增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识1. 1. 金属金属材料的力学（机械）性能材料的力学（机械）性能1） 强强 度度 2）塑）塑 性性 3） 硬硬 度度 4） 冲击韧性冲击韧性 5）疲劳）疲劳 强强 度度 1） 强强 度度 强度的概念强度的概念 强度的测定强度的测定拉伸实验拉伸实验 强度指标强度指标A A 金属金属材料材料基本基本知识知识力学性能的定义：力学性能的定义： 材料在外力作用下，表现出（静载荷、动载荷、材料在外力作用下，表现出（静载荷、动载荷、交变载荷）的性能交变载荷）的性能 强度的概念强度的概念 定义定义 指金属在静载荷作用下，抵抗指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形塑性变形 或或断裂断裂的的能力。能力。 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是使用过程中的主要性能指标，特别是选材选材 和和设计设计 的的主要依据。主要依据。 应用应用 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86GB6397-86） 力力伸长曲线（以低碳钢试样为例）伸长曲线（以低碳钢试样为例） 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线 强度的测定强度的测定拉伸实验拉伸实验 强度的测定强度的测定拉伸实验拉伸实验 （GB6397-86GB6397-86）长试样：长试样：L L0 0=10d=10d0 0短试样：短试样：L L0 0=5d=5d0 0图图1 1 拉伸试样示意图拉伸试样示意图图图2 2 强度的测定强度的测定拉伸实验拉伸实验 力力伸长曲线伸长曲线拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。拉伸实验录像拉伸实验录像弹性变形阶段弹性变形阶段 屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象强化阶段强化阶段图图3 3 拉伸试样断裂示意图拉伸试样断裂示意图图图4 4 低碳钢低碳钢拉伸曲线拉伸曲线关键词：关键词： LF0 0 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）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。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 图图4 4 低碳钢低碳钢拉伸曲线拉伸曲线图图5 5 脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线 强度指标强度指标 屈服点屈服点 抗拉强度抗拉强度 在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号伸长时的应力，用符号s s表示。表示。 材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号b b表表示。示。脆性材料的屈服点：脆性材料的屈服点： 试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的试样标距长度的0.2%0.2%时的应力，用符号时的应力，用符号0.20.2表示。表示。 FsA0s= 屈服点计算公式屈服点计算公式 应用应用：s和和0.2常作为零件常作为零件选材选材 和和设计设计 的依据。的依据。脆性材料的屈服点脆性材料的屈服点LF0 0F0.20.2%L0F0.2A00.2=图图6 6 b=FbA0 抗拉强度计算公式抗拉强度计算公式 应用：应用： 脆性材料制作机脆性材料制作机械零件和工程构件时械零件和工程构件时的的选材选材和和设计设计的依据。的依据。图图4 4 低碳钢低碳钢拉伸曲线拉伸曲线 衡量指标衡量指标2 2） 塑塑 性性断面收缩率：断面收缩率：伸长率：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，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。始横截面积的百分比。 定义定义金属材料断裂前发生永久变形（不可恢复）的能力。金属材料断裂前发生永久变形（不可恢复）的能力。 伸长率（伸长率（ ）l l1 1-l-l0 0l l0 0100%100%= =l l1 1试样拉断后的标距试样拉断后的标距, ,mm;mm;l l0 0试样的原始标距试样的原始标距, ,mmmm。图图7 7 伸长率计算示意图伸长率计算示意图 断面收缩率（断面收缩率（ ）S0-S1S0=100%S S0 0试样原始横截面积试样原始横截面积, ,mmmm2 2；S S1 1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积, ,mmmm2 2 。图图8 8 断面收缩率计算示意图断面收缩率计算示意图 3 3） 硬硬 度度硬度的定义：硬度的定义： 抵抗更硬物体压入的能力。抵抗更硬物体压入的能力。常用的硬度衡量：常用的硬度衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。度等。硬度的其它衡量：硬度的其它衡量：肖氏硬度肖氏硬度HSHS、锉氏硬度、显微、锉氏硬度、显微 硬度硬度HMHM硬度的数值越大，硬度越高。