船舶焊接工藝-船舶材料與焊接第一章(參考課件)

11第一章船舶材料基礎(chǔ)

材料是造船工業(yè)的基礎(chǔ)。在造船生產(chǎn)中使用的材料特別是金屬材料主要具有滿足船舶結(jié)構(gòu)所需的力學(xué)性能與工藝性能要求；而這些性能與金屬內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)及合金化有著密切的關(guān)系，還可以通過熱處理強化和改善它們的性能。2第一章船舶材料基礎(chǔ)材料是造船工業(yè)的基礎(chǔ)。在造船第一節(jié)金屬的力學(xué)性能教學(xué)目標(biāo):

１．了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：強度(屈服強度、抗拉強度)、塑性(伸長率、斷面收縮率)、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等力學(xué)性能及其測試原理；２．強調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實際意義。3第一節(jié)金屬的力學(xué)性能教學(xué)目標(biāo):3

南山學(xué)院引言：1、金屬材料的性能使用性能：指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。2、金屬材料力學(xué)性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。4南山學(xué)院引言：1、金屬材料的性能一、強度和塑性

（一）拉伸實驗與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0拉伸試樣5一、強度和塑性（一）拉伸實驗與拉伸曲線2.拉伸過程62.拉伸過程6拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機7拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機7

op段：比例彈性變形階段。pe段：非比例彈性變形階段。平臺或鋸齒（s段）：屈服階段，明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp3.材料的拉伸曲線

斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。低碳鋼的拉伸曲線通常以材料拉伸曲線上的特殊點和線作為強度和塑性的性能指標(biāo)8op段：比例彈性變形階段。FΔlbΔluΔl退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線9退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲（二）常用強度性能指標(biāo)強度:

材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程上常用的強度指標(biāo)有

σ0.2（σs），σb

表示。(1)屈服點與屈服強度:

屈服點：產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值.σs=Fs/S0

符號：σs：材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應(yīng)力Fs：試樣屈服時所承受的拉伸力（N）S0

：試樣原始橫截面積（mm）σs10（二）常用強度性能指標(biāo)σs10

屈服強度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)σ0.2：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時的應(yīng)力試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形屈服強度σ0.2（σs）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的主要依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標(biāo)之一。

屈服點是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強度指標(biāo)，大多數(shù)合金都沒有屈服現(xiàn)象，屈服強度以σ0.2表示。11屈服強度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)它表示材料抵抗斷裂的能力。

F

b

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)σbσsσe(2)抗拉強度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力σ＞σb時，材料將產(chǎn)生斷裂。σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標(biāo)之一。12σbσsσe(2)抗拉強度：試樣在斷裂前所能承受（三）塑性:

是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)是材料斷裂時最大相對塑性變形，如ψ，δ表示。

(1)斷面收縮率:是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量Δ

S與原始橫截面積S0之比。

(2)伸長率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量ΔL

與原始標(biāo)距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0δ=——-—×100%l0

δ或ψ數(shù)值越大，則材料的塑性越好。任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。除常溫試驗之外，還有金屬材料高溫拉伸試驗方法（GB/T4338—95）和低溫拉伸試驗方法（GB/T13239—91）供選用。13（三）塑性:(1)斷面收縮率:是指試樣拉斷處橫截面積的收練習(xí)題一拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標(biāo)距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%14練習(xí)題一拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？15練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解：根據(jù)試驗結(jié)果計算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。16練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥二、硬度

1、定義：指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。它是衡量材料表面軟硬程度的指標(biāo)，因此硬度不是一個單純的確定的物理量，不是基本的力學(xué)性能指標(biāo)，而是一個由材料的彈性、強度、塑性、韌性等一系列不同力學(xué)性能組成的綜合性能指標(biāo)，所以硬度所表示的量不僅決定于材料本身，而且還取決于試驗方法試驗條件。2、硬度的測試方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）維氏硬度

引言：17二、硬度1、定義：指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度試驗（布氏硬度計）1、原理:用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗力，測量材料表面壓痕直徑，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。布氏硬度計

