屈服而力首次下降前的最高載荷(N)；ReL為下屈服強(qiáng)度(N/mm2)，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的屈服強(qiáng)度指標(biāo)σs(MPa)含義相同；FeH為在屈服期間不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低載荷(N)；S0為試樣原始橫截面積(mm2)。

由于許多材料(如鑄鐵、高碳鋼等)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，屈服載荷測(cè)定困難，工程技術(shù)上通常規(guī)定試樣標(biāo)距產(chǎn)生0.2%剩余延伸率時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷F所產(chǎn)生的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度，稱為“規(guī)定剩余延伸強(qiáng)度〞，用Rr0.2(N/mm2)來(lái)表示(如圖1-4所示)，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的條件屈服強(qiáng)度σ0.2相同。屈服強(qiáng)度表征金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力，由于金屬零件和結(jié)構(gòu)在工作中一般不允許產(chǎn)生塑性變形，因此設(shè)計(jì)零件、結(jié)構(gòu)時(shí)，屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是評(píng)定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。例如，機(jī)械零件在工作時(shí)如受力過(guò)大，會(huì)因過(guò)量變形而失效。

2)抗拉強(qiáng)度

材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用符號(hào)Rm表示，單位為N/mm2，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的抗拉強(qiáng)度σb(MPa)相同。(1-5)式中：Rm為抗拉強(qiáng)度(N/mm2)；Fm為試樣拉斷時(shí)的最大載荷(N)；S0為試樣原始橫截面積(mm2)。

抗拉強(qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形和破壞的最大能力，也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。由于抗拉強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，因此有關(guān)手冊(cè)和資料提供的設(shè)計(jì)、選材的強(qiáng)度指標(biāo)往往是抗拉強(qiáng)度。1.1.2塑性

金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性指標(biāo)也是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。常用塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率A

斷后伸長(zhǎng)率又稱延伸率，是指拉伸試驗(yàn)試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值，即標(biāo)距增長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比，用符號(hào)A表示，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)δ相同。

式中：L0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；LU為試樣被拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)。

(1-6)必須注意，被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試樣長(zhǎng)度不同，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率是不同的，所以同種材料用不同標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)定的斷后伸長(zhǎng)率的值也不一樣。因此，不同材料進(jìn)行比較時(shí)，必須采用相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

對(duì)于比例試樣，假設(shè)采用短試樣即k值為5.65，符號(hào)A不用附腳注說(shuō)明；如采用長(zhǎng)試樣即k值為11.3，符號(hào)A應(yīng)附腳注說(shuō)明，即A11.3。對(duì)于非比例試樣，符號(hào)A應(yīng)附腳注說(shuō)明所使用的原始標(biāo)距，以毫米(mm)表示，例如A80表示原始標(biāo)距為80mm的斷后伸長(zhǎng)率。2．?dāng)嗝媸湛s率Z

斷面收縮率是指試樣拉斷處截面面積的收縮率，即拉斷處截面面積的最大縮減量與原始橫截面積之比，用符號(hào)Z表示，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)Ψ相同。

式中，S0為拉伸試樣原始橫截面面積(mm2)；Su為試樣被拉斷時(shí)縮頸處的最小面積(mm2)。(1-7)斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，因此斷面收縮率比斷后伸長(zhǎng)率更接近材料的真實(shí)應(yīng)變。因此在塑性指標(biāo)中，斷面收縮率比斷后伸長(zhǎng)率更為合理、可靠，更能可靠地反映材料的塑性大小。但由于斷后伸長(zhǎng)率比斷面收縮率易于測(cè)量，因此現(xiàn)有的材料塑性指標(biāo)往往仍較多地采用斷后伸長(zhǎng)率。斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率數(shù)值愈大，說(shuō)明材料的塑性變形能力愈強(qiáng)、塑性愈好，良好的塑性對(duì)機(jī)械零件的加工和使用都具有重要意義。例如，塑性良好的材料易于進(jìn)行壓力加工(軋制、沖壓、鍛造等)，如果過(guò)載，由于產(chǎn)生塑性變形而不會(huì)突然斷裂，可以防止事故發(fā)生。因此，大多數(shù)機(jī)械零件，除滿足強(qiáng)度要求外，還必須滿足一定的塑性要求，才能保證工作的平安可靠。對(duì)于如鑄鐵、陶瓷等脆性材料，其塑性極低，拉伸時(shí)幾乎不產(chǎn)生明顯的塑性變形，超載時(shí)會(huì)突然斷裂，在機(jī)械的設(shè)計(jì)、使用時(shí)必須注意。1.1.3硬度

硬度是材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是材料外表上局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破壞的能力，即硬度表達(dá)了材料的軟硬程度。

硬度試驗(yàn)方法很多，大體上可分為壓入法、刻畫法和彈性回跳法三大類。金屬材料主要用壓入法進(jìn)行硬度試驗(yàn)。用壓入法測(cè)得的硬度值是表征材料外表局部體積內(nèi)抵抗另一物體壓入時(shí)變形的能力，它又可間接反映出材料強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等性能特點(diǎn)。壓入法操作簡(jiǎn)單，可直接在零件或工具上進(jìn)行而不破壞工件。在產(chǎn)品半成品和成品性能檢驗(yàn)中，硬度是標(biāo)志成品質(zhì)量的重要依據(jù)之一，因此它經(jīng)常作為熱處理工件質(zhì)量檢驗(yàn)的主要指標(biāo)。目前，應(yīng)用最為廣泛的是布氏硬度試驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法和維氏硬度試驗(yàn)法。1．布氏硬度試驗(yàn)法

1)布氏硬度試驗(yàn)原理

布氏硬度試驗(yàn)是1900年由瑞典工程師布利涅爾()提出的，是目前最常用的硬度試驗(yàn)方法之一。

圖1-5為布氏硬度試驗(yàn)原理圖。它是用一定直徑D的淬火鋼球(或硬質(zhì)合金鋼)做壓頭，以相應(yīng)試驗(yàn)力F壓入被測(cè)材料外表，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸載，測(cè)量鋼球(或硬質(zhì)合金鋼)在被測(cè)試材料外表上所形成的壓痕直徑d，由此計(jì)算出壓痕面積，進(jìn)而得到壓痕單位面積上所受平均試驗(yàn)力的大小，即用試驗(yàn)力除以壓痕外表積的商，稱為布氏硬度值，用符號(hào)HB表示：

式中：F為試驗(yàn)力(N)；S為壓痕球面積(mm2)；D為球體直徑(mm)；d為壓痕平均直徑(mm)；h為壓痕深度(mm)。

在實(shí)際測(cè)量中，可由測(cè)出的壓痕平均直徑d直接查表得到布氏硬度值。

從式(1-8)可看出，當(dāng)外載荷F和壓頭球體直徑D一定時(shí)，布氏硬度值僅與壓痕直徑d有關(guān)。d越小，布氏硬度值越大，硬度愈高，材料越硬；d越大，布氏硬度值越小，硬度也越小，那么材料越軟。(1-8)圖1-5布氏硬度試驗(yàn)原理圖2)布氏硬度的符號(hào)及表示方法

由于壓頭使用材料的不同，布氏硬度符號(hào)可用HBS或HBW表示。當(dāng)試驗(yàn)壓頭為淬火鋼球時(shí)，硬度符號(hào)為HBS；當(dāng)試驗(yàn)壓頭為硬質(zhì)合金鋼球時(shí)，硬度符號(hào)為HBW。

布氏硬度的表示方法規(guī)定：符號(hào)HBS或HBW之前數(shù)字為硬度值，符號(hào)后面按球體直徑D/試驗(yàn)力F/試驗(yàn)力保持時(shí)間(10s～15s時(shí)可不標(biāo)注)用數(shù)字來(lái)表示試驗(yàn)條件。

例如，120HBS10/1000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球在9.8?×?103kN(1000kgf)試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120；450HBW5/750表示用直徑5mm的淬火鋼球在7.35?×?103kN(750kgf)試驗(yàn)力作用下保持10s～15s測(cè)得的布氏硬度值為450。3)布氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于由于壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)材料的憑據(jù)硬度，不受個(gè)別組成相和微小不均勻性的影響，能較真實(shí)地反映出材料的平均性能，并具有較高的測(cè)量精度。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對(duì)不同的材料需更換壓頭和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕測(cè)量較復(fù)雜，操作繁瑣；因壓痕較大，布氏硬度不適宜檢驗(yàn)薄件或成品。

