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金属材料与热处理课题一

金属材料的性能课题二金属的晶体结构与结晶课题三金属的塑性变形与再结晶课题四铁碳合金课题五钢的热处理课题六工业用钢课题七铸铁课题八有色金属及其合金课题九非金属材料课题十实验全套可编辑PPT课件课题一

金属材料的性能学习情境一金属的力学性能学习情境二金属的工艺性能学习目标掌握基本金属材料的力学性能的概念；了解金属材料力学性能的评价指标和评价方法；了解金属材料常用加工方法及其工艺性；掌握布氏硬度和洛氏硬度的测定方法。课题一

金属材料的性能金属材料由于具有许多良好的性能而被广泛地用于机械制造和生活用品的生产领域。为了能够合理地选用金属材料，

从而设计、制造出具有竞争力的产品，必须了解和掌握金属材料的性能。金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，

它包括力学性能、

物理性能、化学性能；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能，如铸造性能、锻造性能等。

相关知识课题一

金属材料的性能金属的力学性能是指金属在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。弹性是指物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。应力是指物体受外力作用后所导致物体内部之间相互作用的力(称为内力)与截面积的比值。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化，通常以百分数(%)表示。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能金属的力学性能是设计和制造机械零件或工具的主要依据，也是评定金属材料质量的重要依据。选用各种金属材料除对其成分范围作规定外，还要对其力学性能作必要的规定。制造各类构件的金属材料都必须达到规定的性能指标。因此，熟悉和掌握金属的力学性能是非常重要的。金属受力的性质不同，将表现出各种不同的反应，显示出各种不同的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。载荷根据作用性质的不同，可以分为静载荷、冲击载荷及循环载荷等。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的依据。学习情境一金属的力学性能

一、强度学习情境一金属的力学性能金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸实验测定的。拉伸实验的方法是将一定形状和尺寸的被测金属试样装夹在拉伸实验机上，缓慢施加轴向拉伸载荷，同时连续测量拉伸力和相应的伸长量直至试样断裂，根据测得的数据，即可计算出有关的力学性能。学习情境一金属的力学性能拉伸试样1.在国家标准中，对拉伸试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，通常采用圆柱形拉伸试样，如图1-1所示。图1-1圆柱形拉伸试样学习情境一金属的力学性能图中d0为标准试样的原始直径；l0为标准试样的原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，拉伸试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种。学习情境一金属的力学性能力-伸长曲线2.力-伸长曲线是指拉伸实验中记录的拉伸力F与试样伸长量Δl之间的关系曲线，一般由拉伸实验机自动绘出。图1-2所示为低碳钢试样的力-伸长曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示试样伸长量Δl，单位为mm。学习情境一金属的力学性能图1-2低碳钢试样的力-伸长曲线学习情境一金属的力学性能观察力-伸长曲线，明显地表现出下面几个变形阶段:（1）Oe——弹性变形阶段。在力伸长曲线图中，Oe段为一斜直线，说明在该阶段试样的伸长量Δl与拉伸力F之间成正比例关系。当拉伸力F增加时，试样的伸长量Δl随之增加，去除拉伸力后试样完全恢复到原始的形状及尺寸，表现为弹性变形。Fe为试样保持完全弹性变形的最大拉伸力。（2）es——屈服阶段。当拉伸力不断增加，超过Fe再卸载时，弹性变形消失，一部分变形被保留下来，即试样不能恢复到原来的形状及尺寸，这种不能随拉伸力的去除而消失的变形称为塑性变形。当拉伸力继续增加到Fs时，力-伸长曲线出现平台，说明在拉伸力基本不变的情况下，试样的伸长量继续增加，这种现象称为屈服。Fs称为屈服拉伸力。学习情境一金属的力学性能（3）sb——冷变形强化阶段。屈服后，试样开始出现明显的塑性变形。随着塑性变形量的增加，试样抵抗变形的能力逐渐增加，这种现象称为冷变形强化。在力伸长曲线上表现为一段上升曲线，该阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉断前能承受的最大拉伸力。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能（4）bk——缩颈与断裂阶段。当拉伸力达到Fb时，试样上某个部位的截面发生局部收缩，产生“缩颈”现象。由于缩颈使试样局部截面减小，试样变形所需的拉伸力也随之降低，这时变形主要集中在缩颈部位，最终试样被拉断。缩颈现象在力-伸长曲线上表现为一段下降的曲线。工程上使用的金属材料，大多没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”现象，如高碳钢、铸铁等。图1-3所示为铸铁的力-伸长曲线。学习情境一金属的力学性能图1-3铸铁的力-伸长曲线学习情境一金属的力学性能强度指标3.（1）屈服点。在拉伸实验过程中，拉伸力保持不变，试样仍然能继续伸长（变形）时的应力称为屈服点，用符号σs表示，单位为MPa。计算公式为式中，Fs为试样屈服时所承受的拉伸力，N；S0为试样原始横截面积，mm2。学习情境一金属的力学性能（2）抗拉强度。试样在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示，单位为MPa。计算公式为式中，Fb为试样拉断前所承受的最大拉伸力，N；S0为试样原始横截面积，mm2。零件在工作中所承受的应力，不应超过抗拉强度，否则会导致断裂。σb也是机械零件设计和选材的依据，是评定金属材料性能的重要参数。学习情境一金属的力学性能

二、

塑性塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。通常用伸长率和断面收缩率来表示。学习情境一金属的力学性能伸长率1.试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，用符号δ表示。δ值可用下式计算。式中，l1为拉断试样对接后测出的标距长度，mm；l0为试样原始标距长度，mm。必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的。长试样和短试样的伸长率分别用符号δ10和δ5表示，习惯上δ10也写成δ。学习情境一金属的力学性能断面收缩率2.试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用符号ψ表示。ψ值可用下式计算。式中，S0为试样原始横截面积，mm2；S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积，mm2。学习情境一金属的力学性能金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大，说明其塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标，是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。机械制造业中所用的刀具、量具、模具等都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和使用寿命。有些机械零件如齿轮、曲轴等，也要求具有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此，硬度是金属材料重要的力学性能之一。学习情境一金属的力学性能

