金屬材料與熱處理 教學(xué)PPT課件,金屬材料與熱處理,教學(xué)PPT課件,金屬材料,熱處理,教學(xué),PPT,課件 金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項(xiàng)目一項(xiàng)目一 金屬材料的性能金屬材料的性能項(xiàng)目導(dǎo)入項(xiàng)目導(dǎo)入金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的基本材料，廣泛應(yīng)用于制造生產(chǎn)和生活用具，金屬材料之所以獲得廣泛的應(yīng)用，是由于它具有許多良好的性能。在機(jī)械制造過程中，為了設(shè)計(jì)制造具有較強(qiáng)競爭力的產(chǎn)品，必須了解和掌握金屬材料的各種性能，以便使機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、選材和制造等方面體現(xiàn)出最優(yōu)化。01目錄CONTENT認(rèn)識金屬材料認(rèn)識金屬材料畫低碳鋼拉伸曲線圖畫低碳鋼拉伸曲線圖金屬材料的沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)金屬材料的沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)020403測試鋼的硬度測試鋼的硬度CONTENT金屬的其他性能金屬的其他性能05任務(wù)一認(rèn)識金屬材料認(rèn)識金屬材料 金屬材料具有比其他材料優(yōu)越的性能，廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建設(shè)，交通、石 油化工、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域，所以我們認(rèn)識金屬材料具有重要意義。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)具有識別金屬材料的初步能力。結(jié)合實(shí)際情況能確定出不同設(shè)備承受的載荷性質(zhì)。任務(wù)描述任務(wù)描述認(rèn)識金屬及金屬材料。初步了解金屬材料的分類。了解各種載荷的含義。一、金屬材料的基本概念金屬是指具有特殊的光澤、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，一定的強(qiáng)度和塑性的物質(zhì)，如鐵、錳、鋁、銅等。金屬元素是指具有金屬特性的元素稱金屬元素。在化學(xué)元素周期表中，約四分之三是 屬于金屬元素。金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主而形成的，并具有一般金屬特性的材料通稱為金屬材料。二、金屬材料的分類金屬材料黑色金屬材料碳素鋼合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼黑色金屬材料黑色金屬材料黑色金屬材料黑色金屬材料銅及銅合金鋁及鋁合金鈦及鈦合金軸承合金鑄鐵有色金屬材料硬質(zhì)合金三、金屬材料的性能金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能兩方面。使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能。包括:物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等。工藝性能是指金屬在制造加工過程中反映出來的各種性能。包括:鑄造性能、鍛造性、焊接性能、熱處理性和切削加工性。四、金屬材料的載荷金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，它可以分為靜載荷、沖擊載荷及交變載荷三種。（1）靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。（2）沖擊載荷是指在短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。（3）交變載荷是指大小、方向或大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。根據(jù)作用形式不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等。四、金屬材料的載荷任務(wù)二畫低碳鋼拉伸曲線圖畫低碳鋼拉伸曲線圖在建筑工地、港口碼頭、工廠車間等地方，同學(xué)們經(jīng)常會看到用一根或幾根鋼絲繩就可以提起幾噸甚至上百噸的貨物。由此可見，鋼絲繩能承受由這些貨物所產(chǎn)生的力即拉力，這說明金屬材料應(yīng)具有一定的抗拉強(qiáng)度才會具有使用價值。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)在老師的監(jiān)護(hù)下會做拉伸試驗(yàn)。會畫低碳鋼的拉伸曲線圖。任務(wù)描述任務(wù)描述強(qiáng)度的含義和計(jì)算。塑性的含義和計(jì)算。理解拉伸曲線各階段含義。一、認(rèn)識低碳鋼低碳鋼是生活中常見的一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均小于0.25%。塑性、韌性較高，冷擠壓性能和焊接性能好、抗拉強(qiáng)度為253500 MPa，伸長率 A14%。低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼板，用于制作各種建筑構(gòu)件、容器、箱體、爐 體和農(nóng)用機(jī)具等。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發(fā)動機(jī)罩等深沖制品;制成棒材，制作強(qiáng)度要求不高的機(jī)械零件。二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制成的金屬試樣，把試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在軸向靜拉伸力的作用下使它不斷產(chǎn)生變形，直到斷裂為止。利用拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其他拉伸性能指標(biāo)。（1）測定拉伸曲線的試樣和設(shè)備（2）認(rèn)識低碳鋼拉伸曲線二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸試驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)試樣截面為圓形。根據(jù)GB/T 2282010要求制成圓柱形拉伸試樣。根據(jù)標(biāo)距長度和直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長試樣和短試樣兩種，長試樣l0 =10d0，短試樣l0=5d0。拉伸試驗(yàn)機(jī)也叫材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、萬能拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。主要用于各種金屬、非金屬及復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能指標(biāo)的測試。如檢測金屬材料的最大承載拉力、抗拉強(qiáng)度、伸長變形、延伸率等技術(shù)指標(biāo)。在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，試樣從變形到拉斷，可以通過自動記錄設(shè)備把拉力與伸長量的關(guān)系用曲線表示出來，該曲線即為拉伸曲線。二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)由拉伸曲線可以看出，低碳鋼在外力作用下所引起的變形和失效的過程大致可以分為彈性變形階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、縮頸階段四個階段。（1）oe彈性變形階段 隨著載荷增加，拉力在e點(diǎn)以下，試樣變形完全是彈性的，此時如卸載，試樣即恢復(fù)原狀。隨載荷的存在而產(chǎn)生，隨載荷的去除而消失的變形稱為彈性變形。Fe為能恢復(fù)原始形狀和尺寸的最大拉伸力。二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)（2）es屈服階段 當(dāng)載荷超過Fe時，若卸載的話，試樣的伸長只能部分恢復(fù)，而保留部分殘余變形。這種不能隨載荷的去除而消失的變形稱為塑性變形。當(dāng)載荷增加到Fs時,鑄鐵的力伸長曲線圖上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀，這種在載荷不增加或略有減少的情況下，試樣繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象叫做屈服，F(xiàn)s稱為屈服載荷，屈服后，材料將殘留較大的塑性變形。二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)（3）sb強(qiáng)化階段 在屈服階段以后，欲使試樣繼續(xù)伸長，必須不斷加載。隨著塑性變形的增加，試樣變形抗力也逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化（或稱為冷作硬化）。Fb為試樣拉伸試驗(yàn)時的最大載荷。（4）bz縮頸階段 當(dāng)載荷達(dá)到最大值Fb后，試樣的直徑發(fā)生局部收縮，稱為“縮頸”。試樣所需要的載荷也隨之降低，這時伸長主要集中在縮頸部位，直至斷裂。三、彈性和剛度三、彈性和剛度四、強(qiáng)度四、強(qiáng)度四、強(qiáng)度五、塑性五、塑性任務(wù)三 測試鋼的硬度測試鋼的硬度在日常生活中，我們用手錘錘擊鉛塊和鋼塊，或用劃針在鉛塊和鋼塊劃線，就會發(fā)現(xiàn)在鉛塊上留下的痕跡比在鋼塊上留下的痕跡要深，這是為什么呢?這是因?yàn)殇摫茹U塊硬，那么，如何知道材料的硬度呢?這就需要通過硬度試驗(yàn)測定。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)在老師的監(jiān)護(hù)下會做硬度試驗(yàn)。知道各種硬度值符號含義。任務(wù)描述任務(wù)描述硬度的含義。理解硬度的相關(guān)公式。熟悉不同硬度測試方法的特點(diǎn)和應(yīng)用。一、布氏硬度 一、布氏硬度 2.布氏硬度值的表示方法 布氏硬度值的表示方法為:硬度值+HBW+球直徑+試驗(yàn)力+規(guī)定時間。試驗(yàn)力保持時間1015 s時不標(biāo)注。例如:530HBW 5/750表示用直徑5 mm的硬質(zhì)合金球在7355 N（750 kgf）的試驗(yàn)力作用下，保持101 5s時測得的布氏硬度值為530。又如:170 HBS 10/1000/30表示用直徑10 mm的鋼球在9807 N（1000 kgf）的試驗(yàn)力作用下保持30s測得的布氏硬度值為170。做布氏硬度試驗(yàn)時，壓頭球體的直徑（D）、試驗(yàn)力（F）及試驗(yàn)力保持時間（t），應(yīng)根據(jù)被測金屬材料的種類、硬度值的范圍及金屬的厚度進(jìn)行選擇。常用的壓頭直徑（D）有1、2、2.5、5和10 mm五種，試驗(yàn)力（F）在9807 N29.42 kN范圍內(nèi)。試驗(yàn)力保持時間，一般黑色金屬為1015 s;有色金屬為30 s;布氏硬度值小于35時為60s。二、洛氏硬度1.洛氏硬度試驗(yàn)原理 洛氏硬度試驗(yàn)采用以錐角為120的金剛石錐體或直徑為1.588 mm的淬火鋼球壓頭，壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除主試驗(yàn)力，以測量壓痕深度來計(jì)算洛氏硬度值。