機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)

機(jī)械工程材料及成型基礎(chǔ)第一

章金屬的性能

與結(jié)構(gòu)1.1金屬的性能前言：金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中最常用的材料。在各種交通運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械、石油化工機(jī)械、冶金設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備中，金屬制品大約占90％。金屬材料之所以獲得如此廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)樗哂兄圃鞕C(jī)械零部件所需的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，而且還可用較為簡(jiǎn)便的加工工藝制成機(jī)械零件，即具有良好的工藝性能。1.1.1金屬的使用性能1．物理性能

金屬及合金的物理性能主要有密度、熱膨脹性、導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)和金屬光澤等。

金屬具有高的導(dǎo)熱性。金屬中的正離子不停地在自己的平衡位置上迸行熱振動(dòng)是熱傳遞的一種形式，自由電子的自由運(yùn)動(dòng)是熱能傳遞的另一種重要形式，這兩種熱傳遞形式的疊加是金屬具有高導(dǎo)熱性的原因。

金屬具有高的導(dǎo)電性。金屬中的自由電子在不停地迸行運(yùn)動(dòng)，那么，在微弱的電場(chǎng)的作用下，金屬中的自由電子便可作定向的加速運(yùn)動(dòng)，形成電流，這就是金屬具有良好的導(dǎo)電性的原因。

金屬的可鍛性。所謂金屬的可鍛性就是指金屬在外力作用下，能夠發(fā)生塑性變形的能力，也就是在外力的作用下，金屬晶體中各層原子間發(fā)生相對(duì)位移的能力。由于金屬是在正離子和自由電子的電力作用下結(jié)合在一起的，因而，當(dāng)受到外力作用發(fā)生塑性變形時(shí)，金屬仍能保持金屬鍵的結(jié)合力使其具有產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。

金屬具有金屬光澤。自由電子很容易被可見(jiàn)光所激發(fā)，在可見(jiàn)光的作用下，自由電子能夠躍遷到較高的能量級(jí)，當(dāng)它們?cè)僦匦禄氐皆瓉?lái)的低能量級(jí)時(shí)，就把它們所吸收的可見(jiàn)光的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)，這在金屬的宏觀表面上就表現(xiàn)為金屬光澤。在不同條件下工作的機(jī)器零件要求有不同的物理性能。例如，航空航天、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星需選用一些比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度密度）較大的合金，如用鋁合金、鈦合金等來(lái)制造，則會(huì)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高飛行速度，具有極大的優(yōu)越性。再如，導(dǎo)線就需用導(dǎo)電性良好的銅、鋁來(lái)制作，永久性磁鐵、通信器材等需用磁性金屬制造。在熱加工中也應(yīng)考慮到材料的某些物理性能，如導(dǎo)熱性差的高速鋼在鍛造過(guò)程中應(yīng)采用較低的加熱速度，以免產(chǎn)生裂紋；又如不同熔點(diǎn)的合金，其熱加工的工藝規(guī)范也有很大的不同。

2．化學(xué)性能

這是指金屬及合金在室溫或高溫下抵抗各種介質(zhì)化學(xué)作用的能力，如耐蝕性、耐熱性等。金屬材料在酸、堿或海水中及潮濕大氣中工作時(shí)易受腐蝕，每年約損失10％。因此，提高金屬的耐蝕性或采用其他防腐措施對(duì)節(jié)約金屬有重大意義。對(duì)于化工設(shè)備、醫(yī)療器械應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的不銹鋼，對(duì)于燃?xì)鉁u輪葉片宜采用高溫抗氧化能力強(qiáng)和具有高溫強(qiáng)度的鉻鎳鋼或鎳基耐熱合金等制造。

3．力學(xué)性能

硬度、靜力拉伸的一些性能（σb，σs，σ，φ）、沖擊韌性、抗疲勞極限都屬于金屬和合金的力學(xué)性能。最廣泛使用的非破壞性檢驗(yàn)是硬度試驗(yàn)，通過(guò)硬度又可換算出金屬和合金的強(qiáng)度值。有幾種不同的測(cè)量硬度的方法。

布氏硬度測(cè)定法是用直徑為D的鋼球，用載荷F作用到被測(cè)物體上，則其硬度值HB是載荷F同壓痕直徑d的面積之比（圖1.1）：式中，F(xiàn)-載荷（N);

D-鋼球直徑（mm);

d-壓痕直徑（mm）。

圖1.1布氏硬度的原理一、布氏硬度的單位為MPa

，但習(xí)慣上不標(biāo)出單位。在實(shí)際應(yīng)用中一般不是直接計(jì)算HB，而是根據(jù)測(cè)量的d值在相關(guān)的表中直接查出布氏硬度值。

用淬火鋼球作為壓頭測(cè)出的硬度值以HBS表小，適用于測(cè)量硬度小于450HB的材料，如結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵和有色金屬等；用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值以HBW表小，適用于測(cè)量硬度不超過(guò)650HB的材料。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)。

二、洛氏硬度測(cè)定法是壓頭（頂角是120的金剛石圓錐或直徑1.59mm的鋼球）在一定的載荷作用下壓入試樣表面，硬度值HR與壓頭壓入深度呈反比（如圖1-2所示）。卸除載荷后，根據(jù)壓痕的深度h=h1－h(huán)0，確定被測(cè)材料的洛氏硬度，該值可以直接從硬度計(jì)上的顯示器上讀出。圖1.2洛氏硬度的原理

用金剛石錐體壓頭和總載荷為588.4N下測(cè)得的硬度值以HRA表示，適用于測(cè)量高硬度的材料，如硬質(zhì)合金；用淬火鋼球壓頭和總載荷為980.7N下測(cè)得的硬度值以HRB表示，適用于測(cè)量較軟的材料，如退火鋼、正火鋼或有色金屬等；用金剛石錐體壓頭和總載荷為1471N下測(cè)得的硬度值以HRC表示，適用于測(cè)量淬火鋼等硬材料。三種洛氏硬度中，以HRC應(yīng)用得最多。

洛氏硬度測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕小，可在成品零件上檢測(cè)，也可測(cè)定較薄的工件或表面有較薄硬化層的硬度。但由于壓痕比較小，易受材料微區(qū)不均勻的影響，因而數(shù)據(jù)的重復(fù)性比較差。三、維氏硬度測(cè)定法能夠測(cè)定軟的材料的硬度，也能測(cè)定高硬度的材料，其硬度值HV是根據(jù)金剛石壓頭的壓痕對(duì)角線來(lái)決定的。維氏硬度測(cè)定原理基本上與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕凹陷單位面積上的力為硬度值，但維氏硬度使用的是錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形（圖1-3）。測(cè)量壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，計(jì)算壓痕的面積Av，用HV表示維氏硬度：式中F——載荷（N）；

Av——壓痕面積（mm2）。維氏硬度的單位為MPa，一般不標(biāo)。圖1.3維氏硬度的原理

維氏硬度所用的載荷小，壓痕深度淺，測(cè)量精確度高于布氏硬度和洛氏硬度，適用于測(cè)量較薄的材料或表面硬化層、金屬鍍層的硬度。由于維氏硬度的壓頭是金剛石角錐，載荷可調(diào)范圍大，所以維氏硬度可用于測(cè)量從軟到硬的各種工程材料，測(cè)定范圍0~1000HV。

在拉伸試驗(yàn)機(jī)上所進(jìn)行的靜力試驗(yàn)就能夠測(cè)定材料的力學(xué)性能（如圖1-4、1-5所示）。圖1.5低碳鋼的拉伸曲線圖1.4靜拉伸試驗(yàn)的試樣

屈服極限（s）是試樣在拉伸過(guò)程中，在載荷不增加的情況下，仍繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形的恒定載荷除以原橫截面面積所得的應(yīng)力，其表達(dá)式：s=Fs（屈服載荷）/S0（原橫截面面積）。當(dāng)拉伸曲線上不出現(xiàn)平臺(tái)線段時(shí)，則用條件屈服極限（0.2）表示，即發(fā)生試樣長(zhǎng)度0.2%殘余變形的應(yīng)力。更高的載荷導(dǎo)致更大的塑性變形，發(fā)生在試樣斷裂之前的應(yīng)力稱為“強(qiáng)度極限”b（Fb/S0）。

材料的塑性是用延伸率和斷面收縮率來(lái)表示的。延伸率=(Lk-L0)/L0*100%，式中，L0—試樣的原有長(zhǎng)度；Lk—斷裂后的試樣長(zhǎng)度。斷面收縮率=（S0-Sk）/S0，式中，S0—試樣的原有橫截面面積；Sk—斷裂后的試樣橫截面面積。

材料能夠抵抗沖擊載荷的能力稱為“沖擊韌性“。沖擊韌性是用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定的，其表達(dá)式為：沖擊韌性k=Ak（沖擊載荷使切口試樣斷裂所做的功）/S（試樣切口處的截面積）（如圖1-6所示）。圖1-6V型缺口試樣的沖擊試驗(yàn)

在重復(fù)或交變載荷作用下，金屬中產(chǎn)生的損傷逐漸積累引起了裂紋的形成和斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞”。金屬抵抗疲勞的這種性能稱為“抗疲勞強(qiáng)度”。因?yàn)樵囼?yàn)條件與機(jī)器零件的實(shí)際工作條件之間總是存在著很大的差異，所以對(duì)機(jī)器零件來(lái)說(shuō)，較能客觀地反映材料在使用過(guò)程中的安全性是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。機(jī)器零件材料在具體的使用條件下能夠保證其正常工作的強(qiáng)度稱為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中，首先要考慮的是可靠性，其次是壽命。

