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金属材料基础知识 金属材料的基本定义 金属材料 是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料 纯金属金属材料合金 金属材料的性能 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 金属材料的性能 使用性能 力学性能 力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力 应变关系的性能 如弹性 强度 硬度 塑性 韧性等 强度概念 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 通过拉伸试验测得大小 强度的大小通常用应力来表示 F S 应力Pa1Pa 1N m21MPa 106Pa按载荷的作用方式不同 强度可分为 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 和抗扭强度 注意 一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标 拉伸实验 金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定 GB T228 1 2010 1 拉伸试样 2 力 伸长曲线 以低碳钢试样为例 3 脆性材料的拉伸曲线 1 拉伸试样 GB6397 86 长试样 L0 10d0 短试样 L0 5d0 万能材料试验机a WE系列液压式b WDW系列电子式 2 力 伸长曲线 弹性变形阶段0p 屈服阶段ss 颈缩现象bz 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线 强化阶段s b a 试样 b 伸长 c 产生缩颈 d 断裂 拉伸试样的颈缩现象 3 脆性材料的拉伸曲线 与低碳钢试样相对比 脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象 强度指标 1 屈服点 s材料产生屈服时的最小应力 单位为MPa s Fs A0式中 Fs是屈服时的最小载荷 N A0是试样原始截面积 对于无明显屈服现象的金属材料 如高碳钢 铸铁 测量屈服点很困难 工程上经常采用残余伸长为0 2 原长时的应力 0 2作为屈服强度指标 称为规定残余伸长应力 0 2 F0 2 A0 2 抗拉强度 b材料在拉断前所承受的最大应力 单位为MPa 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力 也是设计机械零件和选材的主要依据 b Fb A0式中 Fb是试样断裂前所承受的最大载荷 N 强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力 一般钢材的屈服强度在200 1000MPa之间 强度越高 表明材料在工作时越可以承受较高的载荷 当载荷一定时 选用高强度的材料 可以减小构件或零件的尺寸 从而减小其自重 因此 提高材料的强度是材料科学中的重要课题 称之为材料的强化 塑性金属材料在载荷的作用下 产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性 通过拉伸试验测得的常用塑性指标有 断后伸长率和断面收缩率 主要指标 1 断后伸长率 2 断面收缩率 断后伸长率 由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率 数值不同 因此应注明试样尺寸比例 如 10 试样L0 10d0 5 试样L0 5d0 断面收缩率 和 是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小 一般认为 5 的材料为塑性材料 如低碳钢 5 的为脆性材料 如灰铸铁 塑性对材料的意义 1 是金属材料进行压力加工的必要条件 2 提高安全性 因为零件在工作时万一超载 也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂 强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标 在金属材料的工程应用中 要提高强度 就要牺牲一部分塑性 反之 要改善塑性 就必须牺牲一部分强度 正所谓 鱼和熊掌二者不能兼得 但通过细化金属材料的显微组织 可以同时提高材料的强度和塑性 硬度 硬度 硬度试验方法 压入法 它是材料性能的一个综合的物理量 表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 材料抵抗表面局部塑性变形的能力 1 布氏硬度试验 布氏硬度计 原理 用一定直径的球体 淬火钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入待测材料表面 保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力 测量材料表面压痕直径 以计算硬度的一种压痕硬度试验方法 2 布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示 如 120HBS500HBW 4 测量范围用于测量灰铸铁 结构钢 非铁金属及非金属材料等 布氏硬度 3 优缺点 1 测量值较准确 重复性好 可测组织不均匀材料 铸铁 2 可测的硬度值不高 3 不测试成品与薄件 4 测量费时 效率低 1 洛氏硬度试验 洛氏硬度计 原理 用金刚石圆锥或淬火钢球 