熱工工藝及工程材料

1、 機(jī)械工程及自動化八班 郭長帥 熱工工藝及工程材料緒論：（1） 金屬材料品種繁多，工程上常用的金屬材料有黑色金屬、有色金屬及合金、粉末冶金材料等。材料、能源和信息是現(xiàn)在社會和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。（2）第一章： 第一節(jié)：（1） 在外力作用下金屬材料所表現(xiàn)出來的性能稱為力學(xué)性能，亦稱機(jī)械性能。金屬材料力學(xué)性能是評定材料好壞的主要指標(biāo)，是設(shè)計和選用材料的重要依據(jù)。它包括彈性塑性、剛度、強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、斷開韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度等（2）彈性模量（剛度）在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值（OP的斜率）稱為材料的彈性模量，工程上稱為剛度，即為：式中： （MPa）（單位截面上的拉力）；（單位長度

2、上的伸長量）。彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。E愈大，則使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也應(yīng)愈大。金屬材料彈性模量E主要決定于金屬材料本身的性質(zhì)，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。各種加工工藝對其影響甚小，在室溫下，鋼的彈性模量大都是在1910422104MPa之間，但彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。（3）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是靜拉伸過程中開始產(chǎn)生塑性變形時的應(yīng)力，即為拉伸曲線上S點(diǎn)的載荷大小與試棒原始截面積之比，用b表示：但有些材料沒有明顯的屈服點(diǎn)S，因此，規(guī)定以試樣產(chǎn)生0.2%殘余變形時的應(yīng)力值作為該材料的條件屈服強(qiáng)度，以0.2表示。對于有些零件在工作中不允許發(fā)生塑性變形，所以S 是設(shè)計中

3、材料強(qiáng)度的主要參數(shù)，是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。（4）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應(yīng)力，即材料拉伸曲線上B點(diǎn)時的載荷大小與原始截面之比，用b表示：抗拉強(qiáng)度表示材料在拉力作用下抵抗斷裂的能力，是設(shè)計和選材的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。合金化、熱處理、冷熱加工對材料的S、b數(shù)值會發(fā)生很大的影響。材料在外力作用下，發(fā)生不能恢復(fù)原狀的變形稱為塑性變形，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。金屬的塑性常用伸長率和斷面收縮率來表示。（5） 伸長率(伸長率、斷面收縮率)伸長率表示拉伸試樣被拉斷時的相對塑性變形量，用表示：式中：L1試樣拉斷后標(biāo)距長度，mm； L0試樣原始標(biāo)距長度，mm。斷面收縮

4、率：斷面收縮率表示拉伸試樣被拉斷時的截面積相對減縮量，用表示：式中：A0試樣原始截面積，mm；A1試樣被拉斷后的截面積，mm。、愈大，表示材料的塑性愈好（值與試樣尺寸有關(guān)，一般規(guī)定L0=5d0或L0=10d0，分別以5或10來表示，同一種材料測得的5一般比10要大些）。通常以伸長率的大小來衡量金屬材料塑性的好壞，2%5%的材料為塑性材料，2%5%的材料為脆性材料。伸長率和斷面收縮率只是材料塑性的標(biāo)志，一般不作為設(shè)計零件的直接依據(jù)。第二節(jié)：疲勞強(qiáng)度：金屬材料承受周期性交變載荷時抵抗斷裂的能力稱為疲勞強(qiáng)度。實驗證明，能承受周期性對稱循環(huán)交變的載荷的材料，斷裂時其循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力之間有一定的規(guī)律，如圖

5、1-2所示。（疲勞測試） 即應(yīng)力愈小，其循環(huán)次數(shù)愈多。當(dāng)應(yīng)力小于某一數(shù)值時，可無限循環(huán)而不破壞（如圖中曲線），此應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度常比S小得多，一般零件不必作無限循環(huán)工作，但有些材料疲勞曲線無明顯的水平線段（如圖中曲線2），故工程上規(guī)定：鋼鐵材料循環(huán)107、有色金屬循環(huán)108次不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，作為該材料的疲勞強(qiáng)度，用-1表示。產(chǎn)生疲勞破壞的原因，一般認(rèn)為由于材料內(nèi)部有夾雜物，表面劃痕及能引起應(yīng)力集中的缺陷，而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，但為了避免疲勞破壞的產(chǎn)生，除改善其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中外，還可采用表面強(qiáng)化的方法，如降低零件的表面粗糙度等。第三節(jié)硬度（洛氏硬度、布氏硬度）生產(chǎn)上,對硬度

6、的測定最為廣泛和方便，所以硬度常作為設(shè)計零件的技術(shù)指標(biāo)之一，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。1布氏硬度（HBS）（硬質(zhì)合金球用HBW表示）布氏硬度是在布氏硬度計上測定的。其原理是用一定直徑D（如10mm）的淬硬鋼球，在一定的壓力F（如29.42kN,即3000kgf）下,將淬硬鋼球垂直地壓入金屬材料的表面,并在一定的壓力下保持一定時間(約10s)后卸載，測得壓痕直徑，如圖3-1所示。然后用壓力F與壓痕面積A的比值來表示硬度，用HBS表示：（當(dāng)試驗力單位用kgf時）；(當(dāng)試驗力單位用N時)。式中：F為載荷（N）；D為剛球直徑（mm）；d為壓痕平均直徑（mm）。HBS數(shù)值一般不需要計算，而

7、用帶有刻度盤的放大鏡測量出壓痕的直徑，直接由表中查得HBS的大小。HBS一般只標(biāo)大小而不標(biāo)單位。如常用D=10mm，F(xiàn)=3000kgf（29.42kN），t=10s，測得硬度為380，布氏硬度表示為380HBS。如其他條件測得的硬度值，則要在HBS后面注下角標(biāo)，如D=2.5mm，F(xiàn)=62.5kgf（12.5N）,t=20s，測得硬度為120，則表示為120HBS2.5/62.5/20。布氏硬度常用于測定鑄鐵、非鐵合金及退火鋼的硬度。HBS只能測定硬度值小于450HBS以下的金屬材料，否則鋼球會變形，測得的結(jié)果不準(zhǔn)確；但也不能測定厚度小于12mm的薄板材料，否則鋼球就會壓穿試樣。布氏硬度計也可采

