《金属材料与热处理》全套教学课件

Contents材料的发展机械工程材料的分类本课程的教学目的和基本要求绪论绪论第1章金属材料的性能第2章金属的晶体结构与结晶第3章金属的塑性变形与再结晶第4章钢的热处理第5章工业用钢第6章铸铁第7章有色金属及粉末冶金材料第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料第9章机械零件的选材全套可编辑PPT课件材料的发展

0.1163石器时代青铜器时代铁器时代新时代陶器司母戊鼎农具模具新型材料机械工程材料

的分类

0.2

陶瓷材料属于无机非金属材料，工业用陶瓷材料可分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。。

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

为有机合成材料，也称为聚合物，可将其分为

工程塑料、橡胶和合成纤维等。黑色金属：包括铁和以铁为基的合金，如钢

有色金属：除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料机械工程材料本课程的教学目的和基本要求

0.37基本要求熟悉常用金属材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化规律。掌握常用金属材料的性能与应用，具有选择常用金属材料和改变材料性能的初步能力。了解与本课程有关的新材料、新技术、新工艺及其发展概况。目的使学生获得常用机械工程材料的基础知识，为学习其他有关课程和将来从事生产技术工作奠定必要的基础。ThankYou!Contents金属材料的力学性能金属材料的物理和化学性能金属材料的工艺性能第一章金属材料的性能金属材料的

力学性能

1.1材料力学性能的主要指标1.1.1强度强度是指材料抵抗塑性变形或断裂的能力。抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度抗扭强度强度1.拉伸试验和力—伸长曲线试验前强度抗拉强度通过拉伸试验进行测定。

将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，如下图所示。圆形标准拉伸试样圆形横截面试样断裂后缩颈处最小直径断后最小横截面积断后标距原始标距圆形横截面试样平行长度的直径原始横截面积试验时

将标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢进行拉伸。试验机会自动记录拉伸过程中载荷与伸长量之间的关系，绘制出力—伸长曲线。低碳钢的力—伸长曲线图如下图所示。示例TextOe段为弹性变形阶段eeL段为屈服阶段eLm段为均匀塑性变形阶段mz段为缩颈阶段低碳钢的力—伸长曲线图2.强度指标机床屈服强度规定非比例延伸强度抗拉强度

规定非比例延伸强度是指非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。

屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。设计计算时的主要依据之一，评定材料质量的重要指标

抗拉强度Rm是指相应最大力（Fm）的应力，表明了材料在拉伸条件下单位截面积上所能承受的最大应力。

断后伸长率A是指断后标距的残余伸长量（Lu

－L0）与原始标距（L0）之比的百分率，其计

算公式为：

断面收缩率Z是指断裂后试样横截面积的最大

缩减量（S0－Su）与原始横截面积（S0）之比

的百分率：1.1.2塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。断后伸长率断面收缩率塑性

金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z数值越大，表示材料的塑性越好。1.1.3硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入的能力，或者说材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标。1.布氏硬度布氏硬度的测定原理如下图所示。布氏硬度测定原理对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比，即硬度数值符号（HBW）球体直径（mm）试验力（kgf）试验力保持时间（10～15s不标注）布氏硬度

350HBW5/750示例表示用直径为5mm的硬质合金球在750kgf试验力下保持10～15s测定的布氏硬度值为350；

600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金球在30kgf试验力下保持20s测定的布氏硬度值为600。布氏硬度值的测量稳定、准确，常用于各种退火状态下的钢材、铸铁等，也可用于调质处理的机械零件。但不适合测量成品零件和薄件。总结2.洛氏硬度洛氏硬度的测定原理如下图所示。洛氏硬度测定原理如左图所示，在初试验力F0和主试验力F1的先后作用下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h。用下式计算洛氏硬度值：1－在初试验力F0下的压入深度；5－试样表面；2－由主试验力F1引起的压入深度；6－测量基准面；

3－卸除主试验力F1后的弹性回复深度；7－压头位置4－残余压入深度h；硬度值符号洛氏硬度硬度值实际测定时，可在硬度计的刻度盘上直接读出洛氏硬度值。符号常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC示例50HRC60HRA洛氏硬度测定简单，方便快捷，压痕小，对工件表面损伤小，适宜大量生产中的成品件检验。但是测量时需在被测表面的不同部位测量数点，取平均值。总结三种常用洛氏硬度的试验规范如下表所示。洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初试验力F0/N主试验力F1/N总试验力F/N适用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.3588.420～88硬质合金、表面淬火层、渗碳层等BHRB直径

1.5875mm球98.07882.6980.720～100有色金属，退火、正火钢等CHRC金刚石圆锥98.071373147120～70淬火钢、调质钢等3.维氏硬度维氏硬度的测定原理如下图所示。维氏硬度测定原理如左图所示，将两相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头以选定的试验力F（N）压入被测试样表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量试样压痕两对角线长度d1和d2，求其平均值d（mm）。维氏硬度值与试验力除以压痕表面积的商成正比，即硬度数值符号（HV）试验力（kgf）试验力保持时间（10～15s不标注）维氏硬度640HV30/20示例表示用30kgf试验力保持20s测定的维氏硬度值为640。维氏硬度的适用范围宽，具有连续性，所以可测量从极软到极硬的材料。数值准确可靠，误差小，故广泛应用于测量金属镀层、薄片材料和化学热处理后的渗层硬度等。但不适于成批生产的常规试验。总结1.1.4韧性韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。1.冲击吸收能量冲击吸收能量采用夏比摆锤冲击试验测定。将规定几何形状的缺口试样（V型和U型）置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量K（J）。试样形状表面粗糙度内部组织状态环境温度影响因素因此，其测定数据的重复性差，不能直接用于强度计算，只能作为设计时的参考指标。2.多冲抗力在一定的冲击能量下，将试样断裂前的冲击次数作为多次冲击抗力指标，称为多冲抗力。材料强度塑性影响因素大能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；小能量多次冲击时，其多冲抗力主要取决于强度。1.1.5疲劳强度材料在循环应力作用下经受无数次循环而不断裂的最大应力值称为材料的疲劳极限或疲劳强度。经过一定时间的工作后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为疲劳断裂。材料承受的交变应力R与断裂循环次数N之间的关系可用R-N曲线来表示，如下图所示。R-N曲线如左图所示，应力值R越低，断裂前的循环次数越多。当应力降低到某一值后，R-N曲线与横坐标轴平行，此时的应力值即为疲劳极限。

