航空工程材料（第4版） 课件全套 模块1-10 金属的力学性能-构件的选材、失效与金属表面处理

模块1金属的力学性能模块2金属材料的基础知识模块3铁碳合金模块4钢的热处理模拟5合金钢模块6有色金属模块7高分子材料模块8复合材料模块9其他航空非金属材料及航空消耗材料模块10构件的选材、失效与金属表面处理广州民航职业技术学院《航空工程材料》1.1刚度与弹性1.2强度与塑性1.3硬度1.4韧性1.5疲劳强度1.6蠕变及蠕变—疲劳断裂模块1金属的力学性能概述静强度、刚度、硬度、塑性、冲击韧性、断裂韧性、疲劳性能以及蠕变、蠕变—疲劳性能等。材料的力学性能指材料受外力作用时所表现的性能。力学性能指标在GB/T228.1—2021《金属拉伸试验试样》中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，如图1-1所示。图1-1圆形标准拉伸试样（a）拉伸前；（b）拉伸后A0：试样的原始横截面积，d0：试样的原始直径，L：试件总长度，当L＝10d0时，称为长试样；当L＝5d0

时，称为短试样。1.1刚度与弹性如何评价材料的力学性能？测定材料的拉伸曲线将标准试样施加轴向拉伸载荷（所用仪器如下图）：万能试验机1.1刚度与弹性图1-2低碳钢的应力—应变曲线使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变ε随应力σ变化的关系曲线，称为应力—应变曲线。应变ε=Δl/l0=(l1－l0)/l0

试样原始标距增量与原始标距之比应力σ=F/A0外力与试样原始横截面积之比1.1刚度与弹性图1-2低碳钢的应力—应变曲线OA:弹性变形阶段；OA′部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系；BC：塑性形变阶段，应力不增加，表现屈服特性；CD:均匀塑性变形阶段，应力不断增加，产生应变强化；DE:局部塑性变形，出现颈缩现象，直至断裂。1.1刚度与弹性OA弹性变形：此阶段内卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸；弹性极限：用σe

表示，A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力；其中OA′部分为一斜直线；比例极限：用σp表示，A′点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力;A点和A′点可近似视为一点。塑性变形：形变不随外力的撤去而消失；塑性变形部分：A-E阶段；图1-2低碳钢的应力—应变曲线1.1刚度与弹性试样断裂前所发生的总变形εE=弹性变形+塑性变形断裂时弹性变形部分仍然会做弹性恢复，保留下来的变形部分为塑性变形，称为残余变形，如图1-2中δE所示。断裂后，弹性变形部分会做弹性恢复还是会保留下来？1.1刚度与弹性刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力刚度指标：弹性模量（E）弹性模量E：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。Ｅ＝tanα＝σ/ε（单位为MPa）物理意义:产生单位弹性变形时所需应力的大小。1.1刚度与弹性弹性模量是材料最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他的材料强化手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量的影响很小。1.1刚度与弹性对于具体零件，刚度不仅与材料的弹性模量有关，还可以通过增加横截面积或改善截面形状的方法来提高零件的刚度。1.2强度与塑性1.2.1强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。1.屈服强度什么是材料的屈服？材料持续发生塑性变形而应力却不增加的现象称为屈服。在图中屈服阶段为BC段。屈服强度指B点所对应的应力，用σs

表示。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段规定：用拉伸时产生0.2％残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为σ0.2。图1-3名义屈服强度的确定

在图1-2中，CD段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，如图1-1（b）所示，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。2.抗拉强度抗拉强度：为材料断裂前所承受的最大应力，即D点所对应的应力，用σb

表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，是零件设计和材料评价的重要指标。塑性:材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性指标:伸长率和断面收缩率1.2.2塑性伸长率:试样被拉断后标距部分的总伸长量与原始标距之比的百分率δ＝(l１－l０)/l０×100%；断面收缩率:试样断裂后横截面积最大缩减量与原始横截面积之比的百分率ψ＝(Ａ０－Ａ１)/Ａ０×100%。δ与ψ的数值越大，材料的塑性越好还是越坏？δ与ψ越大，断裂前发生的变形越大，塑性越好。δ与ψ哪个指标更能准确的反应材料的塑性？由于有些材料在拉伸试验时会出现局部颈缩，有些材料则不会，因此用ψ表示材料的塑性比用δ表示更接近真实情况。

由于不同长度的试样所得伸长率不同，长度越大，伸长率越小。采用长试样进行拉伸试验，所得伸长率用δ10表示，而用短试样所得伸长率用δ5表示，显然有δ5＞δ10。材料的塑性指标具有重要的实际意义材料冷压成型好蒙皮翼肋燃烧室塑性好具有塑性的零件超载应力集中塑性变形加工硬化效应硬度提高突然脆性断裂避免1.3硬度硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。为什么要测硬度？简便迅速；可在非工作面上直接测量，不会损坏零件。硬度测试方法：压入法根据测量方法不同，常用硬度指标有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等1.3.1布氏硬度图1-4布氏硬度的试验原理图压头：直径D钢球或硬质合金球在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸载所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后查表得到材料的布氏硬度值。举例：120HBS10／1000／30

硬度值球体直径载荷载荷保持时间表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度表示方法钢球，HBS，用于布氏硬度值在450以下的材料。硬质合金，HBW，用于布氏硬度在650以下的材料。压头优点：测量误差小、数据稳定；缺点：压痕大不能用于太薄测试样或成品零件的工作表面。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

布氏硬度优缺点

根据压痕深度大小表示材料的硬度值，压坑越深，硬度越低。120°的金刚石圆锥压头测定硬度较高的材料淬火钢球压头测定硬度较低的材料1-5洛氏硬度的试验原理1.3.2洛氏硬度根据选用载荷与压头的不同，分为9个标尺，常用的有A、B、C三个，并将标尺代号标注在符号HR的右边。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍写在符号HR的前面，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏硬度表示方法

