模具材料与热处理全套教程

(第四版)《模具材料与热处理》新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题一金属材料的基础知识任务一金属材料的性能任务二金属材料的结构与组织任务三金属材料的变形与再结晶很多人都看过电影《泰坦尼克号》，这艘1912年完工的，在当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）游船，竟在其处女航中沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。为什么号称“不会沉没”的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了?任务一金属材料的性能如图1-2所示是两个冲击试验结果。它可以科学地回答泰坦尼克号沉没这百年未解之谜。左面的试样取自海底的泰坦尼克号，右面的是现代船用钢板的冲击试样。由于早年的泰坦尼克号采用了航行环境温度下有缺口敏感的、且含硫、磷高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。现代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。图1-2任务一金属材料的性能一、物理性能1.密度和熔点:(1)密度;(2)熔点2.热学性能:(1)导热性;(2)比热容;(3)热膨胀系数3.电学性能:(1)导电性;(2)介电常数与介电强度;(3)铁电性能;(4)超导电性4.磁学性能:(1)磁导率;(2)矫顽力二、化学性能任务一金属材料的性能1.耐蚀性2.抗氧化性三、力学性能1、强度金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。常用的强度判据有屈服点和抗拉强度，其大小通常用应力来表示。根据载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度（σb）、抗压强度（σbc）、抗弯强度（σbb）、抗剪强度（τb）和抗扭强度（τt）等五种。一般情况下多以抗拉强度作为金属材料强度高低的判据。任务一金属材料的性能(1)拉伸试样:拉伸试样的形状有圆形和矩形两类。在国家标准(GB/T228—2002)《金属材料室温拉伸试验方法》中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。图1-3所示为圆形拉伸试样。图1-3圆形截面的拉伸试样任务一金属材料的性能

(2)力-伸长曲线:拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力伸长曲线。

图1-4是低碳钢的力伸长曲线，纵坐标表示力F，单位是N;横坐标表示伸长量Δl，单位是mm。由力伸长曲线可以看出，随着拉伸力的不断增加，试样经历了以下几个变形阶段:图1-4低碳钢的力-伸长曲线

任务一金属材料的性能①Oe——弹性变形阶段:②es——微量塑性变形阶段③ss′——屈服阶段④s′b——强化阶段⑤bz——缩颈阶段变形阶段：任务一金属材料的性能

在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。图1-5为铸铁的力伸长曲线。

图1-5铸铁的力-伸长曲线任务一金属材料的性能（3）强度指标主要包括屈服点和抗拉强度①屈服点:试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，其计算公式为σs=Fs/S0（1-3）式中σs——屈服点，MPa;Fs——试样屈服时的载荷，N;S0——试样原始横截面面积，mm2。对于无明显屈服现象的金属材料，按GB/T228—2002规定可用规定残余伸长应力σ0.2表示。σ0.2表示试样卸除拉伸力后，其标距长度部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称屈服强度。计算公式为σ0.2=F0.2/S0（1-4）式中σ0.2——规定残余伸长应力，MPa;F0.2——残余伸长率达到0.2%时的载荷，N;S0——试样原始横截面面积，mm2。

任务一金属材料的性能②抗拉强度:试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。其计算公式为σb=Fb/S0（1-5）式中σb——抗拉强度，MPa;Fb——试样承受的最大载荷，N;S0——试样原始横截面面积，mm2。抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。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。抗拉强度σb和屈服点σs一样，也是机械零件设计和选材的主要依据。在工程上把σs/σb称为屈强比。屈强比高，则材料强度的有效利用率高，但过高也不好，一般以0.75左右为宜。任务一金属材料的性能2.塑性断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。它们也是由拉伸试验测得的。试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比称为断后伸长率，其计算公式为

δ=(l1-l0)/l0×100%（1-6）式中δ——试样断后伸长率，%;l0——试样原始标距长度，mm;l1——试样拉断后的标距长度，mm。试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比称为断面收缩率，其计算公式为ψ=(S0-S1)/S0×100%（1-7）式中ψ——断面收缩率，%;S0——试样原始横截面面积，mm2;S1——试样拉断后缩颈处的最小横截面面积，mm2。任务一金属材料的性能3.硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度是各种零件和工具必备的性能指标，硬度试验设备简单，操作方便，且不破坏被测试工件，因此广泛用于产品质量的检验。常用的硬度表示法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。任务一金属材料的性能（1）布氏硬度HB

布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积S确定硬度大小。其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度试验原理图布氏硬度计

任务一金属材料的性能计算公式布氏硬度值=F/S=0.102*2F/πD（D-（D2-d2）1/2）由上式试验时测量出压痕的平均直径d，经计算或查表得硬度值。布氏硬度的符号及表示压头为淬火钢球，测试硬度值在450以下材料：

HBS压头为硬质合金球，测试硬度值在450～650的材料：HBW表示：硬度值—符号—压球直径—载荷—载荷保持时间如：150HBS10/10000/30500HBW5/7500※应用由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。任务一金属材料的性能（2）洛氏硬度HR

洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。计算公式：洛氏硬度值=c-h/0.002应用：材料硬度较高或试样过小时。HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；

HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；

HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。任务一金属材料的性能洛氏硬度测量原理图任务一金属材料的性能（3）维氏硬度HV

