湖工院機(jī)械工程材料教案

一、目的與要求主要講授材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)、測定方法及其應(yīng)用。參閱教材緒論和第一章的教學(xué)內(nèi)容。了解材料力學(xué)性能指標(biāo)的測定原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、作用及其組成；熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法及維護(hù)；掌握主要力學(xué)性能指標(biāo)的意義及應(yīng)用。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：材料力學(xué)性能指標(biāo)的含義及其應(yīng)用。難點(diǎn)：材料力學(xué)性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系及其在零件選材中的應(yīng)用。三、教學(xué)方法與手段課堂講解及多媒體演示。四、教學(xué)內(nèi)容與步驟（4課時(shí)）緒論一、機(jī)械工程材料的工作載荷機(jī)械工程材料在工作中，會(huì)受到力學(xué)載荷、熱載荷、環(huán)境載荷等各種載荷的作用，而且大多數(shù)情況下將受到多種負(fù)荷的交互作用，工作載荷不同，需要的性能也各不相同。1．力學(xué)負(fù)荷在外力的作用下，機(jī)械零件的力學(xué)負(fù)荷主要表現(xiàn)為材料內(nèi)部的應(yīng)力分布、變形方式、缺口效應(yīng)等。根據(jù)載荷隨時(shí)間的變化情況，可將其分為靜載荷和動(dòng)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(shù)值后保持不變或變動(dòng)不大，則稱為靜載荷。如作用在機(jī)械零件上的靜載荷有拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種形式的靜載荷。（2）動(dòng)載荷隨時(shí)間而變化的載荷稱為動(dòng)載荷，根據(jù)動(dòng)載荷隨時(shí)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(shí)間作周期性變化的載荷。2．熱載荷主要指材料的熱疲勞現(xiàn)象和高溫氧化等。在高溫下，零件材料的強(qiáng)度會(huì)隨著工作溫度的升高而降低，且材料的強(qiáng)度會(huì)隨著高溫下加載時(shí)間的延長而降低，載荷持續(xù)的時(shí)間越長，對(duì)零件材料的強(qiáng)度影響越顯著，而在室溫下，零件材料的強(qiáng)度卻不受加載時(shí)間的限制。材料在給定溫度和規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生斷裂的應(yīng)力稱為持久強(qiáng)度。另外，材料在長時(shí)間的高溫作用下，即使所受應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度，也會(huì)慢慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為材料的高溫蠕變現(xiàn)象。3．環(huán)境載荷主要包括金屬的腐蝕和金屬的摩擦磨損等。二、機(jī)械工程材料的分類1．按材料的化學(xué)組成分類按材料的化學(xué)組成分類，可將機(jī)械工程材料分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)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。（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(jī)高分子材料和無機(jī)高分子材料兩類。有機(jī)高分子材料主要有塑料、橡膠、合成纖維等；無機(jī)高分子材料包括松香、淀粉、纖維素等。（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(jī)非金屬材料。（4）復(fù)合材料復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料兩個(gè)部分構(gòu)成。基體材料主要有金屬、塑料、陶瓷等，增強(qiáng)材料則包括各種纖維、無機(jī)化合物顆粒等。根據(jù)基體材料不同，可將復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料；根據(jù)組織強(qiáng)化方式的不同，可將復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料等。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(jī)械工程材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類。（1）結(jié)構(gòu)材料用于制造實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和傳遞動(dòng)力的零件材料稱為結(jié)構(gòu)材料，它是以強(qiáng)度、硬度、剛性、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能為主要的性能指標(biāo)。結(jié)構(gòu)材料主要有金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等，在機(jī)械工程中被廣泛使用。（2）功能材料用于制造實(shí)現(xiàn)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(biāo)，利用物質(zhì)的各種物理特性及其對(duì)外部環(huán)境的敏感反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的處理和能量的轉(zhuǎn)換。功能材料主要包括大規(guī)模集成電路材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、超導(dǎo)材料、形狀記憶材料等，在通訊、計(jì)算機(jī)、電子、空間科學(xué)等領(lǐng)域扮演著極其重要的角色。第一章材料的力學(xué)性能金屬材料具有良好的使用性能和工藝性能，被廣泛用來制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)。所謂使用性能是指金屬材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能，包括力學(xué)性能、物理性能(如電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性等)、化學(xué)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(xiàn)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。材料的力學(xué)性能是指材料在各種載荷(外力)作用下表現(xiàn)出來的抵抗能力，它是機(jī)械零件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。第一節(jié)材料的強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度強(qiáng)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(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。材料受外力時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等方向相反的內(nèi)力，單位橫截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用σ表示。通過拉伸試驗(yàn)可以測出材料的強(qiáng)度指標(biāo)。金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力值來表示的。從拉伸曲線可以得出三個(gè)主要的強(qiáng)度指標(biāo)：彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。（1）彈性極限材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值，用符號(hào)σe表示。MPa（2）屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn))材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力值，用符號(hào)σs表示。MPa有些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸試驗(yàn)中沒有明顯的屈服現(xiàn)象。所以國標(biāo)中規(guī)定，以試樣的塑性變形量為試樣標(biāo)距長度的0.2%時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。MPa（3）抗拉強(qiáng)度材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值，用符號(hào)σb表示。MPa二、塑性塑性是指金屬材料在載荷作用下，產(chǎn)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(yàn)測得的。常用的塑性指標(biāo)有伸長率和斷面收縮率。（1）伸長率試樣拉斷后標(biāo)距長度的伸長量與原始標(biāo)距長度的百分比，用符號(hào)δ表示，即：長試樣和短試樣的伸長率分別用δ10和δ5表示，習(xí)慣上δ10也常寫成δ。(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(hào)ψ表示，即：斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，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(jìn)行軋制、鍛造、沖壓等，塑性差的材料，如鑄鐵，不能進(jìn)行壓力加工，只能用鑄造方法成形。第二節(jié)硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，它表示材料在外力作用下抵抗變形或破裂的能力。硬度試驗(yàn)方法簡單、迅速，不需要專門的試樣、不損壞工件，因此在生產(chǎn)和科研中得到廣泛應(yīng)用。測定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗(yàn)方法。（1）布氏硬度用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球做壓頭，在試驗(yàn)力F的作用下壓入被測金屬表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，則在金屬表面留下一壓坑(壓痕)，用讀數(shù)顯微鏡測量其壓痕直徑d,求出壓痕表面積，用試驗(yàn)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(hào)HB表示，MPa圖1.1布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖用淬火鋼球作壓頭測得的硬度用符號(hào)HBS表示，適合于測量布氏硬度值小于450的材料；用硬質(zhì)合金球作壓頭測得的硬度用符號(hào)HBW表示，適合于測量布氏硬度值450～650的材料。在硬度標(biāo)注時(shí)，硬度值寫在硬度符號(hào)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(jī)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(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等的硬度。布氏硬度壓痕大，試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)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(gè)試驗(yàn)過程較麻煩。（2）洛氏硬度洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗(yàn),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(shí)間后卸除主載荷，根據(jù)壓痕的殘余深度確定硬度值。硬度值，用符號(hào)HR表示，常用的洛氏硬度是HRA、HRB和HRC三種。表示洛氏硬度時(shí)，硬度值寫在硬度符號(hào)的前面。便如，50HRC表示用標(biāo)尺C測得的洛氏硬度值為50。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡便迅速，可直接從硬度機(jī)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(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，通常應(yīng)在試樣不同部位測定三點(diǎn)取其算術(shù)平均值。（3）維氏硬度維氏硬度也是根據(jù)壓痕單位表面積上的載荷大小來計(jì)算硬度值。所不同的是采用相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐體金剛石作壓頭。試驗(yàn)時(shí)，用選定的載荷F將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除載荷，在試樣表面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，測量壓痕兩對(duì)角線長度，求其算術(shù)平均值，用以計(jì)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(hào)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(xué)熱處理的滲碳層、滲氮層等)，其結(jié)果精確可靠。缺點(diǎn)是測量較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。第三節(jié)沖擊韌度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。沖擊試驗(yàn)是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。圖1.2擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理示意圖將沖擊吸收功除以試樣缺口底部橫截面積，即得到?jīng)_擊韌度值，沖擊韌度用符號(hào)aKU表示，mJ/c2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(biāo)。但實(shí)際生產(chǎn)中許多機(jī)械零件很少是受到大能量一次沖擊而斷裂，多數(shù)是在工作時(shí)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(chǎn)生和擴(kuò)展的過程，是每次沖擊損傷積累發(fā)展的結(jié)果，它與一次沖擊有著本質(zhì)的區(qū)別。第四節(jié)疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件(如齒輪、彈簧、連桿、主軸等)都是在交變應(yīng)力(即應(yīng)力的大小、方向隨時(shí)間作周期性變化)下工作。雖然應(yīng)力通常低于材料的屈服強(qiáng)度，但零件在交變應(yīng)力作用下長時(shí)間工作，也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。圖1.3鋼鐵材料的疲勞曲線通過疲勞試驗(yàn)可測得材料所承受的交變應(yīng)力σ與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線,稱為疲勞曲線。應(yīng)力值愈低，斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈多，當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表明材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂。表示材料經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。工程上規(guī)定，鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次，有色金屬應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到108次時(shí)，不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力作為材料的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)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(shí)也可能在零件的內(nèi)部某一薄弱部位產(chǎn)生裂紋，在交變應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，使材料的有效承載截面不斷減小，最后產(chǎn)生突然斷裂。提高疲勞強(qiáng)度的方法很多，如設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免尖角、缺口和截面突變，可避免應(yīng)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(qiáng)化的方法(如表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等)來提高疲勞強(qiáng)度。習(xí)題與思考題1．

