項目二

金屬材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶本章內(nèi)容1金屬的結(jié)構(gòu)2金屬的結(jié)晶3二元合金相圖4金屬的塑性變形與再結(jié)晶項目概述不同的材料具有不同的力學(xué)性能，甚至相同的材料也會出現(xiàn)不同的力學(xué)性能。這主要是因為金屬從液態(tài)到固態(tài)時的結(jié)晶規(guī)律不同，以致結(jié)晶后的晶體結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)也不同，從而使材料表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。本項目將主要介紹金屬的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶規(guī)律。項目目標知識目標01.掌握常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)及實際金屬中的晶體缺陷。02.掌握金屬的結(jié)晶條件、結(jié)晶過程及晶粒細化的方法。03.了解同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。04.掌握固溶體、金屬化合物及機械混合物。06.掌握鐵碳合金相圖的分析。07.了解金屬的塑性變形與再結(jié)晶。05.掌握二元合金相圖的建立及分析。能力目標能分析鐵碳合金相圖，并掌握其應(yīng)用。理解金屬塑性變形的實質(zhì)。任務(wù)一

金屬的結(jié)構(gòu)相關(guān)知識在自然界中，固態(tài)物質(zhì)根據(jù)原子（離子或分子）的聚集狀態(tài)不同，可分為晶體和非晶體兩大類。其中，晶體是指原子（離子或分子）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)，如金剛石、石墨、固態(tài)金屬等，如圖2-1（a）所示；非晶體是指原子（離子或分子）在空間無規(guī)則排列的物質(zhì)，如松香、玻璃、瀝青等，如圖2-1（b）所示。一、晶體與非晶體（a）金剛石晶體（b）松香非晶體圖2-1晶體與非晶體晶體一般有規(guī)則的外形、固定的熔點，且各向異性；而非晶體沒有規(guī)則的外形、固定的熔點，在各個方向上原子的聚集密度大致相同，故表現(xiàn)出各向同性。二、晶格與晶胞晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。晶體中的原子（離子或分子）都在它的平衡位置上不停地振動著，為研究方便，通常把它們看成是一個個在平衡位置上靜止不動的小剛球，于是，各種晶體結(jié)構(gòu)便可用許多小剛球緊密堆垛的模型來表示，如圖2-2（a）所示。（a）剛球模型圖2-2晶體原子排列示意圖為了便于分析金屬晶體中原子排列的幾何規(guī)律，用一些假想的直線將各原子中心連接起來，形成一個空間格架，如圖2-2（b）所示。這種抽象的、用于描述原子排列規(guī)律的空間格架稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格。（b）質(zhì)點模型圖2-2晶體原子排列示意圖由于晶體中的原子在三維空間作有規(guī)律的重復(fù)排列，因此，在研究晶體結(jié)構(gòu)時，通常只從晶格中取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來進行分析。這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖2-2（c）所示。（c）晶胞圖2-2晶體原子排列示意圖晶胞的大小和形狀可用晶胞的三條棱邊長a，b，c和棱邊夾角α，β，γ來描述，其中，a，b，c稱為晶格常數(shù)或點陣常數(shù)。三、常見金屬的晶格類型在已知的金屬元素中，除了少數(shù)金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，90%以上的金屬晶體都屬于以下三種晶格類型：體心立方晶格、面心立方晶格和密排立方晶格。常見的晶格類型及其特點如表2-1所示。