工程材料学-晶体结构的基本概念、性质和应用

1、工程材料学晶体结构的基本概念、性质和应用绪论1、工程材料及其发展概况：工程材料：与工程有关的材料，包括：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。发展史：2、学习内容：本书中将介绍：金属学、热处理原理与工艺、金属材料三部分的内容；金属学：介绍晶体结构与结晶、二元合金相图、铁碳合金相图、金属的塑性变形和再结晶。热处理原理与工艺：热处理：将金属在固态下加热到预定温度、并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的热加工工艺。本书中将介绍有关热处理原理与工艺的一些知识（钢的热处理）。金属材料：研究合金钢的成分、组织、性能、特点等（合金钢）。学习重点：一个中心：金属及合金的成分、组织结构间

2、的变化规律；二个图形：相图、曲线 ；五大转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变；四把大火：正火、退火、淬火、回火；八大钢种：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刃具钢、模具钢、量具钢、特殊性能钢。3、学习方法： 课堂上的内容应当堂消化温故而知新4、学习特点：概念性强；连贯性强；实践性强；抽象性强；参考书：金属材料及热处理 史美堂主编、 工程材料学 燕来生主编、金属学与热处理 崔忠圻主编教材：工程材料陈积伟 机械工业出版社；第一章 金属材料的结构与性能 特点第一节 纯金属的晶体结构1、晶体的概念：1.1晶体：内部的原子呈一定规律重复排列着的固态物质。书P2图1-1；例如：钻石、冰等。

3、晶体的特性：有一定的熔点；各向异性晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。液体晶体金刚石、NaCl、冰 等。 1.3空间点阵：用以表示晶体中原子（离子或分子）排列形式的空间格子，也叫晶格。（在这里将晶体的实际质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点，用许多平行的直线将这些阵点连接所构成的三维空间格架）1.4晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映原子排列规律的最小几何单元。晶格常数：晶胞的棱边长度a、b、c ，单位为埃（）；以及轴间夹角、。例如：a=b=c，而=90就是简单立方晶胞。晶格常数a，b，c晶胞2 、金属的特性2.1 外观 特征：金属光泽和不透明性2.2 正

4、的电阻温度系数2.3 良好的机械性能、良好的导电性、导热性3、金属晶体中常见的三种晶格类型： 3.1 体心立方晶胞（Body Centered Cubic) （简称bcc）书P4图1-3 3.1.1 原子分布：8个顶点各有一个原子，在体心处还有一个原子。 3.1.2 原子个数： 3.1.3 原子半径：原子半径r= a。3.1.4 致密度与配位数： 致密度：晶胞中所含的原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示。 k=n Va /Vc bcc的k=0.68 （n=2;v=4/3r3;V=a3 配位数：晶格中与任一原子最近邻、且等距的原子数目，用N表示。而bcc的N=8。晶格常数： a=b=c；

5、=903.2 、面心立方晶胞（Face Centered Cubic）（英文简称fcc）3.2.1 原子分布：8个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。书P6图1-43.2.2 原子个数：3.2.3 晶格常数：a=b=c； =903.2.4 原子半径：在每个面的对角线上原子是紧密接触的，r= a3.2.5 致密度与配位数：K=0.74 ；N=12。 3.3.1 原子分布：六方体的12个顶点各有一个原子，上下底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有3个原子。3.3.2 原子个数： 3.3 密排六方晶胞（hcp） 书P7图1-53.3.3 晶格常数：底边棱长a；两底面间的高度c。3.3

6、.4 原子半径与致密度与配位数：r=a/2 ，K=0.74，N=12。晶格类型原子数原子半径配位数致密度bcc280.68fcc4120.74hcp6120.74表11三种典型金属晶格的数据三种典型金属晶格的各种数据见书 P7表1-1 4、晶向指数与晶面指数：4.1 定义：晶向：在晶体的晶格中穿过两个以上原子中心的方向（直）线。晶面：在晶体的晶格中通过原子中心所构成的平面。晶面、晶向指数：表示各种晶面和晶向位向的统一符号，以表示它们在晶体中的方位和方向。确定步骤如下： 设坐标轴 ：以晶胞的三条棱边为坐标轴x、y、z，坐标轴的原点应在待定晶面之外。 求截距：以晶格常数a、b、c为度量单位，求出晶

