《金屬材料及熱處理》全套教學(xué)課件

項(xiàng)目一工程材料性能認(rèn)知任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能任務(wù)二熟知工程材料的工藝性能項(xiàng)目1工程材料性能認(rèn)知.pptx項(xiàng)目2金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶認(rèn)知.pptx項(xiàng)目3金屬的塑性變形與再結(jié)晶.pptx項(xiàng)目4鐵碳合金相圖.pptx項(xiàng)目5鋼的熱處理認(rèn)知.pptx項(xiàng)目6合金鋼的認(rèn)知.pptx項(xiàng)目7鑄鐵的認(rèn)知.pptx項(xiàng)目8有色金屬材料及其合金認(rèn)知.pptx項(xiàng)目9非金屬材料與新型材料認(rèn)知.pptx項(xiàng)目10工程材料的選用認(rèn)知.pptx全套可編輯PPT課件任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能材料的強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料的塑性是指材料在外力作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。材料的強(qiáng)度和塑性是材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，可以通過拉伸試驗(yàn)獲得。

一

強(qiáng)度與塑性1631拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線（1）拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)時，將試樣兩端裝入拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)夾緊，隨后緩慢加載。隨著載荷的不斷增加，試樣隨之伸長，直至拉斷為止。光滑圓柱形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（2）拉伸曲線在拉伸過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動繪圖裝置繪制出載荷(拉伸力)和伸長量之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線，也稱力—伸長曲線。1）彈性變形階段（O-E）當(dāng)載荷由零逐漸增加到Fe時，試樣處于彈性變形狀態(tài)，卸除載荷后試樣可恢復(fù)到原來的形狀和尺寸。OP階段載荷與伸長量呈正比關(guān)系，即符合虎克定律。2）屈服階段（E-S）當(dāng)載荷超過Fe后，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，或稱永久變形，即卸除載荷時，伸長的試樣只能部分地恢復(fù)，而保留一部分的殘余變形。當(dāng)載荷增加到Fs時，拉伸曲線上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀，這種在載荷不增加的情況下，試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服。3）強(qiáng)化階段（S-B）當(dāng)載荷超過Fs后，由于塑性變形而產(chǎn)生形變強(qiáng)化，必須增大載荷才能使伸長量繼續(xù)增加。此時變形與強(qiáng)化交替進(jìn)行，直至載荷達(dá)到Fb時，試樣的伸長量也達(dá)到最大值。（4）局部塑性變形階段（B-K）當(dāng)載荷達(dá)到后，試樣的某一部位橫截面急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”。此時施加的載荷逐漸減小，而變形繼續(xù)增加，直到K點(diǎn)時試樣斷裂。2彈性極限與剛度（1）彈性極限彈性極限是指材料保持彈性變形所能承受的最大應(yīng)力，用符號Re（MPa）表示。Re=Fe/A0（2）剛度剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，它表征了材料彈性變形的難易程度，通常用彈性模量E來衡量。E=σ/ε

3強(qiáng)度（1）屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應(yīng)力，它反映了工程材料抵抗塑性變形的能力，用符號ReL（MPa）表示。

ReL

=Fs/A0

對于鑄鐵、高碳鋼等沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，可測定其規(guī)定殘余伸長應(yīng)力值，用符號Rr0.2（MPa）表示，它表示材料在卸除載荷后，試樣標(biāo)距部分殘余伸長率達(dá)到規(guī)定數(shù)值時的應(yīng)力。Rr0.2=F0.2/A0

（2）抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)抗拉強(qiáng)度是指材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抵抗斷裂的能力，用符號Rm（MPa）表示。Rm=Fm/A0

4塑性（1）斷后伸長率是指試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比，用符號A表示。

A=(L1-L0)/L0x100％

（2）斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，用符號Z表示。

Z=(S0-S1)/S0x100％

二

硬度硬度是指材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力，即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。目前生產(chǎn)中普遍采用的硬度試驗(yàn)方法主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

1布氏硬度

以一定直徑的球體(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑，計(jì)算硬度值。布氏硬度值用壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示。壓頭為淬火鋼球時，用符號HBS表示，適用于測量硬度值小于450HBS的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于測量硬度值在450～650HBW的材料。布氏硬度值一般不用計(jì)算方法求得，而是先測出壓痕直徑d，然后從專門的硬度表中查得相應(yīng)的布氏硬度值。

布氏硬度的標(biāo)注方法為：硬度符號之前用數(shù)字表示硬度值，符號之后依次用數(shù)字注明壓頭直徑D、試驗(yàn)載荷F和載荷保持時間t（10～15s不標(biāo)注）。例如，180HBS/10/1000/30，即表示用淬火鋼球作為壓頭，在D=10mm，F(xiàn)=9807N，t=30秒的條件下，測得的布氏硬度值180。布氏硬度主要適用于測定各種鑄鐵，退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼，以及非鐵合金等質(zhì)地相對較軟材料。2洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)采用測量壓痕深度的方法來確定材料的硬度值。在初始試驗(yàn)力F0和總試驗(yàn)力(F0+F1)的先后作用下，將頂角為120°金鋼石圓錐體或直徑為1.588mm(1／16英寸)的淬火鋼球壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗(yàn)力，用測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算洛氏硬度值。壓頭壓入的深度越小，則金屬硬度越高。為適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的觀念，故人為地規(guī)定用一常數(shù)K減去壓痕深度h作為洛氏硬度指標(biāo)，并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度值是一個無量綱的材料性能指標(biāo)，硬度值在試驗(yàn)時直接從硬度計(jì)的表盤上讀出。

根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度常用有HRA、HRB、HRC三種。洛氏硬度的標(biāo)注方法如下：硬度符號HR前面的數(shù)字表示硬度值，后面的符號表示不同洛氏硬度的標(biāo)度，例如60HRC、81HRA等。硬度符號壓頭總載荷F總

/kgf(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRA120°金鋼石圓錐體60(588.4)70~85HRA硬質(zhì)合金、表面淬火、滲碳層等HRBφ1.588mm鋼球100(980.7)25~100HRB非鐵金屬，退火、正火鋼等HRC120°金鋼石圓錐體150(1471.1)20~67HRC淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等3維氏硬度維氏硬度也是一種壓入硬度試驗(yàn)。將一個相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭，以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線長度。維氏硬度值為單位壓痕表面積所承受試驗(yàn)力的大小，用符號HV表示，單位為kgf／mm2。維氏硬度值也是根據(jù)壓痕角線長度直接查表獲得的。維氏硬度試驗(yàn)適用于測定金屬鍍層、薄片金屬、表面硬化層以及化學(xué)熱處理（如氮化、滲碳等）后的表面硬度。當(dāng)試驗(yàn)力小于1.961N時，壓痕非常小，可用于測量金相組織中不同相的硬度，測得的硬度值稱為顯微硬度，用符號HM表示。三

沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌度或韌性，即在沖擊載荷作用下金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。1沖擊試驗(yàn)及其指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功：AK=G(H-h)沖擊韌度：aK=AK/S0用U型缺口和V型缺口試樣測定的結(jié)果，沖擊吸收功分別用符號AKU和AKV來表示，沖擊韌度分別用符號aKU和aKV來表示。隨溫度的降低，AK值呈下降趨勢。當(dāng)溫度降至某一范圍時，AK值急劇下降，鋼材由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變，該溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能1.3.2小能量多次沖擊試驗(yàn)在實(shí)際工作中，金屬零件所承受的沖擊多屬小能量多次沖擊。試驗(yàn)時將試樣放在連續(xù)沖擊試驗(yàn)機(jī)上，沖錘以一定的能量對試樣多次沖擊，測定試樣出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖擊次數(shù)N，以此作為多次沖擊抗力指標(biāo)。多次沖擊抗力與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。當(dāng)沖擊能量高時，材料的多沖抗力主要取決于塑性；在沖擊能量低時，則主要取決于強(qiáng)度。四

