湖工院机械工程材料讲义

1机械工程材料概论1.1机械工程材料的工作载荷（load）机械工程材料在工作中，会受到力学载荷、热载荷、环境载荷等各种载荷的作用，而且大多数情况下将受到多种负荷的交互作用，工作载荷不同，需要的性能也各不相同。1.1.1力学负荷在外力的作用下，机械零件的力学负荷主要表现为材料内部的应力分布、变形方式、缺口效应等。根据载荷随时间的变化情况，可将其分为静载荷和动载荷两类：1．静载荷若载荷从零开始缓慢地增加到某一定数值后保持不变或变动不大，则称为静载荷。如机床的重量对地面安装位置的作用即为静载荷。一般情况下，作用在机械零件上的静载荷有拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等多种形式，并导致各种形式的变形发生；有时，一个机械零件可能同时受到几种不同形式的静载荷作用，此时零件将发生组合变形。例如，车床主轴在工作时，同时承受压缩、弯曲、扭转等三种基本变形；钻床立柱在工作时，同时承受拉伸、弯曲与扭转等多种基本变形。2．动载荷随时间而变化的载荷称为动载荷，根据动载荷随时间变化的方式，可将其分为交变载荷与冲击载荷。交变载荷是指随时间作周期性变化的载荷，如处在正常工作过程中的齿轮轮齿、使用中的滚动轴承的滚动体等都受到随时间作周期性变化的交变载荷作用；冲击载荷是指物体的运动在瞬时内产生突然变化而形成的载荷，如锻造时锻锤的锤杆、急刹车时飞轮的轮轴等都受到冲击载荷的作用。1.1.2热载荷在各类不同行业使用的机械产品中，有许多机械零件都是在高温条件下工作的，除了由温度变化引起的热疲劳现象和高温氧化以外，还将导致零件材料的力学性能降低，并产生蠕变现象，使机械零件出现过早失效。在高温下，零件材料的强度会随着工作温度的升高而降低，且材料的强度会随着高温下加载时间的延长而降低，载荷持续的时间越长，对零件材料的强度影响越显著，而在室温下，零件材料的强度却不受加载时间的限制。材料在给定温度和规定时间范围内发生断裂的应力称为持久强度。另外，材料在长时间的高温作用下，即使所受应力低于其屈服强度，也会慢慢地产生塑性变形，这种现象称为材料的高温蠕变现象。一般说来，只有当工作温度超过0.3T熔时，才会出现较为明显的蠕变现象。同时，许多机械零件在温度不断变化的条件下工作时，将受到热冲击作用，零件上的各个工作部分，会由于温度不同而产生不等量的膨胀或收缩，在零件的内部形成热应力作用，导致零件的变形或降低零件的实际承载能力。1.1.3环境载荷环境负荷对零件及材料的作用，也是工程设计和制造中不可忽视的内容。1．环境载荷对金属构件与零件的作用环境载荷对金属构件与零件的影响主要体现在金属的腐蚀和摩擦磨损两个方面：（1）金属的腐蚀从腐蚀的过程和金属腐蚀的机理上，可将金属的腐蚀分为物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀三大类。物理腐蚀是指由于单纯的物理溶解过程而形成的腐蚀；化学腐蚀是指金属材料与周围介质之间，直接发生纯化学反应，在反应的过程中不产生电流的腐蚀现象；电化学腐蚀是指金属材料与周围的电解质介质发生电化学反应，在反应过程中有电流产生的腐蚀过程。（2）金属的摩擦磨损在机械的运转中，在任何接触状态下发生相对运动的机械零件，都会在彼此之间产生相互摩擦，如轴与轴、活塞环与汽缸套、齿轮与齿轮、滑快与十字头等。在不断的摩擦过程中，机械零件的表面出现物质损耗并造成形状和尺寸变化的现象称为磨损，由于磨损的机理不同，产生磨损的类型也很多，常见的有磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。2．环境负荷对高分子材料构件和机械零件的作用随着机器制造业的发展，非金属材料的应用日益广泛，特别是高分子材料的应用，更是首当其冲。在高分子材料的加工、储存、运输和使用的过程中，由于受到各种环境因素的影响，会导致其使用性能逐渐变坏，以致最后丧失其使用价值的现象称为老化。例如，农用薄膜经长时间的风吹日晒，会发生变脆、变色，透明度下降；车辆的橡胶轮胎在储存或使用过程中会发生龟裂；玻璃钢制品在长期的使用过程中，会在其表面上逐渐暴露出玻璃纤维、产生变色、慢慢失去光泽，并导致强度降低。1.2机械工程材料的分类机械工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某些功能，被用来制造机各类械零件的材料。据统计，目前世界上的机械工程材料已达40多万种，并且约以每年5%的速度增加。机械工程材料种类繁多，应用的场合也各不相同。因而，形成了许多不同的分类方法。1．按材料的化学组成分类按材料的化学组成分类，可将机械工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料四类。（1）金属材料金属材料可分为黑色金属材料和有色金属材料两类。黑色金属材料是指铁及铁基合金，主要包括碳钢、合金钢、铸铁等；有色金属材料是指铁及铁基合金以外的金属及其合金。有色金属材料的种类很多，根据它们的特性不同，又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等多种类型。金属材料具有正的电阻温度系数，一般具有良好的电导性、热导性、塑性、金属光泽等，是目前工程领域中应用最广泛的工程材料。（2）高分子材料以高分子化合物为主要组分的材料称为高分子材料，可分为有机高分子材料和无机高分子材料两类。有机高分子材料主要有塑料、橡胶、合成纤维等；无机高分子材料包括松香、淀粉、纤维素等。高分子材料具有较高的强度、弹性、耐磨性、抗腐蚀性、绝缘性等优良性能，在机械、仪表、电机、电气等行业得到了广泛应用。（3）陶瓷材料陶瓷材料是金属和非金属元素间的化合物，主要包括水泥、玻璃、耐火材料、绝缘材料、陶瓷等。它们的主要原料是硅酸盐矿物，又称为硅酸盐材料，由于陶瓷材料不具有金属特性，因此也称为无机非金属材料。陶瓷材料熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性好等优点，在现代工业中的应用越来越广泛。（4）复合材料复合材料由基体材料和增强材料两个部分构成。基体材料主要有金属、塑料、陶瓷等，增强材料则包括各种纤维、无机化合物颗粒等。根据基体材料不同，可将复合材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料；根据组织强化方式的不同，可将复合材料分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、层状复合材料等。复合材料由两种或两种以上的材料组合而成，可能具有非同寻常的强度、刚度、高温性能和耐腐蚀性等，其性能是它的组成材料所不具备的。2．按材料的使用性能或功能分类按材料的使用性能或完成的功能不同，可将机械工程材料分为结构材料和功能材料两类。（1）结构材料用于制造实现运动和传递动力的零件材料称为结构材料，它是以强度、硬度、刚性、塑性、韧性、疲劳强度、耐磨性等力学性能为主要的性能指标。结构材料主要有金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等，在机械工程中被广泛使用。（2）功能材料用于制造实现特殊功能的零件材料称为功能材料，它是以声、光、电、磁、热等物理性能为主要性能指标，利用物质的各种物理特性及其对外部环境的敏感反应，实现对各种信息的处理和能量的转换。功能材料主要包括大规模集成电路材料、信息记录材料、光学材料、超导材料、形状记忆材料等，在通讯、计算机、电子、空间科学等领域扮演着极其重要的角色。1.3机械工程材料的性能金属材料具有良好的使用性能（usability）和工艺性能，被广泛用来制造机械零件和工程结构。所谓使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能(如电导性、热导性等)、化学性能(如耐蚀性、抗氧化性等)。所谓工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。1.3.1材料的力学性能材料的力学性能是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力，它是机械零件设计和选材的主要依据。常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1．强度强度是指材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度(tensile)、抗压强度(compressionstrength)、抗弯强度和抗剪强度等。各种强度间有一定的联系，而抗拉强度是最基本的强度指标。材料受外力时，其内部产生了大小相等方向相反的内力，单位横截面积上的内力称为应力(stress)，用σ表示。通过拉伸试验可以测出材料的强度指标。金属材料的强度是用应力值来表示的。从拉伸曲线可以得出三个主要的强度指标：弹性极限（elasticlimit）、屈服强度(yieldstrength)和抗拉强度。（1）弹性极限材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值，用符号σe表示，MPa式中：Fe——试样产生完全弹性变形(elasticdeformation)的最大载荷，N；S0——试样原始横截面积，mm2。（2）屈服强度(屈服点)材料产生屈服现象时的最小应力值，用符号σs表示，MPa式中：Fs——试样产生屈服的最小载荷，N。有些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸试验中没有明显的屈服现象。所以国标中规定，以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示，MPa式中：F0.2——试样塑性变形量为标距长度的0.2%时的载荷，N。（3）抗拉强度材料断裂前所能承受的最大应力值，用符号σb表示，MPa式中：Fb——试样断裂前所承受的最大载荷，N。弹性极限是弹性元件(如弹簧)设计和选材的主要依据。绝大多数机械零件(如紧固螺栓)，在工作中不允许产生明显的塑性变形(plasticdefortion)，所以屈服强度是设计和选材的主要依据。抗拉强度表示材料抵抗断裂的能力，脆性材料没有屈服现象，则常用σb作为设计依据。2．塑性塑性(plasticity)是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。金属材料的塑性也是通过拉伸试验测得的。常用的塑性指标有伸长率(elongation)和断面收缩率(contractionofcrosssectionalarea)。（1）伸长率试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比，用符号δ表示，即：式中：l0——试样原始标距长度，mm；lK——试样拉断后的标距长度，mm。长试样和短试样的伸长率分别用δ10和δ5表示，习惯上δ10也常写成δ。伸长率的大小与试样的尺寸有关，对于同一材料，短试样测得的伸长率大于长试样的伸长率，即δ5＞δ10。因此，在比较不同材料的伸长率时，应采用相同尺寸规格的标准试样。(2)断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示，即：式中Sk——试样拉断处的最小横截面积，mm2。断面收缩率与试样尺寸无关，因此能更可靠地反映材料的塑性。材料的伸长率和断面收缩率愈大，则表示材料的塑性愈好。塑性好的材料，如铜、低碳钢，容易进行轧制、锻造、冲压等，塑性差的材料，如铸铁，不能进行压力加工，只能用铸造方法成形。而且用塑性较好的材料制成的机械零件，在使用中万一超载，能产生塑性变形而避免突然断裂，增加了安全可靠性。因此，大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须有一定的塑性。3．硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示金属不大体积内抵抗变形或破裂的能力，是重要的力学性能指标。材料的硬度与强度之间有一定的关系，根据硬度可以大致估计材料的强度。因此，在机械设计中，零件的技术条件往往标注硬度。热处理生产中也常以硬度作为检验产品是否合格的主要依据。硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、迅速，不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科研中得到广泛应用。测定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度(Brinellhardness)、洛氏硬度(Rockwellhardness)和维氏硬度(Vickershardness)试验方法。（1）布氏硬度布氏硬度的测定是在布氏硬度机上进行的，其试验原理如图1.1所示。用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，在试验力F的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑(压痕)，用读数显微镜测量其压痕直径d,求出压痕表面积，用试验力F除以压痕表面积S所得的商作为被测金属的布氏硬度值，用符号HB表示，MPa式中：F——试验力，N；S——压痕表面积，mm2；D——压头直径，mm；d——压痕直径，mm。布氏硬度值可通过上式计算求得，但在实际应用中，常根据压痕直径d的大小直接查布氏硬度表得到硬度值。

