《机械工程材料》全套教学课件

《机械工程材料》第1章金属材料的性能第2章晶体结构与结晶第3章2元合金及相图第4章铁碳哈金第5章金属的塑形变形与再结晶第6章钢的热处理第7章常用金属材料第8章

铸铁第9章

有色金属及其合金第10章

非金属材料第11章

材料的选用及其工艺路线分析第1章金属材料的性能1.1金属材料的力学性能1.2金属材料的其他性能简介1.1金属材料的力学性能

金属的力学性能是指材料在承受外力时所表现出来的一系列力学性能指标，或者说是金属材料抵抗各种外加载荷的能力，能够反映出金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。

金属的力学性能包括：弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧性、疲劳强度。1.1.1弹性和刚度

弹性变形的大小与材料所承受的外力成正比；材料抵抗变形的能力称为材料的刚度。材料的弹性和刚度可以通过拉伸实验得到。

变形量△L=L1-L0，以拉力F为横轴，变形量△L为纵轴，绘制如1-2图所示的拉力-形变（F-△L）曲线。1.弹性变形部分当应力低于σe时，应力与试样的应变成正比，应力去除，变形消失，即试样处于弹性变形阶段。σe为材料的弹性极限，它表示材料保持完全弹性变形的最大应力。在弹性变形范围内，材料的应力σ与其所产生的应变ε成正比，且其比值E=σ/ε称为材料的弹性模量，单位为MPa。弹性模量能够表示抵抗弹性变形的能力，表示的是材料的刚度。金属材料的弹性模量是一个对组1.1金属材料的力学性能2.塑性变形部分当应力超过σs后，应力与应变之间的不再遵循直线关系，出现屈服平台或屈服齿（图1-2中B-C段）。此时如果卸去载荷，试样只能恢复部分变形，而部分残余变形无法恢复，这部分残余变形即为试样的塑性变形，至此钢的变形进入弹塑性变形阶段。σs称为材料的屈服强度（或称为屈服点）。当应力超过σs后，试样发生明显且均匀的塑性变形，此时若要使试样的应变增大，那么必须增加应力值。此时试样塑性变形持续增大，塑性变形抗力也不断增加，这种现象称为加工硬化（或称为形变强化）。当应力达到σb时，试样的均匀变形阶段结束，最大应力σb称为材料的强度极限（或称为抗拉强度），它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。织不敏感的力学性能指标，即合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，可以近似地认为材料的弹性模量为一个常数。但是在实际工程应用中，材料的弹性模量并不等于零件的刚度，因为零件的刚度受其结构的影响。1.1金属材料的力学性能3.无规则变形至断裂部分在应力达到σb之后，试样的塑性变形产生不均匀的现象，并且继而发生缩颈现象，此时应力急剧下降，直至应力达到σE时试样断裂。σE为材料的条件断裂强度，它表示材料对塑性的极限抗力。1.1.2强度

如果金属材料受到载荷没有产生变形，那么一定在其内部产生了足以抵消外力的内力。研究中将单位面积上的内力称为内应力。金属所能承受的内应力的大小表征了金属材料强度的大小。1.屈服点和屈服强度

屈服点指材料产生屈服现象的最低应力值，用σs表示。2.抗拉强度

抗拉强度指金属材料在断裂前所能承受的最大拉应力。1.1金属材料的力学性能1.1.3塑性

塑性指材料受到外力而被破坏前所能承受的最大塑性变形的能力。表征塑性的参数有伸长率和断面收缩率。1.伸长率

伸长率即试样被拉断后，其断面标距部分的增长量与试样初始长度的比值，用δ表示。式中，l0为材料原始标距；l1为材料断后标距。2.断面收缩率

断面收缩率即试样被拉断后，其横截面积最大缩减量与原始横截面积的比值，用ψ表示。式中，F0为材料原始截面积；F1为材料断后截面积。1.1金属材料的力学性能1.1.4硬度

硬度指材料抵抗硬物体压入其表面的能力。硬度是金属材料的重要性能指标之一，一般硬度越高，耐磨性越好。

常用的表示硬度的方法有三种：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。1.布氏硬度

布氏硬度用HBW表示，测量原理如图1-3所示。

直径为D的硬质合金球在载荷F的作用下被压入试样表面，保持一段时间后将载荷F卸载，此时在试样表面便会出现直径为d的压痕，布氏硬度的数值大小便为F与压痕表面积的比值。式中，F为载荷（N）；D为钢球直径（mm）；d为压痕直径（mm）；布氏硬度的单位为MPa，1.1金属材料的力学性能2.洛氏硬度

洛氏硬度用HR（HRA、HRB、HRC三种）表示,测量原理如图1-4所示。

洛氏硬度的实验原理为用规定的载荷将顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Sφ1.588㎜的淬火钢球压头压入到试样表面，与布氏硬度试验不同的是试验载荷由2部分组成，即初试验力和主试验力，之所以引入初试验力是为了消除由于试样表面粗糙度不佳而对试验结果的准确性造成的不良影响。

图1-4所示为洛氏硬度的试验原理图，当压头处在a-a位置时，其还没有和试样接触；当压头处在b-b位置时，在初试验力作用下压头压入试样表面深度为hb；当压头处在c-c位置时，在总试验力（初试力＋主试验力）作用下，压头压入试样表面深度hc；移除主试验力后，由于金属弹性变形得到恢复，压头处在d-d位置，此时压头实际压入深度为hd。由图中的几何关系可知，由主试验力所引起的塑性变形而使压头压入深度为h＝hd-hb，洛氏硬度便是通过此值来衡量的。

1.1金属材料的力学性能

式中，K为给定标尺的硬度数；S为给定标尺的单位，通常以0.002作为一个单位。

为了准确地表示材料的硬度，洛氏硬度有分为HRA、HRB、HRC三种，其试验条件和应用范围见表1-1。1.1金属材料的力学性能3.维氏硬度维氏硬度用HV表示。

图1-5所示为维氏硬度试验原理图。其与布氏硬度试验原理相同，不同的是其压头是一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，所施加的载荷为5～120kgf（约为49~1177N）。试验时，用规定的载荷P将压头压入试样表面并保持一段时间后移除载荷，然后测量出压痕投影2对对角线的平均值d，进而求出压痕的表面积，压痕表面上的压力便是维氏硬度值。1.1金属材料的力学性能

维氏硬度所得到的试验数值比布氏硬度和洛氏硬度更加精确，因其压头压入试样表面浅，所以尤其适用于测定表面处理过的零件的表面层的硬度。通过改变载荷的大小可以测量范围更广（从极软到极硬）的材料的硬度，缺点是测量过程比较繁琐，且对试样表面的要求较高。1.1.5冲击韧性

冲击韧性指材料抵抗冲击载荷的能力。可通过一次摆锤冲击试验和多次摆锤冲击试验测量材料的冲击韧性。1.1金属材料的力学性能多次摆锤冲击试验

Ak与断裂处的原始面积A0的比值即为冲击韧性

Ak值的大小受材料组织缺陷的影响很大，也就是说Ak值的大小能够反映出材料的品质、宏观缺陷、微观组织等方面的变化。

三条曲线有3个交点A、B、C，且它们的多冲击抗力曲线位置不同，分析曲线，在低冲击能量下（图中交点A右方），强度高而塑性差的T8钢多冲抗力最高，说明此时强度对多冲抗力的影响较大，起主导作用；当冲击能量较高时（图中交点C的左方），此时塑性高而强度低的25钢的多冲抗力最高，说明此时塑性对多冲抗力的影响较大，起主导作用。1.1金属材料的力学性能1.1.6断裂韧性

