湖工院機械工程材料講義

1機械工程材料概論1.1機械工程材料的工作載荷（load）機械工程材料在工作中，會受到力學載荷、熱載荷、環境載荷等各種載荷的作用，而且大多數情況下將受到多種負荷的交互作用，工作載荷不同，需要的性能也各不相同。1.1.1力學負荷在外力的作用下，機械零件的力學負荷主要表現為材料內部的應力分布、變形方式、缺口效應等。根據載荷隨時間的變化情況，可將其分為靜載荷和動載荷兩類：1．靜載荷若載荷從零開始緩慢地增加到某一定數值后保持不變或變動不大，則稱為靜載荷。如機床的重量對地面安裝位置的作用即為靜載荷。一般情況下，作用在機械零件上的靜載荷有拉伸、壓縮、剪切、扭轉、彎曲等多種形式，并導致各種形式的變形發生；有時，一個機械零件可能同時受到幾種不同形式的靜載荷作用，此時零件將發生組合變形。例如，車床主軸在工作時，同時承受壓縮、彎曲、扭轉等三種基本變形；鉆床立柱在工作時，同時承受拉伸、彎曲與扭轉等多種基本變形。2．動載荷隨時間而變化的載荷稱為動載荷，根據動載荷隨時間變化的方式，可將其分為交變載荷與沖擊載荷。交變載荷是指隨時間作周期性變化的載荷，如處在正常工作過程中的齒輪輪齒、使用中的滾動軸承的滾動體等都受到隨時間作周期性變化的交變載荷作用；沖擊載荷是指物體的運動在瞬時內產生突然變化而形成的載荷，如鍛造時鍛錘的錘桿、急剎車時飛輪的輪軸等都受到沖擊載荷的作用。1.1.2熱載荷在各類不同行業使用的機械產品中，有許多機械零件都是在高溫條件下工作的，除了由溫度變化引起的熱疲勞現象和高溫氧化以外，還將導致零件材料的力學性能降低，并產生蠕變現象，使機械零件出現過早失效。在高溫下，零件材料的強度會隨著工作溫度的升高而降低，且材料的強度會隨著高溫下加載時間的延長而降低，載荷持續的時間越長，對零件材料的強度影響越顯著，而在室溫下，零件材料的強度卻不受加載時間的限制。材料在給定溫度和規定時間范圍內發生斷裂的應力稱為持久強度。另外，材料在長時間的高溫作用下，即使所受應力低于其屈服強度，也會慢慢地產生塑性變形，這種現象稱為材料的高溫蠕變現象。一般說來，只有當工作溫度超過0.3T熔時，才會出現較為明顯的蠕變現象。同時，許多機械零件在溫度不斷變化的條件下工作時，將受到熱沖擊作用，零件上的各個工作部分，會由于溫度不同而產生不等量的膨脹或收縮，在零件的內部形成熱應力作用，導致零件的變形或降低零件的實際承載能力。1.1.3環境載荷環境負荷對零件及材料的作用，也是工程設計和制造中不可忽視的內容。1．環境載荷對金屬構件與零件的作用環境載荷對金屬構件與零件的影響主要體現在金屬的腐蝕和摩擦磨損兩個方面：（1）金屬的腐蝕從腐蝕的過程和金屬腐蝕的機理上，可將金屬的腐蝕分為物理腐蝕、化學腐蝕和電化學腐蝕三大類。物理腐蝕是指由于單純的物理溶解過程而形成的腐蝕；化學腐蝕是指金屬材料與周圍介質之間，直接發生純化學反應，在反應的過程中不產生電流的腐蝕現象；電化學腐蝕是指金屬材料與周圍的電解質介質發生電化學反應，在反應過程中有電流產生的腐蝕過程。（2）金屬的摩擦磨損在機械的運轉中，在任何接觸狀態下發生相對運動的機械零件，都會在彼此之間產生相互摩擦，如軸與軸、活塞環與汽缸套、齒輪與齒輪、滑快與十字頭等。在不斷的摩擦過程中，機械零件的表面出現物質損耗并造成形狀和尺寸變化的現象稱為磨損，由于磨損的機理不同，產生磨損的類型也很多，常見的有磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。2．環境負荷對高分子材料構件和機械零件的作用隨著機器制造業的發展，非金屬材料的應用日益廣泛，特別是高分子材料的應用，更是首當其沖。在高分子材料的加工、儲存、運輸和使用的過程中，由于受到各種環境因素的影響，會導致其使用性能逐漸變壞，以致最后喪失其使用價值的現象稱為老化。例如，農用薄膜經長時間的風吹日曬，會發生變脆、變色，透明度下降；車輛的橡膠輪胎在儲存或使用過程中會發生龜裂；玻璃鋼制品在長期的使用過程中，會在其表面上逐漸暴露出玻璃纖維、產生變色、慢慢失去光澤，并導致強度降低。1.2機械工程材料的分類機械工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔某些功能，被用來制造機各類械零件的材料。據統計，目前世界上的機械工程材料已達40多萬種，并且約以每年5%的速度增加。機械工程材料種類繁多，應用的場合也各不相同。因而，形成了許多不同的分類方法。1．按材料的化學組成分類按材料的化學組成分類，可將機械工程材料分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料四類。（1）金屬材料金屬材料可分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩類。黑色金屬材料是指鐵及鐵基合金，主要包括碳鋼、合金鋼、鑄鐵等；有色金屬材料是指鐵及鐵基合金以外的金屬及其合金。有色金屬材料的種類很多，根據它們的特性不同，又可分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等多種類型。金屬材料具有正的電阻溫度系數，一般具有良好的電導性、熱導性、塑性、金屬光澤等，是目前工程領域中應用最廣泛的工程材料。（2）高分子材料以高分子化合物為主要組分的材料稱為高分子材料，可分為有機高分子材料和無機高分子材料兩類。有機高分子材料主要有塑料、橡膠、合成纖維等；無機高分子材料包括松香、淀粉、纖維素等。高分子材料具有較高的強度、彈性、耐磨性、抗腐蝕性、絕緣性等優良性能，在機械、儀表、電機、電氣等行業得到了廣泛應用。（3）陶瓷材料陶瓷材料是金屬和非金屬元素間的化合物，主要包括水泥、玻璃、耐火材料、絕緣材料、陶瓷等。它們的主要原料是硅酸鹽礦物，又稱為硅酸鹽材料，由于陶瓷材料不具有金屬特性，因此也稱為無機非金屬材料。陶瓷材料熔點高、硬度高、化學穩定性高，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣性好等優點，在現代工業中的應用越來越廣泛。（4）復合材料復合材料由基體材料和增強材料兩個部分構成。基體材料主要有金屬、塑料、陶瓷等，增強材料則包括各種纖維、無機化合物顆粒等。根據基體材料不同，可將復合材料分為金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、聚合物基復合材料；根據組織強化方式的不同，可將復合材料分為顆粒增強復合材料、纖維增強復合材料、層狀復合材料等。復合材料由兩種或兩種以上的材料組合而成，可能具有非同尋常的強度、剛度、高溫性能和耐腐蝕性等，其性能是它的組成材料所不具備的。2．按材料的使用性能或功能分類按材料的使用性能或完成的功能不同，可將機械工程材料分為結構材料和功能材料兩類。（1）結構材料用于制造實現運動和傳遞動力的零件材料稱為結構材料，它是以強度、硬度、剛性、塑性、韌性、疲勞強度、耐磨性等力學性能為主要的性能指標。結構材料主要有金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料等，在機械工程中被廣泛使用。（2）功能材料用于制造實現特殊功能的零件材料稱為功能材料，它是以聲、光、電、磁、熱等物理性能為主要性能指標，利用物質的各種物理特性及其對外部環境的敏感反應，實現對各種信息的處理和能量的轉換。功能材料主要包括大規模集成電路材料、信息記錄材料、光學材料、超導材料、形狀記憶材料等，在通訊、計算機、電子、空間科學等領域扮演著極其重要的角色。1.3機械工程材料的性能金屬材料具有良好的使用性能（usability）和工藝性能，被廣泛用來制造機械零件和工程結構。所謂使用性能是指金屬材料在使用過程中表現出來的性能，包括力學性能、物理性能(如電導性、熱導性等)、化學性能(如耐蝕性、抗氧化性等)。所謂工藝性能是指金屬材料在各種加工過程中所表現出來的性能，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。1.3.1材料的力學性能材料的力學性能是指材料在各種載荷(外力)作用下表現出來的抵抗能力，它是機械零件設計和選材的主要依據。常用的力學性能有：強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。1．強度強度是指材料在外力作用下抵抗變形或斷裂的能力。由于所受載荷的形式不同，金屬材料的強度可分為抗拉強度(tensile)、抗壓強度(compressionstrength)、抗彎強度和抗剪強度等。各種強度間有一定的聯系，而抗拉強度是最基本的強度指標。材料受外力時，其內部產生了大小相等方向相反的內力，單位橫截面積上的內力稱為應力(stress)，用σ表示。通過拉伸試驗可以測出材料的強度指標。金屬材料的強度是用應力值來表示的。從拉伸曲線可以得出三個主要的強度指標：彈性極限（elasticlimit）、屈服強度(yieldstrength)和抗拉強度。（1）彈性極限材料產生完全彈性變形時所承受的最大應力值，用符號σe表示，MPa式中：Fe——試樣產生完全彈性變形(elasticdeformation)的最大載荷，N；S0——試樣原始橫截面積，mm2。（2）屈服強度(屈服點)材料產生屈服現象時的最小應力值，用符號σs表示，MPa式中：Fs——試樣產生屈服的最小載荷，N。有些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現象。所以國標中規定，以試樣的塑性變形量為試樣標距長度的0.2%時的應力作為屈服強度，用σ0.2表示，MPa式中：F0.2——試樣塑性變形量為標距長度的0.2%時的載荷，N。（3）抗拉強度材料斷裂前所能承受的最大應力值，用符號σb表示，MPa式中：Fb——試樣斷裂前所承受的最大載荷，N。彈性極限是彈性元件(如彈簧)設計和選材的主要依據。絕大多數機械零件(如緊固螺栓)，在工作中不允許產生明顯的塑性變形(plasticdefortion)，所以屈服強度是設計和選材的主要依據。抗拉強度表示材料抵抗斷裂的能力，脆性材料沒有屈服現象，則常用σb作為設計依據。2．塑性塑性(plasticity)是指金屬材料在載荷作用下，產生塑性變形而不破壞的能力。金屬材料的塑性也是通過拉伸試驗測得的。常用的塑性指標有伸長率(elongation)和斷面收縮率(contractionofcrosssectionalarea)。（1）伸長率試樣拉斷后標距長度的伸長量與原始標距長度的百分比，用符號δ表示，即：式中：l0——試樣原始標距長度，mm；lK——試樣拉斷后的標距長度，mm。長試樣和短試樣的伸長率分別用δ10和δ5表示，習慣上δ10也常寫成δ。伸長率的大小與試樣的尺寸有關，對于同一材料，短試樣測得的伸長率大于長試樣的伸長率，即δ5＞δ10。因此，在比較不同材料的伸長率時，應采用相同尺寸規格的標準試樣。(2)斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示，即：式中Sk——試樣拉斷處的最小橫截面積，mm2。斷面收縮率與試樣尺寸無關，因此能更可靠地反映材料的塑性。材料的伸長率和斷面收縮率愈大，則表示材料的塑性愈好。塑性好的材料，如銅、低碳鋼，容易進行軋制、鍛造、沖壓等，塑性差的材料，如鑄鐵，不能進行壓力加工，只能用鑄造方法成形。而且用塑性較好的材料制成的機械零件，在使用中萬一超載，能產生塑性變形而避免突然斷裂，增加了安全可靠性。因此，大多數機械零件除要求具有較高的強度外，還必須有一定的塑性。3．硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標，它表示金屬不大體積內抵抗變形或破裂的能力，是重要的力學性能指標。材料的硬度與強度之間有一定的關系，根據硬度可以大致估計材料的強度。因此，在機械設計中，零件的技術條件往往標注硬度。熱處理生產中也常以硬度作為檢驗產品是否合格的主要依據。硬度是通過硬度試驗測得的。硬度試驗方法簡單、迅速，不需要專門的試樣、不損壞工件，因此在生產和科研中得到廣泛應用。測定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度(Brinellhardness)、洛氏硬度(Rockwellhardness)和維氏硬度(Vickershardness)試驗方法。（1）布氏硬度布氏硬度的測定是在布氏硬度機上進行的，其試驗原理如圖1.1所示。用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球做壓頭，在試驗力F的作用下壓入被測金屬表面，保持規定的時間后卸除試驗力，則在金屬表面留下一壓坑(壓痕)，用讀數顯微鏡測量其壓痕直徑d,求出壓痕表面積，用試驗力F除以壓痕表面積S所得的商作為被測金屬的布氏硬度值，用符號HB表示，MPa式中：F——試驗力，N；S——壓痕表面積，mm2；D——壓頭直徑，mm；d——壓痕直徑，mm。布氏硬度值可通過上式計算求得，但在實際應用中，常根據壓痕直徑d的大小直接查布氏硬度表得到硬度值。

