金属学基础

第 一 章 金 属 学 基 础1.1 金 属 的 力 学 性 能1.2 金 属 的 物 理 性 能1.3 金 属 的 晶 体 结 构1.4 金 属 的 结 晶1.5 合 金 的 结 构 与 结 晶1.6 铁 碳 合 金 相 图1.7 金 属 受 力 时 结 构 和 性 能 的 变 化 第 一 节 金 属 的 力 学 性 能 通 常 机 械 零 件 或 工 程 结 构 在 工 作 中 都 要 受 到外 力 的 作 用 ， 金 属 在 外 力 作 用 下 所 表 现 的 性能 叫 做 力 学 性 能 。 常 用 力 学 性 能 指 标 有 硬 度 、 强 度 、 塑 性 和 韧性 等 。 一 、 硬 度 硬 度 是 表 示 固 体 材 料 表 面 抵 抗 局 部 变 形 ， 特 别是 塑 性 变 形 、 压 痕 或 划 痕 的 能 力 ， 是 衡 量 金属 软 硬 的 力 学 性 能 指 标 。 常 用 测 定 硬 度 的 方 法 1.布 氏 硬 度 230HBS10/3000/30 2.洛 氏 硬 度 50HRC 3.维 氏 硬 度 480HV 显 微 硬 度 计 二 、 强 度 和 塑 性 1.强 度 强 度 是 金 属 材 料 在 外 力 作 用 下 抵 抗 永 久 变 形 和断 裂 的 能 力 。 材 料 的 强 度 指 标 ： s(0.2) ;b 试 验 方 法 为 拉 伸 试 验 法圆 形 拉 伸 试 样 低 碳 钢 力 -伸 长 曲 线 图 (ss、 sb 、 d、 y )O F DlFe FpFs Fb线 弹 性 阶 段屈 服 阶 段强 化 阶 段 颈 缩 阶 段 屈 服 点 ： 0ss AFs 0bb AFs抗 拉 强 度 ：%1000 01 l lld伸 长 率 ： %1000 10 A AAy断 面收 缩 率：拉 伸 试 验 2.塑 性 塑 性 是 金 属 在 外 力 作 用 下 ， 断 裂 前 发 生 不可 逆 永 久 变 形 的 能 力 。 试 验 方 法 为 拉 伸 试 验 金 属 材 料 的 塑 性 指 标 ： ； 三 、 韧 性 又 称 韧 度 ， 是 指 金 属 在 断 裂 前 吸 收 变 形 能 量 的 能力 。 韧 性 通 常 通 过 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 测 定 。 Ak;k 韧 性 材 料 :断 裂 前 发 生 明 显 塑 性 变 形 的 材 料 ； 脆性 材 料 ： 断 裂 前 断 口 不 发 生 明 显 塑 性 变 形 的 材 料 对 同 一 材 料 ， 随 试 验 温 度 降 低 ， 韧 性 断 裂 可 以 转变 为 脆 性 断 裂 ， 即 材 料 由 韧 性 材 料 变 为 脆 性 材 料， 这 种 现 象 称 为 韧 脆 性 转 移 。 韧 脆 转 移 的 温 度 称为 韧 脆 转 变 温 度 （ 金 属 材 料 的 最 低 工 作 温 度 ） 。 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 机 课 堂 练 习 1.常 用 的 力 学 性 能 指 标 有 哪 些 ， 各 是 怎 样 定 义 的 ？ 2.测 硬 度 的 方 法 有 哪 些 ？ 3.材 料 的 强 度 及 塑 性 指 标 有 哪 些 ？ 第 二 节 金 属 的 物 理 性 能 一 、 密 度 定 义 ： 单 位 体 积 物 质 的 质 量 。 用 符 号 表 示 ， 单位 为 g/cm3 或 kg/m3 。 计 算 公 式 为 =m/V m-物 质 的 质 量 （ g， kg） ； V-物 质 的 体 积 （ cm3 ， m3 ） 。 重 金 属 5g/cm3， 铁 、 铜 、 铅 。 轻 金 属 5g/cm3， 如 铝 、 镁 、 钛 。 二 、 熔 点 定 义 ： 指 金 属 由 固 态 熔 化 为 液 态 的 温 度 。单 位 ： ， K 纯 金 属 熔 点 固 定 不 变 ； 合 金 熔 点 是 将 合 金 加 热 到 最 初 微 量 液 体 出现 时 的 温 度 作 为 熔 点 。 易 熔 金 属 熔 点 低 于 700 ， 如 锡 、 铅 。 难 熔 金 属 熔 点 高 于 700 ， 如 钨 、 钼 。 三 、 热 膨 胀 性 热 膨 胀 性 是 指 固 态 金 属 在 温 度 变 化 时 热 胀冷 缩 的 能 力 ， 在 工 程 上 常 用 线 膨 胀 系 数 来表 示 ， 符 号 为 1， 单 位 为 1/ 物 理 意 义 ： 温 度 从 T0到 T1每 升 高 1度 时 物 体单 位 长 度 的 变 化 率 。 线 膨 胀 系 数 大 ， 引 发 的 焊 接 应 力 与 变 形 就大 四 、 导 热 性 导 热 性 是 指 在 物 体 内 部 或 互 相 接 触 的 物 体 之 间存 在 温 度 差 时 ， 热 量 从 高 温 到 低 温 的 移 动 能 力， 用 热 导 率 表 示 。 