航空工程材料1金屬的力學性能.ppt2金屬材料的基礎知識.ppt3鐵碳合金.ppt4鋼的熱處理.ppt5合金鋼.pptx6有色金屬.ppt7高分子材料.ppt8復合材料.ppt9其它航空材料.ppt10構件的選材、失效與金屬表面處理.ppt全套PPT課件概述力學性能：指材料受外力作用時所表現(xiàn)的能力。力學性能指標：剛度、強度、硬度、塑性、韌性、疲勞及蠕變等。第一章：金屬的力學性能金屬材料的力學性能是進行航空金屬零件結構設計和維修時必須考慮的一項重要因素。GB/T6397—1986《金屬拉伸試驗試樣》長試樣：L＝10d０短試樣：L＝5d０圓形標準拉伸試樣（a）拉伸前；（b）拉伸后如何評價材料的力學性能或者用什么方法測定材料的力學性能？測定材料的拉伸曲線壓縮試樣

拉伸試樣若將力F除以試樣原始橫截面積A0（常數(shù)）、變形Δl除以試樣原始長度l0（常數(shù)），則可以消除原始直徑和長度對曲線的影響，將曲線變成了~

（應力應變）曲線。:（正）應力—單位截面積上內(nèi)力的大小:（線）應變—單位長度上的變形量應力應變曲線：工程應力應變曲線真實應力應變曲線

退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線彈性變形：此階段內(nèi)卸掉載荷，試樣恢復到原來尺寸；塑性變形：形變不隨外力的撤去而消失；比例極限：用σp

表示，其中OA′部分為一斜直線；A點和A′點可近似視為一點。彈性極限：用σe

表示，OA為彈性階段，A點所對應的應力σe

為材料只發(fā)生彈性變形所能承受的最大應力；塑性變形部分：A-E階段。試樣斷裂前所發(fā)生的總變形εE

=彈性變形+塑性變形斷裂時彈性變形部分仍然會做彈性恢復，保留下來的變形部分為塑性變形，稱為殘余變形，如圖中δE

所示。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力剛度指標：彈性模量（E）彈性模量E：在彈性變形范圍內(nèi)，應力與應變的比值。1.1剛度與彈性Ｅ＝tanα＝σ/ε（單位為GPa）其物理意義是產(chǎn)生單位彈性變形時所需應力的大小。E為材料本身的剛度，若對一個具體的零件來說，其剛度不僅與材料的剛度（彈性模量）有關，還與構件的結構形狀及尺寸大小有關，通過增加橫截面積或改善截面形狀的方法來提高零件的剛度。彈性模量是材料的本性除了隨溫度升高而逐漸降低外，其他的材料強化手段（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對彈性模量的影響很小。材料的剛度越大，則產(chǎn)生的彈性變形越小。當剛度很大，即受力后幾乎不產(chǎn)生變形時，可以將變形忽略，把構件簡化為“剛體”，如理論力學（靜力學）的研究對象均作此處理。1.2強度與塑性1.2.1強度定義：材料在外力作用下抵抗破壞的能力。強度指標有許多種，如屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。以拉伸試驗測得的屈服強度和抗拉強度兩個指標應用最多。1.屈服強度什么是材料的屈服？有些材料當變形程度達到一定水平時，變形會非常容易。在此階段，材料持續(xù)發(fā)生塑性變形而應力卻不增加的這種現(xiàn)象稱為屈服。圖中BC段為屈服階段，在屈服階段，由于變形太快，外力無法增加。屈服強度指標：指B點所對應的應力，用σs

表示。屈服強度反映材料抵抗永久變形的能力。實際上，多數(shù)金屬材料的屈服階段并不明顯或從拉伸曲線上看不出這一階段；但如果是塑性材料（δE

≥5%），則規(guī)定用拉伸時產(chǎn)生0.2％殘余變形所對應的應力為材料的屈服應力，稱為條件屈服強度或名義屈服強度，記為σ0.2。σ0.2的確定步驟：1、在應力應變曲線的橫坐標軸上找到0.2%的點；2、從該點畫一條與彈性階段平行的直線；3、與曲線交點的縱坐標即為σ0.2。CD段：均勻塑性變形（強化階段：應變強化）。變形超過D點后，試樣開始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮。隨應變增加，應力明顯下降，并迅速在E點斷裂。2.抗拉強度抗拉強度：為材料斷裂前所能承受的最大應力，即D點所對應的應力，用σb

表示。抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，是零件設計和材料評價的重要指標。塑性:指材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力。塑性指標:斷后伸長率和斷面收縮率。1.2.2塑性斷后伸長率δ（長試樣用δ10表示，短試樣用δ5表示）δ＝（l１－l０）/l０×100%；斷面收縮率ψ:ψ＝（Ａ０－Ａ１）/Ａ０×100%。δ

<5%：脆性材料δ≥5%：塑（韌、延）性材料*由于δ是在標距長度l0上計算出的平均值，因此用ψ比δ更為準確.*因為材料體積越大，內(nèi)部含有缺陷的可能性越大，因此一般情況下，δ5>δ10。塑性的意義塑性良好的材料，能承受較大的塑性變形，冷壓成型性能好。飛機和發(fā)動機薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃燒室零件等都是冷壓成型的，使用的材料都應具有良好的塑性。超載或應力集中加工硬化效應塑性變形強度提高脆性斷裂避免超塑性的概念有些金屬材料（如鈦合金），在適當?shù)臏囟群妥冃嗡俣葪l件下，表現(xiàn)出異乎尋常的塑性，可使斷后伸長率達到百分之幾千，材料的這種性能稱之為超塑性。1.3.1布氏硬度1.3.2洛氏硬度1.3.3維氏硬度1、試驗原理2、表示方法3、優(yōu)缺點常用硬度測試方法：

靜壓法或壓入法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)1.3硬度硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力（或者材料抵抗局部塑性變形的能力）（分為劃痕硬度、壓入硬度、回跳硬度等）硬度是材料力學性能的綜合指標，它與強度之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，但測硬度比較簡便迅速；而且測量硬度可以在零件的非工作面上直接測量，不會損壞零件。試驗原理:將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。實際操作時，先測量壓痕平均直徑d，然后查表得到材料的布氏硬度值。1.3.1布氏硬度布氏硬度的試驗原理圖CompanyLogo布氏硬度計

鋼球——HBS表示——450以下的材料。硬質(zhì)合金——HBW表示——650以下的材料。如120HBS10／1000／30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf(9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；缺點：壓痕大。最常用的鋼球壓頭適于測定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

布氏硬度表示方法及優(yōu)缺點1.3.2洛氏硬度

洛氏硬度的試驗原理如圖所示，當測定硬度較高的材料時，選用120°的金剛石圓錐壓頭；測定硬度較低的材料時，選用淬火鋼球壓頭。硬度計上有一個表頭，測量時表頭上可直接讀出被測件的硬度值h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度表示方法及優(yōu)缺點

洛氏法根據(jù)測量時選用載荷與壓頭的不同，分為9個標尺，常用的有A、B、C三個，并將標尺代號標注在符號HR的右邊。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍寫在符號HR的前面，如50HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度為50。應當注意：不同級別的硬度值不能直接相互比較。優(yōu)點：壓痕小，可以直接在成品零件上測試；缺點：測量結果分散度大。136°正四棱錐體——金剛石壓頭載荷F+時間施加的載荷F與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。測量壓痕對角線長度d——查表得到。1.3.3維氏硬度維氏硬度表示方法及優(yōu)缺點

