教学材料《汽车材料》-第1章

１.１金属材料的性能材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，反映了材料在使用过程中所表现出的特征，决定材料的应用范围、安全可靠性和使用寿命。它包括物理性能、化学性能、力学性能等。工艺性能是指在制造机械零件或工具的过程中适应各种冷、热加工的性能。它反映材料在加工制造中所表现出来的特征。优良的工艺性能可使材料比较容易采用各种加工方法制成各种形状、尺寸的零件和工具。１.１.１金属材料的物理性能物理性能是指不发生化学变化就能表现出来的一些特征，主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。下一页返回１.１金属材料的性能（１）密度。所谓密度，就是单位体积材料的质量。对于不同的材料，其密度不同。按其密度大小，金属材料被分为轻金属材料（密度＜４.５ｋｇ／ｍ３）和重金属材料（密度≥４.５ｋｇ／ｍ３）。因此，密度是合理选择材料时必须考虑的主要因素之一。当有两种强度相似的金属材料可供选择时，采用密度小的材料就可制出同重量而体积大，或同体积而重量轻的零配件。这对于航空工业尤为重要。在实际工作中，还常常根据金属的密度估计材料的重量，鉴别金属的种类等。（２）熔点。所谓熔点，就是在常压下，对材料缓慢加热，使之由固态变为液态时的温度。熔点是铸造、焊接、配制合金等工艺必须考虑的重要参数。根据金属材料熔点的高低，可以选择不同的用途。例如：高熔点材料，常被用来制造耐高温的零件，如高速切削刀具、灯丝、加热器等；而低熔点金属则常被用于制造熔断器、防火安全阀等。上一页下一页返回１.１金属材料的性能（３）导电性。材料传导电流的能力被称为导电性。银的导电性虽然最好，但因它是贵金属，故工业中常用导电性次之的铜或铝来制作导体。对于工业炉中的加热元件，选用电阻系数高的镍铬铁合金来制作。这是因为电阻系数愈大，相同电流在同样时间内通过时放出的热量愈多。（４）导热性。材料传导热量的能力被称为导热性。材料越纯，导热性越好；内外温差越小，越有利于热加工。导热性差，内外温差大，相应的内应力就大，加热和冷却时易产生变形和裂纹。故对金属材料进行锻造、焊接、热处理等加工时，其导热性是必须考虑的重要性能之一。导热性好的材料常被用来制造热交换器等传热设备的零部件。（５）热膨胀性。材料随着温度升高而产生体积膨胀的性能被称为热膨胀性。通常采用线膨胀系数（α）表示材料的热膨胀性，即材料随着温度每升高１℃所引起的线度增长量与０℃时的线度之比值，单位为℃。上一页下一页返回１.１金属材料的性能该系数对工业选材意义重大。如生产精密仪器、仪表、量具等，所选材料的α值越小越好，以保证当温度变化时设备或仪器的精度。（６）磁性。材料在磁场中能被磁化或导磁的能力，被称为磁性。磁性材料可被分为软磁性材料和硬磁性材料两种。软磁性材料（如电工用纯铁、硅钢片等）容易被磁化，导磁性能良好，但当去掉外加磁场后，磁性基本消失。硬磁性材料又叫永磁材料（如铝镍系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料等），在去除外加磁场后，仍然能保持磁性，磁性不会消失。许多金属材料，如铁、镍、钴等均具有较高的磁性；而有些金属材料，如铜、铝、铅等则无磁性。非金属材料一般无磁性。通常磁性也是工业选材的重要依据之一。上一页下一页返回１.１金属材料的性能１.１.２金属材料的化学性能材料的化学性能是指在常温或高温条件下，材料抵抗各种腐蚀性介质或氧化物对其腐蚀或氧化的能力，一般指的是抗腐蚀性和抗氧化性，它们统称为化学稳定性。（１）抗腐蚀性。抗腐蚀性是指材料抵抗各种腐蚀介质腐蚀的能力。这些腐蚀介质包括干燥的气体（如Ｏ２，ＳＯ２，Ｃｌ２等），不导电的流体（如润滑油、汽油等），以及电解质溶液（如酸、碱、盐等）。据统计，全世界每年因腐蚀而消耗的金属就达１亿ｔ以上。因此，腐蚀是许多金属零件和工程结构件丧失工作能力的重要原因之一。工程上经常采用的防腐蚀方法主要有：①选择耐蚀材料，如不锈钢、钛合金、陶瓷材料、高分子材料等。上一页下一页返回１.１金属材料的性能②表面涂层，如电镀镍（Ｎｉ）、铬（Ｃｒ），热浸镀锌（Ｚｎ）、锡（Ｓｎ）、铝（Ａｌ）、铅（Ｐｂ），热喷涂陶瓷及喷涂涂料、搪瓷、塑料等。③电化学保护，如牺牲阳极保护和外加电位的阴极保护。④加缓蚀剂，如在含氧水中加入少量重铬酸钾。（２）抗氧化性。抗氧化性是指材料在高温下抵抗氧化的能力，又被称为热稳定性。若在钢中加入铬（Ｃｒ）、硅（Ｓｉ）、铝（Ａｌ）等元素，则可以提高钢的抗氧化能力，或在加热时，在材料的周围制造一种保护气氛，以避免金属的氧化。１.１.３金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能，包括弹性、刚度、强度、塑性、冲击韧性、疲劳强度、硬度等，是通过一系列试验来测定的。上一页下一页返回１.１金属材料的性能金属材料静拉伸试验，详见附录Ａ课程试验（一）。金属材料夏比摆锤冲击试验、金属室温旋转弯曲疲劳试验详见扩展知识。根据试验数据绘制的应力—应变曲线、疲劳曲线如图１－１～图１－３所示。力学性能的术语和符号在新、旧标准中的对照见表１－１。１.１.３.１弹性物体受外力作用变形后，除去作用力时能回复到原来形状的性质叫作弹性，其衡量指标称为弹性极限，即不产生塑性变形的最大应力，用Ｒｅ表示，单位为ＭＰａ。Ｒｅ数值越大，说明弹性越好。弹性极限是仪表弹簧、汽车板簧等弹性元件的重要衡量指标。上一页下一页返回１.１金属材料的性能１.１.３.２刚度刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力，其衡量指标用弹性模量Ｅ（在弹性阶段，应力Ｒ与应变ε成正比例关系。其比值Ｒ／ε被称为弹性模量，用Ｅ表示）表示。其值越大，表示材料越不容易产生弹性变形，即材料的刚度越大。镗床的镗杆、齿轮轴等零件和构件均要求有足够的刚度。１.１.３.３强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。实际生产中常用的衡量指标主要有屈服强度和抗拉强度。（１）屈服强度。屈服强度是指外力不增加，但变形继续进行时的应力，用ＲｅＬ表示，单位为ＭＰａ。上一页下一页返回１.１金属材料的性能ＲｅＬ数值越大，表示材料越不容易产生塑性变形，允许的工作应力越高屈服强度是工程上较重要的力学性能指标之一，用来衡量在工作时不允许产生明显的塑性变形零件及构件，如汽车连杆、紧固螺栓等的工作应力，否则将丧失其自身精度或影响配合。（２）抗拉强度。抗拉强度是指材料在拉断前所能承受的最大应力，用Ｒｍ表示，单位为ＭＰａ。当应力达到抗拉强度Ｒｍ后就会发生颈缩而断裂，所以抗拉强度Ｒｍ是在常温静载下衡量材料能否断裂的主要抗力指标。屈服强度与抗拉强度的比值ＲｅＬ／Ｒｍ称屈强比，是工程中常用的静拉伸强度指标。屈强比越小，工程构件的可靠性越高。即使外加载荷或某些意外因素使材料发生变形，也不至于立即断裂；但如果屈强比过小，则说明材料的有效利用率太低。因此，应合理选择屈强比。上一页下一页返回１.１金属材料的性能１.１.３.４塑性塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不破裂的能力。常用的塑性指标有断后伸长率（Ａ）和断面收缩率（Ｚ）两种。Ａ或Ｚ数值越大，则材料的塑性越好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的先决条件，可保证冲压、轧制、汽车外壳凹陷修复等工艺的顺利进行。１.１.３.５韧性韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。其常用的衡量指标为冲击韧度，用ａＫ表示。ａＫ＝Ｋ／Ｓ０式中：ａＫ———冲击韧度（Ｊ／ｃｍ２）；Ｋ———冲击吸收能量（Ｊ）；上一页下一页返回１.１金属材料的性能Ｓ０———试样缺口处的横截面积（ｃｍ２）。在相同条件下，不同材料的冲击试验能量Ｋ值越大，冲击韧度值ａＫ越大，材料的韧性越好。许多零（构）件在工作时常常受冲击载荷作用，例如汽车高速行驶时急刹车或通过道路上的凹坑、飞机起飞或降落、锻压机锻造或冲压等，所以需具有足够的韧性才能正常工作。试验表明（如图１－４所示），冲击吸收能量Ｋ和冲击韧度ａＫ随温度的降低而减小。当温度降至某一数值ＴＫ（该温度被称为韧脆转变温度）时，冲击韧度急剧下降，钢材由韧性断裂变为脆性断裂。例如，碳素结构钢的韧脆转变温度为－２０℃。用其制造的桥梁、输送管道等，必须考虑其周围环境温度，以避免在冬季发生脆性断裂事故。上一页下一页返回１.１金属材料的性能１.１.３.６疲劳疲劳是指材料在交变载荷作用下发生破坏的现象。其衡量指标被称为疲劳强度或疲劳极限，即指材料经受无数次应力循环仍然不断裂的最大应力，用Ｒｒ表示。如果作用的是对称循环应力，则用Ｒ－１表示。