第9章黑色金屬

9.1金屬及合金的構(gòu)造與結(jié)晶9.1.1純金屬的構(gòu)造與結(jié)晶

1．晶體結(jié)構(gòu)與類型

金屬晶體中原子或離子按一定規(guī)則排列而成的空間幾何圖形，稱為晶格

體心立方晶格和面心立方晶格不同的金屬具有不同的晶格。常見金屬的晶格種類很多，最主要的有體心立方晶格和面心立方晶格兩種

（a）體心立方晶格

（b）面心立方晶格

同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的晶格類型并非一成不變。某些金屬如鐵、錳、錫、鈦等，凝固后隨溫度變化還會(huì)發(fā)生晶格類型的改變，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。

右圖為純鐵的冷卻曲線

2．多晶體

金屬內(nèi)部的原子完全是整齊規(guī)則排列時(shí)，稱為單晶體

實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)包含著許多小單晶體，由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)，稱為多晶體

右圖左為單晶體右圖右為多晶體晶體缺陷

實(shí)際應(yīng)用的金屬材料，晶粒內(nèi)原子的排列也只是大體上一致，其中不一致的原子排列，稱為晶體缺陷

（1）點(diǎn)缺陷：是指在晶格結(jié)點(diǎn)處無原子存在，而在晶格結(jié)點(diǎn)間有原子。前者稱晶格空位，后者稱間隙原子

（2）線缺陷是指晶粒內(nèi)部呈線狀分布的缺陷，表現(xiàn)為各種形式的位錯(cuò)，主要有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種基本形式（a）刃型位錯(cuò)（b）螺型位錯(cuò)（3）面缺陷是指晶粒內(nèi)部的晶面由許多“碎晶塊”組成，主要指晶界、亞晶界

3．金屬的結(jié)晶

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，稱為凝固。晶體材料的凝固過程也稱為結(jié)晶

細(xì)化晶粒是使金屬材料強(qiáng)韌化的有效途徑

工業(yè)生產(chǎn)中為了獲得細(xì)晶粒組織常采用以下方法：

提高液態(tài)金屬凝固時(shí)的冷卻速度，如采用金屬模代替砂型鑄模；進(jìn)行變質(zhì)處理也稱為孕育處理；采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等方法9.1.2合金的構(gòu)造與結(jié)晶

1．合金的構(gòu)造固溶體：是以一種金屬元素的晶格為溶劑，其他元素的原子為溶質(zhì)，溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而形成的均勻固體；

金屬化合物：是構(gòu)成合金的元素相互化合而生成的新物質(zhì)；機(jī)械混合物：是兩種或兩種以上的金屬晶體相互混合而成的組織。2．合金的結(jié)晶

合金的結(jié)晶過程，是合金的組織結(jié)構(gòu)隨溫度、成分的變化而變化的過程，常用合金相圖來反映。合金相圖又稱為合金狀態(tài)圖，它表明了在平衡狀態(tài)下（即在極緩慢的加熱或冷卻的條件下），合金的相結(jié)構(gòu)隨溫度、成分發(fā)生變化的情況，故亦稱為平衡圖。

9.2鐵碳合金相圖

9.2.1鐵碳合金的基本組織

1．鐵素體

碳溶解在-Fe中形成的固溶體，稱為鐵素體，又名純鐵體、固溶體。通常用符號(hào)“F”表示。因碳在-Fe中的溶解量很少（含C量＜0.0218%），所以碳的強(qiáng)化作用很小，其機(jī)械性能近似純鐵，即強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

2．奧氏體

碳溶解在-Fe中形成的固溶體，稱為奧氏體，亦稱固溶體，通常用符號(hào)“A”表示。奧氏體中的鐵原子仍保持著面心立方晶格。由于-Fe中的間隙尺寸比-Fe大，因此前者的溶碳能力高。由于-Fe通常在高溫條件下存在，所以在一般情況下奧氏體也只能在高溫下存在。奧氏體具有高的塑性，

