金属材料与热处理 第2版 课件汇 第0-5单元 绪言、金属的力学性能及测试 -非合金钢

金属材料与热处理对于新课的态度为什么学？——Why学什么？——What怎样学？——How好不好学？——Easyordiffcult?一、课程的性质（Why)课程性质：专业技术基础课研究对象：金属材料材料是人类生存和发展的物质基础。机械工程材料按化学成分可分成金属材料和非金属材料两大类，其中应用最广的仍是金属材料。金属材料黑色金属如钢、铸铁等灰铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢等有色金属如铜、铝等纯铜、黄铜、青铜、纯铝、铝合金、纯钛、钛合金等非金属材料高分子材料如塑料、橡胶等热塑性塑料、热固性塑料、天然或合成橡胶等无机非金属材料如陶瓷、水泥、玻璃等粘土陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷等复合材料如粒子增强复合材料、纤维增强复合材料等纤维树脂复合材料、纤维金属复合材料等材料的四大家族金属材料之所以应用广泛，原因是其来源丰富。具有优良的力学性能和工艺性能，如具有较高的强度、优良的塑性和韧性；具有耐热性、耐低温性、耐蚀性；可铸造、锻造、冲压和焊接；还有良好的导电性、导热性等。金属材料的性能可以通过化学成分、热处理或其他加工工艺进行调整，使其性能可在较大范围内变化，以满足工程需要。学习目的学习本课程的目的是使学生获得常用金属材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识。二、课程的含义(What)金属材料与热处理的科学含义:研究金属材料的成分、组织结构、热处理与性能之间关系的科学。

因

果从材料学的角度看，金属材料的性能取决于内部结构，而金属材料的内部结构又取决于成分和加工工艺，这同时也是金属材料与热处理这门课程一条鲜明的主线。内因化学成分外因性能

内部组织结构热处理和塑性变形性能与成分和加工工艺的关系成分:材料的成分不同，其内部组织结构就不同，其性能也就不同；如钢和铸铁；加工工艺、热处理：可以使材料的性能在很大的范围内变化，如刀具的淬火，塑性变形：可以产生加工硬化，从而改变材料的性能；金属的性能首先取决于其内部组织结构，而组织结构又取决于化学成分和加工工艺（热处理）。含碳量低于2.11%含碳量高于2.11%本课程的任务就是以金属材料的性能为核心，以培养学生的能力为目标，以金属材料的应用为出发点，介绍常用金属材料的性能与成分、组织结构、加工工艺之间的关系，重点是机械工业中常用的金属材料。三、课程的任务和要求课程基本要求（教学目标）1.了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及变化规律。2.掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。3.具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。4.对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。四、材料科学的发展材料发展概括▲《天工开物》—明朝科学家：宋应星箸▲石器时代陶器时代铜器时代：司母戊鼎（公元前11—16世纪）1130×780×1100战国编钟（前475—221年）65个总重2500Kg天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具）铁器时代沧州大狮（公元953年）重50T,长5.3m,宽3m人工复合材料塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等★智能材料每一种材料的发现和利用，都使人类利用和改造自然的能力得到了提高，成为人类进步的一个里程碑。歼-10战斗机全机大量采用钛合金、复合陶瓷、纳米技术纤维等，有效减少空重增加载弹量和隐身性能。F22“猛禽”战斗机制造材料中：钛合金占39％，复合材料占24％，铝合金16％。五、课程的特点、安排和学习方法课程的特点杂，多，广，逻辑性差。概念多，抽象，一般多为文字叙述；但无计算。难易结合。学习方法认真听讲，勤看书，多理解，要记忆。

教学安排

（1）内容核心：材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及其在各种条件下的变化规律。（2）内容结构金属学原理―热处理原理和工艺―常用金属材料（3）学时安排

总学时：60/80实验：8优慕课第一单元金属的力学性能及测试导读金属材料之所以在现代工业中获得广泛应用，主要是由于其具有加工过程和使用过程中所需要的各种优越性能，金属材料的性能是选择材料的主要依据。掌握各种金属材料的性能及其表征指标，对于正确选择和使用金属材料、充分发挥其性能潜力、保证构件或零件质量是十分重要的。性能使用性能工艺性能