硬度的数值越大，硬度越高。但相互之间不能比但相互之间不能比较，必须查表为同单位才行。较，必须查表为同单位才行。 布氏硬度：布氏硬度：HBHB 原理原理布氏硬度布氏硬度= F A凹凹=2FDD-（D-d ）图图9 9 图图10 10 布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度：布氏硬度：HBHB试验：试验：GB84GB84。一定直径的钢球。一定直径的钢球HBSHBS（硬质合金（硬质合金HBWHBW）规规定的载荷及时间。定的载荷及时间。 HBHBF/S (N/mmF/S (N/mm2 2) 650) 650例：例：钢球直径：钢球直径：10mm10mm，载荷：，载荷：30KN30KN（F F30D30D2 2），）， 时间：规定时间：规定1010（s s）。）。材料：压痕直径：材料：压痕直径：d d0 03.92mm 3.92mm 查表：查表： HBSHBS239239 应用范围：应用范围：铸铁、有色铸铁、有色金属、非金属材料。金属、非金属材料。 测量范围测量范围: HBS450; : HBS450; HBW650. HBW650. 优缺点：优缺点：压痕大，测量压痕大，测量准确，但不能测量成品准确，但不能测量成品件件。 试验（录像）试验（录像）图图11 11 布氏硬度法布氏硬度法 洛氏硬度洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC） 试验：试验：GB83GB83。一定锥形的金刚石一定锥形的金刚石（淬火钢球），在规（淬火钢球），在规定载荷和时间后，测定载荷和时间后，测出的压痕深度的大小。出的压痕深度的大小。图图12 12 洛氏硬度计洛氏硬度计 洛氏硬度洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC） 原理：原理： 加预载荷加预载荷 加主载荷加主载荷 卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值图图14 14 洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图图图13 13 洛氏硬度测量示意图洛氏硬度测量示意图测量录像测量录像202067671500N1500N120120金刚石圆锥体金刚石圆锥体HRCHRC25251001001000N1000N 1.588mm1.588mm钢球钢球HRBHRB70708585600N600N120120金刚石圆锥体金刚石圆锥体HRAHRA常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围 洛氏硬度的应用范围洛氏硬度的应用范围: 钢及合金钢钢及合金钢。优缺点：优缺点：测成品、薄的工件，无材料限制，但不精确。测成品、薄的工件，无材料限制，但不精确。一般通常习惯用一般通常习惯用HRCHRC。 4 4） 冲击韧性冲击韧性 冲击试样冲击试样图图15 15 冲击试样样件图冲击试样样件图4 4）冲击韧性冲击韧性 冲击试验原理及方法冲击试验原理及方法 试验原理试验原理：试样被冲：试样被冲断过程中吸收的能量即断过程中吸收的能量即冲击吸收功（冲击吸收功（Ak ）等）等于摆锤冲击试样前后的于摆锤冲击试样前后的势能差。势能差。试验过程如图所示试验过程如图所示 计算公式计算公式 A Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2）冲击韧度冲击韧度（a k）：）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积冲击吸收功除以试样缺口处截面积。图图15 15 摆锤式冲击实验机摆锤式冲击实验机5 5）疲劳强度）疲劳强度图图15 15 疲劳曲线疲劳曲线增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识 2. 2. 金属金属材料的物理、化学及工艺性能材料的物理、化学及工艺性能1）物理性能）物理性能 密度密度 熔点熔点 热膨胀性热膨胀性 导热性导热性 导电性导电性 磁性磁性A A 金属金属材料材料基本基本知识知识2）化学性能）化学性能 耐酸性耐酸性 耐碱性耐碱性 抗氧化性抗氧化性 3）工艺性能）工艺性能 铸造性铸造性 可锻性可锻性 焊接性焊接性 切削加工性切削加工性增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识A A 金属金属材料材料基本基本知识知识2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构3 3）实际）实际金属金属的晶体的晶体结构结构3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识（1）晶体与非晶体）晶体与非晶体 晶体晶体 内内部部质质点点按按一一定定的的几几何何规规律律呈呈周周期期性性规规则则排排列列的的物物质称为晶体。质称为晶体。 有有固固定定的的熔熔点点（如如铁铁为为1538，铜铜为为1083，铝铝为为660）；一一般般具具有有规规则则的的外外形形；在在不不同同的的方方向向上上具具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。