材料材料及热处理知识

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1. 工业纯铁的结晶过程（图中合金①） 1—2点：匀晶反应形成δ铁素体 2—3点：பைடு நூலகம்发生组织转变 3—4点：开始从δ铁素体中析出奥氏体，4点 后全部转化为奥氏体 4—5点：不发生组织转变 5—6点：开始从奥氏体中析出铁素体，6点后 全部转化为铁素体 6—7点：不发生组织转变 7点以后:开始从铁素体中析出三次渗碳体
亚共析钢（0.0218%--0.77%C）：指室温下 的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金， 有熟铁之称； 共析钢（0.77%C）：指室温下的平衡组织为 珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8 钢； 过共析钢（0.77%C-- 2.11%C）：指室温下 的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合 金。 3.白口铸铁（ 2.11% -- 6.69%C） 指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡 组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金， 其断口白亮而得名，俗称生铁。 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 二、结合下图，分析7种典型铁碳合金的结晶 过程及其组织变化
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3.3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 一、铁碳合金的分类 1.工业纯铁（<0.0218%C） 室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳 合金，工业上很少使用 2.钢（0.0218%--2.11%C） 高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室 温组织的不同分为三类
1.1.2 强度与塑性
一、 强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据加载方式 的不同，强度指标有许多种，其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强 度两个指标应用最多。 1. 屈服强度 屈服现象：应力超过B点后，材料将发生塑性变形。在BC段，材料发生 塑性变形而应力不会增加的现象。 屈服强度：B点所对应的应力称为屈服强度，用σs表示。屈服强度反映 材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。 2. 抗拉强度 颈缩现象：CD段为均匀变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增 加，产生应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即 出现颈缩。 抗拉强度：随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。D点所对 应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。 抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和材料评价的重 要指标。
C点：共晶点 D点: Fe3C的熔点 E点：γ-Fe中的最大溶碳量 G点：α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点 J点：包晶点 N点：γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点 S点：共析点 5.图中的特性线 ABCD－液相线 AHJECF－固相线 GS、GP为 α-Fe固溶体转变线 HN、JN为奥氏体A固溶体转变线 ES线为碳在奥氏体A中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，当 含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时，会从奥氏体中 析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3CⅡ。ES线又称为Acm线。 PQ线为碳在α-Fe中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，铁碳 合金自727℃向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳 体。标记为Fe3CⅢ，但因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以 考虑。
CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线，从液体中结晶出的渗碳 体称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金
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第一章 材料的性能
1.1 材料的力学性能
力学性能：材料在外力作用时所表现的性能（又称机械性能），如强 度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化。外力去除后能够恢 复的变形称为弹性变形，外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
1.1.1 弹性与刚度 应力-应变曲线：是描述应力与应变关系的曲线，它是根据标准试样所 承受的载荷与变形量的变化所绘制的关系曲线。
2.3 金属的结构 2.3.1 金属的晶体结构
一、纯金属的晶体结构 （1）体心立方晶格（b.c.c）：Body-Centered Cubic Lattice 体心立方晶格的晶胞如下图所示，为一个立方体。在立方体的8个顶角 各有一个与相邻晶胞共有的原子，立方体中心还有一个原子。具有体心 立方晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等。
3.3.2 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图； 2.相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体δ、铁素体 α、奥氏体 γ、 渗碳体 Fe3C；
3.相图中有三条水平线： HJB水平线（1495℃）：包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体。 L0.53+δ0.09←→γ0.17 ECF水平线（1148℃）：共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体 和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示。 L 4.3←→γ2.11+ Fe3C PSK水平线（727℃）：共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和 渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示。共析线又称为A1线 γ0.77←→F0.0218+ Fe3C 4.图中的特性点 A点：纯铁的熔点
体心立方晶格 晶格常数：a＝b＝c，故只用a即可表示； 晶胞原子数：2，每个顶点的原子为八个晶胞所共有； 原子半径：体对角线上原子间距的一半； 配位数：8； 致密度：0.68。
（2）面心立方晶格（f.c.c）：Face-Centered Cubic Lattice 面心立方晶格的晶胞如下图所示，也是一个立方体。除在立方体的8个
塑性变形而应力不会增加的现象。 屈服强度：B点所对应的应力称为屈服强度，用σs表示。屈服强度反映 材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。 2.2 晶体结构的基本概念 2.2.1 晶体与非晶体 固体物质按原子在空间的排列方式可分为晶体与非晶体。 晶体：原子在空间呈规则排列的固体物质；如正常状态下的金属、食 盐、单晶硅。 非晶体：原子在空间呈无序排列的固体物质；如普通玻璃、石蜡、松香 的等。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。 2.2.2 晶格 如果把组成晶体的原子看作是刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体 按一定规律周期性堆垛而成，如下图所示。为研究方便，假设将刚性球 体缩为处于球心的点，称为结点。由结点所形成的阵列 称为空间点 阵。用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶 格。晶格直观地表示了晶体中原子的排列规律。
弹性极限：在应力-应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，此时卸掉载 荷，试样恢复到原来尺寸。A点多对应的应力为材料承受最大弹性变形 的应力称为弹性极限，用σp表示。 比例极限：其中OA′部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A′点所 对应的应力为保持这种比例关系的最大应力称为比例极限，用σe表示。 由于大多数材料的A点和A′点几乎重合在一起，一般不做区分。 弹性模量E：在弹性形变范围内，应力与应变的比值。弹性模量是材料 最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而 逐渐降低外， 其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对 弹性模量的影响很小。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力，可以通过增加横截面积或改变 截面形状的方法来提高零件的刚度。
2. 共析钢的结晶过程（图中合金②）
1—2点：匀晶反应形成奥氏体 2—3点：不发生组织转变 3点以后：发生共析转变，反应结束后全部转 化为珠光体 3′点后继续冷却：从珠光体的铁素体中析出
少量的三次渗碳体 共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应十共 析反应 共析钢室温组织：100%的珠光体P
共析钢结晶过程中的组织变化
工业纯铁结晶过程的基本反应：匀晶反应十 固溶体转变反应＋二次析出反应
工业纯铁的室温组织：F十Fe3CⅢ 纯铁的结晶过程中的组织变化过程
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碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素 异构体。
3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种： C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符 号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相， 铁素体在室温下可稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符 号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相 区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合 物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6.69％。以“Fe3C”或“Cm”符号 表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等 于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状 和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶 解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。
顶角上各有一个与相邻晶胞共有的原子外，在6个面的中心也各有一个 共有的原子。属于这种晶格的金属有：γ-Fe，Ni，A1，Cu，Pb，Au， Rh等。
3.3 铁碳合金相图
3.3.1 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳 钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金 铸 铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、 组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用 价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C 二、组元 1.纯铁 纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.碳
二、 塑性：是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力，指标为伸 长率和断面收缩率。 伸长率：为试样拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分 率。δ＝(l1-l0) /l0*100%，l0为原长， l1为断裂后长度。 断面收缩率：为试样断裂后，横截面积最大缩减量与原始横截面积之比 的百分率。φ＝(F0-F1)/ F0 *100%，F0为试件原始截面积， F1为断口 处的截面积。 屈服现象：应力超过B点后，材料将发生塑性变形。在BC段，材料发生