机械工程材料讲义

1、邯郸学院机械工程材料绪论 1、为什么要学习机械工程材料？工程材料是现代技术中四大支柱之一。目前，机械工业生产中应用最广的金属材料，在各种机器设备所用材料中，约占90%以上。金属材料来源丰富，具有优良的使用性能与工艺性能。高分子材料和陶瓷材料具有一些特性，如耐蚀、电绝缘性、隔音，减振，耐高温(陶瓷材料)、质轻，原料来源丰富、价廉以及成型加工容易等优点， 人类为了生存和生产，总是不断地探索、寻找制造生产工具的材料，每一新材料的发现和应用，都会促使生产力向前发展，并给人类生活带来巨大的变革，把人类社会和物质文明推向一个新的阶段。工程材料是现代技术中四大支柱之一。2、本课的学习方法本课程具有较强的理论

2、性和应用性，学习中应注重于分析、理解与运用，并注意前后知识的综合应用，为了提高分析问题，解决问题的独立工作能力，在系统的理论学习外，还要注意密切联系生产实际，重视实验环节，认真完成作业；学习本课程之前，学生应具有必要的生产实践的感性认识和专业基础知识。3、学完本课的应达到的基本要求。熟悉常用机械工程材料的成分、加工工艺、组织结构与性能间关系及其变化规律。初步掌握常用机械工程材料的性能和应用，并初步具备选用常用材料能力。初步具有正确选定一般机械零件的热处理方法及确定其工序位置能力。第一章 工程材料的主要性能金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。

3、7;1-1 材料的使用性能使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的特性。包括材料的物理性能、化学性能和力学性能。一、 材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在载荷作用下所表现出来的特性（即金属材料在载荷作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能）。它取决于材料本身的化学成分和材料的微观组织结构。常用的力学性能指标有强度、刚度、塑性、硬度、韧度等。1、 强度、刚度与塑性金属材料的强度、刚度与塑性可通过静拉伸试验（工程力学已讲过）测得，如图1-1a）所示。图1-1 力伸长曲线和拉伸式样 1-2应力应变曲线力-伸长曲线（也叫拉伸曲线）为了消除试样尺寸影响，引入应力-应变曲线，如图1

4、-2所示。应力-应变曲线的形状与力-伸长曲线相似，只是坐标和数值不同，从中，可以看出金属材料的一些力学性能。（1）强度 是指材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。强度的大小通常用应力表示，符号为，单位为MPa（兆帕）。工程上常用的强度指标有：屈服点和抗拉强度等。 屈服点s（r0.2）由曲线1-2可知：e是试样保持弹性变形的最大应力；当应力e时，产生塑性变形；当应力达s时，试样变形出现屈服。此时的应力称为材料的屈服点（s）：（MPa）式中 Fs试样屈服时所承受的载荷（N）S0试样原始横截面积（mm2）有些材料用规定残余伸长应力r来表示它的屈服点，如图1-3所示。表示此应力的符号，如：r0.2

5、表示规定残余伸长率为0.2%时的应力值（经常写成0.2）：（MPa）图1-3规定残余伸长应力示意图式中 Fr0.2残余伸长率达0.2%时的载荷（N）；S0试样原始横截面积（mm2）。 抗拉强度b试样拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号b表示： (MPa)式中 Fb试样在拉伸过程中所承受的最大载荷（N）So试样原始横截面积（mm2）在实际生产中，s是工程中塑性材料零件设计及计算的重要依据，r0.2则是不产生明显屈服现象零件的设计计算依据。有时可直接采用抗拉强度b加安全系数。在工程上，把s/b称为屈强比。屈强比一般取值在0.650.75。（2）刚度材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，它表

6、示材料产生弹性变形的难易程度。刚度的大小，通常用弹性模量E（单向拉伸或压缩时）及G（剪切或扭转时）来评价。（3）塑性塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的性能指标： 断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的百分比。用符号表示：式中 L0试样原标距长度（mm）L1试样拉断后对接的标距长度（mm）伸长率的数值和试样标距长度有关。10表示长试样的断后伸长率（通常写成），5表示短试样的断后伸长率。同种材料的5>10，所以相同符号的伸长率才能进行比较。 断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示：式中 So试