非晶体及其特性非晶体及其特性 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识（2）晶格、晶胞和晶格常数）晶格、晶胞和晶格常数图图16 16 晶体中原子排列示意图晶体中原子排列示意图-原子对垛模型原子对垛模型3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识（2）晶格、晶胞和晶格常数）晶格、晶胞和晶格常数晶格晶格 假设原子为刚性小球，假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格接起来构成一个空间格架，这种抽象的，用于架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就形式的几何空间格架就叫晶格。叫晶格。图图17 17 晶体中原子排列示图晶体中原子排列示图-晶格晶格3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识（2 2）晶格、晶胞和晶格常数）晶格、晶胞和晶格常数 晶胞晶胞 最小的能够完全反映晶格特征的最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。几何单元称为晶胞。 晶格常数晶格常数 如图，如图，、，a a、b b、c c为晶格常数为晶格常数。 图图19 19 晶格常数晶格常数图图18 18 晶体中原子排列示图晶体中原子排列示图-晶胞晶胞3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构1 1）晶体晶体的基本知识的基本知识（2 2）晶格、晶胞和晶格常数）晶格、晶胞和晶格常数 晶胞选取应满足下列条件晶胞选取应满足下列条件 ： 晶胞几何形状充分反映点阵对称性；晶胞几何形状充分反映点阵对称性； 平行六面体内相等的棱和角数目最多；平行六面体内相等的棱和角数目最多； 当棱间呈直角时，直角数目应最多；当棱间呈直角时，直角数目应最多； 满足上述条件，晶胞体积应最小。满足上述条件，晶胞体积应最小。 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构（1 1）金属的特性和金属键）金属的特性和金属键特性特性: 良良好好的的导导电电性性、导导热热性性、塑塑性性，具具有有金金属属光光泽泽，不透明，正的电阻温度系数。不透明，正的电阻温度系数。 原因原因: 这这主主要要是是与与金金属属原原子子的的内内部部结结构构以以及及原原子子间间的的结结合合方式有关方式有关。 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构（1 1）金属的特性和金属键）金属的特性和金属键金金属属键键: : 当当大大量量金金属属原原子子结结合合在在一一起起，构构成成金金属属晶晶体体时时，金金属属原原子子失失去去外外层层电电子子变变成成正正离离子子；失失去去的的外外层层电电子子成成为为自自由由电电子子，为为整整个个金金属属所所共共有有，构构成成电电子子云云，金金属属正正离离子子在在其其平平衡衡位位置置作作高高频频率率的的热热振振动动；金金属属离离子子和和自自由由电电子子之之间间的的引引力力与与离离子子间间和和电电子子间间的的斥斥力力相相平平衡衡，从从而而构构成成稳稳定定的的金金属属晶晶体体。这这种结合方式称之为金属键。种结合方式称之为金属键。 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释: :自自由由电电子子在在电电场场的的作作用用下下定定向向运运动动形形成成电电流流，从从而而显显示出良好的导电性。示出良好的导电性。随随着着温温度度升升高高，正正离离子子振振动动的的振振幅幅要要加加大大，对对自自由由电电子子通通过过的的阻阻碍碍作作用用也也加加大大，因因而而，金金属属的的电电阻阻是是随随温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。自自由由电电子子的的运运动动和和正正离离子子的的振振动动可可以以传传递递热热能能，因因而而使金属具有较好的导热性。使金属具有较好的导热性。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释 ( (续）续）: :当当金金属属发发生生塑塑性性变变形形后后，正正离离子子与与自自由由离离子子间间所所能能保保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。自自由由电电子子能能吸吸收收可可见见光光的的能能量量，故故金金属属具具有有不不透透明明性性。吸吸收收能能量量后后跳跳到到较较高高能能级级的的电电子子，当当它它重重新新跳跳回回到到原原来来低低能能级级时时，就就把把所所吸吸收收的的可可见见光光的的能能量量以以电电磁磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构（2 2）金属中常见的晶格）金属中常见的晶格体心立方晶格：体心立方晶格： a=b=c=90晶胞中实际原子数为晶胞中实际原子数为:具有体心立方晶格的金属有：具有体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、W、Mo、V等。等。a)刚球刚球模型模型b)质点质点模型模型c)c)晶胞原晶胞原子数子数图图20 20 体心体心立方晶胞立方晶胞2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构（2 2）金属中常见的晶格）金属中常见的晶格面心立方晶格：面心立方晶格： a=b=c=90晶胞中实际原子数为晶胞中实际原子数为:具有体心立方晶格的金属有：具有体心立方晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。