1、 山山 东东 胜胜 利利 职职 业业 学学 院院 机机 械械 基基 础础 张立勇张立勇第一章第一章 金属材料基本知识金属材料基本知识 1.1 金属材料的性能金属材料的性能n材料的性能：材料的性能：n使用性能：使用性能：机械性能、物理性能、化学性能。机械性能、物理性能、化学性能。n工艺性能：工艺性能：切削加工性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能切削加工性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能.n机械性能机械性能:如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度n物理性能物理性能:如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性n化学
2、性能化学性能:如抗腐蚀性、抗氧化性如抗腐蚀性、抗氧化性n实践证明，大部分的机械零件在使用过程中，用于传递动力和运动，因此在实践证明，大部分的机械零件在使用过程中，用于传递动力和运动，因此在设计、制造和选材时，以设计、制造和选材时，以机械性能机械性能为主要依据。为主要依据。一、强度：一、强度：材料在材料在外力外力作用下抵抗作用下抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的能力。的能力。由于材料承受外力形式不同，又分为抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪等几种由于材料承受外力形式不同，又分为抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪等几种强度强度.抗拉强度是由拉伸试验测定的。金属材料通过拉伸实验即可求得材料的比例抗拉强度是由拉伸
3、试验测定的。金属材料通过拉伸实验即可求得材料的比例极限（极限（pp）屈服强度（）屈服强度（ss）、和抗拉强度（）、和抗拉强度（bb）。）。1 1、弹性极限、弹性极限(比例极限比例极限)：材料不产生塑性变形时所能承受的的材料不产生塑性变形时所能承受的的最大应力。最大应力。2 2、屈服强度、屈服强度 s s：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力。：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力。3 3、抗拉强度、抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的最大应力值。：材料断裂前所承受的最大应力值。4 4、条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残残余
4、变形量为余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服强度，以应力值作为它的条件屈服强度，以0.20.2来表示来表示.注注:脆性材料没有屈服现象脆性材料没有屈服现象.拉伸实验拉伸实验:n1.1.拉伸试样拉伸试样2.2.拉伸曲线拉伸曲线：LF0 0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线二、塑性二、塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力。用材料产生塑性变形而不破坏的能力。用延伸率和断延伸率和断面收缩率来表示面收缩率来表示:1、延伸率、延伸率:100%LL-L0012 2、断面收缩率、断面收缩率 ：拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象%100AA010A、值越大，表示材料的塑性越好。值越大，表示材料
5、的塑性越好。良好的塑性是压力加工良好的塑性是压力加工及焊接等工艺所需的重要条件，也是机械零件在使用过程中安及焊接等工艺所需的重要条件，也是机械零件在使用过程中安全可靠的保证。全可靠的保证。三三、硬度硬度:抵抗更硬物体压入其表面产生局部塑性变形或破坏的能力抵抗更硬物体压入其表面产生局部塑性变形或破坏的能力,是衡量金属材料软硬程度的指标是衡量金属材料软硬程度的指标.硬度的表示方法硬度的表示方法-布氏硬度布氏硬度HB;HB;洛氏硬度洛氏硬度;维氏硬度维氏硬度.硬度的测定方法硬度的测定方法-压入法压入法:一定形状的压头，一定的静载荷，压入工件一定形状的压头，一定的静载荷，压入工件表面，根据压痕的表面，
6、根据压痕的深度深度或或直径直径确定工件的硬度值。确定工件的硬度值。1.1.布氏硬度布氏硬度HBHB:是用一定直径是用一定直径D D的的淬火淬火钢球钢球或或硬质合金球硬质合金球，在规定的试验力，在规定的试验力F F的作用下，压入试件表面，并保持一的作用下，压入试件表面，并保持一定时间定时间(10-15s)(10-15s)，卸除力，卸除力F F，测量压痕，测量压痕直径直径d d，以压痕单位面积上的压力表示，以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值材料的布氏硬度值.在实际使用中，布氏硬度值并在实际使用中，布氏硬度值并不不计算计算，也，也不用标注单位不用标注单位，只需，只需测出压测出压痕直径痕直径d
