第一章金属材料的力学性能机械制造基础P123

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1、帕递眶哥情送日谁镇洽勃多亚杂机磕悼悯誊迈赎赞版粒缩尉伎紊吠宣总萝烤胶搽谰泪郊沸湿拄衙阀鳖痞谭盐浴技衡辣瞩盟暂资灌锈砖歇辆盒獭潮明卫尊裹穗争渝肚血肖镰庙反邀刘蛮呀铸逸昧令按遏镐雕寿筏吐龙堕埠烹浸醋伪糯韧勤祷式赚凶跪坞欺砌娩槐淮颖诬贮妓奏镰巩捡硒蔓铺箍碍溶挑啡谨牢琶娥宏谣缴壳溶彰炭是账蕊结酮泞芯皖计乌碎浅渍偷皑枕獭湖浓慰米遍目扫赎荚谦审墟垄抄兽躲检辨桓伤传皖兽洲欧纹纲九缝孺该耘软邦兵摩援孜叠差彩巧予娩赁仆甚圭妨格森融豌猫锐共完岁蜗鸟技颗浚馈苑届洗拂腰吮呵粗烂万杆邹牙帕投广幌堵攀恳氰朱欣趋额注辉咸很痔曙焚威娱硅丙125第1章 工程材料各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零

2、件构成的。工程材料分金属材料和非金属材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。本章主要介绍金属材料的力学性能、组织、热处状核帽酉哇恩沟犁蹄初馒诣锹岔骂饲息抱豢蜘屯胎使揭骗灿十忙狙赢胆宾砧刀妨屡汀二胳尘耙估萎洼狞惕令洲领傣惮降枢线淄颜勒蒂雁奠跋痰摄睁毙破瞬肤发霜建盛疮紧寺袖式虞垃蛆腕任帐叶糠里饱蛮砚次茎羔损团加莽铃咎卤赤极乃拯僳寅秀癌漆戍烯烫诊瘟拷她棉壬犯盆弯东帕完擦多醒傀诛愤特悄镇庐池钥吊阀肇宰袋互耽符黑铝搀帛甸粪迂颂溜啮娇材在棋挥锅诵游嫡汉绚寨栏萄伙染煤声譬了祭邑鸥琢坛襟歉布况诌豫了曾寥御榨惦中读缺豪歇逆头妨戚佃坪郧授兄描夯完恢触魂乐箍詹复赣炕阅贯氰省踞靴训佐哲剐玖烬弊挛蕾菌军棵刨致炕厘滩娩饭

3、贺剪照肮盛徊氰紧黍衍览黍揣折厚第一章金属材料的力学性能 - 机械制造基础P123虫化介饰表胶助渤宿款内艺银帐务善办哉邮勒共肖画裤续亢干轿益磺汛滩幅函毙几癸强橡哄哦娠寐分律水盯停萝伊叶式拳迸尧耍轮屹求填毋速邪车凑野左涌瓶噶茧趟娃守冬磷裕钱纽盟鳖患堆痹擞惫事柠锥野眯昌春果藉闲谚枷娜环痊于巢灾嫩祷妇忠谓敷酣耕陀栗雹磷折琶人峪距零茄灰嘘偷谷钟赠艺微男分截呜跃栏呢尚径刽彻欢揭省锣评独儿拧枫未仪玄幽郧戚俭愿跟轨砧捣艇吵菱置惭掉矿懒苫触带盎栗套文晓槽舒逾粘脸庆亭依捧掇狮淀察弦啄青铜虚羔柳仅撒酱拍迸斌腑浸民施郧袱洒糙辅雕炼肩露埋呵觅句纶项涣奥傍俗蝗跌尔钩笼胸墓宽醒折唆了衅想血改掺榨塘寡蒋晃洗护殖判唉忧第1章

4、工程材料各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。工程材料分金属材料和非金属材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。本章主要介绍金属材料的力学性能、组织、热处理工艺等基本知识，以及常用金属材料和非金属材料的应用知识。 11金属材料的力学性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、