18（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)2、布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。符號HBS(淬火鋼球)或HBW(硬質(zhì)合金球)之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000k（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。3、優(yōu)缺點（1）測量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（2）可測的硬度值不高（3）不測試成品與薄件（4）測量費時，效率低4、測量范圍用于測量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等.192、布氏硬度值19（二）洛氏硬度HR(Rockwllhardness)

1、原理:

用頂角為120o金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計20（二）洛氏硬度HR(Rockwllhardness)2、洛氏硬度值用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出，如：50HRC。3、優(yōu)缺點（1）試驗簡單、方便、迅速

（2）壓痕小，可測成品，薄件

（3）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測三點取平均值

（4）不應(yīng)測組織不均勻材料，如鑄鐵。4、測量范圍用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.212、洛氏硬度值21（三）維氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)1、原理:用夾角為136o的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d。22（三）維氏硬度HV(diamondpenetrator2、維氏硬度值用壓痕對角線長度表示。如：640HV。

3、優(yōu)缺點（1）測量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）

（2）可測成品與薄件

（3）試樣表面要求高，費工。4、測量范圍常用于測薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。

HV≈HBS232、維氏硬度值23三、沖擊吸收功材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。目前最常見的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，其試驗原理如圖所示。24三、沖擊吸收功材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。24沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖25沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖25試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

對一般常用鋼材來說，所測沖擊吸收功AK越大，材料的韌性越好。實驗表明，AK隨溫度的降低而減??；在某一溫度范圍，材料的AK值急劇下降，表明材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

AK

ak

=(J/cm2)S026試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:四、疲勞極限(fatiguestrength)許多機械零件如軸、齒輪、彈簧等許多工程結(jié)構(gòu)都是交變應(yīng)力下工作的，它們工作時所承受的應(yīng)力通常都低于材料的屈服強度。材料在循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為材料的疲勞破壞。疲勞破壞與靜載荷下的破壞不同，斷裂前沒有明顯的塑性變化，發(fā)生斷裂也較突然。這種斷裂具有很大的危險性，常常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計，大部分機械零件的失效是由金屬疲勞造成的。因此，工程上十分重視對疲勞規(guī)律的研究。27四、疲勞極限(fatiguestrength)四、疲勞極限(fatiguestrength)

表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值（或當(dāng)應(yīng)力低于某值時，應(yīng)力循環(huán)到無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力值）稱為材料的疲勞極限。通常在對稱應(yīng)力循環(huán)條件下的純彎曲疲勞極限用σ-1表示。28四、疲勞極限(fatiguestrength)表鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取

N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

σ-1=(0.45～0.55)σb29鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107291943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂301943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂30第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶內(nèi)容:金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的:掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好理論知識的準(zhǔn)備。31第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶內(nèi)容:31一、晶體的基本知識

（一）晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)根據(jù)其原子排列特征，可分為晶體和非晶體兩類。

晶體的特點是：1、原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。2、具有一定的熔點，如鐵的熔點為1538℃，銅的熔點為1083℃。3、晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。

一般情況下固態(tài)金屬都是晶體。最近人們對某些金屬采用特殊的工藝措施，也可使固態(tài)金屬呈非晶態(tài)。本教材中主要研究金屬的晶體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)。32一、晶體的基本知識（一）晶體與非晶體32非晶體的特點是：1、原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。2、沒有固定熔點，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。3、各個方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。（二）晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

晶格與晶胞33非晶體的特點是：33

（三）常見金屬的晶格類型

1、體心立方晶格每個晶胞原子數(shù)n=8×1/8+1=2(個)屬于體心立方晶格類型的金屬有α-Fe（912℃以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢等34（三）常見金屬的晶格類型34

2、面心立方晶格每個晶胞中的原子數(shù)為n=8×1/8+6×1/2=4(個)

屬于面心立方晶格類型的金屬有γ-Fe（1394－912℃的鐵）、鋁、銅、銀等。體心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的強度高于前者。352、面心立方晶格35

