第1章金属的热处理

1.1金属材料的性能1.2金属材料的晶体结构1.3铁碳合金的基本组织与铁碳相图第1篇金属的热处理

第1章金属材料基础知识主要内容金属材料的历史地位

材料发展与社会进步有着密切关系，它是衡量人类社会文明程度的标志之一。历史学家按照人类所使用的材料将人类历史划分为:

石器时代青铜器时代铁器时代

目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。第1章金属材料基础知识图越王勾践剑第1章金属材料基础知识Steelmakingflowlines

SteelFinishingflowlines

金属材料金属材料的分类黑色金属有色金属铸铁

钢

工程构件用钢机器零件用钢

工具钢

特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)

重金属(铜,锌,铅,镍)

贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)

放射金属(镭铀钍)结构金属材料功能金属材料第1章金属材料基础知识第1章金属材料基础知识1.1金属材料的性能1.1.1金属材料的力学性能力学性质：指材料受外力作用时所表现的性能。图低碳钢的应力—应变曲线（1）强度（单位：MPa)

屈服强度σs——材料抵抗微量塑性变形的能力。抗拉强度σb——材料抵抗断裂破坏的能力。（2）塑性概念:材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。指标:伸长率(δ/%)、断面收缩率(ψ/%)（3）弹性与刚度弹性：弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后恢复到原来的形状和大小的一种特性。指标：弹性模量、比例极限σp

、弹性极限σe等。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力指标：弹性模量（4）硬度

概念：材料抵抗局部塑性变形的能力。表示方法：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)。

图维氏硬度测试仪

1）布氏硬度kgf/mm2式中A压—压痕球形表面积，mm2

Ｄ—压头直径，mm2

ｄ—压痕平均直径，mm。kgf/mm2

(试验力F单位用kgf)

HBS用于测试硬度值小于450的材料；HBW用于测量硬度值在450～650范围的材料。布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理的钢材的硬度，如半成品和原材料。

2）洛氏硬度

式中，C为常数，压头是金刚石圆锥时，C＝100；压头为淬火钢球时,C＝130。

2）洛氏硬度

2）洛氏硬度

洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，主要用于测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。

3）维氏硬度压头是锥面夹角为136°的金刚石四棱椎体。Kgf/mm2

式中F—试验力，N

Ao—压痕面积，mm2d—压痕对角线的算术平均值，mm。

3）维氏硬度

维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N），压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03~980.7N），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。（5）冲击韧性韧性是指材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。韧性的判据通过冲击试验来测定。

（6）疲劳强度

循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σb，甚至小于σS强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，金属疲劳的判据是疲劳强度。

（6）疲劳强度在工程上，疲劳强度是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。一般规定，钢铁材料的应力循环次数取107，有色金属取108。提高工件疲劳强度的方法：合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等。图疲劳曲线1.1.2金属材料的物理性能（1）密度比强度：材料的抗拉强度与密度之比。元素周期表中原子序数越小的元素，其密度越小。（2）熔点熔点是指材料的熔化温度。（3）热膨胀性线膨胀系数：温度升高1℃时单位长度材料的伸长量。（4）导热性

热导率——在单位温度梯度下，单位时间内通过垂直于热流方向单位截面积上的热流量。导热性最好的金属是银，铜和铝。（5）导电性常用电阻率表示材料的导电性。导电性最好的金属是银，铜和铝。1.1.3金属材料的化学性能耐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。（1）耐蚀性材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力称为耐蚀性。（2）抗氧化性材料抵抗高温氧化的能力称为抗氧化性。第一章金属材料基本知识1.2金属材料的晶体结构1.2.1晶体与非晶体1.2.2金属的实际晶体结构1.2.3合金的相结构第一章金属材料基本知识纯铁纯铜纯铝晶体1.2.1晶体与非晶体晶体——内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定的熔点和各向异性的特征。非晶体——内部原子在空间上排列没有规则性。玻璃沥青松香非晶体第一章金属材料基本知识图晶体示意图（1）金属的晶体结构1.2.1晶体与非晶体