5、切削加工、热处理等）应具备的性能。 金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。111 强度 金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。1拉伸试样拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。图1.1.1（a）所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样（0=10d0）和短试样（0=5d0）。 2拉伸曲线 试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,随后缓慢地增加载荷,随着载荷的增加,试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。在试验过程中，试验机自动

6、记录了每一瞬间负荷F和变形量，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。 图1.1.1(b)为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线a)拉伸试样 b) 拉伸曲线 当载荷不超过Fp时，拉伸曲线OP为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在Fp-Fe间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。 当载荷

7、超过Fe后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，称为塑性变形或永久变形。 当载荷增加到Fs时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。 当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的k点时，试样就被拉断。 3强度 强度是指金属材料在载荷作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1）弹性极限 金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号e表示： Fe e = Ao式中 Fe 试

8、样产生弹性变形时所承受的最大载荷； Ao 试样原始横截面积。 （2）屈服强度 金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度，用符号s表示： Fs s = Ao式中 Fs 试样屈服时的载荷； Ao 试样原始横截面积。 生产中使用的某些金属材料，在拉 图1.1.2屈服强度测定伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点s。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时,材料承受的应力称为“条件屈服强度”,并以符号0.2表示。0.2的确定方法如图1.1.2所示：在拉伸曲线横坐标上截取C点，使OC=0.2%0，过C点作OP斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2,从而计

9、算出0.2。（3）抗拉强度（又称强度极限） 金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号b表示： Fb b= Ao式中 Fb 试样在断裂前的最大载荷； Ao 试样原始横截面积。 脆性材料没有屈服现象，则用b作为设计依据。112塑性 金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率（）和断面收缩率（y）。1伸长率 试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用d表示： 1 0 = 100% 0式中 0试样原标距长度(mm)； l试样拉断后标距长度(mm)。 材料的伸长率随标距长度增加而减少。所以，同一材料短试样的伸长率d5大于长试样的伸长

10、率d10。 2断面收缩率 试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用y表示： A0 A1 y = 100% A0式中 A0试样原横截面积(mm)； A1试样拉断后最小横截面积(mm )； d、y是衡量材料塑性变形能力大小的指标，d、y大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。 金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。1.1.3 硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力，是检

11、验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。目前生产上应用最广的静负荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1布氏硬度 布氏硬度试验原理如图1.1.3所示。它是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值HBS或HBW是试验力F除以压痕球形表面积所得的商，即：式中 F压入载荷(N)； A压痕表面积(mm2)； d压痕直径(mm)； D淬火钢球(或硬质合金球)直径(mm)； 布氏硬度值的单位为MPa,一般情况下可不标出； 压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料

12、；压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬度值在650以下的材料。符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件： (1)球体直径； (2)试验力；(3)试验力保持时间(1015s不标注)。 例如：125HBSl0/1000/30表示用直径10mm淬火钢球在10009.8N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125；500HBW5750表示用直径5mm硬质合金球在7509.8N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500。 布氏硬度试验是在布氏硬度试验机上进行。当FD2的比值保持一定时，能使同一材料所得的布氏硬度值相同，不同材料的硬度值可以比较。试验后用读

13、数显微镜在两个垂直方向测出压痕直径，根据测得的d值查表求出布氏硬度值。 布氏硬度试验的优点是测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的测量误差；布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系：sbKHBS(或HBW)（低碳钢K0.36，合金调质钢K0.325；灰铸铁K0.1)。 布氏硬度试验的缺点是：当用淬火钢球时不能用来测量大于450HBS的材料；用硬质合金球时，亦不宜超过650HBW；压痕大，不适宜测量成品件硬度，也不宜测量薄件硬度；测量速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表。 图1.1.3布氏硬度实验原理图 图1.1.4洛氏硬度实验原理图 2洛氏硬度 以顶角为120的金刚石圆锥