等。图图21 21 面心面心立方晶胞立方晶胞a)刚球 模型b)质点 模型c) 晶胞 原子数2 2）金属金属的晶体的晶体结构结构（2 2）金属中常见的晶格）金属中常见的晶格密排六方晶格：密排六方晶格： a=b c =90a=b c =90 =120 =120 密排六方晶格中实际原子数为密排六方晶格中实际原子数为:具有密排六方晶格的金属有：具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。等。图图22 22 密排密排六方晶胞六方晶胞a)a)刚球模型刚球模型b)b)质点模质点模型型c)c)晶胞原子晶胞原子 数数3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）晶体结构的致密度）晶体结构的致密度致密度：致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。比。 体心立方的致密度：体心立方的致密度： 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）晶体结构的致密度）晶体结构的致密度面心立方与密排六方的致密度面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，均为计算同体心立方，均为0.740.74。致密度数值越大，则原子排列越紧密。致密度数值越大，则原子排列越紧密。4 4）配位数的概念）配位数的概念配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。离的原子数。 体心立方：体心立方：8 8；面心立方：；面心立方：1212；密排六方：；密排六方：1212 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构5 5） 晶面与晶向晶面与晶向 在晶体中，由一系列原子所构成的平面称为晶面，在晶体中，由一系列原子所构成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。 不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的力学性能和理化性能。示不同的力学性能和理化性能。 表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。位向称为晶面指数和晶向指数。 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构5 5） 晶面与晶向晶面与晶向（1 1）晶向指数求法）晶向指数求法设坐标设坐标求截距求截距取倒数取倒数化整数化整数列括号列括号图图23 23 晶向指数求法示意图晶向指数求法示意图3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构5 5） 晶面与晶向晶面与晶向（1 1）晶面指数求法）晶面指数求法设坐标设坐标求坐标值求坐标值化整数化整数列括号列括号图图24 24 晶面指数求法示意图晶面指数求法示意图 3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）实际）实际金属金属的晶体的晶体结构结构（1）多晶体和亚组织）多晶体和亚组织 概念概念 单晶体单晶体把晶体看成是由原子按一定的几何规律把晶体看成是由原子按一定的几何规律作周期性排列而成的，即晶体内部的晶格位向是完作周期性排列而成的，即晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间的位向都不同。是一致的，而各个小晶体彼此间的位向都不同。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）实际）实际金属金属的晶体的晶体结构结构（1）多晶体和亚组织）多晶体和亚组织 概念概念 晶粒晶粒 外形不规则的小晶体。外形不规则的小晶体。 晶界晶界 晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。 多晶体多晶体 实际上由许多晶粒组成的晶体。实际上由许多晶粒组成的晶体。 显微组织或金相组织显微组织或金相组织晶粒尺寸很小，如：钢铁晶粒尺寸很小，如：钢铁材料的晶粒一般在材料的晶粒一般在1010-1-11010-3-3mmmm左右，故只有在金相左右，故只有在金相显微镜下才能观察到这种金属组织。显微镜下才能观察到这种金属组织。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）实际）实际金属金属的晶体的晶体结构结构（1）晶体的各向异性晶体的各向异性 当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态下的单晶体时，该晶体必然具有各向异性的特征，下的单晶体时，该晶体必然具有各向异性的特征，但实际金属是多晶体，表现各向同性。但实际金属是多晶体，表现各向同性。晶粒亚组织晶粒亚组织在实际金属晶体的一个晶粒内部，其在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称亚组织。镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称亚组织。亚晶界亚晶界两相邻亚组织间的边界。两相邻亚组织间的边界。3. 3. 