第9章黑色金屬

9.1金屬及合金的構造與結晶9.1.1純金屬的構造與結晶

1．晶體結構與類型

金屬晶體中原子或離子按一定規則排列而成的空間幾何圖形，稱為晶格

體心立方晶格和面心立方晶格不同的金屬具有不同的晶格。常見金屬的晶格種類很多，最主要的有體心立方晶格和面心立方晶格兩種

（a）體心立方晶格

（b）面心立方晶格

同素異晶轉變金屬的晶格類型并非一成不變。某些金屬如鐵、錳、錫、鈦等，凝固后隨溫度變化還會發生晶格類型的改變，這種現象稱為同素異晶轉變。

右圖為純鐵的冷卻曲線

2．多晶體

金屬內部的原子完全是整齊規則排列時，稱為單晶體

實際的金屬結構包含著許多小單晶體，由多晶粒組成的晶體結構，稱為多晶體

右圖左為單晶體右圖右為多晶體晶體缺陷

實際應用的金屬材料，晶粒內原子的排列也只是大體上一致，其中不一致的原子排列，稱為晶體缺陷

（1）點缺陷：是指在晶格結點處無原子存在，而在晶格結點間有原子。前者稱晶格空位，后者稱間隙原子

（2）線缺陷是指晶粒內部呈線狀分布的缺陷，表現為各種形式的位錯，主要有刃型位錯和螺型位錯兩種基本形式（a）刃型位錯（b）螺型位錯（3）面缺陷是指晶粒內部的晶面由許多“碎晶塊”組成，主要指晶界、亞晶界

3．金屬的結晶

物質由液態轉變為固態的過程，稱為凝固。晶體材料的凝固過程也稱為結晶

細化晶粒是使金屬材料強韌化的有效途徑

工業生產中為了獲得細晶粒組織常采用以下方法：

提高液態金屬凝固時的冷卻速度，如采用金屬模代替砂型鑄模；進行變質處理也稱為孕育處理；采用機械振動、超聲波振動、電磁振動等方法9.1.2合金的構造與結晶

1．合金的構造固溶體：是以一種金屬元素的晶格為溶劑，其他元素的原子為溶質，溶質原子溶入溶劑晶格而形成的均勻固體；

金屬化合物：是構成合金的元素相互化合而生成的新物質；機械混合物：是兩種或兩種以上的金屬晶體相互混合而成的組織。2．合金的結晶

合金的結晶過程，是合金的組織結構隨溫度、成分的變化而變化的過程，常用合金相圖來反映。合金相圖又稱為合金狀態圖，它表明了在平衡狀態下（即在極緩慢的加熱或冷卻的條件下），合金的相結構隨溫度、成分發生變化的情況，故亦稱為平衡圖。

9.2鐵碳合金相圖

9.2.1鐵碳合金的基本組織

1．鐵素體

碳溶解在-Fe中形成的固溶體，稱為鐵素體，又名純鐵體、固溶體。通常用符號“F”表示。因碳在-Fe中的溶解量很少（含C量＜0.0218%），所以碳的強化作用很小，其機械性能近似純鐵，即強度、硬度低，塑性、韌性好。

2．奧氏體

碳溶解在-Fe中形成的固溶體，稱為奧氏體，亦稱固溶體，通常用符號“A”表示。奧氏體中的鐵原子仍保持著面心立方晶格。由于-Fe中的間隙尺寸比-Fe大，因此前者的溶碳能力高。由于-Fe通常在高溫條件下存在，所以在一般情況下奧氏體也只能在高溫下存在。奧氏體具有高的塑性，

=40%～50%；有較低的變形抗力，是絕大多數鋼種在高溫下進行壓力加工時所需的組織。3．滲碳體鐵與碳形成的化合物稱為滲碳體。滲碳體的含碳量為6.69%，硬度很高，約為HB800左右，但強度很低，塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在鋼中主要起強化作用，其數量、形狀、大小及其分布狀況對鋼的性能有很大影響。9.2.2鐵碳合金相圖ACD—液相線AECF—固相線ECF—共晶線GS—亦稱A3線ES—亦稱Acm線S——共析點

