航空工程材料及應(yīng)用全套教學(xué)課件

第一章飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)性能第1章飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)性能第2章飛機(jī)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)和組織第3章飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的熱處理第4章飛機(jī)結(jié)構(gòu)中黑色金屬的應(yīng)用第5章飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有色金屬的應(yīng)用第6章飛機(jī)結(jié)構(gòu)中非金屬材料的應(yīng)用第7章飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的應(yīng)用第8章飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)知識(shí)目標(biāo)

[1]掌握金屬材料力學(xué)性能指標(biāo)及基本概念；[2]掌握拉伸曲線圖，清楚強(qiáng)度和塑性的指標(biāo)及意義；[3]掌握硬度測(cè)試方法及適用范圍；[4]了解韌性和疲勞強(qiáng)度的測(cè)試方法，掌握韌性和疲勞強(qiáng)度的指標(biāo)及意義；[5]了解材料常用的工藝性能。學(xué)習(xí)目標(biāo)技能目標(biāo)

[1]能通過(guò)拉伸曲線圖獲得材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)值；[2]能根據(jù)材料基本情況正確選擇硬度測(cè)試方法；[3]能根據(jù)力學(xué)性能和工藝性能的要求合理選用材料。素質(zhì)目標(biāo)

[1]具備良好的個(gè)人品德、職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)道德；[2]具備航空產(chǎn)品質(zhì)量第一的意識(shí)；[3]具備愛國(guó)主義精神和家國(guó)情懷。學(xué)習(xí)目標(biāo)主要內(nèi)容一、金屬的力學(xué)性能二、金屬的工藝性能一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。①F-ΔL曲線在每個(gè)拉伸試驗(yàn)完成后，都可以根據(jù)試樣工作段長(zhǎng)度變化量隨著試驗(yàn)力大小的變化，繪制出一條力-伸長(zhǎng)量曲線，即F-ΔL曲線。此曲線可以分成四個(gè)階段，依次為Ⅰ—彈性變形階段、Ⅱ—屈服階段、Ⅲ—強(qiáng)化階段、Ⅳ—頸縮階段（局部變形階段）。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。a.彈性變形階段。變形完全是彈性的，隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形。且ΔL與F成線性關(guān)系，即此時(shí)材料的力學(xué)行為符合胡克定律。b.屈服階段。在此階段伸長(zhǎng)變形急劇增大，材料開始產(chǎn)生塑性變形，但抗力只在很小范圍內(nèi)波動(dòng)。此時(shí)應(yīng)變?cè)黾拥乃俣却笥趹?yīng)力增長(zhǎng)速度，材料抵抗外力的能力發(fā)生“屈服”現(xiàn)象。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。c.強(qiáng)化階段。試樣經(jīng)過(guò)屈服階段后，若要使其繼續(xù)伸長(zhǎng)，由于材料在塑性變形過(guò)程中不斷強(qiáng)化，試樣中抗力不斷增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。為此，階段變形以塑性變形為主，彈性變形為輔。變形較彈性變形階段較大。整個(gè)試樣的橫向尺寸在明顯減小。d.頸縮階段。又稱為局部變形階段，材料變形迅速增大，而應(yīng)力反而下降，此時(shí)不需要很大的力，材料也會(huì)發(fā)生急劇的伸長(zhǎng)。試件在拉斷前，于薄弱處截面顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，直至斷裂。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。②σ-ε曲線（應(yīng)力—應(yīng)變曲線）。σ-ε曲線即為應(yīng)力—應(yīng)變曲線，為消除試件尺寸的影響，將低碳鋼試樣拉伸圖中的縱坐標(biāo)F和橫坐標(biāo)ΔL換算為應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)?，即?F/A，ε=ΔL/L式中A——試樣橫截面的原面積；L——試樣工作段的原長(zhǎng)。由此，力—伸長(zhǎng)量曲線即轉(zhuǎn)換成應(yīng)力—應(yīng)變曲線。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。①?gòu)椥詷O限。彈性極限σe是指金屬材料受外力（拉力）到某一限度時(shí)，若除去外力，其變形（伸長(zhǎng)）即消失而恢復(fù)原狀，卸載后變形能完全消失的應(yīng)力最大點(diǎn)即為材料的彈性極限，σe描述了金屬材料抵抗這一限度的外力的能力，如果繼續(xù)使用拉力擴(kuò)大，就會(huì)使這個(gè)物體產(chǎn)生塑性變形，直至斷裂。彈性極限計(jì)算公式如下：σe=Fe/S0（MPa）式中Fe——

材料變形能完全消失的最大拉伸力；S0——試樣原始橫截面面積（mm2）。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。②屈服極限。材料受外力到一定限度時(shí)，即使不增加負(fù)荷，它仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形。這種現(xiàn)象叫“屈服”。發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，稱屈服點(diǎn)，或屈服極限，用σs表示。屈服極限計(jì)算公式如下：σs=Fs/S0（MPa）式中Fs——試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）；S0——試樣原始橫截面積（mm2）。有些材料的屈服點(diǎn)并不明顯。工程上常規(guī)定當(dāng)殘余變形達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力值，作為“條件屈服極限”，以σ0.2表示。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度

（1）拉伸試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，試驗(yàn)所用試樣形狀、尺寸及加工要求、試驗(yàn)步驟參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）。③強(qiáng)度極限。又稱抗拉強(qiáng)度，用σb表示，它表示金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。試樣在拉伸過(guò)程中，材料經(jīng)過(guò)屈服階段后進(jìn)入強(qiáng)化階段后隨著橫向截面尺寸明顯縮小在拉斷時(shí)所承受的最大力（Fb），除以試樣原橫截面面積（S0）所得的應(yīng)力（σ），稱為抗拉強(qiáng)度或者強(qiáng)度極限（σb），單位為N/mm2（MPa）。計(jì)算公式為：σb=Fb/S0式中Fb——試樣拉斷時(shí)所承受的最大力（N）；S0——試樣原始橫截面面積（mm2）。1.彈性和剛度（2）彈性

材料在外力作用下發(fā)生變形，如果外力不超過(guò)某個(gè)限度，在外力卸除后恢復(fù)原狀，材料的這種性能稱為彈性。外力卸除后即可消失的變形，稱為彈性變形。如彈簧在不超過(guò)其彈性極限內(nèi)的變形都屬于彈性變形。材料的彈性變形一般是原子系統(tǒng)在外力作用下離開平衡位置達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程。從宏觀上看，材料的彈性本構(gòu)關(guān)系一般可以用胡克定理描述。

材料彈性的大小可用彈性極限σe進(jìn)行表征。彈性極限σe越大，材料的彈性越好，表示材料越不容易發(fā)生塑性變形，案例中空客A350客機(jī)和波音787客機(jī)機(jī)翼不易變形，表明其彈性均很好，彈性極限σe較高，機(jī)翼良好的彈性，可以優(yōu)化氣動(dòng)性能，提高效率，降低油耗，更加環(huán)保。一、金屬的力學(xué)性能1.彈性和剛度（3）剛度

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。在宏觀彈性范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。材料在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變的比值稱為彈性模量，用E表示，彈性模量是表征材料彈性特征的力學(xué)指標(biāo)。材料的彈性模量越大，在相同應(yīng)力條件下，材料的彈性變形變?cè)叫?。因此彈性模量表征了材料?duì)彈性變形的抗力，代表了材料的剛度。一、金屬的力學(xué)性能2.強(qiáng)度和塑性（1）強(qiáng)度

