材料是人类社会发展的物质基础

1、绪 论材料是人类社会发展的物质基础，是人类生产和生活的物质基础，所以历史学家以石器时代、陶瓷时代、铜器时代来划分古代史各阶段，而今人类正跨入人工合成材料的新时代。 如今，材料能源和信息以成为发展现代化生产的三大支柱，而材料又是能源与信息发展的物资基础。各种材料的性能好坏直接影响到产品的质量、寿命和可靠性。现代工业装备向着高速、自动、精密等方向发展。我们是继往开来的接班人，要努力学好工程材料，为四化做贡献。 这门课学习内容有（主要内容）：除解决正确选材外，还涉及到一些加工工艺问题，尤其是热处理工艺。因此，正确选材、合理用材、正确选材热处理方法来满足机械零件性能要求是这门课学习的主导线。 工程材料

2、是一门内容广泛，理论和实践相结合的课程，希望我们共同努力完成本课程的学习任务。 1.金属工艺学的主要内容: 机械制造工艺分为 机械工程材料:机械产品制造所必须的物质基础,是工业的粮食，材料性能的好坏直接影响着产品的质量、寿命和可靠性。 机械工程材料分为 成型工艺：把原材料或半成品加工成所需形状和尺寸产品的过程。 2.金属工艺学的特点 综合性能强 系统介绍工程材料的加工如:铸造、锻压、焊接、热处理、切削加工 等全部工艺过程。 实践性强 有利于培养实践技能，提高动手能力，为获取“双规”提供保障。 3学习这门课的目的 通过理论和实践，同学们应掌握机械工程材料，金属加工和热处理的理论基础知识。初步具有

3、金属加工的操作技能。 4要求： a.了解常用机械工程材料及该性工艺的类别和用途，初步具有一定的实验操作技能和正确使用常用金属材料和常规热处理工艺的粘贴 b.了解金属加工的工艺应用范围。 c.了解实验的基本原理和设备，通过实验具有一定的实验操作技能和正确分析实验的能力。 d.热爱劳动文明生产，保护环境和具有质量与效益的意识。 金属材料的性能分：使用性能、工艺性能。 使用性能：为保证机械零件或工具能正常工作，金属材料应具备的性能，在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）和化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）。 工艺性能：在制造机械零件及工具过程中，金属材料

4、适应各种冷、热加工的性能。如铸造性、锻造性、焊接性、热处理性、切削加工性等。 力学性能是指机械零件或工具在使用过程中，要受到各种载荷的作用，金属材料在载荷作用下所反映出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击吸收功、疲劳极限、断裂韧度等。 第一章 金属的力学性能 第一节 强度与塑性 材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形塑性变形断裂。 弹性变形是外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形是外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形。 一、拉伸试验：可求出金属材料的强度与塑性。 1.拉伸试样 2.力伸长曲线 二、强度 强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂

5、的能力。 应力是指材料单位面积上的内力。 内力是当金属材料受载荷作用未引起破坏时，其内部产生与载荷相平衡的力。 1.屈服点与规定残余伸长应力 屈服点是指金属材料开始产生屈服现象时的最低应力。用符号s表示 sFs/So 式中 Fs表示试样屈服时所承受的拉伸力（N） So表示试样原始横截面积（平方毫米） 2.抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力，用符号b表示。 bFb/So 式中 Fb表示试样承受的最大拉伸力（N） So表示试样原始横截面积（平方毫米） 三、 塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。 1.断后伸长率 断后伸

6、长率是指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用符号表示。 =(l1-l0)/ l0100% 2.断面收缩率 断面收缩率是指试样断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示。即 =(S0-S1)/S0100% 断面收缩繁不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。 塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超截，由于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具用较高的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况，伸长率达5或断面收缩率达10的材料，即可满足大多数零件的使用要求。 第二节 硬度 硬度是指材料抵抗局

