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金属材料及热处理基本知识 1 1 金属材料及热处理基本知识 使用性能 为了保证机械零件 设备 结构件等能正常工作 材料所具备的性能 包括力学性能 强度 硬度 刚度 塑性 韧性等 物理性能 密度 熔点 导热性 热膨胀性等 化学性能 耐蚀性 热稳定性等 使用性能决定了材料的应用范围 使用安全可靠性和使用寿命 工艺性能 材料在被制成机械零件 设备 结构件的过程中适应各种冷 热加工的性能 例如焊接 铸造 热处理 压力加工 切削加工等方面的性能 工艺性能对制造成本 生产效率 产品质量有重要的影响 2 3 4 1 1材料力学基本知识 材料的力学性能 材料在外力作用下所表现的一些性能 指标 强度 硬度 刚度 塑性 韧性等 可以通过拉伸试验测量得到 5 力学性能 指材料受力时在强度和变形方面表现出来的性能 塑性变形又称永久变形或残余变形 塑性材料 断裂前产生较大塑性变形的材料 如低碳钢 脆性材料 断裂前塑性变形很小的材料 如铸铁 石料 6 1 1 1应力与应变 应力 物体在外力作用下而变形时其内部任一截面单位面积上的内力大小 N A应变 物体在外力作用下 其形状尺寸所发生相对改变 L L L1 L L 工程构件 大多数情形下 内力并非均匀分布 集度的定义不仅准确而且重要 因为 破坏 或 失效 往往从内力集度最大处开始 7 A FQy FQz FN 垂直于截面的应力称为 正应力 与截面相切的应力称为 切应力 应力的国际单位为N m2 帕斯卡 1N m2 1Pa 1MPa 106Pa 1N mm2 1GPa 109Pa 8 1 1 2强度 强度 指金属材料抵抗塑性变形 永久变形 和断裂的能力 抵抗塑性变形和断裂的能力越大 则强度越高 强度判据是通过拉伸试验测定的 拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸 同时连续测量力和相应的伸长 直至断裂 根据测得的数据据 即可求出有关的力学性能 9 1 1 3塑性 塑性 是指材料在载荷作用下发生不可逆永久变形的能力 评定材料塑性指标通常用伸长率和断面收缩率 10 材料的拉伸和压缩试验 国家标准规定 金属拉伸试验方法 GB228 2002 L 10dL 5d 对圆截面试样 对矩形截面试样 11 矩形截面 GB T2975 1998 GB T228 2002 12 万能试验机 13 14 15 拉伸试验视频 16 残余变形 试件断裂之后保留下来的塑性变形 L L1 L0 延伸率 A A 5 塑性材料A 5 脆性材料 断面收缩率 Z 17 低碳钢在拉伸时的力学性能 18 19 其他材料在拉伸时的力学性能 20 四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段 1 弹性阶段 遵守胡克定律 应力 应变成正比 变形可恢复 弹性极限 产生最大的弹性变形 可以得到 e Pe A0 2 屈服阶段 至s点 屈服点在屈服阶段 材料内部晶格间发生滑移 产生的变形是塑性变形 此时的应力成为屈服应力 屈服极限 s Ps A0 3 强化阶段 超过屈服点后 材料又恢复了对继续变形的抵抗能力 即欲使试验继续变形 必须增加应力值 加工硬化现象 形变强化 材料得到强化 当外加载荷达到Pb时达到最大载何值 材料的抗拉强度 强度极限 b Pb A0 4 颈缩阶段 曲线b k 应力达到 b 时间的某一部位开始变细 颈缩 由于将颈缩的部分截面积急剧下降 应力急剧上升 到达k点被拉断 21 几个特殊点弹性极限 e Pe A0屈服极限 Rel Ps A0是金属材料的一个重要的强度指标 是设计选材的依据抗拉强度 Rm b点应力将引起破坏 材料抵抗拉力破坏的最大能力 表征材料在外界拉力作用下所担负的最大应力水平 屈强比 Rm Reh在锅炉压力容器选材上 不仅希望材料具有较高的Rel或Reh 而且有一定的屈强比 Rm Reh越高 塑性储备就越低 可靠性就越低 Rm Reh越低 可靠性提高 抗疲劳性能降低 同时也不经济 锅炉压力容器一般在0 6 0 75 22 Rm是衡量脆性材料强度的唯一指标 b 确定的方法是 在 轴上取0 2 的点 对此点作平行于 曲线的直线段的直线 斜率亦为E 与 曲线相交点对应的应力即为 0 2 23 24 L d b 1 3 金属材料在压缩时的力学性能 国家标准规定 金属压缩试验方法 GB7314 87 25 低碳钢压缩 压缩时由于横截面面积不断增加 试样横截面上的应力很难达到材料的强度极限 因而不会发生颈缩和断裂 26 铸铁拉伸 27 经过塑性变形 可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化 这些变化大致可以分为如下四个方面 晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性晶粒破碎 位错密度增加 产生加工硬化织构现象的产生残余内应力 变形前后晶粒形状变化示意图 28 塑性材料和脆性材料的主要区别 塑性材料的主要特点 塑性指标较高 抗拉断和承受冲击能力较好 其强度指标主要是 s 且拉压时具有同值 脆性材料的主要特点 塑性指标较低 抗拉能力远远低于抗压能力 其强度指标只有Rm 29 30 1 1 4硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度 是衡量材料软硬程度的判据 它表征材料抵抗表面局部弹性变形 塑性变形或抵抗破坏的能力 材料的硬度越高 其耐磨性越好 硬度是金属材料重要性能之一 由于测定硬度的试验设备比较简单 操作方便 迅速 又属无损检验 故在生产上和科研中得到广泛应用 测定硬度的方法比较多 其中常用的硬度测定法是压入法 即用一定的静载荷 试验力 把压头压在金属表面上 然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度 