GP——奧氏體冷卻到此線時，全部轉變成鐵素體

PSK—亦稱A1線

C—共晶點

鐵碳合金的分類

:工業純鐵：成分在P點左面，是含碳量小于0.02%的鐵碳合金。共組織全部由鐵素體構成，工業上應用較少;鋼：成分在P點與E點之間，是含碳量為0.02%～2.11%的鐵碳合金。根據室溫下組織的不同，可以S點為界分為

a.共析鋼：含碳量為0.77%，組織全部由珠光體構成；

b.亞共析鋼：含碳量為0.02%～0.77%，組織由鐵素體和珠光體構成；

c.過共析鋼：含碳量為0.77%～2.11%，組織由二次滲碳體和珠光體構成。白口鑄鐵：成分在E點和F點之間，是含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金。

9.3碳素鋼

9.3.1碳素鋼的分類

主要有三種方法

:按含碳量分：低碳鋼wc≤0.25%；中碳鋼wc0.25%～0.6%；高碳鋼wc＞0.60%；按質量分：普通碳素鋼、優質碳素鋼、高級優質碳素鋼；按用途分：碳素結構鋼、碳素工具鋼9.3.2碳素鋼的牌號、性能及主要用途碳素結構鋼：碳含量較低，而硫、磷等含量較高，故強度不高，但塑性、韌性較好，焊接性能好，價格低廉。碳素結構鋼的規定牌號有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五類；優質碳素結構鋼：含碳量0.05%～0.9%，有害雜質含量很少。應用廣泛，常制造各種較重要的機械零件，比如汽車中的大部分零件；碳素工具鋼：這類鋼常用于制造刃具、量具、模具等。9.4合金鋼

為了改善鋼的性能，煉鋼時有目的地加入一些合金元素所形成的鋼稱為合金鋼。合金鋼通過熱處理能獲得優良的綜合機械性能及一些特殊的物理、化學性能。常加入的合金元素有鈦Ti、釩V、鈮Nb、鎢W、鉬Mo、鉻Cr、錳Mn、鋁A1、鈷Co、硅Si、硼B、氮N及稀土元素。但是合金鋼的冶煉、加工困難，價格較貴，所以應合理選用。

9.4.1合金結構鋼

低合金結構鋼

合金滲碳鋼

合金調質鋼

合金彈簧鋼

滾動軸承鋼

9.4.2特殊性能鋼

不銹鋼：常用不銹鋼按化學成分分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩種；按金相組織分為馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼等五種；耐磨鋼：主要用于制造在嚴重磨損和強烈沖擊條件下工作的零件；耐熱鋼：金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩方面。具有抗高溫介質腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼，在高溫下仍具有足夠機械性能的鋼稱為熱強鋼。耐熱鋼是兩者的總稱。

9.5鑄鐵含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為鑄鐵

.為了進一步提高鑄鐵的力學性能或得到某些特殊性能，常加入鉻、鉬、銅、釩、鋁等合金元素或提高硅、錳、磷等元素的質量分數，這種鑄鐵稱為合金鑄鐵。鑄鐵的強度、塑性等力學性能不如鋼材，但它具有良好的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性、減振性，且價格低廉。因此，鑄鐵仍然是工業生產中最重要的金屬材料之一，廣泛應用于汽車制造業。9.5.1鑄鐵的石墨化鑄鐵組織中的碳以石墨的形式析出的過程，稱為石墨化。石墨化非常充分時，鑄鐵的最終組織為鐵素體基體上分布著石墨；石墨化比較充分時，最終組織為珠光體基體上分布著石墨或鐵素體與珠光體基體上分布著石墨；石墨化不太充分時，最終組織為萊氏體與珠光體基體上分布著石墨；石墨化未進行時，最終組織為萊氏體，這種鑄鐵稱為白口鑄鐵。9.5.2鑄鐵種類白口鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵合金鑄鐵