由于疲劳试验的循环周数不可能达到无限次，根据零件的工作条件和使用寿命要求，确定不同情况下的循环次数作为循环基数，可将材料在达到循环基数而不发生断裂的最大应力理解为这种材料的疲劳强度。一般钢铁材料的循环基数为１０７次，非铁金属和高强度钢的循环基数为１０８次。许多零件，如轴、齿轮、弹簧等都是在交变载荷下进行工作的。材料在交变载荷的作用下，即使所受应力低于屈服强度也会发生断裂。这种现象被称为疲劳断裂。上一页下一页返回１.１金属材料的性能据统计，机械零件断裂失效中有８０％以上是属于疲劳断裂。与静载荷和冲击载荷下的断裂相比，疲劳断裂引起断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强度，并且断裂时无明显的宏观塑性变形，无预兆而突然发生，所以危害极大。为提高机械零件的疲劳强度，应采取如下措施：（１）在设计上要避免缺口、尖角和截面突变，以防应力集中而引起疲劳裂纹。（２）对材料采取细化晶粒和减少缺陷的措施。（３）机械加工要求降低表面粗糙度，减少表面的刀痕、碰伤、划痕等。（４）可通过化学热处理、表面淬火等表面强化途径，使机械零件表面产生残余压应力，削弱表面拉应力，降低疲劳裂纹产生的概率。上一页下一页返回１.１金属材料的性能１.１.３.７硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕和划痕的能力。衡量材料软硬程度通过试验测定。工程上常用的方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等实验方法。（１）布氏硬度（ＧＢ／Ｔ２３１.３—２００２）。如图１－５所示，布氏硬度的试验原理是：用一定直径（Ｄ）的硬质合金球，在规定载荷（Ｆ）的作用下，压入试样表面并保持一定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕直径，取其平均值（ｄ），查表得出硬度值，用符号ＨＢＷ表示，习惯上不标注单位。例如６００ＨＢＷ１／３０／２０，表示用直径１ｍｍ的硬质合金球压头在２９４.２Ｎ试验力下保持２０ｓ测定的布氏硬度值为６００。当试验力保持时间在１０～１５ｓ时不标注。例如３５０ＨＢＷ５／７５０，表示用直径５ｍｍ的硬质合金球压头在７.３５５ｋＮ试验力下保持１０～１５ｓ测定的布氏硬度值为３５０。ｄ值越大，硬度越低。上一页下一页返回１.１金属材料的性能进行布氏硬度试验时，可根据材料种类、试样的硬度范围等（参照表１－２的硬度试验规范），选择试验压头直径Ｄ、试验力Ｆ及试验保持时间。（２）洛氏硬度（ＧＢ／Ｔ２３０.１—２００９）。如图１－６所示，洛氏硬度的实验原理是：将压头（金刚石圆锥体、硬质合金球等）在初试验力Ｆ０下压入试样表面５深度为１，加入主试验力Ｆ１，压头位置到７引起压入深度为２，经规定保持时间后，卸除主试验力Ｆ１后弹性恢复深度为３，以６为测量基准，测量残余压入深度ｈ为４。洛氏硬度值无单位，可在读数表盘上直接读出。例如５０ＨＲＢＳ，表示用直径１.５８７５ｍｍ硬质合金球压头在９８０.７Ｎ试验力作用下保持２～６ｓ时间测得的洛氏硬度值为５０ＨＲＢ；６０ＨＲＣＷ，表示用１２０°金刚石圆锥体压头在１４７１Ｎ试验力作用下保持２～６ｓ时间测得的洛氏硬度值为６０ＨＲＣ。上一页下一页返回１.１金属材料的性能当洛氏硬度试验采用不同的压头和载荷时，可以测试从软到硬的各种材料。最常用的３种洛氏硬度列于表１－３中，其中ＨＲＣ应用最多。洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，压痕小，可直接测量成品或较薄工件；缺点是准确度较差，不宜测试组织不均匀的材料。因此，需在不同位置测定３点，取其平均值。（３）维氏硬度（ＧＢ／Ｔ４３４０.１—２００９）。如图１－７所示，维氏硬度的试验原理与布氏基本相同。其不同点是用一个相对夹角为１３６°的金刚石正四棱锥体压入试样表面，用符号ＨＶ表示。维氏硬度不需计算，一般根据压痕对角线长度平均值查表得出。例如６４０ＨＶ３０／２０，表示用相对夹角为１３６°的金刚石正四棱锥体压头在２９４.２Ｎ试验力下保持２０ｓ测定的维氏硬度值为６４０。上一页下一页返回１.１金属材料的性能维氏硬度试验法所加载荷小，压痕小，测量的精度比布氏硬度高，适用于测定经表面处理及薄件的材料硬度；但维氏硬度试验操作不如洛氏硬度试验简便、迅速，不适宜批量生产的常规试验。部分汽车零部件常用材料的硬度见表１－４。常用金属材料的力学性能指标及含义见表１－５。１.１.４金属材料的工艺性能工艺性能是指在加工过程中材料所表现出来的性能。按工艺方法的不同，它可分为铸造性、压力加工性（锻造、冲压）、冷弯性、焊接性、切削加工性、热处理性等。（１）铸造性能。将材料浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸模型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，被称为铸造（俗称“翻砂”）。上一页返回下一页１.１金属材料的性能对金属材料而言，铸造性能主要指液态金属的流动性，以及凝固过程中的收缩性和偏析。流动性即液态金属的流动能力。流动性越好，充型能力愈强，愈利于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的精密铸件，还利于对金属冷凝过程产生的收缩进行补缩。收缩性是指金属凝固和冷却时金属体积收缩的程度。收缩性大，铸件凝固时变形大，若得不到及时补缩，易产生缩孔、疏松、裂纹等铸造缺陷。偏析是指金属凝固后化学成分的不均匀性。偏析越大，铸件各部分成分越不均匀。这对确保大型铸件的质量相当重要。常用金属材料中，接近共晶成分的合金铸造性能最好，如铸铁、硅铝明等。铸造性能较好的金属材料有铸铁、铸钢，以及铸造铝合金和铜合金等。铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，而铸铁又优于铸钢。上一页返回下一页１.１金属材料的性能（２）压力加工性能。压力加工性能是指材料接受冷、热压力加工成型难易程度的一种工艺性能，常用金属的塑性和变形能力来综合衡量。塑性越大，变形抗力越小，压力加工性越好；反之，则越差。冷压力加工主要指冷冲压、挤压、冷锻等高效率的压力加工方法，通常在室温下进行。检验金属材料冲压性能的方法是杯突试验（ＧＢ／Ｔ４１５６—２００７），又名艾利克森试验，适用于厚度在２ｍｍ及以内的板材或带材。试验在艾利克森试验机上进行，用规定尺寸的钢球或球形冲头，向夹紧于规定压模内的试样施加压力，直到试样开始产生第一条裂纹为止。此时的压入深度（ｍｍ）即金属材料的杯突深度。杯突深度不小于规定值时就被认为试验合格。显然，金属材料能承受的杯突深度愈大，材料的冲压性能愈好。上一页返回下一页１.１金属材料的性能热压力加工是指加热到某一温度下的压力加工，如锻造、热冲压等。顶锻试验（ＹＢ／Ｔ５２３９—２００６）和锻平试验（ＧＢ２３７—１９８２）都是检验金属材料锻造性能的方法。顶锻试验被分为常温下进行的冷顶锻试验和在锻造温度下进行的热顶锻试验。金属材料试样按规定程度做顶锻变形后，对试样侧面进行检查，如无裂缝、裂口、贯裂、折叠或气泡等缺陷，则表示合格。锻平试验是使材料试样在冷或热状态下承受规定程度的锻平变形。若无裂缝或裂口，则表示合格。常用金属材料中，形变铝合金和铜合金、低碳钢和低碳合金钢的塑性好，有较好的冷压力加工性能。铸铁和铸造铝合金完全不能进行冷、热压力加工。高碳高合金钢，如高速钢、高铬钢等不能进行冷压力加工，其热加工性能也较差。高温合金的热加工性能更差。上一页返回下一页１.１金属材料的性能（３）焊接性。材料的焊接性能，是指被焊材料是否易于焊接在一起，并能保证焊接质量的性能。焊接性能包括两方面：一是工艺可焊性，主要指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂缝的可能性；二是使用可焊性，主要指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其他特殊性能。常用金属材料中，铝合金和铜合金焊接性能不好，低碳钢的焊接性能好，高碳钢的焊接性能差，而铸铁很难焊接。（４）切削加工性。切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。常用衡量切削加工的指标主要有：①一定条件下的切削速度。材料允许的切削速度越高，切削加工性能越好。②切削力。在相同的切削条件下，切削力较小的材料，耗能少，刀具寿命长，切削加工性能好。上一页返回下一页１.１金属材料的性能③已加工表面质量。凡容易获得好的表面质量的材料，其切削加工性能较好。④切削控制或断屑的难易。凡切削较易控制或易于断屑的材料，其加工性都较好。常用金属材料中，铝及铝合金的机械加工性能较好，钢中以易切削钢的切削加工性能最好，而奥氏体不锈钢及高碳高合金的高速钢的切削加工性能较差。