工程材料与热加工技术1201

第1章材料的力学性能1.1强度与塑性

1.2硬度

1.3韧性

1.4疲劳强度

知识窗——材料的性能

自测习题

1.1强

度

与

塑

性

1.1.1拉伸曲线与应力—应变曲线

1．拉伸曲线GB228—87规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状(如图1-1所示)，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断。

图1-1圆形拉伸试样示意图

根据拉伸过程中载荷(F)与试样的伸长量(Δl)之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下：

图1-2低碳钢的拉伸曲线

Op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。pe段：伸长量与载荷不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。ss′段(拉伸曲线中的平台或锯齿)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。s′b段：这个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀伸长，同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。

b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。拉伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长Δlk)，弹性伸长为gf。

2．应力—应变曲线(σ-ε曲线)应力：用承受的载荷F除以试样的原始横截面积S0表示，即

式中，F为试样所承受的载荷；S0为试样的原始横截面积。应变：用试样的伸长量Δl除以试样的原始标距l0表示，即

式中，Δl为试样标距长度的伸长量；l0为试样的原始标距长度。

应力—应变曲线的形状与拉伸曲线形状相同，只是坐标数值不同。图1-3所示是低碳钢的应力—应变曲线，即σ-

ε曲线。

图1-3应力—应变曲线

1.1.2刚度与强度1．刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，刚度的大小一般用弹性模量E表示。弹性模量是指材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即

式中，σ为试样承受的应力；ε为试样的应变。

在应力—应变曲线上，弹性模量就是直线部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。E主要取决于各种金属材料的本性，是一个对组织不敏感的力学性能指标。对钢进行热处理、微量合金化及塑性变形等，其弹性模量变化很小。机械零件大多都是在弹性状态下工作的，零件对刚度都有一定的要求，一般不允许有过量的弹性变形，因为过量的弹性变形会使机器的精度下降。零件的刚度主要由材料的刚度决定，另外还与零件的形状、截面尺寸有关。例如镗床的镗杆，为了保证高的加工精度，要选刚度较大的材料，另外还必须有足够的截面尺寸。

表1-1常用材料的弹性模量及比弹性模量

2．弹性极限弹性极限σe是材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值。按照GB228—87规定，弹性极限和屈服极限已经取消，两者统称为规定微量塑形伸长的应力。由于其物理意义及工程中仍有应用，这里仍保留。

式中，Fe为试样不发生塑性变形的最大载荷；S0为试样的原始横截面积。一些在工作中不允许有微量塑性变形的零件(精密的弹性元件、炮筒等)，在设计和选材时，弹性极限是重要的依据。

3．强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的强度指标有规定残余伸长应力、屈服点(屈服强度)、抗拉强度等。1)屈服点和屈服强度在图1-3中，屈服点σs是指应力—应变曲线中平台对应的应力值，表示材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，即

式中，Fs为试样发生屈服现象时的载荷；S0为试样的原始横截面积。

对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点。国家标准规定，一般以规定残余伸长率为0.2%时对应的应力σr0.2作为材料的屈服强度，通常记作σ0.2，即

式中，F0.2为标距发生0.2%残余伸长时的载荷。屈服点σs和屈服强度σ0.2通常是机器零件设计的主要强度指标，也是评定金属材料强度的重要指标之一。我们知道，工程上各种机器零件工作时是不允许发生过量残余变形而失效的，设计的许用应力以σs或σ0.2来确定。

2)抗拉强度抗拉强度σb是指材料在断裂前所承受的最大应力值，即

式中，Fb为试样拉断前承受的最大载荷。试样在拉伸过程中，达到最大载荷之前是均匀塑性变形，因此抗拉强度σb是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。塑性材料的σb没有直接意义；铸铁等脆性材料在拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度，脆性材料制成的零件以σb确定其许用应力。

1.1.3塑性1．断后伸长率断后伸长率是指拉断后标距的伸长量l1 -

l0与原始标距l0的比值，即

式中，l1为试样拉断后标距的长度；l0为试样的原始标距。同一材料长试样和短试样测得的断后伸长率是不相等的，测得的结果分别用δ10和δ5表示，且δ5>δ10，长试样的断后伸长率也可以不加下标。

2．断面收缩率断面收缩率ψ是指试样拉断处横截面积的减小量S0-S1与原始横截面积S0的比值，即

式中，S1为试样拉断后断裂处的最小横截面积。

1.2硬

度

1.2.1布氏硬度布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图1-4所示。

图1-4布氏硬度试验原理示意图

布氏硬度值(HBS或HBW)的计算公式为：当载荷F的单位为千克力(kgf )时，当载荷F的单位为牛顿(N)时，

式中，F表示载荷大小，D表示压头的直径(单位为mm)，d表示压痕表面的直径(单位为mm)，S表示压痕的面积(单位为mm2)，布氏硬度值的单位为kgf/mm2或者N/mm2，习惯上布氏硬度是不标单位的。实际测试布氏硬度时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查附录A即可查出硬度值。

进行布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值为450～650的材料。布氏硬度的表示方法为：硬度值＋硬度符号＋试验条件。例如，210HBS10/1000/30表示用10mm直径的淬火钢球作为压头，在1000kgf作用下，保持时间为30s，测得的布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5mm直径的硬质合金球压头，在750kgf作用下，保持10～15s(持续时间10～15s时，可以不标注)，测得的布氏硬度值为500。在进行布氏硬度试验时，GB231—1984做出了规定，0.102F/D2常用30、10、2.5三种。表1-2布氏硬度试验规范

1.2.2洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120°的金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N(10kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。

