分析金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體固態(tài)下原子（或分子）呈規(guī)則排列而形成的聚集狀態(tài)，稱為晶體，如純鋁、純鐵、純銅等都屬于晶體。晶體有固定的熔點(diǎn)，絕大多數(shù)金屬和合金在固態(tài)下都屬于晶體。非晶體原子（或分子）呈無規(guī)則地?zé)o序堆積的聚集狀態(tài)，稱為非晶體，如松香、玻璃、瀝青、石蠟等都屬于非晶體。晶體非晶體一、概念

晶

格

晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的。為了便于理解，把金屬內(nèi)部的原子近似地看成是剛性小球，則金屬晶體就可看成是由剛性小球按一定幾何規(guī)則緊密堆積而成的物體，如圖

1a所示。為形象地描述晶體內(nèi)部原子的排列規(guī)律，可以將原子抽象為一個(gè)個(gè)的幾何點(diǎn)，用假想的線條將這些點(diǎn)連接起來，構(gòu)成有明顯規(guī)律性的空間格架。這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架稱為晶格，如圖

1b所示。

晶

胞

由圖

1b可見，晶格是由許多形狀、大小相同的最小幾何單元重復(fù)堆積而成的。能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞，如圖

1c所示。圖1晶體內(nèi)部原子排列、晶格及晶胞二、晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上常用的金屬中，除少數(shù)具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)外，室溫下有85%~90%金屬的晶體結(jié)構(gòu)都屬于比較簡單的三種類型：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。晶胞是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體的中心，如圖2示。屬于這種晶格類型的金屬有鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及α-鐵（α-Fe）等金屬。圖2體心立方晶胞鐵金屬鉻三、金屬晶格的類型1.體心立方晶格晶胞也是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體六個(gè)面的中心，如圖3所示。屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及γ-鐵（γ-Fe）等金屬。圖

3面心立方晶胞純鋁條純銅（板材）2.面心立方晶格晶胞是一個(gè)正六棱柱體，原子排列在柱體的每個(gè)頂角上和上、下底面的中心，另外三個(gè)原子排列在柱體內(nèi)，如圖4所示。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）及鋅（Zn）等。圖

4密排六方晶胞金屬鎂3.密排六方晶格金屬內(nèi)部的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體，如圖

5a。單晶體在自然界幾乎不存在，但可用人工方法制成某些單晶體（如單晶硅、冰糖）。實(shí)際金屬材料都是多晶體，由許多不規(guī)則的、顆粒狀的小晶體（稱為晶粒）組成，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，每個(gè)晶粒內(nèi)部的晶格位向是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整個(gè)多晶體呈現(xiàn)出無向性，如圖

5b所示。

圖5金屬的晶體結(jié)構(gòu)

單晶硅太陽能板冰糖四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚純金屬都有一個(gè)固定的熔點(diǎn)（或結(jié)晶）溫度，高于此溫度熔化，低于此溫度才能結(jié)晶為晶體。純金屬的冷卻曲線如圖所示，液態(tài)金屬隨著冷卻時(shí)間的延長，溫度不斷下降，但當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，在曲線上出現(xiàn)了一個(gè)水平線段，則其所對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的結(jié)晶溫度。金屬結(jié)晶時(shí)釋放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了冷卻散失的熱量，從而使結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行。結(jié)晶完成后，由于散熱，溫度又繼續(xù)下降。1.過冷現(xiàn)象純金屬的冷卻曲線

金屬在極其緩慢的冷卻條件下（即平衡條件下）所測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度T0。實(shí)際生產(chǎn)中金屬結(jié)晶時(shí)冷卻速度都很快，金屬總是在理論結(jié)晶溫度以下某一溫度開始進(jìn)行結(jié)晶，這一溫度稱為實(shí)際結(jié)晶溫度Tn。金屬實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。2.過冷度純金屬的冷卻曲線

