第1章金属学基础知识

1、重点：金属材料的力学性能、铁碳合金相图 难点：铁碳合金相图力学性能：力学性能：金属材料在外力作用下，所表现出来金属材料在外力作用下，所表现出来 的抵抗变形和破坏的能力，的抵抗变形和破坏的能力， 1.1.1 强度和塑性强度和塑性1.1金属材料的力学性能金属材料的力学性能-材料在静载荷作用下抵抗塑性变材料在静载荷作用下抵抗塑性变 形和断裂的能力形和断裂的能力1、强度、强度(strength)金属材料开始产生屈服现象时的应力金属材料开始产生屈服现象时的应力 抵抗塑性变形的能力抵抗塑性变形的能力 s Sbz 屈服强度屈服强度yield strength（ s ）抗拉抗拉强度强度 tensile str

2、ength（ Rm ）: 材料在拉断前材料在拉断前 能承受的最大应力能承受的最大应力抵抗断裂的能力抵抗断裂的能力 Sbz s Rm 金属材料产生塑性变形而不破坏的能力金属材料产生塑性变形而不破坏的能力 1、延伸率：试样拉断后，伸长的长度与原始长、延伸率：试样拉断后，伸长的长度与原始长 度之比的百分率度之比的百分率2、断面收缩率：试样拉断后，断面缩小的面积、断面收缩率：试样拉断后，断面缩小的面积 与原截面面积之比的百分率与原截面面积之比的百分率通常以通常以A区别塑性好坏区别塑性好坏:A 2 5%的材料为塑性材料的材料为塑性材料 A 2 5%的材料为脆性材料的材料为脆性材料金属表面抵抗其它更硬物体

3、压入的能力金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力1、布氏硬度（、布氏硬度（HB）原理原理：HB=)(222dDDDF0.102 表表1-1 测测 定定 布布 氏氏 硬硬 度度 应应 遵遵 守守 的的 条条 件件适用范围适用范围 组织粗大且不均匀的金属材料的硬度组织粗大且不均匀的金属材料的硬度,如铸如铸铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品或半成品2、洛氏硬度洛氏硬度 用压痕凹陷的深度确定硬度值用压痕凹陷的深度确定硬度值HR=(K-h)/0.002金刚石圆锥压头：金刚石圆锥压头：K=0.2钢球压头：钢球压头：K=0.26原理原理：表表1-2 常常 用

4、用 洛洛 氏氏 硬硬 度度 值值 符符 号及号及 试试 验验 条条 件件 洛氏硬度的特点：操作简便；测值离散性大洛氏硬度的特点：操作简便；测值离散性大 适用范围适用范围 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用，也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的用，也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度。硬度。 如如25HRC金属材料在冲击载荷作用下表现出来的抵金属材料在冲击载荷作用下表现出来的抵 抗破坏的能力抗破坏的能力 冲击功冲击功 Ak=G(h1-h2)（J）冲击韧度冲击韧度 k=A=Ak k/S/S0 0 (J/cm (J/cm2 2) )1.1.4 疲劳强度疲劳

5、强度 金属的疲劳金属的疲劳金属材料在远低于其屈服强度的金属材料在远低于其屈服强度的 交变应力长期作用下发生的断裂现象交变应力长期作用下发生的断裂现象 疲劳破坏过程：表面产生疲劳裂纹（应力集中疲劳破坏过程：表面产生疲劳裂纹（应力集中 严重或强度低的部位）严重或强度低的部位） 裂纹扩展裂纹扩展 突然断裂突然断裂疲劳断口特征疲劳断口特征 裂纹尖端附近应力场示意裂纹尖端附近应力场示意Y衡量裂纹尖端附近应力场强弱衡量裂纹尖端附近应力场强弱 程度的力学参量程度的力学参量 当当 KKc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断Y晶体：原子（离子或分子）具有规则排列晶体：原子（离子或分子

