汽车材料课件

第2章金属的性能

第1章绪论

第3章金属与合金的结构及铁碳合金相图

第4章碳素钢

第5章钢的热处理

第6章合金钢

第7章铸铁

第8章有色金属

第9章非金属材料

第10章汽车燃料

第11章汽车用润滑材料及工作液

第12章汽车轮胎

第13章金属加工基础知识

第14章金属零件常见切削加工

第15章金属零件选材及工艺路线分析

第16章汽车美容、涂装及养护材料

材料是现代科学技术的基石。材料之所以重要,在于采用不同化学成分或不同制备加工工艺,可以获得具有不同性质和使用性能的材料,从而可以适用于各种特定的场合。因为材料的性能决定于其成分、组织、结构,所以从本质上了解材料就应当由其成分、组织、结构与性能的关系入手。材料是人类生产和生活所必需的物质,人类社会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。 汽车是多种科技发展的产物（包括材料科学、机械工业、电子工业、仪表工业等）。就汽车工业来讲,材料也是汽车工业的基础。一辆汽车由成千上万个零件组成。而这些零件是用不同的原材料制造的,有钢铁、铜、铝、橡胶、木材、工程塑料等。制成汽车零件还要采用第1章绪论2奔图1.1奔驰敞篷豪华跑车各种加工方法,如采用铸造、压力加工、焊接、热处理、金属切削加工以及钳工加工等方法,除金属材料的加工方法以外,还有轮胎制造、玻璃的制造、各种燃料的提炼等其他加工方法。 现代汽车由于电子技术的发展而发生了革命性的变化。由于发动机电控技术、整车电子技术等新技术和新材料在汽车上的应用,使得汽车向更安全、可靠、节能、价廉、舒适、低污染方向发展,成为国民经济中的一个重要支柱。 小知识 德国老牌汽车制造商戴姆勒驰在底特律车展上推出了全新设计的第六代SL双门双座硬顶敞篷豪华跑车（见图1.1）,延续了其60年以来的传统。新一代奔驰SL车身更轻,动力更强劲,为驾驶者提供了更多的驾驶乐趣。新一代奔驰SL首次采用全铝结构车身（见图1.2）,

图1.2全铝结构车身通过精密的设计,质量比它的前代减轻了140kG而强度不减。仅在如A柱等少数部分为保证安全性使用钢结构加强,而可折叠顶篷框架是由更轻的镁材料构成。高端的SL500车型重1785kG,而入门级的SL350重1685kG,分别比它们的前代轻了125kG和140kG。高强度、低3质量的车身在保障安全性的同时,也为敏捷的操控和优秀的运动性能奠定了基础。 一辆汽车由约3万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及材料问题。据统计,汽车上的零部件采用了4000余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制造,到汽车的使用、维修和养护无一不涉及材料。以现代轿车用材为例,按照质量来换算,钢材占汽车自重的55％～60％,铸铁占5％～12％,有色金属占6％～10％,塑料占8％～12％,橡胶占4％,玻璃占3％,其他材料（油漆、各种液体等）占6％～12％。目前,汽车制造用材仍以金属材料为主,塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料占有一定的比例。公路运输在国民经济中起动脉作用。汽车必须在公路上行驶。若要行驶,必须有动力来源,即必须有燃料—汽油、柴油等；若要行驶,汽车各零件之间、各部件之间、各总成之间就必然要发生相对运动。由于运动的存在,相互间一定会产生摩擦,消耗功率。为了降低消耗,必须加入各种润滑材料。虽然采取了各种措施,但汽车在运行过程中,随着行驶里程的增加,零件因磨损、腐蚀、变形和疲劳等而逐渐损伤,使零件原有的尺寸、形状、表面质量等发生变化,导致汽车动力性下降、经济性降低、可靠性变坏。为了恢复汽车的使用性能,必须进行保养和维修。保养和维修过程中同样需要合理选用材料和采用各种方法,除此以外还要采用其他的一些修理工艺方法。因此,汽车修理及技术服务相关从业人员必须学习汽车材料这门课程。 汽车材料课程是汽车相关专业的一门综合性技术基础课。它的目的是使学生掌握金属材料与热处理和金属材料与非金属材料的性能、用途以及各种加工方法的基本知识,为学习其他有关专业课程和参加生产技术实践工作奠定必要的基础。本课程的主要内容包括以下4部分：①汽车材料基础知识。介绍汽车零件所使用的金属材料与非金属材料的结构、牌号、性4能、用途等的有关知识和运行使用材料（燃油、润滑剂等）的组成、性能、牌号、用途以及热处理的基础知识。②热加工基础知识。介绍铸造、压力加工、焊接等的原理、工艺方法的有关知识。③冷加工基础知识。介绍车、铣、刨、磨、钻、镗等的理论基础和工艺方法的有关知识。④汽车美容养护材料。介绍汽车美容、养护、涂装等材料、用品的相关知识。1.1汽车材料的分类汽车材料是指生产汽车以及汽车在运行过程中所用到的材料。一般按照用途可分为汽车工程材料、汽车运行材料和汽车美容养护材料等。1.1.1汽车工程材料

工程材料主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料。它既包括用于制造工程构件和机械零件的材料,也包括用于制造工具的材料和具有特殊性能的材料。汽车工程材料是指用于制造汽车零部件的材料。汽车工程材料大致可分为金属材料和非金属材料两大类。常用的汽车工程材料,如图1.3所示。5

汽车零部件材料以金属材料为主,金属材料中又以钢铁材料的用量最多。有色金属和非金属材料因具有钢铁材料所没有的特性,因此在汽车制造中也得到广泛应用。 近年来,为适应汽车安全性、舒适性和经济性的要求,以及汽车低能耗、低污染的发展趋势,要求汽车减轻自重以实现轻量化,所以在汽车制造中钢铁的用量有所下降,而有色金属、非金属材料和复合材料等新材料的用量正在上升。 小知识 尼龙材料在汽车发动机上的应用 汽车进气歧管过去是用金属制造的,如今是由玻璃加尼龙制造而成,尼龙作为金属的替代品降低了30％的生产成本,质量减低了一半,提高了燃油效率。尼龙成型件的低质量和部件6图1.4散热器风扇图集成能力,使其制成的散热器风扇（见图1.4）、进气歧管（见图1.5）比相应的金属制品质量减轻了很多,并且还具有优异的热稳定性、高硬度、低热变形和耐磨耗能力。

图1.5

进气歧管例如,铝合金、镁合金等有色金属越来越多地替代钢铁材料用于制造汽车构件；工程塑料也广泛用于汽车保险杠、内外饰覆盖件以及高档车用安全玻璃等各种部件；复合材料以其特有的质轻、耐冲击和便于加工异形曲面等良好性能,用于制造汽车车身和其他大型的结构件。此外,陶瓷、合成纤维及其他高分子材料也都在汽车上得到应用,并且范围逐步扩大。各种性能优越的新材料的应用,促进了汽车性能的提高和汽车工业的发展。