7、样原始横截面积（mm2）；S1试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm2）。断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。一般或值越大，材料塑性越好。2冲击韧度上述都是静态力学性能指标。在实际生产中，许多零件是在冲击载荷作用下工作的，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。对这类零件，不仅要满足在静载荷作用下的性能要求，还应具有足够的韧性，可防止发生突然的脆性断裂。图1-7夏比冲击试验原理图 图1-8钢的脆性转变温度1-支座；2-试样；3-指针；4-摆锤；韧性是指材料在塑性变形 和断裂过程中吸收能量的能力。材料突然脆性断裂除取决于材料的本身因素以外，还和外界条件，特别是加载速率、应力状态及

8、温度、介质的影响有很大的关系。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。冲击试验法（夏比冲击试验），如图1-7所示。摆锤一次冲断试样所消耗的能量用符号Ak表示：Ak=mgh1mgh2=mg（h1h2）Ak冲击吸收功，单位为（J），由试验机刻度盘上直接读出。材料的冲击韧度：（J/cm2）式中So试样缺口横截面积对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功Ak越大，材料的韧性越好。但由于测出的冲击吸收功Ak的组成比较复杂，所以有时测得的Ak值及计算出的冲击韧度ak不能真正反映材料的韧脆性质。冲击吸收功与温度有关，如图1-8示。冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关。所以冲击

9、吸收功一般只能作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。3疲劳强度（1）疲劳断裂某些机械零件，在工作应力低于其屈服强度甚至是弹性极限的情况下发生断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突发性的，事先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性。（2）疲劳强度图1-9疲劳曲线示意图旋转弯曲疲劳曲线如图1-9所示。由曲线可以看出，应力值越低，断裂前的循环次数越多；我们把试样承受无数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力，作为材料的疲劳强度。通常规定钢铁材料的循环基数为107；非铁金属的循环基数为108；腐蚀介质作用下的循环基数为106。一、 材料的力学性能4硬度硬度是指材料抵抗局部

10、变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬的指标。硬度值的大小不仅取决于材料的成分和组织结构，而且还取决于测定方法和试验条件。硬度试验设备简单，操作迅速方便，一般不需要破坏零件或构件，而且对于大多数金属材料，硬度与其它的力学性能（如强度、耐磨性）以及工艺性能（如切削加工性、可焊性等）之间存在着一定的对应关系。因此，在工程上，硬度被广泛地用以检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。图1-4 布氏硬度试验原理常见的硬度试验方法：布氏硬度（主要用于原材料检验）、洛氏硬度（主要用于热处理后的产品检验）、维氏硬度（主要用于薄板材料及材料表层的硬度测定）

11、、显微硬度（主要用于测定金属材料的显微组织及各组成相的硬度）。本次课只介绍生产上常用的布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。（1）布氏硬度 布氏硬度测试原理布氏硬度试验是用一定直径的钢球或硬质合金球作压头，以相应的试验载荷压入试样的表面，经规定保持时间后，卸除试验载荷，测量试样表面的压痕直径。如图1-4所示。布氏硬度值是试验载荷F除以压痕球形表面积所得的商。当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，则说明材料较软。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，只需根据测出的压痕平均直径d查表即可得到硬度值。 布氏硬度的表示方法布氏硬度用符号HB表示。使用淬

12、火钢球压头时用HBS表示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料；使用硬质合金压头时，用HBW表示，适合于测定布氏硬度值在450以上的材料，最高可测650HBW。其表示方法为：在符号HBS或HBW之前为硬度值（不标注单位），符号后面按以下顺序用数值表示试验条件。例如，120HBS10/1000/30表示用直径10mm的淬火钢球压头在9.8KN（1000Kgf）的试验载荷作用下，保持30s所测得的布氏硬度值为120；500HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球压头在7.35KN（750Kgf）试验载荷作用下保持1015s（不标注）测得的布氏硬度值为500。在布氏硬度试验时，应根据被测金属材

13、料的种类和试件厚度，按一定的试验规范正确地选择压头直径D，试验载荷F和保持时间t，见书P9表1-2。 布氏硬度的特点及应用布氏硬度试验压痕面积较大，受测量不均匀度影响较小，故测量结果较准确，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度。如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金，各种退火、正火或调质的钢材等。另外，由于布氏硬度与b之间存在一定的经验关系，因此得到了广泛的应用。但布氏硬度试验测试费时，压痕较大，不宜用来测成品，特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用来测太硬的材料。（2）洛氏硬度 洛氏硬度测试原理 洛氏硬度是在初试验载荷（F0）及总试验载荷（F0+F1）的先后作用下，将压头（12