三、硬度硬度是一项综合力学性能指标，其数值可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、显微组织和各种加工工艺上的差异。与拉伸实验相比，硬度实验简便易行，而且可以直接在工件上进行实验，并不破坏工件，因而在生产中被广泛应用。测试硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法和维氏硬度实验法三种。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能（1）测试原理。使用一定直径的硬质合金球，以规定的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，去除实验力，测量试样表面的压痕直径，然后计算其硬度值，如图1-4所示。布氏硬度实验法1.图1-4布氏硬度实验原理图布氏硬度值是指球面压痕单位表面积上所承受的平均压力，用符号HBW表示。布氏硬度值可用下式计算。式中，F为实验力，N；S为球面压痕表面积，mm2；D为球体直径，mm；d为压痕平均直径，mm。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能从计算公式中可以看出，当实验力F和压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关，因此实验时只要测量出压痕直径d，就可以通过计算或查布氏硬度表得到结果。一般布氏硬度值不标出单位，只写明硬度的数值。布氏硬度实验时，压头球体直径D、实验力F和实验力保持时间，应根据被测金属的种类、硬度值范围及试样的厚度进行选择，见表1-1。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能（2）表示方法。布氏硬度的表示方法是，测定的硬度数值标注在符号HBW的前面，符号后面按球体直径、实验力、实验力保持时间(10~15s不标注)的顺序，用相应的数字表示实验条件。例如：600HBW1/30/20，表示用直径1mm的硬质合金球在294.2N实验力的作用下保持20s，测得的布氏硬度值为600；550HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球在7355N试验力的作用下保持10~15s，测得的布氏硬度值为550。学习情境一金属的力学性能（3）适用范围及优缺点。布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、非铁金属及退火、正火或调质状态的钢材等材料的硬度。布氏硬度实验时的实验力大，球体直径大，因而获得的压痕直径也大，能在较大范围内反映被测金属的平均硬度，实验结果比较准确。但因压痕较大，所以不宜测量成品件或薄件。学习情境一金属的力学性能洛氏硬度实验法2.（1）测试原理。洛氏硬度实验是用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初实验力和主实验力的先后作用下，压入试样的表面，经规定保持时间后卸除主实验力，在保留初实验力的情况下，根据测量的压痕深度来计算洛氏硬度值，如图1-5所示。学习情境一金属的力学性能图1-5洛氏硬度实验原理图学习情境一金属的力学性能进行洛氏硬度实验时，先加初实验力F0，压头压入试样表面，深度为h1，目的是消除因试样表面不平整而造成的误差。然后再加主实验力F1，在主实验力的作用下，压头压入深度为h2。卸除主实验力，保持初实验力，由于金属弹性变形的恢复，使压头回升到压痕深度为h3的位置，那么由主实验力所引起的塑性变形而使压头压入试样表面的深度e=h3－h1，称为残余压痕深度增量。学习情境一金属的力学性能（2）常用洛氏硬度标尺及其适用范围。由于实验时选用的压头和总实验力的不同，洛氏硬度的测量尺度也就不同，常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用较为广泛。三种洛氏硬度标尺的实验规范和应用范围见表1-2。学习情境一金属的力学性能（3）优缺点。洛氏硬度实验压痕较小，对试样表面损伤小，可用来测定成品、半成品或较薄工件的硬度;实验操作简便，可直接从刻度盘上读出硬度值;由于采用不同的硬度标尺，洛氏硬度的测试范围大，能测量从极软到极硬各种金属的硬度。但是，由于压痕小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数值波动较大，不能反映被测金属的平均硬度。因此，在进行洛氏硬度实验时，需要在不同部位测试数次，取其平均值来表示被测金属的硬度。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能维氏硬度实验法3.维氏硬度的测试原理如图1-6所示。将相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头按选定的实验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除实验力，在试样表面形成一个正四棱锥形压痕。测量压痕两对角线的平均长度，计算压痕单位表面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV来表示。维氏硬度可用下式计算。学习情境一金属的力学性能图1-6维氏硬度测试原理图学习情境一金属的力学性能实验时，维氏硬度值像布氏硬度值一样，也可根据测得的压痕对角线平均长度，从表中直接查出。维氏硬度实验所用的实验力可根据试样的大小、厚薄等条件进行选择，常用实验力的大小在49.03~980.7N范围内。维氏硬度值的表示方法与布氏硬度相同，硬度数值写在符号的前面，实验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当实验力保持时间为10~15s时，可以不标出。强度、塑性、硬度等力学性能指标是在静载荷作用下测定的，而许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。冲击载荷是指在短时间内以很大速度作用于零件或工具上的载荷。对于承受冲击载荷作用的零件，除要求具有足够的静载荷作用下的力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。学习情境一金属的力学性能

四、冲击韧度学习情境一金属的力学性能金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度。为了测定金属的冲击韧度，通常要进行夏比冲击实验。学习情境一金属的力学性能夏比冲击实验是在摆锤式冲击实验机上进行的，利用的是能量守恒原理。实验时，将被测金属的冲击试样放在冲击实验机的支座上，缺口应背对摆锤的冲击方向，如图1-7所示。将重量为G的摆锤升高到H高度，使其具有一定的势能GH，然后让摆锤自由落下，将试样冲断，并继续向另一方向升高到h高度，此时摆锤具有的剩余势能为Gh。摆锤冲断试样所消耗的势能即摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用符号AK表示。其计算公式为AK=G（H－h）测试原理1.学习情境一金属的力学性能图1-7夏比冲击实验原理图实验时，AK值可直接从实验机的刻度盘上读出。AK值的大小就代表了被测金属韧性的高低，但习惯上采用冲击韧度来表示金属的韧性。冲击吸收功AK除以试样缺口处的横截面积S0，即可得到被测金属的冲击韧度，用符号αK表示。其计算公式为式中，αK为冲击韧度，J/cm2；AK为冲击吸收功，J；S0为试样缺口处横截面积，cm2。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能一般将αK值低的材料称为脆性材料，αK值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口比较平整，有金属光泽;韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，没有金属光泽。学习情境一金属的力学性能为了使夏比冲击实验的结果可以互相比较，冲击试样必须按照国家标准制作，如图1-8所示。常用的冲击试样有夏比U形缺口试样和夏比V形缺口试样两种，其相应的冲击吸收功分别标为AKU和AKV，冲击韧度则标为αKU和αKV。冲击试样1.学习情境一金属的力学性能图1-8冲击试样学习情境一金属的力学性能金属的冲击吸收功与冲击实验时的温度有关。同一种金属材料在一系列不同温度下的冲击实验中，测绘的冲击吸收功与实验温度之间的关系曲线，称为冲击吸收功-温度曲线，如图1-9所示。韧脆转变温度3.图1-9冲击吸收功-温度曲线学习情境一金属的力学性能多次冲击试样4.在实际工作中，承受冲击载荷作用的零件或工具，经过一次冲击断裂的情况很少，大多数情况是在小能量多次冲击的作用下而破坏的。这种破坏是由于多次冲击损伤的累积导致裂纹的产生与扩展的结果，与大能量一次冲击的破坏过程有本质的区别。对于这样的零件和工具，已不能用冲击韧度来衡量其抵抗冲击载荷的能力，而应采用小能量多次冲击抗力指标。学习情境一金属的力学性能小能量多次冲击实验的原理如图1-10所示。在一定的冲击能量下，试样在冲锤的多次冲击下断裂时，经受的冲击次数N就代表了金属抵抗小能量多次冲击的能力。图1-10小能量多次冲击实验示意图学习情境一金属的力学性能实践证明，冲击韧度高的金属材料，小能量多次冲击抗力不一定高。一般金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于金属的塑性;而在小能量多次冲击的情况下，其冲击抗力主要取决于金属的强度。学习情境一金属的力学性能许多机械零件都是在循环载荷的作用下工作的，如曲轴、齿轮、弹簧、各种滚动轴承等。循环载荷是指大小、方向都随时间发生周期性变化的载荷。承受循环载荷作用的零件，在工作过程中，常常在工作应力远低于制作材料的屈服点或屈服强度的情况下仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形预兆，故具有很大的危险性。