8、用硬質(zhì)合金球作為壓頭，用HBW表示，用于測量硬度較高的材料。在不能用布氏硬度測定時，可用洛氏硬度測定。2洛氏硬度（HRC）圖1-4洛氏硬度是在洛氏硬度計上測定的。其原理與布氏硬度一樣，如圖1-4所示。，利用一定的壓力將堅硬的壓頭壓入金屬表面，它不是根據(jù)壓痕直徑，而是用壓痕的深度來確定硬度值，并直接從硬度盤上讀出。它是用金剛石圓錐體壓頭（錐角120）或直徑為1.588mm的淬硬鋼球，在一定的壓力，如150kgf壓入金屬表面，并保持一定時間后卸除主載荷以消除彈性變形，根據(jù)壓痕直徑的深度確定硬度值，常用HR來表示。洛氏硬度有3種規(guī)范：常用的是HRC，主要用于測量淬火鋼的硬度，用途最為廣泛；HRA用于

9、測量表面層或高硬度材料，如硬質(zhì)合金；HRB適用于硬度較低的材料。洛氏硬度3種規(guī)范應(yīng)用值見表1-1。表1-1 洛氏硬度 3 種規(guī)范洛氏硬度測試壓痕小，直接讀數(shù)，操作方便，可測低硬度、高硬度的材料，應(yīng)用廣泛，用于測試各種鋼鐵原材料、非鐵合金、經(jīng)淬火后工件、表面熱處理工件及硬質(zhì)合金等。如用錐角為120的金剛石壓頭，F(xiàn)=1741N（150Kgf），測得淬火鋼硬度為58，洛氏硬度表示為58HRC。3維氏硬度（HV）維氏硬度是在維氏硬度計上測定的。維氏硬度是在一定載荷F的作用下，將頂角為136的金剛石四棱錐壓頭壓入材料表面，保持一定時間后卸除載荷，則在材料表面得到一個四方形的壓痕，測量出壓痕兩條對角線的平

10、均長度d（mm），如圖1-5所示。則可根據(jù)d計算出壓痕面積A（mm2），以F/A的值來表示材料的硬度，用HV表示：式中：d為壓痕對角線長度的平均值(mm)；F為試驗力（N）。其測試方法與布氏硬度相同。維氏硬度的測試力F有多種，常用的有：49.04N(5kgf)、98.07N（10kgf）、147.1N(15kgf)、294.2N(30kgf)等。測定維氏硬度時可任意選用載荷，可測定硬度高的材料，也可測定硬度低的材料，也可測定較薄的工件的硬度，所以，維氏硬度測試的硬度范圍較大，可以從5HV1000HV。布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度之間沒有直接的換算公式，一般是查閱有關(guān)表格進(jìn)行換算。但25HRC左

11、右時，與HBS有一定的比例關(guān)系，即HRC1/10HBS。硬度測試操作方便，測量時不破壞零件的完整性，硬度值又可直接反映零件的使用要求，故零件圖上常標(biāo)注規(guī)定的硬度值。硬度是機(jī)械零件最常用的性能指標(biāo)之一。第四節(jié)：沖擊韌性：沖擊韌性是金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。沖擊韌性是在沖擊試驗機(jī)上測定的，如圖1-6所示。（沖擊試驗）它是將擺錘舉到一定的高度H1，然后來沖擊制成帶有U型缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣沖斷后，擺錘又升至一定的高度H2，如試樣斷口處的截面積為A（cm2），則沖擊韌性aku為（即以試樣沖斷時消耗的功表示材料的沖擊值）：式中：G為擺錘的質(zhì)量（kg）；H1、H2分別為沖擊前、后擺錘的高度（m）；A為試

12、樣斷口處的截面積（cm2）。對于脆性材料（如鑄鐵、工、模具鋼等），做沖擊彎曲試驗時，試樣不開缺口，因為開缺口的材料沖擊值太低，難以比較不同材料沖擊韌性的差異。第五節(jié)：斷裂韌性;斷裂韌性是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴(kuò)展的能力。金屬材料從冶煉到各種加工過程，都有可能在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這種裂紋的存在降低了材料的工作應(yīng)力，但不是存在微裂紋的零件一概不能使用。當(dāng)零件承受載荷而在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中時，裂紋尖端處呈現(xiàn)應(yīng)力集中，其大小與裂紋長度和裂紋尖端曲率半徑有關(guān)，在裂紋尖端附近的微小區(qū)域內(nèi)，存在一個很復(fù)雜的應(yīng)力場，其大小用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI表示：式中：Y為形狀因子，與構(gòu)件形狀和裂紋形狀有關(guān)，在特定狀

13、態(tài)下是一個常量； 為承受載荷時的應(yīng)力（MPa）；為裂紋長度的一半（mm）。應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示。當(dāng)KIKIC時，零件可安全工作，KIKIC時則可能由于裂紋擴(kuò)展而斷裂。各種材料的KIC值可在有關(guān)手冊中查得，當(dāng)已知KIC和Y值后，可根據(jù)存在的裂紋長度確定許可的應(yīng)力，也可根據(jù)應(yīng)力的大小確定許可的裂紋。第二章：1.金屬材料結(jié)構(gòu)一.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1晶體的一些重要概念一切固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩大類。晶體：內(nèi)部原子有規(guī)律排列的物質(zhì)。如固態(tài)金屬及合金等，如圖2-1（a）所示。(晶體的排列）、(晶格的截取）非晶體：內(nèi)部原子沒有一定的排列，如玻璃、松香等。如果用純鐵做

14、一個試樣，對其平面進(jìn)行研磨和拋光，再選用一定的侵蝕劑（4%硝酸酒精溶液）對其表面稍加腐蝕，然后用水清洗干凈并吹干，再放在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，便可清楚地看到純鐵是由許多外形類似而不規(guī)則的多邊形顆粒所組成。這種不規(guī)則地顆粒則稱為“晶?！?，如圖2-1（d）所示。在晶粒內(nèi)，由于各個方向原子排列的情況不同，故而呈現(xiàn)各向異性。在射線下分析，每個晶粒內(nèi)部的原子排列大都是整齊而有規(guī)律的。晶粒與晶粒之間的過渡區(qū)稱為“晶界”。晶格中最基本的單元稱為“晶胞”，如圖2-1(c)所示?？梢哉J(rèn)為晶格是由晶胞在空間重復(fù)的堆積而成的。所以，我們分析晶體結(jié)構(gòu)時只要分析晶胞就可以了。晶胞的幾何形狀用晶格常數(shù)來表示其特性。晶格常