优点：测量范围大，可测很软到很硬的金属材料；直接读出硬度值；压痕小，可以直接在成品零件上测试；

缺点：测量结果分散度大，精确度不高。洛氏硬度优缺点

维氏硬度的试验原理如图1-6所示。压头:136°正四棱锥体金刚石在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸载所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到1.3.3维氏硬度图1-6维氏硬度的试验原理表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保压时间为20s测定的维氏硬度值为640。维氏硬度表示方法举例：640HV30／20

硬度值载荷载荷保持时间维氏硬度优缺点优点：1）可测量硬度高而薄的工件2）测量值精确3）既可测大块材料、表面硬化层硬度，又可测组织中不同相的硬度缺点：对试件表面质量要求较高1.4韧性韧性:材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，断裂时吸收的能量较多，则材料发生脆性断裂的可能性越小。

定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

测定方法：弯曲冲击试验。标准试样：10×10×55mm

V型缺口或U型缺口1.4.1冲击韧性图1-7摆锤式冲击试验机1）将带有缺口的标准试样安装在试验机的支座上，注意使试样缺口背向摆锤的冲击方向。1.4.1冲击韧性2）将具有一定重力G的摆锤举至一定高度H1。

3）使摆锤自由落下，冲断试样，并向反方向升起一定高度H2。（试样吸收的能量不同，摆锤所能达到的高度不同。韧性越好的材料，断裂时吸收的能量越大，摆锤达到的高度越小）试样被冲断所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功以Ak表示。Ak=G(H1-H2)。（可由刻度盘直接读出）材料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示，即ak=Ak/A

(kg·m/cm2)。式中A表示试件缺口处的横截面面积。1.4.1冲击韧性能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。ak值越大，材料的韧性越大。

ak值低的材料为脆性材料，ak值大的材料为塑性材料。

材料的ak值不仅与材料的成分和组织有关，而且与试件形状、尺寸及试验温度等因素密切相关，所以不同试验条件下测得的值无法进行比较。冷脆：随温度下降，ak值降低，在某一温度范围内ak值急剧降低，称为冷脆现象。1.4.1冲击韧性工程上很多承受冲击载荷的零件，很少因为一次大能量冲击而破坏，而是要经过千百万次小能量多次冲击才发生断裂。为此提出以小能量多次冲击试验来测定材料的抗冲击性能，即测定材料的冲击循环次数N与冲击能量Ak之间的关系曲线，把它作为选用材料的依据。1.4.1冲击韧性如1943年1月，美国一艘T-2油轮停泊在装货码头时，发生突然断裂成两截的惨祸。断裂时船体承受的应力仅为68.6MPa，船体钢材的强度极限300MPa～400MPa，材料的屈服强度245MPa。1.4.2断裂韧性脆断最危险的断裂不产生明显的塑性变形应力集中、疲劳、腐蚀1.4.2断裂韧性材料存在缺陷冶金、加工、工作来源裂纹扩展达到临界尺寸低应力脆断在应力的作用下，结构件中原有缺陷形成的裂纹发生失稳扩展而引起的。断裂韧性：材料内部抵抗裂纹失稳扩展的能力。判断裂纹扩展难易的指标图1-9裂纹表面三种位移形式(a)张开型裂纹；(b)滑开型裂纹；(c)撕开型裂纹。裂纹扩展的方式有三种：张开型、滑开型和撕开型1.4.2断裂韧性张开型最危险最常见的形式

第一类为张开型裂纹，如图1-9(a)所示。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向，若受拉板上有一条垂直于拉力方向而贯穿于板厚的裂纹，则该裂纹就是张开型裂纹。1.4.2断裂韧性第二类为滑开型裂纹，如图1-9(b)所示。构件承受平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并且垂直于裂纹前缘，如齿轮或花键根部沿切线方向的裂纹就是滑开型裂纹。1.4.2断裂韧性第三类为撕开型裂纹，如图1-9(c)所示。构件承受平行于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并平行于裂纹前缘的切线方向，如扭矩作用下圆轴的环形切槽或表面环形裂纹就是撕开型裂纹。1.4.2断裂韧性含有裂纹的构件，σ裂纹尖端附近区域

≧σ平均σ裂纹尖端附近区域决定裂纹是否发生失稳扩展应力强度因子：为研究裂纹尖端附近区域的应力情况，引进了一个表示裂纹尖端附近区域应力场强度的因子。对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹（张开型裂纹）的应力强度因子KⅠ=σ（πa）1/2a——裂纹长度的一半σ——外加应力随σ增加，

KⅠ增加到σc，裂纹突然失稳扩展，发生脆性断裂，对应的KⅠc为临界应力强度因子，即材料的断裂韧性。1.4.2断裂韧性KⅠ：衡量裂纹尖端应力场强弱的物理量，与外载荷大小、构件和裂纹的形状和尺寸有关，并不是材料的力学性能指标。KⅠc：断裂韧性，只与材料有关，反映材料抵抗脆性断裂的能力的物理量。对一定材料，断裂韧性KⅠc是常数，KⅠc高的材料对裂纹扩展的抗力高，裂纹不易扩展，零件不易发生脆性破坏。一般来讲，KⅠc与σc、σb的变化相反，而和塑性、冲击韧性的变化一致。KⅠc=σc（πa）1/21.4.2断裂韧性1、断裂韧性KⅠc的大小与材料内部有没有裂纹或是裂纹大小有没有关系？2、同种材料做的尺寸形状相同的零件，第一种a=0，第二种a=1，第三种a=2，把这三种材料拉断所需要的应力是不是一样的？思考：1.4.2断裂韧性断裂韧性的特点：

