金属材料与热处理

一、课程的性质课程性质：专业技术基础课研究对象：金属材料金属材料的分类

黑色金属：主要指钢铁材料；

有色金属：如铜、铝、钛、锌等；

材料的四大家族

金属材料：综合性能等。

陶瓷材料：高温、稳定性能等。高分子材料：耐腐蚀等特殊性能。

复合材料：1＋1大于2。金属材料是机械工程中最常用的材料，也是焊接工艺的生产对象。（例）。

二、课程的含义研究目的学习本课程的目的是使学生获得常用金属材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识。金属学与热处理的科学含义研究金属材料的成分、组织结构、热处理与性能之间关系的科学。从材料学的角度看，金属材料的性能取决于内部结构，而金属材料的内部结构又取决于成分和加工工艺，这同时也是金属材料与热处理这门课程一条鲜明的主线。内因化学成分外因性能内部组织结构热处理和塑性变形性能与成分和加工工艺的关系成分:材料的成分不同，其内部组织结构就不同，其性能也就不同；如钢和铸铁；加工工艺、热处理：可以使材料的性能在很大的范围内变化，如刀具的淬火，塑性变形：可以产生加工硬化，从而改变材料的性能；金属的性能首先取决于其内部组织结构，而组织结构又取决于化学成分和加工工艺（热处理）。本课程的任务就是以金属材料的性能为核心，以培养学生的能力为目标，以金属材料的应用为出发点，介绍常用金属材料的性能与成分、组织结构、加工工艺之间的关系，重点是机械工业中常用的金属材料。三、课程的任务和要求课程基本要求（教学目标）1.了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及变化规律。2.掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。3.具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。4.对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。四、材料科学的发展每一种材料的发现和利用，都使人类利用和改造自然的能力得到了提高，成为人类进步的一个里程碑。歼-10战斗机全机大量采用钛合金、复合陶瓷、纳米技术纤维等，有效减少空重增加载弹量和隐身性能。F22“猛禽”战斗机制造材料中：钛合金占39％，复合材料占24％，铝合金16％。波音787的复合材料占50%，仍存在超重3%的问题，Alcoa公司为此向波音公司提供新的铝锂合金以帮助波音787减重问题，新的铝锂合金用以代替传统铝合金以及某些钛合金。纳米原子像具有广泛应用的纳米材料纳米泵具有广泛应用的纳米材料纳米红血球纳米直升机纳米探针五、课程的特点、安排和学习方法课程的特点概念多，抽象，但无计算，难易结合；一般多为文字叙述；学习方法认真听讲，勤看书，多理解，要记忆。

教学安排

（1）内容核心：材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及其在各种条件下的变化规律。（2）内容结构金属学原理―热处理原理和工艺―常用金属材料（3）学时安排

总学时：75

实验：8

第一章

金属材料的力学性能本章导读金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其能满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工艺性能要求，所以掌握各种金属材料的力学性能及其变化规律，根据工作条件及力学性能选择材料，充分发挥其性能潜力，是保证构件或零件质量的基础。使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。概述

金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。概述材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。1.1强度与塑性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。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。

一、拉伸实验（GB/T228-2002）1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线返回上一页下一页回主页1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0返回上一页下一页回主页

万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式2.力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段返回上一页下一页回主页

(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

返回上一页下一页回主页应力

=P/F0应变

=(l-l0)/l0二、刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。在拉伸曲线上，弹性模量就是直线（OP）部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。弹性模量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，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。材料弹性模量E/105MPa弹性极限σe/MPa中碳钢2.1310弹簧钢2.1965硬铝0.724125铜1.127.5铍青铜1.2588磷青铜1.01450结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关，在弹性模量E一定时，零件或构件的截面尺寸越大，其刚度越高。对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多结构（如建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。

弹性极限σe

弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：

式中Fe——试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N；

Ao——试样原始截面积，mm2。

在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。三、强度强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。1.屈服强度（1）屈服现象在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力－伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。（2）屈服强度在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下：（3）规定残余延伸强度对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。例如Rr0.2表示规定残余延伸率为0.2％时的应力。其计算公式为：