五、疲劳强度疲劳现象1.疲劳断裂是在零件应力集中的局部区域开始发生的，这些区域通常存在着各种缺陷，如划痕、夹杂、软点、显微裂纹等。在循环载荷的反复作用下，产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面积不断减少，最后达到某一临界尺寸时，突然发生断裂。因此，疲劳破坏的宏观断口是由疲劳裂纹的策源地及其扩展区(光滑部分)和最后断裂区(粗糙部分)组成的，如图1-11所示。学习情境一金属的力学性能学习情境一金属的力学性能图1-11疲劳断口示意图学习情境一金属的力学性能疲劳强度2.疲劳断裂是在循环应力作用下，经一定循环次数后发生的。在循环载荷作用下，金属所承受的循环应力σ和断裂时相应的应力循环周次数N之间的关系，可以用曲线来描述，这种曲线称为σ-N疲劳曲线，如图1-12所示。学习情境一金属的力学性能图1-12σ-N疲劳曲线学习情境一金属的力学性能实际上，金属材料不可能作无数次循环应力实验，一般都是求疲劳极限，即对应于规定的循环基数，试样不发生断裂的最大应力值。对于铁金属，一般规定应力循环基数为107周次；对于非铁金属，则应力循环基数规定为108周次。金属的疲劳极限受很多因素的影响，如工作条件、材料成分及组织、零件表面状态等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度、采取各种表面强化方法、尽可能减少各种热处理缺陷等都可以提高零件的疲劳极限。学习情境二金属的工艺性能工艺性能是指金属在制造成各种机械零件或工具的过程中，对各种不同加工方法的适应能力，即金属采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。例如，某种金属材料用铸造成型的方法容易得到合格的铸件，则该种材料的铸造性能好。工艺性能直接影响零件的制造工艺和质量，是选择金属材料时必须考虑的因素之一。学习情境二金属的工艺性能金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等。流动性是指熔融金属的流动能力，它主要受金属的化学成分和浇注温度的影响，流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；收缩性是指铸件在凝固和冷却过程中体积和尺寸减小的现象，收缩不仅影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形及开裂等缺陷，所以用于铸造的金属,其收缩率越小越好;偏析是指铸件凝固后其内部化学成分不均匀的现象，偏析严重时将造成铸件各部分的组织和力学性能相差很大，降低铸件的质量。

一、铸造性能金属利用锻压加工方法成型的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要取决于金属的塑性和变形抗力。塑性越好、变形抗力越小，金属的锻造性能就越好。例如，碳钢在加热的状态下有较好的锻造性能，铸铁则不能进行锻造。学习情境二金属的工艺性能

二、锻造性能学习情境二金属的工艺性能焊接性能是指金属对焊接加工的适应能力，即在限定的施工条件下被焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定使用要求的能力。焊接性能好的金属可以获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，焊接质量好，并且焊接接头具有一定的力学性能。如低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁的焊接性能较差。

三、焊接性能学习情境二金属的工艺性能切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损小，零件表面粗糙度低。影响切削加工性能的因素主要有金属的化学成分、组织状态、硬度、导热性、冷变形强化等。一般认为金属的硬度在170~260HBW范围内时最易切削加工。如铸铁、铜合金、铝合金具有良好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能较差。对金属进行适当的热处理，是改善其切削加工性能的重要途径。四、切削加工性能Thankyou金属材料与热处理课题二金属的晶体结构与结晶学习情境一金属的晶体结构学习情境二纯金属的结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶学习目标了解晶体的基本概念；掌握金属晶体最常见的三种晶格结构；了解晶粒大小对金属力学性能的影响以及细化晶粒的措施；了解常用合金的结晶规律和结晶相图。课题二金属的晶体结构与结晶合金的成分决定了合金的内部组织结构，而合金的组织结构又决定了合金的性能。本课题通过对典型金属材料成分、温度与组织间的对应关系进行分析，揭示出金属材料成分、温度与组织之间的变化规律，从而为金属材料的选用和加工提供理论依据。

相关知识课题二金属的晶体结构与结晶固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列的特点可分为晶体与非晶体两大类。凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体，如金刚石、石墨和一切金属及合金等。晶体具有如下一些特点。学习情境一金属的晶体结构

一、晶体与非晶体学习情境一金属的晶体结构（1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。（2）晶体具有一定的熔点，如纯铁的熔点为1535℃，纯铜的熔点为1083℃。（3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体呈各向异性。学习情境一金属的晶体结构在自然界中，有些物质如塑料、玻璃、沥青等是非晶体。非晶体的原子呈不规则杂乱无章的排列形式，在各个方向上的原子聚集密度大致相同，表现在性能上呈各向同性。非晶体无固定的熔点。晶体和非晶体的对比见表2-1。学习情境一金属的晶体结构二、

