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1、金属学知识要点金属材料的力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下表现出来的性能，力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响，金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。大多数金属在结晶之后，直至冷却到室温，其晶格类型都将保持不变，但铁及锡、钛、锰等金属在结晶之后，在不同温度范围内将呈现出不同的晶格，这种随着温度的改变，固态金属晶格也随之而改变的现象，称为同素异晶转变。纯铁的冷却曲线上有三个水平台。它的第一个水平台（1538），表示纯铁由液态转变成固态的结晶阶段。结晶后的铁的晶格是体心立方，称作Fe。当温度继续下降到（1394）的水平台时，发生了同素异晶转变，铁的晶格
2、由体心立方转变成面心立方，称为Fe，当温度继续下降到912时，再次发生同素异晶转变，又转变成体心立方晶格，称为Fe。同素异晶转变转变是在固态下原子重新排列的过程，从广义上说也属于结晶过程，因为它遵循晶核形成于晶核长大的结晶规律，它的转变也在一定的过冷度下进行。也产生结晶热效应，为了区别于由液态转变为固态的初次结晶，常将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶。同素异晶转变时，由于晶格结构的转变，原子排列的密度也随之改变，如面心立方晶格Fe中铁原子的排列比Fe紧密，故由Fe转变为Fe时，金属体即将发生膨胀，反之由Fe转变为Fe时，金属的体积要收缩。这种体积变化使金属内部产生的内应力称为组织应力。两种或两
3、种以上的金属元素，或金属于非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。机械制造中广泛应用的是合金，而不是纯金属。因为合金比纯金属有更高的强度和硬度，且成本较低。同时还可以通过改变合金的成分和进行不同的热处理能在很大范围内调整其性能。铁碳合金的组织结构相当复杂，并随其成分、温度、和冷却速度而变化。按照铁和碳相互作用形式的不同，铁碳合晶的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。铁碳合金中的固溶体都是碳溶入铁的晶格中的间隙固溶体，此时，碳的溶解度是有限度的，即属于有限固溶体。碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。形成固溶体时，溶剂晶格将产生不同程度的畸变
4、，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度有所增加，这种现象称作固溶强化。碳可溶入Fe、Fe，也可溶入Fe，形成不同的固溶体。1、铁素体 它是碳溶解于Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格，以符号F表示，Fe的溶碳能力极小，600时溶碳量仅为0.006%，727时最大溶碳量仅为0.0218%。铁素体因溶碳极少，固溶强化作用甚微，故力学性能与纯铁相近，其特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。2、奥氏体 碳溶入Fe中形成的固溶体称为奥氏体，呈面心立方晶格，以符号A表示。Fe的溶碳能力较Fe高许多，如在1148时，最大溶碳量为2.11%，温度降低时溶碳能力也随之下降，到727时溶碳量为0.77%
5、，由于Fe仅存在于高温，因此稳定的奥氏体通常存在于727以上，故在铁碳合金中奥氏体属于高温组织，奥氏体的力学性能与其溶碳量有关，一般来说，其强度、硬度不高，但塑性优良，（=40%50%）.在钢的轧制或锻造时，为使钢易于进行塑性变形，通常将钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。根据碳含量的不同，可将铁碳合金分为钢和铸铁两大类：钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金，依据室温组织的不同可将钢分为以下三类：亚共析钢含碳量0.77%铸铁即生铁，它是指含碳量为2.11%6.69%的铁碳合金，依据室温组织的不同，可将铸铁分为如下三类：亚共晶铸铁含碳量4.3%共析钢的室温组织全部为珠光体，亚共析钢的室温组织由铁素体
6、和珠光体构成，亚共析钢随其含碳量的增加，由于珠光体的含量的增多、铁素体的含量减少，因而钢的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低。过共析钢的室温组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢的种类很多，按化学成分分类，可分为碳素钢和合金钢两大类，按用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类；按质量分类，主要分为普通钢、优质钢和高级优质钢三类，此外，按照脱氧程度还可分为镇静钢和沸腾钢。碳素钢（简称碳钢）的含碳量在1.5%以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。碳素钢中的碳对钢的组织和性能影响甚大，亚共析钢随着含碳量的增多，珠光体增多、铁素体减少，因而刚的强度硬度上升，而塑性、韧性下降。钢中的杂质含量对其性能也有一定影
7、响。磷和硫是钢中的有害杂质，磷可使钢的塑性、韧性下降，特别是使钢在低温时的脆性急剧增加，这种现象称为冷脆性，为此通常将钢的含磷量限制在0.045%以下。硫在钢的晶界处可形成低熔点共晶体，致使含硫较高的钢在高温下进行热加工时容易产生裂纹，这种现象称为热脆性。为了减少硫的这种有害作用，通常将钢的含硫量限制在0.05%以下。并以硫磷含量的高低，作为衡量钢质量的重要依据。硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢水中而残存的，硅和锰可提高钢的强度和硬度，锰和硫还能形成Mns，从而抵消硫的有害作用，它们都是钢中的有益元素。碳素钢可分为如下三类：（1） 碳素结构钢 碳素结构钢的含碳量小于0.38%，而以小于0.25
8、%的最为常用，即以低碳钢为主。这类钢尽管硫、磷等有害杂质的含量较高，但性能上仍能满足一般工程结构、建筑结构及一些机件的使用要求，且价格低廉。依据GB70088，碳素结构钢的牌号以代表屈服点“屈”字的汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示，如Q215、Q235、Q255、 Q345等，每个牌号中的数字均表示该钢种在厚度小于16mm时的最低屈服点（Mpa）。在钢的牌号尾部，可用A、B、C、D表示钢的质量等级，其中A级为普通级，B、C、D级表示硫、磷含量较低的优等级别。冷变形金属的组织与性能：金属经过冷塑性变形，其组织和性能都发生了一系列变化，而且变形时所消耗的机械功，除了大部分转变为热能消失外，还有