二、洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)時，先在樣品表面施加100 N的預(yù)載荷，其壓入深度為h0，此時表盤上的指針指向零點(diǎn)。然后再加上主載荷（500 N、900 N、1400 N），壓頭壓入表面的深度為h1，表盤上的指針逆時針方向轉(zhuǎn)到相應(yīng)的刻度。在主載荷的作用下，樣品表面的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，卸除主載荷后，表面變形中的彈性部分將回復(fù)，壓頭將回升一段距離，即（h1-e），表盤上的指針將相應(yīng)地回轉(zhuǎn)。最后，在試件表面留下的殘余壓痕深度為e。e值越大，被測金屬的硬度越低。為了符合數(shù)字越大，硬度越高的習(xí)慣，將一個常數(shù)K減去e來表示硬度的大小，并用0.002 mm壓痕深度作為一個硬度單位，由此獲得洛氏硬度值，用符號HR表示。二、洛氏硬度二、洛氏硬度2.常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍 為了用一臺硬度計(jì)測定不同硬度的金屬材料，可根據(jù)所加的載荷和壓頭不同組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面注明。常用的洛氏硬度標(biāo)尺有HRA、HRB、HRC三種。HRA主要用于高硬度表面、硬質(zhì)合金的硬度測試，HRB主要用于退火鋼、鑄鐵、非鐵金屬的硬度測試，HRC主要用于淬火鋼的硬度測試。三、維氏硬度 三、維氏硬度維氏硬度的表示方法為:硬度值+HV+試驗(yàn)力數(shù)值+規(guī)定時間，試驗(yàn)力保持時間在 10 s15 s時不標(biāo)注。如640 HV 30/20表示在294 N作用下保持20 s后測得的維氏硬度值為640。維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)時加載小，壓痕深度淺，可測量較薄的材料，也可測量零件表面淬硬層的硬度，其測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。缺點(diǎn)是生產(chǎn)率比洛氏硬度試驗(yàn)低，不宜于成批生產(chǎn)檢驗(yàn)，故在生產(chǎn)中直接使用較少。任務(wù)四金屬材料的沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)金屬材料的沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)生產(chǎn)中許多機(jī)器零件，是在沖擊載荷下工作的，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、沖模和鍛模等，因此，制造這類零件所用的材料，不能用靜載荷下的性能指標(biāo)來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)在老師的監(jiān)護(hù)下做沖擊試驗(yàn)。根據(jù)疲勞特征，討論如何減少疲勞源。討論哪些措施可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。任務(wù)描述任務(wù)描述沖擊韌度的含義。理解沖擊韌度公式。理解疲勞的含義及危害性。一、沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。目前，常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測定金屬材料的沖擊韌性。1.沖擊試樣 為使試驗(yàn)結(jié)果有可比性，必須采用標(biāo)準(zhǔn)試樣。常用的試樣有10 mm10 mm55 mm的U形缺口和V形缺口試樣。一、沖擊韌性2.沖擊試驗(yàn)的原理及方法 沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒定律原理:試樣被沖斷過程中吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。試驗(yàn)步驟:（1）將待測的金屬材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。（2）把標(biāo)準(zhǔn)試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，放置時試樣缺口應(yīng)背向擺錘的沖擊方向。（3）將具有一定重量 G 的擺錘升至一定的高度H1，使其獲得一定的勢能（GH1）。（4）使擺錘自由落下，將試件沖斷。一、沖擊韌性一、沖擊韌性一、沖擊韌性3.小能量多次沖擊試驗(yàn) 在實(shí)際工作中，承受沖擊載荷的機(jī)械零件，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕大多數(shù)金屬材料或零件是在小能量多次沖擊作用下而破壞的。如沖模的沖頭、鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞等。它們的破壞是由于多次沖擊損傷的積累。對于這樣的零件，用沖擊韌度來做為設(shè)計(jì)依據(jù)是不符合實(shí)際的。小能量多次沖擊試驗(yàn)采用PC 150型落錘式多次沖擊試驗(yàn)機(jī)。其試驗(yàn)原理如圖所示，試件在沖頭多次沖擊下斷裂時，經(jīng)受的沖擊次數(shù)（N），代表金屬的抗沖擊能力。二、疲勞強(qiáng)度 1.疲勞現(xiàn)象 許多機(jī)械零件，如:軸、齒輪、軸承、彈簧等，在工作中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時間作周期性變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下。雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一，并且在疲勞破壞前沒有明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此，具有很大的危險性，造成的事故大多數(shù)是災(zāi)難性的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中大約80%以上屬于疲勞破壞。二、疲勞強(qiáng)度 2.疲勞破壞的特征 盡管交變載荷有不同的類型，但疲勞破壞有以下共同特點(diǎn):（1）疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，而是突然破壞。（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力常常低于材料的屈服點(diǎn)。（3）疲勞斷裂的宏觀斷口由三部分組成，即:疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。對于韌性材料，一般三個區(qū)均可較明顯;脆性材料，整個斷口齊平光亮，三個區(qū)用肉眼難以觀察到。二、疲勞強(qiáng)度 3.疲勞強(qiáng)度 金屬材料在循環(huán)應(yīng)力的作用下能經(jīng)受無限多次的循環(huán)，而不斷裂的最大應(yīng)力稱為金屬材料的疲勞強(qiáng)度。即循環(huán)次數(shù)值 N 無窮大時，所對應(yīng)的最大應(yīng)力值稱疲勞強(qiáng)度，用符號 Rr 表示。對于金屬材料，常用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)方法測定在對稱應(yīng)力循環(huán)條件下材料的疲勞極限 R-1。試驗(yàn)時用多組試件，在不同的交變應(yīng)力測定試件發(fā)生斷裂的周次（N），繪制 R-N 曲線。對于金屬材料，當(dāng)應(yīng)力降到某值后，R-N曲線趨于水平直線，此直線對應(yīng)的應(yīng)力為疲勞極限。二、疲勞強(qiáng)度 一般鋼鐵材料取循環(huán)周次為107次時，能承受的最大循環(huán)應(yīng)力為疲勞極限，有色金屬、不銹鋼取108周次。影響金屬的疲勞強(qiáng)度的因素很多，比如工作條件、表面質(zhì)量、材料成分、組織和殘余應(yīng)力等。提高零件疲勞強(qiáng)度的措施:（1）在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口和截面突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)疲勞裂紋。（2）改善零件表面粗糙度，減少缺口效應(yīng)，提高疲勞強(qiáng)度。（3）采用表面處理，如高頻淬火、表面形變強(qiáng)化（噴丸、滾壓等）、化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮等）。（4）改善材料表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)。（5）提高零件表面加工質(zhì)量，盡量減少表面缺陷（夾雜、氧化、脫碳等）和表面加工損傷（刀痕、擦傷、磨痕等），減少疲勞源。任務(wù)五金屬的其他性能金屬的其他性能前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了金屬材料的力學(xué)性能，金屬材料僅有良好的力學(xué)性能是不夠的，還必須具有良好的工藝性能，了解金屬材料的其他性能，是為了得到生產(chǎn)工藝簡單、質(zhì)量良好、成本低廉的工件。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉材料的物理和化學(xué)性能。理解金屬材料的工藝性能含義。任務(wù)描述任務(wù)描述金屬材料的物理性能和化學(xué)性能。金屬材料的工藝性能。一、金屬的物理性能 金屬材料的物理性能是指物體本身固有的性能。它包括物體的密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。1.密度 金屬材料的密度是指在一定溫度下單位體積金屬材料的質(zhì)量。密度是金屬材料的特性之一，不同的金屬材料密度是不同的，在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量也越大，金屬材料的密度大小直接影響到由它所制造設(shè)備的自重。一般將密度小于5103 kg/m3的金屬稱輕金屬，密度大于5103 kg/m3的金屬稱重金屬。一、金屬的物理性能 2.熔點(diǎn) 金屬材料從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點(diǎn)。純金屬都有它固有的熔點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)取決于它的化學(xué)成分，如鋼和鑄鐵雖然都是鐵碳合金，但由于其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不一樣，其熔點(diǎn)也各不相同。熔點(diǎn)是金屬材料和合金在冶煉、鑄造、焊接等工藝的重要參數(shù)。熔點(diǎn)高的金屬材料稱難熔金屬（如鎢、鉬、釩等）可以用來制造耐高溫零件，它們在火箭、導(dǎo)彈燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面有廣泛的應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬稱易熔金屬（如錫、鉛、鉍等），它們可以用來制造熔斷器、焊接釬料和防火、高壓安全閥等零件。一、金屬的物理性能 3.導(dǎo)熱性 金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。金屬材料導(dǎo)熱能力的大小常用熱導(dǎo)率表示。金屬材料的熱導(dǎo)率越大，其導(dǎo)熱性越好。一般來說，金屬材料越純，其導(dǎo)熱能力越大，合金的導(dǎo)熱能力比純金屬的差，金屬材料中，導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)熱性好的金屬材料其散熱性也良好，如在制造散熱器、熱交換器等零件時，就選用散熱好的金屬材料。