金属材料与热处理高职PPT完整全套教学课件

单元一

金属的性能单元1金属的性能.pptx单元2金属的晶体结构与结晶.ppt单元3铁碳合金和碳钢.pptx单元4钢的热处理及表面处理?.ppt单元5合金钢.ppt单元6铸铁.ppt单元7有色金属及其合金.ppt单元8粉末冶金.ppt单元9非金属材料.ppt单元10新型材料.ppt单元11机械零件材料及毛坯的选择.ppt全套PPT课件金属的力学性能01金属的物理性能和化学性能02金属的工艺性能03本章内容

工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制造零件和工具的材料。工程材料按成分可分为四类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料，钢铁、陶瓷、塑料和玻璃钢分别为这四种材料的典型代表。其中金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的，并具有金属特性的工程材料。金属材料种类繁多，用途广泛，按化学组成分类，金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。金属材料目前仍占据材料工业的主导地位，从常用材料标准数据中，我们可以发现包括九大类约1200余种常用材料。为了能更合理地使用金属材料，充分发挥其作用就必须了解各种金属材料的性能。

项目概述项目目标工艺性能是指材料在加工过程中表现出的性能，包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。03金属材料的性能包括使用性能和工艺性能；01使用性能主要包括力学性能（如强度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度等）、物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、磁性、热膨胀性等）和化学性能（如耐蚀性、抗氧化性等）；021、金属的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料抵抗外力作用的能力，是金属材料最主要的使用性能，包括强度、塑形、硬度、韧性以及疲劳强度等。合理的力学性能指标，为零件的正确设计、合理应用、工艺路线制定提供了主要依据。根据载荷作用性质不同，可将载荷分为静载荷、冲击载荷和交变（循环）载荷等（1）静载荷。对工件或试样缓慢加载，不随时间而变化的量。（2）冲击载荷。短时间快速增加的载荷。（3）交变载荷。大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化或非周期性变化的载荷。一、强度1.拉伸试验进行拉伸试验时，先将材料加工成一定形状和尺寸的标准试样，然后在拉伸试验机上将试样夹紧，施加缓慢增加的拉力（载荷），一直到试样被拉断为止。在这个过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量Δl的关系曲线，此曲线叫作拉伸曲线。标准圆形拉伸试样如图1-1所示，图中d0为试样直径，l0为标距长度，即计算试验结果时试样的有效长度。试样有长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）之分，一般采用的试样直径d0=10mm。d0l0 l11-1标准圆形拉伸试样2.强度指标（1）弹性极限（弹性强度）弹性极限是材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力，用σe表示。图1-2a中e点所对应的应力值就是低碳钢的弹性极限。式中：σe——弹性极限（MPa）；Fe——材料在弹性变形内能承受的最大拉力（N）；S0——试样拉伸前的截面积（mm2）。（2）屈服极限（屈服点）材料在拉伸过程中不增大力仍能继续伸长时的应力，称为屈服点，用σs表示，亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。图1-2（a）中s点对应的应力值就是低碳钢的屈服点。σs——屈服点（MPa）；Fs——材料屈服时的拉力（N）；S0——试样拉伸前的截面积（mm2）。有些金属材料（如铸铁和高碳钢）在拉伸曲线上没有明显的屈服现象，很难测定其屈服强度σs。在这种情况下，为衡量它们的屈服特性，工程技术上把试样产生0.2%残留变形的应力值作为材料的屈服强度，又称条件屈服强度，用σ0.2表示。屈服强度表示材料抵抗微量塑性变形的能力。机械零件在工作中一般不允许发生塑性变形，所以屈服点是衡量材料强度的重要力学性能指标，是设计和选材的主要依据之一。σs越大，材料允许的工作应力也就越高。2.强度指标二、塑性固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力就被称为塑性。塑性的好坏或大小，用伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量。伸长率和断面收缩率越高，表明金属材料的塑性越好，它们也都是由拉伸实验测得的。1.伸长率试样拉断后标距的伸长量与试样原始标距比值的百分率称为伸长率，计算方法如下：式中：δ——伸长率（%）；l0——试样原始长度（mm）；l1——试样拉伸后的标距长度（mm）。应当指出，伸长率的大小与试样的尺寸有关。为了方便进行比较，须将试样标准化。在材料手册中，常可以看到δ5和δ10两种符号，它分别表示用l0=5d和l0=10d（d为试样的直径）两种不同长度试样测定的伸长率。l1是试样的均匀伸长和产生细颈后伸长的总和，相对来说，短试样中细颈的伸长量所占的比例大。故同一材料所测得的δ5和δ10不同的，例如钢材的δ5大约为δ10的1.2倍。三、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也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。硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性的综合性能指标。硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。机械制造中所用的刀具、量具、模具要保证使用性能和寿命，都应具有足够的硬度。硬度是材料的一个重要指标，试验方法简便、迅速、不需要破坏试样，设备也比较简单，而且对大多数金属材料，可以从硬度值估算出它的抗拉强度，因此在设计图样的技术条件中大多规定材料的硬度值，检验材料或工艺是否合格有时也需要采用硬度指标。因此，硬度试验在生产中广泛应用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。1.布氏硬度法布氏硬度法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法，用HB表示，原理如图1-3所示。布氏硬度用HBS或HBW表示。HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和有色金属等；HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度值计算方法如下：式中：HBS（HBW）——用钢球（硬质合金）试验时的布氏硬度值； P——试验力（N）； D——球体直径（mm）； d——压痕平均直径（mm）。布氏硬度试验时，压头球体的直径D、试验载荷P及载荷保持的时间t，应根据被试金属材料的种类、硬度值的范围及厚度进行选择。常用的压头直径l、2、2.5、5和10mm五种。试验载荷可从9.807N（1kgf）～29.42KN（3000kgf）范围内改变。载荷保持的时间，一般黑色金属为10～15s，有色金属为30s，布氏硬度值小于35时为60s。布氏硬度的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的10mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积大，能反映金属在较大范围内各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响，即测量误差小，试验数据稳定，重复性强。因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料，还可用于有色金属和软钢。其缺点是压痕较大，易损坏成品表面和不能测量较薄的试样，由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大的误差，成品检验有困难，因此，不宜在成品上进行试验。在测试不同材料时，需要更换压头直径和改变试验力，而且压痕直径的测量也比较麻烦，用于自动检测时受限制。1.布氏硬度法当HB＞450或试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。洛氏硬度原理和布氏硬度原理相似，以压痕塑性变形深度来确定硬度指标，原理如图1-4所示。将顶角为120°的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载荷，通过测量残余压痕深度增量来计算硬度。如果直接压痕深度来计量指标，则会出现材料越硬，压痕深度越小，硬度读数越小的状况，这与通常习惯的表示方法相矛盾。因此，落实洛氏硬度采用某个选定的常数K减去压痕深度值h，并规定压痕深度0.002mm为1°，则洛氏硬度的计算公式如下：HR=K-e式中：HR——洛氏硬度值；K——常数，用金刚石压头进行试验时K为100，用钢球压头时K为130；e——残余压痕深度。洛氏硬度的数值可直接从硬度计上的刻度盘上读出。由洛氏硬度的计算公式可知，刻度盘上的数值越大，说明压痕越浅，材料硬度越高；刻度盘上数值越小，说明压痕越深，材料硬度越低。