单 位 为 W/(m. ) 或 W/(m. K) 五 、 导 电 性 导 电 性 ： 金 属 传 导 电 流 的 能 力 。 常 用 导 电 率 表示 ， 符 号 为 ， 单 位 为 s/m 金 属 导 电 能 力 大 小 的 顺 序 与 热 导 率 基 本 相 同 第 三 节 金 属 的 晶 体 结 构一 、 晶 体 与 非 晶 体晶 体 的 特 点 是 ： 原 子 在 三 维 空 间 呈 有 规 则 地 周 期 性 重 复 排 列 。 具 有 一 定 的 熔 点 ， 绝 大 多 数 固 体 金 属 属 于 晶 体 ： 如铁 的 熔 点 为 1538 ， 铜 的 熔 点 为 1083 。 晶 体 的 性 能 随 着 原 子 的 排 列 方 位 而 改 变 ， 即 单 晶 体具 有 各 向 异 性 。 非 晶 体 的 特 点 是 ： 原 子 在 三 维 空 间 呈 不 规 则 的 排 列 。 没 有 固 定 熔 点 ， 随 着 温 度 的 升 高 将 逐 渐 变 软 ， 最 终变 为 有 明 显 流 动 性 的 液 体 。 如 塑 料 、 玻 璃 、 沥 青 等 。 各 个 方 向 上 的 原 子 密 集 程 度 大 致 相 同 ， 即 具 有 各 向同 性 。 1-3 金 属 的 晶 体 结 构 二 、 晶 格 与 晶 胞1、 晶 格将 每 个 原 子 视 为 一 个 几 何 质 点 ， 并 用 一 些 假 想 的 几 何 线 条 将各 质 点 连 接 起 来 ， 便 形 成 一 个 空 间 几 何 格 架 。 这 种 抽 象 的 用于 描 述 原 子 在 晶 体 中 排 列 方 式 的 空 间 几 何 格 架 称 为 晶 格 。 2、 晶 胞由 于 晶 体 中 原 子 作 周 期 性 规 则 排 列 ， 因 此 可 以 在 晶 格 内 取一 个 能 代 表 晶 格 特 征 的 ， 且 由 最 少 数 原 子 排 列 成 的 最 小 结 构单 元 来 表 示 晶 格 ， 称 为 晶 胞 。 3、 晶 面 、 晶 向 和 晶 格 常 数 =90 三 、 常 见 的 金 属 晶 体 结 构 类 型属 于 体 心 立 方 晶 格 类 型 的 金 属 有 -铁 （ 912 以 下 的 纯 铁 ） 、 铬、 钼 、 钨 、 钒 。 较 高 的 强 度 和 较 好 的 塑 性 。1. 体 心 立 方 晶 格 2. 面 心 立 方 晶 格属 于 面 心 立 方 晶 格 类 型 的 金 属 有 -Fe（ 1394 912 的 纯铁 ） 、 铜 、 铝 、 镍 等 。 很 好 的 塑 性 。 3. 密 排 六 方 晶 格 铍 、 镁 、 锌 、 镉 等 。 四 、 金 属 的 实 际 晶 体 结 构 与 晶 体 缺 陷 单 晶 体 与 多 晶 体单 晶 体 ： 晶 体 内 部 原 子 排 列 得 非 常 整 齐 ， 晶 格 位 向 完全 一 致 ， 且 无 任 何 缺 陷 存 在 。 多 晶 体 ： 由 许 多 位 向 不 同 的 晶 粒 组 成 ， 且 其 内 部 还 存在 着 多 种 晶 体 缺 陷 。 金 属 的 晶 体 缺 陷 、 点 缺 陷 ： 空 位 和 间 隙 原 子 、 线 缺 陷 ： 位 错 、 面 缺 陷 ： 晶 界 和 亚 晶 界 二 、 晶 体 缺 陷1、 点 缺 陷 v 点 缺 陷 的 存 在 使 金 属 能 够 比 较 容 易 的 发生 扩 散 现 象 2. 线 缺 陷 -位 错 位 错 的 存 在 使 金 属 能 够 比 较 容 易 发 生 塑 性 变 形 。 3. 面 缺 陷 面 缺 陷 的 存 在 使 金 属 的 强 度 提 高 五 、 金 属 的 同 素 异 构 转 变 定 义 ： 某 些 金 属 在 不 同 的 温 度 （ 或 压 力 下） 具 有 不 同 的 晶 体 结 构 的 现 象 ， 称 为 同 素异 构 转 变 或 同 素 异 晶 性 。 纯 铁 的 同 素 异 构 转 变 过 程 ： -Fe（ 体 心 ） 912 -Fe（ 面 心 ） 1394 -Fe（ 体 心 ） 课 堂 练 习 1、 常 见 的 金 属 晶 体 结 构 类 型 有 哪 些 ?画 出其 晶 胞 图 ， 并 举 例 。 2、 金 属 的 晶 体 缺 陷 有 那 些 ？ 3、 名 词 解 释 ： 晶 格 ； 晶 胞 ； 同 素 异 构 转 变 4、 纯 铁 的 同 素 异 构 转 变 过 程 ？ 第 四 节 金 属 的 结 晶 凝 固 与 结 晶一 、 纯 金 属 的 结 晶 条 件二 、 金 属 的 结 晶 过 程三 、 晶 核 形 成 与 晶 粒 长 大四 、 晶 粒 大 小 及 控 制五 、 铸 件 组 织 结 构小 结 晶 体液 体 结 晶凝 固 ： 物 质 由 液 态 冷 却 转 变 为 固 态 的 过 程结 晶 :如 果 凝 固 的 固 态 物 质 是 原 子 （ 或 分 子 ） 作 有 规 则 排 列 的 晶体 ， 则 这 种 凝 固 又 称 为 结 晶 。 