對(duì)于某些材料，例如鋼、黃銅和鑄鐵等，其抗拉強(qiáng)度與布氏硬度值之間存在著大致的比例關(guān)系，可近似換算出金屬的強(qiáng)度，因而在工程上應(yīng)用廣泛。布氏硬度試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)量灰鑄鐵、有色金屬以及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等材料，特別是對(duì)于材料組織比較粗大且不均勻的材料，更是其他硬度試驗(yàn)方法所不能替

代的。

日常生產(chǎn)試驗(yàn)中，HBS適于測(cè)量布氏硬度值小于450的材料，HBW適于測(cè)量布氏硬度值小于650的材料。2．洛氏硬度試驗(yàn)法

1)洛氏硬度試驗(yàn)原理

洛氏硬度試驗(yàn)法是由美國(guó)的洛克威爾()于1921年提出的，也是目前最常用的硬度試驗(yàn)方法之一。

洛氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏硬度試驗(yàn)方法不同，它不是測(cè)定壓痕的面積，而是測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小來(lái)表示材料的硬度值。

洛氏硬度試驗(yàn)是用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，目的是使壓頭與試樣外表接觸良好，保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，然后施加主載荷，保持規(guī)定時(shí)間后卸除主載荷，依據(jù)壓痕深度確定硬度值。圖1-6為洛氏硬度試驗(yàn)原理圖。0—0為120o金剛石壓頭沒(méi)有與試件外表接觸時(shí)的位置；1—l為加初載P0后的位置，此時(shí)壓頭壓入深度為ab；2—2為壓頭加主載P1后的位置，此時(shí)壓頭壓入深度為ac；卸除主載后，由于恢復(fù)彈性變形，壓頭位置提高到3—3位置。最后，壓頭受主載后實(shí)際壓入外表的深度為bd，洛氏硬度即用bd的大小來(lái)衡量。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，洛氏硬度可直接從硬度計(jì)表盤中讀出。圖1-6洛氏硬度試驗(yàn)原理圖2)洛氏硬度的符號(hào)及表示方法

洛氏硬度用符號(hào)HR表示。為了擴(kuò)大硬度測(cè)定的范圍，以便測(cè)定不同金屬材料從硬到軟的各種硬度值，常采用不同的壓頭和主試驗(yàn)力組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺來(lái)測(cè)定不同硬度的材料，常用A、B、C三種標(biāo)度對(duì)不同硬度材料進(jìn)行試驗(yàn)，硬度分別用符號(hào)HRA、HRB、HRC表示，其中HRC應(yīng)用最為廣泛。三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍見表1-1。需要注意的是各種不同標(biāo)尺的洛氏硬度值不能直接進(jìn)行比較，只有查表轉(zhuǎn)換為同一標(biāo)尺后，才能有一定的可比性。表1-1常用洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍

洛氏硬度的表示方法為：符號(hào)HR的前面為硬度值數(shù)字，后面為適用的標(biāo)尺字母。例如，59HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)得的洛氏硬度值為59。

3)洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單迅速，能直接從刻度盤上讀出硬度值；測(cè)試的硬度值范圍較大，既可測(cè)定較軟的金屬材料，也可測(cè)定較硬的金屬材料；試樣外表壓痕較小，可直接測(cè)量成品或薄工件。洛氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是由于壓痕小，對(duì)內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，硬度波動(dòng)較大，重復(fù)性差，為提高測(cè)量精度，通常要測(cè)定三個(gè)不同點(diǎn)取平均值。洛氏硬度試驗(yàn)的典型應(yīng)用范圍見表1-1。3．維氏硬度試驗(yàn)法

維氏硬度試驗(yàn)法是英國(guó)的史密斯()和桑德蘭德()于1925年提出的。由于按照此種試驗(yàn)方法第一次試制成功的是英國(guó)的維克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司，所以人們稱之為維氏硬度試驗(yàn)法。

由于布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法的載荷大且壓痕深，所以不能測(cè)量很薄工件的硬度，而維氏硬度試驗(yàn)法可以解決這個(gè)問(wèn)題。1)維氏硬度試驗(yàn)原理

維氏硬度試驗(yàn)法的試驗(yàn)原理與布氏硬度試驗(yàn)相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來(lái)計(jì)算硬度值的。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體而是兩相對(duì)面間夾角α為136°的金剛石四棱錐體。

圖1-7為維氏硬度試驗(yàn)原理圖。將兩相對(duì)面間夾角α為136°的金剛石四棱錐體壓頭用試驗(yàn)力F壓入試驗(yàn)外表，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣外表壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度。試驗(yàn)力除以壓痕外表積所得的商就是維氏硬度值，即(1-9)圖1-7維氏硬度試驗(yàn)原理圖式中：F為試驗(yàn)力(N)；D為壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度d1、d2的算術(shù)平均值(mm)。

在實(shí)際測(cè)量中，可由測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d直接查表得到維氏硬度值。

2)維氏硬度的符號(hào)及表示方法

維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)之前為硬度值數(shù)字，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間(10s～15s不標(biāo)注)。例如，640HV30/20表示在試驗(yàn)力為294.2N

(30kgf)下保持20s測(cè)定的維氏硬度值為640。3)維氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

與布氏硬度和洛氏硬度試驗(yàn)相比，維氏硬度試驗(yàn)保存了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬材料的硬度，又能互相比較；既可測(cè)量大塊材料、外表硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。維氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是硬度值測(cè)定較為麻煩，需要在顯微鏡下測(cè)量壓痕尺寸，操作不如洛氏硬度試驗(yàn)法簡(jiǎn)便，工作效率低，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。1.1.4沖擊韌度

許多機(jī)械零件是在沖擊載荷下工作的，如鍛錘的錘桿、沖床的沖頭、火車掛鉤、活塞等。沖擊載荷比靜載荷的破壞力大，對(duì)于承受沖擊載荷的材料，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度，沖擊韌度通常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

1．?dāng)[錘式一次沖擊試驗(yàn)

擺錘式一次沖擊試驗(yàn)是目前最普遍的一種試驗(yàn)方法。為了使試驗(yàn)結(jié)果可以相互比較，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將金屬材料做成沖擊試樣。擺錘沖擊試驗(yàn)原理如圖1-8所示。圖1-8擺錘沖擊試驗(yàn)示意圖將標(biāo)準(zhǔn)試樣安放在擺錘式試驗(yàn)機(jī)的支座上，試樣缺口背向擺錘，將具有一定重力G的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定勢(shì)能GH1，然后由此高度落下將試樣沖斷，擺錘剩余勢(shì)能為GH2。沖擊吸收功AK除以試樣缺口處的截面積S0，即可得到材料的沖擊韌度αK，其計(jì)算公式如下：

式中：AK為沖擊吸收功(J)；G為擺錘的重力(N)；H1為擺錘舉起的高度(m)；H2為沖斷試樣后擺錘的高度(m)；S0為試樣缺口處的截面積(cm2)；αK為沖擊韌度(J/cm2)，工程中其單位也可換算成mJ/m2。(1-10)需要說(shuō)明一點(diǎn)，使用不同類型的標(biāo)準(zhǔn)試樣(U型缺口或V型缺口)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，沖擊韌度分別以αKU或αKV表示。

沖擊韌度αK值愈大，說(shuō)明材料的韌性愈好，受到?jīng)_擊時(shí)愈不易斷裂。αK值的大小受很多因素影響，不僅與試樣形狀、外表粗糙度、內(nèi)部組織有關(guān)，還與試驗(yàn)時(shí)的溫度密切相關(guān)。因此沖擊韌度值一般只作為選材時(shí)的參考，而不能作為計(jì)算依據(jù)。

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)αK值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如圖1-9所示。經(jīng)常在低溫下服役的船舶、橋梁等結(jié)構(gòu)材料的使用溫度必須高于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。圖1-9韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線示意圖2．小能量屢次沖擊抗力