维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四棱锥体，所加负荷较小（5～120kgf）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。全自动维氏硬度计任务一金属材料的性能三种硬度值之间的换算近似关系：

1、HRC≈1/10HBS（W）硬度值在200～600HBS（W）2、HBS≈HV硬度值在小于450

HBS（W）4.韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。（1）冲击试验:将待测的金属材料加工成标准试样，然后放在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图1-8（a）所示。再将具有一定重量G的摆锤升至一定的高度H1（图1-8（b）），使其获得一定的初始势能（GH1），然后使摆锤落下，将试样冲断。摆锤剩余势能为GH2。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功图1-8冲击试验示意图任务一金属材料的性能⑵标准冲击试样：两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。夏氏试样必须注明aK（夏）。

冲击试样任务一金属材料的性能冲击吸收功：AK=GH1-GH2=G(H1-H2)(1-10)式中AK——冲击吸收功，J;

GH1——摆锤初始势能;GH2——摆锤剩余势能;G——摆锤重量，N;H1——摆锤初始高度，m;H2——冲断试样后，摆锤回升高度，m。冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为ɑK=AK/S0(1-11)式中ɑK——冲击韧度，J/cm2;AK——冲击吸收功，J;S0——试样缺口处横截面面积,cm2。

任务一金属材料的性能5.疲劳强度许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。1943年美国T-2油轮发生断裂任务一金属材料的性能疲劳断裂的原因：一般认为是由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。措施：通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。注意：实践证明，在规定条件下用小尺寸试样测得的力学性能，不能直接代表材料制成零件后的性能。任务一金属材料的性能材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为“疲劳极限”。影响因素：循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织表面质量和残余应力等任务一金属材料的性能四、工艺性能任务一金属材料的性能(1)流动性(2)收缩性(3)偏析1.铸造性能2.压力加工性能3.焊接性能4.切削加工性能5.热处理性能金属是指具有金属光泽、良好导电性、导热性、一定强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。具有金属特性的元素称为金属元素。在所有应用材料中，凡是由金属元素或是以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。高强度是人们对结构材料的最主要追求，因为它是零部件小型化的基础。为什么工业上一般不使用纯金属而多使用合金呢?为什么生产上常常可以用增加金属晶体缺陷的方法来提高其强度?通常，采用某种措施提高金属材料的强度，往往会以降低它的塑性和韧性为代价。那么有没有一种方法既能增加金属材料的强度又能提高其塑性和韧性?举世闻名的南京长江大桥为什么不使用价格低廉的碳钢，而要花费巨资研制当时我国尚没有的锰钢投入使用?任务二金属材料的结构与组织

虽然金属材料的性能受到许多方面因素的影响，是一个十分复杂的问题，但长期实践和探索研究表明:决定金属及合金性能的基本因素是金属的内部微观构造，即其内部结构和组织状态。因此，掌握金属的内部结构和组织状态及其对性能的影响，对于更好、更合理地使用金属材料，并充分挖掘它们的潜力具有非常重要的意义。

任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。

任务二金属材料的结构与组织a、具有规则的外形。b、有固定的熔点。c、具有各向异性1、晶体与非晶体⑴晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。

非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。（一）、晶体结构的基本知识⑵特征2、晶格与晶胞（1）晶体结构：晶体中的质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。组成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构。（2）空间点阵：。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积，如图1-10(a)所示。由图可见，原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵，简称点阵(unit1attlce)。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

（3）晶格(1attlce)：为方便起见，人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子称之为晶格。（4）晶胞(unitlatticecell)：由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

（5）晶格常数：整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱间夹角α、β、γ来表示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，称为晶轴。晶胞的棱边长度，称为晶格常数(1atticeconstant)或点阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上，以原点O的前、右、上方为轴的正方向(反之为负方向)。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

（二）纯金属的典型晶体结构自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。但若根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，空间点阵只能有14种，并归纳为七个晶系。由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型的晶体结构。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

(1)体心立方晶格(bodycenteredcubiclattice)：体心立方晶体的晶胞如图2.3所示。其晶胞是一个立方体，晶格常数a=b=c，晶轴间夹角α=β=γ=900，所以通常只用一个晶格常数α表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占1／8，只有立方体中心的那个原子才完全属于该晶胞所独有，实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：（8×l）／8+l=2个。具有体心立方晶体结构的金属有α-Fe、W、Mo、V、β-Ti等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

图1-12体心立方晶胞任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

(2)面心立方晶胞(facecenteredcubiclattice)：面心立方晶体的晶胞如图2.4所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常数d＝b＝c，品轴间夹角α=β=γ=900，所以也只用一个晶格常数α表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面心立方晶胞所包含的原子数为（8×1）／8+（6×1）／2=4个。具有面心立方晶体结构的金属有γ—Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

图1-13面心立方晶胞任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

(3)密排六方晶胞(closepackedlatticehexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图2.5所示。它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此，需要用两个晶格常数表示，一个是正六边形的边长a，另—个是柱体的高c。在密排六方晶胞的每个角上和上、下底面的小心都有一个原子，另外在中间还有三个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原子数为：6×1／6×2+2×1／2+3=6个。具有密排六方晶体结构的金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti、α-Co等。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

