金屬工藝學(xué)（第3版）課件 單元一 金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)

金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)●金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有一定的強(qiáng)度和塑性，并具有光澤的物質(zhì)?！窠饘俨牧鲜怯山饘僭鼗蛞越饘僭貫橹饕牧?，并具有金屬特性的工程材料?！窈辖鹗侵竷煞N或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料?！褚澡F或以它為主而形成的金屬材料，稱為鋼鐵材料（或稱黑色金屬），如各種鋼材和鑄鐵?！癯撹F材料以外的其它金屬材料，統(tǒng)稱為非鐵金屬（或稱有色金屬），如銅、鋁、鎂、鋅、鈦、錫、鉛、鉻、鉬、鎢、鎳等。模塊一

金屬材料的分類●鋼鐵材料是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（C）(含碳量)進(jìn)行分類，可分為工業(yè)純鐵（w（C）<0.0218%）；鋼（w（C）=0.0218%～2.11%）和白口鑄鐵或生鐵（w（C）>2.11%）。生鐵由鐵礦石經(jīng)高爐冶煉而得，它是煉鋼和鑄件生產(chǎn)的主要原材料。高爐煉鐵的爐料主要是鐵礦石、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）。高爐冶煉出的鐵不是純鐵，其中含有碳、硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素，這種鐵稱為生鐵。生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品。根據(jù)用戶的不同需要，生鐵可分為兩類：鑄造生鐵和煉鋼生鐵。模塊二鋼鐵材料生產(chǎn)過程概述一、煉鐵鋼材生產(chǎn)是以生鐵為主要原料，首先將生鐵裝入高溫的煉鋼爐里，通過氧化作用降低生鐵中碳和雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并使其到達(dá)需要的鋼液，然后將鋼液澆鑄成鋼錠或連續(xù)坯，再經(jīng)過熱軋或冷軋后，制成各種類型的型鋼。用生鐵煉鋼，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)氧化過程。1．煉鋼方法

二、煉鋼煉鋼方法熱

源主要原料主要特點(diǎn)

產(chǎn)

品氧氣轉(zhuǎn)爐氧化反應(yīng)的化學(xué)熱生鐵、廢鋼冶煉速度快，生產(chǎn)率高，成本低。鋼的品種較多，質(zhì)量較好，適合于大量生產(chǎn)非合金鋼和低合金鋼電弧爐電能廢鋼爐料通用性大，爐內(nèi)氣氛可以控制，脫氧良好，能冶煉難熔合金鋼。鋼的質(zhì)量優(yōu)良，品種多樣合金鋼2．鋼的脫氧按鋼液脫氧程度的不同，鋼可分為特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)，沸騰鋼(F)3種。3．鋼的澆注鋼液經(jīng)脫氧后，除少數(shù)用來澆鑄成鑄鋼件外，其余都澆鑄成鋼錠或連鑄坯。4．煉鋼的最終產(chǎn)品鋼錠經(jīng)過軋制最終形成板材、管材、型材、線材及其它類型的材料。五、我國在金屬加工方面取得的成就

機(jī)械產(chǎn)品的制造過程一般分為設(shè)計(jì)、制造與使用三個(gè)階段，如圖1-4所示。模塊三

機(jī)械制造過程概述金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能?！袷褂眯阅苁侵附饘俨牧蠟楸ＷC機(jī)械零件或工具正常工作應(yīng)具備的性能，即在使用過程中所表現(xiàn)出的特性。金屬材料的使用性能包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等；●工藝性能是指金屬材料在制造機(jī)械零件和工具的過程中，適應(yīng)各種冷加工和熱加工的性能。工藝性能也是金屬材料采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。模塊四

金屬材料的性能一、金屬材料的力學(xué)性能

●金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力──應(yīng)變關(guān)系的性能，如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等?！裎矬w受外力作用后導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用的力，稱為內(nèi)力?！駟挝幻娣e上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力R(N/mm2)?！駪?yīng)變?是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化(%)。金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。模塊四

金屬材料的性能

（一）強(qiáng)度與塑性●金屬材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度?！袼苄允侵附饘俨牧显跀嗔亚鞍l(fā)生不可逆永久變形的能力。金屬材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可以通過拉伸試驗(yàn)測得。1．拉伸試驗(yàn)