機(jī)械零件在工作條件下可能承受哪些負(fù)荷？這些負(fù)荷會(huì)對(duì)機(jī)械零件產(chǎn)生什么作用？2．常用的機(jī)械工程材料按化學(xué)組成可分為哪幾大類？什么是結(jié)構(gòu)材料、功能材料和復(fù)合材料？3．15鋼從鋼廠出廠時(shí)，其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)值：σb=375MPa、σs=225MPa、δ5=27%、ψ=55%，現(xiàn)將本廠購進(jìn)的15鋼制成d0=10mm的圓形截面短試樣，經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后，測得Fb=33.81kN、Fs=20.68kN、lk=65mm、dk=6mm，試問這批15鋼的力學(xué)性能是否合格?為什么？4．下列各種工件應(yīng)該采用何種硬度試驗(yàn)方法來測定硬度?寫出硬度符號(hào)。(1)銼刀；(2)黃銅軸套；(3)供應(yīng)狀態(tài)的各種碳鋼鋼材；(4)硬質(zhì)合金的刀片；(5)耐磨工件的表面硬化層。5．有關(guān)零件圖圖紙上，出現(xiàn)了以下幾種硬度技術(shù)條件的標(biāo)注方法，問這種標(biāo)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(fā)現(xiàn)有塑性變形(伸長)，試分析材料的哪些性能指標(biāo)沒有達(dá)到要求。7．試根據(jù)書中有關(guān)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(shù)值，并畫出以橫坐標(biāo)為鋼號(hào)，以縱坐標(biāo)為各種力學(xué)性能的關(guān)系曲線。8．AKU的含義是什么?有了塑性指標(biāo)為何還要測定aKU?9．疲勞破壞是怎樣產(chǎn)生的?提高零件疲勞強(qiáng)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(yōu)良的可鍛性？哪些金屬與合金具有優(yōu)良的可焊性？一、目的與要求主要講授金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶，主要包括金屬的晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、結(jié)構(gòu)類型；金屬結(jié)晶的基本概念、結(jié)晶的一般過程及規(guī)律、金屬結(jié)晶后的晶粒大小、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變等。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)；金屬結(jié)晶的規(guī)律及晶粒大小的控制。難點(diǎn)：材料力學(xué)性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系及其在零件選材中的應(yīng)用。三、教學(xué)方法與手段課堂講解及多媒體演示。四、教學(xué)內(nèi)容與步驟（4課時(shí)）第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按其原子排列規(guī)律的不同可分為晶體與非晶體兩大類。原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體，如金剛石、石墨和固態(tài)金屬及合金等，晶體具有固定的熔點(diǎn)，呈現(xiàn)規(guī)則的外形，并具有各向異性特征；原子呈不規(guī)則排列的物質(zhì)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(diǎn)。一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念在金屬晶體中，原子是按一定的幾何規(guī)律作周期性規(guī)則排列。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)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(guī)則緊密堆積而成的晶體。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(guī)律，假定理想晶體中的原子都是固定不動(dòng)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(gè)空間格子，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間格子稱為晶格。晶體中的每個(gè)點(diǎn)叫做結(jié)點(diǎn)。2．晶胞晶體中原子的排列具有周期性的特點(diǎn)，因此，通常只從晶格中選取一個(gè)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(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞。實(shí)際上整個(gè)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(fù)堆積排列而成的。3．晶格常數(shù)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(shù)，以埃(?)為單位來表示(1?=10-8cm)。當(dāng)棱邊長度a=b=c，棱邊夾角α=β=γ=90°時(shí)，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。二、常見金屬的晶格類型1．體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，其晶格常數(shù)a=b=c，在立方體的八個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，。每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為(1/8)×8+1=2個(gè)。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的晶胞也是一個(gè)立方體，其晶格常數(shù)a=b=c，在立方體的八個(gè)角和立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子。每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為（1/8）×8+6×（1/2）=4個(gè)。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的晶胞是個(gè)正六方柱體，它是由六個(gè)呈長方形的側(cè)面和兩個(gè)呈正六邊形的底面所組成。該晶胞要用兩個(gè)晶格常數(shù)表示，一個(gè)是六邊形的邊長a，另一個(gè)是柱體高度c。在密排六方晶胞的十二個(gè)角上和上、下底面中心各有一個(gè)原子，另外在晶胞中間還有三個(gè)原子。每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為（1/6）×12+（1/2）×2+3=6個(gè)。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三、晶格的致密度晶體中原子排列的緊密程度與晶體結(jié)構(gòu)的類型有關(guān)，通常用晶格的致密度表示。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(shù)據(jù)。可以看出，在三種常見的晶體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)晶格類型晶胞中的原子數(shù)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60.74四、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1．多晶體結(jié)構(gòu)實(shí)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(gè)小晶體內(nèi)部的晶格位向是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，這種不規(guī)則的、顆粒狀的小晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，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(jié)構(gòu)。圖2.5金屬的多晶體結(jié)構(gòu)示意圖2．晶體缺陷實(shí)際金屬具有多晶體晶體，由于結(jié)晶條件等原因，會(huì)使晶體內(nèi)部出現(xiàn)某些原子排列不規(guī)則的區(qū)域，這種區(qū)域被稱為晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)，可將其分為以下三種類型：（1）點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。最常見的點(diǎn)缺陷是晶格空位和間隙原子。在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)往往未被原子占有，這種空著的結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(fā)生歪扭，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。晶格畸變會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度提高。圖2-6晶格空位和間隙原子示意圖（2）線缺陷：線缺陷是指在一個(gè)方向上的尺寸很大，另兩個(gè)方向上尺寸很小的一種缺陷，主要是各種類型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)的形式很多，其中簡單而常見的刃型位錯(cuò)，晶體的上半部多出一個(gè)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(chǎn)生了錯(cuò)排現(xiàn)象，因而稱為刃型位錯(cuò)。EF線稱為位錯(cuò)線，在位錯(cuò)線附近晶格發(fā)生了畸變。圖2.7刃型位錯(cuò)示意圖位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大的影響。例如冷變形加工后的金屬，由于位錯(cuò)密度的增加，強(qiáng)度明顯提高。（3）面缺陷：面缺陷是指在兩個(gè)方向上的尺寸很大，第三個(gè)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(shí)際上是原子排列從一種位向過渡到另一個(gè)位向的過渡層，在晶界處原子排列是不規(guī)則的。圖2.8晶界的結(jié)構(gòu)示意圖晶界的存在，使晶格處于畸變狀態(tài)，在常溫下對(duì)金屬塑性變形起阻礙作用。所以，金屬的晶粒愈細(xì)，則晶界愈多，對(duì)塑性變形的阻礙作用愈大，金屬的強(qiáng)度、硬度愈高。第二節(jié)金屬的結(jié)晶一、金屬結(jié)晶的概念將金屬加熱到熔化狀態(tài)，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測量一次溫度，直至冷卻到室溫，然后將測量數(shù)據(jù)畫在溫度—時(shí)間坐標(biāo)圖上，便得到一條金屬在冷卻過程中溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，這條曲線稱為冷卻曲線。圖2-10純金屬的冷卻曲線示意圖金屬在平衡條件下所測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度(T0)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，冷卻速度都較大，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。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)，冷卻速度愈大，過冷度就愈大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就愈低。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。二、結(jié)晶過程純金屬結(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，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)。