晶体结构的基本知识晶格、晶胞和晶格常数1.晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的。如果把金属中的原子近似地看成是刚性的小球，则金属晶体就是刚性小球按一定的几何规律堆积而成的，如图2-1所示。图2-1晶体中的原子排列情况为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以人为地将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，如图2-2（a）所示。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。由图2-2（a）可见，晶格是由许多形状、大小相同的几何单元重复堆积而成的。其中能够完整地反映晶体特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-2（b）所示。学习情境一金属的晶体结构学习情境一金属的晶体结构图2-2晶格和晶胞示意图学习情境一金属的晶体结构晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2-3所示。晶胞的棱边长度又称为晶格常数，其单位用埃（A°）来表示（1A°=10－10m）。当晶格常数a=b=c、棱边夹角α=β=γ=90°时，该晶胞称为简单立方晶胞。图2-3晶胞及晶格常数学习情境一金属的晶体结构在金属晶体中，由原子构成的面称为晶面，如图2-4所示。通过两个或两个以上原子中心的直线可代表晶格空间的一定方向，称为晶向。为方便研究，对不同位向的晶面或晶向采用一定的符号来表示。表示晶面的符号称为晶面指数，表示晶向的符号称为晶向指数。图2-4中标注的（100）、（110）、（111）为立方晶格中某些晶面的晶面指数。图2-5中所标注的［100］、［001］、［111］等为立方晶格中某些晶向的晶向指数。晶面和晶向2.学习情境一金属的晶体结构图2-4立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数学习情境一金属的晶体结构图2-5立方晶格中不同方向的晶向与晶向指数不同的金属具有不同的晶格类型。研究表明，工业上使用的几十种金属元素中，除少数具有复杂的晶格结构外，绝大多数都具有比较简单的晶格结构。其中最常见的晶体结构有三种类型，即体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，它们的结构特点见表2-2。学习情境一金属的晶体结构三、常见金属晶格类型学习情境一金属的晶体结构由表2-2中的晶胞示意图可以看出，体心立方晶格的晶胞每个结点上的原子与相邻的7个晶胞共有，加上晶胞中心的1个原子，故每个晶胞的原子数为n=8×1/8+1=2（个）。同理，面心立方晶格每个晶胞的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4（个），密排六方晶格每个晶胞的原子数为n=12×1/6+2×1/2+3=6（个）。学习情境一金属的晶体结构学习情境一金属的晶体结构把晶格中的原子看成刚性小球，使其一个紧靠一个地排列着，原子之间仍会有空隙存在，不同的晶格类型其空隙大小是不一样的。为了对晶体中原子排列的紧密程度进行定量比较，通常采用晶体结构的致密度来表示。学习情境一金属的晶体结构图2-6体心立方晶格致密度计算学习情境一金属的晶体结构致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。如体心立方晶胞中含有2个原子，这两个原子的体积为2×（4/3）πr3，其中r为原子半径。由图2-6可见，故体心立方晶格的致密度为这表明体心立方晶格中68％的体积被原子所占用，其余32％则为晶胞内的间隙体积。同理，可求出面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为0.74。在晶体中，致密度越大，原子排列就越紧密。所以，当铁在冷却时，由晶格致密度较大（0.74）的面心立方晶格γ-Fe转变为晶格致密度较小（0.68）的体心立方晶格α-Fe，就会发生体积膨胀而引起内应力和变形，这也是钢铁材料淬火急冷能使其强度、硬度提高的原因。学习情境一金属的晶体结构学习情境一金属的晶体结构四、

金属的实际晶体结构和晶体缺陷单晶体与多晶体1.如果晶体内部的晶格方位（即原子排列的方向）完全一致，则这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有采用特殊方法才能获得单晶体，如半导体元件（单晶硅和单晶锗）、磁性材料、高温合金材料等。实际使用的工业金属材料即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状小晶体（晶粒）。每个小晶体的内部，晶格方位都是基本一致的，而各个小晶体之间彼此的方位却是不同的，如图2-7所示。由于其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体。学习情境一金属的晶体结构图2-7多晶体示意图由于多晶体中每个晶粒的位向不一样，各个晶粒的各向异性被彼此抵消。因而金属材料的外部性能表现为在各个方向是一致的，即各向同性。晶体中的原子完全为规则排列的晶体称为理想晶体。实际上，由于受多种因素的影响，金属内部总是存在着大量缺陷。晶体缺陷的存在对金属的性能有很大的影响。根据晶体缺陷的几何特点，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。学习情境一金属的晶体结构晶体中的缺陷2.学习情境一金属的晶体结构1）点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上的尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图2-8所示。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占据，这种空着的位置称为空位。与此同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子，这种不占有正常晶格位置而处于晶格空隙中的原子称为间隙原子。在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，晶格发生歪曲（也称为晶格畸变），使金属的强度、硬度提高。学习情境一金属的晶体结构图2-8空位和间隙原子学习情境一金属的晶体结构线缺陷是指在三维空间的一个方向上尺寸很大、其余两个方向上尺寸很小的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。2）线缺陷简单立方晶格晶体中的刃型位错如图2-9所示，从图中可以看出，ABCD晶面上沿处像刀刃一样多插入了一层原子面EFGH，使上下层原子不能对准，产生错排，因而称刃型位错。多余原子面的底边EF线称为位错线。在位错线附近晶格发生畸变，形成一个应力集中区。在ABCD晶面以上一定范围内的原子受到压应力；相反，在ABCD晶面以下一定范围内的原子受到拉应力。离EF线越远，晶格畸变越小。学习情境一金属的晶体结构学习情境一金属的晶体结构图2-9刃型位错示意图学习情境一金属的晶体结构常把晶体上半部多出一层原子面的位错称为正刃型位错，用符号“⊥”表示；把晶体下半部多出一层原子面的位错称为负刃型位错，用符号“⊥”表示，见图2-9（b）。晶体中位错的多少可以用单位体积中包括的位错线的总长度表示，称为位错密度，用ρ表示。学习情境一金属的晶体结构面缺陷是指在三维空间的两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷，这类缺陷主要指晶界与亚晶界。（1）晶界。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，如图2-10所示。晶界处原子的不规则排列使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用。从宏观上来看，晶界处表现出较高的强度和硬度，晶粒越细小，晶界就越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。3）面缺陷学习情境一金属的晶体结构图2-10晶界的过渡结构示意图学习情境一金属的晶体结构（2）亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，如图2-11所示。由于亚晶界处原子排列也是不规则的，使晶格产生了畸变，因此，亚晶界的作用效果与晶界相似，对金属强度也有着重要影响。亚晶界越多，金属强度就越高。图2-11亚晶界结构示意图大多数的金属制件都是经过熔化、冶炼、浇注而获得的，这种由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。金属结晶形成的铸件组织将直接影响金属的性能。研究金属结晶的目的是掌握金属结晶的基本规律，以便指导实际生产，获得理想的金属组织和性能。学习情境二纯金属的结晶学习情境二纯金属的结晶利用图2-12所示的装置将纯金属加热到熔化状态，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间记录下金属液体的温度，直到结晶完毕为止。这样可得到一系列时间与温度相对应的数据，把这些数据标在时间温度坐标图中，然后画出一条温度与时间的相关曲线，这条曲线称为纯金属的冷却曲线，如图2-13所示。这种绘制金属冷却曲线的方法称为热分析法。

一、

纯金属的冷却曲线与过冷度学习情境二纯金属的结晶

图2-12热分析法装置1—热电偶；2—液态金属；3—坩埚；4—电炉图2-13热分析法绘制纯金属冷却曲线从图2-13可以看出，液态金属随着冷却时间的增长，温度不断下降，但当冷却到某一温度时，随着冷却时间的增长其温度并不下降，在冷却曲线上出现一段水平线段，这段水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。出现水平线段的原因是金属结晶时放出的结晶潜热补偿了其向外界散失的热量。学习情境二纯金属的结晶如图2-14所示，金属在无限缓慢冷却条件下（即平衡条件下）所测得的结晶温度tm称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度是相当快的，金属总是要在理论结晶温度tm以下的某一温度t1才开始进行结晶。温度t1称为实际结晶温度。实际结晶温度t