●拉伸試驗(yàn)是指用靜拉伸力對試樣進(jìn)行軸向拉伸，測量拉伸力和相應(yīng)的伸長，并測其力學(xué)性能的試驗(yàn)。（1）拉伸試樣。拉伸試樣通常采用圓形橫截面拉伸試樣，分為短試樣和長試樣兩種。長試樣L0=10d0；短試樣L0=5d0。模塊四

金屬材料的性能（2）試驗(yàn)方法。2．力伸長曲線●在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸力F和試樣伸長量△L之間的關(guān)系曲線，稱為力伸長曲線。試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、變形強(qiáng)化階段、縮頸與斷裂四個(gè)階段。模塊四

金屬材料的性能金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)3．強(qiáng)度指標(biāo)金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)主要有:屈服強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。（1）屈服強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是指試樣在拉伸試驗(yàn)過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時(shí)的應(yīng)力。屈服強(qiáng)度用符號(hào)ReH或ReL表示。單位為N/mm2或MPa。規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度是指試樣塑性延伸等于規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距Le百分率時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力，用應(yīng)力符號(hào)R并加角標(biāo)“P和規(guī)定塑性伸長率”表示，如RP0.2表示規(guī)定塑性伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力定為沒有明顯產(chǎn)生屈服現(xiàn)象金屬材料的屈服強(qiáng)度。（2）抗拉強(qiáng)度。抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。用符號(hào)Rm表示，單位為N/mm2或MPa。（一）強(qiáng)度與塑性

4．塑性指標(biāo)（1）斷后伸長率。試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，用符號(hào)A表示。使用長試樣測定的斷后伸長率用符號(hào)A11.3表示；使用短試樣測定的斷后伸長率用符號(hào)A表示。（2）斷面收縮率。斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。（二）強(qiáng)度與塑性（二）硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。在壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。1．布氏硬度布氏硬度的試驗(yàn)原理是用一定直徑的碳化鎢合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據(jù)壓痕直徑d計(jì)算其硬度值的方法。布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的，用符號(hào)HBW表示，上限為650HBW。

（二）硬度布氏硬度的標(biāo)注方法是：測定的硬度值應(yīng)標(biāo)注在硬度符號(hào)“HBW”的前面。除了保持時(shí)間為10～15s的試驗(yàn)條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應(yīng)在硬度符號(hào)“HBW”的后面用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭直徑、試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時(shí)間。例如，150HBW10/1000/30。2．洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或碳化鎢合金球），壓入試樣表面，試驗(yàn)時(shí)先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力，壓入試樣表面之后，去除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力時(shí)，根據(jù)試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。測定的硬度數(shù)值寫在符號(hào)“HR”的前面，符號(hào)“HR”后面寫使用的標(biāo)尺，如50HRC表示用“C”標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。（二）硬度3．維氏硬度維氏硬度的測定原理與布氏硬度基本相似，是以面夾角為136°的正四棱錐體金剛石為壓頭，試驗(yàn)時(shí)，在規(guī)定的試驗(yàn)力F（49.03N~980.7N）作用下，壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，則試樣表面上壓出一個(gè)正四棱錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線d的平均長度，可計(jì)算出其硬度值。維氏硬度用符號(hào)“HV”表示。維氏硬度數(shù)值寫在符號(hào)“HV”的前面，試驗(yàn)條件寫在符號(hào)“HV”的后面。例如，640HV30表示用30kgf(294.2N)的試驗(yàn)力，保持10～15s測定的維氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的試驗(yàn)力，保持20s測定的維氏硬度值是640。模塊三