在機(jī)器零件的設(shè)計(jì)中，如何保證材料使用中的可靠性，首先要考慮的是材料的脆性起點(diǎn)溫度，因?yàn)槔浯嘈云瘘c(diǎn)溫度是象征材料在一定的低溫條件下要發(fā)生脆性斷裂的傾向性，這樣，在冷脆性起點(diǎn)溫度與使用的工作溫度之間必須留有較大的韌性儲(chǔ)備溫度范圍，這才能降低材料脆性斷裂的傾向性，并降低材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性。韌性溫度儲(chǔ)備愈大，則脆性斷裂的危險(xiǎn)性就會(huì)愈小。表示脆性斷裂傾向的沖擊韌性是表示材料中裂紋的形成和裂紋的擴(kuò)展所作功的總和，這種功愈大，則機(jī)器零件產(chǎn)生脆性斷裂的傾向性就會(huì)愈小。

在機(jī)器零件的工作壽命中，首先暴露出來(lái)的是疲勞強(qiáng)度，這里應(yīng)該指出的是，零件表面加工的愈好，則抗疲勞極限就會(huì)愈高，除此之外，進(jìn)行化學(xué)熱處理，和能夠使表面形成壓應(yīng)力的其它強(qiáng)化處理都能提高抗疲勞極限，并降低對(duì)應(yīng)力集中源的敏感性。在很多情況下，是由于零件接觸面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦引起的零件磨損而限制了機(jī)器零件的壽命。有各種各樣的磨損，如機(jī)械磨損，腐蝕機(jī)械磨損，侵蝕磨損和疲勞磨損。疲勞磨損也稱為“接觸疲勞”。齒輪，滾動(dòng)軸承及其它一些機(jī)械零件的表面層接觸疲勞強(qiáng)度不夠，往往就要提前退役，從而降低了零件的使用壽命。1.1.2金屬的工藝性能

金屬的工藝性能是指它在不同的制造工藝條件下所表現(xiàn)出的承受加工的能力，它是物理、化學(xué)和力學(xué)性能的總和。按工藝方法不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理工藝性能和切削加工性能等。

在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都應(yīng)考慮材料的工藝性能，例如灰口鑄鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，但不能承受鍛造，而且焊接性也較差，因此它廣泛用于制造形狀復(fù)雜的鑄件；低碳鋼的鍛造性能和焊接性都很好，多用于制造各類鍛壓件和焊接構(gòu)件；高碳鋼的焊接性很差，不宜制作焊接件，卻宜于作為刃具、量具等材料。熱處理工藝性能包括淬透性、淬硬性、變形與開(kāi)裂、過(guò)熱與過(guò)燒、回火穩(wěn)定性、氧化等。熱處理工藝性能的好壞，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且是生產(chǎn)中最后一道工序，應(yīng)特別引起重視，否則前功盡棄。

在單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，材料工藝性的好壞，并不顯得重要，但在大批量生產(chǎn)條件下希望達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模的要求，往往成為選材中起決定作用的因素之一。1.1.3強(qiáng)化金屬材料的方法

提高金屬材料的強(qiáng)度就能夠延長(zhǎng)機(jī)器和設(shè)備的使用壽命，減輕它們的重量，增加使用的可靠性，并能節(jié)省和降低材料的消耗。當(dāng)今強(qiáng)化金屬材料的方法是：靠提高位錯(cuò)密度，創(chuàng)造阻擋位錯(cuò)移動(dòng)的條件；靠位錯(cuò)和合金元素原子的相互作用；靠亞晶細(xì)化；靠形成碳化物、氮化物彌散微粒等。最先進(jìn)的強(qiáng)化方法要算是合金化，熱處理和形變熱處理，變形強(qiáng)化等。一、得到無(wú)組織缺陷的金屬也是提高金屬?gòu)?qiáng)度的一種方法，例如，通常所說(shuō)的“晶須”，無(wú)位錯(cuò)缺陷的鐵晶須的強(qiáng)度可達(dá)到13000MN/m2，而工業(yè)純鐵的強(qiáng)度是300MN/m2。提高金屬?gòu)?qiáng)度的另一種方法是提高各種缺陷數(shù)量（提高密度），其中包括位錯(cuò)。隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加；金屬的強(qiáng)度首先是降低，而以后是提高。單位體積（cm3）中位錯(cuò)長(zhǎng)度之和稱為“位錯(cuò)密度”。位錯(cuò)密度以cm-2表示，退火金屬所固有的位錯(cuò)密度等于106~108cm-2，位錯(cuò)密度等于1012~1013cm-2是金屬位錯(cuò)密度的臨界值，金屬中的位錯(cuò)密度高于1012~1013cm-2要導(dǎo)致金屬中裂紋的形成。位錯(cuò)密度在106~108cm-2到1010~1012cm-2的范圍內(nèi)，則隨著位錯(cuò)密度的增大，金屬的強(qiáng)度要提高，這是由于位錯(cuò)與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的相互作用而引起的。二、合金元素對(duì)金屬的強(qiáng)化作用有這樣兩種情況：一種情況是合金元素與基體金屬的相互作用形成固溶體，而導(dǎo)致強(qiáng)度的提高；另一種情況是合金化引起強(qiáng)度更高的新相的形成，更希望新相沿晶界呈網(wǎng)狀的形式或呈骨架的形式析出。在碳的影響下，鐵的強(qiáng)度變化就能說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，隨著鐵中含碳量的增多，相的成分變了，強(qiáng)度就提高了。使用熱處理強(qiáng)化的可能性決定于狀態(tài)圖的類型，并取決于合金元素在基體金屬中的溶解度，以及金屬中的同素異型轉(zhuǎn)變，由于加熱溫度和冷卻條件的不同，而分成了很多種熱處理方法。硬度150~200HBS的碳鋼進(jìn)行熱處理的結(jié)果就可以作為例子，熱處理（淬火）后，它的硬度提高了2.5~3倍。三、化學(xué)熱處理是鋼的一種表面強(qiáng)化方法之一，通過(guò)化學(xué)熱處理可以改變金屬表面層的化學(xué)成分，組織和性能，這種處理的結(jié)果，就提高了硬度，抗疲勞極限，耐磨性，接觸強(qiáng)度，抗腐蝕穩(wěn)定性等。例如，很多機(jī)器零件（齒輪，軸，軸承等）是在磨損和沖擊條件下工作，對(duì)這些零件來(lái)說(shuō)，就需要有硬而耐磨的表面，和較軟的心部，化學(xué)熱處理就是這類零件的一種很好的強(qiáng)化方法。四、塑性變形強(qiáng)化（滾壓，噴丸等）主要用于一些不能用熱處理強(qiáng)化的合金和提高抗疲勞極限。在足夠的塑性下還要得到高強(qiáng)度，這就得采用形變熱處理，形變熱處理是把形變和淬火結(jié)合在一起的工藝過(guò)程，這種處理之后，除提高強(qiáng)度外，還能提高屈服強(qiáng)度1.5~2倍。近幾年在強(qiáng)化合金的工藝方法上，還采用超聲波處理，磁場(chǎng)處理，高能離子輻射，激光處理等。1.2金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.晶體結(jié)構(gòu)

液體金屬結(jié)晶時(shí)（慢冷），其原子在空間中總是進(jìn)行有規(guī)則的排列，形成了結(jié)晶體，并組成了晶格。結(jié)晶體的性能是各向異性的，即它們?cè)诓煌姆较蛴胁煌男阅埽@種現(xiàn)象要以在不同的晶面上有不同的原子數(shù)量來(lái)解釋。

金屬具有不同的晶格類型，經(jīng)常遇到的是三種晶格類型：體心立方晶格，面心立方晶格和密排六方晶格。組成各種晶體的基本晶胞可用圖2-1表示。借助于這些晶胞就可建立金屬晶體的結(jié)構(gòu)概念。圖1.7

金屬的晶胞

圖a圖b圖ca——體心立方；b.——面心立方；c.——密排六方

在體心立方晶格的基本晶胞中共有9個(gè)原子，8個(gè)原子分布在晶胞的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上，而1個(gè)原子分布在晶胞的中心位置上。鋰，鈉，鉀，銣，釩，鉬，鎢，-鐵等都具有這種晶格類型。在面心立方晶格的基本晶胞中共有14個(gè)原子，其中8個(gè)原子分布在基本晶胞的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上，6個(gè)原子分布在晶胞六個(gè)面的中心位置上。鉛，鎳，銀，金，銅，鋁，-鐵等具有這種晶格。

在密排六方晶格的基本晶胞中含有17個(gè)原子，各個(gè)結(jié)點(diǎn)上分布著12個(gè)原子，上、下底面的中心位置上各1個(gè)原子，另外，在上、下底面之間的中間平面上還有3個(gè)原子。鈹，鎂，鋅，鎘等具有這種晶格。2.晶格缺陷

在金屬晶體中總是存在結(jié)構(gòu)的缺陷，這種缺陷就導(dǎo)致晶格中原子正確排列的破壞。晶格缺陷的存在會(huì)直接影響到金屬的性能。根據(jù)缺陷的特征，晶格缺陷又分為：點(diǎn)缺陷，線缺陷和面缺陷。

空位和間隙原子屬于點(diǎn)缺陷。我們都知道，存在于晶格結(jié)點(diǎn)上的原子在不停地進(jìn)行熱振動(dòng)，加熱就能增大這種振動(dòng)的振幅。在晶格上的大多數(shù)原子都具有同樣的能量（平均能），但是，一些個(gè)別原子所具有的能量可能就超過(guò)了這種平均能，這樣，這種個(gè)別原子就能夠從原有位置跑到另一個(gè)位置，特別是靠近表面的那些原子要跑到表面上，而離表面較遠(yuǎn)的原子再去占據(jù)它們的位置。跑掉的原子空出來(lái)的位置就稱為“空位”。隨著溫度的升高，空位數(shù)量會(huì)增多。在金屬和合金中所發(fā)生的原子擴(kuò)散過(guò)程，空位起到了很重要的作用。