结 晶 潜 热 结 晶 过 程 实 际 上 是 原 子 由 一 个 高 能 量 级 向一 个 较 低 能 量 级 转 变 的 过 程 ， 所 以 结 晶 过程 中 会 放 出 一 定 的 热 量 ， 称 为 结 晶 潜 热 。 结 晶 潜 热 使 正 在 结 晶 的 金 属 处 于 一 种 动 态的 热 平 衡 ， 所 以 纯 金 属 结 晶 是 在 恒 温 下 进行 的 。 冷 却 曲 线 上 有 一 段 水 平 线 ， 是 说 明在 这 一 时 间 段 中 温 度 是 恒 定 的 tTT0Tn 理 论 结 晶 温 度实 际 结 晶 温 度DT 过 冷 度DT= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度一 .纯金属的结晶条件 纯 金 属 的 冷 却 曲 线纯 金 属 的 结 晶 是 在 一 定 的 温 度 下 进 行 的 冷 却 速 度 越 大 ， 则 过 冷 度 越 大 。 二 .金 属 的 结 晶 过 程液 态 金 属 形 核 晶 核 长 大 完 全 结 晶形 核 和 晶 核 长 大 的 过 程晶 核 不 断 地 形 成 及 长 大 ， 直 到 液 态 金 属 已 全 部 耗 尽 ，结 晶 过 程 也 就 完 成 了 三 、 晶 核 形 成 与 晶 粒 长 大1 两 种 形 核 方 式 均 质 形 核在 均 匀 的 液 体 金 属 内 部 ， 由 少 量 能 量 较 高 的 液态 原 子 聚 集 形 成 结 晶 核 心 的 过 程 。 形 核 所 需 过冷 度 很 大 。非 均 质 形 核 晶 核 依 附 于 容 器 表 面 或 外来 杂 质 上 生 成 的 形 核 过 程 。 形 核 所 需 的 过 冷度 小 。 晶 核 长 大 规 律2两 种 长 大 方 式 平 面 生 长 与 树 枝 状 生 长平 面 生 长 ： 晶 体 界 面始 终 保 持 规 则 的 外 形 树 枝状 生长 树 枝 状 晶 体 生 长 示 意 图 四 、 晶 粒 大 小 及 控 制 金 属 晶 粒 尺 寸 的 大 小 对 金 属 的 力 学 性 能 影响 很 大 。 在 室 温 下 ， 细 晶 粒 的 金 属 具 有 较高 的 强 度 和 韧 性 （ 细 晶 强 化 ） 。 细 化 晶 粒 的 方 法 ： 控 制 形 核 率 与 晶 粒 长 大 速度 之 间 的 关 系 （ 1） 增 大 液 体 金 属 的 过 冷 度 （ 2） 变 质 处 理 （ 3） 附 加 振 动 冷 却 速 度 对 金 属 晶 粒 度 的 影 响冷 速 大冷 速 小铸 造 生 产 中 的 具 体 措 施 ： 降 低 浇 注 温 度 、 使 用 金 属 铸 型 或 水 冷提 高 冷 却 速 度 可 有 效 地 提 高 过 冷 度 ， 增 加 形 核 率 （ 2） 变 质 处 理 在 液 体 金 属 中 加 入 变 质 剂 (孕 育 剂 )， 以 细 化晶 粒 和 改 善 组 织 的 工 艺 措 施 。变 质 剂 的 作 用 ： 作 为 非 均 质 形 核的 核 心 ， 或 阻 碍 晶 粒 长 大 。 变 质 处 理 （ 孕 育 处 理 ） ：加 入 人工 晶 核 晶 粒细 化 （ 3） 振 动 结 晶机 械 振 动 、 超 声 振 动 ， 或 电 磁搅 拌 等 。振 动 的 作 用 ： 使 树 枝 晶 破 碎 ， 晶 核 数 增 加 ， 晶 粒 细 化 。 五 铸 锭 的 结 晶 结 构表面细晶粒层中间柱状晶粒层中心等轴晶粒层 v名 词 解 释 ： 过 冷 度 ， 自 发 形 核 ， 非 自 发 形 核 变 质 处 理v2、 冷 却 速 度 越 大 ， 则 过 冷 度 （ ） 。v3、 细 化 晶 粒 的 方 法 有 那 些 ？ 纯 金 属 虽 然 具 有 好 的 导 电 性 、 导 热 性 ， 在工 业 中 获 得 了 一 定 的 应 用 ， 但 力 学 性 能 较低 ， 价 格 较 高 ， 且 种 类 有 限 ； 合 金 具 有 很多 优 于 纯 金 属 的 特 性 ： 较 高 的 强 度 、 硬 度、 耐 磨 性 ， 优 异 的 物 理 和 化 学 性 能 。 种 类繁 多 ， 并 且 容 易 冶 炼 ， 价 格 便 宜 。 工 业 生 产 上 应 用 的 金 属 材 料 大 都 是 合 金 ，尤 其 是 铁 碳 合 金 。第 五 节 合 金 的 晶 体 结 构 与 结 晶 一 、 合 金 的 基 本 概 念 1、 合 金 ： 合 金 是 指 由 两 种 或 两 种 以 上 的 金 属 元 素 或 金 属 与 非金 属 元 素 经 过 熔 炼 、 烧 结 或 其 他 方 法 行 成 的 具 有 金 属 特 性 的 物质 。2、 组 元 ： 组 成 合 金 的 最 基 本 而 独 立 的 物 质 称 为 组 元 ， 简 称 元 。元 素 或 化 合 物 ；3、 合 金 系 ： 给 定 组 元 按 不 同 比 例 可 以 配 制 一 系 列 不 同 成 分 的 合金 ， 构 成 一 个 合 金 系 。