6、）具有规则排列 的物质的物质晶格晶格(crystal lattices)：把晶体中的原子看成刚：把晶体中的原子看成刚 性小球，用假想的线条性小球，用假想的线条 把各原子的中心连接起把各原子的中心连接起 来所构成的空间格架来所构成的空间格架（1）纯金属晶体结构的基本类型纯金属晶体结构的基本类型 晶格常数：晶胞的各边尺寸及三个邻边的夹角晶格常数：晶胞的各边尺寸及三个邻边的夹角晶胞晶胞(unit cell)：晶格中能代表晶格特征的最基：晶格中能代表晶格特征的最基 本的单元本的单元体心立方晶格（体心立方晶格（body-centered cubic）晶格常数：晶格常数：a晶胞内原子数：晶胞内原子数：2致

7、密度：致密度：0.68典型金属：典型金属：a-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb致密度：晶体中原子本身所占体积与该晶胞致密度：晶体中原子本身所占体积与该晶胞 体积之比体积之比原子半径原子半径 : a43致密度致密度= =0.68或或68% 33)43(342aa面面心立方晶格心立方晶格(face-centered cubic)晶格常数：晶格常数：a晶胞内原子数：晶胞内原子数：4致密度：致密度：0.74典型金属：典型金属： -Fe、AI、Cu、Ni原子半径：原子半径： a42密排六方密排六方晶格晶格(close-packed hexagonal)晶格常数：晶格常数：a、c，c/a=1.633晶胞内原

8、子数：晶胞内原子数：6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0.74典型金属：典型金属：Be、Mg、Zn单晶体单晶体多晶体：多晶体：晶界：晶粒与晶粒之间的界面晶界：晶粒与晶粒之间的界面1）点缺陷）点缺陷(空位、间隙原子空位、间隙原子)对对结构结构的影响：引起晶格畸变的影响：引起晶格畸变对对性能性能的影响：使金属的强度、硬度升高的影响：使金属的强度、硬度升高产生原因：原子热运动产生原因：原子热运动点缺陷处在不断运动变化中点缺陷处在不断运动变化中2）线缺陷（位错）线缺陷（位错dislocation）位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生了位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生了 有规律的错排现

9、象有规律的错排现象对对结构结构的影响的影响: 引起晶格畸变引起晶格畸变对对性能性能的影响：少量位错使金属的强度降低，的影响：少量位错使金属的强度降低， 大量位错使金属的强度升高大量位错使金属的强度升高线缺陷固定不变？线缺陷固定不变？产生原因：局部塑性变形、结晶过程中产生原因：局部塑性变形、结晶过程中3）面缺陷（晶界、亚晶界）面缺陷（晶界、亚晶界）晶界特点晶界特点：原子排列不规则；熔点低；原子扩散：原子排列不规则；熔点低；原子扩散 速度快；常温下晶界强度高于晶粒强速度快；常温下晶界强度高于晶粒强 度，高温下晶界强度低于晶粒强度度，高温下晶界强度低于晶粒强度晶界：晶粒与晶粒之间的界面晶界：晶粒与晶

10、粒之间的界面金属晶体中有缺陷是件坏事？金属晶体中有缺陷是件坏事？面缺陷对面缺陷对性能性能的影响的影响常温下，使金属的强常温下，使金属的强 度、硬度提高度、硬度提高亚晶界：亚亚晶界：亚晶粒与亚晶粒之间的界面晶粒与亚晶粒之间的界面晶粒由亚晶（或称镶嵌块、亚结构）组成晶粒由亚晶（或称镶嵌块、亚结构）组成2、金属的结晶、金属的结晶Request ：1、掌握结晶、过冷度的概念及获得细晶、掌握结晶、过冷度的概念及获得细晶 粒铸件的方法粒铸件的方法2、了解结晶的基本过程、了解结晶的基本过程（1）结晶的概念）结晶的概念-金属由液态转变为晶体固态的过程金属由液态转变为晶体固态的过程熔点用热分析法测定熔点用热分析