7、 d，即可从布氏硬度表上，即可从布氏硬度表上查得查得。n压头为压头为淬火钢球淬火钢球时，用符号时，用符号HBSHBS表示，适用于布氏硬度值在表示，适用于布氏硬度值在450450以下以下的材料。的材料。n压头为压头为硬质合金硬质合金时，用符号时，用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在450650450650的材料的材料。n(1).1).标注：符号标注：符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。n如如120HBS10/1000
8、/30120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm10mm的淬火钢球在的淬火钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷）载荷作用下保持作用下保持30s30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。再如。再如:500HBW5/750500HBW5/750表示直径为表示直径为5mm5mm的硬质合金钢球在的硬质合金钢球在750kgf750kgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持(10-15)s(10-15)s测得的布氏测得的布氏硬度值为硬度值为500500。n注注:(10-15)s:(10-15)s不标注不标注.n(2
9、).(2).特点：优点：测量误差小，数据稳定。特点：优点：测量误差小，数据稳定。n 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。n 适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。n(3).(3).材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系：n 对于低碳钢对于低碳钢:b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HBn 对于高碳钢：对于高碳钢：b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HBn 对于铸铁：对于铸铁：b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或0.6
10、(HB-40)0.6(HB-40)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计2 2洛氏硬度洛氏硬度:洛氏硬度试验是用顶角洛氏硬度试验是用顶角120120的金刚石圆锥体或直径的金刚石圆锥体或直径1.5881.588的淬的淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度深度确确定其硬度值。硬度值可定其硬度值。硬度值可直接直接从试验机表盘上读出从试验机表盘上读出,不不需计算需计算,也也不不用标出单位用标出单位.n(1)(1)常用标尺有：常用标尺有：B B、C C、A A三种三种,即即 HRA;H
11、RB;HRA;HRB;HRCHRC.n HRA HRA：硬、薄试件硬、薄试件.如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。n HRB HRB：轻金属、未淬火钢：轻金属、未淬火钢.有色金属和退火、正火钢等。有色金属和退火、正火钢等。n HRCHRC ：较硬，淬硬钢制品：较硬，淬硬钢制品.如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。n(2)(2)标注方法标注方法:如如6060HRCHRC表示表示C C标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为60.60.n(3)(3)特点特点:优点：操作简便，压痕小，适用范围广。优点：操作简便，压痕小，适用范围广。n 缺点：测量结果分散度大。缺点
12、：测量结果分散度大。四四、冲击韧性冲击韧性:是指金属材料抵抗是指金属材料抵抗冲击冲击载荷作用而不破坏的能力。载荷作用而不破坏的能力。用用冲击韧度冲击韧度来衡量来衡量.指指标为冲击韧度值标为冲击韧度值Ak.k.n冲击冲击韧度韧度:是冲断式样时在缺口处单位面积所是冲断式样时在缺口处单位面积所消耗的消耗的功功.AkAk可直接从试验机刻度可直接从试验机刻度 盘上读出盘上读出.AkAk值值低低的材料叫脆性材料的材料叫脆性材料AKAK值值高高的材料叫韧性材料的材料叫韧性材料应用应用:1 1、评定材料的低温变脆倾向、评定材料的低温变脆倾向2 2、反映原材料的冶金质量和、反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量