（５）热处理性能。热处理性能主要指淬透性、淬硬性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向及变形开裂倾向等。这些将在“１.４金属材料的热处理”中进行详细介绍。上一页返回１.２金属材料的晶体结构不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属材料性能的这些差异，主要是由金属材料内部结构决定的。１.２.１晶体结构的基本概念（１）晶体与非晶体。固态物质内部粒子有规则排列聚合被称为晶体，如金刚石、固态金属等；反之，则被称为非晶体，如松香、普通玻璃、石蜡等。晶体物质在性能上表现为具有一定的熔点，如：固态铁，温度升高超过１５３８℃时转变成液态；而非晶体物质随温度升高，逐渐变软为胶体，最后成为液体，无固定的熔点。此外，晶体物质在不同方向上具有不同性能，即表现出晶体的各向异性特征；而非晶体物质在各方向上由于原子的聚集密度大致相同，因此表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。下一页返回１.２金属材料的晶体结构（２）晶格与晶胞。在晶体中原子是按一定的规律在空间有规则地堆垛的。为了便于分析晶体中原子排列的情况，我们用假想的线条把固定位置上的原子在空间的３个方向上互相连接起来而形成三维空间格架。每个原子的中心就处在空间格架的节点上。这种用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架被称为晶格。它能简括地表明各类原子在晶体结构中排列的规律性。由于晶体中原子排列的规律性可以从晶格中提取能够完全代表晶格结构特征的最基本的几何单元，故将之称为晶胞。为表示晶胞的几何形状和大小，晶胞各棱边长度分别用ａ，ｂ，ｃ表示，它们被称为晶格常数，单位为ｎｍ。１ｎｍ＝１０－９ｍ。棱边之间的相互夹角分别以α，β，γ表示，它们被称为棱间夹角。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（３）晶面与晶向。如图１－１３所示，晶面就是晶体中一系列原子组成的原子平面。如图１－１４所示，晶向就是晶体中任意两个原子之间连成的直线所指的方向。不同的晶面和晶向原子的排列密度不同，原子的结合力大小也不一样。所以，晶体在不同晶面和晶向上的物理、化学和力学性能都会显示出差别。这就是所说的各向异性。在工业用的金属材料中，通常见不到这种明显的各向异性特征。这是因为一般工业用的固态金属都是由许多细小的晶粒组成，而每一个晶粒都是由大量位向相同的晶胞组成的，但晶粒与晶粒之间存在位向上的差别。由于晶粒在空间位向上是任意的，所以晶粒的各向异性特征被相互抵消，因而表现为各向同性。如果采用特殊的处理工艺，则也可以得到组成实际金属每个晶粒的位向大致相同，那么金属也会表现出明显的各向异性。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构１.２.２金属常见的晶格类型金属最常见的晶格类型有３种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。（１）体心立方晶格。体心立方晶格的晶胞如图１－１５所示。在晶胞中立方体的８个顶角和立方体的中心各排列一个原子。具有此晶格的金属有α－铁、铬、钨、锰、钒等。（２）面心立方晶格。面心立方晶格的晶胞如图１－１６所示。在晶胞中立方体的８个顶角和６个面的中心各排列一个原子，具有此晶格的金属有γ－铁、铜、铝、金、银、铅、镍等。（３）密排六方晶格。密排六方晶格的晶胞如图１－１７所示。在晶胞中，除了六方柱体的１２个顶角和上、下两个底面的中心各排列一个原子外，在柱体中心还等距离地排列着３个原子。具有此晶格的金属有镁、锌、镉、铍等。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构１.２.３实际金属的晶体结构如图１－１８（ａ）所示，如果一块金属晶体内部的晶格位向完全一致，则该金属为单晶体。单晶体在自然界中几乎不存在，但可用特殊方法制成，如单晶硅。如图１－１８（ｂ）所示，如果一块金属晶体由多个位向不同的微小晶体组成，则该金属为多晶体。每个小晶体都相当于一个单晶体。其内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向却不相同。这种不规则的小晶体被称为晶粒，而晶粒与晶粒之间的接触界面被称为晶界。实际应用的金属材料是多晶体结构。在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性的区域。这就是晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为３类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（１）点缺陷。如图１－１９所示，在晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成了空节点，被称为空位；某个晶格间隙挤进的原子被称为间隙原子。由于间隙较小，通常成为间隙原子的物质原子半径都很小，如钢中的碳、氢、氧、氮、硼等。占据晶格节点位置的异类原子被称为置换原子。其大小与基体原子相似。空位、间隙原子和置换原子等缺陷的特征是三维空间的３个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，因此被称为点缺陷。如图１－２０所示，空位、间隙原子和置换原子等点缺陷都使周围的晶格偏离了理想晶格，出现了畸变。这种晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲的现象，被称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的性能发生变化，如可使金属晶体的强度、硬度升高，电阻增大，塑性降低等。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（２）线缺陷。如图１－２１所示，在这个晶体ＡＢＣＤ面的上方，多出一个垂直的半原子面ＥＦＧＨ，中断于ＡＢＣＤ面的上方。这种晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象，被称为位错。多出的半原子面ＥＦＧＨ，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开。这种位错又被称为刃型位错。该缺陷的特征是在三维空间的两个方向上的尺寸均很小，而另一个方向上的尺寸却相对很大，因此被称为线缺陷。属于线缺陷的还有其他类型的位错，如螺旋位错、混合位错等。在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，改变了金属的力学性能，如强度提高，塑性和韧性下降。在生产中，通过冷变形加工等形变强化方法，使金属位错增多来提高金属强度，达到强化金属的目的。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（３）面缺陷。如图１－２２（ａ）所示，晶界处的原子排列是不规则的；如图１－２２（ｂ）所示，即使是一个晶粒，内部也存在尺寸很小、位向差很小的小晶块，被称为亚晶粒。亚晶粒之间的界限被称为亚晶界。该处的原子排列，如晶界处，一样是不规则的。晶界、亚晶界等缺陷的特征是在一个方向上的尺寸很小，而另外两个方向上的尺寸却相对很大，因此被称为面缺陷。面缺陷同样使晶格产生畸变，因此晶界具有了一系列不同于晶粒内部的特性，如易腐蚀，熔点低，冷塑性变形抗力大，强度高，硬度高等。实际生产中，常通过可细化晶粒的方法，增加晶界数量，提高金属的强度和硬度。这是强化金属的有效手段之一；同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到了改善。总之，金属的各种结构缺陷都会造成晶格畸变，对金属的性能产生影响。所以，在生产中，运用形变强化的方法（如压力加工），通过金属材料的塑性变形使其内部的晶体产生缺陷，以达到强化金属材料的目的。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构１.２.４合金的基本概念纯金属大多具有优良的塑性、韧性，以及导电、导热性能，但制备比较困难，成本较高，种类有限，并且综合力学性能较低，难以满足工程上对材料的要求。因此，工程上大量使用的都是根据性能要求配制的各种不同成分的合金。（１）合金。所谓合金，是指由一种金属元素与一种或几种其他元素结合而形成的具有金属特性的新物质。绝大多数的合金都是通过熔化、精炼、浇注制成的。