第4章 金属材料

1、材料科学 与工程概论,目 录,第1 章 绪论 第2 章 材料的原子结构和原子间结合键 第3 章 无机非金属材料 第4 章 金属材料 第5 章 高分子材料 第6 章 复合材料 第7 章 纳米材料 第8 章 生物材料,第四章 金 属 材 料,主要内容,1.概述 2.晶体学基础与结构 3.晶体缺陷 4.金属的凝固 5.结晶理论的实际应用 6.相图,7.铁碳相图与铁碳合金 8.材料的变形与断裂 9.金属的回复与再结晶 10.钢的热处理工艺 11.几种常见的有色金属简介,新型材料的特点是高性能化，高功能化，高复合化。材料科学已成为多学科互相交叉、相互渗透的科学。进入 21世纪，各种新型材料的研制、开发与

2、应用，日新月异，与日俱增。下面我们来谈谈金属材料方面的常识。,1 概 论,材料是社会发展的标志，而金属材料是现代文明的基础。金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、铬、锰等金属及其合金，有色金属则是铁、铬、锰金属以外的其它金属材料，如轻有色金属铝、镁、锂，重有色金属铜、锌、铅，稀有金属钛、锆、钒、钨、钼等，都是有色金属的代表。从金属材料的总体来看，钢铁材料的产量很大，约占世界金属的95，而且价格低廉。由于钢铁材料的性能良好，能满足大多数情况下使用，所以用量较大。其他金属材料虽然产量不大，但就其性能与应用方面考虑，有着不可替代的位置，所以金属材料的发展也十分迅速。,1）钢铁材料

3、,钢铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江苏铁本公司100 亿的项目都关停了，和前几年相比、每吨涨价1000元，如果1000万吨的厂，净盈利100亿）。 但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加什么元素呢？）,加入C元素，C在铁中的最大固溶量6.69 （1） 小于C 0.0218，相对纯净，我们称之为工业纯铁；（线圈铁心中用到） （2） 0.0218% C 2.11，称为共析钢；（钢筋、各种板材、铁轨等） （3）2.11% C 6.69，共晶铸铁。（复杂铸件、铸造轧辊等）,根据性能要求，合

4、理改善组织（热处理，回复再结晶）。钢中的有害杂质S、P。使钢的塑性明显下降，除 S、P（冶炼钢用的脱S剂）；加入精炼剂。目前比较成熟的是稀土(工业味精）添加剂。因为稀土可以抗氧化、除气除杂。钢中的气体主要是H2，产生氢脆（安钢赔款的例子）。,坦克给人以无坚不摧的印象，但它有一段鲜为人知的故事。由于坦克具有火力强、防护好和机动性高的特点，因此各国都把它当作陆军的突击力量使用，战士们都称它为“活动的碉堡”。然而坦克是怎样成长起来的、材料又是怎样为它的发展创造条件的呢？1916年，第一次世界大战进入了第三个年头，在法国索玛河畔的战场上，英、德两军用猛烈的炮火互相射击，双方的士兵都隐蔽在战壕里，谁也不

5、敢“越雷池一步”。9月15日黎明，英军又开始炮击，德军照常还击。突然，从英军阵地发出一阵隆隆的怪声。不一会，许多象大铁盒似的庞然大物向德军直冲过来。德军慌忙向它射击，可是子弹一碰上去就反弹回来。,坦克鲜为人知的故事,这种能攻能防又能跑的怪物就是坦克，它一出现就在战场上显示出巨大的威力。可是过了不久，所向披靡的英国坦克，出乎意料地被德国的一种特殊炮弹击穿。英方分析了德军弹头的成分，发现里面含有钨这种元素，钨和钢中的碳结合，生成很硬的碳化钨，用这种钢制成的炮弹穿透力很强，所以能摧毁坦克。现在的坦克装甲厚度达150240毫米，采用铬锰硅钢或铬镍钼钢，经过热处理制成，可以经得住直径120毫米的炮弹轰击

6、。但是增加装甲的厚度，坦克的重量也会增加。为了提高防弹能力和减轻重量，又出现了金属和非金属复合结构的装甲材料（防弹衣上要用到）。,(1).造船（航空母舰与造船厂位置）； (2).高速公路及桥梁建设（桥墩问题）； (3).铁丝生锈（组织与应力问题）； (4).钢铁热处理问题（轴承的内柔外刚）。,钢铁材料的应用与实例分析,钢铁方面的基础知识我们将在材料科学基础中详细介绍,铝属于轻金属范畴，铝合金的用量仅次于钢铁材料，尤其是航天材料中用量较大。因为： （1） 铝合金的密度小；（轻质） （2） 耐腐蚀性能好；（Al与O2作用生成Al2O3保护膜） （3）铝的塑性好，冷热加工均可。（具有面心立方结构，略

7、提金属的三种典型结构）,2）铝及其合金材料,与钢铁一样，工程材料中大都使用加入合金元素的铝合金，而不使用纯铝，因为纯铝的强度与硬度很低（强度大约80100MPa）。通常加入的合金元素有：Cu（显著提高铝合金强度)、Mg、Zn、Si、Mn及Re稀土元素等。 纯铝一般多用在导电、输电方面（因为其导电性能好、损耗低，空中输电一般用铝线）,(1).电脑散热片（材料问题、设计问题）； (2).铝导线输电而不用铜导线； (3).铝合金耐空气腐蚀但不耐酸碱； (4).高强度铝合金的开发与应用(电梯、建筑)。,铝及其合金的应用,铝合金的分类 按合金成分和生产工艺特点可分为：变形铝合金、铸造铝合金。（图示分析）