材料的強(qiáng)度是指金屬材料在靜荷載作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力，其大小通常用單位面積上所承受的力來(lái)表示。根據(jù)加載方式不同，強(qiáng)度指標(biāo)有許多種，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用最多。①屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是指金屬材料在發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)所受的最小應(yīng)力值。由于金屬材料在發(fā)生屈服時(shí)，其受力并非恒定，而是處于一個(gè)小范圍震蕩變化之中，在屈服階段內(nèi)的最高應(yīng)力和最低應(yīng)力分別稱為上屈服極限和下屈服極限。一般把下屈服極限稱為屈服極限或屈服點(diǎn)。一、金屬的力學(xué)性能2.強(qiáng)度和塑性（1）強(qiáng)度

材料的強(qiáng)度是指金屬材料在靜荷載作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力，其大小通常用單位面積上所承受的力來(lái)表示。根據(jù)加載方式不同，強(qiáng)度指標(biāo)有許多種，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用最多。②抗拉強(qiáng)度。在均勻塑性變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥亩黾樱a(chǎn)生形變強(qiáng)化。最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力，反映了材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)和材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。一、金屬的力學(xué)性能2.強(qiáng)度和塑性（2）塑性

塑性是指金屬材料在靜荷載作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形，頸縮后頸縮區(qū)的塑性變形是集中塑性變形。試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來(lái)。工程上用試件拉斷后遺留下來(lái)的變形表示材料的塑性指標(biāo)。常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè)：斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。一、金屬的力學(xué)性能2.強(qiáng)度和塑性（2）塑性

①斷后伸長(zhǎng)率。試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。稱為斷后伸長(zhǎng)率，用δ表示，一般寫成百分比的形式，其計(jì)算公式如下：δ=(L1–L0)/L0×100%式中L0——試樣的原始標(biāo)距（mm）；L1——試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）

由于試樣斷裂前經(jīng)歷了局部塑性變形，所以斷后伸長(zhǎng)率的大小同試樣原長(zhǎng)和橫截面面積有關(guān)。為了進(jìn)行比較，規(guī)定對(duì)于原始標(biāo)距是直徑10倍的圓截面試樣和原始標(biāo)距為11.3A的矩形截面試樣，斷后伸長(zhǎng)率為δ10；原始標(biāo)距是直徑5倍的圓截面試樣和原始標(biāo)距為5.65A的矩形截面試樣，斷后伸長(zhǎng)率為δ5。同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率略有不同。由于不同長(zhǎng)度的試樣所得伸長(zhǎng)率不同，長(zhǎng)度越大，伸長(zhǎng)率越小。采用長(zhǎng)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所得伸長(zhǎng)率用δ10表示，而用短試樣所得伸長(zhǎng)率用δ5表示，顯然有δ5＞δ10。一、金屬的力學(xué)性能2.強(qiáng)度和塑性（2）塑性

②斷面收縮率。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積的百分比，稱為斷面收縮率，用ψ表示，一般寫成百分比的形式，其計(jì)算公式如下：ψ=（S1–S0）/S0×100%式中S0——試樣原始橫截面面積（mm2）；S1——頸縮處的橫截面面積（mm2）。顯然，δ與ψ的數(shù)值越大，材料在斷裂前發(fā)生的變形越大，說(shuō)明材料的塑性越好。由于有些材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部頸縮，而有些材料則不會(huì)，因此用ψ表示材料的塑性比用δ表示更接近真實(shí)情況。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（1）布氏硬度

用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球做壓頭，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，得到一直徑為d的壓痕。用試驗(yàn)力除以壓痕表面積，所得值即為布氏硬度值，符號(hào)用HBS或HBW表示。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（1）布氏硬度

HBS和HBW的區(qū)別是壓頭的不同。HBS表示壓頭為淬硬鋼球，用于測(cè)定布氏硬度值在450以下的材料，如軟鋼、灰鑄鐵和有色金屬等。HBW表示壓頭為硬質(zhì)合金，用于測(cè)定布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度值的表示方法非常直觀，符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、荷載及荷載保持時(shí)間。如120HBS10／1000／30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）荷載作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；缺點(diǎn)是壓痕大，不能用于太薄測(cè)試樣件或成品零件的工作表面。布氏硬度測(cè)量法適用于鑄鐵、非鐵合金、各種退火及調(diào)質(zhì)的鋼材，不宜測(cè)定太硬、太小、太薄和表面不允許有較大壓痕的試樣或工件。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（2）洛氏硬度

用錐頂角為120°的金剛石圓錐或?1.588mm和?3.176mm淬火鋼球作壓頭和荷載配合使用，在10kgf初荷載和60、100或150kgf力總荷載（初荷載加主荷載）先后作用下壓入試樣，在總荷載作用后，以卸除主荷載而保留主荷載時(shí)的壓入深度與初荷載作用下壓入深度之差來(lái)表示硬度，壓痕越深，硬度越低。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（2）洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)采用三種試驗(yàn)力，三種壓頭，它們共有9種組合，對(duì)應(yīng)于洛氏硬度的9個(gè)標(biāo)尺，這9個(gè)標(biāo)尺的應(yīng)用涵蓋了絕大多數(shù)常用的金屬材料。常用的有A、B和C三種標(biāo)尺，其中C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。表1-2為常用洛氏硬度試驗(yàn)標(biāo)尺應(yīng)用表。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（2）洛氏硬度

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)材料硬度選擇相應(yīng)的壓頭。當(dāng)測(cè)定硬度較高的材料時(shí)，選用120°的金剛石圓錐壓頭；測(cè)定硬度較低的材料時(shí)，選用淬火鋼球壓頭。硬度計(jì)上有一個(gè)表頭，測(cè)量時(shí)表頭上可直接讀出被測(cè)件的硬度值，故比布氏法方便。而且壓痕小，可以直接在成品零件上測(cè)試，但洛氏硬度測(cè)量的缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果分散度較大。洛氏硬度的硬度值表示也十分簡(jiǎn)便，其數(shù)值寫在符號(hào)HR的前面，如50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度為50。應(yīng)當(dāng)注意，不同級(jí)別的硬度值不能直接相互比較。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（3）維氏硬度

維氏硬度測(cè)量原理與布氏硬度相似。采用相對(duì)面夾角為136°金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力F壓入材料的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值，標(biāo)記符號(hào)為HV。維氏硬度值的表示方法是將表示硬度值的數(shù)字放在符號(hào)HV之前，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示荷載和荷載保持時(shí)間。如640HV/30/20表示采用面角為136°金剛石正四棱錐壓頭鋼球在30kgf（2.942kN）荷載作用下保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。一、金屬的力學(xué)性能3.硬度（3）維氏硬度

維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，維氏硬度測(cè)量范圍大，可測(cè)量硬度為10～1000HV范圍的材料，且壓痕小，特別適用表面強(qiáng)化處理后的制件或試樣，如氮化、滲碳、滲釩、滲硼、三元共滲以及各種鍍層試樣的表層硬度測(cè)定。而由于其僅有一個(gè)標(biāo)尺，因此不同材料的維氏硬度值之間可以互相比較。而維氏硬度需要通過(guò)印痕測(cè)量后才可以計(jì)算或查表得到硬度值，其效率較洛氏硬度法低，且壓頭加工難度大，壓頭材料金剛石較昂貴。一、金屬的力學(xué)性能4.韌性（1）沖擊韌性

材料抵抗沖擊荷載的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊荷載是指以較高的速度施加到零件上的荷載，當(dāng)零件在承受沖擊荷載時(shí)，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜荷載時(shí)要大的多，它反映材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷和抗沖擊性能。沖擊韌性用αk表示，單位為J/cm2。沖擊韌性是通過(guò)沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。在我國(guó)，此試驗(yàn)一般采用《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T229—2020），在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。一、金屬的力學(xué)性能4.韌性（1）沖擊韌性