图1-14密排六方晶胞

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（三）晶面和晶向的表示方法1.晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。2.晶向：任意(两个原子之间连线)一列原子所指的方向称为晶向。3.晶面指数和晶向指数：为了分析的方便，通常用一些晶体学指数来表示晶面和晶向，分别称为晶面指数和晶向指数，其确定方法如下。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

（1）晶面指数(indicesofclystalfaces)晶面指数的确定步骤如下：①选取三个晶轴为坐标系的轴，各轴分别以相应的点阵常数为量度单位；②从欲确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出它在三个坐标轴上的截距；3取各截距的倒数，按比例化为简单整数h、k、l，而后用括号括起来成（h、k、l），即为所求晶面的指数。当某晶面与一晶轴平行时，它在这个轴上的截距可看成是∞，则相应的指数为0。当截距为负值时，在相应的指数上边加以负号。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

由于对称关系，晶体中等同的晶面，即原子或分子排列相同的晶面，往往不只一组，例如立方系中和（111）面等同的还有三组，即(i11)、(1i1)、(11i)等。这四组合称一个晶面族或晶面系，取其中之一的指数，用大括号括上而成｛111｝来表示这个晶面族。推而广之，则可用｛hkl｝来泛指各晶面族。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

（2）晶向指数(oritantionindex)晶向指数的确定步骤如下：①以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z，以棱边长度(即晶格常数)作为坐标轴的长度单位；②通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向；③求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的分量(即求出任一质点的坐标数)：④将此数按比例化为简单整数u、v、w，而后用方括号括起来成[uvw]，即得所求的晶向指数。如坐标数为负值，即在相应指数上边加负号，例如[uvw]。任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

与晶面相似，晶体中的相似晶向，即线周期等同的晶向，也是成族出现的，称之为晶向族，以<uvw>来表示。在立方晶系中，晶面指数与晶向指数在数值上完全相同或成比例时，它们是互相垂直的，例如[111](111)，如图1.9所示。晶向[UVW]与晶面｛hkl｝之间各指数满足式(1-1)：hU十kV十lW=0(1—1)任务二金属材料的结构与组织一、纯金属的晶体结构

二、金属的实际晶体结构在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，金属学中将这种原子组合的不规则性，统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。任务二金属材料的结构与组织1、点缺陷（空位和间隙原子）点缺陷是指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直径的缺陷。

（1）空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置,造成晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即扩散）。（2）间隙原子：位于晶格间隙之中的原子，称为间隙原子。间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变。（3）置换原子：材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，它们都会导致附近晶格的畸变。三种点缺陷的形态见图。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构晶体中的点缺陷

1、2－空位；3、4－间隙原子；5、6－置换原子。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构2.线缺陷（位错）线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，图所示为常见的一种刃型位错。在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，距位错线越远，晶格畸变越小，应力也越小，原子排列逐渐趋于正常。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构螺型位错：晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边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。这种线缺陷称螺型位错。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构3.面缺陷

（

晶界和亚晶界）

面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。（1）晶界实际金属为多晶体,是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上，晶界在空中呈网状右图。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构（2）亚晶界

晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。亚晶粒的交界称为亚晶界。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷，其结构可以看成是位错的规则排列，右图。晶界和亚晶界均可提高金属的强度和塑性。晶粒越细,晶界越多,金属的强度,塑性越好。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。任务二金属材料的结构与组织二、金属的实际晶体结构三、合金的晶体结构（一）合金的基本概念1、合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。2、组元：组成合金的独立的、最基本的单元。3、合金系：由二个或二个以上的组元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金。4、相：合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分。5、组织：用金相分析的方法，观察到的具有某种特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。合金的性能由组织决定，而组织由相组成。任务二金属材料的结构与组织（二）固溶体

合金在固态下，合金组元之间通过溶解而形成的一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。固溶体特性：1固溶体成分可以在一定范围内变化，在相图上表现为一个区域。2固溶体必须保持溶剂组元的点阵类型。3纯金属结构有哪些类型，固溶体也应有哪些类型，即固溶体本身没有独立的点阵类型。4组元的原子尺寸不同会引起的点阵畸变，原子尺寸相差越大，引起的畸变也越大。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构1.按溶剂分类(1)一次固溶体：以纯金属组元作为溶剂的固溶体称为一次固溶体，也叫边际固溶体。(2)二次固溶体：以化合物为溶剂的固溶体称二次固溶体，或叫中间固溶体。如电子化合物、间隙相。有的化合物和化合物之间，也可以相互溶解而组成固溶体，如Fe3C和Mn3C，TiC和TiN等。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构2按固溶度(溶解度)分类(1)有限固溶体：溶质组元在固溶体内的浓度只能在一个有限度的范围内变化，这个限度叫固溶极限，也叫固溶度或溶解度，超过这个限度，就会有其他合金相(另一种固溶体或化合物)形成。(2)无限固溶体：当固溶体的固溶度达到100％时，即溶质能以任何比例溶入溶剂时，就叫无限固溶体或连续固溶体。一次无限固溶体：Cu-Ni系、Ag-Au系、Cu-Au系、Ti-Zr系、Mg-Cd系等。二次无限固溶体：TiC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、VC-NbC、ZrC-NbC以及TiC-TiN等。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构3根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：间隙固溶体和置换固溶体置换固溶体溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体。间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构置换固溶体间隙固溶体任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构4.按溶质原子与溶剂原子的相对分布进行分类(1)无序固溶体：溶质原子统计式地或随机地分布在溶剂晶体点阵中，它或占据着与溶剂一些位置，或占据着溶剂原子间的间隙。看不出有什么有序性或规律性，这类固溶体叫无序固溶体。(2)有序固溶体：当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布。既可以是代位式的有序，也可以是间隙式的有序。有的固溶体由于有序化引起结构类型的变化，有的书中将有序固溶体列入中间相。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构5固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构固溶强化的原因