2.洛氏硬度法符号压头总负荷/N硬度值有效范围使用范围HRA120°金刚石圆锥58860~85测量硬质合金，表面淬硬层或渗碳层HRB1.588mm钢球98025~100测量有色金属或退火、正火钢等HRC120°金刚石圆锥147020~67测量调质钢、淬火钢等测量较硬的材料，如淬火后的钢件和硬质合金时用金刚石压头；测量退火钢、有色金属、铜合金等相对较软的金属时，采用淬火钢球压头。根据压头种类和所加载荷的不同，分为9个标尺，常用的标尺为A、B、C，这三种标尺测得的洛氏硬度分别为HRA、HRB和HRC，如表1-2所示。应用最多的是HRC。用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。表1-2常用的三种洛氏硬度试验范围洛氏硬度表示方法是在硬度符号前注明硬度数值，如46HRC，表示用C标尺测定的洛氏硬度值为46，75HRA表示用A标尺测定的洛氏硬度值为75。洛氏硬度操作简便、迅速、硬度可直接读出、压痕小，不损伤工件表面，采用不同标尺可以测量从较软到较硬的或厚度较薄的、面积较小的材料的硬度，故洛氏硬度广泛应用于工厂热处理车间的质量检索。洛氏硬度的缺点是压痕较小，代表性差。若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大。2.洛氏硬度法维氏硬度原理和布氏硬度相同，根据压痕单位面积上所承受的载荷大小来测量硬度值，不同的是维氏硬度采用锥面夹角136°的金刚石四棱锥体作为压头，如图1-5所示。压头在试验力F作用下将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度

d，进而可以计算压痕面积S（mm2），试验力F除以压痕表面积S所得的商，即为维氏硬度值。维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下：

式中：F——载荷（N）； S——压痕的表面积（mm2）； d——压痕两对角线的算术平均长度（mm）。3.维氏硬度法

由上述计算公式可知，根据测得的d和F，即可得到HV值。但在实际应用中，维氏硬度一般不计算出，只需要根据d值查维氏硬度表即可求出硬度值。维氏硬度试验常用试验力范围为：49.03～980.7N，如果维氏硬度试验时选用的试验力较小，达到0.098～1.961N，则可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。因为压痕尺寸较小，为了提高测量精度，需要配用显微放大装置，这就是显微维氏硬度（显微硬度）。图1-5维氏硬度实验示意图3.维氏硬度法

维氏硬度表示方法与布氏相同，维氏硬度符号HV前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间，如640HV30/20，表示在实验压力30kgf持压20s的情况下测得的维氏硬度值为640。维氏硬度值具有连续性（10～1000HV），可测硬度范围很大，但金刚石压头价格高，一般不用于普通件的硬度测量。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，即可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能相互比较。可测量大块材料、表面硬化层及经化学热处理的表面层（如渗氮层）的硬度。维氏硬度的缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作效率比洛氏硬度法低得多，不如洛氏法简便。上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。3.维氏硬度法四、韧性实际生产中，许多零件会受到冲击力作用，如活塞销、冲模等，此时不能再用静载荷下的性能来描述冲击载荷作用下的性能。故对工作受冲击载荷的构件应考虑其韧性，而冲击韧性是衡量金属韧性的常用判据。金属材料抵抗冲击载荷（动载荷）作用而不被破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度来表示，用符号αk表示，单位为J/cm2，可用一次冲击试验法来测定如图1-6。试验时首先把被测材料制成图1-7所示的试样，放在冲击试验机的支架上，试样缺口背向摆锤冲击方向。将一定质量G的摆锤升到一定高度H后自由落下，冲断试样后，摆锤上升高度为h。故试样折断时所吸收的功为Ak=G（H-h）

式中：Ak——冲击吸收功（J）； G——摆锤的重力（N），G=mg； H——摆锤举起高度（m）； h——摆锤冲击试样后回升高度（m）。 αk值表示材料冲击韧度的高低，习惯上用冲击韧度值αK来表示材料的冲击韧性，冲击韧度值的计算公式为四、韧性一般来说，将αK值低的材料称为脆性材料，αK值高的材料称为韧性材料（塑性材料）。长期的生产实践证明，Ak、αK是评定金属材料力学性能的重要依据，Ak、αK对组织缺陷非常敏感，能灵敏地反映出材料的质量、宏观缺口和微观组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、加工、热处理工艺等方面的质量。此外，材料的韧性还和温度有关，脆性转变温度越低的材料，低温下承受冲击的能力就越强。同时，冲击韧度值还受试样的尺寸、形状、表面粗糙度、内部组织的影响。因此，冲击韧度值一般只作为选择材料的参考。2、金属的物理性能和化学性能物理性能一、金属的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性，包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。物质单位体积内所具有的质量称为密度（体积质量），其计算公式为1.密度V

m式中：ρ——密度，（g/cm3）；m——物质的质量（kg）；V——物质的体积（m3）。1.密度表1-3常用金属的密度金属名称密度（g/cm3）金属名称密度（g/cm3）金属名称密度（g/cm3）镁1.74铜8.96灰铸铁6.8~7.4铝2.7银10.49碳钢7.8~7.9锌7.13铅11.34青铜7.4~9.2锡7.3金19.32黄铜8.5~8.6铁7.87镁合金1.75~1.85铝合金2.55~3密度是金属材料的重要物理性能。常用金属材料的密度见表1-3。一般将密度大于5g/cm3

的金属称为重金属，如铁、铜；密度小于5g/cm3

的金属称为轻金属，如铝、镁。金属材料的密度，直接关系到由它所制造设备的自重和效能。对于运动构件，材料的密度越小，消耗的能量越少，效率越高。金属材料的密度对选材具有重要的意义，比如，采用高强度的钛合金和铝镁合金代替钢材，可以减轻飞机自重，提高载重能力，同时降低油耗。此外，还可以计算大型零件质量，鉴别金属或检测金属铸件内部的致密度等。2.熔点

金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。各种纯金属的熔点都是固定的；合金的熔点则因为化学成分的不同而不同，大多数是在一温度范围内进行的。例如，钢和生铁都是由铁和碳组成的，但由于含碳量不同，其熔点并不同。根据熔点高低，金属分为难熔金属（如钨、钒、铬）和易熔金属（如锡、铅）。常用金属的熔点见表1-4。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接来说是重要的工艺参数。如高熔点的钨、钼可以用来制造耐高温的电炉加热元件、电灯丝等，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。表1-4常用金属的熔点金属名称熔点（℃）金属名称熔点（℃）金属名称熔点（℃）银960.8铁1538钼2625铝660.1镁650镍1453铜1083锡231.91铅327铬1903钨3380钛16773.热膨胀性大部分固体材料在加热时都会发生膨胀，金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的性能称为金属的热膨胀性，热膨胀性可以用线膨胀系数和体膨胀系数表示，体膨胀系数近似是线膨胀系数的3