8、 变形铝合金：一定成分的铝合金熔化后，浇铸成圆形坯锭，然后压力加工出一定形状的制品。（要求塑性好、工艺成型性好） 铸造铝合金：将熔融的合金液体直接浇铸到定型模具里，获得成型铸件。（要求铸造性能好，如流动性好、收缩率小等）,铝合金的强化 细晶强化：想方设法使晶粒细小，如加大冷却强度、添加细化剂等。 热处理强化：根据合金元素不同温度下在铝基体中的溶解度不同，加热到一定温度，突然急冷，形成过饱和的固溶体。当然并不是所有铝合金都能热处理。 冷变形强化：又称加工硬化。也就是合金材料随变形量的增加而强度升高的现象。,纯铜呈紫红色，所以又称紫铜，属于重有色金属范畴，纯铜最显著的特点是导电、导热性好，仅决于银

9、（银导电、导热性最好）。纯铜主要用于制作导电、导热的高性能器材，如电缆线、散热管和冷凝器等。,3）铜及其合金材料,铜合金材料,1)黄铜：由于铜加入合金元素Zn后呈黄色，所以叫黄铜。主要有H80、H68、H62黄铜，前两种组织是单相黄铜，H62为两相（）黄铜；H80色泽美观，多用于装饰材料，H68强度高、塑性好，有“弹壳黄铜”之称（季裂问题），H62强度高于H68，塑性稍差，用于强度高于H68的黄铜。,2)青铜：有锡青铜、铝青铜与铍青铜(冶炼昂贵、人体有害)。它们的强度、硬度、耐蚀性依次升高。特别是铍青铜（1.7%Be2.5%），通过热处理可大幅度提高其强度，抗拉强度b达到12001500MPa

10、。用来制造轴承、齿轮及防爆工具等。,3)白铜:是镍含量低于50的CuNi合金。铜与镍可以任意比例互溶，故白铜的合金组织均呈单相。白铜不能进行热处理强化，其强化方式主要是固溶强化和加工硬化。白铜主要用作电工材料，又称电工白铜。,(1).冰箱、空调用紫铜管制冷（导热速率快）； (2).铜铝复合管开发（内螺旋外波纹高效散热管）； (3).铜合金用于国防技术（弹壳，战争带来效益）； (4).作为合金元素提高某些合金的强度（铝合金）。,铜及铜合金的应用实例,（1）.继续重视高性能的新型金属结构材料 所谓高性能材料就是指具有高强度、高韧度、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的材料，而新型材料是指采用新技

11、术和新工艺发展的。 Al-Li合金（低密高强，航空、电子芯片）； Cu-Zn-Al形状记忆合金（医学、恒温箱）； 纤维增强的金属基材料（“三高”材料）。,金属材料的发展趋势,（2）.结构材料趋于复合化的多相复合材料 由于单一材料存在难以克服的某些缺点，所以把不同材料进行复合以得到优于原组分的新型材料，就成为结构材料发展的一重要趋势。如玻璃钢（玻璃树脂基复合材料）为第一代复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料是第二代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基以及碳基复合材料。,（3）.低维材料正在扩大应用 低维材料指的是零维如纳米材料，一维如纤维材料，二维如薄膜材料等，这些材料也是近年来发

12、展最快的一类新材料，可用于作结构材料和功能材料。 纳米材料（超细材料）； 一维材料（光缆线）；视频欣赏1 欣赏2 二维材料（照相机的增透膜）。,（4）非晶材料日益受到重视 由于非晶态材料具有合金化程度高、高强度、耐磨、耐腐蚀、良好的磁学性能等，从而具有良好的开发前景。70年代通过快冷技术(106s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高了材料的合金化程度，而不致产生脆性相。,（5）走材料的可持续发展之路 矿物开采、原材料加工、冶炼、材料半成品加工、产品生产使用等各个环节都会向我们居住的地球或大气层排放污染物。为此，应该用系统工程的方法，综合考

13、虑材料的生产、使用、回收利用各个环节，达到污染物的零排放目标。此外，复合结构材料的精心设计和人工合成高性能材料，减少对地球矿藏的依赖，也是降低环境污染的有效措施。目前人们正在研制开发的复合材料、纳米材料、信息功能材料、灵巧和智能材料等，都具有这种特征。,返回,返回,返回,铝合金组织图片,返回,高效导热铜管应用举例,返回,铝合金的部分用途,铝合金的 主要应用领域,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,汽车,高层 建筑,返回,铝合金各种散热器材,返回,4)、贵金属首饰的种类,贵金属首饰的种类和印记 黄金 纯金首饰：千足金(G999)；足金(G990) K金首饰(WG)：8K、9K(37

14、5)、10K、12K、 14K(583)、 18K(750)、20K、22K(916) 黄色K金系列、白色K金系列、红色K金系列、彩色 K金系列 包金和镀金首饰：包金：KF，L5AU 镀金：KGP或KP，P10Au 仿金首饰：铜首饰：紫铜(Cu(85)+Zn(15)，黄铜 (Cu(55)+Zn(45)， 青铜(Cu(80)+Sn(20) 亚金首饰：Cu+Al+Ni合金 稀金首饰：Cu+稀土元素合金 钛金首饰：镀Ti,铂金： Pt900、Pt850、Pt800、Pt750，足铂(990)银：足银(S990)，标准银(S925) 仿银：德银(Cu63%，Ni14%，Zn23%),贵金属的产地 黄金

15、：产量2000吨/年 南非、俄罗斯、加拿大、美国、巴布亚新几内亚、加纳、澳大利亚、中国， 铂金：产量80吨/年 南非、俄罗斯、加拿大， 银：产量1万吨/年 墨西哥、秘鲁、俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚，,不同颜色K金中各种金属的含量(%),珠宝的有关度量单位及换算,长度单位 1米(m)=100厘米(cm)=1000毫米(mm)=106微米(m)=109纳米(nm)=1010埃() 1米(m)=3.28英尺(ft.) 1英尺(ft.)=0.30米(m) 1厘米(cm)=0.39英寸(in.) 1英寸(in.)=2.54厘米(cm),重量单位 1公斤(千克 kg)=1000克(g) 1克(g)=1