理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用△T表示，即△T=T0-Tn。金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低。實(shí)際上金屬總是在過冷的情況下結(jié)晶的，所以，過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。2.過冷度純金屬的冷卻曲線純金屬的結(jié)晶過程是在冷卻曲線上的水平線段所經(jīng)歷的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，是一個(gè)不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程。液態(tài)金屬的結(jié)晶，不可能一瞬間完成，必須經(jīng)過一個(gè)由小到大，由局部到整體的發(fā)展過程。大量實(shí)驗(yàn)證明，純金屬結(jié)晶時(shí)，首先是在液態(tài)金屬中形成一些極微小的晶體，然后以這些微小晶體為核心不斷吸收周圍液體中的原子而不斷長大，這些小晶體稱為晶核。在晶核不斷長大的同時(shí)，又會(huì)在液體中產(chǎn)生新的晶核并開始不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失并且形成的晶體彼此接觸為止。每個(gè)晶核長成一個(gè)晶粒，這樣，結(jié)晶后的金屬便是由許多晶粒所組成的多晶體結(jié)構(gòu)。純金屬結(jié)晶是自發(fā)形核，而實(shí)際鑄造生產(chǎn)中，結(jié)晶過程主要是非自發(fā)形核，通常金屬液中總是存在著各種固態(tài)雜質(zhì)微粒，依附在這些雜質(zhì)表面很容易形成晶核，要比純金屬結(jié)晶快。3.純金屬的結(jié)晶過程3.純金屬的結(jié)晶過程純金屬結(jié)晶過程示意圖對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚探究合金的相結(jié)構(gòu)合金中具有同一種化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)及性能相同的均勻組成部分稱為相，相與相之間有明顯的界面。液態(tài)物質(zhì)稱液相，固態(tài)物質(zhì)稱固相。若合金是由成分、結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成的，各晶粒之間雖有界面分開，但它們?nèi)詫儆谕环N相；若合金是由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾種晶粒構(gòu)成的，則它們屬于不同的幾種相。例如，純鐵在常溫下是由單相的α-Fe組成的；在鐵碳合金中，鐵與碳相互作用形成一種化合物Fe3C(滲碳體)，

Fe3C的成分、結(jié)構(gòu)與α-Fe完全不同，因此在鐵碳合金中Fe3C屬于一個(gè)新相。Fe3C晶體結(jié)構(gòu)示意圖α-Fe晶格結(jié)構(gòu)示意圖

合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，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)，而基體元素（占主要地位）稱為溶劑。固溶體的晶格類型仍然保持溶劑的晶格類型。例如，銅鎳合金就是以銅（溶劑）和鎳（溶質(zhì)）形成的固溶體，固溶體具有與溶劑金屬同樣的晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)固溶體晶格中溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置不同，分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。固溶體固溶體如圖所示，圖中“●”代表溶質(zhì)原子，“○”代表溶劑原子。

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格原子間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體，如圖a所示。

溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的部分原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體，如圖b所示。固溶體

圖

固溶體類型及晶格畸變（1）間隙固溶體（2）置換固溶體如圖所示，無論是間隙固溶體還是置換固溶體，由于溶質(zhì)原子的溶入，都使晶體的晶格發(fā)生畸變。晶格畸變使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度，但塑性下降，此現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。例如在低合金鋼中利用Mn、Si等元素來強(qiáng)化鐵素體。

圖

固溶體類型及晶格畸變

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。其晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，而且其晶格一般都比較復(fù)雜。其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大，例如鐵碳合金中的Fe3C（滲碳體）。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，能提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低其塑性和韌性。Fe3C晶體結(jié)構(gòu)金屬化合物金屬化合物

當(dāng)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，而是按一定的重量比例以混合方式存在著，形成各組元晶體的機(jī)械混合物。

組成機(jī)械混合物的物質(zhì)可能是純組元、固溶體或者是化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。