倍。热膨胀大小一般用线膨胀系数表示，计算公式为

L2

L1L1t式中：α——线膨胀系数（1/℃）；L1——膨胀前长度（m）；L2——膨胀后长度（m）；Δt——升高的温度（℃）。在相同的温度条件下，不同金属的膨胀程度却不相同。对于特别精密的仪器，应选择热膨胀系数低的材料。实际工作中，很多地方都要考虑热膨胀性，例如，焊接异种金属时要考虑两种金属的线膨胀系数是否接近，否则金属构件会变形；轴与轴瓦之间要留有合适的间隙，防止轴热膨胀后和轴瓦卡死；测量零件时，要保持在室温，甚至要恒温；在材料热加工和热处理过程中更要考虑热膨胀行为，如果表面和内部热膨胀不一致，就会产生内应力，导致材料变形或开裂。4.导热性金属传导热量的性能称为导热性，表现为金属在加热和冷却时传递热量的能力。金属导热能力的大小常用热导率表示，热导率越大，说明金属的导热性越好。热导率是指在单位温度梯度下，单位时间内通过垂直于热流方向单位截面积上的热流量。金属材料都是热的良导体，导热能力远大于非金属材料。纯金属导热性优于合金，而且纯度越高，导热性越好。金属中银和铜的导热性最好，铁的导热性较差。导热性是金属材料重要性能之一，是热处理和热加工工艺经常要考虑的一重要因素。例如，热处理时，导热性的好坏直接决定着加热时间的长短。淬火处理时，若材料的导热性越差，在加热和冷却时表面和内部的温差越大，内应力越大，越容易发生变形和开裂。5.导电性金属能传导电流的性能称为导电性。常用导电率γ和电阻率ρ来衡量金属的导电性，γ=1/ρ。电阻率ρ是指长为1m、横截面积为1mm2的物体，在一定温度下所具有的电阻数，单位是Ω•m。电阻率ρ越小，材料的导电性就越好，通过电流时电能损失越小；反之损失电流越大。导电性和导热性一样，是随着合金化学成分的复杂化而降低的，因此，纯金属的导电性比合金好。银是所有金属中导电性最好的金属，其次是铜和铝。考虑到成本和安全性，常采用铜或铝作为导电材料。而导电性差的金属则可作为电热元件的材料，如镍铬合金等。金属具有正的电阻温度系数，即随温度的升高，电阻增大。含有杂质或受到冷变形会导致金属的电阻上升。6.磁性金属在磁场中被磁化而呈现磁性的性能称为磁性，通常用磁导率μ（H/m）表示。在众多金属中，铁及其合金（包括钢和铸铁）具有明显磁性，在外加磁场中，能被强烈磁化，钴、镍也具有磁性，但相对弱得多，这类材料称为铁磁性材料。另外有在外加磁场的作用下，呈现十分微弱的磁性的材料，如锰、铬、钼等，称为顺磁性材料。还有能够抵抗或减弱外加磁场磁化作用的金属材料，称为抗磁性材料。磁性材料是制造变压器、电动机以及仪表组件的材料，有软磁材料和硬磁材料之分。软磁材料指易于磁化并可反复磁化的材料，但当外磁场去除后磁性随之消失；硬磁材料指经磁化后，当外磁场去除后仍保留磁性，并具有高的剩磁和矫顽力。抗磁性材料则可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。二、化学性能金属材料在机械制造中，不但要满足力学性能、物理性能的要求，同时也要求具有一定的化学性能，尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零件，更应重视金属材料的化学性能。金属的化学性能是指金属在室温或高温时，抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，通常包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。金属的腐蚀既造成表面金属光泽的缺失和材料的损失，也造成一些隐蔽性和突发性的事故。在金属材料中，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，而不锈钢、铝合金、铜合金、钛及其合金的耐腐蚀性较好。铬镍不锈钢可以耐含氧酸的腐蚀；铜及铜合金、铝及铝合金能耐大气的腐蚀。对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种：一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如，钢的氧化反应。电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如均匀化处理、表面处理等都可以提高材料的耐腐蚀性。1.耐腐蚀性金属材料在高温条件下抗空气、水蒸气、燃气等氧化的能力称为抗氧化性。在高温下金属材料极易与氧结合，形成氧化皮，不仅造成金属的损耗和浪费，也会形成各种缺陷，因此高温下使用的工件，除要求材料具有高温抗氧化的能力外，还应该采取有效的措施，避免金属材料发生氧化，如在金属材料表面覆盖保护层、保持金属材料表面的洁净和干燥等。材料中的耐热钢、高温合金、钛合金等都具有好的高温抗氧化性。2.抗氧化性耐腐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。高温下的化学稳定性称为热化学稳定性。在高温下工作的设备或零部件，如锅炉、汽轮机和飞机发动机等应选择热化学稳定性高的材料来制造。3.化学稳定3、金属的工艺性能物理性能

金属材料的工艺性能是指在选用金属材料制造机械零件的过程中，采用某种加工方法的难易程度，加工方法包括液态成型（铸造）、塑性加工（冷热塑性加工）、焊接、切削加工和热处理等方法。金属的工艺性能主要有铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。金属工艺性能的好坏影响零件加工后的质量、生产效率和加工成本。一、铸造性能将液体金属浇注入与零件几何形状相适应的铸形空腔中，待冷却凝固后，获得零件或毛坯的工艺方法称为铸造。铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。金属的铸造性能是指铸造成形过程中，金属材料具有的成型性能，包括充型能力、流动性、收缩性、偏析性、氧化性、吸气性等。若金属材料易氧化、吸气、流动性差，收缩大和偏析严重，就很难铸出合格的铸件。在金属材料中，灰铸铁和青铜的铸造性能较好。液体金属充满铸型的能力称流动性。流动性好的金属，浇注时金属液容易充满铸型的型腔，能获得轮廓清晰、尺寸精确、薄而形状复杂的铸件，还有利于金属液中夹杂物和气体的上浮排除。相反，金属的流动性差，则铸件易出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣等缺陷。影响金属流动性的因素很多，主要有金属材料的化学成分、浇注温度和铸型工艺等。铸铁中的磷能提高流动性，而硫则降低流动性。铸型越复杂，型腔狭窄的部分越多，对液体金属流动的阻力就越大。温度越高，流动性越好，然而铸型材料导热性越好，金属液体的温度下降得越快，就会使合金流动性变差。1.流动性铸造金属从液态凝固到冷却至室温的过程中体积和尺寸的收缩程度称为收缩性。当液体合金的体积收缩很大时，在铸件上容易产生缩孔，因此，要设置冒口进行补缩。当固体收缩很大，同时又受到阻碍时，会产生内应力，致使铸件变形，甚至开裂等缺陷。此外，收缩性影响金属材料焊接质量，收缩性小的金属焊接质量好。影响收缩性的因素很多，主要有金属材料的化学成分、浇注温度和铸型工艺等。常用金属中灰铸铁与锡青铜的收缩率较小，而铸钢和黄铜具有较大的收缩率。金属凝固后，铸件各个不同部位的化学成分并不均匀，这种现象称为偏析。偏析会严重影响铸件的力学性能和物理性能，使铸件各个部分的强度、塑性不同，影响铸件质量，尤其是大尺寸铸件。产生偏析的原因有：合金凝固温度范围大、浇注温度高、浇注和冷却速度快。2.收缩性3.偏析4.吸气性和氧化性铸造金属在熔化时不可避免的吸收大量气体的能力称为吸气性。如果吸收的气体多，而在冷却凝固时来不及排出去，铸件中便会形成气孔。铸造金属液体在与氧气接触时容易被氧化，所形成的氧化物不易被清除，铸件便会有夹渣的缺陷。影响吸气性和氧化性的主要因素时金属的种类，如铅的吸气性大，而镁的氧化性很严重。二、塑性加工性能塑性加工是指金属毛坯在外力作用下产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。金属塑性加工分冷热塑性加工：冷塑性加工是指再结晶温度以下的塑性变形，而热塑性加工是指再结晶温度以上的塑性变形。金属在塑性加工时塑性成形的难易程度称为塑性加工性能。金属的塑性加工性能主要决定于塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的塑性加工性能就越好。低的塑性变形抗力使设备耗能少，优良的塑性使产品获得准确的外形而不遭破裂。一般纯金属的塑性加工性能良好，含合金元素和杂质愈多，塑性加工性能愈差。低碳钢的塑性加工性能优于高碳钢，黄铜和铝合金的塑性加工性能比钢好，而铸铁则不能进行塑性加工。三、焊接性能金属材料的焊接性，是指被焊接金属在采用一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数及结构型式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。同一种金属材料，采用不同的焊接方法或焊接材料，其焊接性可能会有很大的不同。金属的焊接性能包括两方面内容：其一是工艺焊接性，即在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力；其二是使用焊接性，即焊接接头或整体结构满足技术要求所规定的各种使用性能的程度。焊接的好坏与材料的化学成分和采用的工艺有关。钢的焊接性主要取决于钢中的化学成分，尤其是碳的含量。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量称碳当量，用符号WCE