14、0o金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球）压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验载荷F1，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值，如图1-5所示。压头在主载作用下，实际压入试件产生塑性变形的压痕深度为bd（bd为残余压痕深度增量）。用bd大小来判断材料的硬度。bd越大，硬度越低，反之，硬度越高。实测时，硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出。 洛氏硬度表示方法图1-5 洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度符号HR前面为硬度数值，HR后面为使用的标尺。如：50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。 洛氏硬度的特点及应用在洛氏硬度试验中，选择不同的试验载荷和压头类型可得到不同的洛氏硬度的标尺，便

15、于用来测定从软到硬较大范围的材料硬度。最常用的是HRA、HRB、HRC三种。三种标尺的主要试验条件及应用实例见表1-3，其中，以HRC应用最为广泛。洛氏硬度试验操作简便，迅速，测量硬度值范围大，压痕小，可直接测成品和较薄工件。但由于试验载荷较大，不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度。而且由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，测定结果波动较大，故需在不同位置测试三点的硬度值取其算术平均值。洛氏硬度无单位，各标尺之间没有直接的对应关系。5金属材料的断裂韧度（1）低应力脆断的概念有些高强度材料的机件常常在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂；中、低强度的重型机件、大型结构件也有类似情况，这

16、就是低应力脆断。突然折断之类的事故，往往都属于低应力脆断。研究和试验表明，低应力脆断总是与材料内部的裂纹及裂纹的扩展有关。因此，裂纹是否易于扩展，就成为衡量材料是否易于断裂的一个重要指标。（2）裂纹扩展的基本形式裂纹扩展可分为张开型（型）、滑开型（型）和撕开型（型）三种基本形式，如图1-10所示。其中以张开型（型）最危险，最容易引起脆性断裂。本节以此为讨论对象。（3）断裂韧度及其应用图1-10裂纹扩展基本形式当材料中存在裂纹时，在外力的作用下，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加的应力（称为名义应力）、裂纹长度a及距裂纹尖端的距离有关，即施加的应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场。为表述该应力场

17、的强度，引入了应力场强度因子的概念，即：KI=Y式中 KI应力场强度因子，单位为MPa·m，I表示为张开性裂纹；名义应力a裂纹长度Y裂纹形状系数，无量纲，一般Y=12由公式可见，KI随和a的增大而增大，故应力场的应力值也随之增大，造成裂纹自动扩展。断裂韧度可为零（构）件的安全设计提供重要的力学性能指标。断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。常见工程材料的断裂韧度值KIC参见（教材P14）表1-4。二、材料的物理、化学性能1、物理性能密度 、熔点、导热性、导电性 、热膨胀性、磁性。2、化学性

18、能材料的化学性能是材料抵抗周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和热稳定性等。§1-2 材料的工艺性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。按加工方法的不同，可分为铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性及热处理工艺性能等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能，以便降低成本，获得质量优良的零件。1. 材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。2. 铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性3. 锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程

19、度的度量。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。4. 焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。5. 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。切削抗力加工表面质量排屑难易程度切削刀具的使用寿命6. 热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。第二章 材料的结构材料的结合键在所有固溶体中，原子是由键结合在一起。这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。例如，强键导致高熔点、高弹

20、性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。由于原子间的结合键不同，将材料分为金属、聚合物和陶瓷3类。材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进了人们对材料内部结构的研究。组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方式可将固体材料分为金属、陶瓷和聚合物。根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非品体两大类。本章首先介绍材料的晶体结构。一、材料的结合方式1化学键    组成物质整体的质点(原子、分子或离子)间相互作用力叫化学键。由于质点相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，形成了不同类型的化学控，

21、主要有共价健、离子键和金属链。2共价键原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键。金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。共价键具有方向性，故共价键材料是脆性的。具有很好的绝缘性。3离子键大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不能导电的熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。在Nacl晶体中，离子型晶体中，正、负离子间有很强的电的吸引力，所以有较高熔点，故离子镁材料是脆性的。故固态时导电性很差