在制訂焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時，也必須考慮金屬的導(dǎo)熱性，以防止金屬材料在加熱或冷卻過程中形成較大的內(nèi)應(yīng)力，以避免金屬材料發(fā)生變形和開裂。一、金屬的物理性能 4.導(dǎo)電性 金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性，金屬是良好的導(dǎo)電體，各種金屬的導(dǎo)電性不同，導(dǎo)電性的好壞，取決于它的電阻率，電阻率越小，導(dǎo)電性越好，金屬的導(dǎo)電能力以銀最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。導(dǎo)電性好的金屬材料適于做導(dǎo)電材料如電線、電纜、電氣儀表等。導(dǎo)電性差的適于做電熱元件如電熱絲、電熱棒、電熱板等。一、金屬的物理性能 一、金屬的物理性能 6.磁性 金屬材料在磁場中受到磁化的性能稱為磁性。具有導(dǎo)磁能力的金屬都能被磁鐵所吸 引，據(jù)金屬材料在磁場中受的磁化程度不同，分為鐵磁材料（如鐵、鈷等）、順磁材料（如錳、鉻等）、抗磁材料（如銅、鋅等）三類，順磁性和抗磁性材料也稱弱磁性材料。鐵磁性材料的磁性不是固定不變的，鐵磁性物質(zhì)只有在居里溫度以下才具有鐵磁性;在居里溫度以上，由于受到晶體熱運(yùn)動的干擾，原子磁矩的定向排列被破壞，使得鐵磁性消失，這時物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴Ｈ缂冭F當(dāng)溫度高于770 以上就會失去磁性。所以純鐵的居里點(diǎn)是770。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機(jī)、測量儀表等，抗磁性材料可用來制造避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料。二、金屬的化學(xué)性能1.耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱耐腐蝕性。腐蝕作用對金屬材料的危害性很大，它不僅使金屬材料本身受到損傷，嚴(yán)重時還會使金屬構(gòu)件遭到破壞，引起重大事故。因此提高金屬材料的耐腐蝕性能，對于節(jié)約金屬、延長金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。2.抗氧化性 金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴(yán)重。這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍造成一種保護(hù)氣氛，避免金屬材料的氧化。二、金屬的化學(xué)性能3.化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性，在高溫條件下工作的設(shè)備（如工業(yè)用的鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)等）上的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。三、金屬的工藝性能金屬材料僅有良好的力學(xué)性能是不夠的，還必須具有良好的工藝性能，只有這樣才能得到生產(chǎn)工藝簡單、質(zhì)量良好、成本低廉的零件。工藝性能是指金屬材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。包括:鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。工藝性能直接影響到零件制造工藝和質(zhì)量，是選材和制定零件工藝路線必須考慮的因素之一。三、金屬的工藝性能1.鑄造性能 金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力，叫鑄造性能。衡量鑄造性能的指標(biāo)主要有流動性、收縮性和偏析等。三、金屬的工藝性能（1）流動性 金屬熔化后的流動能力稱為流動性。它主要受金屬化學(xué)成分和澆注溫度等的影響。流動性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。（2）收縮性 金屬在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。收縮性不僅影響尺寸精度，還會產(chǎn)生縮孔，疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。（3）偏析傾向 金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象。偏析嚴(yán)重會使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大差異，降低了鑄件質(zhì)量。三、金屬的工藝性能2.鍛造性能 用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。如黃銅和鋁合金在室溫下就有良好的鍛造性。碳鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好。鑄鐵則不能鍛造。三、金屬的工藝性能3.焊接性能 焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性能主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)（其中碳的影響最大）。如低碳鋼具有良好的焊接性，高碳鋼、鑄鐵的焊接性能較差。三、金屬的工藝性能4.切削加工性能 金屬材料接受切削加工的難易程度稱為切削加工性能。衡量車削加工性能的指標(biāo)是工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命。影響切削加工性的因素主要有工件的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導(dǎo)熱性和變形強(qiáng)化等。一般認(rèn)為金屬材料有適當(dāng)?shù)挠捕龋?70230 HBS）和足夠的脆性時易切削。所以鑄鐵比鋼切削加工性好，一般碳鋼比高合金鋼切削加工性好。改變鋼的化學(xué)成分和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，是改善鋼切削加工性能的主要途徑。謝謝金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項(xiàng)目二項(xiàng)目二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶項(xiàng)目導(dǎo)入項(xiàng)目導(dǎo)入通過學(xué)習(xí)金屬的性能，我們知道不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其力學(xué)性能也是不同的，金屬力學(xué)性能的這些差異，從本質(zhì)上來說，是由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)所決定的，研究金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，是了解金屬材料性能，正確選用材料，合理確定金屬材料成型加工方法的基礎(chǔ)。01目錄CONTENT金屬晶體的堆積方式金屬晶體的堆積方式純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)020403純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變CONTENT任務(wù) 一金屬晶體的堆積方式金屬晶體的堆積方式物質(zhì)是由原子組成的，在物質(zhì)的內(nèi)部，原子的堆積方式不同，其性能也不同，根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會識別晶體結(jié)構(gòu)。知道金屬晶格的缺陷對材料性能的影響。任務(wù)描述任務(wù)描述晶體的概念和特點(diǎn)。金屬晶格常見類型。金屬晶格的缺陷。一、晶體與非晶體 在自然界中除了一些少數(shù)的物質(zhì)（如普通玻璃、松香等）以外，包括金屬在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。1.晶體 晶體是指在物質(zhì)的內(nèi)部，凡原子在空間呈有序、有規(guī)則排列的稱為晶體。如:金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金等均屬晶體。晶體的特點(diǎn):（1）原子在三維空間呈有規(guī)律的周期性重復(fù)排列。（2）晶體具有固定的熔點(diǎn)。（3）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，在不同的方向上具有不同的性能，呈各向異性。一、晶體與非晶體2.非晶體 在物質(zhì)的內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀況的稱為非晶體。如:普通玻璃、石蠟、松香、樹脂、瀝青等都是常見的非晶體。非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，呈各向同性。二、晶體結(jié)構(gòu)的概念1.晶格 晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的，為了便于理解，把原子看成是一個小球，則金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律地堆積而成的物體。為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，我們把構(gòu)成晶體的原子簡化成一個點(diǎn)，再用假想的線段將這些代表原子的各點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了有明顯規(guī)律性的空間格架。這種用來描述原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架，稱為晶格。二、晶體結(jié)構(gòu)的概念2.晶胞 由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，晶胞是由許多形狀、大小相同的最小幾何單元重復(fù)堆積而成的，能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。晶胞 的大小及幾何形狀用晶胞的三條棱邊長度 a、b、c和三條棱邊之間的夾角、六個參數(shù)來描述，其中晶胞的各棱邊長為 a、b、c，稱為晶格常數(shù)。當(dāng)晶格常數(shù) a=b=c，棱邊交角=90時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。三、金屬晶格的類型金屬的晶格類型很多，但絕大多數(shù)（85%）金屬屬于以下三種晶格:1.體心立方晶格 它的晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體的中心。屬于這種晶格類型的金屬有鉻、釩、鎢、鉬及-Fe等。2.面心立方晶格 它的晶胞也是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體六個面的中心。屬于這種晶格類型的金屬有鋁、銅、鉛及-Fe等。3.密排六方晶格 它的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角及上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內(nèi)，如圖2 15所示。屬于這種晶格類型的金屬有鎂、鋅、鈹?shù)?。