（1）在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。

（2）当a一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；

（3）当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。（4）韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。1.4.2断裂韧性对某种材料来说，K是一个常数，也是材料力学性能的指标，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。a1.4.2断裂韧性图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图为了研究裂纹对材料断裂强度的影响，把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，画出如图1-10所示的裂纹深度a与实际断裂强度的关系曲线，且有公式K=σc成立。1.5疲劳强度1954年1月10日，英国海外航空公司的彗星1号客机从意大利罗马飞往英国伦敦，起飞后不到半小时，机身突然在空中破碎，从9000米高空坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难。5月2日，该公司的另一架彗星飞机从印度加尔各答机场起飞后坠毁，机上42人全部罹难。5月8日，彗星号再度发生空难，那架彗星式客机原本计划由罗马前往埃及开罗，但在起飞后失去联络，事后在意大利南方海岸发现飞机残骸和遇难乘客遗体。1.5疲劳强度这次事故震惊了全世界，英国的航空专家由此成立专门的调查组调查事故，结论是：彗星式飞机在飞行中由于金属部件发生裂痕而造成了解体事故。产生这种裂痕的原因就是金属疲劳。彗星号客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属疲劳而导致飞机失事的事件，从此在飞机设计中将结构疲劳极限正式列入强度规范加以要求。1.5疲劳强度2002年5月25日下午，台湾中华航空公司一架飞往香港的B747客机在起飞后约半小时与机场失去联系，下落不明。机上共有207名乘客和19名机组成员。事故调查原因：该客机在接近巡航高度时，因机身后段底部结构失效而发生空中解体。失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕，后来飞机在维修时，刮痕并未刨光即补上补丁，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。1.5疲劳强度

1948年美国“马丁202”运输机在正常航行中突然坠毁1952年美国“F-86”歼击机在空中爆炸1959年，F-111战斗轰炸机在俯冲拉起时一个机翼突然折断1979年，一架DC-10型客机在起飞后不久坠毁。一连串的飞机事故引起世界各国、特别是航空工业部门的极大关注和震惊。经过事故分析和调查，发现这些事故都是由于疲劳破坏造成的。1.5疲劳强度1.5.1交变载荷和交变应力交变载荷：载荷的大小和方向随时间做周期性或不规则改变的载荷。

交变应力：在交变载荷的作用下，结构件承受的应力为交变应力。应力循环：应力从某一数值开始，经过变化又回到这一数值的应力变化过程。最大/小应力σmax/σmin：在一个应力循环中代数值最大/小的应力。平均应力σm=(σmax+σmin)/2应力幅σa=(σmax-σmin)/2应力比R=σmin/σmax交变应力分为三种：R=-1对称循环；R=0脉动循环；R为任意值非对称循环1.5.1交变载荷和交变应力疲劳断裂：

零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。1.5.2疲劳断裂疲劳源：零件在一定特征的交变载荷作用下，首先在零件的薄弱环节，如应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微裂纹。疲劳扩展区（光亮区）：随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展。粗糙区：当扩展区达到一定的临界尺寸时，构件剩余截面面积较小，在交变载荷的某次拉伸力的作用下，材料应力超过抗拉强度，这时零件会发生突然的脆性断裂，最后脆断的区域称为瞬间断裂区，由于这一区域断口表面比较粗糙，所以也叫粗糙区。图1-11疲劳断裂断口照片疲劳断裂的特征：1）在金属构件的交变应力远小于材料的极限强度的情况下，破坏就可能发生。2）疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，具有很大危险性。3）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，要经过一个时间历程，由三个阶段组成。4）疲劳破坏常具有局部性质，并不牵涉到整个结构的所有材料。1.5.2疲劳断裂疲劳强度通过疲劳试验获得。疲劳曲线：在不同交变载荷的作用下，测定其发生断裂时的载荷循环次数N，将试验结果绘成应力与次数的关系曲线。1.5.3疲劳强度的测定图1-12疲劳曲线示意图试验应力降低，循环次数N增加。当应力降至某一数值时，曲线变成水平直线，即表示材料若承受低于该水平线所对应的应力值时，便可以经受无限次循环载荷也不发生疲劳断裂。疲劳强度：试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力。对于航空领域常用的硬铝、镁合金等有色金属及其合金材料，即使应力循环的最大应力值很低，经一定应力循环次数后也会断裂，不存在真正意义上的疲劳极限。对于这一类材料，取在某一规定应力循环次数下，材料所能承受的最大应力值作为名义疲劳极限。对于黑色金属一般选107周次对于有色金属、不锈钢选108周次1.5.3疲劳强度的测定1、在设计方面，合理设计构件的形状尽量避免尖角、缺口和截面突变2、降低机械加工表面的粗糙度3、尽量避免在构件表面造成伤痕

运输、装配和检修中零件碰伤4、采取表面强化工艺措施表面喷砂、喷丸、渗氮渗碳、表面淬火、滚压等1.5.4疲劳强度影响因素蠕变:材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。（材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系）原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过程中，因温度较高，不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故变形可持续缓慢地进行下去。1.6蠕变及蠕变—疲劳断裂1.6蠕变及蠕变—疲劳断裂蠕变断裂是材料在应力和温度共同作用下发生的一种断裂方式（在蠕变过程中所发生的断裂）。有些高温部件在工作条件下同时承受恒定载荷和交变载荷的作用（如燃气轮机的涡轮盘），这种情况下发生的断裂方式称为蠕变—疲劳断裂。它们是燃气涡轮发动机高温部件（如涡轮叶片、涡轮盘等）的主要失效形式之一。（2）蠕变断裂过程中的变形随时间的变化曲线，通常分为三个阶段（图1-13）：第Ⅰ阶段应变随时间而递增，但应变速率随时间呈现非稳定递减状态（减速蠕变阶段）；第Ⅱ阶段是应变随时间恒定变化的稳定阶段，即应变速率基本保持不变（恒速蠕变阶段）；第Ⅲ阶段是应变速率随时间而递增的非稳定阶段（加速蠕变阶段），最后导致断裂。蠕变及蠕变—疲劳断裂的特点图1-13蠕变断裂的三个过程与静强度下发生的断裂相比，它有以下特点。