力学性能

物理性能

化学性能

强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳

熔点、密度以及电、磁、光和热

耐腐蚀和抗氧化性性能使用性能工艺性能

铸造性能锻压性能焊接性能热处理性能切削加工性能工艺性能和使用性能的关系既有联系又不相同的两类性能，都是金属材料本身蕴藏着的。由于目的不同，这两类性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是互相矛盾的。例如，一些要求高强度或高硬度或耐高温的材料常常会给压力加工、机械加工、铸造等工艺带来不少困难，有时甚至会达到否定某些材料的程度。金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。模块一强度与塑性一、金属静拉伸实验单向静拉伸试验（Tensiletest）是在试样两端缓慢地施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，直至拉断为止。1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）1.拉伸试样（GB/T228-2010）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0经过机加工的试样经过拉伸试验的试样不经机加工试样万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式均匀塑性变形

2.力－伸长曲线57应力ABFAs=F/A(单位:N/m2orPascal(Pa))58应变应变用来描述塑性变形和弹性变形程度单位长度上的变化量：

e=DL/L0无单位(m/m,mm/mm)59拉伸试样的颈缩现象

(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

二、强度及表征指标强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。材料强度的大小通常用应力（单位面积上所承受的力）来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。1.屈服强度1.屈服强度屈服强度是金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下：1.2规定塑性延伸强度对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB/T228-2010规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定塑性延伸强度，通常记作Rp。例如Rp0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。加载时测量。

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2=工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rp是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。ReL

和Rp常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=ReL/n，安全系数n一般取2或更大。2.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。Rm=FbS0计算公式抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。屈服强度

抗拉强度

3.屈强比屈服强度与抗拉强度的比值（）称为材料的屈强比。屈强比的大小对金属材料意义很大。但屈强比过大，材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感，安全性能下降，合理的屈强比一般在0.60～0.75之间。第一位数字表示抗拉强度，如4，表示抗拉强度为400MPa。第二位表示屈强比，一般为0.8。屈服强度与抗拉强度的比值（）称为材料的屈强比。1.上面钢棒、铜棒、木棒，哪一种材料“结实”？2.“结实”与金属材料的哪个力学性能指标意思相近？强度

1.金属材料的强度怎么测试？2.强度的表征指标有哪些？屈服强度

抗拉强度

金属材料仅有高的强度，就完美吗？

三、常用塑性指标（二）衡量指标金属材料断裂前发生塑性变形的能力。断面收缩率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。（一）定义1.断后伸长率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d）测得的断后伸长率A11.3。2.断面收缩率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2

。1．拉伸试样的原标距长度为50mm，直径为10mm。试验后将已断裂的试样对接起来测量，标距长度为73mm，颈缩区的最小直径为6mm，试求该材料的断后伸长率和断面收缩率。3.塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）金属锻压、轧制、冲压、位拔、冷弯等变形加工。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。超塑性技能训练金属常温拉伸试验扫描二维码观看低碳钢拉伸试验视频。

GB/T228-2002新标准

GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ模块二硬度测试

材料抵抗表面局部塑性变形的能力。压入法硬度试验设备简单，操作迅速方便，可直接在工件上测量而不伤工件，更为重要的是通过硬度测量可以估计出金属材料的其它力学性能指标，如强度、塑性等。硬度是金属力学性能中最常用的性能之一，硬度试验在科研和生产中得到了广泛应用。压入法：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。刻划法：莫氏硬度表征材料对切断的抗力。回跳法：里氏硬度、肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小。常用的硬度方法一、布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。1.原理布氏硬度=

FS凹=2FπD[D-（D²-d²）½]

布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用读数放大镜测出压痕直径d，根据d值查平面布氏硬度表即可得出硬度值。

2.试验规范由于不同金属材料的硬度不同、工件有厚有薄，按照金属布氏硬度试验方法执行GB/T231.1－2002《金属布氏硬度试验第1部分:试验方法》。进行布氏硬度试验时，试验力F与压头直径（mm）的平方的比值（0.102F/D2）应为30、15、10、5、2.5、1中的一个。在试样尺寸允许时，应优先选用直径为10mm的球压头进行试验。测量比较软的材料。测量范围<650HBW的金属材料。3.特点及应用压痕大，测量准确，但不能测量成品件。4.实验（录像）1.