=40%～50%；有較低的變形抗力，是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)所需的組織。3．滲碳體鐵與碳形成的化合物稱為滲碳體。滲碳體的含碳量為6.69%，硬度很高，約為HB800左右，但強(qiáng)度很低，塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在鋼中主要起強(qiáng)化作用，其數(shù)量、形狀、大小及其分布狀況對(duì)鋼的性能有很大影響。9.2.2鐵碳合金相圖ACD—液相線AECF—固相線ECF—共晶線GS—亦稱A3線ES—亦稱Acm線S——共析點(diǎn)

GP——奧氏體冷卻到此線時(shí)，全部轉(zhuǎn)變成鐵素體

PSK—亦稱A1線

C—共晶點(diǎn)

鐵碳合金的分類

:工業(yè)純鐵：成分在P點(diǎn)左面，是含碳量小于0.02%的鐵碳合金。共組織全部由鐵素體構(gòu)成，工業(yè)上應(yīng)用較少;鋼：成分在P點(diǎn)與E點(diǎn)之間，是含碳量為0.02%～2.11%的鐵碳合金。根據(jù)室溫下組織的不同，可以S點(diǎn)為界分為

a.共析鋼：含碳量為0.77%，組織全部由珠光體構(gòu)成；

b.亞共析鋼：含碳量為0.02%～0.77%，組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成；

c.過共析鋼：含碳量為0.77%～2.11%，組織由二次滲碳體和珠光體構(gòu)成。白口鑄鐵：成分在E點(diǎn)和F點(diǎn)之間，是含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金。

9.3碳素鋼

9.3.1碳素鋼的分類

主要有三種方法

:按含碳量分：低碳鋼wc≤0.25%；中碳鋼wc0.25%～0.6%；高碳鋼wc＞0.60%；按質(zhì)量分：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼；按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼9.3.2碳素鋼的牌號(hào)、性能及主要用途碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳含量較低，而硫、磷等含量較高，故強(qiáng)度不高，但塑性、韌性較好，焊接性能好，價(jià)格低廉。碳素結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定牌號(hào)有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五類；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：含碳量0.05%～0.9%，有害雜質(zhì)含量很少。應(yīng)用廣泛，常制造各種較重要的機(jī)械零件，比如汽車中的大部分零件；碳素工具鋼：這類鋼常用于制造刃具、量具、模具等。9.4合金鋼

為了改善鋼的性能，煉鋼時(shí)有目的地加入一些合金元素所形成的鋼稱為合金鋼。合金鋼通過熱處理能獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能及一些特殊的物理、化學(xué)性能。常加入的合金元素有鈦Ti、釩V、鈮Nb、鎢W、鉬Mo、鉻Cr、錳Mn、鋁A1、鈷Co、硅Si、硼B(yǎng)、氮N及稀土元素。但是合金鋼的冶煉、加工困難，價(jià)格較貴，所以應(yīng)合理選用。

9.4.1合金結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼

合金滲碳鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼

合金彈簧鋼

滾動(dòng)軸承鋼

9.4.2特殊性能鋼

不銹鋼：常用不銹鋼按化學(xué)成分分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩種；按金相組織分為馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼等五種；耐磨鋼：主要用于制造在嚴(yán)重磨損和強(qiáng)烈沖擊條件下工作的零件；耐熱鋼：金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩方面。具有抗高溫介質(zhì)腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼，在高溫下仍具有足夠機(jī)械性能的鋼稱為熱強(qiáng)鋼。耐熱鋼是兩者的總稱。

9.5鑄鐵含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為鑄鐵

.為了進(jìn)一步提高鑄鐵的力學(xué)性能或得到某些特殊性能，常加入鉻、鉬、銅、釩、鋁等合金元素或提高硅、錳、磷等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這種鑄鐵稱為合金鑄鐵。鑄鐵的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能不如鋼材，但它具有良好的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性、減振性，且價(jià)格低廉。因此，鑄鐵仍然是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的金屬材料之一，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。9.5.1鑄鐵的石墨化鑄鐵組織中的碳以石墨的形式析出的過程，稱為石墨化。石墨化非常充分時(shí)，鑄鐵的最終組織為鐵素體基體上分布著石墨；石墨化比較充分時(shí)，最終組織為珠光體基體上分布著石墨或鐵素體與珠光體基體上分布著石墨；石墨化不太充分時(shí)，最終組織為萊氏體與珠光體基體上分布著石墨；石墨化未進(jìn)行時(shí)，最終組織為萊氏體，這種鑄鐵稱為白口鑄鐵。9.5.2鑄鐵種類白口鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵合金鑄鐵

