机械工程材料与热处理

项目一材料性能的认识1.1材料的力学性能1.2材料的其他性能1.1材料的力学性能1.1.1强度与塑性1.强度强度是指金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。材料强度可以通过拉伸试验来测得，拉伸试验是在拉伸试验机(图1-1)上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成图1-2所示的标准试样(参见GB6397-1986《金属拉伸试验试样》)，图中.d0为试样原始直径，L0为试样原始标距长度。按照GB6397-1986《金属拉伸试验试样》规定:试样分为长试样和短试样，对圆形拉伸试样，长试样L0=10d0;短试样L=5d0.下一页返回1.1材料的力学性能试验时，将试样装夹在试验机上，且在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F与伸长量△L的变化曲线，通常把这种曲线称为拉伸曲线。图1-3为退火低碳钢的拉伸曲线。观察拉伸试验和拉伸曲线，会发现在拉伸试验的开始阶段，试样的伸长量△L与拉伸力F呈正比例关系，在拉伸曲线图中为斜线段OE。在该阶段，当载荷增加时试样的伸长量△L呈正比增加。当载荷去除后，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，此时试样处于弹性变形阶段。图中Fe是试样保持弹性变形的最大载荷。上一页下一页返回1.1材料的力学性能当载荷超过Fe后，试样除产生弹性变形外，还将产生微量的塑性变形;当载荷继续增加到Fs时，拉伸曲线在S点后出现一个平台，即在载荷不增加的情况下，试样也会有明显伸长，这种现象称为“屈服”，Fs称为屈服载荷。当载荷超过屈服载荷后，试样抵抗变形的能力将会增加，此为冷变形强化现象。在拉伸曲线上表现为一段上升曲线。即随着塑性变形量的增大，试样变形抗力也逐渐增大。当载荷达到Fb。时，试样的局部截面开始收缩，产生“缩颈”现象。由于缩颈使试样的变形局限在缩颈部分，故此处承受的载荷迅速减小，直至试样被拉断。Fb。是试样被拉断前能承受的最大载荷，称为极限载荷。上一页下一页返回1.1材料的力学性能从该曲线上可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。强度指标:金属材料的强度是用应力来表示的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内力称为应力，一般用σ表示。常用的强度指标有弹性极限、屈服点和抗拉强度。①弹性极限。弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号σe表示，工程上常用单位为MPa。弹性极限的值可按下式计算

(1-1）上一页下一页返回1.1材料的力学性能式中，Fe—试样产生完全弹性变形时的最大载荷，N;A0—试样原始横截面面积，mm2

。

②屈服极限。屈服极限是指试样在拉伸试验过程中，力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服极限是工程技术上极为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。屈服极限用符号σs表示，单位为MPa。屈服点

σ

s的值可用下式计算(1-2)式中，Fs—试样屈服时的载荷。N;

A0—试样原始横截面积，mm2

。上一页下一页返回1.1材料的力学性能工业上使用的一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就无法确定σ

s。因此，GB1063-1989规定，试样去除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长量达到原始标距长度0.2%时的应力，为该材料的屈服强度，用符号σ

0.2%表示。③抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号σb表示，单位为MPa.可用下式计算(1-3)式中，Fb—试样承受的最大拉伸力，N;A0—试样原始横截面面积，mm2

。上一页下一页返回1.1材料的力学性能σb是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性金属来说，拉伸试样在承受最大拉应力σb之前，变形是均匀一致的，但超过σb后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。2.塑性及其指标塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。金属材料的塑性指标也是可以通过拉伸试验测得的。材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学性能指标。上一页下一页返回1.1材料的力学性能(1)断后伸长率。断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比，用符号δ表示，可用下式计算

（1-4）式中，L1—拉断后试样的标距长度，mm;L0—试样原始标距，mm.(2)断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面面积的缩减量与原始横截面面积之比，用符号表示，可用下式计算