圖1.1布氏硬度試驗原理示意圖用淬火鋼球作壓頭測得的硬度用符號HBS表示，適合于測量布氏硬度值小于450的材料；用硬質合金球作壓頭測得的硬度用符號HBW表示，適合于測量布氏硬度值450～650的材料。在硬度標注時，硬度值寫在硬度符號的前面，例如120HBS，表示用淬火鋼球作壓頭測得材料的布氏硬度值為120。我國目前布氏硬度機的壓頭主要是淬火鋼球，故主要用來測定灰鑄鐵、有色金屬以及經退火、正火和調質處理的鋼材等的硬度。布氏硬度壓痕大，試驗結果比較準確。但較大壓痕有損試樣表面，不宜用于成品件與薄件的硬度測試，而且布氏硬度整個試驗過程較麻煩。（2）洛氏硬度洛氏硬度的測定在洛氏硬度機上進行。與布氏硬度試驗一樣，洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗,但它不是測量壓痕面積，而是測量壓痕的深度，以深度大小表示材料的硬度值。用頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，先加初載荷，再加主載荷，將壓頭壓入金屬表面，保持一定時間后卸除主載荷，根據壓痕的殘余深度確定硬度值。硬度值，用符號HR表示，式中：h—壓痕的殘余深度，mm；K—常數(用金剛石壓頭，K=100；淬火鋼球作壓頭，K=130)。為了能在同一洛氏硬度機上測定從軟到硬的材料硬度，采用了由不同的壓頭和載荷組成的幾種不同的洛氏硬度標尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA、HRB和HRC三種。表示洛氏硬度時，硬度值寫在硬度符號的前面。便如，50HRC表示用標尺C測得的洛氏硬度值為50。洛氏硬度試驗操作簡便迅速，可直接從硬度機表盤上讀出硬度值。壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度。但由于壓痕較小，測得的數據不夠準確，通常應在試樣不同部位測定三點取其算術平均值。（3）維氏硬度維氏硬度試驗原理基本上與布氏硬度相同，也是根據壓痕單位表面積上的載荷大小來計算硬度值。所不同的是采用相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石作壓頭。試驗時，用選定的載荷F將壓頭壓入試樣表面，保持規定時間后卸除載荷，在試樣表面壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕兩對角線長度，求其算術平均值，用以計算出壓痕表面積，以壓痕單位表面積上所承受的載荷大小表示維氏硬度值，用符號HV表示，維氏硬度適用范圍寬(5～1000HV)，可以測從極軟到極硬材料的硬度，尤其適用于極薄工件及表面薄硬層的硬度測量(如化學熱處理的滲碳層、滲氮層等)，其結果精確可靠。缺點是測量較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。各種硬度間沒有理論的換算關系，但可通過查GB1172—74幾種常用硬度換算表進行近似換算。4．沖擊韌度強度、塑性、硬度都是在緩慢加載即靜載荷下的力學性能指標。實際上，許多機械零件常在沖擊載荷作用下工作，例如鍛錘的錘桿、沖床的沖頭等。所謂沖擊載荷是指以很快的速度作用于零件上的載荷。對承受沖擊載荷的零件，不但要求有較高的強度，而且要求有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度(impacttoughness)。材料的沖擊韌度值通常采用擺錘式一次沖擊試驗進行測定。沖擊試驗是在擺錘式沖擊試驗機上進行的，其試驗原理如圖1.2所示。

