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金属材料知识 金属材料 非金属材料 黑色金属 有色金属材料 用量占80 复合材料 陶瓷材料 高分子材料 用量占20 材料的性能 材料使用性能 材料工艺性能 力学性能 强度 塑性 韧性等 物理性能 光 热 电 磁等 化学性能 氧化 腐蚀等 加工性能 切削 锻造等 铸造性能 适合铸造与否 焊接性能 容易焊接与否 热处理性能 可热处理强化 强度 指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 对于结构材料来说 它是最重要的力学性能 塑性 表示材料断裂前发生的永久变形 塑性变形 的能力 塑性指标 延伸率 和断面收缩率 韧性 反映材料抵抗裂纹扩展能力的大小 是单位体积材料在断裂前所吸收的能量 也就是外力使材料断裂所做的功 硬度 指材料抵抗外物压入能力 硬度测量简单快速 不破坏零件 硬度与强度之间有一定关系 可用硬度来估计强度 几种常见的力学性能 P载荷 N 形变强化 加工硬化 屈服后欲变形必须不断增载 随塑变增大 变形抗力增大 Pb 强度极限的载荷试样某一部位截面开始急降颈缩 导致载荷下降 Pk 断裂载荷 Pp 保持直线关系的最大载荷过P点曲线开始偏离直线 Pe 变形开始阶段卸载后立刻恢复原状 弹变 超过 伸长只部分恢复 塑变 Ps 屈服时的最小变形屈服 载荷不增加或反而减少 试样还继续伸长的现象 屈服后 材料出现明显塑变 表面滑移带 MPa 0 p e s b k b u k 低碳钢的应力 应变曲线 p 比例强度极限保持直线关系的最大应力值 e 弹性强度极限p e弹性变形阶段过e 弹变 微量塑变 s 屈服强度极限 达一定值时 不增或降低 l增 上屈服点 屈服阶段的最大应力 对试样局部应力集中极为敏感 一般选下屈服点作为材料屈服强度 形变强化 欲继续变形 必须不断增加应力 达 b后 形变强化效应已不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低 b点后颈缩 k 断裂强度此时试样断裂 2 弹性极限 e和屈服强度 s 弹性极限是表征开始塑性变形的抗力 严格说 是表征微量塑性变形的抗力 测出的弹性极限受测量精度影响 为便于比较 规定残余伸长应力 规定以残余伸长为0 01 的应力作为规定残余伸长应力 记作 0 01 除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现象外 大多数金属合金都没有屈服点 规定产生0 2 残余伸长的应力作为屈服强度 以 0 2表示 0 2的测量方法同上 采用图解法 固态相变是热处理的基础相变 构成物质的原子 分子 的聚合状态 相状态 发生变化的过程 固态相变 固态材料在温度和压力改变时 其内部组织或结构会发生变化 即发生从一种相状态到另一种相状态的转变 母相或旧相 相变前的相状态新相 相变后的相状态 固态相变 Fe CPhaseDiagram A1 A3 ACM 铁碳相图 相图与相变 Fe C相图 冷却过程中的组织变化及产物 1 1固态相变的分类 1 按平衡状态图分类 平衡相变和非平衡相变平衡相变 缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变 非平衡相变 加热或冷却速度很快 上述平衡相将被抑制 固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织 平衡相变 同素异构转变 多形性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称为同素异构转变 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变 钢中铁素体 奥氏体的转变 奥氏体 铁素体的转变 平衡相变 平衡脱溶沉淀在缓慢冷却条件下 由过饱和固溶体中析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀特点 母相 不消失 随着新相 析出 母相的成分和体积分数不断变化 结构不变 新相的结构和成分与旧相不同 平衡相变 共析相变合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变 或珠光体型转变 其两个生成相的结构和成分均与母相不同加热时也可发生 转变 称为逆共析相变 平衡相变 调幅分解某些合金在高温下具有均匀单相固溶体 但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区 这种转变称为调幅分解 有序化转变固溶体中 各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序 指长程有序 的转变称为有序化转变 如Cu Zn Cu Au Mn Ni Ti Ni等合金 非平衡相变 2 非平衡相变非平衡相变 加热或冷却速度很快 上述平衡相将被抑制 固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织 伪共析相变 由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变组成相的相对量由A的碳含量而变 非平衡相变 马氏体相变进一步提高冷却速度 使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度 则由于在低温下铁原子和碳原子都己不能或不易扩散 故奥氏体只能以不发生原子扩散 不引起成分改变的方式 通过切变由 点阵改组为 点阵 这种转变称为马氏体相变 Fe C合金 非平衡相变 贝氏体相变当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之间的温度范围时 由于温度较低 铁原子已不能扩散 但碳原子尚具有一定的扩散能力 