原理二、洛氏硬度加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值标尺硬度符号压头类型总载荷(N或kg

f

)

测量范围应用范围AHRA120°金刚石圆锥体588.4(60)20～88硬质合金、表面硬化层、淬火工具钢等BHRBWø1.588mm硬质合金球980.7(100)10～100低碳钢、铜合金、铝合金、铁素体可锻铸铁CHRC120°金刚石圆锥体1471(150)20～70淬火钢、调质钢、高硬度铸铁2.试验规范常用洛氏硬度标尺的试验范围HRA、HRC压头HRBW压头优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。3.优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。4.实验（录像）1.测试原理和布氏硬度试验原理基本相同。采用两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头。2.试验力

常用的试验力：49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。三、维氏硬度3.表示方法

640HV30/20测量范围在5～3000HV4.适用范围

测量从极软到极硬的材料，测量薄片金属、金属镀层及零件表面硬化层的硬度。采用1Kgf(9.81N)或小于1Kgf(9.81N)负荷进行的维氏硬度试验称为维氏硬度。三、里氏硬度各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200～450HBW范围内，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，HBW≈HVQuestion1：金属材料在静载荷下的力学性能有哪些？

Answer：强度、硬度、塑性。Question2：强度、硬度、塑性各有哪些表征指标？

Answer：屈服强度、抗拉强度布、洛、维氏硬度（HB、HR、HV）断后伸长率、断面收缩率。学习回顾

Question3：测试上述指标需要做什么试验？

Answer：静拉伸试验、硬度测试葫芦岛市某企业委托进行ZG200-400（20钢）铸件力学性能检验。检验项目为强度、硬度、塑性、冲击韧性。什么是冲击韧性？冲击韧性如何测试？金属冲击韧性的测试任务：ZG200-400铸钢冲击韧性的测试除静载荷外，金属材料在工作时还经常受到动载荷的作用。任务导入冲击载荷冲击载荷对金属材料的作用效果或破坏效应大于静载荷，应对金属材料提出相应的力学性能要求。1.冲击载荷2.冲击韧性3.冲击试验的分类4.冲击试样5.一次摆锤冲击试验的原理6.冲击断口一、知识准备任何没有理论知识支撑的操作都是蛮干！在较短时间内快速作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载速率高，作用时间短。有时利用，有时要抵抗，有时尽量避免或减小。1.冲击载荷金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。韧性是金属材料重要的力学性能。强度、硬度、塑性、韧性。2.冲击韧性“两度两性”按试验温度条件来分，可分为高温冲击、室温冲击和低温冲击三类。按受力形式来分，又可分为简支梁冲击（夏比冲击试验）和悬臂梁冲击（艾氏冲击试验）。3.冲击试验的分类标准冲击试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种类型。缺口的作用是为了使试样承受冲击载荷时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证试样一次冲断且使断裂发生在缺口处。4.冲击试样选择试样类型的原则应根据试验材料的产品技术条件、材料的服役状态和力学特性，一般情况下，尖锐缺口试样适用于韧性较好的材料。如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲击试样。（10×10×55mm）5.一次摆锤冲击试验的原理执行标准：GB/T229－2007《金属夏比摆锤冲击试验方法》。

mgh1-mgh2=

K冲击能量（单位为焦耳/J）即为材料冲击韧性的表征指标。5.一次摆锤冲击试验的原理

冲击能量U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV。冲击能量的值越大，材料的韧性越高，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击能量高的材料称为韧性材料，冲击能量低的材料称为脆性材料。依据断口形貌可以定性地表示金属材料的冲击韧性。冲击断口由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。纤维区面积越大，剪切唇越明显，表明材料的冲击韧性越高。6.冲击断口