圖1.2擺錘式沖擊試驗原理示意圖將帶有缺口的標準沖擊試樣安放在沖擊試驗機的支座上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向。把質量為m的擺錘從一定高度h1落下，將試樣沖斷，沖斷度樣后，擺錘繼續升到h2的高度。擺錘沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊吸收功，用符號AKU表示。沖擊吸收功可從沖擊試驗機刻度盤上直接讀出。將沖擊吸收功除以試樣缺口底部橫截面積，即得到沖擊韌度值，沖擊韌度用符號aKU表示，mJ/c2式中：S—試樣缺口底部橫截面積，cm2；AKU—沖擊吸收功，J。沖擊韌度值AKU愈大，表明材料韌性愈好。實際上AKU值的大小就代表了材料韌性的高低，故目前國際上許多國家直接用沖擊吸收功作為沖擊韌度的指標。沖擊韌度值是在大能量一次沖斷試樣條件下測得的性能指標。但實際生產中許多機械零件很少是受到大能量一次沖擊而斷裂，多數是在工作時承受小能量多次沖擊后才斷裂。材料在多次沖擊下的破壞過程是裂紋產生和擴展的過程，是每次沖擊損傷積累發展的結果，它與一次沖擊有著本質的區別。5．疲勞強度(fatiguestrength)許多機械零件(如齒輪、彈簧、連桿、主軸等)都是在交變應力(即應力的大小、方向隨時間作周期性變化)下工作。雖然應力通常低于材料的屈服強度，但零件在交變應力作用下長時間工作，也會發生斷裂，這種現象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂事先沒有明顯的塑性變形，斷裂是突然發生的，很難事先覺察到，因此具有很大的危險性，常常造成嚴重的事故。圖1.3鋼鐵材料的疲勞曲線通過疲勞試驗可測得材料所承受的交變應力σ與斷裂前的應力循環次數N之間的關系曲線,稱為疲勞曲線，如圖1.3所示。由圖可知，應力值愈低，斷裂前應力循環次數愈多，當應力低于某一數值時，曲線與橫坐標平行，表明材料可經受無數次應力循環而不斷裂。表示材料經受無數次應力循環而不破壞的最大應力稱為疲勞強度。對稱循環應力的疲勞強度用σ-1表示。工程上規定，鋼鐵材料應力循環次數達到107次，有色金屬應力循環次數達到108次時，不發生斷裂的最大應力作為材料的疲勞強度。經測定，鋼的σ-1只有σb的50%左右。疲勞斷裂的過程，往往是在零件的表面，有時也可能在零件的內部某一薄弱部位產生裂紋，在交變應力作用下，裂紋不斷擴展，使材料的有效承載截面不斷減小，最后產生突然斷裂。提高疲勞強度的方法很多，如設計時，盡量避免尖角、缺口和截面突變，可避免應力集中引起的疲勞裂紋；還可以通過降低表面粗糙度和采用表面強化的方法(如表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等)來提高疲勞強度。1.3.2材料的理化性能1．物理性能（1）密度材料的密度是指單位體積中材料的質量，常用符號ρ表示。不同的材料其密度不同，一般將密度小于4.5g/cm3的金屬稱為輕金屬，密度大于4.5g/cm3的金屬稱為重金屬。抗拉強度σb與密度ρ之比稱為比強度；彈性模量E與密度ρ之比稱為比彈性模量，兩者也是某些機械零件選材時考慮的重要性能指標。例如，密度小的材料將會降低機械零件的重量，提高機械零件單位重量的強度（即比強度）。在航空、航天領域使用的材料一般都要求具有高的比強度和比彈性模量。（2）熔點是指材料的熔化溫度。金屬及合金是晶體，都有固定的熔點；陶瓷也有固定的熔點，一般顯著高于金屬及合金的熔點；高分子材料一般不是完全晶體，沒有固定的熔點。合金的熔點取決于它的化學成分。按照熔點的高低，可將金屬材料分為易熔金屬和難熔金屬兩類，易熔金屬如Sn、Pb等，可以用來制造保險絲、放火安全閥等零件；難熔金屬如W、Mo、V等，可以用來制造耐高溫零件，在燃氣輪機、航天、航空等領域有廣泛的應用。（3）熱膨脹性材料隨溫度變化而出現膨脹和收縮的現象稱為熱膨脹性。一般來說，材料受熱時膨脹，而冷卻時收縮。材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數來表示，陶瓷的熱膨脹系數最低，金屬材料次之，高分子材料的熱膨脹系數最高。對精密儀器或機械零件來說，熱膨脹系數是一個非常重要的性能指標；在異種金屬材料的焊接過程中，會因為材料的熱膨脹系數相差過大而使焊件產生焊接變形或破壞。（4）導電性材料傳導電流的能力稱為導電性，一般用電阻率表示。通常金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加，非金屬材料的隨溫度的升高而降低。金屬材料的一般具有良好的導電性，并隨材料成分的復雜化而降低，因而純金屬的導電性比合金要好；高分子材料都是絕緣體，但有的高分子復合材料也有良好的導電性；陶瓷材料雖然也是良好的絕緣體，但某些特殊成分的陶瓷卻是具有一定導電性的半導體材料。（5）導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性，一般用熱導率（也稱為導熱系數）λ表示。材料的熱導率越大，則導熱性越好。一般來說，金屬越純，其導熱性越好；金屬及其合金的熱導率遠高于非金屬材料。導熱性好的材料（如銅、鋁及其合金等）常用來制造熱交換器等傳熱設備的零部件；導熱性差的材料（如陶瓷、塑料、木材等材料）可用來制造絕熱材料。（6）磁性材料能導磁的性能稱為磁性。磁性材料常分為軟磁材料和硬磁材料（也稱為永磁材料），軟磁材料（如電工純鐵、硅鋼片等材料）容易磁化、導磁性良好，外磁場去除后磁性基本消除；硬磁材料（如淬火的鈷鋼、稀土鈷等材料）經磁化后能保持磁場，磁性不易消失；許多金屬材料（如鐵、鈷、鎳等）有較高的磁性，但也有一些金屬材料（如銅、鋁、不銹鋼等材料）是無磁性的。2．化學性能（1）耐腐蝕性是指材料抵抗空氣、水蒸汽及其它各種化學介質腐蝕的能力。材料在常溫下與周圍介質發生化學或電化學作用而遭到破壞的現象稱為腐蝕，非金屬材料的耐腐蝕能力遠高于金屬材料。提高材料的耐腐蝕性，可有效地節約材料和延長機械零件的使用壽命。（2）抗氧化性材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。金屬及其合金的抗氧化機理是金屬材料在高溫下迅速氧化后，可在金屬表面形成一層連續而致密并與母體結合牢固的氧化薄膜，阻止金屬材料的進一步氧化；而高分子材料的抗氧化機理則不同。（3）化學穩定性是材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱，高溫下的化學穩定性又稱為熱穩定性。在高溫條件下工作的設備，如工業鍋爐、加熱設備、汽輪機、火箭等設備上的許多零件均在高溫下工作，應盡量選用熱穩定性好的材料制造。1.3.3材料的工藝性能工藝性能是指材料在成形過程中，對某種加工工藝的適應能力，它是決定材料能否進行加工或如何進行加工的重要因素，材料工藝性能的好壞，會直接影響機械零件的工藝方法、加工質量、制造成本等。材料的工藝性能主要包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。（1）鑄造性能指材料易于鑄造成型并獲得優質鑄件的能力，衡量材料鑄造性能的指標主要有流動性、收縮性和偏析傾向等。流動性是指熔融材料的流動能力，主要受化學成分和澆注溫度的影響，流動性好的材料容易充滿鑄型型腔，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件；收縮性是指鑄件在冷卻凝固過程中其體積和尺寸減少的現象，鑄件收縮不僅影響其尺寸，還會使鑄件產生縮孔、疏松、內應力、變形和開裂等缺陷；偏析是指鑄件內部化學成分和顯微組織的部均勻現象，偏析嚴重的鑄件其各部分的力學性能會有很大差異，降低產品質量。（2）鍛造性能是指材料是否容易進行壓力加工的性能。它取決于材料的塑性和變形抗力的大小，材料的塑性越好，變形抗力越小，材料的鍛造性能越好。如純銅在室溫下有良好的鍛造性能；碳鋼的鍛造性能優于合金鋼；鑄鐵則不能鍛造。（3）焊接性能是指材料是否易于焊接并能獲得優質焊縫的能力。碳鋼的焊接性能主要取決于鋼的化學成分，特別是鋼的碳含量影響最大。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、鑄鐵等材料的焊接性能較差。（4）熱處理性能是指材料進行熱處理的難易程度。熱處理可以提高材料的力學性能，充分發揮材料的潛力。（5）切削加工性能是指材料接受切削加工的難易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用壽命等。一般來說，材料的硬度適中（180～220HBS）其切削加工性能良好，所以灰鑄鐵的切削加工性比鋼好，碳鋼的切削加工性比合金鋼好。改變鋼的成分和顯微組織可改善鋼的切削加工性能。