三、金屬晶格的類型四、金屬的?shí)際晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用的金屬材料中，由于加進(jìn)了其他類型的原子及材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來有規(guī)律排列的原子堆積方式受到干擾，不像理想晶體那樣規(guī)則。晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象稱為晶體缺陷。常見的晶體缺陷有以下幾種。1.空位、間隙原子和置換原子 如果晶格上應(yīng)該有原子的地方?jīng)]有原子，在那里就會出現(xiàn)“空洞”，這種原子堆積上的缺陷叫“空位”。在晶格的某些空隙處出現(xiàn)多余的原子或擠入外來原子的現(xiàn)象，叫間隙原子。異類原子占據(jù)晶格的結(jié)點(diǎn)位置的現(xiàn)象，稱為置換原子。四、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)2.位錯 晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象叫位錯?？梢哉J(rèn)為位錯是由于晶體中局部晶體滑移造成的，滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯，金屬中常見的位錯是刃型位錯和螺型位錯。由于位錯的存在，造成金屬晶格畸變，對金屬的性能如強(qiáng)度、塑性、疲勞及原子擴(kuò)散、相變過程等產(chǎn)生重要的影響。四、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)3.晶界和亞晶界 實(shí)際金屬為多晶體，由大量外形不規(guī)則的小晶體即晶粒組成，每一個晶粒可以為單晶體，所有晶粒的結(jié)構(gòu)完全相同，但彼此的位向不同，位向差為幾度或幾十度。晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。晶界處的原子排列是不規(guī)則的，原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，即使在一顆晶粒內(nèi)部，其晶格位向也不像理想晶體那樣完全一致，而是分隔許多尺寸很小、位向差很小的小晶塊，它們互相嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。亞晶界處的原子排列與晶界相似，也是不規(guī)則的。四、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)任務(wù)二純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶大多數(shù)金屬材料制件都是通過熔化、冶煉和澆注等工序獲得的。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。由于固態(tài)金屬是晶體。故金屬的凝固過程稱為金屬的結(jié)晶，金屬的結(jié)晶過程決定了金屬材料的性能。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會畫純金屬的冷卻曲線。熟悉金屬的結(jié)晶過程。任務(wù)描述任務(wù)描述純金屬的結(jié)晶過程。晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響，細(xì)化晶粒的方法。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，通常采用熱分析法測量其結(jié)晶溫度。將金屬熔化成液體，以緩慢的速度冷卻，每隔一定時間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度時間坐標(biāo)圖中，獲得純金屬的冷卻曲線。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度由冷卻曲線可見，液體金屬隨著冷卻時間的延長，它所含的熱量不斷向外散失，溫度也不斷下降，當(dāng)降到a點(diǎn)時，液體金屬開始結(jié)晶，由于結(jié)晶過程中釋放出來的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了散失在空氣中的熱量，因而溫度并不隨時間的延長而下降，直到 b點(diǎn)結(jié)晶終了時才繼續(xù)下降。ab兩點(diǎn)之間的水平線段即為結(jié)晶階段，它所對應(yīng)的溫度就是純金屬的結(jié)晶溫度。理論上金屬冷卻的結(jié)晶溫度與加熱時熔化溫度二者應(yīng)在同一溫度，即金屬的理論結(jié)晶溫度（T0）。實(shí)際上液態(tài)金屬總是冷卻到理論結(jié)晶溫度以下才開始結(jié)晶，實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）低于理論結(jié)晶溫度（T0）這一現(xiàn)象稱為“過冷現(xiàn)象”。理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度（T=T0-T1）。過冷度的大小與金屬的本性以及冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，金屬的結(jié)晶溫度越低，過冷度T越大。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度二、純金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程從微觀的角度看，當(dāng)液體金屬冷到實(shí)際結(jié)晶溫度后，開始從液體中形成一些尺寸極小的、原子呈規(guī)則排列的晶體晶核，隨著時間的推移，這種已形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬的其他部位也產(chǎn)生新的晶核，新晶核又不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失，結(jié)晶結(jié)束。因此，液態(tài)金屬的結(jié)晶是形核和晶核長大的基本過程。二、純金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶開始時，液體中的原子或原子集團(tuán)先后按一定的晶格類型排列成微小的晶核，隨著晶核的長大，逐漸形成了晶體的棱角，由于棱邊和角部的散熱條件優(yōu)于其他部位，又便于原子擴(kuò)散，因而優(yōu)先成長。晶核的長大先長出干枝，再長出分枝，當(dāng)成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時，晶體就向著尚未凝固的部位生長，直到枝晶間的金屬液全部凝固為止。最后形成了許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。這些外形不規(guī)則而內(nèi)部原子排列規(guī)則的小晶體稱為晶粒。由于每個晶粒的方位不同，使它們相遇時不能合為一體，這些晶粒與晶粒之間的分界面稱晶界。二、純金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶后，只有一個晶粒的晶體稱為單晶體，單晶體中原子排列位向是完全一 致的，其性能是各向異性。常見的單晶體如單晶硅、單晶石英。單晶硅用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。石英晶體是一種重要的電子材料。如果結(jié)晶后的晶體是由許多位向不同的晶粒組成的，則稱多晶體。由于多晶體內(nèi)部晶粒位向互不一致，它們自身的各向異性彼此抵消，故顯示出各向同性，亦稱為“偽各向同性”。三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響金屬晶粒大小對金屬力學(xué)性能有較大的影響，在常溫下工作的金屬，其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細(xì)化而有所提高的。為了提高金屬的力學(xué)性能，必須控制金屬結(jié)晶后的晶粒大小，金屬晶粒的大小取決于結(jié)晶時的形核率（N單位時間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目）與晶核的長大速度 G。形核率 N 大，而長大速度 G 相對小，則晶粒愈細(xì)，即 N 與 G 的比值大則晶粒細(xì)。因此，細(xì)化晶粒的根本途徑是控制形核率及長大速度。三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響常用的細(xì)化晶粒方法有以下幾種:1.增加過冷度 隨著過冷度的增加，形核率和長大速度都會增加，但形核率增加比長大速度增加要快，所以產(chǎn)生的晶核數(shù)目增加。因此，通過加快冷卻速度，即增加過冷度，可使晶粒細(xì)化。這種方法只適用于中、小型鑄件，對于大型鑄件則需要用其他方法使晶粒細(xì)化。三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響2.變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，使結(jié)晶時的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細(xì)化晶粒，這種處理方法即為變質(zhì)處理。如在鋼液中加入鈦、鋁等，鑄鐵中加入硅、鈣等均能起到細(xì)化晶粒的作用。3.附加振動 在結(jié)晶時、對金屬液體施以機(jī)械振動、電磁振動、超聲波振動等方法，可使金屬在結(jié)晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核數(shù)目，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。四、金屬鑄錠的組織影響金屬結(jié)晶的因素很多，除了過冷度和未熔雜質(zhì)兩個重要因素之外，熔化和澆注溫度、冷卻條件等因素也對結(jié)晶過程產(chǎn)生一定的影響。下面以鑄錠組織為例。說明冷卻條件對鑄錠結(jié)晶過程的影響。金屬鑄錠的結(jié)晶雖是大體積液態(tài)金屬結(jié)晶，同樣也遵循結(jié)晶的基本規(guī)律，但是，結(jié)晶是在鑄錠模中進(jìn)行的。由于冷卻條件不同，鑄錠組織從表面到心部是由三層外形不同的晶粒組成的。四、金屬鑄錠的組織1.細(xì)晶區(qū) 由于金屬鑄模的溫度較低，散熱快，當(dāng)液態(tài)金屬剛注入錠模時，其表層受到模壁的強(qiáng)烈冷卻，造成了很大的過冷度，形核率很高，而且模壁的粗糙表面對形核有一定的促進(jìn)作用。因此，鑄錠表層獲得了細(xì)小的等軸晶粒，組織比較致密。表面細(xì)晶區(qū)的組織特點(diǎn)是晶粒細(xì)小，組織致密，化學(xué)成分均勻，力學(xué)性能較好。四、金屬鑄錠的組織2.柱狀晶區(qū) 隨著細(xì)晶區(qū)的形成，模壁溫度不斷升高，鑄錠的冷卻速度逐漸減慢。由于結(jié)晶潛熱的釋放，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變得困難，因而細(xì)晶區(qū)的前沿晶粒繼續(xù)向液體中生長。由于垂直于模壁方向散熱速度最快，故凡是枝晶軸垂直于模壁的晶粒優(yōu)先得到成長，而且這種定向成長也不至于因相互抵觸受到限制，從而形成了柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)的組織特點(diǎn)是組織比較致密，并且彼此定向排列，故呈現(xiàn)各向異性。在柱狀晶的接觸面常存在有金屬夾雜和低熔點(diǎn)雜質(zhì)而成為脆弱界面，在壓力加工時容易開裂，因此，鑄錠一般不希望得到柱狀晶，生產(chǎn)上常采用振動澆注和變質(zhì)處理等方法抑制柱狀晶的擴(kuò)展。但對于鋁、銅等有色金屬，反而希望得到柱狀組織，因?yàn)檫@種組織致密，具有良好力學(xué)性能。四、金屬鑄錠的組織3.等軸晶區(qū) 隨著柱晶區(qū)的發(fā)展，模壁溫度繼續(xù)升高，散熱速度越來越慢。