22、。4金属键金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键无方向性和饱和性，故金属有良好的延展性，良好的导电性。因此金属具有正的电阻温度系数，更好的导热性，金属不透明，具有金属光泽。5范德瓦尔键许多物质其分子具有永久极性 。分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔键也叫分子键。6工程材料的键性   

23、 金属材料的结合主要是金属键，陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键。高分子材料的链状分子间的结合是范德瓦尔键，而链内是共价键。二、晶体学基础1晶体与非晶体原子排列可分为三个等级，即无序排列，短程有序和长程有序。物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。非晶体在整体上是无序的。晶体与非晶体中原子排列方式不同，导致性能上出现较大差异。晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各项异性。2空间点阵   便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体看成是无错排

24、的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。晶胞选取应满足下列条件：(1) 晶胞几何形状充分反映点阵对称性。(2) 平行六面体内相等的棱和角数目最多。(3) 当棱间呈直角时，直角数目应最多。(4) 满足上述条件，晶胞体积应最小。(5) 晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。根据以上原则，可将晶体划分为7个晶

25、系。用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，故这14种空间点阵叫做布拉菲点阵，分属7个晶系， 空间点阵虽然只可能有14种，但晶体结构则是无限多的。3晶向指数与晶面指数常常涉及到晶体中某些原子在空间排列的方向（晶向）；和某些原子构成的空间平面(晶面)为区分不同的晶向和晶面，需采用一个统一的标号来标定它们，这种标号叫晶向指数与晶面指数。1晶向指数和标定(1)以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴的单位长度，建立右旋坐标系，定出欲求晶向上任意两个点的坐标。(2)“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标系备轴方向移动的点阵参数的数目。(3)将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号即为所求的晶

26、向指数u v w，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方。2晶面指数的标定(1)建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶 面之外，以避免出现零截距。(2)找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。(3)取截距的倒数，将其化为一组互质的整数，加圆括号得到晶面指数(h k l)3晶面族与晶向族在晶体中有些晶面原子排列情况相同，面间距也相等，只是空间位向不同，属于同一晶面族用h k l表示。 晶向族用u v w表示，代表原子排列相同，空间位向不同的所有晶相。三、材料的晶体结构    金属键具有无方向性特点，金属大多趋于紧密，高对称

27、性的简单排列。共价键与离子键材料为适应键、离子尺寸差别和价引起的种种限制，往往具有较复杂的结构。1典型金属的晶体结构    最常见的金属的晶体结构有体心立方、面心立方和密排立方。晶胞中原子数    晶体由大量晶胞堆砌而成，故处于晶胞顶角或周面上的原子就不会为一个晶胞所独，只有晶胞内的原子才为晶胞所独有。假设相同的原子是等径钢球，最密排方向上原于彼此相切，两球心距离之半便是原子半径。配位数与致密度晶体中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。为了定量地表示原子排列的紧密程度，通常应用配位数和致密度这两个参

28、数。配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。体心立方对面心立方结构致密度为，的密排六方结构(G1633)配位数也是12，致密度也是0.74。晶体中原子的堆垛方式面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式。面心立方与密排六方的密排111与（0001）原子排列情况完全相同，密排六方结构可看成由（0001）面沿001方向逐层堆垛而成，即按ABAB顺序堆垛即为密排六方结构。面心立方结构堆垛方式，它是以(111)面逐层堆垛而成的，即按ABCABC顺序堆垛。原子排列的紧密程度，故两者都是最紧密排列。晶体体结构中的间隙 

29、  由原子排列的刚球模型可看出球与球之间存在许多间隙，分析间隙的数量、大小及位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都是很重要的。面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四方体间隙半径还大，因此面心立方结构的Fe的溶碳量大大超过体心立方结构的。密排六方的间隙类型与面心立方相同，同类间隙的形状完全相同，仅位置不同，在原子半径相同的条件下这两种结构同类间隙的大小完全相同。纯金属常见的晶体结构结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。常见结构：体心立方 bcc Body-centered cubic面心立方 fcc Fa

