1、教案一【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】绪 论一、人类社会的发展历程人类使用材料的足迹经历了从低级到高级、从简单到复杂、从天然到合成的过程，目前人类已进入金属（如钛金属）、高分子、陶瓷及复合材料共同发展的时代。二、节约金属材料一是向地壳的深部要金属；二是向海洋要金属；三是节约金属材料，寻找它的代用品。三、非金属材料的使用非金属材料的使用，不仅满足了机械工程中的特殊需求，而且还大大简化了机械制造的工艺过程，降低了机械制造成本，提高了机械产品的使用性能。其中比较突出的非金属材料就是：塑料、陶瓷与复合材料等。四、机械零件加工技术的发展例如，激光技术与计算
2、机技术在机械零件加工过程中的应用，使得机械零件加工设备不断创新，零件的加工质量和效率不断提高，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和生产管理信息系统（MIS）的综合应用，突破了传统的机械零件加工方法，产生了巨大的变革。五、我国在金属加工方面取得的成就 历史上我国是使用和加工金属材料最早的国家之一。2008年我国钢铁产量突破5亿吨，成为国际钢铁市场上举足轻重的“第一力量”。六、金属工艺学课程的性质金属工艺学教材内容广、实践性强，比较系统地介绍了金属材料与非金属材料的分类、性能、加工工艺方法及其应用范围
3、等知识。该课程是融汇多种专业基础知识为一体的专业技术基础课，是培养从事机械装备制造行业应用型、管理型、操作型及复合型人才的必修课程。同学们在学习本课程时，一定要多联系自己在金属材料和非金属材料方面的感性知识和生活经验，要多讨论、多交流、多分析和多研究，特别是在实习中要多观察，勤于实践，做到理论联系实际，这样才能更好地学好教材中的基础知识，做到融会贯通，全面发展。第一章 金属材料基础知识第一节 金属材料分类金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料，并具有金属特性的工程材料。合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素
4、组成的金属材料。图1-1 金属材料分类以铁或以它为主而形成的金属材料，称为钢铁材料（或称黑色金属），如各种钢材和铸铁。除钢铁材料以外的其它金属材料，统称为非铁金属（或称有色金属），如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数w（C）(含碳量)进行分类，可分为工业纯铁（w（C）2.11 %）。一、炼铁生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸件生产的主要原材料。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）。高炉冶炼出的铁不是纯铁，其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素，这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产品
5、。根据用户的不同需要，生铁可分为两类：铸造生铁和炼钢生铁。 二、炼钢 钢材生产是以生铁为主要原料，首先将生铁装入高温的炼钢炉里，通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数，并使其到达需要的钢液，然后将钢液浇铸成钢锭或连续坯，再经过热轧或冷轧后，制成各种类型的型钢。用生铁炼钢，实质上是一个氧化过程。 1炼钢方法 表1-1 氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法的比较炼钢方法热 源主要原料主要特点 产 品氧气转炉氧化反应的化学热生铁、废钢冶炼速度快，生产率高，成本低。钢的品种较多，质量较好，适合于大量生产非合金钢和低合金钢电弧炉电能废钢炉料通用性大，炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金钢。钢的质量优良，
6、品种多样合金钢 2钢的脱氧按钢液脱氧程度的不同，钢可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)，半镇静钢(b)和沸腾钢(F)四种。 3钢的浇注 钢液经脱氧后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭或连铸坯。 4炼钢的最终产品 钢锭经过轧制最终形成板材、管材、型材、线材及其它类型的材料。 第三节 机械制造过程概述机械产品的制造过程一般分为设计、制造与使用三个阶段，如图1-4所示。图1-4 机械产品制造过程的三个阶段第四节 金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。金属材料的使用性能包括力学性能、物
7、理性能和化学性能等；工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力，称为应力(N/mm2)。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
8、 （一）强度与塑性金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。 1拉伸试验 拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。（1）拉伸试样。拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种。长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。a）拉断前 b）拉断后图1-5 圆形拉伸试样 （2）试验方法。2力伸长曲线在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈
9、与断裂四个阶段。 图1-7 退火低碳钢力伸长曲线 【教学重点与难点】1重点：金属材料分类和相关基本概念2难点：力学性能概念的理解、力伸长曲线【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。教案二【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】 3强度指标金属材料的强度指标主要有:屈服点s、规定残余伸长应力0.2、抗拉强度b等。 （1）屈服点和规定残余延伸应力。屈服点是指试样在拉
10、伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服点用符号s表示。单位为N/mm2或MPa。 规定残余延伸应力是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距的百分比达到规定值时的应力，用应力符号并加角标“r和规定残余伸长率”表示，如r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力定为没有明显产生屈服现象金属材料的屈服点。（2）抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力。用符号b表示，单位为N/mm2或MPa。 4塑性指标（1）断后伸长率。试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号表示。使用长试样测定的断后伸长率用符号10表示，通常写成；使用短试
11、样测定的断后伸长率用符号5表示。（2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。（二）硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也是指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。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。 1布氏硬度布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法。