表2-1常見的晶格類型及其特點四、單晶體與多晶體為了便于研究，通常把晶體理想化，理想化的晶體原子排列呈規(guī)則、周期性，原子在平衡位置靜止不動，完整無缺陷，晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致，我們將這種晶體稱為單晶體，如圖2-3（a）所示。（a）單晶體圖2-3單晶體與多晶體1．單晶體實際應(yīng)用的金屬一般都是由許多晶粒組成的，稱為多晶體。如圖2-3（b）所示，多晶體由許多不同位向的小晶體組成，每個小晶體內(nèi)部晶格位向基本一致，但各小晶體之間位向不同，我們將這種外形不規(guī)則、呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒，相鄰晶粒的界面稱為晶界。（b）多晶體圖2-3單晶體與多晶體由于多晶體中每個晶粒在空間分布的位向不同，所以，實際金屬在宏觀上各個方向的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。在實際晶體中，由于許多因素（如結(jié)晶條件、原子熱運動及加工條件等）的影響，某些區(qū)域的原子排列會受到干擾和破壞，呈現(xiàn)出不完整的情況，這種區(qū)域稱為晶體缺陷。五、晶體的缺陷根據(jù)晶體缺陷的特征，可將其分為三類：點缺陷、線缺陷和面缺陷，如表2-2所示。表2-2晶體缺陷表2-2（續(xù)）任務(wù)二金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固后的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固過程稱為結(jié)晶。相關(guān)知識從廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)的過程均屬于結(jié)晶過程。把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結(jié)晶；純金屬的結(jié)晶常通過熱分析法進行測定，即把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，觀察記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成曲線，此曲線稱為冷卻曲線，如圖2-4所示。一、金屬的冷卻曲線圖2-4純金屬結(jié)晶的冷卻曲線由圖2-4可以看出，當液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度時，結(jié)晶并未開始，而是繼續(xù)冷卻到以下的某一溫度才開始結(jié)晶。這種實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用表示，即（2-1）過冷度的大小與冷卻速度、金屬的性質(zhì)和純度等因素有關(guān)。冷卻速度越大，金屬越純，過冷度越大。實驗證明，金屬都是在過冷情況下結(jié)晶的，所以，過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。由于結(jié)晶是在一定的過冷度下進行的，因此，結(jié)晶開始時，結(jié)晶速度很快，會釋放大量的結(jié)晶潛熱。這部分熱量除了補償向外散熱外，剩余部分會使液態(tài)金屬的溫度升高，結(jié)晶速度減慢，釋放的潛熱隨之減少，當釋放的潛熱恰好等于補償向外散失的熱量時，液態(tài)金屬的溫度保持不變，冷卻曲線上出現(xiàn)一個平臺。直到金屬結(jié)晶完畢，不再有潛熱放出時，溫度才繼續(xù)降低。二、金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬的結(jié)晶是一個形核和長大的過程。液態(tài)金屬結(jié)晶時，首先在液體中形成一些極微小的晶體，稱為晶核，然后它們不斷吸收周圍的原子而長大。同時，液體中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并逐漸長大，直至液態(tài)金屬全部結(jié)晶。金屬的結(jié)晶過程如圖2-5所示。圖2-5金屬的結(jié)晶過程示意圖金屬結(jié)晶包括兩個基本過程：晶核的形成和長大，它們是同時進行的。1．晶核的形成由圖2-5可知，液態(tài)金屬內(nèi)部存在有規(guī)則排列的原子團時聚時散，并不是完全地?zé)o規(guī)則排列。