習題與思考題1．

機械零件在工作條件下可能承受哪些負荷？這些負荷會對機械零件產生什么作用？2．常用的機械工程材料按化學組成可分為哪幾大類？什么是結構材料、功能材料和復合材料？3．15鋼從鋼廠出廠時，其力學性能指標應不低于下列數值：σb=375MPa、σs=225MPa、δ5=27%、ψ=55%，現將本廠購進的15鋼制成d0=10mm的圓形截面短試樣，經過拉伸試驗后，測得Fb=33.81kN、Fs=20.68kN、lk=65mm、dk=6mm，試問這批15鋼的力學性能是否合格?為什么？4．下列各種工件應該采用何種硬度試驗方法來測定硬度?寫出硬度符號。(1)銼刀；(2)黃銅軸套；(3)供應狀態的各種碳鋼鋼材；(4)硬質合金的刀片；(5)耐磨工件的表面硬化層。5．有關零件圖圖紙上，出現了以下幾種硬度技術條件的標注方法，問這種標注是否正確?為什么?(1)600～650HBS；(2)230HBW；(3)12～15HRC；(4)70～75HRC；(5)HRC55～60kgf／mm2；(6)HBS220～250kgf／mm2。6．有一緊固螺栓使用后發現有塑性變形(伸長)，試分析材料的哪些性能指標沒有達到要求。7．試根據書中有關表格查出10鋼、20鋼、30鋼、40鋼、50鋼、60鋼的σb、σs(或σ0.2)、δ5、ψ、aKU的數值，并畫出以橫坐標為鋼號，以縱坐標為各種力學性能的關系曲線。8．AKU的含義是什么?有了塑性指標為何還要測定aKU?9．疲勞破壞是怎樣產生的?提高零件疲勞強度的方法有哪些?10．金屬材料有哪些工藝性能？哪些金屬與合金具有優良的可鍛性？哪些金屬與合金具有優良的可焊性？2金屬的晶體結構與結晶不同的材料具有不同的性能，即使成分相同的材料，經不同的熱處理后也會使性能產生很大的差異，其根本原因在于材料的內部結構不同。因此，研究金屬材料的內部組織結構，對于掌握材料的性能是非常有意義的。2.1金屬的晶體結構(crystalstructure)固態物質按其原子排列規律的不同可分為晶體與非晶體兩大類。原子呈規則排列的物質稱為晶體，如金剛石、石墨和固態金屬及合金等，晶體具有固定的熔點，呈現規則的外形，并具有各向異性特征；原子呈不規則排列的物質稱為非晶體，如玻璃、松香、瀝青、石蠟等，非晶體沒有固定的熔點。2.1.1晶體結構的基本概念在金屬晶體中，原子是按一定的幾何規律作周期性規則排列。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設想為剛性小球，這樣就可將金屬看成是由剛性小球按一定的幾何規則緊密堆積而成的晶體，如圖2.1a)所示。

圖2.1晶體、晶格與晶胞示意圖1．晶格為了研究晶體中原子的排列規律，假定理想晶體中的原子都是固定不動的剛性球體，并用假想的線條將晶體中各原子中心連接起來，便形成了一個空間格子，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規則排列方式的空間格子稱為晶格(crystallattice)，如圖2.1b)所示。晶體中的每個點叫做結點。2．晶胞晶體中原子的排列具有周期性的特點，因此，通常只從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子的排列規律，這個最小的幾何單元稱為晶胞(unitlatticecell)，如圖2.1c)所示。實際上整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在三維空間重復堆積排列而成的。3．晶格常數晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長度a、b、c及棱邊夾角α、β、γ來表示，如圖2.1c)所示。晶胞的棱邊長度稱為晶格常數(latticeconstant)，以埃(?)為單位來表示(1?=10-8cm)。當棱邊長度a=b=c，棱邊夾角α=β=γ=90°時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。由簡單立方晶胞組成的晶格稱為簡單立方晶格。2.1.2常見金屬的晶格類型由于金屬鍵有很強的結合力，所以金屬晶體中的原子都趨向于緊密排列，但不同的金屬具有不同的晶體結構，大多數金屬的晶體結構都比較簡單，其中常見的有以下三種：1．體心立方晶格體心立方晶格(body-centeredcubiclattice)的晶胞是一個立方體，其晶格常數a=b=c，在立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子，如圖2.2所示。每個晶胞中實際含有的原子數為(1/8)×8+1=2個。具有體心立方晶格的金屬有鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、α鐵(α-Fe)等。

圖2.2體心立方晶胞示意圖2．面心立方晶格面心立方晶格(face-centeredlattice)的晶胞也是一個立方體，其晶格常數a=b=c，在立方體的八個角和立方體的六個面的中心各有一個原子，如圖2.3所示。每個晶胞中實際含有的原子數為（1/8）×8+6×（1/2）=4個。具有面心立方晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ鐵(γ-Fe)等。

圖2.3面心立方晶胞示意圖3．密排六方晶格密排六方晶格(close-packedhexagonallattice)的晶胞是個正六方柱體，它是由六個呈長方形的側面和兩個呈正六邊形的底面所組成。該晶胞要用兩個晶格常數表示，一個是六邊形的邊長a，另一個是柱體高度c。在密排六方晶胞的十二個角上和上、下底面中心各有一個原子，另外在晶胞中間還有三個原子，如圖2.4所示。每個晶胞中實際含有的原子數為（1/6）×12+（1/2）×2+3=6個。具有密排六方晶格的金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。

圖2.4密排六方晶胞示意圖2.1.3晶格的致密度晶體中原子排列的緊密程度與晶體結構的類型有關，通常用晶格的致密度(packingfactor)表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的體積與該晶胞的體積之比。表2.1列出了三種常見金屬晶格的常用數據。可以看出，在三種常見的晶體結構中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，其次是體心立方晶格。表2.1三種常見金屬晶格的常用數據晶格類型晶胞中的原子數原子半徑致密度體心立方晶格20.68面心立方晶格40.74密排六方晶格60.74在不同類型晶格的晶體中，原子排列的緊密程度不同，因而具有不同的比容（即單位質量物質所占的容積），當金屬的晶格類型發生轉變時，會引起金屬體積的變化。若體積的變化受到約束，則會在金屬內部產生內應力，而引起工件的變形或開裂。2.1.4金屬的實際晶體結構1．多晶體結構如果一塊晶體，其內部的晶格位向完全一致，則這塊晶體稱為單晶體。單晶體在自然界幾乎不存在，現在可用人工方法制成某些單晶體(如單晶硅)。實際工程上用的金屬材料都是由許多顆粒狀的小晶體組成，每個小晶體內部的晶格位向是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，如圖2.5所示。這種不規則的、顆粒狀的小晶體稱為晶粒(crystallinegrain)，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界(crystalboundary)，由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般金屬材料都是多晶體結構。圖2.5金屬的多晶體結構示意圖2．晶體缺陷實際金屬具有多晶體晶體，由于結晶條件等原因，會使晶體內部出現某些原子排列不規則的區域，這種區域被稱為晶體缺陷。根據晶體缺陷的幾何特點，可將其分為以下三種類型：（1）點缺陷(pointdefect)點缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。最常見的點缺陷是晶格空位和間隙原子，如圖2.6所示。在實際晶體結構中，晶格的某些結點往往未被原子占有，這種空著的結點位置稱為晶格空位；處在晶格間隙中的原子稱為間隙原子。在晶體中由于點缺陷的存在，將引起周圍原子間的作用力失去平衡，使其周圍原子向缺陷處靠攏或被撐開，從而晶格發生歪扭，這種現象稱為晶格畸變。晶格畸變會使金屬的強度和硬度提高。圖2-6晶格空位和間隙原子示意圖晶格空位和間隙原子的運動是金屬原子擴散的主要形式之一，金屬的固態相變和化學熱處理過程均依賴于原子擴散。（2）線缺陷(lineardefect)線缺陷是指在一個方向上的尺寸很大，另兩個方向上尺寸很小的一種缺陷，主要是各種類型的位錯(dislocation)。所謂位錯是晶體中某處有一列或若干列原子發生了有規律的錯排現象。位錯的形式很多，其中簡單而常見的刃型位錯如圖2.7所示。由圖可見，晶體的上半部多出一個原子面(稱為半原子面)，它像刀刃一樣切入晶體中，使上、下兩部分晶體間產生了錯排現象，因而稱為刃型位錯。EF線稱為位錯線，在位錯線附近晶格發生了畸變。圖2.7刃型位錯示意圖位錯的存在對金屬的力學性能有很大的影響。例如冷變形加工后的金屬，由于位錯密度的增加，強度明顯提高。（3）面缺陷(planedefect)面缺陷是指在兩個方向上的尺寸很大，第三個方向上的尺寸很小而呈面狀的缺陷。面缺陷的主要形式是各種類型的晶界，它是多晶體中晶粒之間的界面。由于各晶粒之間的位向不同，所以晶界實際上是原子排列從一種位向過渡到另一個位向的過渡層，在晶界處原子排列是不規則的，如圖2.8所示。圖2.8晶界的結構示意圖晶界的存在，使晶格處于畸變狀態，在常溫下對金屬塑性變形起阻礙作用。所以，金屬的晶粒愈細，則晶界愈多，對塑性變形的阻礙作用愈大，金屬的強度、硬度愈高。2.2金屬的結晶大多數金屬材料都是經過熔化、冶煉和澆鑄得到的，即由液態金屬冷卻凝固而成。由于固態金屬是晶體，故液態金屬的凝固過程則稱為結晶(crystallization)。金屬結晶后的組織對金屬的性能有很大影響。因此，研究金屬的結晶過程，對改善金屬材料的組織和性能具有重要的意義。2.2.1金屬結晶的概念液態金屬的結晶過程可用熱分析的方法來研究。即將金屬加熱到熔化狀態，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，每隔一定時間測量一次溫度，直至冷卻到室溫，然后將測量數據畫在溫度—時間坐標圖上，便得到一條金屬在冷卻過程中溫度與時間的關系曲線,如圖2.9所示。這條曲線稱為冷卻曲線。由圖可見，液態金屬隨著冷卻時間的延長，溫度不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，在曲線上出現了一個水平線段，則其所對應的溫度就是金屬的結晶溫度。金屬結晶時釋放出結晶潛熱，補償了冷卻散失的熱量，從而使結晶在恒溫下進行。結晶完成后，由于散熱，溫度又繼續下降。圖2-10純金屬的冷卻曲線示意圖金屬在極其緩慢的冷卻條件下（即平衡條件下）所測得的結晶溫度稱為理論結晶溫度(T0)。但在實際生產中，液態金屬結晶時，冷卻速度都較大，金屬總是在理論結晶溫度以下某一溫度開始進行結晶，這一溫度稱為實際結晶溫度(Tn)。金屬實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現象稱為過冷現象。理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度(degreeofsupercooling)，用△T表示，即△T=T0-Tn。金屬結晶時的過冷度與冷卻速度有關，冷卻速度愈大，過冷度就愈大，金屬的實際結晶溫度就愈低。實際上金屬總是在過冷的情況下結晶的，所以，過冷度是金屬結晶的必要條件。2.2.2結晶過程純金屬的結晶過程是在冷卻曲線上的水平線段所經歷的時間內發生的。它是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程。液態金屬的結晶，不可能一瞬間完成，它必須經過一個由小到大，由局部到整體的發展過程。大量的實驗證明，純金屬結晶時，首先是在液態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，又會在液體中產生新的晶核并開始不斷長大，直到液態金屬全部消失，形成的晶體彼此接觸為止。每個晶核長成一個晶粒，這樣，結晶后的金屬便是由許多晶粒所組成的多晶體結構，如圖2.10所示。