只有少数合金是在固态下通过制粉、混合、压制、烧结等工艺制成的。不同成分的合金可以显著地改变金属材料的结构、组织和性能，在强度、硬度、耐磨性等力学性能方面远远高于纯金属，并且在电、磁以及化学稳定性等方面也不逊于纯金属。所以，工程上金属材料的应用大多以合金为主。特别是钢和铸铁这两种现代工业中最重要的金属材料，就是由铁和碳为基本组元组成的铁碳合金。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（２）组元。组成合金所必需的并能独立存在的物质被称为组元，简称元。组元既可以是金属或非金属元素，如Ｆｅ，Ｃ，Ｃｕ，Ｚｎ等，有时也可以是较稳定的化合物，如Ｆｅ３Ｃ，Ａｌ２Ｏ３等。例如普通黄铜是Ｃｕ和Ｚｎ两个组元组成的二元合金，组元就由铜元素与锌元素两种组成。锰钢是在以铁和碳两种元素为主的合金基础上加入锰元素，所以由Ｆｅ，Ｃ，Ｍｎ３种组元组成。另外，合金中稳定化合物也可以作为组元。例如铁碳合金中的Ｆｅ３Ｃ就是以铁碳合金中一个组元形式出现的。（３）相。在合金系统中，某一晶体结构相同、化学成分均匀，并有明显界面与其他部分区分开来的部分被称为相。例如，在从成分均匀的液体合金中结晶出某种晶体的过程中，合金系统是由两相，即液相和固相组成的；当全部凝固成一种晶体后，合金就由单一结构的晶体相组成。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构又如液体合金在结晶出两种结构各异的晶体过程中，合金是由３相，即液相和两种固体相组成的；当全部凝固成上述两种晶体后，合金就由两种固体相组成。由一种固相组成的合金被称为单相合金。由几种不同固相组成的合金被称为多相合金。（４）组织。是由用肉眼或借助于显微镜能够观察到的合金的相组成的，包括相的数量、形态、大小、分布及各相之间的结合状态特征。相是组成组织的基本部分。同样的相可以形成不同的组织。组织是决定材料性能的一个重要因素。在相同条件下，不同的组织使材料表现出不同的性能。如何控制、改变组织对金属材料的生产具有重要意义１.２.５合金的组织合金的组织根据各组元之间的物理、化学性质和相互作用关系分为固溶体、金属化合物和机械混合物。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（１）固溶体。如图１－２３所示，一种组元均匀地溶解在另一组元中形成的晶体相被称为固溶体。固溶体形成后，它的晶体结构就是在一种组元的晶格上分布着两种组元的原子。组成固溶体的组元也与溶液一样，有溶质和溶剂之分。其中：晶格保持不变的组元被称为溶剂，而晶格消失的组元被称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格的分布状态，固溶体可被分为置换固溶体与间隙固溶体。如图１－２３（ａ）所示，置换固溶体是指溶质原子置换了溶剂晶格节点上某些原子而形成的固溶体。在生产中，加入Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏ等金属元素都能与Ｆｅ形成置换固溶体，成为合金钢。在置换固溶体中，若溶质和溶剂两者晶格类型相同，电子结构相似，原子半径差别小，在元素周期表中的位置接近，则溶解度就大，甚至可以形成无限固溶体。如图１－２３（ｂ）所示，间隙固溶体是指溶质原子不占据晶格的节点，而分布于溶剂晶格的空隙处所形成的固溶体。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构一般作为间隙固溶体的溶质原子多为原子半径小于０.１ｎｍ的非金属元素，如Ｎ，Ｐ，Ｃ等。由于溶剂晶格的空隙有限，间隙固溶体能溶解的溶质原子数量也是有限的。如图１－２４所示，由于溶质原子和溶剂原子总存在大小和电性上的差别，所以不论形成的是置换固溶体，还是间隙固溶体，其晶格常数都必然会有胀缩的变化，从而导致晶格畸变。这种晶格畸变使合金的塑性变形抗力提高。因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象，被称为固溶强化。这是提高金属材料强度的重要途径之一。单纯的固溶强化对材料强度的提高毕竟是有限的，所以只有在固溶强化的基础上再补充其他的强化方法才能够满足人们对结构材料力学性能日益增长的需要。上一页下一页返回１.２金属材料的晶体结构（２）金属化合物。在合金中，当溶质的含量超过该固溶体的溶解度时，各组元原子按一定数比结合形成的具有金属性质的晶体相，被称为金属化合物。金属化合物可用分子式表示，如Ｆｅ３Ｃ，ＣｕＡｌ２等。金属化合物中一般都具有比较复杂的晶体结构，如图１－２５所示的渗碳体的晶体结构。金属化合物的性能特点是熔点高、硬而脆，所以一般不能被单独使用。（３）机械混合物。当组成合金的各组元在固态下既不形成固溶体，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在时，就形成了各组元晶体的机械混合物。混合物中的各组成相既不溶解，也不化合，仍然保持各自的晶格结构。其力学性能取决于各组成相的性能，形成综合性能。生产中通过调整各组成相的形状、大小、数量及分布状况，使合金的力学性能在较大范围内变化，以满足工程上对材料的各种需求。合金中金属化合物作为强化相强化金属材料的方法，被称为第二相强化。上一页返回１.３金属材料的结晶１.３.１纯金属的结晶１.３.１.１热分析实验法及冷却曲线如图１－２６所示，将欲测定的金属首先放入坩埚内加热熔化，而后以缓慢的速度进行冷却，每隔一定时间，测定一次温度，并把测得的数据绘在“温度—时间”坐标中，得到一曲线（被称为冷却曲线），显示在记录仪中。１.３.１.２过冷现象及过冷度从图１－２７中可见，在金属冷却时，随时间的延长，液态金属的温度不断地下降。当冷却到某温度时，液态金属出现等温阶段，即冷却曲线上出现一个“平台”。经过一段时间后，金属温度开始又随时间延长而下降。这个平台所对应的温度就是纯金属的实际结晶温度，用Ｔｎ表示。下一页返回１.３金属材料的结晶纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下结晶，得到的结晶温度为理论结晶温度，用Ｔｍ表示。在实际的结晶过程中，金属的实际结晶温度一定低于理论结晶温度。这种现象被称为金属结晶时的过冷现象。实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差，被称为过冷度，用ΔＴ表示，即ΔＴ＝Ｔｍ－Ｔｎ。实际结晶温度越低，过冷度越大。过冷度的大小，主要取决于金属的本性、纯度和冷却速度。生产中一般用改变冷却速度的方法来控制金属的结晶。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，所以过冷度是金属结晶的必要条件。正如水冷却到凝固点０℃并不结冰，只有在０℃以下才开始结冰一样。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶１.３.１.３纯金属的结晶过程如图１－２８所示，金属结晶时，首先在液体［如图１－２８（ａ）所示］中出现极微小的晶体［如图１－２８（b）所示］，然后以它们为核心在液体中长大［如图１－２８（c）所示］。与此同时，在金属液体中还会不断出现极微小的晶体，并不断在液体中长大，直至长大的晶体相遇［如图１－２８（d）所示］，所有液体全部消失为止。这时整个结晶过程结束［如图１－２８（e）所示］。在整个结晶过程中，直接从液体中出现的微小晶体被称为晶核。晶体在液体中长大的全过程，被称为晶核长大。因此，可以认为，纯金属结晶的全过程，是通过不断形成晶核和晶核长大两个过程来完成的。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶１.３.１.４金属晶粒大小对性能的影响及控制措施当结晶完成时，获得了由许多晶粒组成的多晶体组织。晶粒的大小对晶体的性能有很大的影响。由表１－６可见，晶粒越细小，强度越高，塑、韧性越好。所以，一般用来制造工程结构件、机械零件和工具的金属材料，都希望晶粒越细小越好。为了得到细小晶粒的金属材料，在生产中控制晶粒大小的方法主要有以下几种：（１）增大冷却速度。如在铸造生产中，常用金属型代替砂型。（２）变质处理。在实际生产中，最常用细化晶粒的方法。如向铸铁中加入硅铁或硅钙合金，向铝硅合金中加入钠盐等，利用外来质点促进、提高结晶过程中的形核率，或者是让变质剂吸附在已形成的晶核上，降低晶核的长大线速度，从而细化晶粒。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶（３）振动或搅拌浇注。在浇注时，对金属液体加以机械振动、超声波处理或者利用电磁搅动等方法，使生长中的晶核破碎，从而增加晶核数量，达到细化晶粒的目的。１.３.２合金的结晶合金的结晶过程比纯金属复杂得多。