表示，碳钢和低合金结构钢常用碳当量来评定它的焊接性。国际焊接学会使用的计算公式为CE Cw

w6 5 15wMn

wCr

wMo

wV

wNi

wC碳当量越高，钢的焊接性越差。当CE

＜0.

4%

时，焊接性良好，淬硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时一般不需要预热；CE

＝0.

4%～0.

6%

时，焊接性较差，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差，焊接时需要采用适当的预热和一定的工艺措施；CE

＞0.

6%

时，焊接性差，焊接时需要较高的预热温度和采取严格的工艺措施。如低碳钢和低碳的合金钢焊接性能良好，焊接质量容易保证；高碳钢和铸铁焊接性能差，焊接时需采用预热或气体保护，焊接工艺复杂，主要用来补焊机件。三、焊接性能四、切削加工性能切削加工是指通过去除材料的方法获得所需形状、尺寸和精度的零件，包括车削、铣削、钻削、刨削、磨削等方法。金属材料的切削加工性能的好坏影响其加工的难易程度。金属材料受各种切削加工的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能好的金属材料，刀具磨损小、切削速度快、加工表面粗糙度低。影响切削加工性能的因素繁多，有化学成分、硬度、韧性、导热性、组织等，因此评价切削加工性能较复杂。一般认为主要因素是材料的硬度和组织状况，有利于切削加工的硬度为170～230HBS。常用材料中，铸铁、铜合金、铝合金及经过恰当热处理的碳钢具有较好的切削加工性能，一些高合金钢的切削加工性能较差。五、热处理工艺性能热处理是通过对固态下的材料进行加热、保温、冷却，从而获得所需要的组织和性能的工艺。金属材料的热处理性能是指金属材料通过热处理改变其内部组织和性能的难易程度。钢的热处理性能包括淬透性、氧化脱碳性、回火稳定性、变形与开裂倾向等。热处理是改善金属或合金性能的主要方法之一，在机械制造过程中应用非常广泛，各种机械零件几乎都要经过热处理后才能使用，热处理工艺应用正确与否，直接关系到机械零件的使用性能、使用寿命和制造成本。思考与练习金属材料的性能包括

和

。力学性能主要包括

、

、

、

和

。金属材料物理性能包括

、

、

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和

。化学性能包括

和

。金属的铸造工艺性能包括

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和

。一、填空题思考与练习1.金属材料的力学性能是什么？什么是强度和塑性?强度有几种衡量指标？什么是衡量塑性的主要指标？2.什么是硬度？HB、HRA、HRB、HRC、HV各代表什么方法测出的硬度？3.试说明140HBS10/1000/30、500HBW5/750、50HRC和600HV30/20所代表的含义。4.有一退火零件，设计图上技术条件标注HRC17，是否正确？如果有误，你认为错在哪里？应如何改正？5.有一标距为50mm，直径为10mm的钢试样，产生屈服时的载荷为18950N。加载到36450N时，试样产生径缩，然后被拉断，拉断后测得标距长度为74mm，断裂处直径为4.6mm，试求该试样的σs、σb、δ、ψ。什么是韧性？Ak和αk各代表什么？什么是疲劳和金属的疲劳强度？什么是金属的焊接性能？钢中影响焊接性的合金元素有哪些？如何影响？二、简答题ThankYou!单元二

金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构01纯金属的结晶02合金的相结构03本章内容合金的结晶04金属铸锭组织05金属的塑性变形与再结晶06本章内容在外界条件一定时，材料的性能取决于金属材料的化学成分、原子集合体的结构（晶体结构）和内部组织（晶粒组织）。一般来说，构成材料的化学成分不同，材料表现出来的性能也不同；晶体结构不同，材料的性能也不一样。晶粒组织粗大，材料的性能低，晶粒组织细小，材料的性能高。金属材料的性能与其内部结构有着很大的关系。因此，了解金属内部结构与性能之间的关系，对于生产中的选材和确定加工的方法，具有很重要的指导作用。项目概述项目目标了解相的概念以及合金的相结构；03了解金属的晶体结构，熟练掌握单晶、多晶与晶粒、晶体与非晶体、晶格与晶胞概念，了解金属的同素异构转变过程；01掌握纯金属的结晶过程及控制铸件晶粒大小的措施；02项目目标掌握金属塑性变形对金属组织的性能的影响，了解金属的再结晶和热加工；06掌握杠杆定律，匀晶相图、共晶相图和包晶相图的分析方法；04了解金属铸锭的组织、铸锭缺陷以及如何有效的控制铸锭组织；051、金属的晶体结构一切物质都是由原子组成，根据内部原子的聚集状态不同，固态物质可分为晶体和非晶体两类。在晶体中如食盐、雪花、各种金属制品等，原子按一定的规律周期性排列，晶体具有固定的熔点（如铜的熔点为1083℃），且在不同方向上具有不同的性能，即晶体表现各向异性。而非晶体（如玻璃、松香、沥青等）的内部原子则是无规则地堆积在一起的，最多是局部的短程有序。与晶体不同，非晶体没有固定的凝固点和熔点，而是一个温度范围，且子非晶体各个方向上的原子聚集密度大致相同，即表现出各向同性。虽然晶体和非晶体有着本质上的差别，但在一定条件下，非晶体和晶体相互转化。例如，玻璃高温加热后可形成晶态玻璃，而金属经极速冷却后可制成非晶金属。一、晶体与非晶体原子通过结合键可构成分子，原子之间或分子之间也靠结合键聚结成固体状态。结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德华力。此外，还有一种称为氢键，其性质介于化学键和范德华力之间。金属元素区别于其他元素的共性在于原子内部最外层电子数不多于三个，这个特点决定了金属原子间的结合键为金属键，金属的许多特性也因此得以解释。例如，自由电子在一定电位差下运动构成优良的导电性。另外，在金属一端受热，该处的正离子的振动会加强，表现为温度升高，它们的能量经过自由电子的碰撞将温度传到整块金属，金属表现出良好的导热性。二、金属原子的结合及其特性为了便于描述和理解晶体中原子在三维空间排列的规律性，可把晶体中的原子近似看成是刚性的球体，如图2-1（a）所示，用一些假想的几何线条连接各个原子的中心，构成一空间结构如图2-1（b）所示的三维空间格架。这种表示晶体中原子排列形式的三维空间格架叫空间点阵或晶格。根据晶体中原子排列的规律性和周期性的特点，我们可以从晶格中取出一个能完全代表晶格结构特征的最基本的几何单元，这种基本单元叫晶胞，如图2-1（c）所示。晶胞的各棱边长a、b、c叫作晶格常数；晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示，称为轴间夹角。三、晶格与晶胞具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、W、V等14种。金属晶体结构类型很多，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最型的有以下三种：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。在已知的80多种金属元素中，大部分金属的晶体结构分别属于这三种类型。很显然晶格类型不同，即指晶体结构不同。1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图2-2所示。晶胞的三棱边长度相等，即a=b=c，三个轴之间的夹角均为90°，构成一立方体，如图2-2（b）所示。立方体的8个顶角和立方体中心各排列一个原子，立方体中心的原子完全属于该晶胞，而每个顶角上的原子为相邻的8个晶胞所共有。故体心立方晶格的致密度K（晶胞内所有原子的体积和整个晶胞的体积的比值）为四、常见金属晶格类型2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图2-3