图1.1布氏硬度试验原理示意图用淬火钢球作压头测得的硬度用符号HBS表示，适合于测量布氏硬度值小于450的材料；用硬质合金球作压头测得的硬度用符号HBW表示，适合于测量布氏硬度值450～650的材料。在硬度标注时，硬度值写在硬度符号的前面，例如120HBS，表示用淬火钢球作压头测得材料的布氏硬度值为120。我国目前布氏硬度机的压头主要是淬火钢球，故主要用来测定灰铸铁、有色金属以及经退火、正火和调质处理的钢材等的硬度。布氏硬度压痕大，试验结果比较准确。但较大压痕有损试样表面，不宜用于成品件与薄件的硬度测试，而且布氏硬度整个试验过程较麻烦。（2）洛氏硬度洛氏硬度的测定在洛氏硬度机上进行。与布氏硬度试验一样，洛氏硬度也是一种压入硬度试验,但它不是测量压痕面积，而是测量压痕的深度，以深度大小表示材料的硬度值。用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，先加初载荷，再加主载荷，将压头压入金属表面，保持一定时间后卸除主载荷，根据压痕的残余深度确定硬度值。硬度值，用符号HR表示，式中：h—压痕的残余深度，mm；K—常数(用金刚石压头，K=100；淬火钢球作压头，K=130)。为了能在同一洛氏硬度机上测定从软到硬的材料硬度，采用了由不同的压头和载荷组成的几种不同的洛氏硬度标尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA、HRB和HRC三种。表示洛氏硬度时，硬度值写在硬度符号的前面。便如，50HRC表示用标尺C测得的洛氏硬度值为50。洛氏硬度试验操作简便迅速，可直接从硬度机表盘上读出硬度值。压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。但由于压痕较小，测得的数据不够准确，通常应在试样不同部位测定三点取其算术平均值。（3）维氏硬度维氏硬度试验原理基本上与布氏硬度相同，也是根据压痕单位表面积上的载荷大小来计算硬度值。所不同的是采用相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作压头。试验时，用选定的载荷F将压头压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，在试样表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕两对角线长度，求其算术平均值，用以计算出压痕表面积，以压痕单位表面积上所承受的载荷大小表示维氏硬度值，用符号HV表示，维氏硬度适用范围宽(5～1000HV)，可以测从极软到极硬材料的硬度，尤其适用于极薄工件及表面薄硬层的硬度测量(如化学热处理的渗碳层、渗氮层等)，其结果精确可靠。缺点是测量较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。各种硬度间没有理论的换算关系，但可通过查GB1172—74几种常用硬度换算表进行近似换算。4．冲击韧度强度、塑性、硬度都是在缓慢加载即静载荷下的力学性能指标。实际上，许多机械零件常在冲击载荷作用下工作，例如锻锤的锤杆、冲床的冲头等。所谓冲击载荷是指以很快的速度作用于零件上的载荷。对承受冲击载荷的零件，不但要求有较高的强度，而且要求有足够的抵抗冲击载荷的能力。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度(impacttoughness)。材料的冲击韧度值通常采用摆锤式一次冲击试验进行测定。冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的，其试验原理如图1.2所示。

