【正文】 （ 1394－ 912℃的鈍鐵）、鋁、銅、銀等。晶胞原子數(shù)要參照如下的計算方法：密排六方晶胞每個結(jié)點上的原子為相鄰的 6 個晶胞所共有，上下底面中心的原子為兩個密排六方晶胞所共有，晶胞中間的三個原子為該晶胞所獨有，故密排六方晶胞中的原子數(shù) n=12 1/6+2 1/2＋ 3=6(個 )。 晶粒即在多晶體材料內(nèi)，晶體位向基本相同的小晶體。在實際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的 某些結(jié)點往往未被原子所占有，這種空著的位置稱為空位；與此同時，又有可能在個別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子，這種不占有正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱為間隙原子。所謂位錯就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。在位錯線附近晶格發(fā)生畸變，形成一個應(yīng)力集中區(qū)。 Ⅲ、面缺陷 面缺陷是在兩個方向的尺寸很大，第三個方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷。由于過渡層原子排列不規(guī)則，使晶格處于歪扭畸變狀態(tài)，因而在常溫下會對金屬塑性變形起阻礙作用，從宏觀上來看，晶界處表現(xiàn)出有較高的強度和硬度。～ 3176。由于亞晶界處原子排列也是不規(guī)則的，使晶格產(chǎn)生了畸變，因此，亞晶界作用與晶界相似，對金屬強度也有著重要影響，亞晶界越多，強度也越高。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時還具備了比純金屬更好的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。有時穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如 Fe3C 等。 相 相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。只由一種相組成的組織稱為單相組織；由幾種相組成的組織稱為多相組織。例如鐵碳合金中，α鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。 金屬化合物 金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來表示。 機械混 合物 機械混合物是合金中的一類復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機械混合物。 冷卻曲線與過冷現(xiàn)象 由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的增長溫度不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，冷卻時間雖然增長 但其溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個水平線段，這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是純金屬進行結(jié)晶溫度。但在實際生產(chǎn)中，金屬由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時冷卻速度都是相當快的，金屬總是要在理論結(jié)晶溫度Ｔ 0 以下的某一溫度Ｔ 1 才開始進行結(jié)晶，溫度Ｔ 1 稱為實際結(jié)晶溫度。 實際金屬總是在過冷情況下進行結(jié)晶的，所以過冷是金屬結(jié)晶的一個必要條件。如下圖所示： 結(jié)晶時由每一晶核長成的晶體就是一個晶粒。因此，得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡稱為枝晶。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。金屬結(jié)晶時，圖中實線部分所示，形核率Ｎ和長大線速度Ｇ都隨過冷度的增加面增加，但Ｎ和增長率大于Ｇ的增長率，因此，增加過冷度會使Ｚ增大，晶粒變細。 當過冷度大到圖中虛線部分時，金屬液的溫度已經(jīng)很低，原子擴散能力極大的降低，反而使形核率Ｎ和生長線速度Ｇ下降。 ③ 附加振動 金屬結(jié)晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，發(fā)既可使正在生長的晶體破碎而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，從而細化晶粒。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時還具備了比純金屬更好的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。有時穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如 Fe3C 等。 相 相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。只由一種相組成的組織稱為單相組織；由幾種相組成的組織稱為多相組織。例如鐵碳合金中，α鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。 金屬化合物 金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來表示。 機械混合物 機械混合物是合金中的一類復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機械混合物。再繼續(xù)冷卻時晶格類型不再發(fā)生變化。