工程實(shí)際中，在沖擊載荷作用下工作的機(jī)械零件，很少因受大能量一次沖擊而破壞，大多數(shù)是經(jīng)千百萬(wàn)次的小能量屢次重復(fù)沖擊，最后導(dǎo)致斷裂的，例如，沖模的沖頭、鑿巖機(jī)上的活塞等，所以用αK值來(lái)衡量材料的沖擊抗力，不符合實(shí)際情況，應(yīng)采用小能量屢次重復(fù)沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。因此材料的屢次沖擊抗力是一項(xiàng)取決于材料強(qiáng)度和塑性的綜合性指標(biāo)。1.1.5疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件，例如軸、齒輪、軸承、彈簧等，在工作中承受的是交變載荷。所謂交變載荷，是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。在這種載荷作用下，雖然零件所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn)，但在長(zhǎng)期使用中往往會(huì)突然發(fā)生斷裂，這種破壞過(guò)程稱為疲勞斷裂。工程上規(guī)定，材料經(jīng)無(wú)數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。圖1-10是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的材料交變應(yīng)力σ和斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線(疲勞曲線)。該曲線說(shuō)明，材料受的交變應(yīng)力越大，那么斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越小，反之，那么N越大。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，試樣經(jīng)無(wú)限周次循環(huán)也不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度，用σr表示。對(duì)稱循環(huán)r?=?-1，疲勞極限用σ-1表示。工程運(yùn)用上，黑色金屬規(guī)定循環(huán)周次一般為106～107，有色金屬和某些高強(qiáng)度鋼規(guī)定循環(huán)周次為107～108。圖1-10疲勞曲線示意圖金屬產(chǎn)生疲勞斷裂同許多因素有關(guān)，目前普遍認(rèn)為是由于材料內(nèi)部有缺陷，如夾雜物、氣孔、疏松等；外表劃痕、剩余應(yīng)力及其他能引起應(yīng)力集中的缺陷也會(huì)導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，致使零件突然斷裂。由于疲勞破壞時(shí)事先沒(méi)有明顯的塑性變形而很難觀察到，因此具有很大的危險(xiǎn)性。

針對(duì)上述原因，可采取以下措施來(lái)有效提高零件的疲勞強(qiáng)度：改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以防止應(yīng)力集中；提高加工工藝以減少內(nèi)部組織缺陷；通過(guò)降低零件外表粗糙度來(lái)提高外表加工質(zhì)量；采用外表強(qiáng)化方法(如外表淬火、外表滾壓、噴丸處理等)使零件外表產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，等等。1.1.6磨損

機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，任何零件在接觸狀態(tài)下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致零件磨損，最后失效。按磨損的破壞機(jī)理，磨損可分為粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和接觸疲勞。

(1)粘著磨損：又稱咬合磨損，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)零件的外表微觀上總是凸凹不平的，在接觸壓力作用下，由于凸起局部首先接觸，有效接觸面很小，當(dāng)壓力較大時(shí)，凸起局部便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，從而使材料外表接觸點(diǎn)發(fā)生粘著(冷焊)，隨后，在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)粘著點(diǎn)又被剪切而斷掉，造成粘著磨損。(2)磨粒磨損：當(dāng)摩擦副一方的硬度比另一方的硬度大得多或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)生的磨損，其特征是接觸面上有明顯的切削痕跡。

(3)腐蝕磨損：由于外界環(huán)境引起金屬外表的腐蝕產(chǎn)物剝落，與金屬磨面之間的機(jī)械磨損(磨粒、粘著)相結(jié)合而出現(xiàn)的磨損。

(4)接觸疲勞：滾動(dòng)軸承、齒輪等一類機(jī)件的接觸外表在接觸壓應(yīng)力的反復(fù)長(zhǎng)期作用后所引起的一種外表疲勞剝落損壞現(xiàn)象，其損壞形式是在光滑的接觸面上分布有假設(shè)干深淺不同的針尖或豆?fàn)畎伎踊蛘咻^大面積的表層壓碎。1.2物理與化學(xué)性能

1.物理性能

金屬材料的物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光性能、熱膨脹性和磁性等，這些性能多數(shù)取決于材料的原子結(jié)構(gòu)、原子排列和晶體結(jié)構(gòu)。由于各種機(jī)械零件的用途不同，對(duì)材料的物理性能要求也有所不同。例如，飛機(jī)零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金；設(shè)計(jì)電極、磁極時(shí)要考慮材料的導(dǎo)電性和磁性等。

金屬材料的物理性能有時(shí)也會(huì)對(duì)其加工工藝有一定的影響。例如，高速鋼的導(dǎo)熱性能較差，因此在鍛造時(shí)加熱速度不能太快，以免產(chǎn)生裂紋；刀具材料的導(dǎo)熱性對(duì)刀具的壽命有一定的影響等。

2.化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能主要指在室溫或高溫時(shí)，材料抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力，主要有耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。

在高溫下工作的熱能設(shè)備(鍋爐、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等)上的零件應(yīng)選擇熱穩(wěn)定性好的材料制造；在海水、酸、堿等腐蝕環(huán)境中工作的零件，必須采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的材料。例如，化工設(shè)備通常采用不銹鋼來(lái)制造。1.3工藝性能

金屬材料的工藝性能是指在零件的生產(chǎn)制造過(guò)程中，為了能順利地進(jìn)行成型加工，金屬材料應(yīng)具備的適應(yīng)某種加工工藝的能力，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能。金屬材料工藝性能的好壞會(huì)直接影響零件的制造方法、質(zhì)量和制造本錢。在設(shè)計(jì)零、部件和選擇工藝方法時(shí)，為了使工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量好，本錢低，必須要考慮金屬材料工藝性能好壞的問(wèn)題。

1.鑄造性能

鑄造性能主要是指液態(tài)金屬的流動(dòng)性和凝固過(guò)程中的收縮和偏析傾向。流動(dòng)性好的金屬或合金易充滿型腔，宜澆鑄薄而復(fù)雜的鑄件，溶渣和氣體容易上浮，不易形成夾渣和氣孔。如果收縮小，那么鑄件中縮孔、縮松、變形及裂紋等缺陷較少。如果偏析少，那么各局部成分較均勻，從而使鑄件各局部的機(jī)械性能趨于一致。合金鋼偏析傾向大，高碳鋼偏析傾向又比低碳鋼大，因此，合金鋼鑄造后要用熱處理來(lái)去除偏析。常用金屬材料中，灰鑄鐵和錫青銅的鑄造性較好。2.鍛造性能

鍛造性能是指金屬材料在受外力鍛打變形而不破壞自身完整性的能力。鍛造性能包含金屬材料的可塑性和變形抗力兩個(gè)概念。塑性好，變形抗力小，那么可鍛性好。低碳鋼的可鍛性比中、高碳鋼好，而碳鋼又比合金鋼好。鑄鐵是脆性材料，不能進(jìn)行鍛造。

3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料是否適宜通常的焊接方法與工藝的性能。焊接性能好的金屬材料易于用一般的焊接方法和工藝施焊，且焊時(shí)不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊后接頭強(qiáng)度與母材相近。低碳鋼有優(yōu)良的焊接性能，高碳鋼和鑄鐵那么較差。4.切削加工性能

切削加工性能是指金屬材料是否易于切削。切削加工性好的金屬材料切削時(shí)消耗的動(dòng)力小，切屑易于排除，刀具壽命長(zhǎng)，切削后外表粗糙度小。需切削加工的金屬材料，硬度要適中，太硬那么難以切削，且刀具壽命短；太軟那么切屑不易斷開，外表粗糙度大。故通常要求金屬材料的硬度為180HBS～250HBS。金屬材料太硬或太軟時(shí)，可通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

5.熱處理性能

熱處理是改變金屬材料性能的主要手段。在熱處理過(guò)程中，金屬材料的成分、組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起金屬材料的機(jī)械性能變化。熱處理性能是指金屬材料熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向，其衡量的指標(biāo)或參數(shù)很多，如淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化與脫碳傾向及熱處理變形與開裂傾向等。任務(wù)2金屬材料的結(jié)構(gòu)

金屬材料與非金屬材料相比，不僅具有良好的力學(xué)性能和某些物理、化學(xué)性能，而且工藝性能在多方面也較優(yōu)良。即使都是金屬材料，不同成分和不同狀態(tài)下性能也會(huì)有很大差異。例如，鋼強(qiáng)度比鋁合金高，但其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性不如鋁。造成上述性能差異的原因，主要是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因此掌握金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)晶規(guī)律，對(duì)于合理選材具有重要意義。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

自然界的固態(tài)物質(zhì)，根據(jù)原子在內(nèi)部的排列特征可分為晶體與非晶體兩大類。固態(tài)下原子在物質(zhì)內(nèi)部作有規(guī)那么排列，即為晶體。絕大多數(shù)金屬和合金固態(tài)下都屬于晶體，例如純鋁、純鐵、純銅等。固態(tài)下物質(zhì)內(nèi)部原子呈現(xiàn)無(wú)序堆積狀況，那么稱為非晶體，例如松香、玻璃、瀝清等。

2.1.1晶體結(jié)構(gòu)的根底知識(shí)