7、面在各轴上的截距。 求倒数：将各截距值求倒数。 化整数： 将前面的三个倒数化为最小简单整数，并放在圆括号内。一般表示为（hkl），如果截距为负值，则在相应的指数上加负号，例如（kl）。4.2 晶面指数注意：1、这里所谓的晶面指数并非仅指一个晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。 2、在同一晶格中，有些晶面虽然在空间位向上不同，但其原子排列情况完全相同，将这些晶面列为同一晶面族，用hkl表示，（晶面在空间位向上不同但其原子排列情况完全相同表现在指数上是数字不变，而对这些数字进行排列组合） 4.3 晶向指数：用来表示晶向在晶体中的原子排列情况及位向的符号。确定步骤

8、： 设坐标轴：以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z。 引平行线：过原点引一条有向直线平行于待定晶向求坐标值：以晶格常数为度量单位，在该方向上求出最近原子的坐标值。化整数 ：将三个坐标值化为最小简单整数，放入方括号内，一般用uvw表示。注意：所有互相平行，方向一致的晶向具有相同的晶向指数。当晶向指数某一坐标为负方向时，则该坐标值为负值，同一直线有相反的两个晶向，其晶向指数的数字相同，但符号相反。晶向族：原子排列相同，但空间位向不同的所有晶向构成晶向族，用uvw表示。 特点：立方结构的晶体中，晶向指数的数字相同，但排列顺序不同，则具有相同的原子排列在立方结构的晶体中，当一晶向uvw位于或平行于某一晶

9、面（hkl）时，则hu+kv+lw=0；当某一晶向与某一晶面垂直时，则u=h、v=k、w=l。晶面及晶向的原子密度晶面原子密度=该面积上实际包含的原子数/晶面面积晶向原子密度=该长度上实际包含的原子数/晶向长度体心立方晶体中110 、111面心立方晶体111、 110密排六方晶体 底面 底面对角线4.4 晶体的各向异性由于晶体中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子间距离不同，导致原子结合力不同，从而引起性能不同的现象XYZXYZ作业：1、解释下列名词：晶体， 晶胞，致密度，配位数，晶体的各向异性，晶面指数，晶向指数2、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？ -Fe、

10、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各属何种晶体？3、在立方晶体中，一平面通过Y=0.5、Z=3并平行于X轴，它的晶面指数是多少？绘图表示。1、单晶体与多晶体几个名词：晶粒：在实际使用的金属材料中，晶体是由许多细小的颗粒组成，这些细小的颗粒，叫做晶粒。 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体），由一个晶粒所组成。如单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。第二节实际金属中的晶体缺陷2. 实际金属晶体的缺陷晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界实际晶体中原子排列不规律的地方统称为“晶体缺陷2、晶

11、体的缺陷：2.1 点缺陷：其特征是在三个方向上的尺寸都很小，常见的有“空位”、“间隙原子”。 空位：当晶格中的某些原子由于某种原因，脱离原来的平衡位置，则在原处出现了一个空结点，叫做空位。空位 间隙原子 间隙原子：处于晶格间隙中的原子，叫做间隙原子。由于空位和间隙原子的存在，会使其周围的晶格发生畸变。 2.2 线缺陷: 位错：在晶格中，发生一列或几列原子有规律的错排的现象。 类型：刃型位错；螺型位错。 刃型位错：使晶体的右上部分相对右下部分发生了局部的滑移，结果在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，犹如用一把锋利的尖刀将晶体的上半部分切开，沿切口硬插入额外的半层原子面，将刃口处的原子列EF

12、称为刃型位错。在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿滑移面自左向右移动一个原子间距，由于此时左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界。在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线就相当于额外半原子面的边缘。 螺型位错： 在立方晶体的右端施加一切应力，使右端的上下两部分沿滑移面ABCD发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了已滑移区与未滑移区的边界BC，BC就是螺型位错。A从滑移面上下相邻两层晶面上原子排列的情况可以看出，在aa的右侧晶体的上下两个部分相对错动了一个原子间距，但在aa和BC之间，则发现上下两层相邻原子发生错排和不对齐的现象，这一地带称

