金屬材料及加工工藝新編21世紀(jì)高等職業(yè)教育精品教材·裝備制造類

不同成分的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使同一種材料，在不同的條件下其力學(xué)性能也是不同的。材料力學(xué)性能的這些差異，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。金屬材料的內(nèi)部是怎樣的結(jié)構(gòu)？其是怎樣形成的？怎樣通過(guò)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改善外部性能？自然界中絕大多數(shù)（少數(shù)特殊冷卻條件下的金屬材料是非晶體）的金屬材料固態(tài)下的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有鮮明特點(diǎn)-原子規(guī)則排列，即為晶體（晶體、非晶體？）。研究金屬材料首先就應(yīng)從晶體結(jié)構(gòu)開(kāi)始，了解金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)金屬性能的影響，做到合理選擇和加工金屬材料。

固體物質(zhì)按原子排列的特征分為:

晶體:原子排列有序,規(guī)則,固定熔點(diǎn),各向異性。

非晶體:原子排列無(wú)序,不規(guī)則,無(wú)固定熔點(diǎn),各向同性。

如:金屬,金剛石—晶體

玻璃,松香瀝青—非晶體。思政融入

：金屬材料外部性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的啟示——外在取決于內(nèi)在

金屬材料的機(jī)械性能不同緣于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，常溫下的鐵為體心立方晶格結(jié)構(gòu)、銅

為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，鎂為密排六方晶格結(jié)構(gòu)。

外在取決于內(nèi)在，這是自然界的普遍規(guī)律。一個(gè)人外在的表現(xiàn)和結(jié)果是由其內(nèi)在的思想、情感和態(tài)度所決定的。

思想決定行為：一個(gè)人的思想、信念和價(jià)值觀會(huì)直接影響其行為和決策。例如，一個(gè)

積極樂(lè)觀的人更容易促成積極的結(jié)果，而消極悲觀的人則更容易遇到負(fù)面情況。

情感影響人際關(guān)系：一個(gè)人的情感狀態(tài)會(huì)影響其與他人的互動(dòng)。開(kāi)放的心態(tài)更容易建

立和諧的人際關(guān)系，而封閉的心態(tài)則可能導(dǎo)致孤立和沖突。

態(tài)度決定生活質(zhì)量：對(duì)待生活的態(tài)度直接影響生活質(zhì)量。積極的態(tài)度會(huì)使人更容易感

到幸福和滿足，而消極的態(tài)度則可能導(dǎo)致不滿和困擾。

知識(shí)目標(biāo)：掌握金屬材料的實(shí)際的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。熟悉純金屬結(jié)晶過(guò)程中的變化。熟悉金屬材料的細(xì)化晶粒的措施。能力目標(biāo)：能夠分析晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響。能夠分析純金屬的結(jié)晶過(guò)程。重點(diǎn)：三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶后晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響難點(diǎn)：實(shí)際的金屬晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境二：金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶任務(wù)1：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶任務(wù)1：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

要學(xué)習(xí)金屬的晶體結(jié)構(gòu)，首先需要明確晶體結(jié)構(gòu)中的一些基本術(shù)語(yǔ)：一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)1.晶格:為了便于分析晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，將原子假想為一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)代表原子的中心。用假想的直線把這些點(diǎn)在三維方向連接起來(lái)，便形成一個(gè)空間格子，叫做晶格。2.結(jié)點(diǎn):晶格中每個(gè)點(diǎn)叫結(jié)點(diǎn)。注意：實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)并非如此，為便于分析而假想的。

由于晶體中的原子排列具有周期性的規(guī)律，在研究各種金屬的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，一般選取能夠反映晶格特征的最小組成（一個(gè)周期）來(lái)研究就可以了。3.晶胞:晶格的最小幾何單元叫做晶胞，它能代表整個(gè)晶格的原子排列規(guī)律。

金屬晶體結(jié)構(gòu)的不同，在于晶胞的大小和形狀不同。形狀（晶格類型-3種），晶胞大小的由晶格常數(shù)表示。4.晶格常數(shù):即晶胞的三條棱邊長(zhǎng)度a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ六個(gè)參數(shù)來(lái)表示。長(zhǎng)度以埃(1埃=10-10m)(單位認(rèn)識(shí)：1納米10-9m;1絲，1道，1條，0.01mm)度量。注意：金屬晶體結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于晶格類型和晶格常數(shù).晶胞-晶胞的大小和形狀。三種常見(jiàn)的金屬的晶格類型：