金屬原子從晶格結(jié)點(diǎn)上跑到了晶格結(jié)點(diǎn)之間就形成了間隙缺陷，存在于結(jié)點(diǎn)之間的原子就稱為“間隙原子”（圖1.8）。點(diǎn)缺陷的存在要引起晶格的歪扭。晶格中的位錯(cuò)稱為“線缺陷”。位錯(cuò)有刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)兩種（圖1.9）。刃型位錯(cuò)是晶格的局部歪扭，螺旋位錯(cuò)是由于這種位錯(cuò)的形成過(guò)程具有螺旋形特征。金屬的結(jié)晶過(guò)程中，熱處理和化學(xué)熱處理時(shí)，塑性變形與相變過(guò)程中都能形成位錯(cuò)。原子移動(dòng)率大是位錯(cuò)的特征，這與位錯(cuò)區(qū)的晶格是彈性歪扭狀態(tài)，而要移動(dòng)的原子總是趨向于要移動(dòng)到平衡位置有關(guān)。不僅位錯(cuò)密度要影響到金屬的性能，就是位錯(cuò)在金屬中的分布情況也要直接影響到金屬的性能。圖1.8

金屬晶格中的點(diǎn)缺陷a)刃型位錯(cuò)的立體模型b)刃型位錯(cuò)的平面圖圖1.9

線缺陷

金屬中的晶界和亞晶界稱為“面缺陷”，因?yàn)榫Ы绾蛠喚Ы缣幵拥呐帕幸染Я?nèi)更不規(guī)則（圖1.10）。圖1.10

面缺陷

在金屬與合金中存在著的各種晶格缺陷都要直接影響到它們的性能。3.晶面與晶向的表示方法

金屬晶體中各個(gè)方位上的原子面稱為“晶面”，各個(gè)方向上的原子列稱為“晶向”。金屬的性能往往都與晶面上原子的排列情況和晶向上原子的分布特點(diǎn)有關(guān)。因此，要對(duì)各個(gè)晶面和晶向規(guī)定一定的符號(hào)，以此可以表示出它們?cè)诰w中的位置和方向。用來(lái)表示晶面和晶向的這種符號(hào)稱為“晶面指數(shù)”和“晶向指數(shù)”。要確定晶面的位置，就得用h，k，l指數(shù)。確定晶面指數(shù)的方法如下：以晶格中的某一個(gè)原子為原點(diǎn)，通過(guò)原點(diǎn)平行于晶胞的三個(gè)邊作OX，OY，OZ三坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a，b，c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的長(zhǎng)度單位，求出要確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距，然后取三截距值之倒數(shù)，再把三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，把這三個(gè)整數(shù)加上一個(gè)圓括號(hào)，這就是晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般表達(dá)式即（hkl）。用圖1.11a舉例說(shuō)明。從圖中可以看出，立方體的每一個(gè)晶面都只通過(guò)一條軸，這時(shí)，這些截距就等于（1，，）；（，1，）；（，，1），再取這些截距的倒數(shù)，就相應(yīng)地等于(1，0，0)；(0，1，0)；(0，0，1)，把晶面指數(shù)hkl寫到圓括弧內(nèi)，即（100），（010），（001），就確切地表示出相應(yīng)的晶面。圖a.晶面指數(shù)圖b.晶向指數(shù)圖1.11

立方晶格的晶面和晶向指數(shù)在立方晶格中，除立方的幾個(gè)側(cè)面外，還有（111）晶面和（110）晶面。在面心立方晶格中，原子密度最大的晶面是（111）晶面，而在體心立方晶格中，（110）晶面是原子排列密度最大的晶面。（1）晶向的確定。確定晶向時(shí)，先在晶體中引一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，使其平行于所求的晶向，求出該直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值，再把三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)值，加上方括弧，就是所求的晶向指數(shù)，其一般表達(dá)式是[uvw]。在圖1.11b中，立方體的主要晶向指數(shù)是平行于X軸方向的[100]晶向，平行于Y軸方向的[010]晶向，平行于Z軸方向的[001]晶向軸，還有側(cè)面的對(duì)角線晶向指數(shù)[110]，[101]，[110]，和晶胞對(duì)角線的晶向指數(shù)[111]。（2）晶體性能的各向異性。由于晶體中各個(gè)晶面和晶向上的原子密度不同，使晶體在不同方向上的性能就有差別。對(duì)單晶體來(lái)說(shuō)，在不同的晶向上，這種物理性能，化學(xué)性能，機(jī)械性能所表現(xiàn)的方向性稱為“各向異性”。工業(yè)金屬都是多晶體，也就是金屬是由大量的各向異性的單晶體組成的，這些具有各向異性的單晶體，在實(shí)際金屬中呈無(wú)規(guī)則的排列，這樣，在工業(yè)金屬中那種性能各向異性的特征表現(xiàn)的就不那么明顯。1.2.2金屬的結(jié)晶

金屬由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變到固體狀態(tài)稱為“結(jié)晶”。發(fā)生結(jié)晶的原因是由于要轉(zhuǎn)變到具有更低自由能的熱動(dòng)力學(xué)更穩(wěn)定的狀態(tài)。所謂自由能指的是：物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的能量，或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量，就是人們通常所說(shuō)的“自由能（F）”。1.結(jié)晶過(guò)程中的能量變化

自然界中，包括金屬的結(jié)晶與熔化在內(nèi)的所有自發(fā)過(guò)程，都是由高能量到低能量的過(guò)程。這是由于能量更低的新?tīng)顟B(tài)更為穩(wěn)定所造成的。水總是由高處往低處流。熱量總是由高溫物體傳向低溫物體，電流總是由高電位向低電位流動(dòng)。由此可見(jiàn)，在自然界中的一切自發(fā)過(guò)程，都是為了使系統(tǒng)的能量降低。金屬的結(jié)晶過(guò)程也不例外。熱力學(xué)第二定律正是解釋結(jié)晶過(guò)程的理論依據(jù)。熱力學(xué)第二定律指出：在等溫等容條件下，一切自發(fā)過(guò)程都是朝著使系統(tǒng)自由能降低的方向進(jìn)行。

金屬和合金的結(jié)晶過(guò)程也是在等溫等容條件下進(jìn)行的。因此，可以用自由能這個(gè)熱力學(xué)函數(shù)來(lái)判斷過(guò)程進(jìn)行的方向。自由能是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它是隨著溫度變化而變化的。自由能可用下列公式表示：

F=E-TS式中：F—系統(tǒng)的自由能；

E—系統(tǒng)的內(nèi)能，即系統(tǒng)中各種能量的總和；

T—絕對(duì)溫度；

S—熵，它是系統(tǒng)中表示原子排列混亂程度的參數(shù)。

金屬中，液體狀態(tài)和固體狀態(tài)下自由能的變化取決于溫度，這種變化如圖1.12所示。圖1.12不同溫度下，金屬在液體和固體下自由能的變化

由圖1.12可見(jiàn)，兩條曲線都是隨著溫度的升高，自由能降低。但是液體狀態(tài)下的自由能曲線比固體狀態(tài)下的自由能曲線下降的更快些。這是因?yàn)椋阂后w狀態(tài)下的熵（S）比固體狀態(tài)下的熵要大的原因。由于兩條曲線的斜率不同，必然在一定的溫度下要相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，即理論結(jié)晶溫度（T0）。

由圖1.12可知，當(dāng)溫度高于T0時(shí)，固體的自由能高于液體的自由能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，金屬將自發(fā)地由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變成液體狀態(tài)，即金屬將自發(fā)地進(jìn)行熔化。當(dāng)溫度低于T0時(shí)，液態(tài)的自由能高于固態(tài)的自由能，金屬將自發(fā)地由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，即自發(fā)地進(jìn)行結(jié)晶。

當(dāng)溫度等于T0時(shí)，液、固態(tài)的自由能相等，液態(tài)與固態(tài)處于平衡狀態(tài)。由此可見(jiàn)，只有把金屬過(guò)冷到低于理論結(jié)晶溫度以下，結(jié)晶過(guò)程才能發(fā)生。所謂過(guò)冷度指的是：實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）與理論結(jié)晶溫度（T0）之間的溫度差，即T=T0-T1。液體金屬的冷卻速度愈大，過(guò)冷度便愈大；過(guò)冷度愈大，則自由能差值（F）便愈大，結(jié)晶的傾向便愈大。2.金屬結(jié)晶過(guò)程的冷卻曲線

金屬的結(jié)晶過(guò)程可以用冷卻曲線描繪在溫度—時(shí)間坐標(biāo)上。由于結(jié)晶過(guò)程總是伴隨著結(jié)晶潛熱的析出，因此，利用這一熱效應(yīng)便可測(cè)定金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度。這種測(cè)定結(jié)晶溫度的方法稱為“熱分析方法”。將要測(cè)定的金屬加熱到熔化狀態(tài)，然后以緩慢的速度冷卻，冷卻速度愈小，過(guò)冷度愈小，所測(cè)得的結(jié)晶溫度就愈接近于理論結(jié)晶溫度，金屬的冷卻過(guò)程中，把溫度隨時(shí)間的變化記錄在溫度—時(shí)間坐標(biāo)中，則可得到如圖1.13這樣的冷卻曲線。圖1.13純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線

冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，這意味著金屬在發(fā)生結(jié)晶時(shí)，要釋放出其內(nèi)部的結(jié)晶潛熱，并補(bǔ)償了金屬向外部介質(zhì)散熱引起的溫度下降。水平線段處于理論結(jié)晶溫度（T0）以下，這意味著金屬的結(jié)晶需要一定的過(guò)冷度。這種過(guò)冷，在某些金屬中可能很大。例如，銻的熔化溫度等于631C，而在冷卻曲線上，它的過(guò)冷度溫度是590C。這樣的金屬在冷卻曲線上可以看到一個(gè)尖彎。這種尖彎表示：由于很大過(guò)冷的原因，在液體金屬中瞬時(shí)形成大量的結(jié)晶核心，同時(shí)，這些結(jié)晶核心又急劇地長(zhǎng)大，釋放出大量的結(jié)晶潛熱，導(dǎo)致溫度突然升高，幾乎接近熔化溫度，這就是在一些金屬的冷卻曲線上產(chǎn)生尖彎的原因。與此相反，金屬加熱時(shí)，一到熔點(diǎn)，液相便馬上出現(xiàn)。因?yàn)楫?dāng)晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，不會(huì)呈現(xiàn)明顯的過(guò)熱。3.金屬的結(jié)晶機(jī)理