纤维区

放射区

剪切唇

一组冲击试样的断口照片哪个试样冲击韧性高？

高

中

低1.试样检查2.冲击试验3.冲击试验报告二、任务实施工具：游标卡尺，缺口检查仪测量试样的长、宽、高等尺寸。检查缺口位置、形状和尺寸。1.冲击试样检查试验条件（材料牌号、规格、材料状态、试验温度、试验机打击能量、试验日期等）。起摆。放置试样。冲击。读数。2.冲击试验3.冲击试验报告三、低温脆性低温脆性——随温度降低，金属冲击能量下降，由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

韧性阶段冲击波动阶段脆性阶段冲击韧性与温度的关系温度冲击能量体心立方金属具有韧脆转变温度。大多数面心立方金属没有。转变温度（Tt

）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。四、冲击试验的应用

【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为此，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号

冲击能量K

冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击能量KU2U型缺口冲击吸收功AKUV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击能量KV2V型缺口冲击吸收功AKV五、课后

2.通过微信答疑1.阅读PDF教材，理解、巩固

3.登录优慕课，共享各种教学资源模块四

金属疲劳

人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1.变动载荷和循环应力1.变动载荷——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化b)c）应力大小和方向都变化d)应力大小和方向无规则变化

1.平均应力2.应力幅tσ一个应力循环零件在受到循环应力作用时，经过一定循环周次后，往往在工作应力远小于抗拉强度（甚至屈服强度）的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。据统计，各类断裂失效中，80%是由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。

2.疲劳断裂低应力破坏。无征兆破坏。累积的损伤结果。尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂，但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。1998年6月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断口金属疲劳裂纹大多产生于零件或构件表面的薄弱区。由于材料质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳裂纹核心产生的策源地。在金属零件或构件中可能有一个疲劳裂纹源，也可能出现两个或多个。

3.疲劳极限当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R＝－1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。

对一般低、中强度钢：107周次对高强度钢：108周次对铝合金，不锈钢：108周次对钛合金：107周次4.提高金属抗疲劳破坏的途径（1）零件设计时形状、尺寸合理。应尽量避免尖角、缺口和截面突变。（2）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。如表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面加工损伤（刀痕、磨痕、擦伤等）。（3）采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳极限。

表面强化提高疲劳极限示意图

a)未进行表面强化b)表面强化后表面应力超过疲劳极限表面应力低于疲劳极限第二单元金属的晶体结构硅表面原子排列碳表面原子排列在目前使用的含112种元素的元素周期表中，金属元素共90种，如铁、铜、铝等都是金属元素。金属元素在室温时，除水银（汞）为液态外，其余皆为固态。金属是一种不透明，具有金属光泽、具有良好的导电性、导热性，具有一定的塑性，并具有正的电阻温度系数的物质。模块一纯金属的晶体结构

金属由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了金属的性能。金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。

一、晶体与非晶体

1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。

晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。。晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变：玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。二、金属晶体结构基础知识晶格、晶胞和晶格常数晶体：空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。晶格常数三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。晶向与晶面晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。布拉菲点阵

7个晶系，

14种点阵。大部分（2/3）的金属属于三种典型的晶体结构。立方六方四方菱方正交单斜三斜三、典型晶体结构在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：

1、体心立方晶格（BCC）

2、面心立方晶格（FCC）

3、密排六方晶格（HCP）

1.体心立方晶格（

BCC）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径

体心立方晶胞特征：

晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有体心立方晶格的金属有：钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe,<912℃)等。体心立方晶格原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：致密度晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。

体心立方晶胞的致密度为：

晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。

体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子球塔原子球塔位于比利时首都布鲁塞尔西北郊的海塞尔高地，是布鲁塞尔十大名胜之一，与伦敦的水晶宫，巴黎的埃菲尔铁塔一同成为世博会留下的永恒纪念……

原子球塔是为1958年布鲁塞尔世界博览会而建的金属结构的纪念性建筑物，比利时著名的建筑大师昂-瓦特凯恩(AndréWaterkeyn)设计。高102米，重达2200吨，包括9个直径18米的球体，与连接圆球的钢管构成相当于放大1650亿倍的α铁的体心立方晶体结构。原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径