16、000毫克(mg) 1克(g)=5克拉(ct) 1克拉(ct)=0.2克 (g) 1克拉(ct)=100分(point) 1分(point)=0.01克拉(ct) 1珍珠格林(pearl grain)=0.25克拉(ct) 1克拉(ct)=4珍珠格林(pearl grain) 1公斤(kg)=32.14金衡盎司(oz. troy) 1金衡盎司(oz. troy)=31.1035克(g),2 晶体学基础与结构,2.1 空间点阵 从研究理想晶体出发，把晶体中的原子（分子或离子）看成质点，由这些质点排列而成的空间模型，称为空间点阵。 晶胞：从点阵中取出的能保持点阵特征最基本的几何单元叫晶胞。晶胞选取

17、应满足的条件：（1）晶胞的几何形状充分反映点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；(4)晶胞体积应最小。,根据上述原则，可将晶体划分为7个晶系，14种空间点阵。三斜、单斜、正交、四方、菱方、六方、立方晶系。应当指出的是，空间点阵虽然只有14种，但晶体结构是无限多的。,2.2 典型金属晶体结构,常见的金属晶体结构有三种类型，分别为体心立方、面心立方和密排六方。常温下Cr、Fe、W、Mo、V、Li、K等属体心立方结构；Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni等属面心立方结构；Mg、Zn、Ti、Be、Zr、Cd等属密排六方结构。,2.3 共价晶体与离子晶

18、体的结构,共价晶体的配位数很小，致密度也很低，如单质Si、C元素等，其配位数为4，致密度为0.34，Sb、Bi的配位数为3，Se、Te（碲）为2。离子晶体由于有正负离子之分，配位不唯一，一般正离子的配位数大，负离子的配位数小，以CaF2为例，正离子配位数为8，负离子配位数为4，致密度介于共价晶体与金属晶体之间。,3 晶体缺陷部分,在实际应用的材料中，总是不可避免的存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。这些晶体缺陷不但对材料的性能，其中特别是那些对结构敏感的性能，如强度、塑性、电阻等产生重大影响，而且还在扩散、相变，塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色，因此，研究晶体的缺陷具有

19、重要的指导意义。,3.1晶体缺陷的种类,根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下三类： （）点缺陷，其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，如空位、间隙原子、置换原子等，都能引起原子范围的点阵结构的不完整，亦称零维缺陷。 （）线缺陷，其特征是在两个方向的尺寸很小，另一方向上的尺寸相对很大，它对点阵结构的影响要超过点缺陷，属于这一类的主要是位错。（位错是一种很重要的晶体缺陷，对金属强度，塑变、扩散、相变等影响显著）。,（）面缺陷，其特征是在一个方向的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，它的影响更大，超过点缺陷、线缺陷，属于这一类的缺陷主要是晶界、亚晶界、相界等。,4 金属的凝固,金属由液

20、态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。金属结晶后所形成的铸态组织，将极大地影响金属的加工性能和使用性能。因此，研究和控制金属结晶过程，将有助于改善材料的机械性能和工艺性能。此外，材料的结晶过程又是一个相变过程（液相向固相的转变），掌握结晶过程的基本规律将为研究其它相变奠定基础。纯金属和合金相比，合金的结晶比纯金属要复杂些，为了便于分析问题，我们先介绍纯金属的结晶。,4.1过冷现象,实验发现，纯金属到Tm(熔点)时，没有开始结晶，到Tn时才开始结晶(TmTn)。 金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，我们称之为过冷度，用符号T表示，T越大，则

21、实际结晶温度越低。,4.2 结晶的驱动力,由热力学第二定律知道，等温等压下，系统总是自发的从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。液相金属和固相金属的自由能之差(Gv)，就是促使这一转变的驱动力。 状态的自由能可用 G = H - TS 表示 其中H：焓、T：温度、S：熵。无论是液相还是固相，其自由能均随温度和压力的变化而变化，可用下式表示： dG=VdP-SdT 又知熵的物理意义：表征系统中原子排列混乱程度的参数。显然S液S固 。,热力学证明得到： 式中T过冷度，Lm为熔化潜热，显然Gv0，使得结晶过程得以进行，并且知T越大，Gv越负（正比关系），结晶的驱动力越大。,4.3 形核规律,金属

22、结晶时，形核方式有均匀形核和非均匀形核二种，一般纯金属通过均匀形核结晶（无杂质及异相质点），而实际的合金材料主要通过非均匀形核结晶。 均匀形核的能量条件。系统自由能的变化包括：体积自由能的下降和表面自由能的增加，单位体积自由能的下降为Gv(0)，单位面积表面能为，假设球体半径为r，则： 其中变化参数为球半径r，r无限小时为液态，只有当r大于某一数值，且G0时，结晶过程才能顺利进行。,4.4长大规律,液体中出现第一批略大于临界半径的晶核后，液体的结晶过程就开始了，结晶过程的持续，既依赖于新晶核的不断产生，又依赖于已有晶核的进一步长大。而界面的微观结构必然影响晶核的长大。固液界面按微观结构分为两种