15、數(shù)即表示晶胞大小及幾何特性的參數(shù)，通常用晶胞中各棱邊的長度a、b、c及各棱邊的夾角、來表示。在立方體情況下，其棱邊長度相等,則a=b=c,而夾角=90。晶格常數(shù)的大小常以為單位各種晶體的晶格類型和晶格常數(shù)不同，則其物理、化學(xué)及力學(xué)性能亦不同。2常用金屬的晶格及其主要參數(shù) 在金屬元素中，目前已知的晶格形式有7種，但常用金屬中，主要的晶格形式有3種（約占金屬元素的90%以上）。如圖2-2-1。(1)體心立方晶格（圖2-2）(晶胞-體心立方體）體心立方晶格的晶胞三棱邊長度相等（a=b=c），其三棱邊之間的夾角均為90（=），從而構(gòu)成了立方體，立方體八個頂點(diǎn)各有一個原子，立方體中心還有一個原子，所以稱

16、為體心立方晶格。晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)含有的原子數(shù)目（圖2-2-2） 原子半徑：晶胞中最近的兩原子之間距離的一半（圖2-2-3） 致密度：指晶胞內(nèi)原子實際占有的體積與晶胞體積之比。 式中：n一個晶胞中實際包含的原子數(shù)； V晶胞的體積。則 配位數(shù)：指晶格中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。顯然，晶體中原子的配位數(shù)愈大，晶體中的原子排列愈緊密。體心立方晶格的配位數(shù)為：8。屬于這類晶格結(jié)構(gòu)的有-Fe、Cr、Mo、W、V等20多種。(2)面心立方晶格（圖2-3）(面心立方晶格）面心立方晶格中三棱邊長度a=b=c,三棱邊夾角=90，從而構(gòu)成了立方體，在立方體的八個頂點(diǎn)上各有一個原子，且在立方體的六個面的

17、中心各有一個原子，所以稱為面心立方晶格。 配位數(shù)：12屬于這類晶格結(jié)構(gòu)的有-Fe、Cu、Al、Ni、Pb等到20多種。(3)密排六方晶格（圖24）(密排立方晶格）密排六方晶格的晶胞為六方柱體，在六方柱體12個頂角上各有1個原子，上、下兩個面的中心各有1個原子，且在上、下兩個面之間有3個原子，六方柱體邊長為a，六方柱體高為c（c=1.633a）。 屬于這類晶格的結(jié)構(gòu)有：Bz、Mg、Zn、Cd等30多種（圖2-2-4）。以上三種金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征可看到，面心立方晶格和密排六方晶格中的原子排列緊密程度完全一樣，在空間是最緊密排列的兩種形式。體心立方晶格中原子排列的緊密程度要差一些。3晶面與晶向的表示

18、方法晶面：晶格中不同方位的原子面。晶向：晶格中不同方向的原子列。不同晶面和不同晶向上原子排列的狀態(tài)是不同的。為了便于表示各種晶面和晶向，用統(tǒng)一的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)來表示，國際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。在金屬中，許多性能現(xiàn)象與特定的晶面和晶向關(guān)系很大。(1)立方晶系的晶面指數(shù) 晶面指數(shù)的確定如下：(圖2-5a)選定晶胞中的任一結(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以與該點(diǎn)連接的三條棱邊為坐標(biāo)軸，即ox、oy、oz（反向為負(fù)值）。以晶格常數(shù)a作為坐標(biāo)軸上的度量單位，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距（截距為負(fù)值時，在指數(shù)上方加“”號，如晶面與某平面平行，則截距為）。求出3個截距的倒數(shù)并化為最小整數(shù)。將3個整數(shù)

19、加圓括號，即為所求的晶面指數(shù)?？蓪懗桑╤kl）。如圖2-5所示：（100）、（110）、（111）等。(圖2-5b)。（hkl）表示特定晶面求得的晶面指數(shù)。在晶體中，具有等同條件而只是空間位向不同的各組晶面，可歸并為一個晶面族，用hkl表示。在立方晶系中， 上述兩兩平行的6個等同晶面構(gòu)成了立方晶胞的立方體表面。 前6個晶面與后6個晶面兩兩相互平行，共同構(gòu)成十二面體，所以晶面110又稱為十二面體。 前4個晶面與后4個晶面兩兩平行，共同構(gòu)成了1個八面體，所以又稱111為八面體。（2）立方晶系的晶向指數(shù) 晶向指數(shù)的確定如下：選定晶胞中的任一結(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并以該點(diǎn)連接的三條棱邊作為坐標(biāo)軸，即ox、o

20、y、oz（反向為負(fù)）。 以晶格常數(shù)a作為坐標(biāo)軸上的度量單位,并通過坐標(biāo)原點(diǎn)作一直線平行于所求的晶向。求出該直線上任一點(diǎn)的三個坐標(biāo)值。將三個坐標(biāo)值化為最小整數(shù)，并加方括號，即為所求的晶向指數(shù)，可寫成uvw，如圖16所示，100、110、111等。uvw表示特定的原子排列相同的晶向求得的晶向指數(shù)。原子排列不同的各組晶向，可歸并為一個晶向族，用uvw表示。(圖2-5c)在立方晶系中： 同樣110包含12個110、111包含8個111。（3）六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)六方晶系的坐標(biāo)系由4個坐標(biāo)軸組成，如圖2-7所示。在底平面上選擇3個坐標(biāo)軸并互成120夾角，三軸交點(diǎn)為原點(diǎn)O，通過原點(diǎn)與三軸垂直的方向