13、为过渡地带。此过渡地带的原子被扭曲成了螺旋形状。如果从a开始，按顺时针方向依次连接过渡地带的各原子，每旋转一周，原子面就沿滑移方向前进一个原子间距，就如一个右旋螺纹一样。螺位错 2.3 面缺陷： 晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界实际上是不同位向晶粒之间原子排列无规律的过渡层。 亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。亚晶界 以上我们讨论的是晶体缺陷，凡是晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能显著变化。例如：由于晶界上存在着

14、晶格畸变，因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度，显然，晶粒越细，金属材料的强度、硬度就越高。 晶体缺陷对金属性能的影响 第三节 合金的晶体结构3.1 概念1.合金 一种金属元素与另外一种或几种金属或非金属元素相互溶合而形成的具有金属特性的物质。2.组元： 组成合金的最基本的、能够独立存在的物质叫做组元。它是组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（Fe3C）。 由两个组元组成的合金，称为二元合金。3.二元合金合金举例：碳钢（carbon steel）：是铁与碳所组成的合金。 白铜：主要是铜与镍所组成

15、的合金。黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。 合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等。 在金属或合金中，凡是具有相同成分，相同晶体结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。相固态合金相的种类及特点在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相）。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 (1 )固溶体的分类： 按溶质原子在溶剂晶格中的所占的位置，可将固溶体分为两大类：置换固溶体和间隙固溶体。溶剂能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格

16、相同的组元称为溶剂。溶质失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。+1、固溶体： 在固态下，溶质原子可以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中去，这样所形成的新相，称之为固溶体。固溶体一种固相置换固溶体: 溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体。如书P34图3-1a）所示；根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。 溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。否则为无序固溶体。铜和金形成的置换固溶体间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之比应小于059方可。溶质原子不是占据溶剂晶格的结点

17、位置而是进入溶剂晶格的间隙时，所形成的固溶体。过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C 、N、H、B等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。溶质原子在间隙固溶体中的分布是随机的，间隙固溶体都是无序固镕体。-19碳在 Fe中的间隙固溶体（2）固溶体中的溶解度C及其影响因素： C=溶质元素的重量（原子数）/固溶体的总重量（总原子数）100%。 当C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。 当C没有一定限度时，（即溶质元素与溶剂元素之间可以形成任何比例的固溶体,固溶度达100 ），这种固溶体叫做无限固

18、溶体。只有当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体时，只能是有限固溶体。晶体结构： 溶质与溶剂晶体结构相同的元素之间具有较大的溶解度，可形成无限固溶体或有限固溶体。晶体结构不同的元素之间的溶解度较小，形成有限固溶体。（例如，具有fcc晶格的Mn、Cu、Ni等在fcc的-Fe中的溶解度较大，而在具有bcc的-Fe中的溶解度较小。）影响固溶体溶解度的因素：原子大小因素：当溶质与溶剂的原子直径差别（d=d溶剂-d溶质） 小时，易形成置换固溶体，而且差别越小，C越大，当差别小到一定程度时，C。当d14%-15%时，可形成无限固溶体。例如，以铁为基的固溶体此差别

19、8%时，C。反之，当差别大时，易形成间隙固溶体。间隙原子造成的晶格畸变比置换原子造成的晶格畸变大得多，所以其溶解度一般不会很大。电负性：得电子成为负离子的能力 负电性相差越大，他们的化学亲和力就越大，就越容易形成化合物，而不易形成固溶体，即使形成固溶体，溶解度也很小。二组元电负性差别小，易形成固溶体且溶解度大，即两组元在周期表中位置接近。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶体的强度硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相 通过向溶剂中溶入溶质元素形成固溶体，而使固溶体合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。(3)固溶强化：固溶体与纯金属相比电阻率矫顽力逐渐

