湖工院机械工程材料教案

一、目的与要求主要讲授材料的主要力学性能指标、测定方法及其应用。参阅教材绪论和第一章的教学内容。了解材料力学性能指标的测定原理及相关实验仪器设备的结构、作用及其组成；熟悉相关实验仪器设备的使用方法及维护；掌握主要力学性能指标的意义及应用。二、重点与难点重点：材料力学性能指标的含义及其应用。难点：材料力学性能指标之间的相互关系及其在零件选材中的应用。三、教学方法与手段课堂讲解及多媒体演示。四、教学内容与步骤（4课时）绪论一、机械工程材料的工作载荷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．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、弯曲等多种形式的静载荷。（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。2．热载荷主要指材料的热疲劳现象和高温氧化等。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。3．环境载荷主要包括金属的腐蚀和金属的摩擦磨损等。二、机械工程材料的分类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。（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。（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。（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。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。第一章材料的力学性能金属材料具有良好的使用性能和工艺性能，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。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。第一节材料的强度和塑性一、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、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。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，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、屈服强度和抗拉强度。（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（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（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二、塑性塑性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和断面收缩率。（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：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。(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：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。第二节硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示材料在外力作用下抵抗变形或破裂的能力。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、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。（1）布氏硬度用直径为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，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。第三节冲击韧度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。冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。图1.2摆锤式冲击试验原理示意图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。第四节疲劳强度许多机械零件(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。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。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。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？一、目的与要求主要讲授金属的晶体结构与结晶，主要包括金属的晶体结构的基本概念、结构类型；金属结晶的基本概念、结晶的一般过程及规律、金属结晶后的晶粒大小、金属的同素异晶转变等。二、重点与难点重点：常用金属的晶体结构及其特点；金属结晶的规律及晶粒大小的控制。难点：材料力学性能指标之间的相互关系及其在零件选材中的应用。三、教学方法与手段课堂讲解及多媒体演示。四、教学内容与步骤（4课时）第二章金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构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。一、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。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。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。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，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。二、常见金属的晶格类型1．体心立方晶格体心立方晶格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，。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。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。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三、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60.74四、金属的实际晶体结构1．多晶体结构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，这种不规则的、颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，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：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。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（2）线缺陷：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。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，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：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。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。第二节金属的结晶一、金属结晶的概念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，这条曲线称为冷却曲线。图2-10纯金属的冷却曲线示意图金属在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，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。二、结晶过程纯金属结晶时，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。

图2.10金属结晶过程示意图三、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。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。2．进行变质处理变质处理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。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。四、金属铸锭的结晶组织1．铸锭的结晶典型的铸锭结晶组织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；柱状晶粒区的组织较致密，不易产生疏松等铸造缺陷；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。五、金属的同素异晶转变金属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。现以纯铁为例来说明金属的同素异晶转变过程。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。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。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？一、目的与要求主要讲授合金的晶体结构与结晶，主要包括合金晶体结构的基本概念、相结构的类型及性能特点；合金结晶的基本概念、结晶的一般过程及规律；二元合金相图的意义、类型及相变规律、相图的应用等。二、重点与难点重点：合金的晶体结构及其特点；二元合金相图的基本类型及其相变过程。难点：二元合金相图的相变过程及其应用。三、教学方法与手段课堂讲解及多媒体演示。四、教学内容与步骤（4课时）第三章合金的结构与结晶第一节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。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。一、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称为固溶体。固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同，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。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。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。图3.1固溶体的两种类型（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。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。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。二、金属化合物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。图3.3Fe3C的晶体结构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，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。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。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的晶体结构第二节二元合金相图一、二元合金相图的建立合金相图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。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，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）。图3.5纯铜的冷却曲线及相图二元合金相图，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3.6Cu-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：（2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；（3）找出各冷却曲线上的临界点；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。二、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。1．相图分析图示为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，tALtB为固相线。2．合金结晶过程分析由图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。合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的α固溶体。图3.8Cu-Ni合金相图结晶过程分析3．杠杆定律及应用