11、法测定过冷度：平衡结晶温度与实际结晶温度之差过冷度：平衡结晶温度与实际结晶温度之差T0TnT温温度度温温度度时间时间时间时间（2）结晶过程）结晶过程1、晶核的形成、晶核的形成2、晶核长大、晶核长大 长大方式：枝晶成长长大方式：枝晶成长自发形核自发形核/非自发形核。非自发形核。 枝晶成长过程中，由于液体的流动、枝轴枝晶成长过程中，由于液体的流动、枝轴本身的重力作用及彼此间的碰撞、杂质元素本身的重力作用及彼此间的碰撞、杂质元素的影响，会使某些枝轴偏斜或折断，以致造的影响，会使某些枝轴偏斜或折断，以致造成亚结构、亚晶界及位错成亚结构、亚晶界及位错 常温下，金属的晶粒越细小，强度、硬度常温下，金属的晶

12、粒越细小，强度、硬度越高，塑性、韧性越好越高，塑性、韧性越好（3）影响结晶后晶粒大小的因素及）影响结晶后晶粒大小的因素及 细化晶粒的措施细化晶粒的措施 影响结晶后晶粒大小的因素影响结晶后晶粒大小的因素1、形核率（、形核率（N）：）：单位时间单位体积内的形核数单位时间单位体积内的形核数2、生长率、生长率(G) / 晶核的长大速度晶核的长大速度TN GNG结晶时的冷却结晶时的冷却速度速度(T)越大，越大，金属的晶粒越金属的晶粒越细细获得细晶粒铸件的方法：获得细晶粒铸件的方法：1、增大冷却速度（增大冷却速度（过冷度过冷度） (采用金属铸模、镶嵌冷铁采用金属铸模、镶嵌冷铁)2、变质处理变质处理-在液态

13、金属结晶前有意地加入在液态金属结晶前有意地加入 少量细小、难溶某种物质，以造成大少量细小、难溶某种物质，以造成大 量的人工晶核，从而获得细小晶粒量的人工晶核，从而获得细小晶粒（如向钢液中加入少量铝、钒、钛等，可在钢（如向钢液中加入少量铝、钒、钛等，可在钢液中形成大量氧化铝、氧化钒等细小质点，从液中形成大量氧化铝、氧化钒等细小质点，从而增加了形核率）而增加了形核率）3、施加振动施加振动合金合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素由两种或两种以上的金属元素或金属元素 与非金属元素组成的具有金属特性的物质与非金属元素组成的具有金属特性的物质 组元组元：组成合金的独立的最基本的物质：组成合金的独立的

14、最基本的物质合金系合金系：由若干给定组元可以配制出一系列不同：由若干给定组元可以配制出一系列不同 成分的合金，这一系列合金构成一个合成分的合金，这一系列合金构成一个合 金系。金系。1.2.2 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（1）固溶体：）固溶体：当合金由液态结晶为固态时，组当合金由液态结晶为固态时，组 元间仍能相互溶解而形成的均匀相元间仍能相互溶解而形成的均匀相 1、合金的晶体结构、合金的晶体结构 -溶质溶解在溶剂中形成的均匀相溶质溶解在溶剂中形成的均匀相固溶体的晶体结构与溶剂的晶体结构相同固溶体的晶体结构与溶剂的晶体结构相同相相：金属及合金中化学成分相同、晶体结构相同：金属及合金中

15、化学成分相同、晶体结构相同 并与其他部分有界面分开的均匀组成部分并与其他部分有界面分开的均匀组成部分间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中形：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中形 成的固溶体成的固溶体置换固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点 位置形成的固溶体位置形成的固溶体固溶体的分类固溶体的分类间隙固溶体只能是有限固溶体间隙固溶体只能是有限固溶体置换固溶体可是有限固溶体或无限固溶体置换固溶体可是有限固溶体或无限固溶体固溶强化固溶强化solid solution strengthening：通过溶入：通过溶入 某种溶质元素形成固溶体而使金属的强

