汽車(chē)材料（高等職業(yè)）全套教學(xué)課件

緒論全套可編輯PPT課件共9個(gè)項(xiàng)目包括金屬材料的性能、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、鋼的熱處理強(qiáng)化及表面改性、汽車(chē)常用黑色金屬材料、汽車(chē)常用有色金屬材料、汽車(chē)常用非金屬材料、汽車(chē)零件的選材、汽車(chē)運(yùn)行材料的選取和汽車(chē)美容材料的選取。一.汽車(chē)材料的發(fā)展

人類(lèi)文明與材料的發(fā)展息息相關(guān)，歷史時(shí)代也常以材料的更替作為劃分依據(jù)，如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，如圖0-1所示為不同時(shí)期所用器具。近現(xiàn)代新材料的應(yīng)用大大地提高了人類(lèi)的生活水平，汽車(chē)行業(yè)也隨著材料的變革而高速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年鋼材產(chǎn)量的25%，橡膠產(chǎn)量的80%以及石油產(chǎn)量的50%都用于汽車(chē)生產(chǎn)和使用。

（a）石器時(shí)代

（b）青銅器時(shí)代

（c）鐵器時(shí)代

圖0-1人類(lèi)歷史不同時(shí)期使用器具

汽車(chē)誕生初期，鋼鐵在汽車(chē)中的質(zhì)量占比非常高，汽車(chē)不僅笨重，在安全、節(jié)能和環(huán)保各方面都存在很大的問(wèn)題。隨著材料新技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)也越來(lái)越注重輕量化、智能化和節(jié)能化，鋼鐵材料的比重也逐步下降，更多有色金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料、新型材料被利用起來(lái)，令現(xiàn)代汽車(chē)更加安全、舒適、經(jīng)濟(jì)和低污染。如圖0-2所示為早期和現(xiàn)代汽車(chē)。

（a）早期汽車(chē)

（b）現(xiàn)代汽車(chē)

圖0-2早期汽車(chē)和現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)比二.汽車(chē)材料的分類(lèi)（一）汽車(chē)工程材料汽車(chē)運(yùn)行材料（二）汽車(chē)美容材料（三）（一）汽車(chē)工程材料

汽車(chē)工程材料是指用于制造汽車(chē)的材料，包括金屬材料和非金屬材料。其中，金屬材料由于其獨(dú)特的使用性能和工藝性能，成為了汽車(chē)工業(yè)中用量最大的材料，占據(jù)了汽車(chē)總質(zhì)量的80%；非金屬材料具備許多金屬材料沒(méi)有的特性，在汽車(chē)中的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。金屬材料

汽車(chē)用金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料，如圖0-3所示。黑色金屬材料是指含有鐵以及以鐵為基的合金，如碳素鋼、合金鋼和鑄鐵。由于黑色金屬材料加工工藝性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，故成為了汽車(chē)工程中用量最大的材料。有色金屬是指黑色金屬以外的所有金屬及其合金，如鋁、鎂、鈦及其合金。有色金屬具有材質(zhì)輕的特性，對(duì)減小汽車(chē)質(zhì)量有極大的幫助。

（a）黑色金屬材料

（b）有色金屬材料

圖0-3金屬材料非金屬材料

汽車(chē)常用非金屬材料包括高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料，如圖0-4所示。

高分子材料是分子質(zhì)量很大的高分子化合物，跟金屬材料比起來(lái)具有低強(qiáng)度、高彈性、高耐磨性等特性。汽車(chē)常用高分子材料有塑料、橡膠、合成纖維和膠粘劑等。

（a）高分子材料

（b）陶瓷材料

（c）復(fù)合材料

圖0-4非金屬材料非金屬材料

陶瓷材料是一種或多種金屬元素與一種非金屬元素組成的無(wú)機(jī)非金屬材料。陶瓷具有高熔點(diǎn)、化學(xué)穩(wěn)定性高、低密度、低膨脹系數(shù)和隔熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，故可用來(lái)制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、熱交換機(jī)零件、切削工具和軸承等部件。復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的不同材料通過(guò)工藝方法合成的具有新特性的材料。復(fù)合材料一般能保持原材料的優(yōu)點(diǎn)，并且具備更多新的特質(zhì)，在性能上能起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、硬度高、耐高溫等特點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)上廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)軸、保險(xiǎn)杠等的制造。（二）汽車(chē)運(yùn)行材料汽車(chē)運(yùn)行材料是指汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所消耗而需要不斷補(bǔ)充的材料，如燃料、潤(rùn)滑液和工作液等，如圖0-5所示。汽車(chē)運(yùn)行材料為汽車(chē)行駛提供動(dòng)力，為汽車(chē)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行提供保障。（a）汽車(chē)燃料（b）汽車(chē)潤(rùn)滑液（c）汽車(chē)工作液圖0-5汽車(chē)燃料汽車(chē)燃料主要有汽油和柴油。隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石油的消耗速度驚人，尋找新的高效、清潔的替代能源，已成為汽車(chē)行業(yè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)。目前已經(jīng)在使用的新能源有液化石油氣、天然氣、醇類(lèi)燃料等。汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)部件之間都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了減少摩擦阻力及磨損，延長(zhǎng)零件的使用壽命，潤(rùn)滑材料也就應(yīng)運(yùn)而生。常用的潤(rùn)滑材料有發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑液、齒輪油和潤(rùn)滑脂等。汽車(chē)部分零件需要一些輔助材料來(lái)保證零件的正常使用，這些輔助材料稱(chēng)為工作液。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)為了防止過(guò)熱需要冷卻液，液壓制動(dòng)系統(tǒng)需要制動(dòng)液等。汽車(chē)潤(rùn)滑液汽車(chē)工作液（三）汽車(chē)美容材料對(duì)汽車(chē)進(jìn)行美容和養(yǎng)護(hù)，不僅可以從審美上美化汽車(chē)，還可以對(duì)汽車(chē)表面進(jìn)行保護(hù)。汽車(chē)美容材料主要包含涂裝材料和美容養(yǎng)護(hù)材料。隨著人類(lèi)對(duì)生活質(zhì)量的追求越來(lái)越高，對(duì)于汽車(chē)美容的需求也越來(lái)越多，汽車(chē)美容行業(yè)也逐漸發(fā)展成熟，形成了一系列不同的汽車(chē)美容服務(wù)。汽車(chē)涂裝材料汽車(chē)涂裝材料是指對(duì)汽車(chē)各個(gè)部分的表面進(jìn)行涂裝和修補(bǔ)的材料，如各種汽車(chē)涂料等。涂裝材料能提升汽車(chē)零件表面的耐候性、耐腐蝕性、耐擦洗性、耐污性和可修補(bǔ)性，為汽車(chē)表面美觀和保護(hù)提供了極大的便利。美容養(yǎng)護(hù)材料是指對(duì)車(chē)身不同位置、不同材質(zhì)的零件進(jìn)行不同的保養(yǎng)措施的材料，如車(chē)蠟、車(chē)釉、車(chē)身清洗劑等。汽車(chē)美容養(yǎng)護(hù)材料項(xiàng)目一金屬材料的性能任務(wù)一·金屬材料的使用性能一金屬材料的力學(xué)性能二金屬材料的物理性能三金屬材料的化學(xué)性能翼虎為何頻頻斷軸？汽車(chē)召回是汽車(chē)制造商將由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或者材料缺陷導(dǎo)致的問(wèn)題汽車(chē)批量召回并修理、更換甚至退貨的過(guò)程。汽車(chē)召回有成熟的法定要求和程序，為保障社會(huì)公眾人身和財(cái)產(chǎn)安全做出了巨大貢獻(xiàn)。原材料的缺陷一直是汽車(chē)召回的主要原因。長(zhǎng)安福特的翼虎汽車(chē)于2013年9月發(fā)生了斷軸事故，長(zhǎng)安福特官方一開(kāi)始聲稱(chēng)車(chē)輛沒(méi)有問(wèn)題，是車(chē)主使用不當(dāng)。然而接下來(lái)在全國(guó)各地，陸續(xù)出現(xiàn)了40多起翼虎斷軸事故，開(kāi)始引起業(yè)界和輿論的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)安福特在三個(gè)月后決定對(duì)翼虎的問(wèn)題車(chē)輛進(jìn)行召回，涉及數(shù)量達(dá)80857輛。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)召回雖然召回的是缺陷產(chǎn)品，卻能體現(xiàn)企業(yè)的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，為企業(yè)贏得市場(chǎng)信譽(yù)。然而在翼虎之后，長(zhǎng)安福特旗下的其他車(chē)型也陸續(xù)出現(xiàn)斷軸問(wèn)題，有網(wǎng)友甚至調(diào)侃廣告語(yǔ)為“進(jìn)無(wú)止境”的福特實(shí)際上是“斷無(wú)止境”。可見(jiàn)材料使用不當(dāng)造成頻繁發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重影響了品牌的形象。在2016年5月的汽車(chē)銷(xiāo)量報(bào)告中，翼虎的銷(xiāo)量為3186臺(tái)，與上一年同期銷(xiāo)量9735臺(tái)相比，同比下滑62.27%，除了國(guó)內(nèi)同類(lèi)型汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)激烈之外，頻發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題也是導(dǎo)致銷(xiāo)量下滑的主要原因。翼虎為何頻頻出現(xiàn)斷軸？一.金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料受到各種外在載荷時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的性能，包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和疲勞強(qiáng)度等。它是評(píng)定金屬材料質(zhì)量的主要依據(jù)，也是金屬構(gòu)件設(shè)計(jì)選材時(shí)的主要依據(jù)。（一）