在理論結(jié)晶溫度以上時，這些原子集團極不穩(wěn)定，但當溫度降低到結(jié)晶溫度以下，且達到足夠大的過冷度時，某些大于一定尺寸的原子集團可以穩(wěn)定下來，成為結(jié)晶核心。這種由液態(tài)金屬內(nèi)部自發(fā)形成結(jié)晶核心的過程稱為自發(fā)形核。實際金屬中或多或少地總會存在一些雜質(zhì)，當雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)與金屬的相似或相當時，金屬原子就會以它們?yōu)榛仔纬山Y(jié)晶核心，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。自發(fā)形核和非自發(fā)形核同時存在于金屬液體中，但在實際金屬和合金中，非自發(fā)形核往往比自發(fā)形核更為重要，起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。2．晶核的長大晶核形成后，即開始長大。晶體主要以樹枝狀方式長大。開始時，晶核外形比較規(guī)則。在晶體繼續(xù)長大的過程中，由于晶核的尖角處散熱和對流條件好，容易獲得液態(tài)金屬原子，所以生長速度較快，形成晶體的主干，稱為一次晶軸。在晶軸長大過程中，又會不斷生出分支，隨著結(jié)晶過程的發(fā)展，逐漸長出二次晶軸、三次晶軸等，如此不斷生長和發(fā)展下去，最終形成樹枝狀晶體，簡稱枝晶，如圖2-6所示。圖2-6枝晶生成過程示意圖三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響實際金屬結(jié)晶后，一般都會形成由許多晶粒組成的多晶體。在多晶體中，晶粒的大小對其力學(xué)性能的影響很大。一般來說，晶粒越細小，金屬的強度越高，塑性和韌性越好。所以，細化晶粒是提高金屬材料力學(xué)性能的一個重要途徑。金屬晶粒的大小與形核率N和長大率G有關(guān)。其中，形核率是指單位時間內(nèi)在單位體積中產(chǎn)生的晶核數(shù)；長大率是指單位時間內(nèi)晶核長大的線速度。促進形核率N，抑制長大率G，即可細化晶粒。生產(chǎn)中，主要采用增大過冷度、變質(zhì)處理和附加振動等方法細化晶粒。1．增大過冷度金屬結(jié)晶時，形核率N和長大率G均與過冷度有關(guān)，如圖2-8所示。圖2-8形核率和長大率與過冷度的關(guān)系隨著過冷度的增大，形核率和長大率均會增大，而且在很大范圍內(nèi)形核率N增大得更快，結(jié)晶時增大過冷度ΔT會使金屬結(jié)晶后晶粒變細。生產(chǎn)中常采用散熱快的金屬鑄型、降低金屬鑄型的預(yù)熱溫度、減小涂料層的厚度、采用水冷鑄型等方法來提高冷卻速度，但這種方法只適用于中、小型鑄件。對于形狀復(fù)雜的鑄件，為防止快速冷卻使應(yīng)力過大產(chǎn)生開裂，通常不允許過多地提高冷卻速度，生產(chǎn)上多采用變質(zhì)處理來細化晶粒。2．變質(zhì)處理變質(zhì)處理是在液體金屬中加入變質(zhì)劑或孕育劑，增加非自發(fā)晶核的數(shù)量或阻礙晶核的長大，從而達到細化晶粒的目的。例如，在ZA27合金中加入Ti和Zr，粗大的樹枝晶粒細化后變成了更細小的花瓣狀，變質(zhì)處理有明顯的細化晶粒效果，如圖2-9所示。（a）變質(zhì)處理前（b）變質(zhì)處理后圖2-9Ti和Zr的復(fù)合變質(zhì)對ZA27合金顯微組織的影響在金屬結(jié)晶過程中，對其采用機械振動、超聲波振動、電磁振動及攪拌等方法，可使枝晶破碎、折斷，這樣不僅使已形成的晶粒因破碎而細化，而且破碎了的細小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了結(jié)晶核心，達到晶粒細化的目的。如圖2-10所示為利用超聲波處理對工業(yè)純鋁進行晶粒細化。（a）未經(jīng)超聲波處理（b）超聲波處理后圖2-10經(jīng)超聲波處理前后純鋁的凝固組織3．附加振動任務(wù)三二元合金相圖相關(guān)知識盡管純金屬具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，但其強度、硬度、耐磨性等機械性能都很低，因此，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的不是純金屬，而是根據(jù)性能要求制備的各種不同成分的合金，如鋼、鑄鐵等。

