第2章 金属材料组织和性能的控制.doc

2.1 纯金属的结晶条件：温度必须低于T0，也就是说要有一定的过冷度。结晶过程：形核（自发形核；非自发形核）与长大（平面长大（冷却速度较慢；沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快）；树枝状长大（冷却速度较快；晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝）。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶铸锭的结构：细等轴晶区（锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用）；柱状晶区（锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区）；粗等轴晶区（随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区）。结晶理论的工程应用细化铸态金属晶粒的措施：增大金属的过冷度；变质处理；振动（机械、超声波）；电磁搅拌 老师提示：重点内容单晶的制取：尖端形核法制取单晶；垂直提拉法制取单晶。2.2 合金的结晶匀晶反应特点：生核与长大过程；变温结晶（在一个温度区间内结晶）；两相的成分确定；两相的质量比一定；容易产生枝晶偏析（在一个晶粒内化学成分的分布不均的现象；先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多, 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多；扩散退火来消除）共晶反应：组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质, 一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相, 或是两相混合物。L+包晶反应：L+; 共析反应： (+)；含有稳定化合物的合金的结晶合金的性能与相图的关系：固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬度越高, 电阻越大。合金的工艺性能与相图的关系：纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。铁碳合金的结晶 老师提示：重点内容一、铁碳相图 Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳质量分数及含义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点 E 1148 2.11 碳在 -Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点(A3) H 1495 0.09 碳在 -Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点LB+ H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分 N 1394 0 -Fe-Fe同素异构转变点(A4) P 727 0.0218 碳在 -Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点(A1) AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 时碳在 -Fe中的溶解度 (室温) (0.0008) 共析钢 w(C) = 0.77%平衡结晶过程 老师提示：重点内容室温平衡组织全部为P。P呈层片状。选材：建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 选用碳含量适中的中碳钢。工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢种。纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。铸造工艺：浇注温度一般在液相线以上50 100 ；纯铁和共晶白口铸铁的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可获得致密的铸件；铸钢生产中, 碳质量分数在0.15%-0.6%之间,这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。热锻、热轧工艺：钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。2.3 金属的塑性加工：塑性加工包括锻造、轧制、 挤压、拉拔、冲压等方法。单晶体的塑性变形：滑移：滑移只能在切应力作用下才会发生，不同金属的滑移临界切应力大小不同；滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果；晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍；滑移总是沿着密排面和密排方向进行，因为密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系；滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。滑移时晶体发生转动。孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程。临界切应力比滑移的大得多。多晶体的塑性变形：晶界阻碍位错运动；晶粒分批逐步变形。合金的塑性变形：固溶强化；弥散强化塑性变形对金属组织和性能的影响 老师提示：重点内容塑性变形对金属组织结构的影响：晶粒发生变形纤维组织；亚结构形成（大量位错堆积相互缠结）；形变织构产生（丝织构；板织构）。塑性变形对金属性能的影响：形变强化 产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。产生各向异性；物理、化学性能变化 塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大, 耐腐蚀性降低。产生残余内应力。回复：由于加热温度不高, 原子扩散能力不大, 只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态， 变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。再结晶：最低再结晶温度与预先变形度、金属的熔点、杂质和合金元素高最低再结晶温度、提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生, 而保温时间越长, 再结晶温度越低。再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度（临界变形度；变形度过大晶粒异常长大）。不均匀的长大过程类似于再结晶的生核(较大稳定亚晶粒生成)和长大(吞食周围的小亚晶粒)的过程, 所以称为二次再结晶, 它大大降低金属的机械性能。工程应用：热加工：热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性；热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高；热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有明显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。冷加工：加工硬化。 喷丸强化：零件表面强度、硬度提高，同时产生较大的残余压应力，可提高疲劳强度。再结晶退火：消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。实际采用的退火温度比最低再结晶温度要高100200。2.4 钢的热处理钢在加热时的转变：将加热时的临界温度标为Ac1、 Ac3、Accm; 冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm；四个基本过程：奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化。影响奥氏体转变速度的因素：1）随加热温度的提高, 奥氏体化速度加快；2）加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短；3）碳含量增加，铁素体和渗碳体的相界面增大，转变速度加快；4）钴、镍等加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长；5）原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，渗碳体间距越小，转变速度越快。实际晶粒度（某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度）和本质晶粒度（钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向）影响奥氏体晶粒度的因素：随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度越高，或在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大；奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。未溶碳化物则阻碍晶粒长大。钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物, 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状, 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间，强度和韧性都较差。过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物称下贝氏体(下B)。下B在光学显微镜下为黑色针状, 在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe2.4C)颗粒，硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。马氏体转变特点 老师提示：重点内容过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变；马氏体的形成速度很快；马氏体转变是不彻底的；马氏体形成时体积膨胀。马氏体的形态：C1.0%是针状马氏体（孪晶马氏体；硬而脆，塑性、韧性极差）。0.251.0%是混和组织。马氏体的特点：硬度很高；马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关；马氏体的物理性能变化（体积会膨胀，电阻率高）。钢的普通热处理：退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。完全退火：用于亚共析钢，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，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金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。