斷裂韌度在實(shí)際工程應(yīng)用中，一些用高強(qiáng)度鋼制造的零件或大型焊接構(gòu)件，如橋梁、船舶等，有時會在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服點(diǎn)，甚至低于許用應(yīng)力的條件下，突然發(fā)生脆性斷裂，這樣的斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。實(shí)際上，材料內(nèi)部并不是完整的、均勻得、連續(xù)的，會有各種冶金或加工缺陷存在，這些缺陷可以看作是材料中的裂紋。在外力的作用下，這些裂紋的尖端前沿將產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成一個裂紋尖端應(yīng)力場，其強(qiáng)弱可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI來描述，單位為MPa·m1/2。對于一個有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，

Y值是一定的。當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋逐漸擴(kuò)展時，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI也隨之增大。當(dāng)KI增大到某一值時，就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，直至發(fā)生脆斷。這個應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用符號KIC表示。斷裂韌度表明了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力。斷裂韌度可通過實(shí)驗(yàn)測得，它與裂紋本身大小，形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料本身的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。斷裂韌度為零件設(shè)計(jì)和無損探傷提供了定量的依據(jù)，對于評估材料的使用壽命和機(jī)件工作的可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。五

疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件，在工作過程中，載荷的大小和方向隨時間作周期性的循環(huán)變化，這種載荷稱為交變載荷或循環(huán)載荷。金屬在交變載荷作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷口可分為三個部分：發(fā)源區(qū)(疲勞源)；擴(kuò)展區(qū)(光亮區(qū))；最后斷裂區(qū)(粗糙區(qū))。通過疲勞試驗(yàn)測得材料承受的交變應(yīng)力值σ和斷裂前的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線，即疲勞曲線。應(yīng)力值σ越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)就越多。當(dāng)應(yīng)力值降低到某一定值后，曲線與橫坐標(biāo)平行，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。對稱循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度用符號σ-1表示，單位為MPa。產(chǎn)生疲勞的原因：一般是由于材料表面或內(nèi)部的缺陷(如刀痕、夾雜等)易引起應(yīng)力集中，在交變載荷的作用下產(chǎn)生微裂紋，并隨著載荷循環(huán)周次的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，使零件實(shí)際承載面積不斷減少，直至最后達(dá)到某一臨界尺寸時，實(shí)際應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限，零件發(fā)生突然斷裂。提高零件疲勞強(qiáng)度的措施：對零件結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低表面粗糙度，對表面進(jìn)行各種強(qiáng)化處理，使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力等。

任務(wù)二熟知工程材料的工藝性能1、鑄造性：是指金屬材料能用鑄造的方法獲得優(yōu)良鑄件的能力。2、可鍛性：是指金屬材料在壓力加工時，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的能力。3、焊接性：是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)能力。主要是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。鋼材的含碳量是影響焊接性好壞的主要因素。4、冷彎性：是指鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。5、切削加工性：是指金屬材料經(jīng)切削加工成為合格工件的難易程度。6、熱處理工藝性：是指金屬材料承受熱處理工藝并獲得良好性能的能力。項(xiàng)目二金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶認(rèn)知任務(wù)一認(rèn)識金屬的晶體結(jié)構(gòu)任務(wù)二認(rèn)識純金屬的結(jié)晶

任務(wù)三認(rèn)識合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖任務(wù)四認(rèn)識合金性能與相圖的關(guān)系任務(wù)一認(rèn)識金屬的晶體結(jié)構(gòu)一

晶體與非晶體

固體物質(zhì)按其內(nèi)部原子或分子排列方式的不同，可分為晶體和非晶體兩大類。晶體是指材料內(nèi)部的原子或分子按一定規(guī)律規(guī)則排列的物質(zhì)，如金剛石、水晶、氯化鈉等。晶體具有固定的熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)，具有各向異性。非晶體是指材料內(nèi)部的原子或分子無規(guī)則地堆積在一起的物質(zhì)，如瀝青、松香、玻璃等。非晶體沒有固定的熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)，表現(xiàn)出各向同性。

二

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.晶體結(jié)構(gòu)（1）晶格晶格：抽象的、用來描述原子在晶體中排布規(guī)律的空間格架。節(jié)點(diǎn)：晶格中直線的交點(diǎn)。晶格的結(jié)點(diǎn)為金屬原子(或離子)振動平衡中心的位置。（2）晶胞晶胞：晶格中能完全反映該晶格特征的最小幾何單元。晶胞在三維空間作周期性重復(fù)排列即構(gòu)成晶格。（3）晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的長度。晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條α、β、γ等六個參數(shù)來描述。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，且棱邊夾角α=β=γ=90°時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞，具有簡單立方晶胞的晶格稱為簡單立方晶格。金屬的晶格常數(shù)一般為(1～7)×10-10m。（4）晶面和晶向晶面：晶體中通過原子中心的平面。晶向：通過原子中心的直線所代表的晶格空間的方向。在同一晶格的不同晶面和晶向上，原子排列的密度不同，使得原子結(jié)合力不同，從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，使晶體具有各向異性。2.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格晶胞中，立方體的八個頂角和中心各有一個原子，原子在立方體對角線上緊密排列。一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為：2個。

（2）面心立方晶格晶胞中，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，原子在每個面對角線上緊密排列。一個面心立方晶胞所含的原子數(shù)為：4個。（3）密排六方晶格晶格常數(shù)用正六邊形的邊長a和柱體的高c來表示，且c/a=1.633，兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120°,側(cè)面與底面之間的夾角為90°。一個密排六方晶胞所含的原子數(shù)為：6個。

三

金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

晶體內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。實(shí)際使用的金屬材料都是由許許多多的小晶體組成的，稱為多晶體。這種外形不規(guī)則的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。由于各晶粒的位向是任意的，其性能是位向不同晶粒的平均值，表現(xiàn)出各向同性的特點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為“偽各向同性”。1.點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指在空間三維尺寸上都很小的，不超過幾個原子直徑的缺陷。（1）空位在晶體的晶格中,某些結(jié)點(diǎn)未被原子占有，這種空缺的位置稱為空位。（2）間隙原子位于晶格間隙之中的多余原子稱為間隙原子。（3）置換原子金屬中的異類原子占據(jù)了晶格中的節(jié)點(diǎn)位置，代替了金屬原來的原子，則這種異類原子稱為置換原子。

由于點(diǎn)缺陷的存在，使其周圍的原子偏離了原來的平衡位置，晶格發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變，對于金屬強(qiáng)化起著重要作用。晶格中的空位和間隙原子總是處于不停的運(yùn)動和變化之中，是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式之一。

2.線缺陷線缺陷是指空間兩維尺寸都很小而第三維尺寸很大的缺陷。主要是指在晶體中某部位出現(xiàn)一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為位錯。晶體中的位錯主要有刃型位錯和螺型位錯兩種。

（1）刃型位錯

在晶體ABC晶面的E點(diǎn)以上，多出一個垂直方向的原子面，使得晶體上下兩部分產(chǎn)生錯排現(xiàn)象，這個多余的原子面猶如刀刃一樣插入晶體，在刃口EF附近形成缺陷，稱為刃型位錯，EF線稱為刃型位錯線。（2）螺型位錯

在晶體ABCD晶面上，左右兩部分的原子排列上下錯動了一個原子的距離，使不吻合的過渡區(qū)域（BC線附近區(qū)域）的原子排列呈螺旋狀，故稱螺型位錯，BC線稱為螺型位錯線。位錯的存在使得其附近區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，是強(qiáng)化金屬的重要方式之一，位錯的運(yùn)動及其密度的變化對金屬的性能、塑性變形過程等都起重要作用。3.面缺陷面缺陷是指在空間兩維方向上尺寸都很大而第三維尺寸很小的呈面狀分布的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要是指晶界和亞晶界。（1）晶界實(shí)際金屬為多晶體，相鄰晶粒之間的晶格位向是不同的，位向差一般大于10o～15o，稱為大角度晶界。（2）亞晶界