23、：光滑界面和粗糙界面。 光滑界面物质的长大机理：界面上反复形成二维晶核的机制，这种机制的长大速率很慢。；填补缺陷的机制，由于晶体中的缺陷十分有限，所以其长大速率也很小。 粗糙界面的物质长大机理：具有粗糙界面的物质，界面上有很多空位，液相中的原子可直接添加到这些位置，使晶体整个界面沿垂直方向向液相中长大，我们称这种长大方式为垂直长大，生长速度快。,金属的生长形态：如果液相中的温度分布不均匀，也就是说存在温度梯度，它们的生长形态是不一样的。在正温度梯度下，当粗糙界面时：由于温度分布不均匀，固相在推进过程中晶体生长速度越来越慢，固液界面为稳定的平面状形态；当光滑界面时：由于原子是通过台阶的侧向扩展向

24、界面推进，所以界面为台阶状形态。在负的温度梯度下，由于过冷度分布不均匀，且距界面越远处的液体温度越低，伸入液相的晶核生长速率较大，致使晶核处产生二次结晶核心，周而复始的下去，生长出象树枝状的晶体，这种长大方式称为树枝状生长。还应指出的是：树枝状生长方式在粗糙界面的物质中最明显，在光滑界面物质中很少见。,5 结晶理论的实际应用,细化晶粒不仅能提高材料的强度，还能提高材料的塑性和韧性，我们称通过细化晶粒来提高材料强度的方法为细晶强化，下面分析细化晶粒的方法。 1).提高过冷度 提高T有助于增加形核率，这时虽然长大线速度也增加，但影响趋势不如形核率显著，因此增加T可以使铸件的晶粒得到细化。 2).变

25、质处理 外加杂质能增加金属的形核率，并能阻碍晶核的长大，在液相里加入某些难熔的固体颗粒，会显著增加晶核数量，使晶粒得到细化。铝合金中加Al-Ti-B、Al-Ti-C等都是变质处理的例子。,3).振动搅拌 对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠外来能量促使结构起伏，从而带来形核所需的能量起伏，使晶核提前形成；另一方面是使生长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，结晶出来的晶粒也更加细小，这已成为一种有效细化晶粒组织的重要手段。目前常用的方法有：机械振动、电磁感应、超声波处理等。,6 相 图,相图的基本知识 相图是表示合金中合金的状态与温度，成分间的关系图解，又称状态图或平衡图。表示合金在平衡条件下

26、，在不同温度、不同成分的各相关系的图解，利用相图，可以一目了然的知道不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成分及相对含量，以及加热或冷却时，可能发生哪些转变等，显然，相图是研究材料组织与性能的重要工具，是进行金相分析、确定热处理工艺的重要依据。,相图的表示方法：纵坐标表示温度，横坐标表示成分（质量百分数），用相应的字母表示相区。 二元相图中的杠杆定理：要求相图中任一点某温度下的相组成含量时，我们要用到杠杆定理。Wl + Ws= Wo,相律：相律是表示在平衡条件下，系统的自由度，组元数和平衡相数之间的关系式。自由度数是指在不改变系统平衡相数目的条件下，可以独立改变的，不影响合金

27、状态的因素（温度、压力等）的数目，其最小值为零。 相律的表达式：f=c-p+2。其中f：自由度，C：组元数，P：平衡相数。对于液体及固态的转变，压力一般影响甚小，可忽略，这时相律变为f=c-p+1。,解释：纯金属结晶时，固相或液相时p=2，c=1,f=0，这说明纯金属结晶在恒温下进行。对于二元合金结晶，c=2，p=2，f=1说明有一个可变因素，因为二元合金结晶是在一个温度范围内完成的。温度是一个可变因素。,6.1 二元相图的类型与分析,二元相图主要有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图、包析相图等，书中重点介绍了前三种类型。,7 铁碳相图和铁碳合金,碳钢和铸铁都是铁碳合金，它们是使用最为广泛

28、的金属材料，铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解和掌握铁碳相图的分析与应用，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定、以及工艺废品原因的分析等都有极为重要的指导意义。,7.1 铁碳合金中的组元及相,纯铁：熔点为1538，温度变化时会发生同素异构转变，在13941538之间为体心立方结构，叫-Fe，在912-1394之间为面心立方结构，称为-Fe，在912以下为体心立方结构，称为-Fe。 由高温到低温：体心bcc面心fcc体心bcc，这种特征为钢的热处理与合金化提供了必要的结构基础。,铁中的固溶体:碳溶解于或铁中形成的固溶体为铁素体，分别用和表示，铁素体的韧性较好、塑性良好，是提供加

29、工变形的必要基体。碳在的最大溶解度为0.0218%，在中的最大溶解度为0.09%。溶解于铁中形成的固溶体称为奥氏体，用表示。,Fe3C（渗碳体）：Fe3C具有复杂的斜方结构，无同素异构转变，它的硬度很高，但塑性极低，是典型的脆硬相。它在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状分布，是碳钢中的主要强化相，它的量、形状、分布状况对钢的性能影响很大。,7.2 Fe- Fe3C相图分析,相图中有五个单相区：L、Fe3C，有七个两相区：L、L、LFe3C、Fe3C、Fe3C。三条水平线：包晶转变线、共晶转变线、共析转变线、此三条线间的相互连接构成了铁碳相图。 三个代表性反应 在1495发生包晶反应，生产物为

30、奥氏体； 在1148发生共晶反应，生产物为莱氏体； 在727发生共析反应，生产物为珠光体。,四条重要的固态转变线：GS线-中开始析出铁素体（降温）或铁素体全部转变为奥氏体（升温）的转变线，常称此温度为A3温度（A3温度是一个范围，不是一个固定的温度点）。ES线-碳在奥氏体中的固溶度线，此温度常称为Acm温度，低于此温度，中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，记作Fe3C，以区别液相中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。GP线-碳在铁素体中的固溶度线，在+两相区温度变化时，铁素体中的含碳量沿这条线变化。PQ线-碳在铁素体中的固溶度线，共析温度以下时，从析出的渗碳体为三次渗碳体，记作Fe3C。,770线表