13、及材料对于热加工产品的质量及材料对于缺口的敏感性缺口的敏感性.五、疲劳强度五、疲劳强度(疲劳极限疲劳极限):):材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。最高应力值。（80%80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成）1 1、疲劳现象：承受交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小、疲劳现象：承受交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小 于屈服极限的应力下于屈服极限的应力下,经过多次应力循环发生断裂。经过多次应力循环发生断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生疲劳断裂过程：裂纹萌生2 2、疲劳曲线与疲劳极限。、疲劳曲线与疲劳极限。裂纹扩展裂纹扩展突然断裂突
14、然断裂3 3、提高疲劳强度的措施：、提高疲劳强度的措施：(1)(1)避免尖角、缺口和截面变化避免尖角、缺口和截面变化;(2)(2)降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度;(3)(3)采用各种表面强化措施采用各种表面强化措施.思考题思考题:1.1.金属材料的性能一般分几类金属材料的性能一般分几类?各包括哪些性能各包括哪些性能?2.2.常用机械性能指标有几种常用机械性能指标有几种?他们如何定义他们如何定义?有何特点有何特点?有何区别有何区别?第二节第二节 金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶 不同牌号的钢材，具有不同的机械性能，例如不同牌号的钢材，具有不同的机械性能，例如4545钢的强度、硬度值
15、比钢的强度、硬度值比2020钢高，但韧性、塑性值不如钢高，但韧性、塑性值不如2020钢。即使同一牌号的钢材，在不同状态下机械钢。即使同一牌号的钢材，在不同状态下机械性能也不同性能也不同,如一块含碳量为如一块含碳量为0.8%0.8%的的T8T8钢，从钢厂出厂时硬度约为钢，从钢厂出厂时硬度约为20HRC20HRC，而而加工成工具并进行热处理后，其硬度可达加工成工具并进行热处理后，其硬度可达60HRC60HRC以上。这是由于钢材以上。这是由于钢材内部内部具具有不同的组织结构或在热处理过程中使有不同的组织结构或在热处理过程中使内部内部结构发生了转变。结构发生了转变。一一、金属的晶体结构、金属的晶体结构
16、 自然界中的固态物质，根据其原子排列特征，可分为两大类自然界中的固态物质，根据其原子排列特征，可分为两大类:晶体晶体:原子原子有序有序地按一定形式和规则排列的物质称为晶体地按一定形式和规则排列的物质称为晶体.如金刚石、石墨、金属及合金等。如金刚石、石墨、金属及合金等。非晶体非晶体:原子是原子是杂乱无序杂乱无序排列的物质称为非晶体排列的物质称为非晶体.如普通玻璃、松香等。如普通玻璃、松香等。注注:在一定条件下晶体和非晶体可在一定条件下晶体和非晶体可互相转化互相转化。晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最
17、小几何单元晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.金属中常见的晶格金属中常见的晶格:1.1.体心立方晶格体心立方晶格:它的晶胞是一个它的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和立方立方体，在立方体的八个顶角和立方体的中心，各排列一个原子体的中心，各排列一个原子.常见金属：常见金属：-Fe-Fe、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等.2.2.面心立方晶格面心立方晶格:它的晶胞也是它的晶胞也是一个立方体，在立方体八个顶角和一个立方体，在立方体八个顶角和六个面的中心各排列一个原子六个面的中心各排列一个原子.常见金属：常见金属：-Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbPb等等 3
18、.密排六方晶格密排六方晶格:它的晶胞是一它的晶胞是一个六方柱体，在柱体的每个顶角个六方柱体，在柱体的每个顶角上，以及上、下底面的中心各排上，以及上、下底面的中心各排列一个原子，在晶胞中间还排列列一个原子，在晶胞中间还排列有三个原子有三个原子.常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、BeBe等等.二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程金属由液体转变成为晶体的过程称为结晶。金属由液体转变成为晶体的过程称为结晶。1.1.冷却曲线冷却曲线:金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。却曲线。(1)(1)结晶阶段结晶阶段:a a、b b二点之间二点之间.(2)(2)理论结晶