圖2.10金屬結晶過程示意圖2.2.3結晶后的晶粒大小金屬結晶后的晶粒大小對金屬的力學性能影響很大。一般情況下，晶粒愈細小，金屬的強度和硬度愈高，塑性和韌性也愈好。因此，細化晶粒是使金屬材料強韌化的有效途徑。純鐵晶粒大小對其力學性能的影響如表2.2所示。表2.2純鐵晶粒大小對其力學性能的影響金屬結晶時，一個晶核長成一個晶粒，在一定體積內所形成的晶核數目愈多，則結晶后的晶粒就愈細小。因此，工業生產中，為了獲得細晶粒組織，常采用以下方法：1．增大過冷度金屬結晶時的冷卻速度愈大，則過冷度愈大。實踐證明，增加過冷度，使金屬結晶時形成的晶核數目增多，則結晶后獲得細晶粒組織。如在鑄造生產中，常用金屬型代替砂型來加快冷卻速度，以達到細化晶粒的目的。2．進行變質處理在實際生產中，提高冷卻速度來細化晶粒的方法只適用小件或薄壁件的生產，對于大件或厚壁鑄件，由于散熱較慢，要在整個體積范圍內獲得大的冷卻速度很困難，而且，冷卻速度過大往往導致鑄件變形或開裂。這時，為了得到細晶粒組織，可采用變質處理。變質處理(inoculation)是在澆注前向液態金屬中人為地加入少量被稱為變質劑的物質，以起到晶核的作用，使結晶時晶核數目增多，從而使晶粒細化。例如，向鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合金，向鋁硅合金中加入鈉或鈉鹽等都是變質處理的典型實例。變質處理是一種細化晶粒的有效方法，因而在工業生產中得到了廣泛的應用。3．采用振動處理在金屬結晶過程中，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，也能增加晶核數目，從而細化晶粒。2.2.4金屬鑄錠的結晶組織金屬制品大多數是先將液態金屬澆鑄成金屬鑄錠，經壓力加工成型材，然后再經過各種冷、熱加工制成各種成品以供使用。鑄錠結晶后的組織不僅影響其加工性能，而且還會影響制品的力學性能。1．鑄錠的結晶典型的鑄錠結晶組織如圖2.11所示，一般可以分為表層細等軸晶粒區、柱狀晶粒區、中心粗等軸晶粒區等三層不同特征的晶區。（1）表層細等軸晶粒區當高溫下的液態金屬注入鑄錠模時，由于鑄錠模溫度較低，靠近模壁的薄層金屬液體便形成了極大的過冷度，加上模壁的自發形核作用，便形成了一層很細的等軸晶粒層。（2）柱狀晶粒區隨著表面層等軸細晶粒層的形成，鑄錠模的溫度升高，液態金屬的冷卻速度減慢，過冷度減小；此時，沿垂直于模壁的方向散熱最快，晶體沿散熱的相反方向擇優生長，形成柱狀晶粒區。圖2.11鑄錠的結晶組織（3）中心粗等軸晶粒區隨著柱狀晶粒區的結晶，鑄錠模的模壁溫度在不斷升高，散熱速度減慢，逐漸趨于均勻冷卻狀態。晶核在液態金屬中可以自由生長，在各個不同的方向上其張大速率基本相當，結果形成了粗大的等軸晶粒。2．鑄錠的組織與性能金屬鑄錠中的細等軸晶粒區，顯微組織比較致密，室溫下力學性能最高。在鑄錠的柱狀晶粒區，因平行分布的柱狀晶粒間的接觸面較為脆弱，并常常聚集有易熔雜質和非金屬夾雜物等，使金屬鑄錠在冷、熱壓力加工時容易沿這些脆弱面產生開裂現象，降低力學性能，所以，對于鋼錠一般不希望獲得柱狀晶粒區；但柱狀晶粒區的組織較致密，不易產生疏松等鑄造缺陷，對于塑性較好的有色金屬及合金，有時為了獲得較致密的鑄錠組織而希望獲得較大的柱狀晶粒區，因為這些金屬及其合金的塑性良好，在壓力加工中不致于產生開裂現象。由于鑄錠的中心粗等軸晶粒區在結晶時沒有擇優取向，不存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交錯，其力學性能比較均勻，雖然其強度和硬度低，但塑性和韌性良好。3．鑄錠的缺陷在金屬鑄錠中，除了鑄錠的組織不均勻以外，還經常存在各種鑄造缺陷，如縮孔、疏松、氣泡、裂紋、非金屬夾雜物及化學成分偏析等，會降低工件的使用性能。在生產中常常需要對金屬鑄錠及其壓力加工產品進行各種宏觀和微觀的檢驗與分析，以便根據實際需要，通過適當的處理工藝改善鑄錠的組織，提高其使用性能。2.2.5金屬的同素異晶轉變大多數金屬在結晶完成后，其晶格類型不再發生變化。但也有少數金屬，如鐵、鈷、鈦等，在結晶之后繼續冷卻時，還會發生晶體結構的變化，即從一種晶格轉變為另一種晶格，這種轉變稱為金屬的同素異晶轉變(allotropictransformation)。現以純鐵為例來說明金屬的同素異晶轉變過程。純鐵的冷卻曲線如圖2.12所示，