機(jī)械制造過程概述1．一次沖擊試驗(yàn)韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。金屬材料的韌性大小通常采用吸收能量K（單位是焦?fàn)枺┲笜?biāo)來衡量。（1）夏比擺錘沖擊試樣。夏比擺錘沖擊試樣有V型缺口試樣、U型缺口試樣和無缺口試樣3種。帶V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣；帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣。（2）夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法。夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。計(jì)算公式是：V型缺口試樣：KV2或KV8=AKV1-AKV2(J)U型缺口試樣：KU2或KU8=AKU1-AKU2(J)KV2或KU2表示用刀刃半徑是2mm的擺錘測定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半徑是8mm的擺錘測定的吸收能量。吸收能量大，表示金屬材料抵抗沖擊試驗(yàn)力而不破壞的能力愈強(qiáng)。（三）韌性吸收能量K對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質(zhì)量、宏觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗(yàn)金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。（3）吸收能量與溫度的關(guān)系。金屬材料的吸收能量與溫度之間的關(guān)系曲線一般包括高吸收能量區(qū)、過渡區(qū)和低吸收能量區(qū)三部分。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值時(shí)，吸收能量急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔眩@種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗(yàn)中，吸收能量急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域，稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標(biāo)。金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度愈低，說明金屬材料的低溫抗沖擊性愈好。(三)韌性

2．多次沖擊試驗(yàn)

金屬材料在多次沖擊下的破壞過程是由裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)張和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成。其破壞是每次沖擊損傷積累發(fā)展的結(jié)果，不同于一次沖擊的破壞過程。多次沖擊彎曲試驗(yàn)在一定程度上可以模擬零件的實(shí)際服役過程，為零件設(shè)計(jì)和選材提供了理論依據(jù)，也為估計(jì)零件的使用壽命提供了依據(jù)。在小能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料強(qiáng)度的高低；在大能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料塑性的高低。（三）韌性金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)1．疲勞現(xiàn)象循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力或應(yīng)變的大小、方向，都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力和應(yīng)變。零件工作時(shí)在承受低于制作金屬材料的屈服強(qiáng)度或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時(shí)間的工作后會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。疲勞斷裂首先是在零件的應(yīng)力集中局部區(qū)域產(chǎn)生，先形成微小的裂紋核心，即微裂源。隨后在循環(huán)應(yīng)力作用下，微小裂紋繼續(xù)擴(kuò)展長大。由于微小裂紋不斷擴(kuò)展，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件所受應(yīng)力不斷增加，當(dāng)應(yīng)力超過金屬材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，則突然發(fā)生疲勞斷裂，形成最后斷裂區(qū)。金屬疲勞斷裂的斷口由微裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。（四）疲勞2．疲勞強(qiáng)度●金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下能經(jīng)受無限多次循環(huán)，而不斷裂的最大應(yīng)力值稱為金屬的疲勞強(qiáng)度。即循環(huán)次數(shù)值N無窮大時(shí)所對應(yīng)的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度。在工程實(shí)踐中，一般是求疲勞極限，即對應(yīng)于指定的循環(huán)基數(shù)下的中值疲勞強(qiáng)度。對于鋼鐵材料其循環(huán)基數(shù)為107，對于非鐵金屬其循環(huán)基數(shù)為108。對于對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞強(qiáng)度用符號(hào)σ-1表示?！窠饘俨牧显诔惺芤欢ㄑh(huán)應(yīng)力σ條件下，其斷裂時(shí)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-N曲線。（四）疲勞二、金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能1．金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現(xiàn)出的性能或固有的屬性。它包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。（1）密度。金屬的密度是指單位體積金屬的質(zhì)量。一般將密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。（2）熔點(diǎn)。金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥等零件。二、金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能（4）導(dǎo)電性。金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能，稱為導(dǎo)電性。金屬導(dǎo)電性的好壞，常用電阻率ρ表示，單位是Ω·m。金屬的電阻率越小，其導(dǎo)電性越好。（5）熱膨脹性。金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時(shí)膨脹而且體積增大，冷卻時(shí)收縮而且體積縮小。金屬熱膨脹性的大小用線脹系數(shù)αl和體脹系數(shù)αv來表示。（6）磁性。金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)弱的性能稱為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，金屬材料可分為鐵磁性材料和非鐵磁性材料。二、金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能2．金屬材料的化學(xué)性能金屬的化學(xué)性能是指金屬在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用所表現(xiàn)出來的性能，它包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性?；瘜W(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。3．金屬材料的工藝性能金屬在鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動(dòng)性、充型能力、吸氣性、收縮性和偏析等。金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要與金屬的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。焊接性能是指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)定服役要求的能力。焊接性能好的金屬材料可以獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。切削加工性能是指金屬在切削加工時(shí)的難易程度。切削加工性能好的金屬對刀具的磨損小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。模塊五