12、布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的，用符号HBW表示，上限为650HBW。图1-8 布氏硬度试验原理图 布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符号“HBW”的前面。除了保持时间为1015s的试验条件外，在其他条件下测得的硬度值，均应在硬度符号“HBW”的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。例如，150HBW 10/1000/30。2洛氏硬度洛氏硬度试验原理是以锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（淬火钢球或硬质合金球），压入试样表面，试验时先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力时，根据试
13、样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。测定的硬度数值写在符号“HR”的前面，符号“HR”后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。 3维氏硬度 维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似，是以面夹角为136的正四棱锥体金刚石为压头，试验时，在规定的试验力F（49.03N980.7N）作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线d的平均长度，可计算出其硬度值。维氏硬度用符号“HV”表示。 维氏硬度数值写在符号“HV”的前面，试验条件写在符号“HV”的后面。例如，640HV30表示用30kgf(294.2N)的试
14、验力，保持1015s测定的维氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持20s测定的维氏硬度值是640。（三）韧性1一次冲击试验韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量。（1）夏比摆锤冲击试样。夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种，如图1-11所示。带V型缺口的试样，称为夏比V型缺口试样；带U型缺口的试样，称为夏比U型缺口试样。a)夏比U型缺口试样 b)夏比V型缺口试样图1-11 夏比摆锤冲击试样（2）夏比摆锤冲击试验方法。夏比摆锤冲击试验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。计算公式
15、是：V型缺口试样：KV2或KV8=AKV1-AKV2(J)U型缺口试样：KU2或KU8=AKU1-AKU2(J)KV2或KU2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。吸收能量大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。图1-12 夏比冲击试验原理吸收能量K对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。（3）吸收能量与温度的关系。金属材料的吸收能量与温度之间的关系曲线一般包括高吸收能量区、过渡区和低吸收能量区三部分。当温度降至某一数值时
16、，吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。 2多次冲击试验 金属材料在多次冲击下的破坏过程是由裂纹产生、裂纹扩张和瞬时断裂三个阶段组成。其破坏是每次冲击损伤积累发展的结果，不同于一次冲击的破坏过程。多次冲击弯曲试验在一定程度上可以模拟零件的实际服役过程，为零件设计和选材提供了理论依据，也为估计零件的使用寿命提供了依据。在小能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗
17、力大小，主要取决于金属材料强度的高低；在大能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗力大小，主要取决于金属材料塑性的高低。 【教学重点与难点】1重点：金属材料的强度与塑性、硬度和韧性2难点：强度与塑性【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。教案三【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】 （四）疲劳 1疲劳现象循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周
18、期性变化的一类应力和应变。零件工作时在承受低于制作金属材料的屈服点或规定残余伸长应力的循环应力作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生，先形成微小的裂纹核心，即微裂源。随后在循环应力作用下，微小裂纹继续扩展长大。由于微小裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则突然发生疲劳断裂，形成最后断裂区。金属疲劳断裂的断口由微裂源、扩展区和瞬断区组成。 图1-16 疲劳断口示意图2疲劳强度金属在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度。即循环
19、次数值N无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。对于钢铁材料其循环基数为107，对于非铁金属其循环基数为108。对于对称循环应力，其疲劳强度用符号-1表示。金属材料在承受一定循环应力条件下，其断裂时相应的循环次数N可以用曲线来描述，这种曲线称为-N曲线。二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能1金属材料的物理性能 金属材料的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，其所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。（1）密度。金属的密度是指单位体积金属的质量。一般将密
20、度小于5103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5103kg/m3的金属称为重金属。（2）熔点。金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温零件。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造保险丝和防火安全阀等零件。（3）导热性。金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数)表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合金好。（4）导电性。金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率表示，单位是m。金属的电阻率越小，其导电性越好。（5）热膨胀性。
21、金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。金属热膨胀性的大小用线胀系数l和体胀系数v来表示。（6）磁性。金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为铁磁性材料和非铁磁性材料。2金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与
22、抗氧化性的总称。3金属材料的工艺性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、充型能力、吸气性、收缩性和偏析等。金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性能好的金属材料可以获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有良好的力学性能。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好
