1、第第1 1章章 工程材料基础工程材料基础 1.11.1 金属材料的结构金属材料的结构1.2 1.2 工程材料的性能工程材料的性能1.3 1.3 铁碳合金铁碳合金 1.4 1.4 常用工程材料常用工程材料 返回返回1.5 1.5 钢的热处理钢的热处理 材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。陶瓷材料三大类。目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理
2、性金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。能、化学性能和工艺性能。金属材料的特性金属材料的特性有有：强度较高、塑性较好、导电性强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽高、导热性好、有金属光泽等。等。高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属，高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属，但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。材料性能的决定因素：材料性能
3、的决定因素：化学成分、内部组织和化学成分、内部组织和状态状态。其中。其中“化学化学成分成分”是是改变性能的改变性能的基础基础，“处处理理”是是改变性能的改变性能的手段手段，“组织组织”是是性能变化的性能变化的根根据。据。第第1节节 金属材料的结构金属材料的结构1 1）晶体。）晶体。其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2 2）非晶体。）非晶体。其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。璃、沥青等。1.1.1 1.1.1 金属的晶体结构金属的
4、晶体结构 3 3）晶体结构）晶体结构。指晶体中原子排列的方式，指晶体中原子排列的方式，如图如图1-1a1-1a所示。所示。4 4）晶格。）晶格。把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格，叫晶格，如图如图1-1b1-1b 所示。所示。5 5）晶胞。）晶胞。晶格的最小几何组成单元，晶格的最小几何组成单元，如图如图1-1c1-1c所示。所示。6 6）晶格常数）晶格常数。晶胞中各棱边的长度，单位为晶胞中各棱边的长度，单位为 m10A1A10007）金属中常见
5、的晶体结构）金属中常见的晶体结构 体心立方晶格：体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a1-2a。其原。其原子个数为：子个数为：，如铬、钠等。，如铬、钠等。2188/1图图1-2a 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格：面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-2b1-2b。其原子个数为：其原子个数为：，如铝，铜等。，如铝，铜等。462/188/1
6、密排六方晶格：密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、下底面之间还均匀分布着三个原子如图下底面之间还均匀分布着三个原子如图1-2c1-2c。其原子个数。其原子个数为：为：，如镁、锌等。，如镁、锌等。6322/1126/1图图1-2b 面心立方晶格面心立方晶格图图1-2c 密排六方晶格密排六方晶格 1.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 1.1.固溶体固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。根据固溶
7、体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可分为分为置换固溶体置换固溶体（如黄铜）和（如黄铜）和间隙固溶体间隙固溶体(如铁素体和奥氏如铁素体和奥氏体体)，如图如图1-31-3和和图图1-41-4所示。所示。合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。性的物质。组元组元是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。是金属
8、、非金属或化合物（如渗碳体）。合金的晶体结构大致可归纳为合金的晶体结构大致可归纳为3 3类，即固溶体、金属类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。化合物和机械混合物。固溶强化：固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，如图如图1-51-5所示所示。原。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于
9、溶质原子的原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。固溶强化。2.2.金属化合物金属化合物 组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。脆性。CFe33.3.机械混合物机械混合物 由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物
10、按一由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。形态。1.1.3 金属的结晶金属的结晶1）结晶。结晶。指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程长程有序状态
11、（晶态）的过程。2 2）纯金属结晶的冷却曲线）纯金属结晶的冷却曲线。金属液非常缓慢的冷却时，金属液非常缓慢的冷却时，记录温度随时间而变化的曲线，如图记录温度随时间而变化的曲线，如图1-61-6所示。出现水平所示。出现水平线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。周围散失的热量。3 3）过冷。）过冷。在实际结晶过程中，金属在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象。理以下的某个温度时才结晶的现象。理论结晶温度论结晶温度 和实际结晶温度和实际结晶温度 之
