1.1金屬材料的性能1.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1.3鐵碳合金的基本組織與鐵碳相圖第1篇金屬的熱處理

第1章金屬材料基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容金屬材料的歷史地位

材料發(fā)展與社會進(jìn)步有著密切關(guān)系，它是衡量人類社會文明程度的標(biāo)志之一。歷史學(xué)家按照人類所使用的材料將人類歷史劃分為:

石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代

目前，人類還處在金屬器時(shí)期。雖然無機(jī)非金屬材料、高分子材料的使用量與日俱增，但在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，仍不會改變這種狀況。第1章金屬材料基礎(chǔ)知識圖越王勾踐劍第1章金屬材料基礎(chǔ)知識Steelmakingflowlines

SteelFinishingflowlines

金屬材料金屬材料的分類黑色金屬有色金屬鑄鐵

鋼

工程構(gòu)件用鋼機(jī)器零件用鋼

工具鋼

特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼)輕金屬(鋁,鎂,鈦)

重金屬(銅,鋅,鉛,鎳)

貴重金屬(金,銀)稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷)

放射金屬(鐳鈾釷)結(jié)構(gòu)金屬材料功能金屬材料第1章金屬材料基礎(chǔ)知識第1章金屬材料基礎(chǔ)知識1.1金屬材料的性能1.1.1金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性質(zhì)：指材料受外力作用時(shí)所表現(xiàn)的性能。圖低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線（1）強(qiáng)度（單位：MPa)

屈服強(qiáng)度σs——材料抵抗微量塑性變形的能力?？估瓘?qiáng)度σb——材料抵抗斷裂破壞的能力。（2）塑性概念:材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力。指標(biāo):伸長率(δ/%)、斷面收縮率(ψ/%)（3）彈性與剛度彈性：彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后恢復(fù)到原來的形狀和大小的一種特性。指標(biāo)：彈性模量、比例極限σp

、彈性極限σe等。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力指標(biāo)：彈性模量（4）硬度

概念：材料抵抗局部塑性變形的能力。表示方法：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)。

圖維氏硬度測試儀

1）布氏硬度kgf/mm2式中A壓—壓痕球形表面積，mm2

Ｄ—壓頭直徑，mm2

ｄ—壓痕平均直徑，mm。kgf/mm2

(試驗(yàn)力F單位用kgf)

HBS用于測試硬度值小于450的材料；HBW用于測量硬度值在450～650范圍的材料。布氏硬度主要用來測定鑄鐵、有色金屬、以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度，如半成品和原材料。

2）洛氏硬度

式中，C為常數(shù)，壓頭是金剛石圓錐時(shí)，C＝100；壓頭為淬火鋼球時(shí),C＝130。

2）洛氏硬度

2）洛氏硬度

洛氏硬度無單位，需標(biāo)明硬度標(biāo)尺符號，在符號前面寫出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡單、迅速、壓痕小，主要用于測試熱處理后硬度較高的成品零件及較薄的工件，對于組織和硬度不均勻的材料，硬度值波動較大，準(zhǔn)確性不如布氏硬度值。

3）維氏硬度壓頭是錐面夾角為136°的金剛石四棱椎體。Kgf/mm2

式中F—試驗(yàn)力，N

Ao—壓痕面積，mm2d—壓痕對角線的算術(shù)平均值，mm。

3）維氏硬度

維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號HV前寫出硬度值。維氏硬度試驗(yàn)因試驗(yàn)力?。ǔＳ?9.03N），壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，試驗(yàn)力選擇范圍大（49.03~980.7N），所以可測量從很軟到很硬材料的硬度，維氏硬度值之間能直接進(jìn)行比較。維氏硬度常用來測試薄片材料、金屬鍍層及零件表面硬化層的硬度，但試驗(yàn)麻煩，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。（5）沖擊韌性韌性是指材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力。韌性的判據(jù)通過沖擊試驗(yàn)來測定。

（6）疲勞強(qiáng)度

循環(huán)應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間作周期性的變化。零件在循環(huán)應(yīng)力作用下，常在遠(yuǎn)小于該材料的σb，甚至小于σS強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞，金屬疲勞的判據(jù)是疲勞強(qiáng)度。

（6）疲勞強(qiáng)度在工程上，疲勞強(qiáng)度是指在一定的循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。一般規(guī)定，鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取107，有色金屬取108。提高工件疲勞強(qiáng)度的方法：合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表面粗糙度值、進(jìn)行表面滾壓、噴丸處理、表面熱處理等。圖疲勞曲線1.1.2金屬材料的物理性能（1）密度比強(qiáng)度：材料的抗拉強(qiáng)度與密度之比。元素周期表中原子序數(shù)越小的元素，其密度越小。（2）熔點(diǎn)熔點(diǎn)是指材料的熔化溫度。（3）熱膨脹性線膨脹系數(shù)：溫度升高1℃時(shí)單位長度材料的伸長量。（4）導(dǎo)熱性

熱導(dǎo)率——在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于熱流方向單位截面積上的熱流量。導(dǎo)熱性最好的金屬是銀，銅和鋁。（5）導(dǎo)電性常用電阻率表示材料的導(dǎo)電性。導(dǎo)電性最好的金屬是銀，銅和鋁。1.1.3金屬材料的化學(xué)性能耐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱為材料的化學(xué)穩(wěn)定性。（1）耐蝕性材料抵抗各種介質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐蝕性。（2）抗氧化性材料抵抗高溫氧化的能力稱為抗氧化性。第一章金屬材料基本知識1.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1晶體與非晶體1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識純鐵純銅純鋁晶體1.2.1晶體與非晶體晶體——內(nèi)部原子在空間呈一定的有規(guī)則排列，具有固定的熔點(diǎn)和各向異性的特征。非晶體——內(nèi)部原子在空間上排列沒有規(guī)則性。玻璃瀝青松香非晶體第一章金屬材料基本知識圖晶體示意圖（1）金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1晶體與非晶體