在试验力的作用下压入试样表面 经规定时间后卸除试验力 用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验 2 洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示 可从表盘上直接读出 如 50HRC其中A B C为不同的标尺 4 测量范围用于测量淬火钢 硬质合金等材料 洛氏硬度 3 优缺点 1 试验简单 方便 迅速 2 压痕小 可测成品 薄件 3 数据不够准确 应测三点取平均值 4 不应测组织不均匀材料 如铸铁 1 维氏硬度试验 原理 用夹角为136 的金刚石四棱锥体压头 使用很小试验力F 49 03 980 07N 压入试样表面 测出压痕对角线长度d 2 维氏硬度值用压痕对角线长度表示 如 640HV 4 测量范围常用于测薄件 镀层 化学热处理后的表层等 维氏硬度 3 优缺点 1 测量准确 应用范围广 硬度从极软到极硬 2 可测成品与薄件 3 试样表面要求高 费工 冲击韧性 强度 硬度 塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现 材料在工作时还经常受到动载荷的作用 冲击载荷就是常见的一种 在设计和制造受冲击载荷的零件和工具 如锻锤 冲床 铆钉枪等 时 必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外 还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短 加载速率高 应力集中 由于加载速率提高 金属形变速率也随之增加 冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性 示例 玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂 说明其冲击韧性很低 冲击试验 冲击试样冲击试验原理冲击韧性的表示方法 如不能制备标准试佯 可采用宽度7 5mm或5mm等小尺寸试祥 试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同 缺口应开在试样的窄面上 其中5mm 10mm 55mm试样常用于薄板材料的检验 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同 但其缺口轴线应当垂直焊缝表面 原理 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定 试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上 将摆锤升至高度H1 使其具有势能mgH1 然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断 并向另一方向升高至H2 这时摆锤的势能为mgH2 所以 摆锤用于冲断试样的能量AK mg H1 H2 即为冲击功 焦耳 J 材料冲击韧性的表示方法 按照国标GB T229 2007 U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV 并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径 如KU2 其单位是焦耳 J 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出 冲击吸收能量的值越大 材料的韧性越大 越可以承受较大的冲击载荷 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大 材料的韧性越大 越可以承受较大的冲击载荷 一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料 冲击吸收能量高的材料称为韧性材料 缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造 锻造 焊接及热处理等热加工工艺的质量 用来评定材料的冷脆倾向 测定韧脆转变温度 设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度 冲击试验的应用 冲击试验的应用 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力 因此对某些特殊服役条件下的零件 如弹壳 装甲板 石油射孔枪等 有一定的参考价值 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标 不能直接用于零件和构件的设计计算 但它是一个重要参考 所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能 ReL Rr0 2 Rm A Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标 低温脆性 随温度降低 材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 冷脆 材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象 对压力容器 桥梁 汽车 船舶的影响较大 低温脆性 冲击韧性与温度有密切的关系 温度降低 冲击韧性随之降低 当低于某一温度时材料的韧性急剧下降 材料将由韧性状态转变为脆性状态 这一温度称为转变温度 Tt 转变温度 Tt 越低 表明材料的低温韧性越好 对于在寒冷地区使用的材料要十分重要 