30、ce-centered cubic密堆六方 cph Close-packed hexagonal1.面心立方原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心 在面心立方晶格中密排面为111，密排方向为<110>面心立方中的间隙将原子假定为刚性球，他们在堆垛排列时必然存在间隙。在面心立方晶格中存在的间隙主要有两种形式： 八面体间隙：位置 体心和棱中点单胞数量 12/4 + 1 = 4 大小 四面体间隙：位置 四个最近邻原子的中心 单胞数量 8 大小 2.体心立方原子位置 立方体的八个顶角和体心 在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为<111>体心立方中的间隙八面体间隙：位置

31、面心和棱中点 单胞数量 12/3 + 6/2 = 6大小 四面体间隙：侧面中心线1/4和3/4处 8 个大小 3. 密堆六方原子位置 12个顶角、上下底心和体内3处 在密堆六方晶格中密排面为0001，密排方向为<1120>密堆六方中的间隙八面体间隙：位置 体内 单胞数量 6大小 四面体间隙：位置 棱和中心线的1/4和3/4处 单胞数量 12大小 §2-2合金的晶体结构纯金属具有较高的导电性、导热性、化学稳定性以及金属光泽，但其强度、硬度都较低，不宜用于制作对力学性能要求较高的各种机械零件、工具和模具等，也无法满足人类在生产和生活中对金属材料多品种、高性能的要求，所以在工业

32、上大量使用的不是纯金属而是合金。一、合金的基本概念合金 是指由两种或两种以上金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的物质。组元 是指组成合金的最基本而独立的物质。一般来说，组元就是组成合金的化学元素。如黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。但也可以是稳定的化合物，如铁碳合金中的Fe3C，镁硅合金中的Mg2Si等。二元合金 是指由两个组元组成的合金；由三个组元组成的，则称为“三元合金”，依次类推。合金系 组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。例如各种牌号的非合金钢就是由不同铁、碳含量的合金所构成的铁碳合金

33、系。相 是指金属或合金中化学成分、晶体结构及原子聚集状态相同，并与其它部分有明显界面分开的均匀组成部分。若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，则各晶粒虽有界面分开，却都属于同一种相，如纯铁在常温下是由单相-Fe组成；若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒所构成，它们将属于不同的几种相，如铁中加碳后组成铁碳合金，由于铁与碳相互作用，又形成一种化合物Fe3C，因此，在铁碳合金中就出现了一种新相Fe3C（渗碳体），而形成双相组织（-Fe相和Fe3C相）。组织 是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况，又称为显微组织（或金相组织

34、）。合金在固态下，可以形成均匀的单相组织（如纯铁），也可以形成由两相或两相以上组成的多相组织，这种组织称为两相或复相组织（如退火状态的45钢）。组织和相的关系 “相”是构成组织的最基本的组成部分；但是当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的组织，如前述疑问中的纯铁冷拉前后的变化。“相”是组织的基本单元，组织是相的综合体。组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化，因此，在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要的意义。二、合金的相结构由于合金的性能取决于它的组织，而合金组织的性能又首先取决于合金中的相的性能。所以为了掌握合金的组织和性能，就必须了解合金的相结

35、构及其性能。合金的“相结构”，是指合金中相的晶体结构，也就是说“相结构”是相中原子的具体排列规律。合金可以形成不同的相，其结构比纯金属复杂。不同的相原子排列方式（相结构）是不同的。根据合金中各组元间的相互作用，合金中相的结构主要有固溶体和金属化合物两大类。1固溶体 固溶体是指合金中两组元在固态下相互溶解而形成的均匀固相。溶剂是组成固溶体的两个组元中，能够保持其原有晶格类型的组元；溶质是失去原有晶格类型的组元。固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。（1）置换固溶体 是指溶质原子占据了部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体，如右图

36、（a）所示。按溶解度不同，置换固溶体可分为无限固溶体和有限固溶体两种。无限固溶体：溶质原子与溶剂原子能以任何比例相互溶解所形成的固溶体。例如铜镍合金，铜原子和镍原子可按任意比例相互溶解。（a）置换固溶体 （ b）间隙固溶体格图2-17 固溶体有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度是有限的固溶体。如铜锌合金当WZn40%时为有限固溶体（组织除了固溶体外，还有铜与锌形成的金属化合物）。溶解度的大小主要取决于组元间的晶格类型、原子半径和温度等。实验证明，大多数合金都只能有限固溶，且溶解度随温度的降低而减少。形成无限固溶体的条件：只有各组元的晶格类型相同，原子半径相差不大等。 （2） 间隙固溶体 间隙固溶体