在金屬晶體中，原子是按照一定的幾何規(guī)律周期性地排列的。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)想為剛性小球，這樣就可將金屬看成是由剛性小球按一定的幾何規(guī)律緊密堆積而成的晶體，如圖1-11(a)所示。(1)晶格。為了形象地描述晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，將原子抽象為幾何點(diǎn)，并用一些假想連線將幾何點(diǎn)在三維方向上連接起來(lái)，這樣構(gòu)成的空間格子稱為晶格，如圖1-11(b)所示。

(2)晶胞。晶體中原子排列具有周期性變化的特點(diǎn)，通常從晶格中選取一個(gè)能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞，如圖1-11(c)所示，它具有很高的對(duì)稱性。

(3)晶胞表示方法。不同元素結(jié)構(gòu)不同，晶胞的大小和形狀也有差異。結(jié)晶學(xué)中規(guī)定，晶胞的大小以其各棱邊尺寸a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)。晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示。當(dāng)棱邊a?=?b?=?c，棱邊夾角α?=?β?=?γ?=?90°時(shí)，這種晶胞稱為簡(jiǎn)單立方晶胞，如圖1-11(c)所示。

(4)原子半徑。金屬晶體中最鄰近的原子間距的一半稱為原子半徑，它主要取決于晶格類型和晶格常數(shù)。

(5)致密度。金屬晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)稱為致密度，它用來(lái)表示原子在晶格中排列的緊密程度。圖1-11簡(jiǎn)單立方晶格與晶胞示意圖2.1.2典型金屬晶格

常用的金屬材料中，金屬的晶格類型很多，但大多數(shù)金屬屬于體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三種結(jié)構(gòu)。

1．體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，如圖1-12(a)所示，立方體的8個(gè)頂角和晶胞各有一個(gè)原子，其單位晶胞原子數(shù)為2個(gè)，原子半徑r?=a，致密度是0.68，說(shuō)明體心立方晶格中有68%的體積被原子所占有，其余為空隙。屬于體心立方晶格類型的常見金屬有鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、α-鐵(α-Fe)等。2．面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，如圖1-12(b)所示原子位于立方體的八個(gè)頂角和立方體的六個(gè)面中心，故面心立方晶格的單位晶胞原子數(shù)為4個(gè)，原子半徑r?=?a，致密度是0.74，說(shuō)明面心立方晶格中原子排列較緊密。屬于該晶格類型的常見金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鉛(Pb)、金(Au)、γ-鐵(γ-Fe)等。圖1-12常見金屬晶格的晶胞3．密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六方柱體，如圖1-12(c)所示。原子排列在柱體的每個(gè)頂角和上、下底面的中心，另外三個(gè)原子排列在柱體內(nèi)。其單位晶胞原子數(shù)為6個(gè)，原子半徑r?=?a，致密度也是0.74。它與面心立方晶格原子排列密集程度相同，只是原子堆垛方式不同。屬于密排六方晶格類型的常見金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)、α-鈦(α-Ti)等。2.1.3金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)及缺陷

1．多晶體結(jié)構(gòu)

我們研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，把晶體看成是原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成的，即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體。目前，只有采用特殊方法才能獲得單晶體。

實(shí)際使用的金屬材料大都是多晶體結(jié)構(gòu)，即它是由許多不同位向的小晶體組成的，每個(gè)小晶體內(nèi)部晶格位向根本上是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，如圖1-13所示。這種外形不規(guī)那么，呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

實(shí)踐說(shuō)明，在每個(gè)晶粒內(nèi)部，晶格方位也有位向差，這些位向差很小的小晶塊相互鑲嵌成一顆晶粒。這些小晶塊稱為亞晶或亞結(jié)構(gòu)，亞晶之間的邊界稱為亞晶界。圖1-13金屬多晶體結(jié)構(gòu)2．晶體缺陷

在金屬晶體中，由于晶體形成條件、原子的熱運(yùn)動(dòng)及其他各種因素的影響，原子規(guī)那么排列在局部區(qū)域受到破壞，呈現(xiàn)出不完整的原子排列，通常把這種區(qū)域稱為晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)金屬的性能有重要影響。根據(jù)幾何特征，可將晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

(1)點(diǎn)缺陷。最常見的點(diǎn)缺陷有晶格空位、置換原子和間隙原子等，如圖1-14所示。由于點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)，使周圍原子發(fā)生“撐開〞或“靠攏〞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。晶格畸變的存在，使金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，晶體性能發(fā)生變化，使金屬的強(qiáng)度、硬度和電阻率增加，塑性、韌性下降。圖1-14點(diǎn)缺陷示意圖(2)線缺陷。線缺陷主要指的是位錯(cuò)。當(dāng)晶體中一局部晶體相對(duì)于另一局部晶體沿著某一晶面發(fā)生局部滑移時(shí)，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱為位錯(cuò)。常見的位錯(cuò)有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種。這里我們主要介紹刃型位錯(cuò)，如圖1-15所示。這種位錯(cuò)的表現(xiàn)形式是晶體的某一晶面上多出一個(gè)半原子面，它如同刀刃一樣插入晶體，故稱刃型位錯(cuò)。發(fā)生位錯(cuò)時(shí)，在位錯(cuò)線附近一定范圍內(nèi)，晶格發(fā)生了畸變。

位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大影響。例如，金屬材料處于退火狀態(tài)時(shí)，位錯(cuò)密度較低，強(qiáng)度較差；經(jīng)冷塑性變形后，材料的位錯(cuò)密度增加，故提高了強(qiáng)度。位錯(cuò)在晶體中易于移動(dòng)，金屬材料的塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑之一。圖1-15刃型位錯(cuò)晶體結(jié)構(gòu)示意圖(3)面缺陷。這種缺陷通常發(fā)生在晶界和亞晶界。實(shí)際金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu)，多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間晶格位向是不同的，所以晶界是不同位向晶粒原子排列無(wú)規(guī)那么的過(guò)渡層，如圖1-16所示。晶界原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，能量較高，因此晶界與晶粒內(nèi)部有著一系列不同特性。例如，常溫下晶界有較高的強(qiáng)度和硬度；晶界原子擴(kuò)散速度較快；晶界容易被腐蝕，熔點(diǎn)低等。亞晶界原子排列也是不規(guī)那么的，其作用與晶界相似。晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，因此金屬的晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度也越高。圖1-16晶界示意圖2.2金?屬?的?結(jié)?晶

金屬的組織與結(jié)晶過(guò)程關(guān)系密切，結(jié)晶后形成的組織對(duì)金屬的使用性能和工藝性能有直接影響，因此了解金屬和合金的結(jié)晶規(guī)律非常必要。

2.2.1金屬結(jié)晶的概念

1．結(jié)晶的概念

絕大多數(shù)金屬制件都是經(jīng)過(guò)熔化、冶煉和澆注而獲得的，這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是晶體，那么這種凝固又稱為結(jié)晶。一般金屬固態(tài)下是晶體，所以金屬的凝固過(guò)程可稱為結(jié)晶。2．純金屬的冷卻曲線

純金屬都有一個(gè)固定的熔點(diǎn)(或結(jié)晶溫度)，高于此溫度會(huì)熔化，低于此溫度才能結(jié)晶成為晶體。金屬的結(jié)晶溫度通常用熱分析等實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定。

圖1-17為純金屬的冷卻曲線，其原理是在液態(tài)純金屬的緩慢冷卻過(guò)程中，每隔一定時(shí)間測(cè)量一次溫度，直到冷卻至室溫，將測(cè)量結(jié)果繪制在溫度—時(shí)間坐標(biāo)上，便得到純金屬的冷卻曲線，即溫度隨時(shí)間而變化的曲線。圖1-17純金屬的冷卻曲線由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，它所含的熱量不斷散失，溫度也不斷下降，但是當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)并不變化，在冷卻曲線上出現(xiàn)了“平臺(tái)〞，“平臺(tái)〞對(duì)應(yīng)的溫度就是純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度。出現(xiàn)“平臺(tái)〞的原因，是結(jié)晶時(shí)放出的潛熱正好補(bǔ)償了金屬向外界散失的熱量。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向外界散熱，溫度又重新下降。

需要指出的是，圖1-17中T0為理論結(jié)晶溫度，金屬實(shí)際結(jié)晶溫度(Tn)總是低于理論結(jié)晶溫度(T0)的現(xiàn)象，稱為過(guò)冷現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過(guò)冷度，以ΔT表示，即ΔT?=?T0?-?Tn。金屬結(jié)晶時(shí)過(guò)冷度的大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過(guò)冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。2.2.2純金屬的結(jié)晶過(guò)程