散熱的方向性也不明顯，錠模中心的剩余液態(tài)金屬的溫度逐漸趨于均勻，最終幾乎同時達(dá)到過冷狀態(tài)。同時由于種種原因，剩余液態(tài)金屬中聚集了一些未熔雜質(zhì)，以及從柱狀晶上被沖刷下來的枝晶碎塊，漂移到鑄錠中心區(qū)域，它們都可成為剩余液體的晶核，在均勻而緩慢的冷卻條件下長大，最后形成粗大的等軸晶區(qū)。等軸晶區(qū)的組織特點(diǎn)是晶粒粗大，組織疏松，力學(xué)性能差。綜上所述，金屬鑄錠的組織是不均勻的，從表面至心部分別為細(xì)小的等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和粗大的等軸晶區(qū)，通常外層較薄，其他兩個晶區(qū)較大。在鑄錠中經(jīng)常存在著各種鑄造缺陷，如縮孔、疏松、氣泡和偏析等。任務(wù)三純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬結(jié)晶后，其晶格不再發(fā)生變化，但也有少數(shù)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等），在結(jié)晶后，繼續(xù)冷卻時晶格類型會發(fā)生變化。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會畫純鐵的冷卻曲線。知道純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程。任務(wù)描述任務(wù)描述畫純鐵的冷卻曲線。理解純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程。一、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下，隨溫度的變化由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有鐵、錫、鈷、鈦、錳等。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異晶體。同一金屬的同素異晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母、等表示。二、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 液態(tài)純鐵在1538 進(jìn)行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的-Fe。繼續(xù)冷卻到 1394 發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe，再冷卻到912 又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe。如再繼續(xù)冷卻到室溫，晶格類型不再發(fā)生變化。這些轉(zhuǎn)變可以用下式表示:二、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程有許多相似之處:有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時有過冷現(xiàn)象;放出和吸收潛熱;轉(zhuǎn)變過程也是一個形核和晶核長大的過程同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，新晶格的晶核最容易在晶界處形成，這與晶界處原子活動能力較高，有利于重新改組晶格有關(guān)。新晶格的長大，是借助于原晶體中原子逐漸轉(zhuǎn)移到新晶體的表面上來，新晶體的分界面逐漸向舊晶體遷移的方式進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變到原晶體全部消失為止。任務(wù)四合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)作為工業(yè)用的金屬材料，純金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性較差，而且品種有限，價格較高，故應(yīng)用較少，工業(yè)上應(yīng)用的金屬材料一般都是合金。合金除了具有金屬特性外，還具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能，這是純金屬所不及的。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)根據(jù)合金的相，會識別合金。了解合金的基本類型。任務(wù)描述任務(wù)描述合金的含義及基本概念。合金相結(jié)構(gòu)分類及特點(diǎn)。一、基本概念 1.合金 合金是由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以全部是金屬元素，如黃銅（由銅和鋅組成），也可以是金屬元素與非金屬元素，如碳鋼（由鐵和碳組成）。2.組元 組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組元可以是金屬元素、非金屬元素或穩(wěn)定的化合物。根據(jù)合金中組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金和多元合金。例如普通的黃銅是由銅和鋅兩個組元組成的二元合金。硬鋁是由鋁、銅和鎂或鋁、銅、錳組成的三元合金。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中相的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三種類型。1.固溶體 固溶體是一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。溶入的元素稱為溶質(zhì)，而基體元素稱為溶劑。固溶體仍然保持溶劑的晶格類型。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置的不同，固溶體又分為置換固溶體和間隙固溶體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)（1）間隙固溶體 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。由于溶劑晶格的空隙很小，故能夠形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小于1埃的非金屬元素，如碳、氫等非金屬元素溶入鐵中形成的固溶體即屬于間隙固溶體。由于溶劑晶格的間隙有限，所以間隙固溶體能溶解的溶質(zhì)原子數(shù)量也是有限的。（2）置換固溶體 溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格節(jié)點(diǎn)上某些原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)（3）固溶體的溶解度 固溶體的溶解度是指溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。根據(jù)溶解度的不同，固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。溶解度有一定限度的固溶體稱為有限固溶體，而無限互溶的固溶體稱為無限固溶體。在置換固溶體中，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度主要取決于組成元素的原子半徑、化學(xué)元素周期表中的位置及晶格類型等。當(dāng)兩者原子半徑差別較小，周期表中位置相近、晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。而間隙固溶體由于間隙有限，只能形成有限固溶體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)在固溶體中由于溶質(zhì)原子的溶入而使溶劑晶格發(fā)生畸變。晶格畸變 阻礙了位錯運(yùn)動，使晶格間的滑移變得困難，從而提高了合金抵抗塑性變形的能力，使金屬 材料的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 2.金屬化合物 合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般用分子式來表示。金屬化合物的晶格類型和性能完全不同于任一組元，它的一般特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。合金中含有金屬化合物后，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性、韌性則下降。它也是合金中的重要組成相。二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 3.機(jī)械混合物 兩種或兩種以上的相，按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成的物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。混合物的組成部分可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合?；旌衔镏懈鹘M成相仍保持自己原有的晶格類型和性能。整個機(jī)械混合物的性能取決于各組成相的性能，并與各組成相的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布狀況密切相關(guān)。絕大多數(shù)合金材料都是機(jī)械混合物這種組織狀態(tài)。謝謝金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項(xiàng)目三項(xiàng)目三 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖項(xiàng)目導(dǎo)入項(xiàng)目導(dǎo)入碳鋼和鑄鐵都是鋼鐵材料，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍最廣的鐵碳合金。研究鐵碳合金的重要工具是鐵碳合金相圖，它是研究鐵碳合金的成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)。因此，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制定等方面具有非常重要的指導(dǎo)意義。01目錄CONTENT二元合金相圖二元合金相圖鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織鋼的結(jié)晶過程鋼的結(jié)晶過程020403繪制繪制 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖相圖CONTENT鐵的結(jié)晶過程鐵的結(jié)晶過程05Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用06任務(wù)一二元合金相圖二元合金相圖合金比純金屬結(jié)晶過程復(fù)雜，隨著合金中元素種類的變化，其組織和性能隨之變 化，這種變化規(guī)律可以借助于相圖認(rèn)識。合金相圖是生產(chǎn)中分析研制合金材料的理論 基礎(chǔ)，也是制定合金熔煉、鑄造、焊接、鍛造及熱處理工藝的重要依據(jù)。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會分析二元合金結(jié)晶過程中的相和組織變化。會繪制二元合金相圖。任務(wù)描述任務(wù)描述建立鉛銻合金相圖。理解二元相圖的建立過程。一、建立二元合金相圖相圖是表示合金的成分、溫度和組織之間關(guān)系的一個簡明圖表，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。它是分析金相組織和制定鑄、鍛、焊接及熱處理工藝的重要依據(jù)。1.