4、 相 ： 相 是 指 在 合 金 中 具 有 相 同 的 化 学 成 分 、 结 晶 结 构 的 均 匀部 分 。 5、 组 织 ： 泛 指 用 金 相 观 察 方 法 看 到 的 金 属 或 合 金 中 不 同 形 状、 大 小 、 数 量 和 分 布 的 一 种 或 多 种 “ 相 ” 构 成 的 综 合 体 。合 金 的 性 能 决 定 于 组 织 ， 而 组 织 又 取 决 于 合 金 中 各 个 相 的 成 分、 类 型 和 性 质 。 固 态 合 金 中 的 相 ， 按 其 组 元 原 子 的 存 在 方 式 可 分 为 固 溶 体 和 金属 间 化 合 物 两 大 基 本 类 型 一 ） 固 溶 体 1 定 义 ： 一 种 由 基 体 金 属 在 固 态 下 溶 有 其 它 元 素 的 原 子 而 组 成的 相 ， 叫 固 溶 体 ， 固 溶 体 仍 保 持 溶 剂 金 属 的 晶 格 类 型 。 溶 剂 、溶 质 2 分 类 ： 根 据 固 溶 体 中 合 金 组 元 的 溶 解 度 不 同 ， 可 分 为 有 限 固 溶 体 和 无限 固 溶 体 根 据 固 溶 体 晶 格 中 溶 质 原 子 在 溶 剂 晶 格 中 占 据 的 位 置 不 同 ， 分为 置 换 固 溶 体 和 间 隙 固 溶 体 。二 、 固 态 合 金 的 相 结 构 （ 1） 置 换 式 固 溶 体置 换 式 固 溶 体 示 意 图 溶 质 原 子 代 替 部 分 溶 剂 原 子占 据 晶 格 中 的 节 点 位 置 而 形成 的 固 溶 体形 成 置 换 固 溶 体 的 条 件 ： 两 组 元 化 学 性 质 相 近 ； 原 子 半 径差 别 较 小 a b （ 2） 间 隙 式 固 溶 体 碳 溶 于 -Fe的 间 隙 式 固 溶 体溶 质 原 子 插 入 溶 剂 晶 格 的 间 隙 而 形 成 的 固 溶 体 。形 成 条 件 ： r溶 质 /r溶 剂 0.59； 间 隙 式 固 溶 体 都 是 有 限 固 溶 体 固 溶 体 晶 格 畸 变 示 意 图形 成 固 溶 体 时 由 于 晶 格 畸 变 （ 晶 格 歪 扭 ） 使合 金 强 度 和 硬 度 升 高 的 现 象 -固 溶 强 化固 溶 强 化 是 提 高 金 属 强 度 的 重 要 途 径 之 一 二 ） 金 属 间 化 合 物 图 1-28 金 属 间 化 合 物 晶 格 示 意 图a)VC的 间 隙 相 结 构 b)Fe 3C的 斜 方 晶 格 结 构 金 属 间 化 合 物 是 合 金 组 元 之 间 相 互 发 生 作 用 而 形 成 具 有 金 属 特性 的 一 种 新 相 。 晶 体 结 构 复 杂 ， 熔 点 、 硬 度 高 ， 脆 性 大 。沉 淀 强 化 （ 弥 散 强 化 ） ： 细 小 的 金 属 间 化 合 物 从 过 饱 和 的 固 溶 体中 析 出 而 沉 淀 在 固 溶 体 基 体 上 所 产 生 的 强 化 三 合 金 的 结 晶 特 点 与 纯 金 属 相 似 ： 也 是 在 过 冷 条 件 下 ， 经 过 形 核 与 晶 核长 大 两 个 过 程 。 不 同 ：（ 1） 合 金 的 结 晶 过 程 是 在 一 定 的 温 度 范 围 内 进 行 ；（ 2） 结 晶 的 固 态 金 属 与 液 态 金 属 成 分 不 同 ， 且 两 者 的成 分 都 随 温 度 而 改 变 ， 最 后 通 过 原 子 扩 散 而 达 到 均 匀化 。（ 3） 合 金 结 晶 后 是 双 相 或 多 相 组 织 课 堂 练 习 1、 合 金 是 指 由 两 种 或 两 种 以 上 的 （ ）或 （ ） 经 过 熔 炼 、 烧 结 或 其 他 方 法 行 成的 具 有 金 属 特 性 的 物 质 。 2、 根 据 构 成 合 金 各 组 元 之 间 相 互 作 用 的 不同 ， 固 态 合 金 的 相 结 构 可 分 为 （ ） 和 （ ） 两 大 类 。 3、 名 词 解 释 ： 相 ； 组 织 第 六 节 铁 碳 合 金 相 图 教 学 目 的 与 要 求 掌 握 Fe-C合 金 的 基 本 相 、 组 织 以 及 它 们 的 性 能 特 点 。 掌 握 Fe-Fe 3C相 图 特 征 点 、 线 的 含 义 及 区 域 组 织 分 析 。 熟 悉 典 型 铁 碳 合 金 结 晶 过 程 及 Fe- Fe3C相 图 的 应 用 复 习 提 问 5 金 属 间 化 物 ：1 组 元组 成 合 金 最 基 本 而 独 立 的 物 质 。2 相 ： 合 金 中 具 有 相 同 的 化 学 成 分 和 结 晶 结 构 的 均 匀 部 分 。3 组 织 ：金 属 或 合 金 中 不 同 形 状 、 大 小 、 数 量 、 和 分 布 的 “ 相 ” 的 综 合 体。 4 固 溶 体由 基 本 金 属 在 固 态 下 溶 有 其 它 元 素 原 子 而 组 成 的 相 。 固 溶 体 仍保 持 溶 剂 金 属 的 晶 格 类 型金 属 间 化 合 物 是 合 金 组 元 之 间 相 互 发 生 作 用 而 形 成 具 有 金 属 特 性 的 一 种 新 相 。 