必學(xué)-金屬材料熱處理、軋制原理基本理論知識

1、金屬材料及熱處理、金屬塑性變形與軋制原理基本理論知識金屬材料及熱處理部分一、金屬材料的種類材料是人類用來制造各種有用物件的物質(zhì)。工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能、被用來制取零件和元件的材料。工程材料的種類繁多，分類方法也不同，但均可分為金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬材料通常分為黑色金屬和有色金屬兩大類，黑色金屬包括鋼、鑄鐵、錳、鉻及其合金，有色金屬材料是除黑色金屬之外的所有金屬及其合金。在鑄鐵中，由于采用不同的處理方式可使石墨呈現(xiàn)不同的形式。根據(jù)石墨形態(tài)的差別，將鑄鐵分為下列幾種：普通灰鑄鐵（石墨呈片狀）、蠕墨鑄鐵（石墨呈蠕蟲狀）、可鍛鑄鐵（石墨呈團(tuán)絮狀）、球墨鑄鐵（石

2、墨呈球狀）。二、金屬的結(jié)構(gòu)1金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體。內(nèi)部原子或離子在三維空間呈周期性有規(guī)則的重復(fù)排列的固體稱為晶質(zhì)體（晶質(zhì)）。習(xí)慣上，將具有幾何多面體外形的晶質(zhì)稱為晶體，相應(yīng)地，將不具有幾何多面體外形的晶質(zhì)稱為晶粒。由一個(gè)核心（晶核）生長而成的晶體稱為單晶體，在單晶體的不同方向上測量其性能時(shí)，表現(xiàn)出或大或小的差異，這就是晶體的各向異性。金屬材料通常由許多不同位向的小晶粒所組成，稱為多晶體；多晶體中各晶粒的各向異性互相抵消，故一般不顯示各向異性，所以在工業(yè)用的金屬材料中，通常見不到各向異性特征，稱之為偽各向同性。工業(yè)上使用的金屬元素中，除了少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)

3、都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種類型，即體心立方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。2金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也有少數(shù)金屬如Fe、 Mn、 Ti、 Co 等具有兩種或幾種不同的晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件（如溫度和壓力）改變時(shí)，金屬可能由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)。這種固態(tài)金屬在不同溫度下具有不同晶格的現(xiàn)象稱為多晶型性或同素異品性。固態(tài)金屬在一定溫度下，其原子排列由一種品格轉(zhuǎn)變?yōu)?另一種品格的過程，稱為多晶型轉(zhuǎn)變，也稱同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變 的產(chǎn)物稱為同素異品（構(gòu)）體。如純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：l 912 c匚139

4、4 c匚Fe FeFe（體心立方）（面心五萬）（體心乂萬：）由于不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的致密度，因而發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，必然引起體積 和比容的變化，同時(shí)還會引起其它性能的變化。3.實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，不但在結(jié)構(gòu)上是多晶體，而且晶體內(nèi)部總是不可避免地 存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可以將它們分為：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。三、金屬材料的性能金屬材料的性能與其化學(xué)成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)之間有著極其密切的關(guān)系。金屬材料的性能可以大致分為：使用性能和工藝性能。金屬材料的使用性能是指為保證機(jī)械零件或工具正常工作，材料應(yīng)具備的性能

5、，它 包括力學(xué)性能（也稱機(jī)械性能）、物理性能和化學(xué)性能等。使用性能決定了材料的應(yīng)用范 圍、安全可靠性與使用壽命。金屬材料在加工或使用過程中，都是要承受外力作用的，當(dāng)外力超過某一限度時(shí)， 金屬就會發(fā)生變形，甚至斷裂。作用在金屬材料上的外力也叫作載荷。根據(jù)載荷的性質(zhì) 可分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷等。金屬抵抗外力作用的能力，稱為力學(xué)性能，或 者說金屬材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷作用時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。常用的力學(xué)性 能指標(biāo)有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。工藝性能是指在制造機(jī)械零件或工具的過程中，金屬材料適應(yīng)各種冷熱加工的性能， 它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能以

6、及熱處理性能等。1 .強(qiáng)度和塑性金屬受到載荷作用后，其變形和破壞過程一般是：彈性變形一彈性變形加塑性變形 一斷裂。彈性變形是指載荷全部卸除后，可完全恢復(fù)的變形；塑性變形是指在載荷去除 后，材料中仍殘留下來的永久變形。強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。由于載荷的作用 方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強(qiáng)度也分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng) 度、抗剪強(qiáng)度等。手冊與規(guī)范上所標(biāo)出的材料的強(qiáng)度一般都是通過金屬拉伸試驗(yàn)來測定。塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力，通常用金屬斷裂時(shí)的最大相對塑 性變形來表示。金屬的塑性指標(biāo)也是通過拉伸試驗(yàn)測得的。圖1所示為低碳鋼拉伸試驗(yàn)時(shí)記

7、錄的拉伸曲線（力-延伸曲線）。由圖可見，當(dāng)載荷不大于Fp時(shí)，拉伸曲線OP為一直線，即試樣的延伸與載荷成正比關(guān)系，試樣處于符合 虎克定律的彈性變形（彈性延伸或比例延伸）階段，當(dāng)載荷大于 Fp而小于Fs時(shí)，試樣 的延伸與載荷已不再成正比關(guān)系，拉伸曲線不成直線，但試樣仍處于彈性變形階段，即 這時(shí)如果去除載荷，試樣便恢復(fù)原狀。載荷超過Fs后，除彈性延伸外，試樣開始產(chǎn)生塑性延伸變形。當(dāng)載荷達(dá)到Fe時(shí)，在拉伸曲線上出現(xiàn)水平或鋸齒形的線段，這表明在載荷不增加甚至減少的情況下，試樣 仍繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。屈服現(xiàn)象過后，延伸量又隨載荷的增加而逐漸增大，整個(gè)試樣發(fā)生均勻而顯著的塑 性變形。當(dāng)載荷增加到