因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变 这种相变称为贝氏体相变 或称为中温转变 其转变产物也是 相与碳化物的混合物 但 相的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与珠光体不同 称其为贝氏体 非平衡相变 非平衡脱溶沉淀若b成分的合金自T1温度快冷时 相在冷却过程中来不及析出 则冷到室温时便得到过饱和的 固溶体 若在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力 则在上述温度等温时 过饱和 固溶体仍可能发生分解 逐渐析出新相 但在析出的初期阶段 新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同 这一过程称为非平衡脱溶沉淀 或时效 2 按原子迁移特征分类 相变时原子迁移特征 扩散型相变非扩散型相变 2按原子迁移特征分类 1 扩散型相变相变时 相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变 如 脱溶型相变 共析型相变 珠光体型转变 调幅分解和有序化转变等等 特点 1 有原子扩散运动 相变速率受原子扩散速度所控制 2 新相和母相的成分往往不同 3 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化 没有宏观形状改变 2 按原子迁移特征分类 2 非扩散型相变相变过程中原子不发生扩散 参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变 也称为 协同型 转变 非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组 迁移时 相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距 相邻原子的相对位置保持不变 如 马氏体相变特点 1 存在由于均匀切变引起的宏观形状改变 可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象 2 相变不需要通过扩散 新相和母相的化学成分相同 3 新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系 4 某些材料发生非扩散相变时 相界面移动速度极快 可接近声速 热处理是将工件在介质中加热到一定温度并保温一定时间 然后以一定速率冷却 以改变金属的组织结构 从而改变其性能 例如增加或降低金属材料的强度 硬度 韧性 塑性等 热处理基本知识 1 热处理的定义 一 概述 时间 温度 临界温度 热加 保温 冷却 2 热处理的主要目的 获得所需的使用性能3 热处理的应用范围 整个制造业4 热处理的分类 一 概述 热处理 普通热处理 化学热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 感应加热淬火 火焰加热淬火 渗碳 渗氮 碳氮共渗 1 转变温度 二 钢在加热时的组织转变 2 奥氏体的形成 二 钢在加热时的组织转变 3 奥氏体晶粒度对力学性能的影响奥氏体晶粒均匀细小 热处理后钢的力学性能提高 2 粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂 二 钢在加热时的组织转变 1 钢在热处理时的冷却方式 三 钢在冷却时的组织转变 时间 温度 临界温度 热加 连续冷却 等温冷却 保温 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 1 TTT曲线 C曲线 Time Temperature Transformation 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 1 TTT曲线 C曲线 共析碳钢 三 钢在冷却时的组织转变 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期 孕育期越小 过冷奥氏体稳定性越小 孕育期最小处称C曲线的 鼻尖 碳钢鼻尖处的温度为550 在鼻尖以上 温度较高 相变驱动力小 在鼻尖以下 温度较低 扩散困难 从而使奥氏体稳定性增加 C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物 C曲线的分析 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能珠光体型 P 转变 A1 550 A1 650 P 5 25HRC 片间距为0 6 0 7 m 500 650 600 细片状P 索氏体 S 片间距为0 2 0 4 m 1000 25 36HRC 600 550 极细片状P 屈氏体 T 片间距为 0 2 m 电镜 35 40HRC 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能珠光体形貌 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能索氏体形貌 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能 屈氏体形貌 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能贝氏体型 B 转变 550 230 550 350 B上 40 45HRC 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能上贝氏体组织金相图 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能350 230 B下 50 60HRC 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能下贝氏体组织金相图 