金属学与热处理

第一章金属的性能1.1金属的物理性能和化学性能1.2金属的力学性能1.3金属的工艺性能1.1金属的物理性能和化学性能

金属的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力(温度)等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。金属的化学性能是指金属在室温或高温时，抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。一、金属的物理性能1.密度密度是指单位体积的质量。密度是金属材料的特性之一。不同金属材料的密度是不同的。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量(重量)也就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制造设备的自重和效能，如发动机要求质轻和惯性小的活塞，常采用密度小的铝合金制造。在航空工业领域中，密度更是选材的关键性能指标之一。常用金属材料的密度见表1-1。一般将密度小于4.5x103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于4.5x103kg/m3的金属称为重金属。下一页返回1.1金属的物理性能和化学性能

2.熔点金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。常用金属的熔点见表1-1。合金的熔点决定于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的含量不同，其熔点也不同。熔点是金属和合金在冶炼、铸造、焊接时重要的工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温零件，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造印刷铅字(铅与锑的合金)、熔丝(铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。3.导热性金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数)

表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般说来，金属越纯，其导热能力越强。合金的导热能力比纯金属差。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。常用金属的热导率见表1-1。上一页下一页返回1.1金属的物理性能和化学性能

导热性好的金属其散热性也好，如在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，就要注意选用导热性好的金属。在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成较大的内应力，以免金属材料发生变形或开裂。

4.导电性金属能够传导电流的能力，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率ρ表示。取长1m、截面积为1mm2的物体，在一定温度下所具有的电阻数，叫做电阻率，单位是Ω·m。电阻率越小，导电性就越好。导电性和导热性一样，是随合金化学成分的复杂化而减弱的，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝做导电材料，而用导电性差的铜合金(康铜)和铁铬铝合金做电热元件。常用金属的电阻率见表1-15.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。上一页下一页返回1.1金属的物理性能和化学性能热膨胀性的大小用线胀系数αt和体胀系数αv来表示。体胀系数近似为线胀系数的3倍。常用金属的线胀系数见表1-1在实际工作中考虑热膨胀性的地方颇多，如铺设钢轨时，在两根钢轨衔接处应留有一定的空隙，以便留给钢轨在长度方向有膨胀的余地;轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制间隙尺寸;在制定焊接、热处理、铸造等工艺时也必须考虑材料的热膨胀影响，做到减少工件的变形与开裂;测量工件的尺寸时也要注意热膨胀因素，做到减少测量误差。6.磁性金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力称为磁性，通常用磁导率μ(H/m)表示。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为如下几种。.铁磁性材料—在外加磁场中，能强烈地被磁化到很大程度，如铁、镍、钴等。.顺磁性材料—在外加磁场中，呈现十分微弱的磁性，如锰、铬、钼等。.抗磁性材料—能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。上一页下一页返回1.1金属的物理性能和化学性能

在铁磁性材料中，铁及其合金(包括钢与铸铁)具有明显磁性。镍和钻也具有磁性，但远不如铁。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等;抗磁性材料则可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。

二、金属的化学性能金属材料在机械制造中，不但要满足力学性能、物理性能的要求，同时也要求具有一定的化学性能，尤其是要求性能具有耐腐蚀、耐高温的机械零件，更应重视金属材料的化学性能。1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对在腐蚀介质(如酸、碱、盐、有毒气体等)中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。因此，在选择材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐腐蚀性，并合理使用耐腐蚀性能良好的金属材料进行制造。上一页下一页返回1.1金属的物理性能和化学性能

2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的氧化程度随温度升高而加速，例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷，为此常采取措施，避免金属材料发生氧化。3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。上一页返回1.2金属的力学性能

所谓力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。金属的力学性能是设计和制造机械零件或工具的主要依据，也是评定金属材料质量的重要判据。各种金属材料除对其成分作规定外，还要对其力学性能作必要的规定。制造各类构件的金属材料都必须满足规定的性能指标。因此熟悉和掌握金属的力学性能是非常重要的。金属受力的性质不同，将表现出各种不同的行为，显示出各种不同的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。一、强度金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及循环载荷3种。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部产生与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力按下式计算:下一页返回1.2金属的力学性能

σ=F/S式中，σ—应力，Pa。1Pa=1N/㎡。当面积用m㎡时，则应力可用MPa为单位。1N/m㎡=106PaF—外力，N;S—横截面积，㎡。金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度5种。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的依据。金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是将一定形状和尺寸的被测金属试样装夹在拉伸试验机上，缓慢施加轴向拉伸载荷，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试样断裂，根据测得的数据，即可计算出有关的力学性能。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

1.拉伸试样在国家标准中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，通常采用圆形拉伸试样，如图1-1所示。图中do是试样的直径，lo为标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样(lo=10do)和短试样(lo=5do)两种。2.力一伸长曲线拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力一伸长曲线，也称为拉伸曲线图。图1-2是低碳钢的力一伸长曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N;横坐标表示伸长量△l，单位为mm。图中明显地表现出下面几个变形阶段：

(1)0e—弹性变形阶段在力一伸长曲线图中，Oe段为一斜直线，说明在该阶段试样的伸长量△l与拉伸力F之间成正比例关系，当拉伸力F增加时，试样的伸长量△l随之增加，去除拉伸力后试样完全恢复到原始的形状及尺寸，这种随载荷的存在而产生、随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样保持完全弹性变形的最大拉伸力。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