7、部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。 材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。 硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压痕的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。 一、布氏硬度 1、试验原理 用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头

8、时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。 HBS(HBW)：用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值； F：试验力（N）； d：压痕平均直径（mm）； D：钢球（硬质合金球）直径（mm） 布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位。 2、选择试验规范 在进行布氏硬度试验时，钢球直径、施加的试验力和试验力保持时间、应根据被测试金属的种类和试样厚度，按下表所示的布氏硬度试验规范正确地进行选择。 布氏硬度试验规范 材料 布氏硬度 0.102/D 2 备注 钢及铸铁 140 140 10 30 单位： 单位： mm 铜及其合金 35 35130

9、 130 5 10 30 轻金属及其合金 35 3580 80 25 10 10 铅、锡 1.25 由布氏硬度值的计算公式可以看出，当所加试验力与钢球（或硬质合金球）直径已选定时，硬度埴HBS（HBW）只与压痕直径d 有关。d 越大，则HBS（HBW）值越小，表明材料越软；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。 除了采用钢球（或硬质合金球）直径为10，试验力为3000（），保持时间1015s的试验条件外，在其它试验条件下测得的硬度值，应在符号HBS的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。 如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的钢球作压头，在1

10、000kgf(9807N)的试验力作用下，保持时间为30s后所测得的硬度值为120。 如500HB5/750，即表示用5mm的硬质钢球作压头，在750kgf(735N)的试验力作用下，保持时间为0115s后所测得的硬度值为500。 淬火钢球用于测定硬度HBS450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材等。为了避免压头变形，可用硬质合金球压头，它适用于测试HBW650的金属材料。（我国目前布氏硬度试验机压头主要是淬火钢球。） 3、试验的优缺点 布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。 布氏硬度试验的缺点是：对金属表面

11、的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。 布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。 二、洛氏硬度 1、试验原理 洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。 如下图所示，00为金刚石压头还没有和试样接触的位置。11是在初试验力作用下压头所处的位置，压入深度为h1，目的是为了消除由于试样表面不光洁对试验结果的精确性造成的不良影响。图中22在总

12、试验力（初试力主试验力）作用下压头所处位置，压入深度为h2。33是卸除主试验力后压头所处的位置，由于金属弹性变形得到恢复，此时压头实际压入深度为h3。故由于主试验力所引起的塑性变形而使压头压入深度为hh3h1。洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号表示。 式中，c为常数（对于 HRC、HRA，c取0.2；对于HRB，c取0.26）。由此获得的洛氏硬度值为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直

13、接读出。 2、常用洛氏硬度标尺及适用范围 标尺 压头类型 总试验力 kgf 硬度值有效范围 应用 HRA HRB HRC 120金刚石圆锥体 (1/16) ” ( 1.588)钢球 120金刚石圆锥体 600 1000 1500 7088 20100 2070 硬质合金、表面淬火层或渗碳层等 有色金属、退火、正火钢等 淬火钢、调质钢等 上述洛氏硬度的三种标尺中，以应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度与布氏硬度之间关系约为1：10，如40相当于400。 如50，表示用标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（为2070）为有效。 3、试验优缺点 优

14、点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值； 压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度； 对于和采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。 缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。 三、维氏硬度 布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料。 洛氏硬度试验虽然可用于测定较材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。 维氏硬度试验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。 1、试验原理 维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136的金

15、刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如书上图15所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号。 式中作用在压头上的试验力（） d压痕两对角线长度的平均值（） 值的单位为 / 2 ，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。 2、常用试验力及其适用范围 维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03980.7的范围内选择试验力。常用的试验胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7。 符号前面的数字为硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（1015s不标注

16、）。如,表示30kgf (294.2N) 试验力，保持时间为20s测得维氏硬度值为640。 维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果精确可靠。当试验力小于0.2 kgf（1.961）时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。 3、试验优缺点 优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束； 不存在压头变形问题； 压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。 缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。 四、里氏硬度简介 里氏硬度试验用规定质量的冲击体在弹力作