洛氏硬度试验原理如图1-5所示，先加初载荷，使压头与试样表面之间有良好的接触，并以此作为测量的基准；再施加主载荷，试样压到最深处；卸去主载荷后，被测试样的弹性变形恢复，压头略微抬高，测得的深度就是基准与压头顶点最后位置之间的距离e。e越大，被测金属的硬度越低，为了和习惯(数值越大，硬度越高)相符，用常数k减e来表示硬度大小，用0.002mm表示一个硬度单位，洛氏硬度值的计算公式为

式中，k为常数，用金刚石圆锥体压头时，k=0.2mm；用淬火钢球作为压头时，k=0.26mm；e为卸去主载荷后测得的压痕深度。

图1-5洛氏硬度试验原理示意图

洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。为了能用同一硬度计测定从软到硬的材料硬度，就需要不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺，最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围。

表1-3常用三种洛氏硬度的试验条件及应用范围

实际测量时，洛氏硬度是在硬度计上直接读出硬度值的。洛氏硬度的表示方法为：硬度值＋硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验的优点是测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。

对于极薄工件和化学热处理后的表面层，在测定硬度时，由于常用洛氏硬度法施加的载荷较大，不适合这类材料的表面硬度测定。为此，根据洛氏硬度试验原理，设计出了载荷较小的表面洛氏硬度试验。其初载荷为29.4N(3kgf)，总载荷有147.1N(15kgf)、249.3N(30kgf)、441.3N(45kgf)三种，如果用金刚石圆锥压头，常用来测量渗氮钢、渗碳钢、刀刃、零件边缘部分等，硬度符号表示为HR15N、HR30N、HR45N；如果用淬火钢球压头，常测量低碳钢、铜合金、铝合金等薄板，硬度符号表示为HR15T、HR30T、HR45T。

1.2.3维氏硬度为了在同一种硬度标尺上测定从极软到极硬金属材料的硬度，特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度试验法原理与布氏硬度的基本相同，如图1-6所示。用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷(F/S)来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。

图1-6维氏硬度试验原理示意图

当载荷的单位是千克力(kgf)时，

当载荷的单位是牛顿(N)时，

式中，F为试验所加载荷；S为压痕的面积；d为两对角线的平均长度。维氏硬度的面积S是通过测定压痕表面的对角线平均长度d来计算的。

计算出的维氏硬度值有单位(kgf/mm2或者N/mm2)，但通常不标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，然后通过查表即可查出维氏硬度值。维氏硬度的表示方法为：硬度值＋硬度符号＋测试条件。例如，620HV30/20表示在30kgf(249.3N)载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间10～15s可以不标注，如620HV30。维氏硬度常用的载荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)等，单位为N(kgf)。测量时，如果厚度允许的话，尽量用较大的载荷，以便获得较大的压痕，提高测量精度。

维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。维氏显微硬度试验用于测定显微组织硬度。维氏显微硬度计施加的载荷为0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0.4903(0.05)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)等，单位为N(kgf)。测量压痕对角线长度用μm做单位，符号仍用HV表示。由于显微硬度载荷小，压痕很小，可以测定金属箔、金属粉末、极薄表层及金属组织中的晶粒及合金组成相的硬度值。

由于各种硬度试验的条件不同，因此相互之间没有理论换算关系。但根据试验数据分析，得到粗略换算公式为：当硬度在200～600HBS(HBW)范围内时，HRC≈1/10HBS(HBW)；当硬度小于450HBS时，HBS=HV。

1.3韧

性

1.3.1冲击韧性

1．摆锤式一次冲击弯曲试验摆锤式冲击试验原理如图1-7所示，试验时，将标准试样[1]放在试验机的支座上，把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤依靠惯性运动到高度H2。

冲击过程中如果忽略各种能量损失(空气阻力及摩擦等)，摆锤的位能损失mgH1-mgH2＝mg(H1-H2)就是冲断试样所需要的能量，即试样变形和断裂所消耗的功，也称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H1-H2)。其中，G表示摆锤的重量；AK表示冲击吸收功。U型缺口试样和V型缺口试样分别表示为AKU和AKV，其单位是焦耳(J)。冲击吸收功的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。

图1-7摆锤式冲击试验原理示意图

冲击韧度用αK=AK/S来计算。其中，S表示试样缺口处的横截面积(单位为cm2)。把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直，呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。

2．低温脆性有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故。例如，1965年，英国北海油田海上钻井平台由于温度突然下降而断裂，造成巨大损失。通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。如图1-8所示，冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。

图1-8冲击吸收功—温度曲线

3．冲击韧性的用途AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到广泛应用。其主要应用如下：(1)评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。

(2)评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口进行分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。(3)评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。实践表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导作用是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。

1.3.2断裂韧性为了防止零件发生断裂失效(有关失效，可参阅本书第12章)，通常以材料的屈服强度为依据，同时对材料的塑性指标、冲击吸收功等提出一定的要求，即

式中，σ为工作应力；[σ]为许用应力；为安全系数。

1．应力场强度因子KI根据应力与裂纹扩展面的相互关系，裂纹扩展可分为三种基本形式(如图1-9所示)：张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型)。实际裂纹的扩展经常是几种方式的组合，张开型(Ⅰ型)最危险，最容易扩展而发生脆性断裂。因此，这里就以这种方式来讨论断裂韧性。

图1-9裂纹扩展的三种基本形式

材料内部不可避免地存在各种缺陷(夹杂、气孔等)，使材料内部不连续，这些不连续处可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。用来衡量应力场强弱的参数称为应力场强度因子KI，即

式中，KI为应力场强度因子，单位为MPa·m1/2；Y为与裂纹形状、加载方式及试样类型有关的系数，一般Y=1～2；a为裂纹长度的一半，Ⅰ型裂纹长度为2a。对中心有穿透裂纹的无限大平板，