（1-5）上一页下一页返回1.1材料的力学性能式中，A0—试样原始横截面面积，mm;A1—试样断口处的横截面面积，mm.虽然材料的塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但材料的塑性对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成形加工，而且在使用时万一超载，由于能发生一定的塑性变形而不至于突然断裂，提高了工作的安全性。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。上一页下一页返回1.1材料的力学性能1.1.2硬度材料局部抵抗硬物压入其表面(抵抗塑性变形和破裂)的能力称为硬度。它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。材料的硬度可通过硬度试验测得，根据其测试方法的不同，硬度试验可分为静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。对于金属材料的测量目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。1.布氏硬度上一页下一页返回1.1材料的力学性能布氏硬度的试验原理是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验载荷F的作用下压入被测金属表面(如图1-4所示)，停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上得到一直径为d的压痕，测量压痕直径d，并由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属的布氏硬度值。当选择淬火钢球为压头时，硬度的符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料;当选择硬质合金球为压头时，硬度的符号为HBW表示，适用于布氏硬度值为450-650的金属材料。图1-5为HB-3000布氏硬度试验机。布氏硬度值可用下式计算(1-6)上一页下一页返回1.1材料的力学性能式中，F—载荷，N(kgf);D—压头的直径，mm;d—被测金属的压痕直径，mm.由于金属有硬有软，工件有厚有薄，在进行布氏硬度试验时，压头直径D、载荷和载荷的保持时间应根据被测金属种类和厚度正确地进行选择。按(GB231-1984规定，压头直径有10mm,5mm,2.5mm,2mm和1mm共5种，载荷与压头直径平方的比值(F/D2)有30mm、15mm、10mm、5mm、2.5mm,1.25mm和1mm共7种，可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表1-1选定F/D2的值;黑色金属的载荷保持时间为10-15s，有色金属的为30s，布氏硬度值小于35时载荷保持时间为60s.上一页下一页返回1.1材料的力学性能布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值写在硬度符号的前面。除了采用钢球直径D为10mm,试验力为3000kgf(注:1kgf=9.806N，保持时间为10s的试验条件外，在其他试验条件下测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、载荷大小和载荷保持时间。例如,150HBS10/1000/30表示:用直径为10mm的淬火钢球，在1000kgf载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为150;S500HBWS/750表示:用直径为5mm的硬质合金球750kgf载荷作用下保持10-15s测得的布氏硬度值为500。试验力保持时间为10-15s时不需要标注。上一页下一页返回1.1材料的力学性能布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕大，能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强。但由于其压痕大，不宜测量成品或薄片金属的硬度。2.洛氏硬度洛氏硬度试验法是用一个锥角为120o。的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕的深度来确定其硬度值。如图1-6表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。图中，0-0为金刚石压头初始位置，1-1为在初载荷98.07N作用下，压头压入深度为h0。时的位置，加初载荷的目的是使压头与试样表面紧密接触，上一页下一页返回1.1材料的力学性能避免由于试样表面不平整而影响试验结果的精确性;2-2为在总载荷(初载荷+主载荷)作用下，压头压入深度为h1，时的位置;3-3为卸除主载荷后由于被测金属弹性变形恢复，使压头略为提高的位置。这时由主载荷引起的塑性变形而产生的压痕深度为。，称为残余压痕深度增量，以此来衡量被测金属的硬度。显然，e值越大时，被测金属的硬度越低;反之则越高。为了照顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，故采用一个常数k减去e来表示硬度的大小，并用0.002mm的压痕深度为一个硬度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。即

（1-7）上一页下一页返回1.1材料的力学性能式中，k为常数，用金刚石圆锥体作压头时，k=0.2mm;用钢球作压头时，k=0.26mm.

为了能用同一硬度计测量从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成几种不同的洛氏硬度标尺，其中常用的是A,B,C三种标尺。表1-2为这三种标尺的试验条件和应用范围，图1-7为洛氏硬度试验机。洛氏硬度值是量纲为1的，根据GB/T230-1991规定，硬度数值写在符号HR的前面，HR后面为使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。在试验时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。上一页下一页返回1.1材料的力学性能洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是:硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度;试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，在测试洛氏硬度时在被测金属的不同位置的三点测出硬度值，再计算其平均值。洛氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系。3.维氏硬度布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料;洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。上一页下一页返回1.1材料的力学性能为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如图1-8所示为维氏硬度试验原理图，它是用一个相对面夹角为136o。的金刚石正四棱锥体作压头，以规定的载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，则被测金属表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面面积A。最后求出压痕单位表面面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。即上一页下一页返回1.1材料的力学性能

（1-8）式中，F—载荷，kgf;d—压痕两条对角线长度算术平均值，mm.

与布氏硬度一样，习惯上也只写出硬度数值而不标出单位。在硬度符号HV之前的数字为硬度值，HV后面的数值依次表示载荷和载荷保持的时间（保持时间为10-15s时不标注。）如:640HV30表示在30k戴载荷作用下，保持10-15s测得的维氏硬度值为640;620HV30/20表示在30kgf载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为620。上一页下一页返回1.1材料的力学性能维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量。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。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规试验。硬度试验所用的设备简单，操作迅速方便，它不需要做成专门的试样，可直接在半成品或成品上直接测定硬度，又不损坏被测工件，并且可根据硬度值估计出材料的近似强度和耐磨性。硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，因此在生产中应用很广。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。上一页下一页返回1.1材料的力学性能1.1.3冲击韧性1.冲击吸收功在很短的时间内(或突然)施加在构件上的载荷称为冲击载荷。许多机械零件和工具在工作时承受冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、变速齿轮等。对这类零件，不仅要满足在静力作用下的强度、塑性、硬度等性能判据，还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需进行一次冲击试验。一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，按GB/T229-1994规定，被测金属须制成标准冲击试样，如图1-9所示。上一页下一页返回1.1材料的力学性能试验时将试样放在试验机两支座1处，将一个重量为mg的摆锤自高度h，自由落下，冲断试样后摆锤升高到h2高度(如图1-10所示)。则摆锤冲断试样所消耗的能量，即为试样在冲击力一次作用下拆断时所吸收的功，称为冲击功，用符号A、表示。即

（1-9）根据两种试样缺口形状不同，冲击功分别用AKU和AKV表示，单位为焦耳(J)。冲击功不需计算，可由冲击试验机的刻度盘上直接读出。试样缺口处单位横截面面积A上的冲击功，称为冲击韧度，用符号aK表示，单位为J/cm2.

