項目一

金屬材料的力學(xué)性能項目1金屬材料的力學(xué)性能項目2金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶項目3金屬的塑性變形與再結(jié)晶項目4鐵碳合金及其相圖項目5鋼的熱處理項目6金屬材料的表面熱處理項目7工業(yè)用鋼項目8鑄鐵項目9有色金屬項目10機械零件的失效判定、選材及工藝路線分析項目11熱加工成形技術(shù)基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件工作情景描述

金屬材料力學(xué)性能試驗包括硬度測試、拉伸試驗、沖擊試驗，主要用于測試金屬材料的硬度、強度和塑性，以及韌性的高低。硬度測試使用一般的硬度計，學(xué)生可在觀看教師演示后，自行對不同材料進行硬度測試。拉伸試驗是使用拉伸試驗機在標準試樣承受一定軸向載荷的情況下測定試樣材料特性的一種試驗方法，其操作過程具有一定的技術(shù)含量和危險性，需要在教師指導(dǎo)下完成。沖擊試驗也需在教師指導(dǎo)下，由學(xué)生完成。開動試驗機，緩慢而均勻地增加載荷，仔細觀察測力指針的轉(zhuǎn)動和繪圖裝置繪出的圖像。注意捕捉并記錄屈服載荷值，用以計算屈服強度ReL，在屈服階段注意觀察滑移現(xiàn)象。屈服階段過后，載荷增加速度提高。將要達到最大載荷值時，注意觀察“縮頸”現(xiàn)象。試件斷裂后，立即停車，記錄最大載荷值。學(xué)生接受試驗任務(wù)后，先制訂工作計劃，熟悉硬度計、拉伸試驗機、沖擊試驗機等的使用方法，然后動手進行試驗。在試驗過程中，要掌握金屬材料力學(xué)性能測試的原理及方法，對金屬材料力學(xué)性能的基本概念有一定了解。最后，對整個試驗過程進行總結(jié)。學(xué)習(xí)目標1.掌握本項目的重點知識—金屬材料的力學(xué)性能。2.學(xué)會利用掌握的知識對日常生活中的現(xiàn)象進行分

析思考，對遇到的實際問題進行科學(xué)的解釋。3.能進行力學(xué)性能試驗，并能對試驗結(jié)果進行分析。

任務(wù)一

參觀金屬材料實訓(xùn)室一、學(xué)習(xí)《精密實訓(xùn)室安全管理制度》

參觀金屬材料實訓(xùn)室前，學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)《精密實訓(xùn)室安全管理制度》，其主要內(nèi)容如下。（1）學(xué)生進入實訓(xùn)室前，必須進行安全教育和文明生產(chǎn)教育。（2）進入實訓(xùn)室前，要穿戴好工作服，女同學(xué)要戴好工作帽。（3）實訓(xùn)室內(nèi)的所有儀器設(shè)備，只供實訓(xùn)室專用，私人不得外借。因公借用，需經(jīng)實訓(xùn)室負責人同意，并做好借用登記。（4）儀器設(shè)備由專人保管，定期檢查。儀器設(shè)備要建立統(tǒng)一的賬冊，做到物、賬、卡相符。（5）儀器設(shè)備擺放有條理，做到防塵、防振、防腐蝕、防火和防盜。（6）學(xué)生在進行試驗前應(yīng)明確試驗?zāi)康?，掌握試驗原理、操作步驟和方法。（7）嚴格執(zhí)行儀器設(shè)備的操作規(guī)程，不準盲目使用儀器設(shè)備。儀器設(shè)備的使用說明書要歸檔保管。（8）為提高儀器設(shè)備的利用率并延長其使用壽命，應(yīng)定期對儀器設(shè)備進行檢查和維修。（9）需由專業(yè)人員操作的儀器設(shè)備，其他人員未經(jīng)專業(yè)人員同意不得擅自操作使用。（10）凡使用儀器設(shè)備均應(yīng)執(zhí)行安全操作規(guī)程，遵守管理制度。凡因責任事故，造成儀器設(shè)備損壞和丟失者，除對責任人進行批評教育外，還要責令其賠償相應(yīng)損失。（11）試驗結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)按要求認真做好設(shè)備的清潔保養(yǎng)工作及周圍場地的清潔衛(wèi)生，將儀器設(shè)備和零部件擺放整齊，并關(guān)閉電源。經(jīng)實訓(xùn)指導(dǎo)教師檢查合格后，方可離開。二、認識拉伸試驗

拉伸試驗是利用拉伸試驗機產(chǎn)生的靜拉力或靜壓力，對標準試樣進行軸向拉伸或壓縮，同時連續(xù)測量變化的載荷和試樣的伸長量，直至試樣斷裂或破裂，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計算出試樣的相關(guān)力學(xué)性能指標。當材料在彈性范圍內(nèi)工作時，根據(jù)胡克定律可得出材料的彈性系數(shù)。拉伸試驗機如圖三、7S現(xiàn)場管理規(guī)范1）7S現(xiàn)場管理規(guī)范內(nèi)容1S：整理（Seiri）；2S：整頓（Seiton）；3S：清掃（Seiso）；4S：清潔（Seiketsu）；5S：素養(yǎng)（Shitsuke）；6S：安全（Safety）；7S：節(jié)約（Saving）。2）設(shè)立7S現(xiàn)場管理規(guī)范的目的通過設(shè)立7S現(xiàn)場管理規(guī)范，可以營造一個一目了然、沒有安全隱患的工作環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生和工人良好的工作習(xí)慣。同時也能提高工作效率，生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，減少浪費，節(jié)約物料成本和時間成本。1、通過拉伸試驗機可以測定金屬材料

的什么性能？2、拉伸試驗機的工作原理？

任務(wù)二

基本力學(xué)性能測定任務(wù)引導(dǎo)

課前通過查閱資料，回答如下問題。1.基本知識教學(xué)講解金屬材料的強度和塑性（1）金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力稱為

。按外力的作用性質(zhì)，可分為

、

和

。（2）當外力消失后，隨機消失的變形稱為

，當外力去除后，不能夠恢復(fù)的永久性變形稱為

。（3）金屬材料的力學(xué)性能有哪些？（4）拉伸試驗可以測定金屬材料的

和

。（5）拉伸試驗所采用的標準試樣的型號一般有

和

。兩種。（6）圖1-2-1所示為拉伸試驗所需的圓形拉伸試樣，其中d0是試樣的直徑，l0為試樣的標距長度。根據(jù)標距長度與直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）兩種。2.拉伸試驗過程

準備好的試樣安裝在試驗機上，平穩(wěn)地增加載荷，直至將試樣拉斷。典型塑性材料低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-2-2所示。圖中縱坐標表示拉力F，單位為N；橫坐標表示伸長量Δl，單位為mm。根據(jù)該應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，低碳鋼的拉伸過程可以分為以下四個階段。1）Oe—彈性變形階段試樣在外力作用下均勻伸長，伸長量與拉力大小保持

關(guān)系，e點所對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性強度或彈性極限。此階段的特點是去掉載荷后，應(yīng)力消失，變形消失，即當應(yīng)力不作用時試樣可以恢復(fù)原樣。2）es—屈服階段試樣所受載荷超過e點后，材料除產(chǎn)生彈性變形外，開始出現(xiàn)塑性變形，即應(yīng)力消失時，變形不會