1.1.2汽车运行材料 汽车运行材料通常是指汽车赖以运行并且在运行过程中因消耗而需不断补充、更新的消耗性材料。它主要包括燃料、润滑油、工作液及轮胎等。这些材料大多属于石油产品。汽车运行材料的大致分类如图1.6所示。7

（1）汽车燃料 汽车作为交通工具在道路上行驶,需要消耗燃料以提供动力。目前,汽油和轻柴油是汽车的主要燃料。近年来为了减少石油的消耗,降低排放污染,开发了乙醇汽油、液化石油气和天然气等汽车新能源。如图1.7所示为正在加注汽油的轿车和使用天然气罐的轿车。

图1.7加注汽油的轿车和使用天然气的轿车8

（2）汽车用润滑油 汽车在运行中,为了减少各运动零部件之间的摩擦及磨损,延长机件的使用寿命,就必须使用各种润滑材料。常用的润滑材料有发动机润滑油、车辆齿轮油和润滑脂等。发动机润滑油主要是对发动机的曲轴、连杆、活塞、汽缸壁、凸轮轴、气门等摩擦零件进行润滑。车辆齿轮油主要用于变速器、后桥齿轮等传动机构摩擦处的润滑。润滑脂主要用于汽车传动轴（十字轴轴承、滑动叉）、轮毂轴承、钢板弹想一想： 发动机为什么需要润滑材料？簧销、转向节销、万向节销等部位的润滑。如图1.8所示为正在给发动机添加润滑油。 （3）汽车工作液 汽车的各个工作系统需使用各种工作介质用以保障汽车的正常工作和安全行驶。例如,液压制动系统需使用的制动液,冷却系需使用的冷却液,自动变速器需使用的液力传动油（即自动变速器油）,以及减振器油、液压油和制冷剂等工作介质,这些材料统称为工作液。如图1.9所示为正在为汽车添加冷却液。9图1.8给发动机添加润滑油

图1.9汽车添加冷却液

（4）汽车轮胎 轮胎的主要作用是保证车轮与路面有良好的附着性,以提高汽车的牵引性、制动性和通过性；缓和汽车行驶时所受到的冲击,并衰减由此而产生的振动；承受汽车的重力,传递驱动力矩和制动力矩。因此,轮胎必须有适宜的弹性和承受载荷的能力,其胎面部分应具有用以增强附着作用的花纹,此外,还应具有防老化和耐磨损的能力。随着汽车工业的迅速发展,应运而生的新型轮胎的出现将进一步提高车辆的驾乘安全性,也更加有利于环境保护。总之,汽车材料的种类繁多,性能各异,它们是汽车制造、运行和维护的基础。汽车的各项使用性能和使用寿命都离不开所用材料的性能。因此,只有了解汽车材料的性能及其应用,才能正确、合理地选用材料,使汽车充分发挥其良好的技术和经济性能。小知识： 汽车轮胎对安全非常重要,更换时最好同轴的轮胎一起换,为什么？101.1.3汽车美容养护材料

现代社会人们对汽车的要求不仅仅在于其卓越的性能和质量,而且越来越重视汽车的审美价值。汽车,特别是轿车,在具有优良的技术性能的同时,还要具有清洁、美观的内外装饰。所以,近年来应运而生了大量的汽车美容护理与汽车养护材料。

汽车美容不只是简单的汽车打蜡、除渍、除臭、吸尘及车内外的清洁服务等常规美容护理,还包括利用专业美容系列产品和高科技设备,采用特殊的工艺和方法,对漆面增光、打蜡、镀膜及深浅划痕处理,全车漆面美容,底盘防腐涂胶处理和发动机表面翻新等一系列养车技术。专业的汽车美容在于它具有严格的系统性、规范性和专业性,从而使汽车经过专业美容后外观洁亮如新,漆面亮光保持长久,以达到“旧车变新,新车保值”的目的。深划痕则需采用喷涂施工的方法,对车身漆面进行修补,这就需要涉及涂装材料的知识。目前大部分轿车都会选择汽车贴膜,车膜不仅能遮挡太阳的紫外线辐射,降低车内温度,还具有良好的装饰作用和安全保护性能,这些都属于汽车美容材料范畴。汽车养护材料主要包括各种燃油添加剂、发动机去油腻清洗剂、发动机保护剂等,其主要作用是清洁积炭、杂质、油腻等,使汽车性能保持得更长久。汽车上常用的美容、养护用品如图1.10所示。11图1.10常用汽车美容养护用品1.2汽车材料的发展汽车工业的发展一直是与汽车材料及材料加工工艺的发展同步的。现代社会中,人们对12汽车的要求从代步、运输逐渐转向多功能。因此,现代汽车要满足安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求,首先就要从材料方面考虑。总体来说,随着现代新材料、新技术的不断发展,以及现代社会人们生活水平和环境意识的提高,汽车轻量化和减少污染已成为汽车工业发展的主流方向。 （1）汽车工程材料的发展

对于汽车工程材料来说,总的发展趋势是结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降,有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。在性能允许的情况下,尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。随之而来的是大量复合材料、陶瓷材料、特殊用途材料（耐蚀、耐高温、隔光、隔热材料等）的用量呈增长趋势。 为了满足汽车轻量化的要求,汽车上采用了纤维增强聚合物基复合材料（FRP）、铝合金或纤维增强金属基复合材料（FRM）的零件取代原有的钢结构零件；采用新型高强度陶瓷材料制造汽车发动机部件乃至整机；运用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制造驱动轴等。此外,汽车运行材料趋向采用绿色环保材料或燃料。这些措施使汽车向轻量化、高效、节能、低噪声、高舒适度以及高安全性方向发展。如图1.11所示为汽车用碳纤维零部件。13图1.11汽车用碳纤维零部件

图1.12采用纳米镀处理的轮毂近年来刚刚发展起来的纳米材料,对传统材料带来一定的冲击。与常规材料相比,纳米材料体现出许多新奇特性,其光、热、电磁等物理性质与常规材料不同。例如,纳米金属材料的电阻率会随尺寸的变化而变化；氧化物纳米材料对红外线微波有良好的吸收特性和光致发光现象。另外,由于纳米材料的化学性质也与常规材料截然不同,可开发出许多在传统工艺中难以生产的材料。例如,将金属纳米颗粒放入常规陶瓷中可大大改善材料的力学性质,放入金属或合金中可以使晶粒细化,纳米氧化铝加到透明玻璃中,既不影响透明度又提高了抗高温冲击的能力。如图1.12所示为采用纳米镀处理的轮毂。 正在研究的纳米陶瓷材料在硬度、韧度和变形性等方面较传统陶瓷将有突破性的发展,既可降低成本,又可提高经济效益；此外,纳米技术还广泛应用于汽车玻璃、纳米塑料合成、橡胶改性等方面。据记载,日本本田汽车现在已经制造出体积仅有米粒大小而且能开动的汽车。 对于汽车制造业,纳米技术也在近年来不断被开发。在汽车纳米材料和技术的开发中,迄14今为止所取得的有实用价值的成果是生产了微电子零部件,这些部件最常应用于汽车安全气囊的传感器。由我国最近研发的纳米汽油是纳米技术在汽车上的又一个具体应用。纳米汽油具有节约燃油、降低污染、改善车辆性能等特点。据测,在汽油中加入微乳化剂制成的纳米汽油,油耗可以降低10％～20％,动力性能提高25％,尾气排放污染物可降低50％～80％。（2）汽车运行材料的发展