一般晶粒內(nèi)部也是由許多位向相差很小的亞晶粒組成的。亞晶粒之間的邊界稱為亞晶界。由于晶界和亞晶界處的原子排列極不規(guī)則，晶格畸變程度很大，而且位錯密度很高，在常溫下對金屬的塑性變形起阻礙作用，使得晶界處具有較高的強(qiáng)度和硬度。

晶粒越細(xì)，晶界和亞晶界越多，金屬強(qiáng)度和硬度就越高。細(xì)化晶粒是強(qiáng)化金屬的一個重要手段。任務(wù)二

認(rèn)識純金屬的結(jié)晶金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶。一

純金屬的冷卻曲線和過冷度

冷卻曲線是純金屬的結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線，通常用熱分析法進(jìn)行測量。

純金屬在冷卻速度極其緩慢的條件下測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度(T0)。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用ΔT表示，即ΔT=T0-T1。過冷度與冷卻速度有關(guān)。金屬結(jié)晶時，冷卻速度越快，過冷度就越大，其實(shí)際結(jié)晶溫度也就越低。金屬結(jié)晶之所以要在一定過冷度下進(jìn)行，是由液相和固相的自由能差決定的。只有在過冷的條件下，固相自由能才小于液相自由能，液相才能自發(fā)地向固相轉(zhuǎn)變，即開始結(jié)晶。過冷度ΔT越大，液相與固相的自由能差ΔE也越大，結(jié)晶的推動力就越大。二

純金屬的結(jié)晶過程1.晶核的形成

金屬結(jié)晶時，首先由液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極細(xì)小晶體作為結(jié)晶的核心，這些細(xì)小晶體稱為晶核。

（1）自發(fā)形核當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，液態(tài)金屬中的短程有序原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心，這一過程稱為自發(fā)形核。由液態(tài)金屬內(nèi)部自發(fā)形成的晶核稱為自發(fā)晶核。

（2）非自發(fā)形核實(shí)際金屬中往往含有許多雜質(zhì)，當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，這些固態(tài)的雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這一過程稱為非自發(fā)形核。依附于雜質(zhì)而形成的晶核稱為非自發(fā)晶核。

在液態(tài)金屬中，自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時存在的，但實(shí)際金屬結(jié)晶時往往以非自發(fā)形核為主，它起著優(yōu)先和主導(dǎo)作用。2.晶核的長大晶核的長大的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。（1）平面長大當(dāng)過冷度很小或在平衡狀態(tài)時，金屬晶體以其結(jié)晶表面向前平行推移的方式長大。在長大過程中，晶體一直保持著規(guī)則的形狀，直到與其他晶體接觸后，規(guī)則的外形才被破壞。

（2）樹枝狀長大當(dāng)過冷度較大，尤其是液態(tài)金屬中存在非自發(fā)形核時，金屬晶體常以樹枝狀的形式長大。在晶核長大的初期，晶體的外形是較為規(guī)則的。但隨著晶體的繼續(xù)長大，晶體的棱角和棱邊由于散熱條件優(yōu)越而優(yōu)先生長，成為伸入到液體中的晶枝。結(jié)晶后得到的是樹枝狀的晶體，稱為枝晶。三

晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小對金屬力學(xué)性能有很大的影響。晶粒大小通常用單位截面積上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。一般來說，晶粒越細(xì)小，則金屬的強(qiáng)度越高，同時塑性和韌性也越好。細(xì)化晶粒可以提高金屬的力學(xué)性能，這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

四

影響晶粒大小的因素及晶粒大小的控制1.影響晶粒大小的因素金屬結(jié)晶后的晶粒大小主要取決于形核速率和長大速率。形核率是指單位時間內(nèi)在單位體積液態(tài)金屬中產(chǎn)生的晶核數(shù)，長大率是指單位時間內(nèi)晶核長大的線速度。形核率越大，單位體積中所生成的晶核數(shù)目越多，晶粒就越細(xì)?。蝗粜魏寺室欢?，長大率越小，則結(jié)晶時間越長，生成的晶核越多，晶粒也越細(xì)小。2.晶粒大小的控制（1）增大金屬的過冷度當(dāng)過冷度較小時，形核率增加速度小于長大率；隨著過冷度的增大，形核率比長大率增大得更快，使晶粒細(xì)化；當(dāng)過冷度過大或溫度過低時，形核率和長大率反而下降。增大過冷度的方法主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。（2）變質(zhì)處理在澆注前向液體金屬中加入某些物質(zhì)，形成大量分散的固體質(zhì)點(diǎn)，增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，使晶粒得到細(xì)化。加入的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑，如向鑄鐵液中加入的硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金。（3）振動或攪拌采用機(jī)械振動、超聲波振動或電磁攪拌等方法，促使液態(tài)金屬劇烈運(yùn)動，造成正在生長中的較大的樹枝狀晶體折斷、破碎，破碎的晶枝又成為新的晶核，增大了形核率，使晶粒細(xì)化。任務(wù)三認(rèn)識合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖一

合金的相結(jié)構(gòu)

1.合金的基本概念（1）合金由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起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)叫做組元。組元可以是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。（3）合金系由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，這一系列合金構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，稱為合金系。（4）相合金中具有相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)并有界面與其它部分分開的均勻組成部分稱為相。（5）組織通過肉眼、放大鏡或顯微鏡等所觀察到的材料內(nèi)部的微觀形貌圖象稱為組織。用肉眼或放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織，在光學(xué)或電子顯微鏡下觀察到的組織稱為顯微組織。（6）結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式稱為結(jié)構(gòu)。

2.合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)是指合金組織中相的晶體結(jié)構(gòu)。

（1）固溶體在固態(tài)下合金組元之間相互溶解形成的均勻的相稱為固溶體。固溶體是單相，其晶格類型與其中某一組元相同，該組元稱為溶劑，另一組元稱為溶質(zhì)。按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中存在的位置不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。

①置換固溶體溶質(zhì)原子代替了部分溶劑原子而占據(jù)了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置的固溶體。按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度不同，置換固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。

形成置換固溶體時，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度主要取決于兩者在周期表中的相互位置、晶格類型和原子半徑差。②間隙固溶體是溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的間隙內(nèi)形成的固溶體。隨著溶質(zhì)原子的溶入，晶格將發(fā)生畸變，增大了位錯運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形更加困難，從而提高固溶體的強(qiáng)度和硬度。這種通過溶入溶質(zhì)原子，使固溶體的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。（2）金屬化合物合金組元相互作用形成的具有金屬特性的新相稱為金屬化合物。一般可用分子式來表示。當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，而對塑性和韌性影響不大，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。①正常價化合物指嚴(yán)格遵守原子化合價規(guī)律的化合物，如Mg2Sn、Mg2Si、ZnS等。②電子價化合物指不遵守一般的化合價規(guī)律，但按一定電子濃度化合的化合物，如CuZn、FeAl、Cu5Zn8、CuZn3等。③間隙化合物指由原子直徑較大的過渡族金屬元素和原子直徑較小的非金屬元素形成的化合物，如VC、WC、Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。Fe3C是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱為滲碳體。二

二元合金相圖合金相圖是表示合金系在平衡條件下合金的成分、溫度與合金狀態(tài)之間關(guān)系的圖解，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化所達(dá)到一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過程。

用熱分析法建立銅鎳合金相圖的步驟：（1）配制一系列不同成分的銅鎳合金；（2）用熱分析法分別測定各成分合金的冷卻曲線；（3）根據(jù)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺溫度，確定各合金的相變點(diǎn)；（4）將各成分合金的相變點(diǎn)分別標(biāo)注在成分-溫度的坐標(biāo)圖中，并連接意義相同的相變點(diǎn)，得到銅鎳二元合金相圖。三

二元合金相圖的基本類型1.勻晶相圖合金的兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶的合金相圖稱為勻晶相圖。具有這類相圖的二元合金系主要有Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni等。這類合金結(jié)晶時，都會由液相結(jié)晶出單相固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。