什 么 是 铁 碳 相 图 相 图 ： 表 示 合 金 系 统 中 ， 合 金 的 状 态 、 温度 、 成 分 之 间 关 系 的 图 解 。 铁 碳 合 金 相 图 是 研 究 钢 铁 材 料 的 成 分 、 相和 组 织 的 变 化 规 律 以 及 与 性 能 之 间 关 系 的重 要 工 具 。 铁 碳 合 金 相 图 如 图 所 示 。 A F完 整 的 Fe- Fe3C相 图 (相 ) 简 化 的 Fe- Fe3C相 图 （ 组 织 ） 一 、 铁 碳 全 合 金 的 基 本 相 及 其 性 能 1、 液 相 。 铁 碳 合 金 在 熔 化 温 度 以 上 形 成 的 均 匀 液 体 称 为液 相 ， 用 符 号 L表 示 。2、 铁 素 体 。 碳 在 -Fe中 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 铁 素 体（ 简 称 固 溶 体 ） ， 用 符 号 F或 表 示 。 晶 体 结 构 呈 体 心立 方 晶 格 。 碳 在 -Fe中 的 溶 解 度 很 低 ， 随 着 温 度 的 升 高略 有 增 加 （ 在 600 时 溶 解 度 仅 有 0.008%， 在 727 时 最 大溶 解 度 为 0.0218% 。 铁 素 体 的 机 械 性 能 与 纯 铁 相 近 ， 其强 度 、 硬 度 较 低 ， 但 具 有 良 好 的 塑 性 、 韧 性 。 铁 素 体 的 显 微 组 织 奥 氏 体 的 显 微 组 织铁 素 体（ F） 晶 格 奥 氏 体（ A） 晶 格 3、 奥 氏 体 。 碳 溶 于 -Fe中 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 奥 氏 体（ 简 称 固 溶 体 ） ， 用 符 号 A或 表 示 ， 面 心 立 方 晶 格 。 碳 在 727 时 能 溶 0.77%， 在 1148 时 的 最 大 溶 解 度 达 2.11%， A存 在 于727 以 上 的 高 温 区 间 ， 具 有 一 定 的 强 度 和 硬 度 ， 以 及 很 好 的塑 性 ， 是 绝 大 多 数 钢 在 高 温 进 行 锻 造 或 轧 制 时 所 要 求 的 组 织 。 4、 渗 碳 体 。 渗 碳 体 是 一 种 具 有 复 杂 晶 体 结 构 的 金 属 间 化 合物 ， 它 的 分 子 式 为 Fe3C， 渗 碳 体 既 是 组 元 ， 又 是 基 本 相 。 硬度 很 高 近 800HBW， 脆 性 很 大 ， 塑 性 几 乎 为 零 。两 相 的 机 械 混 合 物 （ 组 织 ）5、 珠 光 体 。 用 符 号 P表 示 ，它 是 铁 素 体 与 渗 碳 体 薄 层 片相 间 的 机 械 混 合 物 。6、 莱 氏 体 。 用 符 号 Ld表 示 ，奥 氏 体 和 渗 碳 体 所 组 成 的共 晶 体 。 渗 碳 体 的 晶 体 结 构 二 、 Fe- Fe3C相 图 分 析 （ 组 织 ） 图 1-30 Fe- Fe3C相 图 1、 Fe-Fe3C相 图 主 要 相 区（ 1） 单 相 区 ： 简 化 的 Fe- Fe3C相 图 中 有 L、 Fe3C、 A和 F 四 个 单 相 区 。（ 2） 两 相 区 ： 简 化 的 Fe- Fe3C相 图 中 有 五 个 两 相 区 ， 即 L+A、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F和 F+ Fe3C两 相 区 。 每 个 两 相 区 都 与 相 应 两 个 单 相 区 相 邻 。 （ 3） 两 条 三 相 共 存 线 ： 共 晶 线 ECF： L、 A和 Fe 3C三 相 共 存 ； 共 析 线 PSK： A、 F和 Fe3C三 相 共 存 。 ECF线 发 生 共 晶 转 变 ， 温 度 为 1148 ， 转 变 产 物 为 奥 氏 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 ， 称 为 莱 氏 体 ， 用 符 号 ,“ Ld” 表 示 。 L4.3= A2.11+Fe3C（ Ld） PSK线 发 生 共 析 转 变 ， 温 度 为 727 ， 转 变 产 物为 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 ， 称 为 珠 光 体 ， 以 符号 “ P”表 示 。 A0.77= F0.0218+ Fe3C(P) 2 二 条 重 要 水 平 线 3 三 条 重 要 固 态 转 变 线 : GS线 （ A3 ） ： 冷 却 时 不 同 成 分 的 A开 始 析 出铁 素 体 F的 温 度 线 ， 也 是 加 热 时 F转 变 为 A的 温 度线 。 同 素 异 构 转 变 线 。 ES线 （ Acm） ： 碳 在 A中 的 溶 解 度 线 。 