当循环应力对称时，疲劳极限可用R-1表示。提高材料的疲劳极限的措施减轻零件应力集中改善零件表面粗糙度进行表面热处理（表面淬火、化学热处理、表面复合强化等）金属材料的物理和化学性能

1.21.2.1金属材料的物理性能1.密度密度是指单位体积物质的质量，用符号ρ表示，即物质的质量，g物质的体积，cm3物质的密度，g/cm3密度小于5g/cm3的金属轻金属航空航天器上密度大于5g/cm3的金属重金属金属材料2.熔点熔点是指金属从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属难熔金属多用来制造耐高温零件熔点低的金属易熔金属金属材料多用于制造保险丝和防火安全阀零件等。3.导热性导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来衡量。热导率的符号为λ，单位为W/(m·K)。热导率越大，导热性越好。热加工和热处理时，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大的内应力，导致工件变形或开裂。总结大多数金属材料都具有良好的导热性，其中，银、铜、铝的导

热性最好。4.导电性导电性是指金属材料传导电流的能力，通常用电导率来衡量。电导率越大，金属材料的导电性越好。所有金属材料都具有导电性，其中以银最好，铜、铝次之。制造导电零件和电线。导电性好的金属（纯铜和纯铝）制造加热炉的电阻丝和仪表零件等。导电性差的金属或合金（如钨、钼、铁、铬等）5.热膨胀性热膨胀性是指金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。热膨胀性的大小可用线膨胀系数αl和体膨胀系数αV表示，即膨胀前长度，m膨胀后长度，m；线膨胀系数,1/K体膨胀系数，1/℃温度变化量，K或℃。

膨胀系数越大，金属热胀冷缩的程度就越大。金属材料的热胀冷缩性质在机械制造中非常重要。总结在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等

在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等；

能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。6.磁性铁磁性材料顺磁性材料抗磁性材料金属材料用于制造变压器、电动机和测量仪表等用于制造要求避免电磁场干扰的零件铁磁性材料顺磁性材料升温居里点部分金属材料的物理性能及机械性能参见教材表1-3所示。1.2.2金属材料的化学性能1.耐腐蚀性耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。示例钢铁生锈铜生铜绿碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性

好，铝合金和铜合金也有较好的耐腐蚀性。2.抗氧化性抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化过程会随其温度的提高而加速。工业锅炉、加热设备和汽轮机等设备上在高温下工作的零件，要求所用零件材料具有良好的抗氧化性。总结示例炼钢金属材料的

工艺性能

1.31.3.1铸造性能1.流动性铸造性能是指金属材料铸造成型获得优良铸件的能力，它主要取决于材料的流动性、收缩性和偏析倾向。流动性是指熔融金属的流动能力。金属材料的化学成分浇注温度熔点高低影响因素同一种金属材料，浇注温度越高，流动性越好。2.收缩性收缩性是指铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象。影响铸件的尺寸精度使铸件产生缩孔、缩松、内应力等缺陷使铸件容易产生变形，甚至开裂铸件收缩铸造用金属材料的收缩率越小越好。总结3.偏析倾向

偏析现象会使铸件各部分的组织和性能不一致，从而引起强度、塑性和抗蚀性等下降，降低铸件质量。

偏析是指金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织不均匀的现象。几种金属材料铸造性能的比较如下表所示。材料流动性收缩性偏析倾向其他体收缩线收缩灰铸铁好小小小铸造内应力小球墨铸铁稍差大小小易形成缩孔、缩松，白口化倾向小铸钢差大大大导热性差，易发生冷裂铸造黄铜好小较小较小易形成集中缩孔铸造铝合金尚好小小较大易吸气，易氧化1.3.2锻造性能锻造性能是指金属材料用锻压加工方法成型的能力。金属材料的塑性变形抗力影响因素塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属材料的化学成分与加工条件对锻造性能的影响很大。示例具有良好的锻造性能铜合金和铝合金室温下锻造性能较好碳钢加热状态下不能锻造铸铁1.3.3焊接性能锻造焊接性能是指金属材料能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性。材料的化学成分采用的工艺合金元素影响因素一般来说，低碳非合金钢的焊接性能优良，高碳非合金钢的焊接性能较差，铸铁的焊接性能很差。合金钢的焊接性能比非合金钢差。1.3.4切削加工性能切削加工性能是指切削加工金属材料的难易程度。它一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。工件的化学成分工件的组织状态工件的硬度工件的塑性影响因素金属材料具有适当的硬度和足够的脆性时切削加工性能良好。提高钢的切削加工性能改变钢的化学成分（如加入少量铅、磷等元素）进行适当的热处理（如低碳钢进行正火、高碳钢进行球化退火等）1.3.5热处理工艺性能热处理工艺性能是指金属材料经热处理可使性能顺利改善的性质。示例对于钢而言，热处理工艺性能主要包括：A淬透性B淬硬性C氧化和脱碳D变形及开裂退火正火淬火回火表面热处理热处理方法ThankYou!Contents金属的晶体结构金属的结晶合金的晶体结构第2章金属的晶体结构与结晶二元合金相图金属的

晶体结构

2.11.晶体与非晶体2.1.1晶体结构的基本概念

是指原子（离子或分子）在三维空间有规则地

周期性重复排列的物质，有规则的外形、固定的

熔点，且各向异性。

是指原子（离子或分子）在空间无规则排列的

物质，没有规则的外形、固定的熔点，且各向

同性。晶体非晶体固态物质金刚石石墨松香玻璃2.晶格与晶胞晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式称为晶体结构。各种晶体结构便可用许多小刚球紧密堆垛的模型来表示，如下图所示。晶体原子排列示意图用一些假想的直线将各原子中心连接起来，形成一个空间格架，如下图所示。晶格抽象的、用于描述原子排列规律的空间格架称为结晶格子，简称晶格。在研究晶体结构时，通常只从晶格中取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来进行分析。这个最小的几何单元称为晶胞，如下图所示。晶胞如左图所示，晶胞的大小和形状可用晶胞的三条棱边长a、b、c和棱边夹角α、β、γ来描述，其中，a、b、c称为晶格常数或点阵常数。3.晶面和晶向在晶体中，由一系列原子组成的平面称为晶面。立方晶系中常用的晶面指数如左图所示的（100）、（110）、（111）、（112）是立方晶系中比较常用的晶面指数。通过任意两个原子中心的直线所指的方向称为晶向。如左图所示的[100]、[010]、[001]、[111]、[110]、[210]是立方晶系中的一些常用晶向指数。2.1.2常见金属的晶体结构1.体心立方晶格质点模型刚球模型体心立方晶胞α-Fe、δ-Fe、Cr、V、Mo、W、Nb示例如左图所示，体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角上各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。晶胞的三个棱边长度相等。（1）原子数晶胞原子数如左图所示，在体心立方晶胞中，每个角上的原子与其相邻的八个晶胞所共有，晶胞中心的原子完全属于这个晶胞。所以，体心立方晶胞中所含的原子数为：（2）原子半径