图1.2摆锤式冲击试验原理示意图将带有缺口的标准冲击试样安放在冲击试验机的支座上，试样缺口背向摆锤冲击方向。把质量为m的摆锤从一定高度h1落下，将试样冲断，冲断度样后，摆锤继续升到h2的高度。摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击吸收功，用符号AKU表示。冲击吸收功可从冲击试验机刻度盘上直接读出。将冲击吸收功除以试样缺口底部横截面积，即得到冲击韧度值，冲击韧度用符号aKU表示，mJ/c2式中：S—试样缺口底部横截面积，cm2；AKU—冲击吸收功，J。冲击韧度值AKU愈大，表明材料韧性愈好。实际上AKU值的大小就代表了材料韧性的高低，故目前国际上许多国家直接用冲击吸收功作为冲击韧度的指标。冲击韧度值是在大能量一次冲断试样条件下测得的性能指标。但实际生产中许多机械零件很少是受到大能量一次冲击而断裂，多数是在工作时承受小能量多次冲击后才断裂。材料在多次冲击下的破坏过程是裂纹产生和扩展的过程，是每次冲击损伤积累发展的结果，它与一次冲击有着本质的区别。5．疲劳强度(fatiguestrength)许多机械零件(如齿轮、弹簧、连杆、主轴等)都是在交变应力(即应力的大小、方向随时间作周期性变化)下工作。虽然应力通常低于材料的屈服强度，但零件在交变应力作用下长时间工作，也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂事先没有明显的塑性变形，断裂是突然发生的，很难事先觉察到，因此具有很大的危险性，常常造成严重的事故。图1.3钢铁材料的疲劳曲线通过疲劳试验可测得材料所承受的交变应力σ与断裂前的应力循环次数N之间的关系曲线,称为疲劳曲线，如图1.3所示。由图可知，应力值愈低，断裂前应力循环次数愈多，当应力低于某一数值时，曲线与横坐标平行，表明材料可经受无数次应力循环而不断裂。表示材料经受无数次应力循环而不破坏的最大应力称为疲劳强度。对称循环应力的疲劳强度用σ-1表示。工程上规定，钢铁材料应力循环次数达到107次，有色金属应力循环次数达到108次时，不发生断裂的最大应力作为材料的疲劳强度。经测定，钢的σ-1只有σb的50%左右。疲劳断裂的过程，往往是在零件的表面，有时也可能在零件的内部某一薄弱部位产生裂纹，在交变应力作用下，裂纹不断扩展，使材料的有效承载截面不断减小，最后产生突然断裂。提高疲劳强度的方法很多，如设计时，尽量避免尖角、缺口和截面突变，可避免应力集中引起的疲劳裂纹；还可以通过降低表面粗糙度和采用表面强化的方法(如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等)来提高疲劳强度。1.3.2材料的理化性能1．物理性能（1）密度材料的密度是指单位体积中材料的质量，常用符号ρ表示。不同的材料其密度不同，一般将密度小于4.5g/cm3的金属称为轻金属，密度大于4.5g/cm3的金属称为重金属。抗拉强度σb与密度ρ之比称为比强度；弹性模量E与密度ρ之比称为比弹性模量，两者也是某些机械零件选材时考虑的重要性能指标。例如，密度小的材料将会降低机械零件的重量，提高机械零件单位重量的强度（即比强度）。在航空、航天领域使用的材料一般都要求具有高的比强度和比弹性模量。（2）熔点是指材料的熔化温度。金属及合金是晶体，都有固定的熔点；陶瓷也有固定的熔点，一般显著高于金属及合金的熔点；高分子材料一般不是完全晶体，没有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分。按照熔点的高低，可将金属材料分为易熔金属和难熔金属两类，易熔金属如Sn、Pb等，可以用来制造保险丝、放火安全阀等零件；难熔金属如W、Mo、V等，可以用来制造耐高温零件，在燃气轮机、航天、航空等领域有广泛的应用。（3）热膨胀性材料随温度变化而出现膨胀和收缩的现象称为热膨胀性。一般来说，材料受热时膨胀，而冷却时收缩。材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来表示，陶瓷的热膨胀系数最低，金属材料次之，高分子材料的热膨胀系数最高。对精密仪器或机械零件来说，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在异种金属材料的焊接过程中，会因为材料的热膨胀系数相差过大而使焊件产生焊接变形或破坏。（4）导电性材料传导电流的能力称为导电性，一般用电阻率表示。通常金属材料的电阻率随温度的升高而增加，非金属材料的随温度的升高而降低。金属材料的一般具有良好的导电性，并随材料成分的复杂化而降低，因而纯金属的导电性比合金要好；高分子材料都是绝缘体，但有的高分子复合材料也有良好的导电性；陶瓷材料虽然也是良好的绝缘体，但某些特殊成分的陶瓷却是具有一定导电性的半导体材料。（5）导热性材料传导热量的能力称为导热性，一般用热导率（也称为导热系数）λ表示。材料的热导率越大，则导热性越好。一般来说，金属越纯，其导热性越好；金属及其合金的热导率远高于非金属材料。导热性好的材料（如铜、铝及其合金等）常用来制造热交换器等传热设备的零部件；导热性差的材料（如陶瓷、塑料、木材等材料）可用来制造绝热材料。（6）磁性材料能导磁的性能称为磁性。磁性材料常分为软磁材料和硬磁材料（也称为永磁材料），软磁材料（如电工纯铁、硅钢片等材料）容易磁化、导磁性良好，外磁场去除后磁性基本消除；硬磁材料（如淬火的钴钢、稀土钴等材料）经磁化后能保持磁场，磁性不易消失；许多金属材料（如铁、钴、镍等）有较高的磁性，但也有一些金属材料（如铜、铝、不锈钢等材料）是无磁性的。2．化学性能（1）耐腐蚀性是指材料抵抗空气、水蒸汽及其它各种化学介质腐蚀的能力。材料在常温下与周围介质发生化学或电化学作用而遭到破坏的现象称为腐蚀，非金属材料的耐腐蚀能力远高于金属材料。提高材料的耐腐蚀性，可有效地节约材料和延长机械零件的使用寿命。（2）抗氧化性材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属及其合金的抗氧化机理是金属材料在高温下迅速氧化后，可在金属表面形成一层连续而致密并与母体结合牢固的氧化薄膜，阻止金属材料的进一步氧化；而高分子材料的抗氧化机理则不同。（3）化学稳定性是材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称，高温下的化学稳定性又称为热稳定性。在高温条件下工作的设备，如工业锅炉、加热设备、汽轮机、火箭等设备上的许多零件均在高温下工作，应尽量选用热稳定性好的材料制造。1.3.3材料的工艺性能工艺性能是指材料在成形过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。（1）铸造性能指材料易于铸造成型并获得优质铸件的能力，衡量材料铸造性能的指标主要有流动性、收缩性和偏析倾向等。流动性是指熔融材料的流动能力，主要受化学成分和浇注温度的影响，流动性好的材料容易充满铸型型腔，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；收缩性是指铸件在冷却凝固过程中其体积和尺寸减少的现象，铸件收缩不仅影响其尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷；偏析是指铸件内部化学成分和显微组织的部均匀现象，偏析严重的铸件其各部分的力学性能会有很大差异，降低产品质量。（2）锻造性能是指材料是否容易进行压力加工的性能。它取决于材料的塑性和变形抗力的大小，材料的塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。如纯铜在室温下有良好的锻造性能；碳钢的锻造性能优于合金钢；铸铁则不能锻造。（3）焊接性能是指材料是否易于焊接并能获得优质焊缝的能力。碳钢的焊接性能主要取决于钢的化学成分，特别是钢的碳含量影响最大。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁等材料的焊接性能较差。（4）热处理性能是指材料进行热处理的难易程度。热处理可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力。（5）切削加工性能是指材料接受切削加工的难易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用寿命等。一般来说，材料的硬度适中（180～220HBS）其切削加工性能良好，所以灰铸铁的切削加工性比钢好，碳钢的切削加工性比合金钢好。改变钢的成分和显微组织可改善钢的切削加工性能。