由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构（三）金属化合物

合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于其任一组成元素，一般可用分子式表示，且具有一定的金属性质。金属化合物的成分都处在两组元最大溶解度之间，因此也叫中间相。其一般特点是高熔点、高硬度和高脆性。它是许多合金的重要组成相。金属化合物Fe3C的晶体结构。

任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构（四）机械混合物

纯组元、固溶体和金属化合物是构成合金内部组织的基本相。除此之外，在合金的组织中常出现由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织，称之为机械混合物。机械混合物中各组成相仍保持各自原有的晶格类型和性能。而机械混合物的性能则取决于各组成相的性能以及它们的数量、形状、大小和分布情况。

任务二金属材料的结构与组织三、合金的晶体结构四、金属材料的组织1、组织的概念

将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光，然后用侵蚀剂侵蚀，即可获得一块金相样品。在金相显微镜下观察，就可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称为显微组织，简称组织。

所谓的组织是指用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。也可以说是人们观察（包括用肉眼直接观察或借助于仪器观察）到的合金的特征与形貌。任务二金属材料的结构与组织2、组织的决定因素金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。金属材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。任务二金属材料的结构与组织四、金属材料的组织3、组织与性能的关系金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能则由金属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。了解它们之间的关系，掌握材料中各种组织的形成及各种因素的影响规律，对于合理使用金属材料有着十分重要的意义。任务二金属材料的结构与组织四、金属材料的组织任务为什么具有体心立方晶格的铁、面心立方晶格的铜等金属都有较好的塑性，而具有密排六方晶格的锌就比较脆?我们知道漂亮的汽车外壳、装饮料的易拉罐都是用冷轧板冲成的，怎样才能使得这些板材在平面各方向的变形能力基本一样，而在厚度方向的变形要小于在平面内的变形?如何制造变压器铁芯的硅钢片，才会使铁损减小到最低限度以提高变压器的效率?冷拔钢丝时，钢丝拉过模孔后其断面尺寸不断减小，单位面积上所受的力不断增大，但钢丝出模后却从不会被拉断，这又是什么原因呢?构件难免会经受偶然超载，如何才能确保其安全可靠?当一种合金需冷加工成型时，常常会碰到这样的情况:在加工过程中工件会变得越来越硬而很难再继续加工，采取什么样的措施才能完成加工呢?任务三金属的塑性变形与再结晶分析金属的塑性与构成这种金属的晶体结构类型有关:滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体，如铁、铜等的形变能力可以得到充分的发挥，故具有很好的塑性;相反，具有密排六方晶体的金属如锌等，由于滑移系少，晶粒之间的应变协调性很差，所以其塑性变形能力较低，脆性较大。

任务三金属的塑性变形与再结晶分析当金属发生冷塑性变形时，会出现形变织构，织构有有利的一面:制造变压器铁芯的硅钢片，因其组织是具有体心立方结构的铁素体，这种结构沿丝织构方向最易磁化，若采用具有丝织构的硅钢片做变压器，可使铁损大大减小，磁导率显著增大，可成倍提高设备效率;生产上利用织构的另一个例子是，利用板织构在平面各方向的变形能力基本一样，而在厚度方向的变形要小于在平面内的变形这一特点，用冷轧板可以冲成漂亮的汽车外壳及装饮料的易拉罐，这种少无切削的成型方式，不但制成品的质量好，还能极大地提高材料的利用率，十分值得推广。

任务三金属的塑性变形与再结晶分析冷拔钢丝时，正是由于钢丝产生了加工硬化现象，使被拉细了的钢丝强度得到显著提高，不再继续变形，这才使得塑性变形能够均匀地分布在整个钢丝上，而不是集中在某些局部区域，所以才可以用冷拔的方法加工钢丝成型。同样道理，由于这种加工硬化现象的存在，当构件发生偶然超载时，能够避免悲剧的产生。任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形（一）单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。1.滑移变形：是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。将一个表面经过抛光的纯锌单晶进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条痕迹，称为滑移带，如图1-21所示。任务三金属的塑性变形与再结晶图1-21纯锌单晶体滑移变形示意图一、金属的塑性变形2.滑移变形有如下特点：（1）滑移变形只能在切应力作用下才会发生。不同金属产生滑移的最小切应力(滑移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。（2）滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。如图1-22。任务三金属的塑性变形与再结晶图1-22晶体在切应力作用下的变形一、金属的塑性变形(3)位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量。总滑移量一定是这个方向上的原子间距整数倍。(4)滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行。这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大，结合力最弱。因此滑移面是晶体的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。(5)滑移变形时晶体伴随有转动。如图所示，在拉伸时，单晶体发生滑移，外力轴将发生错动，产生一力偶，迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以滑移面法线为转轴转动，使滑移方向趋于最大切应力方向。任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形单晶体的滑移变形任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形滑移系:一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。如体心立方晶格中，(110)和[111]即组成一个滑移系。三种常见的晶格的滑移系见表4—1。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。任务三金属的塑性变形与再结晶金属不同晶格的滑移系一、金属的塑性变形3.孪生(twin)、孪晶、孪晶带：晶体在切应力作用下，其一部分将沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变，称为孪生(twin)。其晶体学特征是晶体相对于孪晶面成镜面对称，如图右图所示。以孪晶面为对称面的两部分晶体称为孪晶。发生孪生变形的部分称为孪晶带。孪晶中的晶格位向变化任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形4.孪生与滑移不同，它只在一个方向上产生切变。（1）孪生所产生的形变量很小，一般不一定是原子间距的整数倍。（2）孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多，故其临界切应力远高于滑移所需的切应力。例如镁的孪生临界切应力为5MPa~35MPa，而滑移临界切应力仅为0.5MPa。（3）只有在滑移变形难于进行时，才会产生孪生变形。密排六方结构的金属，滑移系少，在不利于滑移取向时，塑性变形常以孪生变形的方式进行。任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形（二）多晶体的塑性变形