當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，晶軸間夾角α=β=γ=900時(shí)，稱這種晶胞為簡(jiǎn)單立方晶胞。具有簡(jiǎn)單立方晶胞的晶格叫簡(jiǎn)單立方晶格。知識(shí)拓展：計(jì)算：體對(duì)角線上的兩個(gè)原子間距最近，原子半徑？致密度？個(gè)數(shù)：2原子體積2*4/3*πR3晶胞體積：a30.685.原子半徑:金屬晶體中最鄰近的原子間距的一半。6.致密度：金屬晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)（原子體積/晶胞體積）。反映原子在晶格中排列的緊密程度。二、常見(jiàn)晶格類型

絕大多數(shù)的金屬屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。1.體心立方晶格（1）其晶胞形狀為立方體，a=b=c，α=β=γ=90°(2）原子分布在立方晶體的各個(gè)結(jié)點(diǎn)及體心。

(3）屬于這類的金屬有：α-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo鉬、K、Na等。原子半徑？原子數(shù)？致密度？20.682.面心立方晶胞

（1）其晶胞為立方體，a=b=c，α=β=γ=90°。（2）原子分布在立方體的各個(gè)結(jié)點(diǎn)及各面的中心處。（3）屬于這類的金屬有：Cu

Ag

Au

Ni

AlPb

γ-Fe

原子半徑？原子數(shù)？致密度？40.743.密排六方晶格（1）其晶胞形狀為六方柱體。（2）原子分布在各個(gè)結(jié)點(diǎn)及上下兩個(gè)正六方面的中心，另外在六方柱體中心還有三個(gè)原子。（3）屬于這類金屬的有：MgZnBe鈹

β-Crα-TiCd(鎘）等。原子半徑？原子數(shù)？致密度？a/260.74三、金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)理想化的晶體結(jié)構(gòu)-周期性的規(guī)則排列，稱單晶體。實(shí)際應(yīng)用中，只有通過(guò)專門(mén)的加工，才能獲得。工程上實(shí)際使用的金屬材料一般是多晶體結(jié)構(gòu)。

單晶體-晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。多晶體—許多內(nèi)部晶格位向一致的小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)。（小晶體-晶粒，晶界，晶粒內(nèi)部基本一致，之間不同。）（晶塊，亞晶界）晶?！庑尾灰?guī)則而內(nèi)部晶格位向基本一致的小晶體。晶界—晶粒之間的界面。三種典型晶格類型是晶體結(jié)構(gòu)的理想類型，實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)與之有所差異。2.實(shí)際的晶體缺陷1）點(diǎn)缺陷3）面缺陷實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)是多晶體結(jié)構(gòu)。而且在多晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在很多缺陷。晶體缺陷-由于受到各種因素的影響，使得實(shí)際金屬原有規(guī)律的原子排列方式受到干擾，這種原子排列不規(guī)則的部位和區(qū)域稱為金屬的晶體缺陷。2）線缺陷實(shí)際的晶體缺陷1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙和置換原子注意：晶格畸變（點(diǎn)缺陷使周圍原子發(fā)生相互擠攏-空位或撐開(kāi)-間隙）實(shí)際的晶體缺陷2）線缺陷：即位錯(cuò)，在晶體中，有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)（如同刀刃插入晶體）。注意：位錯(cuò)線一定范圍內(nèi)，晶格畸變。位錯(cuò)在晶體內(nèi)很容易移動(dòng)，金屬的塑性變形就是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。3）面缺陷：晶體中呈面狀分布的缺陷，主要指晶界和亞晶界，在晶界處，原子排列不規(guī)則，從一種位向逐步過(guò)渡到另一種位向，晶格明顯畸變。后果：缺陷導(dǎo)致晶格畸變，導(dǎo)致的后果是材料的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低，形成一種強(qiáng)化效應(yīng)。四、金屬的結(jié)晶