640HV30／20表示在30kgf（294.2N）載荷作用下保壓時間為20s測定的維氏硬度值為640。優(yōu)點：極軟到極硬的材料皆可測，又能互相比較;既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度（顯微硬度）。缺點：試驗效率較低，要求較高的試驗技術，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗中使用。1.4韌性韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則材料發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長率、抗沖擊強度較大；硬度、抗拉強度和彈性模量相對較小。剛性材料的硬度、抗拉強度較大；斷裂伸長率和沖擊強度就可能低一些；彈性模量就較大。1.4.1沖擊韌性1.4.2斷裂韌性

定義：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。

測定材料沖擊性能的方法：普遍采用彎曲沖擊試驗，在圖所示的擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行。擺錘打斷試件時消耗的能量，以Ak表示。材料的沖擊韌性值ak以試件缺口處單位截面面積的能量表示，即ak=Ak/A(kg·m/cm2)。式中A表示試件缺口處的橫截面面積。1.4.1沖擊韌性材料的ak值與材料的成分和組織有關，與試件形狀、尺寸及試驗溫度等因素密切相關，所以不同試驗條件下測得的值無法進行比較。小能量多次沖擊試驗來測定材料的抗沖擊性能即測定材料的沖擊循環(huán)次數(shù)N與沖擊能量Ak之間的關系曲線（類似于疲勞曲線）1.4.1沖擊韌性

“脆斷”——最危險的斷裂——無明顯的塑性變形如1943年1月，美國一艘T-2油輪停泊在裝貨碼頭時，竟發(fā)生突然斷裂成兩截的慘禍。據(jù)計算，斷裂時船體承受的應力僅為68.6MPa，材料的強度極限

300MPa～400MPa，屈服強度245MPa。1.4.2斷裂韌性原因：

材料內(nèi)部毫無缺陷組織連續(xù)均勻介質(zhì)可能嗎？存在微裂紋，由于應力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會擴展，當裂紋尺寸達到臨界尺寸時就會發(fā)生低應力脆斷的事故。表征材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。（指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)）

它和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。是應力強度因子的臨界值。1.4.2斷裂韌性（fracturetoughness）

測定：把刻有不同深度刻痕的試件進行拉伸試驗，如圖1-10所示公式K=σc成立。a1.4.2斷裂韌性圖1-10斷裂強度與裂紋深度的關系曲線示意圖對某種材料來說，K是一個常數(shù)表示材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力，K稱為斷裂韌性。在裂紋擴展的過程中，按裂紋的力學特征可將其分為以下三類1.4.2斷裂韌性圖1-9裂紋表面三種位移形式(a)張開型裂紋；(b)滑開型裂紋；(c)撕開型裂紋。

第一類為張開型裂紋，如圖所示。構件承受垂直于裂紋面的拉力作用，裂紋表面的相對位移沿著自身平面的法線方向，若受拉板上有一條垂直于拉力方向而貫穿于板厚的裂紋，則該裂紋就是張開型裂紋。1.4.2斷裂韌性第二類為滑開型裂紋，如圖所示。構件承受平行裂紋面而垂直于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對位移在裂紋面內(nèi)，并且垂直于裂紋前緣，如齒輪或花鍵根部沿切線方向的裂紋就是滑開型裂紋。第三類為撕開型裂紋，如圖所示。構件承受平行于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對位移在裂紋面內(nèi)，并平行于裂紋前緣的切線方向，如扭矩作用下圓軸的環(huán)形切槽或表面環(huán)形裂紋就是撕開型裂紋。

在一般情況下，裂紋通常屬于復合型裂紋，可以同時存在三種位移分量，也可以是任何兩個位移分量的組合。在工程結構中，第一類裂紋最危險，也最常見。1.5疲勞強度1.5.1疲勞斷裂特征“交變載荷”

零件在交變載荷作用下，雖然其應力比材料的抗拉強度小，甚至比屈服強度還小，但是在長期使用的某一時刻也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞源疲勞擴展區(qū)（光亮區(qū)）粗糙區(qū)1.5.1疲勞斷裂特征圖1-11疲勞斷裂斷口照片如圖1-11所示

當擴展區(qū)達到一定的臨界尺寸時，構件剩余截面面積較小，在交變載荷的某次拉伸力的作用下，材料應力超過抗拉強度，這時零件會發(fā)生突然的脆性斷裂，最后脆斷的區(qū)域稱為瞬間斷裂區(qū)，由于這一區(qū)域斷口表面比較粗糙，所以也叫粗糙區(qū)。多數(shù)情況下，疲勞裂紋源位于構件表面，如圖(a)所示。但有些情況下，裂紋源會在構件內(nèi)部，同樣斷口也存在上述三個區(qū)域，如圖(b)所示。1.5.1疲勞斷裂特征

材料的疲勞強度是由疲勞試驗測定的。由于疲勞試驗的分散度較大，試驗時要用較多的試樣，在不同交變載荷的作用下，測定其發(fā)生斷裂時的載荷循環(huán)次數(shù)N，最后將試驗結果繪成如圖1-12所示的應力與次數(shù)的關系曲線，稱為疲勞曲線。從疲勞曲線上可知，試驗應力降低，循環(huán)次數(shù)N增加。當應力降至某一數(shù)值時，曲線變成水平直線，即表示材料若承受低于該水平線所對應的應力值時，便可以經(jīng)受無限次循環(huán)載荷也不發(fā)生疲勞斷裂。把試樣承受無限次應力循環(huán)仍不斷裂時的最大應力作為材料的疲勞極限。1.5.2疲勞強度的測定及其影響因素圖1-12疲勞曲線示意圖

而對于航空領域常用的硬鋁、鎂合金等有色金屬及其合金材料，即使應力循環(huán)的最大應力值很低，經(jīng)一定應力循環(huán)次數(shù)后也會斷裂，不存在真正意義上的疲勞極限。因此，對于這一類材料，常根據(jù)構件使用壽命的要求，取在某一規(guī)定應力循環(huán)次數(shù)下（如107次），材料所能承受的最大應力值作為名義疲勞極限。1.5.2疲勞強度的測定及其影響因素影響零件疲勞壽命的因素很多，因此，提高構件疲勞強度的措施也是多方面的。構件的疲勞破壞總是從構件中應力最大的部位產(chǎn)生疲勞裂紋開始的，在一般情況下，構件中應力最大部位都在構件橫截面的最外邊緣，或在有應力集中的地方?？傮w思路是減小應力集中程度，具體方法包括如下內(nèi)容：1.5.2疲勞強度的測定及其影響因素