金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大 一般的碳素钢 其韧脆转变温度 Tt 大约为 20 某些合金钢的韧脆转变温度 Tt 可达 40 以下 TITANIC 建造中的Titanic号 TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关 1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号 Titanic 首航沉没于冰海 成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难 20世纪80年代后 材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究 回答了80年的未解之谜 由于Titanic号采用了含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 当船在冰水中撞击冰山时 脆性船板使船体产生很长的裂纹 海水大量涌入使船迅速沉没 下图中左面的试样取自海底的Titanic号 冲击试样是典型的脆性断口 右面的是近代船用钢板的冲击试样 提高冲击韧性的途径 冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量 所以提高材料的冲击韧性的途径有 改变材料的成分 如加入钒 钛 铝 氮等元素 通过细化晶粒来提高其韧性 尤其是低温韧性 提高材料的冶金质量 减少偏析 夹渣 气泡等缺陷 疲劳强度 疲劳概念 在交变应力作用下 零件所承受的应力低于材料的屈服点 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳 1998年6月3日 德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故 一列高速列车脱轨 造成100多人遇难 事故的原因已经查清 是因为一节车厢的车轮 内部疲劳断裂 引起的 首先是一个车轮的轮箍发生断裂 导致车轮脱轨 进而造成车厢横摆 此时列车正好过桥 横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断 造成桥梁坍塌 压住了通过的列车车厢 并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开 而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上 从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故 变动载荷和循环应力 1 变动载荷 引起疲劳破坏的外力 指载荷大小 甚至方向均随时间变化的载荷 其在单位面积上的平均值即为变动应力 变动应力可分为规则周期变动应力 也称循环应力 和无规则随机变动应力两种 金属疲劳产生的原因 a 应力大小变化b c 应力大小和方向都变化d 应力大小和方向无规则变化 1 平均应力 2 应力幅 疲劳断裂零件在循环应力作用下 在一处或几处产生局部永久性累积损伤 经一定循环次数后突然产生断裂的过程 称为疲劳断裂 疲劳断裂由疲劳裂纹产生 扩展 瞬时断裂三个阶段组成 尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂 但实际上它们是一个逐渐失效的过程 从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间 疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成 即疲劳裂纹产生区 裂纹源 裂纹扩展区和最后断裂区 疲劳断口 3 疲劳断口 当应力低于某值时 材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂 此应力称为材料的疲劳极限 记作 R R为应力比 就是S N曲线中的平台位置对应的应力 通常 材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下 R 1 测定的 对称弯曲疲劳极限记作 1 4 疲劳强度 疲劳曲线 实验证明 一般钢铁材料所受交变应力最大值 max与其失效前的应力循环次数 疲劳寿命 N的曲线关系 若疲劳曲线上没有水平部分 常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限 对一般低 中强度钢 107周次对高强度钢 108周次对铝合金 不锈钢 108周次对钛合金 107周次 在工程中 有时根据零件寿命的要求 在规定的某一循环周次下 测出 max 并称之为疲劳强度 实际上就是条件疲劳极限 在工程中 有时根据零件寿命的要求 在规定的某一循环周次下 测出 max 并称之为疲劳强度 实际上就是条件疲劳极限 提高疲劳极限的途径 1 在零件结构设计中尽量避免尖角 缺口和截面突变 2 提高零件表面加工质量 3 对材料表面进行强化处理 物理性能 密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性 化学性能 耐蚀性抗氧化性化学稳定性 金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力 金属 材料 及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能 1 流动性 熔融金属的流动能力称为流动性 主要受金属化学成份和浇注温度等的影响 2 收缩性 铸件在凝固和冷却过程中 其体积和尺寸减小的现象称为引缩性 3 偏析倾向 金属凝固后 