Rr0.2＝F0.2/S0

（N/mm2）

式中：F0.2－残余延伸率达0.2％时的载荷（N）；

S0－试样原始横截面积（mm2）。

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rr0.2=工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rr是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。ReL

和Rr

常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=ReL/n，安全系数n一般取2或更大。2.抗拉强度抗拉强度

材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。Rm=FbS0计算公式抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料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。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。3.强度的意义

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。四、塑性（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。返回上一页下一页回主页（一）定义断后伸长率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。返回上一页下一页回主页同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d0）测得的断后伸长率A11.3。断面收缩率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2

。返回上一页下一页回主页三、塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）轧制、挤压等冷热加工变形。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。超塑性GB/T228-2002新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ1.2硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1.原理2.应用3.优缺点1.原理2.应用3.优缺点4.实验（录像）4.实验（录像）返回上一页下一页回主页（一）布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。返回上一页下一页回主页

布氏硬度试验原理图1.原理布氏硬度=

FS凹=2FπD[D-（D²-d²）½]（一）布氏硬度返回上一页下一页回主页布氏硬度实际测试时，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查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详见附表B）。目前，金属布氏硬度试验方法执行时GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布氏硬度试验范围上限为650HBW。

测量比较软的材料。测量范围<650HBW的金属材料。3.优缺点2.应用

压痕大，测量准确，但不能测量成品件。返回上一页下一页回主页4.实验（录像）返回上一页下一页回主页1.

原理（二）洛氏硬度返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值返回上一页下一页回主页2.应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA返回上一页下一页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。3.优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。返回上一页下一页回主页4.实验（录像）返回上一页下一页回主页

3.维氏硬度(HV)

(1)测试原理和布氏硬度试验原理基本相同。(2)表示方法

例如：640HV30/20。(3)适用范围

用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的表面硬度。

维氏硬度测试原理示意各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200～450HBW范围内，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，

HBW≈HV1.3冲击韧性

总结：

强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。

材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）；

动载荷动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。冲击载荷冲击韧性的概念冲击试验温度对金属材料韧性的影响提高金属材料韧性的措施1.冲击载荷在很短时间内作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载时间短，加载速率高；有时利用，有时尽量避免或减小。载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率ε=102～104s-1。提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。2.冲击韧性的概念

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。3.冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。

原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量

AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。4.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T229－1994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。4.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T229－2007冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量;K＝mg（H1-H2）4.材料冲击韧性的表示方法按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2

，其单位是焦耳（J）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV8转变温度Tt韧脆转变温度TC缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。5.冲击试验的应用5.冲击试验的应用缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。

低温脆性低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt

）。转变温度（Tt

）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（Tt

）大约为-20℃，某些合金钢的韧脆转变温度（Tt

）可达-40℃以下。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。6.提高冲击韧性的途径

冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：

改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；

提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷；1.4疲劳极限

人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。1.变动载荷和循环应力1.变动载荷——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化b)c）应力大小和方向都变化d)应力大小和方向无规则变化1.平均应力2.应力幅tσ一个应力循环2.疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.

疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。

尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。3.疲劳断口3.疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R＝－1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。4.疲劳强度若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。对一般低、中强度钢：107周次对高强度钢：108周次对铝合金，不锈钢：108周次对钛合金：107周次在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出σmax，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限。5.提高疲劳极限的途径(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。(2)提高零件表面加工质量。(3)对材料表面进行强化处理。第二章金属与合金的晶体结构

第一节金属的晶体结构

一、金属晶体结构基础知识

金属由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。

1.晶体与非晶体1.晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2.非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3.在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。

金属晶体模型

晶体与非晶体的性能区别有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。

晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。晶体与非晶体的转变晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。晶格、晶胞和晶格常数晶体：空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。空间点阵中的点－－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。晶格常数三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。布拉菲点阵

7个晶系，

14种点阵。大部分（2/3）的金属属于三种典型的晶体结构。立方六方四方菱方正交单斜三斜

二、

典型晶体结构及其几何特征在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：

1.体心立方晶格（BCC）

2.面心立方晶格（FCC）

3.密排六方晶格（HCP）

1.体心立方晶格（

BCC）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。

体心立方晶胞特征：

晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有体心立方晶格的金属有：钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、