強(qiáng)度（二）塑性（三）硬度（四）韌度（五）疲勞強(qiáng)度（一）強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。根據(jù)載荷的作用方式（見(jiàn)圖1-1）不同，強(qiáng)度可以分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。實(shí)際生產(chǎn)中常用的衡量指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度。（a）拉伸載荷（b）壓縮載荷（c）彎曲載荷

（d）剪切載荷

（e）扭轉(zhuǎn)載荷

圖1-1不同載荷的作用方式1．拉伸試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）規(guī)定，抗拉強(qiáng)度可通過(guò)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)前，將金屬材料制定成一定形狀和尺寸的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖1-2所示為圓形試樣。圖1-2圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣示意圖

—原始標(biāo)距；—圓形橫截面試樣平行長(zhǎng)度的直徑；—原始橫截面積；

—斷后標(biāo)距；—圓形橫截面試樣斷裂后縮頸處最小直徑；—斷后最小橫截面積試驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢進(jìn)行拉伸。隨著拉伸力的不斷增加，試樣將發(fā)生彈性變形、塑性變形直至斷裂。試驗(yàn)機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄拉伸過(guò)程中載荷與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系，繪制出力—伸長(zhǎng)曲線。如圖1-3所示為拉伸試驗(yàn)機(jī)和低碳鋼的力—伸長(zhǎng)曲線圖。從曲線圖可以看出，低碳鋼試樣的拉伸過(guò)程可以分為以下四個(gè)階段。（a）拉伸試驗(yàn)機(jī)（b）低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線圖圖1-3拉伸試驗(yàn)彈性變形階段（Oe段）：試樣的變形量與外加載荷成正比，當(dāng)載荷消失后，試樣可以恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸，這種變形稱(chēng)為彈性變形。屈服階段（eeL段）：試樣不僅發(fā)生彈性變形，還發(fā)生塑性變形。塑性變形是指當(dāng)載荷去掉之后，試樣無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸的變形。如圖1-3所示，載荷增大到時(shí)，載荷保持不變而試樣的變形繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。均勻塑性變形階段（eLm段）：此階段中，為使試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形，載荷必須不斷增加，直到?？s頸階段（mz段）：當(dāng)載荷達(dá)到后，試樣開(kāi)始發(fā)生局部收縮，稱(chēng)為縮頸。此時(shí)，變形所需的載荷逐漸降低。當(dāng)變形達(dá)到z點(diǎn)時(shí)，試樣在縮頸處斷裂。2．強(qiáng)度指標(biāo)金屬材料的強(qiáng)度通常是用應(yīng)力來(lái)度量的。應(yīng)力是指試樣單位橫截面積上所受的力，用符號(hào)R表示。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

屈服強(qiáng)度是指當(dāng)金屬呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，它分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度（

）是試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力；下屈服強(qiáng)度（

）是在屈服期間，不計(jì)初始瞬間效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力，即

，

（1-1）式中：

——試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前承受的最大載荷，單位為N；

——試樣發(fā)生屈服時(shí)承受的最小載荷，單位為N；

——試樣原始截面積，單位為。有些零件是不允許塑變形的，如缸螺栓，所以設(shè)計(jì)該類(lèi)零件時(shí)應(yīng)該以屈服強(qiáng)度為參考依據(jù)。對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵等），測(cè)量屈服點(diǎn)很困難，通常規(guī)定殘余伸長(zhǎng)為0.2%時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱(chēng)為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度（舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度）。2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指材料在被拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa，其計(jì)算公式為

（1-2）式中：——試樣斷裂前所承受的最大載荷，單位為N；

——試樣原始截面積，單位為。 對(duì)于脆性材料，拉伸過(guò)程中幾乎不發(fā)生塑性變形，也常常難以測(cè)定，故常以抗拉強(qiáng)度作為指標(biāo)。許多房屋、橋梁、堤壩等的斷裂和倒塌，甚至飛機(jī)、航天飛船的墜毀都是由于強(qiáng)度不夠而造成的，所以強(qiáng)度是工程選材和設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)之一。（二）塑性塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率，它們也是通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定的。1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率A是指斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)量（）與原始標(biāo)距（）之比的百分率，其計(jì)算公式為

（1-3）式中：——斷后標(biāo)距，單位為mm；

——原始標(biāo)距，單位為mm。2．?dāng)嗝媸湛s率斷面收縮率Z是斷后試樣橫截面積的最大縮減量（）與原始橫截面積（）之比的百分率，即

（1-4）式中：——試樣的原始橫截面積，單位為；

——試樣斷口處的橫截面積，單位為。金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料，不僅可用軋制、壓力加工、沖壓等方法加工成形，而且在工作時(shí)若超載，可因其發(fā)生塑性變形而避免突然斷裂，提高了工作安全性。（三）硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用的硬度測(cè)量方法有布氏硬度試驗(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（HB）如圖1-4所示，采用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)定壓痕直徑d，求出壓痕球形的表面積，壓痕單位表面積上所承受的平均壓力（F/S）即為布氏硬度值。實(shí)際測(cè)定硬度時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的d和已知的F，D值，查表求得硬度值。圖1-4布氏硬度試驗(yàn)原理1．布氏硬度試驗(yàn)法（HB）測(cè)定布氏硬度值時(shí)金屬材料表面壓痕大，能在較大范圍內(nèi)反映材料的平均硬度，測(cè)得的硬度值比較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)；但由于其壓痕大，對(duì)金屬表面損傷較大，故不宜測(cè)定太小或者太薄的試樣。布氏硬度主要用來(lái)測(cè)量鑄鐵、有色金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的金屬材料。2．洛氏硬度試驗(yàn)法（HR）圖1-5洛氏硬度試驗(yàn)原理此方法采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm（1/16in）的淬火鋼球作為壓頭，如圖1-5所示。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭和試樣表面接觸良好，保證測(cè)量準(zhǔn)確，此時(shí)壓頭從位置0移到位置1，獲得初始?jí)汉凵疃?；再施加主載荷，壓頭被壓至位置2，保持到規(guī)定時(shí)間后再卸除主載荷，試樣產(chǎn)生彈性回復(fù)最終恢復(fù)到位置3，此時(shí)的壓痕深度為h。根據(jù)h和來(lái)確定材料的硬度值。由于其壓痕小，洛氏法準(zhǔn)確性不如布氏法高。但洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，能夠從硬度計(jì)表盤(pán)上直接讀數(shù)，適用于測(cè)定由極軟到極硬的金屬材料，彌補(bǔ)了布氏法的不足，所以是目前應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)法。3．維氏硬度試驗(yàn)法（HV）維氏硬度試驗(yàn)法與布氏硬度試驗(yàn)法原理基本相同，只是將壓頭由小圓球換成正四棱錐金剛石。由于試驗(yàn)壓力小，壓痕深度淺，維氏硬度的測(cè)定對(duì)試樣表面造成的影響較小。但試驗(yàn)時(shí)對(duì)試樣的表面光滑度要求很高，故試驗(yàn)有一定的難度，不適合批量生產(chǎn)檢驗(yàn)。（四）沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌性。對(duì)于承受沖擊載荷的材料，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞（參見(jiàn)圖1-6），不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還要求具有一定的沖擊韌性。圖1-6汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞沖擊韌性的測(cè)定方法如圖1-7所示，將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，置于一定高度的重錘自由落下，將試樣一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱(chēng)為沖擊吸收能量，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢(shì)能差，可由試驗(yàn)機(jī)的表盤(pán)上直接讀出。沖擊吸收能量越大，材料韌性越好，受沖擊時(shí)越不容易斷裂。沖擊吸收能量用K（J）表示，一般用字母V和U表示缺口幾何形狀，下標(biāo)2或8表示擺錘刀刃半徑，如，等。沖擊吸收能量與很多因素有關(guān)，如試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織狀態(tài)、環(huán)境溫度等。因此，其測(cè)定數(shù)據(jù)的重復(fù)性差，只能作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考指標(biāo)。圖1-7沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)圖（五）疲勞強(qiáng)度許多零件（如軸、齒輪、連桿及彈簧）都是在交變應(yīng)力作用下工作的。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的最大應(yīng)力通常都低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的工作后，零件會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂前，零件無(wú)明顯塑性變形，具有很大的危險(xiǎn)性，常常會(huì)造成嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分機(jī)械零件的損壞都是由疲勞引起的。材料在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)受無(wú)數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值稱(chēng)為材料的疲勞極限或疲勞強(qiáng)度。材料疲勞極限的測(cè)定通常是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。材料承受的交變應(yīng)力R與斷裂循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可用R-N曲線來(lái)表示，如圖1-8所示。圖1-8R-N曲線由圖1-8所示，應(yīng)力值R越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)越多。當(dāng)應(yīng)力降低到某一值后，R-N曲線與橫坐標(biāo)平行，也就是當(dāng)應(yīng)力低于此值時(shí)，材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，此時(shí)的應(yīng)力值即為疲勞極限。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱(chēng)時(shí)，疲勞極限可用表示。實(shí)際上，金屬材料不可能作無(wú)數(shù)次交變載荷試驗(yàn)。通常規(guī)定，鋼鐵材料的N取次，有色金屬的N取次。影響疲勞極限的因素很多，除設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)上注意減輕零件應(yīng)力集中外，改善零件表面粗糙度和進(jìn)行表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理、表面復(fù)合強(qiáng)化等）也可提高材料的疲勞極限。二.金屬材料的物理性能（一）密度（二）熔點(diǎn)（四）導(dǎo)電性（五）熱膨脹性（三）導(dǎo)熱性（六）磁性（一）密度密度是指單位體積的質(zhì)量，用符號(hào)表示，即