圖2.10金屬結(jié)晶過程示意圖三、結(jié)晶后的晶粒大小金屬結(jié)晶后的晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能影響很大。一般情況下，晶粒愈細(xì)小，金屬的強(qiáng)度和硬度愈高，塑性和韌性也愈好。因此，細(xì)化晶粒是使金屬材料強(qiáng)韌化的有效途徑。金屬結(jié)晶時(shí)，一個(gè)晶核長成一個(gè)晶粒，在一定體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目愈多，則結(jié)晶后的晶粒就愈細(xì)小。因此，工業(yè)生產(chǎn)中，為了獲得細(xì)晶粒組織，常采用以下方法：1．增大過冷度增加過冷度，使金屬結(jié)晶時(shí)形成的晶核數(shù)目增多，則結(jié)晶后獲得細(xì)晶粒組織。2．進(jìn)行變質(zhì)處理變質(zhì)處理是在澆注前向液態(tài)金屬中人為地加入少量被稱為變質(zhì)劑的物質(zhì)，以起到晶核的作用，使結(jié)晶時(shí)晶核數(shù)目增多，從而使晶粒細(xì)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(zhì)處理的典型實(shí)例。3．采用振動(dòng)處理在金屬結(jié)晶過程中，采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等方法，使正在長大的晶體折斷、破碎，也能增加晶核數(shù)目，從而細(xì)化晶粒。四、金屬鑄錠的結(jié)晶組織1．鑄錠的結(jié)晶典型的鑄錠結(jié)晶組織一般可以分為表層細(xì)等軸晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)、中心粗等軸晶粒區(qū)等三層不同特征的晶區(qū)。（1）表層細(xì)等軸晶粒區(qū)當(dāng)高溫下的液態(tài)金屬注入鑄錠模時(shí)，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(fā)形核作用，便形成了一層很細(xì)的等軸晶粒層。（2）柱狀晶粒區(qū)隨著表面層等軸細(xì)晶粒層的形成，鑄錠模的溫度升高，液態(tài)金屬的冷卻速度減慢，過冷度減小；此時(shí)，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(yōu)生長，形成柱狀晶粒區(qū)。圖2.11鑄錠的結(jié)晶組織（3）中心粗等軸晶粒區(qū)隨著柱狀晶粒區(qū)的結(jié)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(tài)。晶核在液態(tài)金屬中可以自由生長，在各個(gè)不同的方向上其張大速率基本相當(dāng)，結(jié)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(xì)等軸晶粒區(qū)，顯微組織比較致密，室溫下力學(xué)性能最高；柱狀晶粒區(qū)的組織較致密，不易產(chǎn)生疏松等鑄造缺陷；鑄錠的中心粗等軸晶粒區(qū)在結(jié)晶時(shí)沒有擇優(yōu)取向，不存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交錯(cuò)，其力學(xué)性能比較均勻，雖然其強(qiáng)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(jīng)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(xué)成分偏析等，會(huì)降低工件的使用性能。五、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，這種轉(zhuǎn)變稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以純鐵為例來說明金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變過程。圖2.12純鐵的冷卻曲線液態(tài)純鐵在1538℃時(shí)結(jié)晶成具有體心立方晶格的δ-Fe；冷卻到1394℃時(shí)發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe；繼續(xù)冷卻到912℃時(shí)又發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，由面心立方晶格的γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe。金屬發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)，必然伴隨著原子的重新排列，這種原子的重新排列過程，實(shí)際上就是一個(gè)結(jié)晶過程，與液態(tài)金屬結(jié)晶過程的不同點(diǎn)在于其是在固態(tài)下進(jìn)行的，但它同樣遵循結(jié)晶過程中的形核與長大規(guī)律。習(xí)題與思考題1．常見的金屬晶格類型有哪些?試?yán)L圖說明其特征。2．實(shí)際金屬中有哪些晶體缺陷?晶體缺陷對(duì)金屬的性能有何影響?3．什么叫過冷現(xiàn)象、過冷度?過冷度與冷卻速度有何關(guān)系?4．金屬的晶粒大小對(duì)力學(xué)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(shí)采用振動(dòng)與不采用振動(dòng)。6．金屬鑄錠通常由哪幾個(gè)晶區(qū)組成？它們的組織和性能有何特點(diǎn)？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(jì)算面心立方晶格的致密度。9．什么是位錯(cuò)？位錯(cuò)密度的大小對(duì)金屬強(qiáng)度有何影響？一、目的與要求主要講授合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶，主要包括合金晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、相結(jié)構(gòu)的類型及性能特點(diǎn)；合金結(jié)晶的基本概念、結(jié)晶的一般過程及規(guī)律；二元合金相圖的意義、類型及相變規(guī)律、相圖的應(yīng)用等。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：合金的晶體結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)；二元合金相圖的基本類型及其相變過程。難點(diǎn)：二元合金相圖的相變過程及其應(yīng)用。三、教學(xué)方法與手段課堂講解及多媒體演示。四、教學(xué)內(nèi)容與步驟（4課時(shí)）第三章合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié)固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)合金中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成的，各晶粒雖有界面分開，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(jié)構(gòu)與α-Fe完全不同，因此，在鐵碳合金中就出現(xiàn)了一個(gè)新相Fe3C，稱為滲碳體。如果把合金加熱到熔化狀態(tài)，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(jīng)冷卻結(jié)晶后，由于各組元之間相互作用不同，固態(tài)合金中將形成不同的相結(jié)構(gòu)，合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。一、固溶體當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。固溶體的晶格類型與其中某一組元的晶格類型相同，而其他組元的晶格結(jié)構(gòu)將消失能保留住晶格結(jié)構(gòu)的組元稱為溶劑，另外的組元稱為溶質(zhì)。因此，固溶體的晶格類型與溶劑的晶格相同，而溶質(zhì)以原子狀態(tài)分布在溶劑的晶格中。在固溶體中，一般溶劑含量較多，溶質(zhì)含量較少。1．固溶體的分類按照溶質(zhì)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(zhì)原子在溶劑晶格中并不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)的位置，而是處于各結(jié)點(diǎn)間的空隙中，則這種形式的固溶體稱為間隙固溶體。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(zhì)原子、其尺寸都比較小。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。圖3.1固溶體的兩種類型（2）置換固溶體若溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)著溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置，則這種類型的固溶體稱為置換固溶體。固溶體雖然仍保持著溶劑的晶格類型，但當(dāng)形成置換固溶體時(shí)，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑不可能完全相同，因此，也會(huì)造成固溶體晶格常數(shù)的變化和晶格的畸變。2．固溶體的性能由于固溶體的晶格發(fā)生畸變，使位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)所受到的阻力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成的固溶體，從而使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料機(jī)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(jié)構(gòu)鋼，就是由于錳的固溶強(qiáng)化作用提高了該材料的強(qiáng)度，從而大大節(jié)約了鋼材，減輕了大橋結(jié)構(gòu)的自重。二、金屬化合物凡是由相當(dāng)程度的金屬鍵結(jié)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。圖3.3Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)金屬化合物的熔點(diǎn)較高，性能硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)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(jià)化合物組成正常價(jià)化合物的元素是嚴(yán)格按原子價(jià)規(guī)律結(jié)合的，因而其成分固定不變，并可用化學(xué)式表示，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常價(jià)化合物具有高的硬度和脆性。在合金中，當(dāng)它在固溶體基體上細(xì)小而均勻地分布時(shí)，將使合金得到強(qiáng)化，因而起著強(qiáng)化相的作用。2．電子化合物電子化合物不遵循原子價(jià)規(guī)律，而是按照一定的電子濃度比組成一定晶格結(jié)構(gòu)的化合物。電子化合物雖然可以用化學(xué)式表示，但實(shí)際上它是一個(gè)成分可變的相，也就是在電子化合物的基礎(chǔ)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。電子化合物的熔點(diǎn)和硬度都很高，但塑性很差，因此與正常價(jià)化合物一樣，一般只能作為強(qiáng)化相存在于合金中。3．間隙化合物間隙化合物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(jīng)化學(xué)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：直徑較大的過渡族元素的原子占據(jù)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(jié)構(gòu)的間隙化合物，也稱為間隙相，如VC、WC、TiC等。VC的晶體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。另一類是具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)就是這一類間隙化合物結(jié)構(gòu)的典型例子。間隙化合物具有極高的硬度和熔點(diǎn)（如表3.1所示），而且十分穩(wěn)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(zhì)合金中具有很大的作用。如碳鋼中的Fe3C也可以提高鋼的強(qiáng)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(zhì)合金的主要組成物。圖3.4VC的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)二元合金相圖一、二元合金相圖的建立合金相圖又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖，它表示平衡狀態(tài)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(guān)系的圖形。1．相圖的表示方法純金屬可以用一條表示溫度的縱坐標(biāo)把其在不同溫度下的組織狀態(tài)表示出來，縱坐標(biāo)表示溫度，1點(diǎn)為純銅冷卻曲線上的結(jié)晶溫度（1083℃）在溫度軸上的投影，即純銅的相的轉(zhuǎn)變溫度（稱為臨界點(diǎn)）。圖3.5純銅的冷卻曲線及相圖二元合金相圖，是以溫度為縱坐標(biāo)、以合金成分為橫坐標(biāo)的平面圖形。現(xiàn)以Cu-Ni合金相圖為例來說明二元合金相圖表示方法。圖3.6Cu-Ni合金相圖2．相圖的建立方法合金相圖都是用實(shí)驗(yàn)方法測定出來的。下面以Cu-Ni二元合金系為例，說明應(yīng)用熱分析法測定其臨界點(diǎn)及繪制相圖的過程。（1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：（2）用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線；（3）找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)；圖3.7用熱分析法測定Cu--Ni合金相圖（4）將各個(gè)合金的臨界點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度—成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上；（5）連接各相同意義的臨界點(diǎn)，所得的線稱為相界線。二、二元?jiǎng)蚓鄨D凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下以任何比例均勻可相互溶解，即在固態(tài)下能形成無限固溶體時(shí)，其相圖屬于二元?jiǎng)蚓鄨D。1．相圖分析圖示為Cu-Ni合金相圖，圖中tA=1083℃為純銅的熔點(diǎn)；tB=1455℃為純鎳的熔點(diǎn)。tALtB為液相線，tALtB為固相線。2．合金結(jié)晶過程分析由圖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(shí)相交，這就是說，該合金是在t1溫度時(shí)開始結(jié)晶，t3溫度時(shí)結(jié)晶結(jié)束。合金結(jié)晶終了，獲得了Cu與Ni組成的α固溶體。圖3.8Cu-Ni合金相圖結(jié)晶過程分析3．杠桿定律及應(yīng)用