内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析 铸造性能 锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能 铸铁不能锻压 焊接性能 大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性 切削加性能 切削加工 性能 金属材料的难易程度称为切削加工性能 金属的晶体结构1 晶体与非晶体 固体物质按其原子排列的特征 可分为晶体和非晶体 非晶体的原子作不规则的排列 如松香 玻璃 沥青等 晶体的原子则按一定次序作有规则的排列 如金刚石 石墨及固态金属和合金 性能差异 晶体具有一定的凝固点和熔点 非晶体没有 晶体具有各向异性 非晶体各向同性等 简单总结 原子作有序排列 有固定的熔点 各向异性 原子作无序排列 没有固定的熔点 各向同性 固态的金属和合金都是晶体 晶格 原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的单元 晶格常数 a b c单位 埃 2 晶体结构的基础知识1 晶格 把每个原子看成一个点 结点 把这些点用直线连接起来 所形成一个空间格子 2 晶胞 能代表整个晶格中原子排列规律的最小单元 3 晶格常数 晶胞中各棱边的长度 及夹角 简单立方晶格与晶胞示意图 a 晶体中原子排列 b 晶格 c 晶胞简单立方晶格与晶胞示意图 原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示 4 晶面 通过原子中心的平面 5 晶向 通过原子中心的直线所指的方向 3 常见的金属晶格类型1 体心立方晶格 a b c 90 常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 体心立方晶胞模型 晶胞 晶胞原子数 2 面心立方晶格 常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 面心立方晶胞模型 晶胞 晶胞原子数 3 密排六方晶格 常见金属 Mg Zn Be Cd等 密排六方晶胞模型 晶胞 晶胞原子数 4 金属的实际晶体结构1 晶体缺陷 金属晶体中 原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域 称为晶体缺陷 1 点缺陷 点缺陷示意图 2 线缺陷 线缺陷就是晶格中的位错现象 常见的位错类型有刃型位错 螺型位错等 如图所示 位错也引起晶格畸变 金属强度与位错密度的关系是 位错的存在可降低理想晶体的强度 大量的位错又可使其强度提高 生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度 透射电镜观察钛合金中的位错线 高分辨率电镜观察刃位错 白点为原子 3 面缺陷 表面 界面晶界是不同位向晶粒的过度部位 宽度为5 10个原子间距 晶界的过渡层结构示意图 面缺陷示意图 面缺陷 孪晶 双晶 2 多晶体结构单晶体 晶体内部的晶格方位完全一致 晶粒 外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体 晶界 晶粒之间的界面 多晶体 许多晶粒组成的晶体结构 工业上使用的金属都是 由许多小晶体 晶粒 组成的多晶体 多晶体的晶粒和晶界示意图 二 金属的结晶过程和同素异构转变1纯金属的结晶 1 结晶的概念 液态金属转变为固态晶体的过程 2 纯金属的冷却曲线 过冷现象过冷是结晶的必要条件 过冷度 T T0 T12 纯金属的结晶过程 纯金属结晶过程示意图液态金属 温度降至熔点附近 自发形核 核心长大 液态金属消失 基本过程 形核 长大 即晶核的生成和晶核的长大 3 金属结晶后晶粒的大小对金属力学性能的影响一般来说 晶粒愈细 晶界愈多 晶格排列方向犬牙交错 相互咬合 增强金属结合力 因此金属的强度和硬度愈高 同时塑性和韧性也愈好 细化晶粒的途径1 增加过冷度 冷却速度愈大 过冷度愈大 形核数量愈多 晶粒愈细 2 变质处理 在实际生产中 通过向金属液中加入某些物质 称为变质剂 在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核 从而获得细小的铸造晶粒 这种处理方法称为变质处理 3 振动 对正在结晶的金属施以机械振动 超声波振动和电磁振动 均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心 提高形核率 使晶粒细化 4 金属的同素异构转变一种金属能以几种晶格类型存在的性质 叫做同素异构性 如Fe Co Ti等 固态金属随温度不同而改变其晶格类型的过程 称为金属的同素异构转变 4 热处理 5 压力加工 因为钢铁发生同素异构转变 因而可以对钢铁进行热处理 铁的同素异构转变 金属铸锭的组织特点 细等轴晶区液体金属注入锭模时 由于锭模温度不高 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 结果 在金属的表层形成一层厚度不大 晶粒很细的细晶区 金属铸锭的组织特点 柱状晶区细晶区形成的同时 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 金属铸锭的组织特点 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 三 合金的晶体 相 结构1合金的基本概念1 合金 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质 2 组元 指组成合金的最基本的 能独立存在的物质 如化学元素 金属化合物 