混合物中的各組成相既不溶解，也不化合，它們?nèi)匀槐３指髯缘木Ц窠Y(jié)構(gòu)。

其力學(xué)性能取決于各組成相的性能，并由其各自形狀、大小、數(shù)量、及分布而定。它比單一的固溶體或金屬化合物具有更高的綜合性能。

通過調(diào)整混合物中各組成相的數(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，以滿足工程上對(duì)材料的多種需求。機(jī)械混合物對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚金屬在外力作用下，首先發(fā)生彈性變形，載荷增加到一定值后，除發(fā)生彈性變形外，還發(fā)生塑性變形，即彈塑性變形，繼續(xù)增加載荷，塑性變形將逐漸增大，直至斷裂。分析金屬的塑性變形當(dāng)外力消除后，發(fā)生彈性變形的金屬能恢復(fù)到原來形狀，組織和性能不發(fā)生變化。塑性變形后金屬的組織和性能發(fā)生變化，不能完全恢復(fù)原狀，較彈性變形復(fù)雜得多。彎管

單晶體的塑性變形主要是以滑移方式進(jìn)行，即晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)。由圖可見，要使某一晶面滑動(dòng)，作用在該晶面上的力必須是相互平行、方向相反的切應(yīng)力（垂直該晶面的正應(yīng)力只能引起伸長或收縮），而且切應(yīng)力必須達(dá)到一定值，滑移才能進(jìn)行。當(dāng)原子滑移到新的平衡位置時(shí)，晶體就產(chǎn)生了微量的塑性變形。1.單晶體的塑性變形晶體在切應(yīng)力作用力的變形

許多晶面滑移的總和形成了宏觀的塑性變形。如圖為鋅單晶體滑移變形示意1.單晶體的塑性變形鋅單晶體滑移變形示意

由于多晶體中各個(gè)晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置。當(dāng)處于有利于滑移位置的晶粒要進(jìn)行滑移時(shí)，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，使滑移的阻力增加，從而提高了塑性變形的抗力。同時(shí)，多晶體各晶粒在塑性變形時(shí)，受到周圍位向不同的晶粒與晶界的影響，使多晶體的塑性變形呈逐步擴(kuò)展和不均勻形式，其結(jié)果之一就是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。常用金屬材料都是多晶體。多晶體中各相鄰晶粒的位向不同，并且各晶粒之間由晶界相連接因此，多晶體的塑性變形主要具有下列一些特點(diǎn)：2.多晶體的塑性變形晶粒位向的影響晶界對(duì)塑性變形有較大的阻礙作用。一個(gè)只包含兩個(gè)晶粒的試樣經(jīng)受拉伸時(shí)的變形情況如圖2所示。由圖可見，試樣在晶界附近不易發(fā)生變形，出現(xiàn)了所謂的“竹節(jié)”現(xiàn)象。這是因?yàn)榫Ы缣幵优帕斜容^紊亂，阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，因而阻礙了滑移。很顯然，晶界越多，晶體的塑性變形抗力越大。2.多晶體的塑性變形晶界的作用圖只包含兩個(gè)晶粒的試樣在拉伸時(shí)的變形在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒數(shù)目越多，晶界就越多，晶粒就越細(xì)，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。