31、示铁素体的磁性转变温度(居里点)，称A2温度，770以上无磁性，以下有磁性。230线表示渗碳体的磁性转变温度,称A0温度，230以上渗碳体无铁磁性，以下有一定的铁磁性。,7.3 合金与杂质元素的影响,碳的影响：亚共析钢随含碳量的增加，P数量增多，因而强度、硬度上升而塑性、韧性下降。过共析钢除P的影响外，出现了硬脆的二次渗碳体，当含碳量小于1.0时，一般还不连结成网状。当含量碳大于1.0以后，二次渗碳体呈连续网状分布，并且含碳量越高、网越厚，使钢的性能骤然下降，脆性很大，引起钢材料的早期断裂。,硫的影响：S是钢中的有害元素，与Fe形成低熔点的FeS，分布于组织晶界处，导致材料在热加工时开裂，热塑

32、性下降，这种现象叫“热脆”。为了消除S的危害，使钢材能正常热加工成型，一般加入Mn元素脱S，使二者形成高熔点的MnS，MnS在高温下有一定塑性,不产生热脆，从而有效抑制了S的热脆性。另外，在某些不需热加工的材料中，为了提高材料的切削加工性能，又要人为地提高S的含量。也就是说S元素可以改善合金材料的切削加工性能。,Mn的影响：Mn在碳钢中的含量一般为0.250.8。它是作为脱氧去硫的元素加入的，因此属于有益元素。对于用Si和Al脱氧的钢材。Mn还可以提高Si和Al的脱氧效果。消除非金属元素S和O的危害。 Si的影响：Si在碳钢中含量小于0.50时，也是钢中的有益元素，因为Si可以脱去有害元素的氧

33、的影响，并且可以增大钢液的流动性。另外，Si元素还能提高钢的强度。但当Si含量超过0.81.0时，钢的塑性及韧性显著下降。,P的影响：在含碳量较高的钢中，由于P元素的存在降低了材料的塑性和韧性，增加了钢的冷脆(低温脆性)，所以P是有害元素，对其含量要严格控制。在含碳量较低的钢中，P可以提高钢的强度，且冷脆倾向较小。消除P的危害时，可以加入Re-Cu合金。 H的影响：H在钢中危害极大，氢溶入钢中使钢的塑性、韧性显著降低，引起“氢脆”；当原子态氢析出时，造成钢组织内部出现裂纹性质的缺陷，形成白点。H在钢中的溶解度很小，主要来源于冶炼过程中，锈蚀含水的炉料以及从炉气中直接吸收的氢。其消除措施为：钢材

34、料进行去氢退火处理，使H逸出。,说明：锻件在锻后尽快冷却到氢溶解度小、扩散系数大的温度区域，一般在C 曲线鼻尖偏上附近，经长时间保温，以降低钢中的含氢量，避免形成白点钢。 例1.一批螺纹钢（钢筋混凝土用）具有下列特性：在拉力很小的情况下断裂，并且断面收缩率很低，在离地面2米高的地方抛出，落地时断裂。请分析原因并提出改进措施。 措施：去氢退火；降低Si含量；提高Mn含量；加稀土铜处理剂。 例2.一批钢材料在热加工时很难成型，塑性很低，出现开裂折断现象，请分析原因并给出改进措施。 措施：降低S含量，加入适量Mn（Mn 0.8%）。,8 材料的变形与断裂,材料的强度与塑性是两个重要的力学参数，它们与

35、材料的组织和结构有密切关系，材料受力后要发生变形与断裂，掌握其规律，研究其微观机制，分析影响塑性变形的各种因素，设法阻止或延缓塑变的发生是强化材料的重要途径，这对生产实际很重要。 金属塑性变形有以下三个阶段：弹性变形弹塑性变形断裂。弹塑性变形阶段材料强度为什么增加？材料随变形量的增加发生了加工硬化或形变强化。随着塑性变形的增大，变形抗力不断增加的现象称之为加工硬化。,8.1弹性变形,普弹性概念：晶体材料发生弹性变形时，应力与应变成线性关系，去掉外力后，应变立刻完全消失，晶体恢复到未变形状态。 滞弹性概念：在弹性范围内加载或去载，发现应变不是瞬时达到其平衡位置，而是要一段时间后，慢慢恢复平衡，材

36、料的这种性质叫滞弹性。（常用材料一般都具有滞弹性，只不过有的材料明显，有的材料不明显）。 在工程上应重视滞弹性的影响。如：受力滞弹性发生未回复时再次受力弹性变形增大周而复始材料应力产生松弛弹性回复与振动衰减发生断裂造成灾难后果。具体应用实例象皮鞋保养问题、火车过桥问题，都是运用滞弹性的例子。,8.2单晶体的塑性变形,当应力超过弹性极限时，材料将产生塑性变形。工程上应用的大多是由多晶体组成的材料，而多晶体的塑性变形与各晶粒的变形相关联，掌握了单晶体的变形规律，将有助于了解多晶体的塑性变形本质，我们先来分析几个概念。 滑移：晶体的塑性变形是晶体的一部分相对另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这

37、种变形方式叫滑移。也可表述为：滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。,滑移系：滑移是在一定的晶面和晶向上发生，这种晶面是滑移面，一定的晶向便是滑移方向。一般金属而言，滑移面是面间距最大的密排面，滑移方向是原子的最密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成了一个滑移系。 面心立方金属有12个滑移系（4X3），体心立方金属有12个滑移系（6X2），密排六方金属有3个滑移系（1X3）。,为什么有的金属塑性好，有的差的呢？在变形条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可供采用的空间位向也越多，故金属的塑性也越好。所以面心立方、体心立方的金属比密排六方的金属塑性好。面心