1低于理论结晶温度tm的现象称为过冷。而tm与t1之差Δt称为过冷度，即Δt=tm－t1。过冷度并不是一个恒定值，液态金属的冷却速度越大，实际结晶温度t1就越低，即过冷度Δt就越大。学习情境二纯金属的结晶学习情境二纯金属的结晶图2-14纯金属的冷却曲线实际上，金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。学习情境二纯金属的结晶在液态金属中，原子的活动能力很强，作不规则运动。随着液态金属温度的不断下降，金属原子的活动能力随之减弱，原子间的吸引作用逐渐增强。当达到结晶温度时，首先在液体的某些区域形成一些极细小的微晶体，称为晶核。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时又有新的晶核形成、长大，直到液态金属全部凝固，结晶过程结束，如图2-15所示。因此，结晶过程就是不断地形核和晶核不断长大的过程。

二、

纯金属的结晶过程学习情境二纯金属的结晶图2-15金属结晶过程示意图学习情境二纯金属的结晶结晶后的金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内的晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为测量方便，常以单位截面上的晶粒数目或晶粒的平均直径来表示晶粒大小。实验证明，常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、塑性和韧性。这是因为晶粒越细，塑性变形越可以分散在更多的晶粒内进行，塑性变形就越均匀，内应力集中度越小；而且晶粒越细，晶界就越多，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，彼此连接就越紧固，强度和韧性就越好。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-3。

三、

晶粒大小对金属力学性能的影响学习情境二纯金属的结晶由表2-3可见，细化晶粒对提高常温下金属的力学性能有很大作用，是使金属材料强度、塑性提高的有效途径。（1）增加过冷度。如图2-16所示，形核率和长大速度都随过冷度Δt增长而增大，但在很大的范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度总能使晶粒更细。如在铸造生产中，用金属型比用砂型冷得快，能得到晶粒细化的铸件。但这种方法只适用于中、小型铸件，大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。学习情境二纯金属的结晶学习情境二纯金属的结晶图2-16形核率和长大速度与过冷度的关系示意图学习情境二纯金属的结晶（2）变质处理。浇注前在液态金属中加入一些能促进形核或抑制晶核长大的物质（又称变质剂或孕育剂），使金属晶粒细化，如在钢中加入钛、硼、铝等，在铸铁中加入硅铁、硅钙等，都能起到细化晶粒的作用。（3）振动处理。在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，增加晶核数目，从而有效细化晶粒。学习情境二纯金属的结晶大多数金属的晶格类型是固定不变的，但有些金属（如铁、钴、钛、锡、锰等）在固态下，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的具有不同晶格类型的晶体称为同素异构体。

四、

金属的同素异构转变铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的冷却曲线如图2-17所示，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程。液态纯铁在1535℃时结晶成为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，体心立方晶格的δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe；再继续冷却到912℃时又发生同素异构转变，面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。再继续冷却，晶格的类型不再变化。学习情境二纯金属的结晶学习情境二纯金属的结晶图2-17纯铁的同素异构转变冷却曲线学习情境三合金的晶体结构与结晶由于纯金属的强度、硬度一般都较低，而且冶炼困难、价格较高，因此，在工业中一般都使用合金。人们还可以通过改变合金的化学成分的比例、组织结构得到所需要的力学性能和特殊性能，如耐热性、耐蚀性、导磁性等。学习情境三合金的晶体结构与结晶

一、

合金的基本概念合金1.合金是指两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素熔合在一起形成的、具有金属特性的物质，如黄铜是铜和锌组成的合金，钢和生铁是以铁和碳为主的合金。在实际生产中，绝大多数合金是通过熔化、精炼和浇注制成的，只有少数合金是在固态下通过制粉、混合、压制成形、烧结等工序制成的。组成合金最基本的并能独立存在的物质称为组元，简称元。组元可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。根据合金中组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金，如普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的三元合金。学习情境三合金的晶体结构与结晶组元2.学习情境三合金的晶体结构与结晶合金系3.由给定组元可以配制成一系列不同合金，组成一个系统，称为合金系。两个组元的称为二元系；三个组元的称为三元系；纯金属只有一个组元，称为单元系。学习情境三合金的晶体结构与结晶相4.金属或合金中化学成分、晶体结构均相同的组成部分称为相。相与相之间有明显界面。液态合金通常都是单相液体。合金在固态下由一个固相组成时称为单相合金，由两个或两个以上固相组成时称为多相合金，如钢在固态下就是由铁素体和渗碳体两相组成的。学习情境三合金的晶体结构与结晶合金是由一种或多种相集合在一起组成的。合金中相的综合体称为合金组织。在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成一个均匀的液相。在结晶时，由于各组元之间相互作用的不同，固态合金中可能出现固溶体、金属化合物或机械混合物。二、

合金的组织学习情境三合金的晶体结构与结晶合金中一个组元溶解其他组元，或组元间互相溶解而形成的均匀固相称为固溶体。实质上，固溶体是在一种金属的晶格中溶入一些其他合金元素而形成的。晶格保留下来的称为溶剂，晶格消失的称为溶质，固溶体的结构保持溶剂金属的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。固溶体1.溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，其结构示意图如图2-18（a）所示。由于溶剂晶格的空隙尺寸很小，故能够形成间隙固溶体的溶质原子通常是一些原子半径小于1A°的非金属元素，如碳、氮、硼等。由于溶剂晶格的空隙有限，所以间隙固溶体能溶解的溶质原子数量也是有限的。学习情境三合金的晶体结构与结晶1）间隙固溶体学习情境三合金的晶体结构与结晶2）置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，其结构示意图如图2-18（b）所示。图2-18固溶体结构示意图学习情境三合金的晶体结构与结晶固溶体中，溶质的含量即固溶体的浓度用质量百分数或原子百分数来表示。无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入都将使溶剂晶格发生畸变，如图2-19所示。晶格畸变使变形抗力增大，从而使金属的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-19形成固溶体时的晶格畸变实践证明，只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能在显著提高金属材料强度的同时仍使其保持较高的塑性和韧性。学习情境三合金的晶体结构与结晶金属化合物是指合金中各组元间按一定比例结合形成一种具有金属特性的晶体相。金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示，如铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳组成的化合物。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性显著提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。金属化合物2.学习情境三合金的晶体结构与结晶纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相，由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中，各组成相仍保持着其原有晶格类型和性能，而整个机械混合物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。在工业生产中使用的合金材料大多数是机械混合物的组织状态。机械混合物3.学习情境三合金的晶体结构与结晶合金的内部组织构造远比纯金属复杂，同是一个合金系，合金的组织构造随成分的不同而发生变化。如溶质含量少时，可以是单相固溶体，溶质含量超过溶解度时则变为多相混合物。另一方面，同一成分的合金，其组织构造随温度的不同而变化。若要全面了解合金的组织随成分、温度变化的规律，就必须取不同成分的合金进行实验，观察分析其在加热、冷却过程中内部组织构造的变化，绘制成图，称为合金相图。合金相图是全面表示合金的组织随成分、温度变化规律的图，是研究与选用合金的重要理论工具，对于金属的加工及热处理也具有重要的指导意义。三、