沖擊韌性不僅可用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量，其實(shí)際意義更在于揭示材料的變脆傾向，用以評(píng)定材料的冷脆傾向（測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。材料的αk值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，αk值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tk）”，設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度必須高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。雖然試驗(yàn)中測(cè)定的沖擊吸收功或沖擊韌性值不能直接用于工程計(jì)算，但它可以作為判斷材料脆化趨勢(shì)的一個(gè)定性指標(biāo)，還可作為檢驗(yàn)材質(zhì)熱處理工藝的一個(gè)重要手段，這是因?yàn)樗鼘?duì)材料的品質(zhì)、宏觀缺陷、顯微組織十分敏感，而這點(diǎn)恰是靜載試驗(yàn)所無(wú)法揭示的。一、金屬的力學(xué)性能4.韌性（2）斷裂韌性

為了研究裂紋對(duì)材料斷裂強(qiáng)度的影響，把刻有不同深度刻痕的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，畫出如裂紋深度a與實(shí)際斷裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線。且有公式K=σca成立。對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)，K是一個(gè)常數(shù)，它也是材料力學(xué)性能的指標(biāo)，表示材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，稱為斷裂韌性。一、金屬的力學(xué)性能5.疲勞極限金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。

零件在循環(huán)應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過(guò)程，稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂一般經(jīng)過(guò)疲勞裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段，這三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)了疲勞斷口上的三個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。一、金屬的力學(xué)性能5.疲勞極限材料的疲勞強(qiáng)度是由疲勞試驗(yàn)測(cè)定的。由于疲勞試驗(yàn)的分散度較大，試驗(yàn)時(shí)要用較多的試樣，在不同交變荷載的作用下，測(cè)定其發(fā)生斷裂時(shí)的荷載循環(huán)次數(shù)N，最后將試驗(yàn)結(jié)果繪成應(yīng)力S與次數(shù)N的關(guān)系曲線，稱為疲勞曲線（S-N曲線）。一、金屬的力學(xué)性能從疲勞曲線上可知，試驗(yàn)應(yīng)力S降低，循環(huán)次數(shù)N增加。當(dāng)應(yīng)力降至某一數(shù)值時(shí)，曲線變成水平直線，即表示材料若承受低于該水平線所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值時(shí)，便可以經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)荷載也不發(fā)生疲勞斷裂，將試樣承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力作為材料的疲勞極限，記為σR。5.疲勞極限提高疲勞極限的途徑：①減緩應(yīng)力集中（會(huì)顯著提高構(gòu)件的疲勞極限）②提高表面光潔度（表面質(zhì)量越高，疲勞極限越高）③增強(qiáng)表面強(qiáng)度（降低表面裂紋出現(xiàn)概率一、金屬的力學(xué)性能二、金屬的工藝性能1.鑄造性鑄造是將熔融態(tài)的金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。鑄造性（又叫可鑄性）是指金屬材料能用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能。金屬材料的鑄造性能主要由鑄造時(shí)金屬的流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向等來(lái)綜合評(píng)定。①流動(dòng)性流動(dòng)性是指是熔融金屬的流動(dòng)能力。流動(dòng)性越好，越易于得到形狀輪廓清晰、壁薄的鑄件，不易產(chǎn)生冷隔、澆不足等鑄造缺陷。二、金屬的工藝性能1.鑄造性鑄造是將熔融態(tài)的金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。鑄造性（又叫可鑄性）是指金屬材料能用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能。金屬材料的鑄造性能主要由鑄造時(shí)金屬的流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向等來(lái)綜合評(píng)定。

②收縮性收縮性是指鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象。二、金屬的工藝性能1.鑄造性鑄造是將熔融態(tài)的金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。鑄造性（又叫可鑄性）是指金屬材料能用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能。金屬材料的鑄造性能主要由鑄造時(shí)金屬的流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向等來(lái)綜合評(píng)定。

③偏析鑄件凝固后，在截面上各個(gè)部分及晶粒內(nèi)部往往出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。二、金屬的工藝性能2.鍛壓性鍛壓是鍛造和沖壓的合稱，是利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過(guò)模具對(duì)坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成型加工方法。鍛壓性是指金屬材料能否用鍛壓方法制成優(yōu)良鍛壓件的性能，也稱為可鍛性。鍛壓性一般與材料的塑性及其塑性變形抗力有關(guān)。在一般情況下，材料的塑性好，變形抗力小，則鍛壓性也好。低碳鋼的鍛壓性最好，中碳鋼次之，高碳鋼則較次。低合金鋼的鍛壓性近似于中碳鋼，高合金鋼的鍛壓性比碳鋼差。二、金屬的工藝性能3.焊接性焊接指通過(guò)加熱或加壓或同時(shí)加熱加壓，并且用或者不用填充材料使工件結(jié)合的一種工藝方法。焊接性是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，或材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)先服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、構(gòu)件類型及使用要求四個(gè)因素的影響。一、腐蝕理論基礎(chǔ)4.切削加工性能切削加工是指利用切削工具從工件上切除多余材料，獲得符合預(yù)定技術(shù)要求的零件或半成品的加工方法。切削包含多種切割方式。

一、腐蝕理論基礎(chǔ)4.切削加工性能切削加工性好壞常用加工后工件的表面粗糙度、允許的切削速度以及刀具的磨損程度來(lái)衡量。它與金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性及加工硬化程度等諸多因素有關(guān)。通常用硬度和韌性做切削加工性好壞的大致判斷。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料的硬度越高越難切削，硬度雖不高，但韌性大，切削也較困難。一般，有色金屬不如黑色金屬切削加工性好，鑄鐵的切削加工性能不如鋼好。第二章飛機(jī)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)和組織知識(shí)目標(biāo)

[1]掌握金屬材料常見的晶體結(jié)構(gòu)類型；[2]掌握晶體中常見的缺陷類型；[3]掌握晶體塑性變形的方式和特點(diǎn)；[4]了解塑性變形對(duì)材料的影響；[5]了解回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程學(xué)習(xí)目標(biāo)技能目標(biāo)

[1]能根據(jù)材料的晶體結(jié)構(gòu)類型判斷塑性變形方式；[2]能通過(guò)純金屬的結(jié)晶過(guò)程得到細(xì)小的晶粒；[3]能對(duì)冷變形金屬加熱時(shí)組織變化進(jìn)行控制。素質(zhì)目標(biāo)

[1]具備敬業(yè)奉獻(xiàn)的職業(yè)操守和扎實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)；[2]具備創(chuàng)新精神和主觀能動(dòng)性；[3]具備“航空?qǐng)?bào)國(guó)、航空強(qiáng)國(guó)”的精神和“大國(guó)工匠”作風(fēng)。學(xué)習(xí)目標(biāo)主要內(nèi)容一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、純金屬的結(jié)晶三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（1）晶體

內(nèi)部的原子（原子團(tuán)或離子）在空間按一定的周期性排列形成具有一定規(guī)則幾何外形的固體成為晶體，如鉆石、食鹽、大部分金屬、水晶等；而內(nèi)部原子或分子的排列呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的分布狀態(tài)的固體稱為非晶體，如玻璃、塑料、石蠟、橡膠等。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（2）晶格與晶胞