（1-10）上一页下一页返回1.1材料的力学性能式中，A—试样缺口处横截面积，cm2。冲击功AK越大，材料的韧性越好。一般把冲击功低的金属材料称为脆性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷状，有金属光泽;韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。冲击功AK的大小与试验的温度有关。有些材料在室温(20oC:)左右试验时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂，从图1-11可以看出，在某一温度处，冲击功急剧降低，金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为韧脆转变温度。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。上一页下一页返回1.1材料的力学性能冲击功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。因此，冲击功一般作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。应当指出，冲击试验时，冲击功中只有一部分消耗在断开试样的缺口截面上，而其余部分则消耗在冲断试样前，缺口附近体积内的塑性变形上。因此，冲击韧度不能真正代表材料的韧性，而冲击功AK作为材料韧性的判据指标更为适宜。国家标准现已规定采用冲击功AK作为韧性判据指标。2.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。上一页下一页返回1.1材料的力学性能这些零件的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹产生与扩展的结果，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，反之也一样。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，而在长期使用中却未发生断裂。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。小能量多次冲击测试的原理图如图1-12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。上一页下一页返回1.1材料的力学性能1.1.4疲劳1.疲劳现象工程上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是在变动载荷作用下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力两种，如图1-13所示。承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先觉察，属低应力脆断，因此具有很大的危险性。上一页下一页返回1.1材料的力学性能据统计，80%以上损坏的机械零件都是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用材料，进行合理设计具有重要意义。研究表明:疲劳断裂产生的原因一般是在零件应力集中部位或材料本身强度较低的部位，如原有微裂纹、软点、脱碳、夹杂或刀痕等处形成裂纹的核心。进而在交变应力或重复应力的反复作用下产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面逐渐减小，最后当减小到不能承受外加载荷时，零件即发生突然断裂。零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹的产生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。上一页下一页返回1.1材料的力学性能疲劳断裂的宏观断口一般也有三个区域，即以疲劳裂纹源为中心逐渐向内扩展呈海滩状条纹的裂纹扩展区和呈纤维状(韧性材料)或结晶状(脆性材料)的瞬时断裂区，如图1-14所示。2.疲劳强度大量试验证明，金属材料所受的最大交变应力σmax越大，则断裂前所经受的循环周次N越少，如图1-15所示。这种交变应力σmax与循环周次N的关系曲线称为疲劳曲线。从曲线上可以看出，循环应力值越低，断裂前的循环周次越多。当循环应力降低到某一值后，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂，这种试样不发生断裂的最大循环应力，称为该金属的疲劳强度，光滑试样的对称循环旋转弯曲的疲劳强度用符号σ-1

表示。上一页下一页返回1.1材料的力学性能实际上，金属材料不可能做无数次交变载荷试验。按(GB/T4337-1984规定，一般钢铁材料取循环周次为107次时，能承受的最大循环应力为疲劳强度;对于有色金属，循环周次为108次;腐蚀介质作用下的钢铁材料，循环周次为106次。在机械零件的失效形式中，约有80%是疲劳断裂所造成的。因此减少疲劳失效，对于提高零件使用寿命有着重要意义。为了提高零件的疲劳强度，除了改善设计结构，避免零件的应力集中外，还应改善零件表面粗糙度，这样可减少缺口效应。此外，采用表面热处理，如高频淬火、表面形变强化(喷丸、滚压、内孔挤压等)、化学热处理(渗碳、渗氮、碳一氮共渗)等既可改变零件表层的残余应力状态，又可提高零件的疲劳强度。上一页返回1.2材料的其他性能1.2.1材料的物理化学性能1.材料的物理性能(1)密度。单位体积物质的质量称为该物质的密度

式中，

ρ为物质的密度，kg/m3;m为物质的质量，kg;V为物质的体积，m3。密度小于5x10kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钦及它们的合金。密度大于5x10kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。金属材料的密度直接关系到由它们所制构件和零件的自重。轻金属多用于航天航空器上。下一页返回1.2材料的其他性能(2)熔点。金属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。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钥、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、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、铅等可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。(3)导热性。导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是λ

，单位是W/m·K。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好;铜、铝次之;合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的全属材料。上一页下一页返回1.2材料的其他性能(4)导电性。传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是Ω·m。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好;铜、铝次之;合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钥、铁、铬)适于做电热元件。(5)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，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收缩体积缩小。热膨胀性用线胀系数