合金的结晶过程学习情境三合金的晶体结构与结晶现以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法实验测定二元合金相图的过程。（1）首先配制一系列不同成分含量的Cu-Ni合金，见表2-4。二元合金相图的测定1.学习情境三合金的晶体结构与结晶（2）用热分析法画出所配制的各合金的冷却曲线，如图2-20（a）所示。（3）找出各冷却曲线上的临界点（相变点），把各临界点标注到温度—成分坐标系中相应的位置上，并将相应温度填入表2-4中。（4）将各相同意义的临界点连接起来，如图2-20（b）所示。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-20Cu-Ni合金相图测定（5）填写各区域中的状态或组织。如Cu-Ni合金相图中，上面一条线为液相线，其以上区域为液相区，用L表示；下面一条线为固相线，其以下区域为铜与镍形成的单相固溶体区，用α表示；液相线和固相线之间区域为液、固两相混合区，用L+α表示，这样就得到完整的Cu-Ni合金相图。学习情境三合金的晶体结构与结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶根据合金相图可以分析合金结晶过程的特点。合金结晶过程与纯金属结晶过程相似，也是经过形核和晶核长大的一般过程，但纯金属结晶过程是在某一温度下进行的，而合金的结晶一般是在某一温度范围内进行的，并且结晶过程中各相的成分还不断发生变化。通过对不同成分二元合金结晶过程特点的分析，常见二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图三种。合金的结晶2.两组元在液态与固态状态下均可彼此无限溶解的合金相图，称为匀晶相图。Cu-Ni合金相图就属于二元匀晶相图，如图2-21所示。图中A点1083℃为纯铜的熔点，B点1452℃为纯镍的熔点。AB上弧线为合金结晶开始温度曲线，即液相线；AB下弧线为合金结晶终了温度曲线，即固相线。在液相线以上为液相区；在固相线以下合金全部形成均匀的α固溶体，为固相区；液相线与固相线之间为液相L和α固溶体共存区域，为两相区。学习情境三合金的晶体结构与结晶1）匀晶相图学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-21Cu-Ni合金相图图2-22Cu

Ni合金的结晶过程示意图学习情境三合金的晶体结构与结晶Cu-Ni合金结晶示意图如图2-22所示。凡是两组元在液态和固态下均能完全相互溶解的合金，如Cu-Ni合金、Fe-Ni合金、Au-Ag合金等的相图均属于这类相图。具有匀晶相图性质的合金的两组元是晶格类型相同、原子半径相近的金属元素。学习情境三合金的晶体结构与结晶2）共晶相图两组元在液态互溶，在固态有限溶解，并发生共晶转变的合金相图，称为共晶相图。共晶转变是指在一定温度下，由一定成分的液相合金，同时结晶出成分一定的两个固相的过程。具有这类相图的合金有Pb-Sn合金、Pb-Sb合金、Cu-Ag合金、Al-Si合金和Fe-Fe3C合金等。如图2-23所示为Pb-Sn合金相图。A、B分别为铅和锡的熔点。E点为共晶转变点，E点锡的质量分数为61.9%，温度为183℃。图中AEB为液相线，AMENB为固相线。MF为锡溶于铅的溶解度线，NG为铅溶于锡的溶解度线，这两条曲线又称固溶线。合金系中有L、α和β三个相。α相是锡溶于铅的固溶体，β相是铅溶于锡的固溶体。相线把共晶相图分成6个相区：3个单相区L、α、β，3个两相区L+α、L+β、α+β。学习情境三合金的晶体结构与结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-23Pb-Sn合金相图固相线的直线部分MEN又称为共晶线，共晶线为L、α、β三相共存区。下面对不同成分的结晶过程进行分析。学习情境三合金的晶体结构与结晶（1）锡的质量分数小于19%时的Pb-Sn合金。从图2-23可以看出，锡的质量分数为10％的合金由液态慢冷到点1时，开始结晶析出α固溶体。随着温度的降低，α固溶体的数量不断增加，而液相数量不断减少；α固溶体的成分沿AM线变化，液相的成分沿AE线变化。冷却到与固相线的交点2时，合金全部结晶成α固溶体。这一过程即前述的匀晶转变过程，锡的质量分数为10％的Pb-Sn合金的结晶过程示意图如图2-24所示。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-24ωSn=10%的Pb-Sn合金的结晶过程示意图继续冷却时，在点2和3之间，合金组织不发生变化，为单相固溶体。当冷却到点3温度时，Sn在Pb中的溶解达到饱和状态。温度再下降时，过剩的Sn以β固溶体的形式从α相中析出。为了同从液态析出的β相相区别，以βⅡ表示。随着温度下降，βⅡ的量也是增加的。锡的质量分数为10％Pb-Sn合金的显微组织如图2-25所示，其中，黑色的基体为α相，白色颗粒为βⅡ相。学习情境三合金的晶体结构与结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-25ωSn=10%的Pb-Sn合金的显微组织学习情境三合金的晶体结构与结晶（2）锡的质量分数为61.9%的Pb-Sn共晶合金。从图2-23可以看出，从液态缓冷到温度tE（183℃）时将发生共晶转变，即LE→αM+βN。从液体中同时结晶出α和β两种晶体，这一过程一直进行到液相完全消失为止。学习情境三合金的晶体结构与结晶共晶合金的结晶示意图如图2-26所示，当合金缓冷到1点（tE）时，液相LE在此温度不但要结晶出M点成分的αM晶体，同时还要结晶出N点成分的βN晶体，而且在恒温下进行，直到结晶完成，即共晶反应。tE为共晶温度，LE为共晶成分，转变后的产物为（αM+βN）两相交错分布的机械混合物，称为共晶组织或共晶体。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-26共晶合金的结晶示意图学习情境三合金的晶体结构与结晶从共晶温度冷却到室温时，将分别从α和β相中析出αⅡ和βⅡ，它们与共晶的α和β相混合在一起，在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图2-27（a）为Pb-Sn共晶合金的显微组织照片，黑色的为α相，白色的为β相。图2-27共晶合金的几种典型组织学习情境三合金的晶体结构与结晶共晶组织虽然是交错分布的两相机械混合物，但其分布形态（如片状、树枝状、点球状或针状等）决定了合金的性能。此外，组织的粗细（如片间距离的大小）与合金的冷却速度有关。冷却速度越大，获得的组织越细。图2-27（b）、（c）和（d）为其他几种典型共晶合金的显微组织。学习情境三合金的晶体结构与结晶（3）亚共晶合金。在图2-23中，成分位于M点到E点之间的合金，称为亚共晶合金，如图中的合金III。当缓冷到点1时，开始从液体结晶出α相，如图2-28所示。随着温度降低，α相不断增加，液相量相对减少，α固溶体成分沿AM线变化，液相成分沿AE线变化。Pb-Sn亚共晶合金的显微组织如图2-29所示，黑色为初晶α晶体，黑白相间分布的为（α+β）共晶体，α晶体内的白色颗粒为βⅡ相。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-28Pb-Sn亚共晶合金的结晶示意图图2-29Pb-Sn亚共晶合金的显微组织学习情境三合金的晶体结构与结晶（4）过共晶合金。在图2-23中，成分位于E点和N点之间的合金称为过共晶合金，如图中的合金Ⅳ。过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金类似，所不同的仅是先结晶出β固溶体，而从tE继续冷却时，将从β相中析出αⅡ相。Pb-Sn过共晶合金的显微组织如图2-30所示，图中白色部分为β固溶体，黑白相间的为（α+β）共晶体，β晶体内的黑色小点为αⅡ相。图2-30Pb-Sn过共晶合金的显微组织学习情境三合金的晶体结构与结晶从上述分析可以看出，成分位于M点和N点之间的亚共晶、共晶及过共晶合金，在其缓慢冷却或缓慢加热中，凡是与MEN线相交时，即达到183℃都要发生共晶反应。所以称MEN为共晶线，tE为共晶温度，E点为共晶点。学习情境三合金的晶体结构与结晶在二元合金相图中，常遇到经过高温匀晶转变所形成的固溶体在冷却到某一温度时又发生分解而形成两个新的固相的现象，这种相图称为共析相图，如图2-31所示。1）共析相图图2-31合金共析转变相图学习情境三合金的晶体结构与结晶（1）共析转变是固态转变，转变过程中需要原子大量地扩散，但在固态中的扩散比在液态中困难得多，所以共析转变需要较大的过冷度。（2）由于共析转变过冷度大，因而形核率高，得到的共析产物更细密。（3）共析转变前后晶体结构不同，这种转变会引起容积变化，从而产生较大的内应力。这一现象在钢的热处理时表现较为明显。铁碳合金中珠光体转变就是最常见的共析转变，这一内容将在Fe-Fe3C相图中详细讨论。学习情境三合金的晶体结构与结晶