金屬晶體就是由這些幾何小球堆積而成的，把原子簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)，用假想的線把這些點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了在空間有一定規(guī)律的空間格架，這種描繪幾何點(diǎn)（原子）排列的空間格架就叫作晶格。而在晶格中體積最小，對(duì)稱性最高的平行六面體，且能代表原子排列形式特征的最小幾何單元，稱為晶胞。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬的晶格類型在已知的80余種金屬元素中，除少數(shù)十幾種金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬都具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。其中最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格密排六方晶格面心立方晶格一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬的晶格類型在已知的80余種金屬元素中，除少數(shù)十幾種金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬都具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。其中最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格①體心立方晶格參數(shù)體心立方晶格的晶胞是一個(gè)正方體（a=b=c，α=β=γ=90°），其晶胞中含有2個(gè)完整原子，8個(gè)頂角和立方體的中心各包含1個(gè)完整原子，原子半徑為3/4a（a為棱邊長(zhǎng)度），配位數(shù)為8，致密度為0.618，鉻（Cr）、鎢（W）、α-鐵（α-Fe）、鉬（Mo）、釩（V）等金屬都屬于這種晶體結(jié)構(gòu)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬的晶格類型在已知的80余種金屬元素中，除少數(shù)十幾種金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬都具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。其中最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。面心立方晶格②面心立方晶格參數(shù)面心立方晶格的晶胞是一個(gè)正方體（a=b=c，α=β=γ=90°），其晶胞中含有4個(gè)完整原子，8個(gè)頂角上包含一個(gè)完整原子，6個(gè)面的中心包含3個(gè)完整原子，原子半徑為2/4a（a為棱邊長(zhǎng)度），配位數(shù)為12，致密度為0.74，鋁（Al）、銅（Cu）、γ-鐵（γ-Fe）、金（Au）、鎳（Ni）等金屬都屬于這種晶體結(jié)構(gòu)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬的晶格類型在已知的80余種金屬元素中，除少數(shù)十幾種金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬都具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。其中最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。密排六方晶格③密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六棱柱（a=b≠c，α=β=90°，γ=120°），其晶胞中含有6個(gè)完整原子，其柱體的每個(gè)頂角和上、下底面中心各包含一個(gè)原子，剩余3個(gè)原子排布在柱體內(nèi)部。原子半徑為1/2a（a為棱邊長(zhǎng)度），配位數(shù)為12，致密度為0.74，鎂（Mg）、鋅（Zn）、鈹（Be）、鎘（Cd）等金屬都屬于這種晶體結(jié)構(gòu)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.晶體缺陷上述研究是將晶體當(dāng)作理性晶體來(lái)看待，即晶體中原子嚴(yán)格地成完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體，如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體，單晶體是指各部分位向完全一致的晶體。而實(shí)際晶體應(yīng)是內(nèi)部存在缺陷的多晶體，多晶體是許多位向不同的單晶體的聚合體，將組成多晶體的一個(gè)一個(gè)單晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的界面叫晶界。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.晶體缺陷（1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷，如空位、間隙原子、置換原子等。①空位：晶格中某些結(jié)點(diǎn)未被原子占有而形成空著的位置；②間隙原子：在其他晶格間隙處出現(xiàn)多余原子而形成間隙原子；③置換原子：是指占據(jù)基體原子平衡位置的異類的原子；一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（2）線缺陷線缺陷是指在兩維尺寸很小，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列導(dǎo)致的缺陷。線缺陷的集中表現(xiàn)形式是位錯(cuò)，它是一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。位錯(cuò)從幾何結(jié)構(gòu)可分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種。①刃型位錯(cuò)。在金屬晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對(duì)于另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面。這個(gè)多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，即為位錯(cuò)線，這種線缺陷稱為刃型位錯(cuò)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（2）線缺陷線缺陷是指在兩維尺寸很小，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列導(dǎo)致的缺陷。線缺陷的集中表現(xiàn)形式是位錯(cuò)，它是一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。位錯(cuò)從幾何結(jié)構(gòu)可分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種。②螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)是一個(gè)晶體的某一部分相對(duì)于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距。在中央軸線處即為一螺型位錯(cuò)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）面缺陷面缺陷是兩維尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有晶界、亞晶界、相界等。①晶界。多數(shù)晶體物質(zhì)是由許多晶粒所組成，結(jié)構(gòu)相同而位向不同晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內(nèi)界面。晶界又可以分為大角度晶界和小角度晶界。大角度晶界是指相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界。小角度晶界是指相鄰晶粒的位向差小于10°的晶界，基本上由位錯(cuò)構(gòu)成。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）面缺陷面缺陷是兩維尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有晶界、亞晶界、相界等。②亞晶界。在實(shí)際晶體內(nèi)，每個(gè)晶粒內(nèi)的原子排列并不是十分齊整的。往往能夠觀察到直徑為10～100μm的晶塊，晶塊彼此間位向差小于2°，這些晶塊之間的界面稱為亞晶粒晶界，簡(jiǎn)稱亞晶界。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)（3）面缺陷面缺陷是兩維尺寸很大，第三向尺寸很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有晶界、亞晶界、相界等。③相界。具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。相界的結(jié)構(gòu)有三類：共格界面、半共格界面和非共格界面?！肮哺瘛笔侵附缑嫔系脑油瑫r(shí)位于兩相晶格的節(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。形成共格相界必須滿足結(jié)構(gòu)和大小一致的原則，即兩個(gè)晶粒在界面處的晶面應(yīng)該具有相近的原子排列和原子間距，從而使兩個(gè)晶粒在界面處保持一定的取向關(guān)系。二、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶過(guò)程物質(zhì)由液態(tài)→固態(tài)的過(guò)程稱為凝固,由于液態(tài)金屬凝固后一般都為晶體，所以液態(tài)金屬→固態(tài)金屬的過(guò)程也稱為結(jié)晶。結(jié)晶的過(guò)程可從宏觀和微觀兩方面進(jìn)行分析。二、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶過(guò)程（1）結(jié)晶的宏觀過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程是采用熱分析法來(lái)進(jìn)行分析的。將純金屬放入坩堝中加熱熔化成液態(tài)，然后插入熱電偶測(cè)量溫度，讓液態(tài)金屬緩慢而均勻地冷卻，用X-Y記錄儀將冷卻過(guò)程中的溫度與時(shí)間記錄下來(lái)，獲得冷卻曲線。通過(guò)熱分析法可得到一條熱分析曲線，這條曲線就是純金屬的冷卻曲線，即溫度隨時(shí)間變化曲線。二、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶過(guò)程①過(guò)冷現(xiàn)象由冷卻曲線可知，金屬的理論結(jié)晶溫度T0和實(shí)際結(jié)晶溫度Tn有一定的溫度差，將這種實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷現(xiàn)象可用過(guò)冷度來(lái)進(jìn)行描述，過(guò)冷度是指理論的結(jié)晶溫度與實(shí)際給定的結(jié)晶現(xiàn)場(chǎng)溫度的差值，即ΔT=T0–Tn。過(guò)冷度的大小與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越快，實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，過(guò)冷度就越大；反之，冷卻速度越慢，過(guò)冷度就越小，實(shí)際結(jié)晶溫度就更接近理論結(jié)晶溫度。不同金屬的過(guò)冷度也不相同。二、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶過(guò)程②結(jié)晶潛熱1mol物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨著吸收或放出的熱量稱為相變潛熱。金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),需要吸熱；由液態(tài)金屬結(jié)晶現(xiàn)象和條件變?yōu)楣虘B(tài)需要放熱。前者稱為融化潛熱，后者稱為結(jié)晶潛熱。由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨時(shí)間的延長(zhǎng)，它所含的熱量不斷散失，其溫度也不斷下降，但當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，冷卻的時(shí)間雖然增加，但溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個(gè)水平線段，這個(gè)水平線段的出現(xiàn)是由于結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了金屬向外界散失的熱量，從而使得結(jié)晶過(guò)程中體系內(nèi)保持溫度不變。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍環(huán)境散熱，故溫度又重新下降。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶開始時(shí)間為ts，結(jié)晶結(jié)束時(shí)間為tf，即結(jié)晶過(guò)程持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為t=tf–ts。二、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶過(guò)程②結(jié)晶潛熱1mol物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨著吸收或放出的熱量稱為相變潛熱。金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),需要吸熱；由液態(tài)金屬結(jié)晶現(xiàn)象和條件變?yōu)楣虘B(tài)需要放熱。前者稱為融化潛熱，后者稱為結(jié)晶潛熱。二、純金屬的結(jié)晶2.結(jié)晶的微觀過(guò)程金屬結(jié)晶時(shí)，首先從液態(tài)金屬中形成一些極細(xì)小的晶體，這些極細(xì)小的晶體稱為晶核，它不斷吸附周圍液體中的原子而長(zhǎng)大。與此同時(shí)，在液體中又不斷產(chǎn)生新的晶核并相繼長(zhǎng)大，直到全部液體凝固為止，最后金屬便由許多外形不規(guī)則的小晶體（晶粒）組成。因此，液體金屬的結(jié)晶過(guò)程包括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程，而且這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。二、純金屬的結(jié)晶2.結(jié)晶的微觀過(guò)程（1）晶核的形成當(dāng)液態(tài)金屬冷至結(jié)晶溫度以下時(shí)，某些近似晶體原子排列的小原子基團(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。但在實(shí)際金屬中常有雜質(zhì)存在，這些雜質(zhì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)的存在能夠促進(jìn)在其表面上形成晶核。這種依附雜質(zhì)而形成的晶核稱為非自發(fā)形核。自發(fā)形核和非自發(fā)形核在金屬結(jié)晶時(shí)同時(shí)進(jìn)行的，但非自發(fā)形核比自發(fā)形核更為重要，在金屬結(jié)晶過(guò)程中起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。二、純金屬的結(jié)晶2.結(jié)晶的微觀過(guò)程（2）晶核的長(zhǎng)大晶核形成后，當(dāng)過(guò)冷度較大或金屬液體中存在雜質(zhì)時(shí)，金屬晶體常以樹枝狀的形式生長(zhǎng)，在晶核開始長(zhǎng)大初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，故外形也是比較規(guī)則的。但隨著晶核的繼續(xù)長(zhǎng)大，形成了晶體的尖角和棱邊，由于尖角和棱邊處的散熱條件優(yōu)于其他部位，并易于存在晶體缺陷等原因，晶體在頂角和棱邊處優(yōu)先長(zhǎng)大，其生長(zhǎng)方式像樹枝一樣，先長(zhǎng)出干枝，稱為一次晶軸，然后在一次晶軸伸長(zhǎng)和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面棱角和缺陷處又長(zhǎng)出分枝，稱為二次晶軸。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，二次晶軸長(zhǎng)成的同時(shí)又長(zhǎng)出三次晶軸等，如此不斷成長(zhǎng)和分枝下去，直至液體全部消失，最后得到的晶體稱為樹枝狀晶體（簡(jiǎn)稱枝晶），每一個(gè)枝晶將成長(zhǎng)為一個(gè)晶粒。二、純金屬的結(jié)晶1.增加過(guò)冷度形核率和長(zhǎng)大速率都隨過(guò)冷度增大而增大，但在很大的范圍內(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，單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。這種生產(chǎn)方法適用中、小型鑄件的生產(chǎn)。2.變質(zhì)處理為了獲得細(xì)晶粒組織，通常在澆鑄前向液態(tài)金屬中人為地加入一些細(xì)小的變質(zhì)劑，使其大量增加非自發(fā)晶核，從而得到細(xì)晶粒組織。這種細(xì)化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。例如，向鋼液中加入鋁、釩、硼；向鑄鐵中加入Si-Fe；向鋁液中加入鈦、鋯等。3.附加振動(dòng)采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)的方法，一方面依靠外界輸入能量使晶核提前形成；另一方面使枝晶折斷、破碎，使晶核數(shù)目增多，從而細(xì)化晶粒。晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬結(jié)晶之后是晶體，每種金屬都有它自己的晶體結(jié)構(gòu)類型。同素異構(gòu)，即同種金屬有不同結(jié)構(gòu)。一些金屬，在固態(tài)下隨溫度或壓力的改變，發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)變化，即由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。有同素異構(gòu)體的金屬才能發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如純鐵在1538℃，結(jié)晶出來(lái)的是晶體結(jié)構(gòu)類型為體心立方晶格的δ-Fe，但隨著固體金屬溫度的改變，純鐵的晶體結(jié)構(gòu)類型也發(fā)生了改變，這個(gè)過(guò)程稱為純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變通過(guò)分析純鐵的冷卻曲線，如圖2-25所示，可以看到：純鐵在1538℃，結(jié)晶出來(lái)的是體心立方晶格的δ-Fe，在1394℃，δ-Fe將轉(zhuǎn)變成為面心立方晶格的γ-Fe；在912℃時(shí)，γ-Fe將轉(zhuǎn)變成為體心立方晶格的α-Fe。于是，可以得到純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢翰粌H純鐵能夠發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，鋼、鑄鐵同樣能發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。正因?yàn)槿绱?，生產(chǎn)中才有可能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行各種熱處理來(lái)改變其組織和性能，可見，純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象具有極其重要的意義。第三章飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的熱處理知識(shí)目標(biāo)[1]掌握二元合金相圖中組元、相、組織等基本概念；[2]掌握鐵的同素異構(gòu)、鐵碳相圖中基本相、基本組織的性能特點(diǎn)；[3]掌握鋼的熱處理原理及鋼加熱和冷卻時(shí)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變；[4]了解退火、正火、淬火及回火的概念、分類和作用；[5]了解表面熱處理工藝的工作原理、分類；學(xué)習(xí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)[1]具備良好的職業(yè)綜合素質(zhì)；[2]具有愛國(guó)報(bào)國(guó)的情懷。學(xué)習(xí)目標(biāo)技能目標(biāo)