（1-5）式中：

——物質(zhì)的密度，單位為；

——物質(zhì)的質(zhì)量，單位為g；

——物質(zhì)的體積，單位為。（二）熔點(diǎn)熔點(diǎn)是指金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度。純金屬都有固定的熔點(diǎn)。根據(jù)熔點(diǎn)的不同，金屬一般可分為難熔金屬和易熔金屬。熔點(diǎn)高的金屬稱(chēng)為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等。難熔金屬多用來(lái)制造耐高溫零件，在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面應(yīng)用廣泛。熔點(diǎn)低的金屬稱(chēng)為易熔金屬，如錫和鉛等。易熔金屬多用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。（三）導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力，通常用熱導(dǎo)率來(lái)衡量。熱導(dǎo)率的符號(hào)為λ，單位為W/（m·K）。熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。大多數(shù)金屬材料都具有良好的導(dǎo)熱性，其中，銀、銅、鋁的導(dǎo)熱性最好。純金屬的導(dǎo)熱性比合金好。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器和活塞等零件時(shí)，一般選用導(dǎo)熱性好的材料。在熱加工和熱處理時(shí)，必須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過(guò)程中產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形或開(kāi)裂。（四）導(dǎo)電性導(dǎo)電性是指金屬材料傳導(dǎo)電流的能力，通常用電導(dǎo)率來(lái)衡量。電導(dǎo)率越大，金屬材料的導(dǎo)電性越好。所有金屬材料都具有導(dǎo)電性，其中以銀最好，銅、鋁次之。純金屬的導(dǎo)電性比合金好。工業(yè)上，常用導(dǎo)電性好的金屬（純銅和純鋁）制造導(dǎo)電零件和電線，用導(dǎo)電性差的金屬或合金（如鎢、鉬、鐵、鉻等）制造加熱爐的電阻絲和儀表零件等。（五）熱膨脹性熱膨脹性是指金屬材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性。一般來(lái)說(shuō)，金屬受熱時(shí)膨脹，體積增大；冷卻時(shí)收縮，體積縮小。熱膨脹性的大小可用線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)表示，即

，（1-6）式中：，——分別為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)，單位為1/K或1/℃；

——膨脹前長(zhǎng)度，單位為m；

——膨脹后長(zhǎng)度，單位為m；

——溫度變化量，單位為K或℃。膨脹系數(shù)越大，金屬熱脹冷縮的程度就越大。金屬材料的熱脹冷縮性質(zhì)在機(jī)械制造中非常重要。例如，軸和軸瓦之間要根據(jù)膨脹系數(shù)來(lái)控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時(shí)也要考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開(kāi)裂。（六）磁性磁性是汽車(chē)電器、汽車(chē)電機(jī)、汽車(chē)儀表等零件不可或缺的性能。根據(jù)導(dǎo)磁能力的不同，金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料三類(lèi)。其中，鐵磁性材料在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等；順磁性材料在外磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)和測(cè)量?jī)x表等；抗磁性材料可用于制造要求避免電磁場(chǎng)干擾的零件，如航海羅盤(pán)等。溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，鐵磁性材料的磁疇會(huì)被破壞，變?yōu)轫槾判圆牧希@個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。例如，鐵的居里點(diǎn)為770℃。三.金屬材料的化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料在常溫或高溫下，抵抗外界介質(zhì)侵蝕的能力，一般包括耐腐蝕性和抗氧化性。（一）耐腐蝕性（二）抗氧化性（一）耐腐蝕性耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗酸和堿、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力。常見(jiàn)的鋼鐵生銹、銅生銅綠等就是腐蝕現(xiàn)象。碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差，鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好，鋁合金和銅合金也有較好的耐腐蝕性。對(duì)于容易接觸到各種腐蝕性介質(zhì)的零件，不僅在選材上要考慮其耐腐蝕性，也要采取必要的防腐措施。（二）抗氧化性抗氧化性是指金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力。金屬材料的氧化過(guò)程會(huì)隨其溫度的提高而加速。例如，鋼鐵在鑄造、焊接和熱處理時(shí)都會(huì)發(fā)生明顯的氧化和脫碳，使金屬損耗和造成缺陷。所以，工業(yè)鍋爐、加熱設(shè)備和汽輪機(jī)等設(shè)備上在高溫下工作的零件，要求所用零件材料具有良好的抗氧化性。翼虎斷軸，實(shí)際上斷的不是真正的“軸”，而是一個(gè)俗稱(chēng)“羊角”的部件，它的學(xué)名叫做轉(zhuǎn)向節(jié)，是汽車(chē)轉(zhuǎn)向橋的重要零件之一，能使汽車(chē)平穩(wěn)行駛并靈敏傳遞行駛方向的改變。汽車(chē)行駛時(shí)，“羊角”會(huì)承受多變的沖擊載荷，因此需要具備較高的強(qiáng)度。如圖1-9（a）所示，轉(zhuǎn)向節(jié)上連減震器、下連下擺臂、左連剎車(chē)盤(pán)、右連轉(zhuǎn)向半球，這些周?chē)考际强哭D(zhuǎn)向節(jié)組合在一起的，而容易斷裂的部位就是連接下擺臂的安裝孔側(cè)壁，如圖1-9（b）所示。（a）轉(zhuǎn)向節(jié)及其周?chē)考╞）轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂示意圖圖1-9轉(zhuǎn)向節(jié)翼虎轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生斷裂是因?yàn)椴考膹?qiáng)度不夠。如果拿翼虎與其他同類(lèi)型汽車(chē)做類(lèi)比，會(huì)發(fā)現(xiàn)翼虎汽車(chē)雖然車(chē)身更重，但是轉(zhuǎn)向節(jié)卻薄一半甚至只有其他汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)厚度的四分之一，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度不夠，承受能力有限，從而容易出現(xiàn)斷軸。在長(zhǎng)安福特對(duì)翼虎進(jìn)行召回之后，斷軸現(xiàn)象明顯減少。此外，翼虎斷軸事件集中發(fā)生在國(guó)產(chǎn)翼虎，國(guó)外并未出現(xiàn)類(lèi)似情況，對(duì)比之下發(fā)現(xiàn)國(guó)外翼虎的轉(zhuǎn)向節(jié)也更厚。由此可見(jiàn)，斷軸事件極有可能是長(zhǎng)安福特有意削減成本或其對(duì)采購(gòu)體系把關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致的。從翼虎斷軸事件可見(jiàn)，汽車(chē)的合理選材和設(shè)計(jì)是保證汽車(chē)安全的前提，在生產(chǎn)過(guò)程中也要在保證安全的前提下考慮成本節(jié)約?？傊?，汽車(chē)行業(yè)的安全離不開(kāi)材料的發(fā)展，了解汽車(chē)材料的性能，才能在保證安全的前提下，提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性。任務(wù)二·金屬材料的工藝性能一鑄造性能二壓力加工性能三焊接性能四切削加工性能五熱處理性能車(chē)身牢固與否？關(guān)鍵在于焊接決定汽車(chē)安全的因素有很多，如車(chē)身材料的強(qiáng)度、厚度和汽車(chē)的設(shè)計(jì)等，其中非常重要的一個(gè)因素就是焊接的質(zhì)量，因?yàn)楹附訂?wèn)題而導(dǎo)致的汽車(chē)召回事件也是屢屢發(fā)生。天津一汽豐田于2017年2月開(kāi)始召回部分卡羅拉和威馳轎車(chē)，涉及車(chē)輛共計(jì)287531輛。此次召回的原因就是發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋鎖閂焊接不當(dāng)，在車(chē)輛運(yùn)行情況下，振動(dòng)易導(dǎo)致脫焊并產(chǎn)生異響。在此狀態(tài)下開(kāi)閉發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋，鎖閂可能無(wú)法鎖止，車(chē)輛行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，存在極大的安全隱患。天津一汽豐田將汽車(chē)召回后，提供免費(fèi)的車(chē)輛檢查，并根據(jù)車(chē)輛的不同情況，進(jìn)行免費(fèi)維修或者更換發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋，以消除潛在的安全隱患。一.鑄造性能

