第一章--第二节金属学及热处理基本知识(艾)课件

金属焊接金属焊接-切割作业切割作业与与金属焊接金属焊接-1-第二章1第二节 金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识组成物质的化学元素按性质可分成两大类：第一大类金属：化学元素中有83种是金属元素。常见的有：铁、铝、铜、铬、镍、钨等。第二大类非金属：化学元素中有22种。常见的有：碳、氧、氮、氢、硫、磷等。-2-第二章1（一）晶体与非晶体：1、非晶体：原子无规则排列的物质。如，普通玻璃、松香、沥青2、晶体：原子有规则排列的物质。如，食盐、水结成的冰、固态金属和合金。晶体的特点：（1）晶体有固定的熔点（2）大都有规则的外形（3）晶体呈各向异性-3-第二章1（二）典型的金属晶体结构1、晶体结构：组成晶体的质点在三维空间做有规则的重复排列方式。2、晶格：原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子。3、晶胞：能够完整地反映晶格特征的最小的几何单元。-4-第二章24、晶面：在晶体中有一系列原子组成的平面。5、晶向：两个或两个以上原子中心的连线可表示晶格空间排列的一定方向，称为晶向。常见的三种晶格类型1、体心立方晶格：原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。如，铬、钒、钨、钼、-铁-5-第二章22、面心立方晶格：原子在立方体八个顶角上和立方体六个面的中心。如，铝、铜、铅、镍、-铁-6-第二章33、密排六方晶格：原子排列在柱体的十二个顶角上和上、下底面的中心。如，镁、锌-7-第二章7金属的同素异构转变1、定义：金属在固态下随温度的变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。2、转变关系式：-Fe -Fe -Fe 1394912（体心立方）（面心立方）（体心立方）-8-第四章1二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识：合金：两种或两种以上的元素（其中至少一种是金属元素），组合成的金属叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：（一）合金的组织固溶体金属化合物 混合物（1）固溶体：定义：一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成的单相晶体结构。-9-第四章2分类：A、按溶解度分：（1）有限固溶体：有限溶解B、按溶质原子在溶剂晶格中分布状况分：（1）置换固溶体：（2）无限固溶体：无限溶解溶质原子取代溶剂原子的位置（2）间隙固溶体：溶质原子存在于溶剂原子的间隙当中-10-第四章2固溶体的性能：由于溶质原子的溶入使溶剂晶格畸变，从而使金属的强度、硬度升高，这一现象称为固溶强化。（2）金属化合物：定义：两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的。-11第四章3特点：(1)晶格类型不同于任何一个组元（2）组成一般可用分子式表示(3)熔点高，硬而脆（3）机械混合物：定义：由两种或两种以上不同的晶体结构彼此机械混合组成的物质。2、特点：比单一的固熔体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和机械加工性能则较差。第四章3特点：(1)晶格类型不同于任何一个组元（2）组成12-第四章5（二）钢中常见的显微组织1、定义：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。2、符号：F 3、组织：明亮的等轴多边形。4、性能：具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。（2）奥氏体（1）铁素体1、定义：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。2、符号：A-13-第四章6 3、组织：与F近似，但边界较平直。4、性能：强度和硬度不高，但具有良好的塑性。（3）渗碳体：1、定义：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。2、符号：Fe3C 3、组织：片状、球状、网状4、性能：硬而脆（4）珠光体：1、定义：铁素体和渗碳体的混合物。2、符号：P-14-第四章6 3、组织：片状铁素体与片状渗碳体相间排列。4、性能：强度较高，硬度适中，有一定的塑性。（5）莱氏体：1、定义：奥氏体和渗碳体的混合物。2、符号：Ld 3、性能：与渗碳体近似，硬度很高，塑性很差。（6）马氏体1、定义：碳在铁中的过饱和固熔体。2、符号：M3、性能：高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。低碳回火马氏体具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。-15-第四章6 （7）魏氏组织：1、定义：是由彼此交叉约60的铁素体针嵌入基体的显微组织。2、性能：使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。（二）铁碳合金平衡状态图钢：含碳量低于2.11的铁碳合金称为钢。铸铁：含碳量2.116.69的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用所处的状态及所具有的组织结构，可用FeFeC C合金合金平衡图来表示这种关系。平衡图来表示这种关系。-16153815001400130011001200900100080070000 1 2 3 4 5 6 0.77 2.11 4.3 6.69 AECDFKSGAL+Fe3CL+A1148L+Fe3CA+Fe3CA+Ld+Fe3CFe3C+LdA+FP+FP+Fe3CP+Fe3C+LdFe3C+LdPLd72715381500140013001100120090010017-第四章7 特性点：（1）A:1538，含碳0，纯铁的熔点。（2）C:1148 ，含碳4.3%，共晶点 （3）D:1227 ，含碳6.69%，Fe3C 的熔点。（4）E:1148 ，含碳2.11%，碳在-Fe中的最大溶解度。（5）G:912 ，含碳0，-Fe和-Fe的同素异构转变点。（6）S:727 ，含碳0.77%，共析点-18-第四章8特性线：（1）ACD:液相线，AECF:固相线（2）GS:A析出F的开始线，常称为A3线。（3）ES:碳在-Fe中的溶解度曲线。常称为Acm线。（4）ECF:共晶转变线（5）PSK:共析线，常称为A1线。3、铁碳合金的分类（2）钢：含碳0.0218-2.11%。