断裂韧性指材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。

当材料中存在裂纹或类似于裂纹的缺陷时，在它们的尖端就会产生裂纹尖端应力场，根据断裂力学的理论，应力场强度因子KI（单位为MPa×m1/2）表述了应力场的大小。KI的大小和裂纹尺寸（2d）和外应力场σ有关，并且有如下关系：式中，Y为由裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸决定的无量纲系数；σ为外加应力场（MPa）；a为裂纹长度的1/2（mm）。1.1金属材料的力学性能1.1.7疲劳强度

疲劳强度指材料在无限多次交变载荷作用下而不会产生破坏的最大应力。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。疲劳曲线如图1-10所示。材料在规定次数（钢铁材料为107次，有色金属及其合金为108次）交变载荷的作用下，不引起断裂的最大应力称为疲劳强度。1.1金属材料的力学性能1631.2金属材料的其他性能简介

金属材料的其他性能包括物理性能、化学性能和工艺性能等。1.2.1物理性能

金属材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等几个方面。密度

密度是指单位体积的金属的质量，单位是kg/m3。密度小于45g/cm3的称为轻金属，如铝，钛；密度大于45g/cm3的则称为重金属。熔点

金属由固态转变为液态时的温度称为熔点。熔点越高，材料在高温状态下力学性能越好。在高温状态下工作的结构件在选材时就要选择熔点高的金属。热膨胀性

热膨胀性是指金属材料在受热后体积增大、受冷时体积减小的现象。通常用线性膨胀系数来表示材料的热膨胀性。线性膨胀系数是指温度升高1°C时单位长度材料的膨胀量。在工程应用中有时必须考虑材料的热膨胀性，如精密设备、精密量具、铁轨、桥梁、超精密零部件加工工具等，此时应选用膨胀系数低的材料。导热性

通常用导热率来表示金属材料的导热性。导热性定义为物体上下表面温度相差1℃时，单位时间内通过导体横截面的热量，单位为W/（m·K）。纯金属的导热性好，其中银（约418.6）最好，铜（约393.5）、铝（约211.9）次之，钨（约166.2）、镁（约153.7）等再次之。合金的导热性比纯金属差。导热性好的金属散热性也较好，可以用来做散热零部件。1.2金属材料的其他性能简介导电性

物体传导电流的能力称为导电性。各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和金。在工业应用中，通常用铜和铝作为导电材料。导电性差的材料电阻率高，可以做成电阻加热丝、短路保护器等，如铁铬合金、镍铬铝等。磁性

金属的导磁能力称为磁性。金属材料可以分为抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料，导磁能力依次增强，铁磁性材料常用来做变压器、电机线圈铁芯等零件。1.2.2化学性能

金属材料的化学性能是指材料对外界接触的耐受性，主要包括耐腐蚀性和高温抗氧化性。1.2金属材料的其他性能简介耐腐蚀性

金属材料的耐腐蚀性指的是在常温下其抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力。材料的耐腐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）Ka（mm/年）来表征。

在高温下金属材料易与氧结合形成氧化皮，造成了金属的损耗和浪费，所以对于工作环境温度较高的零件，要求其材料具有高温抗氧化的能力。想要提高材料的高温抗氧化性，可以通过使材料迅速氧化的方法。材料迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化。高温抗氧化性1.2.3工艺性能

工艺性能主要包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。1.2金属材料的其他性能简介铸造性能

评价材料铸造性能的参数为流动性、收缩性，流动性和收缩性越好，材料的铸造性能就越好。不同材料铸造性能不同。常用材料中，铸造铝合金、铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，铸铁优于铸钢。铸铁中，灰铸铁的铸造性能最好。锻压性能

评价材料锻压性能的参数为塑性和变形抗力等。塑性好易成型，不易产生裂纹，加工所得到的型面质量好；变形抗力小，变形功小，金属易于充满模膛，不易产生缺陷。常用材料中，碳钢比合金钢锻压性能好，低碳钢的锻压性能优于高碳钢。

焊接性能

评价材料焊接性能的好与坏的参数为碳当量。当碳当量小于0.4%时，焊接工艺简便，焊缝质量好，且焊接时不易产生裂纹和气孔等缺陷。常见材料中，低碳钢和低合金高强度结构钢焊接性能良好，碳与合金元素含量越高，焊接性能越差。1.2金属材料的其他性能简介切削加工性能

评价材料切削加工性能的参数为最高切削速度、切削力大小、加工面Ra值大小、断屑难易程度和刀具磨损等。一般来说，材料硬度值在HBS170~230范围内，切削加工性好。热处理性能

评价材料热处理性能常用淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、耐回火性和氧化脱碳倾向等参数。一般来说，碳钢的淬透性差，强度较低，加热时易过热，淬火时候易变形开裂，而合金钢的淬透性优于碳钢。1.2金属材料的其他性能简介第2章晶体结构与结晶2.1金属键与金属特性2.2金属的晶体结构2.3金属的结晶2.1金属键与金属特性2.1.1金属键

图2-1所示为金属内部原子的排列与结合示意图，即金属键模型。金属键的特点为：1.最外层电子数很少，一般不超过4个，通常情况下只有1～2个；2.因为最外层的电子和原子核的结合能力比较弱，所以它们很容易脱离原子核的约束而成为自由电子（带负电），与此相应金属原子由于失去最外层的电子而带正电。2.1金属键与金属特性2.1.2金属特性

金属特性包括：较好的塑性、明显的金属光泽、较好的导热性、较好的导电性、正的电阻温度系数。

较好的塑性：在金属内部，因失去最外层电子而带正电的离子的四周充满了带负电的自由电子，由于正离子与负离子相互吸引并结合，这就促使了金属内部离子受力方面具有各向同性的特点，所以当金属中出现各层原子发生相对位移的现象时，仍然可以依靠这种结合力使金属不至于发生较大的变形甚至断裂。

金属光泽：当金属电子受到可见光的作用（研究表面，金属电子很容易收到可见光的激发）而呈现活跃状态时，便会越级跳到较高的能量级上，当其挣脱原子核的束缚而重新回到低能级时，其便会将在高能级所吸收的可见光以电磁波的形式释放出来，从而在宏观上使金属呈现出光泽。2.1金属键与金属特性

较好的导热性：在金属内部的原子结构中，带正电荷的离子容易产生振动，而带负电荷的自由电子通常较活跃，在原子内部自由运动，两者在运动时将金属内部的热能传递开来，故金属具有较好的导热性。

较好的导电性：与导热原理相同，自由电子在运动时形成电流，故金属具有较好的导电性。

正的电阻温度系数：随着金属温度的升高，其内部带电正离子的振动的振幅增大，从而造成了带负电的自由电子在运动时所承受的阻力增大，由此带来的结果是电阻增高，所以金属具有正的电阻温度系数。2.2金属的晶体结构2.2.1晶体的基本概念1.晶体和非晶体