鑄造性能是指金屬在鑄造成型的過(guò)程中獲得準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)和形狀鑄件的能力，它主要取決于材料的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向。（一）流動(dòng)性（二）收縮性（三）偏析傾向（一）流動(dòng)性流動(dòng)性是指熔融金屬的流動(dòng)能力。流動(dòng)性好的金屬容易充滿(mǎn)鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。流動(dòng)性的好壞主要與金屬材料的化學(xué)成分、澆鑄溫度和熔點(diǎn)高低有關(guān)。同一種金屬材料，澆注溫度越高，流動(dòng)性越好。（二）收縮性收縮性是指鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象。鑄件收縮不僅會(huì)影響鑄件的尺寸精度，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力等缺陷，在冷卻過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，甚至開(kāi)裂，因此，鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。（三）偏析傾向偏析是指金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織不均勻的現(xiàn)象。偏析現(xiàn)象會(huì)使鑄件各部分的組織和性能不一致，從而引起強(qiáng)度、塑性和抗蝕性等下降，降低鑄件質(zhì)量。很多典型的汽車(chē)零件都采用鑄造，如柴油機(jī)缸體、汽油機(jī)缸體、汽油機(jī)缸蓋、曲軸、變速器和離合器殼體、各類(lèi)連接板、支架及車(chē)門(mén)框架等，如圖1-10所示。（a）發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（b）變速器殼體圖1-10鑄造的汽車(chē)零件二.壓力加工性能壓力加工性能是指金屬材料用壓力加工方法成形的能力。它主要取決于金屬材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的壓力加工性能越好。金屬材料的化學(xué)成分與加工條件對(duì)壓力加工性能的影響很大。例如，銅合金和鋁合金在室溫下就具有良好的壓力加工性能；碳鋼在加熱狀態(tài)下壓力加工性能較好；合金鋼的壓力加工性能比碳鋼差；鑄鐵不能進(jìn)行壓力加工。壓力加工的方法有自由鍛、模鍛、板料沖壓、軋制、拉拔、擠壓等。其中，汽車(chē)零部件壓力加工中常用的有模鍛和板料沖壓。模鍛一般用于制造強(qiáng)度高、可靠性好的汽車(chē)零件毛坯，如發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、凸輪軸、連桿，底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)軸、十字軸、前車(chē)軸、后車(chē)軸，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等，如圖1-11（a）所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)中有60%～70%的零件是用沖壓工藝生產(chǎn)出來(lái)的。因此，沖壓工藝對(duì)汽車(chē)的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本都有重要的影響。如圖1-11（b）所示，車(chē)身覆蓋件基本上都是板料沖壓加工而成的。（a）鍛造加工的汽車(chē)零件（b）沖壓加工成的發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋圖1-11壓力加工的汽車(chē)零件三.焊接性能焊接性能是指材料在特定的施工條件下焊接成所需構(gòu)件，并滿(mǎn)足預(yù)定服役條件要求的性能。焊接性能的好壞與材料的化學(xué)成分及采用的工藝有關(guān)。鋼材中對(duì)焊接性能影響最大的是碳，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其焊接性能越差。一般來(lái)說(shuō)，低碳非合金鋼的焊接性能優(yōu)良，高碳非合金鋼的焊接性能較差，鑄鐵的焊接性能很差。合金元素對(duì)焊接性能也有影響，所以合金鋼的焊接性能比非合金鋼差。焊接性能好的金屬焊接時(shí)不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，且焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。汽車(chē)車(chē)身殼體是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，它是由百余種、甚至數(shù)百種（如轎車(chē)）薄板沖壓件連接而成的。由于車(chē)身沖壓件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳鋼，所以焊接是現(xiàn)代車(chē)身制造中應(yīng)用最廣泛的連接方式。例如，車(chē)身主體主要由車(chē)前鈑金、前圍零件、地板總成、左/右側(cè)圍總成、后圍總成、行李艙擱板總成和頂蓋總成等部件焊裝而成，如圖1-12所示。圖1-12轎車(chē)地板總成和側(cè)圍總成的焊接四.切削加工性能切削加工性能是指金屬材料被切削加工的難易程度。切削性能與金屬材料的硬度、導(dǎo)熱性、冷變形強(qiáng)化等因素有關(guān)，改變鋼的化學(xué)成分（如加入少量鉛、磷等元素）和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ㄈ绲吞间撨M(jìn)行正火、高碳鋼進(jìn)行球化退火等）可提高鋼的切削加工性能。由于切削加工的方法多種多樣，因此可以將金屬材料加工成各種不同幾何形狀的零件。切削加工完成的表面比較光滑，因此，需要配合的部位和零件的精加工通常都是通過(guò)切削加工完成。如圖1-13所示，汽車(chē)變速器、主減速器和差速器上的齒輪和軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等形狀復(fù)雜且精度高的零件一般由切削加工完成。圖1-13汽車(chē)變速器齒輪箱和發(fā)動(dòng)機(jī)連桿五.熱處理性能熱處理工藝性能是指金屬材料經(jīng)熱處理可使性能順利改善的性質(zhì)。對(duì)于鋼而言，熱處理工藝性能主要包括淬透性、淬硬性、氧化和脫碳、變形及開(kāi)裂等，它與材料的化學(xué)成分緊密相關(guān)。常見(jiàn)的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等。在車(chē)身零部件的性能質(zhì)量滿(mǎn)足汽車(chē)需求的情況下，車(chē)身結(jié)構(gòu)的組裝決定了汽車(chē)的安全性能，此時(shí)焊接就顯得尤其重要。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)有點(diǎn)焊、MIG焊、螺柱焊、TIG焊和凸焊，其中點(diǎn)焊由于其生產(chǎn)率高、噪聲小、無(wú)有害氣體且成本較低，是汽車(chē)中應(yīng)用最廣泛的焊接方式。點(diǎn)焊屬于電阻焊接，將被焊工件夾于兩個(gè)電極之間，再施以電流，利用電流經(jīng)過(guò)工件接觸面產(chǎn)生的電阻熱量，使其局部熔化成塑性狀態(tài)，從而使金屬結(jié)合，達(dá)到連接的目的。汽車(chē)焊接發(fā)展了很多新技術(shù)，其中激光焊接應(yīng)用最為廣泛。激光焊接是以高能量密度的激光輻射金屬工件的表面，產(chǎn)生的熱量使工件熔化，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能力、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，形成不同的熔池，從而達(dá)到焊接目的。我國(guó)的激光焊接技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，2013年10月，我國(guó)焊接專(zhuān)家更是獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)——布魯克獎(jiǎng)，得到了世界人民的肯定。項(xiàng)目二金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)任務(wù)一·純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二純金屬結(jié)晶ZnO：傳統(tǒng)材料大有用途ZnO是一種難溶于水的氧化物。羅馬人在公元前200年便已學(xué)會(huì)用銅和富含ZnO的礦石制作黃銅。在古印度和希臘歷史上，都有黃銅作為治療眼疾和皮膚病藥膏的記載。19世紀(jì)，ZnO作為水彩涂料在歐洲流行起來(lái)。隨后，ZnO開(kāi)始進(jìn)入橡膠和復(fù)印紙工業(yè)，成為一種應(yīng)用廣泛的化學(xué)添加劑。近年來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)于材料的認(rèn)識(shí)以及技術(shù)水平的飛速發(fā)展，人們利用ZnO的結(jié)構(gòu)特性，成功研發(fā)出了新的半導(dǎo)體材料。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料GaN比起來(lái)，ZnO半導(dǎo)體具有原料豐富、價(jià)格低廉、成膜性能好、納米形態(tài)豐富多彩、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被用于制備IASD，LD和探測(cè)器等光電器件，在固體發(fā)光、光信息存儲(chǔ)等節(jié)能與通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬是指只有一種金屬元素組成的金屬。汽車(chē)中的導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料都是由純銅、純鋁等純金屬材料制造而成的。（一）晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1．晶體與非晶體按原子（離子或分子）的聚集狀態(tài)不同，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。其中，晶體是指原子（離子或分子）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)，如金剛石、石墨、固態(tài)金屬等，如圖2-1（a）所示；非晶體是指原子（離子或分子）在空間無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)，如松香、玻璃、瀝青等，如圖2-1（b）所示。（a）金剛石晶體