习题与思考题1．

机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷会对机械零件产生什么作用？2．常用的机械工程材料按化学组成可分为哪几大类？什么是结构材料、功能材料和复合材料？3．15钢从钢厂出厂时，其力学性能指标应不低于下列数值：σb=375MPa、σs=225MPa、δ5=27%、ψ=55%，现将本厂购进的15钢制成d0=10mm的圆形截面短试样，经过拉伸试验后，测得Fb=33.81kN、Fs=20.68kN、lk=65mm、dk=6mm，试问这批15钢的力学性能是否合格?为什么？4．下列各种工件应该采用何种硬度试验方法来测定硬度?写出硬度符号。(1)锉刀；(2)黄铜轴套；(3)供应状态的各种碳钢钢材；(4)硬质合金的刀片；(5)耐磨工件的表面硬化层。5．有关零件图图纸上，出现了以下几种硬度技术条件的标注方法，问这种标注是否正确?为什么?(1)600～650HBS；(2)230HBW；(3)12～15HRC；(4)70～75HRC；(5)HRC55～60kgf／mm2；(6)HBS220～250kgf／mm2。6．有一紧固螺栓使用后发现有塑性变形(伸长)，试分析材料的哪些性能指标没有达到要求。7．试根据书中有关表格查出10钢、20钢、30钢、40钢、50钢、60钢的σb、σs(或σ0.2)、δ5、ψ、aKU的数值，并画出以横坐标为钢号，以纵坐标为各种力学性能的关系曲线。8．AKU的含义是什么?有了塑性指标为何还要测定aKU?9．疲劳破坏是怎样产生的?提高零件疲劳强度的方法有哪些?10．金属材料有哪些工艺性能？哪些金属与合金具有优良的可锻性？哪些金属与合金具有优良的可焊性？2金属的晶体结构与结晶不同的材料具有不同的性能，即使成分相同的材料，经不同的热处理后也会使性能产生很大的差异，其根本原因在于材料的内部结构不同。因此，研究金属材料的内部组织结构，对于掌握材料的性能是非常有意义的。2.1金属的晶体结构(crystalstructure)固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体与非晶体两大类。原子呈规则排列的物质称为晶体，如金刚石、石墨和固态金属及合金等，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青、石蜡等，非晶体没有固定的熔点。2.1.1晶体结构的基本概念在金属晶体中，原子是按一定的几何规律作周期性规则排列。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2.1a)所示。

图2.1晶体、晶格与晶胞示意图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子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格(crystallattice)，如图2.1b)所示。晶体中的每个点叫做结点。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(unitlatticecell)，如图2.1c)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。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，如图2.1c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数(latticeconstant)，以埃(Å)为单位来表示(1Å=10-8cm)。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。2.1.2常见金属的晶格类型由于金属键有很强的结合力，所以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(body-centeredcubiclattice)的晶胞是一个立方体，其晶格常数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2.2所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+1=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2.2体心立方晶胞示意图2．面心立方晶格面心立方晶格(face-centeredlattice)的晶胞也是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图2.3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2.3面心立方晶胞示意图3．密排六方晶格密排六方晶格(close-packedhexagonallattice)的晶胞是个正六方柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体高度c。在密排六方晶胞的十二个角上和上、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2.4所示。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/6）×12+（1/2）×2+3=6个。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等。