体心立方晶胞原子半径与晶格常数a之间的关系为

：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径。（3）配位数和致密度配位数在晶格中，与任意一个原子相距最近且距离相等的原子数称为配位数。配位数越大，原子排列越紧密。体心立方晶格的配位数为8。致密度晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比称为致密度，也称为密排系数。其计算公式为：一个原子的体积晶胞的体积晶体的致密度一个晶胞实际包含的原子数示例

体心立方晶胞的致密度为：在体心立方晶胞（或晶格）中有68%的体积被原子所占，其余为空隙。总结2.面心立方晶格质点模型刚球模型面心立方晶胞γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag示例如左图所示，面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。（1）原子数晶胞原子数如左图所示，在面心立方晶胞中，每个表面中心的原子为相邻两个晶胞所共有，所以，晶胞原子数为：（2）原子半径在面心立方晶胞中，面对角线上的原子相切，排列最紧密，所以，原子半径为（3）配位数和致密度配位数面心立方晶格的配位数

如左图所示，以面中心的原子为例，与之相距最近的是它周围顶角上的4个原子，这5个原子构成一个平面，这样的平面共有3个，这3个面彼此互相垂直，结构形式相同，所以与该原子相距最近且距离相等的原子共有在面心立方晶胞（或晶格）中有74%的体积被原子所占，其余为空隙。总结致密度面心立方晶胞的致密度为：3.密排六方晶格质点模型刚球模型密排六方晶胞Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti示例如左图所示，密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下面中心各排列着一个原子，上、下底面之间还均匀分布着三个原子。

密排六方晶胞的晶格常数用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表示，两相邻侧面之间的夹角为120°，侧面与底面之间的夹角为90°。（1）原子数晶胞原子数如左图所示，六方柱每个角上的原子为相邻六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为相邻两个晶胞所共有，晶胞内的三个原子完全属于这个晶胞，所以，晶胞中的原子数为：（2）致密度

密排六方晶胞的致密度为（3）配位数密排六方晶格的配位数如左图所示，以晶胞上底面中心的原子为例，它不仅与周围六个角上的原子相接触，而且与其下面位于晶胞内的三个原子及其上邻晶胞内的三个原子相接触，

故其配位数为12。

密排六方晶胞的原子半径为：2.1.3金属晶体的各向异性金属晶体的力学、物理、化学等方面性能在不同方向上是不一样的。单晶体铁示例单晶体铁的弹性模量E在[111]方向上为2.9×105Mpa而在[100]方向上为1.35×105Mpa。在磁场中沿[100]方向磁化比沿[111]方向磁化容易。金属晶体的力学、物理、化学等方面性能在不同方向上是不一样的。总结实际应用的金属一般都是多晶体。实际金属在宏观上各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。2.1.4实际金属中的晶体缺陷由于许多因素（如结晶条件、原子热运动及加工条件等）的影响，某些区域的原子排列会受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。1.点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。当某个原子具有足够高的能量时，就可摆脱晶格中相邻原子对它的束缚，脱离平衡位置，迁移到其他地方，这样在原来位置就形成了空位。离位原子可迁移到晶格间隙处形成间隙原子。若晶体中的异类原子具有足够高的能量，可能会迁移到结点上形成置换原子。晶格空位间隙原子置换原子点缺陷

晶格畸变将会使晶体的强度、硬度升高，电阻增大。

在点缺陷附近，由于原子间作用力的平衡遭到破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的不规则排列，这种变化称为晶格畸变。2.线缺陷线缺陷是指在某一方向尺寸较大而另外两个方向尺寸很小的晶体缺陷，其具体形式是位错。位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了位置错动而形成的缺陷。刃型位错示意图如左图所示，规则排列的晶体中间错排了半列多余的原子面，多余的半原子面不延伸入原子未错动的下半部晶体中，刀片的刃口线为位错线，这就是刃型位错。刃形位错是晶格畸变的中心线，距离位错线越近，晶格畸变越大；距离位错线越远，晶格畸变越小。总结刃型位错螺型位错示意图

如上图所示，晶体右上部的原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，即右上部相对于下部晶面发生错动，若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征，这种缺陷称为螺型位错。螺型位错位错密度单位体积中位错线的总长度或晶体中单位面积上位错线的根数=影响金属的塑性变形、强度、疲劳腐蚀等物理化学性能位错密度的变化位错在晶体内的运动3.面缺陷面缺陷是指在两个方向尺寸较大，而在第三个方向尺寸很小，呈面状分布的晶体缺陷，主要包括晶界和亚晶界。晶界晶界是不同位向晶粒之间的过渡区。晶界过渡结构示意图如左图所示，晶界上的原子受相邻晶粒的影响处于折中位置。晶界的厚度取决于相邻晶粒的位相差大小，一般只有几个至几十个原子间距。总结亚晶界在实际金属的每个晶粒内部，其晶格位向也并非完全一致，而是存在一些尺寸很小、位向差也很小（一般不超过2°）的小晶块，这些小晶块称为亚晶，亚晶之间的界面称为亚晶界，如下图所示。亚晶界结构示意图亚晶界实质上是由一系列位错组成的，是晶粒内部的一种面缺陷。金属的结晶

2.2液态金属固体晶态一次结晶实际使用的大多数固态金属，一般都要经过冶炼和铸造的过程，即要经过由液态转变为固体晶态的结晶过程。一种固体晶态金属另一种固体晶态二次结晶或重结晶2.2.1金属的结晶条件纯金属的结晶常通过热分析法进行测定，其冷却曲线，如下图所示。位错把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，观察记录温度随时间变化的数据，并将其绘制成曲线，即冷却曲线。纯金属结晶的冷却曲线如左图所示，当冷却到理论结晶温度T0时，结晶并未开始，而是继续冷却到T0以下的某一温度T1才开始结晶。这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差称为过冷度，用ΔT表示，即冷却速度金属的性质金属的纯度影响因素冷却速度越大，金属越纯，过冷度越大。过冷度过冷金属结晶必要条件2.2.2金属的结晶过程金属的结晶过程如下图所示。金属的结晶过程示意图如上图所示，液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后它们不断吸收周围的原子而长大。同时，液体中又会不断地产生新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部结晶。1.晶核的形成