现代汽车的结构日趋复杂,性能日益提高,汽车运行时的热负荷、机械负荷不断强化,加上世界性能源危机加剧,据预测,石油资源只能供给全世界使用到2040—2050年。石油资源日渐枯竭匮乏,人类赖以生存的大气环境、生态环境恶化加剧。为了兼顾汽车、能源、环境三者的状况,今后汽车运行材料必然朝着多功能、高性能、低消耗、长寿命、节能、低污染（包括低排放、低噪声）的方向发展。目前,在汽车用燃料方面,世界各国都在研究采用新型燃料炼制和应用技术,包括研制采用各种高效、节能燃料添加剂,不断提高燃料品质、性能和应用水平。一些工业发达国家研究用新型能源（氢、电、太阳能等）代替或部分取代传统车用燃料—汽油、柴油的工作已取得进展。燃氢汽车、蓄电池电动车、光电池电动车等各种能源汽车的前期样车或模型车已经问世。可以预料在不久的将来,随着燃料工业、汽车制造业和低温超导、蓄电池技术的进步,汽车燃料用传统的汽油、柴油一统天下的格局将被打破。

在汽车润滑材料方面,由于润滑材料添加剂、复合配方及综合炼制技术的高速发展,美、德等国已经开始生产所谓“超级强化通用型”发动机油和齿轮油,可适用于目前生产的所有汽车。这类发动机油、齿轮油的润滑性能高,抗氧化、抗腐蚀、去污和散热能力极强,性能稳定,使用寿命长,不受环境气温限制,可以全球全年通用。采用这类材料润滑的发动机,传动器摩擦小,工作零件表面可以始终保持光亮如新,没有油腻污染,降低燃料消耗及行车成本,延长零件15使用寿命,实现不换油。目前,这类产品由于生产成本高、价格昂贵,尚未大批量投放市场推广应用。但是,未来汽车的润滑材料,无论是润滑油还是润滑脂,向“超级强化通用型”方向发展已是大势所趋。

此外,随着科学技术的不断进步,新材料、新工艺、新设备、新的配方设计和新的产品结构设计的不断涌现,特别是计算机应用技术的普及和发展,新型轮胎不断问世,如活面轮胎、无内胎轮胎、调压轮胎、拱形轮胎、子午线轮胎等,世界轮胎工业转向了技术革新和技术革命的方向,汽车轮胎产品也正朝着节能、轻量、高速、安全、耐用、舒适、低能耗、低噪声的方向发展。1.3汽车材料课程学习方法及任务（1）学习方法

内容上既要注意理解基本概念和基本原理,又要注意掌握工艺特点,逐步熟悉常用技术名词、符号和材料牌号。在学习中不仅要认真学习系统的理论知识,而且要重视实验等实践性教学环节。实践是培养学生观察、分析、动手能力,获得一定实验技能的重要教学环节。为此,学生必须认真阅读实验课内容,在教师和实验员指导下动手做好实验报告。课后要求学生认真完成教师布置的练习题。练习题侧重于基本概念和综合运用；有一些是生产中的实际问题,它是为了培养学生将所学的知识灵活运用,提高分析问题、解决问题的能力。

本课程具有较强的理论性和应用性,学习中应注重分析、理解与运用,并注意前后知识的衔接与综合应用；为了提高分析问题、解决问题的能力,在理论学习之外,还要注意密切联系生16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,故本课程应安排在金工教学实习和物理、化学、材料力学、金属工艺学等课程后进行；本课程涉及的知识面较广,内容较丰富,在教学中应多采用直观教学、电化教学和启发式教学,并培养学生的自学能力,以增加课堂的信息量和课时的利用率,并应在后继课程和生产实习、课程设计、毕业设计等教学环节中反复练习、巩固提高。可以说,汽车的发展是以材料和材料加工工艺的发展为基础的,两者的发展必然是同步的,而层出不穷的新材料和新工艺也为现代汽车的更新提供了必要的条件。汽车工业的发展与“汽车材料”这门课程之间的关系尤为密切,汽车维修人员不得不修读汽车材料课程,掌握汽车材料及相关加工工艺知识。（2）学习任务通过上述内容的学习,应完成以下基本任务：①掌握汽车用金属材料的基本概念,常用金属材料的牌号、性能及在汽车上的应用状况及发展趋势。②了解常用金属材料的结构、性能和应用之间的一般关系。③基本掌握热处理的原理、分类、各种方法以及在汽车上的应用。④掌握汽车用非金属材料的分类、使用特性及在汽车上的应用状况和发展趋势。⑤掌握汽车运行材料的分类、品种、牌号主要规格及使用性能。⑥能识别常用金属材料牌号。⑦初步具备分析非金属材料特性及应用状况的能力。⑧具备正确选择、使用运行材料的能力。⑨了解在用润滑油的质量并能进行监测试验。17第1部分汽车工程材料18

本章概述 金属材料是工业生产中最重要的材料,广泛应用于机械制造、交通运输、国防工业、石油化工和日常生活各个领域。生产实践中,往往由于选材不当会造成机械达不到使用要求或过早失效。因此,了解和熟悉金属材料的性能成为合理选材、充分发挥工程材料内在性能潜力的重要依据。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能,它包括力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能是指金属材料在加工工艺过程中所具有的和表现出来的性能,它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理第2章金属的性能19工艺性能等。在机械制造领域选用材料时,大多以力学性能为主要依据。因此,必须首先了解金属材料的力学性能。所谓金属的力学性能是指金属材料受到各种载荷（外力）作用时,所表现出的抵抗能力。力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限等。教学目标1.掌握金属材料的物理化学及工艺性能。2.掌握金属材料的强度与塑性、冲击韧性、硬度的概念。3.理解疲劳强度和断裂韧性。

汽车在行驶过程中承受一定的载重量,汽车上的各个零件均会受到外力的作用,不同的零件所承受的外力是不同的。有的力使零件产生相对运动和变形,有的力则只使零件发生变形而不产生相对运动。如发动机中的曲轴,它所承受的外力使曲轴产生转动,同时使曲轴发生弯曲变形与扭转变形；连杆所承受的外力使连杆产生拉长与缩短,同时也发生相对运动；发动机缸盖螺栓,为了保证汽缸的密闭性,始终承受拉力；变速器中的齿轮齿部承受交变接触压力与弯曲力。应