所示，也是一个立方体，立方体边长为a。在立方体的8

个顶角和6

个面中心各排列一个原子，每个面上的原子同时属于相邻两个晶胞，每个顶角上的原子为相邻的8个晶胞所共有。故面心立方晶格的致密度K为四、常见金属晶格类型大部分金属只有一种晶体结构，有些金属如铁、钛、钴、镍等具有两种或几种晶体结构。这类金属在加热或冷却的过程中，晶体结构会随温度变化发生变化，金属的这种现象，称为同素异构转变。金属由同素异构转变的得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。铁是这类金属的典型代表，在固态下，铁随温度变化可发生两次同素异构转变，形成三种同素异构体。纯铁的冷却曲线和结构变化如图2-5

所示。铁在912℃以下时是体心立方晶格，称为α-Fe；当加热到912℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格α-Fe

转变成面心立方晶格，称为γ-Fe；当加热到1

394℃时再次发生同素异构转变，由面心立方晶格γ-Fe

体心立方晶格α-Fe

又转变成体心立方晶格，称为δ-Fe。由于不同的晶体结构致密性不同，故当金属发生同素异构转变时，金属的体积将发生突然变化。图2-6

是纯铁加热时的膨胀曲线。三种同素异构体中，α-Fe

和δ-Fe

同属体心立方结构，致密度小于面心立方结构的γ-Fe，故温度加热到912℃时，由α-Fe

转变γ-Fe，纯铁致密度增大，体积减小；温度到达1

394℃时，由γ-Fe

转变为δ-Fe，致密度减小，纯铁体积膨胀增大。五、金属的同素异构转变五、金属的同素异构转变1.单晶体与多晶体单晶体是指在一定容积内只含有一颗晶粒（外形不规则的小晶体）的晶体，晶体内部的晶格位向完全一致。这种晶体只有采用特殊的方法才能够获得。结构材料很少采用单晶体，实际金属是由许多晶格位向不同的晶粒组成的多晶体。晶粒内部，晶格位向基本一致，而相邻的晶粒晶格位向有所不同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，有无晶界存在，是单晶体与多晶体的一个区别。由于金属是多晶体结构，实际测得的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均性能，使金属显示各向同性。六、实际金属的晶体结构2、纯金属的结晶金属自液态冷却转变为固态的过程称为凝固，凝固后的固态金属通常是晶体，故这一转变过程称为结晶。所有通过冶炼和铸造得到的金属材料，都要经过由液态转变为固态的结晶过程。研究金属结晶过程的基本规律，对改善金属材料的组织和性能，都具有重要的意义。一、纯金属的冷却曲线和过冷现象将纯金属放入干坩埚2中，通过电炉1加热使金属熔化成液态，将热电阻4插入金属液中测量温度并在坐标图上记录(图2-12)，让液态金属缓慢均匀冷却至完全凝固，每隔一段时间测量一次温度，并在坐标图上记录，得到如图2-13所示的纯金属的冷却曲线。从图2-13可知：（1）纯金属液的温度随时间的增加而逐渐下降。（2）当冷却到T1时，金属的温度随着时间的增加却稳定不变。在这段时间内，液态金属开始凝固释放热量，弥补了金属对外散发的热量，即这段时间金属正在结晶，我们把金属结晶过程中释放的热量叫作结晶潜热。T1称为实际结晶温度。（3）结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度随时间的增加而逐渐下降。（4）过冷现象。金属的熔点称为理论结晶温度，用T0表示。金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。它们的温度差ΔT=T0－T1，称为过冷度，过冷度恒大于零。一、纯金属的冷却曲线和过冷现象过冷度的大小与金属的种类、纯度以及冷却速度有关，可以在很大的范围内变化。对于化学成分完全相同的金属，冷却速度越大，过冷度也越大；反之亦然。液态金属的纯度低，过冷度小。二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程由于晶胞的顶角和棱边处的散热性好，缺陷多，液体原子容易固定，晶粒在棱边和顶角处就优先长大，以此类推得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶，如图2-17

所示。散热方向三、晶粒大小及控制措施晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小称为晶粒度，可以用单位体积内晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越小。为了测量方便，通常用晶粒的平均面积或晶粒的平均直径来表示晶粒的大小。在常温下，细晶粒金属与粗晶粒金属相比，具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。晶粒细化的方法为提高金属的力学性能，必须控制结晶后晶粒的大小，尽量细化晶粒。金属结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，其晶粒度取决于形核率和长大速度。根据形核和长大规律，工业上常用的细化晶粒的方法有加大冷却速度以增加过冷度、变质处理和振动处理。3、合金的相结构纯金属虽然也有很好的导电、导热性能，在一些领域得到了一定的应用，但纯金属强度、硬度等力学性能较低，在应用上会受到一定限制。因此，工业上广泛应用的是合金，而不是纯金属。一、基本概念合金所谓合金就是由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）经过冶炼、烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。合金不仅具有较好的综合机械性能，而且价格比纯金属低廉，故应用更为广泛。给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。组元组成合金最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，以此类推。相合金中的相是指具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金，由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。4.组织合金的相可以以不同数量、形状、大小和分布方式组合，构成在显微镜下观察到的不同组织。所谓组织，指的是肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。二、固溶体一组元（溶剂）保留自己的晶格类型，另外的组元（溶质）以原子形式进入其中形成的相称为固溶体。按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类，如图2-18所示。1.置换固溶体置换固溶体是指溶质原子占据了部分溶剂原子晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，如图2-18（a）所示。置换固溶体通常是溶质原子任意分布的无序固溶体；在一定条件下少数合金（如Cu-Au