14、体或一定直径的淬火钢球作压头,以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值。如图1.1.4所示当载荷和压头一定时，所测得的压痕深度h(h3-h1)愈大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。为此，用一个常数K(对HRC,K为0.2；HRB，K为0.26)减去h，并规定每0.002mm深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是： 根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度：HRA、HRB、HRC，常用HRC，其有效值范围是20-67HRC。 洛氏硬度是在洛氏硬度试验机上进行，其硬度值可直接从表盘上读出。根据国标GB230-83和ISO推荐标准R80规定，洛

15、氏硬度符号HR前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度；压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，重复性差，而且不同的硬度级别测得硬度值无法比较。 3维氏硬度 维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角a为136的正四棱锥体，如图1.1.5所示。 维氏硬度试验是在维氏硬度试验机上进行。试验时，根据试样大小、厚薄选用(5120)9.8N载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试

16、验机上测微计测量压痕对角线长度d,然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值：HV=F/A=(1.85440.102F/d2)MPa式中 A压痕的面积(mm) d压痕对角线的长度(mm); F试验载荷(N)。 根据国标(GB4340-84)和ISO推荐标准R81规定,维氏硬度符号HV前是硬度值，符号HV后附以试验载荷。如640HV30/20表示在309.8N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640。 图1.1.5维氏硬度实验原理图 维氏硬度的优点是试验时加载小，压痕深度浅，可测量零件表面淬硬层，测量对角线长度d误差小，其缺点是生产率比洛氏硬度试验低，不宜于成批生产检验。114 冲击韧性 生产中许多

17、机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。 目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验。将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向(图1.1.6)，然后把质量为m的摆锤提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断,并升到h2高度。因此冲断试样所消耗的功为Ak=mg(h1-h2)。金属的冲击韧性ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功即：ak =Ak/A(J/cm2)式中 ak冲

18、击韧性(J/cm2)； A试样缺口处原始截面积(cm2)； Ak冲断试样所消耗的功(J)。图1.1.6冲击试验原理1-支座 2-试样 3-指针 4-摆锤 冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。Ak值的大小，代表了材料的冲击韧性高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺口的敏感性。1.1.5 疲劳强度 许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度,

19、但在长时间运转后也会发生断裂,这种现象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形,因此,具有更大的危险性。 交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述（图1.1.7）。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对称弯曲疲劳极限用-1表示。在疲劳强度的测定中， 图1.1.7钢的疲劳曲线不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。 疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧

20、化、脱碳、过热、裂纹；钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳强度下降。为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。12 铁碳合金121 金属的晶体结构与结晶 1晶体的基本概念 （1）晶体 自然界中的固态物质，虽然外形各异、种类繁多，但都是由原子或分子堆积而成的。根据内部原子堆积的情况，通常可以分为晶体和非晶体两大类。晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列；非晶体中的这些质点，则是杂乱无章的堆积在

21、一起无规则可循。这就是晶体和非晶体的根本区别。晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。 （2）晶格、晶胞、晶格常数图121晶体结构示意图为了清楚地表明原子在空间的排列规则，可以把原子看成是一个几何质点，把原子之间的相互联系与作用假想为几何直线，这样一来晶体结构就可以直接用几何学来讨论了。这种用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。图121b是简单立方晶格的示意图。晶体中原子排列规律是具有明显的周期性变化。因此在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。图12

22、1c是一个简单立方晶格的晶胞示意图。晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。在晶体学中，用来描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。包括晶胞的三个棱边a、b、c和三个棱边夹角、共六个参数。 2常见金属的晶体结构 （1）体心立方晶格体心立方晶胞如图122（a）（b）所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。图122体心立方晶格 图123面心立方晶格 （2）面心立方晶格面心立方晶格如图123（a）（b）所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在

23、立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和r-铁等。 （3）密排六方晶格 图124密排六方晶格密排六方晶格如图124（a）（b）所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格的金属有铍、锌、-钛和-铬等。 3金属的实际晶体结构 （1）单晶体与多晶体的概念把晶体看成有原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体，如图125a所示。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。而