四、

合金性能与相图的关系合金的成分决定了合金的组织，而合金的组织又决定了合金的性能，因而合金的性能与相图具有一定的关系。不同类型的相图与合金力学性能之间的关系如图2-32所示。力学性能与相图的关系1.图2-32不同类型的相图与合金力学性能之间的关系当合金形成两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度大约是两种组织性能的平均值，即性能与成分呈直线关系，如图2-32（a）所示，其压力加工性能不如单相固溶体。这是因为它是混合物，各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差。学习情境三合金的晶体结构与结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，与纯金属相比增高了合金的强度和硬度，但性能仍具有良好塑性，因而压力加工性能好，可以进行锻、轧、拉拔、冲压等，其关系如图2-32（b）所示。图2-32（c）所示为力学性能与状态图之间的关系，实际上是上述两种情况的综合。学习情境三合金的晶体结构与结晶这里必须指出，当合金的两相晶粒较粗且均匀分布时，性能才符合直线关系；如果形成细小的共晶组织，即片间距离越小或层片越细时，合金的强度、硬度就越高，如图2-32中虚线所示。学习情境三合金的晶体结构与结晶合金铸造性与相图的关系2.铸造性主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定于液相线与固相线之间的温度间隔。固溶体合金的成分与流动性的关系如图2-33所示。固相线与液相线的距离越大，在结晶过程中树枝状晶体越发达，越能阻碍液体流动，因此流动性越低。此外，结晶范围大的固溶体合金，结晶时析出的固相与液相的浓度差也大，在快冷时，由于不能进行充分扩散，因此偏析也严重些。学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-33固溶体合金成分与金属流动性的关系固溶体合金的成分与缩孔、体积收缩的关系如图2-34所示。结晶温度范围大时，树枝状晶体发达，容易形成较多的分散缩孔；结晶温度范围小时，容易形成集中缩孔，因为这种情况下枝晶不发达，金属液易补缩而使缩孔集中。因此，铸造合金的成分越接近共晶成分，越容易铸成致密件。此外，合金的流动性还决定于合金的熔点。熔点越低，浇注温度越高，过热就越大，流动性就越好。学习情境三合金的晶体结构与结晶学习情境三合金的晶体结构与结晶图2-34固溶体合金成分与缩孔、体积收缩的关系学习情境三合金的晶体结构与结晶此外，结晶温度区间大的合金，铸造时有较大的热裂倾向。如果不考虑其他因素，则结晶温度区间越小，合金热裂倾向也越小。Thankyou金属材料与热处理课题三金属的塑性变形与再结晶学习情境一金属的塑性变形学习情境二冷塑性变形对金属组织和性能的影响学习情境三冷塑性变形金属在加热时的变化学习情境四金属的热变形加工学习目标了解单晶体金属塑性变形的主要形式；了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响；了解热加工与冷加工的区别；了解断裂的方式及断裂发生的原因。课题三金属的塑性变形与再结晶在机械制造业中，许多金属制品都是通过对金属铸锭进行压力加工获得的。压力加工是对金属施加外力，使其产生塑性变形，改变形状和尺寸，用以制造毛坯、工件或机械零件的成形加工方法。它不仅改变了金属的外形尺寸，而且其内部的组织和性能也发生了变化。

相关知识课题三金属的塑性变形与再结晶材料在外力作用下将发生弹性变形或塑性变形，甚至断裂。塑性变形是外力去除后不可恢复的变形。金属材料获得广泛应用的一个重要原因是它具有优良的塑性变形能力。金属型材、机械零件以及各种金属制品，大都是在制成铸锭后，通过轧制、锻造、挤压、冷拔、冲压等压力加工形成半成品或成品的。金属经过压力加工不仅可以得到零件所需要的形状和尺寸，而且可以使铸态金属的组织与性能得到改善。因此，研究金属的塑性变形可改进金属加工工艺，提高加工质量。学习情境一金属的塑性变形学习情境一金属的塑性变形