金屬的結(jié)晶過(guò)程就是：從液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成金屬晶體的過(guò)程。換句話說(shuō)，是一個(gè)原子重新排列的過(guò)程。液體金屬中原子排列是無(wú)規(guī)則的，而固體金屬中原子排列是有規(guī)則的。這個(gè)過(guò)程不可能在一瞬間中完成，而是一個(gè)由小到大，由局部到整體的發(fā)展過(guò)程。（1）、金屬的結(jié)晶過(guò)程就是：從結(jié)晶核心（晶核）的形成開(kāi)始，到結(jié)晶核心的繼續(xù)長(zhǎng)大（圖1.14）為止。從結(jié)晶過(guò)程示意圖中可以看出：當(dāng)液體金屬冷卻到一定溫度后，開(kāi)始從液體金屬中形成第一批尺寸很小，但原子呈規(guī)則排列的小晶體（晶核）。這批晶核立即進(jìn)行長(zhǎng)大，同時(shí)，在液體金屬中又不斷地繼續(xù)產(chǎn)生新的晶核，并立即長(zhǎng)大。這樣，晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大則以一定的速率同時(shí)進(jìn)行，直到所有成長(zhǎng)的晶體相互接觸，結(jié)晶過(guò)程即告結(jié)束。其結(jié)果是形成了由很多晶粒組成的金屬多晶體。圖1.14金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖

開(kāi)始時(shí)，所形成的晶體，相對(duì)來(lái)說(shuō)，能夠具有規(guī)則的幾何形狀，當(dāng)長(zhǎng)大的晶體相互接觸時(shí)，規(guī)則的幾何形狀被破壞，最終的結(jié)果是：開(kāi)始時(shí)具有規(guī)則外形的長(zhǎng)大的晶體，結(jié)晶結(jié)束后具有不規(guī)則的外形，這就是晶粒具有不規(guī)則外形的原因。（2）、晶核的形成可能通過(guò)兩種途徑：一種是自發(fā)生核：另一種是異質(zhì)生核。在結(jié)晶過(guò)程中所發(fā)生的一些現(xiàn)象是復(fù)雜的和多種多樣的。在液體金屬中原子排列是不規(guī)則的，但當(dāng)溫度冷卻到低于理論結(jié)晶溫度（T0）時(shí)，在液體金屬中就能產(chǎn)生接近固體中原子排列的微觀區(qū)域。這種接近固體中原子排列的微觀區(qū)域就可能轉(zhuǎn)變成結(jié)晶核心（晶核）。自發(fā)生核是指從過(guò)冷的液體金屬中直接產(chǎn)生出原子呈規(guī)則排列的小晶體—晶核。

在液體金屬中存在固體微粒（非金屬夾雜物，氧化物等）時(shí)，結(jié)晶核心的形成就比較容易。這是由于在已有的表面上形成晶核所需要的能量比從液體金屬中自發(fā)生核時(shí)所需的能量要小得多的原因。這里應(yīng)該指出的是：只有在產(chǎn)生的結(jié)晶核心和已有的夾雜物之間界面上的表面張力比液相和固相之間的界面上的表面張力更小時(shí)，已有的夾雜物才能更容易地形成結(jié)晶核心。形成的晶核和在液體金屬中的固體微粒的晶格結(jié)構(gòu)愈接近，它們的界面之間的表面張力才能愈小。（3）、晶核的長(zhǎng)大：只有原子從過(guò)冷的液體金屬中過(guò)渡到晶體上才能發(fā)生晶核的長(zhǎng)大。晶體面上不平整，晶體就更容易長(zhǎng)大。隨著過(guò)冷度的增大，液體與固體金屬的自由能差增大，就能夠提高結(jié)晶速度。但是，晶核的形成與長(zhǎng)大就需要液體金屬中原子的擴(kuò)散。因此，大的過(guò)冷度下（低溫），由于擴(kuò)散速度減小，晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大就都困難。正因?yàn)槿绱耍Ш说臄?shù)量和晶核長(zhǎng)大的速度要減小。在很低的溫度下（更大的過(guò)冷度）原子的擴(kuò)散活動(dòng)很小，晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大就成為不可能。在這種情況下，就凝固成非晶型狀態(tài)。（4）、晶粒大?。航Y(jié)晶核心愈多，晶核的長(zhǎng)大速度愈小，則金屬晶粒就愈細(xì)小。晶粒的大小能夠在0.001到0.4mm的范圍內(nèi)變化。過(guò)冷度不大時(shí)（冷卻速度?。?，晶核的數(shù)量少，則晶核的長(zhǎng)大速度就大。在這種情況下將得到大的晶粒。隨著過(guò)冷度的增大，晶核的數(shù)量急劇地增多，晶核的長(zhǎng)大速度較小，冷卻金屬中的晶粒尺寸減?。▓D1.15）。圖1.15形核率N和晶粒長(zhǎng)大速度v與過(guò)冷度的關(guān)系

晶粒的大小與機(jī)械性能之間的關(guān)系，則是金屬晶粒的尺寸愈大，則金屬的塑性與韌性就愈低。不僅僅是過(guò)冷度影響到晶粒的尺寸大小，加熱溫度，液體金屬的澆注溫度，金屬的化學(xué)成分和在金屬中存在的夾雜物多少都要影響到晶粒的尺寸大小。

晶粒的大小直接影響到金屬的機(jī)械性能。為了得到細(xì)小的晶粒，向液體金屬中有意地加入夾雜物，這就是通常所說(shuō)的“變質(zhì)處理”，在進(jìn)行變質(zhì)處理時(shí)，是向液體金屬（合金）中加入少量的特種物質(zhì)（變質(zhì)劑）。這些變質(zhì)劑，實(shí)際上不影響金屬（合金）的化學(xué)成分，結(jié)晶時(shí)就引起了晶粒的細(xì)化，并改善了其力學(xué)性能。鎂合金變質(zhì)處理時(shí)，其晶粒從0.2~0.3mm減小到0.01~0.02mm。鑄錠和鑄件澆鑄時(shí)，經(jīng)常是向液體金屬（合金）中加入能形成難熔化合物（碳化物，氮化物和氧化物）的物質(zhì)進(jìn)行變質(zhì)處理，首先以微粒的形式析出，然后就成為結(jié)晶核心。例如，向鑄鐵中加硅，鈣，向鋁中加入微量的鈦等，就是對(duì)鑄鐵和鋁進(jìn)行變質(zhì)處理。圖1.17鋼錠的顯微組織1.3合金的相結(jié)構(gòu)與鐵碳合金狀態(tài)圖1.3.1合金的相結(jié)構(gòu)1.合金的概念

兩種或兩種以上的金屬熔化后就能得到合金；金屬與非金屬熔化在一起也能得到合金；幾種金屬粉末燒結(jié)在一起同樣也能得到合金。所得到的合金比其純金屬具有更高的機(jī)械性能。加到合金成分中的元素稱為“元”，在合金中占多數(shù)的元稱為“基”，加到合金中的元素是為了得到所需要的性能稱為“合金化”，合金中元的總和稱為“合金系”。

根據(jù)合金中元的數(shù)量，把合金分為二元合金，三元合金，四元合金和多元合金。按基體元素分：分為鐵基合金，鋁、鎂、銅等基的合金。根據(jù)用途分：分為結(jié)構(gòu)合金，工具合金，耐熱合金，耐磨合金，彈簧合金，軸承合金等。按照金屬的比重分：分為重合金（鎢基、錸基、鉛基等），輕合金（鋁合金、鎂合金、鈹合金等）。按熔化溫度分：分為難熔合金（鈮、鉬、鎢等合金）和易熔合金（焊料、巴比合金等）。按半制品和制品的工藝分：分為鑄造合金，變形合金，顆粒狀合金，復(fù)合合金等。2相的概念

合金系中的均勻部分，并有明顯的界面與合金系的其它部分（其它相）相互分開(kāi)稱為“相”。相變時(shí)，相的化學(xué)成分和組織要“跳躍”式的改變。特別提示“相”是合金中具有同一原子聚集狀態(tài)，既可能是一單相固溶體也可能是一化合物。組織一般指用肉眼或在顯微鏡下，能夠觀察到的材料內(nèi)部所具有的某種形態(tài)或形貌特征，實(shí)質(zhì)上是一種或多種相按一定方式相互結(jié)合組成的。

合金中元素的性質(zhì)和數(shù)量多少，決定了合金固化后可能形成機(jī)械混合物、固溶體和化合物。冷卻時(shí)，當(dāng)從液體合金中同時(shí)析出兩種晶體組成物就要形成機(jī)械混合物。當(dāng)兩個(gè)元素之間在固體狀態(tài)下不能相互溶解或具有有限的溶解度時(shí)，在這種情況下，一般都要形成機(jī)械混合物。機(jī)械混合物可能由兩種純?cè)氐木w組成，也可能由固溶體和化合物組成。形成機(jī)械混合物時(shí)，各相的晶格不變。

在合金中，合金元素中的一種保留了自己的晶格類型，而另一種元素的原子分布在第一種元素的晶格中，所組成的這種相稱為“固溶體”。第一種元素就是溶劑，第二種元素則是溶質(zhì)。因此，固溶體是由兩種或幾種元素組成的，并具有一種晶格類型，這是一個(gè)相。形成固溶體時(shí)，保留溶劑的晶格，只改變?nèi)軇┑木Ц癯?shù)。在固體狀態(tài)下，固溶體中的元素，有的能夠無(wú)限溶解，也有的是有限溶解。如果兩種元素的晶格類型一樣，并且它們的原子尺寸差別不大于8~15%，則它們之間能夠形成無(wú)限溶解固溶體。