8、某一最大值 Fm （最大力）后，試樣的局部截面開始急劇縮小，出 現(xiàn)了 “頸縮”現(xiàn)象。以后的變形主要集中在頸縮部分。由于頸部附近試樣截面積急劇減 小，載荷也逐漸降低。當(dāng)達(dá)到 Fk時(shí),試樣在頸縮處斷裂。工業(yè)上使用的金屬材料，多數(shù)是沒有屈服現(xiàn)象的，具拉伸曲線如圖 1b、c所示。圖 中b是塑性材料的拉伸曲線，如退火鋁合金、調(diào)質(zhì)處理的合金鋼等；c圖是低塑性材料的拉伸曲線圖，它沒有屈服現(xiàn)象，也不產(chǎn)生縮頸，斷裂前載荷并不減小，如高碳鋼、某 些合金鋼、球墨鑄鐵等。1）強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)拉伸曲線上各特殊點(diǎn)的載荷與試樣原橫截面積的關(guān)系，可以測得材料的強(qiáng)度指 標(biāo)。金屬材料的強(qiáng)度，常用應(yīng)力來表示。材料在受力F作用時(shí)，材料內(nèi)

9、部產(chǎn)生同等大小的抵抗力（稱為內(nèi)力）。材料單位橫截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，即：fR = 一 S式中 R應(yīng)力，N/mm 2, 1N/mm2=1MPa；F材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力，一般與外力大小相等，可用外力代替，N;S受力面積，mm2。（1）屈服強(qiáng)度（Re舊標(biāo)準(zhǔn)中用“屈服極限s”表小屈服強(qiáng)度是指當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加時(shí) 的應(yīng)力。對于拉伸試驗(yàn)時(shí)有明顯屈服現(xiàn)象（呈現(xiàn)不連續(xù)屈服）的金屬材料，其屈服強(qiáng)度 包括上屈服強(qiáng)度（ReH）和下屈服強(qiáng)度（ReL）,如圖2所示。圖2不同類型曲線上的上屈服強(qiáng)度（ReH）和下屈服強(qiáng)度（ReL）A.上屈服強(qiáng)度（ReH）上屈服強(qiáng)度是試樣發(fā)生屈服而力首

10、次下降前的最高應(yīng)力，其值等于試樣發(fā)生屈服而 力首次下降前的最高試驗(yàn)力與試樣原始橫截面積之比。FeHR_ eH eH = u So式中 FeH 試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高試驗(yàn)力，N。B.下屈服強(qiáng)度（ReL）下屈服強(qiáng)度是在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力，其值等于試樣屈服期間 不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低試驗(yàn)力與試樣原始橫截面積之比。FeLReL = eL eL SoNo式中 FeL 試樣屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低試驗(yàn)力, （2）抗拉強(qiáng)度（Rm舊標(biāo)準(zhǔn)中用“ b”表示抗拉強(qiáng)度是與最大力（Fm）相對應(yīng)的應(yīng)力。FmRm = o S0式中 Fm 試樣在拉斷前所承受的最大試驗(yàn)力?？估瓘?qiáng)度是材料對

11、最大均勻變形的抵抗能力，是材料在拉伸條件下所能承受的最大 應(yīng)力值，它是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，也是材料的重要機(jī)械性能指標(biāo)。2）塑性指標(biāo)衡量金屬塑性好壞的主要指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率，金屬的斷后伸長率和斷 面收縮率越大，其塑性越好。（1）斷后伸長率（A）舊標(biāo)準(zhǔn)中用“延伸率或伸長率6”表示試樣在拉斷后，其標(biāo)距部分內(nèi)所增加的長度與原始標(biāo)距長度之比的百分率稱為斷后 伸長率。A = LuT0 X100% Lo式中 L0試樣原始標(biāo)距；Lu拉斷后試樣標(biāo)距。（2）斷面收縮率（Z）舊標(biāo)準(zhǔn)中用“巾”表示試樣在拉斷后，其斷裂處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的比值的百分率稱為斷 面收縮率。So-S uZ = 0

12、c U X100%So式中 S U 試樣斷裂后的最小橫截面積。2 .硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，在金屬材料制成的半成品或成品的 質(zhì)量檢驗(yàn)中，硬度是標(biāo)志產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)。硬度的試驗(yàn)方法很多，基本可分為壓入法和刻劃法兩大類。在壓入法中，根據(jù)加載 速度不同又可分為靜載壓入法和動載壓入法（彈性回跳法）。在靜載壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法的不同，又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。同 一種材料用不同的試驗(yàn)方法測得的硬度值是不同的，但可進(jìn)行換算。硬度值的物理意義隨試驗(yàn)方法的不同而不同。例如，壓入法的硬度值是金屬材料抵 抗更硬物體壓入其表面的能力，也可以說是金屬表面抵

13、抗變形的能力；刻劃法的硬度值 表示金屬表面抵抗局部斷裂的能力；而回跳法硬度值則代表金屬彈性變形功的大小。因 此，硬度值實(shí)際上不是一個(gè)單純的物理量，它是表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng) 度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性指標(biāo)。一般認(rèn)為硬度是金屬表面抵抗局 部壓入變形或刻劃破裂的能力。生產(chǎn)上常用的硬度測量方法是壓入法。因?yàn)樗軠y量所有金屬材料的硬度，而且設(shè) 備簡單、操作方便、迅速，不損壞工件，適于成批檢驗(yàn)，還可在一定條件下根據(jù)硬度大 致推算出材料的強(qiáng)度值。1）布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是在規(guī)定試驗(yàn)力 F的作用下，將一個(gè)直徑為D的硬質(zhì)合金球壓入被測 試件表面，并停留一定時(shí)間，使塑性變形穩(wěn)定后，再