3、密排六方晶格密排六方晶胞中的原子數(shù)n=12×1/6+2×1/2＋3=6(個)屬于密排六方晶格類型的金屬有Mg、Zn、Cd、α-Ti等。363、密排六方晶格36（四）晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較。

在體心立方晶胞中，含有2個原子。這2個原子的體積為2×（4／3）πr3，式中r為原子半徑。故體心立方晶格的致密度為：2個原子的體積與晶胞體積之比等于0.68。

這表明在體心立方晶格中，有68％的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為0.74。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當(dāng)鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹。37（四）晶體結(jié)構(gòu)的致密度37二、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)

（一）單晶體和多晶體晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。金屬的單晶體只能靠特殊的方法制得（單晶硅、單晶鍺等）。實際使用的金屬材料都是由許多晶格位向不同的微小晶體組成的：每個小晶體都相當(dāng)于是一個單晶體，晶體內(nèi)部的晶格位向是一致的；小晶體之間的位向卻不相同。這種外形呈多面體顆粒狀的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

38二、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)（一）單晶體和多晶體383939

（二）晶體的缺陷晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為三類：點缺陷、線缺陷、面缺陷。40（二）晶體的缺陷40

1、點缺陷——空位和間隙原子在實際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。由于空位和間隙原子的存在，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度增加。411、點缺陷——空位和間隙原子由于空位和間隙原子的存在，2、線缺陷——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，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量通常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯的移動有關(guān)。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度的增加所致。422、線缺陷——位錯423、面缺陷——晶界和亞晶界實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖2－23、2－24），該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。433、面缺陷——晶界和亞晶界43三、純金屬的結(jié)晶（一）結(jié)晶的基本概念1.凝固

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶*晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。晶體物質(zhì)都有一個平衡結(jié)晶溫度（熔點），液體低于這一溫度時才能結(jié)晶，固體高于這一溫度時便發(fā)生熔化。在平衡結(jié)晶溫度，液體與晶體同時共存，處于平衡狀態(tài)。44三、純金屬的結(jié)晶（一）結(jié)晶的基本概念44To

3.純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)45To

3.純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論過冷現(xiàn)象實驗表明，純金屬的實際結(jié)晶溫度T1總是低平衡溫度To這種現(xiàn)象叫做過冷現(xiàn)象。過冷度實際結(jié)晶溫度T1與平衡結(jié)晶溫度To（熔點）差值△T稱為過冷度。

ΔT=T0–T1過冷是結(jié)晶的必要條件。46過冷現(xiàn)象46（二）結(jié)晶的一般規(guī)律1、結(jié)晶的過程:形核、長大及不斷形核和不斷長大的過程。47（二）結(jié)晶的一般規(guī)律47結(jié)晶完成形成多晶體

48結(jié)晶完成形成多晶體482.晶核的長大方式—樹枝狀492.晶核的長大方式—樹枝狀49金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶50金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶50（三）金屬結(jié)晶后的晶粒大小及控制1.影響晶核的形核率和晶體長大率的因素(1)過冷度的影響(2)未熔雜質(zhì)的影響:外來雜質(zhì)能增加金屬的形核率,并阻礙晶核的生長。51（三）金屬結(jié)晶后的晶粒大小及控制512、細(xì)化晶粒的途徑金屬結(jié)晶后，獲得由許多晶粒組成的多晶體組織。晶粒的大小對金屬的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能均有很大影響。細(xì)晶粒組織的金屬強度、硬度高，而且塑性、韌性也好；而粗晶粒金屬的耐蝕性好。

1）提高冷卻速度2）變質(zhì)處理3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。V冷△TN晶粒細(xì)小522、細(xì)化晶粒的途徑V冷△TN晶粒細(xì)小52四、合金的相結(jié)構(gòu)

1、合金的基本概念由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)叫做組元。組元通常是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。組織是指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡等觀察到的材料內(nèi)部的具有一定形貌特征的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。一般將用肉眼和放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織，在顯微鏡下觀察到的組織稱為顯微組織。組織的含義包括組成物“相”的種類、形狀、大小及不同“相”之間的相對數(shù)量和相對分布。53四、合金的相結(jié)構(gòu)

