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1、 山 東 勝 利 職 業(yè) 學(xué) 院 機(jī) 械 基 礎(chǔ) 張 立 勇 第 一 章 金 屬 材 料 基 本 知 識(shí) 1.1 金 屬 材 料 的 性 能n 材 料 的 性 能 ：n 使 用 性 能 ： 機(jī) 械 性 能 、 物 理 性 能 、 化 學(xué) 性 能 。n 工 藝 性 能 ： 切 削 加 工 性 能 、 鑄 造 性 能 、 焊 接 性 能 、 鍛 造 性 能 、 熱 處 理 性 能 . n 機(jī) 械 性 能 : 如 強(qiáng) 度 、 硬 度 、 塑 性 、 韌 性 、 疲 勞 強(qiáng) 度n 物 理 性 能 : 如 密 度 、 熔 點(diǎn) 、 熱 膨 脹 性 、 導(dǎo) 熱 性 、 導(dǎo) 電 性n 化 學(xué) 性 能 : 如

2、抗 腐 蝕 性 、 抗 氧 化 性n 實(shí) 踐 證 明 ， 大 部 分 的 機(jī) 械 零 件 在 使 用 過(guò) 程 中 ， 用 于 傳 遞 動(dòng) 力 和 運(yùn) 動(dòng) ， 因 此 在設(shè) 計(jì) 、 制 造 和 選 材 時(shí) ， 以 機(jī) 械 性 能 為 主 要 依 據(jù) 。 一 、 強(qiáng) 度 ： 材 料 在 外 力 作 用 下 抵 抗 塑 性 變 形 和 斷 裂 的 能 力 。 由 于 材 料 承 受 外 力 形 式 不 同 ， 又 分 為 抗 拉 、 抗 壓 、 抗 扭 、 抗 彎 、 抗 剪 等 幾 種強(qiáng) 度 . 抗 拉 強(qiáng) 度 是 由 拉 伸 試 驗(yàn) 測(cè) 定 的 。 金 屬 材 料 通 過(guò) 拉 伸 實(shí) 驗(yàn) 即 可

3、 求 得 材 料 的 比 例極 限 （ p） 屈 服 強(qiáng) 度 （ s） 、 和 抗 拉 強(qiáng) 度 （ b） 。1、 彈 性 極 限 (比 例 極 限 )： 材 料 不 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 時(shí) 所 能 承 受 的 的最 大 應(yīng) 力 。2、 屈 服 強(qiáng) 度 s： 材 料 開(kāi) 始 產(chǎn) 生 明 顯 塑 性 變 形 時(shí) 的 最 小 應(yīng) 力 。3、 抗 拉 強(qiáng) 度 b： 材 料 斷 裂 前 所 承 受 的 最 大 應(yīng) 力 值 。 4、 條 件 屈 服 強(qiáng) 度 0.2： 高 碳 鋼 等 無(wú) 屈 服 點(diǎn) ， 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 以 殘余 變 形 量 為 0.2%時(shí) 的 應(yīng) 力 值 作 為 它 的 條 件

4、 屈 服 強(qiáng) 度 ， 以 0.2來(lái) 表 示 .注 :脆 性 材 料 沒(méi) 有 屈 服 現(xiàn) 象 . 拉 伸 實(shí) 驗(yàn) :n 1.拉 伸 試 樣 2.拉 伸 曲 線 ： LF0低 碳 鋼 拉 伸 曲 線 脆 性 材 料 拉 伸 曲 線 二 、 塑 性 ： 材 料 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 而 不 破 壞 的 能 力 。 用 延 伸 率 和 斷面 收 縮 率 來(lái) 表 示 : 1、 延 伸 率 : 100%L L-L 0 01 2、 斷 面 收 縮 率 ： 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象%100AA 0 10 A 、 值 越 大 ， 表 示 材 料 的 塑 性 越 好 。 良 好 的 塑 性 是 壓 力 加 工及 焊

5、接 等 工 藝 所 需 的 重 要 條 件 ， 也 是 機(jī) 械 零 件 在 使 用 過(guò) 程 中 安全 可 靠 的 保 證 。 三 、 硬 度 :抵 抗 更 硬 物 體 壓 入 其 表 面 產(chǎn) 生 局 部 塑 性 變 形 或 破 壞 的 能 力 , 是 衡 量 金 屬 材 料 軟 硬 程 度 的 指 標(biāo) .硬 度 的 表 示 方 法 -布 氏 硬 度 HB; 洛 氏 硬 度 ;維 氏 硬 度 .硬 度 的 測(cè) 定 方 法 -壓 入 法 : 一 定 形 狀 的 壓 頭 ， 一 定 的 靜 載 荷 ， 壓 入 工 件表 面 ， 根 據(jù) 壓 痕 的 深 度 或 直 徑 確 定 工 件 的 硬 度 值

6、。 1.布 氏 硬 度 HB:是 用 一 定 直 徑 D的 淬 火鋼 球 或 硬 質(zhì) 合 金 球 ， 在 規(guī) 定 的 試 驗(yàn) 力 F的 作 用 下 ， 壓 入 試 件 表 面 ， 并 保 持 一定 時(shí) 間 (10-15s)， 卸 除 力 F， 測(cè) 量 壓 痕直 徑 d， 以 壓 痕 單 位 面 積 上 的 壓 力 表 示材 料 的 布 氏 硬 度 值 . 在 實(shí) 際 使 用 中 ， 布 氏 硬 度 值 并 不計(jì) 算 ， 也 不 用 標(biāo) 注 單 位 ， 只 需 測(cè) 出 壓痕 直 徑 d， 即 可 從 布 氏 硬 度 表 上 查 得 。 n 壓 頭 為 淬 火 鋼 球 時(shí) ， 用 符 號(hào) HBS表