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。等温退火：将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织; 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。球化退火：加热温度略高于Ac1，保温较长时间保证二次渗碳体自发球化，保温后随炉冷却。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。扩散退火：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线以下100200的温度，长时间保温（1015h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火，扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。去应力退火：消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火。将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500 650 )，保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%80%的内应力, 不引起组织变化。正火：钢材或钢件加热到Ac3(亚共析钢)和Accm(过共析钢)以上3050 ，保温适当时间后，空冷的热处理。目的是使钢的组织正常化。应用：1作为最终热处理：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作为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 淬火：将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上30 50 ；共析钢和过共析钢为Ac1以上30 50 ），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。钢的淬透性（钢接受淬火时形成马氏体的能力，20CrMnTi40CrT10） 老师提示：重点内容影响淬透性的因素：碳含量（共析钢的临界冷速最小，淬透性最好）；合金元素（除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性）；奥氏体化温度（提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性）；钢中未溶第二相（成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性）。钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好，而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体, 心部强韧性差。钢的淬硬性：钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，它主要决定于M的碳含量。T1040Cr20CrMnTi.回火：淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到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。低温回火：150-250 ，亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体；过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(58 -64 HRC)和高耐磨性。用于处理高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。中温回火：350 500 ，回火屈氏体（铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织），具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35 HRC45 HRC。主要用于处理各类弹簧。高温回火：500 650 , 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S)。综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度25-35 HRC。淬火加高温回火称为调质处理。用于重要的受交变载荷的机器结构零件，如连杆、轴、齿轮等。钢在回火时会产生回火脆性现象, 即在250 400 和450 650 两个温度区间回火后, 钢的冲击韧性明显下降。钢的表面热处理感应加热表面热处理：用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。火焰加热表面淬火：适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。钢的化学热处理渗碳：为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺。渗碳后的热处理：直接淬火；一次淬火；二次淬火；渗碳、淬火后进行低温(150 200 )回火。钢渗碳、淬火、回火后的性能：表面硬度高；疲劳强度高。氮化：目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。常用的氮化钢有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA等。碳氮共渗：高温碳氮共渗工艺（将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830 850 ，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温1 h2 h后，共渗层可达0.2 mm0.5 mm。高温碳氮共渗主要是渗碳，但氮的渗入使碳浓度很快提高，从而使共渗温度降低和时间缩短。碳氮共渗后淬火, 再低温回火。）；低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。热处理的工程应用实例1 螺栓的热处理：45钢制造，需要强度高，韧性好，具有很好的综合机械性能。最终热处理工艺为：830840加热、保温，用水淬火。580620回火，回火后油冷。组织为回火S。抗拉强度大于600MPa，冲击功大于39J。实例2 链条滚轮的热处理：15钢制造，需要较高的强度，表面要求硬度高、耐磨。最终热处理工艺为：920930渗碳，预冷至830850，用水淬火。180200回火。表面组织为高碳回火M+ Fe3C+残余A。心部组织为低碳回火M。表面硬度达60HRC62HRC。2.5 钢的合金化 老师提示：重点内容合金元素与铁、碳的作用：与铁形成固溶体（扩大相区的元素亦称奥氏体稳定化元素, 主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等；缩小相区元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等）；与碳形成碳化物（Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列)）；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。合金元素对钢热处理的影响：Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大, 形成难溶于奥氏体的合金碳化物, 显著减慢奥氏体形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的扩散速度, 使奥氏体的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻碍晶粒长大的元素有：W、Mo、Cr等；对晶粒长大影响不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促进晶粒长大的元素：Mn、P等。合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响：除Co外, 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变, 使C曲线右移, 即提高钢的淬透性。Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。除Co、Al外, 多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si，使淬火后钢中残余奥氏体量增多。进行多次回火时，残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。合金元素对回火转变的影响：提高回火稳定性（V、Si、Mo、W、Ni、Co）；产生二次硬化（残余奥氏体的转变，沉淀硬化。一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时, 硬度不是随回火温度升高而单调降低, 而是到某一温度(约400 )后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550 左右)达到峰值）；增大回火脆性（在450 600 间发生的第二类回火脆性(高温回火脆性)主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关, 多发生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中。 这是一种可逆回火脆性, 回火后快冷(通常用油冷)可防止其发生。钢中加入适当Mo或W(0.5%Mo, 1%W)也可基本上消除这类脆性。）合金元素对钢的工艺性能的影响许多元素, 如Cr、Mo、V、Ti、Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点, 增大钢的粘度, 降低流动性, 使铸造性能恶化；合金元素溶入固溶体中, 或形成碳化物(如Cr、Mo、W等), 都使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降而容易锻裂；合金元素都提高钢的淬透性, 促进脆性组织(马氏体)的形成, 使焊接性能变坏。但钢中含有少量Ti和V, 可改善钢的焊接性能；合金钢的切削性能比碳钢差。但适当加入S、P、Pb等元素可以大大改善钢的切削性能；合金钢的淬透性高, 淬火时可以采用比较缓慢的冷却方法,可减少工件的变形和开裂倾向。加入锰、硅会增大钢的过热敏感性。合金元素对钢的力学性能的影响（固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化）合金元素加入钢中, 首要的目的是提高钢的淬透性, 保证在淬火时容易获得马氏体。其次是提高钢的回火稳定性, 使马氏体保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定。这样, 在同样条件下, 合金钢比碳钢具有更高