（1）在一般的静强度试验中，材料的塑性通常是随试验温度的升高而增大，但在高温下以很缓慢的速率变形时（即蠕变试验条件），即使在室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂。

图1-13是一种典型的蠕变曲线，但并非在所有情况下材料的蠕变曲线均由三个阶段组成。如在高温或高应力下，材料没有第Ⅰ阶段而只有第Ⅱ、Ⅲ阶段，或只有第Ⅲ阶段就很快发生断裂；而在有些情况下，材料只有第Ⅰ、Ⅱ阶段，随后便发生断裂。（3）对于同一种材料，发生蠕变的变形速率随外加应力和温度的增加而增加。（4）蠕变断裂主要是沿晶断裂，即裂纹沿着材料晶界扩展。模块2金属材料的基础知识内容

金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构目的

掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备2.1金属的晶体结构非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

晶体非晶体在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。所有固态金属和合金都是晶体。2.1.1晶体和非晶体晶体特征原子有规则周期性重复排列各向异性固定熔点几何外形晶体不同方向上性能不同的性质非晶体特征原子呈不规则排列没有固定熔点各向同性非晶体不同方向上性能相同的性质2.1.2晶体结构的基本概念晶格晶胞晶格常数晶面、晶向用一些几何线条将晶体中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架各原子的中心就处在格架的几个结点上，形成一个空间的几何结构1、晶格

晶胞：晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞的各边尺寸a、b、c，即原子间距离，称为晶格常数（或点阵常数）。单位为埃（厘米）。最小的几何单元——反映晶格特征——分析原子排列的规律在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定正方向3、晶格常数晶格常数：晶胞的棱边长度和棱面夹角，用来表示晶胞的形状和大小。晶面：晶体中，由原子组成的平面晶向：晶体中，由原子组成的直线

各种晶体的主要差别，就在于晶格形式和晶格常数的不同。如上述，晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工业上使用的几十种金属中，最常见的金属晶格结构有下面三种：面心立方:

AlNiCuγ-Fe体心立方:

CrVMoWα-Feβ-Ti

密排六方:

ZnMgBeα-Ti等2.1.3常见金属的晶格类型

面心立方:

AlNiCuγ-Fe

体心立方:

CrVMoWα-Feβ-Ti

密排六方:

ZnMgBeα-Ti等c/a=1.57-1.64

晶向指数的确定方法1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如[101]。具体晶向指数如图所示，其形式为[uvw]晶面指数的确定方法1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。3)求三个截距值的倒数。4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数。

如图所示形式为（hkl）晶胞中所含原子数原子半径致密度（K），K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数v′为单个原子体积V为晶胞体积。

晶格常数的确定(2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半径。(4)晶胞所含原子数2个原子。(5)致密度68%。(6)具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。

体心立方晶格（bcc晶格）(1)原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。

(2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半径。(4)晶胞所含原子数4个原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。面心立方晶格（fcc晶格）(1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

(2)晶格常数(3)原子半径(4)晶胞所含原子数6个原子。(5)致密度74%。(6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

密排六方晶格（hcp晶格）(1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。

2.1.4金属的实际晶体结构晶体的基本概念金属晶体的缺陷单晶体：晶格位向完全一致的晶体。单晶体是一块以原子或原子团为单位沿着空间的前后、左右、上下三个方向整整齐齐地堆垛成的固体。（可以在实验室生成）晶粒：由许多位向基本一致的晶胞组成，类似单晶体，称为晶粒或小晶体。（晶粒在显微镜下可以看到）多晶体：多晶体则是由许多取向不同的晶粒组成的一块固体，多晶体中的每一个晶粒内部都有严格的周期性，但是晶粒之间没有周期性的联系。晶界:就是相邻晶粒的边界,它是两个位向不同晶粒之间的过渡区.

一.单晶体与多晶体

金属的结构：工业用金属是在凝固时产生大量的结晶核心，然后晶核长大，完成的结晶过程，它们由许多尺寸很小、位向不同的小晶体或晶粒组成，是多晶体。晶体由于内在结构不同而表现出：单晶体的各向异性：由于单晶体在于不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子间的结合力大小不同，因而引起机械、物理、化学性能的差异。多晶体的各向同性：由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒的各向异性被互相抵消，因而多晶体一般不显示方向性，称之为各向同性。二、晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷按缺陷几何特征可分为三种1、点缺陷空位和间隙原子，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度增加。晶格空位间隙原子2、线缺陷——位错位错：晶体中有一列或若干列原子发生有规律的错排特征：一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短位错密度：是指单位体积内，位错线的总长度。ρ=SL/V类型：刃型位错和螺旋位错。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如：冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。3、面缺陷晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。面缺陷：指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体面缺陷主要有晶界和亚晶界

2.2纯金属的结晶金属结晶的条件金属的结晶过程晶粒大小对金属力学性能的影响细化晶粒的方法凝固与结晶的基本概念凝固：物质由液态转变成固态的过程。结晶：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。热分析法2.2.1纯金属的冷却曲线与过冷现象差热分析法原理To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）

T1：纯金属的实际结晶温度

纯金属结晶时的冷却曲线过冷度是结晶的必要条件。过冷度：ΔT=T0–T1

T0:金属在无限缓慢冷却条件下（平衡条件下）所测得的结晶温度称为理论结晶温度。ΔT：过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度就越低，即过冷度就越大。2.2.2