19、温度理论结晶温度T0:T0:。水平线段。水平线段.(.(曲线结晶时放出曲线结晶时放出结晶潜热引起的。结晶潜热引起的。)(3)(3)过冷过冷:金属的实际结晶温度（金属的实际结晶温度（T1T1）总是要低于理）总是要低于理论结晶温度（论结晶温度（T0T0），这种现象称为过冷），这种现象称为过冷.(4)(4)过冷度过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差（理论结晶温度与实际结晶温度之差（T0T0T1T1）称为过冷度，用）称为过冷度，用TT表示表示.注注:过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。冷过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度愈却速度愈大大，过冷度也愈，过冷度也愈大大，则金属的实际结晶，
20、则金属的实际结晶温度也愈温度也愈低。低。实际金属总是在过冷情况下进行结晶实际金属总是在过冷情况下进行结晶,所以所以过冷过冷是金属结晶的一个必要条件是金属结晶的一个必要条件.图1-5 金属的冷却曲线2.2.金属结晶的基本过程：金属结晶的基本过程：结晶过程由晶核的结晶过程由晶核的形成形成和晶核的和晶核的长大长大两个基两个基本过程组成。本过程组成。(1)(1)晶核晶核:液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶核。在称为晶核。在T T0 0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸
21、的晶坯将会长大，称为晶核。将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。晶粒接触后形成晶界。(2)(2)晶粒晶粒:构成晶体的外形不规则的小晶体。而晶粒是由一个晶核成长构成晶体的外形不规则的小晶体。而晶粒是由一个晶核成长形成的。形成的。(3)(3)单晶体单晶体:如果金属冷却结晶后的金属晶体只是由如果金属冷却结晶后的金属晶体只是由一个一个晶粒组成称为晶粒组成称为单晶体
22、。单晶体。(4)(4)多晶体多晶体:普通的金属都是由许多晶粒组成的。普通的金属都是由许多晶粒组成的。(5)(5)晶界晶界:晶粒与晶粒之间的分界面叫做晶界。晶粒与晶粒之间的分界面叫做晶界。3.3.晶体中的缺陷晶体中的缺陷:原子排列的不规则性的部分。原子排列的不规则性的部分。理想晶体理想晶体:晶体中原子完全为规则排列晶体中原子完全为规则排列.否则否则,为实际晶体为实际晶体.(1)(1)点缺陷点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 空位空位:晶格结点处无原子晶格结点处无原子 间隙原子间隙原子:原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 注注:点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。点缺陷破坏了原子
23、的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位空位间隙原子间隙原子(2)(2)线缺陷线缺陷(位错位错)：有一列或若干列原子发生了有规律地错排现象。有一列或若干列原子发生了有规律地错排现象。有有刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错两种类型。两种类型。刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错.位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变
24、形塑性变形主要由位错运动引起，因此提高位错密度主要由位错运动引起，因此提高位错密度是强化金属的主要途径。是强化金属的主要途径。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错(3)3)面缺陷面缺陷:一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界等。分为晶界、亚晶界等。晶界晶界:是是不同位向不同位向晶粒的过度部位晶粒的过度部位.亚晶界亚晶界:亚晶粒之间的亚晶粒之间的交界面交界面,也可看作位错壁。也可看作位错壁。晶粒越细小，金属的强度硬度越高。晶粒越细小，金属的强度硬度越高。4.4.细化晶粒的方法细化晶粒的方法 晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，一般地