38、43、体心62，都是12个滑移系，二者相比谁的塑性好呢？原因在哪里？金属塑性的好坏，不只是取决于滑移系的多少，还与滑移面上的原子密排程度和滑移方向的数目关系密切：面心立方：滑移面上原子密排程度高，滑移方向3个；体心立方：滑移面上原子密排程度低，滑移方向2个；可以清楚的看出，面心立方的金属的塑性要好于体心立方的金属，如Cu、Al明显好于Fe。,8.3 滑移的临界分切应力,滑移是在切应力的作用下发生的，当晶体受力时，并不是所有的滑移系都同时开动，而是由受力状态决定的。晶体中的某个滑移系是否发生滑移，决定于力在滑移面内沿滑移方向上的分切应力大小，当分切应力达到某一临界值时，滑移才能开始，此应力即为临

39、界分切应力，它是使滑移系开动的最小分切应力。 设拉应力为P，截面积为A，P与滑移面 法线的夹角为，与滑移方向夹角为，则：,当P增大时，达到P/A = s时，滑移就 会在该滑移系上进行。这时： 式中c为临界分切应力，其值决定于结合键特征、结构类型、纯度、温度等因素，当条件一定时，它为一定值。屈服极限为s则不然，晶体的取向不同，s在一定范围内作变动。当和都接近45o时：coscos=0.5（我们定义coscos为取向因子）。s最低，叫软取向，当或有一个接近90o时，取向因子趋于零，s趋于无穷大，叫硬取向，此时晶体不会产生滑移。,8.4 滑移时的晶体转动,晶体发生塑性变形时，若受力为自由状态，滑移方

40、向保持不变，则滑移系开动后拉力大小不变，而拉力的取向必须随滑移方向不断变化。但我们通常是把试样固定不动，拉力的方向不变化，使晶体在变形过程中不断转动。,在实际材料的变形中，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也在改变，即晶体的位向在不断地发生改变，取向因子也必然随之而改变。如果某一滑移系的取向处于软取向，那么在拉伸时随着晶体取向的改变，滑移面的法线方向与外力轴的夹角越来越远离45o，从而使滑移越来越困难，这种现象称为几何硬化。与此相反，经滑移和转动后，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越接近45o时，滑移就越来越容易，这种现象是几何软化。,8.5 多晶体的塑性变形,实际使用的绝大多数金属材料都是多晶体。

41、多晶体的塑性变形与单晶体的塑性变形既有相同之处，又有不同之处，相同点是变形方式也是以滑移为主，不同点是变形受到晶界阻碍与位向不同的晶粒影响，使塑性变形更为复杂。 多晶体的变形过程：外力作用有利位向的晶粒开始变形产生大量位错位错塞积使塑性变形更加困难。,8.6 塑性变形对材料组织与性能的影响,塑性变形不仅可以改变金属材料的外形，而且使其内部组织和各种性能发生了改变，下面分析之。 塑性变形对组织结构的影响： （1）显微组织的变化：随着变形量的增大，金属的晶粒组织被拉长，向阻力较小的方向伸展，使其在结构上出现维纤组织或带状组织； （2）位错密度的变化：金属的塑性变形是借助位错的不断增殖和运动来进行，

42、因此塑性变形后，其位错密度显著增加；,（3）形变织构的出现：当变形量很大时，多晶体变形前为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的缘故而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构。 材料拉伸时，易出现丝织构；材料轧制时，易出现板织构。当出现织构后，多晶体金属不再表现为各向同性，而显示出各向异性，在后续加工过程中出现变形不均现象。,塑性变形对材料性能的影响: （1）加工硬化的产生：在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的机械性能将产生明显变化，即随着变形程度增加，金属的强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，这一现象叫加工硬化或形变强化。如碳钢：原始强度为500MPa、2

43、0时700MPa、60时900MPa等； （2）对物理性能的影响：材料的耐蚀性下降，电阻增加，弹性模量略有提高；,（3）变形带来的残余应力：有宏观内应力（第一类内应力），微观内应力（第二类内应力），点阵畸变应力（第三类内应力）三种。其中以点阵畸变应力最为显著（约占储存能的90），应力的存在将导致材料及工件的扭曲变形、开裂和产生应力腐蚀。例如应力的影响导致管道在弯曲处生锈。 对于以上问题如何解决呢？唯一的办法就是要对变形材料进行退火处理。如产生加工硬化的材料要继续加工，就要进行再结晶退火，以降低位错密度、消除各种内应力的影响。,8.7金属及合金强化的位错解释,简言之，随材料塑变的进行，位错不断增

44、值，位错间及位错与其他晶体缺陷之间产生交互作用，阻碍位错的进一步运动，故随位错密度的增加，强度不断提高。目前常常采用热处理、冷变形、细晶强化、弥散强化等方法来增大位错密度或增加位错运动的阻力，以提高金属材料的强度，下面就强化机制作简介。,柯氏气团的钉扎作用：晶体中溶质原子的溶入，引起了晶核格畸变，形成了应力场。晶体中的位错和溶质原子的应力场将发生交互作用，为了降低能量的需要，在温度和时间许可的条件下，溶质原子倾向于聚集到位错周围，形成比较稳定的分布。通常把溶质原子在位错周围的聚集区域叫柯氏气团。当具有柯氏气团的位错在外力作用下，欲离开溶质原子时，应变能势必升高，这就是柯氏气团的钉扎作用，阻碍了