金属金属的晶体结构的晶体结构3 3）实际）实际金属金属的晶体的晶体结构结构（2）晶体的缺陷）晶体的缺陷 实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。对金属的性能影响很大。 晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷（2）晶体的缺陷）晶体的缺陷点缺陷点缺陷 空位和间隙原子：空位和间隙原子：位于点阵上的原子并非位于点阵上的原子并非静的，而是以其平衡位静的，而是以其平衡位置为中心作热振动，总置为中心作热振动，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，就可以脱离其原来的平衡位置，而迁移到别处作用，就可以脱离其原来的平衡位置，而迁移到别处结果，在原来的位置的上的出现了空结点，称为空位。结果，在原来的位置的上的出现了空结点，称为空位。图图25 25 晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷 （2）晶体的缺陷）晶体的缺陷点缺陷点缺陷 形成空位的同时，产形成空位的同时，产生了间隙原子，这种不占生了间隙原子，这种不占有正常的晶格位置而处在有正常的晶格位置而处在晶格空隙之间的原子称为晶格空隙之间的原子称为间隙原子。间隙原子。 点缺陷的产生使其产生了晶格畸变，晶格畸变将点缺陷的产生使其产生了晶格畸变，晶格畸变将晶体性能发生改变，如强度，硬度和电阻增加。晶体性能发生改变，如强度，硬度和电阻增加。图图25 25 晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷 （2）晶体的缺陷）晶体的缺陷线缺陷线缺陷- -位错位错 位错位错- -晶体中，晶体中，某处有一列或若某处有一列或若干列原子发生了干列原子发生了有规律的错排现象。有规律的错排现象。 刀刀刃刃位位错错：在在晶晶体体的的某某一一水水平平面面上上，多多出出一一个个垂垂直直原原子子面面ABCDABCD，这这个个多多原原子子面面像像刀刀刃刃一一样样切切入入晶晶体体，使晶体上、下两部分的原子发生了错排现象。使晶体上、下两部分的原子发生了错排现象。a)刃型位错b)螺旋位错图图2626 （2）晶体的缺陷）晶体的缺陷线缺陷线缺陷- -位错位错 螺旋位错：螺旋位错：原子平面被畸变原子平面被畸变成了螺旋面。成了螺旋面。 位错密度：位错密度：V-V-晶体的体积晶体的体积 S-S-体积为体积为V V的晶体中位错线的总长度。的晶体中位错线的总长度。a)刃型位错b)螺旋位错图图2626（2）晶体的缺陷）晶体的缺陷线缺陷线缺陷- -位错位错 图图2727晶须晶须 （2）晶体的缺陷）晶体的缺陷面缺陷面缺陷 晶界：晶界：多晶体中两个相邻晶粒间的位向差大多在多晶体中两个相邻晶粒间的位向差大多在30304040，原子排列成无规则的过渡层。，原子排列成无规则的过渡层。 亚亚晶晶界界：是是由由一一系系列列刃刃型型位位错错所所形形成成的的小小角角晶晶界界。亚组织越细，金属的屈服强度越高。亚组织越细，金属的屈服强度越高。增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识4. 4. 铁碳合金铁碳合金A A 金属金属材料材料基本基本知识知识图图28 28 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线图图29 29 结晶过程示意图结晶过程示意图增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图30 30 简单立方体的晶格与晶胞简单立方体的晶格与晶胞图图29 29 纯铁的晶体构造纯铁的晶体构造回回顾顾增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图31 31 纯铁的同素异晶体转变纯铁的同素异晶体转变增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图32 32 铁碳合金固溶体示意图铁碳合金固溶体示意图图图33 33 间隙固溶体的晶格畸变间隙固溶体的晶格畸变增补章增补章: : 金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图34 34 显微组织下的几种状态图显微组织下的几种状态图(a)铁素体铁素体(b)奥氏体奥氏体(c)珠光珠光体体4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图35 35 铁碳合金状态图铁碳合金状态图4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图35 35 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金铁碳合金 状态图的建立状态图的建立 （1 1）配制不同成配制不同成分的铁碳合金，用热分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的分析法测定各合金的冷却曲线。冷却曲线。 （2 2）从各冷却曲线从各冷却曲线上找出临界点，并将上找出临界点，并将各临界点分别画到成各临界点分别画到成份份-温度坐标中。温度坐标中。 （3 3）将意义相同的将意义相同的临界点连接起来。临界点连接起来。