合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如，普通黃銅是由銅與鋅組成的合金，鋼和鐵是由鐵和碳組成的合金等。一、合金的基本概念1．合金

組元是指組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。組元通常是組成合金的元素，可以是金屬元素或非金屬元素（如鐵碳合金中的Fe和C、黃銅中的Cu和Zn等），也可以是金屬化合物（如碳鋼中的Fe3C等）。2．組元由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個組元組成的合金稱為三元合金，由三個以上組元組成的合金稱為多元合金。

合金系是指由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金。3．合金系

相是指在合金中具有相同的成分、晶體結(jié)構(gòu)及性能，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分。例如，固液共存系統(tǒng)中的相有固相和液相兩種。合金結(jié)晶后可以是一種相（單相合金），也可以是若干種相組成的多相合金。4．相合金的組織是指由一種或多種相以不同的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布形式而組成的綜合體，通常需要在金相顯微鏡下進行觀察。只有一種相組成的組織稱為單相組織，由幾種不同的相組成的組織稱為多相組織。5．組織合金較純金屬有一系列優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾點。01應(yīng)用范圍廣。調(diào)整合金成分，可以在較大范圍內(nèi)改善材料的使用性能和工藝性能，滿足各種不同需求。③價格便宜。大多數(shù)情況下，合金的價格比純金屬低，如碳鋼和鑄鐵比工業(yè)純鐵便宜，黃銅比純銅便宜。獲得功能性材料。通過改變成分可以得到具有特定物理性能和化學(xué)性能的材料。②二、合金的組織合金的性能取決于組織，而組織又取決于其組成相的性質(zhì)。固態(tài)合金的基本相可分為固溶體和金屬化合物兩大類。但大多數(shù)合金都是這兩種基本相的機械混合物。

固溶體是指合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑，一般在合金中含量較多；其他組元稱為溶質(zhì)，含量較少。1．固溶體1）固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固溶體固溶體間隙固溶體圖2-11固溶體

置換固溶體是指溶質(zhì)原子置換溶劑中的部分原子，并且占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點位置所形成的固溶體，如圖2-11（a）所示。（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子溶入原子的量稱為固溶體的溶解度，一般用質(zhì)量百分數(shù)或原子百分數(shù)表示。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度不同，置換固溶體又可分為無限固溶體和有限固溶體。

間隙固溶體是指溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中形成的固溶體，如圖2-11（b）所示。因為晶格間隙都很小，所以原子半徑較小的H，O，C，B，N等元素與過渡族金屬可形成間隙固溶體。（2）間隙固溶體圖2-11固溶體

在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的溶入，溶劑的晶格會發(fā)生一定程度的畸變，如圖2-12所示。溶質(zhì)原子與溶劑原子的半徑差越大，溶入的溶質(zhì)原子越多，晶格畸變就越嚴重。晶格畸變會增大位錯運動的阻力，提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金力學(xué)性能的重要途徑之一。2）固溶體的性質(zhì)圖2-12固溶體中的晶格畸變

金屬化合物是指合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相，一般可用分子式表示，如碳鋼中的Fe3C、黃銅中的Cu，Zn等。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點高，硬而脆。合金中含有金屬化合物時，合金的強度、硬度會提高，而塑性、韌性會降低。2．金屬化合物當金屬化合物呈現(xiàn)細小顆粒均勻分布在固溶基體上時，將使合金的強度、硬度及耐腐性明顯提高，這種現(xiàn)象稱為彌散強化。所以金屬化合物可以強化合金，它是很多合金鋼、硬質(zhì)合金的重要組成相。3．機械混合物機械混合物是指兩種或兩種以上的相按照一定質(zhì)量百分數(shù)組合成的物質(zhì)。機械混合物的性能主要取決于各組成相的性能及相的分布狀態(tài)，各組成相仍保持各自的晶格，彼此無交互作用。多數(shù)工程上采用的合金組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的機械混合物。為了滿足工程上的多種需求，可以調(diào)整固溶體中溶質(zhì)含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布情況，使得合金的力學(xué)性能在較大范圍內(nèi)變化。三、二元合金相圖的建立由于合金成分中有兩個以上的組元，因此其結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜得多，因此通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。合金相圖是表示合金系在平衡條件下，在不同溫度、成分下各相關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖。利用相圖，可以了解各種成分的合金在不同溫度的組織狀態(tài)及一定溫度下發(fā)生的結(jié)晶和相變，了解不同成分的合金在不同溫度下的相組成及相對含量，了解合金在加熱和冷卻過程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。通過熱分析法可以得到相圖，如圖2-13所示為熱分析法示意圖。圖2-13熱分析法示意圖用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖的基本步驟如下。表2-3Cu-Ni合金的成分及臨界點01配制若干成分不同的Cu-Ni合金，如表2-3所示。表2-3（a）Cu-Ni合金冷卻曲線（b）Cu-Ni合金相圖圖2-14Cu-Ni合金的冷卻曲線及合金相圖02用熱分析法分別測出各組合金的冷卻曲線，如圖2-14（a）所示。03確定各冷卻曲線的相變點。04