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。第三节二元共晶相图与共析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。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。一、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简单共晶相图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3.12一般共晶相图二、合金的结晶过程分析以Pb-Sn合金为例。

图3.14Pb-Sn合金相图1．含Sn量小于D点的合金的结晶过程L→α+L→α→α+βⅡ图3.15合金I的冷却曲线及结晶过程图3.16＜19.2Sn的Sn--Pb组织(200×)合金I在室温时，α与βⅡ的相对重量，可用杠杆定律计算：×100%所有成分在D点与F点间的合金，其结晶过程与合金Ⅰ相似，其室温下显微组织都是由α+βⅡ组成。只是两相的相对量不同，合金成分越靠近点D点，室温时βⅡ量直越多。2．含Sn量为C点的合金的结晶过程L→(α+β)图3.17合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程恒温LcαD+βE恒温这时所获得的（αD+βE）的细密机械混合物，就是共晶组织或共晶体。共晶体中αD与βE的相对重量可用杠杆定律计算如下：βE=(1-αD)×100%图3.18Pb--Sn共晶合金的室温组织(100×)3．含Sn量在C、D点间的合金的结晶过程L→α→α+（α+β）图3.19合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程图3.20Pb--Sn亚共晶合金的室温组织(100×)4．含Sn量在C、E点间的合金的结晶过程

图3.21合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程图3.22Pb--Sn过共晶合金的室温组织(100×)图3.23以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图第四节相图与合金性能之间的关系合金的性能取决于合金的化学成分与其组织，合金的化学成分与组织间关系体现在合金相图上，因此合金相图与合金的性能之间必然存在着一定的联系。1．形成单相固溶体的合金形成单相固溶体的合金相图是匀晶相图。实验表明，固溶体合金的物理性能和力学性能与合金成分间是呈曲线关系变化的。固溶体合金与作为溶剂的纯金属相比，它的强度、硬度和电阻升高，电阻温度系数降低，并在某一成分下达到最大值或最小值。图3.24固溶体合金的物理及力学性能与其成分的关系单相固溶体合金具有较好的塑性，所以它的压力加工性能良好。但它在切削加工时由于切屑不易剥落、不易断屑、加工表面光洁度较差等原因，使其切削加工性能差。另外它的铸造性能也不好。图3.25固溶体合金的铸造性能与其成分的关系2．形成两相混合物的合金共晶相图中成分在两相区内的合金结晶后，形成两相混合物。形成两相混合物时合金的物理性能和机械性能将随合金成分的改变在两相性能之间呈直线关系变化。当合金形成机械混合物时，合金的性能还与组织的细密程度有关，组织愈细密对组织敏感的合金性能（如强度、硬度等）提高愈多。

图3.26合金形成两相混合物时的物理及力学性能与其成分的关系图3.27合金形成两相混合物时的铸造性能与其成分的关系当合金形成两相混合物时，合金压力加工性能不如单相固溶体的好。但其切削加工性能较好。形成两相混合物时合金铸造性能与合金成分间的关系，如图3.27所示。由图可见，合金的铸造性能也取决于合金结晶区间的大小，因此，就铸造性能来说，共晶合金最好，因为它在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，具有较好的流动性，在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密性好。故在其它条件许可的情况下，铸造用金属材料尽可能选用共晶合金。习题与思考题1．置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了？2．间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上区别何在？举例说明之。3．现有A、B两元素组成如图3.28所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确？为什么？（1）形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。（2）K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B量总是高于原液相中含B量。（3）固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分都不相同，故在平衡状态下固溶体的成分是不均匀的。