21、為第4坐標(biāo)軸。晶面指數(shù)用（hkil）表示；晶面族用hkil表示。晶面族指數(shù)用uvtw表示；晶向族用表示。指數(shù)的確定與立方晶系相同。4晶體結(jié)構(gòu)的不完整性前面我們討論研究的金屬都是理想完整而無缺陷的晶體結(jié)構(gòu)，但在實際金屬中，原子排列并不可能如此規(guī)則，在結(jié)構(gòu)上或多或少地存在著不完整性，這種現(xiàn)象稱為晶體結(jié)構(gòu)的不完整性，或稱晶體缺陷。 在實際金屬晶體中存在有原子、尺寸大小的不完整性稱為缺陷。（1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)：是在x、y、z三維方向上尺寸都很小，通常只有幾個原子直徑的大小，故稱三維缺陷，包括空位、間隙原子、置換原子等。如圖2-8所示。（2）線缺陷線缺陷即晶格中的位錯，(位錯) 所謂線缺陷可視為晶格

22、中一部分晶體相對另一部分的局部滑移而造成的結(jié)果。線缺陷的特征：二維尺度很小，而一維尺度相對很大，故稱一維缺陷。刃型位錯其特征是在某一晶面的一側(cè)多了一個原子面。多余原子面的底部即為位錯線，如圖2-9（a）所示。半原子面在上面的稱正刃型位錯，用符號“”表示；半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯，用符號“”表示。螺型位錯其特征相當(dāng)于從一個面AB切至另一個面CD，然后左右兩邊沿切開面作綜合平移與旋轉(zhuǎn)一個或幾個原子面距。這樣另一個面CD周圍的原子就是螺旋線型排列。CD為位錯線。如圖2-9（b）所示。位錯線周圍晶格發(fā)生畸變，原子排列不規(guī)則。位錯密度單位體積晶體中所含位錯線的總長度。位錯密度的大小對金屬性能影響很大

23、，在位錯密度很小或很大時，金屬的強(qiáng)度較高；當(dāng)位錯密度在某一范圍時，則金屬的強(qiáng)度最低。實際金屬晶粒內(nèi)存在有大量的位錯，位錯密度通常在106108cm/cm3之間。二.合金的結(jié)構(gòu) 1合金的概念 合金是以一種金屬元素為基礎(chǔ)，加入另一種或幾種金屬或非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的基本單元稱為組元。合金中的組元可以是金屬元素和非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。 兩個組元組成的合金稱為二元合金，三個組元組成的合金稱為三元合金。三個以上組成的合金稱為多元合金。 合金的名稱按其最主要的組元的名稱命名，如銅合金、鋁合金等。也可以按主要合金元素的名稱命名，如鐵碳合金、銅鋅合金等。 合金的力學(xué)性能通常要

24、比純金屬好，所以工程上大多選用合金作為結(jié)構(gòu)材料。 合金由于是兩種或多種元素組成，因此元素之間的相互關(guān)系及存在形式的不同，使合金具有不同的結(jié)構(gòu)。表達(dá)合金結(jié)構(gòu)特征兩個重要概念相與組織。 相合金中，凡成分相同，結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的獨(dú)立均勻的組成部分。不同的合金具有不同的相，同一合金在不同的條件下可能具有不同的相。用相的特征來表示合金結(jié)構(gòu)時，稱為合金的相結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中各種相稱為相組成物。 組織合金結(jié)構(gòu)的微觀形貌。合金的組織通常用顯微鏡才能觀察清楚，所以稱為顯微組織。用組織的特征來表示合金時，稱為合金的組織結(jié)構(gòu)，合金中的各種組織稱為組織組成物。不同的合金呈現(xiàn)不同的組織，有單相也有多相。同一種

25、合金，在不同狀態(tài)下（如不同的溫度或經(jīng)不同的處理），可得到不同的組織，使合金具有不同的性能。 2合金的基本相 在合金中有各種組織組成物，但在固態(tài)合金中的基本相結(jié)構(gòu)為固溶體和金屬化合物兩種。 （1）固溶體以一種金屬元素為基礎(chǔ)，其它合金元素（金屬或非金屬）的原子溶入基礎(chǔ)元素的晶格中所形成的結(jié)構(gòu)稱為固溶體。通常將基礎(chǔ)元素作為溶劑，溶入元素作為溶質(zhì)，溶質(zhì)原子溶入溶劑原子即為固溶體。所以，固溶體結(jié)構(gòu)的一個重要特征是保持溶劑的晶格類型。 置換固溶體 溶質(zhì)原子置換了溶劑原子存在于溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)上，如圖2-15（a）所示。 當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的大小相近且晶格類型相同時，則容易形成置換固溶體。置換固溶體可以是有

26、限固溶體和無限固溶體。 間隙固溶體 當(dāng)溶質(zhì)原子比溶劑原子尺寸小時，溶劑原子處于溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體。固溶體中由于溶質(zhì)原子的存在，不論是間隙固溶體或置換固溶體，都使晶格發(fā)生畸變（包括正畸變與負(fù)畸變），這種由于溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑中使得金屬材料的強(qiáng)度和硬度上升的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高合金力學(xué)性能的重要途經(jīng)之一。 （2）金屬化合物 在合金中，組元間除能形成固溶體外，在當(dāng)溶質(zhì)含量超過一定數(shù)量后，還能形成與兩組元的晶格結(jié)構(gòu)和性能均不相同的新相，而新相具有金屬特性，稱為金屬化合物。根據(jù)金屬化合物的相結(jié)構(gòu)不同，可分為三類。 正常價化合物 指符合化合物原子價規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴(yán)格的化

27、合比，成分固定不變，可用化學(xué)式表示。金屬中常見的有：Mg2Si、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP等。這類化合物性能的特點(diǎn)是硬度高、脆性大。電子化合物 指按照一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的物質(zhì)。例如，當(dāng)價電子濃度為3/2時，電子化合物具有體心立方晶格；當(dāng)電子濃度為7/4時，其具有蜜排六方晶格。金屬中常見的有：Cu-Zn、Cu-Si、Cu-Al、Cu-Si等。電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性。它們的熔點(diǎn)和硬度都較高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。 間隙化合物 指過渡族金屬元素與C、N、H、B等原子半徑很小的非金屬元素形成的化合物。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為間隙相和復(fù)