2、面心立方晶格（

FCC）金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有这种晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶格

原子个数在面心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而每个侧面中心的那个原子则属于两个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为4个。

原子半径

：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格

3、密排六方晶格（

HCP）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数和致密度在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。

密排六方晶胞的特征：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来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。原子个数原子半径：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格

r=a/2

三种常见金属晶格的结构特点晶格类型晶胞中的原子数原子半径致密度常见金属体心立方20.68铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(V)、α-Fe面心立方40.74铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)γ-Fe密排六方60.74镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd）

三、同素异构转变某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异构转变，也称为重结晶。下面以铁为例子来说明同素异构转变：α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------LBCC（912℃）FCC（1394℃）BCC金属的同素异构转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异构转变。铁的同素异构转变模块二合金的相结构合金：是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。例如碳钢是铁和碳组成的合金。组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般的说，组元就是组成合金的元素。例如铜和锌就是黄铜的组元。一、基本概念合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C系，Fe-Cr系等。2相相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。3组织：

由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。组织：组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物。

合金组元通过溶解形成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。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。二、固溶体

固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如，铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。

2、分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。间隙固溶体置换固溶体Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物（上）完全互溶的固态Cu-Ni合金单相固溶体；（下）WZn>39%的Cu-Zn合金中由固溶体和化合物CuZn两相组成。3.固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升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。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。固溶强化

纯铜的Rm为220MPa,硬度为40HBW,断面收缩率Z为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HBW,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合力学性能很好,常常作为合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。随着溶质原子的溶入，金属电阻升高，而且固溶体的电阻值与温度关系不大，工程上应用的精密电阻和电热材料等都广泛应用固溶体合金，如热处理炉用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni电阻丝等多是固溶体合金。三、金属化合物若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物。包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。四、合金的组织类型合金的组织类型一般分为两种，即单相固溶体型和机械混合物型。大多数合金的组织都属于机械混合物型,通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变动，以满足工程上不同的使用要求。模块三金属的晶体缺陷在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。就好象维纳斯的“无臂”之美更深入人心，晶体缺陷赋予材料丰富内容。一、单晶体与多晶体如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体。单晶体具有各向异性。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如航空发动机中的单晶叶片。多晶体：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体具有各向同性。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。包括空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。二、晶体缺陷一、点缺陷由于原子热振动造成的。1、点缺陷的类型空位与间隙原子2.点缺陷的产生及其运动（1）点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）3、点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）二、线缺陷（位错）

位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用SEM直接观察到了晶体中的位错。位错的基本类型有刃型位错和螺型位错，其中最简单的是刃型位错。刃型位错和螺型位错刃位错的形成电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)电子显微镜下的位错观察

强度与位错密度的关系

退火金属中位错密度一般为1010～12m-2左右。位错的存在极大地影响金属的力学性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度很高,当含有一定量的位错时,强度降低。当进行形变加工时,位错密度增加,屈服强度将会增高。3.面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。1晶界（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。即使在一个晶粒内部，原子排列的位向也不完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小（一般是几十分到1°～2°）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构（或亚晶粒、嵌镶块），在亚结构内部，原子的排列位向是一致的。两相邻亚结构间的边界称为亚晶界。晶界的性能：（1）

界面能会引起界面吸附。（2）

界面上原子扩散速度较快。（3）

对位错运动有阻碍作用。（4）

易被氧化和腐蚀。（5）

原子的混乱排列利于固态相变的形核。（6）熔点低。种类主要形式对材料性能的影响点缺陷空位,间隙原子等电阻增加，金属扩散，金属强化，固态相变等线缺陷刃型位错,螺型位错金属塑性变形与强化，金属扩散，固态相变面缺陷晶界,亚晶界易腐蚀,易扩散,熔点低,强度高,细晶强化第三单元金属的结晶凝固结晶金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。288

金属的结晶物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点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格转变为另一种固体晶格的过程称为二次结晶或重结晶。