(2)es—屈服阶段当拉伸力不断增加，超过Fe再卸载时，弹性变形消失，一部分变形被保留下来，即试样不能恢复原来的形状及尺寸，这种不能随拉伸力的去除而消失的变形称为塑性变形。当拉伸力继续增加到Fs时，力一伸长曲线出现平台或锯齿状，说明在拉伸力基本不变的情况下，试样的伸长量继续增加，这种现象称为屈服。Fs称为屈服载荷。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

(3)sb—冷变形强化阶段在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为冷变形强化。在力一伸长曲线上表现为一段上升曲线，此阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。(4)bk—缩颈与断裂阶段(局部塑性变形阶段)当载荷达到最大值Fb后，试样上某个部位的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。由于试样缩颈处横截面积的减小，试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。缩颈现象在力一伸长曲线上表现为一段下降的曲线。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”，如铸铁等。图1-3为铸铁的力一伸长曲线。3.强度指标(1)屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加(保持恒定)，试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点，用符号σs表示，计算公式如下:式中σs—屈服点，MPa;Fs—试样屈服时的载荷，N;So—试样原始横截面积，m㎡。对于无明显屈服现象的金属材料，按国标规定可用规定残余伸长应力σ0.2表示。σ0.2表示试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称为屈服强度。计算公式如下:

上一页下一页返回1.2金属的力学性能式中，σ0.2—规定残余伸长应力，MPa;F0.2—残余伸长率达0.2%时的载荷，N;So—试样原始横截面积，m㎡。屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而失效。当零件工作时所受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以越小。因此，材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。(2)抗拉强度材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。计算公式如下:上一页下一页返回1.2金属的力学性能式中σb—抗拉强度，MPa;fb—试样拉断前承受的最大载荷，N;So—试样原始横截面积，m㎡。零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。σb也是机械零件设计和选材的重要依据。二、塑性断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用伸长率和断面收缩率来表示。1.伸长率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率，用符号δ表示。其计算公式如下:式中δ—伸长率，%;l1—试样拉断后的标距，mm;lo—试样的原始标距，mm上一页下一页返回1.2金属的力学性能

必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用符号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称为断面收缩率，用符号ψ表示。其计算公式如下:式中ψ—断面收缩率，%;So—试样原始横截面积，m㎡;S1—试样拉断后缩颈处的横截面积，m㎡。金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大，说明其塑性越好。塑性直接影响到零件的成型加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成型，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。下面举例说明强度、塑性的计算方法。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

例有一个直径do=10mm,lo=100mm的低碳钢试样，拉伸试验时测得Fs=21kN,σb=29kN,d1=5.65mm,l1=138mm。求此试样的σs,σb,δ,ψ。解:上一页下一页返回1.2金属的力学性能

三、硬度硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标，是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此硬度是金属材料重要的力学性能之一。硬度值又可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，而与拉伸试验相比，硬度测试试验简便易行，不破坏工件。因而硬度测试试验应用十分广泛。硬度测试的方法很多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法3种。1.布氏硬度上一页下一页返回1.2金属的力学性能

(1)布氏硬度的测试原理使用一定直径的球体(钢球或硬质合金球)，以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量的表面压痕直径来计算硬度，如图1-4所示。布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示的。选择淬火钢球压头时，用符号HBS表示;选择硬质合金球压头时，用符号HBW表示。布氏硬度值按下式计算:式中HBS(HBW)—用钢球(或硬质合金球)试验时的布氏硬度值;F—试验力，N;S—球面压痕表面积，m㎡;D—球体直径，mm;d—压痕平均直径，mm

从上式中可以看出，当试验力F、压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。d越小，布氏硬度值越大，也就是硬度越高。相反，d越大，布氏硬度值越小，硬度也越低。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

通常布氏硬度值不标出单位。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径d，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值，详见附录1(2)布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示方法:符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示试验条件:.球体直径;.试验力;.试验力保持的时间(10~15s不标注)。例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为1700530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10~15s时测得的布氏硬度值为530。做布氏硬度试验时，压头球体的直径(D)、试验力(F)及试验力保持的时间(t)，应根据被测金属材料的种类、硬度值的范围及金属的厚度进行选择，见表1-2上一页下一页返回1.2金属的力学性能

(3)适用范围布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。

2.洛氏硬度(1)洛氏硬度测试原理洛氏硬度试验采用顶角为1200的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压头，在初试验力和主试验力的先后作用下，压人金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。图1-5是用金刚石压头进行洛氏硬度试验的示意图。测量时，先加初试验力Fo，压入深度为h1，目的是为消除因零件表面不光滑而造成的误差。然后再加主试验力F1，在总试验力(Fo+F1)的作用下，压头压人深度为h2。卸除主试验力，由于金属弹性变形的恢复，使压头回升到h3的位置，则由主试验力所引起的塑性变形的压痕深度e=h3-h1.显然e值越大，被测金属的硬度越低，为了符合硬度测试结果数值越大，硬度越高的习惯，将一个常数K减去e来表示硬度的大小，并用0.002mm压痕深度作为一个硬度单位，由此获得洛氏硬度值，用符号HR表示。即洛氏硬度值按下列公式计算:上一页下一页返回1.2金属的力学性能式中HR—洛氏硬度值;K—常数。用金刚石圆锥体压头进行试验时，K为0.2mm;用钢球压头进行试验时，K为0.26mm;e—压痕深度，mm。

洛氏硬度没有单位，试验时硬度值直接从硬度计的表盘上读出。(2)常用洛氏硬度标尺及其适用范围由于试验时选用的压头和总试验力的不同，洛氏硬度的测量尺度也就不同，常用的洛氏硬度标尺有A,B,C3种，其中C标尺应用较为广泛。3种洛氏硬度标尺的试验规范和应用范围见表1-3。