αL,或体胀系数αV来表示，即上一页下一页返回1.2材料的其他性能式中，α:为线胀系数，1/K或1/℃;L,为膨胀前长度，m;L2为膨胀后长度，m;△t为温度变化量，K或℃。由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸;热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂。(6)磁性。金属材料可分为铁磁性材料(在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等)，顺磁性材料(在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等)和抗磁性材料(能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等)三类。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。上一页下一页返回1.2材料的其他性能抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770oC。一些金属的物理性能和力学性能见表1-3。2.金属的化学性能(1)耐腐蚀性。金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差;钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。在食品、制药、化工工业中不锈钢是重要的应用材料。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。上一页下一页返回1.2材料的其他性能1.2.2金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。金属材料的一般加工过程如图1-16所示。在铸造、锻压、焊接、机加工等加工前后过程中，一般还要进行不同类型的热处理。因此一个由金属材料制得的零件，其加工过程十分复杂。工艺性能直接影响零件加工后的质量，是选材和制订零件加工工艺路线时应当考虑的因素之一。对于保证产品质量、降低成本、提高生产效率有重大作用。上一页下一页返回1.2材料的其他性能1.铸造性能金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。(1)流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。它主要受化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、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、缩松、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。上一页下一页返回1.2材料的其他性能(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。表1-4为几种金属材料的铸造性能的比较。2.压力加工性能从理论上讲，压力加工性能是指金属材料在冷热状态下塑性变形的能力，即热锻和冷冲压时变形的能力。从加工方法上可用压力加工时获得优良压制件的难易程度来衡量压力加工性能。压力加工性能的好坏同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的压力加工性能越好。压力加工性能包括充填模具所需要的固体流动性，对模壁的摩擦阻力，对氧化起皮的抗力、热裂趋势，上一页下一页返回1.2材料的其他性能冷变形时的硬化趋势，不均匀变形(产生褶皱)的趋势等。常用金属材料中，黄铜和铝合金在室温状态下有良好的可锻性;低碳钢的可锻性和冷冲击性比中碳钢、高碳钢好;铸铁则不能锻压。3.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。焊接性能包括焊接性、熔接合金成分的改变、吸气性及氧化性、内应力及冷热开裂倾向等。焊接性能好的材料容易用一般的焊接方法和工艺进行操作，焊接时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接后接头强度与母材相近。上一页下一页返回1.2材料的其他性能对低碳钢和合金钢，焊接性主要同金属材料的化学成分有关(其中碳的含量的影响最大)。低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性较差。4.切削加工功能切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能一般用工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。一般认为:金属材料具有适当硬度(170-230HB)匀和足够的脆性时，较易切削;所以，铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。上一页下一页返回1.2材料的其他性能5.热处理工艺性能热处理工艺性能是指金属材料对热处理工艺的适应性，即通过对金属材料的热处理，改善或提高金属材料的物理、化学性能和力学性能。热处理性能包括淬硬性、淬透性、淬火变形趋势、表面氧化及脱碳趋势、导热率、回火脆性等。上一页返回图1-1图1-1万能液压拉伸试验机返回图1-2图1-2圆形标准试样返回图1-3图1-3退火低碳钢的拉伸曲线返回图1-4图1-4布氏硬度试验原理示意图返回图1-5图1-5HB-3000布氏硬度试验机返回图1-6图1-6洛氏硬度试验原理图返回图1-7图1-7洛氏硬度试验机返回图1-8图1-8维氏硬度试验原理图返回图1-9图1-9U形缺口夏比试样返回图1-10图1-10一次摆锤冲击试验原理示意图(a)试样放在试验机上;(b)摆锤由h1升高到h2高度返回图1-11图1-11温度对冲击吸收功的影响返回图1-12图1-12小能量多次冲击测试的原理图1-冲头;2-试样;3-支承架;4-橡胶传动轴返回图1-13图1-13交变应力与重复应力示意图(a)交变应力;(b})重复应力返回图1-14图1-14疲劳断裂宏观断口示意图返回图1-15图1-15疲劳曲线示意图返回图1-16图1-16金属材料的一般加工过程返回表1-1表1-1布氏硬度试验的F/D2值的选择返回表1-2表1-2常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围返回表1-3表1-3一些金属的物理性能和力学性能（续表见下页）返回下一页表1-3（续）表1-3一些金属的物理性能和力学性能返回上一页表1-4表1-4几种金属材料的铸浩性能的比较返回项目二金属材料结构的认识2.1金属材料晶体结构2.2纯金属的结晶本篇小结2.1金属材料晶体结构2.1.1晶体与非晶体物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体，如所有固态金属都是晶体。晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。内部质点无规则地堆积在一起的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青等都是非晶体。非晶体通常在整体上是无序的，但原子间靠化学键结合在一起，所以在有限小的范围内观察也有一定的规律。下一页返回2.1金属材料晶体结构非晶体材料往往没有固定的熔点，在各个方向的性能是相同的，即所谓各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。如金属液体在高速冷却下可以得到非晶态金属;玻璃经适当热处理可形成晶体玻璃。有些物质，内部结构可看成是有序和无序的中间状态，如塑料、液晶等。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.1.2纯金属的晶体结构1.晶体结构的基本知识(1)晶格。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式与特征。在研究和描述晶体结构时，通常把晶体中不停地做热运动的质点看成是固定不动的刚性小球，这些小球由一定的几何形状在空间紧密堆积，形成了原子堆垛模型，如图2-1(a)所示。用一些假想的几何线条将晶体中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，这种抽象化了的用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架称为晶格，如图2-1(b)所示。(2)晶胞。晶体中原子排列具有周期性，可以从晶格中选取一个能代表晶格特征的最小几何单元来研究晶体结构，这个最小几何单元叫做晶胞，如图2-1(c)所示。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构(3)晶格常数。为研究晶体结构，在晶体学中还规定用晶格参数来表示晶胞的几何形状及尺寸。晶格参数包括晶胞的棱边长度a,b,c和棱边夹角α

,

β,γ

，如图2-1(c)所示。晶胞的各棱边长度的单位为。由于金属中原子之间的键力较强，且无方向性，所以在金属晶体中，原子总是趋于结合得最紧密。其中最常见的金属晶格类型主要包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3种。2.常见的晶格类型

(1)体心立方晶格。体心立方晶格晶胞如图2-2所示。晶胞是一个正六面体，除晶胞的八个角上各有一个原子外，中心还有一个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，而中心原子为该晶胞所独有，所以体心立方晶胞中的原子数为1+8x1/8=2(个)。晶胞的对角线方向上原子是彼此紧密相接触排列的，此对角线的长度应为(a为六面体棱边长度)，可计算出体心立方晶格原子半径r=/4.属于体心立方晶格的金属有-Fe,Cr,W,V,Mo等。(2)面心立方晶格。面心立方晶格晶胞如图2-3所示。晶胞是一个正六面体，除在晶胞八个角上各有一个原子外，在各个面的中心还有一个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，六面体每个面上的原子为两个晶胞共有，所以面心立方晶胞中的原子数为6x1/2+8x1/8=4个。晶胞六面体的每个面上对角线方向上原子是彼此紧密相接触排列的，此对角线的长度应为(a为六面体棱边长度)，可计算出面心立方晶格原子半径:r=/4。