PQ线 ： 碳 在 F中 的 溶 解 度 线 。 4 主 要 特 性 点 点 的 符 号 温 度 含 碳 量 % 说 明 A 1538 0.00 纯 铁 的 熔 点 B 1495 0.53 包 晶 反 应 时 液 态 合 金 的 浓 度 C 1148 4.30 共 晶 点 ， LcA+Fe3C D 1227 6.69 渗 碳 体 熔 点 E 1148 2.11 碳 在 -Fe 中 的 最 大 溶 解 度 F 1148 6.69 渗 碳 体 G 912 0.00 -Fe-Fe 同 素 异 构 转 变 点 H 1495 0.09 碳 在 d-Fe 中 的 最 大 溶 解 度 K 727 6.69 渗 碳 体 P 727 0.0218 碳 在 -Fe 中 的 最 大 溶 解 度 S 727 0.77 共 析 点 三 、 典 型 合 金 的 结 晶 过 程 及 组 织 根 据 铁 碳 合 金 的 含 碳 量 及 组 织 的 不 同 ， 可 将 铁 碳 合 金 分 为 ：1） 工 业 纯 铁 wc 0.0218%。2） 钢 0.0218% wc 2.11%， 又 可 分 为 ： 亚 共 析 钢 0.0218% wc 0.77%； 共 析 钢 wc=0.77%； 过 共 析 钢 0.77% wc 2.11%。3） 白 口 铸 铁 2.11% wc 6.69%， 又 可 分 为 以 下 三 种 ： 亚 共 晶 白 口 铸 铁 2.11% wc 4.3% 共 晶 白 口 铸 铁 wc=4.3% 过 共 晶 白 口 铸 铁 4.3% wc 6.69% 6个 典 型 成 分 的 Fe-C合 金图 1-31 典 型 铁 碳 合 金 结 晶 过 程 分 析 1、 共 析 钢 的 结 晶 过 程 分 析共 析 钢 结 晶 过 程 示 意 图共 析 钢 的 显 微 组 织 （ P）1以 上 1 2 2 3 3以 下 2、 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程 分 析 图 1-34 亚 共 析 钢 结 晶 过 程 示 意 图图 1-35 亚 共 析 钢 的显 微 组 织1以 上 1 2 2 3 3 4 4以 下 3、 过 共 析 钢 的 结 晶 过 程 分 析 图 1-36 过 共 析 钢 结 晶 过 程 示 意 图图 1-37 过 共析 钢 的 显 微组 织1以 上 1 2 2 3 3 4 4以 下 4、 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 分 析 图 1-38 共 晶 白 口 铸 铁 结 晶 过 程 示 意 图图 1-39共 晶 白口 铸 铁 的 显 微组 织1以 上 1 1 2 2以 下 5、 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 分 析 图 1-41亚 共 晶白 口 铸 铁 的 显微 组 织 图 1-40 亚 共 晶 白 口 铸 铁 结 晶 过 程 示 意 图1以 上 1 2 2 2 3 3以 下 6、 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 分 析图 1-43 过 共 晶 白 口 铸 铁 结 晶 过 程 示 意 图图 1-41过 共 晶白 口 铸 铁 的 显微 组 织1以 上 1 2 2 3以 下 四 铁 碳 合 金 的 成 分 、 组 织 、 性 能 之 间 的 关 系 1、 碳 含 量 对 铁 碳 合 金 平 衡 组 织 的 影 响 分 类 名 称 Wc(%) 平 衡 组 织 组 织 形 态 特 点亚 共 析 钢 0.0218 0.77 F+P F块 状 P层 片 状共 析 钢 0.77 P P层 片 状过 共 析 钢 0.77 2.11 P+Fe3C Fe3C 网 状 分 布 于 晶界亚 共 晶 白 口 铁 2.11 4.3 P+Fe3C + Ld Fe3C 与 Ld中 的 渗碳 体 连 在 一 起共 晶 白 口 铁 4.3 Ld Ld中 的 渗 碳 体 为 基体过 共 晶 白 口 铁 4.3 6.69 Ld+Fe 3C Fe3C 呈 板 状 图 1-45含 碳 量 对 钢 力 学 性 能 的 影 响2、 含 碳 量 对 力 学 性 能 的 影 响 3、 Fe- Fe3C相 图 在 工 业 中 的 应 用（ 1） 在 选 材 方 面 的 应 用 Fe- Fe3C相 图 反 映 了 铁 碳 合 金 组 织 和 性 能 随 成 分 的 变 化 规 律 。 这 样 ，就 可 以 根 据 零 件 的 工 作 条 件 和 性 能 要 求 来 合 理 的 选 择 材 料 。 