28、雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物2種。 間隙相：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，將形成具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的簡單化合物，如圖2-17（a）所示。在間隙相晶格中金屬原子位于晶格結(jié)點(diǎn)位置，而非金屬原子則位于晶格的間隙處。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度，同時其脆性大，但非常穩(wěn)定。間隙相分布均勻，可有效地提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性、耐磨性和耐蝕性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。 間隙化合物：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，將形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。當(dāng)在合金中存在適當(dāng)比例的金屬化合物時，能顯著地提高合金的強(qiáng)度，所以，金屬化合物可作為金屬材料的強(qiáng)化相。正常價化合物

29、與電子化合物可作為有色金屬的強(qiáng)化相，而間隙化合物可作為各種碳素鋼和合金鋼的強(qiáng)化相。但強(qiáng)化相必須均勻地分布在固溶體基體上，若分布不均勻則會增加脆性。 3機(jī)械混合物 機(jī)械混合物是合金中一種特殊的結(jié)構(gòu)，由固溶體與化合物或固溶體與固溶體兩相組成。其特點(diǎn)是：兩相具有固定的比例，固定的合金，且同時形成。如鐵碳合金中的珠光體是一種機(jī)械混合物，它是由層片狀的鐵素體和滲碳體所組成的機(jī)械混合物，其性能介于兩組成相之間。三.合金狀態(tài)圖 合金狀態(tài)圖是表示合金系中不同成分在不同溫度與不同壓力時所呈現(xiàn)的狀態(tài)的圖形，是研究分析各種合金結(jié)構(gòu)的重要工具。由于對合金的加工和使用一般都是在常壓狀態(tài)，所以合金狀態(tài)圖實際上只表示合金的

30、成分、溫度和組織三者之間的關(guān)系。對二元合金，用二維坐標(biāo)系即可表達(dá)這種關(guān)系。合金狀態(tài)圖通常以橫坐標(biāo)表示合金的成分，縱坐標(biāo)表示溫度，用來表示各種成分的合金在不同溫度下存在不用的平衡組織（或相）之間的關(guān)系圖。它既可用組織組成物表示也可用相組成物表示。合金狀態(tài)圖都是用實驗的方法繪制的，常用熱分析法來測定。首先，配制不同成分的合金，然后，作出每一成分合金的冷卻曲線，找出冷卻曲線上的臨界點(diǎn)的溫度值，再將不用成分合金的臨界點(diǎn)的溫度值標(biāo)注在坐標(biāo)系的相應(yīng)位置上，最后，將各種成分線上相同意義的坐標(biāo)點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了合金狀態(tài)圖。1 勻晶狀態(tài)圖 兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶所構(gòu)成的狀態(tài)圖，稱為二元勻晶狀態(tài)圖。固態(tài)冷

31、缺時不發(fā)生相變。勻晶狀態(tài)圖，如圖2-18所示。具有這類相圖的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、Fe-Cr、Fe-Ni等。（1）狀態(tài)圖分析 圖2-18中A、B為合金兩組元，a、b分別為A、B組元的熔點(diǎn)，a1b線是各種成分合金開始結(jié)晶的溫度，a4b線是各種成分合金結(jié)晶完畢的溫度，兩條曲線將坐標(biāo)劃分為3個區(qū)。a1b以上為液相區(qū)，用符號L表示，a1b稱為液相線；a4b以下為固相，用相組成物或組織組成物的符號表示，圖中為合金的固溶體相，a4b為固相線；液相線與固相線之間為液相與固相共存區(qū)，圖中為L+。（2）合金冷卻過程分析 通過對任一成分合金冷卻過程分析，都可以了解合金自液態(tài)冷卻、結(jié)晶、結(jié)晶后冷卻至

32、室溫，合金結(jié)構(gòu)發(fā)生哪些變化？現(xiàn)以圖2-18所示的合金為例分析如下。結(jié)晶過程 這類狀態(tài)圖較簡單，只有一條液相線和一條固相線。設(shè)有合金K，其成分垂線KK與液相線、固相線分別交于己于1、4兩點(diǎn)，這表示合金在a1b以上為液相，緩慢冷卻到t1時，合金K開設(shè)從液態(tài)合金中結(jié)晶出相，由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱，故冷卻曲線較為平坦，隨著溫度不斷下降，相不斷增多，L相不斷減少，至t4點(diǎn)結(jié)晶完畢。從點(diǎn)4至室溫為固溶體，不發(fā)生相變；在點(diǎn)1至點(diǎn)4之間，合金為L+，隨著溫度變化，L和的合金成分及相對量是不同的。剛結(jié)晶的固相其含B量不是K，而是液、固兩相的成分分別為1和1在橫坐標(biāo)上的投影表示。溫度為t3時，固相的含B量為3在橫

33、坐標(biāo)上的投影X ，而液相的含B量為3點(diǎn)在橫坐標(biāo)上的投影X；溫度降至t4點(diǎn)4點(diǎn)時，固相的含B量為K，液相合金結(jié)晶完畢。即為從開始結(jié)晶到結(jié)晶完畢，固相合金的含B量從1 向K變化，而液相合金的含B量從K點(diǎn)向點(diǎn)4變化。這就出現(xiàn)了結(jié)晶過程中心晶粒與外層化學(xué)成分的不均勻的現(xiàn)象，稱為結(jié)晶偏析，也稱晶內(nèi)偏析，如圖2-19所示。晶內(nèi)偏析的存在將使合金的塑性、韌性顯著下降。當(dāng)結(jié)晶過程冷卻速度很緩慢時，通過原子擴(kuò)散可使整個晶粒成分均勻，則不出現(xiàn)偏析；若結(jié)晶冷卻速度較快，則須通過重新加熱保溫的方法來消除偏析（稱為擴(kuò)散退火）。杠桿定律 欲知結(jié)晶過程的某一瞬間合金中固相與液相的相對量，可用杠桿定律來計算求得，如圖2-20

34、中溫度t3時。設(shè)合金的總質(zhì)量為1，固相質(zhì)量為Q，液相L的質(zhì)量為QL。已知：液相中含B量為X，固相質(zhì)量為X,合金中含B量為K，則這個式子與力學(xué)中的杠桿定律相似，因而亦被稱作杠桿定律。若t3為已知溫度，則X與X都是已知數(shù)，即可計算出Q與QL的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。杠桿定律是分析合金結(jié)晶過程的重要工具，但只適用于狀態(tài)圖中兩相（或組織）區(qū)兩者相對量的計算，對于三相區(qū)或單相區(qū)不適用。2共晶狀態(tài)圖當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，而且發(fā)生共晶反應(yīng)時，所構(gòu)成的狀態(tài)圖，稱為二元狀態(tài)圖，如圖2-21所示。如Pb-Sn、Pb-Si、Al-Si、Zn-Sn等合金系的狀態(tài)圖。（1）狀態(tài)圖分析 圖中A、B代表合金兩組元