7、 示 ， 適 用 于 布 氏 硬 度 值 在 450以 下 的 材 料 。n 壓 頭 為 硬 質(zhì) 合 金 時(shí) ， 用 符 號(hào) HBW表 示 ， 適 用 于 布 氏 硬 度 在 450650的 材 料 。 n (1).標(biāo) 注 ： 符 號(hào) HBS或 HBW之 前 的 數(shù) 字 表 示 硬 度 值 ， 符 號(hào) 后 面 的 數(shù) 字 按 順 序 分別 表 示 球 體 直 徑 、 載 荷 及 載 荷 保 持 時(shí) 間 。n 如 120HBS10/1000/30表 示 直 徑 為 10mm的 淬 火 鋼 球 在 1000kgf（ 9.807kN） 載 荷作 用 下 保 持 30s測(cè) 得 的 布 氏 硬 度 值

8、為 120。 再 如 : 500HBW5/750表 示 直 徑 為 5mm的 硬 質(zhì) 合 金 鋼 球 在 750kgf（ 9.807kN） 載 荷 作 用 下 保 持 (10-15)s測(cè) 得 的 布 氏硬 度 值 為 500。n 注 : (10-15)s不 標(biāo) 注 .n (2).特 點(diǎn) ： 優(yōu) 點(diǎn) ： 測(cè) 量 誤 差 小 ， 數(shù) 據(jù) 穩(wěn) 定 。 n 缺 點(diǎn) ： 壓 痕 大 ， 不 能 用 于 太 薄 件 、 成 品 件 及 比 壓 頭 還 硬 的 材 料 。n 適 于 測(cè) 量 退 火 、 正 火 、 調(diào) 質(zhì) 鋼 、 鑄 鐵 及 有 色 金 屬 的 硬 度 。n (3).材 料 的 b與 HB之

9、 間 的 經(jīng) 驗(yàn) 關(guān) 系 ：n 對(duì) 于 低 碳 鋼 : b(MPa) 3.6HBn 對(duì) 于 高 碳 鋼 ： b(MPa) 3.4HBn 對(duì) 于 鑄 鐵 ： b(MPa) 1HB或 0.6(HB-40) h1-h0洛 氏 硬 度 測(cè) 試 示 意 圖 洛氏硬度計(jì) 2 洛 氏 硬 度 :洛 氏 硬 度 試 驗(yàn) 是 用 頂 角 120 的 金 剛 石 圓 錐 體 或 直 徑 1.588 的 淬火 鋼 球 作 壓 頭 ， 加 上 一 定 載 荷 ， 使 壓 頭 壓 入 工 件 表 面 ， 然 后 根 據(jù) 壓 痕 的 深 度 確定 其 硬 度 值 。 硬 度 值 可 直 接 從 試 驗(yàn) 機(jī) 表 盤 上 讀

10、 出 ,不 需 計(jì) 算 ,也 不 用 標(biāo) 出 單 位 . n (1)常 用 標(biāo) 尺 有 ： B、 C、 A三 種 ,即 HRA;HRB;HRC.n HRA： 硬 、 薄 試 件 .如 硬 質(zhì) 合 金 、 表 面 淬 火 層 和 滲 碳 層 。n HRB ： 輕 金 屬 、 未 淬 火 鋼 .有 色 金 屬 和 退 火 、 正 火 鋼 等 。n HRC ： 較 硬 ， 淬 硬 鋼 制 品 .如 調(diào) 質(zhì) 鋼 、 淬 火 鋼 等 。n (2)標(biāo) 注 方 法 :如 60HRC表 示 C標(biāo) 尺 測(cè) 定 的 洛 氏 硬 度 值 為 60.n (3)特 點(diǎn) :優(yōu) 點(diǎn) ： 操 作 簡(jiǎn) 便 ， 壓 痕 小 ，

11、適 用 范 圍 廣 。 n 缺 點(diǎn) ： 測(cè) 量 結(jié) 果 分 散 度 大 。 四 、 沖 擊 韌 性 : 是 指 金 屬 材 料 抵 抗 沖 擊 載 荷 作 用 而 不 破 壞 的 能 力 。 用 沖 擊 韌 度 來(lái) 衡 量 .指標(biāo) 為 沖 擊 韌 度 值 Ak.n 沖 擊 韌 度 :是 沖 斷 式 樣 時(shí) 在 缺 口 處 單 位 面 積 所 消 耗 的 功 . Ak可 直 接 從 試 驗(yàn) 機(jī) 刻 度 盤 上 讀 出 . Ak值 低 的 材 料 叫 脆 性 材 料AK值 高 的 材 料 叫 韌 性 材 料應(yīng) 用 :1、 評(píng) 定 材 料 的 低 溫 變 脆 傾 向 2、 反 映 原 材 料 的 冶

12、 金 質(zhì) 量 和熱 加 工 產(chǎn) 品 的 質(zhì) 量 及 材 料 對(duì) 于缺 口 的 敏 感 性 . 五 、 疲 勞 強(qiáng) 度 (疲 勞 極 限 ):材 料 經(jīng) 無(wú) 數(shù) 次 應(yīng) 力 循 環(huán) 而 不 發(fā) 生 疲 勞 斷 裂 的最 高 應(yīng) 力 值 。 （ 80%的 斷 裂 由 疲 勞 造 成 ） 1、 疲 勞 現(xiàn) 象 ： 承 受 交 變 應(yīng) 力 作 用 下 ， 往 往 在 遠(yuǎn) 小 于 強(qiáng) 度 極 限 ， 甚 至 小 于 屈 服 極 限 的 應(yīng) 力 下 ,經(jīng) 過(guò) 多 次 應(yīng) 力 循 環(huán) 發(fā) 生 斷 裂 。疲 勞 斷 裂 過(guò) 程 ： 裂 紋 萌 生2、 疲 勞 曲 線 與 疲 勞 極 限 。 裂 紋 擴(kuò) 展 突