細(xì)晶粒的多晶體不僅強(qiáng)度較高，而且塑性和韌性也較好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，在同樣變形條件下，變形量可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使各晶粒的變形比較均勻，不致過分集中在少數(shù)晶粒上而使其變形嚴(yán)重。另一方面，晶粒越細(xì)，晶界就越多，越曲折，越有利于阻止裂紋的傳播，從而在其斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。由于細(xì)晶粒金屬具有較好的強(qiáng)度、塑性和韌性，生產(chǎn)中總是盡可能地細(xì)化晶粒。2.多晶體的塑性變形晶粒大小的影響對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚是金屬在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形。冷塑性變形不僅改變了金屬材料的形狀與尺寸，而且還將引起金屬組織與性能的變化。a）變形程度20%b）變形程度50%c）變形程度70%工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度冷塑性變形后的顯微組織（放大150倍）探究金屬的冷塑性變形冷塑性變形金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著外形的變化，其內(nèi)部晶粒形狀由原來的等軸晶粒逐漸變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L的晶粒。當(dāng)變形程度很大時(shí)，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時(shí)，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個(gè)晶粒會(huì)逐漸取得趨于一致的位向，晶粒的形狀也發(fā)生變化，通常是晶粒沿變形方向壓扁或拉長，使金屬材料的性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，形成的晶體結(jié)構(gòu)稱為形變結(jié)構(gòu)。圖為工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度冷塑性變形的顯微組織。a）變形程度20%b）變形程度50%c）變形程度70%工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度冷塑性變形后的顯微組織（放大150倍）一、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響冷塑性變形對(duì)金屬的力學(xué)性能影響較大，容易發(fā)生加工硬化。此外，還會(huì)使金屬某些物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加、化學(xué)活性增大、耐蝕性降低等。金屬經(jīng)冷塑性變形后，會(huì)使其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（形變強(qiáng)化）。此外，在金屬內(nèi)部還產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般情況下，殘余應(yīng)力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會(huì)使工件的形狀與尺寸繼續(xù)發(fā)生變化。隨塑性變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降。二、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響（1）加工硬化現(xiàn)象加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段，尤其對(duì)不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料顯得更為重要。此外，加工硬化還可使金屬具有偶然的抗超載能力，一定程度上提高了構(gòu)件在使用中的安全性。加工硬化是工件能用塑性變形方法成型的必要條件。由于材料塑性的降低，加工硬化給金屬材料進(jìn)一步冷塑性變形帶來困難。為使金屬能繼續(xù)變形加工，必須進(jìn)行中間熱處理，以消除加工硬化，增加了生產(chǎn)成本，降低了效率。（2）加工硬化的優(yōu)點(diǎn)（3）加工硬化的缺點(diǎn)對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚金屬經(jīng)冷塑性變形后，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且因金屬各部分變形不均勻，會(huì)引起金屬內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力，使金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。但在室溫下，由于原子活動(dòng)能力不足，恢復(fù)過程不易進(jìn)行。若對(duì)其加熱，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，就會(huì)使組織與性能發(fā)生一系列的變化。隨著加熱溫度的升高，這種變化過程可分為回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大三個(gè)階段。圖1

加熱對(duì)冷塑性變形金屬的影響掌握冷塑性變形后的回復(fù)與再結(jié)晶在工業(yè)生產(chǎn)中，為保持金屬經(jīng)冷塑性變形后的高強(qiáng)度，往往采取回復(fù)處理，以降低內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)提高塑性。例如冷拔鋼絲彈簧加熱到250～300℃，青銅絲彈簧加熱到120～150℃，就是進(jìn)行回復(fù)處理，使彈簧的彈性增強(qiáng)，同時(shí)消除加工時(shí)帶來的內(nèi)應(yīng)力。金屬回復(fù)一、回復(fù)當(dāng)冷塑性變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增加，原子可以離開原來的位置重新排列，畸變晶粒通過形核及晶核長大而形成新的無畸變的等軸晶粒，此過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶過程首先是在晶粒碎化最嚴(yán)重的地方產(chǎn)生新晶粒的核心，然后晶核吞并舊晶粒而長大，直到舊晶粒完全被新晶粒代替為止。在實(shí)際生產(chǎn)中，為消除加工硬化，必須進(jìn)行中間退火。經(jīng)冷塑性變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時(shí)間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除加工硬化和殘余應(yīng)力的退火，稱為再結(jié)晶退火。為了保證質(zhì)量和兼顧生產(chǎn)率，再結(jié)晶退火的溫度一般比該金屬的再結(jié)晶溫度高100～200℃。金屬再結(jié)晶二、再結(jié)晶金屬再結(jié)晶二、再結(jié)晶金屬的再結(jié)晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。通常把變形程度在70%以上的冷變形金屬經(jīng)1h加熱能完全再結(jié)晶的最低溫度，定為再結(jié)晶溫度。