因此，它同樣遵循著結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時需要過冷 ；有潛熱產(chǎn)生；轉(zhuǎn)變過程也括晶核的形成和晶核的長大兩階段。它仍保持α鐵的 體心立方晶格，由于體心立方晶格原子間的空隙很小，因而溶碳能力極差，在 727℃時的最大溶碳量為Ｗｃ＝ ％，在 600℃是溶碳量約為Ｗｃ＝ ％，室溫下幾乎為零Ｗｃ＝ ％。它仍保持γ鐵的面心立方晶格。因為奧氏體的硬度較低而塑性較高，易于鍛壓成型。滲碳體在鋼和鑄鐵中存在形式有片狀、球狀、網(wǎng)狀、板狀，它的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況對鋼的性能影響很大。 2～ S 點之間，合金是單一奧氏體相。共析鋼的結(jié)晶過程如下圖所示。在 2～ 3 點區(qū)間，合金為單一的奧氏體組織，當冷卻到與 GS 線相交的 3 點時，開始從奧氏體中析出時 ，就會將多余的碳原子轉(zhuǎn)移到奧氏體中，引起未轉(zhuǎn)變的奧氏體的含碳量增加。 4 點以下不再發(fā)生組織變化。合金在 1 點以上為液體，當緩冷至稍低于 1 點后，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體，直至 2 點結(jié)晶終了。 3～ 4 點之間的組織為奧氏體＋二次滲碳體。過共析鋼結(jié)晶過程如圖 3－ 9。溫度繼續(xù)下降時，萊氏體中的奧代體將不斷析出二次滲碳體，剩余奧氏體的碳濃度不屢減少，并沿著 ES 線變化。共晶白口鐵的顯微組織如圖 3－ 4 所示，共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖 3－ 10 所示。繼續(xù)緩冷，結(jié)晶出的奧氏體量不斷增多，而液體量不斷送還減少，奧氏 體的含碳量不斷沿 AE驪變化，液體的碩深度沿 AC驪變化。緩冷至 3 點（ 727℃）時， Wc＝ ％的奧氏體發(fā)生析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。 六、 過共晶白口鐵的結(jié)晶過程 圖 3－ 6 中合金Ⅵ表示過共晶白口鐵。同時，液體的碳濃度沿 著 CD 驪不斷變化，至 2 點時，乘余液體 Wc＝ ％，于是發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。 白口鐵因有共晶轉(zhuǎn)變，所以組織中出現(xiàn)了萊氏體基體，萊氏體的存在 ，使得白口鐵硬度很高，脆性很大，所以實際生產(chǎn)中很少直接使用，一般用用煉鋼原料。其組織中珠光體的數(shù)量隨之增加，因而強度、硬度也升高，塑性、韌性不斷下降。實際生產(chǎn)為了保證碳鋼具有足夠的強度，一定的塑性和韌性， Wc 一般不應(yīng)超過～ ％。 在選材方面的應(yīng)用 由鐵碳相圖可風(fēng)，鐵碳合金中隨著含碳量的不同，其平衡組織各來相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。 在焊接生產(chǎn)上的應(yīng)用 焊接時，由于局部區(qū)域被快速加熱，故從焊縫到母材各處的溫度是不相同的。其共同 點是：只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，不改變表面形狀與尺寸。 熱處理的三階段：加熱、保溫、冷卻 一、 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 加熱的目的：使鋼奧氏體化 （一）奧氏體（ A）的形成 奧氏體晶核的形成 以共析鋼為例 A1 點則 W c ＝ ％（體心立方晶格 F）W c ＝ ％（復(fù)雜斜方滲碳體）當 T 上升到 A c1 后 W c ＝ ％（面心立方的 A）由此可見轉(zhuǎn)變過程中必須經(jīng)過 C 和 Fe 原子的擴散，必須進行鐵原子的晶格改組，即發(fā)生相變， A 的形成過程。 殘余 Fe 3 C 的溶解 A 長大同時由于有部分滲碳體沒有完全溶解，還需一段時間才能全溶。 影響 A 晶粒粗大因素 加熱溫度越高，保溫時間愈長，奧氏體晶粒越粗大 。 二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 生產(chǎn)中采用的冷卻方式有：等溫冷卻和 連續(xù)冷卻 （一） 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 A 在相變點 A 1 以上是穩(wěn)定相，冷卻至 A 1 以下就成了不穩(wěn)定相，必然要發(fā)生轉(zhuǎn)變。（當 W C ＜ ％時，呈板條狀，當 W C ＞ ％呈針片狀，當 W C ＝ ％～ ％時，呈針片狀和板條狀的混合物） （二） 過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 1． 奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D） 連冷卻轉(zhuǎn)變圖是表示鋼經(jīng) A 后，在不同冷卻速度的連冷卻條件下，過冷 A 轉(zhuǎn)變開始及轉(zhuǎn)變終了時間與轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系曲線圖。 鋼的退火與正火 常用的熱處理工藝分為兩大類： 預(yù)備熱處理目的：消除坯料、半成品中的某些缺陷，為后續(xù)冷加工，最終熱處理作組織準備。 目的： （ 1）降低硬度，提高塑性， （ 2）細化晶粒，消除組織缺陷 （ 3）消除內(nèi)應(yīng)力 （ 4）為淬火作好組織準備 類型： (根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（ Ac 1 或 Ac 3 ）以上或以下的退火，前者又稱相變重結(jié)晶退火，包括完全退火、擴散退火均勻化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。