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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δ—Fe。当温度继续下降到（1394℃）的水平台时，发生了同素异晶转变，铁的晶格由体心立方转变成面心立方，称为γ—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α—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γ—Fe中铁原子的排列比α—Fe紧密，故由γ—Fe转变为α—Fe时，金属体即将发生膨胀，反之由α—Fe转变为γ—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，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α—Fe、γ—Fe，也可溶入δ—Fe，形成不同的固溶体。 1、铁素体 它是碳溶解于α—Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格，以符号F表示，α—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γ—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。 γ—Fe的溶碳能力较δ—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%，由于γ—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，（δ=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% 共析钢——含碳量0.77% 过共析钢——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% 共晶铸铁——4.3% 过共晶铸铁——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