[1]能通過(guò)合金相圖識(shí)別合金的組元、相、組織；[2]能根據(jù)相圖初步分析材料性能；[3]能根據(jù)工件性能要求初步設(shè)計(jì)熱處理工序。主要內(nèi)容一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖二、鐵碳合金三、鋼的熱處理一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖1.合金的基本概念

（1）合金合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

（2）組元組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元，簡(jiǎn)稱為元。一般地說(shuō)，就是組成合金的元素。例如銅和鋅就是黃銅的組元。有時(shí)穩(wěn)定的化合物也可以看作組元。由兩個(gè)組元組成的合金就稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金就稱為三元合金。一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖1.合金的基本概念

（3）相相是指合金中成分、結(jié)構(gòu)均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。例如純鐵在1538℃以上時(shí)為均勻的液相L；在1538℃結(jié)晶時(shí)，不斷從液相L中結(jié)晶出固相δ-Fe，在整個(gè)結(jié)晶過(guò)程中為液相L和固相δ-Fe兩相并存；結(jié)晶終了時(shí)，則只存在一個(gè)固相δ-Fe。（4）組織通常把合金中相的晶體結(jié)構(gòu)稱為相結(jié)構(gòu)，而金相顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。所以合金中的各種相是組成合金的基本單元，而合金組織則是合金中各種相的綜合體。一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖2.合金的相結(jié)構(gòu)

（1）固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱為溶劑，晶格消失的組元稱為溶質(zhì)。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固溶體：若溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固液體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中并不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置，而是以間隙原子的形式存在，這種形式的固溶體稱為間隙固溶體。一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖2.合金的相結(jié)構(gòu)

（1）固溶體固溶強(qiáng)化由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體的晶格產(chǎn)生畸變，變形抗力增大，使合金的強(qiáng)度、硬度升高。因形成固溶體使合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。例如，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼就是利用錳、硅等元素強(qiáng)化鐵素體，而使鋼材力學(xué)性能得到較大提高。一、合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖2.合金的相結(jié)構(gòu)

（2）金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元。金屬化合物大致可分為：1）正常價(jià)化合物2）電子化合物3）間隙化合物二、鐵碳合金1.鐵碳合金基本相