20、升高，导电率下降等。固溶强化的原因 ？ 由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。-252、金属化合物： 它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。新相的晶格结构与合金的各组元的晶格结构都不相同。一般可用分子式来大致表示其组成。 在化合物中具有相当程度的金属键及一定的金属性质，所以又称为金属化合物。如：碳钢中 的Fe3C；金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐 磨性，但会降低塑性和韧性。可以作为功能材料使用，难以作为结

21、构材料使用。2.1、分类：(1 )正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，有严格的化合比，成分固定不变，并可用化学式来表示。例如：Mg2Si、MnS等，正常价化合物具有较高的硬度和脆性。CaF2型的晶格形式和ZnS型晶格形式-28(2)电子化合物： 不遵守原子价规律但符合电子浓度（组元贡献的价电子数与合金相原子数目之比值）规律的化合物。电子浓度(即电子数原于数)为32的电子化合物，皆具有体心立方晶格称之为相。如CuZn、 Cu5Sn、 FeAl、 NiAl等。电子浓度为2113的电子化合物皆具有复杂立方晶格，称为相如Cu5Zn8、Cu31Sn8等。电子浓度为74的电子化合物，皆具有密排六方晶

22、格，称作相。如CuZn3 、Cu8Sn等电子化合物主要以金属键结合，有明显的金属特性，它的熔点、硬度很高，但塑性较低，在许多有色金属中为重要的强化相。(3)间隙化合物(interstitial compounds)是由过渡族金属(Fe、Cr、Mn 、 Mo、W、V等)同原子直径较小的非金属元素(C、N、H、B等)形成的化合物。在不同于组成元素的新晶格中，尺寸较大的过渡族元素占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属原子则有规则的嵌入晶格的间隙中。间隙化合物种类间隙相复杂结构的间隙化合物-30间隙相： 当r非/r金属0.59时，形成的间隙化合物具有比较简单的晶格结构，称为间隙相。例如：VC具有fcc结

23、构。 间隙相具有十分突出的金属特性，有金属光泽和良好的导电性，熔点和硬度极高，间隙化合物的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性及耐磨性。是高速钢和硬质合金中的重要组成相，也是合金工具钢和高温金属陶瓷中的重要组成相。如TiC、WC 、 TiN、VC、NbC 、Mo2N、Fe4N等 间隙化合物： 当r非/r金属0.59时，所形成的化合物具有较复杂的晶体结构，称为间隙化合物。例如： Fe3C，具有正交晶格。 间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但与间隙相相比，它们的熔点和硬度要低一些，而且在加热时，容易分解。VC晶体结构Fe3C晶体结构(3)弥散强化定义：工程中的合金常常以固溶体为主，辅以金

24、属化合物弥散分布，来提高合金整体的强度、硬度和耐磨性，这种强化方式成为弥散强化或第二相质点强化材料组成、结构与性能之关系 现代材料科学的核心第四节 金属材料的组织奥氏体组织 奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。如图所示。 图中出现的灰白不同的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。 (a) T8 钢的奥氏体晶粒(暗场像) (b) 1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织马氏体的新定义： 马氏体是原子经无需扩散的集体协同位移的晶格改组过程，得到的具有严格晶体学关系和惯习面的，形成相中伴生极高密度位错、或层错或精细孪晶等晶体缺陷的整合组织。超低碳钢(0.08%C)

25、马氏体形貌10m低碳板条状马氏体 .0.03C-2Mn 0MnVTiNb钢淬火马氏体组织 板条状马氏体组织特征示意图4.4.2 低碳钢（0.08-0.3C）淬火马氏体 SEM 20CrMo钢板条状马氏体组织 2Cr13钢淬火马氏体组织 TEM 2Cr13钢马氏体板条内的缠结位错和层错TEM 20Cr2Ni4钢板条状马氏体组织（a）和板条内的高密度位错和层错（b） 低碳钢立方马氏体（0.21.9%C) 正方马氏体 1.含碳量0.2%时，晶体结构都是体心正方的。2.中碳钢马氏体亚结构主要是高密度位错 ,有时含孪晶.碳含量提高，孪晶数量增加。3.高碳钢马氏体内的孪晶是相变孪晶，大量的精细而规则的孪晶