一、

单晶体的塑性变形常温下金属的塑性变形方式主要有滑移和孪生两种。学习情境一金属的塑性变形滑移是在剪切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向发生的相对滑动。这种切变既不改变晶格点阵类型，也不影响晶体的取向，只是在晶体表面出现了一系列的台阶状痕迹，如图3-1所示。单晶体的滑移变形1.图3-1滑移变形示意图学习情境一金属的塑性变形（1）滑移是在切应力的作用下发生的。单晶体在切应力τ的作用下的变形示意图如图3-2所示。在切应力作用下，原子偏离平衡位置，晶体发生剪切弹性变形，如图3-2（b）所示。这时，如果取消外力，晶体恢复原状；当切应力超过弹性极限时，晶体中上下两部分产生相对滑移，如图3-2（c）所示。滑移后原子处于新的平衡位置，当外力去除后，晶格的弹性歪扭随之消失，而滑移到新位置的原子不能回复原位，在新位置上重新处于平衡状态，于是晶体就产生了微量的塑性变形，如图3-2（d）所示。许多晶面滑移的总和就产生了宏观的塑性变形。当应力足够大时，晶体将发生断裂。学习情境一金属的塑性变形图3-2单晶体在切应力作用下的变形示意图学习情境一金属的塑性变形（2）滑移的结果使晶体表面形成台阶，产生滑移线、滑移带。将一个表面经过抛光的金属试样进行拉伸，使它发生一定程度的塑性变形，然后卸除载荷，将其放在金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现一条条黑色的平行线，如图3-3所示。这些黑线称为滑移带，这是晶体塑性变形时原子层间产生相对位移，在试样表面留下的滑移台阶。进一步研究其细节可以发现，每一个滑移带实际上是由一些称为滑移线的更小的台阶组成的。滑移带的示意图如图3-4所示。随着变形量增加，滑移带不断地出现并加宽。学习情境一金属的塑性变形图3-3铜变形后的滑移带图3-4滑移带示意图学习情境一金属的塑性变形晶体的滑移并不是在所有的晶面上都能发生，而是沿着一定的晶面和此面上的一定方向进行。晶体中易发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。晶体滑移大多优先发生在原子密度最大的晶面上。这是因为原子密度最大的晶面上原子间的结合力较强，滑移阻力较大，而原子密度最大的晶面间的面间距最大，原子间结合力最小，滑移阻力也就最小。因此，沿面间距最大的晶面滑移阻力最小，即所需切应力最小。从位错运动看，沿面间距最大的晶面移动引起的点阵畸变也最小，因而所需能量最小。同理，滑移方向也是沿着原子密度最大的晶向。滑移面、滑移方向和滑移系2.学习情境一金属的塑性变形图3-5晶面间距示意图学习情境一金属的塑性变形晶体中一个可滑移的晶面和其上一个可滑移的晶向组成一个滑移系。晶体结构不同，滑移面、滑移方向以及滑移系的多少也不相同。三种常见金属晶格的滑移面、滑移方向、滑移系见表3-1。晶体中滑移系越多，发生滑移的可能性越大，金属的塑性也就越好。学习情境一金属的塑性变形由表3-1可知，体心立方晶格中原子密度最大的是（110）晶面，在该面上最可能发生滑移，而最可能发生滑移的晶向只有［111］。（110）面有6组，每组中有2个方向，其滑移系为6×2=12。面心立方晶格最可能的滑移面是（111）面，而每个晶面有3个密集方向，有4×3=12个滑移系。密排六方晶格最可能发生滑移的晶面是上下底面，且其上各有3个方向，有1×3=3个滑移系。总之，面心立方和体心立方的金属滑移系较多，故其塑性较好。而密排六方的金属仅有3个滑移系，故塑性差。学习情境一金属的塑性变形近代理论及实验证明，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动，因为大量原子同时移动需要克服的滑移阻力十分巨大，实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，如图3-6所示。图3-6刃型位错移动产生滑移示意图学习情境一金属的塑性变形位错的原子面受前后两边原子的排斥，处于不稳定的平衡位置。只需加上很小的力就能打破力的平衡，使位错及其附近的原子面移动很小的距离（小于一个原子间距），达到虚线位置，即位错前进了一个原子间距。在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面时就形成了一个原子间距的滑移量。大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。按上述理论求得位错的滑移阻力，与实验值基本相符。学习情境一金属的塑性变形孪生是金属塑性变形的另一种重要方式。孪生变形过程示意图如图3-7所示。在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（孪生面）和一定的方向（孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀切变。晶体变形部分的位向改变，与未变形部分以孪生面为对称面形成镜面对称。通常把这两部分晶体合称为孪晶，把形成孪晶的过程称为孪生。孪生变形3.学习情境一金属的塑性变形图3-7孪生变形过程示意图学习情境一金属的塑性变形由于孪生变形是孪生带处众多的原子协同动作的结果，所以孪生变形速度快，所需的切应力比滑移的大，只有在滑移很难进行的条件下晶体才进行孪生变形。一些滑移系较少的密排六方金属（如Zn）在一定条件下优先进行孪生变形。体心立方金属在室温时，只有在冲击载荷下才产生孪生变形，或在低温下由于滑移困难也可产生孪生变形。面心立方金属由于对称性高，滑移系多，易于滑移，所以孪生变形很难发生。

孪生与滑移的区别如下。(1)显微外观。滑移线较细，孪生线较粗。(2)晶格取向。滑移前后晶格方向不变，而孪生前后晶格方向发生变化。(3)移动间距。滑移移动间距是原子间距的整数倍，而孪生移动间距是原子间距的分数倍。学习情境一金属的塑性变形学习情境一金属的塑性变形(4)发生条件。只要剪切应力大于滑移阻力,沿滑移面上的滑移方向就能发生滑移；孪生则是在对称性低、滑移系少、低温高速的情况下易发生，孪生所需切应力较大。(5)组织性能变化。孪生后金属内产生空隙，使塑性、韧性下降，而滑移无此弊端。实际金属材料都是多晶体，在室温下它的塑性变形与单晶体基本相似，即每个晶粒的塑性变形仍是滑移与孪生。但多晶体是由许多形状、大小、位向都不同的晶粒组成的，它的塑性变形要受周围位向不同的晶粒及晶界的影响与约束。因此多晶体塑性变形要复杂得多，具体表现为以下两方面。学习情境一金属的塑性变形

二、多晶体的塑性变形学习情境一金属的塑性变形多晶体各个晶粒的位向不同，这将使各个晶粒的变形有先有后，并且在变形时，有的互相配合，有的互相干扰。多晶体中，滑移变形将首先发生在位向有利于滑移变形的某些晶粒中，但已变形晶粒周围尚处于弹性变形阶段的晶粒对已变形的晶粒起着阻碍变形的作用，使那些原先位向有利的晶粒滑移进行到一定程度后自行停止。同时，当某些晶粒变形至一定程度时，由于对未变形晶粒造成足够大的应力集中，使原先处于不利位向的晶粒也产生滑移，使应力重新分布。也就是说，随着外力的增加，晶粒将一批一批地逐次进行滑移，而不是一起滑移。即不均匀变形导致应力集中，而应力集中又将造成不均匀的变形。变形的不均匀性1.学习情境一金属的塑性变形晶界对塑性变形有较大的阻碍作用，如图3-8所示。晶界影响2.图3-8多晶体变形示意图学习情境一金属的塑性变形（1）晶界处塑性变形抗力较大。晶界是两晶粒的过渡层，原子排列混乱，晶格畸变大，并且杂质常存在其间，使滑移时位错移动受阻，从而增大变形抗力。（2）晶界越多，塑性变形抗力越