16、某种溶质元素形成固溶体而使金属的强 度、硬度提高的现象度、硬度提高的现象固溶体的性能固溶体的性能特征：特征：1）具有明显的金属特性）具有明显的金属特性 2）可以用分子式表示其组成）可以用分子式表示其组成 3）硬度高，脆性大，熔点高）硬度高，脆性大，熔点高 4）具有复杂的晶体结构）具有复杂的晶体结构（2 2）金属化合物：合金组元间发生相互作用而生）金属化合物：合金组元间发生相互作用而生 成的一种具有明显金属特性的化合物成的一种具有明显金属特性的化合物 相图相图：表示平衡状态下合金系中合金的状态同温：表示平衡状态下合金系中合金的状态同温 度、成分之间关系的图形度、成分之间关系的图形 也称也称状态图

17、状态图或或 平衡图平衡图2. 合金的结晶合金的结晶（1)合金相图的建立合金相图的建立 2)用热分析法测定各个合金的冷却曲线用热分析法测定各个合金的冷却曲线-1)配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的CuNi合金合金 合金合金 100%Cu 0%Ni 合金合金 80%Cu 20%Ni 合金合金 60%Cu 40%Ni 合金合金 40%Cu 60%Ni 合金合金 20%Cu 80%Ni 合金合金 0%Cu 100%Ni 热分析法热分析法以铜镍合金为例以铜镍合金为例温度温度时间时间温度温度Ni%Cu20406080Ni5、 4)将各临界点标在相应的温度将各临界点标在相应的温度成分坐标系中成分坐标系

18、中,将意义相同的点连接起来将意义相同的点连接起来3)找出各冷却曲线上的临界点找出各冷却曲线上的临界点LL+ 液相线液相线固相线固相线温度温度Ni%Cu20406080NiAB12（2）合金结晶过程分析）合金结晶过程分析同素异晶转变：金属在固态下发生的晶格类型转变同素异晶转变：金属在固态下发生的晶格类型转变 -Fea-Fe -Fe -Fe -Fec1394 -Fe a-Fe c9121.3 1.3 铁碳合金相图铁碳合金相图1.3.1铁碳合金的基本组元和相铁碳合金的基本组元和相1、纯铁、纯温度度时间时间含碳量：含碳量：727 C0.0218% 室温室温0.0008%性能：

19、强度、硬度低，塑性、韧性好性能：强度、硬度低，塑性、韧性好2、铁素体铁素体ferrite（F、 ）：碳在）：碳在a-Fe中的中的 间隙固溶体间隙固溶体性能：强度、硬度低，塑性、韧性好性能：强度、硬度低，塑性、韧性好3、奥氏体奥氏体（A、 ）：碳在）：碳在 -Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体含碳量：含碳量：1148 C2.11% 727 C0.77%4、渗碳体渗碳体（Fe3C）：铁和碳形成的具有复杂晶）：铁和碳形成的具有复杂晶 体结构的金属化合物体结构的金属化合物性能：硬度极高，脆性极大，强度、塑性、性能：硬度极高，脆性极大，强度、塑性、 韧性极差韧性极差含碳量：含碳量：6.69%1.3.2 铁

20、碳合金相图分析铁碳合金相图分析F+ Fe3CA + Fe3C 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69 A: 纯铁的熔点纯铁的熔点1、相图中的、相图中的点点E: 碳在碳在 -Fe中的最大溶解点中的最大溶解点S: 共析点共析点(0.77%C,727 C)C: 共晶点共晶点（4.3%C,1148C)D: 渗碳体的熔点