（1）相圖分析A點(diǎn)為純銅熔點(diǎn)(1083℃)，B點(diǎn)為純鎳熔點(diǎn)(1452℃)。ACB線為合金開始結(jié)晶的溫度線，稱為液相線；ADB線為合金結(jié)晶終了的溫度線，稱為固相線。液相線以上為液相區(qū)，用L表示；固相線以下為固相區(qū)，合金全部形成均勻的單相固溶體，用α表示；液相線與固相線之間為液相與固相共存的區(qū)域，稱為兩相區(qū)，用（L+α）表示。（2）合金的結(jié)晶過程以wNi=60%的銅鎳合金為例進(jìn)行分析：在t1溫度時，開始從成分為L1(wNi=60%)的液相中結(jié)晶出的是成分為α1的固溶體；溫度降至t2時，通過原子擴(kuò)散，固溶體的成分沿固相線變化為α2，液相的成分則沿液相線變化為L2；溫度進(jìn)一步降至t3時，結(jié)晶終了，全部轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞峙c原合金相同的α3(wNi=60%)的固溶體。（3）晶內(nèi)偏析在實(shí)際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，原子來不及充分?jǐn)U散，使晶粒內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為晶內(nèi)偏析；由于晶粒通常是以樹枝狀方式長大的，故又稱枝晶偏析。在銅鎳合金的實(shí)際結(jié)晶過程中，先結(jié)晶的樹枝狀晶軸含高熔點(diǎn)的鎳較多，而后結(jié)晶的分枝及枝間部分則含低熔點(diǎn)的銅較多，造成晶粒內(nèi)呈現(xiàn)出心部鎳含量較多，表層鎳含量較少。2.共晶相圖合金的兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，且在結(jié)晶過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的相圖，稱為共晶相圖。具有這類相圖的二元合金系主要有：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。這類合金結(jié)晶時，在一定溫度(共晶溫度)下，從具有一定成分的液相中同時結(jié)晶出兩種不同的固相，這種結(jié)晶過程稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。（1）相圖分析

A點(diǎn)為純鉛熔點(diǎn)，B點(diǎn)為純錫熔點(diǎn)；C點(diǎn)為共晶點(diǎn)，其成分為wSn=61.9%，溫度為183℃。具有共晶成分的液態(tài)合金在共晶溫度(183℃)將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，同時結(jié)晶出E點(diǎn)成分的α相和F點(diǎn)成分的β相。

183℃

LC

?αE+βF

共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為兩個固相的機(jī)械混合物，稱為共晶體。ACB線為液相線，AECFB線為固相線；ED線為錫在鉛中的固溶線，F(xiàn)G線為鉛在錫中的固溶線。水平線ECF為共晶轉(zhuǎn)變線，成分在EF范圍內(nèi)的合金平衡結(jié)晶時都會發(fā)生共晶反應(yīng)。合金系有L、α和β三個相，L為鉛錫合金形成的液相，α相為錫溶于鉛中的固溶體，β相為鉛溶于錫中的固溶體。相圖中有L、α和β三個單相區(qū)，(L+α)、(L+β)、(α+β)三個雙相區(qū)。（2）典型合金的結(jié)晶過程①合金Ⅰ1點(diǎn)以上

合金為液相；1～2點(diǎn)

合金從1點(diǎn)開始結(jié)晶出α固溶體，到2點(diǎn)全部結(jié)晶為α固溶體；2～3點(diǎn)

α固溶體不發(fā)生任何結(jié)構(gòu)變化；3點(diǎn)以下從3點(diǎn)開始，將從α相中不斷析出β相。合金的室溫組織為α+βⅡ。②

合金Ⅱ合金Ⅱ?yàn)楣簿С煞?wSn=61.9%)，當(dāng)液態(tài)合金冷卻到1點(diǎn)(183℃)時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，同時結(jié)晶出αE和βF固溶體。

183℃

LC

?αE+βF

共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫(183℃)下進(jìn)行的，直到液相全部消失為止。合金Ⅱ的室溫組織全部為共晶體(α+β)。③

合金Ⅲ1點(diǎn)以上

合金為液相；1～2點(diǎn)

合金從1點(diǎn)開始發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出α固溶體。到2點(diǎn)時，剩余液相將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，合金組織為初生α固溶體和共晶體(α+β)。2點(diǎn)以下初生α相中將不斷析出βⅡ相。合金Ⅲ的室溫組織為α+βⅡ+(α+β)。3.包晶相圖合金的兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，且在結(jié)晶過程中發(fā)生包晶反應(yīng)所形成的相圖，稱為包晶相圖。由一種液相與一種固相在恒溫下相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，這種結(jié)晶過程稱為包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。圖中e點(diǎn)為包晶點(diǎn)，e點(diǎn)對應(yīng)的溫度為包晶溫度，水平線ced為包晶轉(zhuǎn)變線。

1186℃

αC+LD

?βE

4.共析相圖具有共析轉(zhuǎn)變相圖稱為共析相圖。

液態(tài)合金在完全形成固溶體后的繼續(xù)冷卻過程中，一定成分的固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N不同成分的新固相，這種轉(zhuǎn)變過程稱為共析轉(zhuǎn)變或共析反應(yīng)；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為兩相機(jī)械混合物，稱為共析體。

共析溫度

γc

?

αd+βe

5.形成穩(wěn)定化合物的相圖具有一定的化學(xué)成分和固定的熔點(diǎn)，在熔化前不分解、也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物稱為穩(wěn)定化合物。

任務(wù)四認(rèn)識合金性能與相圖的關(guān)系一

合金的力學(xué)性能、物理性能與相圖的關(guān)系1.

單相固溶體

單相固溶體合金相圖為勻晶相圖。

對于一定的溶劑和溶質(zhì)來說，溶質(zhì)的溶入量越多，則合金晶格畸變程度越大，合金的強(qiáng)度、硬度越高，電阻越大、電阻溫度系數(shù)越小，并在某一成分下達(dá)到極值。

2.兩相混合物

當(dāng)合金形成普通兩相混合物時，其性能隨成分在兩相性能之間呈直線變化，為兩相性能的算術(shù)平均值。

當(dāng)合金形成共析或共晶機(jī)械混合物時，其性能還與組織的形態(tài)有很大關(guān)系，組織越細(xì)密，強(qiáng)度、硬度越高。二

合金的工藝性能與相圖的關(guān)系

1.合金的鑄造性能

純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。

相圖中液相線和固相線之間距離越小，液態(tài)合金的結(jié)晶溫度范圍越窄，合金的流動性就越好，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。

2.合金的壓力加工性能

單相固溶體合金的塑性較好，變形抗力小，變形均勻，不易開裂，具有良好的壓力加工性能。當(dāng)合金為兩相機(jī)械混合物時，其變形抗力較大，特別是在晶界處有網(wǎng)狀分布的硬而脆的第二相時，其塑性、韌性和強(qiáng)度會顯著下降，壓力加工性能最差。但兩相機(jī)械混合物合金的切削加工性能比單相固溶體合金好。

項(xiàng)目三金屬的塑性變形與再結(jié)晶認(rèn)知任務(wù)一認(rèn)識金屬的塑性變形任務(wù)二認(rèn)識冷塑性變形對金屬組織和性能的影響任務(wù)三認(rèn)識冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化任務(wù)四認(rèn)識金屬的熱加工一

單晶體的塑性變形金屬在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化稱為變形。彈性變形是指外力去除后能恢復(fù)原來形狀的變形；塑性變形是指外力去除后不能恢復(fù)而保留下來的那部分變形。塑性變形又稱永久變形或不可逆變形。

任務(wù)一認(rèn)識金屬的塑性變形作用于單晶體試樣的拉力F可沿一定的晶面分解為垂直于晶面的正應(yīng)力σN和切應(yīng)力τN

。在正應(yīng)力σN作用下，晶格被拉長，原子偏離原來的平衡位置，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)正應(yīng)力σN大于原子間引力時，晶體被拉斷，產(chǎn)生脆性斷裂。晶體在正應(yīng)力作用下只能產(chǎn)生彈性變形和脆性斷裂，不能產(chǎn)生塑性變形。