合金）的溶质原子会以一定的比例按一定规律分布在溶剂晶格结点上，这种固溶体称为有序固溶体（或称超结构）。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但固溶能力相差悬殊。根据溶质原子在溶剂中的溶解能力，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。通常固溶体的溶解度是有限的，这类固溶体称为有限固溶体；而不存在极限浓度限制的固溶体为无限固溶体，也称为连续固溶体，这类固溶体中各组元可按任意比例相互溶解。大量试验表明，大多数合金只能有限固溶，只有两组元的晶格类型相同，原子半径相差很小，原子结构相同时，才可以无限互溶，形成无限固溶体。此外，固溶度还与温度有关，温度越高，固溶度越大。2.间隙固溶体

溶质原子嵌入溶剂晶格中各结点之间的间隙所形成的固溶体为间隙固溶体，如图2-18（b）所示。实践证明只有当溶质原子半径与溶剂原子半径之比r质/r剂＜0.59时，才可能形成间隙固溶体，两者大小相当时则易形成置换固溶体。无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，溶质原子的溶入必然导致溶剂晶格的畸变，增加位错运动的阻力，提高合金的强度和硬度，这就是典型的固溶强化现象。只要能适当控制固溶体中溶质的含量，固溶体能在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。可见固溶强化是金属材料，特别是有色金属材料的主要强化手段之一。在物理性能方面，随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。因此工业上应用的精密电阻或电热材料，如铁铬铝电阻丝等都广泛采用单相固溶体合金。三、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的具有金属特性的一种新相，又称中间相，金属化合物的熔点一般较高，性能硬且脆。当金属化合物在固溶体上弥散分布时能阻碍位错的运动，使合金的强度、硬度耐磨性等得到很大的提高，但同时也降低了合金的塑性和韧性，这就是所谓的弥散强化现象。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及其他有色金属的重要组成相。4、合金的结晶相比纯金属，合金的凝固过程趋于复杂，合金的结晶在遵守结晶的基本规律的基础上，具有的特点主要包括两方面：一方面合金的结晶基本上是在一定温度范围内完成的，而不是在恒温下进行的。在一个合金系中，不同成分的合金的结晶温度的起止点是不同的。合金的组织不仅随成分的不同而不同，还会随温度的变化而发生变化。显然，仅用简单的冷却曲线已经无法清楚地表达合金的结晶过程，因此我们引入了相图的概念。相图是指合金系在平衡条件（等温、等压、等容）下，合金的状态与成分、温度与相之间相互关系的图形。一、二元合金相图的建立二元合金相图可以看成是由合金系中若干不同成分的合金的冷却曲线合并而成的，通常用热分析法建立。现以Ni-Cu二元合金为例说明合金相图的建立方法与步骤。配置若干组成分不同的Ni-Cu合金并将其熔化。图2-19（a）给出的是100%Ni、80%Ni+20%Cu、60%Ni+40%Cu、40%Ni+60%Cu、20%Ni+80%Cu以及100%Cu的冷却曲线。由图2-19（a）可见，合金的凝固是在一定温度范围内进行的，温度较高的转折点（临界点）表示结晶的开始温度，而温度较低的转折点对应的是结晶的终结温度。二、杠杆定律

二元合金相图中，为了方便称呼，往往在各自区域写上相应的相符号或组织状态符号，并给曲线标上字母。如图2-20所示，液相线上方是液相区，合金是液体状态，用L表示。固相线的下方是固相区，合金是固溶状态，用α表示。液相线与固相线之间是结晶状态，用L+α表示。液相区和固相区中都只有一个相，属于单相区。而由液相线和固相线围成的那个相区属于双相区。

结晶过程中的合金，液相成分和固相成分随着温度的下降分别沿液相线和固相线变化。在给定的温度下，作一条平行于横轴的直线，与相应的相线交点所对应的化学成分就是相应相的化学成分。固液两相的相对含量可用杠杆定律来确定。三、匀晶相图

在固态和液态下均能无限互溶的二组元构成的相图为匀晶相图，绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分。匀晶相图是最简单的二元合金相图，只有两个单相区L及α，一个两相区L＋α，如图2-21所示。Cu-Ni，An-Ag，An-Pt等合金具有这类相图。三、匀晶相图

合金的结晶过程和纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段。合金的结晶是在一定的温度范围内进行的，由于液、固两相的成分随温度下降不断地发生变化，因此，结晶过程依赖于两组元原子的扩散。若结晶过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分，这个过程称为平衡结晶。需要着重指出的是，在每一温度下，平衡结晶实质包括三个过程：液相内的扩散过程；固相的继续长大；固相内的扩散过程。

平衡结晶得到的固溶体晶粒内的成分是均匀一致的。如果结晶是在不平衡的条件下（如冷却速度较快）进行的，则会出现先析出的α晶体的成分来不及扩散，就被另一成分析出的α晶体包围，造成晶粒内部化学成分不均匀的枝晶偏析现象，这个过程叫作非平衡结晶过程。

枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，通过“均匀化退火”或称“扩散退火”，即在固相线以下较高的温度（要确保不能出现液相，否则会使合金“过烧”）经过长时间的保温使原子扩散充分，使之转变为平衡组织。四、共晶相图

在液态相互溶解的两组元，在一定温度一定成分下同时结晶出两种固相，这种转变叫作共晶转变。具有共晶转变的相图叫作共晶相图。结晶出的两种固相只能部分互溶，甚至完全不溶，其混合物称为共晶组织或共晶体，发生共晶转变的温度称为共晶温度，它比各组元的熔点都低。图2-22所示的Pb-Sn合金相图是一个典型的二元共晶相图，具有这种相图的还有Pb-Sn系、Al-Si系、Ag-Cu系等。五、包晶相图

已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变称为包晶转变，具有包晶转变的相图叫包晶相图。发生包晶转变时的温度称为包晶温度。组成包晶相图的两组元，在液态时可无限互溶，而在固态时只能部分互溶。具有包晶转变的二元合金有Cu-Zn、Ag-Sn、Pt-Ag等。

图2-23所示为Pb-Sn合金相图，图中ACB是液相线，APDB是固相线，PE是Ag在Pt为基的α固溶体的溶解度曲线，DF是Pt在Ag为基的b固溶体的溶解度曲线。共三个单相区：液相L、固相α和固相β，此外还有3个两相区，即L+α、L+β和α+β。水平线PDC是一条三相（L、α、β）共存线，成分在PC范围内的合金在该温度都将发生包晶转变，包晶转变反应式如下：5、金属铸锭组织

铸锭组织包括晶粒大小、形状和取向，合金元素和杂质分布以及铸锭中的缺陷（缩孔、气孔、夹杂物等）。铸件的铸态组织影响其机械性能，铸锭的铸态组织影响着其后续的加工性能以及成品的使用性能。因此了解铸件或铸锭的铸态组织是十分必要的。一、铸锭的组织1.表面细晶区（激冷带）表面金属液与铸模接触，迅速冷却为一薄层细小等轴晶粒，组织致密，杂质少，机械性能好，但厚度太小，没有多大实际意义。2.柱状晶区形成细晶区时，金属遇冷收缩，模壁迅速升温而膨胀，细晶区与模壁之间形成一空气层，向外散热能力下降，再加上结晶潜热的释放，造成靠近固液界面的液体前沿过冷度减小，形成新晶核的可能性不大。由于铸模在高度方向上的尺寸是大于截面尺寸的，并且铸模侧面到中心温差较大，只有在垂直模壁的方向上散热条件相对好些，因此，枝晶沿此方向生长，最后形成柱状晶粒。一、铸锭的组织