實(shí)驗(yàn)證明，金屬的熔點(diǎn)越高，在其他條件相同時(shí)，其再結(jié)晶溫度也越高。金屬的再結(jié)晶溫度大致是其熔點(diǎn)的0.4倍。冷變形金屬再結(jié)晶后，一般都得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。但繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，再結(jié)晶后的晶粒又會(huì)逐漸長大，使晶粒粗化、力學(xué)性能變壞，應(yīng)當(dāng)注意避免。結(jié)晶長大三、晶粒長大

金屬的冷塑性變形加工和熱塑性變形加工是以再結(jié)晶溫度來劃分的。凡在金屬的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工稱為熱加工，在結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工稱為冷加工。例如鎢的再結(jié)晶溫度為1200℃，對(duì)鎢來說，在低于1200℃的高溫下加工仍屬于冷加工，而錫的最低再結(jié)晶溫度約為-7℃，在室溫下進(jìn)行的加工已屬于熱加工。熱加工時(shí)，由于金屬原子的結(jié)合力減小，而且加工硬化過程隨時(shí)被再結(jié)晶過程所消除，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度降低，塑性增強(qiáng)，因此其塑性變形要比冷加工時(shí)容易得多。1.熱加工與冷加工的區(qū)別金屬熱加工—鑄造金屬冷加工—沖壓2.熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響通過熱加工，可使鋼錠中的氣孔大部分焊合，鑄態(tài)的疏松被消除，提高金屬的致密度，使金屬的力學(xué)性能得到提高。（1）消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶作用，一般可使晶粒細(xì)化，因而可以提高金屬的力學(xué)性能。熱加工金屬的晶粒大小與變形程度和終止加工的溫度有關(guān)。變形程度小，終止加工的溫度高，會(huì)使再結(jié)晶晶核少而晶核長大快，加工后得到粗大晶粒。但終止加工溫度不能過低，否則將造成加工硬化及殘余應(yīng)力。因此，制定正確的熱加工工藝規(guī)范，對(duì)改善金屬的性能有重要的意義。（2）細(xì)化晶粒在熱加工過程中，鑄態(tài)組織中的夾雜物在高溫下具有一定的塑性，沿著變形方向伸長而形成鍛造流線（纖維組織）。由于鍛造流線的出現(xiàn)，使金屬材料的性能在不同的方向上有明顯的差異。通常沿流線的方向，其抗拉強(qiáng)度及韌性高，而抗剪強(qiáng)度較低。在垂直于流線方向上，抗剪強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度較低。采用正確的熱加工工藝，可以使流線合理分布，保證金屬材料的力學(xué)性能。圖為曲軸實(shí)物、鍛造曲軸和切削加工曲軸的流線分布，很明顯，鍛造曲軸流線分布合理，因而其力學(xué)性能較好。（3）形成鍛造流線a）曲軸實(shí)物b）鍛造曲軸c）切削加工曲軸2.熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響如果鋼在鑄態(tài)組織中存在比較嚴(yán)重的偏析，或熱加工終鍛（終軋）溫度過低時(shí)，鋼內(nèi)會(huì)出現(xiàn)與熱形變加工方向大致平行的條帶所組成的偏析組織，這種組織稱為帶狀組織。

圖為高速鋼中帶狀碳化物組織。帶狀組織的存在是一種缺陷，會(huì)引起金屬力學(xué)性能的各向異性，一般可用熱處理方法加以消除。（4）形成帶狀組織高速鋼中帶狀碳化物組織2.熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響對(duì)全人類來說，只有一種共同利益，那就是科學(xué)的進(jìn)步?！A羅庚