由上可知,在汽车的制造和维修中,为了正确、合理地使用和加工材料,应充分了解和掌握材料受各种压力作用时所表现出来的性能。因此,先研究金属材料在汽车的使用和制造过程中应具备哪些使用性能和工艺性能。所谓使用性能,是指在使用条件下所表现出来的性能,它包括力学（机械）性能、物理性能和化学性能3个方面。所谓工艺性能,是指在加工过程中表现出来的性能,它包括切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能等。力学性能是指金属在压力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力变关系的性能。20材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质不同,可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷3种。①静载荷。大小不变或变动很慢的载荷,如床头箱对机床床身的压力。②冲击载荷。突然增加或消失的载荷,如空气锤锤头下落时锤杆所承受的载荷。③疲劳（交变）载荷。周期性的动载荷,如机床主轴就是在变载荷作用下工作的。根据载荷作用方式不同,可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷、扭转载荷等,如图2.1所示。图2.1载荷的作用形式金属材料受到载荷作用后,产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形按卸除载荷后能否完全消失,分为弹性变形和塑性变形两种。材料在载荷作用下发生变形,而当载荷卸除后,变形也完全消失,这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。

当作用在材料上的载荷超过某一限度,此时若卸除载荷,大部分变形随之消失（弹性变形部分）,但还是留下了不能消失的部分变形,这种不随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形,也称为永久变形。21

材料受外力作用时,为保持自身形状尺寸不变,在材料内部作用着与外力相对抗的力,称为内力。内力的大小与外力相等,方向则与外力相反,与外力保持平衡。单位面积上的内力称为应力。金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时,其横截面积上的应力按下式计算,即σ＝FS.3M.3M式中σ—应力,MPA；

F—外力,Ｎ；

S—横截面积,MM2。

2.1金属材料的物理、化学性能及工艺性能

2.1.1金属的物理性能 （1）密度 密度是指单位体积物质的质量。密度小于45×10kG／3的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及其合金。密度大于45×10kG／3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。 （2）熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属,如钨、钼、钒等,可以用来制造耐高温零件,如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等22方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属,如锡、铅等,可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。

（3）导电性 传导电流的能力称导电性,用电阻率来衡量。电阻率越小,金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好,铜、铝次之,合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属（纯铜、纯铝）适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金（如钨、钼、铁、想一想： 金属的物理性能在平时生活中有哪些应用？铬、铝）适于做电热元件。 （4）磁性金属材料根据磁性可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化,如铁、钴等可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化,如锰、铬等。抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用,如铜、锌等,可用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料,如航海罗盘。 （5）导热性 导热性通常用热导率来衡量,热导率越大,导热性越好。金属的导热性以银为最好,铜、铝次之,合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时,必须考虑金属材料的导热性,防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力,以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好,在制造散热器、热交换器与活塞等零件时,要选用导热性好的金属材料。23（6）热膨胀性

金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸,在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少工件的变形和开裂。当温度升高到一定数值时,铁磁性材料的磁畴被破坏,变为顺磁体,这个转变温度称为居里点,如铁的居里点是770℃。2.1.2金属的化学性能金属的化学性能主要指金属耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性,在高温下的化学稳定性也称为热稳定性。（1）耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。（2）抗氧化性、金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入CrSi等元素,可提高钢的92抗氧化性,如4CrSi可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。2.1.3

工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料在加工工24艺过程中所具有的和表现出来的性能。按加工方法的不同,可分为铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能及热处理工艺性能等。在设计机械零件和选择加工方法时,都要考虑金属材料的工艺性能,如灰铸铁具有优良的铸造性能和切削性能,常用来铸造机械零件；但其锻造性能差；不能锻造；焊接性能也较差。低碳钢的锻造性能和焊接性能想一想： 平时生活中使用的物品是通过什么方法加工的？图2.2

铸造都很好。热处理工艺通常作为改善切削加工性能或使零件得到所要求的最终性能而被安排在有关工序之间。 （1）铸造性能 铸造性能是指金属材料是否能用铸造方法获得优良铸件的能力。它主要有流动性、收缩性、吸气性等。一般来说,铸铁、铸造铝合金具有良好的铸造性能。如图2.2所示为铸造加工。 （2）压力加工性能 压力加工性能是指金属材料在冷、热状态下进行压力加工的难易程度。通常塑性好的材料,压力加工性能也好。低碳钢具有良好的压力加工性能,铸铁则不能进行压力加工。如图2.3所示为冲压加工。25图2.3冷、热压力加工（3）焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。一般来说,低碳钢具有良好的焊接性能,高碳钢、铸铁和铝合金的焊接性能则较差。如图2.4所示为车身机器人焊接加工。图2.4车身机器人焊接加工（4）切削加工性能

切削加工性能是指金属材料用切削刀具切削加工的难易程度。通常切削性能好的材料加工时,刀具磨损小,表面质量高。金属材料中,铸铁、铝合金具有良好的切削加工性能,高合金钢的切削加工性能则较差,如图2.5所示为数控车削加工。（5）热处理性能热处理性能是指金属材料是否适应各种热处理方法的能力。各类钢一般都可以通过热处26图2.5数控车削加工理来改善其性能,如图2.6所示为一种热处理加工。

图2.6

链轮淬火T

2.2

强度和塑性

2.2.1强度 金属材料在载荷作用下,抵抗变形和破坏的能力称为强度。强度越高的材料,所承受的载荷越大。按照载荷作用方式不同,强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度和抗剪强度等。工程上一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。 抗拉强度由拉伸试验来测定。静载荷拉伸试验是工业上最常用的力学试验方法之一。按照国家标准（GB／228—2002）《金属材料室温拉伸试验方法》规定,把标准试样装夹在试验机上,然后对试样逐渐施加拉伸载荷的同时连续测量力和相应的伸长,直至把试样拉断为止,便得到拉伸曲线,依据拉伸曲线可求出相关的力学性能。27装置,可以把作用在试样上的力和伸长描绘成拉伸图,也称为力拉伸曲线。如图2.8所示为低碳钢的力伸曲线,图中纵坐标表示力F,单位为Ｎ；横坐标表示伸长量ΔL,单位为mm。 图2.8中明显地表现出以下4个变形阶段：

1）Oe—弹性变形阶段 当给材料施加载荷后,试样产生伸长变形。试样的变形完全是弹性的,如果载荷卸载,试样可恢复原状。在P点以下,载荷与变形量呈线性关系。当施加力超过比例伸长力Fｐ后,力与变形不成线性关系,直至最大弹性伸长力Fe。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力,一般来说Fｐ与Fe非常接近。

2）e—屈服阶段 当载荷超过Fe后再卸载时,试样的伸长只能部分地恢复,而保留了一部分残余变形。当图2.7圆形拉伸试样

（1）拉伸曲线 拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。在国家标准中,对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。如图2.7所示为圆形拉伸试样。 图2.7中,ｄ为试样的原始直径,ｄu为试样拉断后的直径；L0为试样标距长度,Lu为试样拉断后的长度；S0是试样原始横截面积,Su为试样拉断后缩颈处的横截面积。根据标距长度与直径之间的关系,试样可分为短试样（L0＝5ｄ）和长试样（L0＝10ｄ）两种。 在拉伸试验过程中,随着载荷的均匀增加,试样不断地由弹性伸长过渡到塑性伸长直至断裂。一般试验机都具有自动记录拉ｓ28.拉图28低碳钢的力伸曲线ｓ拉载荷增加到F时,力伸曲线图上出现平台或锯齿状,这种在载荷不增加或略有减小的情况下,试样还继续伸长的现象称为屈服。Fｓ称为屈服载荷。屈服后,材料开始出现明显的塑性变形,材料完全丧失了抵抗变形的能力。在试样表面开始出现与轴线成约45°的滑移线。3）ｓb—-强化阶段