各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，但可用实验测定的换算表(见附录2)相互比较。洛氏硬度表示方法:符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。例如45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

3.维氏硬度维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验原理相同:将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压人试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线的长度来计算硬度，如图1-6所示。维氏硬度用符号HV表示。计算公式如下:式中HV—维氏硬度;F—试验力，N;d—压痕两对角线长度算术平均值，mm。在实际工作中，维氏硬度值同布氏硬度一样，不用计算，而是根据压痕对角线长度，从表中直接查出。维氏硬度试验所用的试验力可根据试件的大小、厚薄等条件进行选择。常用试验力在49.03~980.7N范围变动;小负荷维氏硬度试验力范围为1.96~49.03N:显微维氏硬度试验力方位为9.807×10-2~1.96N。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

维氏硬度值表示方法与布氏硬度相同，例如640HV30表示用294.2N试验力，保持10~15s(可省略不标)，测定的维氏硬度值为640。642HV30/20表示，用294.2N试验力保持20s测定的维氏硬度值为642。由于维氏硬度试验时所加试验力较小，压痕深度较浅，故可测量较薄工件的硬度，尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。因维氏硬度值具有连续性，范围为5~1000HV，所以适用范围广，可测定从极软到极硬各种金属的硬度。维氏硬度试验的缺点是测量压痕对角线的长度较繁;压痕小，对试件表面质量要求较高。四、冲击韧性强度、塑性、硬度等力学性能指标是在静载荷作用下测定的，而许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。上一页下一页返回1.2金属的力学性能冲击载荷是指在短时间内以很大速度作用于零件或工具上的载荷。对于承受冲击载荷作用的零件，除具有足够的静载荷作用下的力学性能指标外，还必须具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性。为了测定金属的冲击韧性，通常要进行冲击试验。1.冲击试验的原理及方法冲击试验是利用能量守恒原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击试验:将待测的金属材料加工成标准试样，然后放在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图1-7所示。再将具有一定重量G的摆锤升至一定的高度H1，使其获得一定的势能GH1，然后使摆锤自由落下，将试样冲断。摆锤的剩余势能为GH2。试样被冲断时所吸收的能量等于摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用符号AK表示。其计算公式如下:AK=GH1-GH2=G(H1-H2)上一页下一页返回1.2金属的力学性能式中AK—冲击吸收功，J;G—摆锤的质量，N;H1—摆锤初始的高度，m;H2—冲断试样后，摆锤回升的高度，m冲击吸收功AK除以试样缺口处截面积So，即可得到材料的冲击韧度，用符号aK表示。其计算公式如下:ak=AK/So

式中aK—冲击韧度，J/c㎡;AK—冲击吸收功，J;

So—试样缺口处截面积，c㎡。冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。2.冲击试样为了使试验结果可以互相比较，必须采用标准试样。冲击试样的类型很多，可根据国家标准有关规定来选择。上一页下一页返回1.2金属的力学性能常用的试样有10mmx10mmx55mm的U形缺口和V形缺口试样，其尺寸如图1-8所示。使用不同类型的试样(V形缺口或U形缺口)进行试验时，其冲击吸收功应分别标为AKv或AKu，冲击韧度则标为aKV或aKU

3.小能量多次冲击试验实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹产生与扩展，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的。

实践表明，一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反过来也一样。如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的，它的冲击韧度接近于零，而在长期使用中未发生断裂。因此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类金属的抗冲击性能。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

小能量多次冲击测试的原理如图1-9所示。试样在冲头多次冲击下断裂时，经受的冲击次数(N)代表金属的抗冲击能力。实践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度aK的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。五、疲劳强度1.疲劳的概念许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中受交变载荷的作用。交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。工件受交变载荷时各点的应力随时间作周期性变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

2.疲劳破坏的特征尽管交变载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏仍有以下共同的特点。.疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏;.引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点;.疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区(光滑部分)和最后断裂区(粗糙部分)，如图1-10所示。机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷(夹杂、划痕、显微裂纹等)，这些地方的局部应力大于屈服点，从而容易产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。上一页下一页返回1.2金属的力学性能

3.疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线，如图1-11所示。曲线表明，金属承受的交变应力越小，则断裂前的应力循环次数N越多，反之，则N越少。

从图1-11可以看出，当应力达到σ-1时，曲线与横坐标平行，表示应力低于此值时，试样可以经受无数周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限。疲劳极限是金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。显然疲劳极限的数值越大，材料抵抗疲劳破坏的能力越强。当应力为对称循环时，疲劳极限用符号σ-1表示。实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力为疲劳极限，有色金属、不锈钢等取108周次。金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。上一页返回1.3金属的工艺性能

工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，对不同加工工艺方法的适应能力。也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，某种材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，就说明该材料的焊接工艺性能好。工艺性能直接影响到制造零件的加工工艺质量，同时也是选择材料时必须考虑的因素之一。一、锻造性能金属材料利用锻压成型方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如，黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能;碳素钢在加热状态下锻造性能较好;而铸铜、铸铝、铸铁等几乎不能锻造。二、焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。下一页返回1.3金属的工艺性能焊接性能好的金属能获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有良好的力学性能:低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。三、切削加工性能切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损量小，可以选用较大的切削用量，加工表面也比较光洁。切削加工性能与金属材料的硬度、热导性、冷变形强化等因素有关。若材料硬度在170~260HBS时，最易切削加工。铸铁、铜合金、铝合金及碳素钢都具有较好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能较差。四、铸造性能金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析倾向等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。上一页下一页返回1.3金属的工艺性能