25、说，晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，一般地说，细晶粒金属细晶粒金属的强度高，塑性、韧性好的强度高，塑性、韧性好。这是因为晶粒愈细，晶界越多，杂质越分。这是因为晶粒愈细，晶界越多，杂质越分散，它们对机械性能的危害也就越小，再者晶粒越细，晶粒数目就越散，它们对机械性能的危害也就越小，再者晶粒越细，晶粒数目就越多，晶粒与晶粒之间犬牙相错的机会愈多，彼此互相紧固，增加了强多，晶粒与晶粒之间犬牙相错的机会愈多，彼此互相紧固，增加了强度，提高了韧性。所以生产中，控制晶粒的粗细就成为改善金属性能度，提高了韧性。所以生产中，控制晶粒的粗细就成为改善金属性能的主要措施之一。的主要措施之一。（1 1）提高过冷
26、度）提高过冷度:当过冷度增大时，当过冷度增大时，生核率可大大增加，而长大速度增加较少，生核率可大大增加，而长大速度增加较少，因而使晶粒细化。因而使晶粒细化。（2 2）变质处理）变质处理又称孕育处理又称孕育处理:有有意意向液态金属内加入非均匀形核物质向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫质剂（或称孕育剂从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫质剂（或称孕育剂).).（3 3）振动，搅拌等）振动，搅拌等:对正在结晶的金属进行振动对正在结晶的金属进行振动(机械振动、超声波振动、机械振动、超声波振动、电磁振动电磁振动)或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，
27、另一方面也可使或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。4.4.金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变:金属在固态下，随着温度的改变，由金属在固态下，随着温度的改变，由一种晶格一种晶格转变为转变为另一种晶格另一种晶格，称为同素异晶转变（亦称同素异构转变），称为同素异晶转变（亦称同素异构转变）。自然界中自然界中大多数大多数金属，结晶后晶格类型保持金属，结晶后晶格类型保持不变不变，只有，只有少数少数金属（如铁、锡、金属（如铁、锡、钛、锰等）结晶后，在不同温度下有不同的晶格类型。钛、锰等）结晶后，在不同温度下有
28、不同的晶格类型。由图可知，液态纯铁在由图可知，液态纯铁在15381538进进行结晶，得到具有行结晶，得到具有体心立方体心立方晶格的晶格的-Fe-Fe，继续冷却到，继续冷却到13941394，发生同，发生同素异晶转变，转变为素异晶转变，转变为面心立方面心立方晶格的晶格的-Fe-Fe，继续冷却到，继续冷却到912912时，又发生时，又发生同素异晶转变，转变为同素异晶转变，转变为体心立方体心立方晶格晶格的的-Fe-Fe，如再继续冷却时，晶格类，如再继续冷却时，晶格类型型不再发生变化不再发生变化.三、合金的相结构三、合金的相结构合金合金:是指是指两种两种或或两种以上两种以上的金属元素的金属元素或或金属
29、元素与非金属元素熔合在金属元素与非金属元素熔合在一起，所得到的具有一起，所得到的具有金属特性金属特性的物质。的物质。组元组元:组成合金最基本的、独立的物质称为组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元.组元可以是元素或化合组元可以是元素或化合物物(例如钢是由例如钢是由铁铁和和碳碳两种元素组成的合金，两种元素组成的合金，铁和碳就是组元铁和碳就是组元.有有).).相相:在合金体系中，具有在合金体系中，具有相同相同的物理和化学性能，并与该体系中其它部分的物理和化学性能，并与该体系中其它部分有明显界面的部分称为相。有明显界面的部分称为相。(在结晶过程中，固态和液态为两个不同的相在结晶过程中，固态和液态为
30、两个不同的相)1.1.固溶体固溶体:合金在固态下，一种组元溶解到另一种组元中形成一种均合金在固态下，一种组元溶解到另一种组元中形成一种均匀的固相称为固溶体匀的固相称为固溶体.溶剂：保留晶格形式的组元溶剂：保留晶格形式的组元.溶质溶质:晶格类型消失的组元晶格类型消失的组元.根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同。固溶体可分为二类：根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同。固溶体可分为二类：间隙固溶体间隙固溶体和和置换固溶体置换固溶体。（1 1）间隙固溶体）间隙固溶体:只有溶质原子直径很小。只有溶质原子直径很小。溶剂原子间的间隙较大的条件下，才能形溶剂原子间的间隙较大的条件下，才能形成间隙固溶体。如
31、成间隙固溶体。如C C、N N、B B等非金属元素，等非金属元素，溶入铁中，形成的固溶体即属于这种类型。溶入铁中，形成的固溶体即属于这种类型。间隙固溶体所溶解的溶质数量是有限的。间隙固溶体所溶解的溶质数量是有限的。置换固溶体：置换固溶体：两种组元的原子直径相差两种组元的原子直径相差不大，在形成固溶体时，溶剂晶格上的部不大，在形成固溶体时，溶剂晶格上的部分原子，被溶质原子所置换。分原子，被溶质原子所置换。固溶强化：固溶强化：无论是间隙固溶体还是置换固溶体，都因溶质原子的加入，无论是间隙固溶体还是置换固溶体，都因溶质原子的加入，使溶剂晶格发生歪扭和畸变，使合金的变形抗力增加，从而提高了合金的使溶剂