17、用下以一定速度冲击试样表面，用冲头距试样表面1处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。其表示符号为。 如700表示用型冲击装置测定的里氏硬度值为700。 第二章 纯金属与合金的晶体结构第一节 金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1、晶体与非晶体 固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列特点可分为晶体与非晶体两大类。 凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。 晶体的特点是： 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 具有一定的熔点，如铁的熔点为1538，铜的熔点为1083。 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具

18、有各向异性。 非晶体的特点是： 原子在三维空间呈不规则的排列。 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。 2、晶体结构的基本知识 晶格 为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个的点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。 晶胞 晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，因此只要在晶格中选取一个能够完全反映晶

19、格特征的最小的几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。 晶格常数 为了研究晶体结构的需要，在结晶学中规定用晶格常数来表示晶胞的几何形状和大小。晶胞的各棱边长为a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数a=b=c，棱边夹角=90时，这种晶胞称为简单立方晶胞。 二、常见金属的晶格类型 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处。晶胞中原子数可参照如下的计算方法：晶胞每个结点上原子为相邻的8个晶胞共有，加上晶胞中心一个原子，故每个晶胞原子数n=81/8+1=2(个

20、)。 属于体心立方晶格类型的金属有-Fe（912以下的钝铁）、铬、钼、钨等。 面心立方晶格 面心立方晶格和晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。晶胞中原子数可参照如下计算方法：晶胞每个结点上的原子为相邻的8个晶胞所共有，而每个面中心的原子却为两个晶胞所共有，所以，每个晶胞中的原子数为n=81/8+61/2=4(个)。 属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912的钝铁）、铝、铜、银等。 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是在正六方柱体的十二个结点和上、下两底面的中心处各排列一个原子，另外，中间还有三个原子。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体

21、的高度c。当轴比为1.633时，原子排列最紧密。晶胞原子数要参照如下的计算方法：密排六方晶胞每个结点上的原子为相邻的6个晶胞所共有，上下底面中心的原子为两个密排六方晶胞所共有，晶胞中间的三个原子为该晶胞所独有，故密排六方晶胞中的原子数n=121/6+21/23=6(个)。 属于这种晶格类型的金属有镁、锌、镉、铍等。 三、金属的实际晶体结构 单晶体与多晶体 单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。 晶粒即在多晶体材料内，晶体位向基本相同的小晶体。 晶界即多晶体材料中相邻晶粒间的界面。 金属的晶体缺陷 、点缺

22、陷 点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子所占有，这种空着的位置称为空位；与此同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子，这种不占有正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子。在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被被坏，使其周围原子发生靠拢或撑开，因此晶格发生歪曲（亦称晶格畸变），使金属的强度提高，塑性下降。 、线缺陷 线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的一种缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。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

23、多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。图中ABCD晶面上沿EF处多插入了一层原子面EFGH，它好象一把刀刃那样切入晶体中，使上下层原子不能对准，产生错排，因而称为刃型位错。EF线称为位错线。在位错线附近晶格发生畸变，形成一个应力集中区。在ABCD晶面以上位错线附近一定范围内的原子受到压应力；相反，在ABCD晶面以下一定范围内的原子受到拉应力。离开EF线越远，晶格畸变越小。实验证明，在实际晶体中存在着大量刃型位错。 、面缺陷 面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷。 这类缺陷主要指晶界和亚晶界。 晶界工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个相邻晶粒之间的位

24、向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，如图所示。由于过渡层原子排列不规则，使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用，从宏观上来看，晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。 亚晶界实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的。实际上每个晶粒皆是由许多位向差很小（23）的小晶块互相嵌镶而成的，这些小晶块称为亚组织（亦称嵌镶块或亚结构）。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组成的小角度晶界，如图所示。由于亚晶界处原子排列

