第三篇 金属材料及热处理.docx
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第三篇金属材料及热处理
\\BF2\T\JS\DZS\JX第三篇 金属材料与热处理
知识网络总图
第一章 金属的结构与结晶（建议2课时）
考纲要求
1．了解金属的晶体结构及常见的三种金属晶格类型。
2．了解纯金属的结晶与同素异构转变。
知识网络
知识要点
一、金属的晶体结构
1．晶体与非晶体
项目
定义
性能
举例
晶体
原子呈有序、有规则排列的物体
具有固定的熔点，性能呈各向异性
金属在固态下一般均属于晶体
非晶体
原子呈无序堆积状况的物体
没有固定熔点，性能呈各向同性
普通玻璃、松香、树脂等
2．单晶体与多晶体
（1）晶粒：
金属由许多小晶体组成的，小晶体成为晶粒。
（2）晶界：
晶粒之间的交界的地方成为晶界。
3．金属的晶格类型
（1）晶格与晶胞
①晶格：
原子在晶体中排列规律的空间格架。
②晶胞：
能完整反映晶格特征的最小几何单元。
③晶格是由许多形状、大小相同的晶胞重复堆积而成的。
（2）晶面与晶向
①晶面：
在晶体中由一系列原子组成的平面。
②晶向：
通过两个或两个以上原子中心的直线，代表晶格空间排列的一定方向。
（3）金属晶格的类型
常见金属的三种晶格类型
名称
结构特点
典型金属
体心立方晶格（b.c.c）
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心
铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、铌（Nb）、钽（Ta）、α铁（α Fe）等
面心立方晶格（f.c.c）
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心
铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、γ铁（γ Fe）等
密排六方晶格（h.c.p）
晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另有三个原子排在柱体内
镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、锌（Zn）等
4．晶体的缺陷
（1）晶体缺陷：
晶体中原子紊乱排列的现象。
（2）常见晶体缺陷（见下表）
类型
名称
对材料性能的影响
点缺陷
间隙原子
使材料强度、硬度和电阻增加
空位原子
置代原子
线缺陷
刃位错
使金属材料塑性变形更加容易
面缺陷
晶界
晶界越多，金属材料的力学性能越好
亚晶界
（3）晶体缺陷的后果：
都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。
二、纯金属的结晶
1．结晶：
金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体过程。
2．结晶潜热：
在结晶过程中放出的热量称为结晶潜热。
3．纯金属的结晶过程
（1）金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，纯金属的冷却曲线（见图）。
（2）纯金属冷却曲线分析
①1点以上段：
液体金属随着时间的延长，所含热量不断向外散失，温度不断下降。
②12结晶段：
当液体金属冷却到1点时开始结晶，由于结晶过程中释放出来的结晶潜热补偿了散失在空气中的热量，故结晶时温度不随时间的延长而下降，直到2点结晶终了时才继续下降，1～2两点间的水平线为结晶阶段，它所对应的温度是纯金属的理论结晶温度（T0）。
（3）过冷度
①过冷现象：
实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（T0）的现象。
②过冷度（ΔT）：
理论结晶温度与实际结晶温度之差。
ΔT＝T0－T1。
③金属结晶时冷却速度越快，过冷度越大。
（4）纯金属的结晶过程是晶核的形成与长大的过程。
4．晶粒大小对金属力学性能的影响
（1）一般在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。
（2）金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率与晶核的长大速度。
形核率越高、长大速度越慢，结晶后晶粒越细小。
因此，细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度。
（3）常用的细化晶粒方法
①增加过冷度：
在结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。
薄壁铸件的晶粒较细；厚大铸件往往粗晶，铸件外层晶粒较细，心部则是粗晶。
②变质处理：
在浇注前向金属液中加入细小的变质剂，促进形核或降低晶核的长大速度。
这种方法是生产中最常用的方法。
一般钢中加入钛（Ti）、硼（B）、铝（Al）等，铸铁中加入硅铁、硅钙等形核剂。
③振动处理：
结晶时对金属液加以振动（机械振动、超声波振动和电磁振动等），使生长中的枝晶破碎，产生更多的晶核，达到细化晶粒的目的。
三、金属的同素异构转变
1．定义