（b）松香非晶體圖2-1晶體與非晶體晶體一般有規(guī)則的外形、固定的熔點(diǎn)，且各向異性；而非晶體沒(méi)有規(guī)則的外形、固定的熔點(diǎn)，在各個(gè)方向上原子的聚集密度大致相同，故表現(xiàn)出各向同性。2．晶體與晶胞晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式稱(chēng)為晶體結(jié)構(gòu)。晶體中的原子（離子或分子）都在它的平衡位置上不停地振動(dòng)著，為研究方便，通常把它們看成是一個(gè)個(gè)在平衡位置上靜止不動(dòng)的小剛球，于是，各種晶體結(jié)構(gòu)便可用許多小剛球緊密堆垛的模型來(lái)表示，稱(chēng)作剛球模型，如圖2-2（a）所示。為了便于分析金屬晶體中原子排列的幾何規(guī)律，用一些假想的直線將各原子中心連接起來(lái)，形成一個(gè)空間格架，如圖2-2（b）所示。這種抽象的、用于描述原子排列規(guī)律的空間格架稱(chēng)為結(jié)晶格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。這種模型也叫做質(zhì)點(diǎn)模型。由于晶體中的原子在三維空間有規(guī)律的重復(fù)排列，因此，在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，通常只從晶格中取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來(lái)進(jìn)行分析。這個(gè)最小的幾何單元稱(chēng)為晶胞，如圖2-2（c）所示。晶胞的大小和形狀可用晶胞的三條棱邊長(zhǎng)a，b，c和棱邊夾角α，β，γ來(lái)描述，其中，a，b，c稱(chēng)為晶格常數(shù)或點(diǎn)陣常數(shù)。（a）剛球模型（b）質(zhì)點(diǎn)模型（c）晶胞圖2-2晶體原子排列示意圖（二）金屬晶體的基本類(lèi)型由于原子間的金屬鍵具有較強(qiáng)的結(jié)合力，使得金屬原子總是趨于緊密排列，因此，金屬大多具有高對(duì)稱(chēng)性的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)。在金屬元素中，90%以上的金屬晶體都屬于如表2-1所示的三種晶格類(lèi)型。晶格類(lèi)型晶胞（質(zhì)點(diǎn)模型、剛球模型）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)常見(jiàn)金屬體心立方晶格立方體的八個(gè)頂角上各排列著一個(gè)原子，立方體的中心有一個(gè)原子α-Fe，δ-Fe，Cr，V，Mo，W，Nb面心立方晶格立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各排列一個(gè)原子γ-Fe，Al，Cu，Ni，Au，Ag密排立方晶格正六方柱體的十二個(gè)頂角和上，下面中心各排列一個(gè)原子，上下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子Mg，Zn，Be，Cd，α-Ti表2-1三種常見(jiàn)晶格類(lèi)型（三）金屬晶體的缺陷無(wú)論是何種晶體結(jié)構(gòu)，理想狀態(tài)下原子之間都應(yīng)該按照規(guī)則緊密排列。但是實(shí)際情況下，受結(jié)晶條件、原子熱運(yùn)動(dòng)及加工條件的影響，某些區(qū)域的原子排列會(huì)受到干擾和破壞，這種區(qū)域稱(chēng)為晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的特征，可將其分為三類(lèi)：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小，不超過(guò)幾個(gè)原子直徑的缺陷。常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷有晶格空位、間隙原子和置換原子，如圖2-3所示。在點(diǎn)缺陷附近，由于原子間作用力的平衡遭到破壞，使其周?chē)钠渌影l(fā)生靠攏或撐開(kāi)的不規(guī)則排列，這種變化稱(chēng)為晶格畸變。晶格畸變將會(huì)使晶體的強(qiáng)度、硬度升高，電阻增大。1．點(diǎn)缺陷圖2-3點(diǎn)缺陷示意圖線缺陷是指在某一方向尺寸較大而另外兩個(gè)方向尺寸很小的晶體缺陷，其具體形式是位錯(cuò)。位錯(cuò)是指晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了位置錯(cuò)動(dòng)而形成的缺陷。位錯(cuò)主要有兩種不同形式：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)，如表2-2所示。2．線缺陷位錯(cuò)形式位錯(cuò)示意圖位錯(cuò)特點(diǎn)刃型位錯(cuò)規(guī)則排列的晶體中間錯(cuò)排了半列多余的原子面，多余的半原子面不延伸入原子未錯(cuò)動(dòng)的下半部晶體中，猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線為位錯(cuò)線螺型位錯(cuò)晶體右上部的原子相對(duì)于下部的原子向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距，即右上部相對(duì)于下部晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，若將錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起來(lái)，則具有螺旋型特征。螺旋線的中心線即是螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線表2-2線缺陷的兩種位錯(cuò)形式晶體中的位錯(cuò)密度用單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度或晶體中單位面積上位錯(cuò)線的根數(shù)來(lái)表示。晶體中位錯(cuò)密度的變化及位錯(cuò)在晶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬的塑性變形、強(qiáng)度、疲勞腐蝕等物理化學(xué)性能都有非常重要的影響。3．面缺陷面缺陷是指在兩個(gè)方向尺寸較大，而在第三個(gè)方向尺寸很小，呈面狀分布的晶體缺陷，主要包括晶界和亞晶界。1）晶界不同晶粒的質(zhì)點(diǎn)排列取向不同，這個(gè)取向稱(chēng)為晶粒位向，相鄰兩個(gè)晶粒位向方向所組成的角度稱(chēng)為位向差，如圖2-4所示。晶界是不同位向晶粒之間的過(guò)渡區(qū)。晶界上的原子受相鄰晶粒的影響處于折中位置，如圖2-4所示。晶界的厚度取決于相鄰晶粒的位向差大小，一般只有幾個(gè)至幾十個(gè)原子間距。2）亞晶界在實(shí)際金屬的每個(gè)晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并非完全一致，而是存在一些尺寸很小、位向差也很?。ㄒ话悴怀^(guò)2°）的小晶塊，這些小晶塊稱(chēng)為亞晶，亞晶之間的界面稱(chēng)為亞晶界，如圖2-5所示。亞晶界實(shí)質(zhì)上是由一系列位錯(cuò)組成的，是晶粒內(nèi)部的一種面缺陷。在晶界、亞晶界或金屬內(nèi)部的其他界面上，原子的排列偏離平衡位置，晶格畸變較大，位錯(cuò)密度較高，原子處于較高的能量狀態(tài)，原子活性較大，對(duì)金屬中許多過(guò)程的進(jìn)行都具有極為重要的作用。圖2-4晶界過(guò)渡結(jié)構(gòu)示意圖圖2-5亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖二.純金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝固。如果凝固后的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶。實(shí)際使用的大多數(shù)固態(tài)金屬，一般都要經(jīng)過(guò)冶煉和鑄造的過(guò)程，即要經(jīng)過(guò)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的結(jié)晶過(guò)程。從廣義上講，金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)的過(guò)程均屬于結(jié)晶過(guò)程。通常把金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為一次結(jié)晶，而把金屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。金屬結(jié)晶后的組織對(duì)金屬的性能有很大影響，因此，研究金屬結(jié)晶的基本規(guī)律對(duì)改善金屬組織、提高金屬性能具有十分重要的意義。（一）結(jié)晶條件純金屬的結(jié)晶常通過(guò)熱分析法進(jìn)行測(cè)定，即把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過(guò)程中，觀察記錄溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成曲線，此曲線稱(chēng)為冷卻曲線，如圖2-6所示。由圖2-6可以看出，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度時(shí)，結(jié)晶并未開(kāi)始，而是繼續(xù)冷卻到以下的某一溫度才開(kāi)始結(jié)晶。這種實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱(chēng)為過(guò)冷度，用ΔT表示，即（2-1）圖2-6純金屬結(jié)晶的冷卻曲線過(guò)冷度的大小與冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度等因素有關(guān)。冷卻速度越大，金屬越純，過(guò)冷度越大。實(shí)驗(yàn)證明，金屬都是在過(guò)冷情況下結(jié)晶的，所以，過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。由于結(jié)晶是在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行的，因此，結(jié)晶開(kāi)始時(shí)，結(jié)晶速度很快，會(huì)釋放大量的結(jié)晶潛熱。