13、 然 斷 裂3、 提 高 疲 勞 強(qiáng) 度 的 措 施 ：(1)避 免 尖 角 、 缺 口 和 截 面 變 化 ;(2)降 低 零 件 表 面 粗 糙 度 ; (3)采 用 各 種 表 面 強(qiáng) 化 措 施 . 思 考 題 :1.金 屬 材 料 的 性 能 一 般 分 幾 類 ? 各 包 括 哪 些 性 能 ?2.常 用 機(jī) 械 性 能 指 標(biāo) 有 幾 種 ?他 們 如 何 定 義 ? 有 何 特 點(diǎn) ?有 何 區(qū) 別 ? 第 二 節(jié) 金 屬 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 和 結(jié) 晶 不 同 牌 號(hào) 的 鋼 材 ， 具 有 不 同 的 機(jī) 械 性 能 ， 例 如 45鋼 的 強(qiáng) 度 、 硬 度 值 比 20

14、鋼 高 ， 但 韌 性 、 塑 性 值 不 如 20鋼 。 即 使 同 一 牌 號(hào) 的 鋼 材 ， 在 不 同 狀 態(tài) 下 機(jī) 械性 能 也 不 同 ,如 一 塊 含 碳 量 為 0.8%的 T8鋼 ， 從 鋼 廠 出 廠 時(shí) 硬 度 約 為 20HRC， 而加 工 成 工 具 并 進(jìn) 行 熱 處 理 后 ， 其 硬 度 可 達(dá) 60HRC以 上 。 這 是 由 于 鋼 材 內(nèi) 部 具有 不 同 的 組 織 結(jié) 構(gòu) 或 在 熱 處 理 過(guò) 程 中 使 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 了 轉(zhuǎn) 變 。 一 、 金 屬 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 自 然 界 中 的 固 態(tài) 物 質(zhì) ， 根 據(jù) 其 原 子 排 列

15、特 征 ， 可 分 為 兩 大 類 : 晶 體 :原 子 有 序 地 按 一 定 形 式 和 規(guī) 則 排 列 的 物 質(zhì) 稱 為 晶 體 .如 金 剛 石 、 石 墨 、 金 屬 及 合 金 等 。 非 晶 體 :原 子 是 雜 亂 無(wú) 序 排 列 的 物 質(zhì) 稱 為 非 晶 體 .如 普 通 玻 璃 、 松 香 等 。 注 :在 一 定 條 件 下 晶 體 和 非 晶 體 可 互 相 轉(zhuǎn) 化 。 晶 格 ： 用 于 描 述 原 子 在 晶 體 中 排 列 形 式 的 幾 何 空 間 格 架 。晶 胞 ： 能 代 表 晶 格 原 子 排 列 規(guī) 律 的 最 小 幾 何 單 元 . 金 屬 中

16、常 見(jiàn) 的 晶 格 :1.體 心 立 方 晶 格 :它 的 晶 胞 是 一 個(gè)立 方 體 ， 在 立 方 體 的 八 個(gè) 頂 角 和 立 方體 的 中 心 ， 各 排 列 一 個(gè) 原 子 .常 見(jiàn) 金 屬 ： -Fe、 Cr、 W、 Mo、 V、 Nb等 . 2.面 心 立 方 晶 格 :它 的 晶 胞 也 是一 個(gè) 立 方 體 ， 在 立 方 體 八 個(gè) 頂 角 和六 個(gè) 面 的 中 心 各 排 列 一 個(gè) 原 子 . 常 見(jiàn) 金 屬 ： -Fe、 Ni、 Al、 Cu、Pb等 3.密 排 六 方 晶 格 :它 的 晶 胞 是 一個(gè) 六 方 柱 體 ， 在 柱 體 的 每 個(gè) 頂 角上 ，

17、以 及 上 、 下 底 面 的 中 心 各 排列 一 個(gè) 原 子 ， 在 晶 胞 中 間 還 排 列有 三 個(gè) 原 子 . 常 見(jiàn) 金 屬 ： Mg、 Zn、 Be等 . 二 、 金 屬 的 結(jié) 晶 過(guò) 程金 屬 由 液 體 轉(zhuǎn) 變 成 為 晶 體 的 過(guò) 程 稱 為 結(jié) 晶 。1.冷 卻 曲 線 :金 屬 結(jié) 晶 時(shí) 溫 度 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 曲 線 稱 冷卻 曲 線 。(1)結(jié) 晶 階 段 : a、 b二 點(diǎn) 之 間 .(2)理 論 結(jié) 晶 溫 度 T0:。 水 平 線 段 .(曲 線 結(jié) 晶 時(shí) 放 出結(jié) 晶 潛 熱 引 起 的 。 )(3)過(guò) 冷 :金 屬 的 實(shí) 際 結(jié) 晶 溫