在屈服阶段以后,欲使试样继续伸长,必须不断加载。随着塑性变形增大,试样变形抗力也在不成比例地逐渐增加,这种现象称为形变强化（或称加工硬化）,此阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。4）bｚ——缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后,试样的直径发生局部收缩,称为“缩颈”,如图2.9所示。由于试样缩颈处横截面积的减小,试样变形所需的载荷也随之降低,而变形继续增加,这时伸长主293031材料的屈服强度或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据,也是评定金属材料性能的重要指标。屈服极限和弹性极限一样,都是对组织、成分不敏感的性能。可以通过热处理及塑性变形等方法在很大范围内变化。提高材料的屈服强度往往是热处理、合金化以及塑性变形的主要目的之一。

3）抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大载荷与原始截想一想： 汽车零件选材时为什么需要考虑材料的强度？面积之比称为抗拉强度,用符号RM（旧国家标准用σb）表示。由拉伸图2.8可知,对塑性材料来说,在Fb以前试样均匀变形,而在Fb以后变形将集中在颈部。强度极限表征材料抵抗最大塑性变形的能力,它在技术上非常重要,工程上把抗拉强度作为设计时的主要依据之一,也是材料的主要力学性能指标之一。零件在工作中所承受的应力,不允许超过抗拉强度,否则会产生断裂,因此,抗拉强度是机械零件设计和选材的重要依据。

2.2.2塑性 金属材料在断裂前产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的,常用伸长率和断面收缩率来表示。32332.3硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的依据。常用硬度的测定方法是采用压入法,所以硬度是指金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。在机械制造或汽车维修行业中所用的刀具、模具、量具等都要求有足够高的硬度,否则就无法工作,或不能保证其成品质量、使用性能以及较长的使用寿命。

对于汽车零件来说,根据其工作条件的不同,也要求有一定的硬度,以保证零件具有足够的强度、耐磨性及使用寿命等。另外,硬度试验方法简单、迅速、又不破坏工件,根据测得的硬度值还可以近似地计算出材料在此状态下的抗拉强度值,故在生产实践中应用很广泛。硬度是评定金属材料力学性能的重要指标之一,必须掌握它。根据试验的方法不同,常用的有布氏硬度和洛氏硬度等。2.3.1

布氏硬度

布氏硬度试验是使用一定直径D的硬质合金球体,以规定试验力压入试样表面,保持规定时间后卸除试验力,然后用测量表面压痕直径来计算硬度,用压痕表面积S除载荷F,所得应力值即为布氏硬度,如图2.10所示。布氏硬度用符号HBW表示,如150HBW。数值越大,表示材料硬度越高。3435

通常布氏硬度值不标出单位。在实际应用中,布氏硬度一般不用计算,而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径ｄ,根据压痕直径的大小,再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。过去在布氏硬度试验中,也有采用淬火钢球为压头进行试验,这种方法测得的布氏硬度值用HBS表示。而新的国家标准规定全部采用硬质合金球为压头,用HBW表示。2.3.2

洛氏硬度洛氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头压入金属表面,保持一定时间后卸除试验力,以测得的压痕深度来计算洛氏硬度,如图2.11所示。测量时,先加初试验力F0,压入深度为H1,目的是为消除因被测零件表面不光滑而造成的误差。图2.11洛氏硬度测试示意图

然后再加主试验力F1,在总试验力（F0＋F1）的作用下,压头压入深度为H2。卸除主试验力,由于金属弹性变形的恢复,使压头回升到H3的位置,则由主试验力所引起的塑性变形的压痕深度e＝H3－H1。显然,e值越大,被测金属的硬度越低,为了符合数值越大,硬度越高的习惯,用一个常数K减去e来表示硬度的大小,并用0.002MM压痕深度作为一个硬度单位,由此获得洛氏硬度值,用符号HR表示,压痕如图2.12所示。36用一个字母在洛氏硬度符号“HR”后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C3种,其中C标尺应用最为广泛。3种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围如表2.1所示。

图2.12洛氏硬度压痕

洛氏硬度值计算公式为

K－e HR＝

0.002式中,K为常数,用金刚石圆锥体压头进行试验时K为0.2mm；用钢球压头进行试验时,K为0.26MM。 为了用一台硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度,可采用不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标尺,每一种标尺372.3.3应用范围及优缺点布氏硬度是使用最早、应用最广的硬度试验方法,主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。测量布氏硬度采用的试验力大,球体直径也大,因而压痕直径也大,因此能较准确地反映出金属材料的平均性能。另外,由于布氏硬度与其他力学性能（如抗拉强度）之间存在着小测试： 硬度和强度有对应关系吗？为什么？一定的近似关系,因而在工程上得到广泛应用。测量布氏硬度的缺点是操作时间较长,对不同材料需要不同压头和试验力,压痕测量较费时；在进行高硬度材料试验时,由于球体本身的变形会使测量结果不准确,因此,用钢球压头测量时,材料硬度值必须小于450HBS；用硬质合金球压头时,材料硬度值必须小于650HBW。布氏硬度试验法又因其压痕较大,不宜用于测量成品及薄件。 洛氏硬度试验的优点是操作简单迅速,十分方便,能直接从刻度盘上读出硬度值,压痕较小,几乎不伤及工件表面,故可用来测定成品及较薄工件,测试的硬度值范围大。其缺点是压痕较小,当材料的内部组织不均匀时,硬度数据波动较大,测量值的代表性差,通常需要在不同部位测试数次,取其平均值来代表金属材料的硬度。 一般来说,金属材料的硬度越高,其耐磨性越好。另外,材料的硬度和强度也有一定的关系,一般硬度高,则强度也高。因此,硬度可用来作为估算材料强度的参考。382.4韧性和疲劳2.4.1

韧性

金属材料的强度、塑性、硬度是在静载荷—拉伸试验时测得的力学性能指标,即在静载荷作用下材料所表现出的抵抗能力。但在实际生产工作中,有许多机械零件在工作时承受的载荷不是静载荷,而是突然施加的冲击载荷,如汽车发动机中的活塞、活塞销、连杆和曲轴等零件是在汽缸中的混合气燃烧膨胀时产生的爆发压力作用下工作的,所承受的载荷属于突然发生所施加的载荷—冲击载荷。