常用的研究方法包括热分析法、磁性分析法、膨胀分析法、显微分析法、Ｘ射线晶体结构分析法等。其中，最常用的是热分析法。如图１－２９所示，通过实验，建立起一张体现合金成分、温度和组织状态三者之间关系的简明图表，被称为合金相图，表示合金在平衡条件（即极其缓慢的加热或冷却状态）下，在不同温度和成分时各相关系的图解。为了研究方便，通常用合金相图来分析合金的结晶过程。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶１.３.２.１合金相图的建立以Ｃｕ－Ｎｉ合金为例说明用热分析法建立相图的基本步骤：（１）配置一系列不同成分的铜镍合金。（２）测定各成分合金的冷却曲线，并找到冷却曲线上的临界点（指转折点或平台）温度。（３）在二元合金相图坐标中标出各临界点（成分与温度）。（４）将坐标系中具有相同意义的点以光滑曲线连接，即得到铜镍合金相图。相图中每一个点、线都具有一定的物理意义。这些点、线被称为特性点、特性线。１.３.２.２铁碳合金相图钢铁材料是工业生产和日常生活中应用最为广泛的金属材料，主要由铁和碳两种元素组成，故被称为铁碳合金。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶图１－３０所示为在平衡条件下铁碳合金成分、温度和组织三者之间关系的相图，被称为铁碳合金相图。铁和碳可以形成Ｆｅ３Ｃ，Ｆｅ２Ｃ，ＦｅＣ等各种化合物，但由于实际使用的铁碳合金的碳质量分数基本在５％以下，所以把碳质量分数为６.６９％的Ｆｅ３Ｃ作为一个基本组元。因此，讨论的铁碳合金相图实际上是Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图。为便于分析，图中左上角部分已被简化。在讨论铁碳合金相图之前，首先需要了解纯铁的基本性质。（１）纯铁及同素异构转变。铁是元素周期表上的第２６个元素，相对原子质量为５５.８５，属于过渡族元素。在一个大气压下，它的熔点是１５３８℃，在２７３８℃下汽化。在２０℃时的密度为７.８７９×１０３ｋｇ／ｍ３。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶大多数金属在结晶后晶格类型不再发生变化，但少数金属，如Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｏ等在结晶后晶格类型会随温度的变化发生变化。固态金属在不同温度下，由一种晶格转变为另一种晶格的变化，被称为金属的同素异构转变。如图１－３１所示，通过Ｘ射线结构分析表明，纯铁在１５３８℃结晶后具有体心立方晶格结构，被称为δ－铁（δ－Ｆｅ）；随着温度下降到１３９４℃时，体心立方晶格的δ－铁转变为面心立方晶格结构，被称为γ－铁（γ－Ｆｅ）；温度继续下降到９１２℃时，面心立方晶格的γ－铁又转变为体心立方晶格结构，被称为α－铁（α－Ｆｅ）。再继续冷却，一直到室温，纯铁的晶格类型不再发生变化。需强调说明的是，纯铁的同素异构转变过程是可逆的，正是由于纯铁具有同素异构转变特性，才使钢铁材料通过热处理改变其组织和性能成为可能。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶（２）铁碳合金的基本组织。不同含碳量的铁碳合金，在平衡条件下，冷却至固态时的基本组织有５种：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。１）铁素体（Ｆ）。碳溶解在α－铁中形成的固溶体被称为铁素体，以符号“Ｆ”表示。其显微组织呈明亮的多边形晶粒组织，如图１－３２所示。铁素体存在于９１２℃以下，具有体心立方晶格。铁素体是间隙固溶体，溶解碳的能力很低，在室温下仅能溶解约０.０００８％的碳；当温度达到７２７℃时，含碳量为最大，也只为０.０２１８％。铁素体的组织和性能与纯铁没有明显的区别。它的强度和硬度低（抗拉强度为１８０～２８０ＭＰａ，硬度为５０～８０ＨＢＷ），塑性和韧性好（断后伸长率为３０％～５０％，冲击韧度为１６０～２００Ｊ／ｃｍ２）。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶２）奥氏体（Ａ）。碳溶解在γ－铁中形成的固溶体被称为奥氏体，以符号“Ａ”表示。其显微组织也呈明亮的多边形晶粒组织（如图１－３３所示），但晶界较平直，并且晶粒内部常出现孪晶（图１－３３中晶粒内的平行线）。奥氏体具有面心立方晶格，其间隙较大，所以γ－铁溶碳能力较α－铁大，在７２７℃时为０.７７％。随着温度的升高，溶碳量不断增加，到１１４８℃时其溶碳量最大为２.１１％。在没有其他合金元素作用的情况下，铁碳合金中的奥氏体，只有在７２７℃以上才存在。除某些高合金钢外，一般钢材在正常室温下是不会得到奥氏体的。奥氏体的强度和硬度不高（抗拉强度为４００ＭＰａ，硬度为１６０～２００ＨＢＷ），塑性和韧性很好（断后伸长率为４０％～５０％），变形抗力低，易于锻压成型。奥氏体无铁磁性。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶３）渗碳体（Ｆｅ３Ｃ）。渗碳体是铁与碳形成的化合物，以其分子式“Ｆｅ３Ｃ”表示，碳质量分数ωＣ＝６.６９％，熔点高（约为１２２７℃）。渗碳体（Ｆｅ３Ｃ）晶格结构复杂，硬度很高（硬度为８００ＨＢＷ），塑性和韧性几乎为零，脆性大，不能单独使用。分布在钢中的渗碳体主要起强化作用。其数量、形状与分布情况对铁碳合金的性能都有很大影响。４）珠光体（Ｐ）。珠光体是铁素体和渗碳体两个相组成的机械混合物。其含碳量为０.７７％，以符号“Ｐ”表示。如图１－３４所示，利用高倍显微镜观察时，能清楚看到白色基体铁素体和黑色层片渗碳体间隔分布、交错排列的片状组织。由于珠光体是由强度和硬度低、塑性和韧性好的铁素体与硬而脆的渗碳体组成的两相混合组织，所以它的性能介于上述两者之间，具有较高的强度（抗拉强度为７７０ＭＰａ）和塑性（断后伸长率为２０％～２５％），硬度适中（１８０ＨＢＷ）。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶５）莱氏体（Ｌｄ）。碳质量分数ωＣ＝４.３％的液态合金，冷却到１１４８℃时，可以同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶体。该共晶体被称为高温莱氏体，以符号“Ｌｄ”表示。在温度低于７２７℃时，组织发生转变，形成渗碳体和铁素体组成的机械混合物。该共晶体被称为低温莱氏体，以符号“Ｌ′ｄ”表示。其显微组织如图１－３５所示。黑色部分为珠光体，白色基底为渗碳体。莱氏体中存在大量的渗碳体，性能硬又脆。（３）简化的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中的特性点。简化的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中各特性点的温度、成分和含义见表１－７。碳质量分数为４.３％的铁碳合金，冷却到１１４８℃时，从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，被称为高温莱氏体。该转变为共晶转变，即一定成分的液态金属，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶该点为共晶点Ｓ７２７０.７７碳质量分数为０.７７％的铁碳合金，冷却到７２７℃时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，被称为珠光体。该转变为共析转变，即一定成分的固溶体，在某一恒温下，同时析出两种固相的转变。该点为共析点（４）简化的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中的特性线。简化的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中各特性线的名称和含义见表１－８。碳在奥氏体中的溶解度曲线，即随温度的降低，碳质量分数沿ＥＳ线从２.１１％下降至０.７７％，多余的碳以渗碳体形式析出。从奥氏体中析出的渗碳体被称为二次渗碳体，用“Ｆｅ３ＣⅡ”表示ＰＱ线碳在铁素体中溶解度曲线，即随温度的降低，碳质量分数沿ＰＱ线从０.０２１８％下降至０.０００８％，多余的碳以渗碳体形式析出。从铁素体中析出的渗碳体被称为三次渗碳体，用“Ｆｅ３ＣⅢ”表示。因析出量较少，常与共析渗碳体连在一起而不易分辨，可忽略ＥＣＦ线共晶线。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶（５）铁碳合金的分类。如图１－３６所示，根据铁碳合金中碳的质量分数及室温平衡组织，铁碳合金可分为３类：工业纯铁、钢和白口铸铁。（６）典型铁碳合金的结晶过程。１）共析钢的结晶过程。