在設計方面，要盡量避免在構件上開出方形或帶尖角的孔槽，設法避免構件外形急劇改變，盡可能地使其改變有一緩和的過渡，從而降低應力集中系數(shù)。

在加工方面，要降低構件表面的粗糙度，也可減小在表面上因加工時刀具切削傷痕所造成的應力集中的影響，從而提高構件的疲勞極限。

在使用方面，包括運輸、裝配，特別是在飛機檢修過程中，應盡量避免在構件表面造成傷痕，以減小產(chǎn)生應力集中的可能性。

在其它工藝措施方面，還可以通過對構件中最大應力所在的表層采取表面強化工藝措施，例如通過滾壓、噴丸、表面淬火、滲碳和滲氮等方法使構件表層強度增加，這對提高構件的疲勞極限會有顯著的效果。1.5.2疲勞強度影響因素1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂有些高溫部件在工作條件下同時承受恒定載荷和交變載荷的作用（如燃氣輪機的渦輪盤），這種情況下發(fā)生的斷裂方式稱為蠕變—疲勞斷裂。它們是燃氣渦輪發(fā)動機高溫部件（如渦輪葉片、渦輪盤等）的主要失效形式之一。蠕變:就是材料在一定的應力和溫度下其長度隨時間的緩慢變化過程。蠕變的原因：是因為在高溫條件下，金屬原子之間的距離增加，原子間結合力減小，故變形抗力小，在一定載荷作用下易于發(fā)生緩慢變形。同時在變形過程中，因溫度較高，不會發(fā)生加工硬化，變形抗力不會自動提高，故變形可持續(xù)緩慢地進行下去。蠕變斷裂：材料在蠕變過程中所發(fā)生的斷裂稱為蠕變斷裂，即材料在應力和溫度共同作用下發(fā)生的一種斷裂方式。1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂（2）蠕變斷裂過程中的變形隨時間的變化曲線，通常分為三個階段（圖1-13）：第Ⅰ階段應變隨時間而遞增，但應變速率隨時間呈現(xiàn)非穩(wěn)定遞減狀態(tài)（減速蠕變階段）；第Ⅱ階段是應變隨時間恒定變化的穩(wěn)定階段，即應變速率基本保持不變（恒速蠕變階段）；第Ⅲ階段是應變速率隨時間而遞增的非穩(wěn)定階段（加速蠕變階段），最后導致斷裂。蠕變及蠕變—疲勞斷裂的特點圖1-13蠕變斷裂的三個過程與靜強度下發(fā)生的斷裂相比，它有以下特點。

（1）在一般的靜強度試驗中，材料的塑性通常是隨試驗溫度的升高而增大，但在高溫下以很緩慢的速率變形時（即蠕變試驗條件），即使在室溫下為高延性的材料，它也可能發(fā)生低延性斷裂。

圖1-13是一種典型的蠕變曲線，但并非在所有情況下材料的蠕變曲線均由三個階段組成。如在高溫或高應力下，材料沒有第Ⅰ階段而只有第Ⅱ、Ⅲ階段，或只有第Ⅲ階段就很快發(fā)生斷裂；而在有些情況下，材料只有第Ⅰ、Ⅱ階段，隨后便發(fā)生斷裂。（3）對于同一種材料，發(fā)生蠕變的變形速率隨外加應力和溫度的增加而增加。（4）蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，即裂紋沿著材料晶界擴展。習題和思考題1.1金屬材料的力學性能指的是什么性能？常用的力學性能包括哪些方面的內(nèi)容？1.2衡量金屬材料強度、塑性及韌性用哪些性能指標？各用什么符號和單位表示？1.3什么情況下使用材料的名義屈服強度概念，它是如何定義的？1.4伸長率和斷面收縮率，哪個更能準確反映材料的塑性？為什么？1.5強度和硬度分別是從什么角度衡量材料的性能的？1.6可否通過增加零件的尺寸來提高其彈性模量？1.7什么叫做材料的沖擊韌性，它是如何測量的？1.8研究材料斷裂韌性所涉及的三種基本裂紋類型是什么？它們分別具有怎樣的特征？1.9什么叫做疲勞斷裂？導致疲勞斷裂的載荷具有怎樣的特征？1.10疲勞斷口一般具有幾個區(qū)域？分別具有怎樣的特征？這些特征又是怎樣產(chǎn)生的？1.11什么叫做疲勞極限？怎樣提高構件的疲勞強度？1.12什么是金屬材料的蠕變斷裂？它一般分為哪幾個過程？習題和思考題第二章金屬材料的基礎知識內(nèi)容

金屬的晶體結構合金的晶體結構實際金屬的晶體結構目的

掌握晶體結構及其對材料的物理化學性能、力學性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學習做好理論知識的準備第一節(jié)金屬的晶體結構非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

晶體非晶體在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。所有固態(tài)金屬和合金都是晶體。2.1.1晶體和非晶體晶體不同方向上性能不同的性質(zhì)非晶體不同方向上性能相同的性質(zhì)2.1.2晶體結構的基本概念晶格晶胞晶格常數(shù)晶面、晶向用一些幾何線條將晶體中各原子的中心連接起來，構成一個空間格架各原子的中心就處在格架的幾個結點上，形成一個空間的幾何結構1、晶格

晶胞：晶格中能反映晶格特征的最基本的幾何單元，稱為晶胞。晶胞的各邊尺寸a、b、c，即原子間距離，稱為晶格常數(shù)（或點陣常數(shù)）。單位為埃（厘米）。晶胞——最小的幾何單元——反映晶格特征——分析原子排列的規(guī)律在晶體學中，通常取晶胞角上某一結點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定正方向3、晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度和棱面夾角，用來表示晶胞的形狀和大小。晶面：晶體中，由原子組成的平面晶向：晶體中，由原子組成的直線

各種晶體的主要差別，就在于晶格形式和晶格常數(shù)的不同。晶向指數(shù)的確定方法1)以晶胞中的某原子為原點確定三維晶軸坐標系，通過原點作平行于所求晶向的直線。2)以相應的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點的三個坐標值。3)將所求坐標值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如[101]。具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為[uvw]晶面指數(shù)的確定方法1)選坐標，以晶格中某一原子為原點（注意不要把原點放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標的坐標軸。2)以相應的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標軸的截距。3)求三個截距值的倒數(shù)。4)將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)。

如圖所示形式為（hkl）晶胞中所含原子數(shù)原子半徑致密度（K），K=nv′/V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)v′為單個原子體積V為晶胞體積。

晶格常數(shù)的確定如上述，晶格是由一些最基本的幾何單元晶胞堆砌而成。工業(yè)上使用的幾十種金屬中，最常見的金屬晶格結構有下面三種：體心立方:

CrVMoWα-Feδ-Feβ-Ti面心立方:

AlNiCuγ-Fe密排六方:

ZnMgBeα-Ti等2.1.3常見金屬的晶格類型

1－體心立方晶格(1)原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半徑。(4)晶胞所含原子數(shù)2個原子。(5)致密度68%。(6)具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、δ-Fe

、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。2－面心立方晶格(1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。(3)原子半徑。(4)晶胞所含原子數(shù)4個原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等3－密排六方晶格(1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。(2)晶格常數(shù)(3)原子半徑(4)晶胞所含原子數(shù)6個原子。(5)致密度74%。(6)具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等2.1.4金屬的實際晶體結構晶體的基本概念金屬晶體的缺陷單晶體：晶格位向完全一致的晶體。單晶體是一塊以原子或原子團為單位沿著空間的前后、左右、上下三個方向整整齊齊地堆垛成的固體。（可以在實驗室生成）晶粒：由許多位向基本一致的晶胞組成，類似單晶體，稱為晶粒或小晶體。（晶粒在顯微鏡下可以看到）多晶體：由許多取向不同的晶粒組成的一塊固體，多晶體中的每一個晶粒內(nèi)部都有嚴格的周期性，但是晶粒之間沒有周期性的聯(lián)系。晶界：相鄰晶粒的邊界,它是兩個位向不同晶粒之間的過渡區(qū).