（1）純鐵及其特性純鐵的強(qiáng)度、硬度低，塑性好。

純鐵在1538℃結(jié)晶時(shí)形成的晶體是體心立方晶格，這種高溫的體心立方晶格的鐵稱為δ鐵（δ-Fe）；繼續(xù)冷卻到1394℃，晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，稱為γ鐵（γ-Fe）；再繼續(xù)冷卻到912℃，晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為α鐵（α-Fe）。如繼續(xù)冷卻晶格類型不再發(fā)生變化，若加熱則發(fā)生相反的變化。

如上所述，像鐵、鈦、鈷等少數(shù)金屬具有在不同溫度晶體結(jié)構(gòu)不同的特性，把這種晶格類型隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象稱為同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。二、鐵碳合金1.鐵碳合金基本相

（2）鐵碳合金基本相

1）鐵素體

鐵素體是碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)F表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。由于體心立方晶格的間隙小，溶碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），因此鐵素體室溫時(shí)的性能與純鐵相似，強(qiáng)度硬度低，塑性和韌性好。

顯微鏡下觀察，鐵素體呈灰色并有明顯大小不一的顆粒形狀，晶界曲折。二、鐵碳合金1.鐵碳合金基本相

（2）鐵碳合金基本相

2）奧氏體

奧氏體是碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)A表示。奧氏體仍保持γ鐵的面心立方晶格。由于面心立方晶格的間隙較大，因此溶碳能力也較大，其最大溶碳量2.11%（1148℃）。奧氏體塑性、韌性好，強(qiáng)度、硬度較低，所以生產(chǎn)中常將工件加熱到奧氏體狀態(tài)進(jìn)行鍛造。

奧氏體的顯微組織與鐵素體的顯微組織相似，呈多邊形晶粒，但晶界較鐵素體平直。二、鐵碳合金1.鐵碳合金基本相

（2）鐵碳合金基本相

3）滲碳體

滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的金屬化合物，用化學(xué)式Fe3C表示，滲碳體是鋼和鑄鐵中常見的固相。滲碳體的含碳量為6.69%，硬度很高（約1000HV），塑性、韌性幾乎為零，極脆。

滲碳體在鐵碳合金中常以片狀、球狀、網(wǎng)狀等形式與其他相共存，它是鋼中的主要強(qiáng)化相，其形態(tài)、大小、數(shù)量和分布對(duì)鋼的性能有很大影響。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是指在平衡條件下（極其緩慢加熱或冷卻），不同成分的鐵碳合金在不同溫度下所處狀態(tài)或組織的圖形。

鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），但含碳量大于6.69%的鐵碳合金的脆性極大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。而Fe3C的含碳量較低，又是一個(gè)穩(wěn)定的化合物，可以作為一個(gè)獨(dú)立的組元，因此一般研究的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖。Fe-Fe3C相圖的縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示成分。左端原點(diǎn)wc=0%，即純鐵；右端點(diǎn)wc=6.69%，即Fe3C。橫坐標(biāo)上任一點(diǎn)均代表一種成分的鐵碳合金，表示wc=4.3%（wFe=95.7%）的鐵碳合金。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖1）各特性點(diǎn)的含義二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖2）鐵碳合金的分類①工業(yè)純鐵（wc≤0.0218%）

②鋼（0.0218%＜wc≤2.11%）共析鋼：wc=0.77%，室溫組織為P亞共析鋼：0.0218%＜wc＜0.77%，室溫組織為F+P過(guò)共析鋼：0.77%＜wc≤2.11%，室溫組織為P+Fe3CⅡ③白口鑄鐵（2.11%＜wc≤6.69%）共晶白口鑄鐵：wc=4.3%，室溫組織為L(zhǎng)d′亞共晶白口鑄鐵：2.11%＜wc＜4.3%，室溫組織為P+Fe3CⅡ+Ld′過(guò)共晶白口鑄鐵：4.3%＜wc≤6.69%，室溫組織為L(zhǎng)d+Fe3CⅠ二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖

3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

①共析鋼冷卻過(guò)程分析合金I為wc=0.77%的共析鋼。合金在1點(diǎn)溫度以上全部為液相，當(dāng)緩冷至與AC線相交的1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出奧氏體，奧氏體的量隨溫度下降而增多，其成分沿AE線變化，剩余液相逐漸減少，其成分沿AC線變化。冷至2點(diǎn)溫度時(shí)，液相全部結(jié)晶為與原合金成分相同的奧氏體。

2點(diǎn)至3點(diǎn)（即S點(diǎn)）溫度范圍內(nèi)為單一奧氏體。冷至3點(diǎn)（727℃）時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同時(shí)析出成分為P點(diǎn)的鐵素體和成分為K點(diǎn)的滲碳體，構(gòu)成交替重疊的層片狀兩相組織，稱為珠光體，用符號(hào)P表示，其共析轉(zhuǎn)變式為ASP（FP+Fe3CK）。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖

3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析②亞共析鋼冷卻過(guò)程分析合金Ⅱ在3點(diǎn)以上的冷卻過(guò)程與合金Ⅰ在3點(diǎn)以上相似。當(dāng)合金冷至與GS線相交的3點(diǎn)時(shí)，開始從奧氏體中析出鐵素體。隨溫度降低，鐵素體量不斷增多，其成分沿GP線變化，而奧氏體量逐漸減少，其成分沿GS線向共析成分接近，3點(diǎn)至4點(diǎn)間組織為奧氏體和鐵素體。合金緩冷至4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體的含碳量達(dá)到共析成分（wc=0.77%），發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。溫度繼續(xù)下降，由鐵素體中析出極少量的三次滲碳體，可忽略不計(jì)。故其室溫組織為鐵素體和珠光體。所有亞共析鋼的冷卻過(guò)程均相似，其室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成。所不同的是隨含碳量的增加，珠光體量增多，鐵素體量減少。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

③過(guò)共析鋼冷卻過(guò)程分析合金Ⅲ的含碳量wc=1.2%，在3點(diǎn)以上的冷卻過(guò)程與合金I在3點(diǎn)以上相似。當(dāng)合金冷至與ES線相交的3點(diǎn)時(shí)，奧氏體中含碳量達(dá)到飽和，碳以二次滲碳體的形式析出，呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界分布。繼續(xù)冷卻，二次滲碳體量不斷增多，奧氏體量不斷減少，剩余奧氏體的成分沿ES線變化。當(dāng)冷卻到與PSK線相交的4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體中含碳量達(dá)到共析成分（wc=0.77%），故奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。繼續(xù)冷卻，組織基本不變。其室溫組織為珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖

3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析④共晶白口鑄鐵冷卻過(guò)程分析

合金Ⅳ為wc=4.3%的共晶白口鑄鐵。合金在1點(diǎn)（即C點(diǎn)）溫度以上為液相。緩冷至1點(diǎn)溫度（1148℃）時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即從一定成分的液相中同時(shí)結(jié)晶出成分為E點(diǎn)的奧氏體和成分為F點(diǎn)的滲碳體。共晶轉(zhuǎn)變后的奧氏體和滲碳體又稱共晶奧氏體和共晶滲碳體。由奧氏體和滲碳體組成的共晶體，稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示，其轉(zhuǎn)變式為L(zhǎng)c二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖

3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

⑤亞共晶白口鑄鐵冷卻過(guò)程分析合金Ⅴ為wc=3.0%的亞共晶白口鑄鐵。合金在1點(diǎn)溫度以上為液相。緩冷至與AC線相交的1點(diǎn)溫度時(shí)，從液相中開始結(jié)晶出奧氏體，隨溫度降低，奧氏體量不斷增多，其成分沿AE線變化，而液相逐漸減小，其成分沿AC線變化。冷卻至與ECF線相交的2點(diǎn)（1148℃）時(shí)，剩余液相成分達(dá)到共晶成分（wc=4.3%），發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。在2點(diǎn)至3點(diǎn)之間冷卻時(shí)，奧氏體的成分沿ES變化，并不斷析出二次滲碳體，冷至與PSK線相交的3點(diǎn)溫度時(shí)，奧氏體達(dá)到共析成分，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。其室溫組織為珠光體+二次滲碳體+變態(tài)萊氏體，即P+Fe3CⅡ+Ld’。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（1）鐵碳合金相圖