45、位错的移动。这是固溶强化的原因。,位错交割和割阶的阻碍作用：随着变形量的增大，位错密度大幅度增加，位错运动的空间变小，位错间发生交割和割阶作用，致使位错进一步运动更加困难，变形抗力增加。这就是加工硬化的强化机理。 固定位错的阻碍作用：有些位错本身不在滑移面上，故不能移滑，这种位错称为固定位错。在能量许可的条件下，固定位错借助攀移而运动，占据了滑移位错的通道，成为滑移位错的障碍，形成严重的位错塞积群，导致塑性变形更加困难，变形抗力增加。,第二相粒子对位错的阻碍作用：合金材料在时效处理时，第二相粒子从过饱和的固溶体中析出，均匀分布于基体中，它对位错具有阻碍作用，这种强化作用称时效强化或沉淀强化。对

46、于析出的不可变形第二相粒子，位错采用绕过机制。对于可变形的第二相位子，位错采用切过机制。不管绕过机制还是切过机制，都需要消耗外力提供的能量，要使位错进一步运动，必须增加变形抗力。这就是沉淀强化的原因(当粒子弥散分布时，作用更为明显)。,8.8材料断裂的分类,按断裂形貌分为韧性断裂和脆性断裂。断裂前有明显塑性变形的为韧断；断裂前无明显塑性变形的为脆断。按微观的断裂机制分为微孔聚集型断裂和解理断裂。 影响材料断裂的因素：结合键及晶体结构类型的决定性影响；材料的化学成分及显微组织的重要影响；裂纹及应力状态的影响；温度对材料断裂行为的影响。,9 金属的回复与再结晶,金属经过塑性变形后，强度、硬度升高，

47、塑性、韧性下降，这对进一步的加工成型带来困难，常常需要将金属加热，进行退火处理，以使其性能向塑变前的状态转化，本章的目的是：讨论塑性变形后的金属在加热时，其组织结构发生转变的过程，主要包括回复、再结晶和晶粒长大。,9.1 形变金属在退火过程中的变化,显微组织的变化：回复阶段显微组织变化不明显，晶粒仍为维纤状。再结晶阶段内部开始出现小晶粒，晶粒略有长大，成为新的等轴晶粒。晶粒长大阶段小晶粒互相吞并而长大，成为稳定的大晶粒。 储存能释放与性能变化：冷加工后应力集中畸变能升高加热时原子迁移能量释放原子处于平衡位置畸变能降低应力消除。,储存能的释放使性质发生不同程度的变化 （1）强度、硬度下降，塑性、

48、韧性升高，因为经过回复和再结晶之后，位错密度显著下降，恢复到变形前水平； （2）电阻率明显下降，导电能力升高了，点阵缺陷减少，再结晶后组织变得较致密，电子的自由活动能力较大（从致密性考虑，经过回复再结晶后电阻较小。提高导电率时用炉冷，不用空冷）；,（3）晶粒尺寸增大，亚结构尺寸增大，主要由于晶粒间的相互吞并而长大造成的； （4）材料的密度在回复阶段略有回升，在再结晶阶段回升显著。因为应力的消除，得以使组织变得较为致密，原子空位浓度的减小，所以材料密度上升； （5）材料的耐腐蚀性能增强，储存能的释放，应力的消除，使材料由于应力造成的各种腐蚀倾向减小,9.2 回复与再结晶,1).回复 回复是指冷塑

49、性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。这一过程主要靠原子迁移和扩散使金属内部缺陷数量减小，形变能下降，温度越高，回复的程度就越大。根据加热温度不同，可分为低温回复、中温回复、高温回复。,回复机理分析 （1）低温回复：点缺陷的运动，空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子复合，总之，点缺陷的密度大大下降。 （2）中温回复：随温度升高，原子的活动能增强，位错可以在滑移面上滑移，异号位错相互抵消，位错密度下降，其缠结情况得到改善。 （3）高温回复：原子活动能力进一步增强，位错不仅可以在滑移面上滑移，而且可以攀移，产生多边形化。,在高温回复过程中，同

50、号刃型位错通过滑移和攀移，使其沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界，这一过程就称为多边化。总之，通过以上几种回复机制，使点缺陷数目减小（低温回复）、位错密度下降（中温回复）。形成具有能量较低的亚晶组态（高温回复）。 回复退火的应用：回复退火在工程上称之为去应力退火，使冷加工的金属器件在基本上保持加工硬化状态的条件下，降低其内应力（主要是第一类内应力）。目的是为了减轻工件的翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性能并改善塑性和韧性，提高工件使用时的安全性。,2)再结晶 冷变形后的金属加热到一定温度后，在基体中重新生成无畸变的新晶粒，使状态恢复到完全软化状态的过程称之为再结晶。 再结晶与重结晶

51、（同素异构转变）的区别 共同点：再结晶与重结晶都经历了形核与长大两个阶段，形核机制也有相同之处，一般都在晶界处优先形核。 不同点：再结晶前后各晶粒的晶格类型不变，成分不变，而重结晶则发生了晶格类型的转化。,再结晶的机制 在晶界处或晶格畸变较为严重的区域优先形核，通过合并机制使其成为再结晶核心，同时组织的位错密度下降，储存能开始释放出来，最后形成具有一定的尺寸的大角度晶界（见图3.26）。再结晶的温度越高，形核的孕育期越短，再结晶的速度越快。,影响再结晶的因素 （1）再结晶温度的定义：经过严重冷变形（70以上）的金属，在约一小时的保温时间内能够完成再结晶的温度。特别指出的是：再结晶温度并不是一个

52、物理常数，这是因为再结晶前后的晶格类型不变，化学成分不变，所以再结晶不是相变，没有一个恒定的转变温度。,（2）影响再结晶的因素分析 A 温度：温度上升，转变加快，完成再结晶所需的时间越短； B 变形程度：金属的变形量越大，储存能越多，再结晶的驱动力也越大，再结晶的温度也越低，同时再结晶速度快； C 原始晶粒尺寸：晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度降低，再结晶速度加快； D 杂质原子：金属越纯净，再结晶温度越低，由于杂质子对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核与长大，使再结晶温度升高。,再结晶晶粒大小的控制 再结晶后的晶粒通常是等轴晶，其大小受多种因素的影响，