12、间之间的温度差的温度差 叫叫过冷度过冷度，它与冷却速，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度越大，反度有关，冷却越快，过冷度越大，反之。之。0TnTT图图1-6 冷却曲线冷却曲线4 4）结晶过程。）结晶过程。晶体形核和成长过程。如图晶体形核和成长过程。如图1-71-7所示，在所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核晶核 （形核过程）。（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过程）。
13、在晶体长大的同时，新的晶核又继续晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界晶界。图图1-7 结晶过程示意图结晶过程示意图5 5）单晶体。）单晶体。结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为单晶体。单晶体。6 6）多晶体。）多晶体。由许多外形不规则、大小不等、排列位向由许多外形不规则
14、、大小不等、排列位向不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体叫叫晶粒晶粒；晶粒与晶粒之间的界面叫；晶粒与晶粒之间的界面叫晶界晶界。晶粒的大小影。晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。7 7）细晶
15、强化。）细晶强化。用细化晶粒的方法来提高金属材料的力用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。用性能和工艺性能。第第2 2节节 工程材料的
16、性能工程材料的性能 使用性能：使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。学性能。工艺性能：工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。性能。1.2.1 金属
17、材料的性能金属材料的性能 金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图验来测定的，标准试样如图1-81-8所示，把试样安装在拉所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。试样产生变形，直至断裂。力学性能（机械性能）：力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧
18、度和刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。疲劳强度等。1.2.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能图图1-8 圆形拉伸试样圆形拉伸试样 拉伸曲线：拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-91-9所示，所示，负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。0kbsePPPbsePl图图1-9 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线1.1.强度强度 拉伸曲线拉伸曲线oeoe段是直线，段是直线，金属材料处在弹性变形阶金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其关系，服从虎克定律，其比值
19、称弹性模量，是衡量比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的材料抵抗弹性变形能力的指标。指标。1 1）弹性极限）弹性极限。金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位大应力值，单位MPaMPa。即。即0APeeeP试样发生完全弹性变形的最大载荷（试样发生完全弹性变形的最大载荷（N）；）；0A试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中2 2）抗拉强度。）抗拉强度。当负荷继续增加超过当负荷继续增加超过s s点后，变形量随着负点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过荷的增加而急剧增加，当负荷超过b b点，变形集中在试样的点，
20、变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在在缩颈处。继续施加负荷，试样在k k点断裂。材料断裂前所点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力样能够保持均匀塑性变形的最大应力 。b0APbbbP试样被拉断前所承受的最大载荷（试样被拉断前所承受的最大载荷（N）；）；0A试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中3 3）屈服点）屈服点 。开始产生屈服现象时的应力称为屈服
21、点，开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。也即材料抵抗微量塑性变形的能力。s0APss 条件屈服极限：条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生生0.2%0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限
22、。2.0 零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用抗拉强度。抗拉强度。sP试样发生屈服时的载荷（试样发生屈服时的载荷（N）；）；0A试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。式中式中2.2.塑性塑性 塑性塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率 和和断面收缩率断面收缩率 。1 1）延伸率。）延伸率。指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即%10000lllk
23、2 2）断面收缩率。）断面收缩率。指试样拉断后缩颈处横截面积的最大指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。相对收缩值。%10000AAAkkl试样断裂后的标距长度；试样断裂后的标距长度；0l试样的原始标距长度；试样的原始标距长度；式中式中kA试样断裂出的最小横截面积；试样断裂出的最小横截面积；0A试样的原始横截面积；试样的原始横截面积；式中式中3.3.硬度硬度 硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。有布氏硬
