金属冷僻知识及其提升纯度的方法.docx

一金属知识金属具有塑性是其重要的一项特性，这个特性对于金属材料的应用有非常重要的意义，举例。 金属发生塑性变形之后，从宏观上看其形状和尺寸发生了变化，但不是我们研究的内容。我们要研究的是金属变形之后其内部的组织和性能发生了哪些变化，以及在加热时这些组织和性能发生哪些变化，最后落实到如何运用这些知识去改善材料的性能。 第一节 金属的塑性变形 这一节的主要内容就是从原子的角度看，金属的塑性变形是如何发生的？ 当 外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达 到了塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属 就断了。 金属塑性变形的方式主要是滑移和孪生。 一、单晶体的塑性变形 这是为了学习的方便而采取的一种方法，因为实际金属大多是多晶体。 1、 滑移的定义和现象；（采用挂图和幻灯讲解），这里有五个问题：滑移线、滑移带、滑移距离、滑移面和滑移方向； 2、 滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，滑移系的数目决定了金属的塑性好坏，其数目越多，塑性越好； 体心立方晶格：62=12个滑移系；塑性较低好；如铁、铬等； 面心立方晶格：43=12个滑移系；塑性最好；如金、银、铜、铝等； 密排六方晶格：13=3个滑移系；塑性最差；如锌、镉等； 3、滑移的机理：非刚性滑动，而是由位错的移动实现的（1934年提出 ）。 1） 只有位错线附近的少数原子移动； 2） 原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；举例。（挂图） 总结：金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的 抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。 二、多晶体的塑性变形 其中单个晶体的变形情况和单晶体相同，不同的是多晶体是由多个晶体组成的，各个晶体之间的位向不同，所以多晶体的塑性变形不是同时发生的，而是一步一步地进行的。塑性变形的抗力要比单晶体要高。 第二个要注意的问题是晶界的影响。晶界是原子排列不规则的地方，它对位错的移动有阻碍作用，要想使位错通过晶界，外界必须对它施加更大的力，所以晶界处的强度比晶内高。 晶粒越细，单位体积内的晶界面积越多，对位错的阻碍作用越大，金属的强度越高。晶界与强度之间的关系有一个经验公式（HallPetch公式）： =0+kd1/2。 具有细小晶粒的材料不仅强度高，而且塑性、韧性也较高，这是其他强化手段不能达到的。 我们一般将通过使材料的组织变细来改善其性能的方法称为晶粒细化。 三、冷变形后金属性能和组织的变化 1、 力学性能的变化 随变形量增加，冷塑性变形之后的金属强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。 加工硬化在金属材料的使用中有非常重要的意义，是金属材料一种重要的强化手段，特别是对一些无法进行热处理的材料，如纯金属、高锰钢以及奥氏体不锈钢 等。同时加工硬化使从属材料在冷成加工时能均匀变形；另外在材料偶然过载时，加工硬化使材料不致于发生大量塑性变形而断裂，增加了安全性。 加工硬化在材料的使用中也有不利的一面，例如使塑性下降，在进行大变形量变形时须分几次进行，增加了消耗，降低了劳动生产率。 2、 组织的变化 1） 形成冷变形纤维组织； 2） 亚结构细化，位错密度增加，一般认为这是加工硬化的原因； 3） 形成变形织构； 3、 冷变形内应力 对材料进行塑性变形时所作的功大部分转变成了热量，但有一小部分残留在材料内部，这就是残余内应力。残余内应力可导致材料的变形，如果它和材料的工作应力叠加，将加速材料的失效，所以对其应有一定的重视。 1） 宏观内应力：由于在宏观范围内变形不均匀引起的。有时可利用这种内应力，使它与工作应力相互抵消，延长零件的寿命，如钢板弹簧的喷丸或辊压，就是在弹簧表面形成残余压应力，与表面的工作应力-拉应力相互抵消。 2） 微观内应力：由于晶粒之间变形不均匀引起的； 3） 晶格畸变内应力：作用范围在一个晶粒内部。 