當(dāng)切應(yīng)力較小時，晶格將產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)切應(yīng)力增大到一定值后，晶體的一部分沿著某一晶面相對于另一部分產(chǎn)生滑動，產(chǎn)生塑性變形?；瑒拥木嚯x為原子間距離的整數(shù)倍。1.滑移

在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面上的一定方向相對于另一部分產(chǎn)生相對滑動的現(xiàn)象稱為滑移。產(chǎn)生滑移的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向?；仆ǔＱ刂w中原子排列密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進(jìn)行。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。晶體通過位錯移動而產(chǎn)生滑移時，并不需要整個滑移面上的全部原子同時移動，只需位錯附近的少量原子作微量的移動即可，因而位錯移動所需的切應(yīng)力就小得多。2.孿生在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生剪切變形的變形方式稱為孿生。發(fā)生孿生的晶面和晶向分別稱為孿生面和孿生方向，發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體以孿生面為對稱面呈鏡像分布。滑移和孿生的主要區(qū)別：（1）孿生通過切變使晶格位向改變，且變形晶體與未變形部分呈對稱分布；滑移是晶體中兩部分晶體的相對滑動，晶格位向不變。（2）孿生變形時，孿晶帶內(nèi)的原子沿孿生方向的位移都是原子間距的分?jǐn)?shù)倍，而滑移變形時，原子在滑移方向的位移是原子間距的整數(shù)倍。（3）孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。（4）孿生產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小得多。（5）孿生變形速度極快，接近聲速。二

多晶體的塑性變形1.晶粒位向的影響在多晶體中，由于各個晶粒位向不同，在外力作用下，當(dāng)一部分處于有利于滑移方向的晶粒開始進(jìn)行滑移時，必然會受到另一部分處于不利方向的晶粒的制約，各晶粒必須相互協(xié)調(diào)、相互適應(yīng)才能變形，這樣就使得滑移阻力增加，塑性變形抗力提高。

2.晶界的影響

晶界處的塑性變形抗力比晶粒本身大得多。這是因?yàn)榫Ы绺浇Ц窕兇?，原子排列比較紊亂，同時也是雜質(zhì)原子和各種缺陷集中的地方，這些都會阻礙位錯的運(yùn)動，從而提高變形抗力。3.多晶體的塑性變形過程處于軟位向的晶粒首先發(fā)生滑移時，產(chǎn)生的位錯在晶界處受阻逐漸堆積，而其周圍處于硬位向的晶粒還不能進(jìn)行滑移，只能以彈性變形相適應(yīng)。隨著外力的增大，應(yīng)力集中程度也不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，變形將越過晶界，傳遞到另一批晶粒中，促使其發(fā)生滑移變形。細(xì)化晶?？梢酝瑫r提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性，是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。任務(wù)二認(rèn)識冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一

冷塑性變形對金屬組織的影響1.晶粒變形

在外力作用下，內(nèi)部晶粒會沿變形方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形程度很大時，各晶粒將會被拉成細(xì)條狀或纖維狀，晶界變得模糊不清，這種組織稱為纖維組織。形成纖維組織后，金屬的性能產(chǎn)生各向異性。2.亞結(jié)構(gòu)細(xì)化金屬經(jīng)大的塑性變形后，由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)，并相互纏結(jié)，形成不均勻的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒，這種結(jié)構(gòu)稱為亞結(jié)構(gòu)。3.形變織構(gòu)產(chǎn)生金屬經(jīng)過大量變形(70%以上)后，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，各晶粒的某一位向?qū)⑴c外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。織構(gòu)的形成使多晶體金屬出現(xiàn)各向異性。形變織構(gòu)的性質(zhì)與金屬的變形方式有關(guān)。二

冷塑性變形對性能的影響1.加工硬化金屬發(fā)生塑性變形時，隨著變形程度的增大，強(qiáng)度和硬度逐步提高，塑性和韌性不斷下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱形變強(qiáng)化。

產(chǎn)生加工硬化的原因：塑性變形后，晶界面積增大，位錯密度增加，位錯間的交互作用增強(qiáng)，造成位錯運(yùn)動阻力的增大，引起塑性變形抗力的提高。此外，原來晶粒破碎，形成細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)，在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯，產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，也對滑移產(chǎn)生巨大阻礙作用。加工硬化的作用：（1）強(qiáng)化金屬（2）使變形均勻（3）提高安全性2.產(chǎn)生各向異性

由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性，如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向。織構(gòu)的存在往往會給金屬的性能帶來不利影響，如用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時，即由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣會出現(xiàn)“制耳”。3.物理、化學(xué)性能變化塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大，耐腐蝕性降低。4.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)是指由于金屬材料的各部分變形不均勻而造成的在宏觀范圍內(nèi)互相平衡的內(nèi)應(yīng)力。（2）晶間內(nèi)應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)是指由于晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻，在晶?；騺喚ЯＶg形成的內(nèi)應(yīng)力。（3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)是指在金屬塑性變形時，內(nèi)部產(chǎn)生的大量位錯使晶格畸變形成的內(nèi)應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力有時是有害的，它會導(dǎo)致工件變形、開裂和抗蝕性降低，使工件降低抗負(fù)荷能力，因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪韵龤堄鄳?yīng)力。但如果控制得當(dāng)，也可提高工件的抗負(fù)荷能力。任務(wù)三認(rèn)識冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化對冷變形金屬加熱，使原子活動能力增強(qiáng)，可使金屬恢復(fù)到塑性變形前的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程，其性能也將發(fā)生變化。一

回復(fù)回復(fù)是指冷塑性變形后的金屬，在加熱溫度較低時，原子擴(kuò)散能力不大，只能使一些點(diǎn)缺陷和位錯發(fā)生遷移，使晶格畸變程度降低，內(nèi)應(yīng)力顯著下降的變化過程。在回復(fù)階段，主要是晶粒內(nèi)部的位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯的變化，材料的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性略有提高，但殘余應(yīng)力則大大降低。二

再結(jié)晶當(dāng)加熱溫度比回復(fù)階段更高時，由于原子活動能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，被拉長、壓扁或破碎的晶粒通過重新生核、長大，形成新的、均勻細(xì)小的等軸晶粒，這個過程稱為再結(jié)晶。變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度并非某一恒定溫度，而是一個溫度范圍。通常再結(jié)晶溫度是指開始再結(jié)晶的最低溫度。工程上通常規(guī)定，經(jīng)過大于70%的冷塑性變形的金屬，在一小時加熱內(nèi)能完成再結(jié)晶過程的最低溫度，稱為再結(jié)晶溫度。

最低再結(jié)晶溫度與下列因素有關(guān)：（1）預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量稱為預(yù)先變形度。

（2）金屬的熔點(diǎn)T再=(0.35～0.4)T熔點(diǎn)（3）雜質(zhì)和合金元素

T再=(0.5～0.7)T熔點(diǎn)（4）加熱速度和保溫時間提高加熱速度將使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生，保溫時間越長，再結(jié)晶溫度就越低。

為了縮短退火周期，工業(yè)上選擇再結(jié)晶溫度時，一般比最低再結(jié)晶溫度高100～200℃。

三

晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間，則再結(jié)晶形成的均勻細(xì)小的等軸晶粒會逐漸長大。晶粒長大的實(shí)質(zhì)是一個晶粒邊界向另一個晶粒遷移的過程。通過大晶粒的邊界向小晶粒遷移，將小晶粒的晶格位向逐步改變?yōu)榕c大晶粒相同的晶格位向，于是大晶粒以“吞并”小晶粒的方式長大，成為一個粗大晶粒。四

影響再結(jié)晶晶粒大小的因素1.加熱溫度再結(jié)晶時加熱溫度越高，則原子活動能力越強(qiáng)，晶界遷移越容易，晶粒長大也越快。2.變形度當(dāng)變形度很小時，金屬晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，晶粒保持不變。當(dāng)變形度達(dá)到2～10%時，金屬中部分晶粒發(fā)生變形，但變形分布很不均勻，再結(jié)晶時生成的晶核少，晶粒大小相差極大，非常有利于晶粒發(fā)生吞并過程而很快長大，結(jié)果得到極粗大的晶粒。超過臨界變形度之后，隨變形度的增大，晶粒變形趨于均勻，再結(jié)晶核心越來越多，因此再結(jié)晶后的晶粒越來越細(xì)小均勻。任務(wù)四認(rèn)識金屬的熱加工一