由液态金属本身的原子集团发展成一定尺寸晶核的过程称为自发形核或均匀形核。

当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似或相当时，金属原子就会以它们为基底形成

结晶核心，这种形核方式称为非自发形核或

非均匀形核。自发形核非自发形核形成方式自发形核和非自发形核同时存在于金属液体中，但在实际金属和合金中，非自发形核往往比自发形核更为重要，起优先和主导作用。2.晶核的长大枝晶生成过程如下图所示。枝晶生成过程示意图如上图所示，晶核的尖角处生长较快形成一次晶轴。随着结晶过程的发展，逐渐长出二次晶轴、三次晶轴等，如此不断生长和发展下去，最终形成树枝状晶体，简称枝晶。2.2.3晶粒的大小及控制金属晶粒的大小用晶粒度表示。晶粒度单位面积或单位体积内的晶粒数目或晶粒平均直径=指单位时间内在单位体积中产生的晶核数。形核速度N（形核率）形核率越大，则结晶后单位体积中的晶粒数就越多，晶粒就越细小。指单位时间内晶核长大的线速度。长大速度G（长大率）影响晶粒度的因素若形核率一定，长大率越小，则结晶所需的时间越长，生成的晶核越多，晶粒就越细小。一般来说，晶粒越细小，金属的强度越高，塑性和韧性越好。细化晶粒是提高金属材料力学性能的一个重要途径。细化晶粒的主要方法有增大过冷度、变质处理和附加振动等。1.增大过冷度金属结晶时，形核率N和长大率G均与过冷度有关，如下图所示。形核率和长大率与过冷度的关系如左图所示，随着过冷度的增大，形核率和长大率均会增大，但当过冷度超过一定值后，形核率和长大率都会降低。形核率N增大得更快，N/G增大，晶粒细化。采用散热快的金属铸型降低金属铸型的预热温度减小涂料层的厚度采用水冷铸型提高冷却速度增大过冷度2.变质处理对于形状复杂的铸件，生产上多采用变质处理来细化晶粒。变质处理是在液体金属中加入变质剂或孕育剂，增加非自发晶核的数量或阻碍晶核的长大，从而达到细化晶粒的目的。示例钢液少量Ti、V铝液少量Ti、Zr铝硅合金钠盐3.附加振动机械振动超声波振动电磁振动搅拌使枝晶破碎、折断，这样，不仅使已形成的晶粒因破碎而细化，而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了结晶核心，达到晶粒细化的目的。2.2.4同素异构转变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。由同素异构转变得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。纯铁在结晶时的冷却曲线如下图所示。纯铁在结晶时的冷却曲线在液态纯铁1538℃时开始结晶，形成具有体心立方晶格的δ-Fe温度继续降低到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。再冷却至912℃时又发生一次同素异构转变，面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。

纯铁的三种同素异构体的转变可表示为:金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。同素异构转变的晶格变化将会引起金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力，严重时会导致金属变形或开裂，因此，应有工艺措施予以防止。总结2.2.5铸锭的结构1.铸锭的组织金属铸锭的剖面示意图如下图所示。金属铸锭的剖面示意图

表层细晶区的晶粒十分细小，组织致密，力学性能好。但该区很薄，故对铸锭的性能影响不大。

中心等轴晶区不存在明显的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交错、咬合，各个方向上的力学性能均匀，是一般情况下的金属（特别是钢铁铸件）所要求的结构。生产上常采用低温浇注、变质处理、附加振动和搅拌等措施获得等轴晶粒。

柱状晶区的组织比较致密，但晶粒间常存有非金属夹杂物和低熔点杂质而形成脆弱面，在热轧或锻造时易产生开裂。因此，对熔点高、杂质多的金属，不希望产生柱状晶区；但对熔点低、不含易熔杂质、塑性较好的有色金属及其合金或承受单向载荷的零件（如汽轮机叶片等），常采用顺序凝固法获得柱状组织。为减少缩松，可提高浇注时的液面。要严格控制产生气体的各种因素。2.铸锭的缺陷在轧制和锻造前需切去。缩孔缩松气孔缺陷合金的晶体结构

2.32.3.1合金的基本概念组元是指组成合金的最基本的、独立的物质。铁碳合金中的Fe和C黄铜中的Cu和Zn碳钢中的Fe3C合金系是指由给定组元按不同比例配制出的一系列成分不同的合金。各种牌号的碳钢相相是指在合金中具有相同的成分、晶体结构及性能，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。固液共存系统中的相有固相和液相两种。组织合金的组织是指由一种或多种相以不同的形态、尺寸、数量和分布形式而组成的综合体。单相组织多相组织2.3.2合金的相结构1.固溶体固溶体是指合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相。（1）固溶体的分类置换固溶体置换固溶体如左图所示，置换固溶体是指溶质原子置换溶剂中的部分原子，并且占据溶剂晶格的某些节点位置所形成的固溶体，示例

Fe、Mn、Ni、Cr、Mo等元素都可以相互形成置换固溶体。无序固溶体有序固溶体一定条件下位错溶质原子的分布一般是无序的。通过原子的扩散，有些合金的溶质原子可以过渡到有序排列。有限固溶体的溶解度还与温度有关，随温度的升高，溶解度增加。各组元的晶格类型相同，原子半径差越小，在元素周期表中的位置越靠近，则溶解度越大，甚至能形成无限固溶体。无限固溶体有限固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体如左图所示，间隙固溶体是指溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。示例原子半径较小的H、O、C、B、N等元素与过渡族金属都可形成间隙固溶体。研究表明，只有在溶质原子半径与溶剂原子半径的比值小于0.59时，才有可能形成间隙固溶体。间隙固溶体是有限固溶体。总结（2）固溶体的性能间隙固溶体如左图所示，在固溶体中，由于溶质原子的溶入，溶剂的晶格会发生一定程度的畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力提高合金的强度和硬度如上图所示，这种通过形成固溶体使金属强度、硬度提高的现象称为固溶强化。2.金属化合物金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格结构和特性完全不同于任一组元的新相，一般可用分子式表示。正常价化合物正常价化合物是指严格遵守原子价规律的金属化合物，其成分固定。