属于面心立方晶格的金属有:γ-Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag,Pb等。(3)密排六方晶格。密排六方晶格晶胞如图2-4所示。在晶胞六方柱体的十二角和上下底面中心各有一个原子，晶胞的中间还有三个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞十二个角的原子均为六个晶胞所共有，上下底面上的原子为两个晶胞共有，晶胞中间的三个原子为该晶胞独有，所以密排六方晶格晶胞中的原子个数为3+12x1/6+2x1/2=6个。晶胞上下底面上的原子是彼此紧密相接触排列的，可计算出密排六方晶格原子半径r=a/2(a为六边形的边长)。属于密排六方晶格的金属有:Mn,Zn,Be,Cd等。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.1.3实际晶体中的缺陷实际金属通常都是由很多外形不规则的小晶粒组成的，称为多晶体。同一种材料所有晶粒的结构完全相同，但彼此之间原子排列位向不同，使金属的性能在各个方向上基本是一致的，这种现象称为“伪各向同性”，如图2-5所示。晶体内部原子按一定规律排列得很整齐，这种晶体称为理想晶体。实际上晶粒内部存在着大量的缺陷，这些缺陷的存在对金属的性能有显著的影响。晶体的缺陷，按几何形状一般分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构1.点缺陷晶体中原子都是在平衡位置不停地做热运动，当某一原子具有足够大的能量时，能克服周围原子对它的牵制作用，脱离平衡位置而逃走，使结构中出现了空结点，称为空位。当金属中含有杂质，而这些杂质原子又相当小时，这些杂质原子往往存在于金属晶格的间隙中，称为间隙原子。当异类原子占据晶格的位置时，称为置换原子，如图2-6所示。由于空位、间隙原子、置换原子的存在引起周围晶格畸变，结果使金属屈服点增高，影响金属的部分物理性能和化学性能。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.线缺陷晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。通常位错分为两种:一种是刃形位错;另一种是螺形位错。如图2-7所示，在晶体的某一水平面上，多出一个半原子面，这个半原子面如同刀刃一样插入晶体，称为刃形位错。刃形位错可用符号表示。如图2-8所示，晶体上下两部分的原子排列面在某些区域相互吻合的次序发生错动，使不吻合的过渡区域原子排列呈螺旋形，称为螺形位错。在位错附近区域产生晶格畸变。位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构3.面缺陷面缺陷主要是指晶界与亚晶界。晶粒之间的界面称为晶界。晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带，其原子排列是不规则的，处于相邻两晶粒取向的拆中位置上，如图2-9所示。在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃形位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界，如图2-10所示。

上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶界处的晶格畸变，比晶粒内部具有高的能量。因此，晶界具有在常温下强度和硬度较高的特点，且随晶粒细化，强度与硬度正比例增长;在高温下晶界的强度和硬度较低;晶界容易被腐蚀;晶界的熔点较低;晶界处原子扩散速度较快等一系列特性。上一页返回2.2纯金属的结晶原子由不规则排列的液态逐步过渡到规则的晶体状态的过程称为结晶。金属结晶时形成的铸态组织，不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。因此，掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的结晶过程，从而获得性能优良的金属材料。下一页返回2.2纯金属的结晶2.2.1纯金属结晶过程1.过冷现象金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度T0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度T0以下的某一温度Tn，才开始进行结晶，温度Tn称为实际结晶温度。实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。二者温度之差称为过冷度，用△T表示，即