14、卸除試驗(yàn)力，測量被測試金屬表面 上所形成的壓痕直徑 d,以壓痕的單位面積所承受的平均試驗(yàn)力作為被測試金屬的布氏 硬度值，用符號HBW表示。當(dāng)所加試驗(yàn)力F和硬質(zhì)合金球直徑 D選定后，硬度值只與壓痕直徑d有關(guān)。d越大, 說明金屬材料對壓痕的抵抗力越低，即布氏硬度值越小，材料越軟；反之， d越小，布氏硬度值越大，材料越硬。2）洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)法是目前工廠中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法之一。和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將壓頭在規(guī)定的試驗(yàn)力作用下分兩步壓入被測金屬表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，測量在初試驗(yàn)力下壓痕殘余深度h,以此殘余壓痕深度來表示硬度的高低。普通洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)使用金

15、剛石圓錐和1.5875mm、 3.175mm 球三種壓頭，采用的試驗(yàn)力有60kg、 100kg、 150kg 三種，它們共有九種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的九個(gè)標(biāo)尺；表面洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)使用120金剛石圓錐和 1.5875mm 硬質(zhì)合金球兩種，采用15kg、30kg、 45kg 三種試驗(yàn)力，共有六種組合，對應(yīng)于表面洛氏硬度的六個(gè)標(biāo)尺。洛氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、迅速，壓痕較小故可在工件表面或較簿的金屬上進(jìn)行試驗(yàn)，并適用于大量生產(chǎn)中的成品檢查，測試的硬度范圍大，適于各種軟、硬材料。但是，因?yàn)閴汉坌。瑢τ趦?nèi)部組織和硬度不均勻的材料，硬度值波動較大。3）維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)是將一個(gè)頂角為136 的金剛石

16、正四棱錐壓頭， 在規(guī)定試驗(yàn)力作用下，壓入試件表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，然后根據(jù)壓痕對角線長度來確定試件硬度。所得的硬度值用符號HV 表示。3沖擊性能以很大速度作用于工件上的載荷稱為沖擊載荷。許多機(jī)器零件在工作時(shí)都要受到?jīng)_擊載荷的作用，如火車的起動、剎車以及速度突然改變時(shí)，都會受到?jīng)_擊，剎車愈猛、起動愈猛，沖擊力也就越大。還有一些機(jī)械本身就是利用沖擊能量來工作的，如鍛錘、沖床、鑿巖機(jī)、鉚釘槍等。制造這類零件所用的材料不能單用在靜載荷作用下的指標(biāo)來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料的沖擊性能通過夏比擺錘沖擊試驗(yàn)來測定。GB/T229-1984 中規(guī)定衡量材料沖擊性能的另一指標(biāo)是

17、沖擊韌度（沖擊韌性）ak，按 GB/T10623-89 金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語的解釋，沖擊韌度是試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，單位為J/cm 2?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中已不再提及該指標(biāo)。4疲勞許多機(jī)械零件如軸、齒輪、彈簧、滾動軸承、軋輥等都是在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下工作的。所謂重復(fù)應(yīng)力，是指材料所受的應(yīng)力只是量的變化，即由小變大，再由大變?。凰^交變應(yīng)力，是指材料所受的應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化。承受重復(fù)或交變應(yīng)力的零件，在工作過程中，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂。這種斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，無論是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，

18、事先沒有明顯的塑性變形,很難事先觀察到，因此具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重的事故。疲勞斷裂是一個(gè)裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程，由于材料質(zhì)量或加工過程中造成的缺陷（裂紋、夾雜、劃痕等），在局部造成應(yīng)力集中，超過屈服強(qiáng)度而形成微裂紋。在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下，這些裂紋不斷擴(kuò)展，使材料承受載荷的有效面積不斷減小，當(dāng)減小到不能承受外加載荷作用時(shí)，便產(chǎn)生突然斷裂。大量實(shí)驗(yàn)證明，金屬材料所受的最大交變應(yīng)力越大，則斷裂前所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N （疲勞壽命）越少；反之，最大交變應(yīng)力越小，疲勞壽命N 越大。疲勞強(qiáng)度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。5金屬材料的物理性能金屬材

19、料的物理性能是指金屬材料在重力、溫度、 電磁等物理作用下表現(xiàn)出的性能，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和導(dǎo)磁性等。6全屬材料的化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力，包括耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等。耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下，抵抗周圍介質(zhì)（氧氣、水蒸汽及其它化學(xué)介質(zhì)）侵蝕的能力。7金屬材料的工藝性能工藝性能是指零件制造過程中各種冷熱加工工藝對材料性能的要求，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。金屬材料的工藝性能對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)效率有著重大的作用。四、純金屬的結(jié)晶金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固，由于凝固后的固態(tài)金屬

20、通常是晶體，所以又將這一轉(zhuǎn)變過程稱之為結(jié)晶。無論是非金屬還是金屬，在結(jié)晶時(shí)均遵循著相同的規(guī)律，即結(jié)晶過程是形核與長大的過程。當(dāng)液態(tài)金屬過冷至理論結(jié)晶溫度以下的實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)，晶核并未立即出生，而是經(jīng)過一定時(shí)間后才開始出現(xiàn)第一批晶核。結(jié)晶開始前的這段停留時(shí)間稱為孕育期。隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長大；與此同時(shí)，液態(tài)金屬中又產(chǎn)生第二批晶核，依次類推，原有的晶核不斷長大，同時(shí)又不斷產(chǎn)生新的第三批、第四批品核，就這樣液態(tài)金屬中不斷形核，不斷長大，使液態(tài)金屬越來越少，直到各個(gè)晶粒相互接觸，液態(tài)金屬耗盡，結(jié)晶過程便告結(jié)束。由一個(gè)晶核長成的小晶體，就是一個(gè)晶粒。晶粒的大小對金屬的機(jī)械性能有很大的影響。

21、一般在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度越高，同時(shí)塑性韌性也越好。細(xì)化晶粒對于提高金屬材料的常溫機(jī)械性能作用很大，這種通過細(xì)化晶粒來提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。五、二元合金的相結(jié)構(gòu)1合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)，如黃銅是由銅和鋅組成的合金、鋼鐵是由鐵和碳組成的合金。合金具有較高的強(qiáng)度、硬度及某些優(yōu)異的物理化學(xué)性能和工藝性能，而且價(jià)格低廉，所以它比純金屬得到了更廣泛的應(yīng)用。2組元組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫做組元，簡稱為元。一般說來，組元就是組成合金的元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。例如，黃銅的組元是銅和鋅，青銅的組元是銅和錫，碳鋼的組元是鐵和碳