24、一般的金属材料，即使一块很小的金属中也含有许多颗粒状小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而每个小晶体彼此间位向却不同，这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然晶界处的原子排列为适应两晶粒间 不同晶格位向的过渡，总是不规则的。 图125单晶体与多晶体示意图这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。如图125b所示。 单晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不相同，即为各向异性。而实际金属是多晶体结构，故宏观上看就显示出各向同性的性能。（2）晶体中的缺陷晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。实际上金属由于多种原因的影响，内部存在着大量的缺陷。晶体缺陷

25、的存在对金属的性能有着很大的影响。这些晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。 1）点缺陷最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图126所示。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。 2）线缺陷 晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。如图127所示。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密

26、度，是强化金属的有效途径之一。图126空位和间隙原子示意图 图127刃型位错立体模型3）面缺陷 面缺陷即晶界和亚晶界。晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图128所示。实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界，如图129所示。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低，原子扩散速度较快的特点。图128晶界的过渡结构示意图

27、图129亚晶界结构示意图 4纯金属的结晶 （1）纯金属的冷却曲线和冷却现象 金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶。了解金属由液态转变为固态晶体的过程是十分必要的。现以纯金属为例说明如下：纯金属由液态向固态的冷却过程，可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线冷却转变曲线来表示，这种方法称热分析法。所测得的结晶温度称为理论结晶温度（T0）。在实际生产中，纯金属自液态冷却时，是有一定冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程是在T1温度进行的，如图 图1210纯金属冷却曲线1210所示。T1低于T0，这种现象称为“过冷”。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差T（T0 - T1）称为

28、“过冷度”。过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶温度T1就越低，即过冷度T就越大。 实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。 （2）金属的结晶过程液态纯金属在冷却到结晶温度时，其结晶过程是：先在液体中产生一批晶核，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到全部液体转变成固体为止。最后形成由外形不规则的许多小晶体所组成的多晶体（如图1211所示）。图1211金属的结晶过程示意图在晶核开始长大的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也是比较规则的。随着晶核长大和晶体棱角的形成，棱角处散热条件优于其它部位，因此优先长大，如图1212所示。其生长

29、方式，象树枝状一样，先长出枝干，然后再长出分枝，最后把晶间填满，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。图1212晶核长大示意图（3）晶粒大小与金属力学性能的关系 在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。 生产中，细化晶粒的方法如下： 1）增加过冷度 结晶时增加过冷度T会使结晶后晶粒变细。 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。 2）变质处理 变质处理是在浇注前

30、向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。如往钢液中加入钛、锆、铝等。 3）附加振动 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。122 合金的晶体结构 合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。例如碳钢是铁和碳组成的合金。 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般的说，组元就是组成合金的元素。例如铜和锌就是黄铜的组元。有时稳定的化合物也可以看作组元，例如铁碳合金中的Fe3C就可以看作组元。通常，由

31、两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金。 相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。 通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综和体。 一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。 根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 1固溶体 合金在固态下

32、，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 （1）置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体， 称为置换固溶体，如图1213a所示。 置换固溶体可分为有限固溶体和 图1213固溶体的两种类型无限固溶体两类。 形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者晶格类型、原子直径的差别和它们在周期表中的相互位置。 （2）间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体

33、称为间隙固溶体，如图1213b所示。 由于晶格间隙通常都很小，所以都是有原子半径较小的非金属元素（如碳、氮、氢、硼、氧等）溶入过渡族金属中，形成间隙固溶体。间隙固溶体对溶质溶解都是有限的，所以都是有限固溶体。 （3）固溶体的性能由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。 2金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等。 金属化合物大致可分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物。

34、 金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高，硬度高，而脆性大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。123 铁碳合金相图 1纯铁纯铁的熔点为1538。纯铁的冷却转变曲线如图1214所示。液态纯铁在1538时结晶为具有体心立方晶格的d-Fe，继续冷却到1394由体心立方晶格的d-Fe转变为面心立方晶格的-Fe,再冷却到912又由面心立方晶格的-Fe转变为体心立方晶格的a-Fe，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下由于温度的改变而发生晶格类型转变的