△T=T0-Tn界。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶结晶温度通常采用热分析法测量，即先将金属熔化，并使温度均匀，然后以极慢的速度冷却，记录下温度随时间的变化曲线，称为冷却曲线，如图2-11所示。纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。2.纯金属的结晶过程结晶过程总是从形成一些极小的晶体开始，这些细小晶体称为晶核。随着温度下降，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核不断长大;上一页下一页返回2.2纯金属的结晶同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到各晶粒之间相互接触、液体完全消失为止。所以，结晶的基本过程是形核与其长大过程。如图2-12所示。形核方式分为自发形核和非自发形核两种。在一定的过冷条件下，仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核，称为自发形核，又称均质形核。实际铸造生产中，这种形核现象很少。通常金属液中总是存在着各种固态杂质微粒，依附在这些杂质表面很容易形成晶核，这种形核过程称为非自发形核，又称非均质形核。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶2.2.2晶粒大小的控制金属结晶后，晶粒大小对其力学性能有重要的影响。晶粒大小可用单位体积内晶粒的数目来表示。实践证明，在室温下，金属材料的晶粒越细，其强度和韧性越高。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。分析结晶过程可知，金屑结晶后的晶粒大小必然与晶核数目和晶粒长大的速度有关。如果结晶时形核率N(即单位时间、单位体积内所形成的晶核数目)越高，则晶核的数目就越多，晶粒越细小;晶核长大速度‘越慢，在晶核长大的时间内产生的晶核也会增多，则结晶后的晶粒就越细小。因此，要控制金属结晶后的晶粒大小，必须控制形核率N和晶核长大速度G。常用细化晶粒的方法有如下几种。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶1.增加过冷度从图2-13可以看出，过冷度增大，形核率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因此结晶后晶粒就越细。在铸造工业中，由砂型铸造改为金属模铸造，可提高铸件的力学性能，就是利用增大过冷度来细化晶粒所致。2.变质处理细化晶粒的另一种方法是在浇注前向金属液体中加入一些能促进形核或抑制晶核长大的物质，使金属晶粒细化，这种方法称为变质处理(也称孕育处理)。例如，在浇铸铁液前加入硅铁或硅钙合金，在铝合金中加入微量钦或铝，都能达到细化晶粒的目的。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶3.附加振动在金属结晶时，对液态金属施加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，可使液体中长大了的晶体破碎，增加晶核数目，获得细晶组织。上一页返回2.3合金的形成纯金属虽然具有许多优良的性能并获广泛应用，但其强度和硬度一般都很低，远不能满足零件的使用要求。因此，工业上用量最大、范围最广的金属材料是合金。下一页返回2.3合金的形成2.3.1合金、相和组织的基本概念所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼或烧结而成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元(简称元)。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。根据组成合金的组元数目，可将合金分为二元合金、三元合金、多元合金等。例如，黄铜是由铜和锌组成的二元合金;碳钢是铁与碳组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁组成的三元合金。由给定的组元可以配制成一系列不同合金，组成一个系统，称为合金系。上一页下一页返回2.3合金的形成相是指金属或合金中化学成分、晶体结构及原子聚集状态相同的，并于其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。如纯金属在液态或固态时均为一个相，分别称为液相和固相。组织是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的组合形貌。上一页下一页返回2.3合金的形成2.3.2合金形成相结构的方式合金中相结构是指合金组织中相的晶体结构。根据合金中各组元间的相互作用，合金中的相结构主要有固溶体和金属化合物两大类。1.固熔体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且晶格类型与组元之一相同的固相称为固溶体。能够保持其原有晶格类型的组元称为溶剂;失去原有晶格类型的组元称为溶质。例如，广泛应用的碳素钢和合金钢，均以碳溶解在铁中形成的固溶体为基本相。上一页下一页返回2.3合金的形成根据溶质原子在溶剂中所占的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两种。(1)间隙固溶体。溶质原子相当小，是以占据溶剂晶格中的间隙位置而形成的固溶体，称为间隙固溶体，见图2-14(a)。由于溶剂晶格的间隙尺寸有限，只有小尺寸的溶质原子才能形成间隙固溶体。例如，碳、氯、硼等非金属元素。由于溶剂原子晶格的间隙有一定的限度，所以只能溶解一定量的溶质，而不能无限地溶解溶质原子。通常溶质在溶剂中的溶解度是随温度而变化的。在一定温度下，溶质在溶剂中的最大溶解量称为该温度下的溶解度。间隙固溶体均为有限固溶体。上一页下一页返回2.3合金的形成(2)置换固溶体。两种组元原子的尺寸相当，溶质原子占据溶剂晶格正常结点位置所形成的固溶体，即这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换，故称为置换固溶体，见图2-14(b)。置换固溶体可以是无限固溶体，也可以是有限固溶体。例如，铜和锌，铜和锡都形成有限固溶体;铁和铬，铜和镍都能形成无限固溶体。上一页下一页返回2.3合金的形成形成固溶体时，由于溶剂中溶入了溶质，将会使溶剂原子的晶格常数发生变化，产生晶格畸变。随着溶质原子浓度的增加，晶格的畸变程度也就加大。晶格畸变的存在使合金抵抗塑性变形的能力增加，这就使固溶体比纯金属具有更高的强度和硬度。由于溶入溶质原子形成固溶体，从而使金属材料强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。2.金属化合物金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。上一页下一页返回2.3合金的形成金属化合物的晶格类型与组成它的组元的晶格类型完全不同，一般比较复杂，而且它的性能也不同于组成它的组元，通常金属化合物均具有高的熔点、硬度和脆性，因此不能直接使用。金属化合物存在于合金中一般起强化作用，使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，但塑性和韧性有所降低。因此，金属化合物是金属材料中不可缺少的强化相。上一页返回图2-14图2-14固溶体(a)间隙固溶体;(b)置换固溶体返回本篇小结本篇主要介绍金属材料常用力学性能的判据，材料的物理性能、化学性能、工艺性能，晶体结构的基本理论和概念，三种常见的金属晶体结构，实际金属晶体缺陷及其对性能的影响，液态金属结晶的基本概念和基本规律及合金形成相的结构组成形式等内容。通过本篇的学习，学生能够掌握材料力学性能的确定方法，并且了解影响材料力学性能的因素。返回图2-1图2-1简单立方晶格与晶胞示意图(a)原子堆垛模型;(b)晶格;(c)晶胞返回图2-2图2-2体心立方晶格晶胞返回图2-3图2-3面心立方晶格晶胞返回图2-4图2-4密排六方晶格晶胞返回图2-5图2-5各晶粒位向示意图返回图2-6图2-6晶体结构中的点缺陷返回图2-7图2-7刃型位错返回图2-8图2-8螺型位错返回图2-9图2-9晶界返回图2-10图2-10金属中的亚晶组织返回图2-11图2-11热分析法测定金属的冷却曲线(a)测定金属温度;(b)金属的冷却曲线返回图2-12图2-12金属的结晶过程示意图返回图2-13图2-13过冷度对形核率N和长大速度G的影响返回项目三二元合金相图的建立3.1二元合金相图3.2铁碳二元合金相图3.1二元合金相图合金的结晶过程及所得的组织比纯金属复杂得多。合金中组元种类及数量的变化，将引起合金组织与性能的变化。为了掌握合金组织与性能之间的关系，必须了解合金的结晶过程，了解合金中各组织的形成及变化规律。相图是研究这些问题的一种工具，它是描述合金结晶过程的状态、温度及成分之间关系的一种图解，又称为状态图。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据。下一页返回3.1二元合金相图二元合金的合金状态与温度、成分间的关系可用二元合金相图表示。测定二元合金相图最常用的方法是热分析法。下面介绍用热分析法测定Cu-Ni二元合金相图的方法。(1)配制图3-1所列的不同成分的Cu-Ni合金。(2)用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线[图3-1(a)]。(3)找出合金冷却曲线上的临界点。(4)把各临界点画在温度一成分图上，连成光滑曲线，填上相区，即为二元合金相图[图3一1(b)]。由图3-1(a)可见，wcux100%和、wNix100%的纯金属发生恒温结晶，冷却曲线上出现平台。而其他的合金冷却曲线没有出现水平线，这是因为这些合金的固相是固溶体，它在一个温度范围内结晶。上一页下一页返回3.1二元合金相图3.1.1匀晶相图的建立两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金所组成的相图称为匀晶相图。具有这类相图的二元合金主要有:Cu-Ni,Ag-Au,Fe-Ni,Fe-C:等。图3-2(a)为工业用Cu一Ni合金相图。图中A点为纯铜的熔点，B点为纯镍的熔点。A1B为液相线，液相线以上为液相区，用L表示;A3B为固相线，固相线以下为固相区，用α表示;液相线与固相线之间为两相区，用L+α表示。2.合金结晶过程分析上一页下一页返回3.1二元合金相图图3-2(b)示意图说明wNi=40%的铜镍合金的结晶过程。当合金从高温缓慢冷却到与液相线相交的T1，温度时，开始从液相结晶出成分为1’’的固溶体。温度继续降低到T2:温度时，由于在结晶过程中缓慢冷却原子扩散的结果，使结晶出的固相成分为2’’的均匀固溶体。随着温度的降低，结晶不断进行，液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。在温度T3结晶结束，得到与原合金成分相同的固溶体。温度继续降低到室温，组织与成分不会再发生变化。3.枝晶偏析在实际生产条件下，合金的冷却速度一般比较快，扩散过程远远赶不上结晶过程，合金成分来不及均匀化。上一页下一页返回3.1二元合金相图因此，先结晶的晶体总是含有较多的高熔点组元，后结晶的晶体含有较多的低熔点组元。这种晶体中化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。如图3-3所示的是Cu-Ni合金铸件的枝晶偏析。枝晶偏析是一种不平衡组织，可以把这种组织加热到高温并保持相当长时间，可使成分均匀，消除枝晶偏析，这种方法称为扩散退火。4.杠杆定律在二元合金相图的两相区内，利用杠杆定律可以确定某一成分的合金在一定温度时两平衡相的成分和相对量。如图3-4(a)所示，wb成分的合金在T1温度时L+α亮相平衡共存，过b点作水平线分别与液相线和固相线交于a点和c点，上一页下一页返回3.1二元合金相图a点和c点对应的成分点wc