例 如 ， 桥梁 、 船 舶 、 车 辆 及 各 种 建 筑 材 料 ， 需 要 塑 性 、 韧 性 好 的 材 料 ， 可 选 用低 碳 钢 （ wc =0.1%0.25%） ； 对 工 作 中 承 受 冲 击 载 荷 和 要 求 较 高 强 度的 各 种 机 械 零 件 ， 希 望 强 度 和 韧 性 都 比 较 好 ， 可 选 用 中 碳 钢 （ wc =0.25%0.6%） ； 制 造 各 种 切 削 工 具 、 模 具 及 量 具 时 ， 需 要 高 的 硬 度、 耐 磨 性 ， 可 选 用 高 碳 钢 （ wc =0.77%1.44%） 对 于 形 状 复 杂 的 箱 体、 机 器 底 座 等 ， 可 选 用 熔 点 低 、 流 动 性 好 的 铸 铁 材 料 。 （ 2） 在 焊 接 生 产 上 的 应 用焊 接 时 ， 由 于 局 部 区 域 （ 焊 缝 ） 被 快 速 加 热 ， 所 以 从 焊 缝 到 母 材 各区 域 的 温 度 是 不 同 的 ， 由 Fe- Fe3C相 图 可 知 ， 温 度 不 同 ， 冷 却 后 的 组 织性 能 就 不 同 ， 为 了 获 得 均 匀 一 致 的 组 织 和 性 能 ， 就 需 要 在 焊 接 后 采 用热 处 理 方 法 加 以 改 善 。（ 3） 在 热 处 理 方 面 的 应 用从 Fe- Fe3C相 图 可 知 ， 铁 碳 合 金 在 固 态 加 热 或 冷 却 过 程 中 均 有 相 的 变 化， 所 以 钢 和 铸 铁 可 以 进 行 有 相 变 的 退 火 、 正 火 、 淬 火 和 回 火 等 热 处 理。 此 外 ， 奥 氏 体 有 溶 解 碳 和 其 它 合 金 元 素 的 能 力 ， 而 且 溶 解 度 随 温 度的 提 高 而 增 加 ， 这 就 是 钢 可 以 进 行 渗 碳 和 其 它 化 学 热 处 理 的 缘 故 。 思 考 题 1、 铁 素 体 。 碳 在 （ ） 中 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 铁 素体 ， 用 符 号 （ ） 表 示 。 2、 奥 氏 体 。 碳 在 （ ） 中 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 奥 氏体 ， 用 符 号 （ ） 表 示 。 3、 珠 光 体 是 由 （ ） 和 （ ） 组 成 的 双 相 组 织 。 4、 S点 、 C点 的 意 义 ； ECF线 、 PSK(A1)线 ； GS线 （A3 ） 、 ES线 （ Acm） 的 意 义 ？ 5、 铁 碳 合 金 的 基 本 相 有 哪 些 ? 课 前 提 问 1 什 么 是 金 属 的 强 度 ？ 主 要 的 强 度 指 标 有 哪些 ？ 2 什 么 是 金 属 的 塑 性 ？ 塑 性 指 标 有 哪 些 ？ 第 七 节 金 属 受 力 时 结 构 和 性 能 的 变 化 金 属 受 力 时 都 要 产 生 变 形 ， 变 形 分 类 ： 1 弹 性 变 形 :卸 载 后 可 全 部 恢 复 的 变 形 2 塑 性 变 形 :卸 载 后 残 留 的 变 形 塑 性 是 指 金 属 能 够 产 生 塑 性 变 形 而 不 破 坏 的 能 力 ； 是金 属 材 料 的 重 要 特 性 ， 有 很 高 的 实 用 价 值 。 1 使 金 属 材 料 获 得 所 需 的 形 状 和 尺 寸 ； 2 可 以 提 高 金 属 的 强 度 ； 3 在 金 属 制 件 设 计 中 ， 通 常 限 制 在 弹 性 范 围 内 工 作， 塑 性 就 是 材 料 抵 抗 外 力 的 能 量 储 备 ， 是 产 品 的 安 全运 行 的 重 要 保 证 。 一 、 金 属 的 塑 性 变 形 经 受 塑 性 变 形 的 金 属 ， 在 组 织 、 结 构 与 性 能 上 都 会 发生 复 杂 的 变 化 。1 性 能 变 化 ： 力 学 性 能 变 化 ： 金 属 材 料 在 冷变 形 过 程 中 产 生 的 强 度 、 硬 度 逐渐 升 高 ， 塑 性 和 韧 性 逐 渐 降 低 的现 象 ， 称 为 加 工 硬 化 或 冷 作 硬 化 。它 是 提 高 某 些 金 属 材 料 强 度 的 重要 手 段 。 （ 实 例 ） 物 理 、 化 学 性 能 变 化 ： 加 工 硬化 使 金 属 的 电 阻 升 高 ， 导 电 性 、导 热 性 、 导 磁 性 及 耐 蚀 性 均 降 低 。 冷 塑 性 变 形 对 金 属 力 学 性 能 的 影 响变 形 程 度 （ %） 2 组 织 变 化 金 属 的 加 工 硬 化 现 象 ， 是 金 属 在 塑 性 变 形 中 其 内 部 的 组 织 发 生 了变 化 所 致 。 金 属 常 以 滑 移 方 式 发 生 塑 性 变 形 滑 移 是 指 晶 体 的 一 部 分 沿 一 定 的 晶 面 和 晶 向 相 对 于 另 一 部 分 发 生 相 对 移 动 的 现 象 。 滑 移 的 结 果 使 位 错 密 度 增 大 ， 晶 格 歪 扭 ， 晶 粒 破 碎 ， 增 加 了 对 滑 移 的 阻 力 ， 加 大 塑 性 变 形 抗 力 ， 使 金 属 的 塑 性 下 降 ， 强 度 、 硬 度 上 升 。 