，并且拉力與伸長量之間不再保持正比例關(guān)系。拉力達到圖形中s點后，即使拉力不再增加，材料仍會伸長一定長度，此現(xiàn)象稱為“屈服”。這是材料從彈性變形階段進入塑性變形階段的一個標志。

3）sb—塑性變形階段試樣所受的載荷大小超過s點后，試樣的變形隨拉力的增大而逐漸增大，試樣發(fā)生均勻而明顯的塑性變形。4）bz—縮頸階段當試樣所受的力達到b點后，試樣在標距長度內(nèi)直徑明顯地出現(xiàn)

現(xiàn)象，即“縮頸”現(xiàn)象。2.拉伸試驗過程一、強度指標定義金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。金屬材料強度越高，可承受的載荷越大。對于大多數(shù)機械零件，工作時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此，屈服強度是機械零件強度設(shè)計的依據(jù)。對于因斷裂而失效的零件，可采用抗拉強度作為強度設(shè)計的依據(jù)。1.屈服強度

用eL屈服強度是指在拉伸過程中，力不繼續(xù)增加（保持恒定），材料仍能繼續(xù)伸長（產(chǎn)生變形）時的應(yīng)力，單位為MPa。試樣發(fā)生屈服時，作用力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服強度，用

表示；在屈服階段，不計初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力稱為下屈服強度，用

表示。一般用下屈服強度代表金屬的屈服強度，即一、強度指標有些材料在拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法測定

，因此規(guī)定，以去掉拉伸力后，材料標距部分的殘余伸長量達到規(guī)定原始標距長度0.2%時對應(yīng)的應(yīng)力，作為該材料的條件屈服強度，用符號

表示。零件工作時一般不允許產(chǎn)生塑性變形。因此

或者

是設(shè)計和選材時的主要參數(shù)。2.抗拉強度

抗拉強度是指材料在被拉斷前所能承受的最大拉應(yīng)力，用符號

表示，單位為MPa，

3.屈強比

與

的比值稱為屈強比，屈強比越小，零件工作時的可靠性越高。因為即使出現(xiàn)超載荷情況，零件也不會立即斷裂。但屈強比太小，材料強度的有效利用率會有所降低。二、塑性指標金屬材料在斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力稱為

。塑性指標也可以在拉伸試驗中測定，常用的塑性指標是

和

。

1.斷后伸長率斷后伸長率是指試樣被拉斷后，標距長度的殘留伸長量與原始標距長度的百分比，用符號A表示，即

當用比例系數(shù)K=11.3的比例式樣測試時，可用A11.3表示。2.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣被拉斷后，縮頸處橫截面面積的最大收縮量與原始橫截面面積的百分比，用符號Z表示，即

----試樣原始橫截面面積（

）；

------試樣被拉斷處的最小橫截面面積（

）。斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，因此能較準確地反映出材料的塑性。通常，斷后伸長率和斷面收縮率越大，材料塑性越好。塑性好的材料可用軋制、鍛造、沖壓等方法加工成形。用塑性好的材料加工的零件，即使在工作時遇到超載的情況，也能因為塑性好而避免突然斷裂，可提高工作的安全性。163三、硬度

硬度通常是指金屬材料抵抗更堅硬物體壓入其表面的能力，是金屬抵抗其表面局部變形和破壞的能力，簡單說就是材料的軟硬程度。硬度是在專用的硬度試驗機上測得的。1.布氏硬度1）試驗原理布氏硬度是用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示的金屬材料硬度，符號為HBW，單位為MPa，通常無須標出。。在舊標準中常用的布氏硬度指標有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450HBW的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵、有色金屬等；后者所用壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450～650HBW的金屬材料，如淬火鋼等?，F(xiàn)行標準中已不再使用淬火鋼球壓頭，而是全部改用硬質(zhì)合金壓頭，故布氏硬度指標統(tǒng)一用HBW。2）布氏硬度試驗的優(yōu)點和缺點（1）優(yōu)點。測定的數(shù)據(jù)準確、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強，常用于測定硬度值小于650HBW的經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的鋼材、鑄鐵、有色金屬的硬度。（2）缺點。對不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕直徑的測量也較麻煩，易損壞成品零件的表面，故不宜在成品上進行測定，而且不宜測定太小或太薄金屬的硬度。3）標注方法

硬度值一般不標注單位，在符號HBW之前標出硬度值，符號后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗力及試驗力保持時間（10～15s不標）等試驗條件。例如，600HBW10/1000/30表示用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球做壓頭，在9807N試驗力作用下保持30s所得的布氏硬度為600。4）布氏硬度測定方法

一般在零件圖或工藝文件上標注材料要求的布氏硬度時，無須標出試驗條件，只需標出要求的硬度值范圍和硬度符號，如200～230HBW。常用布氏硬度試驗規(guī)范見表1-2-1。2.洛氏硬度1）試驗原理洛氏硬度試驗如圖1-2-4所示，先用金剛石圓錐體在試樣表面施加初試驗力F0，壓入深度為h1，目的是消除因試樣表面不光滑而造成的誤差。然后加主試驗力F1，在總試驗力F0+F1的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主試驗力F1，試樣在彈性變形作用下使壓頭回升到h3位置，最后可得出由主試驗力所引起的塑性變形的壓痕深度h=h3?h1。金屬越硬，h值越小。為適應(yīng)人們習(xí)慣上認為數(shù)值越大，硬度越高的觀念，將一個常數(shù)K減去壓痕深度h來表示硬度的大小，并用0.002mm壓痕深度作為一個硬度單位，由此獲得洛氏硬度值，用符號HR表示。K為0.2mm；h是壓痕深度（mm）。洛氏硬度沒有單位。試驗時，洛氏硬度值可直接從洛式硬度計的表盤上讀出。為了能用一臺洛氏硬度計測定從軟到硬不同金屬材料的硬度，可用不同的壓頭和總試驗力組成幾種不同的洛氏硬度標尺，每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。常用的洛氏硬度符號有HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應(yīng)用最為廣泛。2）洛氏硬度試驗的優(yōu)點和缺點