金屬實(shí)際的這種晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶過(guò)程有著密切的關(guān)系。1.結(jié)晶何謂結(jié)晶？結(jié)晶和凝固有何關(guān)系？凝固：由液態(tài)變成固態(tài)的過(guò)程。結(jié)晶：得到的固態(tài)是晶體，就稱為結(jié)晶。（絕大多數(shù)的金屬材料）2.純金屬結(jié)晶過(guò)程：純金屬的結(jié)晶過(guò)程通常采用熱分析法進(jìn)行研究。先將純金屬加熱并熔化成液體，然后極其緩慢地冷卻。在冷卻過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間測(cè)量一次溫度，將記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)描繪在溫度—時(shí)間坐標(biāo)圖中，便可獲得純金屬的冷卻曲線。三個(gè)階段三個(gè)階段：1.液態(tài)金屬隨著時(shí)間的的推移，由于熱量不斷向外散失，溫度隨之不斷下降。2.當(dāng)冷卻至a點(diǎn)時(shí)，液態(tài)金屬開(kāi)始結(jié)晶。在結(jié)晶過(guò)程中由于不斷釋放出結(jié)晶的潛熱，以此補(bǔ)償散失在空氣中的熱量，使結(jié)晶過(guò)程中的溫度不會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，直至b點(diǎn)結(jié)晶結(jié)束后，溫度才繼續(xù)下降。3.液態(tài)金屬隨著時(shí)間的的推移，由于熱量不斷向外散失，溫度繼續(xù)下降，直到室溫。注意：過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度（實(shí)際結(jié)晶溫度-T1低于理論結(jié)晶溫度-T0，因極其緩慢冷卻）過(guò)冷度并不是一個(gè)恒定值，過(guò)冷度的大小與冷卻速度、金屬的性質(zhì)及純度有關(guān)。冷卻速度越快，過(guò)冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，結(jié)晶過(guò)程越滯后。純金屬在恒溫下結(jié)晶。

五、純金屬結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程：

原子團(tuán)

形核

晶核長(zhǎng)大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則，內(nèi)部規(guī)則排列的小晶體）

在純金屬的結(jié)晶過(guò)程，多晶體結(jié)構(gòu)是怎樣形成的？?jī)?nèi)部變化？注意：形核：自發(fā)（某些原子自發(fā)聚集）和非自發(fā)（依附雜質(zhì)和型壁，主導(dǎo)作用）晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大是同時(shí)進(jìn)行的。（長(zhǎng)大的同時(shí)，新核在形成。）呈樹(shù)枝狀長(zhǎng)大-枝晶。（樹(shù)干，分枝，填滿各枝的空間。散熱快的部位長(zhǎng)的快。）4.晶粒的大小和力學(xué)性能有著直接關(guān)系。金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度、塑性、韌度越高。因此，有效地控制金屬結(jié)晶時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，就可以提高金屬的力學(xué)性能。細(xì)化晶粒的方法增加冷卻速度，增大過(guò)冷度；（因?yàn)樾魏寺屎秃碎L(zhǎng)大速度都隨過(guò)冷度增大而增大，但在很大的范圍內(nèi)形核率比晶核長(zhǎng)大速度增長(zhǎng)更快

）增加外來(lái)晶核;（變質(zhì)處理-液態(tài)金屬在結(jié)晶前，往金屬液中加入一定量的細(xì)小的形核劑（變質(zhì)劑或孕育劑）作為人工晶核，使形核率明顯增加。）采用機(jī)械、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等；（在金屬結(jié)晶過(guò)程中，采取此措施，可以破碎正在長(zhǎng)大的枝晶，得到更多的結(jié)晶核心。）

任務(wù)實(shí)施：

實(shí)際使用的工業(yè)金屬材料，內(nèi)部為由許多晶粒組成多晶體結(jié)構(gòu)，主要是由結(jié)晶過(guò)程形成的，外部力學(xué)性能與內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部晶粒的大小有著密切的關(guān)系。內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)形式不同，材料的外部性能就不同，在室溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和韌度越高。有效地控制金屬結(jié)晶時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，可以提高金屬的力學(xué)性能。工業(yè)上為了獲得較好的力學(xué)性能，通常采用的增加過(guò)冷度、振動(dòng)處理、變質(zhì)處理等方法細(xì)化晶粒。

在工程上實(shí)際中，純金屬(舉例)應(yīng)用很少，大部分金屬材料是合金(舉例)