汽车中变速器的齿轮、轴、传动轴、后桥中的齿轮、后半轴等零件在汽车启动与换挡时所承受的载荷也属冲击载荷；锤杆、冲模、锻模等零件工作时承受的载荷也属冲击载荷。总而言之,很多零件工作时承受冲击载荷,由于冲击载荷的破坏能力要比静载荷大得多,因此在制造这些零件时,要求材料的性能就不能用静载荷作用下的指标来衡量,必须考虑其抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为韧性。韧性可通过在冲击试验机上作冲击试验来测定,用冲击韧度表示,如图2.13所示。冲击韧度表示试样在冲断时单位面积上所消耗的冲击功,用符号αk表示,其单位为J／m239

冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。将待测的金属材料加工成标准试样,然后将试样放在冲击试验机的支座上,放置时使试样缺口背向摆锤的冲击方向,如图2.13所示。再将具有一定质量M的摆锤升至一定的高度H,使其获得一定的势能,然后使摆锤自由落下,将试样冲断,摆锤的剩余势能为MH。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功,即冲击功。冲击吸收功除以试样缺口处截面积,即可得到材料的冲击韧度Ak。图2.13冲击试验示意图和冲击试验机在工程实际中,在冲击载荷作用下工作的机械零件很少因受大能量一次冲击而破坏。大多数是经千百万次的小能量多次重复冲击最后导致断裂。所以用Ak值来衡量材料的冲击抗力,不符合实际情况,应采用小能量多次重复冲击试验来测定。冲击韧度Ak值越大,表明材料的韧性越好,受到冲击时不易断裂。但Ak值的大小受很多因素影响,不仅与试样形状、表面粗糙度、内部组织有关,还与试验时温度密切相关,因此,冲击40韧度值一般只作为选材时的参考,而不能作为计算时的依据。大量实验证明,金属材料受大能量的冲击载荷作用时,其抵抗冲击的能力主要取决于冲击韧度Ak的大小,而在小能量多次冲击条件下,其抵抗冲击的能力主要取决于材料的强度和塑性。当冲击能量高时,材料的塑性起主导作用；当冲击能量低时,材料的强度起主导作用。2.4.2

疲劳

汽车上有些零件（如曲轴、齿轮、钢板弹簧等）在工作时承受的载荷,其大小与方向均随时间发生周期性变化,这种载荷称为交变载荷。这些零件常在这种受力状态下,其工作应力的最大值虽然比材料的屈服点低,但往往因工作时间长而发生突然断裂,这种现象称为疲劳。 零件产生疲劳断裂的原因是什么呢？通过对断口的分析得知是由于金属材料的表面或内部存在缺陷（见后续相关章节介绍）而造成的。工作时,这些地方的应力产生应力集中而导致局部应力超过了材料的屈服点强度,造成局部永久变形而引发了微裂纹的产生,微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩大,导致未裂有效的截面积大大减小,最终因承受不了所加的载荷而产生突然断裂。

零件因疲劳而突然断裂对汽车来说是很危险的,如前轴或钢板弹簧疲劳而突然断裂,时常造成车毁人亡的重大事故。设计这种受力条件下工作的零件,在选用材料时必须考虑材料的疲劳断裂的抗力大小。414243复习思考题1.1金属材料的力学性能是指什么？常用的力学性能指标有哪些？1.2请画出低碳钢的拉伸曲线示意图,并简述拉伸变形的几个阶段。1.3

什么是塑性？塑性好的材料有什么实用意义？1.4

试述布氏和洛氏硬度的试验原理及应用范围。1.5金属材料的性能包括哪几个方面？1.6什么叫疲劳极限？为什么表面强化处理能有效提高零件的疲劳极限？1.7何谓冲击韧度？一次冲击和多次冲击抗力有何区别？1.8下列各种工件应采用何种硬度试验方法来测定？并写出硬度值符号。（1）钳工用锉刀。（2）各种碳钢钢材。（3）硬质合金刀片。（4）铸铁机床床身毛坯件。（5）车身。44

本章概述 由生产实践得知,不同的金属材料具有不同的性能。即使同一种金属材料,由于所处的条件不同其机械性能也不一样,这主要是由金属材料的原子在空间的排列形式（即内部结构）决定的,而构成物质的化学成分、外界条件等不同也会影响物质内部结构的变化而改变材料的性能。为了合理选用材料,做到充分发挥其特点,必须研究掌握金属的内部结构与影响因素。第3章金属与合金的结构及铁碳合金相图45教学目标1.了解合金的晶体结构,掌握合金的结晶过程。2.掌握铁碳合金的基本相和组织,深刻理解铁碳合金相图的含义。3.掌握含碳量对钢铁材料力学性能的影响规律。3.1晶体结构的基础知识

自然界的固态物质,根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。内部原子呈现无序堆积状况的固体物质,称为非晶体,如松香、玻璃、沥青等。物质内部原子作有规则排列的固体物质,称为晶体。绝大多数固态纯金属和固态合金都属于晶体。3.1.1

晶体结构（1）晶格

为了形象描述晶体内部原子排列的规律,将原子抽象为几何点,并用一些假想连线将几何点在三维方向连接起来,这样构成了一个空间格子（见图3.1（b））。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列规律的空间格子,称为晶格。（2）晶胞晶体中原子排列具有周期性变化的特点,通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征46

如图3.3所示,面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的8个顶角和立方体的6个面的中心。属于该晶格类型的常见金属有铝（Al、铜（Cu）、铅（Pb）、金（Au）、铁（γ-Fe）等。这类金属的塑性都很好。

如图3.2所示,体心立方晶格的晶胞是一个立方体,原子位于立方体的8个顶角和立方体的中心。属于体心立方晶格类型的常见金属有铬（Cr、钨（W）、钼（MO）、钒（V）、铁（α-Fe）等。这类金属一般都具有相当高的强度和塑性。的最小几何单元称为晶胞（见图3.1（C））。图3.1简单立方晶格与晶胞示意图3.1.2常见的金属晶格类型常用的金属材料中,金属的晶格类型很多,但大多数属于体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格3种结构。（1）体心立方晶格（2）面心立方晶格）4748图3.5金属多晶体结构体内部的晶格位向是完全一致的,这种晶体称为单晶体。目前,只有采用特殊方法才能获得单晶体。 一般所用的工业金属材料,即使体积很小,其内部仍包含有许许 多多的小晶体,把这种外形不规则的小晶体称为“晶粒”。晶粒与晶粒 间的界面称为“晶界”。这种实际上由多个晶粒组成的晶体称为“多晶 体”结构。因此实际的金属材料都是多晶体结构,如图3.5所示。 在金属晶体中,由于晶体形成条件、原子的热运动及其他各种因 素影响,原子规则排列在局部区域受到破坏,呈现出不完整,通常把这种区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征,可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷3类。 （1）点缺陷 最常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等,如图3.6所示。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。晶格畸变的存在,使金属产生内应力,晶体性能发生变化,如强度、硬度和电阻增加,体积发生变化,它也是强化金属的手段之一。 （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,如图3.7所示。位错的存在对金属的力学性能有很大影响,位错在晶体中易于移动,金属材料的塑性变形是通过位错运动来实现的。 （3）面缺陷 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,因此,晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层,如图3.8所示。49综上所述,晶体中由于存在了空位、间隙原子、置换原子、位错、晶界和亚晶界等结构缺陷,都会使晶格发生畸变,从而引起塑性变形抗力增大,使金属的强度提高。图3.6点缺陷示意图图3.7刃型位错晶体结构示意图50图3.8晶界的过渡结构示意图3.2金属和合金的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体,则这种凝固又称为结晶。一般金属的凝固过程称为结晶。金属的组织与结晶过程关系密切,结晶后形成的组织对金属的使用性能和工艺性能有直接影响,因此,了解金属和合金的结晶规律非常必要。3.2.1纯金属的结晶（1）纯金属的冷却曲线