（1）優(yōu)點。洛氏硬度試驗操作迅速、簡便，可以直接由洛氏硬度計表盤顯示出硬度值，省去了煩瑣的測量、計算和查表工作。洛氏硬度試驗壓痕小，對試樣表面損傷小，可在工件表面進行試驗，因而被廣泛應(yīng)用于熱處理質(zhì)量的檢驗。洛氏硬度試驗可測量較薄工件或表面有較薄硬化層工件的硬度。（2）缺點。洛氏硬度試驗精確性低，硬度值重復(fù)性差、分散度大，通常需要在材料不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。另外，用不同洛氏硬度符號表示的硬度值之間沒有聯(lián)系，也不能直接進行比較。洛氏硬度值的精確性不如布氏硬度值。3）標注方法洛氏硬度沒有單位，標注時直接在硬度符號前標注硬度值，如68HRB、55HRC、85HRA等。4）洛氏硬度測定方法在測定洛氏硬度時，因壓痕小，對組織和硬度不均勻的材料測得的結(jié)果不夠準確，所以要選取不同位置的三個測試點測出硬度值，再計算三個測試點硬度值的平均值作為被測材料的硬度值。3.維氏硬度布氏硬度不適于檢測硬度較高的材料；洛氏硬度雖可檢測不同硬度的材料，但不同洛氏硬度符號表示的硬度值不能相互直接比較。維氏硬度克服了上述兩種硬度試驗的缺點，可用統(tǒng)一標尺來測定從極軟到極硬的各種金屬材料硬度。維氏硬度試驗原理與布氏硬度試驗相似，也是以壓痕單位表面積所承受的試驗力大小來計算硬度值。維氏硬度的應(yīng)用維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學(xué)試驗方面。小負荷維氏硬度試驗，用于測量小型精密零件的硬度、表面硬化層硬度、有效硬化層深度、鍍層的表面硬度、薄片材料和細線材的硬度、刀刃附近的硬度、牙科材料的硬度等，因為通常情況下試驗力小，壓痕也小，所以試樣外觀和使用性能都不受影響。顯微維氏硬度試驗主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究，可用于極小或極薄零件的硬度測量，零件厚度可薄至幾微米。顯微維氏硬度試驗可測量金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。1）試驗原理維氏硬度的試驗原理與布氏硬度的試驗原理相似，區(qū)別是測量維氏硬度的壓頭是兩相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石。試驗時，在規(guī)定試驗力F作用下，壓頭壓入試件表面，保持一定時間后卸除試驗力，測量壓痕兩對角線的長度，根據(jù)兩對角線的平均長度d，可計算出其硬度值。維氏硬度試驗如圖2）特點及應(yīng)用維氏硬度試驗所加載荷較小，壓入深度較淺，故可測軟、硬金屬，可測量極薄零件滲碳層、滲氮層的硬度，測得的數(shù)值較準確，并且不存在布氏硬度試驗中載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。任務(wù)三

金屬材料的其他力學(xué)性能許多機械零件在工作中，往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。制造這類零件所用的材料，其性能指標不能單純用靜載荷作用下的指標來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性。為了評定材料的沖擊韌性，需進行沖擊試驗。

一、沖擊韌性韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸取能量的能力，或材料在斷裂前吸收變形能量的能力，它是材料塑性和強度的綜合體現(xiàn)。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。它的指標可通過沖擊試驗來確定。目前最常用的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗法，其試驗原理示意圖如圖

1.測定方法

試驗常用測試方法是擺錘式一次沖擊試驗法，根據(jù)國家標準制作試樣，在專門的擺錘試驗機上進行，稱為夏比沖擊試驗。帶V型缺口的試樣稱為夏比V型缺口試樣，帶U型缺口的試樣稱為夏比U型缺口試樣。試驗時，把試樣塊放在試驗機支座上，試樣塊的缺口要背向擺錘沖擊方向，擺錘高至H1高度，這時具有位能mgH1，然后使擺錘自由落下，沖斷試樣后，擺錘升至高度H2，如圖1-3-1（b）所示，這時擺錘的位能為mgH2。擺錘沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊吸收能量，用符號K表示。為了使試驗結(jié)果可以互相比較，必須采用標準試樣。沖擊試樣的類型很多，常用的標準試樣有U型缺口和V型缺口兩種。2.沖擊吸收能量與沖擊韌性沖擊試驗是利用能量守恒原理，即試樣被沖斷過程中吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。沖擊試樣沖斷前后的勢能差為GH1?GH2，試樣被沖斷過程中吸收的能量稱為沖擊吸收能量，用符號K表示。其計算公式為

沖擊吸收能量除以試樣缺口處橫截面面積（S0），即可得到材料的沖擊韌性。3.工程意義

沖擊韌性值

的大小，反應(yīng)出金屬韌性的好壞。對于一般鋼材來說，

越大，表示材料的韌性越好，抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力越大，即受沖擊載荷時不易斷裂的能力越大。所以，在實際生產(chǎn)制造過程中，對于長期在沖擊作用力下工作的零件，需要進行沖擊韌性試驗，如沖床的曲柄、空氣錘的錘桿、發(fā)動機的轉(zhuǎn)子等。沖擊韌性值

一般只作為選材的參考，并不直接用于強度計算。二、疲勞強度某些機械零件，常常承受大小和方向隨時間做周期性變化（包括交變應(yīng)力和重復(fù)應(yīng)力）的載荷長期工作，如發(fā)動機曲軸、齒輪、彈簧等，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強度甚至是彈性極限的情況下突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。

機械零件之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是因為材料表面或內(nèi)部有缺陷（夾雜、劃痕、尖角等）。這些地方的局部應(yīng)力大于材料的屈服強度，從而使機械零件產(chǎn)生局部塑性變形而開裂。這些微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴大，使承載的截面面積大大減小，導(dǎo)致機械零件不能承受所加載荷而突然斷裂。疲勞斷裂共同特征：（1）疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，是突然破壞。（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服強度

（3）疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的策源地及擴展區(qū)（光亮部分）和最后斷裂區(qū)（粗糙部分）在交變載荷作用下，金屬材料承受的交變應(yīng)力與斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，通常用疲勞曲線來描述，從圖中可以看出，金屬承受的最大交變應(yīng)力R越大，則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越小；反之，R越小，則N越大。金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不被破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。實際上并不可能做無限多次交變載荷試驗。一般在試驗時規(guī)定，在鋼經(jīng)受

次、非鐵（有色）金屬經(jīng)受

次交變載荷作用后，不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。三、斷裂韌度

前面介紹的力學(xué)性能，都是假定材料是均勻的、連續(xù)的、各向同性的，而實際上，材料的組織遠非如此，組織中不可避免地存在各種冶金和加工缺陷，這些缺陷都相當于裂紋源或在使用中會發(fā)展為裂紋源。當材料受外力作用時，這些裂紋源附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋源進一步擴展，一旦達到失穩(wěn)擴展狀態(tài)，便會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。，當材料中存在裂紋時，裂紋尖端就是一個應(yīng)力集中點，從而形成一個裂紋尖端的應(yīng)力場。根據(jù)斷裂力學(xué)對裂紋尖端應(yīng)力場的分析，裂紋尖端應(yīng)力場的強弱主要取決于一個力學(xué)參數(shù)，即應(yīng)力強度因子

單位為

隨著應(yīng)力σ的增大或裂紋逐漸擴展，

不斷增大，當

增大到某一臨界值時，試樣（或機件）中的裂紋會突然產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致斷裂。這個應(yīng)力強度因子

的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用

表示。三、斷裂韌度

斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的，即是抵抗脆性斷裂能力的性能指標。材料各有其本身的

值，它與裂紋形狀、大小無關(guān)，也和外加應(yīng)力無關(guān)，只取決于材料本身的特征（成分、熱處理條件、加工工藝等）。四、金屬材料的物理性能和化學(xué)性能

1.物理性能

金屬材料在固態(tài)時所表現(xiàn)出來的一系列物理現(xiàn)象的性能稱為物理性能，包括密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為物質(zhì)的密度，用符號ρ表示，單位為kg/m3。在機械工程中通常用密度來計算材料或零件的質(zhì)量（m=ρV）。體積相同的不同金屬，金屬密度越大，質(zhì)量也越大；密度越小，質(zhì)量也越小。熔點：金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時的最低熔化溫度稱為熔點。熱膨脹性：金屬材料在受熱時體積增大、冷卻時體積縮小，這種熱脹冷縮的性能稱為熱膨脹性。利用材料的熱膨脹性，可使過盈配合的兩個零件緊固在一起或使原來緊密配合的兩個零件因加熱松弛而卸下；鋪設(shè)鐵軌時，兩鐵軌銜接處應(yīng)留有一定的空隙，使鐵軌在長度方向上有伸縮的余量。導(dǎo)熱性：金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性，金屬材料的導(dǎo)熱率越大，說明導(dǎo)熱性越好。導(dǎo)電性：金屬材料傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性。金屬及其合金具有良好的導(dǎo)電性能，銀的導(dǎo)電性能最好，銅、鋁次之，但銀較貴，故工業(yè)上常用銅、鋁及其合金作導(dǎo)電材料，如電線、電纜、電氣元件等。導(dǎo)電性差、電阻率高的金屬可用來制造電阻器和電熱元件。2.化學(xué)性能