一.單晶體與多晶體

金屬的結構：工業(yè)用金屬是在凝固時產(chǎn)生大量的結晶核心，然后晶核長大，完成的結晶過程，它們由許多尺寸很小、位向不同的小晶體或晶粒組成，是多晶體。晶體由于內(nèi)在結構不同而表現(xiàn)出：單晶體的各向異性：由于單晶體在不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子間的結合力大小不同，因而引起機械、物理、化學性能的差異。多晶體的各向同性：由于多晶體是由許多不同位向的晶粒組成，晶粒的各向異性被互相抵消，因而多晶體一般不顯示方向性，稱之為各向同性。二、晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷按缺陷幾何特征可分為三種1、點缺陷空位和間隙原子，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度增加。晶格空位間隙原子2、線缺陷——位錯位錯：晶體中有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排特征：一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短位錯密度：單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。ρ=SL/V類型：刃型位錯和螺旋位錯。刃型位錯

螺型位錯

位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如：冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是位錯密度增加的結果。3、面缺陷晶界（大角度晶界）、亞晶界（小角度晶界）處具有許多特殊性能。面缺陷：指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體面缺陷主要有晶界和亞晶界

第二節(jié)純金屬的結晶金屬結晶的條件金屬的結晶過程晶粒大小對金屬力學性能的影響細化晶粒的方法凝固與結晶的基本概念凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結晶：如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結晶?；蛘哒f晶體的凝固過程叫結晶。熱分析法2.2.1純金屬的冷卻曲線與過冷現(xiàn)象差熱分析法原理To時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結晶平臺(是由結晶潛熱導致)T0：平衡結晶溫度（理論結晶溫度）

T1：純金屬的實際結晶溫度

純金屬結晶時的冷卻曲線過冷度：ΔT=T0–T1

T0:金屬在無限緩慢冷卻條件下（平衡條件下）所測得的結晶溫度稱為理論結晶溫度。ΔT：過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結晶的溫度就越低，即過冷度就越大。

實際結晶時，由于表面能等因素的影響，過冷度均大于零。2.2.2

純金屬的結晶過程是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。1、晶核的形成均勻形核自發(fā)形核(△T1)均勻形核非均勻形核是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過程。非均勻形核非自發(fā)形核(△T2<△T1)自發(fā)形核:△T1

非自發(fā)形核:△T2

金屬結晶過程示意圖晶核形成，晶核長大，同時存在，同時進行晶核的長大方式—樹枝狀當過冷度較大時，金屬晶體以樹枝狀方式長大。金屬的樹枝晶冰的樹枝晶金屬結晶后的顯微組織2.2.3晶粒大小對金屬力學性能的影響常溫下：細晶粒組織的金屬強度高、塑性和韌性好原因：1、晶粒越細，塑性變形就可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應力越小，承受更大變形；2、晶粒越細，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，裂紋越難傳播和擴展，強度和韌性就越好。細化晶粒對提高常溫下金屬的力學性能作用很大，是使金屬材料強化和韌化的有效途徑。2.2.4

細化晶粒的方法金屬結晶后，單位體積中晶粒的數(shù)目和大?。喝Q于形核率N[晶核形成數(shù)目（mm3.s）]和長大率G（mm/s）形核率N越大，長大率G越小，晶粒就越細小。細化晶粒：提高形核率，控制晶核長大率細化晶粒的方法：1、增加過冷度；2、進行變質(zhì)處理；3、附加振動過冷度的影響1、提高冷卻速度，增加過冷度V冷△TN晶粒細小2、進行變質(zhì)處理

1）變質(zhì)劑加入到液態(tài)金屬中時，它們或它們的氧化物會形成起非自發(fā)晶核作用的雜質(zhì)微粒，使形核率大大增加，細化晶粒。

2）變質(zhì)劑能附著在晶體前緣強烈阻礙晶粒長大，使得晶粒細化。3、附加振動

使得正在生長的晶體破碎而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率，從而細化晶粒。機械振動超聲波振動電磁攪拌等第三節(jié)合金的相結構及二元合金相圖2.3.1合金的相結構純金屬具有良好的導電導熱性，但機械性能差，故工業(yè)上廣泛應用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C):σb=610MPa（正火態(tài)）性能工藝材料組織熱處理、塑性變形組織:

是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。

1、合金的基本概念相:

是指合金中具有同一化學成分、同一結構和原子聚集狀態(tài)，成分和性質(zhì)均一，并以界面相互分開的組成部分。也即是組元間由于物理的和化學的相互作用形成的。組元:組成合金的最基本獨立單元。一般是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物合金：一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

純金屬合金結晶過程：液固兩相共存（恒溫）結晶過程：液固兩相共存（變溫）

熔點以上：液相熔點以上：液相結晶完畢：單一固相

結晶完畢：組元發(fā)生相互作用化合物組元彼此均勻溶解固溶體固態(tài)合金中的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。2、合金的相結構（1）固溶體（一）定義：一種組元（溶質(zhì)）的原子溶入另一組元（溶劑）的晶格中形成的均勻固相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置不同分：（二）分類：2.間隙固溶體1.置換固溶體1）

置換固溶體

溶質(zhì)原子置換了部分溶劑晶格結點上某些原子而形成的固溶體。形成置換固溶體時，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。2）

間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。

形成條件：溶質(zhì)原子半徑較小而溶劑晶格間隙較大,一般當r溶質(zhì)/r溶劑≤0.59時，才能形成間隙固溶體。間隙固溶體置換固溶體（三）固溶體的特性1、僅保持溶劑的晶格類型。2、溶質(zhì)原子的溶入導致固溶體的晶格畸變而使金屬強度、硬度提高——即固溶強化，同時有較好的塑性和韌性。因此常作為結構材料的基本相。

2、金屬化合物（一）定義

合金組元間發(fā)生相互作用而形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新的相結構即為金屬化合物，或稱中間相。（二）性能

熔點高，硬度高，脆性大。在合金中一般為強化相：當它呈現(xiàn)細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度即耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。（三）分類（根據(jù)金屬間化合物的形成條件結構特點分）

1）正常價化合物組元間形成的化合物分子式符合原子價規(guī)律，并且成分固定不變，此類化合物稱為正常價化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。

2）電子化合物

組元間形成化合物不遵守化合價規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物中價電子數(shù)于原子數(shù)之比），則此類化合物稱為電子化合物。此類化合物在許多有色金屬中作為重要的強化相。

3）間隙化合物

由過渡族元素(鐵、鉻、鉬、鎢、釩等)與原子半徑較小的非金屬元素（碳、氮、氫、硼等）形成的化合物稱為間隙化合物。包括間隙相和復雜間隙化合物兩種結構。②復雜結構的間隙化合物當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。

①間隙相

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相（有點像間隙固溶體，但比例是確定的）。本節(jié)小結：工業(yè)上用純金屬、固溶體、金屬化合物組成合金的基本相，絕大多數(shù)合金的組織都是由固溶體和少量金屬化合物組成的混合物。組成混合物的各個相仍然保持各自的晶體結構和性能。

因此，整個混合物的性能取決于構成它的各個相的性能、數(shù)量、形狀、大小及分布狀況等。2.3.2二元合金相圖相圖：在平衡狀態(tài)下，合金成分、溫度和組織之間關系的圖形。又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。相圖測定方法熱分析法磁性分析法顯微分析法X射線晶體結構分析法等純金屬或特定比例的合金用冷卻曲線表示狀態(tài)；不確定比例的合金用相圖表示狀態(tài)。一、二元合金相圖的建立步驟（以銅鎳合金為例，熱分析法實驗測定）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金（I、II、III、…）2、用熱分析法測出各成分的合金冷卻曲線3、找出各冷卻曲線上的相變點4、將各個合金的相變點分別標注在溫度-成分坐標圖中相應的合金成分的垂線上5、連接各相同意義的相變點，所得的線稱為相界線（1）I、VI兩種材料是純銅、純鎳，都有一個平臺，結晶分

別在恒溫下進行（各有一個臨界點）（2）中間的四種材料都有兩個轉(zhuǎn)折點，結晶是在一個溫度區(qū)間進行（兩個臨界點）。（3）將各臨界點描繪在溫度－成分坐標系中，得到相圖。二、二元勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時，所構成的相圖1、相圖分析液相線—上方均為液相的線，液相區(qū)用符號L表示。固相線—下方均為固相的線，固相區(qū)用符號α(或β等)表示。液相線與固相線之間是液、固兩相區(qū)，用L+α。（A點為銅的熔點，B點為鎳的熔點）以圖中K點成分合金為例分析合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點溫度時，開始從液相中結晶出α固溶體；隨著溫度的下降，α相增多，而L相減少；至2點時，結晶過程結束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?、合金結晶過程分析注：在結晶過程中，合金處于L+α區(qū)時，液體和固體的成分隨溫度的變化而變化：液相成分隨液相線變化，固相成分隨固相線變化。所以固體按結晶的時間先后，其成分有所不同。例：K點成分的合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至3點時，其液相部分具有3’點的成分，而固相部分具有3”點的成分。液相與固相的平均成分才是K點的成分。3、枝晶偏析晶內(nèi)偏析：實際生產(chǎn)時，在結晶過程中：冷卻速度較快——固態(tài)下原子擴散困難——固溶體內(nèi)原子擴散來不及充分進行——先結晶的固溶體含高熔點的組元較多，后結晶的固溶體含低熔點的組元較多——在一個晶粒內(nèi)部化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。枝晶偏析：

固溶體的結晶一般按樹枝狀方式長大，這就使得先結晶的枝干部分和后結晶的枝間部分成分不同，這種晶內(nèi)偏析呈現(xiàn)樹枝分布。枝晶偏析會降低合金的力學性能和加工工藝性能??！因此，在生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經(jīng)長時間保溫，使原子進行充分擴散，以達到成分均勻化的目的，這種熱處理方法稱為均勻化退火。共晶反應：是指冷卻時由液相同時結晶出兩個固相的混合物的反應。二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生共晶反應所構成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶體：共晶反應的產(chǎn)物叫共晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織叫共晶組織。二元共晶相圖三、共晶相圖圖2-33標明組織組分的Pb-Sn合金相圖1、相圖分析（1）共晶點

C點－－α相＋β相（2）共晶線DCE線－－LC→αD+βE（3）固溶線（固溶體脫溶線）DF、EG線

α固溶體隨著溫度的下降，其溶解Sn的溶解度也不斷下降，圖中DF線即為α固溶體的固溶線。同樣EG線即為β固溶體的固溶線。

α固溶體析出（脫溶）產(chǎn)物是β相，稱為二次β相（βII）

β固溶體析出（脫溶）產(chǎn)物是α相，稱為二次α相（αII）恒溫2、結晶過程分析：（1）共晶成分的合金合金II（C點成分的合金）是具有共晶成分的合金。在冷卻過程中經(jīng)過C點時發(fā)生共晶反應，生成共晶體（α+β是一個整體）。

L→(α+β)(2)亞共晶成分的合金D、C點之間成分的合金，稱為亞共晶合金。如圖合金III，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結晶出α相；經(jīng)過2點時，剩余液相按D點生成α相及按C點生成共晶體α+β；繼續(xù)冷卻α相還會脫溶出βⅡ相。CL→L+α→α

＋(α+β)→α＋(α+β)＋βⅡ即合金III的室溫組織為α＋(α+β)＋βⅡ122以下(3)過共晶成分的合金C、E點之間成分的合金，稱為過共晶合金。如圖合金IV，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結晶出β相；經(jīng)過2點，剩余液相按C點生成共晶體α+β及按E點生成β相；在繼續(xù)冷卻時β相脫溶出αⅡ相，最終組織為β＋(α+β)＋αⅡ。L→L+β→β＋(α+β)→β＋(α+β)＋αⅡ（4）無共晶反應的合金D點左側和E點右側的合金在冷卻過程中不會發(fā)生共晶反應。如圖合金I冷卻至1點時結晶出α相,經(jīng)過2點時全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?經(jīng)過3點時,開始脫溶出βⅡ相，即L→L+α→α

→α＋

βⅡ122以下123

同理，E點右側的合金在冷卻過程中也會有β相和αⅡ相生成。最終組織為β＋αⅡ具有共析反應的相圖自某種均勻一致的固相(如γ)

中同時析出兩種化學成分和晶格結構完全不同的新固相(α和β)的轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應。水平線稱為共析線。共析體：共析反應的產(chǎn)物稱為共析體。共析組織：共析體的顯微組織稱為共析組織。四、合金力學性能與相圖的關系（1）當合金形成單相固溶體（勻晶）時：合金的性能與組成元素的性質(zhì)、溶質(zhì)元素的溶入量有關。溶質(zhì)的溶入量越多，則合金的強度、硬度愈高，并在某一成份下達到最大或最低值。1）合金的力學性能與相圖的關系（2）當合金為復相混合物具有共晶反應合金的性能變化規(guī)律普通混合物：合金性能隨合金的化學成分而改變，在兩相性能之間呈直線變化，為兩相性能的算術平均值機械混合物（共晶和共析）：合金的性能還與組織的細密程度有關，組織越細密，其強度、硬度均顯著提高，且偏離直線關系。2）合金的工藝性能與相圖的關系鑄造性能a.純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好b.相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。c.相圖中液相線和固相線之間距離越大時，形成枝晶偏析的傾向性大，降低其流動性，增多分散縮孔。加工性能a.單相固溶體合金具有較好的塑性，變形抗力小，變形較均勻，故壓力加工性能良好，但切削加工性能差。b.兩相混合物合金的塑性不如單相固溶體合金好，但切削加工性能較單相固溶體好。熱脆：合金中含有低熔點共晶組織時，在加熱過程中，低熔點共晶將被熔化，并沿晶界分布，故在熱壓加工時發(fā)生斷裂。2.4金屬的冷、熱加工及再結晶目的：獲得需要的形狀和尺寸方法：軋制、鍛造、擠壓、沖壓、拉拔等壓力加工方法壓力加工塑性變形組織和性能改變加熱、回復、再結晶2.4.1金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形方式二、多晶體的塑性變形三、多晶體的塑性變形的影響因素四、塑性變形后金屬的組織與性能2.4.1金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形方式：滑移和孿生（一）滑移：晶體的兩個部分之間沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移向）發(fā)生的相對移動。如圖：當金屬晶體受到外力F作用時，均可將總的應力σF分解成垂至于某一滑移面的正應力σ和平行于此面的切應力τ。單晶體的滑移1、滑移原理（1）正應力σ作用下，試樣發(fā)生彈性伸長并在σ足夠大時發(fā)生斷裂。切應力τ能使試樣發(fā)生彈性歪扭，當τ增大到一定值時，則一定晶面兩側的兩部分晶體產(chǎn)生相對移動。（2）當除去外力，晶格的彈性歪扭隨之消失，而滑移到新位置的原子已經(jīng)不能回到原來地位置，在新的位置上處于平衡狀態(tài)。（3）以上原因使得晶體產(chǎn)生微量的塑性變形，許多晶面滑移的總和，就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。圖2-37晶體在切應力作用下的變形a.未變形b.彈性變形c.彈塑性變形d.塑性變形圖2-38通過位錯運動實現(xiàn)滑移的示意圖刃型位錯在切應力的作用下由滑移面上的位錯運動逐步實現(xiàn)的。如上圖所示，刃型位錯在切應力的作用下由滑移面的一端運動到另一端，從而造成的一個原子間距的滑移過程。晶體在外力作用下不斷增殖新的位錯，大量的位錯移出晶體表面就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。（二）孿生：晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）進行剪切變形的現(xiàn)象。孿生帶：剪切變形的部分孿生帶的晶體位向與原來不一致，孿生所需的剪切應力要比滑移大得多，一般只有在滑移很難進行的場合才發(fā)生孿生變形。圖2-39孿生過程示意圖（密排六方金屬常以孿生方式變形；體心立方金屬只有在低溫拉伸或受到?jīng)_擊載荷時才發(fā)生孿生變形；面心立方金屬容易滑移變形一般不發(fā)生孿生變形。）二、多晶體的塑性變形實際金屬塑性變形的實質(zhì)

塑性變形的實質(zhì)就是：許多晶粒內(nèi)變形（滑移）的綜合效果，而晶粒間則產(chǎn)生滑動和轉(zhuǎn)動。

晶內(nèi)變形——晶粒內(nèi)部的滑移變形晶間變形——晶粒間的移動和轉(zhuǎn)動三、多晶體的塑性變形的影響因素（一）晶界及晶粒取向的影響1、晶界處原子排列紊亂，滑移抗力大。2、各個晶粒的位向不同，將使得各個晶粒的變形有先有后。但是，只有各個晶粒相互協(xié)調(diào)才能變形。（二）晶粒大小對變形的影響金屬晶粒越小，單位體積中的晶界面積越大，并且不同位向的晶粒越多，因而金屬的塑性變形抗力越大，金屬的強度也就越高。四、塑性變形后金屬的組織與性能（一）位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化加工硬化（冷作硬化）：金屬在變形后強度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。注：塑性變形主要是通過位錯實現(xiàn)的，主要是位錯密度增加。1．纖維組織金屬發(fā)生塑性變形時，金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀，這種結構稱纖維組織。（二）冷塑性變形引起的各向異性1、形成纖維組織2、產(chǎn)生變形織構鍛造比越大，纖維組織就越明顯。纖維組織具有各向異性的特點，使金屬材料平行于纖維方向的塑性、韌性提高，抗拉強度增加；垂直于纖維方向的塑性、韌性下降，但抗剪能力提高。纖維組織穩(wěn)定性很高，即使用熱處理也不能消除，只有通過鍛壓使金屬變形，才能改變纖維組織的方向和形狀。實際使用時，應使零件所受的最大拉應力與纖維方向一致，最大切應力與纖維方向垂直。2、變形織構：晶粒位向有序化結構。變形織構是金屬拉拔或軋制過程的塑性變形使得金屬晶粒方向由原來的任意取向變成與拉拔或軋制方向一致（平行）的組織。變形織構的出現(xiàn)也會導致材料呈現(xiàn)各向異性，材料在各個方向的機械性能不一樣。

（三）產(chǎn)生殘余內(nèi)應力

殘余內(nèi)應力——平衡于金屬內(nèi)部的應力，由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。金屬表層和心部變形不均勻－－宏觀內(nèi)應力；相鄰晶粒變形不均勻－－微觀內(nèi)應力；位錯等缺陷造成晶格畸變應力－－變形強化原因。●殘余內(nèi)應力的危害

◆引起零件的變形甚至開裂。

◆降低耐蝕性●殘余內(nèi)應力的消除或降低

——去應力退火2.4.2變形金屬在加熱時組織和性能的變化金屬冷變形后：內(nèi)能升高（儲存能升高）處于不穩(wěn)定狀態(tài)并存在轉(zhuǎn)變趨勢低溫時轉(zhuǎn)變不易實現(xiàn)加熱可使變形金屬的組織與性能趨于穩(wěn)定溫度升高，變形金屬發(fā)生如下變化：回復→再結晶→晶粒長大保持加工硬化，消除內(nèi)應力。如冷卷彈簧進行去應力退火。

消除加工硬化，提高塑性。再結晶速度取決于加熱溫度和變形程度。再結晶是一個形核、長大過程。一、回復：T回=（0.25-0.3)T熔加熱溫度較低；原子活動能力不大；變形金屬的顯微組織不發(fā)生顯著變化；加工硬化后的強度和硬度基本不變，塑性回升；殘余內(nèi)應力基本消除。物理、化學性能基本恢復到變形前的情況。注：晶格畸變減少（位錯、空位減少等）。二、再結晶：T再=0.4T熔

加熱溫度較高；變形金屬顯微組織發(fā)生顯著變化；晶粒轉(zhuǎn)變成均勻細小的等軸晶粒；這一過程類似結晶過程，也是通過形核和長大的方式完成的，故稱為“再結晶”注：1、再結晶前后晶粒的晶格類型不變、化學成分不變，只改變晶粒形狀，因此再結晶不發(fā)生相變。2、再結晶不是在恒溫下進行的，而是在一定的溫度范圍進行。影響變形金屬再結晶的因素1、溫度

加熱溫度越高，再結晶轉(zhuǎn)變速度就越快，需要時間就短2、變形程度

變形越大，儲存能就多，再結晶驅(qū)動力就大，再結晶溫度就越低3、微量溶質(zhì)原子溶質(zhì)或雜質(zhì)原子與位錯、晶界存在交互作用，對位錯的運動和晶界的遷移起到阻礙作用，再結晶的溫度就要升高4、原始晶粒尺寸晶粒越細，變形抗力越大，冷變形后儲存能就越多，再結晶溫度越低。特點：經(jīng)過再結晶的金屬強度、硬度下降。塑性、韌性上升，所有性能回復到變形前的水平。再結晶溫度高低：主要決定于變形程度。變形程度越大，晶體的缺陷越多，組織就越不穩(wěn)定，再結晶溫度越低。圖2-42金屬再結晶溫度與其預變形程度的關系三、晶粒長大隨著溫度升高或保溫時間延長，晶粒會繼續(xù)長大，金屬晶界的總面積減少，金屬能量降低。（通過大晶粒吞并小晶粒、晶界遷移來實現(xiàn)的）晶粒長大對金屬的力學性能是不利的，它會使金屬的塑性、韌性明顯下降，所以要避免晶粒長大。四、影響再結晶后晶粒尺寸的主要因素1）加熱溫度和保溫時間晶粒的長大速度與加熱溫度有關，溫度越高，晶粒長大越快，保溫時間越長，晶粒越粗大。2）變形程度對晶粒尺寸的影響變形程度很小時不會發(fā)生再結晶當達到2%-10%時，再結晶后的晶粒特別粗大，這個變形程度稱為臨界變形程度。超過臨界變形程度后，隨著變形量增大，再結晶后的晶粒越來越細；當變形程度大于95%后，又會出現(xiàn)再結晶后晶粒粗大。2.4.3金屬的冷、熱變形加工一、冷、熱加工的概念及特征二、金屬熱加工時組織和性能的變化1）可改變金屬材料內(nèi)部夾雜物的形狀及分布情況，形成“流線”2）細化晶粒3）焊合氣孔、疏松，消除成分不均勻4）熱加工時金屬塑性好5）熱加工時金屬表面有氧化熱加工冷加工概念在再結晶溫度以上的塑性變形（熱變形）在再結晶溫度以下的塑性變形（冷變形）特征金屬材料產(chǎn)生的加工現(xiàn)象能被消除，且變形抗力小，加熱可提高材料塑性材料有加工硬化現(xiàn)象、變形抗力大、低塑性材料變形困難加工硬化的實際意義利:強化金屬的重要途徑；提高材料使用安全性；

弊：變形阻力提高，給金屬的進一步塑性變形帶來困難,動力消耗增大；

塑性下降，脆斷危險性提高。塑性變形對金屬組織和性能的影響變形類型工藝方法組織變化性能變化冷變形加工冷軋、拉拔、冷擠壓、冷沖壓、冷鐓等晶粒沿變形方向伸長，形成冷加工纖維組織趨于各向異性晶粒破碎，形成亞結構，位錯密度增加強度提高，塑性下降，造成加工硬化，密度下降冷拉、冷軋等晶粒位向趨于一致，形成變形織構趨于各向異性熱變形加工自由鍛、模鍛、熱軋、熱擠壓等焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松等缺陷力學性能提高，密度提高擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析減少，晶粒細化夾雜物沿變形方向伸長，形成流線組織，緩慢冷卻可形成帶狀組織趨于各向異性，沿流線方向力學性能提高三、金屬變形程度常用鍛造比表示Y=F0/FF0表示變形前面積

F表示變形后面積鋼錠Y=2-3合金鋼Y=3-4高速鋼Y=5-12四、冷、熱變形比較

熱變形特點：（1）均勻、細化晶粒（2）消除加工硬化（3）相對高溫、塑性好（4）氧化嚴重（5）精度差（6）設備貴，維修費高

冷變形特點：（1）相對低溫（2）精度、表面質(zhì)量好（3）硬度、強度高（4）材料有方向性（5）設備貴，存在殘余應力，易產(chǎn)生裂紋。第三章鐵碳合金第三章：鐵碳合金

概述

3.1鐵碳合金及其相圖

3.2碳鋼

3.3鑄鐵CompanyLogo概述1、鋼和鑄鐵都是鐵和碳的合金，是工業(yè)上應用最廣泛的重要金屬材料。2、含碳量為0.0218%~2.11%的稱為鋼3、含碳量為2.11%~6.69%的稱為鑄鐵。4、不特意加入合金元素的鋼稱為碳素鋼（碳鋼）;5、特意加入一種或數(shù)種一定量合金元素的鋼稱為合金鋼。返回

3.1鐵碳合金及其相圖3.1.1純鐵及其特性

3.1.2鐵碳合金的基本相

3.1.3鐵碳合金相圖

3.1.4鐵碳合金相圖的應用3.1.1純鐵及其特性鐵(Fe)是過渡族元素，熔點為1538℃，密度是7.87g/cm3。

純鐵的強度、硬度低，塑性好。純鐵（工業(yè)純鐵）：含碳量<0.0218%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=128～160J/cm2HBS=50～80圖3-1純鐵的冷卻曲線及晶體結構變化返回

純鐵在1538℃—體心立方晶格—δ鐵（δ-Fe）冷卻到1394℃—面心立方晶格—γ鐵（γ-Fe）冷卻到912℃—體心立方晶格—α鐵（α-Fe）如繼續(xù)冷卻，晶格類型不再發(fā)生變化，若加熱則會發(fā)生相反的變化。同素異晶（構）轉(zhuǎn)變：金屬具有在不同溫度晶體結構不同的特性，晶格類型隨溫度的改變而改變。如鐵、鈦、鈷等純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變過程可概括為：δ-Fe

1394℃

γ-Fe912℃

α-Fe。1、同素異晶轉(zhuǎn)變時，有結晶潛熱產(chǎn)生，同時也遵循晶核形成和長大的結晶規(guī)律，與液態(tài)金屬的結晶相似，故又稱為重結晶。2、在純鐵中溶入其他溶質(zhì)元素時，隨溫度的改變會有不同的固溶體產(chǎn)生，這些固溶體是鋼鐵材料的基本組織，因此，工程中才有可能通過不同的熱處理來改變鋼鐵的組織和性能。同素異晶轉(zhuǎn)變對鐵碳合金的影響

3.1.2鐵碳合金的基本相1.鐵素體（F）定義：碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體晶格結構：體心立方晶格碳溶解度：0.0218%（727℃），0.0057%（600℃），0.0008%（室溫）性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaHBS=50～80δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=160～200J/cm2鐵素體室溫時的性能與純鐵相似顯微鏡下觀察，鐵素體呈灰色并有明顯大小不一的顆粒形狀，晶界曲折。圖3-2鐵素體的顯微組織示2、奧氏體（A）定義：碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體（高溫組織）晶格結構：面心立方晶格溶解度：0.77%(727℃)-2.11%(1148℃)溫度范圍：727℃-1495℃性能：σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%高塑性、無磁性奧氏體塑性、韌性好強度、硬度較低常將工件加熱到奧氏體狀態(tài)進行鍛造。奧氏體的顯微組織與鐵素體相似，呈多邊形晶粒，但晶界較鐵素體平直圖3-3奧氏體的顯微組織示意圖3、滲碳體（Fe3C）定義：Fe與C形成的金屬化合物晶格結構：復雜正交性能：HBS=800δ≈0ψ≈0

硬而脆→鋼中強化相（耐磨性好）

Fe3C3Fe+C（石墨）弱的鐵磁性(<230℃)高溫滲碳體常以片狀、球狀、網(wǎng)狀等形式與其他相共存，是鋼中的主要強化相，其形態(tài)、大小、數(shù)量和分布對鋼的性能有很大影響。

珠光體（P）-共析產(chǎn)物定義：F與Fe3C所形成的機械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPaHBS=180δ≈20%～25%ak=30～40J/cm2

綜合性能提升補充：鐵碳合金的派生組織

萊氏體（Ld或Le）－共晶產(chǎn)物定義：A與Fe3C所形成的機械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的固相同時轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結構完全不同的新固相的過程。共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的液相同時轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結構完全不同的新固相的過程。γβα共析轉(zhuǎn)變：γ→α+β轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織Lβα共晶轉(zhuǎn)變：L→α+β轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共晶組織注意：共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別亞共析鋼過共析鋼共析鋼亞共晶鑄鐵過共晶鑄鐵共晶鑄鐵奧氏體鐵素體珠光體萊氏體滲碳體鑄鐵鋼符號表示概念性能相固相固溶體鐵素體F碳溶于α－Fe中的間隙固溶體具有良好的塑性和韌性，但強度硬度不高奧氏體A碳溶于γ－Fe中的間隙固溶體與溶碳量和晶粒大小有關，硬度較低而塑性較高，易于鍛壓成形金屬化合物滲碳體Fe3C具有復雜晶格的間隙化合物硬度很高而塑性和韌性幾乎為零，脆性極大液相L基本組織：

單相組織:F、A、Fe3C

萊氏體Ld:(A＋Fe3C)在共晶點上得到,

塑性韌性很差,是硬而脆的組織

變態(tài)萊氏體(Ld′):P＋Fe3C

珠光體P:(F＋Fe3C)在共析點上得到，具有良好的力學性能鐵碳合金的基本相和組織3.2碳

鋼3.2.1含碳量對鋼的組織和性能的影響

3.2.2雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響

3.2.3碳鋼的分類、牌號、性能及應用3.2.1含碳量對鋼的組織和性能的影響CompanyLogoF圖3-17含碳量對鋼組織和力學性能的影響CompanyLogo返回