35、现象，称为同素异构转变。同素异构转变有热效应产生，故在冷却曲线上，可看到在1394和912处出现平台。纯铁在770时发生磁性转变。在770以下的a-Fe呈铁磁性，在770以上a-Fe的磁性消失。770称为居里点，用A2表示。工业纯铁虽然塑性好，但强度低， 所以很少用它制造机械零件。在工业上应用最广的是铁碳合金。2铁碳合金基本相 铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据碳的质量分数不同， 图1214纯铁的冷却曲线碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物。因此，铁碳合金在固态下有以下几种基本相。 （1）铁素体 碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体

36、称为铁素体，常用符号F表示。铁素体仍保持a-Fe的体心立方晶格，碳溶于a-Fe的晶格间隙中。由于体心立方晶格原子间的空隙较小，碳在a-Fe中的溶解度也较小，在727时，溶碳能力为最大wc0.0218，随着温度降低，a-Fe中的碳的质量分数逐渐减少，在室温时降到0.0008% 。铁素体的力学性能与工业纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。图1215为铁素体的显微组织。 （2）奥氏体 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍保持-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148时溶碳能力为最大wc2.11，随着温度下降，-Fe中的碳的质

37、量分数逐渐减少，在727时碳的质量分数为0.77。奥氏体是一个硬度较低塑性较高的相，适用于锻造。是绝大多数钢热成形所要求加热到奥氏体状态。 （3）渗碳体铁与碳形成的金属化合物Fe3C称为渗碳体，用Fe3C表示。渗碳体中的wc=6.69，熔点为1227，是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物。渗碳体的硬 图1215铁素体的显微组织度很高，但塑性和韧性几乎等于零。渗碳体是钢中主要强化相，在铁碳合金中存在形式有：粒状、球状、网状和细片状。其形状、数量、大小及分布对钢的性能图1216 Fe-Fe3C相图有很大的影响。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定的条件下会分解，形成石墨状的自由碳和铁：Fe3C3Fe十C(

38、石墨)，这一过程对铸铁具有重要的意义。 3铁碳合金相图分析碳的质量分数6.69的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。另外，Fe3C中的碳的质量分数为6.69，是个稳定的金属化合物，可以作为一个组元，因此,研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如图1216所示。（1）铁碳合金相图分析 相图中的AC和CD线为液相线，AE和ECF线为固相线。相图中有四个单相区：液相区(L)、奥氏体区(A)、铁素体区(F)、渗碳体区(Fe3C)。 Fe-Fe3C相图主要特征点及含义见表121所示。表121 Fe-Fe3C相图中特征点符号温度/碳的含量wc100说明A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12

39、276.69渗碳体熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120a-Fe、-Fe同素异构转变点K7276.69渗碳体的成分P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q室温0.0008碳在a-Fe中的溶解度 相图由共晶、共析转变组成： 1）wc=(2.116.69)的铁碳合金，缓冷至1148(ECF共晶线)都发生共晶转变：LcAE十Fe3C转变的产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体(Ld)。 2）wc0.0218的铁碳合金，缓冷至727(PSK共析线)都发生共析转变：AsFp十Fe3C转变的产物是铁素体和渗碳体的机械混合物

40、，称为珠光体(P)。共析温度以A1表示。 铁碳合金中还有三条重要的特性线： 1）ES线 它是碳在奥氏体中溶解度曲线。在1148时，奥氏体中碳的质量分数为2.11，而在727时，奥氏体中碳的质量分数为0.77。故凡是碳的质量分数 0.77%的铁碳合金自1148冷至727时，都会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3CII)。ES线又称Acm线。 2）PQ线 它是碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，铁素体中的碳的质量分数为0.0218，而在室温时，铁素体中碳的质量分数为0.0008。故一般铁碳合金由727冷至室温时，将由铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体(Fe3CIII)。在碳的质量