图3.28题3图4．共晶部分的Mg-Cu相图如图3.29所示：（1）填入各区域的组织组成物和相组成物。在各区域中是否会有纯Mg相存在？为什么？（2）求出20%Cu合金冷却到500℃、400℃时各相的成分和重量百分比。（3）画出20%Cu合金自液相冷到室温的却曲线，并注明各阶段的相与相变过程。图3.29题4图5．试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。6．为什么亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金共晶转变温度相同？7．根据下表所列要求，归纳比较固溶体、金属化合物及机械混合物的特点名称种类举例晶格特点相数性能特点固溶体

金属化合物

机械混合物

一、目的与要求主要讲授铁碳合金的基本相和基本组织；铁碳合金相图的分析、铁碳合金的分类、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织；碳钢的概念、常存杂质元素对钢性能的影响、常用碳钢等内容。二、重点与难点重点：铁碳合金相图的相变规律、典型合金的结晶过程、常见碳钢。难点：铁碳合金相图的相变、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织。三、教学方法与手段课堂讲解、多媒体演示、实验。四、教学内容与步骤（8课时）第四章铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性很大，已无实用价值。所以，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。第一节铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。1．铁素体碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙分布较分散，所以间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm2），但强度、硬度较低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。

图4.1铁素体的显微组织（200×）2．奥氏体碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2.11%。奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(σb≈400MPa、δ≈40～50%、硬度为160～200HBS)，易锻压成形。图4.2奥氏体的显微组织示意图3．渗碳体渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，常用化学分子式Fe3C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、aKU≈0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。4．珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度适中（180HBS）。5．莱氏体碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727℃以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。第二节Fe-Fe3C相图图4.3简化的Fe-Fe3C相图一、相图分析1．相图中的主要特性点2．相图中的主要特性线ACD线为液相线，在ACD线以上合金为液态，用符号L表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用符号Fe3CI表示。AECF线为固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。ECF线为共晶线，温度为1148℃。PSK线为共析线，又称A1线，温度为727℃。即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度(727℃)时，同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。共析转变后的产物称为珠光体，S点称为共析点。凡是碳的质量分数为0.0218～6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。ES线是碳在γ-Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。碳在γ-Fe中的溶解度随温度的下降而减小，在1148℃时溶解度为2.11%，到727℃时降为0.77%。GS线，又称A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。PQ线是碳在α-Fe中的固态溶解度曲线。二、铁碳合金的分类根据碳的质量分数和室温组织的不同，可将铁碳合金分为以下三类：（1）工业纯铁wc≤0.0218%。（2）钢0.0218%＜wc≤2.11%。根据室温组织的不同，钢又可分为三种：共析钢、亚共析钢、过共析钢。（3）白口铁2.11%＜wc＜6.69%。根据室温组织的不同，白口铁又可分为三种：共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁。三、典型铁碳合金的结晶过程及组织1．共析钢的结晶过程及组织L→L＋A→P图4.4共析钢结晶过程示意图在共析温度下，珠光体中铁素体与渗碳体的相对重量可用杠杆定律计算：珠光体的显微组织如图4.5所示。在显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。图4.5珠光体的显微组织（500×）2．亚共析钢的结晶过程及组织L→L＋A→F＋A→F＋P图4.6亚共析钢结晶过程示意图wc=0.45%的亚共析钢在727℃温度下，其组织中铁素体和珠光体的相对量可用杠杆定律计算：所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，只是铁素体和珠光体的相对量不同。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，这是因为放大倍数较低，无法分辨出珠光体中的层片，故呈黑色。

图4.7亚共析钢的显微组织（200×）a)wc=0.1%b)wc=0.25%c)wc=0.6%根据显微组织中珠光体所占的面积可粗略地计算出亚共析钢中碳的质量分数。由于室温下铁素体中碳的含量几乎为零，可以忽略不计，所以钢中碳的质量分数约等于珠光体中碳的含量，即：wc=0.77%×SP3．过共析钢的结晶过程及组织L→L＋A→Fe3CⅢ＋A→Fe3CⅢ＋P

