1、復習提問復習提問1 1、金屬的力學性能包括哪些指標？、金屬的力學性能包括哪些指標？強度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞性。強度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞性。2 2、金屬的工藝性能有哪些項目？、金屬的工藝性能有哪些項目？鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。處理性能。3 3、什么叫黑色金屬？主要有哪些？、什么叫黑色金屬？主要有哪些？以鐵為基本元素的合金。主要有鋼、鑄鐵及其合金。以鐵為基本元素的合金。主要有鋼、鑄鐵及其合金。4 4、金屬金格的基本類型有哪些？、金屬金格的基本類型有哪些？體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格、

2、面心立方晶格和密排六方晶格。5 5、指出下列晶格晶胞示意圖是什么晶格類型？、指出下列晶格晶胞示意圖是什么晶格類型？二、碳鋼二、碳鋼 以鐵為基礎的鐵碳合金稱為以鐵為基礎的鐵碳合金稱為鋼鐵材料鋼鐵材料。最基本的。最基本的元素是鐵和碳兩種元素，因此通常稱為元素是鐵和碳兩種元素，因此通常稱為鐵碳合金鐵碳合金。 含碳量低于含碳量低于2.11%2.11%的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為碳素鋼碳素鋼，簡稱，簡稱碳鋼碳鋼；含碳量大于；含碳量大于2.11%2.11%的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為鑄造生鐵鑄造生鐵，簡稱簡稱鑄鐵鑄鐵。第二節第二節 黑色金屬（鋼、鑄鐵及其合金）黑色金屬（鋼、鑄鐵及其合金）一一、金屬與合金的

3、內部結構金屬與合金的內部結構（一）（一）、純鐵的同素異晶轉變純鐵的同素異晶轉變 純純鐵在固態冷卻過程中有兩次晶體結構鐵在固態冷卻過程中有兩次晶體結構轉轉變變。 金屬金屬在固態在固態時時隨溫度變化隨溫度變化而晶格類型發生轉變的而晶格類型發生轉變的現象現象的現象稱的現象稱同素異晶轉變同素異晶轉變，也稱，也稱同素異構轉變同素異構轉變。13941394912912 -Fe -Fe -Fe純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變如果將室溫的純鐵如果將室溫的純鐵加熱，這個轉變可加熱，這個轉變可以逆向進行。以逆向進行。 -Fe-Fe、 -Fe-Fe為體心立方結構，為體心立方結構， -Fe-Fe為面心立方結構。為

4、面心立方結構。都是鐵的同素異構體。都是鐵的同素異構體。 -Fe -Fe ( (二二) )鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 純鐵有良好的塑性，但強度較低，一般不用其制純鐵有良好的塑性，但強度較低，一般不用其制造機械零件。但在純鐵中加入少量碳后，鐵和碳造機械零件。但在純鐵中加入少量碳后，鐵和碳互相結合，形成了合金組織，強度和硬度有明顯互相結合，形成了合金組織，強度和硬度有明顯的提高。的提高。 鐵和碳的結合方式有兩種：一種是碳原子溶解到鐵和碳的結合方式有兩種：一種是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體；另一種是鐵和碳原子按鐵的晶格中形成固溶體；另一種是鐵和碳原子按一定比例相互化合形成化合物。一定比例

5、相互化合形成化合物。 鐵和碳形成的基本組織有：鐵和碳形成的基本組織有：鐵素體、奧氏體、滲鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。碳體、珠光體和萊氏體。( (二二) )鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 鐵素體鐵素體（F） 碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe中形成的間隙固溶體稱為中形成的間隙固溶體稱為鐵素體鐵素體，用符，用符號號F F表示。鐵素體保持表示。鐵素體保持-Fe-Fe的體心立方晶格結構。的體心立方晶格結構。 鐵素體強度、硬度很低，塑性和韌性好，性能近似工鐵素體強度、硬度很低，塑性和韌性好，性能近似工業純鐵，一般很少單獨用作工程結構材料。業純鐵，一般很少單獨用作工程結構材料。 奧氏體奧氏體（