9.6金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理是指金屬材料在固態下，采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織結構，從而獲得所需性能的一種工藝方法。通過適當的熱處理，可以充分發揮材料的潛力，顯著提高材料的力學性能，延長零件的使用壽命，還可以消除鑄、鍛、焊等加工所引起的內應力和各種缺陷，為以后工序做好準備。

9.6.1鋼在加熱、冷卻時的組織轉變1．鋼的加熱對鋼進行加熱，其目的是改變鋼的原始組織，獲得成分均勻、晶粒細小的奧氏體組織，并為冷卻時的轉變做好準備，使鋼最終獲得所需的組織和性能。鋼在加熱時是奧氏體的形核和長大的過程。奧氏體轉變越徹底，其晶粒度越均勻細小，鋼的性能越好。2．鋼的冷卻冷卻是將加熱到高溫奧氏體狀態的鋼以一定速度冷卻到低溫，使鋼中奧氏體發生預期轉變，從而獲得所需的組織和性能。常用冷卻方式有兩種：等溫冷卻、連續冷卻。生產中，因采用連續冷卻方式比采用等溫冷卻方式操作簡單，所以使用較廣泛。9.6.2鋼的退火與正火1．退火退火是將工件加熱到一定溫度并保溫，然后再隨爐緩慢冷卻的一種熱處理工藝。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應力退火等。2．正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上50～70℃，保溫一定時間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝；

正火后材料的硬度、強度、韌性都高于退火，且操作簡便、周期短，故應優先考慮；正火主要用途：作為普通結構鋼零件的最終熱處理；作為低、中碳結構鋼零件的預備熱處理。9.6.3鋼的淬火與回火1．淬火淬火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃溫度，保溫一定時間，然后進行快速冷卻的一種熱處理工藝。其目的是獲得馬氏體組織，使鋼具有高硬度和高耐磨性。淬火是強化鋼材的重要方法。淬火加熱溫度淬火介質淬火方法淬透性和淬硬性：淬透性指鋼在一定的淬火條件下，獲得淬硬層深度的能力。淬硬性指鋼在理想條件下淬火所能達到最高硬度的能力。2．回火將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度，保溫后以一定的冷速冷至室溫的工藝稱為回火。目的是消除或減少淬火應力，降低脆性，防止零件變形開裂；穩定組織，從而穩定零件尺寸；調整力學性能，滿足零件的性能要求。常用回火方法有：低溫回火、中溫回火、高溫回火。9.6.4鋼的表面熱處理1．表面淬火

僅對零件表層進行淬火的工藝稱為表面淬火，根據加熱方法不同分為感應加熱、火焰加熱、激光加熱、電子束加熱表面淬火等。（1）感應加熱表面淬火

（2）火焰加熱表面淬火利用氧-乙炔火焰（或其他可燃氣體）對零件表面進行加熱，使其快速升溫達到淬火溫度，然后迅速噴水冷卻的熱處理工藝稱為火焰加熱表面淬火。淬硬層深度一般為2～6mm。火焰加熱表面淬火相對來說操作簡單方便、成本低，但因其淬火質量不易控制、生產效率低使應用受到了限制，主要用于單件小批生產或中碳鋼、中碳合金鋼大型零件或復雜件的局部表面淬火。2．化學熱處理化學熱處理是指將零件放入一定溫度的活性介質中，使一種或幾種元素滲入零件表面，以改變表層的化學成分、組織和性能的一種表面熱處理工藝。按滲入元素的不同，化學熱處理可分為滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲等，其中前兩種最常用。

（1）滲碳低碳鋼的表面滲入碳原子的過程稱為滲碳。滲碳介質可以是氣態、液態、固態，生產中應用最廣的是氣體滲碳。