24、度、洛氏硬度和维氏硬度。1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW)。布氏硬度是在布氏硬度计上进行测布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图氏硬度值，如图1-101-10示。示。222HBS(HBW)dDDDF图图1-10 布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图F实验力（
25、实验力（kgf）；）；D球体直径（球体直径（mm）；）；d压痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。式中式中 在做布氏试验时，只需测量出在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为HBSHBS，适用于，适用于布氏硬度布氏硬度450450以下的材料；压头为硬质合金球时，为以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBWHBW，适用于布氏硬度适用于布氏硬度650650以下的材料。以下的材料。优点：测量结果准确，优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验缺点：压痕大，不适合成品检验。2 2）洛氏硬度）洛氏硬度
26、。洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据量硬度值的依据,如图如图1-111-11所示。可以直接从洛氏硬度计的所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每人们规定每0.002mm0.002mm压痕深压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC来表示来表示。HRCHRC采用采用顶角为顶角为120120的金刚石的金刚石圆圆锥体锥体为压头，施加为压头，施加150kgf150kgf的的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为外力，
27、主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC20-67HRC；HRAHRA采用外加载荷为采用外加载荷为60kgf60kgf，用于测量高硬度薄，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为层，常用硬度值为70-85HRA70-85HRA；HRBHRB采用直径采用直径1.588mm1.588mm的钢球，的钢球，100kgf100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB25-100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测上检测 。3 3）维氏硬度）维氏硬度HVHV。测试的
28、基本原理与布氏硬度相同，但测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角压头采用锥面夹角136136的金刚石正四棱锥体，维氏硬度的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低。围宽，工作效率较低。4.疲劳强度疲劳强度1 1）交变应力（周期性应力）交变应力（周期性应力）。应力的大小、方向周期应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。和非对称周期性应力。2）疲劳
29、）疲劳。构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象形的现象。3）疲劳曲线）疲劳曲线。反映承受的交变应力与断裂前的应力周期反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图次数间的关系曲线，如图1-12所示。所示。图图1-12 疲劳曲线疲劳曲线4 4）疲劳极限。）疲劳极限。由图由图1-121-12可见，可见，应力愈高，循环次数愈少，反之应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。亦然。当应力低到一定值时，循当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无环次数无穷
30、大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用称弯曲疲劳极限用 表示表示；无无限次当然不是数学上的无穷大，限次当然不是数学上的无穷大，只是一个很大的数而已，对于钢只是一个很大的数而已，对于钢铁材料为铁材料为10107 7，有色金属材料为，有色金属材料为10108 8。15.冲击韧度冲击韧度 指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。机来测定金属材料的冲击值。如图如图1-131-13，1-141-14所示。冲击所示。冲击韧
31、度值可用下式计算。韧度值可用下式计算。FGhGHFAkkk冲击韧度（冲击韧度（J/cm2）；kA冲击吸收功（冲击吸收功（J）；）；G摆锤重量（摆锤重量（N）；）；H摆锤抬升高度（摆锤抬升高度（m）；）；h摆锤冲击后的高度（摆锤冲击后的高度（m）；F试样缺口底部处横截面积（试样缺口底部处横截面积（cm2）。）。式中式中 物理性能物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，如指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1.2.1.2 金属材料的物理和化学性能金属材料的物理和化学性能 化学性能化学性能是材料在化学介
32、质的作用下所表现出来的性是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。1.2.1.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法的不同，可分为的能力。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。1 1）铸造性能。）铸造性能。指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易