32、晶格发生歪扭和畸变，使合金的变形抗力增加，从而提高了合金的强度和硬度。这种因形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的现象称为固强度和硬度。这种因形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的现象称为固溶强化溶强化.在实际生产中，广泛利用固溶强化在实际生产中，广泛利用固溶强化提高提高金属材料的机械性能金属材料的机械性能.2.2.金属化合物：金属化合物：例如铁和碳组成的例如铁和碳组成的渗碳体渗碳体就是一种就是一种金属化合物。金属化合物。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3CFe3C的晶格的晶格3 3、机械混合物：、机械混合物：纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相基本相
33、。机械混合物就。机械混合物就是是两种以上的相混合而成的两种以上的相混合而成的。机械混合物中各相仍保持各自的晶格类型和。机械混合物中各相仍保持各自的晶格类型和性能，因而机械混合物的性能取决于各相的性能、数量、形态、大小和分性能，因而机械混合物的性能取决于各相的性能、数量、形态、大小和分布情况。布情况。思考题：思考题：1.1.什么叫过冷度？液态金属发生结晶的必要条件是什么？什么叫过冷度？液态金属发生结晶的必要条件是什么？怎样获得细晶粒？怎样获得细晶粒？2.2.什么是晶体、晶胞、晶粒、晶界、固溶体、化合物、什么是晶体、晶胞、晶粒、晶界、固溶体、化合物、机械混合物、固溶强化？机械混合物、固溶强化？第三
34、节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金相图铁碳合金相图(状态图状态图):):是研究铁碳合金最基本工具，是研究是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据.铁素体铁素体铁素体铁素体 因此因此,奥氏奥氏体体奥氏体奥氏体.5 5、莱氏体：奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为、莱氏体：奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为莱氏体，用莱氏体，用LdLd表示表示.莱氏体是含碳量为莱氏体是含碳量为4.3%4.3%的铁碳
35、合金，在的铁碳合金，在11481148时，时，从液体中同时结晶出从液体中同时结晶出奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体后形成的后形成的混合物混合物。由于奥氏体在由于奥氏体在727727时转变为珠光体，所以在室温时，时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将727727以以上上的莱氏体称为的莱氏体称为高温高温莱氏体莱氏体(A+A+；在；在727727以以下下的莱氏体，称为的莱氏体，称为低温低温莱氏体莱氏体(P(F+P(F+。莱氏体。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（的性能和渗碳体相似，硬度很高（HBW700HBW700），塑性很）
36、，塑性很差。差。莱氏体莱氏体珠光体珠光体二、铁碳合金状态图二、铁碳合金状态图:铁碳合金状态图是表示钢铁材料铁碳合金状态图是表示钢铁材料的的成分、温度与组织成分、温度与组织之间的关系及其变化规律的图形。它是之间的关系及其变化规律的图形。它是研究钢铁材料的重要理论基础，是研究钢铁材料的重要理论基础，是制定热加工及热处理工艺制定热加工及热处理工艺的重要依据。含碳量的重要依据。含碳量高高的铁碳合金强度低，脆性很大，加工的铁碳合金强度低，脆性很大，加工困难，没有实用价值，因此现在的铁碳合金状态图。只研究困难，没有实用价值，因此现在的铁碳合金状态图。只研究Fe-Fe3CFe-Fe3C部分，实际上是部分，实
37、际上是Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图状态图.图中纵坐标轴表示图中纵坐标轴表示温度，横坐标轴表示含碳量的质量百分数，由左向右表明含温度，横坐标轴表示含碳量的质量百分数，由左向右表明含碳量由碳量由0 0增加到增加到6.69%6.69%。1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图的主要点、线：状态图的主要点、线：表示表示PSKPSK共析线共析线.共析共析抗拉强度：抗拉强度：750900MPa,750900MPa,180280HBS,180280HBS,伸长率：伸长率：2025%.2025%.GSGS冷却时，从奥氏体中析出铁素体的开始冷却时，从奥氏体中析出铁素体的开始线线,ESES 碳在奥氏体中的