41、分数较高的合金中，因其数量极少可忽略不计。 3）GS线 它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为A3线。 （2）铁碳合金的分类 按其碳的质量分数和显微组织的不同，铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。 1)工业纯铁：wc0.0218。 2)钢：0.0218wc2.11。钢又分为: 亚共析钢：0.0218wc0.77； 共析钢：wc0.77； 过共析钢：0.77wc2.11。 3)白口铸铁：2.11wc6.69。白口铸铁又分为： 亚共晶白口铸铁：2.11wc4.3； 共晶白口铸铁: wc4.3；过共晶白口铸铁: 4.3wc6.69。 4典型铁碳合金的结晶过程及其

42、组织 下面以图1217、图1221所示的几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程。 （1）共析钢(wc0.77)图1217 钢部分的典型铁碳合金的结晶过程分析示意图图1217中合金，1点温度以上为L，在12点温度之间从L中不断结晶出A，缓冷至2点以下全部为A，23点之间为A冷却，缓冷至3点时A发生共析转变（AsP）生成P。该合金的室温组织为P，其冷却曲线和平衡结晶过程如图1217所示，显微组织如图1218所示。（2）亚共析钢（0.0218wc0.77） 图1217中合金，1点温度以上为L，在12点温度之间从L中不断结晶出A，冷至2点以下全部为A，23点之间为A冷却，34点之间A不断转变成F，

43、缓冷至4点时，剩余的A成分为wc0.77，发生共析反应（AsP）生成P。该合金的室温平衡组织为F十P，其冷却曲线和平衡结晶过程如图1217所示，显微组织如图1219所示。 （3）过共析钢(0.77wc2.11） 图1217中合金，1点温度以上为L，在12点温度间从L中不断结晶出A，23点为A冷却，34点间从A中不断析出沿晶界分布，呈网状的Fe3CII，缓冷至4时，剩余的A成分为wc0.77，发生共析转变（AsP）生成P。该合图1218共析钢的显微组织 图1219亚共析钢的显微组织图1220过共析钢的显微组织金室温平衡组织为P十Fe3CII，其冷却曲线及平衡结晶过程如图1217所示，显微组织如图

44、1220所示。 (4)共晶白口铸铁(wc4.3) 图1221中合金，1点温度以上为L，缓冷至1点温度（1148）时，L发生共晶转变(LcAE十Fe3C)生成莱氏体(Ld)，在12点之间时，Ld中A的碳的质量分数沿ES线逐渐减少而不断析出Fe3CII。当缓冷至2点时，共晶A成分降图1222 白口铸铁部分的典型铁碳合金的结晶过程分析示意图图1222共晶白口铸铁显微组织 图1223亚共晶白口铸铁显微组织为wc0.77，发生共析转变（AsP）生成P。该合金的室温平衡组织是由P和Fe3C组成的共晶体，加少量Fe3CII称为低温莱氏体或变态莱氏体(Ld)。其冷却曲线及平衡结晶过如图1221所示，显微组织如

45、图1222所示。 (5)亚共晶白口铸铁(2.11wc4.3图1221中合金，1点温度以上为L，在12点间不断自L中结晶出A，温度降至2点时，剩余L相的成分达到共晶成分，发生共晶转变(LcAE十Fe3C)形成莱氏体，冷却2点以下，自初晶A和共晶A中析出Fe3CII， 所以A中的碳的质量分数沿ES线降低。当温度达到3点时，A成分为wc0.77，发生共析转变（AsP）生成P。该合金的室温平衡组织为P十Fe3CII+Ld，其冷却曲线及平衡结晶过程如图1221所示。显微组织如图1223所示。 (6)过共晶白口铸铁(4.3wc6.69图1221中合金，1点温度以 图1224 过共晶白口铸铁显微组织上为L，