1.流动性熔融金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等因素的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而较易获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。3.偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。上一页返回图1-1圆形拉伸试样返回图1-2低碳钢的力—伸长曲线返回图1-3铸铁的力—伸长曲线返回图1-4布氏硬度试验原理图返回图1-5洛氏硬度试验原理图返回图1-6维氏硬度试验原理图返回图1-7冲击试验原理图返回图1-8钳台及其安装返回图1-9多次冲击试验示意图返回图1-10疲劳断口示意图返回图1-11疲劳曲线示意图返回表1-1常用金属的物理性能返回表1-1常用金属的物理性能返回表1-1常用金属的物理性能返回表1-1常用金属的物理性能返回表1-1常用金属的物理性能返回表1-2布氏硬度试验的技术条件返回表1-3常用洛式硬度标尺的试验规范和应用范围返回第二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2.3金属的同素异构转变2.1金属的晶体结构

一、晶体与非晶体固态物质按其原子(离子或分子)的排列是否有序，可分为晶体与非晶体两大类。在物质内部，凡原子(离子或分子)在三维空间呈有序、有规则排列的物体称为晶体。自然界中绝大多数固体都是晶体，如常用的金属材料、水晶、氯化钠等。在物质内部，凡原子(离子或分子)在三维空间呈无序堆积状况的物体称为非晶体。如普通玻璃、松香、石蜡等。由于原子排列方式不同，晶体与非晶体的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性;非晶体没有固定熔点，性能表现为各向同性。下一页返回2.1金属的晶体结构二、晶体结构的概念1.晶格和晶胞在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性有规则排列的，不同晶体的原子排列规律不同。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似看做是一个个刚性小球，则金属晶体就是由这些刚性小球排列而成的物体，如图2-1所示。由于这种图形不便于分析晶体中原子的空间位置，因此，可将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。把这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，如图2-2(a)所示。

由上图可见，晶格由许多形状、大小相同的最小几何单元在三维空间重复堆积而成。这个最小几何单元即可表示出原子的排列规律，人们把能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-2(b)所示。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构

2.晶面和晶向在晶体中由一系列原子中心所构成的平面，称为晶面。图2-3所示为简单立方晶格的一些晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如图2-4所示。由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子之间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性不仅表现在力学性能上，还表现在物理性能和化学性能上，并在下业生产中有着一定的应用。三、金属晶格的类型1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的8个顶角上和立方体的中心，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),钒(V)、钨(W)、钼(Mo),α—铁(α—Fe)等金属。上一页下一页返回2.1金属的晶体结构2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的8个顶角上和立方体的6个面的中心，如图2-6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为8×1/8+6×1/2=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(P6),镍(Ni)、金(Au)、银(Ag),γ一铁(γ一Fe)等金属。

3.密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外3个原子排列在柱体内，如图2-7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为12×1/6+2×1/2+3=6个。有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。上一页返回2.2金属的结晶

金属材料的成型通常需要熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属结晶的过程及规律，对于控制材料内部组织和性能都具有重要意义。一、纯金属的冷却曲线及过冷度金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，图2-8是热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度一时间坐标图中，便获得纯金属的冷却曲线，如图2-9所示。由冷却曲线可见，液体金属随着冷却时间的延长，热量不断向外界散失，温度不断下降。当冷却到a点，液体金属开始结晶，随冷却时间的延长温度并不降低，在冷却曲线上出现了一个平台。下一页返回2.2金属的结晶这是由于结晶过程中释放出来结晶潜热补偿了向外界散失的热量，导致结晶时温度不随时间的延长而下降，直到b点结晶终了。a一b两点之间的水平线即为结晶阶段，这个平台所对应的温度就是纯金属的结晶温度。金属结晶终了后，温度又继续下降。

纯金属在无限缓慢的冷却条件下的结晶温度称为理论结晶温度，用Tm表示。在实际生产中，由于结晶时有较快的冷却速度，使液态金属在低于理论结晶温度的某一温度Tn下进行结晶，如图2-10所示。金属的实际结晶温度(Tn)低于理论结晶温度(Tm)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，即△T=Tm-Tn。二、纯金属的结晶过程液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些按一定晶格类型排列的微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这些作为结晶核心的微小晶体称为晶核。在晶核长大的同时，液体中又不断产生新的晶核并且不断长大，直到它们互相接触，液体完全消失为止。简言之，结晶过程是晶核的形成与长大的过程，如图2-11所示。上一页下一页返回2.2金属的结晶

1.形核在液态金属中总存在着许多原子排列有规律的原子集团，在理论结晶温度以上，这些原子集团是不稳定的，时有时无，此起彼伏。当温度低于理论结晶温度时，有些原子集团成为稳定的结晶核心，即形成晶核。在一定过冷条件下，仅依靠自身原子有规则排列而形成晶核，这种形核方式称为自发形核;液态金属中常存在着各种固态的杂质微粒，依附于这些固态微粒也可以形成晶核，这种形核方式称为非自发形核。通常自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际金属结晶过程中，非自发形核往往起主导作用。2.晶核长大在过冷条件下，晶核一形成就立即开始长大。在晶核长大的初期，外形比较规则。随即晶核优先沿一定方向按树枝状生长方式长大。晶体的这种生长方式就像树枝一样，先长出干枝，再长出分枝，所得到的晶体称为树枝状晶体，简称枝晶。当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止。最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。上一页下一页返回2.2金属的结晶这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。图2-12是在金相显微镜下观察到的纯铁的晶粒和晶界的图像。结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体，如图2-13(a)所示，单晶体中的原子排列位向是完全一致的，其性能是各向异性的。结晶后由许多位向不同的晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-13(b)所示。由于多晶体内各晶粒的晶体位向互不一致，它们自制的各向异性彼此抵消，故总体显示出各向同性，称为“伪各向同性”。三、晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般来说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。表2-1是晶粒大小对纯铁力学性能的影响。