25、也是不规则的，使晶格产生了畸变，因此，亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影响，亚晶界越多，强度也越高。 第三节 合金的晶体结构 一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。 一、合金的基本概念 1、合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合

26、金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。 2、组元 组成合金的基本的物质称为组元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。 3、合金系 给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。 4、相 相是指在金属

27、组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石墨）。 5、组织 组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。 将金属试样的磨面经适当处理后用肉眼或借助放大镜观察的组织，称为宏观组织；将用适当方法（如浸蚀）处理后的金属试样的磨面复型或制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织，称为显微组织。只由一种相组成的组织称为单相组织；由几种相组成的组织称为多相组织。金属材料的组织不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。 1、固溶体 溶质原子

28、溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。例如铁碳合金中，铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。 置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如图）。 间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的（如图）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。 由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，如图，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。例如，我国和低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元

29、素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。 2、金属化合物 金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。 金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。 3、机械混合物 机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合

30、金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。 第三章纯金属与合金的结晶第一节纯金属的结晶 物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。 1、冷却曲线与过冷现象 由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长温度不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长但其温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶温度。出现水平线段的原因，是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向周围散热量，故温度又重新下降。 如图所示，金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所

31、测得的结晶温度0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度0以下的某一温度1才开始进行结晶，温度1称为实际结晶温度。实际结晶1温度低于理论结晶温度0的现象称为过冷现象。而0与1之差称为过冷度，即01。 过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度1就越低，即过冷度就越大。 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 纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了

32、可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程。如下图所示： 结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体，由于晶界的晶粒内部凝固得迟、故便在其上面富集着较多低熔点的杂质。 实验表明，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，随着晶核长大的和晶体棱角的形成，由于棱角处散热条件优于其它部位，晶粒在棱边和顶角处就优先长大，如

33、下图所示，由此可见，其生长方式，象树枝状一样，先生长出干枝称为一次晶轴；然后再生长出分枝称为二次晶轴。依次类推。因此，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。 3、晶粒大小对金属力学性能的影响 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，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。这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹

34、的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。 4、细化晶粒的方法 金属结晶后单位体积中晶粒的数目取决于结晶时的形核率（单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大线速度（单位时间内晶核长大的线长度），它们的关系如下： 由上式可知，结晶时形核率越大，晶核长大线速度越小，结晶后单位体积内的晶粒数目就越大，晶粒就越细小。 因此，要控制金属结晶后晶粒大小，必须控制形核率和长大线速度这两个因素，主要途径如下： 增加过冷度 液态金属结晶的形核率、长大线速度与过冷度之间的关系如图所示。金属结晶时，图中实线部分所示，形核率和长大线速度都随过冷度的增加面增加，但和增长率大于的增长率，因此，增加过冷度

35、会使增大，晶粒变细。当过冷度较小时，形核率低于长大线速度，结果得到比较粗大的晶粒。 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。 当过冷度大到图中虚线部分时，金属液的温度已经很低，原子扩散能力极大的降低，反而使形核率和生长线速度下降。 进行变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率或降低长大线速度，从而细化晶粒的方法。 有的变质剂加入液态金属时，它们或它们的氧化物会形成起非自发晶核作用的杂质微粒，使形核率大大增加，细化晶粒，如往钢液中加入钛、铝等。 还有一种变质剂，能附着在晶体前面强烈

36、阻碍晶粒长大，降低长大线速度，如往铝硅铸造合金中加入钠盐，钠附着在硅的表面，降低硅的长大线速度，阻碍粗大片状硅晶体形成，使合金组织细化。 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，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率，从而细化晶粒。第二节铁碳合金 一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。 一、合金

37、的基本概念 1、合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。 2、组元 组成合金的基本的物质称为组元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。 3、合金系 给定组元按