4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图35 35 铁碳合金状态图铁碳合金状态图1 1） 铁碳合金中的组元铁碳合金中的组元（1 1）纯铁：）纯铁：C%0.0218 性能：性能： 熔点：熔点：15381538 （一个大气压下）（一个大气压下） 密度：密度：7.87g/cm7.87g/cm2 2 力学性能：力学性能： 强硬度低，塑韧性好强硬度低，塑韧性好（b b=180-280MPa=180-280MPa =40-50%, HB=50- =40-50%, HB=50-8080） 物理性能：磁导率高物理性能：磁导率高 同素异构转变：同素异构转变：1394-1538 1394-1538 -Fe -Fe 912-1394 912-1394-Fe-Fe； 912912以下以下 -Fe -Fe（2 2）渗碳体（）渗碳体（FeFe3 3C C） ： 性能：硬度高性能：硬度高（HV950-1050HV950-1050）强度低，塑韧性低强度低，塑韧性低（接近（接近0 0），）， 熔点：熔点：12271227 组织特征：（组织特征：（4 4硝硝酸酒精）白亮色酸酒精）白亮色 （3 3）铁素体（）铁素体（F F或或） 性能：强硬度低性能：强硬度低(b b=180-280MPa)=180-280MPa)； 塑韧性好（塑韧性好（=30-50%,HB=50-80=30-50%,HB=50-80）；）； 铁磁性铁磁性 组织特征：（组织特征：（4 4硝酸酒精）白亮色硝酸酒精）白亮色（4 4） 奥氏体（奥氏体（A A） 性能：强硬度低性能：强硬度低, ,塑韧性好，比容小，顺磁性塑韧性好，比容小，顺磁性 组织特征：（组织特征：（4 4硝酸酒精）白亮色硝酸酒精）白亮色1 1） 铁碳合金中的组元铁碳合金中的组元（1 1）点（特性点）：）点（特性点）：A 1538 100A 1538 100FeFe的熔点的熔点 ；D 1227 100D 1227 100Fe3CFe3C的熔点；的熔点；G 912 100G 912 100FeFe的同素异晶转变点的同素异晶转变点 （重结晶温度点）；（重结晶温度点）；C C 1148 4.3 1148 4.3C C 共晶点共晶点 LLdLLd（A AC C） 共晶反应共晶反应（共晶转变点）共晶转变点）；F 1148 6.69F 1148 6.69C C 虚点；虚点； P 727 100P 727 100FeFe虚点；虚点；K 727 6.69K 727 6.69C C虚点；虚点；E E 1148 2.11 1148 2.11C C 碳在碳在FeFe中的最大固溶量中的最大固溶量S S 727 0.77 727 0.77C C 碳在碳在FeFe中的最小固溶量中的最小固溶量 共析点共析点AP AP 共析反应共析反应（共析转变点共析转变点）。2） FeFeFeFe3 3C C合金合金 状态图的分析：状态图的分析：钢、铁钢、铁分界点分界点 （2 2）线（特性线）：）线（特性线）：（1 1）ACAC线：液相线线：液相线 开始结晶出奥氏体：开始结晶出奥氏体：LLLLA A。 DCDC线：液相线线：液相线 开始结晶出渗碳体：开始结晶出渗碳体：LL+CLL+C。（2 2）AEAE线：固相线线：固相线 奥氏体结晶终了线：奥氏体结晶终了线：L LAAAA。 ECFECF线：固相线（共晶线）：共晶反应线：固相线（共晶线）：共晶反应 LLdLLd。（3 3）GSGS线线A3A3线：线： 从奥氏体中开始析出铁素体线。从奥氏体中开始析出铁素体线。（4 4）ESES线线AcmAcm线：线：从奥氏体中开始析出渗碳体线从奥氏体中开始析出渗碳体线 （碳在奥氏体中的固溶线）。（碳在奥氏体中的固溶线）。（5 5）PSKPSK线线A1A1线：共析线；线：共析线； 共析反应共析反应 APAP（F FC C）共晶体。）共晶体。（6 6）PQPQ线：线： 碳在铁素体中的溶解度曲线。这种由碳在铁素体中的溶解度曲线。这种由 铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体。铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体。2） FeFeFeFe3 3C C合金合金 状态图的分析：状态图的分析：4. 4. 铁碳合金铁碳合金图图35 35 铁碳合金状态图铁碳合金状态图3 3）铁碳合金分类铁碳合金分类工业纯铁：工业纯铁： C%0.0218C%0.0218 碳素钢：碳素钢： 亚共析钢：亚共析钢： 0.02180.0218-0.77-0.77C C 共析钢：共析钢： 0.770.77C C 过共析钢：过共析钢： 0.770.77-2.11-2.11C C白口铁：白口铁： 亚共晶白口铁：亚共晶白口铁：2.11-30%C 2.11-30%C 共晶白口铁：共晶白口铁：4.30%C4.30%C 过共晶白口铁：过共晶白口铁：4.30%-6.69%C4.30%-6.69%C图图35 35 铁碳合金铁碳合金状态图的状态图的典型合金典型合金图图36 36 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程（1 1）共析钢）共析钢 结晶过程：结晶过程：1 12 2点：点：L0.770.77L0.770.773 3点：点：共析转变共析转变 PP3 3点以下：点以下：P P中的中的F F析出析出 FeFe3 3C C （忽略）（忽略）4. 4. 