按照溶劑原子在固溶體中的分布位置，把固溶體分成了置換固溶體和間隙固溶體（圖1.18）。在置換固溶體中，部分的溶劑原子被溶質(zhì)原子所取代。在間隙固溶體中，溶質(zhì)的原子存在于溶劑原子之間。當(dāng)在金屬中溶解了非金屬元素時(shí)，往往要形成間隙固溶體。圖1.18間隙固溶體和置換固溶體示意1.3.2合金狀態(tài)圖合金狀態(tài)圖，也稱為“平衡圖”，它能夠反映合金的平衡結(jié)晶規(guī)律。合金狀態(tài)圖的建立方法，一般都是采用金屬和合金的熱分析法建立的。熱分析法的實(shí)質(zhì)是先求出金屬和合金的臨界點(diǎn)，畫出冷卻曲線，并在冷卻曲線上表示出冷卻時(shí)金屬溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。冷卻曲線是建立在溫度（縱坐標(biāo)）和冷卻時(shí)間（橫坐標(biāo)）的坐標(biāo)中。

因?yàn)榻饘俸秃辖鹬械南嘧円馃嵝?yīng)，則在冷卻曲線上要出現(xiàn)平臺(tái)或拐點(diǎn)。出現(xiàn)平臺(tái)，說(shuō)明相變發(fā)生在一定的溫度下；出現(xiàn)拐點(diǎn)是由于冷卻速度的改變，在這種情況下，相變是發(fā)生在一定的溫度范圍內(nèi)。按照冷卻曲線求出相變的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度和終了轉(zhuǎn)變溫度。這種溫度就稱為“臨界點(diǎn)”。在這些冷卻曲線的基礎(chǔ)上就能夠建立起合金的狀態(tài)圖（圖1.19）。圖1.19相圖的建立

合金狀態(tài)圖對(duì)選擇具有一定性能的合金和選擇鑄造、熱處理和壓力加工的工藝都有一定的參考價(jià)值。多數(shù)金屬在液體狀態(tài)下相互間都能無(wú)限的溶解，形成單相的液體合金。但鐵和鉛，銅和鉛除外，它們?cè)谝后w狀態(tài)下幾乎完全不溶解，并按它們的比重形成不能混合的兩層液體金屬。1.3.3鐵碳合金狀態(tài)圖

在工業(yè)中使用最廣泛的鐵合金是鋼和鑄鐵，即鐵和碳的合金。要得到一定的性能，就得向鋼和鑄鐵中加合金元素。下面就來(lái)分析鐵-碳合金中的組織和相變，以及鐵和含有合金元素的合金中的相。1.鐵-碳系中的元素和相鐵是銀白色的金屬。鐵的熔化溫度是1539C。現(xiàn)在可以得到99.999%的純鐵，工業(yè)純鐵含有99.8~99.9%Fe。鐵有兩種同素異型體：-Fe和-Fe。-Fe存在于910C以下的溫度范圍，和高于1932C以上的溫度（圖1.20）。在1392~1539C的溫度范圍，-Fe經(jīng)常用-Fe表示。

-Fe的晶格是體心立方晶格。768C以前鐵有磁性，臨界點(diǎn)（768C）稱為“居里點(diǎn)”，并用A2表示。-Fe存在于910~1392C的溫度范圍，無(wú)磁性。

910C時(shí)，轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)相應(yīng)地用Ac3（加熱時(shí)）和Ar3(冷卻時(shí))表示。1392C時(shí)，轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)用Ac4（加熱時(shí)）和Ar4(冷卻時(shí))表示。

-Fe的晶格是面心立方晶格。圖1.20鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

碳是非金屬元素，碳的熔化溫度是3500C，碳是同素異型體，一般情況下，它以石墨的形態(tài)存在。在液體或固體狀態(tài)下，碳能夠溶解在鐵里，并能以化合物的形式存在（Fe3C-滲碳體），而在高碳合金中，就以石墨的形態(tài)存在。在Fe-C系中有下列相的存在：液體合金，固溶體—鐵素體和奧氏體，以及滲碳體和石墨。

碳在-Fe中的固溶體稱為“鐵素體”，通常用F表示。低溫-鐵素體中碳的溶解度到0.02%，而高溫（）-鐵素體中，碳溶解度到0.1%。碳原子分布在立方體晶格的各邊的中間位置上，晶格的空位上，位錯(cuò)上等。在顯微鏡下觀察，鐵素體是均勻的多邊形晶粒（圖1.21（a））。

鐵素體（0.006%C）有近似下列的機(jī)械性能：b=250MN/M2；0.2=120MN/M2；=50%；=80%；HB80~90。碳在-Fe中的固溶體稱為“奧氏體”，通常用A表示。碳在-Fe中的極限濃度是2.14%，-Fe中的碳原子分布在晶胞的中心位置上和晶體的缺陷區(qū)中。奧氏體的顯微組織是多邊形晶粒（圖1.21（b））。圖a圖b圖1.21鐵素體和950C時(shí)的奧氏體顯微組織

鐵和碳的化合物稱為“滲碳體”，其化學(xué)式是Fe3C。滲碳體中含有6.67%C。由于滲碳體能夠發(fā)生分解，所以無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)定它的熔化溫度，近似地等于1250C。210C以下滲碳體有磁性，高于210C失去磁性。滲碳體具有很高的硬度（800HB）和很低的塑性。滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)定相，在高含碳量的合金中，平衡條件下形成了石墨。石墨是碳的同素異型體，性能很軟，強(qiáng)度和塑性都很低。2.鐵-滲碳體狀態(tài)圖圖1.22是鐵-滲碳體狀態(tài)圖。它能表示出從純鐵到滲碳體（6.67%C）各種濃度的鐵-碳合金的相組成和組織。在狀態(tài)圖上，點(diǎn)A（1539C）所對(duì)應(yīng)的是純鐵的熔化溫度，而點(diǎn)D是滲碳體的熔化溫度。點(diǎn)N（1392C）和G（911C）所對(duì)應(yīng)的是：的同素異型轉(zhuǎn)變。點(diǎn)E表示在1147C（2.14%C）時(shí)碳在-鐵中的極限濃度。圖1.22鐵-滲碳體狀態(tài)圖

合金的結(jié)晶過(guò)程。按照ABCD線（液相線）所對(duì)應(yīng)的溫度開(kāi)始結(jié)晶，按照AHJECF固相線所對(duì)應(yīng)的溫度結(jié)束結(jié)晶。狀態(tài)圖的左上角表示高溫下，（）的同素異型轉(zhuǎn)變。AD線所對(duì)應(yīng)的溫度下，是從液體中析出碳在-鐵（-固溶體）中的固溶體晶體—鐵素體（F）。

0.1%C以下的含碳量的合金中，在AH線對(duì)應(yīng)的溫度下，結(jié)束結(jié)晶過(guò)程，形成了鐵素體（-固溶體）。HJB是包晶轉(zhuǎn)變線，在這個(gè)溫度下（C=2+1-3=0）發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。包晶轉(zhuǎn)變的結(jié)果，形成了碳在-鐵中的固溶體，即奧氏體（A）。

從0.1（點(diǎn)H）到0.16%C（點(diǎn)J）的含碳量的合金，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：LB+FH（）FH+AJ，這種轉(zhuǎn)變的結(jié)果形成了兩相組織，F(xiàn)（-固溶體）和A（-固溶體）。含0.16%C（J點(diǎn)）的合金中，原始晶體F（-固溶體）和全部液體相，在包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，形成了奧氏體：LB+FHAJ（奧氏體）。含有0.16到0.5%C的合金中色晶轉(zhuǎn)變時(shí)，F(xiàn)H（-固溶體）全部進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，而液體相要剩余一部分：

LB+FH

AJ（奧氏體）+LB

因此，低于JB線的溫度，合金是由兩相組成：奧氏體（-固溶體）和液相。結(jié)晶過(guò)程按所對(duì)應(yīng)的JE線結(jié)束。凝固后，這些合金具有單相的奧氏體組織。BC線的溫度下，從液體相中結(jié)晶出奧氏體，而CD線以下就從液體相中析出Fe3C。含碳量4.3%（C點(diǎn)）的共晶成分的鐵碳合金，1147C的溫度下，從液體合金中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體，所形成的共晶體，稱為“萊氏體”。

LCAE+Fe3C（萊氏體）

含有從0.16到2.14%C的合金，在BC和JE線的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶，凝固后（低于固相線JE）合金得到了單相組織—奧氏體。含有從2.14到4.3%C的亞共晶合金結(jié)晶時(shí)，從液體相中，沿著液相線BC對(duì)應(yīng)的溫度，首先析出奧氏體晶體，而在1147C時(shí)（線ECF），合金凝固，形成共晶體“萊氏體”。因此，亞共晶合金結(jié)晶后，在高于727C時(shí)具有奧氏體+萊氏體（A+Fe3C）的組織。這里，把含碳量從2.14到4.3%的合金稱為亞共晶合金；把含碳量從4.3到6.67%的合金稱為過(guò)共晶合金。含碳量4.3%的稱為共晶合金。

含碳量從4.3到6.67%C的過(guò)共晶合金，其溫度達(dá)到CD線對(duì)應(yīng)的溫度就開(kāi)始凝固，首先以液體相中析出滲碳體晶體，而到達(dá)1147C（ECF線）時(shí)，結(jié)束了合金的凝固，形成了共晶體—萊氏體。凝固后，合金的組織是由滲碳體和萊氏體晶體組成。從液體相中形成的滲碳體稱為“一次滲碳體”。含有低于2.14%C的鐵-碳合金稱為“鋼”。含有大于2.14C%的鐵-碳合金稱為“鑄鐵”。