金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。
2．具有同素异构转变的金属
铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）、锰（Mn）等。
3．以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。
4．同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低到高依次用α、β、γ、δ等表示。
5．纯铁的同素异构转变式
912℃,
1394℃,
6．同素异构转变与纯金属结晶的异同：
（1）相同点：
①都是一个形核和晶核长大的过程；
②有一定的转变温度，转变时有过冷现象；
③）转变过程中放出和吸收热量，有结晶潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段。
（2）不同点：
①结晶是液态到固态的转变，同素异构转变是固态到固态的转变；
②同素异构转变需要较大的过冷度；
③同素异构转变常伴有金属体积的变化，会产生较大的内应力；
④同素异构转变过程，新晶核优先在原晶界处生成，而结晶无规律。
（3）同素异构转变与结晶有许多相似之处，因而也称是一种结晶过程叫重结晶。
典型例题
【例1】 以下各细化晶粒方法中与长大速度有关的是（ ）
A．振动处理B．变质处理C．增加过冷度D．以上答案都有关
【解题指导】 细化晶粒的根本途径是控制形核率和长大速度。
增加过冷度，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快。
变质处理是在浇注前向液态金属中加形核剂，振动处理提供更多的结晶核心。
【答案】 C
【点评】 熟悉细化晶粒的三大措施的应用。
【例2】 纯铁结晶时，冷却速度越快，则（ ）
A．过冷度越大，晶粒越细B．过冷度越大，晶粒越粗
C．过冷度越小，晶粒越细D．过冷度越小，晶粒越粗
【解题指导】 金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度越大。
增加过冷度是细化晶粒常用的有效方法，所以过冷度越大，晶粒越细。
【答案】 A
【点评】 掌握纯金属结晶时冷却速度、过冷度、晶粒大小三者之间的关系，可以借助一两个具体实例强化记忆。
【例3】 下列金属中不属于同一种晶格类型的金属是（ ）
A．CuB．CrC．AlD．γ Fe
【解题指导】 金属的晶格常见类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。
Cu，Al，γ Fe属于面心立方晶格，Cr属于体心立方晶格。
【答案】 B
【点评】 熟记常见金属的三种晶格类型及典型金属。
【例4】浇注前向液态金属中加些细小的形核剂，使其成为人工晶核，从而增加晶粒数目，降低晶核长大速度的方法称为（ ）
A．球化处理B．变质处理
C．水韧处理D．调质处理
【解题指导】本题把金属材料及热处理整个教材中常出现的几个“处理”放到一起进行识别，只要把“处理”的对象、方法、目的搞清楚就很容易。
【答案】 B
【点评】 列表比较：
名称
主要对象
方法
目的
球化处理
铸铁液
加球化剂
得到球状石墨
变质处理
金属液（主要是钢）
加变质剂
细化晶粒
水韧处理
耐磨钢
加热后迅速水淬
得到单相A
调质处理
中碳钢
淬火+高温回火
综合力学性能
【例5】填空题
①金属的结晶过程由晶核的和两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。
②为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。
细化晶粒的根本途径是控制及。
【解题指导】结合纯金属的冷却曲线熟悉结晶过程，从本质上理解细化晶粒的原理。
【答案】①形成、长大；②形核率、长大速度。
【点评】注意熟记教材中有关专用术语避免出现想得出说不出的现象。
巩固训练
一、选择题
1．属于体心立方晶格的金属是（）。
A．镁B．钨C．锌D．铜
2．密排六方晶格的晶胞共有（）个原子。
A．9B．14C．17D．18
３．能够反映金属原子排列规则的最小单元是（）。
A．晶胞B．晶格C．晶粒D．晶体
４．金属是由相同原子构成的（）。
A．晶胞B．晶格C．晶粒D．晶体
５．单晶体在不同的方向上具有（）。
A．各向同性B．各向异性C．磁性D．同素异构转变
６．纯铁在900℃时为__________晶格（ ）
A．体心立方B．面心立方C．密排六方D．以上均错
二、填空题
1．在晶体中由一系列原子组成的平面称。
通过两个或两个以上原子中心的直线，可以代表晶格空间排列的的直线，称为。
2．表示原子在晶体中排列规律的______________叫晶格，能够完整反映原子____________最小____________称为晶胞。
3．金属的结晶是指原子________________排列的____________转变为原子______________排列的______________过程。
4．金属的结晶过程是由________________和________________两个基本过程组成的。
5．常用的细化晶体晶粒的方法有、、三种。
根本途径是
及。