当铸模表面和中心温差过大且无新晶核生成，柱状晶可以长到铸锭中心，甚至与对面的柱状晶相连接，形成穿晶，如图2-25所示。此时第三层晶粒组织便不存在。相反之下，柱状层也有可能不存在。3.中心等轴晶区随柱状晶发展，越靠近铸锭中心，散热越困难，剩余液体温度趋于均匀，加上杂质的作用，即使液体在过冷度很小的条件下也开始结晶，直到与柱状晶接触完成结晶为止。由于此时散热不具有方向性，等轴晶区的晶粒在各个方向上的尺寸接近均等，呈颗粒状分布，且粗大，组织比较疏松。二、铸锭组织控制

不同晶区具有不同的性能，如柱状晶组织致密，性能具有方向性；细晶区晶粒细小，机械性能好等。在不同的凝固条件下，设法使性能好的晶区尽可能大，不利的晶区尽量减少，直至消失，是非常有意义的。铸锭组织中柱状晶对性能的影响占主要地位，了解影响柱状晶生长的因素是很有必要的。

铸造温度低，冷却速度慢，有利于保持截面温度的均匀性，促进等轴晶的形成，适用于钢铁铸件的组织。由于柱状晶的接触面常有非金属杂质或低熔点杂质，为了避免在热轧、锻造时开裂，对于熔点高和杂质多的金属，不宜生成柱状晶。6、金属的塑性变形与再结晶

铸态金属材料往往存在晶粒粗大不均、不致密等缺陷，所以大多数金属材料在冶炼浇铸后，都要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等塑性加工，使金属产生各种塑性变形，得到所需的外形尺寸，并改善金属材料的组织和性能，从而提高金属材料的机械性能。因此研究金属的塑性变形规律对于改进加工工艺、提高生产率、提高产品的质量、合理使用材料等都具有重要的指导意义。塑性变形方式主要有：滑移、孪生、扭折、晶界滑动和扩散性蠕变等。一、单晶体的塑性变形

如图2-26（a）所示，对单晶体进行拉伸，晶体受到的外力P在晶体内的某一晶面分解为两种应力。一个是垂直于该晶面的应力，即正应力σ，另一个是平行于该晶面的应力，即切应力τ。在正应力作用下，弹性范围内，晶体被拉长，撤力后，晶体又恢复原状，增大正应力，则晶体被拉断，图2-26（b）所示；而切应力作用下，晶格在弹性扭曲之后，进一步伸长变形，造成滑移，如图2-26（c）所示。通过大量的滑移面的滑移，最终宏观上表现为试样被拉长，同时滑移面发生转动和扭曲，如图2-26（d）。滑移虽然是在切应力作用下发生的，但实际上取决于滑移面内滑移方向上的分切应力的大小。只有当分切应力大于某一临界值时才能滑移，该临界值即为临界分切应力，用符号τk表示。二、多晶体的塑性变形

工业中实际使用的金属大多是多晶体，室温下多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。由于多晶体是由许多形状、大小、位向各不相同的晶粒组成的，并且多晶体内存在大量晶界，从而使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。

外力作用下，晶体内各晶粒滑移次序和变形量随晶粒位向和晶界数目的不同而不同。晶粒中的各个晶粒并不是同时发生塑性变形的，分切应力大的滑移系，首先发生滑移，到达晶界时，由于晶界处原子排列不规则，阻碍了位错的运动，并在晶界附近堆积，与此同时，位错运动还受到邻近不同位向的晶粒的阻碍。随着外力的增加，位错进一步堆积，最终致使邻近晶粒中位错开始，变形便从一批晶粒传递到另一批晶粒。单位体积内的晶粒越细小，晶粒的数目就越多，晶界就越多，不同位向的晶粒也越多，受到的塑性变形抗力越大，表现出较好的塑性和韧性。因此要尽可能的细化晶粒，提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。三、塑性变形对金属组织和性能的影响1.塑性变形对组织结构的影响（1）塑性变形还会使晶体内部晶粒破碎，形成位向不同的小晶块，即亚结构。在亚结构的边界上聚集着许多位错，随变形程度增大，亚结构进一步细化，位错密度增加，进一步增加了滑移的阻力。（2）金属塑性变形时，外形发生变化的同时，内部晶粒形状也发生了很大的变化。通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长。原来没有变形的晶粒，经过加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化。随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化也不一样，如在轧制时，单个晶粒沿着变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越显著。（3）多晶体在塑性变形时也伴随有晶体的转动，变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐取向趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫作变形织构。变形织构有丝织构和板织构两种类型。三、塑性变形对金属组织和性能的影响2.塑性变形对金属性能的影响（1）加工硬化。位错运动时产生的固定割阶、位错缠结等障碍引起的变形抗力增大，使塑性变形困难，即金属的强度和硬度随变形量增大而增加，塑性和韧性则下降，金属的这一现象即为加工硬化或形变强化。加工硬化可以提高金属的强度，是强化金属的重要手段，尤其对那些不能用热处理强化的金属材料显得更为重要。加工硬化也是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素。另一方面，加工硬化使金属塑性降低，使进一步的冷塑变形困难，进一步变形需要更大的动力。有时由于塑性过低，继续变形会导致金属开裂，可以通过中间热处理来消除加工硬化，但这样做会增加成本。（2）使金属产生某些物理和化学性能变化。经过冷塑性变形的金属，物理性能和化学性能也发生变化。比如导热系数下降，导电性能和电阻温度系数下降。变形后由于晶体缺陷（位错和空位）的增加，是扩散速度的加大。此外，金属处于高能状态，原子活动能力加强，金属更易腐蚀。（3）残余应力。金属在塑性变形时，外力所做的功大部分转化为热能，使金属温度升高，随后散失掉，但尚有一小部分（约10%）保留在金属内部，形成残余应力和晶格畸变。按残余应力作用范围的不同，分为三类：第一类内应力（宏观残余应力）、第二类内应力（微观残余应力）、第三类内应力（晶格畸变）四、回复与再结晶

温度较高时，原子有活动能力，形变后处于高能不稳定状态的金属开始向稳定状态转变，随着温度的升高，金属的结构和性能都有所变化，这种变化分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。1.回复图2-27中，当温度低于在T1时，属于回复阶段。在这一过程中，主要是各种点缺陷进行各种形式的迁移、中和，使点缺陷密度明显降低，晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力有所降低，但晶粒外形尚无明显变化，位错密度降低很少，力学性能变化不大，冷变形强化状态基本保留。回复退火正是利用这一点得以进行的。四、回复与再结晶2.再结晶图2-27中，从T1升到T2的阶段属于再结晶阶段。T1温度时，形变组织的晶粒内部出现少数的新晶粒的形核，并逐渐长大，温度到达T2后，形变组织消失，晶粒全部变为等轴晶粒，性能发生了明显变化。再结晶过程首先是在晶粒碎化最严重的地方产生新晶核，然后晶核吞并旧晶核而长大，直到旧晶核完全被新晶核代替为止。再结晶后的晶粒内部晶格畸变消失，位错密度减小，金属的强度、硬度显著下降，塑性显著上升，使变形金属的组织和性能基本上恢复到变形前的状态。3.晶粒长大再结晶结束后得到的是无畸变的等轴再结晶初始晶粒，温度升高，晶粒尺寸长大。根据长大特征，晶粒长大可分为两种类型：一种是随温度升高或保温时间延长而均匀连续长大，称为正常长大；另一种则是在长大过程中，个别晶粒急速长大，形成非常粗大的组织，叫反常生长，或二次结晶。五、金属的热加工1.冷加工与热加工生产中，除一些铸件和烧结件外，几乎所有金属材料都要进行热加工，从金属学角度讲，使金属在再结晶温度以上进行塑性变形，都称为热加工，低于再结晶温度的加工称为冷加工。前面所说的金属塑性变形的情况是冷加工。