純金屬的結(jié)晶過(guò)程發(fā)生在冷卻曲線上平臺(tái)所經(jīng)歷的這段時(shí)間。液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，都是首先在液態(tài)中出現(xiàn)一些微小的晶體—晶核，它不斷長(zhǎng)大，同時(shí)新的晶核又不斷產(chǎn)生并相繼長(zhǎng)大，直至液態(tài)金屬全部消失為止，如圖1-18所示。因此金屬的結(jié)晶包括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)根本過(guò)程，并且這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。圖1-18純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖1．晶核的形成

由圖1-18可見，當(dāng)液態(tài)金屬冷至結(jié)晶溫度以下時(shí)，某些類似晶體原子排列的小集團(tuán)便成為結(jié)晶核心，這種由液態(tài)金屬內(nèi)部自發(fā)形成結(jié)晶核心的過(guò)程稱為自發(fā)形核。而在實(shí)際金屬中常有雜質(zhì)存在，這種依附于雜質(zhì)或型壁而形成的晶核在形成時(shí)具有擇優(yōu)取向，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。自發(fā)形核和非自發(fā)形核在金屬結(jié)晶時(shí)是同時(shí)進(jìn)行的，但非自發(fā)形核常起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。2．晶核的長(zhǎng)大

晶核形成后，當(dāng)過(guò)冷度較大或金屬中存在雜質(zhì)時(shí)，金屬晶體常以樹枝形式長(zhǎng)大。在晶核形成初期，外形一般比較規(guī)那么，但隨著晶核的長(zhǎng)大，形成了晶體的頂角和棱邊，此處散熱條件優(yōu)于其他部位，因此在頂角和棱邊處以較大成長(zhǎng)速度形成枝干。同理，在枝干的長(zhǎng)大過(guò)程中，又會(huì)不斷生出分支，最后填滿枝干的空間，結(jié)果形成樹枝狀晶體，簡(jiǎn)稱枝晶。2.2.3金屬結(jié)晶與晶粒大小

金屬結(jié)晶后晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有重大影響，一般來(lái)說(shuō)，細(xì)晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)也具有較高的塑性和韌性。為了提高金屬的力學(xué)性能，希望得到細(xì)晶組織，就必須了解影響晶粒大小的因素及控制方法。

結(jié)晶后的晶粒大小主要取決于形核率(單位時(shí)間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目)與晶核的長(zhǎng)大速率(單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長(zhǎng)大的平均線速度)的相對(duì)大小。顯然，凡能促進(jìn)形核率及抑制晶核長(zhǎng)大速率的因素，均能對(duì)晶粒起細(xì)化作用。工業(yè)生產(chǎn)中，為了細(xì)化晶粒，改善其性能，常采用以下方法：

(1)控制過(guò)冷度。形核率和長(zhǎng)大速率都隨過(guò)冷度增大而增大，但在很大范圍內(nèi)形核率比晶核長(zhǎng)大速率增長(zhǎng)得更快。故過(guò)冷度越大，單位體積中晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)化。

實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)加快液態(tài)金屬的冷卻速度來(lái)增大過(guò)冷度，這對(duì)于大型零件顯然不易辦到，因此這種方法只適用于中、小型鑄件。(2)變質(zhì)處理。在液態(tài)金屬結(jié)晶前參加一些細(xì)小變質(zhì)劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒，這種細(xì)化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。有些變質(zhì)劑雖不能提供結(jié)晶核心，但能阻止晶粒長(zhǎng)大，因此又稱其為長(zhǎng)大抑制劑。例如，向鋼液中參加鋁、釩、硼；向鑄鐵中參加Si-Fe、Si-Cu；向鋁液中參加鈦、鋯等。變質(zhì)處理在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

此外，采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等，增加結(jié)晶動(dòng)力，使枝晶破碎，也會(huì)間接增加形核核心，同樣可細(xì)化晶粒。2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)

純金屬雖然具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，但其品種少，力學(xué)性能較低，因此在使用上受到很大限制。機(jī)械制造領(lǐng)域中廣泛使用的金屬材料是合金，如鋼和鑄鐵等。

合金與純金屬比較，具有一系列優(yōu)越性：通過(guò)調(diào)整成分，可在相當(dāng)大范圍內(nèi)改善材料的使用性能和工藝性能，從而滿足各種不同的需求；改變成分可獲得具有特定物理性能和化學(xué)性能的材料，即功能材料；多數(shù)情況下，合金價(jià)格比純金屬低，如碳鋼和鑄鐵比工業(yè)純鐵廉價(jià)，黃銅比純銅經(jīng)濟(jì)等。2.3.1合金的根本概念

(1)合金。一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。例如，碳鋼就是鐵和碳組成的合金。

(2)組元。組成合金的最根本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元，簡(jiǎn)稱元。組元可以是金屬元素或非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金。

(3)合金系。由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，稱為合金系。例如，銅和鎳組成的一系列不同成分的合金，稱為銅—鎳合金系。(4)相。金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他局部有界面分開的均勻組成局部稱為相。例如，液態(tài)物質(zhì)稱為液相，固態(tài)物質(zhì)稱為固相，同樣是固相，有時(shí)物質(zhì)是單相的，而有時(shí)是多相的。

(5)組織。用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨(dú)特微觀形貌特征的局部稱為組織。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，因此組織是決定材料最終性能的關(guān)鍵。在研究合金時(shí)通常用金相方法對(duì)組織加以鑒別。2.3.2合金的組織結(jié)構(gòu)

多數(shù)合金組元液態(tài)時(shí)都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時(shí)由于各組分之間相互作用不同，因此形成不同的組織。通常固態(tài)時(shí)合金中會(huì)形成固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三類組織。

1．固溶體

合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，一組元溶解在另一組元中，形成均勻的相稱為固溶體。固溶體的晶格類型保持著其中某一組元的晶格類型，那么這一組元就稱為溶劑，其他組元即為溶液。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。

(1)置換固溶體。溶劑結(jié)點(diǎn)上的局部原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體，稱為置換固溶體，如圖1-19(a)所示。圖1-19固溶體的兩種類型溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量稱為固溶體的溶解度，通常用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。按固溶體溶解度不同，置換固溶體可分為有限固溶體和無(wú)限固溶體兩類。例如，在銅鎳合金中，銅與鎳組成的為無(wú)限固溶體；而鋅溶解在銅中所形成的固溶體為有限固溶體，當(dāng)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于39%時(shí)，組織中除了固溶體外，還出現(xiàn)了銅與鋅的化合物。

置換固溶體中溶質(zhì)在溶劑中的溶解度主要取決于兩組元的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通常兩組元原子半徑差異較小，晶格類型相同，原子結(jié)構(gòu)相似，固溶體溶解度較大。事實(shí)上，大多數(shù)合金都為有限固溶體，并且溶解度隨溫度升高而增大。(2)間隙固溶體。溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體，如圖1-19(b)所示。由于溶劑晶格的間隙有限，因此通常形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子都是原子半徑較小的非金屬元素。例如，碳、氮、氫等非金屬元素溶入鐵中形成的均為間隙固溶體。間隙固溶體的溶解度都是有限的。

無(wú)論是置換固溶體還是間隙固溶體，溶質(zhì)原子的溶入，都會(huì)使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，同時(shí)晶體的晶格常數(shù)也要發(fā)生變化，原子尺寸相差越大，畸變也愈大?；兊拇嬖谑刮诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度，降低了塑性，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化也是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。2．金屬化合物

合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物，它的晶格類型和性能完全不同于任一組元，一般可用化學(xué)分子式表示，如Fe3C、TiC、CuZn等。

金屬化合物具有熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大的特點(diǎn)，在合金中主要作為強(qiáng)化相，可以提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性有所降低。3．機(jī)械混合物

兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組合成的物質(zhì)稱為機(jī)械混合物?；旌衔镏懈鹘M成相仍保持自己的晶格，彼此無(wú)交互作用，其性能主要取決于各組成相的性能以及相的分布狀態(tài)。

工程上使用的大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的機(jī)械混合物。通過(guò)調(diào)整固溶體中溶質(zhì)的含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況，可以使合金的力學(xué)性能在較大范圍內(nèi)變化，從而滿足工程上的多種需求。2.4合金的結(jié)晶及相圖

合金的結(jié)晶也是在過(guò)冷條件下形成晶核與晶核長(zhǎng)大的過(guò)程，但由于合金成分中會(huì)有兩個(gè)以上的組元，使其結(jié)晶過(guò)程比純金屬要復(fù)雜得多。為了掌握合金的成分、組織、性能之間的關(guān)系，必須了解合金的結(jié)晶過(guò)程以及合金中各組織的形成和變化規(guī)律。相圖就是研究這些問(wèn)題的重要工具。2.4.1二元合金相圖的建立