3 合金系 指有相同组元 而成分比例不同的一系列合金 4 相 在金属或合金中 具有相同成分且晶格结构相同 并与其他部分有界面分开的均匀组成部分 相与相之间有明显的界面 合金中常见的相有 液相 纯金属 固溶体和金属化合物等 2合金组织1 固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的晶体 1 置换固溶体 溶质原子替代溶剂原子的某些位置 所形成的固溶体 溶质原子与溶剂原子直径相差不大时 才能置换 可形成无限固溶体 2 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中形成固溶体 溶质原子小 与溶剂原子直径比为 0 59 溶解度有限 固溶体的两种类型 a 置换固溶体 b 间隙固溶体 3 固溶体的力学性能不论形成置换固溶体还是间隙固溶体 由于溶质原子和溶剂原子大小不一 化学性质也不尽相同 都造成固溶体的晶格畸变 导致固溶体的强度和硬度升高 即发生固溶强化 2 金属化合物 合金各组成元素之间相互作用 并按一定的整数比化合而成的一种新的具有金属性质的物质 可用分子式表示 如Fe3C WC等 特点 1 其晶格类型和性能不同于任一组元 2 一般具有更复杂的晶体结构 熔点高 硬而脆 3 能提高合金的强度 硬度和耐磨性 但降低合金的塑性 3 机械混合物 各组元既不相互溶解 又不形成化合物 而是按一定的重量比以混合方式存在 机械混合物既可以是纯金属 固溶体或金属化合物各自的混合物 也可以是它们之间的混合物 Fe C相图 Fe C相图 表示在缓慢冷却 或缓慢加热 的条件下 不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形 铁素体 F 碳原子溶入 Fe中形成的间隙固溶体 称做铁素体 由于体心立方格的 Fe的晶体格间隙半径只有0 036nm 而碳原子半径为0 077nm 所以铁素体对碳的溶解度很小 在727 时最大固溶度为0 02 而在室温时固溶度几乎降为零 铁素体的力学性能与纯铁相近 由此可见 铁素体有优良的塑性和韧性 但强度 硬度较低 在铁碳合金中是软韧相 铁素体是912 以下的平衡相 也称做常温相 在铁碳相图中用符号F表示 奥氏体 A 碳原子溶入 Fe中形成的间隙固溶体 称做奥氏体 具有面心立方格的 Fe的间隙半径为0 052nm 比 Fe的间隙稍大 在1148 时碳原子在其中的最大固溶度为2 11 随着温度的降低 碳在 Fe中的固溶度下降 在727 时是0 77 奥氏体是727 以上的平衡相 也称高温相 在高温下 面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性 所以碳钢具有良好的轧 锻等热加工工艺性能 在铁碳相图中 奥氏体通常用符号A表示 奥氏体 渗碳体 Fe3C 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物 它的晶体结构复杂 属于复杂八面体结构 分子式为Fe3C 含碳量6 69 渗碳体的硬度很高 HV800 但极脆 塑性和韧性几乎是零 强度Rm 30Mpa左右 在铁碳合金中 它是硬脆相 是碳钢的主要强化相 渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响 它在铁碳合金中可以呈片状 粒状 网状和板状形态存在 在高温时 钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应 析出石墨态的碳 Fe3C 3Fe C 石墨 过共晶白口铁 共析钢 珠光体是铁素体与碳光体的混合物 符号 P 是铁素体和渗碳体片层相间 交替排列 溶碳能力 在727 时 C 0 77 性能特点 取决于铁素体和渗碳体的性能 强度较高 硬度适中 具有一定的塑性 珠光体 P 莱氏体 Ld 莱氏体是含碳量为4 3 的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物 符号 Ld 高温莱氏体 温度 727 由于奥氏体在727 时转变为珠光体 所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体 L d表示 溶碳能力 C 4 3 性能特点 硬度很高 塑性很差 Fe Fe3C相图 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L A L Fe3C 6 69 C A Fe3C Ld Ld Fe3C A Ld Fe3C F A F A Fe3C F Fe3C P P F P Fe3C Ld Ld Fe3C P Ld Fe3C K 共晶相图 共析相图 匀晶相图 P Fe3C 铁碳合金状态图的分析 特性点 3 钢 铁分界点E 2 11 C 1 共晶点C1148 4 3 C共晶成分反应式 Lc AE Fe3C 共晶体 即高温莱氏体Ld 2 共析点S727 0 77 C共析成分反应式 As Fp Fe3C共析 共析体 即珠光体 特征线 液相线 ABCD 固相线 AHJECF 三条水平线 727 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 三个三相区 即HJB L ECF L Fe3C PSK Fe3C 三条水平线 相区 五个单相区 L Fe3C 七个两相区 L L L Fe3C Fe3C Fe3C 典型铁碳合金的结晶过程 珠光体 1 共析钢的结晶过程 室温组织为 P F Fe3C 2 亚共析钢的结晶过程 L L A A A F先共析AS 0 77 C P室温组织为 P F 亚共析钢室温下的组织为F P 在0 0218 0 77 