金屬的化學(xué)性能是指金屬在室溫或高溫下抵抗外界化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力，主要包括耐蝕性、抗氧化性等。五、金屬材料的工藝性能

（1）鑄造性。鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆入鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件（零件和毛坯）的工藝過程。鑄鐵的鑄造性能好于鑄鋼，銅、鋁合金的鑄造性能介于鑄鋼和鑄鐵之間。（2）鍛造性。鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定力學(xué)性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鍛件的力學(xué)性能一般高于同樣材料的鑄件。機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件，多采用鍛件。碳的質(zhì)量分數(shù)越低，鐵碳合金的鍛造性能越好。五、金屬材料的工藝性能3）焊接性。焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，促使兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結(jié)合力和擴散連接成一體的工藝過程。碳的質(zhì)量分數(shù)越高，鐵碳合金的焊接性能越差。（4）切削加工性。切削加工是利用刀具從工件上切去多余的材料，以獲得符合要求的零件的加工方法。一般來說，硬度適中（160～230HBW）的材料切削加工性好。1、拉伸試驗過程需要哪些設(shè)備？所需試樣件的類型有哪些？2、如何在沖擊試驗機上進行試驗？步驟是什么？3、了解提高材料疲勞強度的措施。4、材料的物理性能有哪些？項目二

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

與結(jié)晶工作情景描述

不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其性能也是不同的。金屬性能的這些差異，從本質(zhì)上來說，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。因此，掌握金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對金屬性能的影響，對于選用和加工金屬材料具有非常重要的意義。學(xué)習(xí)目標1.正確理解純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶。2.掌握合金的晶體結(jié)構(gòu)。

任務(wù)一

金屬的晶體結(jié)構(gòu)及純金屬

的結(jié)晶一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.

晶格和晶胞晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的?？梢园言涌闯梢粋€小球，

金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律的堆積而成的物體。表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架稱為晶格。能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.

晶面和晶向在晶體中由一系列原子組成的平面，稱為晶面。通過兩個或兩個以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向。簡單立方晶格中的一些晶面立方晶格中的幾個晶向二、三種典型的晶格1.

體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個立方體，在立方體的八個角上和立方體的體積中心各有一個原子。屬于這種晶格類型的金屬有鐵（α-Fe）、鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鉻（Cr）、鈦（β-Ti）等。二、三種典型的晶格2.

面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，原子位于立方體的八個角上和立方體六個面的中心。屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及鐵（γ-Fe）等。二、三種典型的晶格3.

密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個正六棱柱，晶格中原子的排列特征是在正六棱柱的上下兩個面的六個頂角和面心位置各有一個原子。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）及鋅（Zn）等。三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)1.

點缺陷如果晶格上應(yīng)該有原子的地方?jīng)]有原子，那么在那里就會出現(xiàn)“空洞”，這種原子堆積上的缺陷稱為空位原子；在晶格的某

些空隙處出現(xiàn)多余的原子或擠入外來原子的缺陷稱為間隙原子；異類原子占據(jù)晶格的結(jié)點

位置的缺陷稱為置代原子。三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)2.線缺陷線缺陷即晶格中的各種位錯。所謂位錯是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一

列或若干列原子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯的基本類型有兩種：刃型位錯和螺型位錯。三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)3.面缺陷面缺陷主要指晶界和亞晶界。實際使用的金屬為多晶體，是由大量外形不規(guī)則的晶粒組成的。四、純金屬的結(jié)晶1.結(jié)晶的基本概念一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程統(tǒng)稱為凝固，若通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)，則可稱為結(jié)晶。純金屬的實際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。T1

與T0之間的差

值ΔT稱為過冷度，即ΔT=T0?T1。四、純金屬的結(jié)晶2.純金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶開始時，液體中某些部位的原子集團先后按一定的晶格類型排列成微小的晶核，之后晶核向著不同位向按樹枝生長的方式長大，當成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時，晶體就向著尚未凝固的部位生長，直到枝晶間的金屬液體全部凝固。最后形成許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。四、純金屬的結(jié)晶3.晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響一般來說，晶粒越細，金屬的晶界面積越大，變形抗力越大，金屬的強度越高；同時，晶粒越細，金屬的塑性越好。為了提高金屬的力學(xué)性能，必須控制結(jié)晶后的晶粒大小。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了獲得細晶粒組織，常采用以下方法：（1）增大過冷度金屬結(jié)晶時的冷卻速度越大，

過冷度越大。增加過冷度，會使金屬結(jié)晶時形成的晶核數(shù)量增多，則結(jié)晶后可獲得細晶粒組織。四、純金屬的結(jié)晶3.晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響（2）變質(zhì)處理在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的形核劑，使它分散在金屬液體中作為人工晶核，可使晶粒數(shù)量顯著增加，這種細化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。（3）振動處理在金屬結(jié)晶過程中，采用機械振動、超聲波振動、電磁振動等方法，使正在長大的晶體折斷、破碎，也能增加晶核數(shù)量，從而細化晶粒。任務(wù)二

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下隨溫度的改變由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同一金屬不同晶格類型的晶體，稱為該金屬的同素異晶體。這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下發(fā)生的，原子擴散困難，因此需要有比液態(tài)金屬結(jié)晶更大的過冷度。晶格類型的變化伴隨著金屬體積的變化，因此金屬發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。二、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變液態(tài)純鐵在

1538℃時

開始結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的

δ-Fe，繼續(xù)冷卻到

1394℃時會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，

δ-Fe

轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?/p>

γ-Fe，再冷卻到

912℃時又會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，γ-Fe

轉(zhuǎn)

變?yōu)轶w心立方晶格的

α-Fe，繼續(xù)冷卻到室溫，晶格類型不再發(fā)生轉(zhuǎn)變，δ-Fe、γ-Fe、α-Fe

均是純鐵的同素異晶體。任務(wù)三

合金的相結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念合金是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(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬元素、非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。合金中，凡成分、結(jié)構(gòu)相同并以界面相互分開的各個均勻的組成部分，稱為相。一般常把固態(tài)下的相統(tǒng)稱為固相，把液態(tài)下的相稱為液相。在一定條件下，一種相可以變?yōu)榱硪环N相，這種現(xiàn)象稱為相變。二、固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)1.

固溶體固溶體是一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。溶入的元素稱為溶質(zhì)，基體元素稱為溶劑，固溶體仍保持溶劑的晶格類型。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩類。二、固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)2.

金屬化合物金屬化合物是指合金各組元的原子按一定的整數(shù)比化合而成的一種新相，是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的物質(zhì)。3.