常用的硬度试验方法有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度三种 31 32 1 布氏硬度布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积 符号用HBS 用淬火钢球压头 或HBW 用硬质合金压头 表示 即 布氏硬度试验方法主要用于硬度较低的一些材料 例如经退火 正火 调质处理的钢材以及铸铁 非铁金属等 33 布氏硬度表示方法 硬度值一般不标单位 当压头为淬火钢球时 用HBS表示 当压头为硬质合金时 用HBW表示 符号HBS或HBW之前写出硬度值 符号后面用数字依次表示压头直径 试验力及试验力保持时间 10 15s不标 等试验条件 例如 150HBS10 1000 30 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时 不规定试验条件 只需标出要求的硬度值范围和硬度符号 如210 230HBS 布氏硬度试验的优缺点 优点是测定的数据准确 稳定 数据重复性强 常用于测定退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷 且压痕较大 压痕直径的测量也较麻烦 易损坏成品的表面 故不宜在成品上进行试验 34 布氏硬度测试视频 35 2 洛氏硬度洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即 符号用HR表示 其计算公式为 36 洛氏硬度压头类型 淬火钢球压头多用于测定退火件 有色金属等较软材料的硬度 压入深度较深 金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度 压入深度较浅 试验规范及表示方法 采用不同的压头与总试验力 组合成几种不同的洛氏硬度标尺 我国常用的是HRA HRB HRC三种 其中HRC应用最广 其试验规范见表1 1 洛氏硬度无单位 须标明硬度标尺符号 在符号前面写出硬度值 如58HRC 76HRA 37 洛氏硬度试验的优缺点 优点 是操作迅速 简便 硬度值可从表盘上直接读出 压痕较小 可在工件表面试验 可测量较薄工件的硬度 因而广泛用于热处理质量的检验 缺点 是精确性较低 硬度值重复性差 分散度大 通常需要在材料的不同部位测试数次 取其平均值来代表材料的硬度 此外 用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系 也不能直接进行比较 38 3 维氏硬度维氏硬度它采用正棱角锥体金刚石压头在一定试验力下在试件表面压出正方形压痕 测量压痕两对角线平均长度来确定硬度值 试验力较小 压头是锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体 见图所示 维氏硬度用符号HV表示 维氏硬度表示方法 在符号HV前方标出硬度值 在HV后面按试验力大小和试验力保持时间 10 15s不标出 的顺序用数字表示试验条件 例如 640HV300 39 维氏硬度试验的优缺点 优点 是可测软 硬金属 特别是极薄零件和渗碳层 渗氮层的硬度 其测得的数值较准确 并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束 此外 维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题 而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度 缺点 是硬度值的测定较为麻烦 工作效率不如洛氏硬度 因此不太适合成批生产的常规检验 40 4 里氏硬度HL里氏硬度的测量原理是 当材料被一个小冲击体撞击时 较硬的材料使冲击体产生的反弹速度大于较软者 里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的冲击测头 在一定的试验力作用下冲击试样表面 利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系 测量出冲击测头距试样表面1mm处的冲击速度和回跳速度 里氏硬度值HL以冲击测头回跳速度VB与冲击速度VA之比来表示 HL 1000 VB VA 里氏硬度计体积小 重量轻 操作简便 在任何方向上均可测试 所以特别适合现场使用 由于测量获得的信号是电压值 电脑处理十分方便 测量后可立即读出硬度值 并能即时换算为布 洛 维等各种硬度值 41 1 1 5冲击韧性冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的 摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功 以Ak表示 若试样断口处截面积为Sn 则冲击韧性ak Ak Sn 试样的缺口型式有夏比U型和夏比v型两种 其冲击韧性分别用aku和akv表示 V型缺口根部半径小 对冲击更敏感 在锅炉压力容器材料的冲击试验中应用较多 国家标准现规定采用AK作为衡量韧性好坏的指标 AK越大 材料的韧性越好 冲击吸收功AK与温度有关 韧脆转变温度越低 材料的低温抗冲击性能越好 42 冲击试验视频 43 弯曲试验视频 44 有关材料的进一步知识 dx dy dz 在相互垂直的两个平面上 切应力必成对出现 两切应力的数值相等 方向均垂直于该平面的交线 且同时指向或背离其交线 45 弯曲的概念 46 对称弯曲 构件的几何形状 材料性能和外力作用均对称于杆件的纵对称面 平面弯曲 梁变形后的轴线所在平面与外力所在平面相重合 对称弯曲必定是平面弯曲 而平面弯曲不一定是对称弯曲 非对称弯曲 构件不具有纵对称面 或虽有纵对称面但外力不作用在纵对称面时的弯曲变形 47 应力集中的概念 构件几何形状不连续 应力集中 几何形状不连续处应力局部增大的现象 