圖3-10杠桿定律的應(yīng)用設(shè)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(shè)液相的相對(duì)重量為L，固相的相對(duì)重量為α，則：以上所得的兩相重量之間的相對(duì)關(guān)系同力學(xué)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(qū)中兩平衡相的相對(duì)重量計(jì)算，對(duì)其他類型的二元合金相圖兩相區(qū)中兩平衡相的相對(duì)重量計(jì)算也同樣適用。第三節(jié)二元共晶相圖與共析相圖凡二元合金系中兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的，其相圖屬于二元共晶相圖。所謂共晶轉(zhuǎn)變，是指一定成分的液相，在一定溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種不相同的固相的轉(zhuǎn)變。一、相圖分析1．簡單共晶相圖兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下彼此互不溶解的共晶相圖，稱為簡單共晶相圖。圖3.11簡單共晶相圖2．一般共晶相圖兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下互相有限溶解的共晶相圖，稱為一般共晶相圖。圖3.12一般共晶相圖二、合金的結(jié)晶過程分析以Pb-Sn合金為例。

圖3.14Pb-Sn合金相圖1．含Sn量小于D點(diǎn)的合金的結(jié)晶過程L→α+L→α→α+βⅡ圖3.15合金I的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3.16＜19.2Sn的Sn--Pb組織(200×)合金I在室溫時(shí)，α與βⅡ的相對(duì)重量，可用杠桿定律計(jì)算：×100%所有成分在D點(diǎn)與F點(diǎn)間的合金，其結(jié)晶過程與合金Ⅰ相似，其室溫下顯微組織都是由α+βⅡ組成。只是兩相的相對(duì)量不同，合金成分越靠近點(diǎn)D點(diǎn)，室溫時(shí)βⅡ量直越多。2．含Sn量為C點(diǎn)的合金的結(jié)晶過程L→(α+β)圖3.17合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程恒溫LcαD+βE恒溫這時(shí)所獲得的（αD+βE）的細(xì)密機(jī)械混合物，就是共晶組織或共晶體。共晶體中αD與βE的相對(duì)重量可用杠桿定律計(jì)算如下：βE=(1-αD)×100%圖3.18Pb--Sn共晶合金的室溫組織(100×)3．含Sn量在C、D點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程L→α→α+（α+β）圖3.19合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3.20Pb--Sn亞共晶合金的室溫組織(100×)4．含Sn量在C、E點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程

圖3.21合金Ⅳ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3.22Pb--Sn過共晶合金的室溫組織(100×)圖3.23以組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖第四節(jié)相圖與合金性能之間的關(guān)系合金的性能取決于合金的化學(xué)成分與其組織，合金的化學(xué)成分與組織間關(guān)系體現(xiàn)在合金相圖上，因此合金相圖與合金的性能之間必然存在著一定的聯(lián)系。1．形成單相固溶體的合金形成單相固溶體的合金相圖是勻晶相圖。實(shí)驗(yàn)表明，固溶體合金的物理性能和力學(xué)性能與合金成分間是呈曲線關(guān)系變化的。固溶體合金與作為溶劑的純金屬相比，它的強(qiáng)度、硬度和電阻升高，電阻溫度系數(shù)降低，并在某一成分下達(dá)到最大值或最小值。圖3.24固溶體合金的物理及力學(xué)性能與其成分的關(guān)系單相固溶體合金具有較好的塑性，所以它的壓力加工性能良好。但它在切削加工時(shí)由于切屑不易剝落、不易斷屑、加工表面光潔度較差等原因，使其切削加工性能差。另外它的鑄造性能也不好。圖3.25固溶體合金的鑄造性能與其成分的關(guān)系2．形成兩相混合物的合金共晶相圖中成分在兩相區(qū)內(nèi)的合金結(jié)晶后，形成兩相混合物。形成兩相混合物時(shí)合金的物理性能和機(jī)械性能將隨合金成分的改變?cè)趦上嘈阅苤g呈直線關(guān)系變化。當(dāng)合金形成機(jī)械混合物時(shí)，合金的性能還與組織的細(xì)密程度有關(guān)，組織愈細(xì)密對(duì)組織敏感的合金性能（如強(qiáng)度、硬度等）提高愈多。