33、程度，包括金属液体的流动性和收缩性。型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。2 2）锻造性能。）锻造性能。指金属材料在锻造过程中承受压力加工而指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。具有的塑性变形能力。3 3）焊接性。）焊接性。指材料被焊接的难易性质。指材料被焊接的难易性质。4 4）切削加工性。）切削加工性。表示对材料进行切削的难易程度，可用表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。刀具的寿命来衡量。5 5）热处理工艺性。）热处理工艺性。指标有淬硬性、淬透性
34、、淬火变形与指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。非金属材料的基本性能包括物理性能、力学性能、非金属材料的基本性能包括物理性能、力学性能、与水有关和与热有关的性能及耐久性。与水有关和与热有关的性能及耐久性。1.2.2 非金属材料的性能非金属材料的性能1.2.2.1非金属材料的力学性能非金属材料的力学性能 非金属的力学性能包括强度、刚度、韧性、蠕变性、非金属的力学性能包括强度、刚度、韧性、蠕变性、减摩性等，一般高分子材料的塑性、刚度、韧性较钢低；减摩性等，一般高分子材料的塑性、刚度、韧性较钢低；但具
35、减摩性。陶瓷在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧但具减摩性。陶瓷在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧度、抗拉强度比金属低。度、抗拉强度比金属低。1 1）强度。）强度。金属材料一般用拉伸试验测定，而脆性材金属材料一般用拉伸试验测定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力料如陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力应变用应变用拉伸试验。拉伸试验。强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：2 2）变形。）变形。除弹性变形、塑性变形、弹性模量外，还除弹性变形、塑性变形、弹性模量外，还有徐变（蠕变）、松弛。徐变指材料在恒定载荷的作用下，有徐变（蠕变）、
36、松弛。徐变指材料在恒定载荷的作用下，随时间的延长而变形不断增长的现象。松弛指总的变形不随时间的延长而变形不断增长的现象。松弛指总的变形不变，但塑性变形增大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降变，但塑性变形增大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降低的现象。低的现象。1.2.2.2 非金属材料的物理性能非金属材料的物理性能1 1）松散密度。）松散密度。材料在自然状态下包括孔隙或空隙在内的材料在自然状态下包括孔隙或空隙在内的单位体积的质量单位体积的质量。即。即00Vm2）密度密度。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。式中式中 松散密度（松散密度（kg/m3）；材料的质量（
37、材料的质量（kg）；）；材料在自然状态下的体积（材料在自然状态下的体积（m3）。0m0V3 3）孔隙。）孔隙。用孔隙率作为衡量指标，即材料内部空隙体用孔隙率作为衡量指标，即材料内部空隙体积占材料总体积的百分比。积占材料总体积的百分比。4 4）材料的胀缩：）材料的胀缩：指由于大气中温度、湿度变化或其他介质指由于大气中温度、湿度变化或其他介质的作用而导致的材料的膨胀或收缩。的作用而导致的材料的膨胀或收缩。1.2.2.3 与水有关的性能与水有关的性能 水对材料性能有很大影响，特别对强度，抗腐蚀性、水对材料性能有很大影响，特别对强度，抗腐蚀性、耐久性。主要有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。耐久性。主要
38、有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。1）亲水性。）亲水性。材料在空气中与水接触，如果材料分子与水材料在空气中与水接触，如果材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，水就能湿润分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，水就能湿润材料的表面，三相（材料、水、空气）交点处，沿水滴表材料的表面，三相（材料、水、空气）交点处，沿水滴表面的切线与材料表面的夹角面的切线与材料表面的夹角 叫湿润角，如果叫湿润角，如果 为亲为亲水性材料；反之为憎水性材料。水性材料；反之为憎水性材料。090 2）吸水性。）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水达到饱指材料吸收水分的能力。材料吸水达到饱和状态时的含水率叫吸水
39、率。他与孔隙率和孔隙特征有关。和状态时的含水率叫吸水率。他与孔隙率和孔隙特征有关。3 3）耐水性。）耐水性。指材料长期在水的作用下，其强度不显著指材料长期在水的作用下，其强度不显著降低的性能。降低的性能。4 4）抗渗性。）抗渗性。指材料抵抗压力水渗透的性能。指材料抵抗压力水渗透的性能。1 1）导热性。）导热性。与金属材料的导热系数相同。与金属材料的导热系数相同。1.2.2.4 与热有关的性能与热有关的性能 2 2）热容。）热容。指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热量的性质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比量的性质，单位质量材料每升高一度所需要
40、的热量称为比热容热容c(J/kgK)。3 3）耐热性。）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。4 4）耐燃性。）耐燃性。指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不燃材料、难燃材料，易燃材料。燃材料、难燃材料，易燃材料。5 5）耐火性。）耐火性。指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。易熔材料。思考题思考题1.解释下列名词术语：晶体、晶格、过冷、固溶体、解释下列
41、名词术语：晶体、晶格、过冷、固溶体、化合物、机械混合物。化合物、机械混合物。3.何谓硬度，硬度实验方法主要有哪几种？并简单介何谓硬度，硬度实验方法主要有哪几种？并简单介绍其中一种。绍其中一种。4.材料的工艺性能包括哪几种？材料的工艺性能包括哪几种？5.非金属材料与水和热有关的性能主要有？非金属材料与水和热有关的性能主要有？2.试述纯金属的结晶过程。试述纯金属的结晶过程。第第3节节 铁碳合金铁碳合金FeFeFeC912C1394C1538000 纯铁液体（体心立方晶格）（体心立方晶格）（面心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）（体心立方晶格）1.3.1 铁碳合金的基本组织和性能铁碳合金的基
