一、金属材料基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,压力管道基础知识,大连市质量技术监督局,李明镐,13322201515,第一部分 金属材料基础知识,一、金属学基础知识,1,、铁碳合金相图,从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。,2,、铁碳合金中的基本相,铁碳合金相图实际上是,Fe-Fe3C,相图，铁碳合金的基本组元也应该是,纯铁,和,Fe3C,。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，,FeFe3C,相图上的固溶体都是,间隙固溶体,。由于,-Fe,和,-Fe,晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。,1,）铁素体,(ferrite),铁素体是碳在,-Fe,中的间隙固溶体,用符号,F(,或,),表示,体心立方晶格,;,虽然,BCC,的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有,0218%(727,时,),室温时几乎为,0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度,低而塑性高,并有铁磁性,.,铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低,.,=30%50%,AKU=128160J,b,=180280MPa,5080HBS.,铁素体的显微组织与纯铁相同,用,4%,硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围,.,2,）奥氏体,(Austenite),奥氏体是碳在,-Fe,中的间隙固溶体,用符号,A(,或,),表示,面心立方晶格,;,虽然,FCC,的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有,2.11%(1148,时,),727,时为,0.77%.,铁碳合金中的基本相,在一般情况下,奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为,7271394,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓,趁热打铁,正是这个意思,.,b,=400MPa,170220HBS,=40%50%.,另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件,.,铁碳合金中的基本相,奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在,.,3,）渗碳体,(,Cementite,),渗碳体,是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式,Fe3C,表示,.,它的碳质量分数,Wc,=6.69%,熔点为,1227,质硬而脆,耐腐蚀,.,用,4%,硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用,4%,苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色,.,渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响,.,在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：,Fe3C3Fe+C(,石墨,),。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。,4,）珠光体,pearlite,珠光体是,奥氏体,(,奥氏体是碳溶解在,Fe,中的间隙,固溶体,),发生共析转变所形成的,铁素体,与,渗碳体,的共析体。得名自其珍珠般（,pearl-like,）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号,P,表示，含碳量为,c,0.77,。在珠光体中铁素体占,88%,渗碳体占,12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以,铁素体层,片要比渗碳体厚得多,.,在,球化退火,条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为,粒状珠光体,。,珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好,.,其抗拉强度为,750 900MPa,180 280HBS,伸长率为,20 25%,冲击功为,24 32J.,力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好,b,=770MPa,180HBS,=20%35%,AKU=2432J),。,5,）莱氏体（,ledeburite,）,莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的,奥氏体,和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为,c,4.3,。当温度高于,727,时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号,Ld,表示。在低于,727,时，莱氏体是由,珠光体,和渗碳体组成，用符号,Ld,表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差,分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号,Ld,或（,A+Fe3C,）表示。由于其中的奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存于,727,以上。高温莱氏体冷却到,727,以下时，将转变为珠光体和渗碳体机械混合物（,P+Fe3C,）,称低温莱氏体，用,Ld,表示。莱氏体含碳量为,4.3%,。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即极为硬脆。,总结,:,在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体,.,但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体,.,由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中,.,这一点是十分重要的,.,由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在,5%,以下,因此成分轴从,06.69%.,所谓的铁碳合金相图实际上就是,FeFe3C,相图,.,2,、铁碳合金相图分析,FeFe3C,相图看起 来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将,FeFe3C,相图分成上下两个部分来分析,.,1,）上半部分,-,共晶转变,在,1148,4.3%C,的液相发生共晶转变,:,Lc,(AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体,用符号,Ld,表示,.,存在于,1148727,之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号,Ld,表示,组织由奥氏体和渗碳体组成,;,存在于,727,以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号,Ld,表示,组织由渗碳体和珠光体组成,.,低温莱氏体是由珠光体,Fe3C,和共晶,Fe3C,组成的机械混合物,.,经,4%,硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在,Fe3C,基体上,Fe3C,和共晶,Fe3C,交织在一起,一般无法分辨,.,2,）下半部分,-,共析转变,在,727,0.77%,的奥氏体发生共析转变,:,AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体,.,共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体,.,3,、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,1,）含碳量对铁碳合金平衡组织的影响,按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系,2,）含碳量对机械性能的影响,渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。,对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。,对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。,一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。,4,、其它金相组织,1,）马氏体（,M,）是碳溶于,-Fe,的过饱和的固溶体，是,奥氏体,通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。其比容大于奥氏体、,珠光体,等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。,马氏体最初是在钢（中、,高碳钢,）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（,淬火,），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。,片状马氏体经,低温回火,（,150-250,摄氏度）后，得到回火马氏体。他具有针状特征。,低温回火,(150-250),所得到的组织是回火马氏体,其性能是,:,具有高的硬度,(HRC58-64),和高的耐磨性,因内应力有所降低,故韧性有所提高,.,这种回火方法主要用于刃具,量具,拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件,.,钢淬火后的组织是马氏体及少量残余,奥氏体,它们都是不稳定的组织,都有向稳定的组织,(,铁素体,和,渗碳体,两相混合物,),转变的倾向,.,但在室温下,原子活动能力很差,这种转变速度极慢,.,随着回火温度的升高,原子活动能力加强,组织转变便以较快的速度进行,.,由于组织的变化,钢的性能也发生相应的变化,.,按回火温度的不同,回火时淬火钢的组织转变可分为四个阶段,.,a.,80-200,马氏体分解,当钢加热到约,80,时,其内部原子活动能力有所增加,马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出,马氏体中碳的过饱和程度不断降低,同时,晶格畸变程度也减弱,内应力有所降低,.,这种出过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织,称为回火马氏体,.,b.,200-300,残余奥氏体分解,当钢加热温度超过,200,时,马氏体继续分解,同时,残余奥氏体也开始分解,转变为下,贝氏体,或回火马氏体,到,300,时,残余奥氏体的分解基本结束,.,c.,300-400,渗碳体的形成,钢在回火的这一阶段,从过饱和固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体,(Fe3C).,当温度达到,400,时,固溶体中过饱和的碳已基本完全析出,-Fe,晶格恢复正常,由过饱和固溶体转变为铁素体,.,钢的内应力基本清除,.,d.,400,以上渗碳体的聚集长大,在第三阶段结束时,钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物,随着回火温度的升高,渗碳体颗粒不断聚集而长大,.,根据混合物中渗碳体颗粒大小,可将回火组织分为二种,:400-500,内形成的组织,渗碳体颗粒很细小,称为回火屈氏体,.,温度升高到,500-600,时,得到细小的粒状渗碳体和铁素体的机械混合物,称为回火索氏体,.,调质处理,2,）贝氏体：,bainite,定义：,钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间以上这一中温度区间,(,所谓“贝氏体转变温度区间”,),转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，即贝氏体转变的产物。,该组织具有较高的强韧性配合。在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们追求的目标。,贝氏体等温,淬火,：是将钢件,奥氏体,化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（,260,400,）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为,30,60min,。,3,）魏氏组织,(,widmanstatten,structure),焊接热影响区中的过热区，由于奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体,(,渗碳体,),针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体,(,渗碳体,),魏氏组织。,简单说来，就是在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度适宜时，钢中的先共析相以针片状形态与片状珠光体混合存在的复相组织。,魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧下降，这是不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因。,4,）带状组织（,banded structure,）,带状组织：金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。例如钢材中的铁素体带,/,珠光体带，珠光体带,/,渗碳体带等。,钢材内部缺陷之一，出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