工件在退火溫度下的保溫時間不僅要使工件燒透，即工件心部達到要求的加熱溫度，而且要保證全部看到均勻化的奧氏體，達到完全重結(jié)晶。 注意事項：低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。 2） 工藝：一般球化退火工藝Ａ c 1 +(1０ ~2０ )℃ 隨 爐 冷 至 500~600 ℃空冷。為此，鋼熱加工后必須加一道球化退火，使網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體中的片狀滲體發(fā)生球化，得到粒狀珠光體。 2） 目的：消除結(jié)晶過程中的枝晶偏析，使成分均勻化。只是一些優(yōu)質(zhì)合金鋼及偏析較嚴重的合金鋼鑄件及鋼錠才使用這種工藝。 鋼的一般在 500～ 600℃ 鑄鐵一般在 500～ 550℃超過 550 扣容易造成珠光體的石墨化。 目的：細化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。 應(yīng)用范圍： 1）改善鋼的切削加工性能。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。通過正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。 退火與正火的選擇 ： １、含碳量＜ ％的低碳鋼，通常采用正火代替退火。 ４、 含碳量＞ ％的高碳鋼或工具鋼一般均采用球化退火作為預(yù)備熱處理，如有網(wǎng)狀二次滲碳體存在，則應(yīng)先進行正火消除。 退火目的①降低材料硬度，以利于切削加工；②消除各類應(yīng)力，防止零件變形；③細化粗大晶粒，改善內(nèi)部組織，為最終熱處理做好準備。然后以適當速 度冷卻獲得 M或 B 下 組織的熱處理工藝。如果加熱溫度超過 Ac cm 將會使碳化物全部溶入奧氏體中，使奧氏體中的含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度和耐磨性；淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大。 650~400℃之間應(yīng)當快速冷卻，以通過過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。常用的有三種： 水： 650~400℃范圍內(nèi)冷卻速度較小，不超過 200℃ /s ，但在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又太大，在 340℃最大冷卻速度高達 775℃ /s ，很容易引起工件變形和開裂。 油：在 650~550℃內(nèi)冷卻較慢，不適用于碳鋼， 300~200℃范圍內(nèi)冷很慢，有利于淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形和開裂傾向。 可見水與油作為淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點，均不是屬于理想的冷卻介質(zhì)。美國應(yīng)用濃度為 15％聚乙烯醇、％抗粘附劑、 ％防泡劑的淬火介質(zhì)，以及國內(nèi)使用比較廣泛的新型淬火介質(zhì)有過飽和硝鹽水溶液等。 常用的淬火方法：單介質(zhì)淬火、雙 介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火。 缺點：工藝不易掌握，要求操作熟練。 缺點：只適用于尺寸較小的零件，否則淬火介質(zhì)冷卻能力不足，溫度也難于控制。除鈷以外的合金元素溶于 奧氏體后，均能增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，降低馬氏體臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性。常用臨界直徑大小來定理的比較不同鋼種的淬透性大小。 牌號 臨界直徑 /mm 淬 水 淬 油 45 13～ 5～ 20Cr 12～ 19 6～ 12 3. 淬透性的實用意義： 1）淬透 —— 性能均勻一致 2）未淬透 —— 韌性降低 （二）鋼的淬硬性 定義：鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力。 八、鋼的淬火缺陷及其防止 1. 淬火工件的過熱和過燒 工件在淬火加熱時，由于溫度過高或者時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷稱為過熱。嚴重的過熱則需進行一次細化晶粒退火，然后再重新淬火。高速鋼淬火溫度高容易過燒，火焰爐加熱局部溫度過高也容易造成過燒。因此，淬火加熱時，在獲得均勻化奧氏體時，必須注意防止氧化和脫碳現(xiàn)象。②由于熱處理過程中各部位冷速的差異使工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。鋼淬火后再經(jīng)回火，是為了使工件獲得良好的使用性能，以充發(fā)揮材料的潛力。 １、 回火目的 1） 穩(wěn)定組織，消除淬火應(yīng)力 2） 調(diào)整硬度、強度、塑性、韌性 ２、 淬火鋼在回火時組織的轉(zhuǎn)變 1） 馬氏體的分解（＞ 100℃） 2） 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（ 200~300℃） 3） 碳化物的轉(zhuǎn)變（ 250~450℃） 4） 滲碳體的聚集長大和鐵素體再結(jié)晶（＞ 450℃） ３、 鋼在回火時性能變化 1）回火方法： （ 1）低 溫回火（ 150℃ ~250℃），組織是回火馬氏體，和淬火馬氏體相比，回火馬氏體既保持了鋼的高硬度、高強度和良好耐磨性，又適當提高了韌性。 （３）高溫回火（ 500~650℃），組織為回火索氏體，硬度為 220~330ＨＢＳ，廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件。鋼經(jīng)正火后和調(diào)質(zhì)后的硬度很相近，但重要的結(jié)構(gòu)件