18、 度 （ T1） 總 是 要 低 于 理論 結(jié) 晶 溫 度 （ T0） ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 過(guò) 冷 .(4)過(guò) 冷 度 :理 論 結(jié) 晶 溫 度 與 實(shí) 際 結(jié) 晶 溫 度 之 差 （ T0 T1） 稱 為 過(guò) 冷 度 ， 用 T表 示 . 注 :過(guò) 冷 度 不 是 一 個(gè) 恒 定 值 ， 它 與 冷 卻 速 度 有 關(guān) 。 冷 卻 速 度 愈 大 ， 過(guò) 冷 度 也 愈 大 ， 則 金 屬 的 實(shí) 際 結(jié) 晶溫 度 也 愈 低 。 實(shí) 際 金 屬 總 是 在 過(guò) 冷 情 況 下 進(jìn) 行 結(jié) 晶 ,所 以 過(guò) 冷是 金 屬 結(jié) 晶 的 一 個(gè) 必 要 條 件 . 圖 1-5 金 屬 的

19、 冷 卻 曲 線 2.金 屬 結(jié) 晶 的 基 本 過(guò) 程 ： 結(jié) 晶 過(guò) 程 由 晶 核 的 形 成 和 晶 核 的 長(zhǎng) 大 兩 個(gè) 基本 過(guò) 程 組 成 。 (1)晶 核 :液 態(tài) 金 屬 中 存 在 著 原 子 排 列 規(guī) 則 的 小 原 子 團(tuán) ， 它 們 時(shí) 聚 時(shí) 散 ，稱 為 晶 核 。 在 T0以 下 ， 經(jīng) 一 段 時(shí) 間 后 （ 即 孕 育 期 ） ， 一 些 大 尺 寸 的 晶 坯將 會(huì) 長(zhǎng) 大 ， 稱 為 晶 核 。 晶 核 形 成 后 便 向 各 方 向 生 長(zhǎng) ， 同 時(shí) ， 又 有 新 的 晶 核 產(chǎn) 生 。 晶 核 不 斷形 成 ， 不 斷 長(zhǎng) 大 ， 直 到 液

20、 體 完 全 消 失 。 每 個(gè) 晶 核 最 終 長(zhǎng) 成 一 個(gè) 晶 粒 ， 兩晶 粒 接 觸 后 形 成 晶 界 。 (2)晶 粒 :構(gòu) 成 晶 體 的 外 形 不 規(guī) 則 的 小 晶 體 。 而 晶 粒 是 由 一 個(gè) 晶 核 成 長(zhǎng)形 成 的 。(3)單 晶 體 :如 果 金 屬 冷 卻 結(jié) 晶 后 的 金 屬 晶 體 只 是 由 一 個(gè) 晶 粒 組 成 稱 為單 晶 體 。(4)多 晶 體 :普 通 的 金 屬 都 是 由 許 多 晶 粒 組 成 的 。(5)晶 界 :晶 粒 與 晶 粒 之 間 的 分 界 面 叫 做 晶 界 。 3.晶 體 中 的 缺 陷 :原 子 排 列 的 不

21、規(guī) 則 性 的 部 分 。 理 想 晶 體 :晶 體 中 原 子 完 全 為 規(guī) 則 排 列 .否 則 ,為 實(shí) 際 晶 體 . (1)點(diǎn) 缺 陷 空 位 和 間 隙 原 子 空 位 :晶 格 結(jié) 點(diǎn) 處 無(wú) 原 子 間 隙 原 子 :原 子 占 據(jù) 晶 格 間 隙 注 :點(diǎn) 缺 陷 破 壞 了 原 子 的 平 衡 狀 態(tài) ， 使 晶 格 發(fā) 生 扭 曲 ， 稱 晶 格 畸 變 。 從 而 強(qiáng) 度 、 硬 度 提 高 ， 塑 性 、 韌 性 下 降 。 空位間隙原子 (2)線 缺 陷 (位 錯(cuò) )： 有 一 列 或 若 干 列 原 子 發(fā) 生 了 有 規(guī) 律 地 錯(cuò) 排 現(xiàn) 象 。有 刃 型

22、位 錯(cuò) 和 螺 型 位 錯(cuò) 兩 種 類 型 。刃 型 位 錯(cuò) ： 當(dāng) 一 個(gè) 完 整 晶 體 某 晶 面 以 上 的 某 處 多 出 半 個(gè) 原 子 面 ， 該 晶 面 象 刀 刃一 樣 切 入 晶 體 ， 這 個(gè) 多 余 原 子 面 的 邊 緣 就 是 刃 型 位 錯(cuò) .位 錯(cuò) 對(duì) 性 能 的 影 響 ： 金 屬 的 塑 性 變 形 主 要 由 位 錯(cuò) 運(yùn) 動(dòng) 引 起 ， 因 此 提 高 位 錯(cuò) 密 度是 強(qiáng) 化 金 屬 的 主 要 途 徑 。 刃 型 位 錯(cuò) 螺 型 位 錯(cuò) (3)面 缺 陷 :一 維 尺 度 很 小 ， 而 二 維 尺 度 較 大 的 原 子 錯(cuò) 排 區(qū) 域 。分 為 晶

23、 界 、 亞 晶 界 等 。晶 界 :是 不 同 位 向 晶 粒 的 過(guò) 度 部 位 . 亞 晶 界 :亞 晶 粒 之 間 的 交 界 面 ,也 可 看 作 位 錯(cuò) 壁 。晶 粒 越 細(xì) 小 ， 金 屬 的 強(qiáng) 度 硬 度 越 高 。 4.細(xì) 化 晶 粒 的 方 法 晶 粒 的 粗 細(xì) 對(duì) 金 屬 的 機(jī) 械 性 能 影 響 很 大 ， 一 般 地 說(shuō) ， 細(xì) 晶 粒 金 屬的 強(qiáng) 度 高 ， 塑 性 、 韌 性 好 。 這 是 因 為 晶 粒 愈 細(xì) ， 晶 界 越 多 ， 雜 質(zhì) 越 分散 ， 它 們 對(duì) 機(jī) 械 性 能 的 危 害 也 就 越 小 ， 再 者 晶 粒 越 細(xì) ， 晶 粒