金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體

固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類。晶體是指其組成微粒（原子、離子或分子）呈規(guī)則排列的物質(zhì)。晶體具有固定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)、規(guī)則的幾何外形和各向異性特點(diǎn)，如金剛石、石墨及一般固態(tài)金屬材料等。非晶體是指其組成微粒無規(guī)則地堆積在一起的物質(zhì)，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，而且性能具有各向同性。二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)(一)晶格

抽象地用于描述原子在晶體中排列形式的空間幾何格子，稱為晶格。(二)晶胞

反映晶格特征、具有代表性的最小幾何單元稱為晶胞。晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊的邊長（晶格常數(shù)）a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ等六個(gè)參數(shù)來描述。二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)(三)常見的金屬晶格類型

常見的晶格類型是：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格：1．體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的8個(gè)頂角和中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是2個(gè)。具有這種晶格的金屬有：α鐵(α-Fe)、鎢(W)、鉬(Ｍo)、鉻(Ｃr)、釩(Ｖ)、鈮（Nb）等約30種金屬。二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是4個(gè)。具有這種晶格的金屬有：γ鐵(γ-Ｆe)、金(Ａu)、銀(Ag)、鋁(Ａl)、銅(Ｃu)、鎳(Ni)、鉛（Pb）等金屬。二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的十二個(gè)頂角和上下底面中心各有一個(gè)原子，另外在上下面之間還有三個(gè)原子，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是6個(gè)。具有這種晶格的金屬有：α鈦(α-Ti)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘（Cd）等金屬。二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)原子從一個(gè)核心（或晶核）按同一方向進(jìn)行排列生長而形成的晶體，稱為單晶體。自然界存在的單晶體有水晶、金剛石等，采用特殊方法也可獲得單晶體，如單晶硅、單晶鍺等，單晶體具有顯著的各向異性特點(diǎn)。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。多晶體材料內(nèi)部以晶界分開的、晶體學(xué)位向相同的晶體稱為晶粒。將任何兩個(gè)晶體學(xué)位向不同的晶粒隔開的那個(gè)內(nèi)界面稱為晶界。原子排列不規(guī)則的部位稱為晶體缺陷。二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)，可將晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。(一)點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是晶體中呈點(diǎn)狀的缺陷，即在三維空間上尺寸都很小的晶體缺陷。最常見的缺陷是晶格空位和間隙原子。原子空缺的位置稱為空位；存在于晶格間隙位置的原子稱為間隙原子。(二)線缺陷線缺陷是指晶體內(nèi)部某一平面上沿一方向呈線狀分布的缺陷。線缺陷主要指各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)是指晶格中一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。(三)面缺陷面缺陷是指晶體內(nèi)部呈面狀分布的缺陷，通常是指晶界和亞晶界。金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶。一、冷卻曲線與過冷度

純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的，通常采用熱分析法測量其結(jié)晶溫度。液態(tài)金屬冷卻到某一溫度時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)一水平線段，這個(gè)水平線段所對應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度(T0)。在實(shí)際結(jié)晶過程中，液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度(T0)以下的某一溫度時(shí)，才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差△T，稱為過冷度。實(shí)際上金屬總是在過冷的情況下結(jié)晶的，同一金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度不是一個(gè)恒定值，過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度也就越低。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件，但不是充分條件。金屬要進(jìn)行結(jié)晶，還要滿足動(dòng)力學(xué)條件，如必須有原子的移動(dòng)和擴(kuò)散等。模塊六

純金屬的結(jié)晶過程二、金屬的結(jié)晶過程晶核的形成和晶核的長大就是金屬結(jié)晶的基本過程。晶核的長大方式主要是平面生長方式和樹枝狀生長方式。純金屬晶核的長大主要以結(jié)晶表面向前平移的方式進(jìn)行，即采取平面生長方式。當(dāng)過冷度較大，液態(tài)金屬中存在未熔化的微粒時(shí)，金屬晶核的長大主要以樹枝狀生長方式長大。當(dāng)液態(tài)金屬采用樹枝狀生長方式長大時(shí)，最后凝固的樹枝之間不能及時(shí)填滿，晶體的樹枝狀就很容易顯漏出來，如在很多金屬鑄錠表面可以看到樹枝狀的浮雕。