应力集中与杆件的尺寸和所用的材料无关 仅取决于截面突变处几何参数的比值 48 金属材料的力学性能小结 49 1 2钢材的脆化 1 2 1冷脆性冷脆性 随着温度的降低 大多数钢材的强度有所增加 而韧性下降 金属材料在低温下呈现的脆性 随着温度降低 ak值不断减小 即材料的韧性降低 脆性增加 韧脆转变温度 材料由延性破坏转化到脆性破坏的上限温度 采用落锤试验方法确定冷脆转变温度 50 1 2 2热脆性与红脆性热脆性 钢材长时间停留在400 500 后再冷却至室温时 冲击韧性值会有明显的下降 这种现象称为热脆性 具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化 仍具有较高的冲击韧性 只有当冷却到室温时 才显示出脆化现象 用冲击试验检验 一般比正常的冲击韧度低50 60 甚至下降80 90 金相组织无明显变化 对于工作温度在400 500 内的受压元件 必须重视热脆性现象 红脆性 含S较多的钢中 在800 900 以上呈现较大脆性 S化物以网关分布在晶界上 消除方法 1 长时间高温退火 使网状S化物变为球状 2 加入锰 硫化锰以点状 球状存在于晶界上 51 1 2 3氢脆氢脆 由于氢和应力的共同作用 而导致金属材料产生脆性断裂的现象 称为氢脆断裂 简称氢脆 来源 冶炼过程中溶解在钢水中的氢 焊接过程中由于水分或油污在高弧高温下分解的氢 工作介质中含有氢 断裂方式 延迟断裂断裂温度 100 150 危害 引起材质劣化 52 氢脆类型及其特征1 氢蚀 或称气蚀 高压气泡 H2 CH4 宏观断口 呈氧化色 颗粒状 沿晶 微观断口 晶界明显加宽 沿晶断裂 2 白点 发裂 氢的溶解度 形成气泡体积 将金属的局部胀裂 宏观 断面呈圆形或椭圆形 颜色为银白色 甚至有白线 3 氢化物形成氢化物 凝固 热加工时形成 或应力作用下 元素扩散而形成 氢化物很硬 脆 与基体结合不牢 裂纹沿界面扩展 4 氢导致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象 原因 氢显著降低金属材料的断后伸长率 条件 一定温度范围 慢速加载 恒载 53 54 200 55 500 56 1 2 4苛性脆化概念 金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的氢氧化钠溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象称为苛性脆化 材料在高应力作用下 晶粒本体与晶界产生电位差 当与具有一定浓度的氢氧化钢溶液相接触 晶界部位的铁离子将进入溶液中 与溶液中的氢氧根离子发生电化学反应 破坏形式 肉眼看到的主裂纹上有大量肉眼看不到的分枝细裂纹 特点 设备发生苛性脆化时 裂纹附近的刚才仍有良好的塑性及脆性性能 是锅炉金属的一种特殊腐蚀破坏形式 57 产生条件 1 在材料中需存在较高的局部应力 对于碳素钢高达250MPa 2 需具有较高浓度的氢氧化钢溶液与材料的局部高应力区相接触 并且在溶液中需具有能加速反应的催化剂 3 需具有一定温度 产生部位 一般发生在受压元件的铆接及胀接处 预防方法 1 控制锅水的相对碱度 一般认为 锅水相对碱度不应超过20 否则 会引起脆化 2 防止锅炉部件产生附加应力 3 防止铆缝 胀口处发生泄漏 58 1 2 5应力腐蚀脆性断裂应力腐蚀又称为应力腐蚀开裂 是金属在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种破坏型式 压力容器一般都承受着较大的拉伸应力 它的结构也常常难以避免地存在程度不同的应力集中 而且容器的工作介质又经常是带有腐蚀性的 因此应力腐蚀是压力容器最常见而又最危险的一种破坏型式 59 应力腐蚀开裂过程 60 应力腐蚀裂纹的形貌特征 61 穿晶型应力腐蚀裂纹金相与断口 62 63 64 奥氏体不锈钢应力腐蚀的穿晶断口 Cl 引起的解理断口 800 1000 65 应力腐蚀中常见的沿晶断口 冰糖状 50 66 应力腐蚀开裂的影响因素1 材料因素应尽量选择在所用介质中尚未发现应力腐蚀开型现象或不太敏感的材料 Kiscc较高的材料 通过采用各种强韧化处理新工艺 改变合金相的相组成 相形态及分布 即通过改变金属的成分和组织结构 消除杂质元素的偏析 细化品粒 提高成分和组织的均匀性 提高材料韧性 进而改善金属的抗应力腐蚀性能 2 拉应力一方面在构件的设计时不仅要使工作应力远远低于材料的屈服强度 而且要远远低于材料应力腐蚀临界断型应力 3 环境介质改变生产过程中介质的温度 浓度 杂质含量和pH值 67 应力腐蚀断口的形貌特征 68 69 70 71 2金属学基础 什么是金属 传统的回答 金属是具有良好的导电性 导热性 延展性 塑性 和金属光泽的物质 元素周期表中 已知105种元素 其中83种是金属元素 Sb51锑 Ce58铈 Pr59铺 比较严格的定义是 金属是具有正的电阻温度系数的物质 而所有的非金属的电阻都随着温度的升高而下降 72 73 2 1晶体的基本结构 一 晶体的基本概念在自然界中除了一些少数的物质 如普通玻璃 松香等 以外 包括金属在内的绝大多数固体都是晶体1 晶体所谓晶体是指其原子 离子或分子 在空间呈规则排列的物体 非晶体 晶体 74 2 晶体结构晶体中原子 离子或分子 在空间的具体排列 3 阵点 结点 把原子 离子或分子 抽象为规则排列于空间的几何点 称为阵点或结点 4 点阵在空间的排列方式称为空间点阵 简称点阵 5 晶面点阵中的结点所构成的平面 6 晶向点阵中的结点所组成的直线 晶体结构 75 7 晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格 8 晶胞构成晶格的最基本单元 由于晶体中原子排列的规律性 可以用晶胞来描述其排列特征 9 晶格常数晶胞的棱边长度a b c和棱间夹角 是衡量晶胞大小和形状的六个参数 其中a b c称为晶格常数或点阵常数 其大小用A来表示 