純鐵的塑性、韌性較好，強(qiáng)度、硬度很低，因此很少作為結(jié)構(gòu)材料使用。在純鐵中加入少量的碳形成鐵碳合金，可使純鐵強(qiáng)度和硬度明顯提高。分析鐵碳合金的基本組織鐵和碳發(fā)生相互作用形成固溶體和金屬化合物，同時(shí)固溶體和金屬化合物又可組成具有不同性能的多相組織。

鐵碳合金的基本組織有：鐵素體（F）、奧氏體(A)、滲碳體(Fe3C)、珠光體（P）和萊氏體（Ld）。圖鐵碳相圖

碳溶入α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。鐵素體具有體心立方晶格，晶格的間隙分布較分散，間隙尺寸很小，溶碳能力較差，在727℃時(shí)碳的溶解度最大為0.0218%，室溫時(shí)幾乎為零。鐵素體的塑性、韌性很好（A=30～50%、KU=128～160J），但強(qiáng)度、硬度較低(Rm=180～280MPa、ReH=100～170MPa、硬度為50～80HBW)。圖鐵素體的顯微組織一、鐵素體奧氏體常存在于727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強(qiáng)度和硬度不高，但塑性和韌性很好(Rm=400MPa、A=40～50%、硬度為160～200HBW)，易鍛壓成形。

碳溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。奧氏體具有面心立方晶格，其致密度較大，晶格間隙的總體積雖較鐵素體小，但其分布相對(duì)集中，單個(gè)間隙的體積較大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃時(shí)溶解度為0.77%，隨著溫度的升高，溶碳量增多，1148℃時(shí)其溶解度最大，為2.11%。圖奧氏體的顯微組織二、奧氏體

滲碳體是鐵和碳相互作用而形成的一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物，常用分子式Fe3C表示。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高（800HBW），塑性和韌性極低（斷后伸長率和沖擊吸收能量幾乎為零），脆性大。滲碳體分布在鋼中主要起強(qiáng)化作用，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。三、滲碳體圖滲碳體的顯微組織

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的多相組織，用符號(hào)P表示。珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.77%，由于珠光體組織是由軟的鐵素體和硬的滲碳體組成，因此，其性能介于鐵素體和滲碳體之間，其具有較高的強(qiáng)度（Rm=770Mpa）和塑性（A=20～25%），硬度適中（180HBW）。珠光體在顯微鏡下呈片層狀，其顯微組織如圖所示，圖中黑色層片為滲碳體，白色基體為鐵素體。四、珠光體圖

珠光體的顯微組織

含碳量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示。在727℃以下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體，用符號(hào)L’d表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。五、萊氏體圖5萊氏體的顯微組織發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。—愛因斯坦發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位?！獝垡蛩固固间撊菀滓睙挘瑑r(jià)格低廉，易于加工，性能上能滿足一般機(jī)械零件的使用要求，因此是工業(yè)中用量最大的金屬材料。含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼，屬于非合金鋼。掌握常存雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響實(shí)際使用的碳鋼并不是單純的鐵碳合金，其中還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素，這些元素的存在對(duì)鋼的性能有較大影響。碳鋼鋼棒碳鋼鋼管碳鋼鋼板錳是由煉鐵原料鐵礦石及煉鋼時(shí)添加的脫氧劑（錳鐵）之中帶入的，非合金鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般約為0.25%~0.80%。錳的影響錳的脫氧能力較好，能清除鋼中的FeO，降低鋼的脆性，與硫化合成MnS，可以減輕硫的有害作用。錳還能溶于鐵素體形成置換固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。因此，錳在鋼中是一種有益元素。硅也是來自于生鐵和脫氧劑。硅的影響硅在鋼中也是一種有益的元素，其含量一般在0.4%以下。硅和錳一樣能溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但使塑性和韌性降低。當(dāng)硅含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，對(duì)鋼的性能影響不顯著。錳鐵硅鐵硫是由生鐵和煉鋼燃料帶入的雜質(zhì)元素，在鋼中是一種有害的元素。硫的影響硫在鋼中不溶于鐵，而與鐵化合形成化合物FeS，F(xiàn)eS與Fe能形成低熔點(diǎn)共晶體，熔點(diǎn)僅為985℃，且分布在奧氏體的晶界上。當(dāng)鋼材在1000～1200℃進(jìn)行壓力加工時(shí)，共晶體已經(jīng)熔化，并使晶粒脫開，鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，為此，鋼中硫的含量必須嚴(yán)格控制。在鋼中增加錳的含量，使之與硫形成MnS（熔點(diǎn)1620℃），可消除硫的有害作用，避免熱脆現(xiàn)象。硫鐵礦磷由生鐵帶入鋼中，在一般情況下，鋼中的磷能全部溶于鐵素體中。磷的影響