C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加 20钢组织 40钢组织 60钢组织 3 过共析钢的结晶过程 室温组织 P Fe3C T12钢组织 一 含碳量对碳钢室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为 含碳量对碳钢组织与性能的影响 二 含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加 P量增加 钢的强度 硬度升高 塑性 韧性下降 0 77 C时 组织为100 P 钢的性能即P的性能 0 9 C Fe3C 为晶界连续网状 强度下降 但硬度仍上升 2 11 C 组织中有以Fe3C为基的Ld 合金太脆 三 含碳量对工艺性能的影响 切削性能 中碳钢合适 可锻性能 低碳钢好 焊接性能 低碳钢好 铸造性能 共晶合金好 热处理性能 第四章介绍 四 铁碳合金相图的应用 1 选材料方面的应用 2 制定热加工工艺方面的应用 在铸造生产方面 根据相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度 在锻造生产方面 可确定始锻 终锻温度 在焊接方面 可分析碳钢的焊接组织 对热处理来说 可确定加热范围 钢的热处理 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热 保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺 热处理的原理及分类 现象 放在水中冷却的一根钢丝硬而脆 很容易折断 放在空气中冷却的一根较软 有较好的塑性 可以卷成圆圈而不断裂 实验说明 虽然钢的成分相同 加热的温度也相同 但采用不同的冷却方法 却得到了不同的力学性能 这主要是因为在不同冷却速度的情况下 钢的内部组织发生了不同的变化 热处理的分类 热处理方法虽然很多 但任何一种热处理工艺都是由加热 保温 和冷却三个阶段所组成的 热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示 这种曲线称为热处理工艺曲线 钢在加热及冷却时的组织转变 一 钢在加热时的组织转变二 钢在冷却时的组织转变 一 钢在加热时的组织转变 1 钢在加热和冷却时的相变温度 在加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点 在冷却时要低于平衡状态下的临界点 加热时的各临界点 Ac1 Ac3和Accm冷却时的各临界点 Ar1 Ar3和Arcm 2 奥氏体的形成 钢在加热时的组织转变 主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程 形核 长大 残余渗碳体溶解 均匀化 3 奥氏体晶粒的长大 晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行 二 钢在冷却时的组织转变 两种冷却方式 等温处理连续冷却 1 奥氏体的等温转变 奥氏体在A1线以上是稳定相 当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体 这是一种不稳定的过冷组织 只要经过一段时间的等温保持 它就可以等温转变为稳定的新相 这种转变就称为奥氏体的等温转变 共析钢等温转变曲线图 1 高温等温转变 珠光体型转变区 2 中温等温转变 贝氏体型转变区 3 低温连续转变 马氏体型转变区 珠光体型转变区 贝氏体型转变区 马氏体型转变区 1 珠光体型转变区 高温等温转变 共析钢的过冷奥氏体在A1 550 温度范围内 过冷奥氏体将发生奥氏体向珠光体型的转变 即转变为铁素体和渗碳体 珠光体粗片层状铁素体和渗碳体的混合物 片层间距大于0 4 m一般在500倍以下的光学显微镜下即可分辨 索氏体索氏体为细片状珠光体 片层较薄间距在0 4 0 2 m 一般在800 1000倍的光学显微镜下才可分辨 屈氏体屈氏体是极细片状的珠光体 片层极薄间距小于0 2 m 只有在电子显微镜下 5000倍 才能分辨出它们呈片状 2 贝氏体型转变区 中温等温转变 在550 Ms温度范围内 因转变温度较低 原子的活动能力较弱 转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和分散的渗碳体 或碳化物 所组成的混合物 称为贝氏体 用符号B表示 贝氏体有上贝氏体 B上 和下贝氏体 B下 之分 3 马氏体型转变区 低温连续转变 当钢从奥氏体区急冷到MS以下时 奥氏体便开始转变为马氏体 由于转变温度低 原子扩散能力小 在马氏体转变过程中 只有 Fe向 Fe的晶格改变 而不发生碳原子的扩散 因此 溶解在奥氏体中的碳 转变后原封不动地保留在铁的晶格中 形成碳在 Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 用符号M表示 2 奥氏体的连续冷却转变 v1 随炉冷却 退火 v2 空冷 正火 v3 油冷 油冷淬火 v4 水冷 水冷淬火 热处理的基本方法 一 退火与正火二 淬火与回火 一 退火与正火 机械零件一般的加工工艺顺序 作用 消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力 可以改善材料的切削性能 为随后的切削加工及热处理 淬火 回火 做好组织准备 1 退火 退火 将钢加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 一般随炉冷却 的热处理工艺 常用退火方法 完全退火球化退火去应力退火 退火目的 降低硬度 提高塑性 以利于切削加工和冷变形加工细化晶粒 均匀组织 为后续热处理作好组织上的准备消除残余内应力 防止工件的变形与开裂 2 正火 正火 将钢加热到 c3或 ccm以上30 50 保温适当的时间后 在空气中冷却的工艺方法 亚共析钢 正火目的是细化晶粒 均匀组织 提高机械性能 力学性能要求不高的普通结构零件 正火可作为最终热处理 低 中碳结构钢 调整硬度 改善切削加工性能 高碳过共析钢 正火的目的是消除网状渗碳体 有利于球化退火 为淬火做好组织准备 加热温度范围 热处理工艺曲线 1 完全退火2 球化退火3 去应力退火4 正火 二 淬火与回火 1 钢的淬火 淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上的适当温度 经保温后快速冷却 冷却速度大于v临 以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 目的 获得马氏体组织 提高钢的强度 硬度和耐磨性 1 淬火加热温度的选择 碳钢淬火温度范围 亚共析钢 Ac3以上30 50 过 共析钢 Ac1以上30 50 2 淬火冷却介质的选择 淬火的冷却速度必须大于该钢种的临界冷却速度 冷却中要避免引起钢件的变形和开裂 冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是 慢 快 慢 3 常用的淬火方法 单液淬火法双介质淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火 4 钢的淬透性与淬硬性 淬透性 规定条件下 钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力 淬硬性 钢在理想的淬火条件下 获得马氏体后所能达到的最高硬度 取决于钢的临界冷却速度 临界冷却速度越低 则钢的淬透性越好 钢的临界冷却速度又主要取决于其化学成份 取决于含碳量的高低 低碳钢淬火的最高硬度低 淬硬性差 高碳钢淬火的最高硬度高 则淬硬性好 5 钢的淬火缺陷 氧化与脱碳过热和过烧变形与开裂硬度不足软点 2 钢的回火 回火 将淬火后的钢重新加热到Ac1点以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 降低淬火钢的脆性和内应力 防止变形或开裂 调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变 获得不同需要的机械性能 目的 1 回火时的组织转变 钢 45钢 的回火组织 回火马氏体 回火屈氏体 回火索氏体 40钢的力学性能与回火温度的关系 随着加热温度的升高 钢的强度 硬度下降 而塑性 韧性提高 回火钢的性能只与加热温度有关 而与冷却速度无关 2 回火的分类及应用 低温回火中温回火高温回火 调质 生产中淬火及高温回火相结合的热处理工艺 钢的表面热处理 一 表面淬火二 化学热处理 汽车变速齿轮 传动齿轮轴 一 表面淬火 表面淬火 仅对工件表层进行淬火的热处理工艺 原理 通过快速加热 使钢的表层奥氏体化 在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火 适用 中碳钢 中碳合金钢 方法 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬 电接触加热表面淬火 激光加热表面淬火 1 火焰加热表面淬火 应用氧 乙炔 或其他可燃气体 火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺 特点 加热温度及淬硬层深度不易控制 易产生过热和加热不均匀 淬火质量不稳定 不需要特殊设备 适用于单件或小批量生产 2 感应加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应 使工件表面受到局部加热 并进行快速冷却的淬火工艺 特点 1 加热速度快 2 淬火质量好 3 淬硬层深度易于控制 易实现机械化和自动化 适用于大批量生产 二 化学热处理 化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 不仅改变了钢的组织 而且表面层的化学成分也发生了变化 因而能更有效地改变零件表层的性能 根据渗入元素分 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗金属等 1 钢的渗碳 钢的渗碳 将钢件置于渗碳介质中加热并保温 使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺 目的 提高钢件表层的含碳量 渗碳后处理 淬火及低温回火 工艺路线 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 分类 固体渗碳 盐浴渗碳 气体渗碳 气体渗碳 将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层显微组织 由表面向中心 过共析组织 共析组织 亚共析组织 过渡层 中心仍为原来的亚共析组织 2 钢的渗氮 渗氮 在一定温度下 使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 目的 提高零件表面的硬度 耐磨性 耐蚀性及疲劳强度 1 渗氮与渗碳相比具有以下特点 渗氮层具有很高的硬度和耐磨性渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性渗氮比渗碳温度低 工件变形小 渗氮工件的工艺路线 2 渗氮方法 气体渗氮 工件在气体介质中进行渗氮 它将工件放入密闭的炉内 加热到500 600 通入氨气 NH3 氨气分解出活性氮原子 