图4.8过共析钢结晶过程示意图wc=1.2%的过共析钢室温组织珠光体和二次渗碳体的相对量可用杠杆定律计算：所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。只是随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。过共析钢的显微组织如图4.9所示。图中层片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。图4.9过共析钢的显微组织（500×）4．共晶白口铁的结晶过程及组织L→Ld→Ld′图4.10共晶白口铁结晶过程示意图共晶白口铁的显微组织如图4.11所示。图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体。图4.11共晶白口铁的显微组织（125×）5．亚共晶白口铁的结晶过程及组织L→A+Ld→A+Fe3CⅡ+Ld→P+Fe3CⅡ+Ld′图4.12亚共晶白口铁的结晶过程示意图亚共晶白口铁的显微组织如图4.13所示。图中黑色块状或呈树枝状分布的为由初生奥氏体转变成的珠光体，基体为变态莱氏体。组织中的二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，难以分辨。所有亚共晶白口铁的室温组织都是由珠光体和变态莱氏体组成。只是随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。

图4.13亚共晶白口铁的显微组织（125×）

6．过共晶白口铁的结晶过程及组织L→Fe3CⅠ+Ld+→Fe3CⅠ+Ld′图4.14过共晶白口铁的结晶过程示意图所有过共晶白口铁室温组织都是由一次渗碳体和变态莱氏体组成。只是随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。过共晶白口铁的显微组织如图4.15所示。图中白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。图4.15过共晶白口铁的显微组织（125×）四、碳含量对铁碳合金组织和性能的影响1．碳含量对平衡组织的影响从上面分析可知，不同成分的铁碳合金在共析温度以下都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化，所以，不同成分的铁碳合金室温下具有不同的组织和性能。其室温组织变化情况如下：F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CⅠ2．含碳量对力学性能的影响钢中铁素体为基体，渗碳体为强化相，而且主要以珠光体的形式出现，使钢的强度和硬度提高，故钢中珠光体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧性相应降低。但过共析钢中当渗碳体明显地以网状分布在晶界上，特别在白口铁中渗碳体成为基体或以板条状分布在莱氏体基体上，将使铁碳合金的塑性和韧性大大下降，以致合金的强度也随之降低，这就是高碳钢和白口铁脆性高的主要原因。