二元相圖的表示方法 二元合金相圖由成分和溫度兩個因素決定，用橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。橫坐標(biāo)上任意一點(diǎn)均表示一種合金成分。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，成分有兩種表示方法:質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）和摩爾分?jǐn)?shù)（x）。多數(shù)是以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。一、建立二元合金相圖2.二元合金相圖的建立方法 為了建立相圖，首先要測定合金系中一系列成分不同的相變溫度，即臨界點(diǎn)。然后，根據(jù)臨界點(diǎn)的數(shù)據(jù)，畫出各種線條，形成該合金系的相圖。測定二元合金相圖的具體步驟如下:（1）臨界點(diǎn)的測定方法 臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化臨界相變點(diǎn)。利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來測定。臨界點(diǎn)的測定方法主要有:動態(tài)法:熱分析法、硬度法、膨脹法、電阻法、磁性法;靜態(tài)法:金相法、X-ray衍射分析法。其中熱分析法是最常采用的方法。通常以熱分析法為主，其他方法配合使用。尤其對固態(tài)下轉(zhuǎn)變熱效應(yīng)很小的合金，常采用后幾種方法測定固態(tài)下相變臨界點(diǎn)。一、建立二元合金相圖（2）建立二元合金相圖 二元合金相圖的建立是通過試驗(yàn)方法建立起來的。現(xiàn)以鉛銻二元合金為例，說明測繪合金相圖的方法及步驟:配制若干組不同成分的鉛銻合金;分別用熱分析法作出各組合金的冷卻曲線;找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn);將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分、溫度坐標(biāo)系的坐標(biāo)圖上，并連接各相同含義的臨界點(diǎn)，就得到圖所示的鉛銻二元合金相圖。二、鉛銻二元合金相圖的分析 圖是鉛銻二元合金的相圖。圖中 A 點(diǎn)是鉛的熔點(diǎn)（327）;B點(diǎn)是銻的熔點(diǎn)（631）;C點(diǎn)是共晶點(diǎn)，此點(diǎn)的成分是Sb 11%+Pb 89%，溫度是252。此點(diǎn)具有特殊含義:當(dāng)含Sb 11%的鉛銻合金液體冷卻到252 時，在恒溫下從一個液相中同時結(jié)晶出鉛和銻兩個固相。一定成分的液態(tài)合金，在某一恒溫下，同時結(jié)晶出兩種固相的轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共晶體（Sb+Pb），C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。圖中 ACB線是合金液體開始結(jié)晶溫度的連線，稱為液相線。在此線以上的合金 全部為液相。DCE線是液態(tài)合金結(jié)晶終止溫度的連線，稱為固相線。在此線以下的合金全部為固相。一、建立二元合金相圖圖中的合金，其成分為Sb 11%+Pb 89%。在 C點(diǎn)以上，合金處于液體狀態(tài)，當(dāng)緩慢冷卻到 C點(diǎn)時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在恒溫下從液相中同時結(jié)晶出Sb和Pb的混合物（共晶體）。繼續(xù)冷卻，共晶體不再發(fā)生變化。這一合金稱為共晶合金。它的轉(zhuǎn)變過程如圖所示，并可用下式表示:一、建立二元合金相圖凡是成分在 C點(diǎn)以左（Sb11%）的合金稱為過共晶合金，如圖中的合金。亞共晶和過共晶合金的結(jié)晶過程不同的是:從液相線到共晶轉(zhuǎn)變溫度之間，亞共晶合金要先結(jié)晶出Pb晶體，過共晶合金要先結(jié)晶出Sb晶體，因而它們的室溫組織分別為Pb+（Sb+Pb）和Sb+（Sb+Pb）。任務(wù)二鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 在鐵碳合金中，由于鐵和碳的相互作用，碳能溶在鐵的晶格（-Fe和-Fe）中形成兩 種間隙固溶體，當(dāng)碳含量超過鐵的的溶解度時，多出來的碳便會與鐵形成金屬化合物 Fe3C。隨著碳在鐵中含量的變化，鐵碳合金會生成不同的相，本任務(wù)將介紹鐵碳合金中常見的幾種基本相。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解鐵碳合金的基本相和組織的含義。掌握基本相和組織的性能。任務(wù)描述任務(wù)描述分析鐵碳合金的基本組織和性能。一、純鐵工業(yè)純鐵，wFe=99.899.9%，雜質(zhì)主要是碳，力學(xué)性能因晶粒大小和純度不同大致范圍:屈服強(qiáng)度 ReL:98166 MPa;抗拉強(qiáng)度 Rm:176274 MPa;硬度（HBS）:5080 HBS;延伸率 A:3050%;斷面收縮率 Z:7080%;沖擊韌性 ak :160200 J/cm2。工業(yè)純鐵具有很好的塑性和韌性，但其強(qiáng)度和硬度很低，很少用作工程結(jié)構(gòu)及零件?？捎糜谝筌洿判缘膱龊?，如各種儀器儀表的鐵芯等。二、鐵素體 鐵素體是碳溶于-Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。鐵素體是體心立方晶格，排列不如-Fe緊密，晶格空隙分散，幾乎不能溶解碳原子。鐵素體的溶碳能力非常低，在727 時碳在-Fe中最大溶解量為0.0218%，隨著溫度的降低，碳原子的溶解度減小，室溫時碳在-Fe中的溶解度只有0.0008%，所以其性能與純鐵相似，其強(qiáng)度硬度較低，但具有良好的塑性和韌性。三、奧氏體 碳溶解于-Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。雖然-Fe晶格的原子排列較緊密，但空隙比較集中，因此面心立方結(jié)構(gòu)的-Fe可以溶解較多的碳，在1148 時，最多可以溶解2.11%的碳，隨著溫度的下降，奧氏體溶解碳的能力減小，到727 時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.77%。奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，但具有良好的塑性，是大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造和軋制時所要求的組織，故在軋鋼和鍛造時，常把鋼加熱到高溫呈奧氏體狀態(tài)，奧氏體沒有磁性。四、滲碳體滲碳體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%的鐵和碳的金屬化合物，其分子式為Fe3C，常用符號Cm表示。滲碳體具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。它與鐵和碳的晶格結(jié)構(gòu)完全不同。滲碳體熔點(diǎn)為1227，不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。滲碳體的硬度很高，約為1000 HV，塑性很差，延伸率接近于零，是一個硬而脆的組織。在低溫下具有一定鐵磁性，但在230 以上消失，所以，230 是滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度。滲碳體在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板條狀，是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相，它的形狀、大小與分布對鋼的性能有很大影響。滲碳體中碳和鐵可以被其他元素替代形成以滲碳體為基的固溶體。如Fe被Cr、Mn等金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，稱為合金滲碳體。四、滲碳體隨著溫度的降低，滲碳體會從不同的相中析出，通常把鐵碳合金中的滲碳體分為:（1）一次滲碳體，由液體金屬中直接結(jié)晶出來;（2）二次滲碳體，由奧氏體中析出;（3）三次滲碳體，由鐵素體中析出;（4）共晶滲碳體，在共晶轉(zhuǎn)變時形成;（5）共析滲碳體，在共析轉(zhuǎn)變時形成。五、珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，用P表示。珠光體多為層片狀組織，白色片狀為鐵素體，黑色片狀為滲碳體。珠光體的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，其力學(xué)性能取決于鐵素體和滲碳體的性能，大體是兩者性能的平均值，故珠光體的強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性和韌性，是一種性能較好的組織，也是共析鋼中常見組織。共析鋼的組織為珠光體，其綜合力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度 Rm=750 MPa;硬度（HBS）180 HBS;延伸率 A=20%25%。六、萊氏體 萊氏體是鐵碳合金中的共晶混合物，其是平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的液態(tài)鐵碳合金。在1148 時從液相中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為高溫萊氏體，用 Ld 表示。滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈短棒狀（或顆粒狀）分布在滲碳體的基體上。由于奧氏體在727 時還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物叫低溫萊氏體，用Ld表示。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性、韌性很差。任務(wù)三繪制繪制Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖相圖 鐵和碳是鐵碳合金中的兩種主要元素。鐵碳合金在加熱和緩慢冷卻的條件下，不 同成分的鐵碳合金，隨溫度的變化，其狀態(tài)或組織也隨之發(fā)生改變。為了便于同學(xué)們了解和學(xué)習(xí)鐵碳合金在平衡狀態(tài)下組織、成分與溫度之間的關(guān)系，有必要建立一種學(xué)習(xí)工 具Fe-Fe3C相圖。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)能熟練繪制鐵碳合金相圖。默填鐵碳合金相圖各區(qū)域組織。任務(wù)描述任務(wù)描述建立鐵碳合金相圖。理解各點(diǎn)、線和區(qū)域組織含義。一、一、Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的認(rèn)識相圖的認(rèn)識 Fe-Fe3C 相圖是表示液態(tài)鐵碳合金在緩慢冷卻（或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。圖中縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。二、Fe-Fe3C 相圖分析1.相圖中的特性點(diǎn)、線 （1）特性點(diǎn) 狀態(tài)圖中具有特殊意義的點(diǎn)稱為特性點(diǎn)，F(xiàn)e-Fe3C 相圖中的主要點(diǎn)及其意義見表所示。二、Fe-Fe3C 相圖分析（2）特性線 液相線（ACD線）:此線以上區(qū)域全部為液相，用L表示。金屬液冷卻到此線開始結(jié)晶，在AC線以下從液相中結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體。