6、A） 碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe中所形成的間隙固溶體稱為中所形成的間隙固溶體稱為奧氏體奧氏體，用，用符號符號A A表示。奧氏體保持表示。奧氏體保持-Fe-Fe的面心立方晶格結構。的面心立方晶格結構。 奧氏體一般只能在高溫下存在。奧氏體一般只能在高溫下存在。 奧氏體有一定的強度、硬度和良好的塑性、韌性，奧氏體有一定的強度、硬度和良好的塑性、韌性，適于進行鍛壓加工。適于進行鍛壓加工。 ( (二二) )鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 滲碳體滲碳體（FeFe3 3C C） 滲碳體滲碳體是鐵和碳所形成的具有復雜晶格結構的間隙化合是鐵和碳所形成的具有復雜晶格結構的間隙化合物，用分子式物，用分子式F

7、eFe3 3C C表示，碳的質量分數為表示，碳的質量分數為6.69%6.69%。 滲碳體硬度高而塑性、韌性極低。鐵碳合金中滲碳體含滲碳體硬度高而塑性、韌性極低。鐵碳合金中滲碳體含量影響了合金的硬脆性能。量影響了合金的硬脆性能。 珠光體珠光體（P P） 珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，常用符號是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，常用符號P P表示。珠光體中碳的質量分數平均值為表示。珠光體中碳的質量分數平均值為w wC C=0.77%=0.77%。 珠光體是碳的質量分數珠光體是碳的質量分數w wC C=0.77%=0.77%的奧氏體在的奧氏體在727727同同時析出兩種互不相溶的組織，

8、即鐵素體和滲碳體，組成兩相時析出兩種互不相溶的組織，即鐵素體和滲碳體，組成兩相復合組織，這一轉變稱為共析轉變。復合組織，這一轉變稱為共析轉變。 珠光體的珠光體的力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，具有較高具有較高的強度、硬度和足夠的塑性、韌性，的強度、硬度和足夠的塑性、韌性，綜合性能良好。綜合性能良好。萊氏體萊氏體（L Ld d） 萊氏體是萊氏體是w wC C=4.3%=4.3%的鐵碳合金，緩慢冷卻到的鐵碳合金，緩慢冷卻到11481148時從液相中同時結晶出由奧氏體和滲碳體組成的機械混時從液相中同時結晶出由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，這種混合物稱為高溫萊氏體，用

9、符號合物，這種混合物稱為高溫萊氏體，用符號L Ld d表示。冷表示。冷卻到卻到727727時，奧氏體將轉變為珠光體，所以室溫下萊時，奧氏體將轉變為珠光體，所以室溫下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫低溫萊氏體，用符號萊氏體，用符號L Ld d表示。表示。 萊氏體的滲碳體含量大，性能與滲碳體相近，硬度萊氏體的滲碳體含量大，性能與滲碳體相近，硬度高、脆性大、塑性差，是鐵碳合金組織中的脆性組織。高、脆性大、塑性差，是鐵碳合金組織中的脆性組織。 ( (二二) )鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織（三）鐵碳合金相圖（三）鐵碳合金相圖 一般所說的鐵一般所說的鐵碳合金相圖，

10、碳合金相圖，均指的是均指的是Fe-Fe-FeFe3 3C C相圖相圖，如如圖所示。圖中圖所示。圖中縱座標為溫縱座標為溫度，橫座標為度，橫座標為碳的質量分數。碳的質量分數。（1 1）鐵碳合金相圖中主要點、線的意義）鐵碳合金相圖中主要點、線的意義（2 2）鐵碳合金分類）鐵碳合金分類鐵碳合金鐵碳合金（按含碳（按含碳量和室溫量和室溫組織不同組織不同分類）分類）工業純鐵工業純鐵鋼鋼白口鑄鐵白口鑄鐵Wc0.0218%亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼Wc=0.77%0.0218%Wc0.77%0.77%Wc2.11%共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵

11、Wc=4.3%2.11%Wc4.3%4.3%Wc6.69%0.0218%Wc2.11%2.11%Wc6.69%（3 3） Fe-Fe3C Fe-Fe3C狀態圖的應用狀態圖的應用 在選材方面的應用在選材方面的應用 Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖表明了鋼鐵材料成分、組織的相圖表明了鋼鐵材料成分、組織的變化規律，依此可判斷出力學性能的變化，從而變化規律，依此可判斷出力學性能的變化，從而為選材提供了可靠的依據。為選材提供了可靠的依據。 例如，各種型鋼需要塑性、韌性好的材料，例如，各種型鋼需要塑性、韌性好的材料，應采用低碳鋼；應采用低碳鋼； 各種機械零件需要強度、塑性及韌性都好的各種機械零件需要強度、

12、塑性及韌性都好的材料，應采用中碳鋼；材料，應采用中碳鋼； 各種工具需要硬度高、耐磨性好的材料，應各種工具需要硬度高、耐磨性好的材料，應采用高碳鋼。采用高碳鋼。 （3 3） Fe-Fe3C Fe-Fe3C狀態圖的應用狀態圖的應用 在制定熱加工工藝方面的應用在制定熱加工工藝方面的應用 1 1、在鑄造工藝方面的應用、在鑄造工藝方面的應用 依據依據Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖的液相線，可以確定合適的澆注溫相圖的液相線，可以確定合適的澆注溫度。由相圖可知，共晶成分的合金，其凝固溫度區間最小，度。由相圖可知，共晶成分的合金，其凝固溫度區間最小，故流動性好，分散縮孔較小，可得到致密的鑄件。另外，故流動性

13、好，分散縮孔較小，可得到致密的鑄件。另外，共晶成分的合金熔化溫度較低，其所需熔煉設備較簡易。共晶成分的合金熔化溫度較低，其所需熔煉設備較簡易。故具有良好的鑄造性能。因此，接近共晶成分的鑄鐵在鑄故具有良好的鑄造性能。因此，接近共晶成分的鑄鐵在鑄造生產中被廣泛應用造生產中被廣泛應用。2 2、在鍛造工藝方面的應用、在鍛造工藝方面的應用 由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖可知，鋼在高溫時可獲得單相奧氏體相圖可知，鋼在高溫時可獲得單相奧氏體組織，而奧氏體的強度較低，塑性較好，有利于塑性變形組織，而奧氏體的強度較低，塑性較好，有利于塑性變形加工。因此，鋼材的軋制或鍛造溫度范圍多選在單一奧氏加工。因此，鋼

14、材的軋制或鍛造溫度范圍多選在單一奧氏體范圍內。一般始鍛溫度不宜過高，以免鋼材氧化嚴重；體范圍內。一般始鍛溫度不宜過高，以免鋼材氧化嚴重；而終鍛溫度也不能太低，以免鋼材塑性較差，而導致產生而終鍛溫度也不能太低，以免鋼材塑性較差，而導致產生裂紋。裂紋。 Fe-Fe3CFe-Fe3C狀態圖的應用狀態圖的應用 在制定熱加工工藝方面的應用在制定熱加工工藝方面的應用 3 3、在焊接方面的應用、在焊接方面的應用 由于焊接時焊縫到母材各區域的加熱溫度是不同的，由于焊接時焊縫到母材各區域的加熱溫度是不同的，由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖可知，在不同的加熱條件下會產生不同相圖可知，在不同的加熱條件下會產生不

15、同的高溫組織，隨后的冷卻也就有可能出現不同的組織與的高溫組織，隨后的冷卻也就有可能出現不同的組織與性能，這就需要焊接后采取熱處理的方法加以改善。性能，這就需要焊接后采取熱處理的方法加以改善。 4 4、在熱處理方面的應用、在熱處理方面的應用 各種熱處理都與各種熱處理都與Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖有著密切的關系。退相圖有著密切的關系。退火、正火、淬火的溫度選擇都是以火、正火、淬火的溫度選擇都是以Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖為依據相圖為依據來確定的。來確定的。Fe-Fe3CFe-Fe3C狀態圖的應用狀態圖的應用 相圖應用的局限性相圖應用的局限性 1 1）相圖僅反映出了平衡條件下的組