第二节 冷变形金属在加热时的转变 先复习冷变形后金属组织和性能的变化（提问），三点： 1、 加工硬化； 2、 冷变形纤维组织； 3、 变形残余内应力； 导出冷变形金属处于不稳定的状态，在被加热时将发生明显的变化，这个过程分为三个阶段。即回复、再结晶和晶粒长大。 一、 回复 在加热温度较低时发生，在这个阶段由于温度不高，原子活动能力较小，不能作大范围的扩散，只有点缺陷如空位、间隙原子的数量减少了，同时位错重新排列，所以金属的组织和性能变化不大。主要是内应力大幅度减小，电阻下降，耐腐蚀能力提高。 回复主要用于消除冷变形金属中的残余内应力，以隐定尺寸， 降低电阻，提高耐腐蚀能力。如冷卷弹簧的定型、黄铜弹壳的去应力等。 二、 再结晶 发生在较高温度下，对钢来说大约在450以上。这时原子的活动能力大大增强，晶体缺陷消除，发生再结晶，加工硬化消除，冷变形纤维组织重新变成多边形等到轴晶粒，也就是说，材料的组织和性能又恢复到冷变形前的状态。 再结晶过程也是一个形核和长大的过程，但是材料的晶体结构并没有发生变化，所以也就不是一个相变过程。 1、 再结晶温度 金属发生再结晶的最低温度称为再结晶温度，它与金属的变形度、成分有关，变形度越大，再结晶温度越低，W、V、Ti、Cr等元素能够提高再结晶温度。一般根据一个经验公式来确定材料的再结晶温度： T再=0.4T0(金属的熔点) 根据这个公式,可以计算出铁的再结晶温度大约为450.其它金属的再结晶温度可以查阅有关的手册。 2、 再结晶的应用 再结晶一般用于消除加工硬化，恢复塑性。在生产中这种处理方法称为再结晶退火。 三、 晶粒长大 不讲，学生自学。第三节 热变形加工 冷变形加工：冷拉、冷拔、冷轧、冷冲压等； 热变形加工：热轧、锻造等； 一、 冷、热变形加工的区别 从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。如锡、铅等 金属的再结晶温度较低，在室温下对它们的变形就属于热变形加工了；而钨的再结晶温度高达1200以上，那么在1000对它进行的变形仍属于冷变形加 工。 另外一个要注意的问题是，在热变形加工时，材料性能的变化是双向的，因为在发生加工硬化的同时，还发生着再结晶，也就是因为变形发生的硬化和因为再结晶发生的软化在同时进行着。那一个方面占优势要看是变形度和加热温度的具体情况。 = 热变形加工时金属组织和性能的变化 1、 能消除一些组织缺陷，使组织更加致密； 2、 流线：金属中的一些杂质、夹杂沿变形方向伸长而形成的，如果使流线沿零件的轮廓走向分布，则能提高材料的性能，所以一些重要的零件都采用锻造成形。 3、 带状组织：钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核，形成带状组织。带状组织能造成材料的各向异性，应加以注意。二各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。工作温度的升高 ，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。为此，要求钢在高温下应具有 (1)抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力 (2)在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性 (3)具有良好的加工性能及焊接检 (4)按照不同用途有合理的组织稳定性。 耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和热强钢。热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢 种 ，如炉底板、炉栅等。它们工作时的主要失效形式是高温氧化。而单位面积上承受的载荷并不大。热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大 量变形或 断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。 18.1钢的热稳定性和热稳定钢 一、钢的抗氧化性能及其提高途径 工件与高温空气、蒸汽或燃气相接肽表面要发生高温氧化或腐蚀破坏。因此，要求工件必须具备较好的热稳定性。 