26、。4.随着碳含量的提高，从低碳钢的板条状马氏体变为中碳钢的条片状马氏体，高碳钢的片状，凸透镜状马氏体。TEM，35CrMo钢板条状马氏体 35CrMo钢板条状马氏体内的缠结位错 35CrMo钢马氏体板条内的缠结位错和层错 TEM 45钢条片状马氏体TEM 45钢马氏体位错亚结构4.4.4 高碳马氏体形貌T10钢高温淬火片状马氏体组织60Si2CrV钢的马氏体组织 GC15钢的隐晶马氏体组织 CrWMn钢马氏体片内的孪晶和位错马氏体片撞击裂纹(CrWMn)马氏体（黑色) (1200加热，Ms稍下等温淬火）典型蝶状马氏体马氏体形貌 (1200加热，Ms稍下等温淬火）TEM .T10钢的隐晶马氏体形

27、貌高速钢的隐晶马氏体， 钢中马氏体的层错亚结构TEM W6Mo5Cr4V2钢隐晶马氏体中的层错亚结构TEM W6Mo5Cr4V2钢隐晶马氏体中的层错亚结构（左上角是Cu-Al合金马氏体的层错亚结构） 4.4.5 超高碳马氏体球墨铸铁的淬火马氏体组织 贝氏体的新定义： 钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中温区过渡性转变产物，以贝氏体铁素体为基体，同时可能存在渗碳体或碳化物、残留奥氏体等相，贝氏体铁素体的形貌多呈条片状，内部存在亚片条、亚单元、较高密度位错等精细亚结构。这种整合组织称为贝氏体。上贝氏体组织示意图a. c，无碳贝氏体b. 粒状贝氏体d. 羽毛状上贝氏体1）超低碳贝氏体组织超低碳贝氏体钢的贝氏

28、体组织，OM超低碳贝氏体组织与板条状马氏体相似，从形貌上难以区分，需要TEM鉴别。2）无碳（化物）贝氏体当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残留奥氏体而不存在碳化物时，这种贝氏体就是无碳化物贝氏体，或称无碳贝氏体。这种贝氏体通常在低碳低合金钢中出现。无碳贝氏体中的铁素体板条平行排列，其尺寸及间距较宽，板条间是富碳奥氏体，或其冷却过程的产物。往往在如下情况时出现： 1.由于Si、Al不溶于渗碳体中，故延迟渗碳体的形成，因此，在硅钢和铝钢的上贝氏体中，常常在室温时还保留残余奥氏体，而不析出渗碳体，形成无碳贝氏体。 2. 在低碳合金钢中，形成贝氏体铁素体后，渗碳体尚未析出，贝氏体铁素体间仍为奥氏体，碳

29、充分向奥氏体中扩散，使奥氏体趋于稳定而保留下来，形成无碳化物贝氏体。粒状贝氏体羽毛状上贝氏体羽毛状上贝氏体是由板条状铁素体和条间分布不连续碳化物所组成。 贝氏体铁素体条间的碳化物是片状形态的细小的渗碳体，组织形貌呈现羽毛状。 经典上贝氏体，OM高碳钢的羽毛状贝氏体组织，OM SEM GCr15钢的羽毛状贝氏体组织 近年来发现的羽毛状贝氏体.下贝氏体 下贝氏体在贝氏体C曲线鼻温以下温度区间形成。下贝氏体有经典下贝氏体、柱状贝氏体、准贝氏体等。60Si2CrV钢下贝氏体组织（a）OM和（b）SEM.23MnNiCrMo钢下贝氏体 SEM GCr15钢下贝氏体组织柱状贝氏体珠光体的新定义：钢中的珠光

30、体是共析铁素体和共析碳化物的整合组织。 不是“机械混合物”。强调铁素体和碳化物的来源是共析分解的，所谓整合是指两相整体上以界面相结合，在界面处原子呈键合状态，两相以一定的位向关系相配合。 图31片状珠光体组织形貌依片间距不同，分珠光体、索氏体、托氏体三种。在光学显微镜下能够明显分辨出片层的珠光体，其片间距约为150450nm；片间距为80150nm的称索氏体，其片层在光学显微镜下难以分辨；片间距为3080nm的珠光体，称托氏体，只有在电镜下才能观察到片层结构。 粒状珠光体形貌图3-2 GrC15钢粒状珠光体组织 图33. 4Cr5MoV1Si钢球状退火组织, 类珠光体形貌图3-4 X45CrN