這部分熱量除了補(bǔ)償向外散熱外，剩余部分會(huì)使液態(tài)金屬的溫度升高，結(jié)晶速度減慢，釋放的潛熱隨之減少，當(dāng)釋放的潛熱恰好等于補(bǔ)償向外散失的熱量時(shí)，液態(tài)金屬的溫度保持不變，冷卻曲線上出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)。直到金屬結(jié)晶完畢，不再有潛熱放出時(shí)，溫度才繼續(xù)降低。（二）結(jié)晶過(guò)程純金屬結(jié)晶過(guò)程是在冷卻曲線的水平線內(nèi)發(fā)生的，是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。金屬結(jié)晶時(shí)，首先在液體中自發(fā)形成一些極微小的晶體，稱(chēng)為自發(fā)晶核；同時(shí)，液體金屬中的一些難溶雜質(zhì)也可以作為基底形成非自發(fā)晶核。晶核形成后會(huì)不斷吸收周?chē)脑佣L(zhǎng)大，并繼續(xù)形成新的晶核，直至液態(tài)金屬全部結(jié)晶。金屬的結(jié)晶過(guò)程如圖2-7所示。圖2-7金屬的結(jié)晶過(guò)程示意圖自發(fā)形核和非自發(fā)形核同時(shí)存在于金屬液體中，但在實(shí)際金屬和合金中，非自發(fā)形核往往比自發(fā)形核更為重要，起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。晶核主要以樹(shù)枝狀方式長(zhǎng)大，形成樹(shù)枝狀晶體，簡(jiǎn)稱(chēng)枝晶，如圖2-8所示。各晶軸不斷生長(zhǎng)變粗，直到相互接觸，晶軸間液體消耗完畢，形成一顆顆晶粒。圖2-8枝晶生成過(guò)程示意圖（三）晶粒的大小和控制金屬晶粒的大小用晶粒度表示。晶粒度常用單位面積或單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目或晶粒平均直徑來(lái)表示。金屬結(jié)晶后的晶粒度與形核速度N（形核率）和長(zhǎng)大速度G（長(zhǎng)大率）有關(guān)。形核率是指單位時(shí)間內(nèi)在單位體積中產(chǎn)生的晶核數(shù)；長(zhǎng)大率是指單位時(shí)間內(nèi)晶核長(zhǎng)大的線速度。形核率越大，則結(jié)晶后單位體積中的晶粒數(shù)就越多，晶粒就越細(xì)??；若形核率一定，長(zhǎng)大率越小，則結(jié)晶所需的時(shí)間越長(zhǎng)，生成的晶核越多，晶粒就越細(xì)小。實(shí)際金屬結(jié)晶后，一般都會(huì)形成由許多晶粒組成的多晶體。在多晶體中，晶粒的大小對(duì)其力學(xué)性能的影響很大。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度越高，塑性和韌性越好。所以，細(xì)化晶粒是提高金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要途徑。細(xì)化晶粒的主要方法有增大過(guò)冷度、變質(zhì)處理和附加振動(dòng)等。金屬結(jié)晶時(shí)，形核率N和長(zhǎng)大率G均與過(guò)冷度有關(guān)，如圖2-9所示。隨著過(guò)冷度的增大，形核率和長(zhǎng)大率均會(huì)增大，但當(dāng)過(guò)冷度超過(guò)一定值后，形核率和長(zhǎng)大率都會(huì)降低。這是由于溫度過(guò)低時(shí)，液體中原子擴(kuò)散困難，形核率和長(zhǎng)大率都隨之降低。生產(chǎn)中冷卻條件往往處于曲線左邊部分，曲線右邊的冷卻條件難以達(dá)到，所以，隨著過(guò)冷度的增大，形核率N和長(zhǎng)大率G都增大，但形核率N增大得更快，N/G增大，晶粒細(xì)化。增大過(guò)冷度的方法主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。提高冷卻速度的方法主要有采用散熱快的金屬鑄型、降低金屬鑄型的預(yù)熱溫度、減小涂料層的厚度、采用水冷鑄型等。1．增大過(guò)冷度圖2-9形核率和長(zhǎng)大率與過(guò)冷度的關(guān)系對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，為防止快速冷卻使應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生開(kāi)裂，通常不允許過(guò)多地提高冷卻速度，生產(chǎn)上多采用變質(zhì)處理來(lái)細(xì)化晶粒。變質(zhì)處理是在液體金屬中加入變質(zhì)劑或孕育劑，增加非自發(fā)晶核的數(shù)量或阻礙晶核的長(zhǎng)大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。例如，向鋼液中加入少量Ti，V等形成碳化物作為活性質(zhì)點(diǎn)，向鋁液中加入少量Ti，Zr等作為質(zhì)點(diǎn)，它們都能增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，起到細(xì)化晶粒的目的；在鋁硅合金中加入鈉鹽可降低硅的長(zhǎng)大速度，阻礙粗大硅晶體的形成，使合金的組織細(xì)化；在ZA27合金中加入Ti和Zr，粗大的樹(shù)枝晶粒細(xì)化后變成了更細(xì)小的花瓣?duì)?，變質(zhì)處理有明顯的細(xì)化晶粒效果，如圖2-11所示。2．變質(zhì)處理（a）未經(jīng)超聲波處理（b）超聲波處理后圖2-12經(jīng)超聲波處理前后純鋁的凝固組織（四）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，而有些金屬在固態(tài)下存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦、錫、錳等。這類(lèi)金屬在冷卻或加熱過(guò)程中，其晶格形式會(huì)發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得到的不同晶格類(lèi)型的晶體稱(chēng)為同素異構(gòu)體。如圖2-13所示為純鐵在結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線。液態(tài)純鐵在1538℃時(shí)開(kāi)始結(jié)晶，形成具有體心立方晶格的δ-Fe，溫度繼續(xù)降低到1394℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe。再冷卻至912℃時(shí)又發(fā)生一次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，面心立方晶格的γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe。再繼續(xù)冷卻，純鐵的晶格類(lèi)型不再變化。純鐵的三種同素異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變可表示為由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的晶格變化將會(huì)引起金屬的體積發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬變形或開(kāi)裂，因此，應(yīng)有工藝措施予以防止。圖2-13純鐵在結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線（五）鑄錠的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)晶過(guò)程主要受過(guò)冷度和難熔雜質(zhì)的影響，而過(guò)冷度的大小取決于結(jié)晶時(shí)冷卻速度的快慢。因此，凡是影響冷卻速度的因素，如澆鑄溫度、澆鑄方式、鑄型材料及鑄件大小等，均影響金屬結(jié)晶后晶粒的大小、形態(tài)和分布。在鑄錠凝固過(guò)程中由于表面和中心的冷卻條件不同，鑄錠的組織不均勻。如圖2-14所示為金屬鑄錠的剖面示意圖，其組織由外向內(nèi)分為三個(gè)晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。1．鑄錠的組織圖2-14金屬鑄錠的剖面示意圖1—表層細(xì)晶區(qū)；2—柱狀晶區(qū)；3—中心等軸晶區(qū)1）表層細(xì)晶區(qū)液體金屬澆注到錠模后，由于錠模溫度不高，傳熱快，與模壁接觸的金屬液受到激冷，過(guò)冷度大，生成大量的晶核，同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用，于是，在金屬表層形成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)。表層細(xì)晶區(qū)的晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能好。但該區(qū)很薄，故對(duì)鑄錠的性能影響不大。2）柱狀晶區(qū)在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過(guò)冷度減小，形核速度降低，而此時(shí)晶核的長(zhǎng)大速度受到的影響很小。由于垂直于模壁方向的散熱速度最快，那些晶軸垂直于模壁的晶核會(huì)沿著與散熱方向相反的方向迅速向液體金屬中長(zhǎng)大，而晶軸與模壁斜交的晶核長(zhǎng)大受到限制，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)的組織比較致密，但晶粒間常存有非金屬夾雜物和低熔點(diǎn)雜質(zhì)而形成脆弱面，在熱軋或壓力加工時(shí)易產(chǎn)生開(kāi)裂。因此，對(duì)熔點(diǎn)高、雜質(zhì)多的金屬，不希望產(chǎn)生柱狀晶區(qū)；但對(duì)熔點(diǎn)低、不含易熔雜質(zhì)、塑性較好的有色金屬及其合金或承受單向載荷的零件（如汽輪機(jī)葉片等），常采用順序凝固法獲得柱狀組織。3）中心等軸晶區(qū)隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，剩余液體金屬的冷卻速度下降很快，溫度差越來(lái)越小，散熱的方向性不再明顯，處于均勻冷卻狀態(tài)。由于液體金屬的流動(dòng)，一些未熔雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)和被沖斷的柱狀晶小分枝運(yùn)動(dòng)到鑄錠中心，成為結(jié)晶核心。