自然界中的固体物质按照原子排列分布情况分为晶体与非晶体两大类，且大多数物质都是晶体，如金属、金属合金和绝大部分的矿物质，它们的原子排列规则具有一定的规律可循；另外少数固体物质是非晶体，如松香、玻璃等，它们的原子排列不规则，没有明显的规律性。2.晶格和晶胞

晶格：晶格是用假象的直线将这些结点连接在一起所形成的三维空间框架。

晶胞：观上的晶体是无限大的，比较难以对其进行研究，为了克服这个问题，常从晶体中选择一个很小的几何单元进行研究，这个单元是能够代表晶体原子排列规律的最小几何体，这个最小几何体便是晶胞晶格和晶胞示意图分别如图2-2（b）和（c）所示。2.2金属的晶体结构2.2.2常见金属晶格

常见金属晶格分为体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，约有90%以上金属晶格都属于这三种。1.体心立方晶格

原子排列模型、晶胞图、晶胞原子图分别如图2-3（a）、（b）、（c）所示。2.2金属的晶体结构特性：

体心立方晶格具有以下特性：（1）晶格常数：a=b=c，通常只用a表示。（2）各棱夹角：α=β=γ=90°。（3）晶胞原子数：立方体中心的1个原子属于该晶胞所专有，角点上个8个晶胞中的每个都与其相邻7个晶胞所共有，晶胞原子总数为

（4）原子半径：体心立方晶胞中立方体对角线为其中原子相距最近的方向，对角线长度为a，在该方向上有2个原子，即4个原子半径，因此原子半径为

常见的属于体心立方晶胞的金属有α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb等，通常用bcc表示体心立方晶格。2.2金属的晶体结构2.2金属的晶体结构2.面心立方晶格

原子排列模型、晶胞图、晶胞原子图分别如图2-4（a）、（b）、（c）所示。2.2金属的晶体结构特性：

（1）晶格常数：a=b=c，通常只用a表示。（2）各棱夹角：α=β=γ=90°。（3）晶胞原子数：立方体面心的一个原子为与其相邻的另外1个晶胞所共有，角点上的8个晶胞中的每个都与其相邻7个晶胞所共有，晶胞原子总数为

（4）原子半径：[面]面心立方晶胞中立方体6个面中的对角线为其中原子相距最近的方向，对角线长度为a，在该方向上有2个原子，即4个原子半径，因此原子半径为

常见的属于面立方晶胞的金属有Au、Ag、Cu、Al、Ni、Pb、γ-F、β-Co等，通常用fcc表示面心立方晶格。2.2金属的晶体结构3.密排立方晶格

原子排列模型、晶胞图、晶胞原子图分别如图2-5（a）、（b）、（c）所示。2.2金属的晶体结构特性：

（1）晶格常数：a和c，且c/a的值通常在1.58～1.89之间，并且当c/a=1.633时，各个原子排列最为紧密，此时的晶胞为最理想的密排立方晶胞。（2）各棱夹角：两相邻侧棱之间的夹角为120°，底面与侧面间的夹角为90°。（3）晶胞原子数：正六棱柱的各个角点上的原子为和与该晶胞相邻的其余5个晶胞所共有，上下两面的中心的2个原子分别为和其相邻的另外1个晶胞所共有，上下两面中间的3个原子为该晶胞所专有，晶胞原子总数为

（4）原子半径：[面]面心立方晶胞中立方体6个面中的对角线为其中原子相距最近的方向，对角线长度为a，在该方向上有2个原子，即4个原子半径，因此原子半径为

常见的属于密排立方晶胞[密排立方晶胞]的金属有Mg、Zn、Be、Cd等，通常用hcp表示密排立方晶格。2.2金属的晶体结构2.2.3晶体中原子排列的紧密程度

用配位数和致密度两个参数来表征晶体中原子排列的紧密程度。1.配位数

配位数指晶格中与任意一个原子相邻且距离相等的原子数目。2.2金属的晶体结构

（1）体心立方晶格的配位数。在2-6（a）图所示的体心立方晶格中，如果以立方体中心原子为参照原子来分析的话，观察晶体结构可知，立方体8个角点上的原子与该中心原子距离相等，所以体心立方晶格的配位数为8。（2）面心立方晶格的配位数。在图2-6（b）所示的面心立方晶格中，如果以立方体中任意一面的中心原子为参照原子的分析来话，观察晶体结构可知，与其相邻且距离相等的原子有两部分，第一部分是原子所处平面的4个角点的上的原子，第二部分是与该平面垂直的2个平面上的各4个原子，共有12个，所以面心立方晶格的配位数为12。（3）密排立方晶格的配位数。在图2-6（c）所示的面心立方晶格中，如果以上面（或下面）的六方面中心的原子为参照原子分析的话，观察晶体结构可知，与其相邻且距离相等的原子也分为两部分，第一部分是该立方平面的6个角点的原子，第二部分是该面上方和下方的位于密排立方晶体结构中心的各3个原子，共12个，所以密排立方晶体的配位数也是12。2.2金属的晶体结构2.致密度

致密度指金属晶胞中原子所占有的总体积与该晶胞体积之比。致密度的计算公式为对于体心立方晶体对于面心立方晶体对于密排立方晶体2.2金属的晶体结构

（1）体心立方晶体的致密度<面心立方晶体的致密度=密排立方晶体的致密度。（2）在金属晶体内部，除去原子所占空间，其余部分为原子之间的空隙，不同类型的晶体结构空隙的大小不一样，体心立方晶体为32%，面心立方晶体和密排立方晶体为26%。由于致密度的计算较为复杂和繁琐，所以在研究和应用中，经常用配位数来表示晶体中原子排列的紧密程度。2.2.4晶面及晶向

晶面：晶体中各种方位上的原子面。

晶向：晶体中各个方向上的原子列。1.晶面指数

三种晶体结构的晶面指数示意图如图2-8所示。2.2金属的晶体结构2.晶向指数3.晶面及晶向的原子密度

晶面的原子密度：单位面积中的原子数。晶向的原子密度：单位长度上的原子数。2.2金属的晶体结构

体心立方晶格中主要晶面和晶向的原子密度见表2-1。2.2金属的晶体结构2.2.5金属的实际晶体结构1.多晶体结构

多晶体：由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的物质。

工业生产用的金属材料制成的试样的微观结构和内部结构分别如图2-10（a）和（b）所示。2.2金属的晶体结构2.晶体缺陷

晶体缺陷按延展程度可分成点缺陷、线缺陷和面缺陷。

典型的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子，如图2-11所示。点缺陷空位：即在晶体的晶格中某个结点上没有原子。间隙原子：即位于晶格间隙的原子。置换原子：即占据在原基体原子平衡位置的异类原子。2.2金属的晶体结构线缺陷