晶格——抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格子称为晶格。

晶胞——根据晶体中原子排列规律性和周期性的特点，从晶格中选取一个能够充分反映原子排列特点的最小几何单元。1.2.1晶体与非晶体第一章金属材料基本知识（2）常见金属的晶格类型图常见金属晶格的晶胞1.2.1晶体与非晶体三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格铬、钼、钨、钒等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、α钛等1.2.1晶体与非晶体第一章金属材料基本知识1.2.2金属的实际晶体结构单晶体——结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。多晶体——由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。图单晶硅棒第一章金属材料基本知识晶体的缺陷

（1）点缺陷

最常见的点缺陷有空位、置换原子和间隙原子等。

由于点缺陷的出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象，这种现象称为晶格畸变。1.2.2金属的实际晶体结构(1)点缺陷第一章金属材料基本知识图点缺陷示意图1.2.2金属的实际晶体结构第一章金属材料基本知识（2）线缺陷

线缺陷主要指的是位错。

最常见的位错形态是刃型位错。1.2.2金属的实际晶体结构（2）线缺陷图刃型位错晶体结构示意图第一章金属材料基本知识1.2.2金属的实际晶体结构第一章金属材料基本知识（3）面缺陷通常指的是晶界和亚晶界。实际金属材料都是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层。1.2.2金属的实际晶体结构图晶界示意图第一章金属材料基本知识（3）面缺陷1.2.2金属的实际晶体结构第一章金属材料基本知识晶粒大小及其控制

实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。

一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、硬度就愈高,塑性、韧性也愈好，综合力学性能好。1.2.2金属的实际晶体结构第一章金属材料基本知识细化晶粒、改善性能的方法增加过冷度变质处理其他机械振动超声波振动电磁振动变质处理——向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。第一章金属材料基本知识1.2.3合金的相结构合金——一种金属元素与其他金属或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。例如碳钢就是铁和碳组成的合金。組元——组成合金的最基本的独立物质称为组元。组元可以是金属元素或非金属元素，也可以是稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成合金称为三元合金。第一章金属材料基本知识合金系——由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金。例如，铜和镍组成的一系列不同成分的合金，称为铜—镍合金系。1.2.3合金的相结构相——合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。

液态物质称为液相；固态物质称为固相。

同样是固相，有时物质是单相的，而有时是多相的。第一章金属材料基本知识组织——用肉眼或借助显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态。

组织是决定材料最终性能的关键。

在研究合金时通常用金相方法对组织加以鉴别。1.2.3合金的相结构第一章金属材料基本知识合金的相图固溶体的两种类型(1)固溶体1.2.3合金的相结构第一章金属材料基本知识金属化合物机械混合物——固溶体+少量金属化合物。

工程上使用的大多数合金的组织都是固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态和分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变化，从而满足工程上的多种需求。1.2.3合金的相结构1.3铁碳合金的基本组织与铁碳相图1.3.1纯铁的同素异构转变同素异构转变——金属在固态下晶格类型随温度发生变化的现象。1538℃1394℃912℃L→δ－Fe→γ－Fe→α－Febccfccbcc第一章金属材料基本知识1.3.2铁碳合金的基本相铁碳合金的基本组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体第一章金属材料基本知识(1)铁素体

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。

铁素体由于溶碳量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。1.3.2铁碳合金的基本相第一章金属材料基本知识(2)奥氏体

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A（或）表示。

奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。1.3.2铁碳合金的基本相第一章金属材料基本知识(3)渗碳体

渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。

渗碳体中的碳的质量分数为6.69%，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性几乎为零。1.3.2铁碳合金的基本相第一章金属材料基本知识

(4)珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

珠光体中ωC为0.77%，力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。1.3.2铁碳合金的基本相第一章金属材料基本知识(5)莱氏体

莱氏体是ωC为4.3%的合金，缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。

莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。1.3.2铁碳合金的基本相图简化的Fe-Fe3C相图第一章金属材料基本知识1.3.3铁碳合金相图第一章金属材料基本知识(1)Fe-Fe3C相图中典型点的含义如表所示1.3.3铁碳合金相图第一章金属材料基本知识(2)Fe-Fe3C相图中特性线的意义如表所示1