機械混合物組成合金的各組元在固態(tài)下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的質(zhì)量比例以混合方式存在，這時就會形成各組元晶體的機械混合物。組成機械混合物的物質(zhì)可能是純組元、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。三、合金的組織合金的組織組成可能出現(xiàn)以下幾種情況：①由單相的固溶體晶粒組成；②由單相

的金屬化合物晶粒組成；③由兩種固溶體的混合物組成；④由固溶體和金屬化合物混合而成。項目三

金屬的塑性變形

與再結(jié)晶工作情景描述

材料的鑄態(tài)組織往往具有晶粒粗大、不均勻、不致密等缺陷，所以金屬材料在冶煉、澆注后，大多數(shù)需經(jīng)過軋制、鍛造、沖壓、拉拔、擠壓等壓力加工，使其產(chǎn)生塑性變形，改善金屬材料的組織和性能，并得到所需的形狀尺寸。因此，研究金屬的塑性變形，對于選擇金屬材料的加工工藝、提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、合理使用材料等均有重要的意義。不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其性能也是不同的。金屬材料性能的這些差異，從本質(zhì)上來說是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。因此，掌握金屬材料的塑性變形及其對金屬材料性能的影響，對于選用和加工金屬材料具有非常重要的意學(xué)習(xí)目標1.理解金屬的塑性變形與再結(jié)晶的概念。2.掌握單晶體的塑性變形。3.理解多晶體的塑性變形。4.掌握塑性變形對金屬性能的影響。

任務(wù)一

金屬的塑性變形

一、單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。

只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。如拉伸時，滑移面上的外力P分解為正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ。

正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂σ↓伸長量↓，σ→O，變形恢復(fù)；σ↑伸長量↑，σ＞原子間結(jié)合力時，拉斷。

正應(yīng)力σ只能使晶體產(chǎn)生彈性變形和斷裂，不能使晶體產(chǎn)生塑性變形。

切應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性歪扭τ＜τc（臨界切應(yīng)力），τ↓變形量↓，τ→O，變形恢復(fù)；τ＞τc，發(fā)生滑移，產(chǎn)生永久塑性變形。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。單晶體在切應(yīng)力作用下的變形示意圖

塑性變形有兩種形式：滑移和孿生。在多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進行的。

（一）滑移1.滑移與滑移帶

1)滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。滑移變形的特點：

⑴滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。

⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因為原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。

沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。

⑶滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍。2)滑移帶滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

滑移帶和滑移線示意圖銅拉伸試樣表面滑移帶2.滑移系一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系?；葡翟蕉啵饘侔l(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。三種典型金屬晶格的滑移系

3.滑移的機理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應(yīng)力值比實際測量臨界切應(yīng)力值大3-4個數(shù)量級。滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速；孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距?；坪蛯\生變形后的結(jié)構(gòu)與外形對比二、多晶體金屬的塑性變形

單個晶粒變形與單晶體相似。而多晶體變形比單晶體復(fù)雜得多。

㈠晶界及晶粒位向差的影響1、晶界的影響位錯塞積示意圖

當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行，則必須增加外力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

㈡多晶體金屬的塑性變形過程

多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當塞積位錯前端的應(yīng)力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶㈢晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

金屬的晶粒越細，其強度越高。因金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒大小與金屬強度的關(guān)系

金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。因晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。

強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。

通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。鋅單晶和多晶的拉伸曲線任務(wù)二

冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響

1.形成纖維組織金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。

塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%2.位錯密度增加，亞結(jié)構(gòu)細化

隨著變形量的增加，原來的晶粒被破碎，形成許多位向略有不同的小晶塊，每一小晶塊被稱為亞結(jié)構(gòu)，金屬冷塑性變形后亞結(jié)構(gòu)示意圖如圖

所示。金屬冷塑性變形后的亞結(jié)構(gòu)示意圖3.產(chǎn)生形變織構(gòu)在塑性變形過程中，由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當變形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。

形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的“制耳”變形前變形后二、冷塑性變形對金屬組織性能的影響1．加工硬化（形變硬化）（冷作硬化）

隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的原因是：1）隨變形量增加，位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié)等)，使變形抗力增加。

2）隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細化。3）隨變形量增加,空位密度增加。4）幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起。

由于加工硬化的存在，使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形，因此，沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，尤其對于那些不能以熱處理強化的金屬和合金更為重要。2.物理化學(xué)性能的變化

冷塑性變形對金屬的物理、化學(xué)性能也有顯著的影響。冷塑性變形會降低金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，降低磁性材料的導(dǎo)磁性能，降低耐蝕性等。3.殘余內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時，內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。內(nèi)應(yīng)力分為三類：

第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間（宏觀內(nèi)應(yīng)力）。

第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間，（微觀內(nèi)應(yīng)力）。

第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。

第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。任務(wù)三

冷塑性變形金屬在加熱時

組織和性能的變化

金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前組織狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當長時間，而加熱則使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。㈠回復(fù)

回復(fù)是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯的近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。多邊形化示意圖在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。㈡再結(jié)晶當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱

再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。

由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。2.再結(jié)晶溫度

再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶3.影響再結(jié)晶溫度的因素1）金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系：

T再≈0.4T熔。其中T再、T熔為絕對溫度。金屬的熔點越高，T再也越高。T再與ε的關(guān)系

2）金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使金屬再結(jié)晶溫度顯著提高。

3）再結(jié)晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生，延長加熱時間，使原子擴散充分，再結(jié)晶溫度降低。工業(yè)生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度常比再結(jié)晶溫度高100~200℃。㈢再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度降低，尤其是塑性和韌性降低。580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大任務(wù)四

金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別

在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工為熱加工。軋制模鍛拉拔如Fe的再結(jié)晶溫度為451℃，其在400℃以下的加工仍為冷加工。而Pb的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室溫下的加工為熱加工。熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。巨型自由鍛件

熱加工能量消耗小，但鋼材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光潔度要求高的工件。蒸汽-空氣錘二、熱加工對金屬組織和性能的影響1.消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷

熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細化，力學(xué)性能提高。熱加工動態(tài)再結(jié)晶示意圖2.形成鍛造流線熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。

滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布吊鉤中的纖維組織3.形成帶狀組織在加工亞共析鋼時，發(fā)現(xiàn)鋼中的F與P呈帶狀分布，這種組織稱帶狀組織。帶狀組織與枝晶偏析被沿加工方向拉長有關(guān)。可通過多次正火或擴散退火消除。帶狀組織項目四

的鐵碳合金及其相圖工作情景描述

鐵碳合金相圖總結(jié)了合金組織及性能隨成分的變化規(guī)律，可便于根據(jù)工件的工作環(huán)境和性能要求來選擇材料。同時，鐵碳合金相圖總結(jié)了不同成分合金在緩慢加熱和冷卻時組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，即組織隨溫度變化的規(guī)律，可為制訂熱加工及熱處理工藝提供重要依據(jù)。根據(jù)相圖可以確定鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度，也可以確定鋼材在鍛造時的溫度范圍等。綜上所述，掌握鐵碳合金組織性能及鐵碳合金相圖的分析方法，不僅可為選材提供理論依據(jù)，還對制訂熱加工工藝路線（如鑄造、鍛造、焊接和熱處理等）提供重要指導(dǎo)。學(xué)習(xí)目標1.正確理解鐵碳合金基本相與基本組織。2.理解基本相、基本組織的性能與特點。3.能進行鐵碳合金相圖分析。4.能繪制簡化的鐵碳合金相圖。5.會通過合金相圖對力學(xué)性能進行分析。6.能對實訓(xùn)過程進行總結(jié)。