37、形成的条件：是溶质原子半径与溶剂的原子半径的比值r溶质/r溶剂0.59。因此，形成间隙固溶体的溶质元素通常是原子半径小的非金属元素，如碳、氮、氢、硼、氧等。（3） 固溶体的性能 形成固溶体时，虽然保持着溶剂的晶格类型，但由于溶质原子的溶入，将会使固溶体的晶格常数发生变化而形成晶格畸变，增加了变形抗力，因而导致材料强度、硬度提高。这种通过溶入溶质元素，使固溶体强度和硬度提高的现象称为固溶强化。对于钢铁材料来说，固溶强化是其强化途径的一种；而对于非铁金属材料来说，固溶强化是重要的强化手段。2金属化合物（中间相）当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相，若新相的晶体结构不同于任

38、意组成元素，新相将是组元元素间相互作用而生成的一种新的物质，即为金属化合物或中间相。根据形成条件和结构特点，常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三种类型。弥散强化 金属化合物的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元，一般熔点高，硬而脆，生产中很少直接使用单相金属化合物的合金。但当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。第三章 金属材料的塑性变形与再结晶§3-1材料的塑性变形1.弹性变形普弹性晶体发生弹性变形时，应力与应变成线性关系，去掉外力后，应变完全消失，晶体恢复到末变形状态。弹性变形阶段应力与应变

39、服从虎克定律。弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决：晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变是种组织不敏感的性质。滞弹性    在弹性范围内加载或去载，发现应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种驰豫过程来完成的，即随时间的延长，逐步趋于平衡值的，在应力作用下逐渐产生的弹性应变叫滞弹性应变。   应力应变曲线就成回线，回线所包围的面积是应力循环一周所消耗的能量，称为内耗。晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这种可恢复的变形就称为弹性变形.但是

40、,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形.单晶体的塑性变形工程上应用的金属材料通常是多晶体。金属的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外还有孪生与扭折。高温变形时，还会以扩散蠕变与晶界滑动方式进行。2滑移滑移现象滑移带，若用电子显微镜观察，发现每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。在晶体缺陷章已指出，室温下晶体塑变的主要方式是滑移滑移是靠位错的运动实现的位错沿滑移面滑移当移动到晶体表面时，便产生了大小等于柏氏矢量的滑移台阶，如果该沿移面上有大

41、量位错运动到晶体表面，宏观上，晶体的部分相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移，滑移矢量与与柏氏矢量平行。滑移系滑移时，滑移面应是面间距最大的密排面，滑移方向方向是原子的最密排方向，一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。面心立方金属的滑移面为111，共有四组，包含三个滑移方向，因此共有12个滑移系。密排六方金属滑移面为（0001），滑移方向为<1120>,每组滑移面包含2个滑移方向，故也有12个滑移系。密排六方金属滑移系少，滑移过程中，可能采取空间位向少，故塑性差。体心立方金属得移系较多故比密排六方结构金属塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的数目也

42、少于面心立方，故体心立方金属不如面心立方金属塑性好滑移的临界分切应力滑移时的晶体转动晶体发生塑性变形时，往往伴随取向的改变，当晶体在拉应力作用下产生滑移时若夹头不受限制，欲使滑移面的滑移方向保持不变，拉力轴取向必须不断变化。实际上夹头固定不动，即拉力轴方向不变，此时晶体必须不断发生转动。转动结果，使滑移面法线与外力轴夹角增大使外力与滑移方向夹角变小。多滑移与交滑移(1)多滑移对于有多组滑移系的晶体当其与外力轴取向不同时，处于软位向的一组滑移系首先开动这便是单滑移。若两组或几组滑移系处在同等有利的位向，在滑移时，各滑移系同时开动，或由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移叫多滑移。(2

43、)交滑移交滑移是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。面心立方晶体中，扩展位错由两个肖克莱不全位错和它们所夹的层错带构成。展位错只能沿层错面移动。如果增大应力可使扩展位钱集，即使两个肖克莱不全位错结合成一个螺型全位错便可交滑移至另一滑移面，然后在该滑移面扩展开。热激活可促进交滑移，故升高温度有利于交滑移进行。交滑移过程还与扩展位错的宽度有关。2.孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。一些密排六方的金属如Cd, Zn，Mg等常发生孪生变形。体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低形变速率极快时，也会通过孪生方式进行塑变。孪生是发生在晶体内部的均匀切变过程，总是沿晶