晶格——抽象地用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格子稱為晶格。

晶胞——根據(jù)晶體中原子排列規(guī)律性和周期性的特點(diǎn)，從晶格中選取一個(gè)能夠充分反映原子排列特點(diǎn)的最小幾何單元。1.2.1晶體與非晶體第一章金屬材料基本知識（2）常見金屬的晶格類型圖常見金屬晶格的晶胞1.2.1晶體與非晶體三種典型的金屬晶格類型體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格鉻、鉬、鎢、釩等鋁、銅、鉛、金等鎂、鋅、鈹、鎘、α鈦等1.2.1晶體與非晶體第一章金屬材料基本知識1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)單晶體——結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長程有序。多晶體——由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。圖單晶硅棒第一章金屬材料基本知識晶體的缺陷

（1）點(diǎn)缺陷

最常見的點(diǎn)缺陷有空位、置換原子和間隙原子等。

由于點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)，使周圍原子發(fā)生“撐開”或“靠攏”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)(1)點(diǎn)缺陷第一章金屬材料基本知識圖點(diǎn)缺陷示意圖1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識（2）線缺陷

線缺陷主要指的是位錯(cuò)。

最常見的位錯(cuò)形態(tài)是刃型位錯(cuò)。1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)（2）線缺陷圖刃型位錯(cuò)晶體結(jié)構(gòu)示意圖第一章金屬材料基本知識1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識（3）面缺陷通常指的是晶界和亞晶界。實(shí)際金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu)，多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間晶格位向是不同的，所以晶界處是不同位向晶粒原子排列無規(guī)則的過渡層。1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)圖晶界示意圖第一章金屬材料基本知識（3）面缺陷1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識晶粒大小及其控制

實(shí)際金屬結(jié)晶后形成多晶體，晶粒的大小對力學(xué)性能影響很大。

一般情況下，晶粒愈細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度就愈高,塑性、韌性也愈好，綜合力學(xué)性能好。1.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識細(xì)化晶粒、改善性能的方法增加過冷度變質(zhì)處理其他機(jī)械振動超聲波振動電磁振動變質(zhì)處理——向金屬液體中加入一些細(xì)小的形核劑（又稱為孕育劑或變質(zhì)劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發(fā)晶核，從而獲得細(xì)小的鑄造晶粒，達(dá)到提高材料性能的目的。第一章金屬材料基本知識1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)合金——一種金屬元素與其他金屬或非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)。例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金。組元——組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬元素或非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，三個(gè)組元組成合金稱為三元合金。第一章金屬材料基本知識合金系——由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金。例如，銅和鎳組成的一系列不同成分的合金，稱為銅—鎳合金系。1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)相——合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。

液態(tài)物質(zhì)稱為液相；固態(tài)物質(zhì)稱為固相。

同樣是固相，有時(shí)物質(zhì)是單相的，而有時(shí)是多相的。第一章金屬材料基本知識組織——用肉眼或借助顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布及各相之間的組合狀態(tài)。

組織是決定材料最終性能的關(guān)鍵。

在研究合金時(shí)通常用金相方法對組織加以鑒別。1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識合金的相圖固溶體的兩種類型(1)固溶體1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基本知識金屬化合物機(jī)械混合物——固溶體+少量金屬化合物。

工程上使用的大多數(shù)合金的組織都是固溶體和少量金屬化合物組成的機(jī)械混合物。通過調(diào)整固溶體中溶質(zhì)含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況，可以使合金的力學(xué)性能在較大范圍內(nèi)變化，從而滿足工程上的多種需求。1.2.3合金的相結(jié)構(gòu)1.3鐵碳合金的基本組織與鐵碳相圖1.3.1純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變——金屬在固態(tài)下晶格類型隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。1538℃1394℃912℃L→δ－Fe→γ－Fe→α－Febccfccbcc第一章金屬材料基本知識1.3.2鐵碳合金的基本相鐵碳合金的基本組織鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體第一章金屬材料基本知識(1)鐵素體

鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，用符號F表示。

鐵素體由于溶碳量小，力學(xué)性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強(qiáng)度、硬度較低。1.3.2鐵碳合金的基本相第一章金屬材料基本知識(2)奧氏體

奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，用符號A（或）表示。

奧氏體的強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好塑性，是絕大多數(shù)鋼高溫進(jìn)行壓力加工的理想組織。1.3.2鐵碳合金的基本相第一章金屬材料基本知識(3)滲碳體

滲碳體是鐵和碳組成的具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物，用化學(xué)式Fe3C表示。

滲碳體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，硬度很高(800HBW)，塑性和韌性幾乎為零。1.3.2鐵碳合金的基本相第一章金屬材料基本知識

(4)珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號P表示。

珠光體中ωC為0.77%，力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。1.3.2鐵碳合金的基本相第一章金屬材料基本知識(5)萊氏體

萊氏體是ωC為4.3%的合金，緩慢冷卻到1148℃時(shí)從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織，用符號Ld表示。

萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高、塑性差。1.3.2鐵碳合金的基本相圖簡化的Fe-Fe3C相圖第一章金屬材料基本知識1.3.3鐵碳合金相圖第一章金屬材料基本知識(1)Fe-Fe3C相圖中典型點(diǎn)的含義如表所示1.3.3鐵碳合金相圖第一章金屬材料基本知識(2)Fe-Fe3C相圖中特性線的意義如表所示1