和wa分别代表该合金在T1温度时液相L和固相α

的成分。根据杠杆定律，液相所占百分比为:固相所占百分比为:由图3-4(b)可以看出，如果把abc看做一根杠杆QL和Q

α与它们的杠杆臂成反比。此关系符合力学中的杠杆定律，故也称为杠杆定律。上一页下一页返回3.1二元合金相图3.1.2共晶相图的建立两组元在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且发生共晶转变的相图，称为共晶相图。所谓共晶转变是指一定成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分一定的固相的转变。所生成的两相机械混合物称为共晶体。如Pb-Sn,Pb-Sb,Al-Si,Ag-Cu等都属于共晶相图。1.相图分析图3-5是Pb-Sn合金相图，在图中，AEB为液相线，AMENB为固相线。MF为Sn溶于Pb的溶解度线,NG为Pb溶于Sn的溶解度线，这两条线又称固溶线。合金系中有L,α,

β三个相，上一页下一页返回3.1二元合金相图α相是Sn溶于Pb中的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。LIEN为L,α,

β三相共存线。2.合金结晶过程分析(1)I成分合金(wsn<19%。合金结晶过程示意图如图3-6所示。合金由液态缓慢冷却到1点时，液相中开始析出α固溶体。随着温度的降低，α相的数量不断增加，液相不断减少;相的成分沿着AM线变化，液相成分沿着AE线变化。冷却到2点时，合金全部结晶成。固溶体。温度继续降低，在2-3点，合金组织不发生变化，为α单相固溶体。当冷却到点3温度以下时，由于Sn在Pb中的溶解度随温度的降低而逐渐减小，因此将从

α固溶体中析出富Sn的β固溶体。上一页下一页返回3.1二元合金相图通常将这种由初生α

相中析出的β相称为次生相，用βⅡ表示。(2)成分合金(wsn=61.9%)。该成分合金为共晶合金。从液态缓慢冷却到温度TE(183℃)时发生共晶反应:因为同时析出α

和β两种晶体即为共晶反应。合金的结晶过程示意图如图3-7所示。温度在E点以上时，合金为单相液体;温度继续降低到TE

时，发生共晶反应，结晶出共晶体（α

M+βN）;共晶温度以下，随着温度的降低，将分别从α和β

相中析出αⅡ和βⅡ

，它们与共晶体混合在一起，上一页下一页返回3.1二元合金相图在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图3-8为Pb-Sn共晶合金的显微组织，黑色的为

α相，白色的为β相。(3)III成分合金(wsn=19%-61.9%)。该成分段的合金称为亚共晶合金。Pb-Sn亚共晶合金平衡结晶过程如图3-9所示。当合金缓冷到1点时，开始从液体中析出α相，随着温度的降低，α相的数量逐渐增加，液相逐渐减少，液相成分沿着AE线变化;当温度降到2点时，α相和液相分别到达M和E点成分，于是剩余液相发生共晶反应，形成共晶体（α