如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等

具有较高的硬度和脆性，当它弥散分布于固溶体基体上时，可对金属起强化作用。电子化合物电子化合物是指不遵守原子价规律，但是服从电子浓度规律的化合物。主要以金属键结合，具有明显的金属特性，一般熔点和硬度较高，脆性大，是有色金属中的重要强化相。间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成的具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相间隙相间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定，是高合金钢和硬质合金的重要组成相。当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂晶体结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物间隙化合物复杂结构的间隙化合物主要以金属键结合，具有金属特性，它们也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低些，而且加热易分解。

Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，通常称为渗碳体。它具有复杂的斜方晶格，如下图所示。Fe3C的晶体结构如左图所示，其中的铁原子可以部分被锰、铬、钼、钨等金属原子置换，形成以间隙化合物为基的固溶体。二元合金相图

2.4

合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。

相图是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下各相关系的图解，又称为平衡图或状态图。

利用相图，可知各种成分的合金在不同温度的组织状态及一定温度下发生的结晶和相变，了解不同成分的合金在不同温度下的相组成及相对含量，了解合金在加热和冷却过程中可能发生的转变。2.4.1二元合金相图的基本类型匀晶相图共晶相图包晶相图二元合金相图共析相图

在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，因此，二元合金相图可用温度―成分坐标系的平面图来表示。1.匀晶相图

两组元在液态和固态均能无限互溶时所形成的二元合金相图称为匀晶相图。

属于这类相图的合金系主要有Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、Fe-Cr、Cr-Mo等。Cu-Ni合金相图及结晶过程示意图如左图所示，A点为Cu的熔点（1083℃），B点为Ni的熔点（1455℃），该相图上面一条是液相线，下面一条是固相线，液相线和固相线把相图分成三个区域，即液相区L、固相区α及液固两相区L＋α。示例现以Cu-Ni二元合金相图为例进行分析。Cu-Ni合金相图及结晶过程示意图如左图所示，以c点成分的Cu-Ni合金为例分析结晶过程。在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至1～2点温度之间时，合金发生匀晶反应：Lα，从液相中逐渐结晶出固溶体α。到2点温度时，合金全部结晶为固溶体α。2点温度以下，固溶体α逐渐冷却。示例现以Cu-Ni二元合金相图为例进行分析。匀晶结晶的特点与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程也存在形核与长大的基本规律。固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni的质量分数）是确定的。在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。实际中，由于冷却速度较快，原子扩散不能充分进行，会造成晶粒内成分不均匀，即产生枝晶偏析。2.共晶相图

两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在冷却时发生共晶反应的相图称为共晶相图。

属于这类相图的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等，很多合金相图中也都包含共晶部分。Pb-Sn二元合金相图如左图所示，A点为Pb的熔点，B点为Sn的熔点，AEB为液相线，ACDB为固相线。相图中有三个单相区，即L、α和β。单相区之间有三个两相区，即L＋α、L＋β和α＋β。在三个两相区之间还有一条三相共存线CED，表示L＋α＋β三相共存区。示例现以Pb-Sn二元合金相图为例进行分析。(1)相图分析Pb-Sn二元合金相图如左图所示，CED线称为共晶线，E点称为共晶点，E点所对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点E的合金称为共晶合金。

成分位于E点以左、C点以右的合金称为亚共晶合金。

成分位于E点以右、D点以左的合金称为过共晶合金。示例现以Pb-Sn二元合金相图为例进行分析。

在CED线所对应的温度下，成分相当于E点的液相同时结晶出C点成分的α相和D点成分的β相，即合金Ⅰ的平衡结晶过程如左图所示，液态合金冷却1点温度后，发生匀晶结晶过程，至2点温度时，合金完全结晶成α固溶体。在2点温度到3点温度之间，α相不变。从3点温度开始，从α中析出β固溶体，至室温时，α中的Sn含量逐渐变为F点所示状态。从固态α固溶体中析出的β相称为次生相（二次相或二次晶），用符号βⅡ表示，以区别于直接从液相中结晶出的β固溶体。(2)典型合金的平衡结晶过程合金Ⅰ共晶合金的平衡结晶过程如左图所示，合金从液态冷却到1点温度时，发生共晶反应，经过一定时间到1′时反应结束，液相全部转变为共晶（αC＋βD）。

共晶体中α相和β相的含量可由杠杆定律求得合金Ⅱ（共晶合金）亚共晶合金的平衡结晶过程如左图所示，合金冷却到1点温度后，开始结晶出α固溶体，称为初生α固溶体。从1点温度到2点温度的冷却过程中，合金发生匀晶反应。

刚冷却到2点温度时，合金由C点成分的α相和E点成分的液相组成。然后液相发生共晶反应，初生α相不变。经过一定时间到2′点共晶反应结束时，合金的组织由初生α相和共晶（αC＋βD）组成。

在2点以下继续冷却时，将从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ。室温组织为初生α＋βⅡ＋（αC＋βD）。合金Ⅲ（亚共晶合金）标明组织组成物的Pb-Sn合金相图如左图所示，Pb-Sn合金的结晶组织中仅出现α、β两相，因此，α、β相称为合金的相结构（或相组成物）。

而由于合金成分和结晶过程的变化，各种相又以不同的形状、数量和大小组合形成不同的组织。其中，只有α、β、共晶（α＋β）、αⅡ、βⅡ在显微组织中能够清晰地分辨出来，它们是该合金的组织组成物。合金Ⅳ（过共晶合金）3.包晶相图

两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶转变的相图称为包晶相图。

属于这类相图的合金系主要有Pt-Ag、Ag-Sn、Al-Pt等，很多合金相图中也包含包晶部分。Pt-Ag二元合金相图如左图所示，ADB为液相线，ACEB为固相线。相图中有三个单相区，即L、α和β。CF、EG分别为α和β相的固溶线。单相区之间有三个两相区，即L＋α、L＋β和α＋β。在三个两相区之间还有一个三相共存线CED。示例现以Pt-Ag二元合金相图为例进行分析。

CED线称为包晶线，E点称为包晶点，E点所对应的温度称为包晶温度，在包晶线上会发生包晶反应，即D点成分的液体和C点成分的α固溶体反应生成E点成分的β固溶体，其反应可表示为

合金冷却到1点温度后，开始结晶出α固溶体。从1点温度到2点温度的冷却过程中，合金发生匀晶反应。刚冷却到2点温度时，合金由C点成分的α相和D点成分的L相组成。然后发生包晶反应，β相包围α相生成。反应结束后，L相与α相恰好全部耗尽，形成E点成分的β固溶体。温度继续下降，从β中析出αⅡ。最后室温组织为β＋αⅡ。示例现仅以合金Ⅰ为例分析结晶过程。4.包晶相图