铁碳合金铁碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡结晶平衡结晶图图35 35 铁碳合金铁碳合金状态图的状态图的典型合金典型合金图图38 38 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程（1 1）亚共析钢）亚共析钢结晶过程：结晶过程：1 13 3点：点：LL，L+L+，LL4 45 5点：点：先共析先共析5 5点：点：共析转变共析转变 PP5 5点以下：点以下：先共析先共析Fe3CFe3CP P中的中的F F析出析出Fe3CFe3C （忽略）（忽略）4. 4. 铁碳合金铁碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡结晶平衡结晶图图37 37 含碳含碳0.2%0.2%的显微组织的显微组织图图35 35 铁碳合金铁碳合金状态图的状态图的典型合金典型合金图图39 39 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程（1 1）过共析钢）过共析钢结晶过程：结晶过程： 1 12 2点：点：LL3 34 4点：点：FeFe3 3C C+4 4点：点：共析转变共析转变 PP4 4点以下：点以下：P P中的中的F F析出析出FeFe3 3C C （忽略（忽略）4. 4. 铁碳合金铁碳合金4）典型合金典型合金 的的 平衡结晶平衡结晶4. 4. 铁碳合金铁碳合金5）含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响（1 1） C C对平衡组织的影响对平衡组织的影响 引起相组成物中引起相组成物中F F、 FeFe3 3C C相对量的变化：相对量的变化： C CF F、FeFe3 3C C 引起组织组成物的变化引起组织组成物的变化 C C室温组织由室温组织由FF+PPP+ FeFF+PPP+ Fe3 3C CP+ P+ FeFe3 3C C+Le+LeLeLe Fe Fe3 3C C+Le+Le Fe Fe3 3C C 引起组织形态的变化：引起组织形态的变化： 例例FeFe3 3C C：C C不连续不连续连续网状连续网状6）含碳量对力学含碳量对力学( (机械机械) )性能的影响性能的影响（1 1） 原因：原因： 室温组织类型、相组成和组织组成物相对量不同室温组织类型、相组成和组织组成物相对量不同 组织的形态与分布不同（尤其应注意组织的形态与分布不同（尤其应注意FeFe3 3C C的分布）的分布） 引起相组成物中引起相组成物中F F、 FeFe3 3C C相对量的变化：相对量的变化： C CF F、FeFe3 3C C（2 2） 影响：影响：对钢的影响：（如图示）对钢的影响：（如图示） C C硬度硬度，塑、韧性，塑、韧性 强度：先升后降强度：先升后降（当（当C C1.01.0时，时， FeFe3 3C C呈连续网状）呈连续网状）对白口铁的影响：对白口铁的影响：脆性很大，强度很低脆性很大，强度很低, , 硬度、耐磨性很高硬度、耐磨性很高 图图40 40 碳对钢的力学性能的影响碳对钢的力学性能的影响（1 1）硅）硅 Si :Si : 脱氧剂，（脱氧剂，（且强化且强化F,F,提高淬透性提高淬透性） 但但SiOSiO2 2易成易成为非金属夹杂为非金属夹杂, , （2 2）锰）锰 Mn Mn ： 有益元素，脱氧剂，除硫剂，（且强化有益元素，脱氧剂，除硫剂，（且强化F,F,提高淬提高淬透性），提高钢的强度。但透性），提高钢的强度。但MnOMnO、MnSMnS易成为非易成为非金属夹杂物金属夹杂物, Mn, Mn，有益元素，脱氧剂，有益元素，脱氧剂; ;降低钢的降低钢的的脆性。的脆性。7）钢中杂质元素对组织性能的影响钢中杂质元素对组织性能的影响4. 4. 铁碳合金铁碳合金（3 3）硫）硫S : S : S S0.050%.0.050%. 不利作用：有害元素，引起热热脆（红脆性）不利作用：有害元素，引起热热脆（红脆性）; ; 原因原因:(:(FeSFeSFeFe）为共晶体，）为共晶体，985985为液体。硫为液体。硫的含量越高，热脆性越严重。的含量越高，热脆性越严重。 有利作用：提高切削加工性有利作用：提高切削加工性. . (4) (4) 磷磷P: P: P P 0.00450.0045 不利作用：有害元素，冷脆。使钢常温下其塑不利作用：有害元素，冷脆。使钢常温下其塑性和韧性急剧下降，脆性转变温度升高，在低温时性和韧性急剧下降，脆性转变温度升高，在低温时这种现象更加严重。这种现象更加严重。（原因：固溶于（原因：固溶于FF钢强硬度钢强硬度，塑韧性，塑韧性） 有利作用：提高切削加工性有利作用：提高切削加工性, ,使弹片易碎等使弹片易碎等7）钢中杂质元素对组织性能的影响钢中杂质元素对组织性能的影响4. 4. 铁碳合金铁碳合金（5 5）氢）氢 H H：0.00010.0001 有害元素，氢脆，白点。过多的氢分子会导有害元素，氢脆，白点。过多的氢分子会导钢的开裂钢的开裂, ,时效形成氮化物时效形成氮化物脆化。脆化。 冶金时防止进入，冶金时防止进入， 去氢退火。去氢退火。（6 6）氮）氮N N 、氧、氧O O ： 一般情况下均是有害元素一般情况下均是有害元素 H H 氢脆，氢脆， 白点白点塑韧性塑韧性 O O 形成氧化物形成氧化物 非金属夹杂非金属夹杂 控制方法：控制方法： N N 加入加入A Al lAAl lN N O O 加脱氧剂加脱氧剂 Si,MnSi,Mn等等 总之，杂质元素对钢材的性能与质量影总之，杂质元素对钢材的性能与质量影响很响很大，必须严格控制在所规定的范围内。大，必须严格控制在所规定的范围内。 7）钢中杂质元素对组织性能的影响钢中杂质元素对组织性能的影响8）钢的分类钢的分类图图41 41 钢的分类示意图钢的分类示意图8）钢的分类钢的分类（1 1）碳素钢分如下三类：）碳素钢分如下三类： 普通碳素结构钢：普通碳素结构钢： 新：新：Q235AQ235A（F F、b b、Z Z）、）、s235MPas235MPa。 