线缺陷：晶体中产生位错。常见的位错有刃型位错和螺旋型位错两种，位错和刃型位错示意图分别如图2-12和2-13所示。2.2金属的晶体结构面缺陷

面缺陷：在三维空间内两个方向上的缺陷尺寸很大，另外一个方向上尺寸很小的缺陷。金属晶体的面缺陷包括晶界、亚晶界和相界等。

典型的晶界和亚晶界示意图如图12-15和12-16所示。

晶界：不同位向晶粒之间的过渡区。

亚晶界：一系列的刃型位错组成的结构。

相界：由结构不同或虽然结构相同但是点阵参数不同的两块晶体相互交接而形成的相的界面。2.2金属的结晶2.3.1结晶概念和结晶温度

结晶：金属由液态转变为固态的过程。

平衡结晶温度T0：能够使液态金属转变为晶体的速度和由晶体转变为液态金属的速度相等的温度。

过冷度△T：实际结晶温度Tn与平衡结晶温度T0之差称为过冷度△T=Tn-T02.3.2金属的冷却曲线

金属的结晶温度经常通过测绘冷却曲线的方法来确定，冷却曲线如图2-18所示。2.2金属的结晶2.3.3结晶的必要条件

结晶的必要条件：固态时的自由能FL小于液态时的自由能FS。2.3.4结晶过程金属的结晶过程示意图如图2-19所示。

金属结晶时晶核的形成有两种方式：从液态金属中自发形成晶核；外来的难溶物质形成非自发晶核。第3章二元合金及相图3.1合金及其种类3.2二元合金相图及杠杆定理3.3常见相图3.4其他二元合金相图3.5合金的性能与相图的关系3.1合金及其种类

组元：组成合金的最基本的独立物质。

组元：组成合金的最基本的独立物质。

合金根据其组元的多少来命名，例如，由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。合金中化学成分和晶体结构均相同，且有界面分开的均匀组成部分称为相。固态金属的相按其结构和特点可以分为固溶体和金属化合物两类。3.1.1固溶体

固溶体：一种元素的晶格中包含有其他元素的合金相，包含元素和被包含元素分别称为溶剂元素和溶质元素。1.固溶体的分类

按照溶质原子在固溶体中的位置，可以将固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两大类3.1合金及其种类

间隙固溶体：无论是前述章节中所讲述的三种常见晶格类型还是其他类型的晶格，在其原子间都存在有一定的间隙，如果晶格原子直径较大，那么原子间隙也较大，此时在这个间隙上便可能存在有其他尺寸较小的原子，基于此所形成的固溶体称为间隙固溶体，即溶质原子嵌入到溶剂原子晶格中所形成的固溶体。

置换固溶体：溶剂晶格中的部分原子被溶质原子代替所形成的固溶体。按溶解度的不同，置换固溶体可以分为两类，即有限置换固溶体和无限置换固溶体。

间隙固溶体和置换固溶体分别如图3-1和3-2所示。3.1合金及其种类影响固溶体溶解度的因素：

（1）原子大小。原子的大小对两种固溶体溶解度的影响不一样。对于间隙固溶体来说，D溶质/D溶剂≤0.59，并且比值越小溶解度就越大；对于置换固溶体来说，溶质原子与溶剂原子直径越接近溶解度越大。（2）晶格类型。如果溶质原子和溶剂原子的晶格类型相同，那么固溶体的溶解度增大。需要指出的是，晶格类型相同是形成无限置换固溶体的必要条件。（3）负电性。如果元素的负电性相近，那么溶解度增加；反之溶解度减小。3.固溶强化和固溶体的性质

固溶强化：因溶质元素的加入，导致固溶体的滑移变形较之前更难以进行，此时若要实现变形，需增大外力，也就是说固溶现象增大了合金的强度。

晶格畸变几率越大，变形程度也就越大，固溶强化作用也就越显著，在固溶强化时合金的塑性和韧性也都得到了提升。3.1合金及其种类固溶体的特点：

（1）固溶体的晶格类型与溶剂元素相同，但晶格常数发生了改变。（2）固溶体中溶质原子越多，固溶体的溶解度越大，晶格畸变越严重，因此固溶强化的效果也就越显著。（3）溶质原子溶于溶剂原子后固溶体的成分可能会有所改变，但其变化范围不大，也就是说溶入的原子数可多可少。3.1.2金属化合物

金属化合物：合金组元之间发生相互作用而形成的一种新的固相物质。

金属化合物可以分为以下几种：

（1）正常价化合物（2）电子价化合物（3）间隙化合物3.1合金及其种类金属化合物的特点：

金属化合物的晶格类型与原组成元素的晶格类型不同，它的晶格类型比较复杂，结构也比较复杂，滑移系、滑移方向和滑移面都比较少，强度、硬度和塑性都比较大，另外熔点和电阻也比较高，它们一般以硬质点的形式存在于合金材料中，起到了强化材料的作用，一般不能作为金属材料的机体，实际使用中可以根据不同的需要添加合适的物质来改变金属的性能。金属化合物对金属性能起着至关重要的作用，虽然它们的含量并不多。3.2二元合金相图及杠杆定理

二元合金相图：以温度为纵坐标、材料成分为横坐标绘制曲线。二元合金相图的建立过程：

（1）选择元素含量不同的合金；（2）利用热力分析法测出所选的几种合金的结晶开始温度和终了温度，将它们绘制在温度-时间坐标系中；（3）绘制温度-成分坐标系，其与温度-时间坐标系对齐；（4）通过温度-时间坐标系中的结晶开始温度点和终了温度点向右作水平线，每条水平线都与温度-成分坐标系中竖直成分线有2个交点；（5）将竖直成分线上意义相同的交点连接起来。结晶开始温度点连接而成的曲线称为液相线，结晶终了温度点连接而成的曲线称为固相线。3.2.1二元合金相图的建立3.2二元合金相图及杠杆定理3.2.2相图分析

相：在金属或合金中成分相同、结构相同并与其他部位有明显界限分开的均匀组成部分。

（1）L相：液相，由铜和镍组成的液体，在高温下才能存在。（2）α相：固相，由铜和镍互相溶解而组成的固溶体。（3）L+α相：固液共存相，既有固相的物质，又有液相的物质。（4）ALB相线：液相线，表示合金结晶的开始温度，在它之上的合金的状态为液相。（5）AαB相线：固相线，表示合金结晶的终了温度，在它之下的合金的状态为固相。3.2二元合金相图及杠杆定理3.2.3杠杆定理

杠杆定理能够表示出在某一温度时合金中的成分及各成分的含量。杠杆定理：两相的质量之比是与两相成分点到合金成分点的距离的反比。3.3常见相图常见的相图有匀晶相图和共晶相图2种。3.3.1匀晶相图

匀晶相图：组成二元合金的组元在固态和液态时均能无限互溶的合金的相图。

相图和结晶过程分别如图3-5（a）和（b）所示。3.3常见相图3.3.2共晶相图

共晶反应：一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程。

相图和结晶过程分别如图3-7和3-8所示。3.4其他二元合金相图3.4.1包晶相图

包晶反应：当合金凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的（旧）固相与剩余液相（有确定成分）发生反应生成另一种（新）固相的恒温转变过程。

相图和结晶过程分别如图3-11（a）和（b）所示。3.4其他二元合金相图3.4.2共析相图

共析反应：自某一种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。

相图如图3-2所示。3.5合金的性能与相图的关系3.5.1机械性能与相图的关系

如果合金的组织为两相机械混合物，那么其性能与合金成分呈正（或反）比例关系，并且数值为两相性能的算术平均值

如果合金的组织为固溶体，那么随着溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，合金的强度和硬度也增大。如果是无限互溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时，合金的强度和硬度最高。