磷有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，但塑性、韌性則顯著降低。這種脆化現(xiàn)象在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，故稱為冷脆。

一般希望冷脆轉(zhuǎn)變溫度低于工件的工作溫度，以免發(fā)生冷脆。而磷在結(jié)晶過程中，由于容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，使局部區(qū)域含磷量偏高，導(dǎo)致冷脆轉(zhuǎn)變溫度升高，從而發(fā)生冷脆。

冷脆對(duì)在高寒地帶和其他低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)件具有嚴(yán)重的危害性，此外，磷的偏析還使鋼材在熱軋后形成帶狀組織。

通常情況下，磷是有害的雜質(zhì)，在鋼中要嚴(yán)格控制磷的含量。

但含磷量較多時(shí)，由于脆性較大，在制造炮彈鋼以及改善鋼的切削加工性方面則是有利的。炮彈比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因

磷高產(chǎn)生冷脆性于1938年冬

發(fā)生斷裂墜入河中

發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位?！獝垡蛩固褂糜谥圃旄黝悪C(jī)械零件以及建筑工程結(jié)構(gòu)的鋼稱為結(jié)構(gòu)鋼，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的冶煉及加工工藝簡單、成本低，這類鋼的生產(chǎn)量在全部結(jié)構(gòu)鋼中占有很大比例。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含雜質(zhì)較多，價(jià)格低廉，用于對(duì)性能要求不高的地方，其含碳量多在0.30％以下，含錳量不超過0.80％，強(qiáng)度較低，但塑性、韌性、冷變形性能好。除少數(shù)情況外，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不作熱處理，而是直接使用。多制成條鋼、異型鋼材、鋼板等。用途很多，用量很大，主要用于鐵道、橋梁、各類建筑工程，制造承受靜載荷的各種金屬構(gòu)件及不重要不需要熱處理的機(jī)械零件和一般焊接件。選用碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代號(hào)（Q）、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)四個(gè)部分表示，還可以在末尾加上尾綴說明質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法。

是鋼材的屈服強(qiáng)度“屈”字的漢語拼音字首，緊跟后面的是屈服強(qiáng)度值，再其后分別是質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法。

國標(biāo)中規(guī)定了A、B、C、D四種質(zhì)量等級(jí)，其中，A級(jí)質(zhì)量最差，D級(jí)質(zhì)量最好。表示脫氧方法時(shí)，沸騰鋼在鋼號(hào)后加“F”，半鎮(zhèn)靜鋼在鋼號(hào)后加“b”，特殊鎮(zhèn)靜鋼在鋼號(hào)后加“TZ”，鎮(zhèn)靜鋼在鋼號(hào)后加“Z”，其中特殊鎮(zhèn)靜鋼和鎮(zhèn)靜鋼則可省略不加任何字母。例如：Q235AF即表示屈服強(qiáng)度值為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。Q235AF