1A 10 8cm 若a b c 90 这种晶胞就称为简单立方晶胞 具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格 10 轴间夹角晶胞的棱间交角 称为轴间夹角 76 原子堆垛模型 空间点阵 晶格 晶胞 2 2常见金属的晶体结构类型 77 1 体心立方晶格常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 78 79 2 面心立方晶格常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 80 81 3 密排六方晶格 金属原子分布在六方晶胞的十二个角上和上下底面中心以及两地面之间的三个均匀分布的间隙内 属于密排方晶格的金属有 Zn Mg Be Ti 82 83 晶体的各向异性 各项异性是晶体的一个重要特性 是区别于非晶体的一个重要标志 晶粒 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同 外形不规则的小晶体组成 这些小晶体称为晶粒 沿晶断口 冰糖状 每一颗晶粒由大量位向相同的晶胞组成 晶粒与晶粒存在位向上的差别 晶界 晶粒之间的交界面 2 3金属的实际结构 84 85 86 对于单晶体 由于各个方向上原子排列不同 导致各个方向上的性能不同 即 各向异性 的特点 在一块很小的金属中也含着许多的小晶体 每个小晶体的内部 晶格位向都是均匀一致的 而各个小晶体之间 彼此的位向都不相同 这种小晶体的外形呈颗粒状 称为 晶粒 晶粒与晶粒之间的界面称为 晶界 在晶界处 原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度 总是不规则的 而多晶体对每个小晶粒具有 各向异性 的特点 而就多晶体的整体 由于各小晶粒的位向不同 表现的是各小晶粒的平均性能 不具备 各向异性 的特点 单晶体 一块晶体 其内部的晶格位向完全一致 称这块晶体为单晶体 多晶体 实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为 多晶体 单晶体与多晶体 87 对于单晶体 由于各个方向上原子排列不同 导致各个方向上的性能不同 即 各向异性 的特点 而多晶体对每个小晶粒具有 各向异性 的特点 而就多晶体的整体 由于各小晶粒的位向不同 表现的是各小晶粒的平均性能 不具备 各向异性 的特点 单晶体 多晶体 88 2 4晶体缺陷 实际金属中存在着大量的晶体缺陷 按形状可分三类 即点 线 面缺陷 1 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷 包括 空位 间隙原子 置换原子 89 2 线缺陷 原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大 而在其余两个方向上的尺寸很小 如 位错 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线 由于晶体中局部滑移的方式不同 可形成不同类型的位错 图1 15为一种最简单的位错 刃型位错 因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面 多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口 故称 刃型位错 90 3 面缺陷 原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大 而另一方向上的尺寸很小 如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷 显然在晶界处原子排列很不规则 亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小 但也是不规则的 可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙 这样晶界及亚晶界愈多 晶格畸变越大 且位错密度愈大 晶体的强度愈高 91 晶格缺陷使材料物理 化学性质发生改变 例如周围空位 间隙原子 置换原子的存在引起周围晶格畸变 造成金属屈服点和抗拉强度增高 而位错的存在 则使金属容易塑性变形 强度降低 92 2 5纯金属的结晶 一 冷却曲线与过冷1 冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线 曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的 纯金属结晶的冷却曲线示意图a 理论结晶温度b 实际结晶温度 2 过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0 熔点或平衡结晶温度 在该温度下 液体和晶体处于动平衡状态 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行 93 二 纯金属的结晶过程1 结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团 它们时聚时散 称为晶坯 在T0以下 经一段时间后 即孕育期 一些大尺寸的晶坯将会长大 称为晶核 94 2 晶核的形成方式形核有两种方式 即均匀形核和非均匀形核 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核 自发形核 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核 非自发形核 95 3 晶核的长大方式晶核的长大方式有两种 即均匀长大和树枝状长大 在正温度梯度下 晶体生长以平面状态向前推进 正温度梯度 96 结晶过程 97 2 6铁碳合金的基本知识 