？為什么？純金屬的力學(xué)性能較低而成本較高。合金相對(duì)，而且合金可以按不同需要配制成不同的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能的材料，因而得到廣泛的應(yīng)用。何謂合金？其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？其性能特點(diǎn)是怎樣的？鋼鐵被稱為工業(yè)生產(chǎn)的“脊梁”？鋼鐵為什么應(yīng)用這么廣泛？任務(wù)引入任務(wù)二：合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶知識(shí)目標(biāo)：熟悉合金的結(jié)晶過(guò)程中的成分和組織變化。掌握二元?jiǎng)蚓鄨D。能力目標(biāo)：能夠分析合金相結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。能運(yùn)用強(qiáng)化機(jī)理提高合金性能。重點(diǎn)：合金的組織種類難點(diǎn)：合金結(jié)晶過(guò)程中的變化一、合金的基本術(shù)語(yǔ)1.合金：由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素），通過(guò)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如普通黃銅（？元素）、碳鋼和鑄鐵（？元素）。2.組元：組成合金的最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)，簡(jiǎn)稱“元”。在大多數(shù)情況下，組元是合金的組成元素或是某些穩(wěn)定的化合物（很少）。幾個(gè)組元組成的合金幾元合金，如普通黃銅-二元合金，硬鋁-（鋁、銅、鎂）三元合金。3.合金系：由兩個(gè)或兩個(gè)以上給定的組元，按不同比例配制出一系列成分不同、性能不同的系列合金，如銅鎳合金系。4.相：相是指在合金中，凡成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開(kāi)的均勻組成部分。例如：純金屬：液態(tài)：?jiǎn)我坏囊合?固態(tài):單一的固相；結(jié)晶：液固兩相共存；合金：?jiǎn)我坏囊合?固態(tài):復(fù)雜，單相或多相。（若合金是由化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成，則屬于單相組成的合金；若合金是由化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒構(gòu)成，則它們將屬于不同的幾種相組成的合金。）相是組織的最基本組成部分。組織？

要學(xué)習(xí)合金的晶體結(jié)構(gòu)，首先需要明確合金中的一些基本術(shù)語(yǔ)：任務(wù)三：合金的晶體結(jié)構(gòu)5.組織：借助金相顯微鏡、電子顯微鏡觀測(cè)到的金屬及其合金的內(nèi)部具有微觀形貌特征的部分。組織是決定材料最終性能的關(guān)鍵，（如某碳鋼淬火，組成不變，改變組織，最終改變相大小、方向、形態(tài)、分布和相對(duì)數(shù)量）（合金往往由多相組成，相的大小、分布、形態(tài)不同時(shí)會(huì)構(gòu)成不同的組織，表現(xiàn)出不同的性能。）組織能反映組成材料的相的大小、方向、形態(tài)、分布和相對(duì)數(shù)量等組成關(guān)系，通過(guò)組織可以了解材料的性能及其變化規(guī)律。二、固態(tài)合金的組織1.固溶體：合金在結(jié)晶時(shí)，一組元溶解在另一組元中，形成均勻的保持其中某一組元的晶體結(jié)構(gòu)的新相。（單相組織，溶劑-保持原有晶格的組元，溶質(zhì)-晶格結(jié)構(gòu)消失的組元。如鐵素體-鐵。）種類：置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。（當(dāng)A、B兩個(gè)組元的原子直徑相差不大時(shí)，兩個(gè)組元可以以任何比例溶解，形成無(wú)限固溶體-銅鎳，即溶質(zhì)可以任何比例置換溶劑晶格中的原子，其溶解度可達(dá)100%；反之則為有限固溶體-銅鋅，Zn%超過(guò)39%，出現(xiàn)新相。）

間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。例如：鐵素體、奧氏體。注意：固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入固溶體發(fā)生晶格畸變，結(jié)果使合金的強(qiáng)度、硬度有所增高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化效果：固溶體中溶入的溶質(zhì)原子量越多，晶格畸變?cè)絿?yán)重，固溶強(qiáng)化的作用就越明顯。適當(dāng)控制：實(shí)踐證明，當(dāng)固溶體中的溶質(zhì)原子含量適當(dāng)時(shí)，能顯著提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)塑性和韌性幾乎不變。

固態(tài)合金的組織2.金屬化合物合金組元之間相互發(fā)生化合作用而生成的一種具有金屬特性的新相稱為金屬化合物。單相組織。舉例：Fe3C

特點(diǎn)：

1）其晶格類型和性能不同于任一組元，晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

2）熔點(diǎn)高，硬(刻劃玻璃)而脆（脆性太大，一般不單獨(dú)使用，當(dāng)多相合金中含有適量的金屬化合物時(shí)，可強(qiáng)化材料。）固態(tài)合金的組織3.機(jī)械混合物由兩種或兩種以上的相以一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成的多相混合物稱為機(jī)械混合物。多相組織特點(diǎn)：