圖2.12純鐵的冷卻曲線液態純鐵在1538℃時結晶成具有體心立方晶格的δ-Fe；冷卻到1394℃時發生同素異晶轉變，由體心立方晶格的δ-Fe轉變為面心立方晶格的γ-Fe；繼續冷卻到912℃時又發生同素異晶轉變，由面心立方晶格的γ-Fe轉變為體心立方晶格的α-Fe。再繼續冷卻，晶格類型不再發生變化。純鐵的同素異晶轉變過程可概括如下：1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe體心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格金屬發生同素異晶轉變時，必然伴隨著原子的重新排列，這種原子的重新排列過程，實際上就是一個結晶過程，與液態金屬結晶過程的不同點在于其是在固態下進行的，但它同樣遵循結晶過程中的形核與長大規律。為了和液態金屬的結晶過程相區別，一般稱其為重結晶。純鐵的同素異晶轉變是鋼鐵材料能夠進行熱處理的理論依據，也是鋼鐵材料能獲得各種性能的主要原因之一。習題與思考題1．常見的金屬晶格類型有哪些?試繪圖說明其特征。2．實際金屬中有哪些晶體缺陷?晶體缺陷對金屬的性能有何影響?3．什么叫過冷現象、過冷度?過冷度與冷卻速度有何關系?4．金屬的晶粒大小對力學性能有何影響?控制金屬晶粒大小的方法有哪些?5．如果其它條件相同，試比較下列鑄造條件下，鑄件晶粒的大小：（1）金屬型澆注與砂型澆注；（2）澆注溫度高與澆注溫度低；（3）鑄成薄壁件與鑄成厚壁件；（4）厚大鑄件的表面部分與中心部分；（5）澆注時采用振動與不采用振動。6．金屬鑄錠通常由哪幾個晶區組成？它們的組織和性能有何特點？7．為什么單晶體具有各向異性，而多晶體在一般情況下不顯示各向異性？8．試計算面心立方晶格的致密度。9．什么是位錯？位錯密度的大小對金屬強度有何影響？3合金的結構與結晶純金屬一般具有良好的電導性、熱導性和金屬光澤，但其種類有限，生產成本高，力學性能低，無法滿足人們對金屬材料提出的高品種和高性能的要求。因此，通過配制各種不同成分合金，可以有效地改變金屬材料的結構、組織和性能，滿足了人們對金屬材料更高的力學性能和某些特殊的物理、化學性能的要求。同純金屬相比，合金材料的應用比純金屬要廣泛得多。碳鋼、合金鋼、鑄鐵、黃銅、硬鋁等都是常用的合金材料。3.1固態合金中的相結構合金中具有同一化學成分且結構相同的均勻組成部分叫做相。合金中相與相之間有明顯的界面。若合金是由成分、結構都相同的同一種晶粒構成的，各晶粒雖有界面分開，但它們仍屬于同一種相；若合金是由成分、結構都不相同的幾種晶粒構成的，則它們將屬于不同的幾種相。例如，純鐵在常溫是由單相的α-Fe組成的。鐵與碳形成鐵碳合金，由于鐵與碳相互作用形成一種化合物Fe3C,這種Fe3C的成分、結構與α-Fe完全不同，因此，在鐵碳合金中就出現了一個新相Fe3C，稱為滲碳體。合金(alloy)的性能一般都是由組成合金的各相的成分、結構、形態、性能和各相的組合情況所決定的。因此，在研究合金的組織與性能之前，必須先了解合金組織中的相結構。如果把合金加熱到熔化狀態，則組成合金的各組元即相互溶解成均勻的溶液。但合金溶液經冷卻結晶后，由于各組元之間相互作用不同，固態合金中將形成不同的相結構，合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。3.1.1固溶體當合金由液態結晶為固態時，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相(phase)，稱為固溶體(solidsolution)。固溶體的晶格類型與其中某一組元(constituent)的晶格類型相同，而其他組元的晶格結構將消失能保留住晶格結構的組元稱為溶劑，另外的組元稱為溶質。因此，固溶體的晶格類型與溶劑的晶格相同，而溶質以原子狀態分布在溶劑的晶格中。在固溶體中，一般溶劑含量較多，溶質含量較少。1．固溶體的分類按照溶質原子在溶劑晶格中分布情況的不同，固溶體可分為以下兩類：（1）間隙固溶體若溶質原子在溶劑晶格中并不占據晶格結點的位置，而是處于各結點間的空隙中，則這種形式的固溶體稱為間隙固溶體(interstitialsolidsolution)，如圖3.1a所示。由于溶劑晶格的空隙是有限的，故能夠形成間隙固溶體的溶質原子、其尺寸都比較小，一般情況下，當溶質原子與溶劑原子直徑的比值時，才能形成間隙固溶體。因此，形成間隙固溶體的溶質元素，都是一些原子半徑小于1?的非金屬元素，如H（0.46?）、B（0.97?）、C（0.77?）、O（0.60?）、N（0.71?）等。圖3.1固溶體的兩種類型在金屬材料的相結構中，形成間隙固溶體的例子很多，如碳鋼中碳原子溶入α-Fe晶格空隙中形成的間隙固溶體，稱為鐵素體；碳原子溶入γ-Fe晶格空隙中形成的間隙固溶體，稱為奧氏體。由于溶劑格的空隙有一定的限度，隨著溶質原子的溶入，溶劑晶格將發生畸變，如圖3.2a所示。溶入的溶質原子越多，所引起的畸變就越大。當晶格畸變量超過一定數值時，溶劑的晶格就會變得不穩定，于是溶質原子就不能繼續溶解，所以間隙固溶體的溶解度都有一定的限度。

圖3.2形成固溶體時的晶格畸變（2）置換固溶體若溶質原子代替一部分溶劑原子而占據著溶劑晶格中的某些結點位置，則這種類型的固溶體稱為置換固溶體(substitutionalsolidsolution)，如圖3.1b所示。在金屬材料的相結構中，形成置換固溶體的例子也不少，如某種不銹鋼中，鉻和鎳原子代替部分鐵原子而占據了γ-Fe晶格某些結點位置形成的置換固溶體。在置換固溶體中，溶質在溶劑中的溶解度主要取決于兩者原子直徑的差別、它們在周期表中相互位置和晶格類型。一般說來，溶質原子和溶劑原子直徑差別愈小，則溶解度愈大；兩者在周期表中位置越靠近，則溶解度也愈大。如果上述條件能很好地滿足，而且溶質與溶劑的晶格結構也相同，則這些組元往往能無限互相溶解，即可以任何比例形成置換固溶體，這種固溶體稱為無限固溶體，如鐵和鉻、銅和鎳便能形成無限固溶體。反之，若不能很好滿足上述條件，則溶質在溶劑中的溶解度是有限度的，這種固溶體稱為有限固溶體，如銅和鋅、銅和錫都形成有限固溶體。有限固溶體的溶解度還與溫度有密切關系，一般溫度愈高，溶解度愈大。固溶體雖然仍保持著溶劑的晶格類型，但當形成置換固溶體時，由于溶質原子與溶劑原子的直徑不可能完全相同，因此，也會造成固溶體晶格常數的變化和晶格的畸變，如圖3.2b所示。2．固溶體的性能由于固溶體的晶格發生畸變，使位錯移動時所受到的阻力增大，結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質元素形成的固溶體，從而使金屬材料的強度、硬度升高的現象，稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料機械性能的一種重要途徑。例如，南京長江大橋的建筑中，大量采用的含錳為wMn=1.30%~1.60%的低合金結構鋼，就是由于錳的固溶強化作用提高了該材料的強度，從而大大節約了鋼材，減輕了大橋結構的自重。實踐表明，適當掌握固溶體的中溶質含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，使其仍能保持相當好的塑性和韌性。例如，往銅中加入19%的鎳，可使合金材料的強度極限σb由220MPa提高到380~400MPa，硬度由44HBS提高到70HBS，而延伸率仍然能保持50%左右。若用加工硬化的辦法使純銅達到同樣的強化效果，其延伸率將低于10%。這就說明，固溶體的強度、韌性和塑性之間能有較好的配合，所以對綜合機械性能要求較高的結構材料，幾乎都是以固溶體作為最基本的組成相。可是，通過單純的固溶強化所達到的最高強度指標仍然有限，仍不能滿足人們對結構材料的要求，因而在固溶強化的基礎上須再補充進行其它的強化處理。3.1.2金屬化合物組成合金的兩種元素，當它們在化學元素周期表上的位置相距較遠時，往往容易形成化合物(compound)。金屬材料中的化合物可以分為金屬化合物和非金屬化合物兩類。凡是由相當程度的金屬鍵結合，并具有明顯金屬特性的化合物，稱為金屬化合物，它可以成為金屬材料的組成相。例如，碳鋼中的滲碳體（Fe3C）、黃銅中的β相（CuZn），都屬于金屬化合物。凡是沒有金屬鍵結合，并且又有金屬特性的化合物，稱為非金屬化合物。例如，碳鋼中依靠離子鍵結合的FeS和MnS都是非金屬化合物。非金屬化合物是合金原材料或熔煉過程帶來的雜質，它們數量雖少，對合金性能的影響一般都較壞，故也稱非金屬夾雜。下面只介紹金屬化合物。金屬化合物的晶格類型與組成化合物各組元的晶格類型完全不同，例如鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復雜的晶體結構，如圖3.3所示。碳原子構成一斜方晶格（a≠b≠c，α=β=γ=90°），在每個碳原子周圍都有六個鐵原子構成八面體，各個八面體內都有一個碳原子，每個鐵原子為兩個八面體所共有。