通常把钢和铸铁统称为铁碳合金 这是因为钢和铸铁的成份虽然复杂 但基本上是铁和钢两种元素组成 一般把含碳0 02 2 的称为钢 含碳量大于2 的称为铸铁 碳含量对钢铁的性质有决定性的影响 例如 钢的含碳量低 其性质是 强而韧 而普通铸铁的含碳量高 其性质是 弱而脆 钢的熔点高而铸铁的熔点低 等等 可以通过铁碳合金状态图来研究钢铁的有关特性 铁与碳可以形成Fe3C Fe2C FeC等一系列化合物 但含碳量高的铁碳合金很脆 没有实用价值 所以铁碳合金状态图只研究含碳量小于6 67 的部分 这部分铁碳合金系的组元是铁与渗碳体 即Fe Fe3C 98 99 6条线两条磁性转变线 三条等温转变线 其余三条线 GS ES PQ 3个区 5个单相区7个两相区3个三相区 100 其它相线GS GP 固溶体转变线 GS又称A3线 HN JN 固溶体转变线 ES 碳在 Fe中的固溶线 又称Acm线 PQ 碳在 Fe中的固溶线 特征线 液相线 ABCD 固相线 AHJECFD 三条水平线 HJB 包晶线LB H JECF 共晶线LC E Fe3C共晶产物是 与Fe3C的机械混合物 称作莱氏体 用Le表示 为蜂窝状 以Fe3C为基体 性能硬而脆 PSK 共析线 S FP Fe3C共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物 称作珠光体 用P表示 珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布 性能介于两相之间 PSK线又称A1线 101 相区 五个单相区 L Fe3C 七个两相区 L L L Fe3C Fe3C Fe3C 三个三相区 即HJB L ECF L Fe3C PSK Fe3C 三条水平线铁碳合金相图 102 铁素体 碳溶于 铁或 铁中的固溶体 铁和 铁都是体心立方晶格 前者是指温度低于910 的铁 后者是温度在1390 1535 之间的铁 用符号 F 表示 铁素体的溶碳能力极差 在727 溶碳量最大时也仅有0 022 铁素体的强度 硬度不高 具有良好塑性和韧性 在770 以下具有铁磁性 超过770 则丧失铁磁性 769 居里点 金相显微镜下为多边形晶粒 单相 层片状 强度和硬度低 塑性好 力学性能与纯铁相似 机械性能 30 50 70 80 ku 160 200J cm2 b 180 280MPa HBS50 80 103 35CrMo珠光体 铁素体 35钢铁素体 粒状渗碳体 104 奥氏体 碳溶于 铁中的固溶体 用符号 A 表示 奥氏体溶碳能力较大 最大可达2 1l 1148 在727 溶碳量为0 77 在铁碳合金系中 奥氏体仅存在于727 以上的高温范围内 奥氏体不具有铁磁性 单层片状 面心立方晶格 显微镜下为规则多边形晶粒 强度和硬度不高 塑性好 容易压力加工 机械性能 40 60 b 400 50MPa HBS 170 220 Fe 15Ni 5Mn 105 渗碳体 铁和碳的金属化合物 其含碳量为6 67 符号为Fe3C 渗碳体的硬度很高 而塑性和韧性几乎为零 脆性极大 渗碳体在217 以下具有铁磁性 106 珠光体的组织形态 P Fe3C 面心立方体心立方复杂斜方0 77 C0 0218 C6 69 C根据在铁素体基体上分布的渗碳体形状 珠光体可分为片状珠光体和粒状珠光体 含碳量为0 77 的铁碳合金只发生共析转变 其组织是100 珠光体 称为共析钢 含碳量大于0 77 的铁碳合金称为过共析钢 其组织是珠光体P十渗碳体Fe3C 含碳量小于0 77 的铁碳合金称为亚共析钢 其组织是铁素体F 珠光体P 低碳钢是亚共析钢 所以在缓慢冷却条件下 低碳钢的正常组织是铁素体F 珠光体P 碳含量越低 组织中的铁素体的含量就越多 塑性和韧性也就越好 但强度和硬度却随之降低 107 a 光学显微组织 500 b 电子显微组织 8000 珠光体组织 108 根据片层间距的大小 可将片状珠光体细分为以下三类 1 珠光体 在A1 650 范围内形成 层片较粗 片层间距平均大于0 3 m 在放大400倍以上的光学显微镜下便可分辨出层片 2 索氏体 在650 600 范围内形成 层片比较细 片层间距平均为0 1 0 3 m 在大于1000倍的光学显微镜下可分辨出层片 3 屈氏体 在600 550 范围内形成 层片很细 片层间距平均小于0 1 m 即使在高倍光学显微镜下也无法分辨出片层 只有在电子显微镜下才能分辨开层片 109 片状珠光体形核与长大过程示意图 110 2 分枝长大 111 片状P形成过程1 关于P转变的领先相P的形成是形核 长大的结果 领先晶核是F或是Fe3C仍在研究之中 一般认为 亚共析钢的领先相是F 有先析出F 过共析钢的领先相是Fe3C 有先析出Fe3C 共析钢的领先相是F和Fe3C 不论哪一相领先 当过冷A有未溶Fe3C存在时 未溶解的Fe3C就有促进P形成的作用 而先共析F无明显影响 112 2 P的形成 伴随着两个过程 0 77 c 0 02 c Fe3C 6 69 c C的扩散 生成高C的Fe3C和低C的铁素体 晶格的重构 面心立方的奥氏体 体心立方的F和复杂晶格Fe3C 形核部位 A晶粒界上 条件是 晶界上缺陷较多 能量较高 原子易于扩散 由于能量成分 结构上的起伏 在A晶粒边界上产生一小片渗C体 晶粒 113 共析钢珠光体转变示意图 亚共析钢珠光体转变示意图 过共析钢珠光体转变示意图 114 二 珠光体的机械性能 共析碳素钢的珠光体形成温度对片层间距和团直径的影响 115 共析碳素钢珠光体团的直径和片层间距对断裂强度的影响 116 共析碳素钢珠光体团的直径和片层间距对断面收缩率的影响 珠光体团直径和片层间距越小 强度 硬度越高 塑性也越好 117 共析碳素钢不同组织的应力 应变图1 片状珠光体2 粒状珠光体 在退火状态下 对于相同含碳量的钢料 粒状珠光体的强度 硬度比片状珠光体低 塑性 切削加工性和淬火工艺性等比片状珠光体好 118 片状珠光体形态 见图3 1 