为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。上一页下一页返回2.2金属的结晶由结晶过程可知:金属晶粒大小取决于结晶时的形核率(单位时间、单位体积所形成的晶核数目)与晶核的长大速度。形核率越高，长大速度越小，结晶后的晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是提高形核率或降低晶核长大速度。

常用细化晶粒的方法有以下几种。1.增加过冷度金属的形核率和长大速度均随过冷度而发生变化，但两者变化速率不同，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。如图2-14所示为形核率和晶核长大速率与过冷度的关系。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小，就是因为金属型散热快，过冷度大的缘故。这种方法只适用于中、小型铸件，因为大型铸件冷却速度较慢，不易获得较大的过冷度，而且冷却速度过大时容易造成铸件开裂，对于大型铸件可采用其他方法使晶粒细化。2.变质处理

上一页下一页返回2.2金属的结晶在浇注前向液态金属中加入一些细小的形核剂(又称变质剂或孕育剂)，以增加形核率或降低晶核长大速度，可获得细小的晶粒，这种方法称为变质处理(或孕育处理)。例如，在钢中加入钛、硼、铝，在铸铁中加入硅铁、硅钙等变质剂，均能起到细化晶粒的作用。变质处理是生产中最常用的细化晶粒的方法。3.振动处理金属在结晶时，对液态金属采取机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作为结晶核心，增加形核率，达到细化晶粒的目的。四、金属晶体结构的缺陷前面所介绍的金属晶体结构是理想情况下的结构，在实际情况下，由于实际金属材料中加进了其他种类的原子及材料，在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律的原子堆积方式受到干扰，不像理想晶体那样规则，金属晶体中总是存在各种各样的缺陷，人们把这种晶体中原子(或离子、或分子)周期性排列受到干扰而破坏的现象就称为晶体缺陷。上一页下一页返回2.2金属的结晶按照缺陷在空间的几何形状及尺寸的不同，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。晶体结构的不完整性会对晶体的性能产生重大的影响，特别是对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过程都起着重要的作用。1.点缺陷点缺陷是指在三维空间各方向上尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷，常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子等。空位是指在晶格中应该有原子的地方没有原子，没有原子的结点称为空位，如图2-15(a)所示;间隙原子是指位于个别晶格间隙之中的多余原子，如图2-15(b)所示;置换原子是指晶格结点上的原子被其他元素的原子所取代，如图2-15(c)所示。在点缺陷附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的不规则排列，这种变化称为晶格畸变。晶格畸变将使材料产生力学性能及物理化学性能的改变，如强度、硬度及电阻率增大，密度减小等。上一页下一页返回2.2金属的结晶

2.线缺陷线缺陷是指晶体内部呈线状分布的缺陷，常见的线缺陷是各种类型的位错。位错是晶格中有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。位错的基本类型有两种:刃型位错和螺型位错。.刃型位错:图2-16(a)为刃型位错示意图。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，其刃口即半原子面的边缘便为一条刃型位错线。位错线周围会造成晶格崎变。严重晶格崎变的范围约为几个原子间距。.螺型位错:图2-16(b)为螺型位错示意图。由图可见，晶体右边的上部原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动，若将错动区的原子用线连起来，则具有螺旋型特征，故称为螺型位错。位错是晶体中极为重要的一类缺陷，它对晶体的塑性变形、强度和断裂起着决定性的作用，如金属材料的塑性变形便是通过位错运动来实现的。上一页下一页返回2.2金属的结晶

3.面缺陷面缺陷是指晶体中的晶界和亚晶界，如图2-17所示。.晶界:实际金属一般为多晶体。在多晶体中，相邻两晶粒间的位向不同，一般为几度至几十度，位向差多为30°~40°的大角度，晶界处原子的排列必须从一个晶粒的位向过渡到另一个晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层，晶界宽度一般在几个原子间距到几十个原子间距内变动，如图2-17(a)所示。晶界处原子排列混乱，晶格崎变程度较大。.亚晶界:多晶体里的每个晶粒内部也不是完全理想的规则排列，而是存在着很多尺寸很小位向差也很小的小晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界叫亚晶界，它实际上由垂直排列的一系列刃型位错(位错墙)构成，如图2-17(b)所示。实际金属晶体一般不是单晶体，而是多晶体，并且在晶体中存在着许多空位、间隙原子、置换原子、位错、晶界及亚晶界等晶体缺陷，这晶体缺陷会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。上一页返回2.3金属的同素异构转变

有些金属在固态下存在着两种以上的晶格形式，这类金属在冷却或加热过程中，随着温度的变化，其晶格类型也随之变化。金属在固态下，随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。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。同一金属的同素异构体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α,β,γ,δ等表示。由图2-18纯铁的冷却曲线可见，液态纯铁在1538℃结晶，得到具有体心立方晶格的δ一Fe;继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ一Fe转个变为面心立方晶格的γ一Fe;再冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ一Fe转变为体心立方晶格的α一Fe;如再继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化。下一页返回2.3金属的同素异构转变

一方面，金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处:有一定的转变温度，转变时有过冷现象;放出和吸收潜热;转变过程是一个形核和晶核长大的过程(见图2-19)。