42、本组织和性能1.铁的同素异晶转变铁的同素异晶转变 金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。转变如下所示。2.2.铁素体（铁素体（F F）碳溶于碳溶于 中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织其显微组织如图如图1-
43、151-15，溶解度（溶解度（0.008%0.008%0.02%0.02%），故性质接），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。Fe3.3.奥氏体（奥氏体（A A）碳溶于碳溶于 中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织显微组织如图如图1-161-16，溶解度（，溶解度（0.77%0.77%2.11%2.11%），其强度和），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。Fe4.4.渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量铁和碳组成的金属化
44、合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为为6.69%6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。在一定条件下分解为铁和石墨。6.6.莱氏体莱氏体LdLd 莱氏体莱氏体在在7277270 0C C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体混合物，称为高温莱氏体LdLd；在；在7277270 0C C以下，该组织转变以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体LdLd。其显微组织。其显微组织如图如图1-181-1
45、8，其力学性能与渗碳体相似，其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。硬度较高，脆性较大。5.5.珠光体珠光体P P 珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图如图1-171-17，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。体和铁素体之间。1.3.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金相图：铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规
46、律，从而为更好的利用它们，并为的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图成的状态图，如图1-191-19所示。所示。钢：钢：含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金；的铁碳合金；铸铁：铸铁：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。图图1-19 铁碳合金相图铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CI
47、I+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI 相图上的特性线和点如下：相图上的特性线和点如下：2）AECFAECF线（固相线）线（固相线）。当合金冷却到此线时，金属液全。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。部结晶为固相，在此线以下区域为固相。1）ACDACD线（液相线）线（液相线）。当金属液冷却到此线时开始结晶，。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。在此线以上区域为液相。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。3）A A点点。纯铁的熔点（。纯铁的熔点（153815380 0C
48、C）。）。4 4）D D点点。渗碳体的熔点（。渗碳体的熔点（122712270 0C C）。）。5 5）C C点点。共晶点，温度。共晶点，温度114811480 0C C，成分，成分4.3%C4.3%C。共晶：共晶：指合指合金在一定的条件金在一定的条件(温度、成分温度、成分)下，由液体合金中同时结下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。转变。即即 6.69%C32.11%C4.3%CC11484.3%CCFeALdL06 6）ECFECF线（共晶线）线（共晶线）。含碳量在。含碳量在2.11%2.11%6.69%
49、6.69%的铁碳合金，的铁碳合金，冷却到此线时（冷却到此线时（11481148度），将发生共晶反应，同时结晶出度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。7 7）ESES线线。是碳在。是碳在 中的溶解度曲线，中的溶解度曲线，E E点表示在点表示在114811480 0C C时碳在时碳在 中的最大溶解度为中的最大溶解度为2.11%2.11%。随着温度降。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%0.77%的奥氏体冷却过程的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为中都将从奥氏体中析出渗碳
50、体（次生渗碳体），常称为A Acmcm线线FeFe8 8）GSGS线线。是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为转变线，常称为A A3 3线。线。1010）PSKPSK线（共析线）。线（共析线）。含碳量在含碳量在0.02%0.02%6.69%6.69%的铁碳合的铁碳合金，冷却到此线时（金，冷却到此线时（7277270 0C C），将发生共析反应，从奥氏），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A A1 1线。线。9 9）S S点。共析点，点。共析点，温度