38、不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。 4、相 相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石墨）。 5、组织 组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。 将金属试样的磨面经适当处理后用肉眼或借助放大镜观察的组织，称为宏观组织；将用适当方法（如浸蚀）处理后的金属试样的磨面复型或制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织，称为显微组织。只由一种相组成的组织称为单相组织；由几种相组成的

39、组织称为多相组织。金属材料的组织不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。 1、固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。例如铁碳合金中，铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。 置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如图）。 间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的（如图）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。 由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生

40、畸变，如图，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。例如，我国和低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。 2、金属化合物 金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。 金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。 3、机械混合

41、物 机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。 三、纯铁的同素异构转变 固态金属随温度变化而发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示，可见，纯铁在1538结晶后，具有体心立方晶格，称为铁；当冷却到1394时发生同素异构转变，由体心立方晶格的铁转变为面心立方晶格的铁；继续冷却至912时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的铁转变成了具有体心立方晶格的铁。再继续冷却时晶格类型不再发生变化。

42、同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。 同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基的钢铁材料中，这是钢铁材料性能呈多种多样、用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。 金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段。 四、 铁碳合金的（基本组织）相 在固态铁碳合金中，铁和碳的相互作用有两种：一是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体，如铁素体与奥

43、氏体；二是铁和碳原子按一定的比例相互作用形成金属化合物，如渗碳体。 铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。 1、铁素体（） 碳溶于铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号或表示。它仍保持铁的 体心立方晶格，由于体心立方晶格原子间的空隙很小，因而溶碳能力极差，在727时的最大溶碳量为0.0218，在600是溶碳量约为0.0057，室温下几乎为零0.0008。因此，其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、硬度不高（b=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(=30%-50%,Akv=128-160J)。所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。 2、奥氏体（） 碳溶于

44、铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号或表示。它仍保持铁的面心立方晶格。由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大，因此碳在铁中的溶碳能力比在铁中要大些。在727时的溶碳量为0.77，随着温度的升高溶量增加，到1148是时达到最大2.11。奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为（b约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(=40%-50%)，无磁性。因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。 3、渗碳体 渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为，其6.69，是钢和铸铁中常用的固相。熔点约为1227，渗碳全硬度很高（9501050），而塑性与

45、韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是碳钢中主要强化相。渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状、板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。第五章铁碳合金相图与非合金钢第一节 铁碳合金的结晶过程 一、 共析钢的结晶过程 图中表示共析钢（ Wc0.77），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。2S点之间，合金是单一奥氏体相。继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转

46、变成珠光体（P）。727以下，P基本上不发生变化。故室温下共析钢的组织为P。共析钢的结晶过程如下图所示。 二、 亚共析钢的结晶过程 图 36中合金表示亚共析钢。合金在1点以上为液体。缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。在23点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。沿着GS线变化。当温度降至4点（727）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc0.77，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。原铁素体不变保留了在基体中。4点以下不再发生组织变化。故亚共析钢的室温组织为铁素

47、体珠光体。亚共析钢的结晶过程如图38所示。 三、 过共析钢的结晶过程 图 3-6中合金表示过共析钢。合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。在23点之间是含碳时为合金奥氏组织。缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。34点之间的组织为奥氏体二次渗碳体。降至4点（727）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。在4点以下，合金的组织不再发生变化。故室温组织为珠光体二次渗碳体。过共析钢结晶过程如图3

48、9。 四、 共晶白口铁的结晶过程 图 36中合金表示共晶白口铁（Wc4.3）。合金在C 点温度以上为液体，当降至C 点时，液态合金将发生共晶转变，结晶出奥氏体与渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。转变是在恒温下进行，其中奥氏体的成分是E点的成分。温度继续下降时，莱氏体中的奥代体将不断析出二次渗碳体，剩余奥氏体的碳浓度不屡减少，并沿着ES线变化。12点之间的组织为高温莱氏体，是由奥氏体，二次渗碳体和共晶渗碳体组成（A+Fe 3 C +Fe 3 C共晶）。当温度降至2点（727）时，莱氏体中的奥氏体的含碳量降到了Wc0.77，发生共析转变，生成珠光体，即高温莱氏体（Ld）转变为低温莱氏体（L d），