α-铁(α-Fe,<912℃)等。

体心立方晶格原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。

原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：

致密度晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。

体心立方晶胞的致密度为：晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。

体心立方晶格的参数体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径2.面心立方晶格（

FCC）金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有这种晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶格面心立方晶格的参数

：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格

3.密排六方晶格（

HCP）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数和致密度在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。

密排六方晶胞的特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。密排六方晶格的参数：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格r=a/2

三种常见金属晶格的结构特点晶格类型晶胞中的原子数原子半径致密度常见金属体心立方20.68铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(V)、α-Fe面心立方40.74铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)γ-Fe密排六方60.74镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd）

三、同素异构转变某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。下面以铁为例子来说明同素异晶转变：α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------LBCC（912℃）FCC（1394℃）BCC金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。

铁的同素异构转变四、单晶体与多晶体如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。多晶体：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。

第二节合金的相结构

合金：是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。例如碳钢是铁和碳组成的合金。组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般的说，组元就是组成合金的元素。例如铜和锌就是黄铜的组元。

一、基本概念合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C系，Fe-Cr系等。2相

一、基本概念相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。例如纯铁在1538ºC以上时为均匀的液相L；

3组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。组织：组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。4相的分类

合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物。

固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。金属化合物：组元之间形成的新相，其结构不同于任何组元。二、固溶体

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。2.分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。二、固溶体

间隙固溶体置换固溶体Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物二、固溶体

5.固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。二、固溶体

当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。

由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。纯铜的Rm为220MPa,硬度为40HBW,断面收缩率Z为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HBW,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合力学性能很好,常常作为合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。二、固溶体

三、金属化合物若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物。三、金属化合物而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。三、金属化合物三、金属化合物

1.正常价化合物（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。（3）组成：AB或AB2。2电子化合物（电子相）

（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。（2）键型：金属键（金属－金属）。（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。三、金属化合物三、金属化合物3间隙化合物（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）结构：间隙化合物：具有复杂结构，主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。如Fe3C。间隙化合物（间隙相）：晶体结构简单，金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙，结构简单。如面心立方VC。三、金属化合物4.金属化合物的特性

（1）力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。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。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。（2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。第四节纯金属的结晶凝固结晶金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。金属的结晶物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶格转变为另一种固体晶格的过程称为二次结晶或重结晶。热分析试验方法过冷结晶潜热冷却曲线二、过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度To之差△T=Tm-To

注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。

三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。形核长大形成多晶体两个过程重叠交织（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。负温度梯度树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶一、细化铸态金属晶粒

金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属力学性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。细化铸态金属晶粒有以下措施。

1.增加过冷度一定体积的液态金属中，若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s)越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小；晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,m/s)越快，则晶粒越粗。

随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。2.变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。

铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。Al-Si合金组织未变质变质3.振动

在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。

4.电磁搅拌将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。二、铸锭(件)组织与缺陷在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。1.铸锭(件)的组织铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:⑴表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。⑶中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。⑴缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.2.铸造缺陷铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的.缩孔⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果第五节二元合金状态图

一、相图的意义及相关概念二、二元合金状态图的建立

三、平衡相组成的分析

四、二元状态图的基本类型分析

一、相图的意义及相关概念相图的意义相关概念组元合金系相图Cu-Ni合金相图L

成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。二、二元合金状态图的建立目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ

25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。用热分析法测定Cu、Ni相图a）冷却曲线b）相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线四、二元状态图的基本类型分析1.二元匀晶相图