热加工过程中的回复和再结晶分为两类：一类是回复、再结晶与变形同步进行，称为动态回复和动态再结晶；另一种是回复、再结晶是在形变终止后进行保温或冷却的过程中进行的，称为静态回复和静态再结晶。五、金属的热加工2.热加工对组织和性能的影响（1）改善铸锭组织。金属材料构件多是由金属铸锭经轧制得到的。热加工可使铸锭内的缺陷得到明显改善，如气泡得到焊合、疏松被压实，材料致密度增加。通过热加工，可以使铸态时的粗大柱状晶变细，可以改善夹杂物与脆性相的形态、大小和分布，还可以部分消除枝晶偏析。因此，经过轧制和锻造的钢材，性能优于铸件。（2）纤维组织。热加工可以使铸态金属中的偏析和非金属夹杂沿着变形的方向拉长，形成所谓的“流线”，纤维组织。纤维组织使金属材料机械性能呈现各向异性。沿纤维方向具有较高的机械性能（包括抗拉强度、塑性和韧性），垂直于纤维组织方向的性能则比较低五、金属的热加工3.带状组织金属在经过热加工后会出现带状组织，其形成原因主要是铸态中的成分偏析在压力加工时未被充分消除。图2-29是在金相显微镜下观察到的中碳钢带状组织，白色的铁素体和黑色的珠光体成带状分布。带状组织也会使金属机械性能具有方向性，使材料塑性和韧性显著降低，并恶化材料的切削性能。一、判断题单晶体和多晶体均呈现各向异性。（ ）冷却速度越大，过冷度越小。（ ）晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示，目越多，晶粒越小。（ ）二、填空题金属晶体结构最常见的有三种类型： 、

和

。晶体缺陷的几何形状特征，分为三类： 、

和

。晶粒大小与形核率（单位时间单位体积内形成的晶核数目）和晶粒长大的速度有关。根据形核和长大规律，工业上常用的细化晶粒方法有

、

和

。根据金属间化合物的形成条件及结构特点，可将其分为

、

和

三种类型。按照质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占位置的不同，固溶体可分为

和

两类。金属经塑性变形后，随温度的升高，金属的组织和性能发生相应的变化，这种变化分为

、

和

三个阶段。思考与练习三、综合题思考与练习ThankYou!单元三铁碳合金和碳钢铁碳合金相图01

典型铁碳合金的平衡结晶过程02碳钢03本章内容铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的开发以及工艺废品原因的分析都有很重要的指导意义。Fe-Fe3C（渗碳体）相图是一个典型的二元合金相图。在Fe-Fe3C相图中包含了二元典型的包晶、共晶、共析反应，同时还有一个稳定化合物，掌握铁碳合金相图的分析方法，对我们学习二元合金相图具有重要的帮助。在钢铁材料中，应用最广泛的是碳钢。这是因为碳钢冶炼简便，价格低廉，在一般情况下能满足使用要求。因此，本单元重点介绍了工业用碳钢的分类、编号和性能。项目概述项目目标了解碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响；03了解和掌握铁碳合金相图的基本特征，会分析铁碳合金相图；01掌握典型铁碳合金平衡结晶过程；021、了解碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响钢铁材料是铁碳合金系少具有实用价值的部分，是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料。普通碳钢和铸铁均属铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上有意加入合金元素的铁碳合金。为了熟悉钢铁材料的组织和性能，以便在生产中合理使用，首先必须研究铁碳合金的相图。反映铁碳合金的化学成分、相、组织与温度关系及其变化规律的相图已诞生了一百多年，是人类经过长期生产实践和大量科学试验总结出来的。本单元将较详细地介绍铁碳相图中只有实用价值的部分的Fe-Fe3C

相图，并介绍与此相图相对应的、工业用量颇大的碳素钢。一、铁碳合金中的相与基本组织从冷却曲线上可知，第一个1583℃的平台是铁的结晶温度，结晶后是体心立方晶格δ-Fe。当温度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的γ-Fe。当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的第二次同素异晶转变。变成体心立方的β-Fe。当温度降低到912℃以下，铁的结构不再发生变化。正因为Fe具有这种同素异晶转变，才使得钢也存在多种固体相变，为钢的合金化和热处理打下了基础。2.铁与碳相互作用构成的基本相Fe-Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。在Fe-Fe3C二元合金系中，由于铁和碳之间相互作用不同，铁和碳既可形成固溶体，也可形成金属化合物。铁素体、奥氏体和渗碳体是铁-碳合金的三个基本相。（1）铁素体。铁素体是碳在α-Fe中形成的固溶体，常用“F（或α）”表示，是间隙固溶体，α-Fe为溶剂，保持体心立方晶格。由于α-Fe的晶格间隙比碳原子的半径小得多，因此，溶碳能力极差。在727℃时溶碳量最大，仅为0.02%，室温时溶碳量为0.0008%。而且，碳原子一般存在于晶格缺陷处。在显微镜下观察，铁素体如图3-2所示。图3-2铁素体的显微组织示意图一、铁碳合金中的相与基本组织（2）奥氏体。奥氏体是碳在γ-Fe中形成的固溶体，常用“A”表示，奥氏体也是间隙固溶体，因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大，在727℃时，溶碳量为0.77%，随着温度的升高溶碳量逐渐增大。在1148℃时溶碳量最大，为2.11%。奥氏体在显微镜下的形态如图3-3所示。图3-3奥氏体的显微组织示意图一、铁碳合金中的相与基本组织二、铁碳合金相图分析铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础，铁和碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC，由于含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而只研究Fe-Fe3C相图部分，Fe-Fe3C相图如图3-4所示。2.Fe-Fe3C相图中的特性线ABCD线：液相线，ABCD线以上区域，铁碳合金处于液态。碳的质量分数Wc≤4.3%的铁碳合金在AC线开始结晶出奥氏体（A）；碳的质量分数Wc＞4.3%的铁碳合金在CD线开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳，常用Fe3CI表示。AHJECF：固相线，固相线以下区域，铁碳合金呈固态。整个相图主要是由包晶、共晶和共析三个恒温转变组成的。HJB线。包晶转变线，在这条线上发生包晶转变LBδHγJ，产物为奥氏体二、铁碳合金相图分析2.典型铁碳合金的平衡结晶过程一、铁碳合金的分类铁碳合金按其含碳量及室温组织可分为三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。典型铁碳合金的成分与室温组织见表3-2。表3-