38、溶解度曲线，又称碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Ac mAc m线。析出网状二次渗碳体（线。析出网状二次渗碳体（Fe3CFe3C）PQPQ碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度曲线。析出三中的最大溶解度曲线。析出三次渗碳体（次渗碳体（Fe3CFe3C）%69.6%3.4%3.4%3.4%11.2%11.2%77.0%77.0%77.0CCCCCC过共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁白口铁过共析钢共析钢亚共析钢钢铁碳合金2 2、铁碳合金典型成分结晶过程分析：、铁碳合金典型成分结晶过程分析：铁碳合金状态图上的各种成分合金（除工业纯铁外），按其含铁碳合金状态图上的各种成分合金（除工业纯铁外），按其含碳量和组
39、织不同，分为两大类，即：碳量和组织不同，分为两大类，即：工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%）L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII相组成物：相组成物：F+FeF+Fe3 3C C%0.0008%;F C%0.0008%;F C%L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相组分：相组分：F F和和Fe3C Fe3C 组织组分组织组分:P:P 含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织(3)(3)过共析钢过共析钢L-L+A-A-A+FeL-L+A-A-A+Fe3 3C CIIII-P+Fe-P+Fe3 3C CIIII相组成物：相
40、组成物：F F，Fe3CFe3C组织组成物：组织组成物：P P，Fe3CIIFe3CII含含1.4%C钢的钢的组织组织 (4)(4)共晶白口铁共晶白口铁 白口生铁中的共晶（白口生铁中的共晶（C=4.3%C=4.3%）、亚共晶（）、亚共晶（C4.3%C4.3%C4.3%）L-Ld(A+FeL-Ld(A+Fe3 3C C共晶共晶)-Ld(A+Fe)-Ld(A+Fe3 3C C共晶共晶+Fe+Fe3 3C CIIII)-Ld(P+Fe)-Ld(P+Fe3 3C CIIII+Fe+Fe3 3C)C)室温下的相组成物：室温下的相组成物：F F，Fe3C.Fe3C.室温下的组织组成物：室温下的组织组成物：
41、Ld Ld 共晶白口铁金相共晶白口铁金相 (5)(5)亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%2.11%C%4.3%组织组成物：组织组成物：P+Ld+Fe3CIIP+Ld+Fe3CII 相组成物：相组成物：F+Fe3CF+Fe3C亚共晶白口铁金相亚共晶白口铁金相(6)(6)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁组织组成物：组织组成物：Ld+Fe3C;Ld+Fe3C;相组成物相组成物 ：F+Fe3CF+Fe3C过共晶白口铁金相 小结：小结：标注组织的铁碳相图标注组织的铁碳相图 3 3、铁碳合金中含碳量、组织、性能之间的关系：、铁碳合金中含碳量、组织、性能之间的关系：0.9%0.9%，随着含碳量
42、的升高，强度下降，随着含碳量的升高，强度下降,但硬度仍上升，塑性、但硬度仍上升，塑性、韧性继续下降。韧性继续下降。(2)(2)随含碳量增加，组织中随含碳量增加，组织中Fe3CFe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在布在F F 基体内基体内(片状片状Fe3CFe3C)变为分布在变为分布在A A晶界上晶界上(网状网状Fe3CFe3C)，最后形成莱，最后形成莱氏体时，氏体时，Fe3CFe3C已作为基体出现。已作为基体出现。第四节第四节 钢的热处理概述钢的热处理概述 铸造铸造轧制轧制 一、钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热和冷却时的组织转变 1 1、钢在
43、加热时的组织转变：、钢在加热时的组织转变：加热是热处理的第一道工序。加热是热处理的第一道工序。目的是获得均匀的奥氏体组织。目的是获得均匀的奥氏体组织。钢的临界温度（相变点）铁碳相图中钢的临界温度（相变点）铁碳相图中PSKPSK、GSGS、ESES线分别用线分别用A1A1、A3A3、AcmAcm表示。表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用因此，将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm表示，冷却时的实际转变温度分别用表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1Ar1、Ar3Ar3、Arc