任務(wù)一

鐵碳合金的基本相與基本組織1.鐵素體碳在α-Fe中的固溶體稱鐵素體，用F或

表示。

碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示。

都是體心立方的間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。一、單相組織鐵素體的晶胞示意圖鐵素體的顯微組織2.奧氏體碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或

表示。它是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在

區(qū)進行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體的晶胞示意圖奧氏體的顯微組織3.滲碳體即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。

Fe3C硬度高、脆性大，塑性幾乎為零。

Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。滲碳體的晶胞示意圖二、多相組織1.珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，符號P。2.萊氏體萊氏體分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。高溫萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，符號Ld。低溫萊氏體是由珠光體與滲碳體組成的混合物，稱為變態(tài)萊氏體,符號Ld,。低溫萊氏體的顯微組織（100×）任務(wù)二

鐵碳合金相圖分析及繪制簡化后的Fe-FeC3相圖一、鐵碳合金相圖的組成

鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的組織和性能隨溫度變化的圖形。二、Fe-Fe3C相圖中主要點、線的含義1.特征點2.特征線相圖決溫度成分建坐標，鐵碳二元要牢記。兩平三垂標特點，六星閃耀五弧交。共晶共析液固線，十二面里組織標。基本組織先標好，相間組織共逍遙。分析成分斷組織，鍛造處理離不了。三、鐵碳合金的分類根據(jù)含碳量、組織轉(zhuǎn)變的特點及室溫組織的不同，鐵碳合金可分為以下三大類。（1）工業(yè)純鐵。含碳量不高于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。（2）鋼。含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，又可分為三類，具體如下。①

亞共析鋼：0.0218%<wC<0.77%。②

共析鋼：wC=0.77%。③

過共析鋼：0.77%<wC≤2.11%。（3）白口鑄鐵。含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。其特點是液態(tài)金屬在結(jié)晶時發(fā)生共晶反應(yīng)，生成萊氏體。根據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，又可分為三類，具體如下。①

亞共晶白口鑄鐵：2.11%<wC<4.3%。②

共晶白口鑄鐵：wC=4.3%。③

過共晶白口鑄鐵：4.3%<wC≤6.69%。四、典型鐵碳合金的組織變化過程1．工業(yè)純鐵（C%≤0.0218%）L--->L+A--->A--->A+F--->F+Fe3CIIIFe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。2．共析鋼C%=0.77%L--->L+A--->A--->A+P--->P珠光體3．亞共析鋼0.0218%<C%<0.77%L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F4．過共析鋼L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->P+Fe3CII5．共晶白口鐵（C%=4.3%）L--->L+Ld--->Ld(A+Fe3C共晶)--->Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->Ld’(P+Fe3CII+Fe3C)6．亞共晶白口鑄鐵2.11%<C%<4.3%

L→L+A→Ld+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld,+p+Fe3CⅡ7．過共晶白口鑄鐵

所有過共晶白口鑄鐵的室溫組織均由一次滲碳體和低溫萊氏體組成，不同的是隨著含碳量的增加，組織中一次滲碳量增多。任務(wù)三

鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系

一、含碳量對室溫平衡組織的影響

根據(jù)杠桿定律的計算結(jié)果，可求出含碳量與緩冷后的相及組織組成物之間的定量關(guān)系：

隨含碳量增加，組織中Fe3C不僅數(shù)量增加，而且形態(tài)也在變化，由分布在

基體內(nèi)(P中Fe3C)變?yōu)榉植荚贏晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成萊氏體時，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)。

二、含碳量對力學(xué)性能的影響

亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時，組織為100%P，鋼的性能即P的性能。＞0.9%C,Fe3CⅡ為

晶界連續(xù)網(wǎng)狀,強度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C,組織中有以Fe3C為基的Le’，合金太脆。含碳量對力學(xué)性能的影響三、含碳量對工藝性能的影響1.含碳量對切削加工性能的影響

低碳鋼（wC≤0.25%）中鐵素體較多，塑性好，切削時不易斷屑，容易粘刀，表面粗糙度大，切削加工性能差。高碳鋼（wC≥0.60%）中的滲碳體較多，并且wC>0.77%后，二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布，切削抗力大，刀具磨損嚴重，切削加工性能也差。而中碳鋼（0.25%<wC<0.60%）中鐵素體與滲碳體的比例適當，硬度和塑性適中，切削加工性能較好。2.含碳量對鍛造性能的影響

由鐵碳相圖可知，當鋼加熱到某一高溫時，可獲得良好的單相奧氏體組織，因此，其鍛造性能良好，低碳鋼的鍛造性能優(yōu)于高碳鋼。白口鑄鐵在低溫和高溫下，組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，所以不能鍛造。3.含碳量對焊接性能的影響

鋼都可以進行焊接，但鋼中含碳量越高，其焊接性能越差，故焊接用鋼主要是低碳鋼和低碳合金鋼。鑄鐵的焊接性能差。任務(wù)四

鐵碳合金相圖的應(yīng)用一、在選材方面的應(yīng)用

鐵碳合金相圖能為鋼鐵材料的選用提供依據(jù)。若需要塑性、韌性高，焊接性能好的材料，則應(yīng)選用低碳鋼（含碳量為0.10%～0.25%）；若需要強度、塑性和韌性都較好的材料，則應(yīng)選用中碳鋼（含碳量為0.25%～0.6%）；若需要硬度高、耐磨性好的材料，則應(yīng)選用高碳鋼（含碳量為0.6%～1.3%）。因此，低碳鋼適用于生產(chǎn)成形性能很好的各種型材、板材、帶材、鋼管等，用于制造橋梁、船舶及各種建筑結(jié)構(gòu)。中碳鋼主要用于制造工作中承受沖擊載荷和要求較高、綜合力學(xué)性能較好的機械零件，如軸、連桿等。高碳鋼則用于制造彈簧及各種切削工具。二、在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用

純鐵及共晶成分的鐵碳合金，其凝固溫度區(qū)間最小（為零），流動性好，分散縮孔少，并可使縮孔集中在冒口內(nèi)形成，能得到組織致密的鑄件。因此在工業(yè)上，接近共晶成分的鑄鐵得到了廣泛應(yīng)用。接近共晶成分的鑄鐵應(yīng)用廣泛的另一個原因是它的熔點低，便于生產(chǎn)操作。三、在鍛軋生產(chǎn)方面的應(yīng)用

鋼處于單相奧氏體狀態(tài)時，強度低，塑性較好，有利于塑性變形。因此，鋼的鍛軋經(jīng)常選擇在Fe-Fe3C相圖中奧氏體單相區(qū)中的適當溫度范圍內(nèi)進行。選擇原則是：開始鍛軋時的溫度不得過高，以免鋼材氧化嚴重，甚至造成晶粒過分粗大及晶界熔化，一般是選在固相線以下100～200℃。終止鍛軋的溫度也不能過低，以免鋼材塑性太差，產(chǎn)生熱加工裂紋。鍛軋溫度選擇在圖

左邊的陰影區(qū)內(nèi)。

各種碳鋼的鍛軋開始溫度實際上多在1150～1250℃，終鍛溫度為750～850℃，而終軋溫度較高，一般在900～950℃。如果有特殊要求，則可以采用降低終軋溫度或在軋制后對軋件加快冷卻等措施。四、在熱處理方面的應(yīng)用