旧：甲类钢：旧：甲类钢：A1A1、A2A2、A3A3、A7A7满足机械性满足机械性 能要求的。能要求的。 乙类钢：乙类钢：B1B1、B2B2、B3B3、.B7.B7满足化学性满足化学性 能要求的。能要求的。 特类钢：特类钢：C2C2、C3C3、.C5.C5满足机械和化学性满足机械和化学性能要求的。能要求的。 通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑材通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑材料等。料等。8）钢的分类钢的分类（1 1）碳素钢分如下三类：）碳素钢分如下三类： 优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 普通含锰量钢：普通含锰量钢：0.250.250.80.8MnMn。 较高含锰量钢：较高含锰量钢：0.700.701.201.20MnMn。举例：举例：4545： 0.450.45C C左右、左右、 0.500.500.800.80MnMn左右。左右。 45Mn45Mn：0.450.45C C左右、左右、 0.700.701.001.00MnMn左右。左右。 常用于齿轮、主轴、连杆常用于齿轮、主轴、连杆4545。 弹簧、板簧、发条弹簧、板簧、发条6565、65Mn65Mn。 8）钢的分类钢的分类（1 1）碳素钢分如下三类：）碳素钢分如下三类： 碳素工具钢：碳素工具钢： 优质碳素工具钢：优质碳素工具钢： T T数字。数字。 高级优质碳素工具钢：高级优质碳素工具钢：T T数字数字A A。 举例：举例：T7T7、T8T8、T9T9、.T14.T14。 含义：含义：0.70.7、0.800.80、0.90.9.1.4.1.4 。 T7AT7A、T8AT8A、T9AT9A、.T14A.T14A。 主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。8）钢的分类钢的分类（2 2）合金钢：）合金钢： 低合金钢、合金钢。低合金钢、合金钢。 碳钢在碳钢在200200时，机械性能剧烈下降，而合金钢时，机械性能剧烈下降，而合金钢在在650650时，其机械性能才略为下降。时，其机械性能才略为下降。按质量分：按质量分： 优质钢、高级优质钢（优质钢、高级优质钢（A A）、特级优质钢（）、特级优质钢（E E）。）。 合金结构钢合金结构钢 起首两位数字表示平均含碳量的万分之几，其起首两位数字表示平均含碳量的万分之几，其后的符号表示所含的主要元素；若元素含量后的符号表示所含的主要元素；若元素含量1.51.5，不标数，元素含量，不标数，元素含量1.51.5，其后的数表示其，其后的数表示其百分含量。最后标百分含量。最后标“A A”则称为高级优质合金结构则称为高级优质合金结构钢（滚动轴承钢除外）。钢（滚动轴承钢除外）。 例：例：12CrNi312CrNi3：0.120.12C C、Cr1.5Cr1.5、3 3NiNi 20CrMnTi 20CrMnTi：0.200.20C C、CrCr、MnMn、Ti1.5Ti1.5 15Cr15Cr、 20Mn2B20Mn2B、 55Si2MnA 55Si2MnA 等。等。8）钢的分类钢的分类（2 2）合金钢：）合金钢： 低合金钢、合金钢。低合金钢、合金钢。 合金工具钢合金工具钢 当含碳量当含碳量1.01.0时，不标含碳量数当含碳量时，不标含碳量数当含碳量1.01.0时，起首数表示含碳量的千分之几。合金时，起首数表示含碳量的千分之几。合金元素同上。元素同上。 例：例：9Mn2V9Mn2V：0.90.9C C、2 2MnMn、V1.5V1.5 CrWMnCrWMn：C1.0C1.0、CrCr、W W、Mn1.5Mn1.5。 W18Cr4VW18Cr4V、 W12Cr4V4MoW12Cr4V4Mo、 9SiCr 9SiCr 等。等。 8）钢的分类钢的分类（2 2）合金钢：）合金钢： 低合金钢、合金钢。低合金钢、合金钢。 特殊性能钢特殊性能钢 起首数表示含碳量的千分之几。起首数表示含碳量的千分之几。 若起首为若起首为“0 0”，则表示含碳量，则表示含碳量0.100.10； 若起首数为若起首数为“0000”，则表示含碳量为，则表示含碳量为0.030.03，合金元素同上。合金元素同上。 例：例：9Cr189Cr18： 0.90.9C C、1818CrCr。 1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti：0.10.1C C、1818CrCr、9 9NiNi、Ti1.5Ti1.5。0Cr17Mn13Mo2V0Cr17Mn13Mo2V：C0.1C0.1、1717CrCr、1313MnMn、2 2MoMo、N1.5N006060的钢。的钢。 (2)(2)按钢的用途分类按钢的用途分类 碳素结构钢：用于制造各种工程结构件的机械零件的碳素钢，这类碳素结构钢：用于制造各种工程结构件的机械零件的碳素钢，这类钢大多数属于低碳或中碳钢，也有高碳钢作为结构件如弹簧类结构件等。钢大多数属于低碳或中碳钢，也有高碳钢作为结构件如弹簧类结构件等。 碳素工具钢：用于制造各种刀具、模具与量具的碳素钢，含碳量大碳素工具钢：用于制造各种刀具、模具与量具的碳素钢，含碳量大多在多在0 07070以上。以上。 4 4 、硬度的定义硬度的定义？（见课件）（见课件） 5 5 、布氏硬度、洛氏硬度的应用范围与优缺点布氏硬度、洛氏硬度的应用范围与优缺点？ （见课件）（见课件）