如图１－３７所示，Ⅰ线对应的碳质量分数ωＣ＝０.７７％的铁碳合金，即共析钢自高温液态沿Ⅰ线向下冷却与ＡＣ线相交（１点）温度时，开始结晶。结晶过程发生的组织转变如图１－３８所示。２）亚共析钢的结晶过程。如图１－３７所示，Ⅱ线对应的碳质量分数ωＣ＝０.０２１８％～０.７７％的某一铁碳合金，即亚共析钢自高温液态沿Ⅱ线向下冷却与ＡＣ线相交（１点）温度时，开始结晶。结晶过程发生的组织转变如图１－３９所示。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶亚共析钢自高温液态冷却到１点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体。１～２（Ⅱ线与ＡＥ线交点）区间为液相和奥氏体共存区间。继续冷却到２点温度时，全部结晶为奥氏体。从２点到３点（Ⅱ线与ＧＳ线交点）温度范围内，为单相奥氏体的自然冷却过程。２～３区间为单一的奥氏体区。当冷却至３点温度时，从奥氏体中析出铁素体，被称为先析出铁素体。从３点到４点（Ⅱ线与ＰＳＫ线交点）温度范围内，随温度下降，先析出铁素体量增多，奥氏体量减少，奥氏体中碳质量分数沿ＧＳ线增加。３～４区间为先析出铁素体和奥氏体两相区。当冷却至４点（７２７℃）温度时，剩余奥氏体碳质量分数达到０.７７％，发生共析转变，从剩余奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体，形成了先析出铁素体和珠光体共存的组织。４点温度以下至室温，组织基本不再发生变化。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶亚共析钢的室温组织为先析出铁素体和珠光体共存的组织，如图１－４０所示。白色部分为先析出铁素体。黑色部分为珠光体。所有亚共析钢的结晶过程都是相似的，只是随碳质量分数的增加，组织中珠光体的量增加，黑色部分增多。３）过共析钢的结晶过程。Ⅲ线对应的碳质量分数ωＣ＝０.７７％～２.１１％的某一铁碳合金，即过共析钢自高温液态沿Ⅲ线向下冷却与ＡＣ线相交（１点）温度时，开始结晶。结晶过程发生的组织转变如图１－４１所示。４）共晶白口铸铁的结晶过程。Ⅳ线对应的碳质量分数ωＣ＝４.３％的铁碳合金，即共晶白口铸铁自高温液态沿Ⅳ线向下冷却与ＥＣＦ线相交（１点）温度时，结晶开始，结晶过程发生的组织转变如图１－４３所示。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶５）亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的组织。Ⅴ线对应的碳质量分数ωＣ＝２.１１％～４.３％的铁碳合金，即亚共晶白口铸铁。Ⅵ线对应的碳质量分数ωＣ＝４.３％～６.６９％的铁碳合金，即过共晶白口铸铁。其结晶过程可参照共晶白口铸铁进行分析。亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体（如图１－４４所示）。呈树枝状分布的黑块是珠光体。珠光体周围的白色网状物是二次渗碳体，而其余部分则为低温莱氏体。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体，如图１－４５所示。白色板条状的为一次渗碳体。基体为低温莱氏体。（７）碳质量分数对铁碳合金组织和钢力学性能的影响。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶１）碳质量分数对铁碳合金组织的影响。碳是组成铁碳合金的两种主要元素之一，虽然含量少，但与铁碳合金的组织密切相关。不同种类的铁碳合金，其室温组织不同，但都是由铁素体和渗碳体两相组成的。随碳质量分数的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加。２）碳质量分数对钢力学性能的影响。铁碳合金的力学性能与碳质量分数间的关系如图１－４６所示。当ωＣ＜０.９０％时，随着碳含量的增加，强度、硬度呈直线上升，塑性、韧性不断下降。这是因为随着碳含量的增加，组织中作为强化相的渗碳体的数量不断增加，引起强度、硬度的上升，塑性、韧性的下降。当ωＣ＞０.９０％时，渗碳体将以网状分布于晶界处或以粗大的片状存在于基体上。这不仅使塑性和韧性进一步下降，而且使钢的强度明显下降。所以，为了保证工业用钢有足够的强度、塑性和韧性，一般钢的ωＣ＜１.４％。对于ωＣ＞２.１１％的白口铸铁，由于组织中存在较多的渗碳体，力学性能硬而脆，并且难以切削加工，所以一般很少在机械制造业应用。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶（８）铁碳合金相图的应用。铁碳合金相图对工业生产具有重要的指导意义，它不仅是合理选用材料的理论基础，而且是制定铸造、压力加工、焊接和热处理等工艺规范的重要依据。１）在选材方面的应用。铁碳合金相图提供了合金的相与组织随成分变化的规律，进而可以通过相与组织的变化判断其性能。这就便于根据制造产品的力学性能要求选择合适的材料。如果需要材料具有较高的塑性和韧性，则应选择低碳钢（ωＣ＜０.２５％）；如果需要材料的强度、塑性和韧性都较好，则应选择中碳钢（ωＣ＝０.２５％～０.６０％）；如果需要材料具有较高的硬度和耐磨性，则应选择高碳钢（ωＣ＞０.６０％）。其中，低碳钢一般被应用于建筑结构和型材用钢，中碳钢一般被应用于机械零部件的制造，而高碳钢一般被应用于工具和耐磨用钢。对于白口铸铁，由于其耐磨性好、铸造性能优良，适用于制造耐磨但不受冲击且形状复杂的铸件。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶２）在铸造工艺方面的应用。如图１－４７所示，根据铁碳合金相图中的液相线可确定不同合金的熔点温度，从而可确定比较合适的浇注温度，为拟定铸造工艺提供依据。由Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图可知，共晶成分合金的凝固温度间隔最小，所以流动性最好，缩孔及疏松产生可能性较低，可以得到比较致密的铸件，并且共晶成分合金的熔点最低，所以可以使用温度要求较低的简易加热设备。因此，在铸造生产中，接近共晶成分的铸铁被广泛应用。３）在锻造加工方面的应用。钢在室温时的组织为两相混合物，因而其塑性较差。只有将其加热到单相奥氏体状态，才能有较好的塑性。因此，钢材的热加工温度应选在单相奥氏体组织的温度范围内进行。如图１－４７所示，钢加热温度选择的原则是，热加工开始温度应被控制在固相线以下２００℃～３００℃范围内，温度不宜太高，以免钢材氧化严重，甚至产生晶界熔化；而热加工终了温度不能过低，以免钢材塑性下降而产生裂纹。上一页下一页返回１.３金属材料的结晶４）在焊接工艺方面的应用。焊接时，焊缝到母材各区域的受热温度是不同的。由铁碳合金相图可知，由于热影响区加热温度不同，该区的组织及性能必然有所不同，在随后的冷却过程中得到的组织和性能也不尽相同。所以，在焊接后要用一定的热处理方法进行改善。５）在热处理工艺方面的应用。各种热处理工艺与铁碳合金相图具有密切的联系。热处理中退火、正火和淬火的加热温度选择都应当参考铁碳合金相图。具体的温度选择原则将在“金属材料的热处理”一节中介绍。上一页返回１.４金属材料的热处理１.４.１热处理概述（１）热处理的概念。如图１－４８所示，热处理是将金属材料通过适当的方式，在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温，从而改变其组织结构，获得所需性能的工艺方法。热处理工艺由加热、保温和冷却３个阶段组成，通常在温度—时间坐标图中用图形表示，被称为热处理工艺曲线，可直观地表示出热处理工艺。热处理工艺只适用于固态下能够发生组织转变的金属材料。通过热处理应只改变金属材料的组织和性能，而不应改变其形状。下一页返回１.４金属材料的热处理（２）热处理的作用。正确的热处理工艺可以消除金属材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使组织和性能更加均匀，改善金属材料的工艺性能和使用性能，还可以使金属材料得到强化，减少零件的重量，延长其使用寿命，提高产品质量，是节约材料和降低成本的主要措施之一，所以在机械制造业中得到了广泛的应用。例如，汽车、拖拉机相关工业中需要进行热处理的零件占７０％～８０％，机床工业中占６０％～７０％，而轴承及各种工具和模具的制造业中则达１００％。凡是重要的机械零件，都需要进行热处理。（３）热处理的基本类型。根据加热和冷却方式的不同可分为普通热处理、表面热处理和其他热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等。表面热处理包括表面淬火和表面化学热处理。