固相線（AECF線）:結(jié)晶時固相的成分變化線，金屬液冷卻到此線全部結(jié)晶為固態(tài)，此線以下為固相。共晶線（ECF線）:在共晶線上金屬液冷卻到此線時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，從金屬液中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的混合物，即萊氏體。共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進(jìn)行的，溫度為1148。共析線（PSK線）:又稱A1線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體的混合物。共析反應(yīng)的產(chǎn)物是珠光體。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%6.69%之間的鐵碳合金冷卻至727 時必將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體。二、Fe-Fe3C 相圖分析（3）三條重要的特性曲線 GS線:又稱A3線，它是冷卻過程中由奧氏體中析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中鐵素體溶入奧氏體的終了線。事實(shí)上GS線是由G點(diǎn)（A3點(diǎn)）演變而來，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，奧氏體向鐵素體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，A3點(diǎn)也隨之變化便形成了A3線。ES線:是碳在奧氏體中的溶解度曲線，用Acm表示。在1148 時碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%（相當(dāng)于E點(diǎn)），在727 時便降低到0.77%（相當(dāng)于S點(diǎn)）。當(dāng)溫度低于此曲線時，要從奧氏體中析出次生滲碳體，通常稱之為二次滲碳體，用Fe3C表示，因此該曲線又是二次滲碳體的開始析出曲線。ES線也叫Acm線。PQ線:是碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體中碳的最大溶解度，在727 時達(dá)到最大值為0.0218%。隨著溫度降低，鐵素體溶碳量逐漸降低，在300 以下，溶碳量小于0.001%。因此，當(dāng)鐵素體從727 冷卻時，要從鐵素體中以滲碳體形式析出多余的碳，稱為三次滲碳體，通常用Fe3C表示。二、Fe-Fe3C 相圖分析2.相圖中的相區(qū) 在Fe-Fe3C 相圖中主要有四個單相區(qū)、四個雙相區(qū)，四個雙相區(qū)分別存在于兩個單相區(qū)之間。（1）單相區(qū) 液相區(qū)（L）ACD以上區(qū)域;奧氏體區(qū)（A）AESGA;鐵素體區(qū)（F）GPQG;滲碳體區(qū)（Fe3C）DFK。（2）雙相區(qū) L+AAECA;L+Fe3CDCFD;A+FGPSG;A+Fe3CESKFCE三、鐵碳合金的分類 Fe-Fe3C 相圖中不同成分的鐵碳合金，具有不同的顯微組織，通常根據(jù)相圖中P點(diǎn)和E點(diǎn)，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類。1.工業(yè)純鐵 成分為P點(diǎn)左邊（wc0.0218%）的鐵碳合金，其室溫組織為鐵素體。2.鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0218%2.11%（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在P、E點(diǎn)之間）的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及室溫組織的不同，又可分為:（1）共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%;（2）亞共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%0.77%;（3）過共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%2.11%。三、鐵碳合金的分類 3.白口鑄鐵 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%6.69%（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在E點(diǎn)右邊）的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據(jù)其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及室溫組織的不同又可分為:（1）共晶白口鑄鐵 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%;（2）亞共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%4.3%;（3）過共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%6.69%。任務(wù)四鋼的結(jié)晶過程鋼的結(jié)晶過程由Fe-Fe3C 相圖可見，所有碳鋼從液態(tài)結(jié)晶完畢時都得到單相奧氏體組織。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到一定程度時，奧氏體最終將變成鐵素體和滲碳體兩相的機(jī)械混合物。其轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶過程與鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會分析三種典型鋼的結(jié)晶過程。了解三類典型鋼室溫下的組織結(jié)構(gòu)。任務(wù)描述任務(wù)描述分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) wc=0.77%、wc=0.40%、wc=1.2%的結(jié)晶過程。討論共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼的結(jié)晶過程。一、共析鋼共析鋼為 wc=0.77%，如圖中的合金。在1點(diǎn)以上時，合金為液相狀態(tài)。溫度降低到1點(diǎn)時，液態(tài)合金中結(jié)晶出奧氏體。隨著溫度的下降奧氏體數(shù)量不斷增加。到2點(diǎn)時，結(jié)晶結(jié)束，合金為單相奧氏體組織。當(dāng)?shù)竭_(dá)23點(diǎn)時合金組織不發(fā)生變化。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時合金發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成片層狀鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，即珠光體。在3點(diǎn)以下，組織不發(fā)生變化，全部為珠光體。共析鋼的顯微組織，白色為片層狀鐵素體，黑色線條為滲碳體。共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAP 在727 時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A（F+Fe3C）或（珠光體P），繼續(xù)冷卻從鐵素體中析出Fe3C依附于共析產(chǎn)物中難以分辨。一、共析鋼二、亞共析鋼 亞共析鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%0.77%之間的鐵碳合金。圖合金為亞共析鋼，其結(jié)晶過程如圖所示。金屬在1點(diǎn)以上是液態(tài)，當(dāng)金屬液冷卻 到1點(diǎn)時從液相中開始結(jié)晶出奧氏體，到2點(diǎn)結(jié)晶完畢，2點(diǎn)到3點(diǎn)間為單相奧氏體組織，當(dāng)冷卻到與GS線相交的3點(diǎn)時從奧氏體中開始析出鐵素體。由于-Fe只能溶解很少的碳，所以合金中大部分碳留在奧氏體中而使其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。隨著溫度的降低，析出的鐵素體量增多，剩余的奧氏體量減少，而奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿GS線增加。當(dāng)溫度降至與PS線相交于4點(diǎn)時，奧氏體含碳量達(dá)到0.77%，此時剩余的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體。4點(diǎn)以下至室溫，合金組織不再發(fā)生變化。亞共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAF+AF+P 二、亞共析鋼三、過共析鋼 過共析鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77%2.11%之間的鐵碳合金。圖中的合金為過共析鋼。過共析鋼從1點(diǎn)冷卻到3點(diǎn)的過程與共析鋼和亞共析鋼相似，為奧氏體的結(jié)晶形成與冷卻。當(dāng)合金冷卻與ES線相交的3點(diǎn)時，奧氏體中的溶碳量達(dá)到飽和，當(dāng)溫度下降時，碳以二次滲碳體的形式析出，沿著奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，繼續(xù)冷卻，二次滲碳體量不斷增多，奧氏體量不斷減少，剩余奧氏體的成分沿ES線變化，冷卻至與共析線PS相交的4點(diǎn)時，剩余的奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好達(dá)到共析鋼成分，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體組織。之后隨著溫度降低，鐵碳合金的組織基本不變。因此過共析鋼的室溫平衡組織為珠光體和二次滲碳體。過共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAFe3C+AP+Fe3C三、過共析鋼任務(wù)五鐵的結(jié)晶過程鐵的結(jié)晶過程古時使用的鐵器大部分是鑄鐵材料。在現(xiàn)代的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鑄鐵材料同樣占有重要的地位，因此，了解鑄鐵的結(jié)晶過程及室溫下的組織結(jié)構(gòu)是非常有必要的。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會分析三種典型鑄鐵的結(jié)晶過程。了解三類典型鑄鐵室溫下的組織結(jié)構(gòu)。任務(wù)描述任務(wù)描述分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc=4.3%、wc=3.0%、wc=5.0%的結(jié)晶過程。掌握共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵及過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程。一、共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵是 wc=4.3%的鐵碳合金，合金為共晶白口鑄鐵。在1點(diǎn)以上合金為液相狀態(tài)，溫度降到1點(diǎn)時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物高溫萊氏體。當(dāng)冷至1點(diǎn)以下時，碳在奧氏體中的溶解度不斷下降，因此從共晶奧氏體中不斷析出二次滲碳體，由于它依附在共晶滲碳體析出并長大，所以難以分辨。