图2.4密排六方晶胞示意图2.1.3晶格的致密度晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构的类型有关，通常用晶格的致密度(packingfactor)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常用数据。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，其次是体心立方晶格。表2.1三种常见金属晶格的常用数据晶格类型晶胞中的原子数原子半径致密度体心立方晶格20.68面心立方晶格40.74密排六方晶格60.74在不同类型晶格的晶体中，原子排列的紧密程度不同，因而具有不同的比容（即单位质量物质所占的容积），当金属的晶格类型发生转变时，会引起金属体积的变化。若体积的变化受到约束，则会在金属内部产生内应力，而引起工件的变形或开裂。2.1.4金属的实际晶体结构1．多晶体结构如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则这块晶体称为单晶体。单晶体在自然界几乎不存在，现在可用人工方法制成某些单晶体(如单晶硅)。实际工程上用的金属材料都是由许多颗粒状的小晶体组成，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图2.5所示。这种不规则的、颗粒状的小晶体称为晶粒(crystallinegrain)，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界(crystalboundary)，由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体结构。图2.5金属的多晶体结构示意图2．晶体缺陷实际金属具有多晶体晶体，由于结晶条件等原因，会使晶体内部出现某些原子排列不规则的区域，这种区域被称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，可将其分为以下三种类型：（1）点缺陷(pointdefect)点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子，如图2.6所示。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占有，这种空着的结点位置称为晶格空位；处在晶格间隙中的原子称为间隙原子。在晶体中由于点缺陷的存在，将引起周围原子间的作用力失去平衡，使其周围原子向缺陷处靠拢或被撑开，从而晶格发生歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的强度和硬度提高。图2-6晶格空位和间隙原子示意图晶格空位和间隙原子的运动是金属原子扩散的主要形式之一，金属的固态相变和化学热处理过程均依赖于原子扩散。（2）线缺陷(lineardefect)线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是各种类型的位错(dislocation)。所谓位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。位错的形式很多，其中简单而常见的刃型位错如图2.7所示。由图可见，晶体的上半部多出一个原子面(称为半原子面)，它像刀刃一样切入晶体中，使上、下两部分晶体间产生了错排现象，因而称为刃型位错。EF线称为位错线，在位错线附近晶格发生了畸变。图2.7刃型位错示意图位错的存在对金属的力学性能有很大的影响。例如冷变形加工后的金属，由于位错密度的增加，强度明显提高。（3）面缺陷(planedefect)面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型的晶界，它是多晶体中晶粒之间的界面。由于各晶粒之间的位向不同，所以晶界实际上是原子排列从一种位向过渡到另一个位向的过渡层，在晶界处原子排列是不规则的，如图2.8所示。图2.8晶界的结构示意图晶界的存在，使晶格处于畸变状态，在常温下对金属塑性变形起阻碍作用。所以，金属的晶粒愈细，则晶界愈多，对塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度愈高。2.2金属的结晶大多数金属材料都是经过熔化、冶炼和浇铸得到的，即由液态金属冷却凝固而成。由于固态金属是晶体，故液态金属的凝固过程则称为结晶(crystallization)。金属结晶后的组织对金属的性能有很大影响。因此，研究金属的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。2.2.1金属结晶的概念液态金属的结晶过程可用热分析的方法来研究。即将金属加热到熔化状态，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，直至冷却到室温，然后将测量数据画在温度—时间坐标图上，便得到一条金属在冷却过程中温度与时间的关系曲线,如图2.9所示。这条曲线称为冷却曲线。由图可见，液态金属随着冷却时间的延长，温度不断下降，但当冷却到某一温度时，在曲线上出现了一个水平线段，则其所对应的温度就是金属的结晶温度。金属结晶时释放出结晶潜热，补偿了冷却散失的热量，从而使结晶在恒温下进行。结晶完成后，由于散热，温度又继续下降。图2-10纯金属的冷却曲线示意图金属在极其缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）所测得的结晶温度称为理论结晶温度(T0)。但在实际生产中，液态金属结晶时，冷却速度都较大，金属总是在理论结晶温度以下某一温度开始进行结晶，这一温度称为实际结晶温度(Tn)。金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度(degreeofsupercooling)，用△T表示，即△T=T0-Tn。金属结晶时的过冷度与冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度就愈大，金属的实际结晶温度就愈低。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。2.2.2结晶过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段所经历的时间内发生的。它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。液态金属的结晶，不可能一瞬间完成，它必须经过一个由小到大，由局部到整体的发展过程。大量的实验证明，纯金属结晶时，首先是在液态金属中形成一些极微小的晶体，然后以这些微小晶体为核心不断吸收周围液体中的原子而不断长大，这些小晶体称为晶核。在晶核不断长大的同时，又会在液体中产生新的晶核并开始不断长大，直到液态金属全部消失，形成的晶体彼此接触为止。每个晶核长成一个晶粒，这样，结晶后的金属便是由许多晶粒所组成的多晶体结构，如图2.10所示。

图2.10金属结晶过程示意图2.2.3结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小对金属的力学性能影响很大。一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。因此，细化晶粒是使金属材料强韧化的有效途径。纯铁晶粒大小对其力学性能的影响如表2.2所示。表2.2纯铁晶粒大小对其力学性能的影响金属结晶时，一个晶核长成一个晶粒，在一定体积内所形成的晶核数目愈多，则结晶后的晶粒就愈细小。因此，工业生产中，为了获得细晶粒组织，常采用以下方法：1．增大过冷度金属结晶时的冷却速度愈大，则过冷度愈大。实践证明，增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶粒组织。如在铸造生产中，常用金属型代替砂型来加快冷却速度，以达到细化晶粒的目的。2．进行变质处理在实际生产中，提高冷却速度来细化晶粒的方法只适用小件或薄壁件的生产，对于大件或厚壁铸件，由于散热较慢，要在整个体积范围内获得大的冷却速度很困难，而且，冷却速度过大往往导致铸件变形或开裂。这时，为了得到细晶粒组织，可采用变质处理。变质处理(inoculation)是在浇注前向液态金属中人为地加入少量被称为变质剂的物质，以起到晶核的作用，使结晶时晶核数目增多，从而使晶粒细化。例如，向铸铁中加入硅铁或硅钙合金，向铝硅合金中加入钠或钠盐等都是变质处理的典型实例。变质处理是一种细化晶粒的有效方法，因而在工业生产中得到了广泛的应用。3．采用振动处理在金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使正在长大的晶体折断、破碎，也能增加晶核数目，从而细化晶粒。2.2.4金属铸锭的结晶组织金属制品大多数是先将液态金属浇铸成金属铸锭，经压力加工成型材，然后再经过各种冷、热加工制成各种成品以供使用。铸锭结晶后的组织不仅影响其加工性能，而且还会影响制品的力学性能。1．铸锭的结晶典型的铸锭结晶组织如图2.11所示，一般可以分为表层细等轴晶粒区、柱状晶粒区、中心粗等轴晶粒区等三层不同特征的晶区。（1）表层细等轴晶粒区当高温下的液态金属注入铸锭模时，由于铸锭模温度较低，靠近模壁的薄层金属液体便形成了极大的过冷度，加上模壁的自发形核作用，便形成了一层很细的等轴晶粒层。（2）柱状晶粒区随着表面层等轴细晶粒层的形成，铸锭模的温度升高，液态金属的冷却速度减慢，过冷度减小；此时，沿垂直于模壁的方向散热最快，晶体沿散热的相反方向择优生长，形成柱状晶粒区。图2.11铸锭的结晶组织（3）中心粗等轴晶粒区随着柱状晶粒区的结晶，铸锭模的模壁温度在不断升高，散热速度减慢，逐渐趋于均匀冷却状态。晶核在液态金属中可以自由生长，在各个不同的方向上其张大速率基本相当，结果形成了粗大的等轴晶粒。2．铸锭的组织与性能金属铸锭中的细等轴晶粒区，显微组织比较致密，室温下力学性能最高。在铸锭的柱状晶粒区，因平行分布的柱状晶粒间的接触面较为脆弱，并常常聚集有易熔杂质和非金属夹杂物等，使金属铸锭在冷、热压力加工时容易沿这些脆弱面产生开裂现象，降低力学性能，所以，对于钢锭一般不希望获得柱状晶粒区；但柱状晶粒区的组织较致密，不易产生疏松等铸造缺陷，对于塑性较好的有色金属及合金，有时为了获得较致密的铸锭组织而希望获得较大的柱状晶粒区，因为这些金属及其合金的塑性良好，在压力加工中不致于产生开裂现象。由于铸锭的中心粗等轴晶粒区在结晶时没有择优取向，不存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交错，其力学性能比较均匀，虽然其强度和硬度低，但塑性和韧性良好。3．铸锭的缺陷在金属铸锭中，除了铸锭的组织不均匀以外，还经常存在各种铸造缺陷，如缩孔、疏松、气泡、裂纹、非金属夹杂物及化学成分偏析等，会降低工件的使用性能。在生产中常常需要对金属铸锭及其压力加工产品进行各种宏观和微观的检验与分析，以便根据实际需要，通过适当的处理工艺改善铸锭的组织，提高其使用性能。2.2.5金属的同素异晶转变大多数金属在结晶完成后，其晶格类型不再发生变化。但也有少数金属，如铁、钴、钛等，在结晶之后继续冷却时，还会发生晶体结构的变化，即从一种晶格转变为另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变(allotropictransformation)。现以纯铁为例来说明金属的同素异晶转变过程。纯铁的冷却曲线如图2.12所示，