圖3.26合金形成兩相混合物時(shí)的物理及力學(xué)性能與其成分的關(guān)系圖3.27合金形成兩相混合物時(shí)的鑄造性能與其成分的關(guān)系當(dāng)合金形成兩相混合物時(shí)，合金壓力加工性能不如單相固溶體的好。但其切削加工性能較好。形成兩相混合物時(shí)合金鑄造性能與合金成分間的關(guān)系，如圖3.27所示。由圖可見，合金的鑄造性能也取決于合金結(jié)晶區(qū)間的大小，因此，就鑄造性能來說，共晶合金最好，因?yàn)樗诤銣叵逻M(jìn)行結(jié)晶，同時(shí)熔點(diǎn)又最低，具有較好的流動(dòng)性，在結(jié)晶時(shí)易形成集中縮孔，鑄件的致密性好。故在其它條件許可的情況下，鑄造用金屬材料盡可能選用共晶合金。習(xí)題與思考題1．置換固溶體中，被置換的溶劑原子哪里去了？2．間隙固溶體和間隙化合物在晶體結(jié)構(gòu)與性能上區(qū)別何在？舉例說明之。3．現(xiàn)有A、B兩元素組成如圖3.28所示的二元?jiǎng)蚓鄨D，試分析以下幾種說法是否正確？為什么？（1）形成二元?jiǎng)蚓鄨D的A與B兩個(gè)相元的晶格類型可以不同，但是原子大小一定相等。（2）K合金結(jié)晶過程中，由于固相成分隨固相線變化，故已結(jié)晶出來的固溶體中含B量總是高于原液相中含B量。（3）固溶體合金按勻晶相圖進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，由于不同溫度下結(jié)晶出來的固溶體成分和剩余液相成分都不相同，故在平衡狀態(tài)下固溶體的成分是不均勻的。

圖3.28題3圖4．共晶部分的Mg-Cu相圖如圖3.29所示：（1）填入各區(qū)域的組織組成物和相組成物。在各區(qū)域中是否會(huì)有純Mg相存在？為什么？（2）求出20%Cu合金冷卻到500℃、400℃時(shí)各相的成分和重量百分比。（3）畫出20%Cu合金自液相冷到室溫的卻曲線，并注明各階段的相與相變過程。圖3.29題4圖5．試分析比較純金屬、固溶體、共晶體三者在結(jié)晶過程和顯微組織上的異同之處。6．為什么亞共晶合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度與共晶合金共晶轉(zhuǎn)變溫度相同？7．根據(jù)下表所列要求，歸納比較固溶體、金屬化合物及機(jī)械混合物的特點(diǎn)名稱種類舉例晶格特點(diǎn)相數(shù)性能特點(diǎn)固溶體

金屬化合物

機(jī)械混合物

一、目的與要求主要講授鐵碳合金的基本相和基本組織；鐵碳合金相圖的分析、鐵碳合金的分類、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫組織；碳鋼的概念、常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響、常用碳鋼等內(nèi)容。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：鐵碳合金相圖的相變規(guī)律、典型合金的結(jié)晶過程、常見碳鋼。難點(diǎn)：鐵碳合金相圖的相變、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫組織。三、教學(xué)方法與手段課堂講解、多媒體演示、實(shí)驗(yàn)。四、教學(xué)內(nèi)容與步驟（8課時(shí)）第四章鐵碳合金鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。其基本組元是鐵和碳，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.69%時(shí)，鐵碳合金的脆性很大，已無實(shí)用價(jià)值。所以，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的鐵碳合金其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在6.69%以下。第一節(jié)鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1．鐵素體碳溶入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，這種晶格的間隙分布較分散，所以間隙尺寸很小，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（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm2），但強(qiáng)度、硬度較低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度為50～80HBS)。

圖4.1鐵素體的顯微組織（200×）2．奧氏體碳溶入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%。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(σb≈400MPa、δ≈40～50%、硬度為160～200HBS)，易鍛壓成形。圖4.2奧氏體的顯微組織示意圖3．滲碳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，常用化學(xué)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(δ≈0、aKU≈0)，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。4．珠光體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，它的性能介于鐵素體和滲碳體之間，即具有較高的強(qiáng)度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度適中（180HBS）。5．萊氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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，稱為變態(tài)萊氏體，用符號(hào)Ld′表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。第二節(jié)Fe-Fe3C相圖圖4.3簡化的Fe-Fe3C相圖一、相圖分析1．相圖中的主要特性點(diǎn)2．相圖中的主要特性線ACD線為液相線，在ACD線以上合金為液態(tài)，用符號(hào)L表示。液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在AC線以下結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳體，用符號(hào)Fe3CI表示。AECF線為固相線，在此線以下合金為固態(tài)。液相線與固相線之間為合金的結(jié)晶區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體和固體共存。ECF線為共晶線，溫度為1148℃。PSK線為共析線，又稱A1線，溫度為727℃。即S點(diǎn)成分的奧氏體緩慢冷卻到共析溫度(727℃)時(shí)，同時(shí)析出P點(diǎn)成分的鐵素體和滲碳體。共析轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物稱為珠光體，S點(diǎn)稱為共析點(diǎn)。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218～6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。ES線是碳在γ-Fe中的溶解度曲線，又稱Acm線。碳在γ-Fe中的溶解度隨溫度的下降而減小，在1148℃時(shí)溶解度為2.11%，到727℃時(shí)降為0.77%。GS線，又稱A3線。是冷卻時(shí)由奧氏體中析出鐵素體的開始線。PQ線是碳在α-Fe中的固態(tài)溶解度曲線。二、鐵碳合金的分類根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫組織的不同，可將鐵碳合金分為以下三類：（1）工業(yè)純鐵wc≤0.0218%。（2）鋼0.0218%＜wc≤2.11%。根據(jù)室溫組織的不同，鋼又可分為三種：共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼。（3）白口鐵2.11%＜wc＜6.69%。根據(jù)室溫組織的不同，白口鐵又可分為三種：共晶白口鐵、亞共晶白口鐵、過共晶白口鐵。三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織1．共析鋼的結(jié)晶過程及組織L→L＋A→P圖4.4共析鋼結(jié)晶過程示意圖在共析溫度下，珠光體中鐵素體與滲碳體的相對(duì)重量可用杠桿定律計(jì)算：珠光體的顯微組織如圖4.5所示。在顯微鏡放大倍數(shù)較高時(shí)，能清楚地看到鐵素體和滲碳體呈片層狀交替排列的情況。由于珠光體中滲碳體量較鐵素體少，因此滲碳體層片較鐵素體層片薄。圖4.5珠光體的顯微組織（500×）2．亞共析鋼的結(jié)晶過程及組織L→L＋A→F＋A→F＋P圖4.6亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖wc=0.45%的亞共析鋼在727℃溫度下，其組織中鐵素體和珠光體的相對(duì)量可用杠桿定律計(jì)算：所有亞共析鋼的室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，只是鐵素體和珠光體的相對(duì)量不同。隨著含碳量的增加，珠光體量增多，而鐵素體量減少。圖中白色部分為鐵素體，黑色部分為珠光體，這是因?yàn)榉糯蟊稊?shù)較低，無法分辨出珠光體中的層片，故呈黑色。

圖4.7亞共析鋼的顯微組織（200×）a)wc=0.1%b)wc=0.25%c)wc=0.6%根據(jù)顯微組織中珠光體所占的面積可粗略地計(jì)算出亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于室溫下鐵素體中碳的含量幾乎為零，可以忽略不計(jì)，所以鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約等于珠光體中碳的含量，即：wc=0.77%×SP3．過共析鋼的結(jié)晶過程及組織L→L＋A→Fe3CⅢ＋A→Fe3CⅢ＋P