將確定的相變點標記在對應(yīng)成分曲線上。（a）Cu-Ni合金冷卻曲線（b）Cu-Ni合金相圖圖2-14Cu-Ni合金的冷卻曲線及合金相圖05用平滑曲線連接各點，即可獲得Cu-Ni合金相圖，如圖2-14（b）所示。兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時所形成的二元合金相圖稱為勻晶相圖。屬于這類相圖的合金系主要有Cu-Ni，Au-Ag，Au-Pt，F(xiàn)e-Ni，F(xiàn)e-Cr，Cr-Mo等?，F(xiàn)以Cu-Ni二元合金相圖為例進行分析。四、二元合金相圖分析1．相圖分析及結(jié)晶過程如圖2-15所示為Cu-Ni二元合金相圖。A點為Cu的熔點（1083℃），B點為Ni的熔點（1452℃），該相圖上面一條是液相線，下面一條是固相線，液相線和固相線把相圖分成三個區(qū)域，即液相區(qū)L、固相區(qū)α及液固兩相區(qū)。圖2-15Cu-Ni合金相圖及結(jié)晶過程示意圖由圖2-15可以看出，Ni的質(zhì)量分數(shù)為c的Cu-Ni合金，其成分垂線與液、固相線分別交于A點和B點。當液態(tài)合金緩慢冷卻至1溫度時，開始結(jié)晶出α固溶體。隨著溫度不斷下降，α相持續(xù)增加，剩余的液相L持續(xù)減少。在這個過程中，液相和固相的成分通過原子擴散，分別沿著液相線和固相線變化。當冷卻溫度降到2溫度時，液相消失，結(jié)晶結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。此時溫度繼續(xù)下降，但合金不再變化。2．枝晶偏析固溶體結(jié)晶時成分是變化的，緩慢冷卻時，由于原子擴散能充分進行，可形成成分均勻的固溶體。而實際中，由于冷卻速度較快，原子擴散不能充分進行，會造成晶粒內(nèi)成分不均勻，即產(chǎn)生枝晶偏析（又稱晶內(nèi)偏析）。枝晶偏析對材料的力學(xué)性能、抗腐蝕性能及工藝性能都不利。生產(chǎn)中可應(yīng)用均勻化退火予以消除。簡單來說，就是將合金重新加熱到稍低于結(jié)晶溫度，并長時間保持該溫度，使原子擴散充分進行，使得成分達到均勻、一致。碳鋼和鑄鐵是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的金屬材料，組成碳鋼和鑄鐵的主要元素是鐵和碳，所以鋼鐵又可稱為鐵碳合金。不同成分的鐵碳合金具有不同的組織和性能。為了研究鐵碳合金成分、組織和性能之間的關(guān)系，必須要了解鐵碳合金相圖。五、鐵碳相圖1．純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，而有些金屬在固態(tài)下存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦、錫、錳等。這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得到的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。如圖2-16所示為純鐵在結(jié)晶時的冷卻曲線。圖2-16純鐵在結(jié)晶時的冷卻曲線液態(tài)純鐵在1538℃時開始結(jié)晶，形成具有體心立方晶格的δ-Fe，溫度繼續(xù)降低到1394℃時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe。再冷卻至912℃時又發(fā)生一次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，面心立方晶格的γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe。再繼續(xù)冷卻，純鐵的晶格類型不再變化。純鐵的三種同素異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變可表示為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，故稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，金屬也需要過冷并在恒溫下進行，新晶體的形成也是形核與長大的過程。但由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進行的，其原子擴散比較困難，轉(zhuǎn)變時需要較大的過冷度。由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的晶格變化將會引起金屬的體積發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，嚴重時會導(dǎo)致金屬變形或開裂，因此，應(yīng)有工藝措施予以防止。2．鐵碳相圖通過鐵碳相圖可以了解到，在緩慢冷卻的條件下，鐵碳合金成分、溫度、組織的變化規(guī)律，可將其作為選擇材料和制訂相關(guān)熱加工工藝時的依據(jù)。當碳的質(zhì)量分數(shù)時，鐵碳合金的脆性極大，在工業(yè)生產(chǎn)中沒有使用價值，因此只需要研究碳的質(zhì)量分數(shù)的合金部分。相圖中，左上角的包晶部分轉(zhuǎn)變溫度很高，實際應(yīng)用很少，而且轉(zhuǎn)變過程對隨后的低溫轉(zhuǎn)變影響不大，所以，在一般的研究中，常將此部分省略簡化。簡化后的相圖如圖2-17所示。圖2-17簡化后的相圖按碳的質(zhì)量分數(shù)和顯微組織不同，鐵碳合金可以分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類，具體如表2-4所示。3．