图2.12纯铁的冷却曲线液态纯铁在1538℃时结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe；冷却到1394℃时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe；继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。再继续冷却，晶格类型不再发生变化。纯铁的同素异晶转变过程可概括如下：1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的重新排列，这种原子的重新排列过程，实际上就是一个结晶过程，与液态金属结晶过程的不同点在于其是在固态下进行的，但它同样遵循结晶过程中的形核与长大规律。为了和液态金属的结晶过程相区别，一般称其为重结晶。纯铁的同素异晶转变是钢铁材料能够进行热处理的理论依据，也是钢铁材料能获得各种性能的主要原因之一。习题与思考题1．常见的金属晶格类型有哪些?试绘图说明其特征。2．实际金属中有哪些晶体缺陷?晶体缺陷对金属的性能有何影响?3．什么叫过冷现象、过冷度?过冷度与冷却速度有何关系?4．金属的晶粒大小对力学性能有何影响?控制金属晶粒大小的方法有哪些?5．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）金属型浇注与砂型浇注；（2）浇注温度高与浇注温度低；（3）铸成薄壁件与铸成厚壁件；（4）厚大铸件的表面部分与中心部分；（5）浇注时采用振动与不采用振动。6．金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的组织和性能有何特点？7．为什么单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示各向异性？8．试计算面心立方晶格的致密度。9．什么是位错？位错密度的大小对金属强度有何影响？3合金的结构与结晶纯金属一般具有良好的电导性、热导性和金属光泽，但其种类有限，生产成本高，力学性能低，无法满足人们对金属材料提出的高品种和高性能的要求。因此，通过配制各种不同成分合金，可以有效地改变金属材料的结构、组织和性能，满足了人们对金属材料更高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能的要求。同纯金属相比，合金材料的应用比纯金属要广泛得多。碳钢、合金钢、铸铁、黄铜、硬铝等都是常用的合金材料。3.1固态合金中的相结构合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，各晶粒虽有界面分开，但它们仍属于同一种相；若合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成的，则它们将属于不同的几种相。例如，纯铁在常温是由单相的α-Fe组成的。铁与碳形成铁碳合金，由于铁与碳相互作用形成一种化合物Fe3C,这种Fe3C的成分、结构与α-Fe完全不同，因此，在铁碳合金中就出现了一个新相Fe3C，称为渗碳体。合金(alloy)的性能一般都是由组成合金的各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况所决定的。因此，在研究合金的组织与性能之前，必须先了解合金组织中的相结构。如果把合金加热到熔化状态，则组成合金的各组元即相互溶解成均匀的溶液。但合金溶液经冷却结晶后，由于各组元之间相互作用不同，固态合金中将形成不同的相结构，合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。3.1.1固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相(phase)，称为固溶体(solidsolution)。固溶体的晶格类型与其中某一组元(constituent)的晶格类型相同，而其他组元的晶格结构将消失能保留住晶格结构的组元称为溶剂，另外的组元称为溶质。因此，固溶体的晶格类型与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。在固溶体中，一般溶剂含量较多，溶质含量较少。1．固溶体的分类按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分为以下两类：（1）间隙固溶体若溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体(interstitialsolidsolution)，如图3.1a所示。由于溶剂晶格的空隙是有限的，故能够形成间隙固溶体的溶质原子、其尺寸都比较小，一般情况下，当溶质原子与溶剂原子直径的比值时，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于1Å的非金属元素，如H（0.46Å）、B（0.97Å）、C（0.77Å）、O（0.60Å）、N（0.71Å）等。图3.1固溶体的两种类型在金属材料的相结构中，形成间隙固溶体的例子很多，如碳钢中碳原子溶入α-Fe晶格空隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体；碳原子溶入γ-Fe晶格空隙中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。由于溶剂格的空隙有一定的限度，随着溶质原子的溶入，溶剂晶格将发生畸变，如图3.2a所示。溶入的溶质原子越多，所引起的畸变就越大。当晶格畸变量超过一定数值时，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，所以间隙固溶体的溶解度都有一定的限度。

图3.2形成固溶体时的晶格畸变（2）置换固溶体若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置，则这种类型的固溶体称为置换固溶体(substitutionalsolidsolution)，如图3.1b所示。在金属材料的相结构中，形成置换固溶体的例子也不少，如某种不锈钢中，铬和镍原子代替部分铁原子而占据了γ-Fe晶格某些结点位置形成的置换固溶体。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者原子直径的差别、它们在周期表中相互位置和晶格类型。一般说来，溶质原子和溶剂原子直径差别愈小，则溶解度愈大；两者在周期表中位置越靠近，则溶解度也愈大。如果上述条件能很好地满足，而且溶质与溶剂的晶格结构也相同，则这些组元往往能无限互相溶解，即可以任何比例形成置换固溶体，这种固溶体称为无限固溶体，如铁和铬、铜和镍便能形成无限固溶体。反之，若不能很好满足上述条件，则溶质在溶剂中的溶解度是有限度的，这种固溶体称为有限固溶体，如铜和锌、铜和锡都形成有限固溶体。有限固溶体的溶解度还与温度有密切关系，一般温度愈高，溶解度愈大。固溶体虽然仍保持着溶剂的晶格类型，但当形成置换固溶体时，由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同，因此，也会造成固溶体晶格常数的变化和晶格的畸变，如图3.2b所示。2．固溶体的性能由于固溶体的晶格发生畸变，使位错移动时所受到的阻力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成的固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料机械性能的一种重要途径。例如，南京长江大桥的建筑中，大量采用的含锰为wMn=1.30%~1.60%的低合金结构钢，就是由于锰的固溶强化作用提高了该材料的强度，从而大大节约了钢材，减轻了大桥结构的自重。实践表明，适当掌握固溶体的中溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍能保持相当好的塑性和韧性。例如，往铜中加入19%的镍，可使合金材料的强度极限σb由220MPa提高到380~400MPa，硬度由44HBS提高到70HBS，而延伸率仍然能保持50%左右。若用加工硬化的办法使纯铜达到同样的强化效果，其延伸率将低于10%。这就说明，固溶体的强度、韧性和塑性之间能有较好的配合，所以对综合机械性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相。可是，通过单纯的固溶强化所达到的最高强度指标仍然有限，仍不能满足人们对结构材料的要求，因而在固溶强化的基础上须再补充进行其它的强化处理。3.1.2金属化合物组成合金的两种元素，当它们在化学元素周期表上的位置相距较远时，往往容易形成化合物(compound)。金属材料中的化合物可以分为金属化合物和非金属化合物两类。凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物，它可以成为金属材料的组成相。例如，碳钢中的渗碳体（Fe3C）、黄铜中的β相（CuZn），都属于金属化合物。凡是没有金属键结合，并且又有金属特性的化合物，称为非金属化合物。例如，碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS都是非金属化合物。非金属化合物是合金原材料或熔炼过程带来的杂质，它们数量虽少，对合金性能的影响一般都较坏，故也称非金属夹杂。下面只介绍金属化合物。金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，例如钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶体结构，如图3.3所示。碳原子构成一斜方晶格（a≠b≠c，α=β=γ=90°），在每个碳原子周围都有六个铁原子构成八面体，各个八面体内都有一个碳原子，每个铁原子为两个八面体所共有。