熱處理加熱溫度的選擇要參考Fe-Fe3C相圖，這一重要問題將在項目五中進行介紹。項目五

鋼的熱處理工作情景描述

鋼的熱處理依據(jù)的是鐵碳合金相圖，其實質(zhì)是鋼的性能發(fā)生變化，由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以會使鋼在加熱和冷卻過程中發(fā)生組織結(jié)構(gòu)變化。熱處理一般不改變零件的形狀和整體化學(xué)成分，而是通過改變零件內(nèi)部的顯微組織或表面化學(xué)成分，改善零件的使用性能和工藝性能。學(xué)習(xí)目標1.理解鋼的熱處理的概念。2.理解加熱階段的組織轉(zhuǎn)變過程。3.理解和掌握冷卻階段的組織轉(zhuǎn)變過程。4.理解退火、正火，能正確選擇熱處理方式。5.能正確選擇淬火方式。任務(wù)一

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變鋼的熱處理定義鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以適當?shù)姆绞浇?jīng)過加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝。目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的力學(xué)性能。熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種重要的工藝方法，是強化金屬材料、提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長產(chǎn)品使用壽命的主要途徑。三階段室溫鋼鐵素體和滲碳體奧氏體不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的鐵素體、滲碳體形成的組織加熱冷卻需要的性能熱處理的實質(zhì)熱處理的分類加熱合冷卻階段臨界溫度一、奧氏體的形成過程

熱處理時須將鋼加熱到一定的溫度，使其組織全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。以共析鋼為例，當共析鋼加熱到Ac1線上方的溫度時，珠光體就會向奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變遵循結(jié)晶過程的基本規(guī)律，共析鋼奧氏體的形成過程可分為四個階段，1.晶核形成

奧氏體晶核最容易在珠光體內(nèi)部的鐵素體和滲碳體界面上生成，這是因為鐵素體和滲碳體界面上的原子排列紊亂，空位和位錯密度高，成分不均勻，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為奧氏體晶核形成提供了有利的條件。2.晶核長大奧氏體晶核形成以后就逐漸長大，奧氏體晶核的長大實際就是珠光體內(nèi)部的鐵素體和滲碳體同時向奧氏體轉(zhuǎn)變。隨著加熱溫度的不斷升高，鐵素體和滲碳體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體晶核繼續(xù)長大。。

3.殘余滲碳體溶解

鐵素體和滲碳體在向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程中，當鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體以后，仍有部分滲碳體沒有完成轉(zhuǎn)變，通常稱這部分滲碳體為殘余滲碳體。隨著加熱溫度的升高，殘余滲碳體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，直至全部消失。4.奧氏體成分均勻化

碳含量低鐵素體奧氏體碳含量高滲碳體奧氏體均勻分布的奧氏體保溫碳擴散（措施）亞共析鋼的室溫組織是珠光體和鐵素體，當加熱

到Ac1線上方的溫度時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

奧氏體，隨著溫度的繼續(xù)升高，鐵素體也不斷轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，直至加熱到Ac3線上方的溫度

時才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體組織。過共析鋼的室溫組織是珠光體和二次滲碳體，當加熱

到Ac1線上方的溫度時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨著溫度的繼續(xù)升高，滲碳體逐漸溶解到奧

氏體中，直至加熱到Accm線上方的溫度時才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體組織。

二、奧氏體晶粒的長大及影響因素奧氏體吞并晶粒長大奧氏體晶粒的大小直接影響鋼冷卻后的組織和性能。細小的奧氏體晶粒會使冷卻后鋼內(nèi)部組織的晶粒變細，細晶粒的組織能提高鋼的強度和韌性；反之，鋼內(nèi)部組織的晶粒粗大，會降低鋼的強度和韌性。剛形成的奧氏體晶粒比較細小，若繼續(xù)加熱或延長保溫時間，奧氏體晶粒會慢慢長大。影響奧氏體晶粒長大的主要因素有以下兩個。（1）加熱溫度和保溫時間。加熱溫度是影響奧氏體晶粒長大的主要因素，隨著加熱溫度的升高，奧氏體晶粒聚集長大。奧氏體晶粒的大小是評定熱處理加熱質(zhì)量的重要指標之一，為了測定或比較鋼的實際晶粒的大小，可將試樣在金相顯微鏡下放大100倍，把在顯微鏡下看到的晶粒與標準晶粒號（2）鋼的化學(xué)成分。奧氏體的含碳量越高，晶粒長大的傾向越大。當鋼中含有形成穩(wěn)定碳化物、氮化物的元素（如鉻、釩、鈦、鎢、鉬等）時，它們彌散分布在奧氏體晶界上，阻礙了奧氏體晶粒的長大，而磷、錳等元素則有助于加速奧氏體晶粒長大。金相鏡下放大100倍的晶粒號晶粒號共分為8級，其中1～4級為粗晶粒，5～8級為細晶粒。任務(wù)二

鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼加熱獲得奧氏體后，經(jīng)不同條件下冷卻，

可使鋼獲得不同的力學(xué)性能正確認識鋼在冷卻時的相變規(guī)律，對制定鋼的熱處理工藝具有重要作用。鋼在冷卻時，通常采用兩種冷卻方式：等溫冷卻和連續(xù)冷卻，其工藝曲線如圖5-2-1所示。連續(xù)冷卻是將加熱到奧氏體以后的鋼從高溫連續(xù)冷卻到室溫，讓奧氏體在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。等溫冷卻是將加熱到奧氏體后的鋼迅速冷卻到A1線以下的某一溫度，然后保溫，使奧氏體在此溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

過冷奧氏體過冷奧氏體是指在相變溫度A1線以下，尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。冷奧氏體在不同溫度下進行轉(zhuǎn)變，將獲得不同的組織。表示過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系曲線圖稱為等溫轉(zhuǎn)變圖。1.共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的特點

C曲線圖四線：MS線（馬氏體轉(zhuǎn)變開始線）、珠光體轉(zhuǎn)變開始線、珠光體轉(zhuǎn)變終了線、Mf線（轉(zhuǎn)變終了線）。四區(qū):過冷奧氏體區(qū)（轉(zhuǎn)變等待區(qū)）、轉(zhuǎn)變過程區(qū)、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)、馬氏體產(chǎn)物區(qū)主要組織：在過冷奧氏體區(qū)：主要產(chǎn)物為過冷奧氏體

轉(zhuǎn)變過程區(qū)：

主要產(chǎn)物為過冷奧氏體和珠光體類型的組織

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)：

這要產(chǎn)物為珠光體類型的組織以及可能出現(xiàn)的貝氏

體組織

馬氏體產(chǎn)物區(qū)：主要產(chǎn)物是馬氏體以及殘余奧氏體

（1）珠光體轉(zhuǎn)變。在A1～550℃溫度范圍內(nèi)，奧氏體等溫分解為鐵素體和滲碳體的片層狀混合物，稱為珠光體，即奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)變溫度越低（過冷度越大），形成的珠光體片層越薄。根據(jù)形成的珠光體片層間距大小的不同，鐵素體和滲碳體的片層狀混合物又可分為珠光體（P）、索氏體（S）和托氏體（T）珠光體類型組織其中，珠光體片層較粗，索氏體片層較細，托氏體片層更細。珠光體的力學(xué)性能主要取決于片層間距的大小，片層間距越小，塑性變形抗力越大，強度和硬度越高。