22、或者是鐵和金屬化合物（Fe3C） 。3相合金中具有相同的結(jié)構(gòu)、成分和性能，并以界面相互分開的組成部分稱為相。如純金屬在固態(tài)時(shí)為一個(gè)相（固相），在熔點(diǎn)以上為另一個(gè)相（液相），在熔點(diǎn)時(shí)為固液兩相共存，兩相之間有界面（相界）分開。又如鐵碳合金在常溫時(shí)的組成相有兩個(gè)：鐵素體相和滲碳體相。由一種固相組成的合金稱為單相合金，由幾種不同固相組成的合金稱為多相合金。4組織合金的組織為合金中相的綜合，即合金中不同形狀、大小、數(shù)量和分布的相，相互組合而成的綜合體，或說組織就是相的機(jī)械混合物。如含碳0.77%的鐵碳合金經(jīng)緩慢冷卻到室溫時(shí)，其組織為鐵素體相和Fe3C 相組成的兩相組織，稱為珠光體組織。5固溶體一種組元

23、均勻地溶解在另一組元中而形成的均勻固相稱為固溶體。形成固溶體時(shí)，由于溶劑晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致塑性變形抗力增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。6合金相圖合金相圖是表示合金系中合金的狀態(tài)與成分、溫度間關(guān)系的圖解，簡稱相圖或稱狀態(tài)圖。相圖是在極緩慢冷卻、接近平衡條件下測繪的，故又稱平衡圖。對二元合金系來說，通常用橫坐標(biāo)表示合金成分，縱坐標(biāo)表示溫度。在成分和溫度坐標(biāo)平面上的任一點(diǎn)稱為表象點(diǎn)。一個(gè)表象點(diǎn)的坐標(biāo)值表示一個(gè)合金的成分和溫度7.杠桿定律在合金的結(jié)晶過程中，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，合金中各個(gè)相的成分及其相對含量都 在不斷地發(fā)生著變化。對于某一具體合金來說，不但要了解相的成分，還需要了解

24、相的 相對含量。利用“杠桿定律”就能確定任何成分的合金在任何溫度下處于平衡狀態(tài)的兩 個(gè)相的成分和相對含量。(1)兩平衡相及其成分的確定如圖3a所示的Cu-Ni二元相圖中，要確定合金I冷卻到溫度 ti時(shí)合金的組成相及其 成分，可通過溫度ti作一水平線，分別與液相線和固相線交于 a、b兩點(diǎn)，表示合金I在 溫度為ti時(shí)，是由液相(L)和固相()所組成，a、b兩點(diǎn)在成分坐標(biāo)軸上的投影 Cl和Ca 即是液固兩相的成分。(2)兩平衡相相對質(zhì)量的確定設(shè)圖3a中合金I的總質(zhì)量為1,當(dāng)溫度為ti時(shí)，液相的質(zhì)量為 Wl,固相質(zhì)量為 Wa。總質(zhì)量等于液相和固相的質(zhì)量之和，即Wl + Wa = 1總含鍥量等于液固兩相

25、含鍥量之和，即WlCl + WC a = C聯(lián)解以上兩式得:wl =w“C a- C rb =一 X100%C - C abC -Cl ar -=X100 %C a- C ab上式與力學(xué)上的杠桿定律相似，其中以r為支點(diǎn)，杠桿兩端質(zhì)量與其臂長成反比,如圖3b)所示，故稱為杠桿定律。圖3杠桿定律及其力學(xué)比喻圖在圖4中，雖然FG點(diǎn)之間的合金均由 和B兩相所組成，但是由于合金成分和 結(jié)晶過程的變化，相的大小、數(shù)量和分布狀況，即合金的組織差別很大，甚至完全不同。 如在FM成分范圍內(nèi)，合金的組織為+ B n ,亞共晶合金的組織為+B n+ ( +B),共晶合金完全為共晶組織(+ B ),過共晶合金的組織為

26、+ + +( +B),在NG點(diǎn)之間的合金組織為B + n。其中的 、B、 n、B n及 (+ 0 )在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨(dú)立部分，這種在顯微組織中能清楚分辨的組成顯微 組織的獨(dú)立部分稱為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由和B兩相所組成，所以 和B兩相就是組成合金組織的基本相，稱為合金的相組成物。圖4 標(biāo)記組織組成物的 Pb-Sn合金相圖合金中的組織組成物或相組成物的相對含量，都可以用杠桿定律來計(jì)算。例如圖 4 中含錫量為30%的亞共晶合金在183c共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，組織為 +( +B),其相對含 量分別為：61.93061 .919=74 .4%M230-19W(B廣

27、西=荷 256%相組成物 和B的相對含量分別為:=_2N一 MN97.5 3097.519=86%Wb =M2MN30-1997.5 -19=14%8.二元合金相圖遵循的規(guī)律根據(jù)前幾節(jié)對各種二元相圖的分析，可以總結(jié)出二元合金相圖一般具有以下規(guī)律：(1)兩個(gè)單相區(qū)只能相交于一點(diǎn)，而不能相交成一條線。(2)兩個(gè)單相區(qū)之間，應(yīng)有一個(gè)兩相區(qū)，且該兩相區(qū)由近鄰兩個(gè)單相區(qū)的相所組成；兩個(gè)兩相區(qū)必定以單相區(qū)或三相共存線隔開。即相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1 (相區(qū)接觸法則,點(diǎn)接觸除外)。(3)三相共存線是一條水平線，每一條水平線必定和三個(gè)兩相區(qū)相鄰，還分別和三個(gè) 單相區(qū)成點(diǎn)接觸，其中一點(diǎn)在線的中間，兩點(diǎn)在兩端。(4)