由于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，多晶体的塑性变形表现出不同于单晶体的特点。1．不均匀的塑性变形过程（1）每个晶粒的位向不同，其内部的滑移面及滑移方向分布也不一致。（2）在外力作用下，各晶粒内滑移系上的分切应力不同。如图下图所示。多晶体金属中各晶粒所处的位向任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形（3）有些晶粒所处的位向为易滑移位向，有称为“软位向”。并将首先达到临界分切应力值而开始滑移。（4）还有一些晶粒所处的位向，最难滑移，被称为“硬位向”。（5）首批处于软位向的晶粒，在滑移过程中发生转动。会导致从软位向逐步到硬位向，不再继续滑移。（6）邻近未变形的硬位向晶粒转动到“软位向”并开始滑移。（7）多晶体的塑性变形，先发生于软位向晶粒，后发展到硬位向晶粒，是一个塑性变形有先后和不均匀的塑性变形过程。任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形2．晶粒间位向差阻碍滑移（1）各相邻晶粒之间存在位向差。（2）当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒发生谐调塑性变形，保持晶粒间的连续性。（3）某晶粒发生滑移变形必须能带动相邻晶粒也发生相应的滑移变形。任务三金属的塑性变形与再结晶图1位错在晶界处的堆积示意图图2晶界对拉伸变形的影响一、金属的塑性变形3．晶界阻碍位错运动（1）晶界是相邻晶粒的过渡区，原子排列不规则。（2）当位错运动到晶界附近时，受到晶界阻碍而堆积起来(称位错的塞积)，如下图1所示。若使变形继续进行，则必须增加外力。（3）晶界的变形抗力大于晶内。下图2所示为双晶粒试样的拉伸试验，发现在晶界处变形很小，而远离晶界的晶粒内变形量很大。任务三金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形4.细晶强化（1）金属的晶粒越细，晶界总面积越大，需要协调的具有不同位向的晶粒越多其塑性变形的抗力便越大，表现出强度越高。（2）金属晶粒越细，有利于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多。总塑性变形量很大，塑性的提高。（3）细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。任务三金属的塑性变形与再结晶二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

（一）冷塑性变形对金属显微组织的影响

1.显微组织呈现纤维状（1）金属发生塑性变形后，晶粒形状发生形变。纤维组织：原本等轴状的晶粒沿形变方向相应地被拉长或压扁。当形变量很大时，晶粒变成细条状或纤维状，称之为纤维组织，如下图所示。变形前后晶粒形状变化示意图任务三金属的塑性变形与再结晶（2）各向异性：导致沿纤维方向的力学性能比垂直纤维方向的高得多。2.组织内的亚晶粒增多（1）金属无塑性变形或塑性变形程度很小时，位错分布是均匀的。（2）但在大量变形之后，晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。在亚晶粒边界上聚集着大量位错。如图所示。金属经变形后的亚结构形变织构示意图任务三金属的塑性变形与再结晶二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

3.产生形变织构（1）形变织构：金属塑性变形到很大程度(70％以上)时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向大致趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的(晶粒的位向大致趋近于一致的)结构为形变织构。（2）形变织构分为两种：1一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，称为丝织构。2另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向，称为板织构。任务三金属的塑性变形与再结晶二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

（二）塑性变形对金属性能的影响

1.加工硬化：随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化(也称为形变强化)，如下图所示。2.加工硬化的原因：位错密度及其他晶体缺陷的增加是导致加工硬化。（1）随着变形量增加，位错密度急剧增高.位错间的交互作用增强，引起塑性变形抗力提高。（2）(晶粒碎化导致)亚晶界的增多，这使强度得以提高。任务三金属的塑性变形与再结晶二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

纯铜冷轧后的力学性能与变形的关系任务三金属的塑性变形与再结晶3.纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。（1）如沿纤维方向强度和塑性明显高于垂直方向的。（2）具有形变织构的金属，再结晶退火过程中极易形成再结晶织构。（3）有织构的板材冲制筒形零件时，在边缘出现“制耳”，如图所示。织构造成的制耳示意图任务三金属的塑性变形与再结晶二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