53、主要有变形程度，退火温度，异类原子和原始晶粒尺寸，下面对之略作介绍： （1）变形程度：很小时，储存能很少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不变；在28范围时，形核率很低，再结晶退火后晶粒特别粗大，我们称这时为临界变形度；在3090时，随 的增大，晶粒有细化趋势；当变形量相当大时，再结晶晶粒又会重新粗化，这是晶粒的反常长大，称之为二次再结晶。,（2）退火温度T：退火温度越高，回复的程度便越大，再结晶后晶粒粗大。 （3）异类原子M：溶于基体中的异类原子或杂质，能增加变形金属的储存能，又能阻碍晶界的运动，一般起细化晶粒的作用。 （4）原始晶粒尺寸R：当一定时，材料的原始晶粒度越细，则再结晶后的晶粒

54、也越细小。,晶粒长大 冷变形金属在完成再结晶后，继续加热时会发生晶粒长大，晶粒长大可分为正常长大和异常长大。 晶粒的正常长大：再结晶完成后，得到细小的无畸变的等轴晶粒，当升高温度或沿长保温时间，晶粒仍可继续长大，若是均匀连续生长则称为正常长大。从整体上看，晶粒长大的驱动力是其长大前后的总的界面能差，细晶粒的晶界多，界面能高，粗晶粒的晶界少，界面能低，所以细晶粒长大成为粗晶粒是使金属自由能下降的自发过程。关于晶粒长大的影响因素，与再结晶的影响因素有相似之处，这里不再累述。,晶粒的异常长大 在某些金属经过严重冷变形后，在较高温度下退火时，会出现反常的晶粒长大现象，发生这种晶粒长大时，基体中的少数晶

55、粒迅速长大，使晶粒之间尺寸差别显著增大，直至这些迅速长大的晶粒完全接触为止。我们把这个过程称为二次再结晶。前面的再结晶过程称为一次再结晶。 （1）发生异常长大的条件：正常晶粒长大过程被分散相粒子、变形织构或杂夹物等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒出现大小悬殊，晶粒尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利，大晶粒的长大速度很快，最后形成晶粒极不均匀的组织。,二次再结晶形成非常粗大的晶粒及不均匀的组织，从而降低了材料的强度与塑性，这对产品的性能十分有害，因此，在制定冷变形材料再结晶退火工艺时，应注意避免发生二次再结晶,从晶粒长大的影响因素适当控制。 （2）二次再结晶的利用：有时候我们人

56、为的利用二次再结晶，例如硅钢片生产中，获得粗大具有择优取向的晶粒，以增加其导磁性能。,9.3 动态回复与动态再结晶,1).动态回复 金属材料加工产生加工硬化位错密度增加热加工温度较高产生回复组织软化位错密度下降。当由于加工硬化增殖的位错与回复软化减少的位错呈动态平衡时，进入稳定变形阶段。经动态回复后的组织较细小，将动态回复组织通过快冷保持下来，已成功运用于铝型材强度方面。 易于出现动态回复的金属：铝及铝合金，纯铁、铁素体钢等，这些金属材料的层错能较高，动态回复是其主要或唯一的软化机制。,2).动态再结晶 加工开始阶段，加工硬化占主导地位，位错密度不断增加，随着变形率的增加，变形温度升高，这时动

57、态再结晶占上风，位错密度下降；由于外力恒定，金属变形较易，应变速率进一步增加，到一定程度，加工硬化又占去主导地位，这样，金属变形就呈波浪式交替进行，当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，变形进入稳定阶段。 易出现动态再结晶的金属：铜及铜合金，-Fe，镍及镍合金等，这些金属材料的层错能较低，动态再结晶是其热变形的主要软化机制。,3).超塑性 定义：金属在特定条件下获得的延伸率大于100或更大的现象称为超塑性。 （1）获得超塑性的条件：在0.5T熔0.65T熔下进行变形；应变速率控制在10.0110-1s-1；材料具有微细等轴晶粒组织；流变应力和应变速率满足关系式K.m。 式中m为应变

58、速率敏感性系数，超塑性时，m取0.5，而一般金属材料在0.010.04之间，K为应力常数。,（2）生产中的应用：可以利用超塑性材料制造形状比较复杂的零件；可以制造高精度的结构件；可以在低强度模具材料中加工变形。这主要是利用超塑性材料延展性好的特点、变形时没有弹性回弹的性质以及变形抗力不高的特点。,10 钢的热处理工艺,金属材料的重要特点之一是在其性能方面的多变性，同一种材料经过不同方式的热处理后，可具有不同的性能，从而使一种材料能够适应于多种用途。为什么金属材料能够表现出这种特殊性呢？除了由于金属材料能够进行形变和再结晶外，主要在于金属的结构及组织在固态下可以进行多种形式的转变。本章在介绍相变基本规律的基础上，重点介绍钢的几种热处理工艺。,10.1热处理概念及其作用,热处理是将金属在固态下加热到预定的温度，在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。 热处理的作用：改变金属的内部组织结构，延长材料及零件的使用寿命；热处理工艺可以消除铸、锻等热加工工艺造成的缺陷，消除偏析，降低内应力，使组织和性能更加均匀；通过热处理可改善工件表面的抗磨损、耐腐蚀等特殊性能。,第一种合金在固态加热或冷却过程中均无相变发生，不能进行热处理，组织为单一的相。第二种合金加热时，可使相全部溶解，形成均匀的相，如果快速冷却，会得到过和饱的固溶体，改变了其组织，性能亦