除了加入合金元素方法外，目前还采用渗金属的方法，如渗Cr、渗Al或渗Si，以提高钢的抗氧化性能。 二、热稳定钢 热稳定钢（又称抗氧化钢广泛用于工业锅炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等这种用途的热稳定钢有铁素体F型热稳定钢和奥氏 体A型热稳定的钢两类。 F型热稳定钢是在F不锈钢的基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种、具有单相F基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。根据使用温度 ，可分为Cr13型钢、Cr18型钢和 Cr25型钢等。F型热稳定钢和F不锈钢一样，因为没有相变，所以晶粒较粗大，韧性较低，但抗氧化性很强。 A型热稳定钢是在A型不锈钢的基础上进一步经Si、Al抗氧化合金化而形成的钢种。A型热稳定钢比F型热稳定钢具有更好的工艺性能和热强性。但这类钢因 消耗大量的Cr、Ni资源，故从50年代起研究了Fe-AlMn系和CrMn-N系热稳定钢 ，并已取得了一定进展。 18.2 金属的热强性 一、高温下金属材料力学性能特点 在室温下，钢的力学性能与加载时间无关，但在高温下钢的强度及变形量不但与时间有关，而且与温度有关，这就是耐热钢所谓的热强性。热强性系指耐热钢在高 温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。由此可见在评定高温条件下材料的力学性能时，必须用热强性来评定。热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长 时性能。 瞬时性能是指在高温条件下进行常现力学性能试验所测得的性能指标。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。其特点是高温、短时加载 ，一般说来瞬时性能P是钢热强性的一个侧面，所测得的性能指标一般不作设计指标，而是作为选择高温材料的一个参考指标。 长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能、常见的性能指标有：蠕变极限、持久强度、应力松他高温疲劳强度和冷热疲劳等（详见金属力学性能地这是评定高温材料必须建立的性能指标。 二、热泪性的影响因表及其提高途径 1.影响耐热钢热强性的因素 随着温度的升高，耐热钢抵抗塑性变形和断裂的能力不断降低，这主要是由以下两个因素造成的： （1）影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高、钢的原子问结合力降低原子扩散系数增大，从而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡、如第二相的聚集长大、多相合金中成分的变化、亚结构祖化及发生再结晶等这些因素都导致钢的软化。 （2）形变断裂方式的变化。金属材料在低温下形变时一般都以滑移方式进行，但随着温度的升高，载荷作用时间加长，这时不仅有滑移，而且还有扩散形变及品 界的滑动与迁移等方式。扩散形变是在金属发生变形但看不到滑移线的情况下提出的。这种变形机制是高温时金属内原子热运动加剧 ，致使原子发生移动，但在元外力作用了原子的移动无方向性，故宏观上不发生变形；当有外力作用时，原子移动极易发生且有方向性，因而促进变形。当温度升高 时，在外力作用下晶界也会发生滑动和迁移 ，温度越高，载荷作用的时间愈长，晶界的滑动和迁移就越明显。 常温下金属的断裂在正常情况下均属穿品断裂，这是由于晶界区域晶格畸变程度大、晶内强度低于晶界强度所致。但随温区升高 ，由于晶界区域品格畸变程度小使原子扩散速度增加，晶界强厦减弱。温度越高，载荷作用时间越长，则金属断裂方式更多地呈晶间断裂。 2.提高钢的热强性途径 基于上述分析，提高钢的热强性主要途径省三个方面基体强化煤二相强化、晶界强化。 （1）基体强化。主要出发点是提高基体金属的原子问结合力、降低固溶体的扩散过程。研究表明，从钢的化学成分来说，凡是熔点高、自扩散系数小店首提高钢 的再结晶温度的合金元素固溶于基体后都能提高钢的热强性。如h基及M是高温合金中主要的固 溶强化元素有Mo、W、Co和Cr等。