28、如果兩個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變中有兩個(gè)相同的相，那么在這兩條水平線之間，一定是由這兩個(gè)相組成的兩相區(qū)六、鐵碳合金相圖碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料。1 .鐵碳合金的組元鐵與碳可以形成一系列的化合物，F(xiàn)e3C、Fe2C、FeC等，每一個(gè)穩(wěn)定的化合物都可以看成是一個(gè)組元，因此整個(gè)相圖可以看成是由Fe-FaC、FesC-FezC、F&C-FeC以及FeC-C等四個(gè)二元相圖所構(gòu)成。Fe3c中含碳量為6.69%,超過6.69%C的鐵碳合金脆性 很大，沒有使用價(jià)值，所以工業(yè)上作用的鐵碳合金中含碳量不超過5%,在Fe-Fe3c相圖的成分范圍內(nèi)。因此，我們在研究鐵碳合金時(shí)，僅研究Fe-Fe3c部分。后面討論

29、的鐵碳相圖實(shí)際上就是Fe-Fe3c相圖，其組元是鐵和滲碳體。2 .鐵碳合金中的基本相15381394-J用 M 770R2.113/A+FeaC727r6002307P0.77QF+F3C03.鐵碳合金相圖分析在Fe-Fe3c二元合金系中，存在多種成分不同的鐵碳合金，它們在不同溫度下的平 衡組織是各不相同的，但是它們總是由幾個(gè)基本相所組成。在液態(tài)，鐵和碳可以無限互 溶。在固態(tài)，由于鐵碳合金的基本組元純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，可以形成體心立方品格 和面心立方品格的兩種同素異構(gòu)體。碳溶于鐵的這兩種晶格，形成兩種固溶體，它們是 相圖中的兩個(gè)基本相，即鐵素體和奧氏體。此外，F(xiàn)e3c（亦稱滲碳體）也是Fe-

30、Fe3c相圖的基本相之一。名稱鐵素體（F）奧氏體（A）滲碳體（Fe3c）類型碳溶于 -Fe中形成的間隙固溶體碳溶于TFe中形成的間隙固溶體鐵與碳形成的穩(wěn)定化合物晶格體心立方面心立方斜方晶格含碳量0.0218%0.77 2.11 %6.69%外形不規(guī)則外形晶粒不規(guī)則外形晶粒片、粒、網(wǎng)狀性能塑性、韌性好，強(qiáng)度、硬度低硬度低、塑性好硬而脆鐵碳合金相圖主要是由左上角的包晶轉(zhuǎn)變、右邊的共晶轉(zhuǎn)變及左下角的共析轉(zhuǎn)變?nèi)?部分所構(gòu)成。相圖中的特性線是各不同成分合金具有相同意義的臨界點(diǎn)的連線。1)鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)特性點(diǎn)溫度/c碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%特性點(diǎn)的含義A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)

31、合金的成分點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在丫 Fe中的取大溶斛度點(diǎn)F11486.69共晶滲碳體的成分點(diǎn)G9120“-Fe- 丫 Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A 3)H14950.09碳在& Fe中的取大溶斛度點(diǎn)J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69共析滲碳體的成分點(diǎn)M7700純鐵的磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)N13940r Fe- & Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A 4)O770= 0.50.5%C合金的磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)P7270.0218碳在a- Fe中的取大溶斛度點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)(A i)Q6000.0057600 c時(shí)碳在 %Fe中的溶解度點(diǎn)2)鐵碳合金相圖中的特性線特性

32、線特性線的含義特性線特性線的含義ABCD液相線PQ碳在鐵素體中的溶解度線AHJECF固相線ES(Acm)碳在奧氏體中的溶解度線NH8鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度線，即 碳在8鐵素體中的溶解度曲線HJB包晶轉(zhuǎn)變線ECF共晶轉(zhuǎn)變線JN(A4)8鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度線PSK(AI)共析轉(zhuǎn)變線GS(A3)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度線MO(A2)鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變線GP奧氏體向鐵索體轉(zhuǎn)變終了溫度線230 c水平線(A0)滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線(1)三條等溫轉(zhuǎn)變線相圖中有三條水平線，表示三種等溫轉(zhuǎn)變：包品轉(zhuǎn)變線、共晶轉(zhuǎn)變線、共析轉(zhuǎn)變線。727c的PSK線是共析轉(zhuǎn)變線，S點(diǎn)為共析點(diǎn)。凡含碳 0.0218%的鐵

33、碳合金緩慢冷 卻到727c (Ai)時(shí)均要發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：A0.77(Fo.0218 + Fe3c6.69 )P共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（F+Fe3C）稱為珠光體，用“ P”表示。（ 2）三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線GS 含碳 0.77%的鐵碳合金在冷卻過程中，從奧氏體中析出鐵素體的開始 線，或在加熱過程中鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了線，又稱A 3 線。ES-一一碳在奧氏體中的飽和溶解度曲線（固溶線），又稱Acm線。凡是含碳0.77的鐵碳合金自1148冷至727的過程中，都將從奧氏體中析出滲碳體（稱為二次滲碳體Fe3Cn）。PQ 線碳在鐵素體中的飽和溶解度曲線（固溶線） 。一般鐵碳合金自727冷至室溫時(shí)，將從鐵素體中析出滲

34、碳體（稱為三次滲碳體Fe3CQ。3）鐵碳合金相圖中的相區(qū)相圖中有五個(gè)單相區(qū)，它們是：ABCD 以上液相區(qū)（L） ；AHNA 6鐵素體區(qū)（？；NJESGN奧氏體區(qū)（A或力；GPQ 以左鐵素體區(qū) （F 或 ）；DFK 垂線滲碳體“區(qū)”（Fe3C 或 C）。除單相區(qū)以外，相圖中還有七個(gè)兩相區(qū)，這些兩相區(qū)分別存在于相鄰的兩個(gè)單相區(qū) 之間，它們是：L+L+A、L+Fe3C、濟(jì)A、A+F、A+Fe3c 及 F+FgC。此外，三相共存水平線HJB、 ECF 及 PSK 也可看作是三個(gè)三相區(qū)。4鐵碳合金的分類根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織不同，可將鐵碳合金相圖中所有合金分成三大類：工 業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵。（1）