熱加工與冷加工的區(qū)別冷熱加工根據(jù)金屬的再結(jié)晶溫度來劃分的。

在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形稱為冷加工，在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形稱為熱加工。金屬冷變形后，會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。而在熱變形的過程中，再結(jié)晶也會同時發(fā)生，使塑性變形產(chǎn)生的加工硬化立即被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化效果所抵消，金屬將不顯示加工硬化現(xiàn)象。二

熱加工對金屬組織和性能的影響1.改善鑄態(tài)金屬的組織和性能熱加工溫度處于再結(jié)晶溫度以上，變形加工后隨即發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使金屬的組織和性能發(fā)生顯著改變。2.細(xì)化晶粒熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶的作用，一般可以使晶粒細(xì)化，從而提高金屬的力學(xué)性能。3.形成鍛造流線鑄態(tài)組織中的夾雜物在高溫下具有一定的塑性，熱加工時，金屬中的各種夾雜物和枝晶偏析沿金屬流動方向被拉長，形成鍛造流線，又稱纖維組織。熱加工時應(yīng)使工件流線分布合理，以保證零件的使用性能。

4.形成帶狀組織若鋼的鑄態(tài)組織中存在嚴(yán)重的偏析，或熱變形加工溫度過低，熱加工后鋼中常出現(xiàn)與變形方向呈平行交替分布的層狀或條狀組織，稱為帶狀組織。帶狀組織使鋼材的力學(xué)性能呈各項(xiàng)異性，橫向塑性和韌性明顯降低，熱處理時產(chǎn)生變形，且是鋼材組織、硬度不均勻；帶狀碳化物還影響軸承和工具（刃具）的使用壽命。項(xiàng)目四鐵碳合金相圖與非合金鋼認(rèn)知任務(wù)一認(rèn)識鐵碳合金相圖與非合金鋼任務(wù)二認(rèn)識鐵碳合金相圖任務(wù)三認(rèn)識典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫組織任務(wù)四認(rèn)識碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系任務(wù)五認(rèn)識鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限性任務(wù)六認(rèn)識非合金鋼（碳鋼）一

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵屬于過渡族元素，熔點(diǎn)為1538℃，密度為7.87g/cm3。固態(tài)鐵具有同素異構(gòu)性，即在不同溫度范圍具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。

任務(wù)一認(rèn)識鐵碳合金相圖與非合金鋼二

鐵碳合金的基本組織

1.鐵素體碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體，用符號“F”或“α”表示。在α-Fe體心立方晶格中，最大間隙半徑只有0.031nm，比碳原子半徑0.077nm小得多，因而溶碳能力較低。在727℃時溶碳量為0.0218％，室溫時幾乎為零。鐵素體具有較好的塑性和韌性，而強(qiáng)度和硬度很低。

2.奧氏體碳溶于γ-Fe

中形成的間隙固溶體，用符號“A”或“γ”表示。在γ-Fe面心立方晶格中，間隙半徑為0.053nm，略小于碳原子半徑，所以溶碳能力較α-Fe大。在1148℃時溶碳量為2.11％，在727℃時為0.77％。奧氏體也是一個強(qiáng)度、硬度較低而塑性、韌性較高的相。

3.滲碳體滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，其晶胞內(nèi)鐵與碳原子數(shù)比為3：1，通常用分子式Fe3C表示。滲碳體的含碳量為wC=6.69％，熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體的硬度很高，但強(qiáng)度較低，塑性和韌性幾乎為零，是一個硬而脆的組織。

4.珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的混合物，用符號“P”表示。珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，綜合力學(xué)性能較好。5.萊氏體萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％的合金。當(dāng)合金冷卻到1148℃時，從液相中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的復(fù)合組織，稱為萊氏體，又稱高溫萊氏體，用符號“Ld”表示。室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體，用符號“L‘d”

表示。萊氏體的性能與滲碳體類似，也是既硬又脆的組織。任務(wù)二認(rèn)識鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是指在平衡條件下，即在極其緩慢的加熱（或冷卻）條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同的溫度下所處狀態(tài)的一種圖形，簡稱鐵碳相圖。

一簡化后的鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖中特性點(diǎn)的意義

特性點(diǎn)

溫度／℃

wC／％

含義

A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)，

LC

?

AE+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶滲碳體成分點(diǎn)G9120同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69共析滲碳體成分點(diǎn)P7270.218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)，AS

?FP+Fe3CQ600(室溫)0.0057(0.0008)600℃(室溫)時碳在α-Fe中的溶解度三、鐵碳合金相圖中特性線的意義1.共晶轉(zhuǎn)變線ECF線為共晶轉(zhuǎn)變線，C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。LC

?

AE+Fe3C在鐵碳合金相圖中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC＞2.11％的液態(tài)合金，冷卻到ECF線時都將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。2.共析轉(zhuǎn)變線PSK線為共析轉(zhuǎn)變線，又稱A1線，S點(diǎn)為共析點(diǎn)。AS

?

FP+Fe3C碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC＞0.0218％的合金，冷卻到PSK線時都將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成由鐵素體和滲碳體組成的共析組織，稱為珠光體（P）。3.其他主要特性線ACD線液相線。AECF線固相線。GS線又稱A3線，是α?γ固容體轉(zhuǎn)變線。ES線又稱Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線。PQ線碳在鐵素體中的溶解度曲線。一

鐵碳合金的分類1.工業(yè)純鐵

wC≤0.0218％。2.鋼

0.0218％＜wC≤2.11％。（1）亞共析鋼0.0218％＜wC≤0.77％；（2）共析鋼wC=0.77％；（3）過共析鋼0.77％＜wC≤2.11％。

任務(wù)三認(rèn)識典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫組織3.白口鑄鐵

2.11％＜wC＜6.69％。（1）亞共晶白口鑄鐵2.11％＜wC≤4.3％；（2）共晶白口鑄鐵wC=4.3％；（3）過共晶白口鑄鐵4.3％＜wC≤6.69％。二

典型鐵碳合金的結(jié)晶過程

1.共析鋼合金Ⅰ為共析鋼，wC=0.77％。共析鋼在室溫下的平衡組織為珠光體，用符號P表示。2.亞共析鋼合金Ⅱ?yàn)閬喒参鲣?，wC=0.45％。亞共析鋼在室溫下的平衡組織由先共析鐵素體和珠光體組成。3.過共析鋼合金Ⅲ為過共析鋼，wC=1.2％。過共析鋼在室溫下的平衡組織由珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體組成。4.共晶白口鑄鐵合金Ⅳ為共晶白口鑄鐵，wC=4.3％。共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為由滲碳體和珠光體組成的低溫萊氏體，用符號L'd表示。5.亞共晶白口鑄鐵合金Ⅴ為亞共晶白口鑄鐵，wC=3.0％。亞共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體。6.過共晶白口鑄鐵合金Ⅵ為過共晶白口鑄鐵，wC=5.0％。過共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。任務(wù)四認(rèn)識碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系一

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平衡組織間的影響

隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金在室溫下可以形成不同的組織：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L‘d→L’d→L‘d+Fe3CⅠ由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形成條件不同，鐵素體和滲碳體的組織形態(tài)和分布都會產(chǎn)生很大的變化。二