另一方面，同素异构转变属于固态相变，又具有本身的特点。在同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核;转变需要较大的过冷度;晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。如:γ一Fe转变时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引应力导致工件变形和开裂的重要原因。上一页返回图2-1晶体内部原子排列示意图返回图2-2晶格和晶胞示意图返回图2-3简单立方警格中的晶面返回图2-4简单立方晶格中的晶向返回图2-5体心立方晶胞返回图2-6面心立方晶胞返回图2-7密排六方晶胞返回图2-8热分析法装置示意图返回图2-9纯金属的冷却曲线返回图2-10纯金属结晶时的冷却曲线返回图2-11纯金属的结晶过程示意图返回图2-12纯铁的显微组织返回图2-13单晶体与多晶体示意图返回图2-14形核率和晶核长大速率与过冷度的关系示意图返回图2-15点缺陷返回图2-16位错示意图返回图2-17晶界与亚晶界示意图返回图2-18纯铁的冷却曲线返回图2-19Fe的同素异构转变过程示意图返回表2-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响返回第三章金属的塑性变形3.1金属的塑形变形3.2冷塑形变形对金属的影响3.3回复与再结晶3.4金属的热加工3.1金属的塑形变形

金属在外力作用下，首先产生弹性变形;当外力增加到一定值后，除了产生弹性变形外，还产生塑性变形，即弹塑性变形;当外力继续增加，塑性变形也逐渐增加，直至金属发生断裂。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂3种情况。弹性变形是由于外力克服原子间的作用力，使原子间距离发生改变，原子偏离原来平衡位置而产生的。当外力消除后，在原子间作用力的作用下，原子又回到原来的平衡位置，使金属恢复原来的形状。金属产生弹性变形后，其组织和性能不发生改变。金属的塑性变形比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织和性能也发生了变化。一、单晶体的塑性变形生产中使用的金属材料大多是多晶体，要了解多晶体的塑性变形，必须先了解单晶体的塑性变形。下一页返回3.1金属的塑形变形

实验证明，晶体在正应力作用下，只能产生弹性变形，随后直接过渡到脆性断裂，只有在切应力作用下才会产生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，如图3-2所示。要使晶体产生滑移，作用在晶体上的切应力必须达到一定的数值。当原子移动到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形，大量晶面上滑移的总和，就形成了宏观上的塑性变形。一般来说，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向进行的，分别称为滑移面和滑移方向。金属的晶体结构不同，滑移面和滑移方向的数量不同，所以金属的塑性存在着差异。滑移面和滑移方向的数量越多，金属的塑性越好。

研究表明，晶体滑移时，并不是一部分相对于另一部分沿滑移面作整体移动。如果是整体移动，那么，需要克服的滑移阻力是十分巨大的。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的，如图3-3所示。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形在切应力的作用下，通过一条位错线从滑移面的一侧移动到另一侧，便产生了一个原子间距的滑移，这只需要位错线附近少数原子作微量移动，而且移动的距离小于一个原子间距。大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观上的塑性变形。因此，通过位错移动来实现滑移容易实现，这与实际测量的结果是一致的。二、多晶体的塑性变形常用金属都是多晶体，多晶体由许许多多的晶粒组成。由于各个晶粒的晶格位向不同，又有晶界存在，各个晶粒的塑性变形互相影响，因此，多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂。多晶体塑性变形主要有以下特点。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形

1.晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置，如图3-4所示。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高塑性变形的抗力，同时使多晶体的塑性变形向逐步扩展和不均匀形式发展。2.晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列紊乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，试样在晶界处不易变形，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3-5所示。显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形

3.晶粒大小的影响

在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量越多，晶粒越细小，处于不同位向的晶粒也越多，位错移动时的阻力越大，因而金属的塑性变形抗力也越大，金属的强度就越高。细晶粒的多晶体不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。一方面，因为晶粒越细小，在相同变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒变形程度均匀，不易产生集中变形;另一方面，晶粒越细小，晶界就越多，路径越曲折，有利于阻止裂纹的传播，裂纹不易扩展，使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现出较好的塑性和韧性。因此，生产中应尽可能细化晶粒。上一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸，而且使其组织与性能发生了重大变化。一、冷塑性变形对金属组织的影响当金属发生塑性变形时，随着外形的改变，其内部晶粒的形状也发生变化。当变形程度很大时，晶粒会沿变形方向伸长，形成细条状，这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织，如图3-6所示。

形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向(沿纤维方向)的力学性能好于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，会使金属在冷塑性变形后内部存在残余应力。冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒细化，亚晶界数量增多，位错密度增加。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰，会阻止位错的运动，增加金属的塑性变形抗力，从而使金属的力学性能发生改变。下一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响二、冷塑性变形对金属力学性能的影响冷塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化，如图3-7所示。三、冷变形强化在生产中的影响冷变形强化可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别地，对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。例如纯金属、多数铜合金、奥氏体不锈钢等，在出厂前，都要经过冷轧或冷拉加工，以冷变形强化的状态供应给用户使用。上一页下一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响另外，冷变形强化还可以使金属材料具有瞬时抗超载能力，在构件使用过程中，不可避免地会在某些部位出现应力集中或偶然过载的现象，过载部位出现微量塑性变形，引起冷变形强化，使变形自行终止，从而在一定程度上提高构件的使用安全性。

冷变形强化是工件使用压力加工方法成型的必要条件。如图3-8所示，金属材料在冲压过程中，由于圆角r处变形量最大，当圆角:处的金属变形到一定程度时，产生冷变形强化，强度和硬度提高，而其他部位的金属未产生冷变形强化，强度和硬度较低，所以随后的塑性变形发生转移，这样既避免了已发生塑性变形的部位继续变形导致破裂，又可以得到壁厚均匀的冲压件。上一页返回3.3回复与再结晶