（4）织构的各向异性应用：制造变压器铁芯的硅钢片，因沿[100]最易磁化，采用这种织构可使铁损大大减小，因而变压器的效率大大提高。二、冷塑性变形对金属性能与组织的影响

4.塑性变形可影响金属的物理、化学性能。使电阻增大，耐腐蚀性降低。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶目的：为了消除冷变形加工以后的残余应力或恢复其某些性能(如提高塑性、韧性，降低硬度等)；进一步的冷成形加工(例如深冲)困难，进行退火处理，使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。如图所示。任务三金属的塑性变形与再结晶变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图三、回复与再结晶（一）回复1.回复：是指冷变形金属在较低温度加热时，显微组织无明显改变前(即再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。2.产生回复的温度为：T回＝(0.25—0.3)T熔点式中，T熔点——该金属的熔点，单位为绝对温度(K)。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶3.组织性能变化：（1）只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少。（2）晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显的变化。（3）材料的强度和硬度只略有降低，塑性有一定提高，但残余应力则大大降低。（4）去应力退火：利用回复现象既可消除内应力、稳定组织又保留了加工硬化效果。例如，用冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成之后都要进行一次250～300℃的低温处理，以消除内应力使其定形。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶（二）再结晶1、再结晶特点（1）再结晶组织性能变化：①晶粒的形状发生变化。等轴晶粒取代被拉长及破碎的旧晶粒。②性能也发生明显的变化。恢复到完全软化状态。（2）再结晶过程是一个形核和长大的过程。（3）再结晶过程并不是一个相变过程。新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。（4）再结晶不是一个恒温过程，它是在一个温度范围内发生的。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶2、再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度，称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度与其熔点有如下关系：T再＝0.4T熔(T为绝对温度)3、再结晶温度影响因素。（1）预先变形度金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大，金属的晶体缺陷就越多，组织越不稳定，最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后，金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值，如下图所示。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶任务三金属的塑性变形与再结晶预先变形度对金属再结晶温度的影响三、回复与再结晶（2）金属的熔点熔点越高，最低再结晶温度也就越高。（3）杂质与合金元素由于杂质和合金元素特别是高熔点元素，阻碍原子扩散和晶界迁移，可显著提高再结晶温度。例如高纯度铝(99．999％)的最低再结晶温度为80℃，而工业纯铝(99.0％)的最低再结晶温度提高到了290℃。（4）加热速度和保温时间再结晶是一个扩散过程，需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高度度下发生，而保温时间越长，再结晶温度越低。任务三金属的塑性变形与再结晶三、回复与再结晶（三）晶粒长大冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。我们应当避免这种使晶粒长大而导致晶粒粗化、力学性能变坏的情况。

任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形（一）热加工与冷加工的区别1.通常以再结晶温度作为冷加工和热加工的分界。低于再结晶温度的加工称为冷加工，高于再结晶温度的加工称为热加工。2.虽在较高温度下进行，但未能完全消除加工硬化，属于冷加工。3.在完全消除加工硬化的温度下所进行的加工称为热加工。4.各种金属材料的再结晶温度相差很大。钨在800℃变形仍为冷加工，而铅在室温变形就可称为热加工。任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形（二）热加工对金属组织性能的影响热加工不引起金属的加工硬化，但因有回复和再结晶过程产生，金属的组织和性能也发生显著变化。1.改善铸锭组织通过热加工(如热轧、锻造等)可使金属毛坯中的气孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，将粗大的柱状晶粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒；改善夹杂物、碳化物的形态、大小、分布；其结果可使金属材料致密程度与力学性能提高。任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形2.细化晶粒（1）热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可使晶粒细化，因而可以提高金属的力学性能。（2）终止加工的温度过高，再结晶晶核长大又快，加工后得到粗大晶粒：相反则得到细小晶粒。（3）终止加工温度不能过低，否则造成形变强化及残余应力。任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形3.形成锻造流线（1）锻造流线（热变形纤维组织）产生原因：金属内部的夹杂物(如MnS等)在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中金属锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐步与变形方向一致，使之变成条状带、线状或片层状，宏观试样在变形方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的流线。这种组织称为热变形纤维组织。任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形（2）锻造流线使金属材料的性能在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线的方向，其抗拉强度及韧性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度较高，而抗拉强度较低。（3）采用正确的热加工工艺，可以使流线合理分布，以保证金属材料的力学性能。任务三金属的塑性变形与再结晶四、金属的热塑性变形图中a为锻造曲轴，图中b所示为切削加工曲轴的流线分布。锻造曲轴流线分布合理，力学性能将较高。在生产上，采用锻造方法以制造齿轮及中小型曲轴，用局部镦粗法制造螺栓。曲轴流线示意图任务三金属的塑性变形与再结晶（4）热处理方法是不能消除或改变工件中的流线分布的，而只能依靠适当的塑性变形来改善流线的分布。四、金属的热塑性变形4.形成带状组织（1）钢中出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。（2）若钢在铸态下存在严重的夹杂物偏析。（3）热变形加工时的温度过低。（4）带状组织使钢的性能变坏，特别是横向的塑性、韧性降低。钢中带状组织任务三金属的塑性变形与再结晶思考题：1材料的使用性能与工艺性能有何区别?2举例说明高熔点的金属和低熔点的金属各有什么用途?3常用的硬度测量方法有哪些？4什么叫金属的疲劳破坏？疲劳破坏有何特征？5材料的工艺性能有何意义？常用的工艺性能有哪些？6什么叫晶体？常见的金属晶体有哪几类？7晶体缺陷有哪几类？它们对力学性能有什么影响？8简述晶粒大小和力学性能的关系。9什么是加工硬化？它在生产中有何利弊？10举例说明热加工与冷加工的本质区别是什么。课题一金属材料的基础知识ThankYou!Yourcompanysloganinhere(第四版)《模具材料与热处理》新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题二钢的热处理任务一分析并应用铁碳合金相图任务二认识钢的组织转变任务三掌握钢的整体热处理任务五了解热处理新技术任务四熟悉钢的表面热处理任务钢铁材料是现代模具工业中应用最广泛的金属材料，数控车床是加工模具最常用的设备，生产中的碳钢和铸铁均属于铁碳合金。不同的材料，其性能不同，应用的范围也不同。请确定图中各部件用什么材料制造，分析碳含量和性能之间的关系，通过分析，掌握铁碳合金相图的应用知识。