這些晶核向各個(gè)方向均勻長(zhǎng)大，最后形成較粗大的等軸晶區(qū)。中心等軸晶區(qū)不存在明顯的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)、咬合，各個(gè)方向上的力學(xué)性能均勻，是一般情況下金屬（特別是鋼鐵鑄件）所要求的結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)上常采用低溫澆鑄、變質(zhì)處理、附加振動(dòng)和攪拌等措施獲得等軸晶粒。液體金屬或合金在凝固過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生一些鑄造缺陷，如縮孔、縮松和氣孔等，這些缺陷會(huì)影響鑄件的質(zhì)量和性能，如圖2-15所示。2．鑄錠的缺陷（a）縮孔（b）縮松（c）氣孔圖2-15常見(jiàn)鑄錠的缺陷1）縮孔金屬凝固時(shí)體積要收縮，如果最后凝固的地方得不到液體的補(bǔ)充即形成縮孔。縮孔為集中空洞，且附近雜質(zhì)較多，在軋制和壓力加工前需切去，否則會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。2）縮松縮松即分散縮孔，是結(jié)晶時(shí)不能保證液體的補(bǔ)給而在枝晶間和枝晶內(nèi)形成的細(xì)小分散的小空隙。鑄件中心的等軸晶區(qū)最容易生成縮松。為減少縮松，可提高澆鑄時(shí)的液面，以改善液體的補(bǔ)給條件。3）氣孔液體金屬中氣體的溶解度較大，凝固時(shí)會(huì)析出氣體；鑄模表面的銹皮與液體相互作用會(huì)產(chǎn)生氣體；澆注時(shí)液體流動(dòng)也會(huì)卷入一定量氣體，這些氣體如果在凝固時(shí)來(lái)不及逸出，就會(huì)保留在金屬內(nèi)部形成氣孔。如果表面凝固快，氣體停留在表面附近，就會(huì)形成皮下氣孔。在鑄錠軋制過(guò)程中，氣孔大多可以壓合，但皮下氣孔會(huì)造成微細(xì)裂紋和表面起皺現(xiàn)象，嚴(yán)重影響金屬的質(zhì)量，所以，在冶煉和澆鑄過(guò)程中，要嚴(yán)格控制產(chǎn)生氣體的各種因素。半導(dǎo)體材料是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，在生活中有著廣泛的應(yīng)用。生活中大多數(shù)的電子產(chǎn)品，如手機(jī)、電腦和數(shù)字錄音機(jī)等，它們的核心單元都與半導(dǎo)體有著極為密切的聯(lián)系。晶體呈現(xiàn)半導(dǎo)體性能的本質(zhì)原因是因?yàn)樘顫M(mǎn)電子的最高能帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度很窄，如果溫度升高，電子可以從滿(mǎn)帶躍遷到導(dǎo)帶成為傳導(dǎo)電子，從而使絕緣體轉(zhuǎn)變成了導(dǎo)體。晶體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能取決于禁帶寬度、參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目及它的遷移率，而這些因素受晶體缺陷的影響，因此可以利用晶體的缺陷來(lái)改善半導(dǎo)體的性能。ZnO正是利用了晶體缺陷對(duì)半導(dǎo)體的影響，才使得材料具有半導(dǎo)性。過(guò)量的Zn原子可溶解在ZnO晶體中，進(jìn)入晶格的間隙位置，從而形成間隙型離子缺陷，此時(shí)兩個(gè)電子被松弛地束縛在周?chē)瑢?duì)外不表現(xiàn)出帶電性。但是這兩個(gè)電子并不穩(wěn)定，很容易就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，成為準(zhǔn)自由電子，從而使材料具有半導(dǎo)性。晶體缺陷不僅能影響材料的導(dǎo)電性能，還能影響晶體的強(qiáng)度、塑性、表面活性等物理化學(xué)性能。如果能合理地利用晶體的缺陷，將能大大改善金屬的各種性能，這對(duì)材料的發(fā)展有著重要的意義。任務(wù)二·合金的相結(jié)構(gòu)與相圖一合金的結(jié)構(gòu)二二元合金的結(jié)晶三鐵碳合金相圖不銹鋼的出現(xiàn)不銹鋼是指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的金屬材料，在工業(yè)和生活用具上有著廣泛的應(yīng)用，如建筑屋頂、刀叉餐具等。不銹鋼的發(fā)明可追溯到第一次世界大戰(zhàn)，英國(guó)政府兵部軍工廠希望研發(fā)出一種不易磨損的合金材料，用來(lái)制造步槍槍膛。英國(guó)科學(xué)家亨利·布雷爾利在研究過(guò)程中制造出一種含Cr量較高的材料，這種材料并不耐磨，不能用來(lái)制造槍支，但是卻擁有出眾的耐酸、堿、鹽的性能。布雷利爾心想這種不耐磨卻耐腐的材料不能用來(lái)制造槍支，是否還有其他的用途呢？于是他嘗試制作了刀、叉、勺等不銹鋼餐具，自此不銹鋼用具開(kāi)始廣泛出現(xiàn)在人類(lèi)生活中。不銹鋼的耐腐蝕性隨含碳量的增加而降低，因此，大多數(shù)不銹鋼的含碳量均較低。不銹鋼按組織狀態(tài)不同可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。不同不銹鋼具有不同的性能特點(diǎn)，也在工業(yè)上有著不同的應(yīng)用，其中奧氏體不銹鋼的綜合性能很好，可耐多種腐蝕介質(zhì)。奧氏體一般采用固溶處理，以此獲得組織成分均勻、加工性能優(yōu)異和耐腐蝕性強(qiáng)的奧氏體不銹鋼。一.合金的結(jié)構(gòu)由于純金屬的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能都很低，因此，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的不是純金屬，而是根據(jù)性能要求制備的各種不同成分的合金。合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如，鋼和鐵是由鐵和碳組成的合金，普通黃銅是由銅與鋅組成的合金等。（一）合金的基本概念1．組元組元是指組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組元通常是組成合金的元素，如鐵碳合金中的Fe和C、黃銅中的Cu和Zn等；也可以是穩(wěn)定化合物，如碳鋼中等。由兩個(gè)組元組成的合金稱(chēng)為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱(chēng)為三元合金，由三個(gè)以上組元組成的合金稱(chēng)為多元合金。合金系是指由給定組元按不同比例配制出的一系列成分不同的合金。例如，各種牌號(hào)的碳鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金系。2．合金系3．相相是指在合金中具有相同的成分、晶體結(jié)構(gòu)及性能，并與其他部分以界面分開(kāi)的均勻組成部分。例如，固液共存系統(tǒng)中的相有固相和液相兩種。合金結(jié)晶后可以是一種相（單相合金），也可以是若干種相組成的多相合金。4．組織合金的組織是指由一種或多種相以不同的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布形式而組成的綜合體，通常需要在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。只有一種相組成的組織稱(chēng)為單相組織，由幾種不同的相組成的組織稱(chēng)為多相組織。（二）合金的相結(jié)構(gòu)合金的性能取決于組織，而組織的性能又取決于其組成相的性質(zhì)。固態(tài)合金的基本相可分為固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。固溶體是指合金組元通過(guò)溶解形成的一種成分和性能均勻且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。與固溶體晶格相同的組元稱(chēng)為溶劑，一般在合金中含量較多；其他組元稱(chēng)為溶質(zhì)，含量較少。1．固溶體1）固溶體的分類(lèi)根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。（1）置換固溶體置換固溶體是指溶質(zhì)原子置換溶劑中的部分原子，并且占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體，如圖2-16（a）所示。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溶劑和溶質(zhì)的原子半徑比較接近時(shí)容易形成置換固溶體。例如，F(xiàn)e，Mn，Ni，Cr，Mo等元素都可以相互形成置換固溶體。在置換固溶體中，溶質(zhì)原子的分布一般是無(wú)序的，這種固溶體稱(chēng)為無(wú)序固溶體。在一定條件下（如結(jié)晶后緩慢冷卻），通過(guò)原子的擴(kuò)散，有些合金的溶質(zhì)原子可以過(guò)渡到有序排列，這種固溶體稱(chēng)為有序固溶體。有序固溶體實(shí)際上是無(wú)序固溶體與金屬間化合物的過(guò)渡相。當(dāng)無(wú)序固溶體變?yōu)橛行蚬倘荏w時(shí)，合金的性能會(huì)發(fā)生突變，硬度和脆性增大，塑性和電阻降低。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度不同，置換固溶體又可分為無(wú)限固溶體和有限固溶體。溶解度的大小主要與組元的晶格類(lèi)型、原子半徑差及它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢糜嘘P(guān)。各組元的晶格類(lèi)型相同，原子半徑差越小，在元素周期表中的位置越靠近，則溶解度越大，甚至能形成無(wú)限固溶體，否則只能形成有限固溶體。有限固溶體的溶解度還與溫度有關(guān)，隨溫度的升高，溶解度增加。（2）間隙固溶體間隙固溶體是指溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中形成的固溶體，如圖2-16（b）所示。研究表明，只有在溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑的比值小于0.59時(shí)，才有可能形成間隙固溶體。一般，原子半徑較小的H，O，C，B，N等元素與過(guò)渡族金屬都可形成間隙固溶體。由于溶劑晶格中的間隙有一定的限度，所以，間隙固溶體是有限固溶體。