2．断裂韧度KIC应力场强度因子KI是一个与应力σ和裂纹半长a有关的复合参数。对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子KI也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用KIC表示。它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。

式中，σc为断裂应力，是裂纹扩展的临界状态所对应的应力；ac为临界裂纹尺寸，是裂纹扩展的临界状态所对应的裂纹尺寸。

当KI＞KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断；KI=KIC时，裂纹处于临界状态；KI＜KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。断裂韧度KIC是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIC越大，材料抵抗裂纹失稳扩展的能力越强，裂纹不易扩展，材料的断裂韧性越好。断裂韧度KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。断裂韧度KIC是材料的一种固有特性，与外加载荷大小、裂纹本身的大小、试样尺寸等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。对于一定状态下的材料而言，KIC是一个固定的常数，而KI则是变化的，它随着载荷和裂纹尺寸的变化而变化，当载荷为零时，KI=0。

3．断裂韧度的应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现，KIC是工程安全设计中防止低应力脆断的重要依据，根据计算公式，它可以解决如下工程实际问题：(1)确定零件(或构件)的最大承载能力。如果探测出零件(或构件)裂纹尺寸2a，根据试验测定的KIC，可以计算出最大承载能力σc，为设计提供依据。

(2)确定零件允许的最大裂纹尺寸。根据材料的断裂韧度KIC和工作情况得到零件(或构件)的工作应力σ，就可确定计算出临界裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依据。(3)确定零件(或构件)的安全性。已知工作应力σ和探伤得到的裂纹尺寸2a，就可计算出KI。这样，在选择材料时，材料的断裂韧度KIC＞KI，为选材提供依据，也保证了零件(或构件)的安全性。

1.4疲

劳

强

度

1.4.1疲劳及疲劳强度

1．疲劳现象疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。变动应力通常包括交变应力和重复应力。交变应力(如图1-10所示)是指应力的大小和方向随着时间周期性变化的应力。变动应力的变化可以是周期性的、规律的变化，也可以是无规律的变化。许多零件，如齿轮、曲轴、弹簧和滚动轴承等，都是在交变应力下工作的。据统计，各类断裂失效中，80%是由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。

图1-10交变应力示意图

疲劳断裂具有突然性，危害很大。人们对于疲劳的研究已经有了很大的进展。疲劳断裂的特点如下：(1)疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限。(2)断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此。

(3)疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口(如螺纹、刀痕、油孔等)、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成。(4)实验数据分散性较大(手册上的数据是统计数据)。

产生疲劳的原因，一般认为是由于零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位，在交变应力作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，裂纹不断扩展使零件有效承载面积不断减小，最后突然断裂。零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-11所示。

图1-11疲劳断口示意图

2．疲劳强度大量实验表明，材料所受的交变应力的最大值σmax越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环次数N越低，反之越高。根据交变应力σmax和应力循环次数N建立起来的曲线称作疲劳曲线，如图1-12所示。疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值，记作σD，就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作σ－1。实践表明，如果107周次应力循环下，仍不发生疲劳断裂，则在经过相当多次的应力循环后一般也不会疲劳断裂。GB4337—84规定，一般钢铁材料循环周次取107周次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。图1-12疲劳曲线示意图一般非铁金属(有色金属)、高强度钢和腐蚀介质作用下的钢铁材料的疲劳曲线没有平台，见图1-12。这类材料的疲劳强度定义为：在规定循环周次N0下，不发生疲劳断裂的最大循环应力值称为条件疲劳强度，记作

。一般规定非铁金属N0取108，腐蚀介质作用下的N0取106。金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余压应力等。

3．提高疲劳强度的途径提高疲劳强度有以下途径：(1)合理地选择材料。实践证明，金属材料在其他条件相同的情况下，疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。因此，那些能提高金属材料抗拉强度的因素，一般也能提高疲劳强度。例如，结构钢中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉强度越高；结构钢中合金元素主要通过提高淬透性和改善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体等也可以提高疲劳强度。

(2)零件设计时形状、尺寸合理。尽量避免尖角、缺口和截面突变，这些地方容易引起应力集中从而导致疲劳裂纹；另外，伴随着尺寸的增加，材料的疲劳强度降低，强度越高，疲劳强度下降越明显。(3)降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，应尽量减少表面缺陷(氧化、脱碳、裂纹、夹杂等)和表面加工损伤(刀痕、磨痕、擦伤等)。

(4)采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。这是因为表面强化处理不仅提高了表面疲劳强度，而且还在材料表面形成一定深度的残余压应力；在工作时，这部分压应力可以抵消部分拉应力，使零件实际承受的拉应力降低，提高了疲劳强度。如图1-13(a)所示，在弯曲疲劳试验中，未强化表面的应力分布距表面一定距离内，交变应力大于疲劳强度，该区域产生疲劳破坏；在图1-13(b)中，表面的残余压应力抵消了部分交变应力，其合力用箭头表示，这时的合力小于材料的疲劳强度，因此不会发生疲劳断裂。

图1-13表面强化提高疲劳强度示意图

1.4.2不同形式的疲劳

1．低周疲劳低周疲劳是指零件或构件在较大应力(接近、甚至于超过屈服强度)作用下，导致在循环周次较低的情况下造成疲劳断裂，一般为102～105周次，甚至几十周次。低周疲劳在应力集中处会发生一定的塑性变形并不断扩张直至断裂。因此，提高低周疲劳寿命，应在满足强度的要求下，设法提高材料的塑性，不能一味提高材料的强度；另外，表面强化对提高低周疲劳并不明显。工程中有许多机件是由于低周疲劳而破坏的。例如，飞机起落架、常年阵风吹刮的桥梁、风暴席卷海船的壳体、经常充气的高压容器等发生的疲劳常为低周疲劳。