23、的金属对刀具的磨损小，可以选用较大的切削用量，加工表面也比较光洁。第五节 金属材料的晶体结构 一、晶体与非晶体固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是指其组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质。晶体具有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等。非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。图1-18 简单立方晶格及其晶胞示意图 二、金属的晶体结构 (一)晶格 抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。 (二)晶胞反映晶格特征、具有代表性的最小几何单
24、元称为晶胞。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长（晶格常数）a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。(三)常见的金属晶格类型 常见的晶格类型是：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格： 1体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。具有这种晶格的金属有：铁(-Fe)、钨(W)、钼(o)、铬(r)、钒()、铌（Nb）等约30种金属。图1-19 体心立方晶格示意图 2面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。具有这种晶格的金属有：铁(-e)、金(u)、银
25、(Ag)、铝(l)、铜(u)、镍(Ni)、铅（Pb）等金属。图1-20 面心立方晶格示意图 3密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，每个晶胞实有原子数是6个。具有这种晶格的金属有：钛(-Ti)、镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉（Cd）等金属。图1-21 密排六方晶格示意图 三、金属的实际晶体结构原子从一个核心（或晶核）按同一方向进行排列生长而形成的晶体，称为单晶体。自然界存在的单晶体有水晶、金刚石等，采用特殊方法也可获得单晶体，如单晶硅、单晶锗等，单晶体具有显著的各向异性特点。由许多晶粒组成的晶体称为
26、多晶体。多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 (一)点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷。最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。原子空缺的位置称为空位；存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。 (二)线缺陷线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷。线缺陷主要指各种类型的位错。位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。(三)面缺陷面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，
27、通常是指晶界和亚晶界。图1-25 晶界过渡结构示意图 【教学重点与难点】1重点：金属材料疲劳强度和晶体结构2难点：晶体缺陷【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。教案四【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】 第六节 纯金属的结晶过程 金属由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。 一、冷却曲线与过冷度 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，通
28、常采用热分析法测量其结晶温度。液态金属冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现一水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温度(T0)。在实际结晶过程中，液态金属冷却到理论结晶温度 (T0)以下的某一温度时，才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差T，称为过冷度。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。二、金属的结晶过程 晶核的形成和晶核的长
29、大就是金属结晶的基本过程。a)熔液 b)形核 c)形核与晶核长大 d) 晶核长大 e)结晶结束图1-27 纯金属结晶过程示意图晶核的长大方式主要是平面生长方式和树枝状生长方式。纯金属晶核的长大主要以结晶表面向前平移的方式进行，即采取平面生长方式.当过冷度较大，液态金属中存在未熔化的微粒时，金属晶核的长大主要以树枝状生长方式长大。当液态金属采用树枝状生长方式长大时，最后凝固的树枝之间不能及时填满，晶体的树枝状就很容易显漏出来，如在很多金属铸锭表面可以看到树枝状的浮雕。 三、金属结晶后的晶粒大小 1晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好。2晶粒大小的控制在生产
30、中为了获得细小的晶粒组织，常采用以下一些方法：(1)加快液态金属的冷却速度，增大过冷度。 (2)采用变质处理。(3)采用机械搅拌、机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的树枝晶破碎和细化，而且破碎的树枝晶又可起到新晶核作用，使晶核数量增多，从而可细化晶粒。第七节 金属材料的同素异构转变在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转变或称同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变转变是：图1-30 纯铁的冷却曲线和同素异构转变同素异构转变是钢铁材料的一个重要特性，也是钢铁材料能够进行热处理的理论依据。同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，这一过程类似于队列变换，具有如下特点： （
31、1）同素异构转变是由晶核形成和晶核长大两个基本过程完成的，新晶核优先在原晶界处生成； （2）同素异构转变也有过冷(或过热)现象，而且转变时具有较大的过冷度； （3）同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上也出现水平线段，但这种转变是在固态下进行的；（4）同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。第八节 合金的晶体结构与结晶过程 一、基本概念 组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。 相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。 组织是指用金相观察方法，在金属及其
32、合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 二、合金的晶体结构 根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。 （一）固溶体合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。 1置换固溶体溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。 a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体图1-32 固溶体的类型 2间隙固溶体
33、溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子）图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变 （二）金属化合物金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，