鋼固化后不含有萊氏體，加熱到高溫時(shí)，具有奧氏體的組織，并具有高的塑性，因此，鋼容易變形，是可以鍛造的合金。與鋼相比，鑄鐵具有最好的鑄造性能，也具有較低的熔化溫度，但是，鑄鐵太脆，實(shí)際上不能進(jìn)行鍛造，這是由于鑄鐵的組織中存在易熔化的、脆的共晶體—萊氏體或石墨的原因。

現(xiàn)在就來(lái)研究固體狀態(tài)下發(fā)生的轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變都同冷卻時(shí)，從-鐵到-鐵的轉(zhuǎn)變有關(guān)，并和奧氏體和鐵素體的分解有關(guān)。在狀態(tài)圖上的GS線，在冷卻時(shí)，是轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度。低于GS線，從奧氏體中析出鐵素體。在平衡條件下，形成GS線的臨界點(diǎn)，冷卻時(shí)采用Ar3表示；加熱時(shí)采用Ac3表示（鐵素體的溶解結(jié)束）。

ES線表示隨著溫度的變化碳在奧氏體中的溶解度，冷卻時(shí)，所對(duì)應(yīng)的是奧氏體分解的開(kāi)始溫度，從奧氏體中析出滲碳體。為了區(qū)別從液體相中析出的滲碳體，還是從奧氏體中析出的滲碳體，就把從液體相中析出的滲碳體稱為“一次滲碳體”，從奧氏體中析出的滲碳體稱為“二次滲碳體”，形成ES線的臨界點(diǎn)用Acm表示。

727C時(shí)的S點(diǎn)和0.8%的碳濃度表示冷卻時(shí)，奧氏體存在的最低平衡溫度。

727C時(shí)，發(fā)生奧氏體的分解，并形成共析組織，這種共析組織稱為“珠光體”。由于從奧氏體中同時(shí)形成鐵素體和滲碳體才能得到這種共析體—珠光體，其表達(dá)式：ASFP+Fe3C。因此，珠光體含有0.8%C，727C時(shí)形成的，是由兩個(gè)相（鐵素體和滲碳體）組成的。相平衡溫度在奧氏體珠光體（鐵素體+滲碳體）的轉(zhuǎn)變中，冷卻時(shí)，用Ar1表示，加熱時(shí)，用Ac1表示。點(diǎn)P表示共析溫度下（727C），碳在-鐵中的極限溶解度（0.020%C）。

PQ線表示碳在-鐵中的溶解度，溶解度取決于溫度。冷卻時(shí)，當(dāng)冷卻到PQ線的溫度下，從鐵素體中開(kāi)始析出多余的滲碳體。因此，點(diǎn)Q左側(cè)的合金是由鐵素體一個(gè)相組成的，而在Q和P之間的各種濃度的合金都是兩相組織；鐵素體和多余的滲碳體，這種滲碳體是在溫度降低時(shí)，從固溶體中析出的。這種從鐵素體中析出的滲碳體稱為“三次滲碳體”。含有0.020%以下碳的合金稱為“工業(yè)純鐵”。

碳含量在0.02到0.8%（點(diǎn)S）之間的合金稱為“亞共析鋼”，亞共析鋼的組織是由從Ar3到Ar1溫度區(qū)域中，從奧氏體中析出的鐵素體和珠光體組成的。碳含量0.8%C的鋼稱為“共析鋼”。它的組織中只有共析體（珠光體）。碳含量在0.8到2.14%C（點(diǎn)E）的鋼稱為“過(guò)共析鋼”。過(guò)共析鋼的組織是二次滲碳體和珠光體。二次滲碳體是在低于ES線溫度下，從奧氏體中析出的，珠光體是在共析溫度（727C，PSK線）下，由于奧氏體的分解而形成的。

在亞共晶鑄鐵中，降低溫度時(shí)，由于要降低碳在奧氏體中的溶解度（ES線），就要發(fā)生奧氏體的分解。這時(shí)，從液體中析出的奧氏體要分解，共晶體轉(zhuǎn)變時(shí)形成的萊氏體中的奧氏體也要分解，這種分解就是二次滲碳體從奧氏體中的析出，并同時(shí)降低了奧氏體中的含碳量。冷卻到PSK線所對(duì)應(yīng)的溫度（727C），貧碳到共析成分（0.8%C）的奧氏體就要轉(zhuǎn)變成珠光體。亞共晶鑄鐵冷卻后具有珠光體，萊氏體（珠光體+滲碳體）和二次滲碳體的組織。

含碳量4.3%的共晶鑄鐵，溫度低于727C時(shí)，其組織是萊氏體（珠光體+滲碳體）組織。過(guò)共晶鑄鐵含碳量大于4.3%，溫度低于727C時(shí)，其組織是由一次滲碳體和萊氏體（珠光體+滲碳體）所組成。鐵碳合金結(jié)晶結(jié)束后具有不同的組織。但是，它們的相組成都是一樣的，在727C時(shí)，它們都是由鐵素體和滲碳體組成的，所不同的只是它們之間的相對(duì)重量不同?！咎貏e提示】

在鐵碳合金狀態(tài)圖中，組織組成物是鋼鐵材料性能的決定因素，在相同條件下，不同的組是對(duì)應(yīng)著不同的性能。分析典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程時(shí)，可通過(guò)在相圖上作給定成分合金的成分垂線進(jìn)行，以相圖與成分垂線的交點(diǎn)來(lái)分析討論。第二章鋼的熱處理理論2.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變2.1.1按照Fe－Fe3C狀態(tài)圖分析鋼加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變共析鋼（0.8%C）加熱到略微高于AC1（727℃）時(shí)，珠光體（鐵素體＋滲碳體）要轉(zhuǎn)變成奧氏體。

F（0.02％C）＋Fe3C（6.67%C）→A（0.8%C）這個(gè)轉(zhuǎn)變是由同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)過(guò)程組成的：一個(gè)是鐵的同素異型轉(zhuǎn)變，即α-Fe→γ-Fe，另一個(gè)是滲碳體溶解到奧氏體。

亞共析鋼加熱到高于AC1臨界點(diǎn)時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體之后，就形成了兩相組織—奧氏體和鐵素體。在AC1→AC3的溫度范圍內(nèi)，繼續(xù)加熱時(shí)，鐵素體要逐漸地溶解到奧氏體中，這個(gè)時(shí)候碳在奧氏體中的含量按照Fe－Fe3C狀態(tài)圖的GS線逐漸減少，到AC3的溫度時(shí)，鐵素體沒(méi)有了，而碳在奧氏體中的濃度和鋼號(hào)的含碳量一致。過(guò)共析鋼加熱到高于AC1臨界點(diǎn)以上時(shí)，珠光體也要轉(zhuǎn)變成奧氏體，在AC1→Acm的溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)，發(fā)生二次滲碳體向奧氏體中的溶解過(guò)程。高于Acm溫度成為單相的奧氏體，在奧氏體中碳的含量也和鋼號(hào)中碳的含量一致。

這樣，不管是共析鋼，亞共析鋼還是過(guò)共析鋼，加熱到AC1以上的溫度都要轉(zhuǎn)變成奧氏體，所不同的只是，對(duì)亞共析鋼來(lái)說(shuō)，有一個(gè)鐵素體逐漸溶解到奧氏體的過(guò)程；對(duì)過(guò)共析鋼來(lái)說(shuō)，有一個(gè)二次滲碳體逐漸溶解到奧氏體的過(guò)程。最終都是得到了單相的，均勻的奧氏體。2.1.2奧氏體的形成過(guò)程

珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的機(jī)理同其它結(jié)晶過(guò)程一樣，也是由結(jié)晶核心的形成和隨后結(jié)晶核心的長(zhǎng)大。加熱溫度略微高于AC1（727℃）時(shí)的奧氏體含有0.8%C，和形成的這種奧氏體的含碳量一樣。珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。滲碳體（6.67%C）是富碳的，鐵素體（0.02%C）是貧碳的，奧氏體（0.8%C）介于二者之間。因此，這種轉(zhuǎn)變是通過(guò)碳原子的擴(kuò)散來(lái)完成的。

加熱到略高于AC1以上的溫度，通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生α→γ轉(zhuǎn)變，并形成保持共格界面的奧氏體結(jié)晶核心。所謂共格界面，即新相與老相之間有一個(gè)共用的界面稱為“共格界面”，即還沒(méi)有形成獨(dú)立的相。由于這種轉(zhuǎn)變形成了低碳的奧氏體（＜0.8%C）。滲碳體中的碳原子繼續(xù)向所形成的低碳奧氏體中擴(kuò)散，使奧氏體中的碳含量逐漸接近平衡狀態(tài)。奧氏體結(jié)晶核心首先是產(chǎn)生在片狀珠光體的鐵素體和滲碳體層的分界面上，對(duì)球狀滲碳體來(lái)說(shuō)，奧氏體結(jié)晶核心也是首先產(chǎn)生在滲碳體球面的界面上（圖2.1）。

晶核長(zhǎng)大時(shí)，α晶格和γ晶格之間的共格關(guān)系被破壞了。奧氏體晶粒就接近于等軸晶粒。由于滲碳體中的碳原子不斷地?cái)U(kuò)散到鐵素體中，才保證了所形成的奧氏體晶核的不斷長(zhǎng)大。滲碳體中的碳原子不斷地向外擴(kuò)散導(dǎo)致了奧氏體結(jié)晶核心的長(zhǎng)大和α→γ轉(zhuǎn)變，同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生新的奧氏體結(jié)晶核心。圖2.1奧氏體的形成示意圖