21、渗碳体的熔点F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69P ： ：碳在：碳在 -Fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点G： -Fe与与 -Fe的同素异晶转变点的同素异晶转变点Q：碳在：碳在 -Fe中的溶解度点中的溶解度点F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+A

22、L+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69AECF: 固相线固相线 2、相图中的、相图中的线线ACD:液相线液相线ECF: 共晶线共晶线共晶反应共晶反应：一定成分的液相在某一：一定成分的液相在某一 恒温下同时结恒温下同时结晶出两种成分和结构都不相同的晶体的相变过程晶出两种成分和结构都不相同的晶体的相变过程F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69莱氏体莱氏体ledeburite(Le、L

23、d)：共晶反应得到的奥氏：共晶反应得到的奥氏 体和渗碳体的机械混合物体和渗碳体的机械混合物LeLcC1148低温莱氏体的性能：硬度高、脆性大，强度、塑低温莱氏体的性能：硬度高、脆性大，强度、塑 性、韧性很低性、韧性很低CFeALEcc31148CFeALC311. 211483 . 4 共析反应共析反应：一定成分的固溶体在某一恒温下同时：一定成分的固溶体在某一恒温下同时 转变为两种成分和结构都不相同的晶转变为两种成分和结构都不相同的晶 体的相变过程体的相变过程PSK:共析线共析线F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeL

24、e+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69珠光体珠光体pearlite（P）：共析反应得到的铁素体和渗）：共析反应得到的铁素体和渗 碳体的机械混合物碳体的机械混合物CFeFApCs3727CFeFAC30218. 072777. 0 PAC727珠光体的性能：强度较高，硬度、珠光体的性能：强度较高，硬度、 塑性、韧性介于铁塑性、韧性介于铁 素体和渗碳体之间素体和渗碳体之间GS:含碳量小于含碳量小于0.77%的的 铁碳合金在冷却时自铁碳合金在冷却时自 奥氏体中析出铁素体奥氏体中析出铁素体 的开始线的开始线 ES:碳

25、在奥氏体中的溶解度曲线碳在奥氏体中的溶解度曲线PQ:碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中的溶解度曲线F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.691）工业纯铁）工业纯铁（含碳量（含碳量0.0218%）2）钢）钢（含碳量为（含碳量为0.0218-2.11%）1.3.3 典型合金结晶过程及其室温下平衡组织典型合金结晶过程及其室温下平衡组织3）白口铸铁）白口铸铁（C=2.11-6.69%）铁碳合金的分类铁碳合

26、金的分类F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.692）钢）钢 共析钢：共析钢：C=0.77% 亚共析钢：亚共析钢：C=0.0218-0.77% 过共析钢：过共析钢：C=0.77-2.11%F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFAD

27、ECFPSKGQ06.693）白口铸铁）白口铸铁 共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：C=4.3% 亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：C =2.11-4.3% 过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：C=4.3-6.69%F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.691、共析钢、共析钢F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+

28、 Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.692、亚共析钢、亚共析钢F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.693、过共析钢、过共析钢AL+ALAA+Fe3CGPSC%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKG06.69A + Fe3CF+ Fe3C4、共晶白口铸铁、共晶白口铸铁Le(p+Fe3C) C%FeFe3CLAL+

29、AL+ Fe3C F+AFADECFPSKG06.69A + Fe3CF+ Fe3C5、亚共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁 C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKG06.69A + Fe3CF+ Fe3C6、过共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁 C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKG06.69A + Fe3CF+ Fe3CF+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.691、铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系、铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系（1）含碳量对平衡组织的影响）含碳量对平衡组织的影响 F+Fe3C PF+P A + Fe3C P + Fe3CLeA + Fe3C +LeP + Fe3C +LeLeLe+ Fe3CILe+ Fe3CI 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3C F+AFADECFPSKGQ06.69C0.9%, C硬度硬度 ，强度、塑性、韧性，强度、塑性、韧性 （2）含碳量对铁碳合金力学性能