圖4.8過共析鋼結(jié)晶過程示意圖wc=1.2%的過共析鋼室溫組織珠光體和二次滲碳體的相對(duì)量可用杠桿定律計(jì)算：所有過共析鋼的室溫組織都是由珠光體和二次滲碳體組成。只是隨著合金中含碳量的增加，組織中網(wǎng)狀二次滲碳體的量增多。過共析鋼的顯微組織如圖4.9所示。圖中層片狀黑白相間的組織為珠光體，白色網(wǎng)狀組織為二次滲碳體。圖4.9過共析鋼的顯微組織（500×）4．共晶白口鐵的結(jié)晶過程及組織L→Ld→Ld′圖4.10共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖共晶白口鐵的顯微組織如圖4.11所示。圖中黑色部分為珠光體，白色基體為滲碳體。圖4.11共晶白口鐵的顯微組織（125×）5．亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程及組織L→A+Ld→A+Fe3CⅡ+Ld→P+Fe3CⅡ+Ld′圖4.12亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程示意圖亞共晶白口鐵的顯微組織如圖4.13所示。圖中黑色塊狀或呈樹枝狀分布的為由初生奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體，基體為變態(tài)萊氏體。組織中的二次滲碳體與共晶滲碳體連在一起，難以分辨。所有亞共晶白口鐵的室溫組織都是由珠光體和變態(tài)萊氏體組成。只是隨著含碳量的增加，組織中變態(tài)萊氏體量增多。

圖4.13亞共晶白口鐵的顯微組織（125×）

6．過共晶白口鐵的結(jié)晶過程及組織L→Fe3CⅠ+Ld+→Fe3CⅠ+Ld′圖4.14過共晶白口鐵的結(jié)晶過程示意圖所有過共晶白口鐵室溫組織都是由一次滲碳體和變態(tài)萊氏體組成。只是隨著含碳量的增加，組織中一次滲碳體量增多。過共晶白口鐵的顯微組織如圖4.15所示。圖中白色板條狀為一次滲碳體，基體為變態(tài)萊氏體。圖4.15過共晶白口鐵的顯微組織（125×）四、碳含量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1．碳含量對(duì)平衡組織的影響從上面分析可知，不同成分的鐵碳合金在共析溫度以下都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著含碳量的增加，滲碳體量增加，鐵素體量減小，而且滲碳體的形態(tài)和分布情況也發(fā)生變化，所以，不同成分的鐵碳合金室溫下具有不同的組織和性能。其室溫組織變化情況如下：F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CⅠ2．含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響鋼中鐵素體為基體，滲碳體為強(qiáng)化相，而且主要以珠光體的形式出現(xiàn)，使鋼的強(qiáng)度和硬度提高，故鋼中珠光體量愈多，其強(qiáng)度、硬度愈高，而塑性、韌性相應(yīng)降低。但過共析鋼中當(dāng)滲碳體明顯地以網(wǎng)狀分布在晶界上，特別在白口鐵中滲碳體成為基體或以板條狀分布在萊氏體基體上，將使鐵碳合金的塑性和韌性大大下降，以致合金的強(qiáng)度也隨之降低，這就是高碳鋼和白口鐵脆性高的主要原因。

圖4.16含碳量對(duì)鋼力學(xué)性能的影響由圖可見，當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.9%時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度直線上升，而塑性、韌性不斷下降；當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.9%時(shí)，因網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅使鋼的塑性、韌性進(jìn)一步降低，而且強(qiáng)度也明顯下降。五、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖揭示了鐵碳合金的組織隨成分變化的規(guī)律，根據(jù)組織可以大致判斷出力學(xué)性能，便于合理地選擇材料。例如，建筑結(jié)構(gòu)和型鋼需要塑性、韌性好的材料，應(yīng)選用低碳鋼(wc≤0.25%)；機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用中碳鋼；工具需要硬度高、耐磨性好的材料，應(yīng)選用高碳鋼。而白口鐵可用于需要耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如拔絲模、冷軋輥、犁鏵等。Fe-Fe3C鐵碳相圖不僅可作為選材的重要依據(jù)，還可作為制定鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)，如確定澆注溫度、確定鍛造溫度范圍及熱處理的加熱溫度等。這些將在后續(xù)章節(jié)、后續(xù)課程詳細(xì)介紹。必須指出，鐵碳相圖是在極緩慢的加熱或冷卻條件下得到的，而實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度較快，合金的相變溫度與冷卻后的組織都將與相圖中不同。另外，通常使用的鐵碳合金，除鐵、碳兩元素外，往往還含有多種雜質(zhì)或合金元素，這些元素對(duì)相圖將有影響，應(yīng)予以考慮。第三節(jié)碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。碳鋼容易冶煉，價(jià)格低廉，易于加工，性能上能滿足一般機(jī)械零的使用要求，因此是工業(yè)中用量最大的金屬材料。一、存雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響1．錳的影響錳來自于生鐵和脫氧劑，在鋼中是一種有益的元素，其含量一般在0.8%以下。錳能溶入鐵素體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度；少部分的錳則溶于Fe3C，形成合金滲碳體；錳能增加組織中珠光體的相對(duì)量，并使其變細(xì)；錳還能與硫形成MnS，以減輕硫的有害作用。2．硅的影響硅也是來自于生鐵和脫氧劑，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)鋼的性能影響亦不顯著。3．硫的影響硫是由生鐵和燃料帶入的雜質(zhì)元素，在鋼中是一種有害的元素。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。4．磷的影響磷是由生鐵帶入鋼中的有害雜質(zhì)元素。磷在鋼中能全部溶入鐵素體，使鋼的強(qiáng)度、硬度有所提高，但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，使鋼變脆。這種情況在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，因此稱為冷脆性。所以，鋼中的磷含量也應(yīng)嚴(yán)格控制。總之，鋼中錳、硅是有益的元素，允許一定的含量，而硫、磷是有害的元素，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。但是，在易切鋼中適當(dāng)提高硫、磷的含量，使切屑易斷，可改善切削加工性能。二、碳鋼的分類1．按鋼中碳的含量分類根據(jù)鋼中含碳量的不同，可分為：（1）低碳鋼：wc≤0.25%；（2）中碳鋼：0.25%＜wc≤0.6%；（3）高碳鋼：wc＞0.6%。2．按鋼的質(zhì)量分類根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少，可分為：（1）普通質(zhì)量鋼鋼中硫、磷含量較高(ws≤0.050%，wp=0.045%)；（2）優(yōu)質(zhì)鋼鋼中硫、磷含量較低(ws≤0.035%，wp=0.035%)；（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼鋼中硫、磷含量很低(ws≤0.020%,wp≤0.030%)。3．按鋼的用途分類根據(jù)鋼的用途不同，可分為：（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)。這類鋼一般屬于低、中碳鋼。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具。這類鋼含碳量較高，一般屬于高碳鋼。（3）碳素鑄鋼主要用于制作形狀復(fù)雜，難以用鍛壓等方法成形的鑄鋼件。三、碳鋼的牌號(hào)、性能和用途1．碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表鋼材屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等符號(hào)四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級(jí)共有四級(jí)，分別用A(ws≤0.050%，wp≤0.045%)、B(ws≤0.045%，wp≤0.045%)、C(ws≤0.040%，wp≤0.040%)、D(ws≤0.035%，wp≤0.035%)表示。脫氧方法符號(hào)用漢語拼音字母表示。“F”表示沸騰鋼；“b”表示半鎮(zhèn)靜鋼；“Z”表示鎮(zhèn)靜鋼；“TZ”表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號(hào)中“Z”和“TZ”符號(hào)可省略。例如：Q235—A·F，牌號(hào)中“Q”代表屈服點(diǎn)“屈”字漢語拼音首位字母，“235”表示屈服點(diǎn)σs≥235MPa，“A”表示質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)，“F”表示沸騰鋼(冶煉時(shí)脫氧不完全)。Q195、Q215、Q235屬低碳鋼，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的強(qiáng)度，通常軋制成型材、板材和焊接鋼管等用于橋梁、建筑等工程結(jié)構(gòu)，在機(jī)械制造中用作受力不大的零件，如螺釘、螺帽、墊圈、地腳螺釘、法蘭以及不太重要的軸、拉桿等，其中以Q235應(yīng)用最廣。Q235C、Q235D質(zhì)量好，用作重要的焊接結(jié)構(gòu)件。Q255、Q275強(qiáng)度較高，可用作受力較大的機(jī)械零件。2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍數(shù)。例如45鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%。若鋼中錳的含量較高，則在兩位數(shù)字后面加錳元素的符號(hào)“Mn”。例如65Mn鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%，含錳量較高(wMn=0.9～1.2%)。若為沸騰鋼，在兩位數(shù)字后面加符號(hào)“F”，例如08F鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼隨含碳量的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低。不同牌號(hào)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼具有不同的性能特點(diǎn)及用途。08F鋼是一種含碳量很低的沸騰鋼，強(qiáng)度很低，塑性很好。一般由鋼廠軋成薄鋼板或鋼帶供應(yīng)，主要用于制造冷沖壓件，如外殼、容器、罩子等。10～25鋼屬低碳鋼，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好，并具有良好的冷沖壓性能和焊接性能。常用于制造冷沖壓件和焊接構(gòu)件，以及受力不大、韌性要求高的機(jī)械零件，如螺栓、螺釘、螺母、軸套、法蘭盤、焊接容器等。還可用作尺寸不大，形狀簡單的滲碳件。30～55鋼屬中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于制造齒輪、連桿、軸類零件等，其中以45鋼應(yīng)用最廣。60、65鋼屬高碳鋼，經(jīng)適當(dāng)熱處理后，有較高的強(qiáng)度和彈性，主要用于制作彈性零件和耐磨零件，如彈簧、彈簧墊圈、軋輥等。3．碳素工具鋼碳素工具鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65～1.35%。根據(jù)有害雜質(zhì)硫、磷含量的不同又分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼(簡稱為碳素工具鋼)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。碳素工具鋼的牌號(hào)冠以“碳”的漢語拼音字母“T”，后面加數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍數(shù)，如為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后面再加上“A”。例如T8鋼表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。T10A鋼表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。T7、T8鋼適于制造承受一定沖擊而要求韌性較高的工具，如大錘、沖頭、鑿子、木工工具、剪刀等。T9、T10、T11鋼用于制造沖擊較小而要求高硬度和較高耐磨性的工具，如絲錐、板牙、小鉆頭、冷沖模、手工鋸條等。T12、T13鋼的硬度和耐磨性很高，但韌性較差，用于制造不受沖擊的工具，如銼刀、刮刀、剃刀、量具等。4．碳素鑄鋼碳素鑄鋼其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.15～0.60%。碳素鑄鋼的牌號(hào)用“鑄鋼”兩字漢語拼音的第一個(gè)字母“ZG”加兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字為最小屈服強(qiáng)度值，第二組數(shù)字為最小抗拉強(qiáng)度值。如ZG310—570表示最小屈服強(qiáng)度為310MPa，最小抗拉強(qiáng)度為570MPa的碳素鑄鋼。工程用碳素鑄鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途如表4.5所示。習(xí)題與思考題1．何謂金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?試以純鐵為例說明金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。2．何謂共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變?以鐵碳合金為例寫出轉(zhuǎn)變表達(dá)式。3．畫出Fe-Fe3C相圖鋼的部分，試分析45鋼、T8鋼、T12鋼在極緩慢的冷卻條件下的組織轉(zhuǎn)變過程，并繪出室溫顯微組織示意圖。4．為什么鑄造合金常選用靠近共晶成分的合金？而壓力加工合金則選用單相固溶體成分的合金？5．根據(jù)Fe-Fe3C相圖，確定下表中三種鋼在指定溫度下的顯微組織名稱。鋼號(hào)溫度（℃）顯微組織溫度（℃）顯微組織20770