1）各個(gè)相仍保持各自的晶格結(jié)構(gòu)和性能。

2）整體性能取決于組成它的各個(gè)相的性能以及各相的相對(duì)數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等。（機(jī)械混合物的強(qiáng)度、硬度比單一固溶體組織高，塑性、韌性不如單一固溶體。）注意：工程上使用的大多數(shù)合金的組織都是機(jī)械混合物。三、合金的結(jié)晶

1.二元合金相圖的建立合金的結(jié)晶比純金屬?gòu)?fù)雜的多，組成相的成分會(huì)發(fā)生變化，僅僅憑熱力學(xué)研究不清楚，必須借助于相圖。平衡狀態(tài)：合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。相圖用途：①研究合金的相變、組織形成及變化的規(guī)律；②制定熱加工工藝的重要工具。相圖二元合金相圖的分析：

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無(wú)限互溶所構(gòu)成的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D。（共晶，包晶？）屬于該類相圖的合金有Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等。以Cu-Ni合金為例。1、相圖分析A點(diǎn)、B點(diǎn)-熔點(diǎn)，AaB線-液相線；AbB-固相線。液相線以上-“L”；固相線以下-“α”；液固兩相共存區(qū)-“L+α”。2、合金的結(jié)晶過(guò)程：當(dāng)合金以極緩慢速度冷至t1時(shí)，開(kāi)始從液相中析出α，隨著溫度不斷降低，α相不斷增多，而剩余的液相L不斷減少，并且液相和固相的成分通過(guò)原子擴(kuò)散分別沿著液相線和固相線變化。當(dāng)結(jié)晶終了時(shí)，獲得與原合金成分相同的α相固溶體。四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨著溫度或者壓力的變化晶格形式發(fā)生的轉(zhuǎn)變。鐵、鈷、鈦、錫、錳等。發(fā)生怎樣的變化？以鐵為例。α-Fe？γ-Fe？

純鐵的冷卻曲線分析：在1538℃進(jìn)行結(jié)晶時(shí):當(dāng)冷卻到1394℃時(shí):再冷卻到912℃時(shí):為何是平臺(tái)？1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程有相似之處，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了一次重結(jié)晶：轉(zhuǎn)變的過(guò)程也是一個(gè)形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)有過(guò)冷的現(xiàn)象，還有潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段。

注意：

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變，晶格變化時(shí)金屬體積也變化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力等。絕大多數(shù)金屬在固態(tài)下晶格類型不會(huì)變化。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵進(jìn)行熱處理的重要理論依據(jù)。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方

金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義

可以用熱處理的方法即可通過(guò)加熱、保溫、冷卻來(lái)改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的目的。分析：任務(wù)實(shí)施：純金屬的力學(xué)性能較低而成本較高。所以才發(fā)展了合金，合金可以按不同需要配制成不同的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能的材料，因而得到廣泛的應(yīng)用。由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素），通過(guò)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如普通黃銅是由銅和鋅（均為金屬元素）兩種元素組成的合金；碳鋼和鑄鐵則是由鐵和碳（金屬元素與非金屬元素）兩種元素組成的合金。合金的晶體結(jié)構(gòu)有三種類型：固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物。大多數(shù)的合金屬于機(jī)械混合物。通過(guò)調(diào)整合金成分，可以獲得所需的不同的力學(xué)性能。由于鐵儲(chǔ)量豐富且存在著同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，通過(guò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變獲得不同的組織和性能，使得鐵碳合金應(yīng)用很廣泛。

任務(wù)引入：

純鐵（性能、價(jià)格所限），加入碳獲得不同成分的鐵碳合金（鋼和鑄鐵）獲得各種不同性能，不同性能滿足各種不同使用要求，例如：車蓋、齒輪、刀具等，不同性能使鐵碳合金應(yīng)用廣泛，組織是決定材料性能的關(guān)鍵，不同成分的鐵碳合金室溫下分別具有怎樣性能？其化學(xué)成分、組織和性能之間有什么關(guān)系？借助鐵碳合金相圖來(lái)研究。知識(shí)目標(biāo)：熟悉鐵碳合金相圖的各個(gè)點(diǎn)、線、區(qū)的含義。掌握鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律。能力目標(biāo)：能夠分析合金相組成與性能之間的關(guān)系。會(huì)根據(jù)相圖分析合金成分、組織和性能之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)情境二之任務(wù)3鐵碳合金相圖及應(yīng)用重點(diǎn)：鐵碳合金狀態(tài)圖在鑄造、壓力加工、焊接中的應(yīng)用難點(diǎn)：鐵碳合金相圖的理解一、基體：純鐵