合金相圖是說(shuō)明在平衡條件下，合金的組成相和溫度、成分之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解，又稱為合金狀態(tài)圖或合金平衡圖。應(yīng)用合金相圖，可清晰地了解合金在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。所以，相圖是進(jìn)行金相分析以及制訂鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)。

相圖大多是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立起來(lái)的。目前測(cè)繪相圖的方法很多，但最常用的是熱分析法?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例，說(shuō)明熱分析法測(cè)繪二元合金相圖的根本步驟。(1)配制假設(shè)干組不同成分的Cu-Ni合金，見表1-2。

(2)用熱分析法分別測(cè)出各組合金的結(jié)晶開始和終止溫度，見表1-2。

(3)找出各冷卻曲線上的相變點(diǎn)。

(4)將找出的相變點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度—成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的成分曲線上。

(5)將相同意義的點(diǎn)用平滑曲線連接起來(lái)，即獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖1-20(a)所示。

應(yīng)該指出，配制的合金數(shù)目越多，所用的金屬純度越高，熱分析時(shí)冷卻速度越緩慢，所測(cè)定的合金相圖就越精確。表1-2Cu-Ni合金的成分和臨界點(diǎn)圖1-20Cu-Ni合金相圖及結(jié)晶過(guò)程2.4.2二元合金相圖的分析

二元合金相圖有多種不同的根本類型，常見的有以下幾種。

1．二元?jiǎng)蚓鄨D

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無(wú)限互溶所構(gòu)成的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D。屬于該類相圖的合金有Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等。下面以Cu-Ni合金為例，對(duì)二元合金結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析。

圖1-20(a)為Cu-Ni合金相圖。圖中A點(diǎn)(1083℃)是純銅的熔點(diǎn)；B點(diǎn)(1452℃)是純鎳的熔點(diǎn)；Aa3a2a1B線是合金開始結(jié)晶的溫度線，稱為液相線；Ab＝b3b2blB是合金結(jié)晶終了的溫度線，稱為固相線。液相線與固相線把整個(gè)相圖分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為單一液相區(qū)，以“L〞表示；固相線以下是單一固相區(qū)，為Cu與Ni組成的無(wú)限固溶體，以“α〞表示；液相線與固相線之間為液相和固相兩相共存區(qū)，以“L+α〞表示。

下面以wNi?=?60%的合金為例說(shuō)明Cu-Ni合金的結(jié)晶過(guò)程。由圖1-20(a)可見，wNi?=?60%的Cu-Ni合金，其成分垂線與液、固相線分別相交于a1、b1兩點(diǎn)。當(dāng)合金以極緩慢速度冷至t1時(shí)，開始從液相中析出α，隨著溫度不斷降低，α相不斷增多，而剩余的液相L不斷減少，并且液相和固相的成分通過(guò)原子擴(kuò)散而分別沿著液相線和固相線變化。當(dāng)結(jié)晶終了時(shí)，獲得與原合金成分相同的α相固溶體。結(jié)晶過(guò)程如圖1-20(b)所示。值得注意的是，合金在結(jié)晶過(guò)程中，只有在極其緩慢冷卻的條件下原子具有充分?jǐn)U散的能力，此時(shí)固相的成分才能沿固相線均勻變化。但在實(shí)際生產(chǎn)條件下，冷卻速度較快，原子擴(kuò)散來(lái)不及充分進(jìn)行，導(dǎo)致先、后結(jié)晶出的固相成分存在差異，這種晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析(又稱枝晶偏析)。

枝晶偏析的存在，嚴(yán)重降低了合金的力學(xué)性能和加工工藝性能，生產(chǎn)中常采取擴(kuò)散退火工藝來(lái)消除它。2．二元共晶相圖

當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，發(fā)生共晶反響時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。

具有這類相圖的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Cd-Zn、Sn-Cd及Zn-Sn等；某些金屬元素與金屬化合物之間如Cu-Cu2Mg、Al-CuAl2等也構(gòu)成這類相圖。圖1-21所示為Pb-Sn合金相圖，圖1-22所示為合金Ⅰ結(jié)晶過(guò)程示意圖。在這類相圖中，按照液相和固相的存在區(qū)域很易識(shí)別ACB為液相線，AECDB為固相線，A為Pb的熔點(diǎn)，B為Sn的熔點(diǎn)。在此相圖中，有兩種溶解度有限的固溶體：一個(gè)是以Pb為溶劑，以Sn為溶質(zhì)的α固溶體，其溶解度曲線為EF；另一個(gè)是以Sn為溶劑，以Pb為溶質(zhì)的β固溶體，其溶解度曲線為DG。當(dāng)合金成分小于或等于E點(diǎn)時(shí)，液相在固相線AE以下結(jié)晶為α固溶體，當(dāng)合金成分大于或等于D點(diǎn)時(shí)，液相在固相線BD以下結(jié)晶為單相β固溶體。對(duì)于成分在E點(diǎn)至D點(diǎn)之間的合金，在結(jié)晶溫度到達(dá)固相線的水平局部ECD時(shí)都將發(fā)生以下恒溫反響：

即同時(shí)從液相中結(jié)晶出成分為E點(diǎn)的αE固溶體和D點(diǎn)的βD固溶體，這種相變過(guò)程由于是從某種成分固定的合金溶液中同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相，因而稱為共晶反響。圖1-21Pb-Sn合金相圖圖1-22合金Ⅰ結(jié)晶過(guò)程示意3．二元包晶相圖

當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，發(fā)生包晶反響時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為二元包晶相圖，如圖1-23所示。圖1-24所示為合金Ⅰ結(jié)晶過(guò)程示意圖。

包晶反響是指由已經(jīng)結(jié)晶出來(lái)的成分為C的α固溶體和包圍它的尚未結(jié)晶的成分為E的合金溶液相互作用而變成成分為D的β固溶體的反響過(guò)程，即αC?+?LE→βD。具有包晶反響相圖的合金主要有Pt-Ag、Ag-Sn、Al-Pt、Cd-Hg及Sn-Sb等，應(yīng)用最多的Cu-Zn、Cu-Sn、Fe-C及Fe-Mn等合金系中也包含這種類型的相圖。因此，二元包晶相圖也是二元合金相圖的一種根本形式。圖1-24中AEB為液相線，ACDB為固相線，CF為Ag組元在α固溶體中的溶解度曲線，DG是Pt組元在β固溶體中的溶解度曲線，CDE是包晶線，D是包晶點(diǎn)。包晶線CDE代表在這個(gè)合金系中發(fā)生包晶反響的溫度和成分范圍。圖1-23Pt-Ag合金相圖圖1-24合金Ⅰ結(jié)晶過(guò)程示意圖2.5鐵碳合金相圖

鐵碳合金是以鐵和碳為根本組元組成的合金，它是目前現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。要熟悉并合理地選擇鐵碳合金，就必須了解鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系。而鐵碳合金相圖正是研究這一問(wèn)題的重要工具。

2.5.1鐵碳合金根本組織

1．純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

自然界中大多數(shù)金屬結(jié)晶后晶格類型都不再變化，但少數(shù)金屬，如鐵、錳、鈷等，結(jié)晶后隨著溫度或壓力的變化，晶格會(huì)有所變化。金屬的這種在固態(tài)下加熱或冷卻時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的特性稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可概括如下：純鐵在室溫下的晶體結(jié)構(gòu)是體心立方晶格，稱之為α-Fe。當(dāng)溫度升高到912℃時(shí)，純鐵內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，稱之為γ-Fe，它存在于912℃～1394℃。當(dāng)溫度繼續(xù)升到稍高于1394℃時(shí)，鐵的晶格又由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方，無(wú)磁性，它存在于1394℃～1538℃，這種鐵稱為δ-Fe。當(dāng)溫度超過(guò)1538℃時(shí)，純鐵將熔化成鐵水。

由上述可知，純鐵隨溫度的變化發(fā)生了兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性，是鋼鐵材料能夠通過(guò)熱處理改善性能的重要依據(jù)。2．鐵碳合金的根本組織

一般來(lái)講鐵的純度不會(huì)是100%的，其中總會(huì)有雜質(zhì)。我們稱含有的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.10%～0.20%的為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵雖然塑性、導(dǎo)磁性能良好，但強(qiáng)度不高，不適宜制作結(jié)構(gòu)零件。為了提高純鐵的強(qiáng)度和硬度，常在純鐵中參加少量碳元素，因?yàn)殍F和碳的交互作用，可形成五種根本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