31、iMo4钢的类珠光体组织 图35 TEM, H13钢的珠光体组织短棒状；（b）树林状；（c）丛针状片状珠光体、类珠光体和粒状珠光体的组织形貌。 a.片状 珠光体 b.类珠光体 c.粒状珠光体 各类珠光体组织 的电镜照片 珠光体形貌的TEM照片图3-6 SEM 亚共析钢的铁素体珠光体组织 图3-7 过共析钢的渗碳体珠光体组织 图38 Cu-11.8%Al800固溶处理后炉冷的共析组织 5.1 金属材料的工艺性能1.铸造性能 定义：金属材料铸造成形获得优良铸件的能力 用流动性、收缩性和偏析倾向来衡量。 2.锻造性能 定义：金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。 主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。

32、 3.焊接性能 定义：金属材料对焊接加工的适应性。 4、切削加工性能 一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。 5、热处理性能 定义：金属材料适应各种热处理工艺的性能。 衡量： 热导率、淬硬性、淬透性、淬火变形、开裂趋势、表面氧化及脱碳趋势、过热过烧的敏感趋势、晶粒长大趋势、回火脆性等。 第五节 金属材料的性能特点5.2.1 金属材料的力学性能5.2 金属材料的使用性能1. 了解力学性能的种类、概念及指标。2. 了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。3. 了解各种硬度实验测试方法和应用范围。4. 了解冲击实验方法和所测指标的意义。一、金属材料的机械性能 是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。

33、机械性能外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 单位: MPa(MN/mm2) 分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。静载单向静拉伸应力应变曲线介绍拉伸实验：弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段试样断裂5静载单向静拉伸应力应变曲线介绍拉伸实验：ob弹性变形阶段bcd屈服阶段db强化阶段Bk缩颈阶段k试样断裂1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元3 6根据拉伸实验确定一些强度指标 弹性极限e（elastic limit） 材料拉伸时保持弹性变

34、形，不发生永久变形的最大应力。 弹性极限：e=Fe/Ao =E 刚度 表示材料弹性变形抗力的大小。 弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。E=/ 杨氏弹性模量,应力应变的比值。单位 MPa 屈服极限s（屈服强度或屈服点） 金属材料开始发生微量塑性变形的抗力。s=Fs/Ao 条件屈服强度 产生0. 2%残余塑性变形的抗力的极限应力值。 用于无屈服点的中高碳钢。脆性材料：b=s 灰口铸铁 抗拉强度b （强度极限）是试样被拉断前的最大承载能力， b=Fb/Ao（MPa）（MPa）材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值 屈强比 s与b的比值。 屈强比

35、愈小，工程构件的可靠性愈高， 屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。延伸率拉伸试样断裂后，标距长度的伸长量占原来标距长度的百分数，成为材料在拉伸时的断后伸长率，用 表示。3. 硬度 布氏硬度材料抵抗另一更硬物体压入其内的能力。 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念， 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 布氏硬度值HB是以试样单位压痕球形面积上所承担的载荷数表示。即单位面积所承受的压力 。 布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢

36、球，以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HB表。 布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。 标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120 在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。简单标注：200230HB或300330HBS 布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料， 洛氏硬度（HR） 基本原理洛氏硬度属压入法用一个顶角为120的金钢石圆锥为压印头，先将98N初载使压印头与试样的表面接触良好，此时将硬度仪刻度盘上的指针对准零点，然后加上1373N主载荷，金刚石圆锥压入试样表面一定时间后，卸去主载，材料回弹少许，此时压痕的深度作为测量硬度的依据，通过换算，此时的硬度可由刻度盘上直接读出。 布氏硬度实验硬度符号压头总载荷（kgf）表盘上刻度颜