工業(yè)純鐵：一般來(lái)講鐵從來(lái)不會(huì)是純的，其中總會(huì)有雜質(zhì)。工業(yè)純鐵中常含有0.10%～0.20%的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)由碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等十幾種元素所構(gòu)成，其中碳約占0.006%～0.02%左右。性能：室溫下強(qiáng)度、硬度較低，具有良好的塑性、韌性。應(yīng)用：很少做機(jī)械零件。（加入碳形成鐵碳合金后獲得不同組織，可做機(jī)械零件。）鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韌性好，強(qiáng)度、硬度低。奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。二、基本組織：

組織是決定材料性能的關(guān)鍵，各種鐵碳合金具有不同的性能，是因?yàn)楦鞣N合金在室溫下獲得不同的組織，（即獲得不同的組成相、及相的大小、形態(tài)、分布、數(shù)量。）1.鐵素體（F）

鐵素體：碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體，它仍保持α-Fe的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于α-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218（727℃），所以是幾乎不含碳的純鐵。性能：由于溶量小，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。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。2.奧氏體（A）

奧氏體：碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體。它保持γ-Fe的面心立方晶格結(jié)構(gòu)。因其晶格間隙較大，所以溶碳能力比鐵素體強(qiáng)，在727℃時(shí)溶碳量為0.77%，1148℃時(shí)溶碳量達(dá)到2.11%。性能：強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼高溫進(jìn)行壓力加工的理想組織。注意：高溫組織由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之間，所以?shī)W氏體也只出現(xiàn)在高溫區(qū)域內(nèi)。顯微鏡觀察，奧氏體呈現(xiàn)外形不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，并有明顯的界限。3.滲碳體（Fe3C）

滲碳體是鐵與碳形成的具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韌性幾乎為零。主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。（質(zhì)量比例少到多，片或球網(wǎng)基體）

Fe3C是一種亞穩(wěn)定化合物，在一定溫度下可分解為Fe和石墨，即：Fe3CFe+C（石墨）顯微鏡下觀察，滲碳體呈銀白色光澤，并在一定條件下可以分解出石墨。4.珠光體（P）

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的共析體（機(jī)械混合物）。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727℃以下溫度范圍內(nèi)存在。力學(xué)性能：介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因此得名。5.萊氏體（Ld）

萊氏體：由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。鐵碳合金中含碳量為4.3%的液體冷卻到1148℃時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成高溫萊氏體（Ld）。合金繼續(xù)冷卻到727℃時(shí)，其中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，故室溫時(shí)由珠光體和滲碳體組成，叫低溫萊氏體（L’d）。統(tǒng)稱萊氏體。性能：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。三、鐵碳合金相圖

滲碳體的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)共析線共析點(diǎn)純鐵的熔點(diǎn)共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線碳在奧氏體中的最大溶解度A3線Acm1.鐵碳合金相圖的建立（成分、溫度、組織、相的變化規(guī)律）

2.鐵碳合金相圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化后的相圖鐵碳合金相圖的建立與簡(jiǎn)化分析：各個(gè)點(diǎn)、線、區(qū)。鋼的選材可以根據(jù)對(duì)零件的要求選擇材料，塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼。強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳鋼。高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼。車蓋：10齒輪：45刀具：T10任務(wù)實(shí)施：典型成分鐵碳合金在室溫下的組織分析共析鋼、亞共析鋼、過(guò)共析鋼、白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫組織和性能。任務(wù)引入：

分析共析鋼、亞共析鋼、過(guò)共析鋼、白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程的成分和組織變化。隨著含碳量的增加，鐵碳合金的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性怎樣變化？并了解鐵碳合金相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵鋼生鐵

含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間；過(guò)共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；含碳量小于0.02%的鐵碳合金。含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過(guò)共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；按含碳量及組織不同，可分為以下3類：

一、鐵碳合金分類：1.共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變2.亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變3.過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變4.共晶生鐵結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變5.亞共晶鐵結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變6.過(guò)共晶鐵結(jié)晶過(guò)程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變二、碳對(duì)組織和性能的影響1.含碳量對(duì)鐵碳合金組織的影響隨著含碳量的增加，F(xiàn)的含量逐漸減少，而Fe3C含量逐漸增加，而且相互組合的形態(tài)也發(fā)生變化。具體地說(shuō)，隨著WC的增加，合金的組織按下列順序發(fā)生變化：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld