材料组织结构与性能课程复习课件.ppt

材料的结构组织与性能材料的性能材料的结构材料的组织材料的组织和结构决定性能但成分 冶金质量 表面 内部 缺陷也有影响 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质 是人们生活及组成生产工具的物质基础 1 三大材料金属材料 无机非金属材料和有机高分子材料2 材料的性能分类 一 金属材料金属材料通常是指由金属元素 金属与金属或金属与非金属元素构成的材料 分为黑色金属材料和有色金属材料两类 黑色金属材料钢和铸铁钢按照化学成分分为碳素钢和合金钢 按照品质分为普通钢 优质钢和高级优质钢 按照冶炼方法分为平炉钢 转炉钢 电炉钢 按照用途分为建筑及工程用钢 结构钢 工具钢 特殊性能钢及专业用钢 铸铁通常分为灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等 钢铁是现代工业中的主要金属材料 在机械产品中占整个用材消耗的60 以上 有色金属材料指除Fe以外的其他金属及其合金 这些金属约有80余种 分为轻金属 相对密度小于5 重金属 相对密度大于5 贵金属 类金属和稀有金属五类 工程上最重要的有色金属是Al Cu Zn Sn Pb Mg Ni Ti及其合金 有色金属材料的消耗虽然只占金属材料总消耗的5 但是因为它们具有优良的导电 导热性 同时相对密度小 化学性质稳定 耐热 耐腐蚀 因而使得它们在工程上占有重要地位 材料可有多种分类方法 1 按状态分 材料有气态 液态和固态三大类 工程技术中最普遍使用的是固态材料 2 按材料组成和结合键的性能 把材料分为金属材料 高分子材料 陶瓷 无机非金属材料 以及半导体材料四大类 3 按照材料特性 可将他们分为金属材料 无机非金属材料和有机高分子材料三类 金属材料包括各种纯金属及其合金 塑料 合成橡胶 合成纤维等称为有机高分子材料 还有许多材料 如陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 既不是金属材料 又不是有机高分子材料 人们统称它们为无机非金属材料 此外 人们还发展了一系列将两种以上的材料通过特殊方法结合起来而构成的复合材料 4 按照材料所起的作用 可分为结构材料和功能材料两类 5 按照使用领域的不同 又可将它们分为建筑材料 电子材料 医用材料 仪表材料 能源材料等等 金属材料具有如下基本特性 1 结合键为金属键 常规方法生产的金属为晶体结构 2 在常温下一般为固体 熔点较高 3 具有金属光泽 4 纯金属具有良好的延展性 塑性 5 金属合金具有高的强度和韧性 6 具有良好的导热和导电性 7 多数金属在空气中易被氧化 金属材料具有如下基本特性 1 结合键为金属键 常规方法生产的金属为晶体结构 2 在常温下一般为固体 熔点较高 3 具有金属光泽 4 纯金属具有良好的延展性 塑性 5 金属合金具有高的强度和韧性 6 具有良好的导热和导电性 7 多数金属在空气中易被氧化 高分子材料的基本特性 1 结合键主要为共价键 2 分子量大 无明显的熔点 有玻璃化转变温度 粘流温度 并有热塑性和热固性两类 3 力学状态有玻璃态 高弹态和粘流态 强度较高 4 质量轻 5 良好的绝缘性 6 优越的化学稳定性 7 成型方法较多 复合材料的基本特点 1 比强度和比模量高 2 良好的抗疲劳性能 3 耐烧蚀性和耐高温性好 4 结构件减振性能好 描述过冷奥氏体恒温冷却时的温度 时间 相变曲线称为恒温冷却转变曲线 time temperature transformationcurve 简称TTT曲线 因其形状像英文字母 C 故又称C曲线 材料的物理性能材料的物理性能 physicalproperty 包括热性能 电性能 磁性能和光学性能等 金属及合金的主要物理性能有密度 熔点 膨胀系数 导电性 导热性 和电磁性等 由于工程结构和机械零件的用途各异 除了力学性能的基本要求外 往往还有不同的物理性质的要求 例 航空机械 要求有低的密度 精密铸造金属及合金 要求有低的膨胀系数 熔断器用保险丝 要求有低的熔点 电热器用金属丝 要求有高的电阻 导线 要求良好的导电性能 电机和变压器的铁芯材料 要求磁通大 磁损小 3 材料的力学性能材料的力学性能 Mechanicalproperty 是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素 温度 介质和加载速度 联合作用下所表现出来的行为 强度指标 b s 0 2 1 塑性指标 韧性指标ak KIC硬度指标HRC金属材料的力学性质决定与材料的化学成分 组织结构 冶金质量 残余应力及表面和内部缺陷等内在因素 也决定与载荷性质 静载荷 冲击载荷 交变载荷 应力状态 拉 压 弯 扭 剪等 温度和环境介质等外在因素 强度指标强度指材料或结构承受外力而不发生变形和破坏的能力1 弹性变形阶段的强度指标在应力应变曲线的e点之前是弹性变形阶段 其变形是可逆的 变形随着载荷的卸除而消失 此阶段有如下两个力学性能指标 1 弹性极限 e proofstress 即e点对应的应力 表征材料产生最大弹性变形的应力 超过此点 材料开始产生塑性变形 弹性极限由下式计算 e Fe A0 MPa 式中 Fe为e点对应的载荷 A0为试样原始截面积 2 弹性模量 Young smodulus 在弹性阶段应力和应变呈线性关系 即二者存在 E 的关系 其中比例系数E即是弹性模量 工程上弹性模量被称为刚度 rigidity 表征材料抵抗弹性变形的能力 其值越大 则在相同应力下产生的弹性变形越小 机械构件的稳定性越高 塑性变形阶段的强度指标 屈服极限 s s Fs A0 MPa 屈服强度 0 2 0 2 F0 2 A0 MPa 2 抗拉强度 tensilestrength 抗拉强度是应力应变曲线上b点对应的应力 表征材料所能承受的最大应力 对于脆性材料 由于屈服强度与抗拉强度相差不大 多以抗拉强度作为设计指标 抗拉强度由下式计算 b Fb A0 MPa 3 断裂阶段的强度指标断裂强度 fracturestrength 即应力应变曲线上K点对应的应力 虽然该指针在机械设计中意义不大 但作为断裂研究却具有很重要的参考价值 疲劳极限 1 fatiguelimit 材料常用的疲劳性能指标是疲劳极限 表征材料在交变载荷作用下无限循环而不发生疲劳断裂的最大应力 K 塑性 plasticproperty 塑性是指金属材料断裂前发生永久性变形的能力 延伸率是试样拉断后的标距绝对伸长与原始标距长度之比 用 表示断面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比 用符号 表示 韧性韧性 ductility 是材料的重要性能从断裂力学的角度看 韧性是表征材料抵抗裂纹扩展的能力 高韧性的材料 即便机械构件用材内部有裂纹 该裂纹也难于扩展 机械构件处于安全状态 从强度与塑性的关系看 高的韧性要求材料的强度和塑性都要好 因此韧性又是表征材料强度和塑性的综合力学性能指标 断裂韧度断裂韧度 fracturetoughness 是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标 冲击韧度为 ak Ak AN J m2 常用的断裂韧度为临界应力场强度因子KICKIC Y c ac MPa m1 2 断裂韧性的应用 1 探测出裂纹形状和尺寸 根据KIC 制定零件工作是否安全KI KIC 失稳扩展 2 已知内部裂纹2a 计算承受的最大应力 3 已知载荷大小 计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸 疲劳断裂分类1 高周疲劳2 低周疲劳3 热疲劳4 高温疲劳5 接触疲劳6 腐蚀疲劳7 扭转疲劳 弯曲疲劳 拉压疲劳 脉动疲劳 硬度 硬度 hardness 是表征材料软硬程度的力学性能 其物理意义随试验方法的不同而不同 布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS由于洛氏硬度采用不同的压头和主载荷 因此可以搭配出多种不同的组合 称为洛氏硬度的标尺 其中使用最多的是C标尺 HRC广泛用于热处理车间对淬火钢的硬度测定 4 应力应变曲线 从应力应变曲线可看出材料的大概力学性能 在拉伸载荷作用下 材料经由弹性变形 屈服 塑性变形 断裂等几个阶段 加工硬化金属经塑性变形 其机械性质将发生明显的变化 即随着变形程度的增加 金属的强度 硬度增加 而塑性 韧性下降 如图4 10所示 这一现象称为加工硬化 workhardening 或形变硬化 strainhardening 5 金属的键结构原子结构决定金属性质 金属的原子结构特征是最外层电子少 易于脱落 而形成自由电子 freeelectron 自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云 cloudofelectrons 电子云带有负电 另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子 因此 电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合 这种结合叫做金属键 metallicbond 金属晶体因为有自由电子的存在 其导电性 导热性好 并且结合力的方向性小 原子会尽量高密度排列 富于延展性 强度的变化范围大 6 金属的晶体结构一晶体结构的基本概念金属在固态下通常都是晶体 晶体指其内部原子 分子或离子 在三维空间作有规则的周期性重复排列的物体 晶体结构 crystalstructure 金属的许多特性都与晶体中原子 分子或离子 的排列方式有关 因此分析金属的晶体结构是研究金属材料的一个重要方面 三种常见的晶体结构面心立方结构 face centeredcubic 简写为 fcc 体心立方结构 body centeredcubic 简写为 bcc 密排六方结构 hexagonalclosed packed 简写为 hcp 7 单晶体与多晶体實際應用的金屬材料通常都是由很多晶粒組成的 叫多晶體 圖為純鐵的顯微鏡組織 是由許多類似多角形的顆粒組成 這些小顆粒稱爲晶粒 crystalgrain 晶粒之間的界面稱爲晶界 圖2 10各晶粒位向示意 晶粒 晶界 实际工程金属均是多晶体错排区域 晶界 8 实际金属中的晶体缺陷 1 点缺陷 pointdefect 其特征是三个方向上的尺寸都很小 相当于原子的尺寸 例如空穴 vacancy 填隙型原子 interstitialatom 置换型原子 substationatom 等 2 线缺陷 linedefect 其特征是在两个方向上的尺寸很小 另一个方向上的尺寸相对很大 属于这一类缺陷的主要是位错 dislocation 3 面缺陷 interfacialdefect 其特征是在一个方向上的尺寸很小 另两个方向上的尺寸相对很大 例如晶界 亚晶界 subgrainboundary 等 9 金属的塑性变形 单晶体的塑性变形1 滑移在切应力的作用下 晶体的一部分沿一定晶面 滑移面 slipplane 的一定晶向 滑移方向 slipdirection 相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移 滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上 并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行 滑移系 晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成系统 晶体中的滑移系越多 意味着其延展性越好 注 实际金属的滑移过程就是位错运动的过程 因此凡是阻碍位错运动的因素都阻碍滑移的进行 从而使金属的塑性下降 强度升高 一般滑移系愈多的金属塑性就愈好 滑移在金属表面的台阶 其大小为滑移方向上两原子间距 柏氏矢量的模 的倍数 滑移伴随着晶体的转动 2 塑性变形的方式之二 孪生 10 金属冷变形和加热后组织结构的变化 塑性变形金属在加热时组织和性质的变化金属经过塑性变形 会发生 1 加工硬化现象 2 纤维组织和织构 3 产生残余内应力 将冷变形金属加热后的变化 回复 再结晶和晶粒长大由于变形金属内部存在严重的晶格畸变 原子处于不稳定状态 本身就有向稳定状态转变的倾向 加热时 原子的活动扩散能力提高了 促使其向稳定状态转变 并使金属的组织结构和性质发生变化 这种变化可分为回复 recovery 再结晶 recrystallization 和晶粒长大 graingrowth 这三个阶段 如图4 11所示 11 金属的热加工如前所述 冷塑性变形引起的加工硬化 可以通过加热发生再结晶来加以消除 如果金属在再结晶温度以上进行压力加工 那么塑性变形所引起的加工硬化就可以立即被再结晶过程所消除 在再结晶温度以上的加工称为热加工 在再结晶温度以下的加工称为冷加工 在热加工过程中 金属内部同时进行着加工硬化和再结晶软化这两个相反的过程 不过此时的再结晶是在加工的同时发生的 称为动态再结晶 它与上一节介绍的冷加工后退火时发生的再结晶是不尽相同的 有时在热加工过程中硬化和软化这两个因素不能刚好全部抵消 热加工使金属的组织和性能发生很大的变化 1 热加工可以使铸态金属中的气孔焊合 从而使其致密度得以提高 2 热加工可以使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶粒破碎 从而使其晶粒细化 机械性质得以提高 3 热加工可以使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂的分布发生改变 使它们沿着变形的方向细碎拉长 形成所谓热加工 流线 从而使金属的机械性质具有明显的各向异性 纵向上的性质显著优于横向上的 因此 热加工时应力求工件流线分布合理 图4 17 a 为锻造曲轴的合理流线分布 1 塑性变形使得晶粒变形拉长形成纤维组织 2 冷变形导致的纤维组织有利于提高钢材沿某个方向的的抗力 冷塑变使金属产生形变织构金属塑性变形量足够大时 还会使晶粒发生转动 即各晶粒的某一晶向都不同程度地转到与外力相近的方向 从而使多晶体中原来任意位向的各晶粒取得接近于一致的位向 形成所谓 择优取向 这种各晶粒晶向作定向排列的组织称为形变织构 根据加工方式的不同 织构分为两种 一种是在拉拔时形成的丝织构 其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行 另一种是在轧制时形成的板织构 其特征是各晶粒的某一个晶面平行于轧制平面 而某一晶向平行于轧制方向 织构的形成使多晶体金属出现各向异性 在冲压复杂形状零件 如汽车覆盖件等 时 产生不均匀塑性变形而可能导致工件报废 但在某些情况下 织构也有好处 例如 可以利用织构现象来提高硅钢板的某一方向的磁导率 使其在用于制造变压器铁芯时使变压器的效率大大提高 名词解释 1 相化学成分 晶体 结构 性能相同且有界面与其他部分隔开的均匀组成部分 2 组织用放大镜或显微镜观察到的材料的宏观或微观形貌图像 如宏观组织 微观组织 金相组织 单相组织 多相组织 3 合金两种或两种以上的金属 金属与非金属 经熔炼 烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质 如铝合金 铜合金 合金钢 硬质合金等 4 组元组成合金的独立的最基本的物质 合金相结构 相 是构成金属合金组织的基本单元 如果组织只由一种相构成 称为 单相组织 否则为 多相组织 单相组织 多相组织 12 合金相的分类 13 固溶体如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解 则在液态合金凝固时 组元的原子将共同地结晶成一种晶体 晶体内包含有各种组元的原子 晶格的形式与其中一组元相同 这样 这些组元就形成了固溶体 晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂 solvent 其它组元为溶质 solute 由此可见 固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中 并保持溶剂晶格类型而形成的相 溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体 如同在这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换 所以称为置换式固溶体当溶质原子比较小时 如碳 氢 氮 硼等 它们插入晶格空隙而形成的固溶体称为间隙固溶体 金属化合物 在合金中 当溶质含量超过固溶体的溶解度时 除了形成固溶体外 还将形成晶体结构不同于任一组元的新相 称为金属化合物 拉伸强度 b屈服强度 0 2伸长率 断面收缩率 布氏硬度HB碳在铁中的固溶体碳在 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 F或 碳在 Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 A或 铁碳化合物Fe3C称为渗碳体 是一种具有复杂结构的间隙化合物转变产物是 和Fe3C的机械混合物 称为莱氏体 Ld 在PSK水平线 727 发生共析转变 转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物 称为珠光体 Pearlite 用符号P表示 马氏体是钢中组织中的硬度之冠贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物 在350 Ms范围内 贝氏体呈针叶状 它是由针叶状的过饱和铁素体和分布在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物 称之为 下贝氏体 14 固溶强化 形变强化 加工硬化 的概念 15 铁碳合金相图中钢的室温平衡组织及铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 马氏体等的概念 珠光体 過共析鋼的室溫平衡組織 共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織 過共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織 亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織 随含碳量的增加铁碳合金室温组织变化情况 平衡组织 奥氏体 铁素体 非平衡组织 珠光体 索氏体 屈氏体 上贝氏体 下贝氏体 马氏体 钢的非平衡组织不仅与组织结构有关 还与冷却方式和冷却速度有关 Fe C相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形 其获得的组织称为平衡组织 它不能用于分析在不同的冷却速度下的组织变化 实际上 同样成分的钢加热到奥氏体温度后再以不同冷却速度冷却 其性能相差很大 下面以共析钢为例 V1 V2 V3 V4 试分析图中4种不同冷却速度所得到的组织不同的服役条件下工作 工件截面受力亦不同 故组织也应不同 V1 PV2 SV3 S T B上 B下 M A V4 M A 16 钢的非平衡组织及C曲线 影响C曲线的位置和形状的因素如下 1 含碳量的影响亚共析钢与过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线 见图5 13 5 14 由图可知 亚共析钢的C曲线比共析钢多一条先共析铁素体析出线 比过共析钢多一条二次渗碳体的析出线 在一般热处理加热条件下 碳使亚共析钢的C曲线右移 使过共析钢的C曲线左移 2 合金元素的影响除Co以外 钢中所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性 使C曲线右移 不形成碳化物或弱碳化物形成元素 如Si Ni Cu和Mn 只改变C曲线的位置 不改变C曲线的形状 碳化物形成元素如Mo W V Ti等 当它们溶入奥氏体以后 不仅使C曲线的位置右移 而且使C曲线呈两个 鼻子 即把珠光体转变和贝氏体转变分开 中间出现一过冷奥氏体稳定性较大的区域 3 加热温度和保温时间的影响加热温度越高 保温时间越长 奥氏体越均匀 提高了过冷奥氏体的稳定性 使C曲线右移 钢在加热时的相变将金属材料通过加热 保温 冷却以获得不同非平衡组织的工艺叫 热处理 热处理通常是由加热 保温和冷却三个阶段组成的 加热是热处理的第一道工序 对于钢来说 大多数热处理过程首先必须将其加热到奥氏体状态 然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能 通常把钢加热到奥氏体温度 使之转变成奥氏体的过程称为钢的 奥氏体化 奥氏体化是通过 热处理 使钢的组织发生变化的基础 加热时形成奥氏体的化学成分 均匀化程度及晶粒大小直接影响钢在冷却后的组织和性能 因此 研究钢在加热时的组织相变规律 控制和改进加热规范以改变钢在高温下的组织状态 对于充分挖掘钢材性能潜力 保证热处理产品质量有重要意义 钢在冷却时的相变钢从奥氏体状态冷却的过程是热处理的关键工序 因为钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织 因此 研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的相变规律 对于正确制定钢的热处理冷却工艺 获得预期的性能具有重要的实际意义 在实际热处理过程中 常用的冷却方式有两种 一是连续冷却 即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续冷却至室温 在连续冷却过程中完成的组织相变 称为连续冷却相变 二是恒温冷却 即将钢件迅速冷到临界点以下某一温度 恒温保持一定时间后再冷至室温 在保温过程中完成的组织相变 称为恒温相变 17 针状马氏体与上贝氏体的区分18 获得全马氏体的基本条件及结构钢中加入合金元素的主要目的 针状马氏体与下贝氏体的区别 马氏体是碳在 Fe中的过饱和固溶体针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定 针状马氏体针叶之间往往呈60或120度 下贝氏体无一定度数 针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透 下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透 在560 350 范围内 贝氏体呈羽毛状 它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物 称之为 上贝氏体 用B上表示 上贝氏体硬度很高 可达40 45HRC 但由于铁素体片较粗 且呈平行排列 故延展性 韧性较差 在工程上应用较少 18MnMoNb钢 化学成份 C0 19 Si0 28 Mn1 55 Mo0 51 Nb0 029 1070 加热 350 等温1分钟后水冷 上贝氏体 羽毛状贝氏体 试样磨面取自纵向 图中有明显的灰色条状夹杂为 Fe Mn S 800 60Si2Mn钢 化学成份 C0 59 Si1 77 Mn0 68 1100 加热 380 等温90秒钟 细致的羽毛状贝氏体 由于与磨面间所成的切角不同 丝条间距有粗细之别 x550 含碳1 70 Cr0 50 Si1 35 Mn0 75 的钢 自1100 淬水 白色针状者为针状马氏体 灰色背景为残余奥氏体 回火温度不同 钢的组织也不同区分钢与铁的根据 通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁 即含碳量小于2 11 为碳钢 大于2 11 为铸铁 castiron 按Fe Fe3C系结晶的铸铁 称为白口铸铁 whitecastiron 在结构钢中 加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性 注 不同的钢具有不同形状的C曲线 形成马氏体的条件冷却速度大于马氏体的临界冷却速度即 V Vk 马氏体的形态特征和性能特征 1 形态特征 M一般不超过A晶界 因此A晶粒越细小M也越细小 低碳钢和中碳钢多为板条状马氏体 在电镜下可看到每根条束内存在大量位错 故板条状马氏体又叫位错马氏体 高碳钢多为针状马氏体 在电镜下每一针片上可看到大量微细孪晶 故又叫孪晶马氏体 回火回火是将淬火钢重新加热至A1点以下某一温度 保温一定时间后 以适当的方式冷却至室温的热处理工艺回火的目的1 稳定组织 回火是紧接淬火的一道工艺 如前所述 在淬火过程中 钢中的过冷奥氏体转变为马氏体 并有部分残余奥氏体 马氏体和奥氏体都极不稳定 在使用过程中会发生转变 引起工件尺寸和形状的变化 2 淬火钢的硬度高 脆性大 具有较大的内应力 不宜直接使用 回火的目的就是减少或消除内应力 提高钢的韧性和延展性 3 保证相应的组织转变 选择不同的回火温度 获得硬度 强度 延展性和韧性的适当配合 以满足不同工件的性质要求 淬火 高温回火 调质处理 广泛用于承受交变载荷的机械零件 19 什么叫回火组织 回火组织有哪些 20 区分钢与铁的根据 区分白口铸铁与灰口铸铁的根据 21 什么叫灰铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁 22 影响铸铁性能的因素 灰铸铁灰铸铁 graycast iron 是一种断面呈深灰色 石墨形状为片状 应用最为广泛的铸铁 见图 灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用 石墨尖端易形成应力集中 在所有铸铁中 是石墨形状最差的一种 牛眼状球墨铸铁 图9 5各类球墨铸铁铸件 铁素体可锻鑄鐵石墨形態 团絮状G 图9 7可锻铸铁铸件 蠕虫状石墨 图9 10蠕墨铸铁件 灰铸铁 graycast iron 是一种断面呈深灰色 石墨形状为片状 应用最为广泛的铸铁 见图 灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用 石墨尖端易形成应力集中 在所有铸铁中 是石墨形状最差的一种 球状石墨铸铁 spheroidalgraphiteiron 是指石墨形状为球形的铸铁将白口铸铁经石墨化退火处理 使其渗碳体分解为团絮状石墨所得到的铸铁叫可锻铸铁 ductilecastiron 石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁 vermicularcastiron 蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间 在光学显微镜下呈短杆状 1 固溶强化合金元素加入纯铝中后 形成铝基固溶体 导致晶格发生畸变 增加了位错运动的阻力 由此提高铝的强度 合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关 其中 Zn Ag Mg的溶解度较高 超过10 其次是Cu Li Mn Si等 溶解度大于1 一般说来 固溶度越高 获得的固溶强化效果就越好 23 石墨形态对铸铁性能的影响 24 铝合金的主要强化手段 1 固溶强化 2 沉淀强化 3 过剩相强化 4 细晶强化25 什么叫黄铜 白铜 青铜 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金 铜锌二元合金称为普通黄铜 若再加入其它某些元素 则称为特殊黄铜 以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜 普通白铜是Cu Ni二元合金 主要用于制造船舶仪器零件 化工机械零件及医疗器械等 特殊白铜是在Cu Ni合金基础上 加入Zn Mn Al等元素 以提高强度 耐蚀性和电阻率 以除锌及镍以外的元素为主要合金元素的铜合金统称为青铜 铝合金的主要强化手段 1 固溶强化合金元素加入纯铝中后 形成铝基固溶体 导致晶格发生畸变 增加了位错运动的阻力 由此提高铝的强度 合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关 其中 Zn Ag Mg的溶解度较高 超过10 其次是Cu Li Mn Si等 溶解度大于1 一般说来 固溶度越高 获得的固溶强化效果就越好 2 沉淀强化单纯的固溶强化效果毕竟是有限的 铝合金要想获得较高的强度 还得配合其它强化手段 沉淀强化便是其中的主要方法 这种方法也称时效强化 沈淀强化是利用合金元素在铝中具有较大固溶度且固溶度随温度降低而急剧减小的特点 将铝合金加热到某一温度后急冷 通称淬火 得到过饱和固溶体 再将这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度 基体中可沉淀出弥散强化相 使合金的强度和硬度随时间的延长而增高而塑性和韧性降低 下表为常用铝合金的主要沉淀强化相 3 过剩相强化当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时 合金在淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体而以第二相出现 称为过剩相 这些过剩相多为硬而脆的金属间化合物 它们在铝合金中起阻碍位错滑移和运动的作用 使合金的强度和硬度提高 而塑性和韧性降低 铝合金中的过剩相在一定限度内 数量越多 其强化效果越好 但当过剩相超过该限度时 合金由于过脆反而导致其强度急剧降低 4 细晶强化在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金机械性质的另一种手段 细化组织可以是细化铝合金固溶体基体 包括细化晶粒 亚结构及增加位错密度 也可以是细化过剩相 对于不能沉淀强化或沉淀效果不大的铝合金 常采用变质处理的方法来细化组织 从而提高合金的强度和塑性 26 简述 脆性断裂 与 韧性断裂 的特征以及它们宏观断口与微观断口的特征 脆性断裂及断口脆性断裂是危害极大的断裂方式 往往造成灾难性后果 其断裂特征是突发和不可遏止 断裂前无明显的塑性变形 裂纹扩展所需能量较小 脆性断裂的主要断裂方式有 解理断裂 准解理断裂 沿晶断裂韧性断裂及断口金属及其合金材料断裂前具有明显塑性变形的断裂称为韧性断裂 其断口称为韧性断口 韧性断裂的最大特点是材料在断裂过程中发生较明显的塑性变形 裂纹扩展需要较大的能量 一 解理断裂是指晶体材料在拉应力作用下沿着一定的结晶学平面发生的分离过程 其断口称为解理断口 一定的结晶学平面称为解理面 有时解理面兼作滑移面或孪晶面 对同一晶体材料在不同的条件下可沿不同的晶面解理 解理断裂是典型的脆性断裂的断裂方式 一 宏观端口1 小刻面解理断口上的结晶面在宏观上是呈现无规则取向的 当断口在强光下转动时可见到闪闪发光的特征 这些发光的小平面称为 小刻面 解理断口是由许多 小刻面 组成的 根据这个宏观形貌特征容易判别解理断口 2 放射状条纹解理断口中的放射状条纹是由不在同平面上的无数微裂纹在快速扩展时互相交接而形成的 放射状条纹的放射方向为裂纹的扩展万向 其收敛处为裂源 3 人字条纹板材 容器及管道等构件脆性断裂时 其断口上常可观察到人字条纹 人字条纹的收敛方向指向裂源 其反向为裂纹的扩展方向 二 解理断裂的微观特征1解理台阶 金属及合金的解理断裂 很少沿一个解理面发生开裂 在多数情况下 解理裂纹是跨越若干个互相平行的解理面以不连续方式开裂的 如解理裂纹沿两个互相平行的解理面扩展 则在两个解理平面之间将形成解理台阶2 河流花样解理台阶形成的组合条纹 其形状象河流状 因而被称为河流花样 它是解理断口突出的微观形貌特征 河流花样在裂纹扩展时倾向于合并 并指出了裂纹的局部扩展方向 其相反方向为河流花样裂源的位置 河流花样在合并时互相抵消或产生一条较大的解理台阶 通常河流花样起源于晶界或孪晶界处 3 舌状花样 解理断口的另一个微观形貌特征是舌状花样 舌状花样一般是在钢铁材料的解理面上观察到形状象舌头的微观形貌特征 舌状花样的形成是由体心立方晶系材料沿着孪晶面产生二次解理或局部塑性形变撕裂的结果 4 扇形花样在很多的材料中 解理面并不是等轴的 而是沿着裂纹扩展方向伸长 使断口形成扇形或羽毛状花样 在一个晶粒内 河流花样有时以裂纹源为中心 解理河流花样以扇形的方式向外扩展 故把这种花样称为解理扇形花样 在多晶体中 扇形花样在各个晶粒内可重复出现 5 鱼骨状花样在解理断口中还存在着类似青色骨的花样 它主要是在体心立方金属中发现的 6 瓦纳线它通常在体心立方结构的金属材料的断口上被观察到 瓦纳线是由脆性裂纹的前沿线与弹性脉冲的交互作用而形成的 一 准解理断口的宏观形貌特征准解理断口宏观形貌比较平整 基本上无塑性变形或塑性变形较小 呈现脆性的状态 一般说来其宏观特征近似于解理断口的宏观形貌特征 例如圆形光滑拉伸试样断面收缩率为2 5 的拉伸断口 属于准解理断口 二 准解理断口的微观形貌特征准解理断裂的微观形貌是介于脆性与塑性之间的断口形态 因此它近似于解理断口 亦具有解理台阶 撕裂脊线 舌状花样等形貌特征 但是在微观上又有较大的塑性变形 其河流花样一般是由撕裂脊线所形成的 这就是准解理断裂表现出的韧性或塑性 沿晶断裂的宏观断口呈现结晶状闪光颗粒 或呈现出石状断口 沿晶断裂的微观断口呈现冰糖状花样 一 韧性断口的宏观形貌特征1 纤维状标记韧性断口最突出的形貌特征是具有纤维状标记 呈现暗灰色 凹凸不平的外貌 2 剪切唇剪切唇是韧性断裂的另一个宏观形貌特征 剪切唇部分往往呈现倾斜断面 断口较光滑 类似鹅毛状形态 3 塑性变形标记韧性断口最大的宏观标记既有较大的塑性变形特征 如圆柱状试样的拉伸断裂的引起的缩颈或 杯锥状 断口 二 韧性断裂的微观断口形态特征1 韧窝2 蛇形花样在某些金属材料的断口中 由于较大塑性变形后 沿滑移面分离 而形成起伏弯弯曲的条纹等形貌 一般称为蛇行花样 它通常是由于交叉滑移的结果 若应变继续下去 某些蛇行花样展开 形成较光滑的涟波状花样和无特征区域 轴承合金轴承是用以支承各种转动轴类零件 经受交变载荷并与轴颈发生滑动摩擦的零件 轴承分为滚动轴承与滑动轴承两类滑动轴承在许多机械设备中广泛应用 与滚动轴承相比滑动轴承具有承压面积大 工作平稳 无噪声以及装拆方便等优点 滑动轴承由轴承体和轴瓦组成 为了保证轴瓦的强度和耐磨性 往往采用在钢质轴瓦内侧浇铸或轧制一层薄而均匀的内衬 制造铀瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金 轴瓦的服役条件对其性能的要求 1 优良的耐磨性 2 良好的耐疲劳性和适当的强度 3 合适的表面性能 包括抗咬合性 亲油性 藏嵌性 4 顺应性 抽承合金对于安装误差和轴 轴孔变形等因素的适应能力 1 2要求轴承合金应是硬金属 而3 4则要求其为软金属 要兼顾硬和软相结合的性能要求 理想的轴承合金组织应是在软基体上均匀分布着硬质点 或是在硬基体上均匀分布软质点的多相组织为宜 硬的组织对轴起支承作用和抗磨作用 而软的组织易被磨损后形成凹凸 可储存润滑油 有利于形成连续的油路 保证良好的润滑条件和低的摩擦系数 这样的合金组织使轴承工作时会很快磨合保证机械设备安全 平稳地运转 典型 锡基轴承合金其组织特点是软基体加硬质点组成铜基轴承合金其组织特点是在硬基体上分布着软质点 压机离合器旋转接头进气阀断裂分析 分析及结论1 材料选用ZL201 化学成分合格 根据金相组织 固溶处理不够充分 有较多的 CuAl2 相 建议采用T4处理 增加材料的韧性 2 断裂件的断裂属高周疲劳断裂 裂纹起于排气孔 见图5 但未见诸如夹杂空洞等异样情况 瞬断区小 说明疲劳断裂过程中应力不大 3 材质基本正常 断裂原因主要是结构因素 其一 无圆弧到角导致的应力集中 其二 排气孔非均布导致的充气不均引起的弯曲应力 连铸机结晶轮失效分析60Si2Mn钢板簧断裂分析 结论产生断裂的主要原因为 1 钢的强度过低 可能是回火温度太高