35、工業(yè)純鐵含碳量小于0.0218%的鐵碳合金。（2）鋼 含碳量為0.0218%2.11%的鐵碳合金。根據(jù)其室溫組織的不同，鋼又分為 三類：亞共析鋼（0.0218%C0.77%C）、共析鋼（0.77%C）、過共析鋼（0.77%C2.11%C）。（3）白口鑄鐵含碳量為2.11%6.69%的鐵碳合金。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鐵（2.1l%C4.3%C）、共晶白口鐵（4.3%C）、過共晶白口鐵（4.3%C 6.69%c）。5不同成分鐵碳合金的室溫組織鐵碳合金的室溫平衡組織是由鐵素體和滲碳體兩相組成，其中鐵素體是軟韌的相，而滲碳體是硬脆相。由相圖可知，隨著含碳量的不斷提高，組織中滲碳體

36、相的數(shù)量相應(yīng) 增加，同時(shí)滲碳體的存在形態(tài)也隨之發(fā)生變化。硬而脆的滲碳體是鐵碳合金的強(qiáng)化相，如果在合金的鐵素體基體上分布的滲碳體量越多、越均勻，則材料的強(qiáng)度、硬度就越高。但是滲碳體相分布在晶界成網(wǎng)狀，特別是作為基體時(shí)，材料的塑性和韌性將急劇下降。1）工業(yè)純鐵所以工業(yè)純鐵的室溫組織為鐵素體和三次滲碳體，具顯微組織如圖6所示。在含碳量小于0.0218%的工業(yè)純鐵中，隨著含碳量的增加， Fe3C的量也增加，在P點(diǎn)處Fe3C 的量達(dá)到最大值：WFe3C田max0.0218 0.00576.690.00570.02186.69= 0.33%2）共析鋼共析鋼是含碳量為 0.77%的鐵碳合金。冷到 727C,

37、在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變 產(chǎn)物為珠光體（P）,它是由鐵素體與滲碳體兩相呈片層相間組成的細(xì)密混合物，珠光體中 的鐵素體和滲碳體稱為共析鐵素體和共析滲碳體。轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時(shí)，共析鐵素體和共析滲碳體的相對含量分別是：WF=SKPK6.69-0.776.690.021888.78%Fe3cPSPK0.770.02186.690.021811 .22%共析鋼的室溫組織就是珠光體。在室溫下，共析鋼中的鐵素體與滲碳體兩相的相對 量可按杠桿定律求得：WF=6.69-0.776.69-0.005788.57%Fe 3c0.770.00576.69-0.005711 .43%3）亞共析鋼室溫組織由先共析鐵素體和珠光

38、體所組成，它們的相對量均可用杠桿定律求得，如 含碳0.45%的合金合金，具組織組成物中先共析鐵素體和珠光體的相對含量分別為（忽 略三次滲碳體）：WF=0.77-0.450.77-0.021842 .77 %Wp =0.45-0.02180.77-0.021857.23%同樣，也可以算出相組成物的相對含量:WF6.69-0.45弋6.69WFe3c = 193.3% = 6.73%4）過共析鋼室溫平衡組織是網(wǎng)狀的二次滲碳體和珠光體含碳量達(dá)到2.11%時(shí)，二次滲碳體的量達(dá)到最大值，其相對量可由杠桿定律算出:WFe3Cnmax2.110.776.690.7722.64%圖6按組織分區(qū)的鐵碳合金相圖6

39、.鐵碳相圖的應(yīng)用選材方面的應(yīng)用在鑄造方面的應(yīng)用在壓力加工方面的應(yīng)用在熱處理方面的應(yīng)用七、金屬的塑性變形金屬材料的鑄態(tài)組織往往具有晶粒粗大且不均勻、組織疏松和成分偏析等缺陷，而 且某些復(fù)雜斷面的產(chǎn)品不能用鑄造直接生產(chǎn)出來，所以金屬材料經(jīng)冶煉澆注后大多數(shù)要 進(jìn)行各種壓力加工（如軋制、鍛造、擠壓、拉絲和沖壓等 ），才能制成滿足用戶所需要的 性能和形狀及尺寸的型材和工件。金屬材料在外力作用下，總會引起變形，變形可以是彈性變形，也可以是塑性變形 彈性變形是在載荷卸除后能夠完全恢復(fù)的變形，是一種暫時(shí)變形；塑性變形是在載荷卸 除后仍殘留在金屬上的變形，是一種永久變形。金屬材料經(jīng)壓力加工產(chǎn)生塑性變形后， 不僅

40、改變了其外形尺寸，而且也使內(nèi)部組織和性能發(fā)生變化。1 .單晶體的塑性變形當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，金屬將產(chǎn)生塑性變形。單晶體塑性變形最基本的方式有滑移和學(xué)生。晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生滑動的現(xiàn)象叫做滑移。塑性變形的另一種重要方式是學(xué)生。當(dāng)晶體在切應(yīng)力的作用下發(fā)生學(xué)生變形時(shí)，晶體的一部分沿一定的結(jié)晶面（孿晶面或?qū)\生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分晶體作均勻地切變，在切變區(qū)域內(nèi)，與孿晶面平行的每層原子的切變量與它距孿晶面的距離成正比，并且不是原子間距的整數(shù)倍。這種切變不會改變晶體的點(diǎn)陣類型，但可使變形部分的位向發(fā)生變化，并與未變形部分的晶體以孿晶面為分界面構(gòu)成了鏡面對稱