图4.16含碳量对钢力学性能的影响由图可见，当钢中碳的质量分数小于0.9%时，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断下降；当钢中碳的质量分数大于0.9%时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。五、Fe-Fe3C相图的应用Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，根据组织可以大致判断出力学性能，便于合理地选择材料。例如，建筑结构和型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用低碳钢(wc≤0.25%)；机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；工具需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。而白口铁可用于需要耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如拔丝模、冷轧辊、犁铧等。Fe-Fe3C铁碳相图不仅可作为选材的重要依据，还可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。这些将在后续章节、后续课程详细介绍。必须指出，铁碳相图是在极缓慢的加热或冷却条件下得到的，而实际生产中冷却速度较快，合金的相变温度与冷却后的组织都将与相图中不同。另外，通常使用的铁碳合金，除铁、碳两元素外，往往还含有多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有影响，应予以考虑。第三节碳钢碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢容易冶炼，价格低廉，易于加工，性能上能满足一般机械零的使用要求，因此是工业中用量最大的金属材料。一、存杂质元素对钢性能的影响1．锰的影响锰来自于生铁和脱氧剂，在钢中是一种有益的元素，其含量一般在0.8%以下。锰能溶入铁素体中形成固溶体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度；少部分的锰则溶于Fe3C，形成合金渗碳体；锰能增加组织中珠光体的相对量，并使其变细；锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。2．硅的影响硅也是来自于生铁和脱氧剂，在钢中也是一种有益的元素，其含量一般在0.4%以下。硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响亦不显著。3．硫的影响硫是由生铁和燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫在钢中不溶于铁，而与铁化合形成化合物FeS，FeS与Fe能形成低熔点共晶体，熔点仅985℃，且分布在奥氏体的晶界上。当钢材在1000～1200℃进行压力加工时，共晶体已经熔化，并使晶粒脱开，钢材变脆，这种现象称为热脆性，为此，钢中硫的含量必须严格控制。在钢中增加锰含量，使之与硫形成MnS(熔点1620℃)，可消除硫的有害作用，避免热脆现象。4．磷的影响磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素。磷在钢中能全部溶入铁素体，使钢的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，使钢变脆。这种情况在低温时更为严重，因此称为冷脆性。所以，钢中的磷含量也应严格控制。总之，钢中锰、硅是有益的元素，允许一定的含量，而硫、磷是有害的元素，应严格控制其含量。但是，在易切钢中适当提高硫、磷的含量，使切屑易断，可改善切削加工性能。二、碳钢的分类1．按钢中碳的含量分类根据钢中含碳量的不同，可分为：（1）低碳钢：wc≤0.25%；（2）中碳钢：0.25%＜wc≤0.6%；（3）高碳钢：wc＞0.6%。2．按钢的质量分类根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少，可分为：（1）普通质量钢钢中硫、磷含量较高(ws≤0.050%，wp=0.045%)；（2）优质钢钢中硫、磷含量较低(ws≤0.035%，wp=0.035%)；（3）高级优质钢钢中硫、磷含量很低(ws≤0.020%,wp≤0.030%)。3．按钢的用途分类根据钢的用途不同，可分为：（1）碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构。这类钢一般属于低、中碳钢。（2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。（3）碳素铸钢主要用于制作形状复杂，难以用锻压等方法成形的铸钢件。