同素异晶转变模块一纯金属的结晶一、热分析试验方法热分析试验方法过冷结晶潜热1.冷却曲线信息量很大呦2过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度T0之差△T=Tm-T0(3)过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。二、结晶过程1.结晶的基本过程形核－长大晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。形核长大形成多晶体两个过程重叠交织2.晶核的形成均匀形核12

非均匀形核自发形核(均匀形核)：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。均匀形核非自发形核（非均匀形核）：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。非均匀形核实际金属结晶主要以树枝状长大。这是由于存在负温度梯度，冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。3.树枝状长大合金的结晶理论与纯金属相同。合金的结晶不是在恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。在结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也发生变化。模块二晶粒大小及控制

一、细晶强化金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属力学性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。1.增加过冷度

一定体积的液态金属中，若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s)越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小；晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,m/s)越快，则晶粒越粗。

二、细化晶粒的措施随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。实际生产中，通常采用降低铸型温度、采用蓄热大和散热快的金属铸型、局部加冷铁以及采用水冷铸型等。这种方法只适合于小件或薄件，对于大型工件，如冷却速度过大，会使结晶时的内应力加大，导致工件的变形甚至开裂。2.变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。

气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(下)铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。3.振动

在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。

4.电磁搅拌将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。铸锭三晶区12

铸锭缺陷模块三金属铸锭的组织工业上应用的金属零部件一般由两种途径获得：一种是将液态金属浇注到一定形状与尺寸的铸型中直接凝固而成，称为铸件（Casting）。另一种是通过液态金属浇注成方或圆的铸锭（Ingotcasting），然后再通过热轧或锻压，最终可能通过切削加工和热处理，甚至焊接来获得零部件的几何尺寸和性能。金属结晶后的组织统称为铸态组织。对于铸件来说，铸态组织和缺陷直接影响它的力学性能。对于铸锭来说，铸态组织和缺陷直接影响它的加工性能，也有可能影响到最终零部件的力学性能。金属铸锭的组织和质量，不仅在铸造生产中，而且对几乎所有的金属零部件都是重要的。一、铸锭三晶区2006200720082009中间柱状晶粒层表面细晶粒层中心等轴晶粒层323⑴表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。⑶中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。金属铸锭的三个晶区的形成327表层细晶粒层

柱状晶粒层中心等轴晶粒区液体金属浇入铸模后，由于模壁温度较低，表层

金属剧烈冷却，过冷度大，且模壁的异质形核作用，故铸锭表层形成细晶粒层。柱状晶粒区成长到一定厚度时，散热的方向性已不明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。铸锭表层细晶区的组织致密，力学性能好，但该区很薄，对铸锭性能影响不大。柱状晶区的组织比中心粗大等轴晶区致密，其塑性较差，呈现各向异性，在锻造和轧制时容易开裂。因此，对塑性较差、熔点高的金属不希望产生柱状晶区。中心粗大等轴晶区组织疏松，杂质较多，力学性能较低。定向凝固（Directionalsolidification）是指在熔模铸造型腔中建立特定的温度梯度，使金属熔液散热方向单一并垂直于生长中的固-液界面，从而使金属沿与散热相反的方向结晶，获得单向生长的柱状晶体。定向凝固技术最突出的成就是在涡轮风扇发动机叶片中的应用，定向凝固高温合金涡轮叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。提高发了发动机的推力和可靠性，并延长了使用寿命。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固技术图定向结晶装置原理图二、铸造缺陷铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。1.缩孔缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。集中缩孔形成过程示意图3332.偏析合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果3．气孔金属在熔融状态时能溶解大量的气体，如氮气、氧气、氢气等，在冷却过程中，由于溶解度随温度的降低而下降，特别是在金属结晶时，由于气体溶解度的剧烈下降而析出大量的气体。当金属完全凝固，而气体不能逸出时，在铸锭或件内部形成了气孔（Castingporosity）。气孔一般是圆形的，表面较光滑。气孔对铸件的危害很大，它不仅减少铸件有效截面积，而且造成局部应力集中，成为材料断裂的裂纹源，可以使金属力学性能降低，甚至造成铸件报废。对要求承受液压和气压的铸件，若含有气孔，能明显降低其致密性。铸锭内部的气孔在压力加工时一般可以焊合，但靠近铸锭表层的皮下气孔，则可能由于表皮破裂而氧化，在压力加工时不能焊合，应在压力加工前车去，否则易在表面形成裂纹。模块四合金的结晶合金的结晶不是在恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。在结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也发生变化。用单一的冷却曲线难以说明合金的结晶过程，就必须借助于合金相图这一重要工具。由地图引出相图我家在哪里？合金的成分？合金的状态？合金的组成相？合金相图又称合金状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。合金的相变？相图是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。2.二元合金相图的建立目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ80%Cu+20%Ni;Ⅲ60%Cu+40%Ni；合金Ⅳ40%Cu+60%Ni；合金Ⅴ：20%Cu+80%Ni;合金Ⅵ纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。LL+αα