冷塑性变形后的金属，其组织结构发生了变化，而且由于金属各部分变形不均匀，在金属内部形成残余应力，使金属处于不稳定状态，具有自发地恢复到原来稳定状态的趋势。常温下，原子活动能力比较弱，这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。如果对冷塑性变形后的金属加热，由于原子活动能力增强，就会迅速发生一系列组织与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳定状态，如图3-9所示。冷塑性变形后的金属在加热过程中，随加热温度的升高，要经历回复、再结晶、晶粒长大3个阶段。一、回复当加热温度较低时，金属中的原子有一定的活动能力。通过原子短距离的移动，使变形金属内部晶体缺陷的数量减少，晶格畸变程度减轻，残余应力降低，但造成冷变形强化的主要原因尚未消除，因而，冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化，这一阶段称为回复。下一页返回3.3回复与再结晶在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。工业生产中，常常利用回复现象对冷塑性变形金属进行低温退火处理(又称为去应力退火)。目的是在保持冷变形强化的情况下，消除残余应力，提高塑性。例如，用冷拉弹簧钢丝制成的弹簧，在卷制后要进行一次250℃~300℃的低温退火处理，以消除残余应力并使弹簧定形;冷拉黄铜制件，为了消除残余应力，避免应力腐蚀破坏，也需要进行280℃的低温退火处理。二、再结晶随着加热温度的升高，原子的活动能力增强，当加热到一定温度(如纯铁加热到450℃以上)时，变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒，这一阶段称为再结晶。再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。新晶粒的核心首先在金属中晶粒变形最严重的区域形成，然后晶核吞并旧晶粒，向周围长大形成新的等轴晶粒。上一页下一页返回3.3回复与再结晶当变形晶粒全部转化为新的等轴晶粒时，再结晶过程就完成了。再结晶前后的晶格类型完全相同，因此，再结晶过程不是相变过程，而只是改变了晶粒的形状和消除了因变形产生的某些晶体缺陷的过程，如位错密度下降、晶格畸变消失等。结果使冷塑性变形金属的组织与性能基本恢复到了变形前的状态。金属的强度、硬度下降。塑性升高。冷变形强化现象完全消除。

再结晶不是在恒定温度下发生的，而是在一定的温度范围内进行的过程。能进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，用符号T再表示。实验证明，再结晶温度与金属的冷塑性变形程度有关，如图3-10所示。金属的塑性变形程度越大，再结晶温度越低。这主要是因为变形程度越大，晶格畸变程度越大，位错密度越高，金属的组织越不稳定，开始再结晶温度越低。纯金属的再结晶温度可根据其熔点按下式进行计算:T再≈0.4T熔上一页下一页返回3.3回复与再结晶式中T再—金属的再结晶温度，K;

T熔—金属的熔点，K。例如，工业纯铁的珠约为723K，即450℃。在生产中，为了消除冷变形强化，恢复塑性以便继续进行压力加工，必须对冷塑性变形金属进行中间退火处理。将冷塑性变形金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除冷变形强化和残余应力，这种热处理方法称为再结晶退火。实际生产中的再结晶退火温度，通常为金属再结晶温度以100℃~200℃。表3-1为常见金属的去应力退火与再结晶退火的温度。上一页下一页返回3.3回复与再结晶三、晶粒长大冷塑性变形金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗，金属的力学性能下降，这一阶段称为晶粒长大。晶粒长大可以使金属内部的晶界数量减少，组织处于更稳定的状态，因此，晶粒长大是一个自发的过程。晶粒长大的实质是一个晶粒的边界向另一个晶粒迁移，把另一个晶粒的晶格位向逐步改变成与这个晶粒相同的位向，在此过程中小晶粒变小直至消失(“吞并”)，大晶粒长大，如图3-11所示。再结晶后的金属一般得到细小而均匀的等轴晶粒。继续升高温度或延长保温时间，再结晶后晶粒又以相互吞并的方式长大。上一页返回3.4金属的热加工一、热加工与冷加工的区别

金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是根据金属的再结晶温度来划分的。凡是在金属的再结晶温度以上进行的塑性变形加工，称为热加工，而在再结晶温度以下进行的塑性变形加工则称为冷加工。冷加工时，不能发生再结晶过程，必然产生冷变形强化现象。热加工时，金属的塑性变形与再结晶过程同时发生，所产生的变形强化被随时产生的再结晶消除，因此，热加工后并不保留塑性变形带来的强化效果。例如，钨的再结晶温度为1200℃，故钨在1000℃时进行塑性变形加工，仍属于冷加工;锡再结晶温度为-7℃，在室温下对锡进行的塑性变形加工就已经属于热加工了。金属在冷加工时，由于产生冷变形强化，使变形抗力增大，因此，对于那些要求变形量较大和截面尺寸较大的工件，冷加工将是十分困难的。热加工时，随金属温度的升高，原子间结合力减小，冷变形强化随时被消除，金属的强度、硬度降低，塑性、韧性增加，所以，热加工可用较小的能量消耗，来获得较大的变形量。下一页返回3.4金属的热加工一般情况下，截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度和表面质量要求较高的金属制品用冷加工的方法来获得;而截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品用热加工的方法来获得。二、热加工对金属组织和性能的影响