6．金属在________________态下，随________________的改变，由________________转变为________________的现象称为同素异构转变。
第二章 金属材料的性能（建议3课时）
考纲要求
1．掌握金属材料机械性能的衡量指标，并了解强度、塑性、硬度的测定方法。
2．能识读相关符号、代号。
3．能进行强度、塑性指标的计算。
知识网络
知识要点
一、金属材料的损坏与塑性变形
1．变形的定义
零件在外力作用下形状和尺寸发生的变化称为变形。
2．变形的种类
变形分为弹性变形和塑性变形。
（1）弹性变形：
在外力消除后能够恢复的变形。
（2）塑性变形：
在外力消除后无法恢复的永久变形。
3．机械零件常见的损坏形式（见下表）
分类
举例
造成损坏原因
变形
螺栓发生弯曲、轴的弯曲
所受应力超过零件的弹性极限。
零件的损坏变形通常是指塑性变形。
断裂
齿轮轮齿折断、螺栓折断
所受应力超过零件抗拉强度。
零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。
磨损
螺纹牙磨损、齿轮齿面磨损
非正常润滑或超负荷工作或超出零件使用寿命。
因摩擦使零件的尺寸、表面形状和表面质量发生变化的现象，称为磨损。
4.与变形相关的概念
（1）载荷：
①载荷：
金属材料在加工及使用过程中所受到的外力称为载荷。
②载荷的分类：
根据载荷作用性质不同，载荷分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三种。
根据载荷作用形式不同，载荷分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。
（2）内力：
零件受载荷作用时，内部产生与外力相对抗的力。
（3）应力：
横截面上所受的内力成为应力。
单位：
帕（Pa）。
5．金属的变形
影响金属变形的因素：
晶粒位相的影响、晶界的作用、晶粒大小的影响。
6．金属材料的冷塑性变形与加工硬化
（1）冷塑性变形：
在不加热常温下进行的变形加工。
冷塑性变形会使晶粒沿变形方向压扁或拉长，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧。
（2）变形强化或加工硬化：
金属在冷变形加工时，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。
二、金属的力学性能
1．定义
金属在外力作用下所表现出来的性能。
2．金属的力学性能包括：
强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度。
各性能指标及含义（见下表）。
力学
性能
定义
性能指标
含义
名称
符号
计算（单位）
强度
金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力
屈服强度
Rel
Rel＝Fel/S0（MPa）
在拉伸试验时，试样发生塑性变形而力不增加的应力点
抗拉强度
Rm
Rm＝Fm/S0（MPa）
材料在断裂前所能承受的最大力的最大的应力
条件（名义）屈服强度
Rp0.2
Rp0.2＝Fp0.2/S0（MPa）
规定产生0.2%残余伸长时的应力
塑性
材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力
断后伸长率
A
A＝（LuL0）/L0×100%
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率
断面收缩率
Z
Z＝（S0Su）/S0×100%
试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积之比的百分率
硬度
材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力
布氏硬度
HBS
HBW
HBS（HBW）＝F/S（MPa）
球面压痕单位面积上所承受的平均压力
洛氏硬度
HRA
HRB
HRC
HR＝（Ke）/
0．002
用洛氏硬度相应标尺满刻度与压痕深度之差计算的硬度值
冲击
韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力
冲击韧度
αK
αK＝AK/S0（J/cm2）
冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功
疲劳强度
金属材料抵抗交变载荷作用而不破坏的能力
疲劳强度
R－1
（MPa）
试样承受无数次对称循环应力不断裂最大应力
低碳钢的力伸长曲线
3．拉伸试验
（1）拉伸试样
试样有圆形、矩形、六方等形状。
长试样：
L0＝10d0，段试样：
L0＝5d0。
（2）力伸长曲线
右图是低碳钢的力伸长曲线。
图中出现以下四个变形阶段：
阶段名称
曲线
现象
原因
载荷
弹性变形阶段
oe
外力撤去
变形完全消失
在材料弹性范围内
Fe为发生最大弹性变形时的载荷
屈服阶段
es
拉力不增加，变形增加
塑性变形产生
Rel＝Fel/S0
（屈服载荷Fel）
强化阶段
sb
要增加变形必须继续增加拉力
形变强化（加工硬化）
Rm＝Fm/S0
（最大载荷Fm）
缩颈阶段
bz
变形增加拉力减小
局部直径减小
4．硬度测试方法（见下表）
测试方法