(1)鐵素體。碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示，它仍保持α-Fe的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。因其晶格間隙較小，所以溶碳能力很差，在727℃時(shí)最大wC僅為0.0218%，室溫時(shí)降至0.0008%。

鐵素體由于溶碳量小，力學(xué)性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強(qiáng)度、硬度較低。(2)奧氏體。碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示，它保持γ-Fe的面心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于其晶格間隙較大，所以溶碳能力比鐵素體強(qiáng)，在727℃時(shí)wC為0.77%，1148℃時(shí)wC到達(dá)2.11%。奧氏體的強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好的塑性，因此鋼材的鍛造都在奧氏體相區(qū)進(jìn)行。

(3)滲碳體。滲碳體是鐵和碳組成的具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物，用化學(xué)式Fe3C表示，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖1-25所示。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，硬度很高，塑性和韌性幾乎為零，主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。滲碳體在一定條件下將會(huì)分解；Fe3C→3Fe?+?C，所以分解出來(lái)的單質(zhì)碳為石墨，該分解對(duì)鑄鐵有著重要的意義。圖1-25滲碳體晶胞結(jié)構(gòu)示意圖(4)珠光體。珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)P表示。在緩慢冷卻條件下，珠光體中wC為0.77%，力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。

(5)萊氏體。萊氏體是wC為4.3%的合金，緩慢冷卻到1148℃時(shí)從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織，用符號(hào)Ld表示。冷卻到727℃溫度時(shí)，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體，用符號(hào)表示。萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高、塑性差。2.5.2鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是在緩慢冷卻的條件下，說(shuō)明鐵碳合金成分、溫度、組織變化規(guī)律的簡(jiǎn)明圖解，它也是選擇材料和有關(guān)熱加工工藝時(shí)的重要依據(jù)。

由于碳含量大于6.69%的鐵碳合金脆性極大，在工業(yè)生產(chǎn)中幾乎沒(méi)有使用價(jià)值，所以我們只研究碳含量小于6.69%的局部。當(dāng)碳含量為6.69%時(shí)對(duì)應(yīng)的鐵碳合金正好全部是滲碳體，因此我們把滲碳體看做一個(gè)組元，實(shí)際上我們研究的鐵碳相圖是Fe-Fe3C相圖。Fe-Fe3C相圖左上局部的實(shí)用意義不大，為了便于研究分析將其簡(jiǎn)化，便得到了簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖，如圖1-26所示。圖1-26Fe-Fe3C簡(jiǎn)化相圖1．相圖分析

簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，其中包含共晶和共析兩種典型反響。

1)?Fe-Fe3C相圖中典型點(diǎn)的含義

Fe-Fe3C相圖中各特征點(diǎn)的溫度、成分及其含義見表1-3。

應(yīng)當(dāng)指出，F(xiàn)e-Fe3C相圖中特性的數(shù)據(jù)隨著被測(cè)試材料純度的提高和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步而趨于精確，因此不同資料中的數(shù)據(jù)會(huì)有所出入。表1-3簡(jiǎn)化Fe-Fe3C相圖中各特征點(diǎn)

2)?Fe-Fe3C相圖中特性線的意義

(1)?AC線：液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始線，即L→A。

(2)CD線：液體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開始線，結(jié)晶出一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，即L→Fe3CⅠ。

ACD線統(tǒng)稱為液相線，在此線之上合金全部處于液相狀態(tài)，用符號(hào)L表示。

(3)?AE線：液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線。

(4)?ECF水平線：共晶線。

AECF線統(tǒng)稱為固相線，液體合金冷卻至此線全部結(jié)晶為固體，此線以下為固相區(qū)。(5)?ES線：又稱Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線。即L→Fe3CⅡ。

(6)?GS線：又稱A3線。碳含量小于0.77%的鐵碳合金冷卻到此線時(shí)，將從奧氏體中析出鐵素體。

(7)?GP線：奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線。

(8)?PSK水平線：共析線(727℃)，又稱A1線。在這條線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0.77%→P(F0.0218%?+?Fe3C)而形成珠光體組織。所謂共析反響，即從某種均勻一致的固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

(9)?PQ線：碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體從727℃冷卻下來(lái)時(shí)將會(huì)析出滲碳體，稱為三次滲碳體，用符號(hào)Fe3CⅢ表示。

2．典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

1)鐵碳合金分類

根據(jù)含碳量和室溫組織特點(diǎn)，鐵碳合金可分為以下三類。

(1)工業(yè)純鐵：wC≤0.0218%，工業(yè)上很少使用。

(2)鋼：0.0218%≤wC≤2.11%。其特點(diǎn)是高溫下固態(tài)組織為奧氏體，易于變形。根據(jù)其室溫組織特點(diǎn)不同，又可分為三種：

●亞共析鋼：0.218%?<?wC?<?0.77%，組織為F?+?P；

●共析鋼：wC?=?0.77%，組織為P；

●過(guò)共析鋼：0.77%?<?wC?<?2.11%，組織為P?+?Fe3CⅢ。(3)白口鑄鐵：2.11%?<?wC?<?6.69%。其特點(diǎn)是高溫下均發(fā)生共晶反響而生成萊氏體，鑄造性能好，但脆而硬。根據(jù)其室溫組織特點(diǎn)不同，也可分為三種：

●亞共晶白口鐵：2.11%<wC<4.3%，組織為P?+?Fe3CⅢ?+?；

●共晶白口鐵：wC?=?4.3%，組織為；

●過(guò)共晶白口鐵：4.3%?<?wC?<?6.69%，組織為Fe3CⅠ?+?。2)典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

可依據(jù)成分垂線與相線相交情況，來(lái)分析幾種典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置可參見圖1-27。

(1)共析鋼。圖1-27中合金Ⅰ(wC?=?0.77%)為共析鋼。當(dāng)合金冷到1點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出奧氏體；降至2點(diǎn)時(shí)全部液體都轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；合金冷到3點(diǎn)時(shí)，奧氏體將發(fā)生共析反響，即A0.77%→P(F?+?Fe3C)。溫度再繼續(xù)下降，珠光體不再發(fā)生變化。共析鋼冷卻過(guò)程如圖1-28所示，其室溫組織是珠光體。珠光體的典型組織是鐵素體和滲碳體呈片狀疊加

而成。圖1-27典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置圖1-28共析鋼組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖(2)亞共析鋼。圖1-27中合金Ⅱ(wC?=?0.4%)為亞共析鋼。合金在3點(diǎn)以上冷卻過(guò)程同合金Ⅰ相似，緩冷至3點(diǎn)(與GS線相交于3點(diǎn))時(shí)，從奧氏體中開始析出鐵素體。隨著溫度降低，鐵素體量不斷增多，奧氏體量不斷減少，并且成分分別沿GP、GS線變化。溫度降到PSK溫度，剩余奧氏體含碳量到達(dá)共析成分(wC?=?0.77%)，即發(fā)生共析反響，轉(zhuǎn)變成珠光體。4點(diǎn)以下冷卻過(guò)程中，組織不再發(fā)生變化。因此亞共析鋼冷卻到室溫的顯微組織是鐵素體和珠光體，其冷卻過(guò)程組織轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D1-29所示。

但凡亞共析鋼結(jié)晶其過(guò)程均與合金Ⅱ相似，只是由于含碳量不同，組織中鐵素體和珠光體的相對(duì)量也不同。隨著含碳量的增加，珠光體量增多，而鐵素體量減少。圖1-29亞共析鋼組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖(3)過(guò)共析鋼。圖1-27中合金Ⅲ(wC?=?1.20%)為過(guò)共析鋼。合金Ⅲ在3點(diǎn)以下冷卻過(guò)程與合金Ⅰ相似，當(dāng)合金冷卻到3點(diǎn)(ES線相交于3點(diǎn))時(shí)，奧氏體中碳含量到達(dá)飽和，繼續(xù)冷卻，奧氏體成分沿ES線變化，從奧氏體中析出二次滲碳體，它沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布。溫度降至PSK線時(shí)，奧氏體w＝到達(dá)0.77%即發(fā)生共析反響，轉(zhuǎn)變成珠光體。4點(diǎn)以下至室溫，組織不再發(fā)生變化。過(guò)共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程見圖1-30，其室溫下的顯微組織是珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體。

