金属材料的基本知识

一金属材料的基本知识现代生产中，特别是机械行业中，大量使用各种金属材料，为了合理选择和使用金属材料，充分发挥金属材料的性能潜力，必须了解金属材料的性能。

金属材料的性能，一般可以分为两类：一类是使用性能，包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能等，作为结构材料首先要考虑的是金属材料使用过程中在外力作用下所表现出来的特性；另一类是工艺性能，它包括铸造性能、切削性能、焊接性能、热处理性能等，它反映金属材料在制造加工过程中所表现出来的各种特性。

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外力作用下所表现出来的特性，如：强度、塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳、蠕变等。

机械性能指标反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的能力，是设计金属制件时选材和进行强度计算的主要依据。

1．强度金属材料在静载荷作用下抵抗永久塑性变形和断裂的能力，称为强度。

下面简要介绍拉伸曲线及由此得出的材料性能指标。

2．塑性塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

常用的塑性指标是延伸率δ和断面收缩率ψ，两个指标均为百分率（%）表示。

塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义。

塑性好的材料，适宜于各种压力加工，如：冲压、挤压、冷拔、热轧及锻造等；制成零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形使材料强度提高而避免突然断裂。

3．硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力。

常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

4．冲击韧性冲击韧性是指金属材料抵抗冲击力而不破坏的能力。

许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞箱、连杆及风动工具等，这些零件不仅要求具有足够的静载荷强度，而且要具有足够的抵抗冲击载荷的能力。

冲击韧性用αk表示。

5．疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等在交变应力下工作，虽然它们所承受的应力通常低于材料的屈服点，但在交变应力的长期作用下，材料在不发生明显的塑性变形、事前无察觉的情况下突然断裂，该现象称疲劳。

由于疲劳断裂是突发性的，因此具有很大的危险性。

钢和铸铁是现代化工业中应用最广泛的金属材料，形成钢和铸铁的主要元素是铁和碳，故又称铁碳合金。

不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。

若要了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，必须研究铁碳合金相图。

二、铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。

铁素体（F）：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体1．晶格类型：体心立方晶格2．碳的溶解度：在600℃时含碳量只有0.008%，随着温度升高，碳在α-Fe中的溶解度稍增，当温度升高到727℃时含碳量为0.0218%。

3．性能：强度和硬度较低，塑性和韧性好。

4．显微形态：呈明亮的多边形晶粒。

奥氏体（A）：碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体1．晶格类型：面心立方晶格2．碳的溶解度：在727℃时碳含量为0.77%，随温度升高，碳在γ—Fe中的溶解度增加，在1148℃时碳的质量分数最大，为2.11%。

3．性能：具有很好的塑性和韧性，并有一定的强度和硬度。

4．显微形态：呈多边形，但晶粒边界较铁素体平直。

渗碳体（Fe3C）：是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物。

1．晶格类型：具有复杂的晶体结构2．含碳量：6.69%3．性能：硬度很高，塑性和韧性极低，脆性大。

4．显微形态：根据形成条件不同，可分为片状、网状、球状、条状等。

珠光体（P）：由F与Fe3C组成的两相复合物1．含碳量：0.77%2．性能：介于F与Fe3C之间，即具有一定的强度、塑性和硬度。

3．显微形态：片层状莱氏体（Ld）：由A与Fe3C组成的两相复合物，存在于727℃以上。

变态莱氏体（Ld′）：由P与Fe3C组成的两相复合物，存在于727℃以下。

1．含碳量：4.3%2．性能：与Fe3C相似，硬度很高，塑性很差。

3．显微形态：在白亮的Fe3C基体上分布着粒状的A（P）。

2、铁碳合金相图铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于W c>6.69%时的铁碳合金脆性极大，没有实用价值，而且Fe3C又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此我们所研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如图1-20。