900

T8680

770

T12700

770

6．某廠倉庫中積壓了許多碳鋼(退火狀態(tài))，由于鋼材混雜不知其化學(xué)成分，現(xiàn)找出一根，經(jīng)金相分析后發(fā)現(xiàn)組織為珠光體和鐵素體，其中鐵素體量占80%。問此鋼材碳的含量大約是多少?是哪個(gè)鋼號(hào)?7．有形狀和大小一樣的兩塊鐵碳合金，一塊是低碳鋼，一塊是白口鐵。問用什么簡便的方法可迅速將它們區(qū)分開來?8．現(xiàn)有兩種鐵碳合金，在顯微鏡上觀察其組織，并以面積分?jǐn)?shù)評(píng)定各組織的相對(duì)量。一種合金的珠光體占75%，鐵素體占25%；另一種合金的顯微組織中珠光體占92%，二次滲碳體占8%。這兩種鐵碳合金各屬于哪一類合金？其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各為多少？9．現(xiàn)有形狀尺寸完全相同的四塊平衡狀態(tài)的鐵碳合金，它們碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.20%、0.40%、1.2%、3.5%。根據(jù)你所學(xué)過的知識(shí)，可有哪些方法來區(qū)別它們?10．根據(jù)Fe-Fe3C相圖解釋下列現(xiàn)象：（1）在進(jìn)行熱軋和鍛造時(shí)，通常將鋼材加熱到1000～1200℃；（2）鋼鉚釘一般用低碳鋼制作；（3）綁扎物件一般用鐵絲(鍍鋅低碳鋼絲)，而起重機(jī)吊重物時(shí)卻用鋼絲繩(60鋼、65鋼、70鋼等制成)；（4）在1100℃時(shí)，wc=0.4%的碳鋼能進(jìn)行鍛造，而wc=4.0%的鑄鐵不能進(jìn)行鍛造；（5）在室溫下wc=0.8%的碳鋼比wc=1.2%的碳鋼強(qiáng)度高；（6）鋼錠在正常溫度(950～1100℃)下軋制有時(shí)會(huì)造成開裂；（7）鉗工鋸割T8鋼、T10鋼等鋼料比鋸割10鋼、20鋼費(fèi)力，鋸條易磨鈍；11．試以鋼的顯微組織說明20鋼、45鋼和T8鋼的力學(xué)性能有何不同。12．下列說法是否正確?為什么?（1）鋼的含碳量越高，質(zhì)量越好；（2）共析鋼在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成單相珠光體；（3）wc=4.3%的鋼在1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體；（4）鋼的含碳量越高，其強(qiáng)度和塑性也越高。13．下列工件，由于管理的差錯(cuò)，造成鋼材錯(cuò)用，問使用過程中會(huì)出現(xiàn)哪些問題?（1）把Q235—A當(dāng)作45鋼制造齒輪?（2）把30鋼當(dāng)作T13鋼制成銼刀；（3）把20鋼當(dāng)作60鋼制成彈簧。14．根據(jù)括號(hào)內(nèi)提供的鋼號(hào)(08F；20；T8；T12；65Mn；45)選擇下列工件所采用的材料：冷沖壓件；螺釘；齒輪；小彈簧；銼刀。一、目的與要求主要講授鋼的熱處理概述；鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變；鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變；鋼的退火和正火工藝及其應(yīng)用；鋼的淬火與回火工藝及其應(yīng)用；鋼的表面熱處理的原理、方法及其應(yīng)用。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：鋼在熱處理中的組織轉(zhuǎn)變、鋼的熱處理工藝及其應(yīng)用。難點(diǎn)：鋼在熱處理中的組織轉(zhuǎn)變、熱處理工藝參數(shù)的確定。三、教學(xué)方法與手段課堂講解、多媒體演示、實(shí)驗(yàn)。四、教學(xué)內(nèi)容與步驟（10課時(shí)）第五章鋼的熱處理第一節(jié)概述鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，通過改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)而獲得所需性能的工藝方法。鋼的熱處理工藝都包括加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，溫度和時(shí)間是決定熱處理工藝的主要因素，因此熱處理工藝可以用溫度——時(shí)間曲線來表示，該曲線稱為鋼的熱處理工藝曲線。圖5.1熱處理工藝曲線熱處理工藝區(qū)別于其它加工工藝（如鑄造、鍛造、焊接等）的特征是不改變工件的形狀，只改變材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。熱處理工藝只適用于固態(tài)下能發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的材料，無固態(tài)相變的材料則不能用熱處理來進(jìn)行強(qiáng)化。根據(jù)加熱、冷卻方式的不同以及鋼的組織和性能的變化特征不同，可將熱處理工藝進(jìn)行如下分類：