當(dāng)溫度降到2點(diǎn)（727）時，共晶奧氏體的含碳量降至0.77%，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即共晶奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)降低，共晶組織不再變化。因此，共晶白口鑄鐵的室溫組織是滲碳體和珠光體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體Ld。共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程為:LLdLd 一、共晶白口鑄鐵 共晶轉(zhuǎn)變后繼續(xù)冷卻過程中，碳在奧氏體中溶解度下降，F(xiàn)e3C析出將從奧氏體中析出，奧氏體成分沿 ES線變化。由于共晶奧氏體顆粒較細(xì)小且被Fe3C包圍，因此Fe3C往往依附于共晶Fe3C上，直到727，奧氏體含碳量降到0.77%。奧氏體在727 轉(zhuǎn)變?yōu)镻，即變成Ld，形成了共晶Fe3C、Fe3C和P的混合物，但Fe3C與共晶Fe3C顯微鏡下難以分辨，且保留了高溫共晶產(chǎn)物的特征，組織為Ld。一、共晶白口鑄鐵二、亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%4.3%之間的鐵碳合金。合金為亞共晶白口鑄鐵。亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程比較復(fù)雜，1點(diǎn)以上為液相，溫度降到1點(diǎn)時，液相中開始析出初晶（先共晶）奧氏體，隨著溫度的降低，奧氏體數(shù)量逐漸增多，奧氏體的成分沿 BE線變化，而液相成分沿著 BC線變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時液相成分達(dá)到共晶點(diǎn) C點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。當(dāng)溫度降到23點(diǎn)之間時，從奧氏體中析出二次滲碳體。隨著二次滲碳體的不斷析出，奧氏體的成分線沿著ES線不斷降低，當(dāng)溫度到達(dá)3點(diǎn)（727）時，奧氏體的成分也達(dá)到了S點(diǎn)，在恒溫下發(fā)生了共析轉(zhuǎn)變，剩下的奧氏體全部轉(zhuǎn)變成珠光體。亞共晶白口鑄鐵的室溫組織為:P+Fe3C+Ld。亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程:LL+AL+AA+Fe3C+LdA+Fe3C+LdFe3C+Ld+P 二、亞共晶白口鑄鐵三、過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%6.69%之間的鐵碳合金。合金為過共晶白口鑄鐵。過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程和亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程相似，在結(jié)晶過程中，在12點(diǎn)溫度區(qū)間從液體中結(jié)晶出粗大的先共晶滲碳體，稱為一次滲碳體，用Fe3C表示。隨著一次滲碳體數(shù)量的增多，液相成分沿著DC線變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時，液相成分達(dá)到 wc=4.3%，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。隨著溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏體先析出二次滲碳體。當(dāng)溫度降低到3點(diǎn)（727）時，恒溫發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。因此，過共晶白口鑄鐵的組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程:LL+Fe3CFe3C+LdFe3C+Ld 二、亞共晶白口鑄鐵任務(wù)六Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖是研究鐵碳合金在平衡條件下的成分溫度組織性能之間關(guān)系和變化規(guī)律的工具，對于鋼鐵材料的研究、合金的選用，零件的加工及制定各種熱加工工藝都有十分重要的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會分析碳含量對鐵碳合金平衡組織的影響。會利用Fe-Fe3C相圖合理選擇鋼鐵材料。了解在使用Fe-Fe3C相圖時，應(yīng)注意的問題。任務(wù)描述任務(wù)描述分別分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵碳合金平衡組織、力學(xué)性能的影響。利用Fe-Fe3C相圖分析其在選材、鑄、鍛及熱處理方面的應(yīng)用。一、碳含量對平衡組織的影響根據(jù)任務(wù)三和任務(wù)四對典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程的分析，可以將Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)按組織組成物加以標(biāo)注。不同成分的液態(tài)鐵碳合金在冷卻過程中發(fā)生的組織變化是不同的，最后得到的組織也不同。一、碳含量對平衡組織的影響 由Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金在室溫的組織都是由珠光體和滲碳體兩相組成，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體的量逐漸減少，而滲碳體的量有所增加，這是由于成分的變化，引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化而造成的。鐵碳合金的室溫組織 變化順序?yàn)?F+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdLd+Fe3C 二、碳含量對力學(xué)性能的影響鐵碳合金的組織變化，必然引起性能的變化。1.硬度 硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于硬度對組織形態(tài)不敏感，所以隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，高硬度的滲碳體增加，低硬度的鐵素體減少，故鋼的硬度呈直線增加，而塑性、韌性不斷下降。由全部為鐵素體硬度約80 HBS增大到全部為Fe3C時約800 HBS。二、碳含量對力學(xué)性能的影響2.強(qiáng)度 由于強(qiáng)度對組織形態(tài)很敏感。在亞共析鋼中，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，強(qiáng)度高的珠光體增加。強(qiáng)度低的鐵素體減少，因此強(qiáng)度隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。當(dāng)碳的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.77%時，鋼的組織全部為珠光體。珠光體的強(qiáng)度比較高，大小與細(xì)密程度有關(guān)，越細(xì)越高，所以共析鋼的強(qiáng)度較高。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%wc0.9%時，F(xiàn)e3C數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀分布在晶界處，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時，強(qiáng)度不斷下降。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.11%后，出現(xiàn)了Ld，此時強(qiáng)度降到最低值。再增加碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，由于基體都為脆性很高的Fe3C，趨于Fe3C的強(qiáng)度（約2030MPa）。二、碳含量對力學(xué)性能的影響3.塑性 Fe3C是極脆的相，沒有塑性。因此，鋼的塑性和韌性完全由鐵素體來提供，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，使鐵素體量不斷減少，塑性和韌性顯著下降，當(dāng)基體為Fe3C后，塑性就降低到接近于零。為保證鋼有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性配合，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過1.31.4%。平衡組織亞共析鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下的估算:硬度（HBS）80w鐵素體+180wP 或硬度（HBS）80w鐵素體+800w滲碳體 強(qiáng)度（Rm）230w鐵素體+770wP（MPa）延伸率（A）50w鐵素體+20wP（%）四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用 建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，選用碳含量較低的鋼材。機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。工具要用硬度高和耐磨性好的材料，選擇碳含量高的鋼種。純鐵強(qiáng)度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)磨球等。四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用 根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50100。從Fe-Fe3C相圖上可以看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好，它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%0.6%之間，因?yàn)檫@個范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用3.在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用 鋼處于奧氏體狀態(tài)時強(qiáng)度較低、塑性好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)進(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200，約為11501250。終鍛溫度為750850。4.在熱處理工藝方面的應(yīng)用 Fe-Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。五、應(yīng)用Fe-Fe3C相圖應(yīng)注意的問題（1）鐵碳合金相圖不能表示快速加熱或冷卻時鐵碳合金組織的變化規(guī)律。（2）可參考鐵碳合金相圖來分析快速冷卻和加熱的問題，但還應(yīng)借助于其他理論知識。（3）鐵碳合金相圖可以表示鐵碳合金可能進(jìn)行的相變，但不能看出相變過程所經(jīng)過的時間。相圖反映的是平衡相的概念，而不是組織的概念。（4）鐵碳合金相圖是用極純的Fe和C配制合金測定的，而實(shí)際的鋼鐵材料中還含有或有意加入許多其他元素。其中某些元素對臨界點(diǎn)和相的成分都可能有很大的影響，此時必須借助于三元或多元相圖來分析和研究。謝謝