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能的影響隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金的硬度直線上升，而塑性和韌性不斷下降。當(dāng)wC<0.9％時，碳鋼的強(qiáng)度隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷提高；在wC=0.9％時，強(qiáng)度出現(xiàn)峰值；而當(dāng)wC>0.9％時，碳鋼的強(qiáng)度反而開始下降。任務(wù)五認(rèn)識鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限性一、在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用需要塑性好、韌性高的材料時，一般選用wC<0.25％的低碳鋼；要求材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能都較好時，應(yīng)選用wC=0.3％～0.55％的中碳鋼；若需要硬度高、耐磨性好的材料，如各種工具用鋼，應(yīng)選用wC>0.55％的高碳鋼；對于一些形狀復(fù)雜、不受沖擊、同時又需要較高的耐磨性的零件，則可選用白口鑄鐵鑄造而成。二、在熱加工工藝制訂方面的應(yīng)用1.在鑄造方面的應(yīng)用根據(jù)鐵碳合金的成分確定合適的澆注溫度。2.在鍛造方面的應(yīng)用選擇的合適的鍛造或軋制工藝溫度范圍。3.在熱處理方面的應(yīng)用制定各種熱處理工藝的加熱溫度。鐵碳合金相圖僅反映了在極其緩慢的加熱和冷卻條件下，鐵碳合金平衡組織的狀態(tài)。而實(shí)際生產(chǎn)中的加熱和冷卻速度均較快，合金中除了碳以外，還會有多種合金元素、雜質(zhì)元素，因此，不能完全依據(jù)鐵碳合金相圖來分析解決生產(chǎn)中的所有問題。

三、鐵碳合金相圖應(yīng)用的局限性任務(wù)六認(rèn)識非合金鋼（碳鋼）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11％的鐵碳合金稱為碳鋼（非合金鋼）。一、雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響碳鋼中除鐵和碳兩個主要元素外，一般還含有錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等元素以及非金屬夾雜物。這些元素往往是從礦石和冶煉過程中進(jìn)入鋼中的，一般統(tǒng)稱為常存雜質(zhì)元素。1.錳（Mn）碳鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wMn=0.25％～0.80％。錳可以強(qiáng)化鐵素體，增加珠光體相對量，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。一般認(rèn)為錳在鋼中是一種有益的元素。2.硅（Si）硅在鎮(zhèn)靜鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wSi=0.10％～0.40％；沸騰鋼中wSi=0.03％～0.07％。硅可以強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性。硅在鋼中也是一種有益的元素。

3.硫（S）硫在鐵素體中的溶解度極小，在鋼中主要以FeS的形式存在。FeS可以和鐵形成低熔點(diǎn)（985℃）的共晶體，并且主要分布在奧氏體晶界上。熱脆：當(dāng)鋼加熱到1100～1200℃進(jìn)行鍛造或軋制時，由于晶界上的低熔點(diǎn)共晶體熔化，使鋼極易沿晶界開裂。硫是在鋼中是一種有害的雜質(zhì)元素，必須嚴(yán)格控制。煉鋼時加入錳鐵，使錳與硫化合成高熔點(diǎn)（1620℃）的MnS，可避免了熱脆現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.磷（P）磷可溶于鐵素體中，使鐵素體得到強(qiáng)化，提高了鋼的強(qiáng)度和硬度。冷脆：磷可使鋼的塑性和韌性顯著降低，特別是在低溫下使鋼變脆。磷是在鋼中也是一種有害的雜質(zhì)元素，也要嚴(yán)格控制。

5.非金屬夾雜物是在煉鋼過程中，少量爐渣、耐火材料及冶煉中反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入鋼液形成的，主要有氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等。會降低鋼的力學(xué)性能，形成纖維組織與帶狀組織。6.氣體在冶煉過程中，鋼液中會吸收一些氮、氧、氫等氣體，對鋼的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。氫脆：氫會嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能，使鋼易于脆斷。二、碳鋼的分類按化學(xué)成分分類：非合金鋼、低合金鋼、合金鋼。按主要質(zhì)量等級分類：非合金鋼又可分為普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼、特殊質(zhì)量非合金鋼三類。1.按冶煉澆注時的脫氧程度分類（1）沸騰鋼（2）鎮(zhèn)靜鋼（3）半鎮(zhèn)靜鋼2.按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以分為：（1）低碳鋼

wC＜0.25％；（2）中碳鋼

0.25％≤wC≤0.60％；（3）高碳鋼wC＞0.60％。3.按鋼質(zhì)量分類根據(jù)鋼中所含有害雜質(zhì)S、P的含量，可以分為：（1）普通碳素鋼

wS≤0.050％、wP≤0.045％；（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼

wS≤0.040％、

wP≤0.040％；（3）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼

wS≤0.03％、wP≤0.035％。4.按鋼的用途分（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，一般屬于低碳鋼和中碳鋼。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具等，一般屬于高碳鋼。三、碳鋼的牌號、性能與用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分順序組成。例如：Q235―A·F“Q”

表示鋼材屈服點(diǎn)，“235”表示屈服點(diǎn)數(shù)值，“A”表示質(zhì)量等級，“F”表示沸騰鋼。力學(xué)性能可以滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)器零件的要求，應(yīng)用很廣。這類鋼一般在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用，不需要進(jìn)行熱處理。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號是用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)。例如：45鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45％。按含錳量的不同，可分為普通含錳量（w

Mn=0.35％～0.8％）和較高含錳量（w

Mn=0.70％～1.20％）兩組。含錳量較高的一組，應(yīng)在牌號數(shù)字后附加“Mn”，如15Mn、70Mn等。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫、磷含量較低（wS≤0.035％，wP≤0.035％），非金屬夾雜物含量較少，組織均勻，表面質(zhì)量較好，塑性、韌性都較高，出廠時既保證化學(xué)成分，又保證力學(xué)性能。主要用于制造較重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件。一般都要經(jīng)過熱處理以達(dá)到要求的力學(xué)性能指標(biāo)。3.碳素工具鋼牌號是在漢字“碳”或其漢語拼音首位字母“T”的后面加數(shù)字表示，數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在牌號后加字母“A”或漢字“高”。例如：T8表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8％的碳素工具鋼，T12A表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2％的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

碳素工具鋼化學(xué)成分的特點(diǎn)是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高（wC=0.65％～1.35％），對S、P雜質(zhì)限制嚴(yán)格，經(jīng)熱處理（淬火+低溫回火）后具有較高的硬度。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，未溶的二次滲碳體量增多，鋼的耐磨性提高，而韌性則降低，因此，不同牌號的碳素工具鋼適用于不同的工作條件。4.鑄造碳鋼牌號用“鑄鋼”兩字漢語拼音首位字母“ZG”表示，后面加兩組數(shù)字，第一組數(shù)字代表最低屈服強(qiáng)度值（MPa），第二組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度值（MPa）。例如：ZG270-500表示最低屈服強(qiáng)度為270MPa，最低抗拉強(qiáng)度為500MPa的鑄造碳鋼。

適用于形狀較為復(fù)雜，力學(xué)性能指標(biāo)又要求較高的零件。

第5章鋼的熱處理

任務(wù)一認(rèn)識熱處理

任務(wù)二認(rèn)識鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

任務(wù)三認(rèn)識鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變?nèi)蝿?wù)四認(rèn)識鋼的退火與正火任務(wù)五認(rèn)識鋼的淬火任務(wù)六認(rèn)識鋼的回火

任務(wù)七認(rèn)識鋼的表面熱處理任務(wù)八認(rèn)識鋼的化學(xué)熱處理任務(wù)九認(rèn)識其他熱處理工藝任務(wù)十認(rèn)識熱處理工藝的應(yīng)用鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，并獲得所需性能的工藝方法。熱處理分類：（1）普通熱處理

包括退火、正火、淬火和回火等。（2）表面熱處理

包括表面淬火和化學(xué)熱處理等。其中表面淬火主要包括感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等，化學(xué)熱處理主要包括滲碳、氮化和碳氮共滲等。熱處理工藝曲線任務(wù)一認(rèn)識熱處理一奧氏體的形成