从一种固相中同时析出两种化学成分和晶体结构完全不同的新固相的转变过程称为共析转变或共析反应。两种新相的混合物称为共析体。含有共析反应的相图如左图所示，相图的下半部分为共析相图，其形状与共晶相图类似。D点成分（共析成分）的合金从液相经过匀晶反应生成γ相后，继续冷却到D点温度（共析温度）时，在恒温下发生共析反应，同时析出C点成分的α相和E点成分的β相，即2.4.2铁碳合金相图

在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。整个铁碳合金相图由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC、FeC-C等部分组成，如下图所示。Fe-C相图的组成1.铁碳合金的组元纯铁的熔点为1538℃，纯铁具有同素异构转变特征。纯铁纯铁在室温下的力学性能大致为：抗拉强度Rm＝180～230MPa，断后伸长率A11.3＝30%～50%，断面收缩率Z＝70%～80%，布氏硬度50～80HBW。铁与碳形成的金属间化合物Fe3C称为渗碳体，可用Cm表示。渗碳体铁碳合金的组元渗碳体的熔点为1227℃，它是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物。渗碳体硬而脆，其硬度很高（约800HBW），但塑性和韧性几乎为零。2.铁碳合金中的相碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表示。铁素体

铁素体仍保持α-Fe的体心立方晶格。铁素体中碳的溶解度极小，室温时约为0.0008%，在727℃时碳的溶解度最大，仅为0.0218%。铁素体的力学性能与工业纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。奥氏体

奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奥氏体中碳的溶解度较大，在727℃时为0.77%，在1148℃时最大，为2.11%。奥氏体的强度、硬度不高，但塑性很好。碳溶于体心立方晶格δ-Fe中形成的间隙固溶体称为高温铁素体或δ固溶体，用符号δ表示。高温铁素体

高温铁素体与铁素体的本质相同，两者的区别仅在于高温铁素体存在的温度范围较铁素体高。Fe3C相是一个化合物相，它是钢中的主要强化相。Fe3C相

在铁碳合金中的存在形式有粒状、球状、网状和细片状，其形状、数量、大小及分布对钢的性能有很大影响。3.铁碳合金相图分析

我们分析的铁碳合金相图为Fe-Fe3C相图，如下图所示。Fe-Fe3C相图（1）相图中的特性点、特性线

教材表2-1所示为Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、成分和含义。各代表符号属通用，不可随意改变。Fe-Fe3C相图的特性线是不同成分合金具有相同意义相变点的连接线。Fe-Fe3C相图中各特性线的符号、名称及含义如表2-2所示。（2）典型铁碳合金的平衡结晶过程

在一般的研究中，常将此部分省略简化。简化后的Fe-Fe3C相图如下图所示。简化后的Fe-Fe3C相图

按碳的质量分数和显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。wC＜0.0218%工业纯铁亚共析钢（0.0218%＜wC＜0.77%）共析钢（wC＝0.77%）过共析钢（0.77%＜wC≤2.11%）0.0218%＜wC≤2.11%钢间隙化合物亚共晶白口铸铁（2.11%＜wC＜4.3%）共晶白口铸铁（wC＝4.3%）过共晶白口铸铁（4.3%＜wC＜6.69%）2.11%＜wC＜6.69%白口铸铁

下面仅对钢和铸铁平衡凝固时的转变过程和室温组织进行分析。共析钢结晶过程示意图共析钢

共析钢的室温组织全部为P。共析钢的结晶过程如下图所示。如左图所示，珠光体的显微组织一般为层片状。它的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，Rm＝770MPa，A11.3＝20%～30%，180HBW。亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢如上图所示，当温度降到1点时，开始从液相中析出A，降到2点时液相全部结晶为A。温度降至3点时，开始从A中析出F，称为先共析铁素体。温度继续降低，F的量不断增加，F的成分沿GP线变化，A的成分沿GS线变化。冷却至4点时，剩余A中碳的质量分数达到共析成分（wC＝0.77%），发生共析反应，A转变为P。温度继续下降，由铁素体中将会析出极少量的三次渗碳体，可忽略不计。1点以上1～2点2～3点3～4点4点～室温亚共析钢结晶过程示意图45钢室温下的显微组织如下图所示。如左图所示，F呈白色块状，P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。所有亚共析钢的室温组织都是F＋P，只是随碳含量的增加，P越来越多，F越来越少。过共析钢结晶过程示意图过共析钢如上图所示，当温度降到1点时，开始从液相中析出A，降到2点时液相全部结晶为A。温度降至3点时，开始从A中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）。温度继续降低，Fe3CⅡ的量不断增多，并呈网状沿奥氏体晶界分布。剩余A的成分沿ES线变化，冷却至4点时，其中碳的质量分数达到共析成分，发生共析反应，转变为P。继续冷却，合金组织不变。1点以上1～2点2～3点3～4点4点～室温过共析钢室温下的显微组织

过共析钢室温下的显微组织如下图所示。如左图所示，所有过共析钢的室温组织都是P＋网状Fe3CⅡ，只是随着碳含量的增加，Fe3CⅡ越来越多，P越来越少。共晶白口铸铁结晶过程示意图共晶白口铸铁如上图所示，温度在1点以上时为液相，温度降到1点时开始发生共晶反应，生成由A和Fe3C组成的高温莱氏体（Ld）。高温莱氏体的性能与渗碳体类似，硬度很高，塑性极差。继续冷却，从A中不断析出二次渗碳体，剩余A中碳的质量分数沿ES线变化。温度降至2点时，A中碳的质量分数达到共析成分，发生共析反应，生成P。继续冷却，合金组织不变。1点以上1～2点2点～室温共晶白口铸铁室温下的显微组织

共晶白口铸铁室温下的显微组织如下图所示。如左图所示，黑色部分为P，白色基体为渗碳体（共晶渗碳体和二次渗碳体混在一起，无法分辨）。亚共晶白口铸铁结晶过程示意图亚共晶白口铸铁如上图所示，当温度降至1点时，开始结晶出A。随着温度的继续降低，A不断增多，其成分沿AE线变化；液相不断减少，其成分沿AC线变化。冷却至2点时，剩余液相成分达到共晶成分，发生共晶反应，生成莱氏体。在2点到3点之间冷却时，A的成分沿ES线变化，并不断析出二次渗碳体。冷却至3点温度时，A达到共析成分，发生共析反应，生成P。1点以上1～2点2点～3点3点～室温亚共晶白口铸铁室温下的显微组织