如果合金的组织为固溶体，那么随着溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，合金的强度和硬度也增大。如果是无限互溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时，合金的强度和硬度最高。3.5合金的性能与相图的关系3.5.2铸造性能与相图的关系

合金的液相线和固相线间的距离越（水平距离和数值距离）大，合金的流动性能就越差，偏析现象也越严重，合金的铸造性能就比较差。在所有合金中共晶合金的铸造性能是最好的，所以如果条件允许的话，一般的铸造合金要尽量选取共晶合金。第4章铁碳合金4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能4.2Fe-Fe3C相图分析4.3碳对铁碳合金组织和性能的影响4.4Fe-Fe3C相图的应用4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能4.1.1铁碳合金的基本组元

纯铁的组织中的三个基本组元：纯铁、渗碳体和石墨。1.纯铁纯铁的转变过程纯铁的冷却曲线及晶体结构转变过程如图4-1所示，该过程具有同素异构转变的特性。工业生产中常根据此特性通过相变加热的方法来达到改变钢和铸铁内部组织和提高性能的目的。

同素异构转变的一般规律：转变过程可以分为晶核的形成和晶核的长大两步，转变时需要降温冷却，有确定的转变温度，有热能产生。4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能2.渗碳体

渗碳体：由铁与碳形成的正交晶系的间隙化合物，分子式为Fe3C，其碳含量约为6.69%，熔点为1227°C，它硬度很高，约为800HBW，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。

在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。3.石墨

固态的碳可以分为晶体和非晶体两种形式，其中晶体以石墨和金刚石为两种主要存在形式，石墨是在铁碳合金中的存在形式。石墨的晶体结构为典型的层状结构，碳原子成层排列，每个碳与相邻的碳之间等距相连，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。如图4-2所示。4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能4.1.2铁碳合金的基本组织及其合金1.铁素体

铁素体：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，符号为F或α。

铁素体的力学性能见表4-1，显微组织见图4-3所示。4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能2.奥氏体

奥氏体：碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体，符号为A或γ。

奥氏体的塑性、韧性、强度、硬度都较高，当铁碳合金处于平衡状态时，高温下存在的基本相便是奥氏体。奥氏体同样也是大多数钢在进行锻压和轧制等工艺所要求的组织。

奥氏体的显微组织见图4-4所示。4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能3.渗碳体

渗碳体：如果铁碳合金中的碳原子的含量超过碳元素在铁元素中的溶解度，那么此时多余的碳原子在Fe-Fe3C二元合金系中将会以Fe3C的形式存在，即渗碳体。

奥渗碳体既是铁碳合金中的组元，又是其基本相和基本组织。渗碳体的显微组织如图4-5所示。4.1铁碳合金的基本组元、组织及其性能4.珠光体

珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。符号为P。显微组织如图4-6所示。5.莱氏体

莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。符号为Ld。显微组织如图4-7所示。4.2Fe-Fe3C相图分析

铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具。

铁碳合金相图如图4-8所示。

铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具。4.2Fe-Fe3C相图分析4.2.1相图中的点、线和区1.相图中的点4.2Fe-Fe3C相图分析4.2.1相图中的点、线和区

在铁碳合金相图中有三个重要的特性点，分别是J点、C点和S点。

（1）J点。如果合金中液相L的含量位于B点（ωC=0.53%），固相δ的含量位于H点（ωC=0.09%），当合金的温度为1495℃时，便会发生包晶反应，生成物为J点成分的γJ固溶体（ωC=0.014%）。J点称为包晶点。（2）C点。如果合金中液相L的含量位于C点（ωC=4.3%），当合金的温度为1148℃时，便会发生共晶反应，生成物为E点成分的γ固溶体（ωC=2.11%）和F点成分的渗碳体（ωC=6.69%）所组成的莱氏体。C点称为共晶点。（3）S点。如果合金中固相γ固溶体的含量位于S点（ωC=0.77%），当合金的温度为727℃时，便会发生共析反应，生成物为P点成分的α固溶体（ωC=0.0218%）和K点成分的渗碳体（ωC=6.69%）所组成的珠光体。C点称为共析点。4.2Fe-Fe3C相图分析2.相图中的线

（1）ABCD线：液相线，表示的是铁碳合金开始结晶时温度或者完全熔化时的温度，位于该线以上的合金呈液态。（2）AHJECF线：固相线，表示的是铁碳合金开始融化时的温度或者完全结晶时的温度，位于该线以下的合金为固相。（3）HJB线：包晶线，其所对应的温度为1495℃，所有碳含量位于此线范围内的铁碳合金（ωC=0.09%～0.053%），当温度缓慢冷却到1495℃时均会发生包晶反应LB+δHγJ，反应产物是固溶体。（4）ECF线：共晶线，其所对应的温度为1148℃，所有碳含量位于此线范围内的铁碳合金（ωC=2.11%～6.69%），当温度缓慢冷却到1148℃时均会发生共晶反应LC（γE+Fe3C），反应产物是奥氏体和渗碳体所组成的莱氏体。（5）PSK线：共析线，其所对应的温度为727℃，所有碳含量超过0.0218%的铁碳合金，当温度缓慢冷却到727℃时均会发生共析反应γS（αP+Fe3C），反应产物是铁素体体和渗碳体所组成的珠光体。PSK线又称为A1线。

HJB线、ECF线和PSK线为三条恒温转变曲线，是构成铁碳合金相图的重要组成部分。1495℃

1148℃

727℃

4.2Fe-Fe3C相图分析

（6）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线。碳在奥氏体中的最大溶解度位于点E处，其所对应的温度和碳含量分别为1148℃和2.11%，而位于S点成分的合金当温度为727℃时，碳含量为0.77%，所以如果合金的碳含量大于0.77%，那么当其从1148℃缓慢冷却至727℃的过程中，均将从奥氏体中析出渗碳体。为了和前述的渗碳体区别开来，将此处所生成的渗碳体表示为Fe3CⅡ，称为二次渗碳体。ES线又称为Acm线，表示从奥氏体中开始析出Fe3CⅡ的临界温度线。（7）PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，碳在铁素体中的最大溶解度位于点P处，其所对应的温度和碳含量分别为727℃和0.0218%，而在室温时仅为0.0008%，所以如果合金的含碳量大于0.0008%，那么当其从727℃缓慢冷却至室温的过程中，均将从铁素体中析出渗碳体。为了和前述的渗碳体区别开来，将此处所生成的渗碳体表示为Fe3CⅢ，称为三次渗碳体。Fe3CⅢ的含量一般较少，往往予以忽略。（8）GS线：合金在缓慢冷却过程中从奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，通常称为A3线。Fe3CⅠ、Fe3CⅡ和Fe3CⅢ没有本质区别，其含碳量、晶体结构和性质完全相同，仅仅是来源、形态和分布位置不同而已。4.2Fe-Fe3C相图分析