9.6金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢猿浞职l(fā)揮材料的潛力，顯著提高材料的力學(xué)性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命，還可以消除鑄、鍛、焊等加工所引起的內(nèi)應(yīng)力和各種缺陷，為以后工序做好準(zhǔn)備。

9.6.1鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1．鋼的加熱對(duì)鋼進(jìn)行加熱，其目的是改變鋼的原始組織，獲得成分均勻、晶粒細(xì)小的奧氏體組織，并為冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變做好準(zhǔn)備，使鋼最終獲得所需的組織和性能。鋼在加熱時(shí)是奧氏體的形核和長(zhǎng)大的過程。奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)綇氐?，其晶粒度越均勻?xì)小，鋼的性能越好。2．鋼的冷卻冷卻是將加熱到高溫奧氏體狀態(tài)的鋼以一定速度冷卻到低溫，使鋼中奧氏體發(fā)生預(yù)期轉(zhuǎn)變，從而獲得所需的組織和性能。常用冷卻方式有兩種：等溫冷卻、連續(xù)冷卻。生產(chǎn)中，因采用連續(xù)冷卻方式比采用等溫冷卻方式操作簡(jiǎn)單，所以使用較廣泛。9.6.2鋼的退火與正火1．退火退火是將工件加熱到一定溫度并保溫，然后再隨爐緩慢冷卻的一種熱處理工藝。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。2．正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上50～70℃，保溫一定時(shí)間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝；

正火后材料的硬度、強(qiáng)度、韌性都高于退火，且操作簡(jiǎn)便、周期短，故應(yīng)優(yōu)先考慮；正火主要用途：作為普通結(jié)構(gòu)鋼零件的最終熱處理；作為低、中碳結(jié)構(gòu)鋼零件的預(yù)備熱處理。9.6.3鋼的淬火與回火1．淬火淬火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃溫度，保溫一定時(shí)間，然后進(jìn)行快速冷卻的一種熱處理工藝。其目的是獲得馬氏體組織，使鋼具有高硬度和高耐磨性。淬火是強(qiáng)化鋼材的重要方法。淬火加熱溫度淬火介質(zhì)淬火方法淬透性和淬硬性：淬透性指鋼在一定的淬火條件下，獲得淬硬層深度的能力。淬硬性指鋼在理想條件下淬火所能達(dá)到最高硬度的能力。2．回火將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度，保溫后以一定的冷速冷至室溫的工藝稱為回火。目的是消除或減少淬火應(yīng)力，降低脆性，防止零件變形開裂；穩(wěn)定組織，從而穩(wěn)定零件尺寸；調(diào)整力學(xué)性能，滿足零件的性能要求。常用回火方法有：低溫回火、中溫回火、高溫回火。9.6.4鋼的表面熱處理1．表面淬火

僅對(duì)零件表層進(jìn)行淬火的工藝稱為表面淬火，根據(jù)加熱方法不同分為感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光加熱、電子束加熱表面淬火等。（1）感應(yīng)加熱表面淬火

（2）火焰加熱表面淬火利用氧-乙炔火焰（或其他可燃?xì)怏w）對(duì)零件表面進(jìn)行加熱，使其快速升溫達(dá)到淬火溫度，然后迅速噴水冷卻的熱處理工藝稱為火焰加熱表面淬火。淬硬層深度一般為2～6mm?；鹧婕訜岜砻娲慊鹣鄬?duì)來說操作簡(jiǎn)單方便、成本低，但因其淬火質(zhì)量不易控制、生產(chǎn)效率低使應(yīng)用受到了限制，主要用于單件小批生產(chǎn)或中碳鋼、中碳合金鋼大型零件或復(fù)雜件的局部表面淬火。2．化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是指將零件放入一定溫度的活性介質(zhì)中，使一種或幾種元素滲入零件表面，以改變表層的化學(xué)成分、組織和性能的一種表面熱處理工藝。按滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲等，其中前兩種最常用。

（1）滲碳低碳鋼的表面滲入碳原子的過程稱為滲碳。滲碳介質(zhì)可以是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的是氣體滲碳。