纯金属的结晶过程是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。1、晶核的形成均匀形核自发形核(△T=200℃)均匀形核非均匀形核是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。非均匀形核非自发形核(△T=20℃)自发形核△T=200℃非自发形核△T=20℃金属结晶过程示意图晶核形成，与晶核长大，同时存在同时进行晶核的长大方式—树枝状当过冷度较大时，金属晶体以树枝状方式长大。金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶2.2.3晶粒大小对金属力学性能的影响常温下：细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好原因：1、晶粒越细，塑性变形就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；2、晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。细化晶粒对提高常温下金属的力学性能作用很大，是使金属材料强化和韧化的有效途径。2.2.4

细化晶粒的方法金属结晶后，单位体积中晶粒的数目Z和大小：取决于形核率N[晶核形成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）形核率N越大，长大率G越小，晶粒就越细小。细化晶粒：提高形核率，控制晶核长大率细化晶粒的方法：1、增加过冷度；2、进行变质处理；3、附加振动过冷度的影响1、提高冷却速度，增加过冷度V冷△TN晶粒细小2、进行变质处理

1）变质剂加入到液态金属中时，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。

2）变质剂能附着在晶体前缘强烈阻碍晶粒长大，使得晶粒细化。3、附加振动

使得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。机械振动超声波振动电磁搅拌等单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。2.3合金的相结构及二元合金相图2.3.1合金的相结构纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C)正火态:σb=610MPa性能工艺相材料组织加热、保温、冷却组织:是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。

1、合金的基本概念相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，成分和性质均一，并以界面相互分开的的组成部分。也即是组元间由于物理的和化学的相互作用形成的。组元:组成合金的最基本独立单元。一般是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。纯金属合金结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存

熔点以上：液相熔点以上：液相结晶完毕：单一固相

结晶完毕：组元发生相互作用化合物组元彼此均匀溶解固溶体固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。2、合金的相结构（1）固溶体（一）定义：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体1）

置换固溶体

溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。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的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。2）

间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。

形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般r溶质/r溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体置换固溶体（三）固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。

3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。2、金属化合物（一）定义

合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物，或称中间相。（二）性能

熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）

1）正常价化合物

组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。

2）电子化合物

组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物在许多有色金属中作为重要的强化相。

3）间隙化合物

由过渡族元素(铁、铬、钼、钨、钒等)与原子半径较小的非金属元素（碳、氮、氢、硼等）形成的化合物称为间隙化合物。①间隙相

当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。②复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。

间隙相与间隙化合物的晶体结构金属化合物总结重点：熔点一般较高较高硬度脆性较大当它呈现细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度即耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。本节小结：工业上用纯金属、固溶体、金属化合物组成合金的基本相，绝大多数合金的组织都是由固溶体和少量金属化合物组成的混合物。组成混合物的各个相仍然保持各自的晶体结构和性能。

因此，整个混合物的性能取决于构成它的各个相的性能、数量、形状、大小及分布状况等。2.3.2二元合金相图相图：指处于复相平衡状态下的物系中，合金成分、温度和组织之间关系的图形。相图测定方法热分析法磁性分析法显微分析法X射线晶体结构分析法等一、二元合金相图的建立（以铜镍合金为例，热分析法实验测定）1、配制一系列不同成分的铜镍合金2、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。3、找出各冷却曲线上的相变点4、将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金成分的垂线上。5、连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线。（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）。（3）将各临界点描绘在温度－成分坐标系中得到图（b）。二、匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时，所构成的相图1、相图分析液相线之上为液相区，用L表示。液相线与固相线之间是液、固两相，用L+α。固相线下方为固相区，用α表示（A点为铜的熔点，B点为镍的熔点）以图中K点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出α固溶体；随着温度的下降，α相增多，而L相减少；至2点时，结晶过程结束，L相全部转变为α相2、合金结晶过程分析注：在结晶过程中，合金处于L+α区时，液相成分随液相线变化，固相成分随固相线变化。例：K点成分的合金从高温液态缓慢冷却至3点时，其液相部分具有3/点的成分，而固相部分具有3//点的成分。液相与固相的平均成分才是K点的成分。3、枝晶偏析晶内偏析：实际生产时——结晶过程中——冷却速度较快——固态下原子扩散困难——固溶体内原子扩散来不及充分进行——先结晶的固溶体含高熔点的组元较多后结晶的固溶体含低熔点的组元较多——在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象

固溶体的结晶一般按树枝状方式长大，这就使得先结晶的枝干部分和后结晶的枝间部分成分不同，这种晶内偏析呈现树枝分布，故称为枝晶偏析。枝晶偏析会降低合金的力学性能和加工工艺性能！！因此，在生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长时间保温，使原子进行充分扩散，以达到成分均匀化的目的，这种热处理方法称为均匀化退火。二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。共晶体：共晶反应的产物是共晶体。共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。二元共晶相图三、共晶相图图2-28Pb-Sn合金相图图2-29合金I的冷却曲线

及结晶过程示意图图2-30合金II的冷却曲线

及结晶过程示意图图2-31合金III的冷却曲线

及结晶过程示意图图2-32合金IV的冷却曲线

及结晶过程示意图合金的相组分与组织组分图2-33标明组织组分的Pb-Sn合金相图1、相图分析（1）共晶点

C点－－α相＋β相（2）共晶线DCE线－－LC→αD+βE

(3)固溶体脱溶线

α固溶体或β固溶体随着温度的下降，溶解度也不断的下降。图中DF线表达了α固溶体脱溶的变化规律，EG线表达了β固溶体的变化规律。DF、EG线称为固溶体脱溶线。

α固溶体脱溶产物是β相，称为二次β相（βII）

β固溶体脱溶产物是α相，称为二次α相（αII）恒温2、结晶过程分析：（1）共晶成分的合金C点成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷却过程中经过C点时发生共晶反应，生成共晶体。