为便于分析和研究，图中左上角部分已简化。

简化的Fe-Fe3C相图可视为由两个简单的典型二元相图组合而成。

图中的右上半部分为共晶转变类型的相图，左下半部分为共析转变类型的相图。

图1-20简化的Fe-Fe3相图分析1．相区及主要的特性点和特性线的分析（1）单相区简化的Fe-Fe3C相图中有F、A、L和Fe3C四个单相区。

ACD线以上为液相区，该线称为液相线。

AESGA区为奥氏体相区。

从相图中可看出，E点对应的成分（W c=2.11%）是碳在奥氏体中的最大溶解度。

GPQG区为铁素体相区。

P点对应的成分（W c=0.0218%）是碳在铁素体中的最大溶解度。

DFK垂线为渗碳体相区，表明渗碳体具有固定成分。

（2）两相区及其边界特征线①L+A两相区：ACEA区域为L+A两相区。

凡是含碳量W c<4.3%的液相缓冷到液相线（AC线）对应的温度时，都会结晶出奥氏体。

此区内液相和奥氏体同时存在并处于平衡。

②L+Fe3C两相区：CDFC区域为L+Fe3C两相区。

凡是含碳量W c>4.3%的液相，缓冷到液相线（CD线）对应温度时，都会结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（Fe3C Ⅰ）。

③A+Fe3C两相区：EFKSE区域为A+Fe3C两相区。

在此区内，奥氏体中的含碳量随温度的降低沿ES线从2.11%变化至0.77%。

由于奥氏体中含碳量的减少，将由奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。

ES线是W c>0.77%合金中碳在奥氏体中溶解度曲线，是Fe3CⅡ从奥氏体中析出的开始线。

④F+A两相区：GSPG区为F+A两相区。

含碳量W c<0.77%的铁碳合金缓冷至GS线对应温度时，将由奥氏体中析出铁素体。

奥氏体的含碳量随温度降低，沿GS 线变化至0.77%。

GS线是从奥氏体中析出的铁素体的开始线。

在此区内，与奥氏体平衡的铁素体，其含碳量随温度降低沿GP线变化至0.0218%。

Wc<0.0218%的铁碳合金，当缓冷至GP线对应温度时，奥氏体全部转变成铁素体。

F+Fe3C相区：PKLQP为F+Fe3C两相区。

PQ线为碳在铁素体中的溶解度曲线。

当合金从727℃缓冷至室温时，碳在铁素体中的溶解度沿PQ线变化，并析出三次渗碳体（Fe3CⅢ）。

含碳量对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。

只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少，而渗碳体量相对增多，并且渗碳体的形状和分布也发生变化，因而形成不同的组织。

室温时，随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化如下：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CⅠ→Fe3C2．含碳量对铁碳合金力学性能的影响当Wc< 0.9%时，随含碳量增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。

这是由于随含碳量的增加，钢中渗碳体量增多，铁素体量减少造成的；Wc＞0.9%以后，二次渗碳体沿晶界已形成较完整的网，因此钢的强度开始明显下降，但硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。

为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于1.4%。

Wc＞2.11%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量多，硬度高而脆性大，难于切削加工，在实际中很少直接应用。

铁碳合金相图的应用1．在选材方面的应用铁碳合金相图所表明的成分、组织与性能之间的关系，为合理选用钢铁材料提供了依据。

例如，要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用含碳量低的钢；承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用含碳量为0.25%～0.55%的钢；要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用含碳量大于0.55%的钢；形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件，应选用白口铸铁。

2．在铸造方面的应用根据铁碳相图可确定合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上50～100℃。

由相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好，分散缩孔少，偏析小，因而铸造性能最好。

所以，在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。

常用铸钢的含碳量定在Wc=0.15%～0.6%之间，在此范围的钢，其结晶温度范围较小，铸造性能较好。

3．在锻造方面的应用碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较差，变形困难，当将其加热到单相奥氏体时，可获得良好的塑性，易于锻造成型。

含碳量越低，其锻造性能越好。

而白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故不能铸造。

4．在焊接方面的应用焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由Fe-Fe3C相图可知，受不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能会出现不同的组织与性能。

这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。

5．在热处理方面的应用由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同的热处理来改善性能。