珠光體索氏體托氏體≥≥（2）貝氏體轉(zhuǎn)變。在550℃～Ms線范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動能力較弱，過冷奧氏體雖然仍分解成滲碳體和鐵素體的混合物，但鐵素體中碳的含量已經(jīng)超過正常的溶解度，轉(zhuǎn)變后得到的組織為具有一定過飽和碳的鐵素體和分散狀的滲碳體（或碳化物）組成的混合物，稱為貝氏體（B）。B上B下貝氏體又可分為上貝氏體和下貝氏體，通常情況下，550～350℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用符號B上表示。上貝氏體中的滲碳體以不連續(xù)的細條狀分布于平行排列的鐵素體片層之間，在顯微鏡下呈羽毛狀，上貝氏體強度較低，塑性和韌性很差，具有這種組織的材料一般不適合用于制造機械零件。而在350℃～Ms線范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下貝氏體，用符號B下表示。下貝氏體中的碳化物呈細小顆粒狀或短桿狀，均勻分布在針葉狀的鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針狀，下貝氏體性能由于下貝氏體組織中的針狀鐵素體細小且無方向性，碳的過飽和程度大，碳化物分布均勻且彌散度大，所以其強度、硬度較高，并且具有良好的塑性和韌性。因而，許多機械零件經(jīng)常選用等溫淬火熱處理，以獲得具有良好綜合力學(xué)性能的下貝氏體組織。3.過冷奧氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變當過冷奧氏體迅速冷卻到Ms線以下時則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，馬氏體用符號M來表示。馬氏體的轉(zhuǎn)變是非擴散型轉(zhuǎn)變，由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴散能力小，且在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，只有γ-Fe向α-Fe的晶格轉(zhuǎn)變，而不發(fā)生碳原子的擴散，因此，固溶在奧氏體中的碳轉(zhuǎn)變后原封不動地保留在鐵的晶格中，這就使得α-Fe中出現(xiàn)了過飽和的碳。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點（1）轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf）的連續(xù)冷卻過程中進行的，轉(zhuǎn)變生成的馬氏體的數(shù)量隨轉(zhuǎn)變溫度的降低而不斷增加。（2）轉(zhuǎn)變的速度極快。馬氏體的轉(zhuǎn)變速度很快，轉(zhuǎn)變的時間很短，整個轉(zhuǎn)變過程大概只需10?7s。（3）馬氏體轉(zhuǎn)變是一個體積膨脹的過程。馬氏體的比體積（單位質(zhì)量物質(zhì)的體積，俗稱比容）比奧氏體的比體積要大，當奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時，由于比體積增加，體積膨脹，因而產(chǎn)生更大的內(nèi)應(yīng)力。馬氏體轉(zhuǎn)變不徹底存在殘余奧氏體的原因：（4）馬氏體轉(zhuǎn)變的不徹底性。即使過冷到Ms線以下的溫度，仍有一定量的奧氏體存在，這部分奧氏體稱為殘留奧氏體。存在殘留奧氏體有兩個原因：一是由于馬氏體的比體積比奧氏體的比體積要大，導(dǎo)致體積膨脹，對還沒有轉(zhuǎn)變的奧氏體產(chǎn)生了多向的壓應(yīng)力，抑制了奧氏體的轉(zhuǎn)變；二是鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的轉(zhuǎn)變終了線（Mf線）溫度大多低于室溫，而在正常的冷卻情況下只是冷卻到室溫，沒有低于Mf線，奧氏體轉(zhuǎn)變沒有結(jié)束，也存在殘留奧氏體。殘留奧氏體的存在使淬火后的鋼硬度和耐磨性降低，組織不穩(wěn)定。為了消除殘留奧氏體，通常在淬火后進行冷處理。所謂的冷處理就是將淬火后的鋼放置到低于0℃的某一溫度，停留一段時間，以減少殘留奧氏體的存在。馬氏體的結(jié)構(gòu)、性能取決于馬氏體的含碳量，根據(jù)馬氏體中含碳量的不同，馬氏體可分為低碳馬氏體（含碳量在0.2%左右）和高碳馬氏體（含碳量在1.0%左右）。低碳馬氏體形狀呈板條狀，強度較高，塑性、韌性較好；高碳馬氏體形狀呈針片狀，硬度高，塑性、韌性差。板條狀馬氏體與針片狀馬氏體的性能不同。二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用

1.確定馬氏體的臨界冷卻速度為了使奧氏體過冷到Ms線之前不發(fā)生任何組織轉(zhuǎn)變，冷卻后得到馬氏體組織，就必須使其冷卻速度大于或等于V臨（在C曲線上估計連續(xù)冷卻產(chǎn)物如圖）。V臨表示過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。V臨正好與C曲線的“鼻尖”相切。2.在等溫轉(zhuǎn)變圖上估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物

在實際生產(chǎn)過程中，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中完成的，共析鋼過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖如圖所示。

貝氏體是在連續(xù)冷卻過程得到的么？

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖的測定比較困難，因此常用過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖來近似分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變過程。根據(jù)試驗，等溫轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度大約是連續(xù)冷卻的1.5倍，另外在連續(xù)冷卻過程中，沒有貝氏體轉(zhuǎn)變過程，即得不到貝氏體組織。，冷卻速度V1相當于隨爐冷卻，冷卻轉(zhuǎn)變后得到粗片狀的珠光體組織；冷卻速度V2相當于在空氣中冷卻，冷卻轉(zhuǎn)變后得到索氏體或托氏體組織；冷卻速度V3相當于在油中冷卻，冷卻轉(zhuǎn)變后得到托氏體、馬氏體和殘留奧氏體組織；冷卻速度V4相當于在水中冷卻，它不與C曲線相交，冷卻轉(zhuǎn)變后得到馬氏體組織和少量的殘留奧氏體組織。

實踐練習(xí)1、C曲線圖（1）在圖5-2-2所示的共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖中，說出C曲線圖中涉及的四線、四個主要區(qū)間，并說出每個區(qū)間的組織是什么。2、（2）畫出C曲線圖，從中標出冷卻過程中各個溫度階段的產(chǎn)物。（3）說出共析鋼在冷卻過程中發(fā)生的三個階段的轉(zhuǎn)變，以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有哪些。2.鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（1）鋼在冷卻時，根據(jù)冷卻速度不同主要由奧氏體降低溫度轉(zhuǎn)變成珠光體、索氏體、托氏體和，以及。（2）馬氏體的形態(tài)主要有和兩種。其中強韌性較好。任務(wù)三

鋼的退火與正火一、鋼的退火

將鋼加熱到適當?shù)臏囟龋匾欢〞r間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。退火的目的：①降低鋼的硬度，提高鋼的塑性，改善鋼的切削加工和冷變形加工工藝性能；②細化晶粒、均勻成分、改善鋼的組織；③消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形。根據(jù)鋼的成分和退火的目的不同，可將退火分為完全退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火等。1.完全退火

完全退火是將鋼加熱到Ac3線以上30～50℃（完全奧氏體化），保溫一定時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的工藝方法。完全退火的目的是細化晶粒、消除過熱組織、降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削工藝性能。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄、鍛件，有時也用于焊接結(jié)構(gòu)件。過共析鋼不適合完全退火，以避免出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體使鋼的力學(xué)性能變差。

2.球化退火球化退火是將鋼加熱到Ac1線以上20～30℃，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻到600℃以下出