2．热疲劳零件工作时温度循环变化而产生热应力循环变化，热应力循环变化造成的疲劳破坏称为热疲劳。工程上许多零件会由于热疲劳而失效，例如，热锻模、热挤压模、压铸模、热轧辊、汽轮机叶片、加热炉零件、热处理夹具等常产生热疲劳。

热应力产生的原因是由于温度变化时，材料不能自由收缩或膨胀而导致的。如果零件整体可以自由收缩或膨胀，则不会产生热应力。实际工作时，零件往往受热不均匀，零件截面内存在温度差，一部分材料约束另一部分材料，于是就产生了热应力。当热应力超过材料的高温弹性极限时，就会产生局部塑性变形，经过一定的循环次数之后，这种循环的塑性变形就导致了零件的热疲劳。提高热疲劳的途径有：提高材料的塑韧性和高温强度；降低材料的线膨胀系数；提高材料的导热性；尽量避免零件工作时的应力集中等。

3．冲击疲劳工程上受冲击载荷的零件，很少只经过一次或几次冲击就断裂，大多是承受小能量多次冲击的断裂，一般大于105次。冲击疲劳是指小能量多次冲击导致的断裂。冲击疲劳不能用冲击吸收功AKU或AKV来衡量，应采用冲击疲劳抗力指标。大量试验表明：冲击能量低时，提高材料的强度，可使冲击疲劳抗力明显提高；冲击能量较大时，冲击疲劳抗力主要取决于材料的塑性和韧性。例如，某锻锤锤杆用40Cr钢油淬＋高温回火，使用中常发生早期疲劳断裂；后来改用盐水淬火＋中温回火，提高了强度，结果锤杆寿命明显延长。

4．接触疲劳接触疲劳(也称疲劳磨损)是指滚动轴承、齿轮及钢轨等零件的接触表面在交变压应力长期作用下，引起零件表面疲劳剥落现象。接触疲劳大多位于表层一定深度下，在材料的缺陷或薄弱处产生，也存在疲劳裂纹的产生和疲劳裂纹的扩展。接触疲劳破坏形式有麻点剥落(点蚀)、浅层剥落和深层剥落三种形式。深度在0.1～0.2mm以下的针状或痘状凹坑称为麻点剥落；深度在0.2～0.4mm的小片剥落称为浅层剥落，剥块底部大致和表面平行；深层剥落面积较大，剥落深度和表面强化层深度相当。

提高接触疲劳强度的途径有：尽可能减少材料中的非金属夹杂物；获得适当的心部硬度和表层硬度，适当的强化层深度；使表面强化层中的化合物形态、大小、数量分布合理；提高表面加工质量并保持良好的润滑状态。

5．腐蚀疲劳腐蚀疲劳是零件在腐蚀环境中承受变动载荷所产成的一种疲劳破坏现象。腐蚀疲劳是由于循环应力和腐蚀介质共同作用造成的，比这两个因素单独作用时的危害性大得多。腐蚀疲劳是很多零件经常遇到的问题，例如，舰船中的推进器、轴、车辆弹簧、压缩机叶片等。腐蚀疲劳是一个很复杂的问题，腐蚀疲劳强度和抗拉强度之间不存在比例关系，提高材料的抗拉强度对提高腐蚀疲劳没有多大影响，腐蚀的影响较大。可通过如下途径提高腐蚀疲劳抗力：选择在预定环境介质中耐腐蚀的材料；在腐蚀介质中加入缓蚀剂；采用电化学保护；采用表面涂层提高耐腐蚀性；通过表面强化处理，使零件产生表面残余压应力等。

知识窗——材料的性能

1．物理性能密度：单位体积的质量，ρ＝m/V。熔点：金属或合金从固态向液态转变的温度。导热性：金属材料传导热量的性能。通常用热导率来衡量。导电性：金属材料传导电流的性能。通常用电阻率来衡量。热膨胀性：金属材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。

2．化学性能耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气和其他化学介质腐蚀破坏的性能。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。化学稳定性：对金属材料耐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为“热稳定性”。

3．工艺性能铸造性能：材料在铸造过程中呈现出的工艺性能，包括流动性、收缩性等。锻造性能：材料在锻压过程中表现出的工艺性能，包括可锻性、冲压性、冷镦性等。焊接性能：材料在一定生产条件下接受焊接的能力。切削加工性：材料能够进行切削加工的能力。用切削抗力、刃具磨损等衡量。热处理性：材料在热处理过程中的工艺性能，包括淬透性、回火脆性等。

4．力学性能除了前面所学的力学性能之外，还包括以下常用力学性能：抗弯强度

：试样弯曲至断裂前所达到的最大弯应力。抗压强度

：试样在压缩破坏过程中承受的最大应力。

抗扭强度

：试样在扭断前承受的最大扭矩。

蠕变：在一定温度(金属通常在高温)下的材料，即使作用的应力小于屈服强度，也会随时间的增长而缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。蠕变强度用

或

来表示。

表示一定温度t下，使试样产生规定蠕变速率ε的应力值；

表示在一定温度t和规定时间τ内，使试样产生一定蠕变伸长率δ时的最大应力值，如

表示在600℃时、10000h内产生2%变形量的应力。

自

测

习

题

一、选择题1．表示金属材料屈服强度的符号是___________。σe B.σs C.σb D.σ－12．金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力称为___________。塑性 B.硬度 C.强度 D.弹性3．在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是___________。A.HBS B.HRC C.HV D.HBW4．做疲劳试验时，试样承受的载荷为___________。A.静载荷 B.交变载荷 C.冲击载荷 D.动载荷

二、填空题1．材料的力学性能通常是指在载荷作用下材料抵抗__________或___________的能力。2．金属塑性的指标主要有___________和___________两种。3．金属的性能包括___________性能、___________性能、___________性能和___________性能。4．常用测定硬度的方法有___________、___________和维氏硬度测试法。5．疲劳强度是表示材料经___________作用而___________的最大应力值。

6．材料的工艺性能包括___________、___________、___________、___________、___________等。7．零件的疲劳失效过程可分为___________、___________、___________三个阶段。

三、判断题1．拉伸试验可以测定材料的强度、塑性等性能指标，因此材料的力学性能都可以通过拉伸试验测定。 ()2．用布氏硬度测试法测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。 ()3．金属材料的力学性能可以理解为金属材料的失效抗力。()4．材料的断裂韧度大于材料的应力场强度因子的，材料的宏观裂纹就会扩展而导致材料的断裂。 ()

四、练习与思考1．说明下列符号的意义和单位。(1)σe (2)σs或σ0.2 (3)σb (4)δ

(5)ψ(6)σ－1 (7)AK

2．在测定强度指标时，σ0.2和σs有什么不同？3．拉伸试样的原标距长度为50mm，直径为10mm。试验后，将已断裂的试样对接起来测量，标距长度为73mm，颈缩区的最小直径为5.1mm。试求该材料的延伸率和断面收缩率的值。

4．材料的弹性模量E的工程含义是什么？它和零件的刚度有何关系？5．将6500N的力施加于直径为10mm、屈服强度为520MPa的钢棒上，试计算并说明钢棒是否会产生塑性变形。6．塑性指标在工程上有哪些实际意义？7．下列材料或零件采用什么硬度测试法较合适？(1)锉刀(2)黄铜轴套(3)硬质合金刀片(4)一般淬火钢８．工程材料有哪些物理性能和化学性能？

第2章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构

2.2金属的结晶

知识窗——高分子材料的结构

自测习题

2.1金属的晶体结构

2.1.1晶体结构常识

1.晶格、晶胞和晶格常数在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体，如图2-1所示。

图2-1晶体中的原子堆积模型

1)晶格为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格，如图2-2所示。

图2-2晶格的抽象模型

2)晶胞晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图2-3所示。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三维空间重复堆积排列而成的。

图2-3晶胞

3)晶格常数晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数，如图2-4所示。当棱边长度a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。

图2-4晶格常数

4)晶面、晶向和晶体的各向异性金属晶体中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列，可以代表晶格空间的一定方向，称为晶向。由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上会显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能表现出来，并在工业生产中有所应用。

2.常见的晶格类型由于金属原子之间具有很强的结合力，因此金属晶体中的原子都趋向于紧密排列。但不同的金属具有不同的晶体结构，大多数金属的晶体结构都比较简单，其中常见的有以下三种：1)体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体。其中，a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图2-5所示。每个晶胞中实际含有的原子数为1+8×1/8=2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α-Fe)等。

图2-5体心立方晶格的晶胞

2)面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其中，a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图2-6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+6×(1/2)=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ铁(γ-Fe)等。

图2-6面心立方晶格的晶胞

3)密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。在密排六方晶胞的12个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子，如图2-7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)×12+2×(1/2)+3=6个。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。

图2-7密排六方晶格的晶胞

3．常见晶格的致密度金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。表2-1列出了三种常见金属晶格的特点。可以看出，在三种常见的晶体结构中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而体心立方晶格要差些。

表2-1三种常见金属晶格的结构特点

2.1.2实际金属的晶体结构如前所述，晶体具有各向异性是对理想晶体而言的，但是工业上实际应用的金属材料一般不具备各向异性。例如，对体心立方晶格的α-Fe(纯铁)进行测定，其任何方向上的弹性模量均为200GPa。原来实际应用的金属材料通常是多晶体材料，这些晶体中存在很多缺陷(原子排列不规则的地方)。

1．多晶体多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向基本一致，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图2-8所示。多晶体中每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒间的界面就是晶界。由于晶界是两相邻晶粒之间不同晶格位向的过渡层，因此晶界上原子的排列总是不规则的。

图2-8多晶体结构示意图

多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-3～10-1mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下不能直接观察到这些小晶体的立体形态，而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面图形。通过对所要观察试样表面的细磨和抛光，获得平整而没有磨痕的光洁表面，然后用腐蚀剂对试样表面进行腐蚀。由于晶粒的晶界容易被腐蚀成凹沟，因此在显微镜下呈现出暗色的晶界，而晶粒内部相对比较明亮，如图2-9所示。

图2-9纯铁显微组织

2．晶体的缺陷1)点缺陷点缺陷是指尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。空位是指在正常的晶格结点上没有原子，如图2-10(a)所示；间隙原子是指个别晶格空隙之间存在的多余原子，如图2-10(b)所示；置换原子是指晶格结点上的原子被其它元素的原子所取代，如图2-10(c)所示。由于点缺陷的出现，原子间作用力的平衡被破坏了，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格的畸变。这将会引起金属强度、硬度、电阻等的变化。

图2-10点缺陷(a)空位；(b)间隙原子；(c)置换原子

2)线缺陷线缺陷是指晶体内部呈线状分布的缺陷，常见的是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。刃型位错是比较简单的一种，如图2-11所示。这种缺陷的特点是：在晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，而多余原子面的底边称为刃型位错线。

图2-11刃型位错

位错密度是指晶体中单位体积所包含的位错线的长度，通常用位错密度描述位错数量的多少。晶体中位错的存在，对晶体力学性能将产生很大的影响。若金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σs很高；当含有一定量的位错时，强度降低；当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度σs将会增高。位错密度与强度关系示意图如图2-12所示。目前采用一些特殊方法已能制造出几乎不含位错的小晶须，其强度高达13400MPa，而工业退火纯铁抗拉强度低于300MPa，两者相差40多倍。

图2-12位错密度与强度关系示意图

3)面缺陷面缺陷是指金属的晶界和亚晶界。实际金属材料一般为多晶体材料，其相邻两晶粒之间的位向差多数为30°～40°的大角度。晶界处原子的排列必须从一种晶粒的位向过渡到另一种晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图2-13(a)所示。在实际金属晶体中的晶粒内部，存在有许多小晶块，它们之间的位向差很小，只有几分、几秒，一般小于1°～2°，它们相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒(或亚结构，或镶嵌块)，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界，如图2-13(b)、(c)所示。

图2-13晶界与亚晶界示意图

晶界具有许多不同于晶粒内部的特性，它的存在会对金属的性能产生重要的影响。晶界的存在提高了金属的强度，晶界越多(即晶粒越细)，金属材料的强度、硬度越高；晶界处的熔点较低；晶界处往往优先形成新相，晶界容易被腐蚀。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似，如亚晶界越多，即亚晶越细，将使金属的屈服强度增大。综上所述，实际金属晶体一般不是单晶体，而是多晶体材料，且存在许多晶体缺陷，其结构特征见表2-2。

表2-2实际金属晶体结构特征

2.1.3合金的相结构

1．固溶体(1)间隙固溶体。溶质原子处于溶剂晶格间隙中的固溶体称为间隙固溶体，如图2-14(a)所示。实验证明：当溶质元素与溶剂元素的原子半径之比小于0.59时才能形成间隙固溶体，因此形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如H、C、O、N等。

非金属元素的原子半径小，形成间隙固溶体的例子很多。如碳钢中碳原子溶入α-Fe晶格的间隙中形成称为铁素体的间隙固溶体，碳原子溶入γ-Fe晶格间隙中形成称为奥氏体的间隙固溶体。溶质原子溶入溶剂的数量越多，溶剂的晶格畸变就越大，当溶质超过一定数量时，溶剂的晶格就会变得不稳定，于是溶质原子就不能继续溶解。所以间隙固溶体永远是有限固溶体。

图2-14固溶体的类型(a)间隙固溶体；(b)置换固溶体

(2)置换固溶体。溶剂晶格中的某些原子位置被溶质原子取代而形成的固溶体称为置换固溶体，如图2-14(b)所示。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂中的溶解度主要取决于两者在元素周期表中的位置、晶格类型和原子半径的大小。一般说来，溶质与溶剂原子在周期表中位置越靠近，晶格类型相同，原子半径差越小，其溶解度越大，甚至可以以任何比例互溶形成无限固溶体。例如，铜和镍都是面心立方晶格，铜的原子半径为2.55×10-10m，镍的原子半径为2.49×10-10m，两者是处在同一周期并且相邻的两个元素，所以可以形成无限固溶体。由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同，因此，形成置换固溶体时也会造成固溶体中的晶格常数的变化和晶格畸变，如图2-15所示。

图2-15形成固溶体时的晶格畸变

由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变，结果使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。例如，向铜中加入19%的镍，可使纯铜的抗拉强度由220MPa提高到380MPa，硬度由44HBS提高到70HBS，而伸长率仍然保持在50%左右。所以对力学性能要求较高的结构材料，几乎都以固溶体作为最基本的组成相。

2．金属化合物合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时将出现新相，这个新相可能是一种晶格类型和性能完全不同于任意合金组元的化合物，例如碳钢中的Fe3C(渗碳体)。金属化合物一般具有复杂的晶体结构。金属化合物的特点是熔点高、硬度高和脆性大。因此，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。多数工业合金均为固溶体和少量化合物构成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在一个相当大的范围内变动，从而满足不同的性能要求。

表2-3合金相结构的特征

2.2金

属

的

结

晶

2.2.1纯金属的结晶

1．冷却曲线和过冷现象将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的温度—时间曲线(又称冷却曲线)，如图2-16所示。由此曲线可见，液态金属从高温开始冷却时，由于周围环境的吸热，温度均匀下降，状态保持不变，当温度下降到一定温度后，金属开始结晶，放出结晶潜热，抵消了金属向四周散出的热量，因而冷却曲线上出现了“平台”。持续一段时间之后，结晶完毕，固态金属的温度继续均匀下降，直至室温。曲线上“平台”所对应的温度就是纯金属结晶温度。

图2-16纯金属的冷却曲线

2．纯金属的结晶过程液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核)，然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。结晶过程可用图2-17来表示。

图2-17纯金属的结晶过程

1)晶核的生成研究表明，液态金属有两种形核方式：自发形核和非自发形核。(1)自发形核。当温度降到结晶温度以下时，液态金属中就将形成一些比较稳定的原子集团，成为结晶的核心。这种从液体内部自发形成结晶核心的过程叫做自发形核。(2)非自发形核。液态金属依附在一些未溶微粒表面形成晶核的过程称为非自发形核。这些未溶微粒可以是液态金属存在的杂质，也可能是人为加入的物质。虽然在液态金属中自发形核和非自发形核是同时存在的，但在实际金属的结晶过程中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先和主导的作用。

2)晶核的长大晶核形成以后，晶核即开始长大。晶核长大实质是原子由液体向固体表面的转移，金属晶体往往以树枝状的形式长大。在晶核生长的初期，保持规则的几何外形，但在继续生长的过程中，由于棱边和尖角处的散热条件优于其他部位，能使结晶时放出的结晶潜热迅速逸出，此处晶体优先长大并沿一定方向生长出空间骨架，这种骨架如同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时，其棱边又生成二次晶轴，同样可以形成三次晶轴、四次晶轴等，从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶，简称枝晶。

在金属结晶过程中，由于晶核是按树枝状骨架方式长大的，当其发展到与相邻的树枝状骨架相遇时，就停止扩展，但是此时的骨架仍处于液体中，故骨架内将不断长出更高次的晶轴。同时，先生长的晶轴也在逐渐加粗，使剩余的液体越来越少，直至晶轴之间的液体结晶完毕，各次晶轴互相接触形成一个充实的晶粒。在结晶过程中，如果液体的供应不充分，金属最后凝固的树枝晶之间的间隙不会被填满，晶体的树枝状就很容易表露出来。

3.金属晶粒的大小与控制(1)增加过冷度。从金属的结晶过程可知，一定体积的液态金属中，形成的晶核数目越多，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。随着过冷度的增大，晶核的数目增加，因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减少。实际生产中，增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度以增加形核数目。如在铸造生产中，金属型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。

(2)变质处理。金属的体积比较大时，获得较大的过冷度比较困难，而且对于形状复杂的铸件，冷却速度也不能过快。生产中为了得到细晶粒的铸件，常采用变质处理。变质处理是在液体金属中加入能非自发形核的物质，这种物质称为变质剂。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。例如，在铁水中加入硅铁、硅钙合金时，能使组织中的石墨变细。

(3)振动或搅拌。金属结晶时，如对液态金属采取机械振动、超声波振动、电磁振动或机械搅拌等措施，可以使枝晶破碎细化，而且破碎的枝晶还可起到新生晶核的作用，增加了晶核数量，使晶粒得到了细化。

2.2.2二元合金相图

1．二元合金相图的建立下面以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤。(1)配制不同成分的Cu-Ni合金。(2)测定Cu-Ni合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点(即转折点和平台)的温度值。(3)画出温度—成分坐标系，并在成分坐标上找出合金的位置，作出成分垂直线，在相应成分垂直线上标出临界点温度。

(4)将物理意义相同的点连成曲线，并根据已知条件和实际分析结果，用数字、字母标注各区域内组织的名称，即得完整的Cu-Ni二元合金平衡相图(或状态图)。图2-18为由上述步骤建立的相图。

图2-18铜镍合金相图的建立(a)Cu-Ni合金冷却曲线；(b)Cu-Ni合金相图

Cu-Ni二元合金状态图上的每个点、线、区均有一定的物理意义。例如在图2-18中有两条曲线，上面的曲线为液相线，代表各种成分的铜镍合金在冷却过程中开始结晶的温度；下面的曲线为固相线，代表各种成分的铜镍合金在冷却过程中结晶终了的温度。液相线和固相线将整个相图分为三个区域，液相线以上为液相区(L)，固相线以下为固相区(α)，在液相线与固相线之间为液相与固相共存的两相区(L+α)。

2．匀晶相图二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶的相图称为二元匀晶相图。Cu-Ni相图就是一个匀晶相图(如图2-19所示)。现以Ni质量分数为60%的Cu-Ni合金为例分析结晶过程，该合金的冷却曲线和结晶过程如图2-19(b)所示。在t1温度以上，合金为液相L，缓慢冷却至t1～t3温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出α固溶体，t3点温度以下合金全部结晶为固溶体。其他成分合金的结晶过程与其类似。

图2-19匀晶合金的结晶过程(a)Cu-Ni合金相图；(b)Cu-Ni合金冷却曲线

匀晶合金的结晶具有下列特点：(1)与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有形核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状长大。(2)固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。(3)在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。确定相成分的方法是：过指定温度作水平线，分别交于液相线和固相线，这两点在成分轴上的投影点即为液相和固相的成分。随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。

(4)在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。(5)匀晶相图是在很缓慢的冷却时测得的。实际冷却时，由于冷却速度不可能无限缓慢，先结晶的和后结晶的部分成分不同，来不及扩散时就在金属内部出现成分不均的现象(称为偏析)，成分偏析将影响金属的性能。

3．二元共晶相图通常把在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系的两组元在液态时无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。图2-20所示的Pb-Sn合金相图为典型的二元合金共晶相图。L、α、β相是该合金系的三个基本相：α相是以Pb组元为溶剂、Sn组元为溶质所形成的有限固溶体，β相是以Sn组元为溶剂、Pb组元为溶质所形成的有限固溶体。相图中有三个单相区L、α、β，三个两相区L+α、L+β及α+β，还有一个三相共存区(即共晶线MEN)。

图2-20铅锡合金相图

图中A点为Pb的熔点，B点为Sn的熔点。AE、EB线为液相线，AM、MEN、NB线为固相线。FM线是固溶体α的溶解度曲线；NG线是固溶体β的溶解度曲线。具有E点成分的液相在183℃恒温结晶时将析出两种成分和结构不同的α、β固相，这个过程就是共晶转变，即 。共晶转变产物是两个固相的机械混合物(α+β)，称为共晶体或共晶组织，因此，E点称为共晶点。成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，E点对应的温度称为共晶温度，MEN水平线称为共晶线。成分位于(M,E)区间的合金称为亚共晶合金，成分位于(E,N)区间的合金称为过共晶合金。

1)共晶合金的结晶过程图2-20中的E点成分的合金称为共晶合金。其结晶过程示意如图2-21所示。在液相线以上为液态，冷至E点共晶温度时发生共晶转变，这一过程在恒温下进行，直到凝固结束，生成的共晶体由α和β两个固溶体组成。当共晶合金继续冷却时，合金将从α相和β相中分别析出βⅡ相和αⅡ相，这些相是从固体中析出的，通常称为次生相。共晶组织中析出的次生相常与共晶组织中的同类相混在一起，在金相晶微镜下很难分辨，—般不予考虑，因此，共晶合金的室温组织为(α＋β)共晶体。

图2-21共晶合金的结晶

2)亚共晶合金的结晶过程图2-20中从M点到E点成分的合金，都是亚共晶合金。当该合金从液态冷却至液相线时，开始从液体中析出α固溶体，随着温度的下降，α相逐渐增多，剩余液相不断减少，液相中的Sn含量升高。当温度降到共晶温度时，剩余液体的成分正好为E点的成分，发生共晶转变生成(α＋β)共晶组织。先结晶出的初晶α相不参与转变，保留下来。当ME线以下继续冷却时，从初晶α相中析出βⅡ相，即L—→L＋α—→α＋(α＋β)—→α＋βⅡ＋(α＋β)。所以，亚共晶合金在室温下的金相组织为α＋(α＋β)＋βⅡ。

3)过共晶的结晶过程图2-20中E点到N点成分的合金都是过共晶合金。该合金从液态冷至两相区后先析出β相，随着温度的降低，结晶出的β相越来越多，剩余液相成分沿液相线向E点靠近。当温度降到共晶温度时，剩余液相发生共晶转变生成(α＋β)。先析出的β相不参与反应，被保留下来。在共晶温度点以下继续冷却时，从初晶β相中析出αⅡ相，即L—→L＋β—→β＋(α＋β)—→β＋αⅡ＋(α＋β)。所以，过共晶合金在室温下的金相组织为β＋(α＋β)＋αⅡ。

4．共析转变相图在恒定的温度下，由一个特定成分的固相同时分解成另外两个成分和结构均不同的新固相的转变，称为共析转变。发生共析转变的相图称为共析相图，如图2-22所示。图中的共析转变发生在C点，表示为 。共析转变产物为共析体或共析组织，C点也称共析点。

图2-22共析相图

与共晶反应相比，由于母相是固相而不是液相，因而共析反应具有以下特点：(1)由于在固态中的原子扩散比液态固难得多，共析反应比共晶反应需要更大的过冷度，因而使得成核率较高，得到的两相机械混合物(共析体)也比父晶体更为弥散和细小。(2)共析反应常出现母相与子相的比容不同而产生容积的变化，从而引起大的内应力。

知识窗——高分子材料的结构

高分子材料又称为高分子化合物或高分子聚合物(简称高聚物)，是以高分子化合物为主要组分的有机材料，可分为天然高分子材料(如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、淀粉和蛋白质等)和人工合成高分子材料(如塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等)两大类。它们的结构可分为大分子链结构和聚集态结构。

1．大分子链结构1)大分子链的化学组成并不是所有元素都能结合成链状大分子，只有B、C、N、O、Si、P、S、As等元素才能组成大分子链。大分子链的组成不同，高聚物的性能也就不同。

2)大分子链的形态大分子链可呈现不同的几何形状，主要有线型、支化型和体型(或网型)等三类。(1)线型分子链。各链节以共价键连接成线型长链，像一根长线，通常呈卷曲或团状，如图2-23(a)所示。(2)支化型分子链。在线型大分子链的两侧有许多长短不一的小支链，如图2-23(b)所示。(3)体型分子链。在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价链连接起来，形成三维(空间)网状大分子，如图2-23(c)所示。

图2-23大分子链的形态(a)线型；(b)支化型；(c)体型

2．高分子化合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构是指在分子间力作用下大分子链相互聚集所形成的几何排列和堆砌方式，一般可分为晶态、非晶态、液晶态、取向态等，如图2-24所示。

图2-24高聚物的聚集态结构示意图(a)晶态；(b)部分晶态；(c)非晶态

(1)晶态结构。线型聚合物固化时可以结晶，但由于分子链运动较困难，不可能完全结晶，因此晶态聚合物实际为晶区(分子有规律排列)和非晶区(分子无规律排列)两相结构。一般结晶度(晶区所占有的质量分数)只有50%～85%，特殊情况可达到98%。在结晶聚合物中，晶区与非晶区相互穿插，紧密相连，一个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。(2)非晶态结构。聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性较好。由于其聚集态结构是均相的，因而材料各个方向的性能是相同的。

(3)液晶态结构。液晶态是介于晶态和液态之间的热力学稳定态相。其物理状态为液体，又具有晶体的有序性。液晶有许多特殊的性质，如有些液晶具有灵敏的电响应特性和光学特性，广泛应用于显示技术中。(4)取向态结构。在外力作用下，卷曲的大分子链沿外力方向平行排列而形成定向结构。有单轴(一个方向)和双轴(相互垂直两个方向)两种取向。取向态聚合物呈现明显的各向异性，材料的强度大大增加。

自

测

习

题

一、名词解释晶体、单晶体、多晶体、晶格、晶胞、晶粒、晶界、合金、组元、相、组织、共晶转变

二、如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小：1.金属型铸造与砂型铸造。2.高温浇注与低温浇注。3.浇注时采用振动与不采用振动。4.厚大铸件的表面与心部。

三、问答题1．金属中常见的晶体结构有哪几种？2．实际晶体的晶体缺陷有哪几种类型？它们对晶体的力学性能有何影响？3．固溶体与化合物有何区别？固溶体的类型有哪几种?4．何谓金属的结晶?纯金属的结晶是由哪两个基本过程组成的?5．何谓过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有何关系？6．晶粒大小对金属的力学性能有何影响?细化晶粒的常用方法有哪几种?7．什么是共晶转变?共晶转变有何特点?8．什么是共析转变？共晶转变与共析转变有何异同？

第3章铁碳合金相图3.1纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相

3.2铁碳合金相图分析

3.3铁碳合金相图的应用

知识窗——金相观察学习指导

自测习题

3.1纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相

3.1.1纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。

图3-1纯铁的冷却曲线

纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格不发生转变。

3.1.2铁碳合金的基本相和基本组织在铁碳合金中，铁和碳是它的两个基本组元。在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对铁碳合金的组织和性能产生影响。(1)液相。用符号L表示，是