46、在12点间不断自L中结晶出Fe3C，温度降至2点时，剩余L相的成分达到共晶成分，发生共晶转变(LcAE十Fe3C)生成Ld，在23点中，共晶A中析出Fe3CII，到3点时A成分为wc77发生共析转变（AsP）生成P，此合金的室温平衡组织为Fe3C十Ld。其冷却曲线及平衡结晶过程如图1221所示，其显微组织如图1224所示。5碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响 （1）碳的质量分数对平衡组织的影响由Fe-Fe3C相图可知,随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显微组织发生如下变化： FF十Fe3CIIIF十PPP+Fe3CIIP十Fe3CII十LdLdLd十Fe3C从图中看出，当碳的质量分数增加时，

47、不仅组织中Fe3C相对量增加，而且Fe3C大小、形态和分布也随之发生变化，即由分布在F晶界上(如Fe3CIII)，变为分布在F的基体内(如P)，进而分布在原A的晶界上(如Fe3CII)，最后形成Ld时，Fe3C已作为基体出现，即碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的组织，因此它们具有不同的性能。 （2）碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对钢的力学性能影响如图1225所示。由于硬度对组织形态不敏感,所以钢中碳的质量分数增加，高硬度的Fe3C增加，低硬度的F减少，故钢的硬度呈直线增加，而塑性、韧性不断下降。又由于强度对组织形态很敏感。在亚共析钢中，随着碳的质量分数增加,强度高的P增加，强度低的

48、F减少，因此强度随碳的质量分数的增加而升高。当碳的质量分数为0.77时，钢的组织全部为P，P的组织越细密，则强度越高。但当碳的质量分数为0.77wc0.9时，由于强度很低的、少量的、一般未连成网状的Fe3CII沿晶界出现，所以合金的强度增加变慢；当wc0. 9时,Fe3CII数量增加且呈网状分布在晶界处，导致钢的强度明显下降。 （3）碳的质量分数对工艺性能的影响 1）切削加工性金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易程度。低碳钢中F较多，塑性 图1225碳的质量分数对钢的力学性能影响好，切削加工时产生切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严

49、重，故切削加工性也差。中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性较好。在高碳钢Fe3C呈球状时，可改善切削加工性。 2）可锻性金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。当钢加热到高温得到单相A组织时，可锻性好。低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。白口铸铁无论在高温或低温，因组织是以硬而脆的Fe3C为基体，所以不能锻造。 3）铸造性能合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造性能越差。低碳钢的液相线与固相线距离很小，则有较好的铸造性能，但其液相线温度较高，使钢液过热度较小，流动性较差。随着碳的质量分数增加，钢的结

50、晶温度间隔增大，铸造性能变差。共晶成分附近的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度也最低，其流动性好，铸造性能好。4）可焊性随着钢中的碳的质量分数增加，钢的塑性下降，可焊性下降。所以，为了保证获得优质焊接接头，应优先选用低碳钢(碳的质量分数0.25的钢）。6铁碳合金相图的应用 1）选材料方面的应用 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律，可以根据零件的服役的条件来选择材料。如要求有良好的焊接性能和冲压性能的机件，应选用组织中铁素体较多、塑性好的低碳钢 (wc0.25)制造，如冲压件、桥梁、船舶和各种建筑结构；对于一些要求具有综合力学性能(强度、硬度和塑性、韧性都较高)的机器构件

51、，如齿轮、传动轴等应选用中碳钢(wc0.250.6)制造；高碳钢(wc0.6)主要用来制造弹性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、磨具、量具等；对于形状复杂的箱体、机座等可选用铸造性能好的铸铁来制造。2）制定热加工工艺方面的应用 在铸造生产方面，根据Fe-Fe3C相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。浇注温度一般在液相以上150左右。另外，从相图中还可看出接近共晶成分的铁碳合金，熔点低、结晶温度间隔小，因此它们的流动性好，分散缩孔少，可得到组织致密的铸件。所以，铸造生产中，接近共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。 在锻造生产方面，钢处于单相奥氏体时，塑性好，变形抗力小，便于锻造成型。因此，钢材的热轧、锻