图3.3Fe3C的晶体结构在Fe3C中Fe与C原子的比例为3׃1，因而，可用Fe3C这一化学式表示。金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。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，但会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型。1．正常价化合物组成正常价化合物(valencecompound)的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示。通常金属性强的元素与非金属或类金属能形成这种类型化合物，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物具有高的硬度和脆性。在合金中，当它在固溶体基体上细小而均匀地分布时，将使合金得到强化，因而起着强化相的作用。2．电子化合物电子化合物(electroncompound)不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。所谓电子浓度是指化合物中价电子数与原子数的比值，电子浓度。在电子化合物中，一定的电子浓度一般有一定的晶格结构相对应。如当电子浓度为时，形成体心立方晶格的电子化合物，称为β相；当电子浓度为时，形成复杂立方晶格的电子化合物，称为γ相；当电子浓度为时，形成密排六方晶格的电子化合物，称为ε相。在许多金属材料中经常存在着电子化合物相。例如，Cu-Zn合金中的CuZn，因Cu的价电子数为1，Zn的价电子数为2，化合物的总原子数为2，故CuZn的电子浓度，属于β相。同理，Cu5Zn8属于γ相,CuZn3属于ε相。应注意，电子化合物虽然可以用化学式表示，但实际上它是一个成分可变的相，也就是在电子化合物的基础上可以再溶解一定量的组元，形成以该化合物为基的固溶体。例如，在Cu-Zn合金中，β相中锌的质量分数可以在36.8%到56.5%范围内变动。电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性很差，因此与正常价化合物一样，一般只能作为强化相存在于合金中。3．间隙化合物间隙化合物(interstitialcompound)一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。如合金钢中不同类型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和钢经化学热处理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是属于间隙化合物。间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。间隙化合物又可分为两类，一类是具有简单晶格结构的间隙化合物，也称为间隙相，如VC、WC、TiC等。VC的晶体结构如图3.4所示。另一类是具有复杂晶格结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。Fe3C的晶体结构就是这一类间隙化合物结构的典型例子。间隙化合物具有极高的硬度和熔点（如表3.1所示），而且十分稳定，尤其是间隙相更为突出。所以间隙化合物在钢铁材料和硬质合金中具有很大的作用。如碳钢中的Fe3C也可以提高钢的强度和硬度；工具钢中VC可以提高钢的耐磨性；高速钢中的WC、VC等可使钢在高温下保持高硬度；而WC和TiC则是硬质合金的主要组成物。图3.4VC的晶体结构表3.1一些碳化物的硬度及溶点碳化物类型间隙相间隙化合物TiCZrCVCNbCTaCWCMo2CCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃3410380530233770±125415050152012273.2二元合金相图3.2.1二元合金相图的建立固态合金的相结构有固溶体和金属化合物两类。但工程上常用合金在固态下的显微组织较多是由固溶体与少量化合物或由几种固溶体组成的多相组织。不同合金系的合金，在固态下必然具有不同的显微组织，对于同一合金系的合金，由于合金的成分和合金所处的温度不同，在固态下也会形成不同的显微组织。合金相图(phasediagram)又称为合金平衡图或合金状态图，它表示平衡状态下合金系中不同成分合金在不同温度下由哪些平衡相（或组织）组成，以及合金相之间平衡关系的图形。根据合金相图，不仅可以看到不同成分的合金在室温下平衡组织，而且还可以了解它从高温液态以极缓慢冷却速度冷却到室温所经历的各种相变过程，同时相图还能预测其性能的变化规律。所以相图已成为研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具，在生产实践中，合金相图已是正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。1．相图的表示方法纯金属可以用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来，纯铜的冷却曲线及相图如图3.5所示，纵坐标表示温度，1点为纯铜冷却曲线上的结晶温度（1083℃）在温度轴上的投影，即纯铜的相的转变温度（称为临界点）。1点以上表示纯铜处于液体状态；1点以下表示纯铜处于固体状态。所以纯金属的相图，只要用一条温度纵坐标轴就能表示。图3.5纯铜的冷却曲线及相图二元合金的组成相的变化不仅与温度有关，而且还与合金成分有关。因此就不能简单地用一个温度坐标轴表示，必须增加一个表示合金成分的横坐标。所以二元合金相图，是以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图形。现以Cu-Ni合金相图为例来说明二元合金相图表示方法。图3.6是Cu-Ni合金相图，图上纵坐标表示温度，横坐标表示合金成分。横坐标从左到右表示合金成分的变化，即Ni的含量由0%向100%逐渐增大；而Cu的含量相应地由100%向0%逐渐减少。在横坐标上任何一点都代表一种成分的合金，例如C点代表含40%Ni+60%Cu的合金；D点代表含60%Ni+40%Cu的合金。通过成分坐标上的任一点作的垂线称为合金线，合金线上不同的点表示该成分合金处于某一温度下的相组成。因此，相图上的任意一点都代表某一成分的合金在某一温度时的相组成（或显微组织）。例如M点表示30%Ni+70%Cu的合金在950℃时，其组织为单相α固溶体。图3.6Cu-Ni合金相图2．相图的建立方法合金相图都是用实验方法测定出来的。下面以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。（1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu；②80%Cu+20%Ni；③60%Cu+40%Ni；④40%Cu+60%Ni；⑤20%Cu+80%Ni；⑥100%Ni。（2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3.7a所示。（3）找出各冷却曲线上的临界点，如图3.7a所示。由Cu-Ni合金系的冷却曲线可见，纯铜及纯镍的冷却曲线都有一个平台（水平线段），这说是纯金属的结晶过程是在恒温下进行的，故只有一个临界点。其他四个合金的冷却曲线上不出现平台，但却有两个转折点，即有两个临界点。这表明四个合金都是在一个温度范围内进行结的。温度较高的临界点表示开始结晶温度，称为上临界点，在图上用“○”表示；温度较低的临界点表示结晶终了温度，称为下临界点，在图上用“●”表示。

图3.7用热分析法测定Cu--Ni合金相图（4）将各个合金的临界点分别标注在温度—成分坐标图中相应的合金线上。（5）连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线。这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3.7b）所示。图中各开始结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线，各终了结晶温度连成的相界线tALtB线称为液相线。从上述测定相图的方法可知，如配制的合金数目越多，所用的金属的纯度愈高，热分析时冷却速度越缓慢，则所测定的合金相图就越精确。目前，通过实验已测定了许多二元合金相图，其形式大多比较复杂，然而，复杂的相图可以看成是由若干基本的简单相图所组成的。下面将着重分析几种基本的二元合金相图。3.2.2二元匀晶相图凡是二元合金系中两组元在液态和固态下以任何比例均匀可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图(binaryuniformgrain-typediagram)。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金都属于这类相图。下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。1．相图分析图3-8a所示为Cu-Ni合金相图，图中tA=1083℃为纯铜的熔点；tB=1455℃为纯镍的熔点。tALtB为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度；tALtB为固相线，代表各种成分的合金冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度。液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相线以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相线以下是单相的固溶体区，合金处于固体状态，为Cu与Ni组成的无限固液体，以“α”表示；在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区，即结晶区，以“L+α”表示。2．合金结晶过程分析现以含40%Ni的Cu-Ni合金为例，分析其结晶过程，如图3.8所示。由图3.8a可见，该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度时相交，这就是说，该合金是在t1温度时开始结晶，t3温度时结晶结束。