16、織轉變規律）相圖僅反映出了平衡條件下的組織轉變規律（緩慢冷卻或加熱），它沒有體現出時間的作用，因此，（緩慢冷卻或加熱），它沒有體現出時間的作用，因此，實際生產中，冷卻速度較快時不能用此相圖分析問題。實際生產中，冷卻速度較快時不能用此相圖分析問題。 2 2）相圖反映出了二元合金中相平衡的關系，若鋼）相圖反映出了二元合金中相平衡的關系，若鋼中有其它元素，其平衡關系將會發生改變。中有其它元素，其平衡關系將會發生改變。 3 3）相圖不能反映實際組織狀態，它只給出了相的）相圖不能反映實際組織狀態，它只給出了相的成分和相對量的信息，不能給出形狀、大小和分布特征。成分和相對量的信息，不能給出形狀、大小和分布

17、特征。 含碳量對鐵碳合金力學性能的影響含碳量對鐵碳合金力學性能的影響含碳量對碳鋼力學性含碳量對碳鋼力學性能的影響如下圖所示，能的影響如下圖所示，由圖可知，隨著鋼中由圖可知，隨著鋼中含碳量的增加，鋼的含碳量的增加，鋼的強度、硬度升高，塑強度、硬度升高，塑性和韌性下降，這是性和韌性下降，這是由于組織中滲碳體含由于組織中滲碳體含量的不斷增多造成的。量的不斷增多造成的。當當w wC C=0.9%=0.9%時，由于時，由于網狀二次滲碳體的存網狀二次滲碳體的存在，強度明顯下降在，強度明顯下降 。 （四）碳及常存雜質元素（四）碳及常存雜質元素對鋼性能對鋼性能的影響的影響 含碳量對鐵碳合金含碳量對鐵碳合金工藝

18、工藝性能的影響性能的影響 碳的質量分數低的鋼的強度低，塑性好，容易鍛造和冷碳的質量分數低的鋼的強度低，塑性好，容易鍛造和冷加工成型。焊接性能也良好。加工成型。焊接性能也良好。 （四）碳及常存雜質元素（四）碳及常存雜質元素對鋼性能對鋼性能的影響的影響 硅的影響硅的影響 硅是鋼中的有益元素硅是鋼中的有益元素。它能與鋼液中的氧化合，。它能與鋼液中的氧化合，形成形成脫氧劑，脫氧劑，降低鋼中氧的含量，使鋼質致密。降低鋼中氧的含量，使鋼質致密。硅硅能溶于鐵素體能溶于鐵素體，使鐵素體，使鐵素體強化作用，強化作用，從而使從而使鋼的強鋼的強度度、硬度硬度、彈性提高、彈性提高，而韌性、塑性降低而韌性、塑性降低。

19、錳的影響錳的影響 錳是在煉鋼時作為脫氧劑而加入的，殘留在鋼錳是在煉鋼時作為脫氧劑而加入的，殘留在鋼中的錳可溶于鐵素體和滲碳體中起強化作用，能提中的錳可溶于鐵素體和滲碳體中起強化作用，能提高鋼的強度和硬度。此外，錳還能和硫反應生成高鋼的強度和硬度。此外，錳還能和硫反應生成MnSMnS，從而減少硫對鋼的危害性。所以，從而減少硫對鋼的危害性。所以錳也是鋼中錳也是鋼中的有益元素的有益元素，在鋼中的含量一般為，在鋼中的含量一般為0.25%0.25%0.80%0.80%。 硫的影響硫的影響 硫是硫是在煉鋼時由礦石和燃料帶入鋼中的在煉鋼時由礦石和燃料帶入鋼中的有害有害元素元素。在固態下硫不溶于鐵，而是與鋼中的鐵生。在固態下硫不溶于鐵，而是與鋼中的鐵生成成FeSFeS。FeSFeS與鐵形成低熔點的共晶體與鐵形成低熔點的共晶體（Fe+FeSFe+FeS），分布在晶界上。當鋼材加熱到），分布在晶界上。當鋼材加熱到10001000120012000 0C C進行壓力加工時，沿晶界分布的進行壓力加工時，沿晶界分布的低熔點共晶體（低熔點共晶體（Fe