从固溶体的晶格类型来说，奥氏作基比铁素作基体的热 强性高。这是由于奥氏体的点阵排列较铁素体致密，扩散过程不易进行。如在铁基合金中，Fe、C，Mo等元素在A中的扩散系数显著低于在F中的扩散系数，这就使回复和再结晶过程减慢，第二相聚集速 度减慢，从而使钢在高温状态下不易软化。 （2）第二相强化。主要出发点是要求第二相稳定，不易聚集长大批在高温下长期保持细小均匀的弥散状态，因此对第二 相粒子的成分利结构有一定的要求。耐热钢大多用难塔台金碳化物作强化相，如 MC，M23C6、M6C等。为获得更高的热强性 ，可用热稳定性更高的全属间化合物。如Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al等作为基体的强化相。 （3）晶界强化、为减少高温状态下晶界的滑动，主要有下列途径： 减少晶界、需适当控制钢的晶粒度。晶粒过细品界多，虽然阻碍晶内滑移，但晶界滑动的变形量增大、塑变 抗力降低。晶粒过大，钢的脆性增加，所以要适当控制耐热钢的晶粒厦，一般在24级晶粒度时能得到较好的高温综合性能。 净化晶界。钢中的S和P等低熔点杂质易在晶界偏聚，并和铁易于形成低熔点共晶体，从而削弱晶界强度，使钢的热强性下降。着钢中加入B、稀土等 元素，可形成高熔点的稳定化合物，在结晶过程中可作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内，从而使晶界得到净化，强化了晶界。 填补晶界上空位、晶界处空位较多，使扩散易于进行，是裂纹易于扩展的地力加入B、Ti、Zr等表面活化元素，可以填充晶界空位 ，阻碍晶界原子扩散，提高蠕变抗力。 晶界的沉淀强化。如果在晶界上沉淀出不连续的强化相，将使塑性变形时沿晶界的滑移及裂纹沿晶界的扩展受阻，使钢的热强性提高。例如用二次 固溶处理的方法可在品界上析出链状的Cr23C6化合物，从而提高钢的热强性。 除此之外，还可用形变热处理方法将晶界形状改变为锯齿状品界和在晶内造成多边化的亚晶界，进一步提高钢的热强性。 18.3 a-Fe基热强钢 a-Fe基热强钢包含珠光体型热强钢和马氏体型热强钢、这两类钢在加热和冷却时会发生a裆7转变，故使进一步提高使用温度受到限制。这类钢在中温下有较好 的热强性、热稳定性及工艺性能 ，线膨胀系数小，合碳量也较低，价格低廉，是适宜在600650以下温区使用的热强钢，广泛应用于制造锅炉、汽轮机及石油提炼设备等。 一，珠光作型热强钢 珠光体热强钢按合碳量和应用特点可分为低碳珠光体效强钢和中碳珠光体热强钢两类、前者主要用于制作锅炉钢管，后者主要用于制作汽轮机等耐热紧固件、汽轮化转子（包含轴、叶轮）等， 珠光体热强钢的工作温度虽然不高，但由于工作时间长，加之受周围介质的腐蚀作用，在工作过程中可能产生下述的组织转变和性能变化。 1.珠光体的球化和碳化物的聚集 珠光体热强钢在长期高温作用下，其中的片状碳化物转变成球状，分散细小的碳化物聚集成大颗粒的碳化物。这种组织的变化将引起钢的强烈较优，导致蠕变极 限、持久强度、屈服极限的降低。这种转变是一种由不平衡状态向平衡状态过渡的自发进行的过处是通过碳原子的扩散进行的。 影响碳化物球化及聚集的主要因素是温度、时间和化学成分。碳钢最容易球化，合碳量增加会加速球化过程。在钢的成分中几代溶入固溶体并降低碳的扩散速度和增加碳化物中原子结合力的元素如 Cr、MO、V、Ti等均能阻碍或延缓球化及聚集过程。 2.钢的石墨化 钢件在工作温度和应力长期作用下，会使碳化物分解成游离的石墨，这个过程也是自发进行的，称为P热强钢的石墨化过程、它不但消除了碳化物的作用，而 且石墨相当于钢中的小裂纹，使钢的强度和塑性显著降低而引起钢件脆断。这是一种十分危险的转变过程。 向钢中加入Cr、Ti、Nb等合金元素，均能阻止石墨化过程；另外，在冶炼时不能用促进石墨化的Al脱氧；采用退 火或回火处理也能减少石墨化倾向。 3.合金元素的再分布 耐热钢长期工作时，会发生合金元素的重新分配现象，即碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物内扩散、富集，而造成固溶体合金元素贫化，导致热强性下降。生产中经常采用加入强碳物形成元素V、Ti、Nb等从而阻止合金元素扩散聚集的再分队提高钢的热强性。 4.热脆性 珠光体型不锈钢在某一温度下长期工作时，可