按照熱處理工藝在零件生產(chǎn)過程中的位置和作用不同，又可以將熱處理工藝分為預(yù)備熱處理和最終熱處理兩類。預(yù)備熱處理是指為后續(xù)加工（如切削加工、沖壓加工、冷拔加工等）或熱處理作準(zhǔn)備的熱處理工藝；最終熱處理是指使工件獲得所需性能的熱處理工藝。實(shí)際熱處理時(shí)，加熱和冷卻相變都是在不完全平衡的條件下進(jìn)行的，相變溫度與Fe-Fe3C相圖中的相變點(diǎn)之間存在一定差異。由Fe-Fe3C相圖可知，鋼在平衡條件下的固態(tài)相變點(diǎn)分別為A1、A3和Acm。在實(shí)際加熱和冷卻條件下，鋼發(fā)生固態(tài)相變時(shí)都有不同程度的過熱度或過冷度。因此，為與平衡條件下的相變點(diǎn)相區(qū)別，而將在加熱時(shí)實(shí)際的相變點(diǎn)分別稱為Ac1、Ac3、Accm，在冷卻時(shí)實(shí)際的相變點(diǎn)分別稱為Ar1、Ar3、Arcm。

圖5.2鋼在實(shí)際加熱和冷卻時(shí)的相變點(diǎn)第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、奧氏體的形成過程將共析鋼加熱至Ac1溫度時(shí)，便會(huì)發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程也是一個(gè)形核和和長大的過程，一般可分為四個(gè)階段。

圖5.3共析鋼中奧氏體的形成過程示意圖1．奧氏體晶核的形成奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的兩相界面上形成，這是因?yàn)橄嘟缑嫣幊煞植痪鶆颍优帕胁灰?guī)則，晶格畸變大，能為產(chǎn)生奧氏體晶核提供成分和結(jié)構(gòu)兩方面的有利條件。2.奧氏體晶核的長大奧氏體晶核形成后，依靠鐵素體的晶格改組和滲碳體的不斷溶解，奧氏體晶核不斷向鐵素體和滲碳體二個(gè)方向長大。與此同時(shí)，新的奧氏體晶核也不斷形成并隨之長大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。3．殘余滲碳體的溶解在奧氏體的形成過程中，當(dāng)鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，仍有部分滲碳體尚未溶解（稱為殘余滲碳體），隨著保溫時(shí)間的延長，殘余滲碳體將不斷溶入奧氏體中，直至完全消失。4．奧氏體成分均勻化當(dāng)殘余滲碳體溶解后，奧氏體中的碳成分仍是不均勻的，在原滲碳體處的碳濃度比原鐵素體處的要高。只有經(jīng)過一定時(shí)間的保溫，通過碳原子的擴(kuò)散，才能使奧氏體中的碳成分均勻一致。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程與共析鋼基本相同，不同的是亞共析鋼的平衡組織中除了珠光體外還有先析出的鐵素體，過共析鋼中除了珠光體外還有先析出的滲碳體。若加熱至Ac1溫度，只能使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，得到奧氏體+鐵素體或奧氏體+二次滲碳體組織，稱為不完全奧氏體化。只有繼續(xù)加熱至Ac3或Accm溫度以上，才能得到單相奧氏體組織，即完全奧氏體化。二、奧氏體晶粒的大小及其影響因素奧氏體晶粒的大小對(duì)鋼冷卻后的組織和性能有很大影響。鋼在加熱時(shí)獲得的奧氏體晶粒大小，直接影響到冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小(如圖5.4所示)和力學(xué)性能。加熱時(shí)獲得的奧氏體晶粒細(xì)小，則冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也細(xì)小，其強(qiáng)度、塑性和韌性較好；反之，粗大的奧氏體晶粒冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也粗大，其強(qiáng)度、塑性較差，特別是沖擊韌度顯著降低。1．奧氏體的晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。奧氏體晶粒的大小用奧氏體晶粒度來表示生產(chǎn)中常采用標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖，由比較的方法來測定鋼的奧氏體晶粒大小。國家標(biāo)準(zhǔn)GB6394-86《金屬平均晶粒度測定法》將奧氏體標(biāo)準(zhǔn)晶粒度分為00，0，1，2，……，10等十二個(gè)等級(jí)，其中常用的為1～8級(jí)。1～4級(jí)為粗晶粒，5～8級(jí)為細(xì)晶粒。2．影響奧氏體晶粒大小的因素（1）加熱溫度和保溫時(shí)間奧氏體剛形成時(shí)晶粒是細(xì)小的，但隨著溫度的升高，奧氏體晶粒將逐漸長大，溫度越高，晶粒長大越明顯；在一定溫度下，保溫時(shí)間越長，奧氏體晶粒就越粗大。（2）鋼的成分隨著奧氏體中碳含量的增加，晶粒的長大傾向也增加；若碳以未溶碳化物的形式存在時(shí)，則有阻礙晶粒長大的作用。第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)加熱、保溫后能獲得細(xì)小的、成分均勻的奧氏體，然后以不同的方式和速度進(jìn)行冷卻，以得到不同的產(chǎn)物。在鋼的熱處理工藝中，奧氏體化后的冷卻方式通常有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。圖5.6兩種冷卻方式示意圖一、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能1．珠光體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在A1～550℃溫度范圍等溫時(shí)，將發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度較高，原子具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀組織，即珠光體型組織。等溫溫度越低，鐵素體層和滲碳體層越薄，層間距(一層鐵素體和一層滲碳體的厚度之和)越小，硬度越高。為區(qū)別起見，這些層間距不同的珠光體型組織分別稱為珠光體、索氏體和托氏體，用符號(hào)P、S、T表示。

圖5.7珠光體型組織（500×）2．貝氏體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在550℃～Ms溫度范圍等溫時(shí)，將發(fā)生貝氏體型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為由含碳過飽和的鐵素體和彌散分布的滲碳體組成的組織，稱為貝氏體，用符號(hào)B來表示。由于等溫溫度不同，貝氏體的形態(tài)也不同，分為上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）。上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀，強(qiáng)度較低，塑性和韌性較差。上貝氏體(upperbainite)的顯微組織如圖5.8所示，在光學(xué)顯微鏡下，鐵素體呈暗黑色，滲碳體呈亮白色。下貝氏體(lowerbainite)組織形態(tài)呈黑色針狀，強(qiáng)度較高，塑性和韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能。

圖5.8上貝氏體組織（500×）

圖5.9下貝氏體組織（500×）3．馬氏體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在Ms溫度以下將產(chǎn)生馬氏體型轉(zhuǎn)變。馬氏體是碳在α-Fe中溶解而形成的過飽和固溶體，用符號(hào)M表示。馬氏體具有體心正方晶格，當(dāng)發(fā)生馬氏體型轉(zhuǎn)變時(shí)，過冷奧氏體中的碳全部保留在馬氏體中，形成過飽和的固溶體，產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變。（1）馬氏體的組織形態(tài)馬氏體的組織形態(tài)因其成分和形成條件而異，通常分為板條馬氏體和針片狀馬氏體兩種基本類型。圖5.10板條馬氏體組織（500×）

圖5.11針片狀馬氏體組織（500×）（2）馬氏體的力學(xué)性能馬氏體具有高的硬度和強(qiáng)度，這是馬氏體的主要性能特點(diǎn)。馬氏體的硬度主要取決于含碳量，如圖5.12所示，而塑性和韌性主要取決于組織。板條馬氏體具有較高硬度、較高強(qiáng)度與較好塑性和韌性相配合的良好的綜合力學(xué)性能。針片狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，但脆性較大，塑性和韌性較差。（3）馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變也是一個(gè)形核和長大的過程，但有著許多獨(dú)特的特點(diǎn)。①馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。②馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。③馬氏體轉(zhuǎn)變是快速轉(zhuǎn)變。④馬氏體轉(zhuǎn)變具有不完全性。二、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線1．過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線是表示過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量之間的關(guān)系曲線。因其形狀與字母“C”的形狀相似，所以又稱為“C曲線”，也稱為“TTT”曲線。圖5.13共析鋼過冷奧氏體等