41、的位向關(guān)系。通常把對稱的兩部分晶體稱為孿晶，或稱雙晶，而將形成孿晶的過程稱為孿生，一般說來，孿生的臨界分切應(yīng)力要比滑移的臨界分切應(yīng)力大得多，只有在滑移很難進(jìn)行的條件下，晶體才進(jìn)行孿生變形。但是， 由于孿生后變形部分的晶體位向發(fā)生改變，可使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，這樣就可以激發(fā)起晶體的進(jìn)一步滑移。這樣，滑移和孿生兩者交替進(jìn)行，即可獲得較大的變形量。2多晶體的塑性變形機(jī)構(gòu)基于上述多晶體的變形特點(diǎn)，金屬的塑性變形機(jī)構(gòu)，可歸結(jié)為兩大類，即晶內(nèi)變形機(jī)構(gòu)和晶間變形機(jī)構(gòu)。1 ）晶內(nèi)變形機(jī)構(gòu)這種變形機(jī)構(gòu)主要有滑移、孿生和亞晶。2 ）晶間變形機(jī)構(gòu)A 晶粒的轉(zhuǎn)動與移動B 非晶機(jī)構(gòu)（又稱為熱塑性

42、機(jī)構(gòu)）八、塑性變形對金屬性能的影響金屬及合金的變形按變形溫度可分為冷變形和熱變形。冷變形是指變形溫度在再結(jié)晶溫度以下的變形，而熱變形是指在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形。1冷塑性變形對金屬性能的影響在冷變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性下降（這一現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強(qiáng)化）。為了消除這種硬化現(xiàn)象以便繼續(xù)進(jìn)行冷變形加工，中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火處理。2回復(fù)與再結(jié)晶金屬與合金在冷塑性變形時(shí)所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)變成熱而散發(fā)掉，只有一小部分能量以彈性應(yīng)變和增加金屬中晶體缺陷（空位和位錯等）的形式儲存起來。形變溫度越低，形變量越大，則儲存能越高。在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)，

43、它具有向形變前的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，但在常溫下，原子的活動能力很小，使形變金屬的亞穩(wěn)狀態(tài)可維持相當(dāng)長的時(shí)間而不發(fā)生明顯變化。如果溫度升高，原子有了足夠高的活動能力，那么，形變金屬就能由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而引起一系列的組織和性能變化，這種變化隨溫度的升高可分為三個(gè)階段，即回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大 （也稱聚集再結(jié)晶 ）。再結(jié)晶是指經(jīng)冷變形后的金屬在加熱到較高溫度時(shí)，在原來的變形組織中重新形成無畸變的等軸晶，而性能也發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過程。它是通過新晶核的形成和長大而進(jìn)行的，如同再一次的結(jié)晶過程，故稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶晶核的形成與長大都需要原子的擴(kuò)散，因此必須將冷變形金屬加熱到一

44、定溫度（再結(jié)晶溫度）之上，足以激活原子，使其能進(jìn)行遷移時(shí)，再結(jié)晶過程才能進(jìn)行。通常把再結(jié)晶溫度定義為：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形（變形度在70以上）的金屬，在約一小時(shí)的保溫時(shí)間內(nèi)能夠完成再結(jié)晶（95%轉(zhuǎn)變量）的最低溫度。如碳鋼 T再= 450500。3金屬的熱加工從金屬學(xué)的角度來看，所謂熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程，也稱熱變形，如熱軋、熱鍛、熱拔等；在再結(jié)晶溫度以下的加工過程稱為冷加工或冷變形，如冷軋、冷拔等。例如鉛的再結(jié)晶溫度低于室溫（-3C）,因此，在室溫下對鉛進(jìn)行加工屬于熱加工，鎢的再結(jié)晶溫度約為1200 ，因此，即使在1000 拉制鎢絲也屬于冷加工。熱加工過程中，在金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬

45、化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過程。不過，這時(shí)的回復(fù)再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生的，因此稱為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，而把變形中斷或終止后的保溫過程中，或者是在隨后的冷卻過程中所發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。它們與前面討論的冷變形后的加熱過程中發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶（也屬于靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶）一致，唯一不同的地方是它們利用熱加工的余熱進(jìn)行，而不需重新加熱。九、金屬的斷裂當(dāng)金屬塑性變形達(dá)到一定程度后，繼續(xù)變形時(shí)就有可能發(fā)生斷裂。斷裂是金屬材料在外力的作用下喪失連續(xù)性的過程，它包括完全斷裂和不完全斷裂。完全斷裂是指在應(yīng)力作用下使金屬分成兩個(gè)或幾個(gè)部分的現(xiàn)象；不完全斷裂是指在應(yīng)力作用下金屬內(nèi)部產(chǎn)生裂

46、紋的現(xiàn)象。任何一種斷裂都是由裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)基本過程組成。根據(jù)材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形，用肉眼或低倍顯微鏡觀察時(shí)，斷口呈暗灰色，纖維狀。由于韌性斷裂前發(fā)生明顯塑性變形，它將預(yù)先警告人們注意，因此一般不會造成嚴(yán)重事故。脆性斷裂是一種突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。歷史上曾發(fā)生過大量脆斷事故，如美國油船脆斷沉沒，澳大利亞大鐵橋斷毀，法國核電站壓力容器和英國核電站大型鍋爐爆炸，都是由脆性斷裂而造成的嚴(yán)重事故。脆性斷裂一般具有如下特點(diǎn)：(1) 脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)

47、力很低，一般低于材料的屈服極限；(2) 脆斷的裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始；(3) 溫度降低，脆斷傾向增加；(4) 脆性斷口平齊而光亮，且與正應(yīng)力垂直。通常脆性斷裂前也會發(fā)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5者為脆性斷裂，這種材料稱為脆性材料，反之大于5者為韌性斷裂。十、鋼的熱處理熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫一段時(shí)間，然后在一定的介質(zhì)中冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。熱處理能有效改善組織和性能，但并不是所有的金屬和合金都能進(jìn)行熱處理。原則上只有在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生溶解度顯著變化或者發(fā)生類似純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即有固態(tài)相交發(fā)生的合