测试原理
符 号
应 用
布氏硬度
测量表面压痕直径计算硬度值
HBS（测头淬火（钢球））
HBW（测头硬质合金球）
测定灰铸铁、有色金属、各种软钢的硬度
洛氏硬度
测量压痕深度计算硬度值
HRA（120°金刚石圆锥体）
硬质合金、表面淬火钢等
HRB（1.588mm钢球）
软钢、退火钢、铜合金等
HRC（120°金刚石圆锥体）
一般淬火钢
维氏硬度
测量压痕对角线长度来计算硬度值
HV（136°正四棱锥体金刚石压头）
测定较薄的材料及表面渗碳、渗氮层的硬度
三、金属的工艺性能
1．定义
金属材料的工艺性能是指金属材料对不同的加工工艺方法的适应能力。
2．金属的工艺性能包括
铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能热处理性能等。
典型例题
【例1】 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为（ ）
A．强度B．塑性C．硬度D．冲击韧性
【解题指导】 强度是指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力；塑性是材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力；金属材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力为硬度，故金属材料抵抗局部塑性变形的能力应称为硬度；冲击韧性是材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
【答案】 A
【点评】 要熟悉金属力学性能各指标的含义。
【例2】 用一个标距长度为100mm的低碳钢长试样做拉伸试验，试样拉断时断面处的直径为5.65mm，则试样的断面收缩率为________%。
（ ）
A．32B．68C．8D．92
【解题指导】 题中的长试样是指L0＝10d0，已知L0＝100mm即d0＝10mm，再利用公式Z＝（S0Su）/S0×100%进行求解。
【答案】 B
【点评】 能正确分析题中的隐含条件，熟记有关指标的计算公式并能正确应用。
【例3】 拉伸试验可测量和两个力学性能指标。
【解题指导】 拉伸试验中的四个阶段，其中屈服阶段对应的应力称屈服强度，最大应力称为抗拉强度统称强度指标；断裂后标距的伸长量与原始标距之比的百分率称为断后伸长率，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率称为断面收缩率，这两者为塑性指标。
【答案】 强度塑性
【点评】 掌握五种力学性能指标的测量方法。
巩固训练
一、选择题
1、汽车驾驶员转动方向盘时，方向盘下的金属杆将受到（）作用。
A.拉伸载荷B.压缩载荷C.弯曲载荷D.扭转载荷
2、在拉伸试验时，当测力指针不动或回摆，说明材料出现（）现象。
A.强化B.缩颈C.屈服D.拉断
3、在170HBW10/1000/30符号中，测头的直径是（）mm。
A.170B.10C.1000D.30
4、常用来测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的软钢硬度是（）。
A.HVB.HRAC.HBWD.HRC
5、不是衡量切削加工性好坏的参数是（）。
A.工件的表面粗糙度B.刀具的磨损程度
C.金属材料的流动性D.切削速度
二、填空题
1．金属材料的性能一般分为两种，一类是，一类是。
2．在力—拉伸曲线中，弹性变形阶段会出现现象；屈服阶段会出现现象；强化阶段会出现现象；缩颈阶段会出现现象。
3．金属材料的变形一般分为____________和____________两种。
4．金属材料的冲击韧度是指____________横截面面积上的____________。
5．疲劳强度是金属材料在无限多次____________作用下而不破坏的____________。
6．塑性的指标是____________和______________，分别用符号______和______表示。
7．抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的________。
8．布氏硬度测量时，能较准确地反映材料的________。
9．用一标距长度为50mm的低碳钢短试样做拉伸试验，试验拉断时断面处的直径为4.9mm，拉断后长度为79mm，则试样的断面收缩率为，伸长率为。
10．铸造性能主要取决于、和。
第三章 铁碳合金（建议10课时）
考纲要求
1．了解铁碳合金的相及组织的基本类型和它们的性能特点。
2．掌握简化的铁碳合金状态图，能说明图中点、线、区域的组织类型及其性能特点。
3．了解典型铁碳合金的结晶过程（钢部分），掌握含碳量对钢组织及性能的影响。
知识网络
知识要点
一、合金及其组织
1．合金
合金是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼而获得的具有金属特性的材料。
2．组元（元）
组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在物质。
3．相
在合金中，成分、结构及性能相同的组成部分。
4．组织
合金中不同相之间相互组合配置的状态。