9、一小部分以各种类型的缺陷储存于变形金属内。使其自由能升高，处于热力学亚稳状态，如果升高温度使原子获得足够的活动性，冷变形金属会自发向低能稳定状态转变，并发生一系列的组织和性能的改变，根据显微组织和性能的不同，可将这种转变过程分为回复、再结晶和晶粒长大3个阶段。若将经过较大变形量的金属用比较缓慢的速度加热，并利用高温显微镜观察组织，发现组织随加热温度的变化可分为3个阶段，第一阶段由0-t1温度，称为回复阶段，此时，显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍保持冷变形后的纤维状组织。第二阶段由t1-t2温度，称为再结晶阶段，此阶段内，变形晶粒通过形核和长大过程，完全转变成新的无畸变的等轴晶粒。第三阶段由t
10、2-t3温度，称为再结晶后的晶粒长大阶段，简称为晶粒长大。在此阶段内，再结晶后的等轴晶粒边界继续移动，晶粒粗化，直至达到相对稳定的形状和尺寸。冷变形金属在加热退火过程中力学性能的变化：在回复阶段，强度、硬度、塑性等力学性能变化不大，但在再结晶阶段，随加热温度升高，强度、硬度显著下降，塑性急剧升高。当晶粒长大时，强度硬度继续下降，塑性在结晶粗化不十分严重时，仍有继续升高趋势，晶粒粗化严重时，塑性也下降。经塑性变形后，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪生带之外，晶粒形状也发生了变化，随变形量的增加，晶粒沿变形方向被拉长为扁平晶粒，变形量越大，晶粒伸长的程度也越显著。变形量很大时，各晶粒已不能分辨而成
11、为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织焊接熔池凝固及控制：焊接条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所阐述的一般液态金属凝固在本质上没有区别，都是晶核生成和晶核长大的过程。然而，由于焊接熔池凝固条件的特殊性，其凝固过程还存在着自己的一些特征。熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互融合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反映，当热源离开后，熔池金属便开始了凝固，焊接熔池具有以下一些特殊性：（1）熔池金属的体积小，冷却速度快，在一般电弧焊条件下，熔池的最大体积也只有30cm3重量不超过100g，因其周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很快，通常可达4-100/s，远
12、高于一般铸件的冷却速度，由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。（2）熔池金属中不同区域温差很大，中心部位过热温度最高，因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达2100-2300，而熔池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为1700上下100，由此可见，熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。（3）热源移动，凝固过程是一个动态过程 一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热
13、源而移动，处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部，随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进的。（4）液态金属对流激烈 熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力、以及液态金属中的密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混合与纯净。熔池结晶特征：（1） 连生结晶 从前面所述的结晶理论知道，过冷是结晶的条件，并且通过萌生晶核和晶核长大而进行的，但因熔池金属过热较大，在开
14、始凝固时，自发形核的可能性是极其微小的，特别是在过热度最大的熔池中心区域尤其困难。研究证明，熔池洁净是非自发形核其主要作用。 塑性变形对金属组织和性能的影响1塑性变形对金属组织和性能的影响：多晶体金属经塑性变形后。除了在晶粒内部出现滑移带和孪晶组织特征外，还具有下述组织结构的变化，显微组织的变化，金属与合金经塑性变形后，其外形、尺寸的改变是内部晶粒变形的总和，原来没有变形的晶粒，经加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化，随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化也不一样，如在轧制时，各晶粒沿变形方向逐渐拉长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。
15、纤维的分布方向，即金属变形时的伸展方向。当金属中有杂质存在时，杂质也沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质），这时光学显微镜异晶分解不清晶粒和杂质。通常金属的强化方式有：细晶强化、固溶强化（其中包括置换和间隙两种）加工硬化（位错增值，促使位错运动受阻）弥散强化、相变强化、时效强化成分过冷：指凝固过程中，液固界面前沿液体中实际的温度低于由溶质分布决定的平衡结晶温度时成分的过冷。相变：从广义上讲是，构成物质的原子或分子的聚合状态（相状态）发生变化的过程同素异构转变：纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程金属塑性成形能力：塑性、变形抗力塑性：即物质（金属）改变自身形状而不破坏（断裂）的能力变形抗力：抵抗变形的能力，即从时间上表现物质（如金属）在外力作用下保持自身形状的能力硬度：抵抗局部变形的能力钢的热处理原理热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后一定的速度冷却到室温的一种加工工艺。其目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。通过适当的热处理可以显著提高钢的力学性能