表面淬火包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理表面化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、多元共渗等。其他热处理包括时效处理、可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。根据热处理在零件加工过程中所处工序位置和作用不同可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序。其目的是改善锻、铸毛坯件的组织，消除内应力，为后续的机械加工或最终热处理做准备，如退火、正火、调质等热处理。最终热处理是零件加工的最后一道工序。其目的是使经过成形加工后得到最终形状和尺寸的零件达到所需使用性能的要求，如感应加热表面淬火、渗碳等。（４）加热和冷却时钢的临界转变温度。根据Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图可知，ＰＳＫ线（Ａ１线）、ＧＳ线（Ａ３线）和ＥＳ线（Ａｃｍ线）是钢在非常缓慢，即平衡条件下，加热或冷却发生组织转变的温度。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理因此，Ａ１，Ａ３和Ａｃｍ被称为平衡临界温度。但在实际生产中，钢是在一定的冷却速度下进行加热或冷却的，组织转变并不在平衡临界温度发生，大多数都存在不同程度的滞后现象，即过冷现象，加热时移向高温，而冷却时移向低温。图１－４９所示为加热和冷却速度均为０.１２５℃／ｍｉｎ时对临界温度的影响。通常把加热时的实际临界温度加注下标“ｃ”，用Ａｃ１，Ａｃ３，Ａｃｃｍ表示；把冷却时的实际临界温度加注下标“ｒ”，用Ａｒ１，Ａｒ３，Ａｒｃｍ表示。１.４.２钢在加热时的转变对钢进行热处理时，为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，被称为奥氏体化。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理１.４.２.１奥氏体的形成过程以共析钢（ωＣ＝０.７７％）为例说明奥氏体化过程，如图１－５０所示。奥氏体晶核形成后，出现了奥氏体与铁素体和奥氏体与渗碳体的相平衡，但与渗碳体接触的奥氏体的碳浓度高于铁素体接触的奥氏体的碳浓度，因此在奥氏体内部发生了碳原子的扩散，使奥氏体同渗碳体和铁素体两边相界面上的碳的平衡浓度遭到破坏。为了维持浓度的平衡关系，渗碳体必须不断溶解，而铁素体也必须不断转变为奥氏体。这样，奥氏体晶核就分别向两边长大了。在奥氏体形成过程中，铁素体转变为奥氏体的速度一定高于渗碳体的溶解速度，而当铁素体完全转变成奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解，这时必须增加时间进行保温。随着保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体中，直至完全消失。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理当残余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。在原来渗碳体的区域碳浓度较高，继续延长保温时间或继续升温，使碳原子继续扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。当加热温度超过Ａｃ１时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。只有当加热温度超过Ａｃ３或Ａｃｃｍ，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体。１.４.２.２奥氏体晶粒大小对钢性能的影响及控制奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。衡量奥氏体晶粒大小的尺度用晶粒度。实际生产中奥氏体晶粒尺寸通常与８级晶粒度标准金相图（如图１－５１所示）相比较，以确定奥氏体晶粒级别。１～４级为粗晶粒。５～８级为细晶粒。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理奥氏体晶粒尺寸过大会导致热处理后钢的强度降低，实际生产中希望钢在加热后得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒。控制奥氏体晶粒大小的途径有：（１）合理选择加热温度和保温时间。加热温度和保温时间不宜过高和过长。（２）高温快速加热法。采用该法，可增加奥氏体形核率，使奥氏体起始晶粒细小；快速加热，保温时间短，有利于获得细晶粒奥氏体。（３）合理选择钢的原始组织。随着奥氏体含碳量的增加，晶粒长大的倾向也越明显，但当碳以未溶碳化物形式存在时，则会阻碍晶粒的长大。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理（４）选用含有一定量合金元素的钢材。钢中加入能生成稳定碳化物的元素（如铌、钒、钛、锆等）和能生成氧化物及氮化物的元素（如铝），都会不同程度地阻止奥氏体晶粒长大，而锰和磷是促进奥氏体长大的元素。１.４.３钢在冷却时的转变钢的性能与冷却方式有关。４５钢经８４０℃加热转变成奥氏体后，经不同冷却方式冷却，力学性能有着很大差异，见表１－９。如图１－５２所示，在热处理工艺中，奥氏体化后的冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。等温冷却是将已奥氏体化的钢迅速冷却到临界点以下的某一温度进行保温，使其在该温度发生组织转变；连续冷却是将已奥氏体化的钢，以某种速度连续冷却，使其组织在临界点以下的不同温度上转变。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理钢在等温冷却和连续冷却条件下的冷却速度，比在平衡条件下的冷却速度要快得多，发生的组织转变已不能用Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图进行分析，而要用过冷奥氏体等温转变图（如图１－５３所示）和连续冷却转变图来分析过冷奥氏体在不同冷却条件下组织转变的规律。所谓“过冷奥氏体”，是指在相变温度Ａ１以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。过冷奥氏体总是要自发地转变为稳定的新相。１.４.３.１过冷奥氏体的等温冷却转变现以共析钢为例分析过冷奥氏体等温转变的规律。图１－５３所示为共析钢过冷奥氏体等温转变曲线。因曲线呈“Ｃ”字形，通常又被称为“Ｃ”曲线。根据英语名称缩写，也称之为“ＴＴＴ”曲线。在Ｃ曲线中，左边的一条曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，而右边的一条则为等温转变终了线。在转变开始线的左方是过冷奥氏体区。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理在转变终了线的右方是转变产物区。两条曲线之间是转变区。在Ｃ曲线下部有两条水平线。一条是马氏体转变开始线（以符号“Ｍｓ”表示）；另一条是马氏体转变终了线（以符号“Ｍｆ”表示）。过冷奥氏体在Ａ１温度以下不同温度范围内等温转变，可发生３种不同类型的转变：高温珠光体型转变、中温贝氏体型转变和低温马氏体型转变。（１）高温珠光体型转变。共析钢过冷奥氏体，在Ａ１线至Ｃ曲线“鼻温”之间较高温度范围内（５５０℃～Ａ１）等温停留，转变产物为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状组织，即珠光体型组织，如图１－５４所示。等温温度越低，铁素体层和渗碳体层越薄，层间距（一层铁素体和一层渗碳体的厚度之和）越小，硬度、强度与塑性越大。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理按层间距的大小，高温转变的产物可分为珠光体（Ｐ）、索氏体（Ｓ）和屈氏体（Ｔ）３种。实际上这３种组织都是珠光体，既没有本质的区别，也没有严格的界限，只是层间距大小不同而已，从而引起性能的差异。（２）中温贝氏体型转变。钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内（Ｍｓ～５５０℃）等温停留，转变产物为贝氏体（Ｂ）型组织，如图１－５５所示。贝氏体也是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，但其形貌及渗碳体的分布与珠光体型不同，硬度也比珠光体型的高。