第1章 金属学基础知识

第1章：金属学基础知识重点：金属材料的力学性能、铁碳合金相图难点：铁碳合金相图第1章：金属学基础知识力学性能：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，

1.1.1强度和塑性1.1金属材料的力学性能-----材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力1、强度(strength)——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s

Sbz

•屈服强度yieldstrength（s）•抗拉强度tensilestrength（

Rm

）:材料在拉断前能承受的最大应力抵抗断裂的能力

Sbzs

Rm

2、塑性plasticity——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，断面缩小的面积与原截面面积之比的百分率通常以A区别塑性好坏:A25%的材料为塑性材料

A25%的材料为脆性材料1.1.2硬度hardness

硬度——金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力1、布氏硬度（HB）原理：HB=0.102×金属种类布氏硬度值范围试样厚度（mm）负荷F（kgf）与钢球直径D的相互关系钢球直径D（mm）负荷F（N（kgf））负荷保持时间（秒）钢铁140~4506~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)10<140>66~3<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)10非铁金属>1306~34~2<2F=30D210.05.02.529420(3000)7355(750)1839(187.5)3036~1309~33~6<3F=10D210.05.02.59807(1000)2452(250)613(62.5)308~35>66~3<3F=2.5D210.05.02.52452(250)613(62.5)153(15.2)60

表1-1测定布氏硬度应遵守的条件布氏硬度的书写表示方法①硬度数据；②布氏硬度符号；③球体直径；④试验力（kgf）；⑤试验力保持时间（1015s不标注）压头为钢球（用于HB≤450的材料）HBS；压头为硬质合金球（用于HB=450650的材料）HBW例如，120HBS10/1000/30，表示直径10mm的钢球在1000kg(9.807kN)试验力的作用下，保持了30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的特点测值准确；操作麻烦；不能测成品、大量需逐件检验的材料硬度适用范围

组织粗大且不均匀的金属材料的硬度,如铸铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品2、洛氏硬度

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：K=0.2钢球压头：K=0.26◆原理：表1-2常

用

洛

氏

硬

度

值

符

号及

试

验

条

件

标尺硬度符号压头型号初载+主载=总载荷（N（kgf））常用范围应用举例AHRA金钢石圆锥98.07+490.3=588.4(10+50=60)70~85碳化物、硬质合金、表面淬火钢BHRB钢球1.588mm98.07+882.6=980.7(10+90=100)25~100软钢、退火钢、铜合金等CHRC金钢石圆锥98.07+1373=1471(10+140=150)20~67淬火钢、调质钢等◆洛氏硬度的特点：操作简便；测值离散性大◆适用范围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硬度。◆硬度的书写表示方法：如25HRC1.1.3冲击韧度——金属材料在冲击载荷作用下表现出来的抵抗破坏的能力

冲击功Ak=G(h1-h2)（J）冲击韧度k=Ak/S0(J/cm2)1.1.4疲劳强度金属的疲劳——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

◆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）裂纹扩展突然断裂◆疲劳断口特征

◆疲劳强度

—材料在长期（无数次）经受交变载荷作用

下，不至引起断裂的最大应力

机械零件的传统强度设计为σ<[σ]=σ0.2/n(n为安全系数),

有些高强钢制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。1.1.5断裂韧度裂纹尖端附近应力场示意应力强度因子：衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量Y：与裂纹形状、试样几何尺寸及加载方式有关的一个无量纲的系数（一般为1～2）；：外加应力（N/mm2）；a：裂纹的半长（mm）断裂韧度（KⅠC）：导致裂纹失稳扩展而使材料脆断的应力强度因子的临界值KⅠC表明了材料抵抗裂纹扩展的能力，即有裂纹存在时，材料抵抗脆性断裂的能力。当

KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断1、习题4：低碳钢做成的原直径为φ10mm的圆形短试样经拉伸试验，在试验力为21100N时屈服，试样断裂前的最大试验力为34500N，拉断后长度为65mm，断裂处最小直径为φ6mm。试计算σs、σb、δ5、ψ。题图22、习题3：图所示为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小，并指出屈服强度的确定方法。3为什么相同材料进行拉伸试验时，短试样所测得的伸长率（δ5）要比长试样测得的伸长率（δ10）大一些？4下列硬度要求和写法是否正确？为什么？HBS1505~10HRCHV800~8505甲、乙、丙三种材料的硬度分别为45HRC、800HV、240HBS，试比较这三种材料硬度的高低。6、分析下列现象属什么性能不符合要求？紧固螺栓使用后变形伸长。某轴段磨损速度极快。某杆状零件使用时发生突然断裂现象。7、下列说法是否正确？为什么？机械在运行中各零件都承受外加载荷，材料强度高的不会变形，材料强度低的就会变形。材料的强度高，其硬度就高，耐磨性也就好。强度高的材料，塑性都低。弹性极限高的材料，所产生的弹性变形大。1.2.1金属的晶体结构与结晶1、金属的晶体结构◆晶体：原子（离子或分子）具有规则排列的物质◆晶格(crystallattices)：把晶体中的原子看成刚性小球，用假想的线条把各原子的中心连接起来所构成的空间格架（1）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◆晶胞(unitcell)：晶格中能代表晶格特征的最基本的单元体心立方晶格（body-centeredcubic）晶格常数：a晶胞内原子数：2致密度：0.68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体积之比原子半径:a致密度==0.68或68%面心立方晶格(face-centeredcubic)晶格常数：a晶胞内原子数：4致密度：0.74典型金属：-Fe、AI、Cu、Ni原子半径：密排六方晶格(close-packedhexagonal)晶格常数：a、c，c/a=1.633晶胞内原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74典型金属：Be、Mg、Zn（3）实际金属中的晶体缺陷

◆单晶体◆多晶体：◆晶界：晶粒与晶粒之间的界面1）点缺陷(空位、间隙原子)对结构的影响：引起晶格畸变对性能的影响：使金属的强度、硬度升高产生原因：原子热运动点缺陷处在不断运动变化中2）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有规律的错排现象对结构的影响:引起晶格畸变对性能的影响：少量位错使金属的强度降低，大量位错使金属的强度升高线缺陷固定不变？产生原因：局部塑性变形、结晶过程中3）面缺陷（晶界、亚晶界）晶界特点：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金属晶体中有缺陷是件坏事？◆面缺陷对性能的影响——常温下，使金属的强度、硬度提高亚晶界：亚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2、金属的结晶Request

：1、掌握结晶、过冷度的概念及获得细晶粒铸件的方法2、了解结晶的基本过程（1）结晶的概念—--金属由液态转变为晶体固态的过程熔点用热分析法测定◆过冷度：平衡结晶温度与实际结晶温度之差T0Tn△T温度温度时间时间（2）结晶过程1、晶核的形成2、晶核长大长大方式：枝晶成长自发形核/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、硬度越高，塑性、韧性越好（3）影响结晶后晶粒大小的因素及细化晶粒的措施◆影响结晶后晶粒大小的因素1、形核率（N）：单位时间单位体积内的形核数2、生长率(G)/晶核的长大速度△TNGNG结晶时的冷却速度(△T)越大，金属的晶粒越细◆获得细晶粒铸件的方法：1、增大冷却速度（过冷度）

(采用金属铸模、镶嵌冷铁)2、变质处理---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）3、施加振动合金：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

组元：组成合金的独立的最基本的物质合金系：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金系。1.2.2合金的晶体结构与结晶（1）固溶体：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

1、合金的晶体结构

----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相：金属及合金中化学成分相同、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中形成的固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置形成的固溶体◆固溶体的分类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固溶强化solidsolutionstrengthening：通过溶入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◆固溶体的性能特征：1）具有明显的金属特性2）可以用分子式表示其组成3）硬度高，脆性大，熔点高

4）具有复杂的晶体结构（2）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

相图：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也称状态图或

平衡图2.合金的结晶（1)合金相图的建立

2)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Cu—Ni合金合金Ⅰ100%Cu0%Ni合金Ⅱ80%Cu20%Ni合金Ⅲ60%Cu40%Ni合金Ⅳ40%Cu60%Ni合金Ⅴ20%Cu80%Ni合金Ⅵ0%Cu100%Ni热分析法以铜镍合金为例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ温度时间温度Ni%Cu20406080Ni5、4)将各临界点标在相应的温度—成分坐标系中,将意义相同的点连接起来3)找出各冷却曲线上的临界点LL+