三、碳钢的牌号、性能和用途1．碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用A(ws≤0.050%，wp≤0.045%)、B(ws≤0.045%，wp≤0.045%)、C(ws≤0.040%，wp≤0.040%)、D(ws≤0.035%，wp≤0.035%)表示。脱氧方法符号用汉语拼音字母表示。“F”表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；“Z”表示镇静钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和“TZ”符号可省略。例如：Q235—A·F，牌号中“Q”代表屈服点“屈”字汉语拼音首位字母，“235”表示屈服点σs≥235MPa，“A”表示质量等级为A级，“F”表示沸腾钢(冶炼时脱氧不完全)。Q195、Q215、Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑等工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以Q235应用最广。Q235C、Q235D质量好，用作重要的焊接结构件。Q255、Q275强度较高，可用作受力较大的机械零件。2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍数。例如45钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.45%。若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰元素的符号“Mn”。例如65Mn钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.65%，含锰量较高(wMn=0.9～1.2%)。若为沸腾钢，在两位数字后面加符号“F”，例如08F钢。优质碳素结构钢随含碳量的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性降低。不同牌号的优质碳素结构钢具有不同的性能特点及用途。08F钢是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。一般由钢厂轧成薄钢板或钢带供应，主要用于制造冷冲压件，如外壳、容器、罩子等。10～25钢属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，并具有良好的冷冲压性能和焊接性能。常用于制造冷冲压件和焊接构件，以及受力不大、韧性要求高的机械零件，如螺栓、螺钉、螺母、轴套、法兰盘、焊接容器等。还可用作尺寸不大，形状简单的渗碳件。30～55钢属中碳钢，经调质处理后，具有良好的综合力学性能，主要用于制造齿轮、连杆、轴类零件等，其中以45钢应用最广。60、65钢属高碳钢，经适当热处理后，有较高的强度和弹性，主要用于制作弹性零件和耐磨零件，如弹簧、弹簧垫圈、轧辊等。3．碳素工具钢碳素工具钢碳的质量分数为0.65～1.35%。根据有害杂质硫、磷含量的不同又分为优质碳素工具钢(简称为碳素工具钢)和高级优质碳素工具钢两类。碳素工具钢的牌号冠以“碳”的汉语拼音字母“T”，后面加数字表示钢中平均碳的质量分数的千倍数，如为高级优质碳素工具钢，则在数字后面再加上“A”。例如T8钢表示平均碳的质量分数为0.8%的优质碳素工具钢。T10A钢表示平均碳的质量分数为1.0%的高级优质碳素工具钢。T7、T8钢适于制造承受一定冲击而要求韧性较高的工具，如大锤、冲头、凿子、木工工具、剪刀等。T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求高硬度和较高耐磨性的工具，如丝锥、板牙、小钻头、冷冲模、手工锯条等。T12、T13钢的硬度和耐磨性很高，但韧性较差，用于制造不受冲击的工具，如锉刀、刮刀、剃刀、量具等。4．碳素铸钢碳素铸钢其碳的质量分数一般为0.15～0.60%。碳素铸钢的牌号用“铸钢”两字汉语拼音的第一个字母“ZG”加两组数字表示，第一组数字为最小屈服强度值，第二组数字为最小抗拉强度值。如ZG310—570表示最小屈服强度为310MPa，最小抗拉强度为570MPa的碳素铸钢。工程用碳素铸钢的牌号、化学成分、力学性能和用途如表4.5所示。习题与思考题1．何谓金属的同素异晶转变?试以纯铁为例说明金属的同素异晶转变。2．何谓共晶转变和共析转变?以铁碳合金为例写出转变表达式。3．画出Fe-Fe3C相图钢的部分，试分析45钢、T8钢、T12钢在极缓慢的冷却条件下的组织转变过程，并绘出室温显微组织示意图。4．为什么铸造合金常选用靠近共晶成分的合金？而压力加工合金则选用单相固溶体成分的合金？5．根据Fe-Fe3C相图，确定下表中三种钢在指定温度下的显微组织名称。钢号温度（℃）显微组织温度（℃）显微组织20770