34、熔点高，硬而脆。（三）机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。 三、合金结晶过程 合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点： （1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。 （2）合金在结晶过程中，在局部范围内
35、相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。 （3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。 四、合金结晶冷却曲线 合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：图1-34 合金的结晶冷却曲线形成单相固溶体 形成单相金属化合物或析出共晶体 形成机械混合物从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶
36、转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。共晶转变是在恒温下进行的。 在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变(或称共析反应)。共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。第九节 金属材料的铸锭组织特征 一、金属材料的铸锭组织结构金属铸锭呈现三个不同的结晶区：表面细晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。表面细晶粒区的组织特点是：晶粒细长，区域厚度较小，组织致密，成分均匀，力学性能较好。在柱状晶粒区，两排柱状晶粒相遇的接合面上存在着脆弱区，此区域常有低熔点杂质及非金属夹杂物积聚，使金属材料的强度和塑性降低。这种组织在锻造和轧制时，容易使金属材料沿接合面开裂。等轴晶粒区的组织特点
37、是：晶粒粗大，组织疏松，力学性能较差。在金属铸锭中，除存在组织不均匀外，还常有缩孔、气泡、偏析、夹杂等缺陷。根据浇注方法的不同，金属铸锭分为钢锭模铸锭（简称铸锭）和连续铸锭。 二、定向结晶和单晶定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶的工艺方法。用该工艺方法生产出了整个铸件都是由同一方向的柱状晶所构成的涡轮叶片。这种叶片具有良好的使用性能，其工作温度则可达930。单晶是其原子都按照一个规律和一致的位向排列的一个晶体。单晶制备的基本原理是使液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核提拉成一整块晶体。 【教学重点与难点】1重点：
38、纯金属的结晶过程、金属材料的同素异构转变2难点：合金的晶体结构、金属材料的铸锭组织特征【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。教案五【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】 第十节 铁碳合金状态图铁碳合金是由铁和碳两种元素为主组成的合金。一、铁碳合金的基本组织铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。1铁素体(F)铁素体是指-Fe或其内
39、固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F(或)表示。铁素体仍保持-Fe的体心立方晶格。铁素体的溶碳量很小，在727时溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。铁素体的性能几乎与纯铁相同，强度和硬度较低(b=180280MPa，5080HBW)，而塑性和韧性好(=30%50%，KU128160J)。铁素体在770（居里点）有磁性转变，在770以下具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。 2奥氏体(A)奥氏体是指-Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或)表示。奥氏体仍保持-Fe的面心立方晶格。奥氏体溶碳能力较大，在1148时溶碳量最
40、大（W（C）=2.11%），随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727时的溶碳量为W（C）=0.77%。奥氏体是非铁磁性相，具有一定的强度和硬度(b400MPa，160220HBW)，塑性好(40%50%)。稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到727时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。3渗碳体(Fe3C)渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物，以符号Cm表示。渗碳体的晶格形式，与碳和铁都不一样，是复杂的晶格类型。渗碳体碳的质量分数是W（C）=6.69%，熔点为1227。渗碳体硬度高(约为800HV)，脆性大，塑性与韧性极低。渗碳体不发生同素异构
41、转变，有磁性转变，在230以下具有弱铁磁性，而在230以上则失去磁性。渗碳体是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成铁和石墨。 图1-36 铁素体晶胞示意图 图1-38 奥氏体的晶胞 图1-40 渗碳体的晶胞 4珠光体(P)珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的组织。常见的珠光体是铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。珠光体也是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物，常用符号“P”表示。珠光体中碳的质量分数平均为W（C）=0.77%。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度（b770MPa，160220HBW）、塑性(20%35%)和韧性(KU2432
42、J)，硬度适中（180HBW），是一种综合力学性能较好的组织。图1-41 珠光体的显微组织 5莱氏体(Ld)莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体，用符号Ld表示。莱氏体碳的质量分数为W（C）=4.3%，WC2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1148时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物（即莱氏体）。727以上存在的莱氏体称为高温莱氏体(Ld )，在727以下存在的莱氏体称为低温莱氏体（Ld），或称变态莱氏体。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高(相当于700HBW)，塑性很差。二、铁碳合金状态图 1铁碳合金状态图合金状态图是表示在
43、极缓慢冷却(或加热)条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。图1-42 简化的铁碳合金状态图 2铁碳合金状态图中的特性点表1-4 铁碳合金状态图中的特性点特性点温度（）WC（%）特性点的含义A15380纯铁的熔点或结晶温度C11484.3共晶点，发生共晶转变L4.3A2.11+Fe3CD12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶碳量，也是钢与生铁的化学成分分界点F11486.69共晶渗碳体的成分点G9120-Fe-Fe同素异构转变点S7270.77共析点，发生共析转变A0。77F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在铁素体中的最大溶碳量K7276.69共析渗碳体的成分点Q室温