圖3.3Fe3C的晶體結構在Fe3C中Fe與C原子的比例為3?1，因而，可用Fe3C這一化學式表示。金屬化合物的熔點較高，性能硬而脆。當合金中出現金屬化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。金屬化合物是各類合金鋼、硬質合金和許多有色金屬的重要組成相。金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型。1．正常價化合物組成正常價化合物(valencecompound)的元素是嚴格按原子價規律結合的，因而其成分固定不變，并可用化學式表示。通常金屬性強的元素與非金屬或類金屬能形成這種類型化合物，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常價化合物具有高的硬度和脆性。在合金中，當它在固溶體基體上細小而均勻地分布時，將使合金得到強化，因而起著強化相的作用。2．電子化合物電子化合物(electroncompound)不遵循原子價規律，而是按照一定的電子濃度比組成一定晶格結構的化合物。所謂電子濃度是指化合物中價電子數與原子數的比值，電子濃度。在電子化合物中，一定的電子濃度一般有一定的晶格結構相對應。如當電子濃度為時，形成體心立方晶格的電子化合物，稱為β相；當電子濃度為時，形成復雜立方晶格的電子化合物，稱為γ相；當電子濃度為時，形成密排六方晶格的電子化合物，稱為ε相。在許多金屬材料中經常存在著電子化合物相。例如，Cu-Zn合金中的CuZn，因Cu的價電子數為1，Zn的價電子數為2，化合物的總原子數為2，故CuZn的電子濃度，屬于β相。同理，Cu5Zn8屬于γ相,CuZn3屬于ε相。應注意，電子化合物雖然可以用化學式表示，但實際上它是一個成分可變的相，也就是在電子化合物的基礎上可以再溶解一定量的組元，形成以該化合物為基的固溶體。例如，在Cu-Zn合金中，β相中鋅的質量分數可以在36.8%到56.5%范圍內變動。電子化合物的熔點和硬度都很高，但塑性很差，因此與正常價化合物一樣，一般只能作為強化相存在于合金中。3．間隙化合物間隙化合物(interstitialcompound)一般是由原子直徑較大的過渡族金屬元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直徑較小的非金屬元素（H、C、N、B等）所組成。如合金鋼中不同類型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和鋼經化學熱處理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是屬于間隙化合物。間隙化合物的晶格結構特點是：直徑較大的過渡族元素的原子占據了新晶格的正常位置，而直徑較小的非金屬元素的原子則有嵌入晶格的空隙中，因而稱為間隙化合物。間隙化合物又可分為兩類，一類是具有簡單晶格結構的間隙化合物，也稱為間隙相，如VC、WC、TiC等。VC的晶體結構如圖3.4所示。另一類是具有復雜晶格結構的間隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。Fe3C的晶體結構就是這一類間隙化合物結構的典型例子。間隙化合物具有極高的硬度和熔點（如表3.1所示），而且十分穩定，尤其是間隙相更為突出。所以間隙化合物在鋼鐵材料和硬質合金中具有很大的作用。如碳鋼中的Fe3C也可以提高鋼的強度和硬度；工具鋼中VC可以提高鋼的耐磨性；高速鋼中的WC、VC等可使鋼在高溫下保持高硬度；而WC和TiC則是硬質合金的主要組成物。圖3.4VC的晶體結構表3.1一些碳化物的硬度及溶點碳化物類型間隙相間隙化合物TiCZrCVCNbCTaCWCMo2CCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點/℃3410380530233770±125415050152012273.2二元合金相圖3.2.1二元合金相圖的建立固態合金的相結構有固溶體和金屬化合物兩類。但工程上常用合金在固態下的顯微組織較多是由固溶體與少量化合物或由幾種固溶體組成的多相組織。不同合金系的合金，在固態下必然具有不同的顯微組織，對于同一合金系的合金，由于合金的成分和合金所處的溫度不同，在固態下也會形成不同的顯微組織。合金相圖(phasediagram)又稱為合金平衡圖或合金狀態圖，它表示平衡狀態下合金系中不同成分合金在不同溫度下由哪些平衡相（或組織）組成，以及合金相之間平衡關系的圖形。根據合金相圖，不僅可以看到不同成分的合金在室溫下平衡組織，而且還可以了解它從高溫液態以極緩慢冷卻速度冷卻到室溫所經歷的各種相變過程，同時相圖還能預測其性能的變化規律。所以相圖已成為研究合金中各種組織形成和變化規律的有效工具，在生產實踐中，合金相圖已是正確制訂冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據。1．相圖的表示方法純金屬可以用一條表示溫度的縱坐標把其在不同溫度下的組織狀態表示出來，純銅的冷卻曲線及相圖如圖3.5所示，縱坐標表示溫度，1點為純銅冷卻曲線上的結晶溫度（1083℃）在溫度軸上的投影，即純銅的相的轉變溫度（稱為臨界點）。1點以上表示純銅處于液體狀態；1點以下表示純銅處于固體狀態。所以純金屬的相圖，只要用一條溫度縱坐標軸就能表示。圖3.5純銅的冷卻曲線及相圖二元合金的組成相的變化不僅與溫度有關，而且還與合金成分有關。因此就不能簡單地用一個溫度坐標軸表示，必須增加一個表示合金成分的橫坐標。所以二元合金相圖，是以溫度為縱坐標、以合金成分為橫坐標的平面圖形。現以Cu-Ni合金相圖為例來說明二元合金相圖表示方法。圖3.6是Cu-Ni合金相圖，圖上縱坐標表示溫度，橫坐標表示合金成分。橫坐標從左到右表示合金成分的變化，即Ni的含量由0%向100%逐漸增大；而Cu的含量相應地由100%向0%逐漸減少。在橫坐標上任何一點都代表一種成分的合金，例如C點代表含40%Ni+60%Cu的合金；D點代表含60%Ni+40%Cu的合金。通過成分坐標上的任一點作的垂線稱為合金線，合金線上不同的點表示該成分合金處于某一溫度下的相組成。因此，相圖上的任意一點都代表某一成分的合金在某一溫度時的相組成（或顯微組織）。例如M點表示30%Ni+70%Cu的合金在950℃時，其組織為單相α固溶體。圖3.6Cu-Ni合金相圖2．相圖的建立方法合金相圖都是用實驗方法測定出來的。下面以Cu-Ni二元合金系為例，說明應用熱分析法測定其臨界點及繪制相圖的過程。（1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu；②80%Cu+20%Ni；③60%Cu+40%Ni；④40%Cu+60%Ni；⑤20%Cu+80%Ni；⑥100%Ni。（2）用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線，如圖3.7a所示。（3）找出各冷卻曲線上的臨界點，如圖3.7a所示。由Cu-Ni合金系的冷卻曲線可見，純銅及純鎳的冷卻曲線都有一個平臺（水平線段），這說是純金屬的結晶過程是在恒溫下進行的，故只有一個臨界點。其他四個合金的冷卻曲線上不出現平臺，但卻有兩個轉折點，即有兩個臨界點。這表明四個合金都是在一個溫度范圍內進行結的。溫度較高的臨界點表示開始結晶溫度，稱為上臨界點，在圖上用“○”表示；溫度較低的臨界點表示結晶終了溫度，稱為下臨界點，在圖上用“●”表示。

圖3.7用熱分析法測定Cu--Ni合金相圖（4）將各個合金的臨界點分別標注在溫度—成分坐標圖中相應的合金線上。（5）連接各相同意義的臨界點，所得的線稱為相界線。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3.7b）所示。圖中各開始結晶溫度連成的相界線tAαtB線稱為固相線，各終了結晶溫度連成的相界線tALtB線稱為液相線。從上述測定相圖的方法可知，如配制的合金數目越多，所用的金屬的純度愈高，熱分析時冷卻速度越緩慢，則所測定的合金相圖就越精確。目前，通過實驗已測定了許多二元合金相圖，其形式大多比較復雜，然而，復雜的相圖可以看成是由若干基本的簡單相圖所組成的。下面將著重分析幾種基本的二元合金相圖。3.2.2二元勻晶相圖凡是二元合金系中兩組元在液態和固態下以任何比例均勻可相互溶解，即在固態下能形成無限固溶體時，其相圖屬于二元勻晶相圖(binaryuniformgrain-typediagram)。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金都屬于這類相圖。下面就以Cu-Ni合金相圖為例，對勻晶相圖進行分析。1．相圖分析圖3-8a所示為Cu-Ni合金相圖，圖中tA=1083℃為純銅的熔點；tB=1455℃為純鎳的熔點。tALtB為液相線，代表各種成分的Cu-Ni合金在冷卻過程中開始結晶、或在加熱過程中熔化終了的溫度；tALtB為固相線，代表各種成分的合金冷卻過程中結晶終了、或在加熱過程中開始熔化的溫度。液相線與固相線把整個相圖分為三個不同相區。在液相線以上是單相的液相區，合金處于液體狀態，以“L”表示；固相線以下是單相的固溶體區，合金處于固體狀態，為Cu與Ni組成的無限固液體，以“α”表示；在液相線與固相線之間是液相+固相的兩相共存區，即結晶區，以“L+α”表示。2．合金結晶過程分析現以含40%Ni的Cu-Ni合金為例，分析其結晶過程，如圖3.8所示。由圖3.8a可見，該合金的合金線與相圖上液相線、固相線分別在t1、t3溫度時相交，這就是說，該合金是在t1溫度時開始結晶，t3溫度時結晶結束。