鐵碳合金的分類表2-4鐵碳合金分類工業(yè)純鐵具有良好的塑性和導(dǎo)磁性，但強度較低，不適用于制造結(jié)構(gòu)零件。而在工業(yè)純鐵中加入適量的碳元素，可以提高強度和硬度，形成不同的鐵碳合金組織。這種通過鐵和碳交互作用產(chǎn)生的鐵碳合金的基本組織有五種：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體，如表2-5所示。4．鐵碳合金的基本組織表2-5鐵碳合金基本組織5．典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析通過對圖2-17中成分垂線與相線相交的情況，可以分析出幾種典型鐵碳合金結(jié)晶過程中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，如圖2-6所示。表2-6鋼和鑄鐵平衡凝固時的轉(zhuǎn)變過程示意圖和室溫組織注：L—液相；A—奧氏體；F—鐵素體；P—珠光體；，，—一次、二次、三次滲碳體；Ld—A和組成的高溫萊氏體；—P、共晶滲碳體和二次滲碳體組成的變態(tài)萊氏體。6．相圖分析1）相圖中特性點的含義表2-7所示為相圖中各特性點的溫度、成分和含義。各代表符號是通用的，不可隨意改變。表2-7相圖中各特性點的溫度、成分和含義2）相圖中特性線的意義相圖的特性線是不同成分合金具有相同意義相變點的連接線。相圖中各特性線的符號、名稱及含義如表2-8所示。表2-8相圖的特性線相圖中一次、二次、三次滲碳體的含碳量、晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同，沒有本質(zhì)區(qū)別，只是來源、分布、形態(tài)不同，對鐵碳合金的性能影響也不同。六、含碳量對鐵碳合金平衡組織及性能的影響1．含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響鐵碳合金在室溫下的平衡組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成的，而且，隨著含碳量的增加，鐵素體不斷減少，滲碳體相應(yīng)增多。不同的形成條件下，滲碳體的形態(tài)分布有所不同。由鐵碳合金相圖可知，隨著碳含量的增加，鐵碳合金顯微組織發(fā)生如下變化：如圖2-18所示，當時，隨含碳量的增加，合金的強度和硬度不斷上升，而塑性和韌性不斷下降。當時，由于網(wǎng)狀滲碳體的存在，合金的強度開始明顯下降，塑性和韌性進一步下降，而硬度仍在增高。圖2-18鐵碳合金的成分、組織及性能變化規(guī)律2．含碳量對鐵碳合金性能的影響為保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度、一定的塑性和韌性，鋼的含碳量一般不超過1.3%。的白口鑄鐵，由于組織中有大量的滲碳體，硬度高，塑性和韌性極差，既難以切削，又不能用鍛壓方法加工，故工業(yè)上很少直接應(yīng)用。鐵碳合金相圖所表明的成分、組織與性能之間的關(guān)系，為合理選用鋼鐵材料提供了依據(jù)。七、鐵碳合金相圖的應(yīng)用及局限性1．鐵碳合金相圖的應(yīng)用1）選材時的主要依據(jù)2）制訂各種熱加工工藝的主要依據(jù)①在鑄造方面的應(yīng)用。根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。由相圖可知，共晶成分的合金熔點最低，結(jié)晶溫度范圍最小，故其鑄造性能最好。所以，在鑄造生產(chǎn)中，共晶成分附近的鑄鐵得到了廣泛的應(yīng)用。②在鍛造方面的應(yīng)用。鋼處于單相奧氏體狀態(tài)時，塑性好、變形抗力小，便于鍛造成形。因此，鋼材在熱軋、鍛造時要加熱到單相奧氏體區(qū)。始鍛、始軋溫度一般為1150～1250℃，溫度不能太高，以免鋼材氧化燒損嚴重；終鍛、終軋溫度一般為750～850℃，溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。③在焊接方面的應(yīng)用。焊接時，由于局部區(qū)域（焊縫）被快速加熱，故從焊縫到母材各處的溫度是不同的。溫度不同，冷卻后的組織、性能也不同。為了獲得均勻一致的組織、性能，可通過焊后熱處理來調(diào)整和改善。④在熱處理方面的應(yīng)用。Fe-Fe3C相圖對于制定鋼的熱處理工藝有重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火等的加熱溫度都是根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。這將在后續(xù)內(nèi)容中詳細介紹。使用Fe-Fe3C相圖時，應(yīng)注意以下幾點。2．鐵碳合金相圖的局限性①Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中的平衡狀態(tài)，而實際生產(chǎn)中使用的鋼和鑄鐵，除了鐵和碳外，往往含有或有意加入了其他元素。當其他元素含量較高時，相圖將發(fā)生變化。②Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，而實際生產(chǎn)的加熱或冷卻速度都較快，其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。③Fe-Fe3C相圖只給出了相的成分和相對量的信息，無法反映實際組織狀態(tài)，更不能給出形狀、分布等特征。一、與變形相關(guān)的幾個概念任務(wù)四金屬的塑性變形與再結(jié)晶1．載荷載荷是指材料在加工和使用過程中所受的外力。根據(jù)外力與時間的關(guān)系不同，載荷可分為靜載荷和動載荷。圖2-20靜載荷的主要類型