35、，a、b分別為A、B組元的熔點(diǎn)。acb液相線，adceb為固相線；為B組元溶于A組元形成的有限固溶體，最大溶解度為d，隨著溫度的降低，溶解度減少，室溫時的溶解度為f，df為B組元在A組元中的溶解度曲線；為A組元溶于B組元形成的有限固溶體，最大溶解度為e，隨著溫度的降低，溶解度減少，室溫時的溶解度為g，eg為A組元在B組元中的溶解度曲線。dce為共晶轉(zhuǎn)變線，c為共晶點(diǎn)。（2）合金冷卻過程分析 共晶狀態(tài)圖與勻晶狀態(tài)圖不同，結(jié)晶后固態(tài)合金冷卻至室溫時，有的不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，有的則會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。下面以4種具有代表性的合金為例，進(jìn)行冷卻過程分析。4種合金的成分，如圖2-22所示。1）合金 如圖2-22

36、中的所示。合金從1-2點(diǎn)為液態(tài)合金自然冷卻，至2點(diǎn)時開始從L，隨著溫度降低，從液體中不斷析出，液體不斷減少，至3點(diǎn)結(jié)晶結(jié)束，液體全部結(jié)晶為；點(diǎn)3至室溫固溶體不斷冷卻至室溫，不再發(fā)生組織變化。含B量少于f點(diǎn)的合金，冷卻過程的組織為固溶體。2）合金 如圖2-22中的所示。合金從1-2點(diǎn)為液體合金自然冷卻，至2點(diǎn)時開始從L，隨著溫度降低，從液體中不斷析出，液體不斷減少，至3點(diǎn)結(jié)晶全部結(jié)束；從3-4點(diǎn)固溶體自然冷卻。點(diǎn)4以下由于固溶體對B組元的溶解度少于合金中的含B量，故有部分B組元析出，并溶于A組元形成固溶體，隨著溫度下降，固溶體逐漸増加；為區(qū)別于從液態(tài)中直接析出的固溶體，所以，這種由固溶體中析出B

37、組元而形成的固溶體，稱為二次固溶體，用表示。室溫時，合金的組成物為+，如圖2-23所示。3）合金 如圖2-22中的所示。合金從1-2點(diǎn)為液體合金自然冷卻，至2點(diǎn)時液體合金同時結(jié)晶出d和e。由于結(jié)晶過程放出較多的結(jié)晶潛熱，故冷卻曲線呈現(xiàn)一水平線，由C點(diǎn)成分的合金在C處的溫度同時結(jié)晶出d和e，可寫成Lcd+e，此結(jié)晶過程為共晶反應(yīng)。所產(chǎn)生的產(chǎn)物為共晶體，屬機(jī)械混合物，是一種兩相的組織組成物。含B量為C的合金稱為共晶合金。從點(diǎn)2至室溫，d和e的溶解度減少而分別析出和，由于二次相只存在于一次相之中，所以表示共晶體結(jié)構(gòu)時常只寫+，略去和。室溫時，合金的組成物為+，如圖2-24所示。4）合金 如圖2-22

38、中的所示。合金從12為液體合金自然冷卻，至點(diǎn)2時開始從L，隨著溫度的減低，從液體中不斷析出，液體不斷減少；固溶體沿ad線變化，液體成分沿ac線變化，至點(diǎn)3時合金為d+Lc；此時Lc則發(fā)生共晶反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束合金為：d+(+)；從點(diǎn)3至室溫，固溶體逐漸析出，室溫時合金的組織組成物為+（+），如圖2-25所示。若以相組成物表示則為+。含B量d至c的合金稱為亞共晶合金。含B量大于c至e的合金稱為過共晶合金，c點(diǎn)右面合金冷卻過程分析與左面相同，不再重復(fù)。在dc之間的合金，冷卻時均要發(fā)生共晶反應(yīng)；dec線為共晶轉(zhuǎn)變線。共晶狀態(tài)圖也可用杠桿定律計算組成物的質(zhì)量比。例如，共晶反應(yīng)結(jié)束后d與e的質(zhì)量比為：3包晶

39、狀態(tài)圖 當(dāng)兩組元在液態(tài)時互相互溶，在固態(tài)時形成有限互溶，而且發(fā)生包晶反應(yīng)時，所構(gòu)成的狀態(tài)圖，稱為二元包晶反應(yīng)，如圖2-26所示。如Sn-Sb、Pt-Ag、Ag-Sn、Al-Pt等合金系的狀態(tài)圖。A、B代表合金兩組元，a、b分別為A、B組元的熔點(diǎn)，acb為液相線，adeb為固相線，、是以A、B分別為溶劑的有限固溶體。這類狀態(tài)圖的主要特點(diǎn)是：在dec溫度時由c成分的液體與d成分的固溶體發(fā)生包晶反應(yīng)，形成e成分的固溶體，即,則dec為包晶轉(zhuǎn)變線，e為包晶點(diǎn)。包晶反應(yīng)時Lc與d的質(zhì)量比為： 成分在de之間的合金，冷卻至dec溫度時，一部分固溶體與液體合金將發(fā)生包晶反應(yīng)，另有固溶體剩余，包晶反應(yīng)后為+；

40、冷卻至室溫時，從與中分別析出與，即室溫時的組成物為+。成分ec之間的合金，冷卻時均發(fā)生包晶反應(yīng)，故dec線稱為包晶轉(zhuǎn)變線，而含B量小于d及大于c的合金，不再發(fā)生包晶反應(yīng)。包晶反應(yīng)要求緩慢冷卻，使A、B兩組元充分?jǐn)U散，否則易產(chǎn)生成分偏析，若產(chǎn)生成分偏析則可通過退火方法加以消除。4Fe-C合金狀態(tài)圖鋼鐵是現(xiàn)代機(jī)械制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械、輕工機(jī)械、國防工業(yè)和建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，為熟悉鋼鐵材料，以利合理地選用，首先我們討論一般鐵碳合金材料，然后由鐵碳狀態(tài)圖分析其成分、組織和性能之間的關(guān)系。鐵碳合金中的組元是鐵和碳。鐵具有同素異構(gòu)（晶）轉(zhuǎn)變，低于912呈體心立方晶格（-Fe），在9121394呈面