3 3所示 图3 1片状珠光体 T8钢990 炉冷 500 图3 2片状珠光体 T8钢800 炉冷 1000 图3 3珠光休显微姐织 T8钢退火 580珠光体组织粗细颜色不同 典型组织形态为 厚片状铁素体与薄片状渗碳体交替排列的片层状组织 119 图3 4亚共析钢显微组织 45钢 退火 580铁素体为浅兰颜色 珠光体为多种颜色 120 图3 5 过共析钢显微组织 T12钢 退火 580珠光体 白色网状渗碳体 121 图3 7粒状珠光体 T8钢球化退火 550 粒状珠光体形态 见图3 7 3 8所示 122 二 马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织 马氏体转变是强化钢的重要途径之一 1 马氏体的晶体结构碳在 Fe中的过饱和固溶体称马氏体 用M表示 马氏体转变时 奥氏体中的碳全部保留到马氏体中 马氏体组织 123 2 马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类 板条马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织 光镜下 电镜下 124 马氏体的形态主要取决于其含碳量C 小于0 2 时 组织几乎全部是板条马氏体 C 大于1 0 C时几乎全部是针状马氏体 C 在0 2 1 0 之间为板条与针状的混合组织 125 4 马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程 其主要特点是 无扩散性 共格切变性 降温形成 126 高速长大马氏体形成速度极快 瞬间形核 瞬间长大 当一片马氏体形成时 可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹 转变不完全即使冷却到Mf点 也不可能获得100 的马氏体 127 128 三 贝氏体转变1 贝氏体的组织形态及性能过冷奥氏体在550 230 Ms 间将转变为贝氏体类型组织 贝氏体用符号B表示 根据其组织形态不同 贝氏体又分为上贝氏体 B上 和下贝氏体 B下 光镜下 129 2 贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程 发生贝氏体转变时 首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核 其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间 为过饱和铁素体 130 贝氏体转变 半扩散相变 C 550 Ms A B 上贝氏体 550 350 过饱和片状F 渗碳体下贝氏体 350 Ms 过饱和针状F 弥散 Fe2 4C 131 贝氏体转变 半扩散相变 C 550 Ms A B 上贝氏体 过饱和片状F 渗碳体 性脆无实用价值下贝氏体 过饱和针状F 弥散 Fe2 4C 综合性能好 132 魏氏组织 亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体 在一定的过冷条件下 除了在原来奥氏体晶粒边界上析出块状 Fe外 还有从晶界向晶粒内部生长的片状 Fe 这种片状 Fe与原来的奥氏体有着一定的结晶位向关系 这些在晶粒中出现的互成一定角度或彼此平行的片状 Fe 即为通常所称的亚共析钢的魏氏组织 过热的亚共析钢在较好的冷却速度下容易产生魏氏组织 魏氏组织严重时会使钢的冲击韧性 断面收缩率下降 使钢变脆 可采用完全退火使之消除 133 20Cr钢1100 空冷 45钢1100 空冷 134 135 136 魏氏组织对钢性能影响的正确认识 1 相同奥氏体温度情况下 快冷呈魏氏组织试样较慢冷呈铁素体 珠光体试样有更低的韧 脆性转变温度 更大的韧性储备和较高的冲击韧性 2 奥氏体化后以较快速度冷却形成针状铁素体时 伴随而来的是沿晶的析出物减少 铁素体细化 组织均匀和珠光体呈细片状 因此 魏氏组织不仅不降低而且提高钢的冲击韧性 3 当深冲钢受冲击载荷时 首先在沿晶分布的析出物旁产生微孔 相邻微孔的连接成为裂纹 裂纹沿解理面穿过铁素体 在针状铁素体中部沿针的长轴扩展 同珠光体相遇时 裂纹受到较大阻力 4 过热形成的粗晶降低钢的冲击韧性 但魏氏组织改善钢的冲击韧性 不能把过热组织和魏氏组织等同看待 137 带状组织 概念 经热加工后低碳结构钢显微组织中 铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织 带状组织使钢的机械性能呈各向异性 并降低钢的冲击韧性和断面收缩率 138 常见金相组织 20 显微组织 工业纯铁显微组织 139 45钢 60钢 T12 140 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 141 热处理 将固态金属及合金按预定的要求进行加热 保温和冷却 以改变其内部组织 从而获得所要求性能的一种工艺过程 2 7锅炉压力容器常用热处理工艺 分类普通热处理 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 特殊热处理 形变 真空 光亮 142 箱式电阻炉 连续式热处理炉 143 台车式电阻炉 144 1 退火的定义将金属工件缓慢加热到一定的温度 温度范围根据不同的退火方法而定 保持一定时间后缓慢冷却 通常是炉中冷却至600 左右出炉空冷 下来的热处理工艺称退火 缓慢冷却的目的是以获得接近至平衡状态的组织结构 所得到的组织为P均匀组织 2 退火的目的 1 降低硬度 改善切削加工性 2 消除锻 轧后的应力 稳定尺寸 3 为淬火做好组织准备 4 消除各种缺陷 改善组织 如枝晶偏折等化学成分不均匀等 145 加热温度范围 工艺曲线 146 3 退火工艺的分类1 热温度分两大类 第一类为临界温度 退火温度在临界Ac1以下 的退火 软化退火 再结晶退火 