（a）置換固溶體（b）間隙固溶體圖2-16固溶體2）固溶體的性能在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的溶入，溶劑的晶格會(huì)發(fā)生一定程度的畸變，如圖2-17所示。溶質(zhì)原子與溶劑原子的半徑差越大，溶入的溶質(zhì)原子越多，晶格畸變就越嚴(yán)重。晶格畸變會(huì)增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高合金的強(qiáng)度和硬度。這種通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高合金力學(xué)性能的重要途徑之一。圖2-17固溶體中的晶格畸變?cè)谌苜|(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，固溶強(qiáng)化可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性不會(huì)顯著降低。例如，在純銅中固溶1%的鎳后，其強(qiáng)度由原來(lái)的220MPa提高到390MPa，而斷面收縮率僅從原來(lái)的70%減小到50%，仍具有非常好的韌性。因此，實(shí)際使用的金屬材料，大多是單相固溶體合金或以固溶體為基體的多相合金。金屬化合物是指合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相，一般可用分子式表示。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中含有金屬化合物時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度會(huì)提高，而塑性、韌性會(huì)降低。根據(jù)其形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，金屬化合物可分為正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物。2．金屬化合物1）正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物是指嚴(yán)格遵守原子價(jià)規(guī)律的金屬化合物，其成分固定。它們是由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩種元素組成的，如，和等。正常價(jià)化合物具有較高的硬度和脆性，當(dāng)它彌散分布于固溶體基體上時(shí)，可對(duì)金屬起強(qiáng)化作用。2）電子化合物電子化合物是指不遵守原子價(jià)規(guī)律，但是服從電子濃度（化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比）規(guī)律的化合物。電子濃度不同，所形成金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)也不同。電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性，一般熔點(diǎn)和硬度較高，脆性大，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。3）間隙化合物間隙化合物是指由過(guò)渡族元素與原子半徑較小的C，N，H和B等非金屬元素形成的化合物。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間隙化合物又可分為間隙相和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。（1）間隙相當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成的具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱(chēng)為間隙相，如TiC，WC和VC等。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度，非常穩(wěn)定，是高合金鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如，，和等。是鐵碳合金中的重要組成相，通常稱(chēng)為滲碳體。它具有復(fù)雜的斜方晶格（見(jiàn)圖2-18），其中的鐵原子可以部分被錳、鉻、鉬、鎢等金屬原子置換，形成以間隙化合物為基的固溶體。圖2-18的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物主要以金屬鍵結(jié)合，具有金屬特性，它們也具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但比間隙相稍低些，而且加熱易分解。二.二元合金的結(jié)晶根據(jù)結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的結(jié)晶反應(yīng)不同，二元合金結(jié)晶過(guò)程可以分為勻晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、包晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變四種基本類(lèi)型，如表2-3所示。類(lèi)型特點(diǎn)合金系勻晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶。這類(lèi)合金結(jié)晶時(shí)，都是從液相結(jié)晶出單相固溶體Cu-Ni，Au-Ag，Au-Pt，F(xiàn)e-Ni，F(xiàn)e-Cr，Cr-Mo等共晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并在冷卻時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)。這是由一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)Pb-Sn，Pb-Sb，Ag-Cu，Al-Si等包晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)。這是在一定的溫度時(shí)，一種固相與一種液相相互作用轉(zhuǎn)變成另一新相固溶體的反應(yīng)Pt-Ag，Ag-Sn，Al-Pt等共析轉(zhuǎn)變從一種固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程共析鋼、共析滲碳體等三.鐵碳合金相圖合金的結(jié)晶過(guò)程較為復(fù)雜，通常運(yùn)用合金相圖來(lái)分析合金的結(jié)晶過(guò)程。相圖是表示合金系在平衡條件下，在不同溫度、成分下各相關(guān)系的圖解，又稱(chēng)為平衡圖或狀態(tài)圖。所謂平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過(guò)程的各相成分和相對(duì)質(zhì)量不再變化所達(dá)到的一種狀態(tài)。合金在極其緩慢的冷卻條件下的結(jié)晶過(guò)程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過(guò)程。利用相圖，可知各種成分的合金在不同溫度的組織狀態(tài)及一定溫度下發(fā)生的結(jié)晶和相變，了解不同成分的合金在不同溫度下的相組成及相對(duì)含量，了解合金在加熱和冷卻過(guò)程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。碳鋼和鑄鐵是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的金屬材料，組成碳鋼和鑄鐵的主要元素是鐵和碳，所以鋼鐵又可稱(chēng)為鐵碳合金。不同成分的鐵碳合金具有不同的組織和性能。為了研究鐵碳合金成分、組織和性能之間的關(guān)系，必須要了解鐵碳合金相圖。在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成，，F(xiàn)eC等一系列化合物。整個(gè)鐵碳合金相圖由，，，等部分組成，如圖2-19所示。隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的性能逐漸變脆，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%之后，合金將失去使用價(jià)值。而的含碳量為6.69%，因此，實(shí)際中只需研究相圖即可。圖2-19Fe-C相圖的組成（一）鐵碳合金的組元鐵碳合金中的主要組元有純鐵和滲碳體。1．純鐵純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，其冷卻曲線如圖2-13所示。純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特征。純鐵在室溫下的力學(xué)性能大致為：抗拉強(qiáng)度180～230MPa，斷后伸長(zhǎng)率30%～50%，斷面收縮率70%～80%，布氏硬度50～80HBW。鐵與碳形成的金屬間化合物稱(chēng)為滲碳體，可用表示。滲碳體的熔點(diǎn)為1227℃，它是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。滲碳體硬而脆，其硬度很高（約800HBW），但塑性和韌性幾乎為零。2．滲碳體（二）鐵碳合金中的相碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體，用符號(hào)F或α表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體中碳的溶解度極小，室溫時(shí)約為0.0008%，在727℃時(shí)碳的溶解度最大，僅為0.0218%。鐵素體是室溫下鐵碳合金的基本相。鐵素體的力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相似，即塑性、韌性較好，強(qiáng)度、硬度較低。1．鐵素體碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱(chēng)為奧氏體，用符號(hào)A或γ表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體中碳的溶解度較大，在727℃時(shí)為0.77%，在1148℃時(shí)最大，為2.11%。奧氏體是鐵碳合金在高溫下的基本相。奧氏體的強(qiáng)度、硬度不高，但塑性很好，因此，鋼材的壓力加工一般都是加熱到奧氏體狀態(tài)進(jìn)行的。2．奧氏體3．高溫鐵素體