金屬或合金在加熱或冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為相變點(diǎn)(溫度)，或稱臨界點(diǎn)。A1、A3和Acm是平衡條件下的固態(tài)相變點(diǎn)，但在實(shí)際加熱和冷卻條件下，固態(tài)相變都有不同程度的過熱度或過冷度，在加熱時要高于平衡相變點(diǎn)，在冷卻時要低于平衡相變點(diǎn)。通常將實(shí)際加熱時的各相變點(diǎn)用Ac1、Ac3、Accm表示，冷卻時的各相變點(diǎn)用Ar1、Ar3、Arcm表示。任務(wù)二認(rèn)識鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1.奧氏體形成的基本過程下面以共析鋼為例，說明奧氏體的形成過程：（1）奧氏體晶核的形成（2）奧氏體晶核的長大（3）殘余滲碳體的溶解（4）奧氏體成分的均勻化亞共析鋼的室溫平衡組織為鐵素體和珠光體，當(dāng)加熱到Ac1后，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變；隨著溫度的提高，鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；當(dāng)溫度超過Ac3時，鐵素體全部消失，得到完全的奧氏體組織。過共析鋼的室溫平衡組織為二次滲碳體和珠光體，當(dāng)加熱到Ac1后，在珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變；隨著溫度的提高，二次滲碳體逐漸溶解于奧氏體之中；當(dāng)溫度超過Accm時，二次滲碳體完全溶解，組織全部為奧氏體。2.影響奧氏體化的因素（1）加熱溫度的影響隨著加熱溫度的升高，奧氏體的形核率和長大速度都將急劇增加。（2）化學(xué)成分的影響鋼中含碳量的增加，會加速珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。鋼中加入合金元素，會影響奧氏體的形成速度。（3）原始組織的影響晶粒越細(xì)，原始組織越分散，則奧氏體形成速度越快。二、奧氏體晶粒的大小及影響因素1.奧氏體晶粒度的概念奧氏體晶粒度是表示奧氏體晶粒大小的尺度。奧氏體晶粒度一般分為八個標(biāo)準(zhǔn)等級，1～4級為粗晶粒，5～8級為細(xì)晶粒。（1）起始晶粒度珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時的奧氏體晶粒度。（2）實(shí)際晶粒度鋼在實(shí)際生產(chǎn)中的具體加熱條件下所獲得的奧氏體晶粒度。（3）本質(zhì)晶粒度在規(guī)定的加熱條件下(加熱到930±10℃，保溫3～8小時)，所測得的奧氏體晶粒度。本質(zhì)晶粒度并非指實(shí)際晶粒的大小，而僅僅是表示某種鋼奧氏體晶粒的長大傾向。2.奧氏體晶粒長大及其影響因素奧氏體長大是一個自由能降低的自發(fā)過程。影響因素主要有：（1）加熱溫度的影響（2）保溫時間的影響（3）加熱速度的影響（4）化學(xué)成分的影響

包括含碳量及合金元素的影響。同一種鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后，如果其后的冷卻方式不同，奧氏體轉(zhuǎn)變后的組織和性能也會有較大的差異。奧氏體的冷卻方式主要有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。任務(wù)三認(rèn)識鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線冷奧氏體在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量(轉(zhuǎn)變開始及終了)的關(guān)系曲線圖稱為等溫轉(zhuǎn)變圖，也稱TTT曲線，又稱C曲線。左邊曲線為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變開始線；右邊曲線為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變終了線。A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)；A1與Ms之間、轉(zhuǎn)變開始線以左為過冷奧氏體區(qū)，轉(zhuǎn)變終了線以右為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，轉(zhuǎn)變開始線和轉(zhuǎn)變終了線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)。圖的下方有兩條水平線，Ms稱為上馬氏體點(diǎn)，為過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度；Mf稱為下馬氏體點(diǎn)，為過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變終止的溫度。Ms與Mf之間為馬氏體與過冷奧氏體共存區(qū)，Mf以下為馬氏體區(qū)。二、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)及性能1.珠光體轉(zhuǎn)變在溫度A1以下至550℃左右的溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體，這種類型的轉(zhuǎn)變稱為珠光體轉(zhuǎn)變，又稱高溫轉(zhuǎn)變。首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，依靠周圍奧氏體不斷地供應(yīng)碳原子而長大。同時，滲碳體周圍奧氏體含碳量不斷降低，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。鐵素體又將過剩的碳排擠到相鄰的奧氏體中，使相鄰?qiáng)W氏體含碳量增高，這又為產(chǎn)生新的滲碳體創(chuàng)造了條件。珠光體轉(zhuǎn)變是一種擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。

（1）珠光體組織形成溫度為A1～650℃，片層較厚，用符號“P”表示。（2）索氏體組織形成溫度為650℃～600℃，片層較薄，用符號“S”表示。（3）托氏體組織形成溫度為600℃～550℃，片層極薄，用符號“T”表示。2.貝氏體轉(zhuǎn)變在550℃～Ms范圍內(nèi)，過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體，這種類型的轉(zhuǎn)變稱為貝氏體轉(zhuǎn)變，又稱中溫轉(zhuǎn)變。貝氏體是由含碳量過飽和的鐵素體與碳化物組成的復(fù)相組織，一般用符號“B”表示。奧氏體在中溫區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，由于溫度較低，鐵原子擴(kuò)散困難，只能以共格切變的方式來完成原子的遷移，而碳原子則有一定的擴(kuò)散能力，可以通過短程擴(kuò)散來完成原子遷移，所以貝氏體轉(zhuǎn)變屬于半擴(kuò)散型相變。（1）上貝氏體形成溫度為550～350℃。上貝氏體一般用符號“B上”表示，組織呈羽毛狀。（2）下貝氏體形成溫度為350℃～Ms。下貝氏體一般用符號“B下”表示，組織呈黑色針狀。由于鐵素體含碳量有一定的過飽和度，內(nèi)部還均勻地分布著細(xì)小彌散的碳化物，因此強(qiáng)度和硬度較高，塑性和韌性也較好。3.馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，一般用符號“M”表示。馬氏體是單相亞穩(wěn)定組織。（1）馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)①無擴(kuò)散性②變溫形成③高速長大④不完全性（2）馬氏體的結(jié)構(gòu)和組織由于馬氏體中過飽和的碳原子被強(qiáng)制分布在α-Fe晶格空隙內(nèi)，使得α-Fe晶格由體心立方晶格畸變?yōu)轶w心正方晶格。馬氏體含碳量越高，晶格畸變程度就越大。當(dāng)wC＜0.2%時，一般為板條馬氏體；wC＞1.0%時，一般為片狀馬氏體；若wC=0.2%～1.0%時，則為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。板條馬氏體又稱低碳馬氏體或位錯馬氏體。其立體形態(tài)呈橢圓形截面的細(xì)長條狀，顯微組織表現(xiàn)為一束束細(xì)長板條狀組織。板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度的位錯。片狀馬氏體又稱高碳馬氏體、針狀馬氏體或?qū)\晶馬氏體。其立體形態(tài)呈雙凸透鏡的片狀，在顯微鏡下呈針狀。片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。實(shí)際熱處理時一般加熱得到的奧氏體晶粒非常細(xì)小，淬火所得到的馬氏體片也極細(xì)，其形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下難以分辨，故又稱為隱晶馬氏體。（3）馬氏體的性能含碳量越高，馬氏體硬度和強(qiáng)度越高。片狀馬氏體塑性和韌性都很差。板條馬氏體中碳的過飽和度小，淬火應(yīng)力較小，內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯，使其在具有高強(qiáng)度、高硬度的同時還具有良好的塑性和韌性。三、影響C曲線的因素（1）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在正常加熱條件下，亞共析鋼隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，C曲線向右移；而過共析鋼隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，C曲線向左移，故碳鋼中以共析鋼的過冷奧氏體最為穩(wěn)定。與共析鋼相比，亞共析鋼和過共析鋼C曲線的鼻尖上部區(qū)域分別多出一條先共析相的析出線，這是因?yàn)樵谶^冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w之前，在亞共析鋼中要先析出鐵素體，在過共析鋼中要先析出滲碳體。（2）合金元素除鈷以外，所有溶入冷奧氏體的合金元素都增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，同時還使Ms和Mf點(diǎn)下降。（3）加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，則碳化物溶解得越完全，奧氏體的成分越均勻，同時晶粒也越粗大，晶界面積越小，這些都有利于過冷奧氏體穩(wěn)定