去应力退火等 第二类为温度 温度在Ac1或Ac3以上 退火 完全退火 不完全退火 均匀化退火 扩散退火 球化退火 相变重结晶退火 2 按加热冷却方式及所用设备可分 加热炉退火 盐浴炉退火 火焰退火 氢气退火 3 零件退火体积可分 整体退火 局部退火 4 按零件表面状态可分 黑皮退火及光亮退火 147 常用退火工艺的温度范围 148 a 一次加热球化退火 b 等温球化退火 c 往复球化退火 149 150 正火的定义 目的和分类 正火工艺规范示意图 1 正火的定义 将钢件加热到AC3或Acm以上30 50 保温适当时间后在空气中冷却下来的工艺 称为正火 151 2 正火的目的1 消除锻 轧后的应力 2 细化晶粒 均匀组织 为最终热处理做好组织准备 3 改善组织 提高性能 如消除网状K 大块F等组织缺陷 3 正火的作用正火可以作为对性能要求不高的工件的最终热处理 常用于碳钢和低合金钢 1 共析钢正火后可消除网状K 2 碳钢正火后显著改善切削加工性 152 3 高C钢 中高合金钢正火降低硬度 消除应力 得到良好加工性 4 对于渗碳件 锻造件 正火后可细化组织 减小变形 5 共析C钢 合金钢 正火可消除自由渗C体 以便随后球化退火获得匀的球状K 6 铸件 锻件进行两次以上正火 第一次 AC3 150 200 第二次略低于AC3 使A晶粒细化 得到细P 153 4 退火 正火后的组织性能1 退火与正火后组织上的区别 1 正火的珠光体比退火珠光体的片间距小 领域也小 如共析钢退火珠光体平均片层间距约0 5 m 正火细珠光体片层间距约为0 2 m 154 2 正火冷速较快 先共析产物 自由铁素体 渗碳体 不能充分析出 即先共析析出相数量较平衡冷却时要少 同时由于奥氏体的成分偏离共析成分而出现伪共析组织 如含碳0 4 钢在平衡冷却时为45 铁素体十55 珠光体 而在正火后为30 铁素体十70 珠光体 此时的伪珠光体中合碳量为0 65 对于过共析钢而言 退火后的组织为珠光体十网状碳化物 正火时网状碳化物的析出受到抑止 从而得到全部细珠光体组织 或沿晶界仅析出一部份条状碳化物 不连续网状 155 3 合金钢退火后不易形片状珠光体而形成粒状珠光体 4 正常规范下通过退火 正火均使钢的晶粒细化 但如果加热温度过高 使奥氏体晶粒粗大 在正火后极易形成魏氏体组织 在退后则形成粗晶粒的组织 如含碳0 5 的碳钢 经正火后晶粒度由原来的3级细化到6级 156 退火 正火后的力学性能 对于亚共析钢 正火与退火后的强度则可由下式表达 0 2 100 p 1 100 式中 自由铁素体的体积分数 自由铁素体的屈服极限 p 珠光体的屈服极限 钢中珠光体含量越多 强度 硬度越高 韧性下降 临界脆化温度提高 157 退火 正火的缺陷 5 退火石墨碳 出现石墨团 见后图5 10 6 网状K 7 网状F 4 脱C 表层大量铁素体 见后图5 10 1 过热 典型特征晶粒异常粗大 3 球化不完全 2 硬度偏高 158 退火与正火的选择 正火与退火的主要区别在于冷却速度不同 正火冷却速度较大 得到的珠光体组织很细 因而强度和硬度也较高 正火主要应用于以下几个方面 消除网状二次渗碳体 所有的钢铁材料通过正火 均可使晶粒细化 而原始组织中存在网状二次渗碳体的过共析钢 经正火处理后可消除对性能不利的网状二次渗碳体 以保证球化退火质量 作为最终热处理 对于机械性能要求不高的结构钢零件 经正火后所获得的性能即可满足使用要求 可用正火作为最终热处理 159 改善切削加工性能 对于低碳钢或低碳合金钢 由于完全退火后硬度太低 一般在170HB以下 切削加工性能不好 而用正火 则可提高其硬度 从而改善切削加工性能 所以 对于低碳钢和低碳合金钢 通常采用正火来代替完全退火 作为预备热处理 总之 从改善切削加工性能的角度出发 低碳钢宜采用正火 中碳钢既可采用退火 也可采用正火 含碳0 45 0 6 的中碳钢则必须采用完全退火 过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火 160 不同成分的钢退火正火后机械性能 161 1 定义 将亚共析钢加热到Ac3以上 共析钢与过共析钢加热到Ac1以上 低于Accm 的温度 保温后以大于Vk的速度快速冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火 钢的淬火 2 目的 提高钢的硬度 强度和耐磨性并保持足够的韧性 3 工艺参数 加热温度 162 加热温度 Ac3 Ac1 30 50 保温合金钢 油或空冷 得M Fe3C A 碳钢 水冷 得细小M A 163 164 淬火方法 单液淬火 直冷 简单易操作双液淬火 先快后慢 降低应力分级淬火 快 恒 快 应力极低等温淬火 得到B下 工模具 弹簧 局部淬火 量具等的局部区域冷处理 70 80 降低A残 稳定尺寸 165 a 单液淬火b 双液淬火c 分级淬火d 等温淬火 淬火工艺曲线 166 4 淬火后的最终组织 5 淬火的冷却介质与冷却方法 淬火操作难度比较大 主要因为淬火时要求得到马氏体 冷却速度必须大于钢的临界冷却速度 Vk 而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力 往往会引起钢件的变形与开裂 怎样才能既得到马氏体又最大限度地减小变形与避免开裂呢 主要可以从两方面着手 其一是寻找一种比较理想的淬火介质 其二是改进淬火冷却方法 常用的淬火冷却介质 水 矿物油 盐水溶液等 167 6 钢的淬硬性与淬透性 淬硬性 指钢在淬火后所能达到的最高硬度 影响钢的淬硬性的因素主要取决于马氏体的含碳量 淬透性 是指钢在淬火时所能得到的淬硬层 马氏体组织占50 处 的深度 影响钢的淬透性的因素 主要是临界淬火冷却速度VK的大小 VK越大 钢的淬透性越小 168 影响淬透性的因素 碳含量 在碳钢中 共析钢的临界冷速最小 淬透性最好 亚共析钢随碳含量减少 临界冷速增加 淬透性降低 过共析钢随碳含量增加 临界冷速增加 淬透性降低 