24、數(shù) 目 就 越多 ， 晶 粒 與 晶 粒 之 間 犬 牙 相 錯(cuò) 的 機(jī) 會(huì) 愈 多 ， 彼 此 互 相 緊 固 ， 增 加 了 強(qiáng)度 ， 提 高 了 韌 性 。 所 以 生 產(chǎn) 中 ， 控 制 晶 粒 的 粗 細(xì) 就 成 為 改 善 金 屬 性 能的 主 要 措 施 之 一 。（ 1） 提 高 過(guò) 冷 度 :當(dāng) 過(guò) 冷 度 增 大 時(shí) ，生 核 率 可 大 大 增 加 ， 而 長(zhǎng) 大 速 度 增 加 較 少 ，因 而 使 晶 粒 細(xì) 化 。 （ 2） 變 質(zhì) 處 理 又 稱 孕 育 處 理 :有 意 向 液 態(tài) 金 屬 內(nèi) 加 入 非 均 勻 形 核 物 質(zhì)從 而 細(xì) 化 晶 粒 的 方 法

25、 。 所 加 入 的 非 均 勻 形 核 物 質(zhì) 叫 質(zhì) 劑 （ 或 稱 孕 育 劑 ).（ 3） 振 動(dòng) ， 攪 拌 等 :對(duì) 正 在 結(jié) 晶 的 金 屬 進(jìn) 行 振 動(dòng) (機(jī) 械 振 動(dòng) 、 超 聲 波 振 動(dòng) 、電 磁 振 動(dòng) )或 攪 動(dòng) ， 一 方 面 可 靠 外 部 輸 入 的 能 量 來(lái) 促 進(jìn) 形 核 ， 另 一 方 面 也 可 使成 長(zhǎng) 中 的 枝 晶 破 碎 ， 使 晶 核 數(shù) 目 顯 著 增 加 。 4.金 屬 的 同 素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 :金 屬 在 固 態(tài) 下 ， 隨 著 溫 度 的 改 變 ， 由 一 種 晶 格轉(zhuǎn) 變 為 另 一 種 晶 格 ， 稱 為 同 素 異

26、 晶 轉(zhuǎn) 變 （ 亦 稱 同 素 異 構(gòu) 轉(zhuǎn) 變 ） 。自 然 界 中 大 多 數(shù) 金 屬 ， 結(jié) 晶 后 晶 格 類 型 保 持 不 變 ， 只 有 少 數(shù) 金 屬 （ 如 鐵 、 錫 、鈦 、 錳 等 ） 結(jié) 晶 后 ， 在 不 同 溫 度 下 有 不 同 的 晶 格 類 型 。 由 圖 可 知 ， 液 態(tài) 純 鐵 在 1538 進(jìn)行 結(jié) 晶 ， 得 到 具 有 體 心 立 方 晶 格 的 -Fe， 繼 續(xù) 冷 卻 到 1394 ， 發(fā) 生 同素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 ， 轉(zhuǎn) 變 為 面 心 立 方 晶 格 的 -Fe， 繼 續(xù) 冷 卻 到 912 時(shí) ， 又 發(fā) 生同 素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 ，

27、轉(zhuǎn) 變 為 體 心 立 方 晶 格的 -Fe， 如 再 繼 續(xù) 冷 卻 時(shí) ， 晶 格 類 型 不 再 發(fā) 生 變 化 . . 三 、 合 金 的 相 結(jié) 構(gòu)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 熔 合 在一 起 ， 所 得 到 的 具 有 金 屬 特 性 的 物 質(zhì) 。組 元 : 組 成 合 金 最 基 本 的 、 獨(dú) 立 的 物 質(zhì) 稱 為 組 元 .組 元 可 以 是 元 素 或 化 合物 ( 例 如 鋼 是 由 鐵 和 碳 兩 種 元 素 組 成 的 合 金 ， 鐵 和 碳 就 是 組 元 .有).相 : 在 合

28、 金 體 系 中 ， 具 有 相 同 的 物 理 和 化 學(xué) 性 能 ， 并 與 該 體 系 中 其 它 部 分有 明 顯 界 面 的 部 分 稱 為 相 。 (在 結(jié) 晶 過(guò) 程 中 ， 固 態(tài) 和 液 態(tài) 為 兩 個(gè) 不 同 的 相 ) 1.固 溶 體 :合 金 在 固 態(tài) 下 ， 一 種 組 元 溶 解 到 另 一 種 組 元 中 形 成 一 種 均勻 的 固 相 稱 為 固 溶 體 . 溶 劑 ： 保 留 晶 格 形 式 的 組 元 . 溶 質(zhì) : 晶 格 類 型 消 失 的 組 元 . 根 據(jù) 溶 質(zhì) 原 子 在 溶 劑 晶 格 中 所 處 的 位 置 不 同 。 固 溶 體 可 分