過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程均與合金Ⅲ相似，只是隨著含碳量不同，最后組織中珠光體和滲碳體的相對(duì)量也不同。圖1-30過(guò)共析鋼組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖(4)共晶白口鐵。圖1-27中合金Ⅳ(wC?=?4.3%)為共晶白口鐵。合金Ⅳ在1點(diǎn)以上為單一液相，當(dāng)溫度降至與ECF線相交時(shí)，液態(tài)合金發(fā)生共晶反響即L4.3%→Ld(A2.11%+Fe3C)，結(jié)晶出萊氏體。隨著溫度繼續(xù)下降，奧氏體成分沿ES線變化，從中析出二次滲碳體。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。故共晶白口鐵室溫組織是由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成的混合物，稱之為變態(tài)萊氏體，其結(jié)晶過(guò)程見圖1-31。圖1-31共晶白口鐵組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖(5)亞共晶白口鐵。亞共晶白口鐵(2.11%<wC<4.3%)的結(jié)晶過(guò)程與合金Ⅳ根本相同，區(qū)別是共晶轉(zhuǎn)變之前有先析相A形成，因此其室溫組織為P+Fe3CⅡ+，如圖1-32所示。圖中黑色點(diǎn)狀、樹枝狀為珠光體，黑白相間的基體為變態(tài)萊氏體，二次滲碳體與共晶滲碳體在一起，難以分辨。

(6)過(guò)共晶白口鐵。過(guò)共晶白口鐵(4.3%<wC<6.69%)的結(jié)晶過(guò)程也與合金Ⅳ相似，只是在共晶轉(zhuǎn)變前先從液體中析出一次滲碳體，其室溫組織為Fe3CⅠ?+?，如圖1-33所示。圖中白色板條狀為一次滲碳體，基體為變態(tài)萊氏體。圖1-32亞共晶白口鐵組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖圖1-33過(guò)共晶白口鐵組織轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖2.6鐵碳合金相圖的應(yīng)用

2.6.1含碳量對(duì)鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律

1．含碳量對(duì)平衡組織的影響

綜上所述，鐵碳合金在室溫的組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成的，隨著含碳量增加，鐵素體不斷減少，而滲碳體逐漸增加，并且由于形成條件不同，滲碳體的形態(tài)和分布有所變化。

室溫下隨著含碳量增加，鐵碳合金平衡組織的變化規(guī)律如下：2．含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響

室溫下鐵碳合金由鐵素體和滲碳體兩相組成，鐵素體是軟、韌相，滲碳體是硬、脆相，當(dāng)兩者以層片狀組成珠光體時(shí)，珠光體兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，即具有較高的硬度、強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。鐵碳合金中滲碳體是強(qiáng)化相，對(duì)于以鐵素體為基體的鋼來(lái)講，滲碳體的數(shù)量越多，分布越均勻，其強(qiáng)度越高。但當(dāng)Fe3C以網(wǎng)狀分布于晶界上或呈粗大片狀，尤其是作為基體時(shí)，就使得鐵碳合金的塑性、韌性大大下降，這就是過(guò)共析鋼和白口鑄鐵脆性很高的原因。碳對(duì)鐵碳合金性能的影響，也是通過(guò)對(duì)組織的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鐵碳合金組織的變化，必然引起性能的變化。圖1-34所示為含碳量對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響。由圖可知，改變碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以在很大范圍內(nèi)改變鋼的力學(xué)性能，隨著含碳量的增加，強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。當(dāng)含碳量大于0.9%時(shí)，由于網(wǎng)狀滲碳體的出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降。為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)乃苄?、韌性，其含碳量一般不超過(guò)1.3%～1.4%。含碳量大于2.11%的鐵碳合金(即白口鑄鐵)，由于其組織中存在大量的滲碳體，具有很高的硬度和脆性，難以切削加工，所以白口鑄鐵必須進(jìn)行石墨化后成為灰口鑄鐵才能使用，而且一般以鑄態(tài)使用。圖1-34含碳量對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響2.6.2鐵碳相圖的應(yīng)用

鐵碳相圖是分析鋼鐵材料平衡組織和制訂鋼鐵材料各種熱加工工藝的根底性資料，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。除了在材料選用時(shí)參考外，還可作為制訂鑄造、鍛造、焊接機(jī)熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)。1.在選材方面的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖總結(jié)了鐵碳合金成分、組織和性能隨成分的變化規(guī)律，據(jù)此可判斷出力學(xué)性能變化特點(diǎn)，這樣就可以根據(jù)零件的工作條件和性能要求來(lái)選擇適宜的材料。例如，橋梁、船舶、車輛及各種建筑材料，需要塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼(wC?=?0.1%～0.25%)；對(duì)工作中承受沖擊載荷和要求較高強(qiáng)度的各種機(jī)械零件，希望強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳鋼(wC?=?0.25%～0.65%)；制造各種切削工具、模具及量具時(shí)，需要高的硬度和耐磨性，可選用高碳鋼(wC?=?0.77%～1.4%)；對(duì)于不受沖擊載荷的形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)器底座等，可選用熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的鑄鐵材料。2．在鑄造方面的應(yīng)用

由鐵碳相圖可知，共晶成分的合金結(jié)晶溫度最低，結(jié)晶溫度范圍最小，流動(dòng)性好，體積收縮小，易獲得組織致密的鑄件，具有良好的鑄造性能，所以通常選擇共晶成分的合金作為鑄造合金。

鑄造生產(chǎn)中，根據(jù)相圖中液相線的位置，可估算各種鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度(一般在液相線以上50℃～100℃)，為制訂鑄造工藝提供依據(jù)。與鑄鐵相比，鋼的熔化溫度和澆注溫度要高得多，其鑄造性能較差，易產(chǎn)生收縮和鑄造缺陷，因而鋼的鑄造工藝比較復(fù)雜。3．在鍛壓加工方面的應(yīng)用

在鍛造工藝上，相圖可作為確定鋼的鍛造溫度范圍的依據(jù)。鋼在室溫時(shí)組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難。而奧氏體的強(qiáng)度較低，塑性較好，便于塑性變形。因此在進(jìn)行鍛壓和熱軋加工時(shí)，要把坯料加熱到奧氏體狀態(tài)。加熱溫度不宜過(guò)高，以免鋼材氧化燒損嚴(yán)重，但變形的終止溫度也不宜過(guò)低，過(guò)低的溫度除了增加能量的消耗和設(shè)備的負(fù)擔(dān)外，還會(huì)因塑性的降低而導(dǎo)致開裂。所以，各種碳鋼較適宜的鍛軋加熱溫度范圍是：始鍛軋溫度不能過(guò)高，否那么鋼材易產(chǎn)生嚴(yán)重氧化或晶界熔化，一般為固相線以下100℃～200℃；對(duì)于亞共析鋼，終鍛軋溫度控制在GS線以上，防止在加工時(shí)鐵素體呈帶狀組織而使鋼材韌性降低。為了提高強(qiáng)度，某些低合金高強(qiáng)度鋼選擇800℃為終鍛溫度；對(duì)于過(guò)共析鋼，終鍛溫度應(yīng)選擇稍高于PSK線以上某一溫度，以便打碎網(wǎng)狀二次滲碳體。

4．在焊接方面的應(yīng)用

在焊接工藝中，焊縫及周圍熱影響區(qū)受到不同程度的加熱和冷卻，組織和性能會(huì)發(fā)生變化，相圖可作為研究變化規(guī)律的理論依據(jù)。焊接時(shí)，由于局部區(qū)域(焊縫)被快速加熱，所以從焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的，由Fe-Fe3C相圖可知，溫度不同，冷卻后的組織性能就不同，為了獲得均勻一致的組織和性能，就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。5．在熱處理方面的應(yīng)用

在熱處理工藝中，相圖是制訂各種熱處理工藝加熱溫度的重要依據(jù)。由Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過(guò)程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進(jìn)行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。此外，奧氏體有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進(jìn)行滲碳和其他化學(xué)熱處理的緣故。

盡管相圖應(yīng)用廣泛，但仍有一些局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)相圖只是反映了平衡條件下組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律(緩慢加熱或緩慢冷卻)，它沒(méi)有表達(dá)出時(shí)間的作用，因此實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻速度較快時(shí)不能用此相圖分析問(wèn)題。(2)相圖只反映出了二元合金中相平衡的關(guān)系，假設(shè)鋼中有其他合金元素，那么其平衡關(guān)系會(huì)發(fā)生變化。

(3)相圖不能反映實(shí)際組織狀態(tài)，它只給出了相的成分和相對(duì)量的信息，不能給出形狀、大小、分布等特征。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)中不能完全依據(jù)鐵碳相圖來(lái)分析生產(chǎn)過(guò)程中的具體問(wèn)題，還需要結(jié)合轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論進(jìn)行綜合分析。