三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小1．晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度愈高，塑性、韌性愈好。2．晶粒大小的控制在生產(chǎn)中為了獲得細(xì)小的晶粒組織，常采用以下一些方法：(1)加快液態(tài)金屬的冷卻速度，增大過冷度。(2)采用變質(zhì)處理。(3)采用機(jī)械攪拌、機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等措施，使生長中的樹枝晶破碎和細(xì)化，而且破碎的樹枝晶又可起到新晶核作用，使晶核數(shù)量增多，從而可細(xì)化晶粒。模塊七

金屬材料的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變在固態(tài)下由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱同素異晶轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變是：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料的一個(gè)重要特性，也是鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理的理論依據(jù)。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的，這一過程類似于隊(duì)列變換，具有如下特點(diǎn)：（1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核形成和晶核長大兩個(gè)基本過程完成的，新晶核優(yōu)先在原晶界處生成。（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也有過冷(或過熱)現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)變時(shí)具有較大的過冷度；（3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上也出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進(jìn)行的；（4）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)常伴有金屬的體積變化等。模塊八

合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過程

一、基本概念

組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。

由兩種或兩種以上的組元按不同比例配制而成的一系列不同化學(xué)成分的所有合金，稱為合金系。

相是指在一個(gè)合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的部分。

組織是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)合金中各組元之間的相互作用，合金中的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物及機(jī)械混合物三種類型。（一）固溶體

合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一種原子而形成的晶體相，稱為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。1．置換固溶體溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子，占據(jù)溶劑晶格的部分結(jié)點(diǎn)位置時(shí)，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。按溶質(zhì)溶解度的不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。2．間隙固溶體溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置，而是嵌入溶劑晶格的各結(jié)點(diǎn)之間的間隙內(nèi)時(shí)，所形成的晶體相，稱為間隙固溶體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發(fā)生畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使固溶體的強(qiáng)度、硬度提高。這種通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)（二）金屬化合物金屬化合物是指合金中各組元之間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相。金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，熔點(diǎn)高，硬而脆。（三）機(jī)械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機(jī)械混合物。在機(jī)械混合物中各組成相仍保持著它原有晶格的類型和性能，而整個(gè)機(jī)械混合物的性能則介于各組成相的性能之間，并與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。三、合金結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程與純金屬一樣，也是晶核形成和晶核長大兩個(gè)過程。同時(shí)結(jié)晶時(shí)也需要一定的過冷度，結(jié)晶后形成由多晶體。合金的結(jié)晶過程中具有如下特點(diǎn)：（1）純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行，只有一個(gè)結(jié)晶溫度。而絕大多數(shù)合金是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶的，一般結(jié)晶的開始溫度與終止溫度是不相同，一般有兩個(gè)結(jié)晶溫度。（2）合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分（即濃度）有差異，當(dāng)結(jié)晶終止后，整個(gè)晶體的平均化學(xué)成分與原合金的化學(xué)成分相同。（3）合金結(jié)晶后一般有三種情況：第一種情況是形成單相固溶體；第二種情況是形成單相金屬化合物或同時(shí)結(jié)晶出兩相機(jī)械混合物(如共晶體)；第三種情況是結(jié)晶開始時(shí)形成單相固溶體，剩余液體又同時(shí)結(jié)晶出兩相機(jī)械混合物(如共晶體)。四、合金結(jié)晶冷卻曲線合金結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜得多，但其結(jié)晶過程仍可用結(jié)晶冷卻曲線來描述。一般合金的結(jié)晶冷卻曲線有以下三種形式：從一定化學(xué)成分的液體合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)，則該轉(zhuǎn)變過程稱為共晶轉(zhuǎn)變(或稱共晶反應(yīng))，其結(jié)晶產(chǎn)物稱為共晶體。共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進(jìn)行的。在固態(tài)下由一種單相固溶體同時(shí)析出兩相固體物質(zhì)，稱為共析轉(zhuǎn)變(或稱共析反應(yīng))。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變一樣，也是在恒溫條件下進(jìn)行的。