L→(α+β)(2)亚共晶成分的合金D、C点之间成分的合金，称为亚共晶合金。如图合金III，在冷却过程中经过1点时结晶出α1相；经过2点时，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却α1相还会脱溶出βⅡ相。C室温组织为α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下(3)过共晶成分的合金C、E点之间成分的合金，称为过共晶合金。如图合金IV，在冷却过程中经过1点时结晶出β1相；经过2点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却β1相脱溶出αⅡ相，最终组织为β1＋αⅡ＋(α+β)。L→L+β1→β1＋(α+β)→β1＋αⅡ＋(α+β)（4）无共晶反应的合金D点左侧和E点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1点时结晶出α1相,经过2点时全部转变为α1相,经过3点时,开始脱溶出βⅡ相,即L→L+α1→α1→α1＋

βⅡ122以下123

同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1

相和αⅡ相生成。最终组织为

β1＋αⅡ

。具有共析反应的相图(了解内容)自某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称为共析反应。共析体：共析反应的产物称为共析体。共析组织：共析体的显微组织称为共析组织。四、合金力学性能与相图的关系（1）当合金形成单相固溶体（匀晶）时：合金的性能与组成元素的性质、溶质元素的溶入量有关。1）合金的力学性能与相图的关系（2）当合金为复相混合物具有共晶反应合金的硬度变化规律普通混合物：合金性能随合金的化学成分而改变，在两相性能之间呈直线变化，为两相性能的算术平均值机械混合物：（共晶和共析）合金的性能还与组织的细密程度有关，组织越细密，其强度、硬度均显著提高，且偏离直线关系2）合金的工艺性能与相图的关系铸造性能a.纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好b.相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。c.相图中液相线和固相线之间距离越大时，形成枝晶偏析的倾向性大，降低其流动性，增多分散缩孔。加工性能a.单相固溶体合金具有较好的塑性，变形抗力小，变形较均匀，故压力加工性能良好，但切削加工性能差。b.两相混合物合金的塑性不如单相固溶体合金好，但切削加工性能较单相固溶体好。热脆：合金中含有低熔点共晶时，在加热过程中，低熔点共晶将被熔化，并沿晶界分布，故在压力加工时发生断裂。2.4金属的冷、热加工及再结晶目的：获得需要的形状和尺寸方法：轧制、锻造、挤压、冲压、拉拔等压力加工方法压力加工塑性变形组织和性能改变加热、回复、再结晶2.4.1金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形方式二、多晶体的塑性变形三、多晶体的塑性变形的影响因素四、塑性变形后金属的组织与性能2.4.1金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生（一）滑移：晶体的两个部分之间沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移向）发生的相对移动。如图：当金属晶体受到外力F作用时，均可将总的应力σF分解成垂至于某一滑移面的正应力σ和平行于此面的切应力τ。单晶体的滑移1、滑移原理（1）正应力σ作用下，试样发生弹性伸长并在σ足够大时发生断裂。切应力τ能使试样发生弹性歪扭，当τ增大到一定值时，则一定晶面两侧的两部分晶体产生相对移动。（2）如果除去外力，晶格的弹性歪扭随之消失，而滑移到新位置的原子已经不能回到原来地位置，在新的位置上处于平衡状态。（3）以上原因使得晶体产生微量的塑性变形，许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形。图2-37晶体在切应力作用下的变形a.未变形b.弹性变形c.弹塑性变形d.塑性变形图2-38通过位错运动实现滑移的示意图刃型位错在切应力的作用下由滑移面上的位错运动逐步实现的。如上图所示，刃型位错在切应力的作用下由滑移面的一端运动到另一端，从而造成的一个原子间距的滑移过程。晶体在外力作用下不断增殖新的位错，大量的位错移出晶体表面就产生了宏观的塑性变形。（二）孪生：晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）进行剪切变形的现象。孪生带：剪切变形的部分孪生带的晶体位向与原来不一致，孪生所需的剪切应力要比滑移大得多，一般只有在滑移很难进行的场合才发生孪生变形。图2-39孪生过程示意图（密排六方金属常以孪生方式变形；体心立方金属只有在低温拉伸或受到冲击载荷时才发生孪生变形；面心立方金属容易滑移变形一般不发生孪生变形。）二、多晶体的塑性变形实际金属塑性变形的实质

塑性变形的实质就是：许多晶粒内变形（滑移）的综合效果，而晶粒间则产生滑动和转动。

晶内变形——晶粒内部的滑移变形晶间变形——晶粒间的移动和转动三、多晶体的塑性变形的影响因素（一）晶界及晶粒取向的影响1、晶界处原子排列紊乱，滑移抗力大。2、各个晶粒的位向不同，将使得各个晶粒的变形有先有后。但是，只有各个晶粒相互协调才能变形。（二）晶粒大小对变形的影响金属晶粒越小，单位体积中的晶界面积越大，并且不同位向的晶粒越多，因而金属的塑性变形抗力越大，金属的强度也就越高。四、塑性变形后金属的组织与性能（一）位错密度增加，产生加工硬化加工硬化（冷作硬化）：金属在变形后强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。注：塑性变形主要是通过位错实现的，主要是位错密度增加。1．纤维组织金属发生塑性变形时，金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质沿着变形方向被拉长，呈纤维形状，这种结构称纤维组织。（二）冷塑性变形引起的各向异性1、形成纤维组织2、变形织构的产生锻造比越大，纤维组织就越明显。纤维组织具有各向异性的特点，使金属材料平行于纤维方向的塑性、韧性提高，抗拉强度增加；垂直于纤维方向的塑性、韧性下降，但抗剪能力提高。纤维组织稳定性很高，即使用热处理也不能消除，只有通过锻压使金属变形，才能改变纤维组织的方向和形状。