44、体的一定晶面(孪晶面)，沿一定方向(孪生方向)发生，变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系金相显微镜下一般呈带状，有时为透镜状。孪生变形特点孪生与滑移有如下差别：(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移面上进行。(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变(3)与滑移系类似，孪生要素也与晶体结构有关，但同一结构的孪晶面、孪生方向与滑移面，滑移方向可以不同。孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多。3.晶体的扭折沿六方金属C轴压缩时，当外力超过某一临界值时晶体会产生局部弯曲，这种形式的变形叫扭折，扭沂是晶体弯曲变形或滑移在

45、某些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称扭折带是由好几个楔形区域组成。4.多晶体的塑性变形实际使用的绝大多数金属材料都是多晶体。多晶体塑变与单晶体塑变即有相同之处，又有不同之处。相同之处是变形方式也以滑移，孪生为基本方式。不同之处是变形受到晶界阻碍与位向不同的晶粒的影响使变形更为复杂。多晶体塑性变形过程多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在外加应力作用下，只有处在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先开动。周围位向不利的晶粒的各滑移系上的分切应力尚未达到临界值，所以还没发生塑变，处在弹性变形状态。当有晶粒塑变时，就意味着其滑移面上的位错源将不断产生位错，大量位错将沿滑

46、移面源源不断运动，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，运动着的位错不能越过晶界晶粒大小对塑性变形的影响由以上分析可知，晶粒越细，单仿体积所包含的晶界越多其强化效果越好。这种用细化晶粒提高金属强度的方法叫细晶强化。多晶体应力应变曲线多晶体应力应变曲线如，它不具有典型单晶体的第1阶段易滑移阶段。这是因为晶粒方位不同各晶粒变形需互相协调，至少有5个独立滑移系开动，一开始便是多滑移，故无易滑移阶段。此外由于晶界的强化作用和多滑移过程中位错的相互干扰，使多晶体应力应变曲线斜率即加工硬化率明显高于单晶。4.塑性变形对金属组织与性能的影响形变织构金属冷塑性变形时，晶体要发生转动，使金属晶体中原为任意

47、取向的各晶粒逐渐调整到取向彼此趋于一致，这就形成了晶体的择优取向，我们称它为形交织构。残余应力    宏观残余应力又称第一类内应力，是物体各部分不均匀变形所引起，在整个物体范围内处于平衡。微观内应力也叫第二类内应力，由晶粒或亚晶变形不均匀引起在晶粒或亚范围内互相平衡。点阵畸变也叫第三类内应力，约占储存能的90。由形变金属内部产生的大量位错等晶体缺陷引起，其作用范围仅为几十至几百个nm。5.金属及合金强化的位错解释Cottrell气团晶体中溶质原子的溶入，引起了点阵畸为，形成了应力场。若晶体中同时存在位错，则位错的应力场与溶质原子倾向于聚集到位错周围；形成

48、比较稳定的分布。通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团。位错交割和带割阶位错的运动固定位错    有些位错本身不能沿滑移面滑动，称为固定位错。§ 3-2 回复与再结晶一、形变金属及合金在退火过程中的变化1.显微组织的变化将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附近，进行保温，随时间的延长。第一阶段显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为回复阶段。第二阶段完全变成新的等轴晶粒，称为再结晶阶段。第三阶段称为晶粒长大阶段。2.储存能释放与性能变化冷塑变时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能。72回复3.回复机理低

49、温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。中温回复时随温度升高原子活动能力增强，位错可以在滑移面上猾移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平塞积。4.回复动力学图75为经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时，屈服强度的回复动力学曲线。（LR)为剩

50、余加工硬化分数，t为退火时间。二、再结晶    冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶。再结晶包括生核与长大两个基本过程，1.再结晶的形核（1）小变形量的弓出形核机制（2）亚晶合并机制（3）亚晶蚕食机制2.再结晶动力学对恒温再结晶动力学人们作过大量研究。图710为纯铜经98冷轧，在不同温度下 等温再结晶已经再结晶的体积分数xv与等温时间t的关系曲线。具有典型的形核，长大过程的动力学特征。等温温度越高，孕育期越短，再结晶速度越快。等温的每个温度下，再结晶速度开始很小，随xv的增加而逐渐增大，并在大约50处达到最