圖3.8Cu-Ni合金相圖結晶過程分析因此，當合金自高溫液態緩慢冷卻到t1溫度時，開始從液相中結晶出α固溶體，隨著溫度的下降，α固溶體量不斷增多，剩余液相量不斷減少。直到溫度降到t3溫度時，合金結晶終了，獲得了Cu與Ni組成的α固溶體。必須指出，在合金結晶過程中，結晶出的α固溶體成分和剩余的液相成分都與原來合金成分是不相同的。若要知道上述合金在結晶過程中某一溫度時兩相的成分，可通過該合金線上相當于該溫度的點作水平線，此水平線與液相線及固相線的交點在成分坐標上的投影，即相應地表示該溫度下液相和固相的成分。由圖3.8a可見，在t1溫度時液相與固相的成分分別為L1點和α1點在成分坐標上的投影。其原因可解釋為：當液相冷卻到t1溫度時，結晶出α1成分的固溶體；當α1點成分的合金重新加熱到t1溫度時，便開始熔化。所以，在t1溫度時，與成分為L1的液相處于平衡狀態的α固溶體的成分一定是α1。同理，在t2溫度時液、固兩相的成分，在通過原子充分擴散而達到平衡狀態時，應分別為L2點和α2點在成分坐標上的投影；在t3溫度時合金結晶終了，經過原子充分擴散后，最終獲得與原合金成分相同（即α3點在成分坐標上的投影——40%Ni++60%Cu）的單相α固溶體。固溶體合金的顯微組織與純金屬類似，是由多面體的固溶體晶粒所組成的。圖3-9為Cu-Ni合金固溶體的顯微組織。其他成分合金的結晶過程均與上述合金相似。可見，固溶體合金的結晶過程與純金屬不同，其特點是，合金在一定溫度范圍內進行結晶，已結晶的固溶體成分不斷沿固相線變化，剩余液相成分不斷沿液相線變化。

圖3-9Cu-Ni合金固溶體的顯微組織3．杠桿定律的應用如上所述，在合金相圖中液、固兩相并存地兩相區內，若已給定某一溫度，就能確定在該溫度下液、固兩相的成分。至于在該溫度下液、固兩相的相對重量，則可借助于杠桿定律（leverrule）來確定，其原理如圖3.10所示。在圖3-10中，含x%Ni的Cu-Ni合金，在t溫度時，可用前述方法分別求得液相成分為x1%Ni，固相成分為x2%Ni。在這溫度下，已結晶出的固相α和剩余液相L的相對重量可按下述方法計算：

圖3-10杠桿定律的應用設合金總重量為Q，液相重量為QL，固相重量為Qα。則：QL+Qα=Q（1）QL·x1+Qα·x2=Q·x（2）將（1）式代入（2）式得：QL·x1+Qα·x2=（QL+Qα）·xQL（x2-x）=QL(x-x1)由圖3.10可見：(x2-x)=bc(x-x1)=ac代入上式即得：Qα·bc=QL·ac或設液相的相對重量為L，固相的相對重量為α，則：以上所得的兩相重量之間的相對關系同力學中的杠桿定律相似，因此也稱為杠桿定律。必須指出，杠桿定律不僅適用于勻晶相圖兩相區中兩平衡相的相對重量計算，對其他類型的二元合金相圖兩相區中兩平衡相的相對重量計算也同樣適用。3.3二元共晶相圖凡二元合金系中兩組元在液態下能完全互溶，在固態下形成兩種不同固相，并發生共晶轉變的，其相圖屬于二元共晶相圖（binaryeutectic-typephasediagram）。所謂共晶轉變，是指一定成分的液相，在一定溫度下同時結晶出兩種不相同的固相的轉變。根據兩組元在固態下相互作用的不同，共晶相圖可分為簡單共晶相圖和一般共晶相圖兩類，下面就這兩類相圖進行分析。3.3.1相圖分析1．簡單共晶相圖兩組元在液態下能完全互溶，在固態下彼此互不溶解的共晶相圖，稱為簡單共晶相圖。圖3.11中A、B兩組元組成的簡單共晶相圖。相圖中tA點為組元A的熔點，tB點為組元B的熔點。tAC線為液相線，合金線與它的交點表示該合金在冷卻過程中開始結晶出固相A組元的溫度。tBC也是液相線，合金線與它的交點表示該合金在冷卻過程中開始結晶出固相B組元的溫度。由結晶終了溫度連成的水平的DCE線為固相線。液相冷卻到DCE線都要發生共晶轉變所以又稱為共晶線。圖3.11簡單共晶相圖C點是液相線tAC、tBC與固相線DCE的交點，表示成分為C的合金冷卻到t溫度時，液相將在恒溫下同時結晶出固相為（A+B）的機械混合物，即發生了共晶轉變，其反應式為：t℃t℃LcA+B由共晶轉變所獲得的兩相機械混合物的組織稱為共晶組織或共晶體(eutecticmixture),C點稱為共晶點。由圖3-11可見，液相線tAC、tBC與固相線DCE把整個相圖分為四個不同相區。在液相線tAC與tBC以上是單相的液相區，合金處于液體狀態，以“L”表示；固相線DCE以下，因為兩組元在固態下互不溶解，所以是A+B兩種固相共存的兩相區；在液相線與固相線之間是液相+固相的兩相共存區，即結晶區，其中tACD區是液相L與固相A共存的兩相區，tBCE區是液相L與固相B共存的兩相區。在二元共晶相圖中，三相區是一條水平線（即共晶線DCE線），它是由液相L+固相A+固相B組成的。屬于簡單共晶相圖的有Be-Si、Cd-Bi等二元合金。2．一般共晶相圖兩組元在液態下能完全互溶，在固態下互相有限溶解的共晶相圖，稱為一般共晶相圖。圖3.12是由A、B兩組元組成的一般共晶相圖。為了便于分析，可以把圖3.12分成如圖3.13所示的三個部分。很明顯，圖3.13中左右兩部分就是部分的勻晶相圖，中間部分就是一個簡單共晶相圖。

圖3.12一般共晶相圖

圖3.13一般共晶相圖的分析圖3.13的左邊部分就是溶質B溶于溶劑A中形成α固溶體的勻晶相圖，由于在固態下B組元只能有限有溶解于A組元中，且其溶解度隨著溫度的降低而逐漸減小，故DF線就是B組元在A組元中的固相溶解度曲線，簡稱為固溶線。同理，圖3.13的右邊部分就是溶質A溶于溶劑B中形成β固溶體的勻晶相圖，由于在固態下A組元只能有限溶解于B組元中，其溶解度也隨著溫度的降低而逐漸減小，故EG線就是A組元在B組元中的固溶線。圖3.13的中間部分是一簡單共晶相圖，它與圖3.11在圖形上沒有什么差別，但圖3.11所示相圖的左右兩邊是兩組元A與B，其共晶轉變的反應為：恒溫LcA+B恒溫而圖3-13中間部分相圖的左右兩邊卻是兩種有限固溶體α與β，其共晶轉變的反應為：恒溫Lcα+β恒溫根據上述分析，并對照已掌握的勻晶相圖與簡單共晶相圖，就很容易識讀如圖3.12所示的一般共晶相圖了。圖中tA、tB點分別為組元A與組元B的熔點；C點為共晶點。tAC、tBC線為液相線，液相在tAC線上開始結晶也α固溶體，液相在tBC線上開始結晶出β固溶體。tAD、tBE、DCE線為固相線；tAD線是液相結晶成α固溶體的終了線；tBE線是液相結晶成β固溶體的終了線；DCE線是共晶線，液相在該線上將發生共晶轉變，結晶出（α+β）共晶體。DF、EG線分別為α固溶體與β固溶體的固溶線。上述相界線把整個一般共晶相