使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。2、变形织构：晶粒位向有序化结构。变形织构是金属拉拔或轧制过程的塑性变形使得金属晶粒方向由原来的任意取向变成与拉拔或轧制方向一致（平行）的组织。变形织构的出现也会导致材料呈现各向异性，材料在各个方向的机械性能不一样。

（三）产生残余内应力

残余内应力——平衡于金属内部的应力，由金属内部不均匀变形引起。金属表层和心部变形不均匀－－宏观内应力；相邻晶粒变形不均匀－－微观内应力；位错等缺陷造成晶格畸变应力－－变形强化原因。●残余内应力的危害

◆引起零件加工过程变形、开裂。

◆降低耐蚀性●残余内应力的消除或降低

——去应力退火2.4.2变形金属在加热时组织和性能的变化金属经过冷变形内能升高（储存能升高）处于不稳定状态并存在转变趋势低温时转变不易实现加热可使变形金属的组织与性能趋于稳定温度升高变形金属发生：回复→再结晶→晶粒长大保持加工硬化，消除内应力。如冷卷弹簧进行去应力退火。

消除加工硬化，提高塑性。再结晶速度取决于加热温度和变形程度。再结晶是一个形核、长大过程。一、回复：T回=（0.25-0.3)T熔加热温度较低；原子活动能力不大；变形金属的显微组织不发生显著变化；加工硬化后的强度和硬度基本不变塑性回升；残余内应力基本消除物理、化学性能基本恢复到变形前的情况。注：晶格畸变减少（位错、空位减少等）。二、再结晶：T再=0.35-0.4T熔

加热温度较高；变形金属显微组织发生显著变化；晶粒转变成均匀细小的等轴晶粒；这一过程类似结晶过程，也是通过形核和长大的方式完成的，故称为“再结晶”注：1、再结晶前后晶粒的晶格类型不变、化学成分不变，只改变晶粒形状，因此再结晶不发生相变。2、再结晶不是在恒温下进行的，而是在一定的温度范围进行。影响变形金属再结晶的因素1、温度

加热温度越高，再结晶转变速度就越快，需要时间就短2、变形程度

变形越大，储存能就多，再结晶驱动力就大，再结晶温度就越低3、微量溶质原子溶质或杂质原子与位错、晶界存在交互作用，对位错的运动和晶界的迁移起到阻碍作用，再结晶的温度就要升高4、原始晶粒尺寸晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能就越多，再结晶温度越低。特点：经过再结晶的金属强度、硬度下降塑性、韧性上升，所有性能回复到变形前的水平。再结晶温度高低：主要决定于变形度。变形程度越大，晶体的缺陷越多，组织就越不稳定，再结晶温度越低。图2-42金属再结晶温度与其预变形程度的关系三、晶粒长大随着温度升高或保温时间延长，晶粒会继续长大，金属晶界的总面积减少，金属能量降低。（大晶粒吞并小晶粒、晶界迁移来实现的）晶粒长大对金属的力学性能是不利的，它会使金属的塑性、韧性明显下降，所以要避免晶粒长大。四、影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素1）加热温度和保温时间晶粒的长大速度与加热温度有关，温度越高，晶粒长大越快，保温时间越长，晶粒越粗大。2）变形程度对晶粒尺寸的影响变形程度很小时不会发生再结晶当达到2%-10%时，再结晶后的晶粒特别粗大，这个变形程度称为临界变形程度。超过临界变形程度后，随着变形量增大，再结晶后的晶粒越来越细；当变形程度大于95%后，又会出现再结晶后晶粒粗大。2.4.3金属的冷、热变形加工一、冷、热加工的概念及特征二、金属热加工时组织和性能的变化1）可改变金属材料内部夹杂物的形状及分布情况，形成“流线”2）细化晶粒3）焊合气孔、疏松，消除成分不均匀4）热加工时金属塑性好5）热加工时金属表面有氧化热加工冷加工概念在再结晶温度以上的塑性变形（热变形）在再结晶温度以下的塑性变形（冷变形）特征金属材料产生的加工现象能被消除，且变形抗力小，加热可提高材料塑性材料有加工硬化现象、变形抗力大、低塑性材料变形困难加工硬化的实际意义利:强化金属的重要途径；材料加工成型的保证提高材料使用安全性；

弊：变形阻力提高，给金属的进一步塑性变形带来困难,动力消耗增大；脆断危险性提高。塑性变形对金属组织和性能的影响变形类型工艺方法组织变化性能变化冷变形加工冷轧、拉拔、冷挤压、冷冲压、冷镦等晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织趋于各向异性晶粒破碎，形成亚结构，位错密度增加强度提高，塑性下降，造成加工硬化，密度下降冷拉、冷轧等晶粒位向趋于一致，形成形变织构趋于各向异性热变形加工自由锻、模锻、热轧、热挤压等焊合铸造组织中存在的气孔，缩松等缺陷力学性能提高，密度提高击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析减少，晶粒细化夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，缓慢冷却可形成带状组织趋于各向异性，沿流线方向力学性能提高三、金属变形程度常用锻造比表示Y=F0/FF0表示变形前面积

F表示变形后面积钢锭Y=2-3合金钢Y=3-4高速钢Y=5-12四、冷、热变形比较

热变形特点：（1）均匀、细化晶粒（2）消除加工硬化（3）高温、塑性好（4）氧化严重（5）精度差（6）设备贵，维修费高

冷变形特点：（1）不加热（2）精度、表面质量好（3）硬度、强度高（4）材料有方向性（5）设备贵，存在残余应力，易产生裂纹。模块3铁碳合金

概述

3.1铁碳合金及其相图

3.2碳钢

3.3铸铁CompanyLogo概述1、钢和铸铁都是铁和碳的合金，是工业上应用最广泛的重要金属材料。2、含碳量为0.0218%~2.11%的称钢3、含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。4、不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（碳钢）;5、特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢。返回