5．根据合金中各组元之间结合方式分
组织
定义
晶格类型
举例
间隙固
溶体
溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体
保持溶剂的晶格
铁素体（F）、奥氏体（A）
置换固
溶体
溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体
保持溶剂的晶格
金属化
合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质
复杂的晶格类型
渗碳体（Fe3C）
混合物
两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质
各相保持自己的晶格类型
珠光体（P）、莱氏体（Ld）
固溶强化：
通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。
形变强化、固溶强化、热处理都是强化金属的手段，对有色金属来说，固溶强化是一种重要的强化手段。
二、铁碳合金的相及组织
铁碳合金基本组织及性能（见下表）
名称
符号
含碳量（%）
含 义
力学性能
备 注
铁素体
F
0－0.0218
碳溶解在α－Fe中形成的间隙固溶体，属单相组织
良好的塑性和韧性，强度和硬度较低
在α－Fe中的最大溶碳量为0.0218%，室温时溶碳量几乎为零，故性能与纯铁相似
奥氏体
A
在1148℃时为2.11，在727℃时为0.77
碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体，属单相组织
强度和硬度不高，塑性良好
是高温锻造、轧制所要求的组织
渗碳体
Fe3C
6.69
含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，属单相组织
硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零
具有复杂的斜方晶体结构，在适当条件下能分解为铁和石墨
珠光体
P
0.77
铁素体与渗碳体的混合物，属多相组织
强度较高，硬度适中，有一定的塑性
在缓慢冷却条件下，含碳量为
0．77%
莱氏
体（低
温莱
氏体）
Ld
（L′）
4.3
莱氏体是1148℃时
硬度很高
奥氏体和渗碳体的混合物；低温莱氏体是室温下珠光体和渗碳体的混合物，属多相组织
塑性很差
三、铁碳合金相图
1．铁碳合金相图
表示在缓慢冷却的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。
简化的铁碳合金相图见下图，图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量分数。
简化的Fe Fe3C相图
2．Fe Fe3C相图中点、线的含义
（1）Fe Fe3C相图中几个主要特性点的含义（见下表）
点的符号
温度（℃）
含碳量（%）
含 义
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4.3
共晶点，Lc（A＋Fe3C）
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ－Fe中的最大溶解度
G
912
0
纯铁的同素异构转变点α－Feγ－Fe
S
727
0.77
共析点As（F＋Fe3C）
（2）Fe Fe3C相图中特性线的含义（见下表）
特征线
含 义
备 注
ACD
液相线
金属液冷却到此线开始结晶，AC线以下结晶出奥氏体，CD线以下结晶出渗碳体
AECF
固相线
金属液冷却到此线全部结晶为固态
GS
常称A3线。
冷却时，从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线
奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果
ES
常称Acm线。
碳在γ－Fe中的溶解度线
随温度下降，碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳以二次渗碳体的形式从奥氏体中析出
ECF
共晶线，Lc（A＋Fe3C）
金属液冷却到此线发生共晶转变，从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体
PSK
共析线，常称A1线。
AS（F＋Fe3C）
合金冷却到此线发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体
（3）Fe Fe3C相图中的主要相区（见下表）
范 围
存在的相
相 区
ACD线以上
L
单相区
AESGA
A
单相区
AECA
L＋A
两相区
DFCD
L＋Fe3CI
两相区
GSPG
A＋F
两相区
ESKF
A＋Fe3C
两相区
PSK以下
F＋Fe3C
两相区
（4）共晶转变与共析转变
①共晶转变：
一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。
②共析转变：
在一定温度下，由一个固相同时析出两个与原固相成分不同
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