3）典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析⑥過(guò)共晶白口鑄鐵冷卻過(guò)程分析合金Ⅵ為wc=5.0%的過(guò)共晶白口鑄鐵。合金在1點(diǎn)溫度以上為液相。緩冷至1點(diǎn)溫度時(shí)，從液相中結(jié)晶出板條狀一次滲碳體，隨溫度降低，一次滲碳體量不斷增多，液相不斷減少，其成分沿DC線變化，冷至2點(diǎn)（1148℃）時(shí)，液相成分達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。在2點(diǎn)至3點(diǎn)之間冷卻時(shí)，同樣由奧氏體中析出二次滲碳體，但二次滲碳體在組織中難以辨認(rèn)。繼續(xù)冷卻到3點(diǎn)（727℃）時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫組織為變態(tài)萊氏體和一次滲碳體。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（2）鐵碳合金相圖的應(yīng)用

1）在選材方面的應(yīng)用鐵碳合金相圖所表明的成分、組織與性能之間的關(guān)系，為合理選用鋼鐵材料提供了依據(jù)。例如，要求塑性、韌性好的各種型材和建筑用鋼，應(yīng)選用含碳量低的鋼；承受沖擊載荷、并要求較高強(qiáng)度、塑性和韌性的機(jī)械零件，應(yīng)選用含碳量為0.25～0.55%的鋼；要求硬度高、耐磨性好的各種工具，應(yīng)選用含碳量大于0.55%的鋼；形狀復(fù)雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件（如冷軋棍、拉絲模、梨鏵等），應(yīng)選用白口鑄鐵。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（2）鐵碳合金相圖的應(yīng)用

2）在鑄造方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可確定合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。由相圖可知，共晶成分的合金熔點(diǎn)最低，結(jié)晶溫度范圍小，故流動(dòng)性好、分散縮孔少、偏析小，因而鑄造性能最好。所以，在鑄造生產(chǎn)中，共晶成分附近的鑄鐵得到了廣泛的應(yīng)用。常用鑄鋼的含碳量規(guī)定在wc=0.15～0.6%之間，在此范圍的鋼，其結(jié)晶溫度范圍較小，鑄造性能好。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（2）鐵碳合金相圖的應(yīng)用

3）在鍛造和焊接方面的應(yīng)用碳鋼在室溫時(shí)是由鐵素體和滲碳體組成的復(fù)相組織，塑性較差，變形困難，當(dāng)將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，可獲得良好的塑性，易于鍛造成形。含碳量越低，其鍛造性能越好。而白口鑄鐵無(wú)論是在低溫還是高溫，組織中均有大量硬而脆的滲碳體，故不能鍛造。鐵碳合金的焊接性與含碳量有關(guān)，隨含碳量增加，組織中滲碳體量增加，鋼的脆性增加，塑性下降，導(dǎo)致鋼的冷裂傾向增加，焊接性下降。含碳量越高，鐵碳合金的焊接性越差。二、鐵碳合金2.鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

（2）鐵碳合金相圖的應(yīng)用

4）在熱處理方面的應(yīng)用鐵碳合金在加熱或冷卻過(guò)程中有相的變化，故鋼和鑄鐵可通過(guò)不同的熱處理（如退火、正火、淬火、回火及化學(xué)熱處理等）來(lái)改善性能。根據(jù)Fe-Fe3C相圖可確定各種熱處理操作的加熱溫度。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（1）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一道工序。大多數(shù)熱處理工藝首先要將鋼加熱到相變點(diǎn)（又稱臨界點(diǎn)）以上，目的是獲得奧氏體。共析鋼、亞共析鋼和過(guò)共析鋼分別被加熱到PSK（A1）線、GS（A3）線和ES（Acm）線以上溫度才能獲得單相奧氏體組織。

A1、A3和Acm都是平衡相變點(diǎn)。但在實(shí)際熱處理時(shí)，加熱和冷卻都不可能是非常緩慢的，因此組織轉(zhuǎn)變都要偏離平衡相變點(diǎn)，即加熱時(shí)偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫。

為了區(qū)別于平衡相變點(diǎn)，通常將加熱時(shí)的相變點(diǎn)用Ac1、Ac3和Accm表示；而冷卻時(shí)的相變點(diǎn)用Ar1、Ar3和Arcm表示。

鋼的相變點(diǎn)是制定熱處理工藝參數(shù)的重要依據(jù)，各種鋼的相變點(diǎn)可在熱處理手冊(cè)中查到。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（1）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）奧氏體的形成過(guò)程

任何成分的鋼加熱到A1點(diǎn)以上時(shí)，都要發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程（奧氏體化）。

以共析鋼為例，來(lái)分析奧氏體化過(guò)程。

共析鋼加熱到Acl溫度時(shí)，便會(huì)發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過(guò)程遵從結(jié)晶的普遍規(guī)律。奧氏體的形成過(guò)程可分四個(gè)階段。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（1）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）奧氏體的形成過(guò)程

①奧氏體晶核的形成：奧氏體的晶核優(yōu)先形成于鐵素體和滲碳體的相界面上。

②奧氏體晶核的長(zhǎng)大：晶核的長(zhǎng)大是依靠與其相鄰的鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變和滲碳體的不斷溶解來(lái)完成的。

③剩余滲碳體的溶解：在奧氏體形成過(guò)程中，當(dāng)鐵素體完全轉(zhuǎn)變成奧氏體后，仍有部分滲碳體尚未溶解。這部分剩余的滲碳體隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷向奧氏體中溶解，直至全部消失。

④奧氏體的均勻化：繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，依靠碳原子的擴(kuò)散，使奧氏體的成分逐漸趨于均勻。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（1）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其影響因素

①晶粒大小的表示方法實(shí)際工作中常采用在100倍的顯微鏡下與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖對(duì)比來(lái)確定晶粒度級(jí)別G。一般認(rèn)為4級(jí)以下為粗晶粒，5～8級(jí)為細(xì)晶粒，8級(jí)以上為超細(xì)晶粒。

②奧氏體晶粒度的概念a）起始晶粒度指珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)奧氏體晶粒的大小。一般比較細(xì)小而均勻。

b）實(shí)際晶粒度指鋼在某一具體加熱條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒大小。實(shí)際晶粒度一般比起始晶粒度大，其大小直接影響鋼熱處理后的性能。

c）本質(zhì)晶粒度表示某種鋼在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向，不是晶粒大小的實(shí)際度量。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（1）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其影響因素

③奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響因素在高溫下，奧氏體晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。奧氏體化溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大越明顯。隨著鋼中奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向也增大。但當(dāng)wc>1.2%時(shí)，奧氏體晶界上存在未溶的滲碳體能阻礙晶粒的長(zhǎng)大。鋼中加入能生成穩(wěn)定碳化物的元素（如Nb、Ti、V、Zr等）和能生成氧化物及氮化物的元素（如A1等），都會(huì)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，而錳和磷是增加奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的元素。

奧氏體晶粒長(zhǎng)大的結(jié)果，對(duì)零件的熱處理質(zhì)量有很大的影響。為了控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，熱處理加熱時(shí)要合理選擇并嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間，合理選擇鋼的原始組織及選用含有一定量合金元素的鋼材等。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)奧氏體化后，由于冷卻條件不同，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在組織和性能上有很大差別。45鋼在同樣奧氏體化條件下，由于冷卻速度不同，其力學(xué)性能有明顯差別。