金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究。如图3.9所示为热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成液体,然后缓慢冷却下来,在冷却过程中,每隔一定时间测量一次温度,直到冷51时却至室温将测量结果绘制在温度间坐标上,便得到纯金属的冷却曲线,即温度随时间而变化的曲线。如图3.10所示为纯金属的冷却曲线的绘制过程。 由图3.10的冷却曲线可知,液态金属随着冷却时间的延长,它所含的热量不断散失,温度也不断下降,但是当冷却到某一温度时,温度随时间延长并不变化,在冷却曲线上出现了“平台”,其原因是结晶时放出的潜热正好补偿了金属向外界散失的热量。“平台”对应的温度就是纯金属结晶温度。结晶完成后,由于金属继续向环境散热,温度又重新下降。图3.9热分析装置示意图图3.10纯金属的冷却曲线的绘制过程

1—电炉；2—坩埚；3—金属液化；4—热电偶需要指出的是,由于实际生产冷却速度比试验冷却速度快,导致液态金属总是冷却到理论结晶温度T0以下才开始结晶,如图3.11所示。实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象,称为“过冷现象”；理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度,以ΔT表示（ΔT＝52T0－T1）。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关,冷却速度越快,金属的实际结晶温度越低,过冷度就越大。图3.11纯金属的冷却曲线（2）纯金属的结晶过程

液态金属结晶时,都是首先在液态中出现一些微小的晶体—晶核,它不断长大,同时新的晶核又不断产生并相继长大,直至液态金属全部消失为止,如图3.12所示。因此,金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程,并且这两个过程是既先后又同时进行的。 晶核形成后,当过冷度较大或金属中存在杂质时,金属晶体常以树枝状的形式长大。在枝干的长大过程中,又会不断生出分支,最后填满枝干的空间,结果形成树枝状晶体,简称枝晶。（3）金属结晶后的晶粒大小一般来说,细晶粒金属具有较高的强度和韧性。为了提高金属的力学性能,希望得到细晶53图3.12纯金属的结晶过程示意图粒的组织,因此,必须了解影响晶粒大小的因素及控制方法。结晶后的晶粒大小主要取决于形核率Ｎ与晶核的长大速率G。显然,凡能促进形核率Ｎ,抑制长大速率G的因素,均能细化晶粒。工业生产中,为了细化晶粒,改善其性能,常采用以下方法：1）增加过冷度形核率和长大速率都随过冷度增大而增大,但在很大范围内形核率比晶核长大速率增长得更快。故过冷度越大,单位体积中晶粒数目越多,晶粒细化。2）变质处理

在液态金属结晶前加入一些细小变质剂,使结晶时形核率Ｎ增加,而长大速率G降低,这种细化晶粒的方法称为变质处理。例如,向钢液中加入铝、钒、硼等；向铸铁中加入硅铁、硅钙等。3）振动处理采用机械振动、超声波振动和电磁振动等,使枝晶破碎,也间接增加形核核心,同样可细化54晶粒。3.2.2金属的铸锭组织钢和铁都是主要由铁和碳两种元素组成的合金,其区别只在于含碳量的多少,理论上将含碳量在2.11％以下的铁碳合金称为钢,以上的称为铁。

生铁由铁矿石经高炉冶炼而得,它是炼钢和铸造的主要原料。钢则是以生铁为主要原料,装入高温的炼钢炉中,通过氧化作用降低生铁中的含碳量而炼成钢液,铸成钢锭后,再经轧制成钢材供应,少数钢锭锻造成锻件后供应。过冷度和难熔杂质对金属的结晶过程会产生很大的影响,此外,结晶过程还可能受其他各种各样因素的影响。例如,金属的浇注温度、浇注方法和铸件的截面尺寸等。

下面通过金属铸锭的剖面组织来说明铸件的组织特点。金属铸锭典型的宏观组织从表面到中心分别由细晶粒区、柱状晶粒区和粗大等轴晶粒区3层组成,如图3.13所示。（1）表面细晶粒区

表面细晶粒区的形成主要是因为金属液刚浇入铸锭模时,模壁温度较低,表层金属受到剧烈的冷却,造成了较大的过冷所致。此外,模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一。（2）柱状晶粒区

柱状晶粒区是紧接表面细晶粒区向铸锭中心长出的一层长轴形晶粒,它们的轴向是垂直于模壁的。在表层细晶粒形成时,随着模壁温度的升高,铸锭的冷却速度便有所降低,晶核的形核率不如长大速度大,各晶粒便可得到较快的成长,从而形成柱状晶粒。55图3.13金属铸锭的组织示意图1—表面细晶粒区；2—柱状晶粒区；3—中心等轴晶粒区（3）中心等轴晶粒区随着柱状晶粒区的发展,液体金属的冷却速度很快降低,散热的方向性已不明显,而趋于均匀冷却的状态,从而便形成较粗大的等轴晶粒区。

钢锭一般不希望得到柱状晶粒组织,因为这时钢的塑性较差,在锻造或轧制时容易发生裂纹,尤其在柱状晶粒区的前沿及柱状晶粒彼此相通处,若存在低熔点杂质,则可形成一个明显的脆弱界面,更容易发生开裂。所以生产中经常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制结晶时柱状晶粒区的扩展。在金属铸锭中,除组织不均匀外,还经常存在有各种铸造缺陷,如缩孔、缩松、气孔及偏析等。3.2.3合金的晶体结构及结晶纯金属虽然具有优良的导电、导热等性能,但它的力学性能较差,并且价格昂贵,因此,机56械制造领域中广泛使用的金属材料是合金,如碳钢、铸铁、铝合金、铜合金等。（1）合金的晶体结构1）合金合金是由两种或两种以上的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。如碳钢就是铁和碳组成的合金。2）组元

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,3个组元组成合金称为三元合金。碳钢和铸铁就是铁和碳两种组元组成的二元合金。3）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,称为合金系。例如,铜镍和镍组成的一系列不同成分的合金,称为铜-合金系。4）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称为相。例如,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,有时是多相的。5）组织用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况,因此,组织是决定材料最终性能的关键。（2）合金的组织多数合金组元液态时都能互相溶解,形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用57不同,形成不同的组织。通常固态时合金中形成固溶体、金属化合物和机械混合物3类组织。1）固溶体