滑 移 示 意 图 二 冷 变 形 金 属 加 热 时 组 织 与 性 能 的 变 化 金 属 经 冷 变 形 后 , 组 织 处 于 不 稳 定 状 态 , 有 自 发 恢 复到 稳 定 状 态 的 倾 向 。 但 在 常 温 下 ， 原 子 扩 散 能 力 小 ,不 稳 定 状 态 可 长 时 间 维 持 。 加 热 可 使 原 子 扩 散 能 力 增加 ， 变 形 金 属 将 依 次 发 生 回 复 、 再 结 晶 和 晶 粒 长 大 。 1、 回 复 冷 变 形 金 属 在 加 热 温 度 较 低 时 ， 由 于 金 属 原 子 活动 能 力 较 小 ， 金 属 组 织 变 化 不 明 显 ， 其 强 度 、 硬度 略 有 下 降 ， 塑 性 、 韧 性 略 有 提 高 ， 残 余 应 力 下降 ， 此 变 化 过 程 称 回 复 。 工 业 上 ， 常 利 用 回 复 现 象 将 冷 变 形 金 属 低 温 加 热， 既 稳 定 组 织 又 保 留 加 工 硬 化 的 强 化 效 果 ， 且 使残 余 应 力 基 本 消 除 ， 这 种 热 处 理 方 法 称 去 应 力 退火 。 例 如 弹 簧 。 2、 再 结 晶 当 变 形 金 属 被 加 热 到 较 高 温 度时 ， 由 于 原 子 活 动 能 力 增 大 ，晶 粒 的 形 状 开 始 发 生 变 化 ， 由破 碎 拉 长 的 晶 粒 变 为 完 整 的 等轴 晶 粒 。 这 种 冷 变 形 金 属 的 组织 在 加 热 时 重 新 彻 底 改 组 的 过程 称 再 结 晶 。 （ 非 相 变 过 程 ） 再 结 晶 后 ， 金 属 的 强 度 、 硬 度下 降 ， 塑 性 、 韧 性 提 高 ， 加 工硬 化 消 失 （ 再 结 晶 软 化 )。 金属 恢 复 到 冷 变 形 之 前 的 状 态 。 再 结 晶 不 是 一 个 恒 温 过 程 ， 它 是 自 某 一 温 度 开 始 ， 在一 个 温 度 范 围 内 连 续 进 行 的 过 程 ， 发 生 再 结 晶 的 最 低温 度 称 再 结 晶 温 度 。 T再 （ 0.350.40） T熔 影 响 再 结 晶 温 度 的 因 素 为 ： 1、 金 属 的 预 先 变 形 程 度 ： 金 属 预 先 变 形 程 度 越 大 , 再 结 晶 温 度 越 低 。 2、 化 学 成 分 ： 合 金 元 素 和 杂 质 的 存 在 可 提 高 再 结 晶温 度 。 生 产 中 ， 将 冷 变 形 金 属 加 热 到 再 结 晶 温 度 以 上 （ 高 于100-200 ） ， 消 除 加 工 硬 化 ， 提 高 塑 性 的 热 处 理 称为 再 结 晶 退 火 。 3、 再 结 晶 后 的 晶 粒 长 大 再 结 晶 完 成 后 ， 若 继 续 升 高 加 热 温 度 或 延 长 保温 时 间 ， 将 发 生 晶 粒 长 大 ， 这 是 一 个 自 发 的 过程 。 晶 粒 的 长 大 是 通 过 晶 界 迁 移 进 行 的 ， 是 大 晶 粒吞 并 小 晶 粒 的 过 程 。 晶 粒 粗 大 会 使 金 属 的 强 度， 尤 其 是 塑 性 和 韧 性 降 低 。 三 金 属 的 热 加 工 与 冷 加 工 一 、 冷 加 工 与 热 加 工 的 区 别 在 金 属 学 中 ， 冷 热 加 工 的 界 限 是 以 再 结 晶 温 度 来 划分 的 。 低 于 再 结 晶 温 度 的 加 工 称 为 冷 加 工 ， 而 高 于再 结 晶 温 度 的 加 工 称 为 热 加 工 。 如 Fe 的 再 结 晶 温 度 为 451 ， 其 在 400 以 下 的 加工 仍 为 冷 加 工 。 而 Sn 的 再 结 晶 温 度 为 -71 ， 则其 在 室 温 下 的 加 工 为 热 加 工 。 热 加 工 时 产 生 的 加 工 硬 化 与 再 结 晶 产 生 的 软 化 同 时进 行 。 提 高 加 热 温 度 可 使 再 结 晶 产 生 的 软 化 占 优 势。 但 要 合 理 地 控 制 加 热 温 度 和 终 锻 温 度 。 二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 热 加 工 可 使 铸 态 金 属 与 合 金 中 的 气 孔 焊 合 ， 使 粗 大 的树 枝 晶 或 柱 状 晶 破 碎 ， 从 而 使 组 织 致 密 、 成 分 均 匀 、晶 粒 细 化 ， 力 学 性 能 提 高 。 思 考 题 1 金 属 常 以 ( )方 式 发 生 塑 性 变 形 2 金 属 材 料 在 冷 变 形 过 程 中 产 生 的 强 度 、 硬 度 逐渐 （ ） ， 塑 性 和 韧 性 逐 渐 （ ） 的 现 象 ， 称为 加 工 硬 化 或 冷 作 硬 化 。 3 判 断 ： 再 结 晶 后 ， 金 属 的 强 度 、 硬 度 下 降 ，塑 性 、 韧 性 提 高 ， 加 工 硬 化 消 失 。 （ ） 4 在 金 属 学 中 ， 冷 热 加 工 的 界 限 是 以 （ ） 来划 分 的 。