（9）MO和UV为相图上的磁性转变曲线。MO线所对应的温度是768℃，是α固溶体的磁性转变曲线；UV线所对应的温度是230℃，是Fe3C的磁性转变曲线。磁性转变时，合金晶格类型并不发生改变，因是在等温条件下发生和进行的，所以磁性转变过程也是等温转变过程。3.相图中的相区

铁碳合金相图中共有以下相区：（1）五个单相区：ABHA线以上的液相区L；AHNA线围绕而成的δ固溶体相区；NJESGN线围绕而成的奥氏体相区；GPQG项围绕而成的铁素体相区；DFKL垂直线所代表的渗碳体相区。（2）七个双相区：ABHA线围绕而成的L+δ相区；JBCEJ线围绕而成的L+A相区；DCFD线围绕而成的L+Fe3CⅠ相区；HJNH线围绕而成的δ+A相区；EFKSE线围绕而成的A+Fe3C相区；GSPG线围绕而成的A+F相区；QPSKLQ线围绕而成的F+Fe3C相区。（3）三个三相区：HJB线为F、δ、A三相区；ECF线为L、A、Fe3C三相区；PSK线为A、F、Fe3C三相区。4.2Fe-Fe3C相图分析4.2.2典型铁碳合金结晶过程分析1.合金的分类4.2Fe-Fe3C相图分析2.典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁的结晶

结晶过程：

结晶过程：1点以上：合金全部为液相L。1-2点：当合金缓慢冷却至1点，此时便开始从液相L中结晶出δ固溶体，δ固溶体的数量随着温度的下降而持续增多，当温度达到2点时，合金全部结晶转变为δ固溶体。2-3点：在该阶段内，δ固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。4.2Fe-Fe3C相图分析

3-4点：开始不断有γ固溶体从δ固溶体中析出，δ固溶体转变为γ固溶体，当到达4点时，δ固溶体全部转变为γ固溶体。4-5点：在该阶段内，γ固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。5-6点：开始不断有α固溶体从γ固溶体中析出，γ固溶体转变为α固溶体，当到达4点时，γ固溶体全部转变为α固溶体。6-7点：在该阶段内，α固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。7-8点：α固溶体中的溶碳量随着温度的下降而不断降低，此时其中的碳以Fe-Fe3CⅢ的形式从α固溶体中析出，Fe-Fe3CⅢ有两种存在形式：一是以点的形状分布在α固溶体的晶粒内部，这种形式是常见的存在形式，对α固溶体起到强化作用；二是当合金的冷却速度非常缓慢时，由于碳原子的扩散现象进行得比较充分，这便使析出的Fe-Fe3CⅢ能够集中在α固溶体的晶界处，因为Fe-Fe3C的硬度和脆性都较大，所以对α固溶体不利，这种存在形式比较少见。8点所对应的温度为室温，所以ωC=0.01%的合金冷却到室温时的组织为α+Fe-Fe3CⅢ，并且Fe-Fe3CⅢ的数量随着含碳量的增加而增多，成分位于Q点和P点之间的合金的在常温下的组织都如是。4.2Fe-Fe3C相图分析（2）共析钢的结晶

结晶过程：

1点以上：合金全部为液相L。1-2点：当合金缓慢冷却至1点，此时便开始从液相L中结晶出γ固溶体，γ固溶体的数量随着温度的下降而持续增多，当温度达到2点时，合金全部结晶转变为γ固溶体。2-3点：在该阶段内，γ固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。3点：当温度缓慢冷却至727℃时，合金便会发生共析反应γPαP+Fe3C而生成珠光体P。3-4点：随着温度的下降，开始不断有α固溶体从珠光体中析出（此时还有少量Fe-Fe3CⅢ生成，但是数量极少，可以忽略）。4.2Fe-Fe3C相图分析（3）亚共析钢的结晶结晶过程：

1点以上：合金全部为液相L。

1-2点：当合金缓慢冷却至1点，此时便开始从液相L中结晶出δ固溶体，δ固溶体的数量随着温度的下降而持续增多，在此期间，液相L和δ固溶体的含量分别沿1B线和AH线变化。当温度达到2点时，液相L和δ固溶体的碳含量分别为ωC=0.53%和ωC=0.09%，当温度降低到1495℃时合金中发生包晶反应LB+δHγJ，如果2点被包含在JB范围内，那么包晶反应不会将液相L全部消耗完，也就是说会有部分L相剩余在合金中。1495℃

4.2Fe-Fe3C相图分析

2-3点：继续降低合金的温度，此时便会从剩余的液相L中结晶出γ固溶体，当温度到达3点时，所有液相L全部转化为γ固溶体。

3-4点：在该阶段内，γ固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。

4-5点：开始不断有α固溶体从γ固溶体中析出，且随着温度的下降，α固溶体数量不断增多。在此期间，液相γ固溶体和α固溶体的含量分别沿4S线和GP线变化。当温度达到5点时，合金中发生共析反应γSαP+Fe3C，生成珠光体。因共析反应的参与者是γ固溶体，所有合金中的α固溶体还保持原来的形态不变。当温度到达5点时，合金的组织为α固溶体和珠光体。

5-6点：在该温度内，无论是单独存在的α固溶体，还是珠光体中的αP都会随着温度的下降而析出Fe3CⅢ，同样其数量极其少，可以忽略不计。727℃

4.2Fe-Fe3C相图分析（4）过共析钢的结晶

结晶过程：

1点以上：合金全部为液相L。

1-2点：当合金缓慢冷却至1点，此时便开始从液相L中结晶出γ固溶体，γ固溶体的数量随着温度的下降而持续增多。在此期间，液相L和δ固溶体的含量分别沿1B线和AH线变化。当温度达到2点时，液相L全部转化为γ固溶体。

2-3点：在该阶段内，γ固溶体的数量不增加也不减少，但是随着温度的下降，其成分更加均匀。

3-4点：开始有Fe3CⅡ从γ固溶体中析出，且随着温度的下降，Fe3CⅡ数量不断增多。在此期间，γ固溶体的含量沿3S线变化。当温度达到5点时，剩余γ固溶体的成分正好为共析成分，4.2Fe-Fe3C相图分析所以合金中发生共析反应γSαP+Fe3C，生成珠光体，合金的成分为珠光体P和二次渗碳体Fe3CⅡ。

4-5点：在此过程中，合金组织不变，仍为珠光体P和二次渗碳体Fe3CⅡ。727℃

4.2Fe-Fe3C相图分析（5）共晶白口铸铁的结晶结晶过程：

1点：当温度缓慢冷却至1点时，发生共晶反应LCγE+Fe3C，生成莱氏体Le。

1-2点：缓慢冷却合金，随着温度的下降，发生共析反应，会有Fe3CⅡ从莱氏体中的γ固溶体中析出，Fe3CⅡ包含在γ固溶体的四周，并且与Fe3C连为一体，当合金的温度达到2点时，其组织为γS+Fe3CⅡ+Fe3C。

2-3点：共析反应完成后，合金的组织不再发生变化，所以共晶白口铸铁的室温组织为γS+Fe3CⅡ+Fe3C所组成的混合物。1147℃

4.2Fe-Fe3C相图分析（6）亚共晶白口铸铁的结晶

结晶过程：

1点以上合金全部为液相L。

1-2点：缓慢冷却合金至1点，会有γ固溶体从液相L中结晶而出，并且其数量随着温度的下降而不断增加，温度到达2点时合金发生共晶反应LC（γE+Fe3C）Le，生成莱氏体。