靜載荷是指大小不變或變化緩慢的載荷。例如，鐵質(zhì)衣架上掛有不動的衣服時，衣架所受的就是大小和方向不變的靜載荷。靜載荷的主要類型包括拉伸、壓軸、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等，如圖2-20所示。1）靜載荷動載荷是指隨時間做明顯變化的載荷，主要有沖擊載荷和交變載荷等。2）動載荷沖擊載荷：是指突然增加的載荷，如用錘子在木板上釘釘子，釘子所承受的就是沖擊載荷。交變載荷：是指周期性變化的動載荷，如摩托車在高低不平的路面上行駛時，摩托車上的減振彈簧所承受的就是大小和方向改變的交變載荷。2．內(nèi)力

內(nèi)力是指工件或材料在受到外部載荷作用時，為使其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對抗的力。內(nèi)力的大小與外力相等，其主要作用于材料的內(nèi)部。應(yīng)當注意的是，外力與內(nèi)力，力與反作用力，這是兩組不同的概念。二、金屬的塑性變形多數(shù)金屬材料都具有一定的塑性，因此，它們均可在熱態(tài)和冷態(tài)下進行塑性加工，從而獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的型材、板材、管材或線材。金屬在承受塑性加工時會產(chǎn)生塑性變形，這不僅可使金屬獲得一定形狀和尺寸的零件，而且還會引起金屬內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)的變化，使金屬的組織與性能得到改善。圖2-21單晶體滑移金屬塑性變形因金屬晶體中晶粒內(nèi)部的變形、晶粒間的相對移動和晶粒的轉(zhuǎn)動的綜合影響而成。單晶體塑性變形的最基本、最重要方式為滑移，即在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）相對另一部分發(fā)生滑動的過程，如圖2-21所示。晶體的滑移是通過位錯運動來實現(xiàn)的，如圖2-22所示。從圖中可以看出，晶體在滑移時并不是滑移面上的全部原子同時移動，而是只有位錯線中心附近的少數(shù)原子移動很小的距離（小于一個原子間距），這樣所需的應(yīng)力要比晶體做整體剛性滑移時低得多。圖2-22位錯移動實現(xiàn)滑移三、回復(fù)與再結(jié)晶1．冷塑性變形后的組織變化在常溫下，可以觀察到金屬經(jīng)過冷塑性變形后的顯微組織呈現(xiàn)出晶粒拉長、破碎、扭曲等特征，并