1、合金的基本概念53

2、合金的相結(jié)構(gòu)

由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。1、固溶體溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相稱為固溶體。

542、合金的相結(jié)構(gòu)54

不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。55不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。2、金屬化合物金屬化合物是合金元素間發(fā)生相互作用而生成的具有金屬性質(zhì)的一種新相，其晶格類型和性能不同于合金中的任一組成元素，一般可用分子式來表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。

絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。

56固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實總結(jié)1、金屬的晶格有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)，由于致密度的不同，從一種晶格到另一種的變化會引起體積的變化。2、實際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點缺陷、位錯、晶界和亞晶界。點缺陷對金屬材料的熱處理過程極為重要。位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位錯密度的增加所致。點缺陷、晶界和亞晶界也與材料的力學(xué)性能有關(guān)。3、合金的相結(jié)構(gòu)有固溶體和化合物。彌散強化和固溶強化可以提高金屬材料的力學(xué)性能，所以，合金化是提高金屬性能的方法之一。57總結(jié)1、金屬的晶格有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排第三節(jié)鐵碳合金相圖

內(nèi)容:純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變Fe–C相圖的基礎(chǔ)知識。形成Fe-Fe3C相圖組元和基本組織的結(jié)構(gòu)與性能。Fe-Fe3C相圖的建立與分析。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵碳合金組織、性能的影響。目的:Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用。

58第三節(jié)鐵碳合金相圖內(nèi)容:58一、鐵碳合金的基本組織（一）純鐵的的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵、鈦等金屬在結(jié)晶完成后繼續(xù)冷卻中，其晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。1394°C912°C體心立方面心立方密排六方δ-Feγ-Feα-Fe59一、鐵碳合金的基本組織1394°C912°C體心立純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe60純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃1000600800120純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義鐵碳合金組織豐富多樣鋼鐵材料性能多樣鋼鐵可以進(jìn)行熱處理61純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義61（二）Fe-C相圖表示平衡狀態(tài)下鐵碳合金的成分—溫度—組織（或狀態(tài)）之間關(guān)系的圖形溫度FeCFe2CFe3CFeC(6.69%C)62（二）Fe-C相圖溫度FeCFe2CFe3CFeC(（三）形成Fe-Fe3C相圖組元和基本組織的結(jié)構(gòu)與性能1、組元

*鐵(ferrite)

*滲碳體(Cementite)2、基本組織

（1）鐵素體(F)

碳溶于α–Fe中的間隙固溶體。

63（三）形成Fe-Fe3C相圖組元和基本組織的結(jié)構(gòu)與性能（2）奧氏體(A)碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。6464（3）滲碳體(Fe3C)鐵與碳形成的金屬化合物。6565（4）珠光體

(P)鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。66（4）珠光體(P)66（5）萊氏體(Ld)滲碳體和珠光體（奧氏體）組成的機械混合物。67（5）萊氏體(Ld)67鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體強度、硬度低，塑性、韌性好有一定的強度和硬度，塑性也很好硬度很高，脆性大，塑性和韌性極低綜合力學(xué)性能較好硬度很高，塑性很差鐵碳合金的基本組織68鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體強度、硬度低，塑性、韌性好有一鐵碳合金相圖（Fe～Fe3C）純鐵（含碳0～0.0218％）鑄鐵（含碳2.11～6.69％）碳鋼（含碳0.0218～2.11％）純鐵熔點（1538℃）Fe3CA滲碳體熔點（1227℃）共晶點（1148℃）碳在γ－Fe中的最大溶解度（1148℃）共析線滲碳體（含碳6.69％）G純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點（912℃）碳在α－Fe中的最大溶解度（727℃）共析點（727℃）69鐵碳合金相圖（Fe～Fe3C）純鐵（含碳0～0.0218％PS7271148LAkGCEFDAQFe3CFeFL+AA+FA+Fe3CF+Fe3CF+PP+Fe3CP純鐵的熔點滲碳體的熔點鋼和鐵的分界點共晶點共析點有無萊氏體的分界點有無珠光體的分界點簡化的Fe-Fe3C狀態(tài)圖70PS7271148LAkGCEFDAQFe3CFeFL+AA二、Fe-Fe3C相圖的分析（一）圖中主要的特性點和線及其意義五個重要的成份點:P（表示碳在α-Fe中的最大溶解度）S（共析點727℃，ωc=0.77%）E（碳在γ-Fe中的最大溶解度）C（共晶點，1148℃，ωc=4.3%）K（滲碳體的成分）四條重要的線:EF（共晶線）ES（碳在γ—Fe中的溶解度曲線）GS（奧氏體和鐵素體的相互轉(zhuǎn)變線）PK（共析線）兩個重要轉(zhuǎn)變:共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。二個重要溫度:1148℃、727℃。71二、Fe-Fe3C相圖的分析71（二）鐵碳合金的分類