2.二元共晶相图3.二元包晶相图4.形成稳定化合物的相图

5.具有共析转变的相图6.合金的性能与相图的关系

1.二元匀晶相图1．相图的组成及特征

2．合金平衡结晶过程及组织3．枝晶偏析及其消除

Cu-Ni合金相图⑴相图构成相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

（2）合金的结晶过程当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为

1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。L

L+随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时

固溶体的成分又变回到合金成分

3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。（3）杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：12

t②确定两平衡相的相对重量上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。（4）枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。枝晶偏析及其消除Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织2.二元共晶相图1．相图的组成分析2．典型合金平衡结晶过程分析二元共晶相图Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）温度（℃）PbSn当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。1．相图的组成分析共晶相图中有三个单相区：液相区L，固相α和β相区；三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区；一个三相共存点：C点

AB在一定温度下，由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称作共晶转变或共晶反应。。

在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的

固溶体和D点成分的

固溶体，形成这两个相的机械混合物：

LE

⇄(

C+

D)共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。

L+

CDABPb-Sn合金的结晶过程组织组成物在相图上的标注共晶合金结晶过程示意图亚共晶合金结晶过程示意图合金Ⅳ的结晶过程示意图3.二元包晶相图

1．相图的组成分析2．典型合金平衡结晶过程分析二元包晶相图1．相图的组成分析在二元包晶相同中，有三个单相区：液相区L、固相区α和β相区；三个两相区：L+α、L+β、α+β；一个三相共存点：e点（L、α、β共存）

合金I结晶过程示意图合金Ⅱ结晶过程示意图合金Ⅲ结晶过程示意图4.形成稳定化合物的相图

合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分析可作为两个简单相图进行。

5.具有共析转变的相图

共析转变

共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相。其反应式可表达为：反应产物和的相对重量有一固定的比例：由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。

5.合金的性能与相图的关系（1）合金的使用性能与相图的关系

由图可见，当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小值。（2）合金工艺性能与相图的关系

合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。合金的流动性、缩孔性质

与相图之间的关系合金的性能与相图的关系小结

固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。又如压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。再如相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。第三节金属的晶体缺陷在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷，晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。晶体缺陷按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一、点缺陷由于原子热振动造成的。1.点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。3点缺陷的产生及其运动（1）点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）4、点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）二、线缺陷（位错）

位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。

1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。

1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。

1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。

1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。1.位错的基本类型（1）刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。）分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。产生：空位塌陷；局部滑移。刃型位错和螺型位错刃位错的形成

2、位错密度（1）单位体积中位错线的总长度，

ρ＝ΣL/V

式中：ρ

为位错密度,单位为m-2，ΣL

为位错线总长度,单位为m,

V为体积,单位为m3。

（2）晶体强度与位错密度的关系（3）位错观察：浸蚀法、电境法。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)

强度与位错密度的关系

退火金属中位错密度一般为1010～12m-2

左右。位错的存在极大地影响金属的力学性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度Rel

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,Rel

将会增高。

三、

面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。

三、

面缺陷1晶界（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。

宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。其结构为几个原子范围内的原的混乱排列，可视为一个过渡区。亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2

)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁

三、

面缺陷（1）

界面能会引起界面吸附。（2）

界面上原子扩散速度较快。（3）

对位错运动有阻碍作用。（4）

易被氧化和腐蚀。（5）

原子的混乱排列利于固态相变的形核。（6）熔点低。

铁碳相图

概述钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金。为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合金相图。

概述铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距今已有100多年了，但仍在不断地完善，在不同的书籍中相图中的数据可能不尽相同，这是正常的。

纯铁的同素异构转变

α-Feγ-Feδ-FeBCC（912℃）FCC1394℃）BCC金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。

一、铁碳合金中的基本相

铁碳合金中的Fe和C可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。1.铁素体（ferrite）铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。A=30%~50%，KU=128~160JRm=180~280MPa，50~80HBW。铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。2.奥氏体（Austenite）奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。Rm=400MPa，170~220HBW，A=40%~50%。另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。3.渗碳体（Cementite）渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。总结：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。名称符号Rm/MPaHBWA/%Ak/J铁素体F2308050160奥氏体A40022050∕渗碳体Fe3C30800≈0≈0

二、铁碳合金相图铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。

由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→1.铁碳相图分析Fe—Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。

（1）上半部分-------共晶转变在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C)，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体、Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。（2）下半部分-----共析转变

在727℃，0.77%的奥氏体发生共析转变：