41、心立方晶格（-Fe），在13941538呈體心立方晶格（-Fe）；在770以下有磁性，770以上無磁性。即： 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)（晶）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶相似，故稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。純鐵的冷卻曲線及重結(jié)晶后的組織示意圖，如圖2-27所示。(Fe的冷卻曲線）碳可進(jìn)入鐵形成固溶體，也可形成化合物，還可呈游離態(tài)的石墨形式存在。石墨（G） C為游離態(tài)，具有簡單密排六方結(jié)構(gòu)，原子排列呈層片狀，層間結(jié)合弱，受外力作用易發(fā)生滑移。其強(qiáng)度、硬度極低，近于零。即b、HBS0。鐵素體（F或） C在-Fe中形成間隙固溶體，稱為鐵素體，用符號F或表

42、示，呈體心立方晶格，是鐵碳合金中的基本相。其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在727為0.0218%，600為0.0057%，室溫約為0.0008%。由于其含碳量較少，則強(qiáng)度、硬度低，塑性好，性能接近于純鐵。奧氏體（A或） C在-Fe中形成間隙固溶體，稱為奧氏體，用符號A或表示，呈面心立方晶格，奧氏體是高溫區(qū)（727）存在的基本相。其最大碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1148為2.11%。由于其溶碳能力較大，其性能為b、HBS較低，170220HBS，塑性好，=40%50%。滲碳體（Fe3C） C與Fe的混合物稱為滲碳體（Fe3C），呈密排六方晶格。其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)1227。其性能為：b=30MN/m2、800HBS、

43、ak 0。存在形式：片狀、球狀、細(xì)板條狀，其形狀、數(shù)量和分布狀況對鋼和鑄鐵的性能影響很大。滲碳體是一個亞穩(wěn)定相，可分解為石墨：Fe3C3Fe+G。珠光體（P） F和Fe3C的機(jī)械混合物稱為珠光體（P），它是鐵碳合金中的組織組成物。用高倍金相顯微鏡觀察珠光體可看到滲碳體以片狀形式存在于鐵素體基體上；用低倍顯微鏡觀察時珠光體呈片狀。珠光體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77，F(xiàn)和Fe3C質(zhì)量比為7.81。其性能介于F和Fe3C之間，b=800850MN/m2,0.2=600MN/m2,160280HBS,塑性低，=20%25%，=12%15%，ak=2432J。萊氏體（Ld或Ld） 萊氏體在高溫下是Fe3C和A的

44、機(jī)械混合物，用Ld表示；在低溫下是Fe3C和P的機(jī)械混合物，用Ld表示。它是鐵碳合金中的組織組成物，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3，室溫下，P和Fe3C的質(zhì)量比為23，其性能介于P和Fe3C之間，接近于Fe3C，700HBS，脆性大。另外,還有碳溶于-Fe中形成的固溶體，用表示，呈體心立方晶格。在1495時，碳在-Fe中的最大溶解度為0.09，但區(qū)間很?。?.090.53），對鍛造和熱處理等熱加工工藝影響不大，故不作介紹（1）Fe-C合金狀態(tài)圖分析Fe-C合金狀態(tài)圖是研究鐵碳合金的基本圖表。但Fe與C能形成一系列不同的碳化物，所以它也由許多個狀態(tài)圖所組成。由于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6.69的鐵碳合金脆性很大，在

45、工程上沒有實用價值，因而，我們對鐵碳合金只討論碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.69以下的Fe-C狀態(tài)圖，F(xiàn)e-C合金狀態(tài)圖，如圖2-28-1所示。在Fe-C合金狀態(tài)圖中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11的鐵碳合金稱為鐵，大于2.116.69的鐵碳合金稱為鋼。Fe-C合金狀態(tài)圖中包括一個包晶反應(yīng)，一個共晶反應(yīng)和一個共析反應(yīng)，只要把這三部分搞清楚，F(xiàn)e-C合金狀態(tài)圖就可以了。（一般高溫區(qū)的包晶部分在實際上應(yīng)用很少，可忽略不作討論），所以只要把共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)搞清楚就可以了。即鐵碳狀態(tài)圖可簡化為如圖2-28-2 。Fe-C合金狀圖中各臨界點(diǎn)的溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義見表21所示。表2-1 Fe-C合金狀態(tài)圖中各臨界點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、

46、溫度及含義在Fe-C合金狀態(tài)圖中有許多直線和曲線，它們分別代表鐵碳合金在不同成分和溫度下所處狀態(tài)分界線，分別表示為：ABCD為液相線，其上合金均為液態(tài)。冷卻時從CD線析出一次滲碳體（FeC）。AHJECF為固相線，其下合金為固態(tài)。液相線與固相線之間為液、固兩相并存區(qū)。水平線HJB為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶反應(yīng)結(jié)果為。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.09%0.53%。水平線ECF為共晶轉(zhuǎn)變線，共晶反應(yīng)結(jié)果為Ld。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.116.69。水平線PSK為共析轉(zhuǎn)變線，共析反應(yīng)結(jié)果為P。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%6.69%。ES線為碳在奧氏體中的固溶線，A的最大溶解度是E點(diǎn)1148為2.11，S點(diǎn)為0.77。凡是碳質(zhì)量分

47、數(shù)大于0.77的鐵碳合金自1148冷至727的過程中，均會從奧氏體中析出過飽和的碳與鐵形成的二次滲碳體（Fe）。gs線為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.77的合金在冷卻過程中，由奧氏體析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線。PQ線為碳在鐵素體中固溶線，F(xiàn)的最大溶碳量是在P點(diǎn)727為0.0218C，600為0.005，室溫僅為0.0008C。故一般鐵碳合金自727冷卻至室溫時，均會從鐵素體中析出過飽和的碳和鐵形成的三次滲碳體（FeC）。因含量很少，故FeC數(shù)量也極少，可忽略。HN線為碳在-Fe中的固溶線。JN線為碳在奧氏體中的固溶線。（2）典型成分合金結(jié)晶后的組織轉(zhuǎn)變根據(jù)成分不同，鐵碳合金可分為三類：1）工業(yè)純鐵 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于