29、 為 二 類 ：間 隙 固 溶 體 和 置 換 固 溶 體 。 （ 1） 間 隙 固 溶 體 :只 有 溶 質(zhì) 原 子 直 徑 很 小 。溶 劑 原 子 間 的 間 隙 較 大 的 條 件 下 ， 才 能 形成 間 隙 固 溶 體 。 如 C、 N、 B等 非 金 屬 元 素 ， 溶 入 鐵 中 ， 形 成 的 固 溶 體 即 屬 于 這 種 類 型 。間 隙 固 溶 體 所 溶 解 的 溶 質(zhì) 數(shù) 量 是 有 限 的 。 置 換 固 溶 體 ： 兩 種 組 元 的 原 子 直 徑 相 差不 大 ， 在 形 成 固 溶 體 時(shí) ， 溶 劑 晶 格 上 的 部分 原 子 ， 被 溶 質(zhì) 原 子

30、所 置 換 。 固 溶 強(qiáng) 化 ： 無(wú) 論 是 間 隙 固 溶 體 還 是 置 換 固 溶 體 ， 都 因 溶 質(zhì) 原 子 的 加 入 ，使 溶 劑 晶 格 發(fā) 生 歪 扭 和 畸 變 ， 使 合 金 的 變 形 抗 力 增 加 ， 從 而 提 高 了 合 金 的強(qiáng) 度 和 硬 度 。 這 種 因 形 成 固 溶 體 而 使 合 金 的 強(qiáng) 度 和 硬 度 提 高 的 現(xiàn) 象 稱 為 固溶 強(qiáng) 化 . 在 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 ， 廣 泛 利 用 固 溶 強(qiáng) 化 提 高 金 屬 材 料 的 機(jī) 械 性 能 . 2.金 屬 化 合 物 ：例 如 鐵 和 碳 組 成 的 滲 碳 體 就 是 一 種

31、金 屬 化 合 物 。 鐵 碳 合 金 中 的 Fe3CFe3C的 晶 格 3、 機(jī) 械 混 合 物 ： 純 金 屬 、 固 溶 體 、 金 屬 化 合 物 都 是 組 成 合 金 的 基 本 相 。 機(jī) 械 混 合 物 就是 兩 種 以 上 的 相 混 合 而 成 的 。 機(jī) 械 混 合 物 中 各 相 仍 保 持 各 自 的 晶 格 類 型 和性 能 ， 因 而 機(jī) 械 混 合 物 的 性 能 取 決 于 各 相 的 性 能 、 數(shù) 量 、 形 態(tài) 、 大 小 和 分布 情 況 。 思 考 題 ：1.什 么 叫 過(guò) 冷 度 ？ 液 態(tài) 金 屬 發(fā) 生 結(jié) 晶 的 必 要 條 件 是 什 么

32、 ？怎 樣 獲 得 細(xì) 晶 粒 ？2.什 么 是 晶 體 、 晶 胞 、 晶 粒 、 晶 界 、 固 溶 體 、 化 合 物 、機(jī) 械 混 合 物 、 固 溶 強(qiáng) 化 ？ 第 三 節(jié) 鐵 碳 合 金 狀 態(tài) 圖 鐵 碳 合 金 相 圖 (狀 態(tài) 圖 ):是 研 究 鐵 碳 合 金 最 基 本 工 具 ， 是 研 究碳 鋼 和 鑄 鐵 的 成 分 、 溫 度 、 組 織 及 性 能 之 間 關(guān) 系 的 理 論 基 礎(chǔ) ， 是制 定 熱 加 工 、 熱 處 理 、 冶 煉 和 鑄 造 等 工 藝 的 依 據(jù) . 鐵 素 體鐵 素 體 因 此 , 奧 氏體奧 氏 體 . 5、 萊 氏 體 ： 奧 氏

33、 體 與 滲 碳 體 組 成 的 機(jī) 械 混 合 物 ， 稱 為萊 氏 體 ， 用 Ld表 示 . 萊 氏 體 是 含 碳 量 為 4.3%的 鐵 碳 合 金 ， 在 1148 時(shí) ，從 液 體 中 同 時(shí) 結(jié) 晶 出 奧 氏 體 和 滲 碳 體 后 形 成 的 混 合 物 。由 于 奧 氏 體 在 727 時(shí) 轉(zhuǎn) 變 為 珠 光 體 ， 所 以 在 室 溫 時(shí) ，萊 氏 體 由 珠 光 體 和 滲 碳 體 組 成 。 為 區(qū) 別 起 見(jiàn) ， 將 727以 上 的 萊 氏 體 稱 為 高 溫 萊 氏 體 (A+ ； 在 727 以 下的 萊 氏 體 ， 稱 為 低 溫 萊 氏 體 (P(F+

34、。 萊 氏 體的 性 能 和 滲 碳 體 相 似 ， 硬 度 很 高 （ HBW700） ， 塑 性 很差 。 萊 氏 體珠 光 體 二 、 鐵 碳 合 金 狀 態(tài) 圖 :鐵 碳 合 金 狀 態(tài) 圖 是 表 示 鋼 鐵 材 料的 成 分 、 溫 度 與 組 織 之 間 的 關(guān) 系 及 其 變 化 規(guī) 律 的 圖 形 。 它 是研 究 鋼 鐵 材 料 的 重 要 理 論 基 礎(chǔ) ， 是 制 定 熱 加 工 及 熱 處 理 工 藝的 重 要 依 據(jù) 。 含 碳 量 高 的 鐵 碳 合 金 強(qiáng) 度 低 ， 脆 性 很 大 ， 加 工困 難 ， 沒(méi) 有 實(shí) 用 價(jià) 值 ， 因 此 現(xiàn) 在 的 鐵 碳