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变转变产物的组织与性能马氏体型 M 转变 230 50 马氏体是一种碳在 Fe中的过饱和固溶体 转变特点 在一个温度范围内连续冷却完成 转变速度极快 即瞬间形核与长大 无扩散转变 Fe C原子均不扩散 M与原A的成分相同 造成晶格畸变 转变不完全性 QM f T 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 三 钢在冷却时的组织转变 奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 三 钢在冷却时的组织转变 奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响 2 过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的组织形态 板条状 低碳马氏体 0 2 C 30 50HRC 9 17 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 三 钢在冷却时的组织转变 低碳板条马氏体组织金相图 2 过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的组织形态 针 片状 高碳马氏体 1 C 66HRC左右 1 三 钢在冷却时的组织转变 2 过冷奥氏体的等温冷却转变 三 钢在冷却时的组织转变 高碳针片状马氏体组织金相图 2 过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的性能主要取决于马氏体中的碳浓度 三 钢在冷却时的组织转变 高碳针片状马氏体组织金相图 2 过冷奥氏体的等温冷却转变影响TTT曲线的形状和位置的因素 奥氏体中含碳量的影响 含碳量越高 曲线右移 奥氏体中合金元素的影响 除Co和Al外 所有合金元素溶入奥氏体中会使曲线右移 加热温度和保温时间的影响 加热温度越高 保温时间越长 碳化物溶解充分 奥氏体成分均匀 提高了过冷奥氏体的稳定性 从而使TTT曲线向右移 三 钢在冷却时的组织转变 3 过冷奥氏体的连续冷却转变 1 CCT曲线 三 钢在冷却时的组织转变 3 过冷奥氏体的连续冷却转变 1 CCT曲线 共析碳钢 三 钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线 是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区 在珠光体转变区之下多了一条转变中止线 当连续冷却曲线碰到转变中止线时 珠光体转变中止 余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体 a 炉冷 珠光体转变b 空冷 索氏体转变c 油冷 Vk Vk 马氏体转变 3 过冷奥氏体的连续冷却转变 1 CCT曲线 共析碳钢 热处理 普通 整体 热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 表面化学热处理 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火等 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等 热处理 四把火 退火 把钢加热到一定温度并在此温度下保温 然后缓慢冷却到室温 目的 降低硬度 改善切削加工性 消除残余应力 稳定尺寸 减少变形与裂纹倾向正火 将钢件加热到临界温度 Ac3或Acm 以上30 50 保温适当时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺 目的 晶粒细化和碳化物分布均匀化 去除材料的内应力 降低材料的硬度 四把火 淬火 将钢件加热到临界点以上某一温度 保持一定的时间 然后以适当速度在水 油 中冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 目的 得到马氏体或贝氏体组织 然后配合以不同温度的回火 以大幅提高钢的强度 硬度 耐磨性 疲劳强度以及韧性等回火 钢件淬硬后 再加热到临界温度以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺称 目的 减少或消除淬火内应力 防止工件变形或开裂 获得工艺要求的力学性能 稳定工件尺寸 为简明表示热处理的基本工艺过程 通常用温度 时间坐标绘出热处理工艺曲线 热处理的工艺曲线表示方式 退火 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 细化晶粒 消除因铸 锻 焊引起的组织缺陷 均匀钢的组织和成分 改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备 消除钢中的内应力 以防止变形和开裂 退火目的 退火工艺种类 完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火 去应力退火 再结晶退火 加热至AC3以上20 30 充分保温后随炉冷却或炉冷至500 600 后空冷 退火组织为铁素体 珠光体 目的 1 通过完全重结晶 使热加工造成的粗大 不均匀的组织均匀化和细化 提高性能 2 中碳以上的碳钢得到接近平衡状态的组织 以降低硬度 改善切削加工性能 3 消除内应力 只适用于亚共析钢 对过共析钢完全退火会造成Fe3C 沿晶界析出并形成网状 使韧性下降 1 完全退火 临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK GS ES线分别用A1 A3 Acm表示 实际加热或冷却时存在滞后现象 