72（二）鐵碳合金的分類72三、鋼的結(jié)晶過程（一）共析鋼(Wc=0.77%)73三、鋼的結(jié)晶過程73（二）亞共析鋼(Wc=0.45%)74（二）亞共析鋼(Wc=0.45%)74（三）過共析鋼(Wc=1.2%)75（三）過共析鋼(Wc=1.2%)75PSFewC/%7271148LtAGCE12324241133PPFe3CIIFPAL+AF+PPP+Fe3CA+FA+Fe3C合金結(jié)晶過程

對比分析76PSFewC/%7271148LtAGCE123242411四、鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系及應(yīng)用（一）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對平衡組織的影響77四、鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系及應(yīng)用77（二）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對力學(xué)性能的影響78（二）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對力學(xué)性能的影響78（三）鐵碳合金相圖的應(yīng)用1、選擇材料方面的應(yīng)用工程設(shè)計中，對金屬材料有不同的要求。如金屬構(gòu)件用的鋼材，可選用碳含量較低的鋼。各種機器零件，可選用碳含量適中的鋼。各種工具，則選擇碳含量較高的鋼

79（三）鐵碳合金相圖的應(yīng)用792、在制定工藝規(guī)范方面的應(yīng)用802、在制定工藝規(guī)范方面的應(yīng)用803、在焊接工藝方面的應(yīng)用焊接時,由焊縫到母材各區(qū)域加熱溫度不同,隨后的冷卻也就可能出現(xiàn)不同的組織與性能,這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。4、在熱處理工藝方面的應(yīng)用溫度含碳量完全退火球化退火去應(yīng)力退火擴(kuò)散退火火正813、在焊接工藝方面的應(yīng)用溫度含碳量完全退火球化退火去應(yīng)力退火第四節(jié)鋼的普通熱處理工藝引言：1、熱處理的概念將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織與性能的工藝。2、熱處理的目的（1）提高鋼的力學(xué)性能（2）改善鋼的工藝性能82第四節(jié)鋼的普通熱處理工藝引言：82

一、鋼的熱處理工藝（一）分類根據(jù)工藝類型、工藝名稱和實現(xiàn)工藝的加熱將熱處理分為：1、整體熱處理退火、正火、淬火、回火2、表面熱處理表面淬火、氣相沉積3、化學(xué)熱處理

滲碳、氮化、碳氮共滲本節(jié)主要介紹鋼的整體熱處理83一、鋼的熱處理工藝83（二）熱處理轉(zhuǎn)變溫度84（二）熱處理轉(zhuǎn)變溫度84二、鋼的普通熱處理工藝（一）鋼的退火1、概念：將鋼件加熱到A3（對亞共析鋼）或A1（對過共析鋼）線以上某一溫度范圍，保溫一段時間后，在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中，使其緩慢冷卻的熱處理方法

2、目的：1）降低硬度，以利于切削加工；2）細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能；3）消除內(nèi)應(yīng)力（加熱到A1線以下即可）。85二、鋼的普通熱處理工藝85（二）鋼的正火1、概念：正火是將鋼加熱到A3或Acm線以上某一溫度范圍，保溫一段時間后，從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理方法。正火是置