35、合 金 狀 態(tài) 圖 。 只 研 究Fe-Fe3C部 分 ， 實(shí) 際 上 是 Fe-Fe3C狀 態(tài) 圖 .圖 中 縱 坐 標(biāo) 軸 表 示溫 度 ， 橫 坐 標(biāo) 軸 表 示 含 碳 量 的 質(zhì) 量 百 分 數(shù) ， 由 左 向 右 表 明 含碳 量 由 0增 加 到 6.69%。 1、 Fe-Fe3C狀 態(tài) 圖 的 主 要 點(diǎn) 、 線 ： 表 示PSK 共 析 線 .共 析抗 拉 強(qiáng) 度 ： 750900MPa, 180280HBS,伸 長(zhǎng) 率 ： 2025%.GS 冷 卻 時(shí) ， 從 奧 氏 體 中 析 出 鐵 素 體 的 開(kāi) 始線 ,ES 碳 在 奧 氏 體 中 的 溶 解 度 曲 線 ， 又

36、稱 Ac m線 。 析 出 網(wǎng) 狀 二 次 滲 碳 體 （ Fe3C ） PQ 碳 在 -Fe中 的 最 大 溶 解 度 曲 線 。 析 出 三次 滲 碳 體 （ Fe3C ） %69.6%3.4 %3.4 %3.4%11.2 %11.2%77.0 %77.0 %77.0 CC CCC C過(guò) 共 晶 白 口 鐵共 晶 白 口 鐵亞 共 晶 白 口 鐵白 口 鐵過(guò) 共 析 鋼共 析 鋼亞 共 析 鋼鋼鐵 碳 合 金2、 鐵 碳 合 金 典 型 成 分 結(jié) 晶 過(guò) 程 分 析 ： 鐵 碳 合 金 狀 態(tài) 圖 上 的 各 種 成 分 合 金 （ 除 工 業(yè) 純 鐵 外 ） ， 按 其 含碳 量 和

37、組 織 不 同 ， 分 為 兩 大 類 ， 即 ： 工 業(yè) 純 鐵 （ C%0.0218%） L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII相 組 成 物 ： F+Fe3C C%0.0008% ; F C%L+A-A-A+P-P相 組 分 ： F和 Fe3C 組 織 組 分 :P 含 0.45%C鋼 的 組 織含 0.20%C鋼 的 組 織 含 0.60%C鋼 的 組 織 (3)過(guò) 共 析 鋼L-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CII相 組 成 物 ： F， Fe3C組 織 組 成 物 ： P， Fe3CII 含 1.4%C鋼 的組 織 (4)共 晶 白 口 鐵 白 口 生 鐵 中 的 共

38、 晶 （ C=4.3%） 、 亞 共 晶 （ C4.3%） L-Ld (A+Fe3C共 晶 )-Ld(A+Fe3C共 晶 +Fe3CII)-L d(P+Fe3CII+Fe3C) 室 溫 下 的 相 組 成 物 ： F， Fe3C.室 溫 下 的 組 織 組 成 物 ： Ld 共 晶 白 口 鐵 金 相 (5)亞 共 晶 白 口 鑄 鐵 2.11%C%4.3% 組 織 組 成 物 ： P+L d+Fe3CII 相 組 成 物 ： F+Fe3C 亞 共 晶 白 口 鐵 金 相 (6)過(guò) 共 晶 白 口 鑄 鐵組 織 組 成 物 ： L d+Fe3C ;相 組 成 物 ： F+Fe3C 過(guò) 共 晶

39、白 口 鐵 金 相 小 結(jié) ：標(biāo) 注 組 織 的 鐵 碳 相 圖 3、 鐵 碳 合 金 中 含 碳 量 、 組 織 、 性 能 之 間 的 關(guān) 系 ： 0.9%， 隨 著 含 碳 量 的 升 高 ， 強(qiáng) 度 下 降 , 但 硬 度 仍 上 升 ， 塑 性 、韌 性 繼 續(xù) 下 降 。 (2)隨 含 碳 量 增 加 ， 組 織 中 Fe3C不 僅 數(shù) 量 增 加 ， 而 且 形 態(tài) 也 在 變 化 ， 由 分布 在 F 基 體 內(nèi) (片 狀 Fe3C)變 為 分 布 在 A晶 界 上 (網(wǎng) 狀 Fe3C )， 最 后 形 成 萊氏 體 時(shí) ， Fe3C已 作 為 基 體 出 現(xiàn) 。 第 四 節(jié)

40、鋼 的 熱 處 理 概 述 鑄 造 軋 制 一 、 鋼 在 加 熱 和 冷 卻 時(shí) 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 1、 鋼 在 加 熱 時(shí) 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 ： 加 熱 是 熱 處 理 的 第 一 道 工 序 。 目 的 是 獲 得 均 勻 的 奧 氏 體 組 織 。 鋼 的 臨 界 溫 度 （ 相 變 點(diǎn) ） 鐵 碳 相 圖 中 PSK、 GS、ES線 分 別 用 A1、 A3、 Acm表 示 。 由 于 實(shí) 際 加 熱 或 冷 卻 時(shí) 存 在 過(guò) 冷 或 過(guò) 熱 現(xiàn) 象 ，因 此 ， 將 鋼 加 熱 時(shí) 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 變 溫 度 分 別 用 Ac1、Ac3、 Accm表 示 ， 冷 卻 時(shí) 的