900

T8680

770

T12700

770

6．某厂仓库中积压了许多碳钢(退火状态)，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中铁素体量占80%。问此钢材碳的含量大约是多少?是哪个钢号?7．有形状和大小一样的两块铁碳合金，一块是低碳钢，一块是白口铁。问用什么简便的方法可迅速将它们区分开来?8．现有两种铁碳合金，在显微镜上观察其组织，并以面积分数评定各组织的相对量。一种合金的珠光体占75%，铁素体占25%；另一种合金的显微组织中珠光体占92%，二次渗碳体占8%。这两种铁碳合金各属于哪一类合金？其碳的质量分数各为多少？9．现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们碳的质量分数分别为0.20%、0.40%、1.2%、3.5%。根据你所学过的知识，可有哪些方法来区别它们?10．根据Fe-Fe3C相图解释下列现象：（1）在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000～1200℃；（2）钢铆钉一般用低碳钢制作；（3）绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝)，而起重机吊重物时却用钢丝绳(60钢、65钢、70钢等制成)；（4）在1100℃时，wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而wc=4.0%的铸铁不能进行锻造；（5）在室温下wc=0.8%的碳钢比wc=1.2%的碳钢强度高；（6）钢锭在正常温度(950～1100℃)下轧制有时会造成开裂；（7）钳工锯割T8钢、T10钢等钢料比锯割10钢、20钢费力，锯条易磨钝；11．试以钢的显微组织说明20钢、45钢和T8钢的力学性能有何不同。12．下列说法是否正确?为什么?（1）钢的含碳量越高，质量越好；（2）共析钢在727℃发生共析转变形成单相珠光体；（3）wc=4.3%的钢在1148℃发生共晶转变形成莱氏体；（4）钢的含碳量越高，其强度和塑性也越高。13．下列工件，由于管理的差错，造成钢材错用，问使用过程中会出现哪些问题?（1）把Q235—A当作45钢制造齿轮?（2）把30钢当作T13钢制成锉刀；（3）把20钢当作60钢制成弹簧。14．根据括号内提供的钢号(08F；20；T8；T12；65Mn；45)选择下列工件所采用的材料：冷冲压件；螺钉；齿轮；小弹簧；锉刀。一、目的与要求主要讲授钢的热处理概述；钢在加热时的组织转变；钢在冷却时的组织转变；钢的退火和正火工艺及其应用；钢的淬火与回火工艺及其应用；钢的表面热处理的原理、方法及其应用。二、重点与难点重点：钢在热处理中的组织转变、钢的热处理工艺及其应用。难点：钢在热处理中的组织转变、热处理工艺参数的确定。三、教学方法与手段课堂讲解、多媒体演示、实验。四、教学内容与步骤（10课时）第五章钢的热处理第一节概述钢的热处理是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，通过改变钢的内部组织结构而获得所需性能的工艺方法。钢的热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段，温度和时间是决定热处理工艺的主要因素，因此热处理工艺可以用温度——时间曲线来表示，该曲线称为钢的热处理工艺曲线。图5.1热处理工艺曲线热处理工艺区别于其它加工工艺（如铸造、锻造、焊接等）的特征是不改变工件的形状，只改变材料的组织结构和性能。热处理工艺只适用于固态下能发生组织转变的材料，无固态相变的材料则不能用热处理来进行强化。根据加热、冷却方式的不同以及钢的组织和性能的变化特征不同，可将热处理工艺进行如下分类：