2-3点：缓慢冷却合金，此时会有Fe3CⅡ从γ固溶体和Le中的γE固溶体中析出，γ固溶体的含量沿ES线变化，当温度达到3点时，发生共析反应γSP（α+Fe3C）。

3-4点：到达3点以后合金的组织不再发生变化，亚共晶白口铸铁的室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’（P+Fe3CⅡ+Fe3C）1147℃

727℃

4.2Fe-Fe3C相图分析（7）过共晶白口铸铁的结晶

结晶过程：

1点以上：合金全部为液相L。1-2点：缓慢冷却合金至1点，此时会有Fe3CⅠ从液相L中结晶出，当温度到达2点时，发生共晶反应LCLe（γE+Fe3C），生成莱氏体。

2-3点：2点的共晶反应结束后，合金的组织组成物为Le和Fe3CⅠ。随着温度继续下降，会从Le中的γ固溶体中析出Fe3CⅢ，但是Fe3CⅠ的含量保持不变，当温度到达3点时，发生共析反应γSγp。

3-4点：继续下降温度，Fe3CⅢ会从Le’中的α固溶体中析出，但其数量非常少，可以忽略不计，当温度到达4点时，室温组织为Le’和Fe3CⅠ。1147℃

727℃

4.2Fe-Fe3C相图分析

温度不同、成分不同的合金具有不同的铁碳合金相图，图4-23所示的是以组织组成物的形式来表示的铁碳合金相图，这种相图对于工业生产和科学依据具有更高的使用价值。4.3碳对铁碳合金组织和性能的影响4.3.1含碳量对合金平衡组织的影响

利用杠杆定理可以求出铁碳合金的含碳量与缓慢冷却至室温后的相和组织物之间具有定量的关系，结果如图4-24所示。铁碳合金在室温下只有铁素体和渗碳体两个相，并且渗碳体的含量随着含碳量的增加而呈线性增加趋势；另一方面，从组织和组织组成物的角度来考虑，随着含碳量的增加，组织中的渗碳体数量增多的同时，其形态也在不断发生变化，分布在铁素体基体内的片状共析渗碳体变为分布在奥氏体晶界上的过共析钢的二次渗碳体，所以最终形成莱氏体时，渗碳体是合金的基体。4.3.2含碳量对合金力学性能的影响4.3碳对铁碳合金组织和性能的影响

随着含碳量的增加，亚共析钢中的珠光体的含量也增加，因为珠光体具有强化合金的作用，所以亚共析钢的强度和硬增大，但是塑性和韧性下降。当含碳量达到0.77%时，此时合

金中的组织组成物全部为珠光体，因此合金的性能宏观表现为珠光体的性能；当合金的含碳量超过0.9%时，在奥氏体的晶界上形成了由过共析钢中的二次渗碳体组成的连续网状形状，由此带来的结果是钢的强度下降，硬度仍然直线上升；当合金的含碳量大于2.11%时，便会有以渗碳体为基体的莱氏体生成，使合金的性能表现为硬而脆。含碳量对合金力学性能的影响如图4-25所示。4.4.1在材料选用方面的应用4.4Fe-Fe3C相图的应用

1.工业纯铁的应用

2.低碳钢的应用

3.中碳钢的应用

4.高碳钢的应用

5.白口铸铁的应用4.4.2在加工工艺制定方面的应用

1.在铸造工艺方面的应用

2.在锻造工艺方面的应用

3.在焊接工艺方面的应用

4.在热处理工艺方面的应用第5章金属的塑性变形与再结晶5.1金属的塑性变形5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.3冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化5.4金属的热塑性变形5.1金属的塑性变形5.1金属的塑性变形

弹性变形：材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材料恢复原状，这种变形是可逆的。

塑性变形：当应力超过材料的弹性极限时，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不可逆的。5.1.1单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有滑移和孪生两种方式。1.滑移

滑移：某些晶面沿一定晶向发生的晶面间的相对平移。5.1金属的塑性变形滑移的特点：

只有当晶体受到切应力时才能发生滑移，不同的金属产生滑移所需要的最小切应力（也称滑移临界切应力）不同，常见的金属中，铜、铝的滑移临界切应力比钨、钼、铁的要小。5.1金属的塑性变形2.孪生

孪生：晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果。孪生的特点：

（1）孪生变形所需要的切应力要比滑移变形大得多。

（2）发生孪生变形时，原子沿变形方向的相对位移是原子间距的分数，而不是整数位。

（3）孪生变形的速度特别快，以至于接近于声速。5.1金属的塑性变形5.1.2多晶体的塑性变形

在金属的塑性变形过程中，位错运动在晶界处受阻，滑移线停止在晶界处，表现为晶界对滑移起阻碍作用，这个现象称为位错在晶界塞积。如图所示的钛合金中位错在晶界塞积的纤维组织图。

晶界对滑移的阻碍作用的大小随晶体中滑移系数目的减少而增加。

当晶粒越细时，晶界所占的面积就越大，所造成的结果是对滑移的阻碍作用就越大。1.晶界的影响5.1金属的塑性变形2.晶粒位向的影响

在多晶体中，各晶粒的位相以及滑移系与外力的取向等都不相同，这就造成了当受力时，不同位向的晶粒或同一位向的晶粒的内部不同滑移系所获得的应力的大小和方向不完全相同，引起了不同位向的晶粒或同一位向的晶粒的内部不同部位的变形程度和变形时间的先后都不一样。因相邻晶粒之间具有位向差，当某一个晶粒发生变形时，如果其周围的晶粒不发生塑性变形，那么就必须发生弹性变形来协调晶粒之间的平衡，这个弹性变形称为塑性变形的阻力，也就是说晶粒之间能够相互约束，增加了金属的抗塑性变形的能力。科学研究表明，晶粒越细，晶粒数目就越多，此时晶粒的为相对塑性变形的影响也就越大。5.1金属的塑性变形3.晶粒尺寸对力学性能的影响

金属的晶粒越细，晶界的总面积就越大，位错阻力也就越大，不同为相的晶粒也就越多，所以金属的强度、硬度和抗塑性变形能力都得到了提升。

金属的晶粒越细，单位体积内的晶粒数目就越多，单位时间内产生变形的晶粒也就越多，所带来的结果是产生的变形更加均匀，可以有效地阻止裂纹的产生和扩展，在金属断裂前能够获得较大的塑性变形，所以金属的塑性和韧性都得到了提升。

综上所述，随着晶粒的减小，金属的强度、硬度、塑性和韧性都得到了提升，所以工程上常通过细化晶粒的方法来提高金属的力学性能指标，这种方法称为细晶强化。细晶强化是强化金属的重要手段之一。5.1金属的塑性变形4.多晶体塑性变形的过程