液相线固相线温度Ni%Cu20406080NiAB12（2）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-Fea-Fe-Fe-Fe-Fe-Fea-Fe1.3铁碳合金相图1.3.1铁碳合金的基本组元和相1、纯度时间含碳量：727C——0.0218%

室温——0.0008%性能：强度、硬度低，塑性、韧性好2、铁素体ferrite（F、）：碳在a-Fe中的间隙固溶体性能：强度、硬度低，塑性、韧性好3、奥氏体（A、）：碳在-Fe中的间隙固溶体含碳量：1148

C——2.11%727C——0.77%4、渗碳体（Fe3C）：铁和碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物性能：硬度极高，脆性极大，强度、塑性、韧性极差含碳量：6.69%1.3.2铁碳合金相图分析F+Fe3CA+Fe3C

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69A:纯铁的熔点1、相图中的点E:碳在-Fe中的最大溶解点S:共析点(0.77%C,727°C)C:共晶点（4.3%C,1148°C)D:渗碳体的熔点F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69P：：碳在-Fe中的最大溶解度点G：-Fe与-Fe的同素异晶转变点Q：碳在-Fe中的溶解度点F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69AECF:固相线

2、相图中的线ACD:液相线ECF:共晶线共晶反应：一定成分的液相在某一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F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69莱氏体ledeburite(Le、Ld)：共晶反应得到的奥氏体和渗碳体的机械混合物低温莱氏体的性能：硬度高、脆性大，强度、塑性、韧性很低

共析反应：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体的相变过程PSK:共析线F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69珠光体pearlite（P）：共析反应得到的铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体的性能：强度较高，硬度、塑性、韧性介于铁素体和渗碳体之间GS:含碳量小于0.77%的铁碳合金在冷却时自奥氏体中析出铁素体的开始线

ES: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F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691）工业纯铁（含碳量≤0.0218%）2）钢（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3）白口铸铁（C=2.11-6.69%）铁碳合金的分类F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.692）钢

共析钢：C=0.77%

亚共析钢：C=0.0218-0.77%过共析钢：C=0.77-2.11%F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.693）白口铸铁

共晶白口铸铁：C=4.3%亚共晶白口铸铁：C=2.11-4.3%

过共晶白口铸铁：C=4.3-6.69%F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691、共析钢F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.692、亚共析钢F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.693、过共析钢AL+ALAA+Fe3CGPS

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C4、共晶白口铸铁Le’(p+Fe3C)

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C5、亚共晶白口铸铁

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3C6、过共晶白口铸铁

C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKG06.69A+Fe3CF+Fe3CF+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.691.3.4铁碳合金相图在工业中的应用

1、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

F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69C<0.9%,C强度、硬度，塑性、韧性C>0.9%,C硬度，强度、塑性、韧性（2）含碳量对铁碳合金力学性能的影响

F+Fe3C

ⅢPF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡLe’A+Fe3CⅡ+LeP+Fe3CⅡ+Le’LeLe+Fe3CILe’+Fe3CI

温度C%FeFe3CLAL+AL+Fe3CF+AFADECFPSKGQ06.69铸造性:钢的铸造性能比铸铁差可锻性:白口铸铁不能锻造低碳钢比高碳钢好(3)含碳量对铁碳合金工艺性能的影响可焊性:低碳钢可焊性好，随着含碳量增加钢的可焊性变坏。高碳钢的可焊性差，一般多用于修补工作。铸铁的可焊性更低劣。切削加工性:低碳钢切削加工性较差。高碳钢切削加工性也较差。中碳钢削加工性较好。白口铸铁很难进行切削加工。

选材方面2、铁碳合金相图的应用建筑结构、型钢、船舶（塑性、韧性好、焊接性好）——低碳钢机械零件（强度、塑性、韧性良好配合）