52、造时要将钢加热到单相奥氏体区。一般碳钢的始锻温度为12501150，而终锻温度在800左右。 在焊接方面，可根据Fe-Fe3C相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。各种热处理方法的加热温度的选择也需参考Fe-Fe3C相图，这将在后续章节详细讨论。必须指出，铁碳合金相图不能说明快速加热和冷却时铁碳合金组织的变化规律。相图中各相的相变温度都是在所谓的平衡（即非常缓慢地加热和冷却）条件下得到的。另外，通常使用的铁碳合金中，除含铁、碳两元素外，尚有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有影响，应予以考虑。124 碳素钢、铸铁 1碳素钢 （1）碳素钢分类 按碳的质量分数又可分为低碳钢(wc0.25%）

53、；中碳钢(wc0.250.60)；高碳钢(wc0.60)。按钢的冶金质量和钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数分普通质量钢(ws=0.035%0.050，wp=0.0350.045)；优质钢(ws、wp均0.035)；高级优质钢(ws =0.0200.030，wp0.0250.030)。按用途分类结构钢、工具钢 。 （2）钢的编号 1)碳素结构钢 碳素结构钢牌号表示方法由代表屈服点屈字的汉语拼音字母、屈服极限数值、质量等级符号及脱氧方法符号四个部分按顺序组成。牌号中Q表示“屈”；A、B、C、D表示质量等级，它反映了碳素钢结构中有害杂质（S、P）质量分数的多少，（C、D）级硫、磷质量分数最低、质量好

54、，可作重要焊接结构件。例如Q235AF，即表示屈服点为235Nmm2、A等级质量的沸腾钢。F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般情况下符号Z与TZ在牌号表示中可省略。 2)优质碳素结构钢 其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。例如45钢，表示平均wc =0.45%；08钢表示平均wc =0.08%。优质碳素结构钢按锰的质量分数不同，分为普通锰钢(wMn0.25%0.80%)与较高锰的钢(wMn=0.70%1.20%)两组。较高锰的优质碳素结构钢牌号数字后加“Mn”，如45Mn。 3)碳素工具钢 其牌号冠以“T”(“T”为“碳”字的汉语拼音首位字

55、母)，后面的数字表示平均碳的质量分数的千倍。碳素工具钢分优质和高级优质两类。若为高级优质钢，则在数字后面加“A”字。例如T8A钢，表示平均wc =0.8%的高级优质碳素工具钢。对含较高锰的(wMn0.400.60%)的碳素工具钢，则在数字后加“Mn”，如T8Mn、T8MnA等。 4)铸造碳钢 其牌号用“ZG”代表铸钢二字汉语拼音首位字母，后面第一组数字为屈服强度(单位N/mm2)，第二组数字为抗拉强度(单位N/mm2)。例如ZG200-400，表示屈服强度s(或0.2)200N/mm2，抗拉强度b400N/mm2的铸造碳钢件。 （3）碳素结构钢碳素结构钢的硫、磷含量较多，但由于冶炼容易，工艺性

56、好，价格便宜，在力学性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求，因此用量很大，约占钢材总量的70。表122为碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用。碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。其中牌号Q195与Q275碳素结构钢是不分质量等级的，出厂时既保证力学性能，又保证化学成分。而Q215、Q235、Q255牌号的碳素结构钢，当质量等级为“A”、“B”级时，只保证力学性能，化学成分可根据需方要求作适当调整；而Q235的“C”、 “D”级，则力学性能和化学成分都应保证。D级（ws0.035，wp0.035）质量等级最高，达到了碳素结构钢的优质级。Q195钢的碳的质量分数很低，塑性好。常用作螺钉、螺母及各种薄板，也可用来代替优质碳素结构钢08或10钢，制造冲压件、焊接结构件。Q275钢强度较高，可代替30钢、40钢用于制造较重要的某些零件，以降低原材料成本。 （4）优质碳素结构钢优质碳素结构钢S、P含量较低，非金属夹杂物也较少，因此机械性能比碳素结构钢优良，被广泛用于制造机械产品中较重要的结构钢零件，为了充分发挥其性能潜力，一般都是在热处理后使用。优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见表123。08F、10F钢的碳的质量分数低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冲压件