用热分析法测定Cu－Ni相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线二、二元匀晶相图合金的两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称为二元匀晶相图。二元匀晶相图是最简单二元相图，Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、W-Mo及Fe-Ni等合金都具有这类相图。现以Cu-Ni合金为例分析相图简单二元相图。

Cu-Ni合金相图1.相图构成相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

2.合金的结晶过程合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3.枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象,

称作枝晶偏析。枝晶偏析的消除不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作均匀化或扩散退火。三、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。1．相图分析共晶相图中有三个单相区：液相区L，固相α和β相区；三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区；一个三相共存点：C点。AB在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。。

在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的

固溶体和D点成分的

固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(

C+D)共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。Pb-Sn共晶组织2.Pb-Sn合金的结晶过程共晶合金结晶过程亚共晶合金结晶过程过共晶合金的结晶过程3.相组分和组织组分不同成分的Pb-Sn合金具有不同的显微组织，其中α、αⅡ、β、βⅡ及共晶组织（α＋β）各具有一定的组织特征，是组成显微组织的独立部分，并在显微镜下可以明显区分，称之为组织组分。成分位于F点至G点之间的Pb-Sn合金，尽管结晶后室温显微组织有所不同，但均由α和β两相所组成，所以α、β两相称为合金的相组分。模块五合金的性能与相图的关系一、合金的力学性能与相图的关系合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小值。二、合金工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的性能与相图的关系小结压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。

第四单元铁碳合金相图我家在哪里？合金的成分？合金的状态？合金的组成相？合金相图又称合金状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。合金的相变？

概述钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金。为了研究铁碳合金的组织与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合金相图。铁碳合金相图最早是在1899年测定的，距今已有100多年了，但仍在不断地完善，在不同的书籍中相图中的数据可能不尽相同，这是正常的。模块一铁碳合金中的基本相

纯铁的同素异构转变

α-Feγ-Feδ-FeBCC（912℃）FCC(1394℃）BCC金属的同素异构转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。

一、铁碳合金中的基本相铁碳合金中的Fe和C可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。铁碳合金中这些基本相和组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。1.铁素体（ferrite）

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。A=30%~50%，KU=128~160JRm=180~280MPa，50~80HBW。铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒。在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。金相检验2.奥氏体（Austenite）奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。Rm=400MPa，170~220HBW，A=40%~50%。奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。3.渗碳体（Cementite）渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃。质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。总结：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。名称符号Rm/MPaHBWA/%Ak/J铁素体F2308050160奥氏体A40022050∕渗碳体Fe3C30800≈0≈0模块二铁碳合金相图

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。FeFe3CFe2C

FeCCC%(wt%)→

一、铁碳相图中的主要特性点Fe—Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。一、相图中的一些特征点相图中应该掌握的特征点有：A、D、E、C、G（A3点）、S（A1点），它们的含义一定要搞清楚。⇄⇄⇄⇄⇄相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线、PSK线（A1线）、GS线（A3线）、ES线（ACM线）

二、铁碳相图中的特性线水平线ECF为共晶转变线。碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶转变。在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C)，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。

1.共晶转变线存在于1148~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成。存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体、Fe3CⅡ和共晶Fe