按照热处理工艺在零件生产过程中的位置和作用不同，又可以将热处理工艺分为预备热处理和最终热处理两类。预备热处理是指为后续加工（如切削加工、冲压加工、冷拔加工等）或热处理作准备的热处理工艺；最终热处理是指使工件获得所需性能的热处理工艺。实际热处理时，加热和冷却相变都是在不完全平衡的条件下进行的，相变温度与Fe-Fe3C相图中的相变点之间存在一定差异。由Fe-Fe3C相图可知，钢在平衡条件下的固态相变点分别为A1、A3和Acm。在实际加热和冷却条件下，钢发生固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度。因此，为与平衡条件下的相变点相区别，而将在加热时实际的相变点分别称为Ac1、Ac3、Accm，在冷却时实际的相变点分别称为Ar1、Ar3、Arcm。

图5.2钢在实际加热和冷却时的相变点第二节钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成过程将共析钢加热至Ac1温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，其转变过程也是一个形核和和长大的过程，一般可分为四个阶段。

图5.3共析钢中奥氏体的形成过程示意图1．奥氏体晶核的形成奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成，这是因为相界面处成分不均匀，原子排列不规则，晶格畸变大，能为产生奥氏体晶核提供成分和结构两方面的有利条件。2.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，依靠铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，奥氏体晶核不断向铁素体和渗碳体二个方向长大。与此同时，新的奥氏体晶核也不断形成并随之长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。3．残余渗碳体的溶解在奥氏体的形成过程中，当铁素体全部转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解（称为残余渗碳体），随着保温时间的延长，残余渗碳体将不断溶入奥氏体中，直至完全消失。4．奥氏体成分均匀化当残余渗碳体溶解后，奥氏体中的碳成分仍是不均匀的，在原渗碳体处的碳浓度比原铁素体处的要高。只有经过一定时间的保温，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体中的碳成分均匀一致。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，不同的是亚共析钢的平衡组织中除了珠光体外还有先析出的铁素体，过共析钢中除了珠光体外还有先析出的渗碳体。若加热至Ac1温度，只能使珠光体转变为奥氏体，得到奥氏体+铁素体或奥氏体+二次渗碳体组织，称为不完全奥氏体化。只有继续加热至Ac3或Accm温度以上，才能得到单相奥氏体组织，即完全奥氏体化。二、奥氏体晶粒的大小及其影响因素奥氏体晶粒的大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。钢在加热时获得的奥氏体晶粒大小，直接影响到冷却后转变产物的晶粒大小(如图5.4所示)和力学性能。加热时获得的奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性和韧性较好；反之，粗大的奥氏体晶粒冷却后转变产物也粗大，其强度、塑性较差，特别是冲击韧度显著降低。1．奥氏体的晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。奥氏体晶粒的大小用奥氏体晶粒度来表示生产中常采用标准晶粒度等级图，由比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。国家标准GB6394-86《金属平均晶粒度测定法》将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，2，……，10等十二个等级，其中常用的为1～8级。1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。2．影响奥氏体晶粒大小的因素（1）加热温度和保温时间奥氏体刚形成时晶粒是细小的，但随着温度的升高，奥氏体晶粒将逐渐长大，温度越高，晶粒长大越明显；在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒就越粗大。（2）钢的成分随着奥氏体中碳含量的增加，晶粒的长大倾向也增加；若碳以未溶碳化物的形式存在时，则有阻碍晶粒长大的作用。第三节钢在冷却时的组织转变钢经加热、保温后能获得细小的、成分均匀的奥氏体，然后以不同的方式和速度进行冷却，以得到不同的产物。在钢的热处理工艺中，奥氏体化后的冷却方式通常有等温冷却和连续冷却两种。图5.6两种冷却方式示意图一、过冷奥氏体的转变产物的组织与性能1．珠光体型转变过冷奥氏体在A1～550℃温度范围等温时，将发生珠光体型转变。由于转变温度较高，原子具有较强的扩散能力，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。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，硬度越高。为区别起见，这些层间距不同的珠光体型组织分别称为珠光体、索氏体和托氏体，用符号P、S、T表示。

图5.7珠光体型组织（500×）2．贝氏体型转变过冷奥氏体在550℃～Ms温度范围等温时，将发生贝氏体型转变，转变产物为由含碳过饱和的铁素体和弥散分布的渗碳体组成的组织，称为贝氏体，用符号B来表示。由于等温温度不同，贝氏体的形态也不同，分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。上贝氏体组织形态呈羽毛状，强度较低，塑性和韧性较差。上贝氏体(upperbainite)的显微组织如图5.8所示，在光学显微镜下，铁素体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色。下贝氏体(lowerbainite)组织形态呈黑色针状，强度较高，塑性和韧性也较好，即具有良好的综合力学性能。

图5.8上贝氏体组织（500×）

图5.9下贝氏体组织（500×）3．马氏体型转变过冷奥氏体在Ms温度以下将产生马氏体型转变。马氏体是碳在α-Fe中溶解而形成的过饱和固溶体，用符号M表示。马氏体具有体心正方晶格，当发生马氏体型转变时，过冷奥氏体中的碳全部保留在马氏体中，形成过饱和的固溶体，产生严重的晶格畸变。（1）马氏体的组织形态马氏体的组织形态因其成分和形成条件而异，通常分为板条马氏体和针片状马氏体两种基本类型。图5.10板条马氏体组织（500×）

图5.11针片状马氏体组织（500×）（2）马氏体的力学性能马氏体具有高的硬度和强度，这是马氏体的主要性能特点。马氏体的硬度主要取决于含碳量，如图5.12所示，而塑性和韧性主要取决于组织。板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。（3）马氏体型转变的特点马氏体转变也是一个形核和长大的过程，但有着许多独特的特点。①马氏体转变是在一定温度范围内进行的。②马氏体转变是一个非扩散型转变。③马氏体转变是快速转变。④马氏体转变具有不完全性。二、过冷奥氏体的转变曲线1．过冷奥氏体的等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线是表示过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量之间的关系曲线。因其形状与字母“C”的形状相似，所以又称为“C曲线”，也称为“TTT”曲线。图5.13共析钢过冷奥氏体等