由于α→γ的同素異型轉(zhuǎn)變，奧氏體區(qū)的擴(kuò)大比滲碳體的溶解發(fā)生的快，因此，鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體之后，在鋼的組織中還仍保留了一些滲碳體，要把它們?nèi)芙獾綂W氏體中，就要增加保溫時(shí)間。這時(shí)，所形成的奧氏體中，碳的分布還是不均勻的，在原來(lái)滲碳體存在的地方，奧氏體中碳的濃度就比原來(lái)是鐵素體存在的地方高，要使成分均勻化就需要時(shí)間。

除了加熱溫度以外，珠光體組織轉(zhuǎn)變成奧氏體的速度還取決于它的原始組織狀態(tài)。珠光體組織愈細(xì)小，奧氏體結(jié)晶核心產(chǎn)生的就愈多，并且擴(kuò)散的路程就愈近，因此，進(jìn)行奧氏體化的過(guò)程就愈快。鋼中的含碳量愈高，進(jìn)行奧氏體化的過(guò)程也就愈快，這是由于滲碳體多了，鐵素體與滲碳體的界面總和也大了的原因。

鋼中加入鉻、鎢、鉬、釩等碳化物形成元素就要阻礙鋼的奧氏體化過(guò)程，因?yàn)橐纬珊辖饾B碳體或合金碳化物，使它們?nèi)芙獾綂W氏體中就更困難了。含合金元素的奧氏體均勻化過(guò)程就需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)楹辖鹪卦讦茫嗑Ц裰械臄U(kuò)散能力比碳的擴(kuò)散能力更小。連續(xù)加熱時(shí)，珠光體組織轉(zhuǎn)變成奧氏體發(fā)生在一個(gè)溫度范圍。加熱速度愈快，珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的溫度愈高，加熱速度愈快，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的溫度范圍就愈大。因此，快速加熱時(shí)（如高頻加熱），鋼的奧氏體化加熱溫度要比一般的爐子中慢速加熱要高。2.1.3奧氏體的晶粒大小及其影響因素

當(dāng)加熱到AC1以上的溫度時(shí)，在鐵素體和滲碳體的界面上就形成奧氏體的結(jié)晶核心，這個(gè)時(shí)候結(jié)晶核心的數(shù)量是很多的，奧氏體也是很小的。這里是加熱速度愈快，奧氏體晶粒愈小，因?yàn)榫Ш说男纬伤俣缺人拈L(zhǎng)大速度快。繼續(xù)提高溫度時(shí)，或在一定的溫度下增加保溫時(shí)間就要引起聚集再結(jié)晶和晶粒的長(zhǎng)大。奧氏體晶粒的長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，因?yàn)橐s小晶粒表面積，要降低系統(tǒng)的自由能。奧氏體的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一些小晶粒的聯(lián)合，組成一個(gè)大晶粒的過(guò)程。因?yàn)閺臒釀?dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，要使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，就得減小自己的表面積。加熱到一定的溫度時(shí)，所形成的奧氏體晶粒的大小，在其隨后的冷卻中是不能改變的。

奧氏體晶粒的大小取決于很多因素，就是對(duì)同一種鋼號(hào)，由于冶煉條件的差異，奧氏體晶粒大小也不一樣。根據(jù)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性，分成了兩種類型的鋼：一種是本質(zhì)粗晶粒；另一種是本質(zhì)細(xì)晶粒。所謂本質(zhì)晶粒，即表示奧氏體晶粒趨向于長(zhǎng)大的能力。所謂起始晶粒，即奧氏體形成后晶粒的大小。對(duì)本質(zhì)細(xì)晶粒鋼來(lái)說(shuō)，加熱到高溫時(shí)（1000℃~1050℃），晶?；旧喜婚L(zhǎng)大，但當(dāng)加熱到更高的溫度時(shí)，晶粒就要急劇地長(zhǎng)大。對(duì)本質(zhì)粗晶粒來(lái)說(shuō)，就相反，加熱溫度略微高于AC1，晶粒就急劇地長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大的不同傾向性決定于鋼的脫氧條件和鋼的成分。

一般來(lái)說(shuō)，用鋁脫氧的鋼屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。由于鋁的加入，在鋼中會(huì)形成氮化鋁微粒，這些氮化鋁微粒分布在奧氏體的晶界上，給奧氏體的晶界擴(kuò)張起到阻擋作用，也就是分布在奧氏體晶界上的微粒，對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大就起到阻止作用。一旦這些微粒溶解了，則奧氏體就要急劇地長(zhǎng)大。在兩相區(qū)，例如，過(guò)共析鋼在AC1→Acm的溫度范圍，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大就受到了沒(méi)有被溶解的碳化物微粒的阻擋。亞共析鋼在AC1→AC3的溫度范圍，鐵素體晶粒對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大同樣也起到阻擋作用。

合金元素，特別是碳化物形成元素及氮化物形成元素都能不同程度地阻擋奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。特別急劇作用的是：Ti，V，Nb，Zr，Al和N，它們能形成很難溶解在奧氏體中的碳化物（氮化物），它們都能起到阻擋奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。碳化物（氮化物）總量占的比例愈大，愈細(xì)?。ǔ叽缧。?，奧氏體晶粒就愈細(xì)小。同時(shí)，不溶解的碳化物（氮化物）對(duì)奧氏體新晶粒結(jié)晶核心的形成也影響很大，這同樣也會(huì)導(dǎo)致得到更細(xì)小的晶粒。也有反常情況，錳不但不能細(xì)化奧氏體晶粒，反而能夠促使奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，磷也能促使奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。

應(yīng)該注意到，本質(zhì)粗晶粒鋼和本質(zhì)細(xì)晶粒鋼不意味著這種鋼永遠(yuǎn)是粗晶粒的，或永遠(yuǎn)是細(xì)晶粒的。在工藝試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到本質(zhì)晶粒，指的是，加熱到一定的溫度時(shí)，粗晶粒鋼比細(xì)晶粒鋼在加熱到更低的溫度時(shí)，就形成了粗晶粒。因此就出來(lái)一個(gè)實(shí)際晶粒的概念，所謂實(shí)際晶粒，即熱處理時(shí)所得到的奧氏體晶粒。奧氏體實(shí)際晶粒的大小，決定于加熱溫度和在這個(gè)溫度下的保溫時(shí)間，所表示的是加熱時(shí)這種鋼趨向于長(zhǎng)大的傾向性。

亞共析鋼和過(guò)共析鋼繼續(xù)加熱到高于AC3和Acm的溫度時(shí)，就形成了粗大的實(shí)際晶粒，這種加熱稱為“鋼的過(guò)熱”。在過(guò)熱鋼中經(jīng)常出現(xiàn)魏氏組織（圖2.2）。所謂魏氏組織，即鐵素體呈針狀沿奧氏體晶界分布。過(guò)熱鋼具有脆性斷口特征。圖2.2亞共析鋼的過(guò)熱組織2.1.4晶粒大小對(duì)鋼性能的影響

晶粒大小與性能之間的關(guān)系的基本規(guī)律是：晶粒愈小，強(qiáng)度（σb，σs，σ-1）愈高，塑性（δ，ψ）和韌性（akU，KIC）也愈高，冷脆性起點(diǎn)溫度愈低和脆性破壞的傾向性愈小，并能補(bǔ)償其它強(qiáng)化措施對(duì)冷脆性起點(diǎn)溫度的負(fù)面影響。晶粒大小對(duì)沖擊韌性還存在這樣一種關(guān)系，當(dāng)奧氏體晶粒長(zhǎng)大到一定的尺寸時(shí)，斷裂韌性就降低，而晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，反而又提高斷裂韌性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，人們用在在高溫下奧氏體晶界的凈化來(lái)解釋。因?yàn)樵诟邷囟认?，把晶界處的有害雜質(zhì)都溶解到奧氏體中去了。

所有能引起奧氏體晶粒細(xì)化的措施，如微量的合金化（加Ti，V，Nb等），高速加熱等，都能提高鋼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。只有在電工鋼中（變壓器鋼）需要得到粗大的晶粒，那是為了改善它們的磁性?！咎貏e提示】

鋼在加熱時(shí)的奧氏體化條件，主要取決于奧氏體的化學(xué)成分、均勻性及晶粒度。2.2

鋼在冷卻時(shí)的等溫轉(zhuǎn)變

與連續(xù)轉(zhuǎn)變2.2.1鋼在冷卻時(shí)奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1.珠光體轉(zhuǎn)變

過(guò)冷奧氏體在Ar1~500℃的溫度下要發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，既發(fā)生γ→α的同素異型轉(zhuǎn)變，也發(fā)生碳在奧氏體中的重新分布，并導(dǎo)致鐵素體－滲碳體組織的形成。

A→F＋Fe3C

奧氏體中的碳濃度實(shí)際上是均勻的，經(jīng)過(guò)分解之后，形成鐵素體（幾乎是純鐵）和滲碳體（6.67％C），即由碳濃度不相同的兩個(gè)相組成。在這個(gè)分解過(guò)程中，首先產(chǎn)生的相，即領(lǐng)先相是滲碳體。滲碳體的結(jié)晶核心，照例也是產(chǎn)生在奧氏體的晶界上。

由于滲碳體結(jié)晶核心的長(zhǎng)大，奧氏體中就貧碳，并降低了奧氏體的穩(wěn)定性，也就引起了γ→α的同素異型轉(zhuǎn)變，同時(shí)鐵素體晶體在滲碳體界面上也就產(chǎn)生了。鐵素體的隨后長(zhǎng)大，引起了奧氏體周圍的富碳，γ→α轉(zhuǎn)變的繼續(xù)發(fā)展就困難了，因此，在富碳的奧氏體中，就要產(chǎn)生新的片狀滲碳體，和前面已經(jīng)產(chǎn)生的片狀滲碳體的繼續(xù)長(zhǎng)大。由于碳化物微粒的形成和長(zhǎng)大過(guò)程的進(jìn)行，又創(chuàng)造了新的片狀鐵素體的產(chǎn)生和長(zhǎng)大的條件，最終就發(fā)生了片狀滲碳體和片狀鐵素體的同時(shí)長(zhǎng)大，即形成了片狀的珠光體（圖2.3）。圖2.3片狀的珠光體形成示意圖

珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物具有片狀結(jié)構(gòu)。共析型的片狀組織又有珠光體，索氏體和屈氏體之分，它們之間的根本差異在于組織的細(xì)小程度。珠光體粗大一點(diǎn)，索氏體細(xì)小一點(diǎn)，屈氏體就更細(xì)小。過(guò)冷度愈大，獲得的鐵素體－滲碳體片層組織就愈細(xì)小，即片層之間的距離△0等于鐵素體和滲碳體厚度之和，同時(shí)，片層之間的距離愈小，硬度就愈高（見(jiàn)表2.1）。表4-1珠光體類型組織的片層間距與硬度的關(guān)系組織珠光體索氏體屈氏體△0μm

0.6－1.00.25－0.30.1－0.15HBS180－250250－350350－450

過(guò)冷奧氏體在其擴(kuò)散分解中形成了珠光體，索氏體和屈氏體，它們都是鐵素體－滲碳體組織，它們都是片層狀組織，它們彼此間的差別只是細(xì)小程度的不同。1）珠光體，索氏體，屈氏體鋼的力學(xué)性能上述組織鋼的硬度和強(qiáng)度與鐵素體和滲碳體之間的界面面積成正比，因此，隨著鐵素體－滲碳體細(xì)小程度的增大，即降低它的分解溫度，而硬度，強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都提高。相對(duì)伸長(zhǎng)率和相對(duì)收縮率，索氏體最高。過(guò)冷到屈氏體時(shí)（更低的轉(zhuǎn)變溫度）韌性降低。2）共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的過(guò)程，可以在緩慢的連續(xù)冷卻過(guò)程中發(fā)生，也可以在低于Ar1溫度下的等溫過(guò)程中發(fā)生。所謂等溫轉(zhuǎn)變，指的是在低于Ar1的一定溫度下進(jìn)行保溫時(shí)過(guò)冷奧氏體所發(fā)生的轉(zhuǎn)變。奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖也稱為“時(shí)間－溫度－轉(zhuǎn)變圖”，也稱為“TTT圖”，即時(shí)間，溫度，轉(zhuǎn)變?nèi)齻€(gè)英文字母的第一個(gè)字母。

要建立奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，就得把一些鋼的試樣加熱到奧氏體化的溫度，而后快冷到低于Ar1的溫度，例如，700℃，600℃，500℃，400℃，300℃等，并在這些溫度下保溫到奧氏體全部分解。奧氏體分解的程度可以用金相法（顯微鏡下觀察組織），磁性法（奧氏體無(wú)磁性，珠光體有磁性），膨脹法（奧氏體原子排列最致密，由奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體要發(fā)生體積的膨脹）決定。由于這種作法的結(jié)果，即在低于Ar1以下的不同溫度下保溫，在各個(gè)保溫的溫度下都得到了一個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)變的時(shí)間和一個(gè)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束的時(shí)間。在時(shí)間－溫度的坐標(biāo)里，把所有開(kāi)始轉(zhuǎn)變的時(shí)間連成一條線，同樣也把所有轉(zhuǎn)變結(jié)束的時(shí)間連成一條線。這樣就得到了圖2.4這樣的共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖。圖2.4共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖

從圖上可以看出，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，(H1,H2,H3)過(guò)冷奧氏體并沒(méi)有分解，這段沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間，稱為“孕育期”。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間之后，過(guò)冷奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的珠光體組織。過(guò)冷奧氏體的分解速度，開(kāi)始時(shí)，很快地提高，而然后逐漸降低，一段時(shí)間(K1,K2,K3)之后，分解過(guò)程完全結(jié)束。

在等溫轉(zhuǎn)變圖中，曲線1象征奧氏體開(kāi)始分解，曲線2表示奧氏體的分解結(jié)束。在曲線1左側(cè)的區(qū)域是過(guò)冷奧氏體存在的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里實(shí)際上不產(chǎn)生奧氏體的分解。在不同溫度下保溫，孕育期時(shí)間的長(zhǎng)短象征過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，隨著過(guò)冷度的增大，奧氏體的穩(wěn)定性很快的減小，在“鼻尖”溫度下達(dá)到最低值，然后又隨著溫度的降低其穩(wěn)定性又逐漸增大。

隨著過(guò)冷度的增大，奧氏體的穩(wěn)定性減小，奧氏體的轉(zhuǎn)變速度增大，這是由于奧氏體和要形成的珠光體的自由能差增大的原因，同時(shí)，由于過(guò)冷度的增大，晶核的形成數(shù)量增多，晶核的長(zhǎng)大速度加快，所以?shī)W氏體的穩(wěn)定性降低。在大的過(guò)冷度下，又由于原子的擴(kuò)散過(guò)程困難了，結(jié)晶核心的形成速度小了，新相長(zhǎng)大的速度也小了，就引起了奧氏體的穩(wěn)定性提高了，奧氏體的轉(zhuǎn)變速度減慢了。在等溫轉(zhuǎn)變圖的下部有一條平行于時(shí)間坐標(biāo)的平行線，它表示馬氏體的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（用Ms表示）。當(dāng)奧氏體過(guò)冷到等于或低于Ms時(shí)，擴(kuò)散過(guò)程完全不能進(jìn)行了，在低于這個(gè)溫度下發(fā)生奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變。

從圖中可以看出，由于奧氏體過(guò)冷度的不同，在等溫轉(zhuǎn)變圖上就分成了三個(gè)不同的轉(zhuǎn)變區(qū)域：珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)；中間轉(zhuǎn)變區(qū)（珠光體和馬氏體之間的轉(zhuǎn)變區(qū)）和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。這些轉(zhuǎn)變的意義在于，它對(duì)解決許多實(shí)際問(wèn)題都是很重要的。具體地講，就是鋼的退火時(shí)，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，鋼的等溫淬火時(shí)，發(fā)生中間轉(zhuǎn)變，鋼的淬火時(shí)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。3）亞共析鋼和過(guò)共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變?cè)谶@些鋼中（圖2.5），與共析鋼之不同處在于：是在溫度的上部區(qū)間首先析出多余相—鐵素體（對(duì)亞共析鋼），或者是多余的滲碳體（對(duì)過(guò)共析鋼）。多余鐵素體（滲碳體）的開(kāi)始析出，在等溫轉(zhuǎn)變圖上用一條補(bǔ)充曲線來(lái)表示。（圖2.5a和2.5c）析出多余鐵素體（或滲碳體）的數(shù)量是隨著溫度的降低而減少。圖2.5亞共析鋼、過(guò)共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線4）合金鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變上面所分析的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖只是對(duì)碳鋼和含鈷、銅、鎳的低合金鋼是正確的。對(duì)于一些成分中除了碳之外，還加入了碳化物形成元素的合金鋼來(lái)說(shuō)，奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖就有另外一種形式（圖2.6），在這些鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖上有兩個(gè)過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性最低的溫度范圍，一個(gè)是高溫區(qū)域的珠光體（擴(kuò)散）轉(zhuǎn)變，另一個(gè)是在低溫區(qū)域的貝氏體（中間）轉(zhuǎn)變。圖2.6合金鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖

和碳鋼一樣，在亞共析合金鋼或過(guò)共析合金鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖上和碳鋼一樣，也在等溫轉(zhuǎn)變圖上出現(xiàn)一條補(bǔ)充曲線，以表示多余的合金鐵素體或合金碳化物的開(kāi)始析出。在含有碳化物形成元素的合金鋼中，珠光體轉(zhuǎn)變是由γ→α的同素異型轉(zhuǎn)變和碳與合金元素的重新擴(kuò)散分布才產(chǎn)生的，并導(dǎo)致了珠光體（合金鐵素體＋合金滲碳體）的形成。合金鋼的中間轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是這種轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，一部分富碳的奧氏體在等溫時(shí)不分解，并在繼續(xù)降溫時(shí)，只能使其一部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，甚至于來(lái)不及轉(zhuǎn)變，因此，由于中間轉(zhuǎn)變，合金鋼的組織是由貝氏體和一定數(shù)量的馬氏體或殘余奧氏體組成。

所有的合金元素（鈷除外）在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)都能提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，并在等溫轉(zhuǎn)變圖上使曲線右移。在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域能夠提高過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性的原因是由于在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)合金奧氏體分解后形成鐵素體和合金滲碳體或特種碳化物，在γ－固溶體和碳化物之間要形成這種鐵素體－碳化物組織必須進(jìn)行不只是碳的重新擴(kuò)散分布，還有合金元素的重新擴(kuò)散分布，碳化物形成元素跑向碳化物，而不形成碳化物的元素，就跑向鐵素體，這樣，就可以用在奧氏體中，合金碳化物的擴(kuò)散速度小，和在碳化物形成元素的影響下碳的擴(kuò)散速度減小來(lái)解釋在珠光體區(qū)奧氏體分解減慢的原因。除此之外，合金元素還減小了γ→α的同素異型轉(zhuǎn)變速度。

在過(guò)冷奧氏體的中間轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，只有碳能擴(kuò)散，而合金元素不能擴(kuò)散，因此，奧氏體分解時(shí)，形成α－固溶體和含有合金元素的滲碳體型碳化物。這樣，要形成貝氏體，必須只有碳的擴(kuò)散，不發(fā)生合金元素的重新分配。同時(shí)向鋼中加入幾種合金元素，如加Cr和Ni，Cr和Mo等等，并且量大一點(diǎn)，就更能提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和中間轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，合金元素對(duì)奧氏體的穩(wěn)定性影響是不一樣的。經(jīng)常是在低碳鋼中，最大的轉(zhuǎn)變速度發(fā)生在中間轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，而在高碳鋼中，則發(fā)生在珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)。2.鋼的