在熱處理生產(chǎn)中，常用的冷卻方式有兩種，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變

①珠光體型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變發(fā)生在A1～550℃溫度范圍內(nèi)。在轉(zhuǎn)變過(guò)程中鐵、碳原子都進(jìn)行擴(kuò)散，故珠光體轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。珠光體轉(zhuǎn)變是以形核長(zhǎng)大方式進(jìn)行的，在A1～550℃溫度范圍內(nèi)，奧氏體等溫分解為層片狀的珠光體組織。珠光體層間距隨過(guò)冷度的增大而減小。按其層間距的大小，可分為珠光體、索氏體（細(xì)珠光體）和托氏體（極細(xì)珠光體）三種。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變

②貝氏體型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變發(fā)生在550℃～Ms溫度范圍內(nèi)。由于貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低，鐵原子擴(kuò)散困難，因此，貝氏體（以符號(hào)B表示）的組織形態(tài)和性能與珠光體不同。

根據(jù)組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度不同，貝氏體一般可分為上貝氏體和下貝氏體兩種。

上貝氏體是在550～350℃溫度范圍內(nèi)形成的，其顯微組織特征呈羽毛狀，它是由成束的鐵素體條和斷續(xù)分布在條間的短小滲碳體組成的。

下貝氏體是在350℃～Ms的溫度范圍內(nèi)形成的，其顯微組織特征是黑色針葉狀，它是由針葉狀鐵素體和分布在針葉內(nèi)的細(xì)小滲碳體粒子組成的。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變

②貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體的性能主要取決于貝氏體的組織形態(tài)。上貝氏體硬度約40～45HRC，下貝氏體硬度約45～55HRC。與上貝氏體比較，下貝氏體不僅硬度、強(qiáng)度較高，而且塑性和韌性也較好，具有良好的綜合力學(xué)性能。因此，在生產(chǎn)中常用等溫淬火來(lái)獲得下貝氏體組織。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變

③馬氏體型轉(zhuǎn)變是當(dāng)奧氏體被迅速過(guò)冷至MS線以下時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)變。與前兩種轉(zhuǎn)變不同，馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（MS～Mf線之間）連續(xù)冷卻時(shí)完成的。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變

影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素：①碳的影響共析鋼的過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定。②合金元素的影響除Co以外，能溶入奧氏體的合金元素都使過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性增大，C曲線向右移。③加熱溫度和保溫時(shí)間的影響奧氏體化溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體成分越均勻，同時(shí)晶粒越大，晶界面積則減少。這樣會(huì)降低過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的形核率，奧氏體穩(wěn)定性增大，C曲線右移。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖中，圖中PS線為珠光體轉(zhuǎn)變開始線，Pf線為珠光體轉(zhuǎn)變終了線，K線為珠光體轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)實(shí)際冷卻速度小于v’k時(shí)，只發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變；大于vk時(shí)則只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。冷卻速度介于兩者之間時(shí)，奧氏體先有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，當(dāng)冷卻曲線與K線相交時(shí)，轉(zhuǎn)變中止，剩余奧氏體在冷至Ms線以下時(shí)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诘蜏兀∕s線以下）下進(jìn)行。由于過(guò)冷度很大，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)難以進(jìn)行鐵、碳原子的擴(kuò)散，只發(fā)生γ-Fe向α-Fe的晶格改組。固溶在奧氏體中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，稱其為馬氏體，以符號(hào)M表示。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：

①馬氏體轉(zhuǎn)變屬無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變前后的碳濃度沒(méi)有變化。②馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，瞬間形成。③馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。馬氏體的量隨溫度的不斷降低而增多，一直到Mf點(diǎn)。Ms和Mf與冷卻速度無(wú)關(guān)，只取決于奧氏體的化學(xué)成分。

④馬氏體轉(zhuǎn)變一般不能進(jìn)行完全，總有一小部分奧氏體未能轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體。三、鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理

（2）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

馬氏體的組織與性能：馬氏體的形態(tài)主要有板條狀和片狀兩種。其形態(tài)主要與奧氏體含碳量有關(guān)。含碳量較低的鋼淬火時(shí)幾乎全部得到板條狀馬氏體組織，而含碳量高的鋼得到片狀馬氏體組織，又稱針狀馬氏體，含碳量介于中間的鋼則是兩種馬氏體的混合組織。板條狀馬氏體顯微組織呈相互平行的細(xì)板條束，束之間具有較大的位向差。片狀馬氏體呈針片狀，在正常淬火條件下馬氏體針片十分細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨形態(tài)。板條狀馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度和硬度，而且還具有較好的塑性和韌性。片狀馬氏體的硬度很高，但塑性和韌性很差。三、鋼的熱處理2.鋼的熱處理工藝

（1）鋼的退火

退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件，為預(yù)備熱處理。退火后獲得珠光體型組織。退火的主要目的是：軟化鋼材以利于切削加工；消除內(nèi)應(yīng)力以防止工件變形；細(xì)化晶粒，改善組織，為零件的最終熱處理作好準(zhǔn)備。根據(jù)鋼的成分和退火目的不同，常用的退火方法有完全退火、等溫退火、球化退化、均勻化退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。三、鋼的熱處理2.鋼的熱處理工藝

（1）鋼的退火1）完全退火和等溫退火

完全退火是把鋼加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，隨爐冷至600℃以下，然后出爐空冷。完全退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織，主要用于亞共析鋼的鑄、鍛件，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)。

完全退火目的在于細(xì)化晶粒，消除過(guò)熱組織，降低硬度和改善切削加工性能。過(guò)共析鋼不宜采用完全退火，以避免二次滲碳體以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出，給切削加工和以后的熱處理帶來(lái)不利影響。完全退火很費(fèi)工時(shí)，生產(chǎn)中常采用等溫退火來(lái)代替。等溫退火與完全退火加熱溫度完全相同，只是冷卻方式有差別。等溫退火是以較快速度冷卻到A1以下某一溫度，等溫一定時(shí)間使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后空冷。對(duì)某些奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，采用等溫退火可大大縮短退火周期。三、鋼的熱處理2.鋼的熱處理工藝

（1）鋼的退火2）球化退火

球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20～40℃，充分保溫后，隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷。球化退火隨爐冷卻通過(guò)Ar1溫度時(shí)，冷卻應(yīng)足夠緩慢，以使共析滲碳體球化。球化退火主要用于過(guò)共析鋼。其目的是使鋼中的滲碳體球狀化，以降低鋼的硬度，改善切削加工性，并為以后的熱處理工序做好組織準(zhǔn)備。若鋼的原始組織中有嚴(yán)重的滲碳體網(wǎng)，則在球化退火前應(yīng)進(jìn)行正火消除，以保證球化退火效果。三、鋼的熱處理2.鋼的熱處理工藝

（1）鋼的退火3）均勻化退火（擴(kuò)散退火）均勻化退火是將鋼加熱到略低于固相線溫度（Ac3或Accm以上150～300℃）長(zhǎng)時(shí)間保溫（10～15h），然后隨爐冷卻，以使鋼的化學(xué)成分和組織均勻化。均勻化退火能耗高，易使晶粒粗大。為細(xì)化晶粒，均勻化退火后應(yīng)進(jìn)行完全退火或正火。主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛坯。4）去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火，是將鋼加熱到Ac1以下某一溫度（一般約為500～600℃）保溫一定時(shí)間，然后隨爐冷卻。去應(yīng)力退火過(guò)程中不發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，目的是為了消除鑄、鍛、焊件和冷沖壓件的殘余應(yīng)力。

再結(jié)晶退火主要用于經(jīng)冷變形的鋼，可以軟化由于冷變形引起的材料硬化現(xiàn)象。三、鋼的熱處理2.鋼的熱處理工藝

（2）鋼的正火將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上30