41、實(shí) 際 轉(zhuǎn) 變 溫 度 分 別 用Ar1、 Ar3、 Arcm表 示 . 鋼 的 奧 氏 體 化 :加 熱 到 相 變 點(diǎn) 以 上 ,獲 得 奧 氏 體 組 織 的 過(guò) 程 .鋼 的 奧 氏 體 化 現(xiàn) 以 共 析 鋼 為 例 說(shuō) 明 ） ： 1） .奧 氏 體 晶 核 形 成 和 長(zhǎng) 大 ： 首 先 在 F與 Fe3C相 界 形 核 。 A 晶 核 通 過(guò) 鐵 、 碳 原子 的 擴(kuò) 散 ， F的 晶 格 改 組 和 Fe3C的 溶 解 。 (2)奧 氏 體 晶 粒 大 小 及 控 制 1)奧 氏 體 晶 粒 度 :將 鋼 加 熱 到 相 變 點(diǎn) 以 上 某 一 溫 度 并 保 溫 給 定 時(shí)

42、間 所 得 的 奧 氏 體 化 晶 粒 的 大 小 。 2)奧 氏 體 晶 粒 長(zhǎng) 大起 始 晶 粒 度 ： 奧 氏 體 化 剛 結(jié) 束 時(shí) 的 晶 粒 度 .實(shí) 際 晶 粒 度 ： 在 給 定 溫 度 下 奧 氏 體 的 晶 粒 度 。本 質(zhì) 晶 粒 度 ： 加 熱 時(shí) 奧 氏 體 晶 粒 的 長(zhǎng) 大 傾 向 。 通 常 將 鋼 加 熱 到 94010 奧 氏 體 化 后 ， 設(shè) 法把 奧 氏 2.鋼 在 冷 卻 時(shí) 的 組 織 轉(zhuǎn) 變處 于 臨 界 點(diǎn) A1以 下 的 奧 氏 體 稱 過(guò) 冷 奧 氏 體 。 過(guò) 冷 奧 氏 體 是非 穩(wěn) 定 組 織 ， 遲 早 要 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 變 。 珠

43、光 體 索 氏 體 托 氏 體 光 鏡 下 形 貌 電 鏡 下 形貌光 鏡 形 貌 電 鏡 形 貌 電 鏡 形 貌 光 鏡 形 貌片 間 距 越 小 ， 鋼 的 強(qiáng) 度 、 硬 度 越 高 ， 而 塑 性 和 韌性 略 有 改 善 上貝氏體下貝氏體 光 鏡 下電 鏡 下 光 鏡 下電 鏡 下 光 鏡 下電 鏡 下 電 鏡 下電 鏡 下光 鏡 下 當(dāng) 含 碳 量 大 于 0.6%時(shí) ， 其 硬 度 趨 于 平 緩 。合 金 元 素 對(duì) 馬 氏 體 硬 度 的 影 響 不 大 。 二 .鋼 的 熱 處 理 工 藝退 火 與 正 火 工 藝 主 要 用 于 預(yù) 備 熱 處 理 ， 只 有 當(dāng) 工 件

44、 性 能 要 求 不 高 時(shí) 才 作 為最 終 熱 處 理 。 主 要 用 于 亞 共 析 成 分 的 碳 鋼 和 合 金 鋼 。 加 熱 溫 度 ： Ac3+30 50 。 組 織 ： F+P 目 的 ： 細(xì) 化 晶 粒 、 消 除 內(nèi) 應(yīng) 力 、 降 低 硬 度 ， 為 隨 后 的 切 削 加 工 和 淬 火作 好 準(zhǔn) 備 。 主 要 用 于 共 析 和 過(guò) 共 析 成 分 的 碳 鋼 和 合 金 鋼 。加 熱 溫 度 Ac1+ 30-50目 的 ： 降 低 硬 度 ， 改 善 切 削 加 工 性 ， 為 淬 火 作 好 準(zhǔn) 備 。 改 善 低 碳 鋼 和 低 碳 合 金 鋼 的 切 削

45、加 工 性 能 ： 160 230HBS 正 火 溫 度 淬 火 是 應(yīng) 用 最 廣 的 熱 處 理 工 藝 之 一 。淬 火 的 目 的 ： 獲 得 馬 氏 體 組 織 ， 為 回 火 作 準(zhǔn) 備常 用 淬 火 介 質(zhì) 是 水 和 油 。 水 的 冷 卻 能 力 強(qiáng) ， 但 低 溫 卻 能 力 太大 ， 只 用 于 形 狀 簡(jiǎn) 單 的 碳 鋼 件 。 真 空 淬 火 爐 未 經(jīng) 淬 火 的 鋼 回 火 無(wú) 意 義 ， 而 淬 火 鋼 不 回火 在 放 置 或 使 用 過(guò) 程 中 易 變 形 或 開(kāi) 裂 。 鋼 經(jīng) 淬火 后 應(yīng) 立 即 進(jìn) 行 回 火 。 井 式 回 火 爐 低 溫 回 火

46、的 目 的 :是 在 保 留 淬 火 后 高 硬 度 、高 耐 磨 性 的 同 時(shí) ， 降 低 內(nèi) 應(yīng) 力 ， 提 高 韌 性 。主 要 用 于 處 理 各 種 工 具 、 模 具 、 軸 承 及 經(jīng)滲 碳 和 表 面 淬 火 的 工 件 ?；?火 屈 氏 體 ， 用 T回 表 示 。主 要 用 于 各 類 彈 簧 的 熱 處 理 。 回 火 屈 氏 體 回 火 索 氏 體 ， 用 S回 表 示 。 回 火 索 氏 體 （ 2） 工 件 表 面 的 吸 收 ： 活 性 原 子 向 固 溶 體 溶 解 或 與 鋼 中 某 些 元 素 形 成 化 合 物（ 3） 原 子 向 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 井 式 氣 體 滲 碳 爐