1.消除铸态金属的某些缺陷通过热加工，可使铸态金属毛坯中的气孔和疏松焊合，消除部分偏析，细化晶粒，改善夹杂物和碳化物的形态、大小与分布，结果使金属的致密度和力学性能提高。表3-2为w(C)0.3%的碳钢在铸态和锻态时的力学性能比较。可见，经热加工后，钢的强度、塑性、冲击韧性均比铸态高，所以工程上受力较大的工件(如齿轮、轴、刃具、模具等)大多数要通过热加工来制造。上一页下一页返回3.4金属的热加工

2.形成热加工纤维组织热加工时，铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种夹杂物在高温下具有一定的塑性，它们会沿变形方向伸长，逐渐形成纤维状。这些夹杂物在再结晶时不会改变其纤维形状。这样，在材料或工件的纵向宏观试样上，可看到沿变形方向的一条条细线，这就是热加工纤维组织，通常称为“锻造流线”。热加工纤维组织的存在，会使金属材料的力学性能呈现方向性，沿纤维方向(纵向)具有较高的强度、塑性和韧性，垂直于纤维方向(横向)则具有较高的抗剪强度。表3-3为w(C)=0.45%的碳钢力学性能与纤维方向之间的关系。

因此，用热加工方法制造工件时，应保证流线具有正确的分布，即流线与工件工作时所受到的最大拉应力方向一致，与切应力或冲击力方向垂直。一般来说，流线如能沿工件的外形轮廓连续分布，则较为理想。生产中广泛采用模型锻造法制造齿轮及中、小型曲轴，用局部镦粗法制造螺栓，其优点之一，上一页下一页返回3.4金属的热加工就是流线沿工件外形轮廓连续分布，并适应工作时的受力情况。图3-12为切削加工曲轴和锻造曲轴的流线分布示意图，两者流线分布比较，显然锻造曲轴的流线分布更为合理。

注意:热处理方法不能消除或改变工件中流线分布，只能通过适当的塑性变形来改善流线的分布。3.形成带状组织如果钢的铸态组织中存在着比较严重的偏析，或热加工时温度过低，则钢中常出现沿变形力方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。带状组织是一种缺陷，它会引起金属力学性能的各向异性。带状组织可以用热处理的方法消除。4.细化晶粒热加工金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可使晶粒细化，可以提高金属的力学性能。热加工金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。变形程度小，终止加工温度高，会使再结晶晶核小而晶粒长大，加工后得到粗大晶粒。但终止加工温度低，会造成型变强化及残余应力。因此，制定正确的热加工工艺规范，对改善金属的性能有着重要的意义。上一页返回图3-1金属压力加工方法示意图返回图3-2晶体滑移示意图返回图3-3通过位错运动产生滑移的示意图返回图3-4多晶体塑性变形示意图返回图3-5两个晶粒试样在拉伸作用下的变形返回图3-6冷加工纤维组织示意图返回图3-7冷塑性变形对金属力学性能的影响返回图3-8冲压加工示意图返回图3-9加热温度对冷塑性变形后金属力学性能的影响返回图3-10金属再结晶温度与冷塑性变形程度的关系返回图3-11晶粒长大示意图返回图3-12切削加工曲轴和锻造加工曲轴流线分布示意图返回表3-1常见金属的去应力退火与再结晶退火温度返回表3-2碳钢铸态和锻态时的力学性能比较返回表3-3碳钢力学性能与纤维方向之间的关系返回第四章铁碳合金4.1铁碳合金的基本组织4.2铁碳合金相图4.3铁碳合金相图的应用4.1铁碳合金的基本组织

合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方式结合而成的具有金属特性的材料。如:普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是铁和碳组成的合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金除具有较好的力学性能外，还可以调整组成元素之间的比例，以获得一系列性能各异的合金，以满足工程上对不同性能要求的需要。组成合金的最基本独立物质称为组元。组元可是金属元素、非金属元素或稳定化合物。根据组元数目多少:合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如，普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以由几种不同的相组成多相合金。相与相之间有明显的界面，称为相界。下一页返回4.1铁碳合金的基本组织合金的性能与组成合金相的成分、结构、形态和分布等情况有关，因此，研究合金的性能，必须先了解合金的组织与结构。根据合金中各组元之间结合方向不同，合金的组织可分为金属化合物、固溶体和混合物三类。一、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度大、脆性大。当合金中出现金属化合物时，一般可提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。二、固溶体固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，基体元素称为溶剂。固溶体仍保持溶剂的晶格类型。上一页下一页返回4.1铁碳合金的基本组织

根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。1.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中形成的固溶体，称为间隙固溶体。图4-1(a)是间隙固溶体结构示意图。由于溶剂晶格的空隙很小，故能形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径较小的非金属元素。例如碳、氮、硼等溶人金属元素基体中所成的固溶体就属于间隙固溶体。由于溶剂晶格的空隙有限，能溶人的溶质原子数量也有限，所以间隙固溶体的溶解度也有限。2.置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。图4-1(b)是置换固溶体结构示意图。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者的原子半径、晶格类型及在化学元素周期表中的位置等。一般来说，若两者晶格类型相同，原子半径差别越小、周期表中位置越近，则溶解度越大，甚至按任意比例配制都能相互溶解，形成无限固溶体;反之，则溶解度小。上一页下一页返回4.1铁碳合金的基本组织有限固溶体的溶解度与温度有密切关系，一般来说温度越高，溶解度越大。如图4-1所示，在固溶体中由于溶质原子的溶人而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶人溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。它是提高金属力学性能的重要途径之一。三、混合物两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相仍保持自己原来的晶格。在显微镜下可以明显辨别出组成相的形貌。混合物的性能取决于各组成相的性能以及它们分布的形态、数量及大小