3.2.1含碳量對鋼的組織和性能的影響亞共析鋼:隨著含碳量的增加，組織中的珠光體比例增加，鐵素體比例減少，所以，它的強度、硬度隨之增加，而塑性、韌性則下降。過共析鋼:隨著含碳量的增加，晶界上的二次滲碳體越來越多，并且逐漸形成連續(xù)的網(wǎng)狀滲碳體。含碳量在0.9%以下，形成的網(wǎng)狀滲碳體還不連續(xù)時，鋼的強度隨含碳量的增加而增加；當含碳量大于0.9%并形成連續(xù)網(wǎng)狀滲碳體時，鋼的強度開始下降。⒊含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好鑄造焊縫組織模鍛切削加工3.2.2雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響1.各種雜質(zhì)元素的來源2.雜質(zhì)元素的種類3.各種雜質(zhì)元素的作用4.各種雜質(zhì)元素的含量錳、硅、硫、磷1.錳(Mn:0.8%時為雜質(zhì))來自煉鋼原料（生鐵和脫氧劑錳鐵）有益元素a.錳有較好的脫氧能力，可使鋼中的FeO還原成鐵，改善鋼的質(zhì)量；b.錳與硫能生成MnS，以減輕硫的有害作用；c.錳大部分溶于鐵素體中產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強度和硬度，一部分錳能溶于滲碳體中形成合金滲碳體。碳鋼中wMn=0.25％～0.8%當錳含量不高時，對鋼性能影響不大。2.硅來自:生鐵和脫氧劑有益元素a.與鋼液中的FeO生成爐渣，消除FeO對鋼質(zhì)量的影響；b.強化鐵素體，產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強度和硬度。c.增加鋼液流動性鎮(zhèn)靜鋼（用鋁、硅鐵和錳鐵脫氧的鋼）中wＳi=0.1%-0.4%，沸騰鋼（只用錳鐵脫氧）中wＳi=0.03%-0.07%當含硅量不高時，對鋼性能影響不大。CompanyLogo3.硫來源：礦石和燃料有害元素硫不溶于鐵，以FeS的形式存在于鋼中。FeS與Fe形成低熔點共晶體，熔點為958℃，分布在奧氏體晶界上，當鋼在1000℃～1200℃進行熱加工時，由于晶界處共晶體熔化，導致鋼開裂，產(chǎn)生熱脆。

鋼中的硫應控制在0.045%以下Mn可消除硫的有害作用。

FeS+Mn→Fe+MnS，

MnS熔點高(1620℃)4.磷磷是由礦石帶入鋼中的全部溶于鐵素體中，提高鋼的強度、硬度，但使塑性、韌性急劇下降，尤其在低溫時更為嚴重，這種現(xiàn)象稱為冷脆。磷是鋼中有害元素，

一般控制在0.045%以下。硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)，煉鋼是要盡量降低它們的含量。但有時為了改善鋼的切削加工性，降低零件的表面粗糙度，鋼中的硫、磷含量可適當提高，同時也適當提高含錳量。這種含硫、磷、錳較高，并有良好切削加工性的鋼稱為“易切削鋼”。3.2.3碳鋼的分類、牌號、性能及應用1）按鋼的含碳量分類（1）低碳鋼：0.0218%＜wc＜0.25%。（2）中碳鋼：0.25%≤wc≤0.6%。（3）高碳鋼：0.6%＜wc≤2.11%。CompanyLogo1.碳鋼的分類2）按鋼的主要質(zhì)量等級分類碳素結構鋼碳素鋼筋鋼鐵道用一般碳素鋼嚴格控制質(zhì)量和性能不需要特別控制質(zhì)量控制晶粒度降低硫、磷含量改善表面質(zhì)量機械結構用優(yōu)質(zhì)碳鋼沖壓薄板低碳結構鋼焊條用碳鋼優(yōu)質(zhì)鑄造碳鋼控制淬透性純潔度保證淬透性碳鋼碳素彈簧鋼碳素工具鋼普通質(zhì)量碳鋼特殊質(zhì)量碳鋼優(yōu)質(zhì)碳鋼特別控制質(zhì)量3）按鋼的用途分類機械零件和工程構件一般屬于低、中碳鋼刃具、量具和模具一般屬于高碳鋼碳素結構鋼碳素工具鋼按冶煉方法:轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼按冶煉時脫氧程度:沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼等其他分類方法2.碳鋼的牌號、性能和應用

1）普通碳素結構鋼按GB700—1988規(guī)定碳素結構鋼牌號由Q（123）（A-D）5；（123屈服點數(shù)值最大值約275MPa、（A-D）質(zhì)量等級、5脫氧方法）質(zhì)量等級:A（wＳ＝0.050%、wＰ＝0.045%）B（wS＝0.045%、wP＝0.045%）C（wS＝0.040%、wP＝0.040%）D（wS＝0.035%、wP＝0.035%）脫氧方法用漢語拼音字首表示：“F”—沸騰鋼、“b”—半鎮(zhèn)靜鋼“Z”—鎮(zhèn)靜鋼、“TZ”—特殊鎮(zhèn)靜鋼（“Z”和“TZ”可省略）例如Q235A表示σs＝235MPa，質(zhì)量等級為A級的碳素結構鋼。

附表2。Q195鋼、Q215鋼：有一定的強度，塑性好制作薄板（如鍍鋅薄鋼板）、鋼筋、沖壓件、鉚釘、地腳螺栓、開口銷和煙筒等，也可代替08F鋼、10鋼制作沖壓件和焊接結構件。CompanyLogoQ235鋼：強度較高制作鋼筋、鋼板、農(nóng)業(yè)機械用型鋼和不重要的機械零件，如拉桿、連接、轉(zhuǎn)軸等。Q235–C鋼、Q235–D鋼質(zhì)量較好，可制作重要的焊接結構件。Q255鋼、Q275鋼：強度高、質(zhì)量好制作建筑、橋梁等工程上質(zhì)量要求較高的焊接結構件，以及摩擦離合器、主軸、剎車鋼帶、吊鉤等。附表2碳素結構鋼牌號、化學成分和力學性能（摘自GB700—88）

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沸騰鋼:脫氧不完全的碳素鋼。一般用錳鐵和少量鋁脫氧后，鋼水中還留有高于碳氧平衡的氧量，與碳反應放出一氧化碳氣體。因此，在澆注時鋼水在鋼錠模內(nèi)呈沸騰現(xiàn)象，故稱為沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼:鎮(zhèn)靜鋼為完全脫氧的鋼。通常鑄成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰。由于錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時作補充鋼液用），這節(jié)帽頭在軋制開坯后需切除，故鋼的收得率低，但組織致密，偏析小，質(zhì)量均勻。優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼為脫氧較完全的鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，澆注時有沸騰現(xiàn)象，但較沸騰鋼弱。這類鋼具有沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼的某些優(yōu)點，在冶煉操作上較難掌握，但是碳素鋼中此類鋼是值得提倡和發(fā)展的。澆注前經(jīng)過中等程度脫氧處理，使鋼水在凝固過程中保持一定沸騰的鋼。脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。半鎮(zhèn)靜鋼的許多性能、特點，如鋼錠的純潔度、成分偏析、成材率、沖擊韌性、冷沖壓性能、焊接性能等都在鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。這種鋼含碳量一般低于0.25%的低碳鋼，可作為普通或優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼使用。半鎮(zhèn)靜鋼表示方法是在鋼號后面加字母b，如10b，25b等。2）優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼這類鋼中有害雜質(zhì)元素磷、硫受到嚴格限制，非金屬夾雜物含量較少，塑性和韌性較好，主要制作重要的機械零件。牌號用兩位數(shù)表示，表示鋼中平均含碳量的萬分數(shù)如40鋼：表示平均wＣ=0.40%的優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。鋼中含錳量較高（WMn=0.7%～1.2%）時，在數(shù)字后面附以符號“Mn”如65Mn鋼：表示平均WＣ=0.65%，并含有較多錳（WMn=0.9%～1.%）的優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。按使用加工方法分為高級優(yōu)質(zhì)鋼在數(shù)字后面加“A