图2-1数控车床示意图任务一分析并应用铁碳合金相图任务分析图2-1所示的数控车床的防护罩、控制面板、冷却液箱和排屑机壳等部件，都是冲压加工并焊接成型的，因此应选用具有一定强度并且塑性好的低碳钢;而床身、尾座架及主轴电动机壳则由于这些部位对力学性能要求不高，大都是铸造成型的，所以可优先选用铸铁，因为铸铁生产成本低廉，具有优良的铸造性，其切削加工性、减振性及耐磨性都较好，刚好可以满足其使用性能的要求;而主轴和回转刀架不但对于强度有较高的要求，而且要能经受一定的冲击载荷，其冲击韧性要求要好，所以一般选用45钢等中碳钢调质处理。

任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有效工具。在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规范的主要依据。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

结晶：金属与合金从一种原子排列状态（晶态或非晶态）转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程。金属材料冶炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态（非晶态）转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。（如图）通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。结晶过程是一个十分复杂的现象，它不仅是材料从液态到固态的转变，也是一个相变过程。因此，掌握结晶过程的基本规律将为研究其它相变奠定基础。为了揭示结晶的基本规律，将先从结晶的宏观现象入手，进而再去研究结晶过程的微观本质。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

液态金属结构固态金属结构任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

（一）纯金属的冷却曲线和过冷现象1、冷却曲线通过实验，测得液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。图2-4是纯金属结晶时的冷却曲线（1）热分析法：先将金属熔化，然后以极缓慢的速度进行冷却在冷却过程中，每隔一定时间，记录一个温度值，并以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出温度与时间的关系曲线。（2）结晶潜热：一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固相转变为液相是吸收热量，称为熔化潜热；而结晶时从液相转变为固相则放出热量称为结晶潜热。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

图2-2热分析装置示意图纯金属结晶时的冷却曲线任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

从图中曲线上可以看出，液态金属随着冷却时间的增加，由于它的热量向外散失，温度将不断地降低。当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长，但温度不并不下降，在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。因此纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度）从图中曲线上可以看出，当液态金属冷却到熔点T0时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到T0之下某一温度T1，液态金属才开始结晶。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

2、纯金属结晶的条件过冷现象:实际结晶温度低于理论结晶温度的现象理论结晶温度（熔点）：纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下（平衡条件）结晶的温度。实际结晶温度：纯金属液体在快速冷却条件下结晶的温度过冷度：理论结晶温度T0与开始结晶温度T1之差叫做过冷度,用ΔT表示。ΔT=T0-T1金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越快，实际结晶温度就越低，即过冷度越大。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

（二）纯金属的结晶过程从微观的角度看，金属结晶是由晶核的形成和长大这两个基本过程组成。

（1）晶核的形成

液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体称为晶核，它的形成有两种方式。自发形核和非自发形核。（2）晶核的长大

晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质，就是原子由液体向固体表面的转移。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

自发形核在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

非自发形核实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

金属的结晶过程如图2-5所示。液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大，与此同时，又有新的晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后得到由许多形状、大小和晶格位向都不相同的小晶粒组成的多晶体。图2-5纯金属结晶过程示意图任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

（三）金属结晶后的晶粒大小晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒大小是金属组织的重要标志之一。1．晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的指标，可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级，一级最粗，八级最细。2．晶粒大小对金属性能的影响

一般来说，金属的晶粒越细，常温下的机械性能越好。所以细化金属晶粒是提高其常温性能的最佳手段之一。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

3．晶粒大小的控制

（1）决定晶粒度的因素

结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。通常把单位时间单位体积内形成晶核的数目叫做形核率（N）；把晶核在单位时间内生长的长度叫做长大速率（G）。其比值N/G越大，晶粒越细小。任务一分析并应用铁碳合金相图（2）控制晶粒度的方法

a）增加过冷度：如金属型铸造

b）变质处理：在液态金属结晶前加入变质剂，以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。c）附加振动：使生长中的枝晶破碎。d）降低浇注速度：冲击碎化先形成晶粒。一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