51、大，然后又逐渐减小。3.影响再结晶的因素影响再结晶的因素主要有以下几个方面：温度热温度越高，再结晶转变速度V再越快，完成再结晶所需的时间也越短。变形程度金属的变形度越大储存能也越多，再结晶驱动力也越大，因此再结晶速度也越低。工业微量溶质原子不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结晶，使再结晶温度升高。原始晶粒尺寸晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。分散相粒子分散相粒子直径较大，粒子间距较大的情况下，再结晶被促进：而小的粒子尺寸和小的粒子间距，再结晶被阻碍。4.再结晶后晶粒大小变形度的影响变形量很小时，储存能少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不变：能发生再结晶的最小变形度通

52、常在28范围内，此时驱动力小，形核率低，最终能长大的晶粒个数少，再结晶退火后晶粒特别粗大，称为“临界变形度”；超过临界变形度随变形度增加，储存能增加从而使再结晶驱动力增加，导致生核率N与长大率G同时增加，但由于N增加速率大于G，同时增加但由于N增加速率大于G，故再结晶后的晶粒得到细化。对于有些合金，当变形量相当大时再结晶晶粒义会更新粗化，这是晶粒异常长大造成的。退火温度的影响提高退火温度，不仅使再结晶的晶粒长大，而且使临界变形度变小，临界变形度越小，再结晶后的晶粒也越粗大。三、晶粒长大冷变形金属在完成再结晶后，继续加热时，会发生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常长大（二次再结晶）。1.晶

53、粒的正常长大再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大，若均匀地连续生长叫正常长大。晶粒长大的驱动力    晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前后总的界面能差。从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。晶粒的稳定形貌    实际的二维晶粒如图720所示，较大的晶粒往往是六边以上。影响晶粒长大的因素(1)温度温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸后就不再长大，但提高温度后晶粒将继续长大。(2)杂质与合金元素杂质及合金元素

54、渗入基体后能阻碍晶界运动。(3)第二相质点弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到抑制。相邻晶粒的位向差    晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶界可动性高。2.晶粒的异常长大异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是种特殊的晶粒长大现象。发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分散相粒子，织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。晶粒尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利，大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成晶粒大小极不均

55、匀的组织。二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织，从而降低了材料的强度与塑性。因此在制定冷变形材料再结晶退火工艺时应注意避免发生二次再结晶。四、金属的热变形热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。工业生产个，高温进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。1动态回复动态回复主要发生在曾错能高的金属材料的热变形过程中，动态回复是其主要或唯一的软化机制。2动态再结晶具有动态再结晶的真应力-真应变曲线如图7-24随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用时曲线开

56、始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于低的应变速率或较高的变形温度下，位错密度增加速率小，动态再结晶后，必须进一步加工硬化，才能再一次进行再结晶的形核。因此这种情况下，动态再结品与加工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。层错能偏低的材料如铜及其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结晶是低错能金属材料热交形的主要软化机制。3热加工后的组织及性能金属高温塑性好，变形抗力低可进行大量的塑变，使铸锭中的组织缺陷明显改善。如使气泡焊合提高了材料的致密度和机械性能，改善了组织。  &#

57、160; 热加工过程中，某些枝晶偏析，晶界杂质偏聚夹杂物或第二相粒子将随变形的进行,    沿加工变形方向分布，在浸蚀的宏观磨面上，可看到沿变形方向分布的形态呈纤维状的“流线”。第四章 材料的凝固与相图§4-1 金属的凝固金属材料的生产一般都是要经过由液态到固态的凝固过程，如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。由于固态金属大都是晶体，所以金属凝固的过程通常也称为结晶过程，金属结晶后获得的原始组织称为铸态组织，它对金属的工艺性能及使用性能有直接影响。因此，了解金属从液态结晶为固体的基本规律是十分必要的。1、金属结晶的基本规律（1）冷却曲线与过冷度 纯金属都有一个固定的熔点（或称结晶温度），因此纯金属