3.1铁碳合金及其相图3.1.1纯铁及其特性

3.1.2铁碳合金的基本相

3.1.3铁碳合金相图

3.1.4铁碳合金相图的应用3.1.1纯铁及其特性铁(Fe)是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。

纯铁的强度、硬度低，塑性好。纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%～0.20%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaδ=30%～50%ψ=70%～80%ak=128～160J/cm2HBS=50～80图3-1纯铁的冷却曲线及晶体结构变化返回

纯铁的冷却曲线如图3-1所示纯铁在1538℃—体心立方晶格—δ铁（δ-Fe）；冷却到1394℃—面心立方晶格—γ铁（γ-Fe）；冷却到912℃—体心立方晶格—α铁（α-Fe）；如继续冷却，晶格类型不再发生变化，若加热则会发生相反的变化。同素异晶（构）转变：金属具有在不同温度晶体结构不同的特性，晶格类型随温度的改变而改变。如铁、钛、钴等纯铁的同素异晶转变过程可概括为：δ-Fe1394℃γ-Fe912℃α-Fe。1、同素异晶转变时，有结晶潜热产生，同时也遵循晶核形成和长大的结晶规律，与液态金属的结晶相似，故又称为重结晶。2、在纯铁中溶入其他溶质元素时，随温度的改变会有不同的固溶体产生，这些固溶体是钢铁材料的基本组织，因此，产物中才有可能通过不同的热处理来改变钢铁的组织和性能。同素异晶转变对铁碳合金的影响

3.1.2铁碳合金的基本相1.铁素体定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：bcc体心立方晶格碳溶解度：0.0218%（727℃），0.0057%（600℃），0.0008%（室温）性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaHBS=50～80δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=160～200J/cm2铁素体室温时的性能与纯铁相似显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状，晶界曲折，如图3-2所示。图3-2铁素体的显微组织示2、奥氏体（A或γ）定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：面心立方晶格溶解度：0.77%(727℃)-2.11%(1148℃)温度范围：727℃-1495℃性能：σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%高塑性、无磁性图3-3奥氏体的显微组织示意图奥氏体塑性、韧性好强度、硬度较低常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。奥氏体的显微组织与铁素体相似，呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直3、渗碳体（Fe3C）定义：Fe与C形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：HBS=800δ≈0ψ≈0

硬而脆→钢中强化相（耐磨性好）

Fe3C3Fe+C（石墨）弱的铁磁性(<230℃)石墨碳晶格结构：简单六方性能:加工性能机械性能XYZABA石墨的晶体结构高温渗碳体常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大影响。

珠光体（P）定义：F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPaHBS=180δ≈20%～25%ak=30～40J/cm2

综合性能提升补充：铁碳合金的组织组成

莱氏体（Ld或Le）定义：A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆符号表示概念性能相固相固溶体铁素体F碳溶于α－Fe中的间隙固溶体具有良好的塑性和韧性，但强度硬度不高奥氏体A碳溶于γ－Fe中的间隙固溶体与溶碳量和晶粒大小有关，硬度较低而塑性较高，易于锻压成形金属化合物渗碳体Fe3C具有复杂晶格的间隙化合物硬度很高而塑性和韧性几乎为零，脆性极大液相L基本组织：

单相组织:F、A、Fe3C

莱氏体Ld:(A＋Fe3C)在共晶点上得到,

塑性韧性很差,是硬而脆的组织

变态莱氏体(Ld′):P＋Fe3C

珠光体P:(F＋Fe3C)在共析点上得到，具有良好的力学性能铁碳合金的基本相和组织共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。γβα共析转变：γ

→α+β转变产物：共析组织Lβα共晶转变：L→α+β转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别3.2碳

钢3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响

3.2.2杂质元素对碳钢性能的影响

3.2.3碳钢的分类、牌号、性能及应用3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响CompanyLogo图3-17含碳量对钢组织和力学性能的影响CompanyLogo返回

3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响亚共析钢:随着含碳量的增加，组织中的珠光体比例增加，铁素体比例减少，所以，它的强度、硬度随之增加，而塑性、韧性则下降。过共析钢:随着含碳量的增加，晶界上的二次渗碳体越来越多，并且逐渐形成连续的网状渗碳体。含碳量在0.9%以下，形成的网状渗碳体还不连续时，钢的强度随含碳量的增加而增加；当含碳量大于0.9%并形成连续网状渗碳体时，钢的强度开始下降。⒊含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好铸造焊缝组织模锻切削加工3.2.2杂质元素对碳钢性能的影响1.各种杂质元素的来源2.杂质元素的种类3.各种杂质元素的作用4.各种杂质元素的含量锰、硅、硫、磷1.锰(Mn:

0.8%时为杂质)来自炼钢原料（生铁和脱氧剂锰铁）有益元素a.锰有较好的脱氧能力，可使钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量；b.锰与硫能生成MnS，以减轻硫的有害作用；c.锰大部分溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，一部分锰能溶于渗碳体中形成合金渗碳体。碳钢中wMn=0.25％～0.8%当锰含量不高时，对钢性能影响不大。2.硅来自:生铁和脱氧剂有益元素a.与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响；b.强化铁素体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度。c.增加钢液流动性镇静钢（用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢）中wＳi=0.1%-0.4%，沸腾钢（只用锰铁脱氧）中wＳi=0.03%-0.07%当含硅量不高时，对钢性能影响不大。CompanyLogo3.硫来源：矿石和燃料有害元素硫不溶于铁，以FeS的形式存在于钢中。FeS与Fe形成低熔点共晶体，熔点为958℃，分布在奥氏体晶界上，当钢在1000℃～1200℃进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，导致钢开裂，产生热