图3.8Cu-Ni合金相图结晶过程分析因此，当合金自高温液态缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，随着温度的下降，α固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少。直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的α固溶体。必须指出，在合金结晶过程中，结晶出的α固溶体成分和剩余的液相成分都与原来合金成分是不相同的。若要知道上述合金在结晶过程中某一温度时两相的成分，可通过该合金线上相当于该温度的点作水平线，此水平线与液相线及固相线的交点在成分坐标上的投影，即相应地表示该温度下液相和固相的成分。由图3.8a可见，在t1温度时液相与固相的成分分别为L1点和α1点在成分坐标上的投影。其原因可解释为：当液相冷却到t1温度时，结晶出α1成分的固溶体；当α1点成分的合金重新加热到t1温度时，便开始熔化。所以，在t1温度时，与成分为L1的液相处于平衡状态的α固溶体的成分一定是α1。同理，在t2温度时液、固两相的成分，在通过原子充分扩散而达到平衡状态时，应分别为L2点和α2点在成分坐标上的投影；在t3温度时合金结晶终了，经过原子充分扩散后，最终获得与原合金成分相同（即α3点在成分坐标上的投影——40%Ni++60%Cu）的单相α固溶体。固溶体合金的显微组织与纯金属类似，是由多面体的固溶体晶粒所组成的。图3-9为Cu-Ni合金固溶体的显微组织。其他成分合金的结晶过程均与上述合金相似。可见，固溶体合金的结晶过程与纯金属不同，其特点是，合金在一定温度范围内进行结晶，已结晶的固溶体成分不断沿固相线变化，剩余液相成分不断沿液相线变化。

图3-9Cu-Ni合金固溶体的显微组织3．杠杆定律的应用如上所述，在合金相图中液、固两相并存地两相区内，若已给定某一温度，就能确定在该温度下液、固两相的成分。至于在该温度下液、固两相的相对重量，则可借助于杠杆定律（leverrule）来确定，其原理如图3.10所示。在图3-10中，含x%Ni的Cu-Ni合金，在t温度时，可用前述方法分别求得液相成分为x1%Ni，固相成分为x2%Ni。在这温度下，已结晶出的固相α和剩余液相L的相对重量可按下述方法计算：

图3-10杠杆定律的应用设合金总重量为Q，液相重量为QL，固相重量为Qα。则：QL+Qα=Q（1）QL·x1+Qα·x2=Q·x（2）将（1）式代入（2）式得：QL·x1+Qα·x2=（QL+Qα）·xQL（x2-x）=QL(x-x1)由图3.10可见：(x2-x)=bc(x-x1)=ac代入上式即得：Qα·bc=QL·ac或设液相的相对重量为L，固相的相对重量为α，则：以上所得的两相重量之间的相对关系同力学中的杠杆定律相似，因此也称为杠杆定律。必须指出，杠杆定律不仅适用于匀晶相图两相区中两平衡相的相对重量计算，对其他类型的二元合金相图两相区中两平衡相的相对重量计算也同样适用。3.3二元共晶相图凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的，其相图属于二元共晶相图（binaryeutectic-typephasediagram）。所谓共晶转变，是指一定成分的液相，在一定温度下同时结晶出两种不相同的固相的转变。根据两组元在固态下相互作用的不同，共晶相图可分为简单共晶相图和一般共晶相图两类，下面就这两类相图进行分析。3.3.1相图分析1．简单共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图，称为简单共晶相图。图3.11中A、B两组元组成的简单共晶相图。相图中tA点为组元A的熔点，tB点为组元B的熔点。tAC线为液相线，合金线与它的交点表示该合金在冷却过程中开始结晶出固相A组元的温度。tBC也是液相线，合金线与它的交点表示该合金在冷却过程中开始结晶出固相B组元的温度。由结晶终了温度连成的水平的DCE线为固相线。液相冷却到DCE线都要发生共晶转变所以又称为共晶线。图3.11简单共晶相图C点是液相线tAC、tBC与固相线DCE的交点，表示成分为C的合金冷却到t温度时，液相将在恒温下同时结晶出固相为（A+B）的机械混合物，即发生了共晶转变，其反应式为：t℃t℃LcA+B由共晶转变所获得的两相机械混合物的组织称为共晶组织或共晶体(eutecticmixture),C点称为共晶点。由图3-11可见，液相线tAC、tBC与固相线DCE把整个相图分为四个不同相区。在液相线tAC与tBC以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相线DCE以下，因为两组元在固态下互不溶解，所以是A+B两种固相共存的两相区；在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区，即结晶区，其中tACD区是液相L与固相A共存的两相区，tBCE区是液相L与固相B共存的两相区。在二元共晶相图中，三相区是一条水平线（即共晶线DCE线），它是由液相L+固相A+固相B组成的。属于简单共晶相图的有Be-Si、Cd-Bi等二元合金。2．一般共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。图3.12是由A、B两组元组成的一般共晶相图。为了便于分析，可以把图3.12分成如图3.13所示的三个部分。很明显，图3.13中左右两部分就是部分的匀晶相图，中间部分就是一个简单共晶相图。

图3.12一般共晶相图

图3.13一般共晶相图的分析图3.13的左边部分就是溶质B溶于溶剂A中形成α固溶体的匀晶相图，由于在固态下B组元只能有限有溶解于A组元中，且其溶解度随着温度的降低而逐渐减小，故DF线就是B组元在A组元中的固相溶解度曲线，简称为固溶线。同理，图3.13的右边部分就是溶质A溶于溶剂B中形成β固溶体的匀晶相图，由于在固态下A组元只能有限溶解于B组元中，其溶解度也随着温度的降低而逐渐减小，故EG线就是A组元在B组元中的固溶线。图3.13的中间部分是一简单共晶相图，它与图3.11在图形上没有什么差别，但图3.11所示相图的左右两边是两组元A与B，其共晶转变的反应为：恒温LcA+B恒温而图3-13中间部分相图的左右两边却是两种有限固溶体α与β，其共晶转变的反应为：恒温Lcα+β恒温根据上述分析，并对照已掌握的匀晶相图与简单共晶相图，就很容易识读如图3.12所示的一般共晶相图了。图中tA、tB点分别为组元A与组元B的熔点；C点为共晶点。tAC、tBC线为液相线，液相在tAC线上开始结晶也α固溶体，液相在tBC线上开始结晶出β固溶体。tAD、tBE、DCE线为固相线；tAD线是液相结晶成α固溶体的终了线；tBE线是液相结晶成β固溶体的终了线；DCE线是共晶线，液相在该线上将发生共晶转变，结晶出（α+β）共晶体。DF、EG线分别为α固溶体与β固溶体的固溶线。上述相界线把整个一般共晶相