49、其组织由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成（P+ Fe 3 C +Fe 3 C共晶）。共晶白口铁的显微组织如图34所示，共晶白口铁的结晶过程如图310所示。 五、 亚共晶白口铁的结晶过程 图36中合金表示亚共晶白口铁。合金在1点温度以上为液体，缓冷至稍低于1点温度，开始从液体中结晶出奥氏体。12点温度之间组织为液体和奥氏体。继续缓冷，结晶出的奥氏体量不断增多，而液体量不断送还减少，奥氏体的含碳量不断沿AE骊变化，液体的硕深度沿AC骊变化。温度缓冷 至2点（1148）时，奥氏体的含碳量为E点的成分，液体的碳浓度为C点的浓度，于是这部分液体发生共晶转变。在23点温度区间，随着温度的不断下降，奥氏体

50、的含碳量沿ES线变化，并不断析出二次渗碳体。因此23点温度区间内的组织为奥代体、二次渗碳体和高温莱氏体（A+Fe 3 C +Ld）。缓冷至3点（727）时，Wc0.77的奥氏体发生析转变，转变为珠光体。最后室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体（P+Fe 3 C +L d）。亚共晶白口铁的结晶过程如图311所示。 六、 过共晶白口铁的结晶过程 图 36中合金表示过共晶白口铁。合金在1点温度以上为液体。当温度缓冷至稍低于1点时，从液体中开始结晶出一次渗碳体（Fe 3 C ）。温度不断下降，结晶出的一次渗碳体不断增多，剩余液体量相对减少。同时，液体的碳浓度沿着CD骊不断变化，至2点时，乘余液体W

51、c4.3，于是发生共晶转变，形成高温莱氏体。此时的组织为一次渗碳体高温莱氏体。随后继续冷却时的转变情况与共晶白口铁相同，最终组织为一次渗碳体低温莱氏体。过共晶白口铁的结晶过程如图312所示。 白口铁因有共晶转变，所以组织中出现了莱氏体基体，莱氏体的存在，使得白口铁硬度很高，脆性很大，所以实际生产中很少直接使用，一般用用炼钢原料。 第二节 铁碳相图的应用 一、 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 随着含碳量的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，回此，合金的力学性能也相应发生变化。铁碳合金的成分、组织、相组成、组织组成、力学性能等变化规律如图 313所示。 亚共析钢

52、的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加。其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度也升高，塑性、韧性不断下降。过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因因强度、硬度上升，而塑性、韧性值不断下降。但是，当钢中 Wc0.9时，二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧性，则随着含碳量的增加而不断降低。实际生产为了保证碳钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，Wc一般不应超过1.31.4。 Wc2.11的铁碳合金，基本上都

53、已成了硬脆的渗碳体，强度很低，塑性和韧性随渗碳体相对量的增加呈迅速下降趋势。 二、 铁碳相图在工业中的应用 铁碳相图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，因此在工程上为选材、用材及制铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。如图 314所示。 1、 在选材方面的应用 由铁碳相图可风，铁碳合金中随着含碳量的不同，其平衡组织各来相同，从而导致其力学性能不同。因此，可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。 2、 在铸造生产上的应用 参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注温度在液相线以上 5060。 3、 在锻压生产上的应用 钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变

54、形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较低的强度，较好的塑性和较小的变形抗力，易于成形。 4、 在焊接生产上的应用 焊接时，由于局部区域被快速加热，故从焊缝到母材各处的温度是不相同的。 5、 在热处理生产上的应用 从铁碳相图可知：铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。第六章 钢的热处理 钢的热处理： 是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺 。热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。 第一节 钢的热处理原理 热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通