亚共晶白口铸铁室温下的显微组织如下图所示。如左图所示，黑色块状或树枝状为P，黑白相间的基体为Ld′，二次渗碳体和共晶渗碳体混在一起，无法分辨。所有亚共晶白口铸铁的室温组织均为P＋Fe3CⅡ＋Ld′，只是随碳含量的增加，Ld′越来越多，其他量越来越少。过共晶白口铸铁结晶过程示意图过共晶白口铸铁如上图所示，当温度降至1点时，开始结晶出一次渗碳体（Fe3CⅠ）。随着温度的继续降低，Fe3CⅠ不断增多，液相不断减少，其成分沿DC线变化。冷却至2点时，液相成分达到共晶成分，发生共晶反应，生成Ld。温度继续降低，Fe3CⅠ的成分和结构不再变化，而莱氏体则会在3点温度后转变为Ld′。1点以上1～2点2点～3点3点～室温亚共晶白口铸铁室温下的显微组织

过共晶白口铸铁室温下的显微组织如下图所示。如左图所示，图中白色条状为Fe3CⅠ，黑白相间的基体为Ld′。所有过共晶白口铸铁的室温组织均为Ld′＋Fe3CⅠ，只是随碳含量的增加，Fe3CⅠ量增加。4.含碳量对铁碳合金平衡组织及性能的影响

由铁碳合金相图可知，随着碳含量的增加，铁碳合金显微组织发生如下变化：（1）含碳量对铁碳合金平衡组织的影响F＋Fe3CⅢ→F＋P→P→P＋Fe3CⅡ→P＋Fe3CⅡ＋Ld′→Ld′→Ld′＋Fe3CⅠ

铁碳合金组织中，随含碳量的增加，不仅渗碳体的数量相应增加，而且渗碳体的形态和分布也在发生变化：Fe3CⅢ（点状或沿铁素体晶界分布的小片状）共析Fe3C（呈层片状分布在珠光体中）Fe3CⅡ（沿奥氏体晶界呈网状分布）共晶Fe3C（为莱氏体的基体）Fe3CⅠ（呈条状分布在莱氏体上）亚共晶白口铸铁室温下的显微组织

从相组成物的情况看，，随着含碳量的增加，铁素体相减少，渗碳体相增多，含达到6.69%时，全部由渗碳体相组成。如下图所示。铁碳合金含碳量的变化，不仅会引起相的相对数量的变化，还会引起组织形态的变化，从而引起铁碳合金性能的变化。总结

当wC＜0.9%时，随含碳量的增加，钢的强度和硬度不断上升，而塑性和韧性不断下降。（2）含碳量对铁碳合金性能的影响

当wC＞0.9%时，由于网状渗碳体的存在，钢的强度开始明显下降，塑性和韧性进一步下降，而硬度仍在增高。为保证工业用钢具有足够的强度、一定的塑性和韧性，钢的含碳量一般不超过1.3%。总结5.铁碳合金相图的应用（1）在选材方面的应用应选用低碳钢（wC＜0.25%）建筑用钢和各种型材应选用中碳钢（wC＝0.25%～0.6%）机械零件应选用高碳钢（wC＝0.6%～1.3%）各种工具（2）在铸造方面的应用

在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。常用铸钢的含碳量规定在0.15%～0.6%之间，因在此范围内，钢的结晶温度范围较小，铸造性能较好。

（3）在锻造方面的应用（4）在焊接方面的应用

为了获得均匀一致的组织、性能，可通过焊后热处理来调整和改善。

在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。常用铸钢的含碳量规定在0.15%～0.6%之间，因在此范围内，钢的结晶温度范围较小，铸造性能较好。

（5）在热处理方面的应用

Fe-Fe3C相图对于制定钢的热处理工艺有重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火等的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。ThankYou!Contents金属的塑性变形塑性变形对金属组织和性能的影响金属的再结晶第3章金属的塑性变形与再结晶金属的热变形加工金属的

塑性变形

3.11.滑移3.1.1单晶体的塑性变形滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）相对另一部分发生滑动的过程。①滑移是在切应力作用下进行的。特点滑移时所受应力示意图如左图所示，单晶体受拉伸时，外力F作用在滑移面上的应力可分解为正应力σ和切应力τ。试验表明，要使单晶体发生滑移，作用于滑移面上的切应力在滑移方向上的分量必须达到某临界值，这个临界值称为临界切应力。②晶体的滑移是通过位错运动来实现的。滑移时所受应力示意图如上图所示，晶体在滑移时并不是滑移面上的全部原子同时移动，而是只有位错线中心附近的少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），这样所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时低得多。③晶体发生的总变形量一定是这个方向上原子间距的整数倍。④滑移的结果产生滑移带。⑤滑移总是沿晶体中原子排列最密的晶面和该晶面上原子排列最密的晶向进行的。⑥滑移时晶体伴随有转动。滑移面的转动

如左图所示，在拉伸时，单晶体发生滑移，外力将发生错动，产生一力偶，迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。转动的结果是，滑移面趋向于与拉伸轴平行，而使试样两端的拉力重新作用在同一条直线上。2.孪生孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程，如下图所示。孪生示意图如左图所示，孪生的结果是使孪生面两侧的晶体形成了镜面对称关系，孪晶带中的晶格位向发生了变化，孪晶带两边晶体的晶格位向没有变化。相对滑移，孪生需要更大的切应力，对塑性变形的贡献较小，但孪生能够改变晶体位向，使滑移系转动到有利的位置，可以使受阻的滑移通过孪生调整取向而继续变形。总结3.1.2多晶体的塑性变形示例两个晶粒的金属拉伸试验如左图所示，拉伸后，试样呈竹节状，说明晶界的变形抗力较大，变形较小。多晶体塑性变形的方式与单晶体相同，但变形要复杂得多。在多晶体金属中其滑移抗力比单晶体大。两个晶粒的金属拉伸试验：

一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切

应力方向，称这些晶粒处于软位向。

另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力

方向相差较大，称这些晶粒处于硬位向。软位向硬位向多晶体的晶粒位向

细晶强化是金属的一种很重要的强化机制，不但可以提高金属的强度，而且还能改善金属的韧性。金属材料得到细小而均匀的晶粒组织能够使其强度、塑性和韧性均得以改善（即细晶强化）。塑性变形对金属组织和性能的影响

3.23.2.1形成纤维组织，性能趋向各向异性变形前如上图所示，金属产生塑性变形时，当变形量很大时，晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，这种组织称为纤维组织。形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，呈一定程度的各向异性，纵向的强度和塑性远大于横向。变形后变形前后晶粒形状变化示意图3.2.2产生加工硬化随着变形程度的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象称为冷变形强化或加工硬化。实际意义在机加工过程中可利用加工硬化强化金属，提高其