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 因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好 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 钢中未溶入奥氏体中的碳化物 氮化物及其它非金属夹杂物 可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 169 淬硬性与淬透性的关系 170 1 定义 钢件淬火后 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叫做回火 钢的回火 2 目的 消除内应力 获得所需的力学性能 稳定组织和尺寸 3 淬火钢在回火时的组织转变 马氏体的分解 当钢加热到80 200 时 其内部原子活动能力增强 马氏体中的过饱和碳开始以碳化物的形式逐步析出 马氏体晶格畸变程度减弱 内应力下降 此时回火组织称回火马氏体 残余奥氏体分解 当钢加热到200 时 残余奥氏体开始分解 转变成下贝氏体或回火马氏体到300 残余奥氏体分解基本结束 171 3 淬火钢在回火时的组织转变 渗碳体的形成 当钢加热300 400 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 当温度达到400 时 Fe中过饱和碳已基本析出 内应力也基本消除 此时铁素体和细粒状渗碳体的混合物称为回火托氏体 渗碳体的聚集长大 400 以上时 颗粒状渗碳体不断长大 数目不断减少 通常把这种状态下的渗碳体铁素体的混合物称为回火索氏体 172 4 回火的分类 淬火 高温回火 调质处理 173 回火钢的组织和性能转变 174 钢的硬度随回火温度的变化 175 5 回火脆性 右图是随着回火温度的升高 钢的冲击韧性的变化规律 从图中我们可以看出 在250 350 和500 650 钢的冲击韧性明显下降 这种脆化现象称为回火脆性 176 低温回火脆性 淬火钢在250 350 范围内回火时出现的脆性叫做低温回火脆性 也叫第一类回火脆性 几乎所有的钢都存在这类脆性 这是一种不可逆回火脆性 目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性 所以一般都不在250 350 这个温度范围内回火 高温回火脆性 淬火钢在500 650 范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性 也称为第二类回火脆性 这种脆性主要发生在含Cr Ni Si Mn等合金元素的结构钢中 这种脆性与加热 冷却条件有关 加热至600 以上后 以缓慢的冷却速度通过脆化温度区时 出现脆性 快速通过脆化区时 则不出现脆性 此类回火脆性是可逆的 在出现第二类回火脆性后 重新加热至600 以上快冷 可消除脆性 177 固溶化处理 将奥氏体不锈钢加热至1100 左右的高温并保温 使所有碳化物充分溶入奥氏体中 然后以较快的速度冷却 一般采用水冷或风冷 以获得碳化物完全固溶于奥氏体基体内均匀的单相组织 从而提高抗晶间腐蚀性和延展性的工艺方法 稳定化处理含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850 900 加热 并保温一段时间 然后空冷 使碳充分与稳定化元素 如钛 形成碳化物 并使奥氏体晶内元素扩散均匀 从而提高抗晶间腐蚀性能的处理方法 178 敏化温度区不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关 1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系 当加热温度小于450 或大于850 时 不会产生晶间腐蚀 因为温度小于450 时 由于温度较低 不会形成碳化铬化合物 而当温度超过850 时 晶粒内的铬扩散能力增强 有足够的铬扩散至晶界和碳结合 不会在晶界形成贫铬区 450 850 称 敏化温度区 其中尤以650 为最危险 179 180 热处理视频 181 轴承热处理视频 182 3锅炉压力容器常用材料 锅炉和压力容器都是在承压状态下运行 材料要承受较大的工作应力 有些还要同时承受高温或腐蚀性介质的作用 工作条件更为恶劣 如果在使用过程中发生破坏性事故 将会造成严重损失 因此时制作锅炉压力容器的材料有一定的要求 这些要求包括 1 为保证安全性和经济性 所用材料应有足够的强度 即较高的屈服极限和强度极限 2 为保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏 所用材料应有良好的韧性 根据使用状态的不同 材料的韧性指标包括常温冲击韧性 低温冲击韧性以及时效冲击韧性等 3 所用材料应有良好的加工工艺性能 包括冷热加工成型性能和焊接性能 4 所用材料应有良好的低倍组织和表面质量 分层 疏松 非金属夹杂物 气孔等缺陷尽可能少 不允许有裂纹和白点 5 用以制造高温受压元件的材料应具有良好的高温特性 包括足够的蠕变强度 持久强度和持久塑性 良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性 6 与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能 183 按含碳量分类 碳钢可分为 1 低碳钢 含碳量 0 25 2 中碳钢 含碳量 0 25 0 6 3 高碳钢 含碳量 0 6 按钢的质量分类 碳钢可分为 1 普通碳素钢 含硫量 0 050 含磷量 0 045 2 优质碳素钢 含硫量 0 040 含磷量 0 040 3 高级优质碳素钢 含硫量 0 030 含磷量 0 035 按钢的用途分类 碳钢可分为 1 碳素结构钢 主要用于制作各种工程结构件和机器零件 一般为