a:亚共析钢，0.0218-0.77%b:共析钢，含碳0.77%c:过共析钢，0.77-2.11%（1）工业纯铁：0-0.0218%-19-第四章8（2）白口铸铁：2.11-6.69%a:亚共晶白口铁,2.11-4.3%b:共晶白口铁，含碳4.3%c:过共晶白口铁，4.3-6.69%三、典型铁碳合金的结晶过程1、共析钢：L-L+A-A-F+Fe3C(P)共析转变：恒温下，一种固相同时析出另两种固相的转变。2、亚共析钢：L-L+A-A-A+F-P+F-20-第四章94、共晶白口铁:L-A+Fe3C-A+Fe3C+Fe3C(Ld)-P+Fe3C+Fe3C(L/d)3、过共析钢：L-L+A-A-A+Fe3C-P+Fe3C-21-第四章95、亚共晶白口铁：L-L+A-(A+Fe3C)+A-Ld+A+Fe3C-L/d+P+Fe3C6、过共晶白口铁：L-L+Fe3C-(A+Fe3C)+Fe3C-Ld+Fe3C-L/d+Fe3C-22-第四章10四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系1、相：铁碳合金在室温下都是由铁素体和渗碳体两个相组成 的。随含碳量增加，铁素体减少，渗碳体增加。2、组织：随含碳量增加，合金组织按下列顺序变化F-F+P-P-P+Fe3C-L/d+P+Fe3C-L/d-L/d+Fe3C3、性能：随含碳量的增加，强度、硬度升高，塑性、韧性降低，但当含碳量超过0.9%时，强度降低。-23-三、钢的热处理1、定义：将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。2、作用：（1）提高使用性能，延长使用寿命。（2）改善工艺性能，提高加工质量。3、分类：退火、正火、淬火、回火、表面热处理4、工艺曲线tT-24（一）退火1、定义：将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却的热处理工艺。2、目的：（2）细化晶粒，均匀组织及成份，改善性能或为随后热处理作准备（3）消除残余内应力，防止变形和开裂。3、方法：完全退火球化退火去应力退火（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削及冷变形加工。（一）退火1、定义：将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温25（1）完全退火定义：将钢加热到Ac3以上30-50，缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理方法。适用范围：中碳钢 及低、中碳合金钢的锻件、铸件、热轧型材等。、组织：F+P、目的：降低硬度，细化晶粒，消除内应力。（2）球化退火、定义：将钢加热到Ac1以上20-30，保温一定时间,缓慢冷却，使钢中碳化物呈球状。、适用范围：共析钢及过共析钢。、目的：得球状P,降低硬度，便于切削加工，淬火加热时A不易粗大，冷却时不易开裂。（1）完全退火定义：将钢加热到Ac3以上30-50，缓慢26（3）去应力退火、定义：将钢加热到略低于A1的温度（一般取500-650，保温缓冷、适用范围铸造、锻造、焊接及切削后精度要求高的工件。、目的：消除内应力。（二）正火1、定义：将钢加热到A3或Acm以上50-70，保温后在空气中冷却。2、目的：（1）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性（2）普通结构件，细化晶粒，力学性能高（3）消除过共析钢的网状渗碳体（4）代替中碳钢和低碳合金钢的退火，改善 组织及切削性。（3）去应力退火、定义：将钢加热到略低于A1的温度（一般取27上述三种退火及正火的温度范围及热处理工艺曲线上述三种退火及正火的温度范围及热处理工艺曲线28（三）淬火定义：将钢（高碳钢和中碳钢等）加热到A1（对过共析钢）或A3（对亚共析钢）以上3070，保温，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。性能：可以提高钢的硬度及耐磨性。淬火加热温度（三）淬火定义：将钢（高碳钢和中碳钢等）加热到A1（对过共29（四）回火、定义：将淬火钢，再加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。、目的：（1）消除内应力，防止变形和开裂（2）获得所需要的力学性能。（3）稳定组织和尺寸（四）回火、定义：将淬火钢，再加热到Ac1以下某一温度30、回火的分类及应用、回火的分类及应用1、低温回火（150250）组织为回火马氏体，有高的硬度（5864HRC)，高的耐磨性和一定的韧性。主要用于刀具、量具、冷冲压模具及其他要求硬而耐磨的零件。2、中温回火（350500）组织为回火屈氏体，具有高的弹性极限、屈服点和适当的韧性，硬度可达3550HRC，主要用于弹性零件及热缎模具。3、高温回火（500650）组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能，硬度达200330HBS，生产中常把淬火+高温回火叫做调质处理。调质主要用于受力构件，如齿轮、连杆、曲轴等。、回火的分类及应用1、低温回火（150250）组织为回31（五）钢的表面热处理表面热处理表面淬火化学热处理一、表面淬火1、定义：仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。2、适用：含碳0.30.6%的中碳钢及中碳合金钢。3、分类：（1）火焰加热表面淬火（2）感应加热表面淬火用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对表面快速加热，然后快速冷却。利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，然后快冷。（五）钢的表面热处理表面热处理表面淬火化学热处理一、表32火焰淬火的特点：温度及淬层深度不易控制，质量不稳，设备简单。单件或小批量生产。感应淬火的特点：加热快，质量好，淬层易控制，易实现机械化和自动化，适于大批量生产。火焰淬火的特点：温度及淬层深度不易控制，质量不稳，设备简单。33二、化学热处理1、定义：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。2、分类：渗碳：渗氮：碳氮共渗：3、过程：吸收：分解：扩散：将工件置于渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理。使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理。同时渗入碳原子和氮原子。介质分解产生活性原子活性原子被工件表面吸收渗入的活性原子由表面向中心扩散。二、化学热处理1、定义：将工件置于一定温度的活性介质中保温，34