48、金才能進(jìn)行熱處理。純金屬、某些單相合金等由于沒有固態(tài)相變，故不能通過熱處理來強(qiáng)化，只能采用加工硬化的方法。熱處理時(shí)各臨界點(diǎn)的含義如下：Ac i加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度；Ari冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度；AC3亞共析鋼加熱時(shí)鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度；Ar3亞共析鋼冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開始溫度；Accm 過共析鋼加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度；Arcm 過共析鋼冷卻時(shí)奧氏體析出二次滲碳體的開始溫度。1熱處理的分類根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理 (退火、 正火、 淬火和回火)、 表面熱處理(表面淬火和化學(xué)熱處理)及形變熱處理

49、等。按照熱處理在零件整個(gè)生產(chǎn)工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。2連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線許多熱處理工藝是在連續(xù)冷卻過程中完成的，如爐冷退火、空冷正火、水冷淬火等等；鋼在鑄造、鍛軋、焊接之后，也大多采用空冷、坑冷等連續(xù)冷卻方式。所謂連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指在一定冷卻速度下，過冷奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變。在連續(xù)冷卻過程中，過冷奧氏體同樣能進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變時(shí)所發(fā)生的四種轉(zhuǎn)變，即：先共析轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變，共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線最為簡單，只有珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，說明共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)沒有貝氏體形成，如圖7 所示。圖中珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)左邊一條線叫過冷奧氏體

50、轉(zhuǎn)變開始線，右邊一條線叫過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線，下面一條線叫過冷奧氏體轉(zhuǎn)變中止線。Ms和冷速vk線以下為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)圖7 共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 C-曲線由圖7還可看出，過冷奧氏體連續(xù)冷卻速度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變及室溫組織亦不同： 當(dāng)以很慢速度冷卻時(shí)（如 V1和V2）,發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度較高，轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了的 時(shí)間很長。冷卻速度增大，發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度降低，轉(zhuǎn)變開始和終了的時(shí)間縮短，而轉(zhuǎn)變 經(jīng)歷的溫度區(qū)間增大。但是，只要冷卻速度小于冷卻曲線Vk,冷卻至室溫將得到全部珠光體組織，只是組織彌散程度不同而已。如果冷卻速度在Vk和Vk之間（如V3）,當(dāng)冷至珠光體轉(zhuǎn)變開始線時(shí)，開始發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，但冷至過冷奧氏體轉(zhuǎn)變

51、中止線，則中止珠 光體轉(zhuǎn)變，繼續(xù)冷卻至 Ms點(diǎn)以下，未轉(zhuǎn)變的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。室溫組織為珠光體 加馬氏體。如果冷卻速度大于 Vk（如V4）,奧氏體過冷至Ms點(diǎn)以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，冷 至Mf點(diǎn)，轉(zhuǎn)變終止，最終得到馬氏體加殘余奧氏體組織。由此可見，冷卻速度Vk和vk是獲得不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的分界線。V k表示過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解，而全部過冷至Ms點(diǎn)以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，稱為上臨界冷卻速度，又稱臨界 淬火速度，V k表示過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度，又稱下臨界冷卻速度。3.普通熱處理1）鋼的退火退火就是將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷

52、卻（爐冷、坑冷、灰 冷）到600 c以下再空冷到室溫，得到接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝，也叫“炯 火”。實(shí)際生產(chǎn)中，退火工藝的種類很多。其中加熱到Aci點(diǎn)以上的退火，稱為“重結(jié)晶退火”，還有一些加熱到 Aci點(diǎn)以下的退火，統(tǒng)稱為“低溫退火”，2）鋼的正火正火是將鋼加熱到 AC3或Accm以上適當(dāng)溫度進(jìn)行完全奧氏體化，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝,也叫“?；薄Ｕ鹛幚淼募訜釡囟韧ǔＴ?AC3或Accm以上3050 C,高于一般退火的溫度。 對 于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，可采用更高的加熱溫度，即為AC3以上100150 C,讓碳化物充分溶解。3）鋼的淬

53、火將鋼加熱至臨界點(diǎn) AC3或Aci以上一定溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝叫做淬火。淬火工藝的實(shí)質(zhì)是奧氏體化后進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，淬火鋼的組織主要由馬氏體組織，同時(shí)還有少量殘余奧氏體和未溶的第二相。從原理上說，只有發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理過程才能叫作淬火。但是，淬火這一術(shù)語，現(xiàn)在用得很廣泛，凡是奧氏體化以后在水中、油中或低溫鹽浴中快速冷卻的工藝過程，都叫作淬火。在這廣義的淬火過程中，可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，也可能發(fā)生 貝氏體轉(zhuǎn)變，還可能不發(fā)生任何轉(zhuǎn)變，將奧氏體固定到室溫。（ 1）淬火加熱溫度淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便淬

54、火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。A 亞共析鋼淬火加熱溫度亞共析鋼必須加熱到 Ac3以上進(jìn)行完全淬火，加熱溫度一般為：AC3+30-70 CoB 共析鋼、過共析鋼共析鋼、過共析鋼的淬火加熱溫度一般為：Aci+3070 C。（ 2）鋼的淬透性A 淬透性的概念鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層的深度表示。除Co外，合金元素能溶入 A,增加過冷A的穩(wěn)定性，使C曲線右移，減小了臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。常用來提高鋼的淬透性的元素（由強(qiáng)到弱排列）有：Mo、Mn、 W、 Cr、 Ni、 Cu、 Si、 V、 Al。B 淬透性和淬硬性及淬透層深度的區(qū)別a 鋼的淬透性和淬硬性的區(qū)別淬透性表示鋼淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，它反映鋼的過冷奧氏體穩(wěn)定性，即與鋼的臨界冷卻速度有關(guān)。過冷奧氏體越穩(wěn)定，臨界淬火速度越小，鋼在一定條件下淬透層深 度越深，則鋼的淬透性越好。淬硬性表示鋼淬火后能夠達(dá)到的最高硬度，它主要取決于馬氏體中的含碳量。馬氏體中含碳量越高，鋼的淬硬性越高。顯然，淬透性和淬硬性并無必然聯(lián)系，例如高碳工具