合金由液态结晶为固态时,一组元溶解其他组元,或组元之间相互溶解而形成的一种均匀相称为固溶体。占主要地位的元素是溶剂,而被溶解的元素是溶质。溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的溶解度,通常用质量百分数或原子百分数来表示。图3.14固溶体的两种类型①置换固溶体。溶剂结点上的部分原子被溶质原子所替代而形成的固溶体,称为置换固溶体,如图3.14（A）所示。

按固溶体溶解度不同,置换固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两类。例如,在铜镍合金中,铜与镍组成的为无限固溶体,而锌溶解在铜中所形成的固溶体为有限固溶体。

②间隙固溶体。溶质原子溶入溶剂晶格之中而形成的固溶体,称为间隙固溶体,如图5859重要工具。

1）二元合金相图的建立 二元合金相图是表示两种组元构成的具有不同比例的合金,在平衡状态（即极其缓慢加热或冷却的条件）下,随温度、成分发生变化的相图。应用合金相图,可清晰了解合金在缓慢加热或冷却过程中的组织转变规律。所以,相图是进行金相分析,制定铸造、锻压、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据。 相图大多是通过实验方法建立起来的,目前测绘相图的方法很多,但最常用的是热分析法。现以Cu-Ni合金为例,说明热分析法测绘二元合金相图的基本步骤。图3.16金属化合物

3）机械混合物 两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。混合物中各组成相仍保持自己的晶格,彼此无交互作用,其性能主要取决各组成相的性能以及相的分布。 （3）合金的结晶 合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大的过程,但由于合金成分中会有两个以上的组元,使其结晶过程比纯金属要复杂得多。为了掌握合金的成分、组织、性能之间的关系,必须了解合金的结晶过程,合金中各组织的形成和变化规律。相图就是研究这些问题的60616263

图3.19

Pb-Sn合金相图质量分数逐渐变到ｆ点。最后合金得到的组织为A＋βⅡ。

图3.20合金Ⅰ的平衡结晶过程图3.21合金Ⅱ的平衡结晶过程

b.合金Ⅱ的平衡结晶过程（见图3.21）,合金为共晶合金。液态合金冷却到1点温度后,6465γ→α＋β

这种在恒温（共析温度）下由一种固相同时析出两种固相的过程称为共析反应。反应的产物称为共析体或共析组织。由于共析反应是在固态下进行的,原子的扩散困难,转变的过冷度大。因此与共晶体相比,为更加细小的均匀的两种相晶粒交错分布的致密的机械混合物,其主要形态有片层状和粒状两种。

相图表达了合金的组织成分和温度之间的关系,而成分和组织是决定合金性能的主要因素,因此,在合金的相图与性能之间必定存在着某种联系,可以通过对合金相图的分析得知合金的性能特点及其变化规律。这可以作为配制合金、选择材料和制定工艺的参考。3.3铁碳合金

钢铁材料是现代工业应用最为广泛的合金,它们均是以铁和碳为基本组元组成的合金。与其他材料相比,钢铁具有较高的强度和硬度,可以铸造和锻压,也可以进行切削加工和焊接,尤其是通过适当的热处理,可以显著提高各种性能。此外,自然界中铁矿石的蕴藏量也很丰富,钢铁价格较低。要熟悉并合理地选择铁碳合金,就必须了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。3.3.1铁碳合金基本组织图66

（1）纯铁的同素异构转变 自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化,但少数金属,如铁、锰、钛等,结晶成固态后继续冷却时,还会发生晶格的变化。金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）发生变化的现象称为同素异构转变。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异构晶体。 如图3.24所示为纯铁的冷却曲线。由图可见,液态纯铁 在1538℃进行结晶,得到具有体心立方晶格的δ-Fe,继续冷 却到1394℃时发生同素异构转变,δ-Fe转变为面心立方晶格 的γ-Fe,再冷却到912℃时又发生同素异构转变,转变为体心 立方晶格的α-Fe。如继续冷却到室温,晶格不再发生变化。 同素异构转变具有十分重要的实际意义,钢的性能之所 以是多种多样的,正是由于对其施加合适的热处理,从而利用 同素异构转变来改变钢的内部组织,从而改变其力学性能。 （2）铁碳合金的基本组织也可以溶解在铁中形成间隙固溶体,或者形成化合物与固溶体组成的机械混合物,总的来说,可形成下列5种基本组织：

1）铁素体 碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体,用符号F表示,它仍保持α-Fe的体心立方晶格结构。因其晶格间隙较小,所以溶碳能力很差,在727℃时最大WC仅为0.0218％,室图3.24为纯铁的冷却曲线铁碳合金中的碳元素既可以与铁作用形成金属化合物,67体的机械混合物,用符号Lｄ表示。冷却到727℃温度时,奥氏体将转变为珠光体,所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成,称为低温莱氏体,用符号L'd表示。莱氏体中由于有大量渗碳体存在,其性能与渗碳体相似,即硬度高,塑性差。

碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A表示,它保持γ-Fe的面心立方晶格结构。由于其晶格间隙较大,所以溶碳能力比铁素体强,在727℃时WC为0.77％,1148℃时WC达到2.11％。奥氏体的强度、硬度不高,但具有良好塑性,是绝大多数钢高温进温时降至0.0008％。铁素体由于溶碳量小,所以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。2）奥氏体行压力加工的理想组织。3）渗碳体渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方晶格结构的间隙化合物,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。主要作为铁碳合金中的强化相存在。4）珠光体

珠光体是WC为0.77％的合金,缓慢冷却到727℃时从固相奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物,用符号P表示。在缓慢冷却条件下,珠光体中WC为0.77％,力学性能介于铁素体和渗碳体之间,即强度较高,硬度适中,具有一定的塑性。5）莱氏体莱氏体是WC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686970.37172.3冷却过程如图3.27所示,其室温组织是珠光体。珠光体的典型组织是铁素体和渗碳体呈片状叠加而成（见图3.28）。图3.27共析钢结晶过程示意图73图3.28共析钢的显微组织2）亚共析钢图3.26中合金Ⅱ（WC＝0.4％）为亚共析钢。合金在3点以上冷却过程同合金Ⅰ相似,缓冷至3点（与GS线相交于3点）时,从奥氏体中开始析出铁素体。随着温度降低,铁素体量不断增多,奥氏体量不断减少,并且成分分别沿GP、GS线变化。温度降到PSK（共析温度727℃）线时,剩余奥氏体含碳量达到共析成分（WC＝0.77％）,即发生共析反应,转变成珠光体。4点以下冷却过程中,组织不再发生变化。因此,亚共析钢冷却到室温的显微组织是铁素体和珠光体,其冷却过程组织转变如图3.29所示。

凡是亚共析钢结晶过程均与合金Ⅱ相似,只是由于含碳量不同,组织中铁素体和珠光体的相对量也不同。随着含碳量的增加,珠光体量增多,而铁素体量减少。亚共析钢的显微组织如图3.30所示。3）过共析钢图3.26中的合金Ⅲ（WC＝1.20％）为过共析钢。合金Ⅲ在3点以上冷却过程与合金Ⅰ相74图3.29亚共析钢组织转