48、0.0218.圖2-28-3。（點(diǎn)擊圖顯示動態(tài)示意圖）2）鋼 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在此期間.02182.11，鋼又可分為3類：亞共析鋼 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02180.77之間；共析鋼 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77；過共析鋼 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.772.11之間。3)白口鐵 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.116.69之間。白口鐵又可分為3類：亞共晶白口鐵 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.114.3之間；共晶白口鐵 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3；過共晶白口鐵 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.36.69之間。下面就6個典型的鐵碳合金成分，分析其結(jié)晶后的組織轉(zhuǎn)變過程。通過對典型成分合金自液態(tài)冷卻至室溫組織轉(zhuǎn)變分析，就可知道不同成分的合金在不同溫度范圍內(nèi)組織轉(zhuǎn)變情況。1）共析合金組織

49、轉(zhuǎn)變過程從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新的固相轉(zhuǎn)變過程，稱為共析轉(zhuǎn)變。合金自液態(tài)冷卻至室溫，組織轉(zhuǎn)變過程，如圖2-29所示。（點(diǎn)擊圖顯示動態(tài)示意圖）自1點(diǎn)至2點(diǎn)為液態(tài)合金的自然冷卻。冷卻至液相線交于2點(diǎn)時開始結(jié)晶出奧氏體，至3點(diǎn)結(jié)晶完畢。結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱，故冷卻速度減慢。點(diǎn)3至點(diǎn)4為奧氏體自然冷卻，在點(diǎn)4（727）發(fā)生共析反應(yīng)，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析反應(yīng)放出的潛熱補(bǔ)償了自然冷卻，故冷卻曲線出現(xiàn)了一段水平線段，至點(diǎn)4共析反應(yīng)結(jié)構(gòu)。點(diǎn)4至5珠光體中的鐵素體析出Fe3C與共析滲碳體混在一起，室溫顯微組織為珠光體，如圖2-30所示。珠光體的形貌像手指紋似地呈層片狀排列，既滲碳體

50、呈片狀分布在鐵素體基體上，位向基本一致的鐵素體滲碳體片稱為片狀珠光體，另一種形態(tài)是滲碳體呈粒狀分布在鐵素體上，稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體硬度為160190HBS，片狀珠光體硬度為190240HBS，片狀珠光體的硬度略高于粒狀珠光體的硬度。共析鋼的室溫組成物全部為P。室溫下珠光體中的鐵素體和滲碳體的相組成物相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用杠桿定律求得：所以珠光體中鐵素體量多而滲碳體量少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.8:1。因此，我們稱珠光體為鐵素體的基體上均勻地分布著硬而脆的滲碳體（強(qiáng)化相）。2）亞共析合金組織轉(zhuǎn)變過程 合金自液態(tài)冷卻至室溫，組織轉(zhuǎn)變過程，如圖2-31所示。（點(diǎn)擊圖顯示動態(tài)示意圖）點(diǎn)1至點(diǎn)2為液體合金自然

51、冷卻。點(diǎn)2開始結(jié)晶出奧氏體，點(diǎn)3結(jié)晶完畢，點(diǎn)3至點(diǎn)4為奧氏自然冷卻，點(diǎn)4至點(diǎn)5一部分轉(zhuǎn)變?yōu)镕，其余奧氏體的含碳量沿gs線變化至S點(diǎn)，而鐵素體的含碳量沿GP線變化至P點(diǎn)，這一過程也放出結(jié)晶潛熱。在點(diǎn)5奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，至5共析反應(yīng)結(jié)束。共析反應(yīng)放出結(jié)晶潛熱使冷卻曲線呈現(xiàn)水平段。點(diǎn)5至6組織不再發(fā)生變化（FeC轉(zhuǎn)變可忽略）。室溫的顯微組織為珠光體和鐵素體，如圖2-32所示。如碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45的亞共析鋼的組織組成物(F+P)的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:其相組成物(F+Fe3C)的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:從以上計算結(jié)果可看出碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45的亞共析鋼中，鐵素體占的比例很大，而滲碳體占的比例很小，這時的滲碳體作

52、為強(qiáng)化相，對提高合金的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的影響很少。隨著含碳量的增加，F(xiàn)減少，而P增多，當(dāng)達(dá)到0.77時,則均為100P。3）過共析合金的組織轉(zhuǎn)變過程 合金自液態(tài)冷卻至室溫，組織轉(zhuǎn)變過程，如圖2-33所示。（點(diǎn)擊圖顯示動態(tài)示意圖）點(diǎn)1至點(diǎn)2為液態(tài)合金自然冷卻。點(diǎn)2開始結(jié)晶出奧氏體，至點(diǎn)3結(jié)晶完畢，點(diǎn)3至點(diǎn)4為奧氏體自然冷卻。點(diǎn)4至點(diǎn)5奧氏體析出過飽和的碳并形成二次滲碳體，存在于奧氏體的晶界上呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時，奧氏體含碳量沿ES線變化至S點(diǎn)，這一過程也放出結(jié)晶潛熱。在5點(diǎn)，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，至點(diǎn)5共析反應(yīng)結(jié)束，冷卻曲線呈水平段。點(diǎn)5至點(diǎn)6組織不再發(fā)生變化（FeC轉(zhuǎn)變可忽略），室溫的顯微組織為珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，如圖2-34所示。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2的過共析鋼，組織組成物（P+FeC）的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2的過共析鋼，相組成物（eC）相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:過共析鋼由于緩慢冷卻后得到網(wǎng)狀滲碳體，使珠光體的相互連接被割斷，在外力作用下，滲碳體的網(wǎng)易破碎，使合金的強(qiáng)度降低。隨著FeC的數(shù)量增加，則網(wǎng)狀也愈厚，使合金的強(qiáng)度下降愈多。當(dāng)奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.11%時，在室溫下FeC的含量最多，可用杠桿定律求得：珠光體與二次滲碳體的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.36比2.64。共晶合金、亞共晶合金、過共晶合金的組織轉(zhuǎn)變過