根据组织形态和转变温度的不同，贝氏体一般可分为上贝氏体（Ｂ上）和下贝氏体（Ｂ下）两类。上贝氏体是在３５０℃～５５０℃温度范围内形成的。其显微组织呈羽毛状。它是由许多成束的铁素体条（暗黑色）和断续分布在条间的细小渗碳体（亮白色）组成的。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理上贝氏体虽然硬度较高，但脆性大，生产上很少得到应用。下贝氏体是在Ｍｓ～３５０℃点温度范围内形成的。其显微组织是黑色针叶状。它是由针叶状铁素体和分布在针叶内的细小渗碳体粒子组成的。下贝氏体不仅硬度、强度较高，而且塑性和韧性较好，具有良好的综合力学性能。因此，在生产中常用等温淬火来获得下贝氏体组织。（３）低温马氏体型转变。马氏体转变在低温（Ｍｓ点以下）下进行。由于转变温度很低，转变时难以进行铁、碳原子的扩散，只发生γ－Ｆｅ向α－Ｆｅ的晶格转变，这样，固溶在奥氏体中的碳全部保留在α－Ｆｅ晶格中，形成碳在α－Ｆｅ中的过饱和固溶体，被称为马氏体，用符号“Ｍ”表示，如图１－５６所示。根据含碳量和组织形态的不同，马氏体可被分为高碳片状马氏体和低碳板条状马氏体两种。高碳片状马氏体的强度、硬度很高，但塑性和韧性较差；低碳板条状马氏体硬度虽然低一些，但具有较高的韧性，在生产中得到了广泛的应用。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理１.４.３.２过冷奥氏体的连续冷却转变在实际生产中，过冷奥氏体的转变一般都是在连续冷却过程中进行的，如在炉内、空气里、油槽或水槽中冷却。因此，需要应用钢的连续冷却转变曲线（又称ＣＣＴ曲线）了解过冷奥氏体连续冷却转变的规律。这对于确定热处理工艺和选材具有重要意义。ＣＣＴ曲线也是通过实验方法测定的。图１－５７所示是共析钢的连续冷却转变曲线。图１－５７中Ｐｓ线为珠光体的转变开始线，Ｐｆ线为珠光体的转变终了线，而ＫＫ’线则为珠光体转变的中止线。当实际冷却速度小于Ｖｋ’时，只发生珠光体转变；当实际冷却速度大于Ｖｋ时，则只发生马氏体转变；当冷却速度介于两者之间，冷却曲线与ＫＫ’线相交时，有一部分奥氏体已转变为珠光体，珠光体转变中止，剩余的奥氏体在冷至Ｍｓ点以下时发生马氏体转变。图１－５７中的Ｖｋ为马氏体转变的临界冷却速度，又称上临界冷却速度，是钢在淬火时为得到马氏体转变所需的最小冷却速度。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理Ｖｋ越小，钢在淬火时越容易获得马氏体组织。Ｖｋ’为下临界冷却速度，是保证奥氏体全部转变为珠光体的最大冷却速度。Ｖｋ’越小，则退火所需时间越长。１.４.４普通热处理钢的最基本的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火，俗称“四把火”，是生产中应用很广泛的热处理工艺。１.４.４.１退火所谓退火是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（如炉冷、坑冷、灰冷等）的热处理工艺。退火后的组织，亚共析钢为铁素体加片状珠光体，共析钢、过共析钢为粒状珠光体，如图１－５４和图１－５８所示。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理钢的退火工艺种类有很多，根据工艺特点和目的不同，可分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、再结晶退火、去应力退火等。各种退火方法的加热温度与Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的关系如图１－５９所示。其工艺特点及适用范围见表１－１１。快速冷却到Ａｒ１以下某一温度，保温一定时间，出炉空冷与完全退火同，但可缩短生产周期，提高生产效率合金钢工件球化退火经充分保温后，随炉冷却到６００℃以下出炉空冷使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体球化，变成在铁素体基体上弥散分布的粒状渗碳体。降低硬度，改善切削加工性，为后续热处理做组织准备具有共析或过共析成分的碳钢或合金钢均匀退火固相线以下１００～２００长时间保温后随炉冷却消除铸件中的偏析，使钢的化学成分和组织均匀质量要求高的合金钢铸锭或铸件去应力退火Ａｃ１以下某一温度（一般为５００～６００）随炉冷却到２００℃～３００℃出炉。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理１.４.４.２正火正火是将钢加热到Ａｃ１或Ａｃｃｍ以上３０℃～５０℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺，如图１－５９所示。正火可被看作退火的一种特殊形式。其工艺的主要特点是完全奥氏体化和空冷。正火的目的是为了改善钢的切削加工性能，消除热加工缺陷，消除过共析钢的网状碳化物，提高普通结构零件的机械性能。如果原始组织中有网状渗碳体存在，则需先进行正火处理消除，然后再进行球化退火。对于一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，就可达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。正火适用于中、高碳钢和中、低合金钢的热处理。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理如图１－６０所示，由于正火的冷却速度比退火快，过冷度较大，转变温度较低，故获得的珠光体层间距较小。由表１－１２可知，铸造、锻造后的组织，晶粒粗大，成分和组织不均匀；经退火或正火的组织，晶粒细小，组织均匀。虽然正火与退火都可达到晶粒细小、组织均匀的目的，但正火比退火的强度、硬度高，韧性好；同时，正火比退火生产周期短，设备利用率高，耗能少，操作简便，工艺成本低。因此，在钢的使用性能和工艺性能满足要求的条件下，应尽可能选用正火。１.４.４.３淬火淬火是将钢加热到Ａｃ１或Ａｃ３以上温度，保温一定时间后，以大于临界冷却速度的冷却速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺被称为淬火。淬火是强化钢的最有效手段之一。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理（１）淬火工艺的加热温度和加热时间。如图１－６１所示，亚共析钢的淬火加热温度为Ａｃ３以上３０℃～５０℃；共析钢和过共析钢的淬火温度为Ａｃ１以上３０℃～５０℃。在这样的温度范围内加热，奥氏体晶粒不会显著长大，并溶有足够的碳。淬火后可以得到细晶粒、高强度和高硬度的马氏体组织。对于含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如钛、锆、铌等）的合金钢，淬火加热温度可以高一些，以加速碳化物的溶解，获得较好的淬火效果；而对于含促进奥氏体长大元素（如锰）等较多的合金钢，淬火加热温度则应低一些，以防晶粒长大。（２）淬火冷却介质。工件进行淬火冷却时使用的介质被称为淬火冷却介质。理想的淬火冷却介质应具有足够的冷却能力，保证淬火钢件获得马氏体组织，但又要保证钢件不开裂，变形尽量小。理想的淬火冷却曲线如图１－６２所示。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理在Ｃ曲线“鼻尖”附近快速冷却，使冷却曲线避开Ｃ曲线“鼻尖”，就可以获得马氏体组织，而在“鼻尖”以上及以下温度范围可以放慢冷却速度，以减小热应力。但是迄今为止，还没有完全满足理想冷却速度的冷却介质。淬火冷却介质在保证不开裂、变形小的情况下获得马氏体组织的同时，还应具有不易老化、不易燃、无腐蚀、无公害、易清洗、价格低廉等特点。最常用的冷却介质有水、盐水、碱水、油等。水是最廉价而冷却能力又强的一种冷却介质，但水淬时工件表面易形成蒸汽膜，降低冷却速度，淬火变形和开裂倾向较大。它仅适用于形状简单、尺寸不大的碳钢淬火。油也是一种常用的淬火冷却介质。目前主要采用矿物油，如锭子油、机油、柴油等。它的主要优点是在低温区的冷却速度比水小很多，从而显著降低了淬火工件的应力，减小了工件变形和开裂倾向；缺点是在高温区的冷却速度也比较小。所以，它适用于合金钢淬火。上一页下一页返回１.４金属材料的热处理此外，还有盐水、碱水、聚乙烯醇水溶液等冷却介质。它们的冷却能力介于水和油之间，适用于油淬不硬而水淬开裂的碳钢淬火。（３）常用的淬火方法。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、等温淬火等，如图１－６３所示。其工艺特点及适用范围见表１－１３