多晶体各晶粒变形存在不同时性，即在多晶体的塑性变形过程中，并不是在所有晶粒中同时产生滑移现象的。在具有软趋向的晶粒中首先发生滑移现象，此时，在这些晶粒内部位错沿着最有利的滑移面运动，但因为晶粒位向不同滑移系不同，位错不能越过晶界发展到相邻晶粒中去，晶界处积累的滑移随着位错的进行越来越多，并且在晶界处受阻形成位错平面塞积群，产生应力集中。当应力集中达到一定的程度后，相邻晶粒被动开始发生滑移，晶粒的变形便得到了协调配合，此时形变会越过晶界。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2.1纤维组织形成

发生塑性变形后，金属的晶粒也发生变化，在变形方向上被拉伸或挤压。以拉伸为例，当晶粒的变形程度很大时，就会变成细长的条状，如图5-4所示，同时被拉伸的，还有金属中夹杂物，从而形成纤维组织。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2.2晶内产生亚结构

随着晶粒变形量的进一步增加，晶粒被拉伸成很小的晶块，即亚晶粒，并且变形量越大，亚晶粒的晶粒越细。有亚晶粒所组成的结构称为亚结构。如5-5所示，因亚结构的产生，晶体中产生了大量的亚晶界，从而造成位错密度增大。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2.3形成变形织构

多晶体的晶粒排列无明显的规律可循，金属在塑性变形过程中，因受到外界热与力的作用和内部各晶粒间的相互作用及变形发展的限制，各晶粒要相对于外力轴发生转动，结果大多数晶粒聚集到某些取向上来，从而形成变形织构。拉伸过程中，晶体的转动使滑移方向力图转向平行于拉伸轴向；压缩变形时，晶体的转动使滑移面力图转向垂直于压力轴向。变形织构又称“择优取向”。按照织构类型的不同，变形织构分为丝织构、板织构，如图5-6所示。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2.4产生加工硬化

加工硬化：随着冷塑性变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。加工硬化在机械制造工业中的应用：

（1）零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度。

（2）金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面变形均匀且一致的冷冲压件。

（3）可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力，加速刀具磨损等。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2.5产生残余内应力

残余应力：当消除因外力或不均匀的温度等作用后仍留在工件内的自相平衡的内应力。照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变应力三种。5.3冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化

按照加热温度由低到高，冷塑性变形金属的软化过程可以分为回复、再结晶和晶粒长大三个部分。5.3.1回复

回复：回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化（如位错重新排列，晶格畸变减轻等），结果使金属的内应力明显下降，晶粒大小和形状以及力学性能都无明显变化，物理性能和化学性能基本恢复至初始。5.3.2再结晶

再结晶：发生回复现象后，如果对金属加热，此时金属原子便获得了一定的能量，引起了晶粒形状的变化，将破碎的经历拉长成等轴晶粒的过程。5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.2金属塑性变形对组织和性能的影响5.3.3晶粒长大

晶粒长大：再结晶过程完成以后，金属的晶粒全部是无畸变的等轴系晶粒，此时如果延长保温时间或者升高温度，就会出现晶粒之间相互吞并和长大的现象。5.4金属的热塑性变形5.4.1热塑性变形与冷塑形变形的区别

热加工：在金属的再结晶温度以上进行的加工。

冷加工：在金属的再结晶温度以下进行的加工。5.4.2热塑性变形对金属的组织和性能的影响

1.消除铸态金属的某些缺陷

2.形成热塑性变形纤维组织

3.形成带状组织5.2金属塑性变形对组织和性能的影响第6章金属的热处理及表面处理6.1钢在加热时的转变6.2钢在冷却时的转变6.3钢的退火与正火6.4钢的淬火6.5钢的回火6.6钢的表面热处理6.1钢在加热时的转变

钢的热处理：将固态的金属或者合金通过加热、保温和冷却的方法，使其内部的组织或结构发生变化，从而获得所需要的性能的工艺方法。6.1钢在加热时的转变

A1、A3和Acm分别表示的是理想条件下钢的固态平衡临界温度，分别与前述章节内容中的PSK线、GS线和ES线相对应；

Ac1、Ac3和Accm为钢在实际加热过程中的相变临界温度，它们要稍微高于理想状态下的温度；Ar1、Ar3和Arcm为钢在实际冷却时的相变临界温度，它们要稍微低于理想状态下的温度。6.1钢在加热时的转变6.1.1奥氏体的形成

以共析钢T8（其常温组织为珠光体）为例，钢在加热过程中，奥氏体的形成过程可以分为4个步骤。

1.奥氏体晶核的形成

2.奥氏体晶核的长大

3.剩余渗碳体的溶解

4.奥氏体的均匀化6.1钢在加热时的转变6.1.2奥氏体晶粒度及其影响因素1.奥氏体的晶粒度

表征奥氏体晶粒大小的方式有两种，分别是奥氏体晶粒直径和单位面积中奥氏体晶粒数目。

奥氏体晶粒度分为8级评定标准，其中1级最低粗，8级最细，超过8级以上者称为超细晶粒。奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系为

（1）起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体化过程刚刚完成后的奥氏体的晶粒度。此时奥氏体的晶粒度因其非常细小而难以测定，并且其实际应用意义也不大。

（2）实际晶粒度：在某一具体加热条件下（实际热处理）所得到的实际奥氏体晶粒大小。它对刚冷却后组织的粗细及力学性能的好坏极为重要。

（3）本质晶粒度：在标准试验条件下，将钢加热至930±10℃，保温3~8h后测得的奥氏体晶粒大小。6.1钢在加热时的转变

本质晶粒度描述的是晶粒长大的趋势，而非实际晶粒的大小。2.影响奥氏体晶粒度的因素

（1）加热温度和保温时间

。加热温度越高、保温时间越长时，所得到的奥氏体晶粒度就越粗大。

（2）钢中碳含量的影响。在一定范围内的含碳量下，奥氏体晶粒长大的倾向随含碳量的增加而增大；当含碳量超过这个范围时，奥氏体晶粒长大的倾向随含碳量的增加而减小。

（3）合金元素的影响。如果在钢中加入能够使其形成难溶化合物的合金元素（如Nb、Ti、Zr、V、AI、Ta等），那么奥氏体晶粒度的长大将受到很大程度的影响，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高，即能够促使钢中形成更细小的晶粒；如果所加入的合金元素不能或者难以形成化合物（如Si、Ni等），那么其对奥氏体晶粒长大的影响很小。

（4）原始组织的影响。原始组织越细，奥氏体起始晶粒就越细小。原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。6.1钢在加热时的转变3.控制奥氏体晶粒长大措施

（1）合理选择加热温度和保温时间。

（2）合理选择原始组织。

（3）采用重结晶处理。

（3）加入一定量合金元素（除锰、磷外）。6.2钢在冷却时的转变奥氏体的冷却方式可以分为2种。

（1）等温转变：将奥氏体迅速冷却至Ar1以下某个温度，保温一段时间，再继续冷却。

（2）连续转变：将奥氏体以一定的速度冷却，如油冷、炉冷、水冷、空冷等。6.2.1过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立

测定共析钢的等温转变曲线的方法，常用的有金相硬度法、热分析法、磁性法、膨胀法等。6.2钢在冷却时的转变

转变开始线：在C曲线中最左边的那条曲线。

转变终止线：在C曲线中最又边的那条曲线。

马氏体转变开始线：MS线，所对应的温度为230°C。