强度、硬度和耐磨性。加工硬化有利于金属进行均匀变形。加工硬化可提高零件在使用过程中的安全性。3.2.3形成形变织构冲压件的制耳现象如左图所示，用有织构的板材冲制筒形零件时，由于不同方向上的塑性差别很大，变形不均匀，导致零件边缘不齐，出现“制耳”现象。示例

形变织构会使金属性能呈现明显的各向异性。金属发生塑性变形时，各晶粒的晶格位向会沿着变形方向同时发生转动。当变形量很大（70%以上）时，各晶粒的位向将与外力方向趋于一致，这种结构称为形变织构。

形变织构的形成在许多情况下都是不利的。但织构在某些情况下也是有利的。总结

由于位错等晶体缺陷的增加形成的晶格畸

变应力,占绝大部分,是金属强化的主要因素。

金属表层和心部之间变形不均匀会形成平

衡于表层与心部之间的宏观内应力.

相邻晶粒之间或晶粒内部不同部位之间变形不均匀形成的微观内应力.第一类应力第二类应力残余内应力3.2.4产生残余内应力残余内应力是指去除外力后，残留在金属内部的应力。它主要是由于金属在外力作用下内部变形不均匀造成的。第三类应力虽然在变形金属中占的比例不大，但在大多数情况下，不仅会降低金属的强度，而且还会因随后的应力松弛或重新分布引起金属变形。金属的再结晶

3.3金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很多变化，处于不稳定状态，于是会存在向稳定低能状态转变的趋势。变形金属的回复、再结晶和晶粒长大如左图所示，随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程。在室温下，这种转变一般不易实现，如果进行加热，因原子活动能力增加，可使金属恢复到变形前的稳定状态。3.3.1回复加热温度较低时，材料的强度和硬度只略有下降，塑性略有提高，而残余应力则大大降低。此阶段称为回复。使金属产生回复的温度称为回复温度，用T回表示。对于纯金属T回＝（0.25～0.3）T熔生产中，常利用回复现象将已产生冷变形强化的金属在较低温度下加热，以降低其残余内应力，保留加工硬化效果，这种处理称为去应力退火。总结示例对于纯金属3.3.2再结晶1.再结晶过程

再结晶是在一定温度范围内进行的，不是一个恒温过程。通常所说的再结晶温度T再是指发生再结晶的最低温度。它与金属的熔点T熔、成分及变形程度等因素有关。加热温度较高时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，破碎的、被拉长或压扁的晶粒变为均匀、细小的等轴晶粒，这一变化过程也是通过形核和晶核长大方式进行的，故称为再结晶。T再≈0.4T熔

示例对于纯金属金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。加热温度越高，原子的活动能力越强，晶界越易迁移，晶粒长大越快。当加热温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。加热温度和保温时间预先变形度影响因素2.再结晶后的晶粒大小再结晶后的晶粒大小对金属的力学性能有很大影响，因此，生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度。预先变形度预先变形度与再结晶晶粒大小的关系当变形度过大（＞90%）时，晶粒可能再次出现异常长大预先变形度很小时，不足以引起再结晶，晶粒不变化。当预先变形度达到2%～10%时，再结晶的晶粒度特别粗大。超过临界变形度后，随着变形量的增大，再结晶后的晶粒越来越细。3.3.3晶粒长大大晶粒吞并小晶粒晶界迁移金属的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能都显著降低晶粒的长大可以减少金属晶界的总面积，使金属能量进一步降低，是一种自发过程。晶粒长大金属的

热变形加工

3.4在再结晶温度以上进行的变形加工热变形加工铅的最低再结晶温度在0℃以下，因此，它在室温下的变形加工便属于热变形加工。在再结晶温度以下进行的变形加工冷变形加工加工方式钨的最低再结晶温度约为1200℃，即使在稍低于1200℃的高温下进行变形加工仍属于冷变形加工。在实际的热变形加工（热轧、热锻）中需要提高加热温度加速再结晶过程，故生产中的实际热加工温度常常比再结晶温度高得多。总结热变形加工对金属组织和性能的影响主要包括以下几个方面。①流线使金属的力学性能出现明显的各向异性，沿流线方向的强度、塑性和韧性显著高于垂直于流线方向上的相应性能。热变形加工后，塑性杂质顺着金属主要伸长方向呈带状分布，形成纤维组织（又称为流线）。示例锻造曲轴切削加工曲轴如上图所示，锻造曲轴有合理的流线分布，在工作中承受的最大拉应力与流线平行，切应力与流线垂直，所以不易断裂。如上图所示，切削加工曲轴，其流线分布不合理，沿轴肩易发生断裂。②热变形加工能打碎铸态金属中的粗大组织，同时再结晶过程能使晶

粒细化，提高其力学性能。③热变形加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹压合，提高金属的致密度，减轻甚至消除树枝晶偏析，改善夹杂物、第二相的分布，明显提高金属的强度、塑性和韧性。ThankYou!Contents钢的整体热处理钢的化学热处理其他热处理技术第4章钢的热处理热处理零件的结构工艺性钢在加热和冷却时的组织转变钢的表面热处理热处理技术条件的标注及工序位置的安排包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、化学气相沉积、物理气相沉积等。包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。包括形变热处理、真空热处理、可控气氛热处理、离子热处理等。包括退火、正火、淬火、回火等。整体热处理表面热处理化学热处理其他热处理热处理钢在加热和冷却时的组织转变

4.11.加热温度的确定4.1.1钢在加热时的组织转变钢加热时的奥氏体化温度，一般需根据Fe-Fe3C相图来确定。加热和冷却对临界点A1、A3和Acm的影响如左图所示，在Fe-Fe3C平衡相图中，A1、A3和Acm三条相变线分别代表共析钢、亚共析钢和过共析钢完全转变为奥氏体的临界温度。为与平衡条件下的相变线相区别，通常将加热时的相变线称为Ac1、Ac3和Accm，将冷却时的相变线称为Ar1、Ar3和Arcm线。2.奥氏体的形成示例以共析钢为例，分析奥氏体的形成过程。

（1）奥氏体晶核的形成奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成。奥氏体的形核奥氏体的长大

（2）奥氏体晶核的长大

奥氏体晶核将向铁素体和渗碳体两个方向不断长大。同时，新的奥氏体晶核也将不断形成并长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。（3）残余渗碳体的溶解

当铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解