模塊九

金屬材料的鑄錠組織特征一、金屬材料的鑄錠組織結(jié)構(gòu)金屬鑄錠呈現(xiàn)三個(gè)不同的結(jié)晶區(qū)：表面細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和等軸晶粒區(qū)。表面細(xì)晶粒區(qū)的組織特點(diǎn)是：晶粒細(xì)長，區(qū)域厚度較小，組織致密，成分均勻，力學(xué)性能較好。在柱狀晶粒區(qū)，兩排柱狀晶粒相遇的接合面上存在著脆弱區(qū)，此區(qū)域常有低熔點(diǎn)雜質(zhì)及非金屬夾雜物積聚，使金屬材料的強(qiáng)度和塑性降低。這種組織在鍛造和軋制時(shí)，容易使金屬材料沿接合面開裂。等軸晶粒區(qū)的組織特點(diǎn)是：晶粒粗大，組織疏松，力學(xué)性能較差。在金屬鑄錠中，除存在組織不均勻外，還常有縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。根據(jù)澆注方法的不同，金屬鑄錠分為鋼錠模鑄錠（簡稱鑄錠）和連續(xù)鑄錠。二、定向結(jié)晶和單晶定向結(jié)晶是通過控制冷卻方式，使鑄件沿軸向形成一定的溫度梯度，從而使鑄件從一端開始凝固，并按一定方向逐步向另一端結(jié)晶的工藝方法。用該工藝方法生產(chǎn)出了整個(gè)鑄件都是由同一方向的柱狀晶所構(gòu)成的渦輪葉片。這種葉片具有良好的使用性能，其工作溫度則可達(dá)930℃。單晶是其原子都按照一個(gè)規(guī)律和一致的位向排列的一個(gè)晶體。單晶制備的基本原理是使液體結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶核，再由這個(gè)晶核提拉成一整塊晶體。金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)模塊十鐵碳合金相圖鐵碳合金是由鐵和碳兩種元素為主組成的合金。一、鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1．鐵素體(F)鐵素體是指α-Fe或其內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素所形成的晶體點(diǎn)陣為體心立方的固溶體，用符號(hào)F(或α)表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體的溶碳量很小，在727℃時(shí)溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，強(qiáng)度和硬度較低(σb=180～280MPa，50～80HBW)，而塑性和韌性好(δ=30%～50%，KU≈128～160J)。鐵素體在770℃（居里點(diǎn)）有磁性轉(zhuǎn)變，在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。

2．奧氏體(A)

奧氏體是指γ-Fe內(nèi)固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點(diǎn)陣為面心立方的固溶體，常用符號(hào)A(或γ)表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶碳能力較大，在1148℃時(shí)溶碳量最大（W（C）=2.11%），隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時(shí)的溶碳量為W（C）=0.77%。奧氏體是非鐵磁性相，具有一定的強(qiáng)度和硬度(σb≈400MPa，160～220HBW)，塑性好(δ≈40%～50%)。穩(wěn)定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當(dāng)鐵碳合金緩冷到727℃時(shí)，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷慕M織。

3．滲碳體(Fe3C)滲碳體是指晶體點(diǎn)陣為正交點(diǎn)陣、化學(xué)成分近似于Fe3C的一種間隙式化合物，以符號(hào)Cm表示。滲碳體的晶格形式，與碳和鐵都不一樣，是復(fù)雜的晶格類型。滲碳體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是W（C）=6.69%，熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體硬度高(約為800HV)，脆性大，塑性與韌性極低。滲碳體不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有磁性轉(zhuǎn)變，在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去磁性。滲碳體是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨。

4．珠光體(P)珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的組織。常見的珠光體是鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相組織。珠光體也是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機(jī)械混合物，常用符號(hào)“P”表示。珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為W（C）=0.77%。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強(qiáng)度（σb≈770MPa，160～220HBW）、塑性(δ≈20%～35%)和韌性(KU≈24～32J)，硬度適中（180HBW），是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。5．萊氏體(Ld)萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體，用符號(hào)Ld表示。萊氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為W（C）=4.3%，WC＞2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148℃時(shí)，將同時(shí)從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物（即萊氏體）。727℃以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld)，在727℃以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏體（L