因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却时的实际转变温度分别用Ar1 Ar3 Arcm表示 奥氏体化后快速冷至某一温度 再经恒温处理 使其发生珠光体转变 然后再以稍快方式冷却的一种工艺 等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀 目的 与完全退火相同 能获得均匀的预期组织 等温温度一般靠近 TTT 曲线鼻子温度 因此温度过冷奥氏体分解转变孕育期最短 转变所需时间最短 对于过冷奥氏体稳定的钢种 等温退火可显著缩短退火周期 2 等温退火 使钢中渗碳体球化的一种热处理工艺 主要应用于过共析钢和共析钢 加热温度略高于Ac1 然后缓慢冷却到600 550 再出炉冷却 组织为铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体 目的 使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球化 以降低硬度 改善切削加工性能 并为淬火作组织准备 退火前正火将网状渗碳体破碎 需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化 3 球化退火 加热至Ac3或Accm以上150 300 保温10 15h 炉冷 常应用于铸锭 铸钢件热处理 目的 消除由于铸锭 铸件的枝晶偏析引起的化学成分不均匀 组织不均匀 加热温度高 时间长 奥氏体晶粒非常粗大 还应再进行完全退火或正火以便细化晶粒 该工艺缺点耗能大 成本高 4 扩散退火 5 去应力退火 将工件随炉缓慢加热至500 600 经保温后 炉冷至200 300 后空冷的工艺 目的 消除铸件 焊件及冷变形件加工中产生的内应力 防止工件变形开裂 将经过冷加工变形的金属加热至650 700 再结晶温度以上100 150 保温后空冷 目的 使冷加工金属发生再结晶 形成新的等轴晶粒 消除内应力 6 再结晶退火 低温 再结晶 去应力 扩散 球化 完全 相图中各种退火工艺的加热温区示意图 钢件加热到Ac3 对于亚共析钢 和Accm 对于过共析钢 以上30 80 保温适当时间后 空冷 正火后的组织 亚共析钢为F S 共析钢为S 过共析钢为S Fe3CII目的 组织正常化 亦称常化处理 正火 一般应用 1 最终热处理 正火可以细化晶粒 使组织均匀化 减少亚共析钢中铁素体含量 使珠光体含量增多并细化 从而提高钢的强度 硬度和韧性 2 预先热处理 截面较大的合金结构钢件 在淬火或调质处理 淬火加高温回火 前常进行正火 以消除魏氏组织和带状组织 并获得细小而均匀的组织 对于过共析钢可减少二次渗碳体量 并使其不形成连续网状 为球化退火作组织准备 3 改善切削加工性能 加热温度为Ac3以上30 50 加热温度过高 奥氏体晶粒粗大 淬火得到马氏体针片尺寸大 应力大 脆性大 加热温度偏低如在Ac1 Ac3之间 则淬火后有残余铁素体存在 钢的硬度不均匀 强度及硬度偏低 1 淬火加热温度 亚共析钢淬火 淬火 过共析钢淬火 加热温度为Ac1以上30 50 组织为奥氏体及未完全溶解的球状渗碳体 淬火后为马氏体加球状渗碳体 这种组织有较高的硬度 淬火温度过高 高于Accm 则先共析渗碳体全部溶入奥氏体中 冷却后马氏体针尺寸大 由于含碳量高 MS点降低 淬火后残余奥氏体体积分数增多 淬火加热温度偏低 甚至未实现奥氏体化 淬火后不能转变成马氏体 2 淬火介质 淬火时所用的冷却剂为淬火介质 常用的淬火介质有水 机油及盐水 碱水等 水和油都不是理想淬火剂 淬透性差的碳钢通常把水作为淬火介质 油常做为淬透性较高的合金钢的淬火介质 淬硬性 不同成分钢的半马氏体硬度主要取决于钢的含碳量 而与合金元素含量关系不大 淬透性是钢的本质属性 与试样尺寸及形状无关 淬透性 表示钢淬火时形成马氏体的能力 一般用淬透层深度来表示 通常规定 由表面至半马氏体层的距离作为淬透层深度 理想淬火剂 中温区冷却速度快 避免过冷奥氏体中温分解转变 低温区冷却慢 减少淬火过程中的组织应力及热应力 理想淬火剂举例 国内水玻璃 碱水溶液等合成淬火剂 冷却能力介于水和油之间 是一种接近理想的淬火介质 回火 马氏体 残余奥氏体 非稳定组织组织应力 变形开裂倾向大 低温回火 工件在150 200 进行回火 保留淬火工件高的硬度和耐磨性 降低残余应力和脆性 回火后得到回火马氏体 中温回火 在350 500 进行回火 目的是得到较高的弹性和屈服点 适当的韧性 回火后得到回火屈氏体 高温回火 工件在500 以上进行回火 得到强度 塑性和韧性都较好的综合力学性能 回火后得到回火索氏体 回火脆性 低温回火脆性不可逆 应避免 高温回火脆性可以通过加热来消除 回火马氏体金相图 过冷奥氏体 奥氏体在临界点以上为稳定相 不会发生转变 冷至临界点以下将处于不稳定状态 奥氏体将发生分解转变 处于临界点以下尚未发生分解转变的奥氏体称为过冷奥氏体 1 过冷奥氏体高温转变 过冷奥氏体在A1至550 区间分解转变 转变产物为珠光体类型组织 为扩散型转变 它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物 根据片层厚薄不同 又分为珠光体 索氏体和托氏体 珠光体 形成温度为A1 650 片层较厚 0 6 1 0 m索氏体 形成温度为650 600 片层较薄 0 2 0 3 m托氏体 形成温度为600 550 片层极薄 0 1 0 15 m 一 过冷奥氏体的等温转变 片间距越小 钢的强度 硬度越高 而塑性和韧性略有改善 转变温度550 350 区间的产物称为上贝氏体 光镜下呈羽毛状 2 过冷奥氏体中温转变 过冷奥氏体在550 Ms点之间等温分解转变 转变产物为贝氏体 性能特点 上贝氏体强度与塑性都较低 无实用价值 转变特点 上贝氏体和下贝氏体均为铁素体和渗碳体的混合物 性能特点 下贝氏体除了强度 硬度较高外 塑性 韧性也较好 即具有良好的综合力学性能 是生产上常用的强化组织之一 转变温度350 Ms区间的产物称为下贝氏体