（四）铁的同素异晶转变铁具有多晶型性，图2-6是铁的冷却曲线。1.纯铁在1538℃结晶为δ-Fe，它具有体心立方晶格。图2-6纯铁的冷却曲线任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

2.当温度继续冷却至1394℃时，δ—Fe转变为面心立方晶格的γ—Fe，通常把δ—Fe→γ—Fe的转变称为A4转变，转变的平衡临界点称为A4点。3.当温度继续冷却至912℃时，面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α—Fe，把γ—Fe→α—Fe的转变称为A3转变，转变的平衡临界点称为A3点。

任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

4.在912℃以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状态，即δ-Fe、γ-Fe和α—Fe。5.α—Fe在770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析

（一）铁碳合金的基本组织铁碳合金是以铁和碳为基本组元的二元合金，其组织是随成分、温度的不同而变化的，但归纳起来仍然是固溶体、金属化合物和机械混合物三种形态。任务一分析并应用铁碳合金相图包括铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体（1）铁素体碳溶解在α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号“F”来表示。由于碳和铁的原子直径和晶格类型存在很大差异，所以当它们以固溶体的形式结合时，只能是间隙固溶体。而α-Fe是体心立方晶格，晶格间隙半径较小，因此碳在α-Fe中的固溶度也较小。在727℃时，α-Fe中碳的最大溶解量仅为Wc=0.0218%，并随着温度的下降而逐渐减小，至室温时降到最低点Wc=0.0008%。铁素体是铁碳合金在室温下的主要组织，起着基体相的作用。由于碳质量分数甚微，固溶强化作用小，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性、较低的强度和硬度。

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（2）奥氏体碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号“A”表示。和铁素体相同，当碳原子溶入γ-Fe形成奥氏体时，也只能是间隙固溶体。可是由于面心立方晶格的空隙较集中，有利于碳原子的溶入，所以奥氏体的固溶度比铁素体大得多，它的最大固溶度为Wc=2.11%（1148℃）。奥氏体是铁碳合金的高温组织，在平衡条件下，它的最低存在温度是727℃，此时奥氏体的Wc=0.77%。虽然奥氏体的碳质量分数略高于铁素体，但由于晶格类型的原因，其性能特点仍然是塑性好，而强度、硬度低，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。另外，奥氏体的一个重要物理性能是没有铁磁性。

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（3）渗碳体渗碳体是铁和碳以一定比例化合而成的亚稳定的金属化合物，其分子式为Fe3C，以符号“Cm”来表示。它的Wc=6.69%，是一个固定值。渗碳体具有复杂晶格，其性能特点是高硬度、高脆性及高熔点，并且几乎没有塑性，它是铁碳合金中的强化相。通过不同的热处理方法，可以改变渗碳体在铁碳合金中的形态、大小、多少及分布，从而改变材料的性能。这正是热处理的重要原理之一。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析

（4）珠光体珠光体是铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，它是平衡条件下Wc=0.77%的奥氏体在727℃进行共析转变的产物，以符号“P”表示。珠光体中的铁素体和渗碳体呈片层相间的形态，称为片状珠光体。经过一定的处理，可以得到铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体，称为粒状（球状）珠光体。珠光体的强度、硬度较铁素体高，但塑性、韧性差。在硬度相同的情况下，球状珠光体的塑性、韧性要好于片状珠光体。由此可见，珠光体的力学性能主要取决于其组成相的形态、大小和分布。

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（5）莱氏体莱氏体是Wc=4.3%的铁碳合金，在1148℃发生共晶转变而从液相中同时析出的奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号“Ld”来表示。由于奥氏体在727℃时还将转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种机械混合物称为低温莱氏体，用“L′d”来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析

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1、特征点符号

温度,℃

碳质量分数ω(C)%

含

义

A

1538

0

纯铁的熔点

B

1495

0.53

包晶转变时液态合金的成分

C

1148

4.30

共晶点Lc

→

AE+Fe3C

D

1227

6.69

Fe3C的熔点

E

1148

2.11

碳在γ-Fe中的最大溶解度

F

1148

6.69

Fe3C的成分

G

912

0

α-Fe→

γ-Fe同素异构转变点(A3)

H

1495

0.09

碳在δ-Fe中的最大溶解度

J

1495

0.17

包晶点LB+δH

→

AJ

K

727

6.69

Fe3C的成分

N

1394

0

γ-Fe→

δ-Fe同素异构转变点(A4)

P

727

0.0218

碳在α-Fe中的最大溶解度

S

727

0.77

共析点(A1)AS→FP+Fe3C

Q

600

0.0057

600℃时碳在α-Fe中的溶解度

(室温)

(0.0008)

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2、主要特性线相图中各不同成分的合金具有相同意义的临界点的边线。（1）ACD线：液相线，在此线以上合金处于液体状态，用符号“L”表示，合金冷却到此线时开始结晶。结晶开始线（2）AECF线：固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相线。结晶终了线（3）ECF水平线：共晶线，在此线上的液态合金冷却时将发生共晶转变。Lc→Ld(AE+Fe3C)高温莱氏体：奥氏体与渗碳体的共晶混和物,以符号Ld表示低温莱氏体：珠体体与渗碳体的共晶混和物,以符号Ld′表示性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析