44、mArcm表示表示.钢的奥氏体化钢的奥氏体化:加热到相变点以上加热到相变点以上,获得奥氏体组织的过程获得奥氏体组织的过程.钢的奥氏体化钢的奥氏体化 现以共析钢为例说明）：现以共析钢为例说明）：1）.奥氏体晶核形成和长大：首先在奥氏体晶核形成和长大：首先在F与与Fe3C相界形核。相界形核。A 晶核通过铁、碳原晶核通过铁、碳原子的扩散，子的扩散，F的晶格改组的晶格改组和和Fe3C的溶解。的溶解。(2)(2)奥氏体晶粒大小及控制奥氏体晶粒大小及控制 1)1)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度:将钢加热到相变点以上某一温度并保温给定时将钢加热到相变点以上某一温度并保温给定时间所得的奥氏体化晶粒的大小。间所得的奥
45、氏体化晶粒的大小。2)2)奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度.实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度。实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。通常将钢加热到通常将钢加热到940940 1010奥氏体化后，设法奥氏体化后，设法把奥氏把奥氏2.2.钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变处于临界点处于临界点A1A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。非稳定组织，迟早要发生转变。珠光体珠光
46、体索氏体索氏体托氏体托氏体光镜下形貌光镜下形貌电镜下形电镜下形貌貌光镜形貌电镜形貌电镜形貌光镜形貌片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善性略有改善上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体光镜下光镜下电镜下电镜下光镜下光镜下电镜下电镜下光镜下光镜下电镜下电镜下电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下当含碳量大于当含碳量大于0.6%0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。二二.钢的热处理工艺钢的热处理工艺退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为退火与正火工艺主
47、要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。最终热处理。主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢。主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢。加热温度：加热温度：Ac3+30 50 Ac3+30 50。组织：组织：F+PF+P 目的：细化晶粒、消除内应力、降低硬度，为随后的切削加工和淬火目的：细化晶粒、消除内应力、降低硬度，为随后的切削加工和淬火作好准备。作好准备。主要用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢。主要用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢。加热温度加热温度 Ac1+30-50Ac1+30-50目的：降低硬度，改善切削加工性，为淬火作好准备。目的：降低硬度，改善切削加工性，为淬火作好准备。改善
48、低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能：改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能：160160230HBS 230HBS 正火温度正火温度淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火的目的：淬火的目的：获得马氏体组织，为回火作准备获得马氏体组织，为回火作准备常用淬火介质是水和油。常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太水的冷却能力强，但低温却能力太大，只用于形状简单的碳钢件。大，只用于形状简单的碳钢件。真空淬火炉真空淬火炉 未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使用过程中易变形或开裂。钢经淬火在放置或使用过程中易变形或开裂。
49、钢经淬火后应立即进行回火。火后应立即进行回火。井式回火炉井式回火炉低温回火的目的低温回火的目的:是在保留淬火后高硬度、是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。渗碳和表面淬火的工件。回火屈氏体，用回火屈氏体，用T T回表示。回表示。主要用于各类弹簧的热处理。主要用于各类弹簧的热处理。回火屈氏体回火屈氏体回火索氏体，用回火索氏体，用S S回表示。回表示。回火索氏体回火索氏体（2 2）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物（3 3）原子向内部扩散）原子向内部扩散井式气体渗碳炉井式气体渗碳炉