M+βN）

。在2点以下冷却过程中，将从α相中析出βⅡ相。图3-10为Pb-Sn亚共晶合金的显微组织，黑色枝晶为初生α晶体，上一页下一页返回3.1二元合金相图黑灰相间的为（α+β）共晶体，α

枝晶内的白色颗粒为βⅡ相。(4)IV成分合金（wsn=61.9%-97.5%）。该成分段的合金称为过共晶合金。过共晶合金的结晶过程与亚共晶类似，所不同的仅是初生相为β固溶体，从TE温度继续冷却时，将

从β相中析出αⅡ相。图3-11为Pb-Sn过共晶合金的显微组织，灰色的为刀固溶体，黑白相间的为（α+β）共晶体，β晶体内的黑色小点为αⅡ相。3.密度偏析(比重偏析)在合金结晶过程中，如果结晶的晶体密度与其余的液体密度相差较大，则这些晶体会上浮或下沉，使最后凝固的合金出现上、下部分成分不同，这种现象称为密度偏析，也称比重偏析。上一页下一页返回3.1二元合金相图密度偏析不能用热处理来消除或减轻，只能控制成分或凝固时采取措施，如增加结晶冷却速度或搅拌等。上一页返回3.2铁碳二元合金相图钢铁是工业上应用最广泛、最重要的金属材料，其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金相图是研究铁碳合金在平衡条件下的成分一温度一组织性能之间关系和变化规律的重要工具，对于钢铁材料的研究、合金的选用、正确制定各种热加工工艺等都有重要的指导意义。下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.1铁碳合金的基本相1.纯铁及其同素异构转变金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构转变。如Fe,Co,Ti,Mn,Sn等都具有同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格的晶体称为同素异构体。图3-12为纯铁的冷却曲线及晶体结构变化示意图。纯铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，先后发生两次晶格转变，转变过程可表示如下:上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图另外，770℃为纯铁的磁性转变点(又称居里点)。在770℃以下纯铁具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。因为纯铁具有同素异构转变现象，所以生产上可对钢和铸铁进行相变热处理，达到改变钢铁的内部组织来提高性能的目的。2.铁碳合金中的相及其性能上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图铁碳合金是钢和铸铁的统称，是工业上应用最广泛的金属材料。铁碳合金中的相结构有以下几种。(1)铁素体(F).碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或

α表示。由于

α-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，所以碳在α

-Fe中的溶解度很低，在727℃时溶解度最大，为0.0218%，在室温时几乎为零(0.0008%)。铁素体的力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性;各力学性能指标大约为σb=180~280MPa,δ=30%~50%,αk=160~200J/cm2，硬度为50~80HBS.上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图(2)奥氏体(A)。碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格，其晶格间隙直径要比α-Fe大，所以其溶碳的能力较铁素体大。在1148℃时，碳在

γ-Fe中的溶解度最大，可达2.11%,随着温度的降低，碳的溶解度也逐渐下降，在727℃时的溶碳量为0.77%。

奥氏体的力学性能与溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为170~

220HBS,δ=40%-50%，所以奥氏体的硬度不高，易于塑性成形。

(3)渗碳体。渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C。渗碳体的含碳量为6.69%，熔点为上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高(950-1050HV)，而塑性和韧性几乎为零，是一个硬而脆的相。渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被其他金属原子(如Cr,Mn等)置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C，(Fe，Cr)3C等。渗碳体是铁碳合金中主要的强化相，它的形状、大小与分布对钢的性能有很大影响。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.2铁碳二元合金相图铁和碳可以形成Fe3C,Fe2C,FeC等一系列稳定的化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元，因此整个铁碳合金相图可视为由Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC等一系列二元相图组成。生产实践中证明，含碳量超过5%的铁碳合金很脆，无实用价值，所以通常所讲的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，即含碳量wc<6.69%的部分，如图3-13所示。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.3铁碳二元合金相图的分析1.相图(图3-13)中主要的特性点及其意义(表3-1)2.相图中主要的特性线及其意义液相线(ABCD):是结晶时液相的成分变化线，该线以上全部为液相。固相线(AHJECF):是结晶时固相的成分变化线，该线以下全部为固相。

HJB线(包晶转变线):由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相的反应称为包晶转变。相图中，含碳量在0.09%-0.53%的合金从液态凝固时均要发生包晶转变

，形成单相奥氏体。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图

ECF线(共晶转变线):由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变称为共晶转变。相图中，含碳量在2.11%-6.69%的合金从液态凝固时均要发生共晶转变

，形成奥氏体和渗碳体所组成的共晶体A+Fe3C，这是一种组织较致密的机械混合物，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。

PSK线(共析转变线):在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变称为共析转变。相图中，含碳量在0.0218%-6.69%的合金凝固时温度降到727℃均要发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体，这两种产物的机械混合物称为上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图珠光体，用字符P表示。727℃时，高温莱氏体中的奥氏体发生共析转变形成珠光体，珠光体和渗碳体的机械混合物称为低温莱氏体，用Ld’表示。

ES:碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线。随着温度从E点(1148℃)下降到S点(727℃，奥氏体含碳量从2.11%减少到0.77%，在这个过程中，奥氏体中过剩的碳以渗碳体形式析出。通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3CII表示，从液态中直接析出的渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3CI表示。PQ:碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线。从727℃冷却到室温的过程中，碳在铁素体中的溶解度由0.0218%减少到上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图0.0008，铁素体中过剩的碳将以渗碳体形式析出，称为三次渗碳体，用Fe3CIII表示。3.典型合金的平衡结晶过程及组织根据含碳量和组织的不同，通常把铁碳合金分为三类