离子渗氮 在低于一个大气压的渗氮气氛中 利用工件 阴极 和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺 渗氮层及HV测痕 渗氮层中致密的针状氮化物 白色 4 碳氮共渗 碳氮共渗 在一定温度下 将碳 氮原子同时渗入工件表层奥氏体中 并以渗碳为主的化学热处理工艺 零件的热处理分析 一 热处理的技术条件二 热处理的工序位置三 典型零件热处理分析 一 热处理的技术条件 工件在热处理后组织 应当达到的力学性能 精度和工艺性能等要求 统称为热处理技术条件 二 热处理的工序位置 1 预备热处理 包括退火 正火 调质等 2 最终热处理 包括淬火 回火及表面热处理等 三 典型零件热处理分析 1 锉刀 2 汽车变速齿轮 3 汽车传动齿轮轴 钢的分类 工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢是指含碳量低于2 11 的铁碳合金 合金钢是指为了提高钢的性能 在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金 钢的分类及编号 一 钢的分类1 按化学成分分 2 按质量分钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 分为普通质量钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 根据现行标准 各质量等级钢的磷 硫含量如下 3 按冶炼方法分 4 按用途分 二 钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母 化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称 用途 特性和工艺方法时 一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母 常用钢产品的名称 用途 特性和工艺方法表示符号 GB T221 2000 1 碳素结构钢和低合金高强度钢Q 最低屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号Q表示 屈服强度 屈服强度值单位是MPa 质量等级符号为A B C D E 由A到E 其P S含量依次下降 质量提高 脱氧方法符号 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 TZ 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF Q235BZ 钢板 低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢 其牌号中没有表示脱氧方法的符号 如Q345C 根据需要 低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 表示平均含碳量的万分之几 和化学元素符号 按顺序表示 如16Mn 说明 通常情况下 屈服强度值小于300MPa时为碳素结构钢 大于300MPa时为低合金高强度钢 热连轧钢板 2 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 如45钢 平均含碳量为万分之四十五 即0 45 的优质碳素结构钢 钢带 说明 含Mn量为0 7 1 0 时 在两位数字后加元素符号 Mn 如40Mn 对于沸腾钢和半镇静钢 在钢号后分别加字母F和b 如08F 10b 高级优质钢在钢号后加字母A 如20A 钢管 3 合金结构钢和合金弹簧钢两位数字 表示平均含碳量的万分之几 合金元素符号 该元素百分含量数字 当合金元素的平均含量小于1 50 时 只标元素符号 不标含量 当合金元素的平均含量为1 50 2 49 2 50 3 49 3 50 4 49 4 50 5 49 时 在相应的合金元素符号后标2 3 4 5 等数字 如20CrNi3 高级优质钢在牌号后加字母A 如60Si2MnA 特级优质钢在牌号后加字母E 如30CrMnSiE 不锈钢制管板式换热器 所有合金钢的合金元素量标法相同 4 工具钢 碳素工具钢T 数字T表示 碳素工具钢 数字表示平均含碳量的千分之几 如T8 其平均含碳量为千分之八 0 8 C 说明 碳素工具钢都是优质以上质量的 高级优质钢在钢号后加 A 如T8A 丝锥 锉刀 合金工具钢含碳量 合金元素符号 该元素百分含量 当含碳量小于1 00 时 含碳量用一位数字标明 这一位数字表示平均含碳量的千分之几 如8MnSi 当含碳量大于1 00 时 不标含碳量 高速钢不标含碳量 如W6Mo5Cr4V2 含0 85 C 铣刀 5 轴承钢G Cr 铬含量 不标含碳量 G 表示 滚动轴承钢 铬含量以千分之一为单位 如 GCr15 的平均含铬量为1 5 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同 仅在牌号头部加字母 G 如 G20CrNiMo 6 不锈钢和耐热钢含碳量 合金元素符号 该元素百分含量 含碳量以千分之一为单位 含碳量的表示方法为 当平均含碳量 1 00 时 用两位数字表示 如11Cr17 平均含碳量为1 10 涡轮叶片 当1 0 平均含碳量 0 1 时 用一位数字表示 如2Cr13 平均含碳量为0 20 当0 1 含碳量上限 0 03 时 以 0 表示 如0Cr18Ni9 含碳量上限为0 08 当0 03 含碳量上限 0 01 时 超低碳 以 03 表示 如03Cr19Ni10 含碳量上限为0 03 当含碳量上限 0 01 时 极低碳 以 01 表示 如01Cr19Ni11 含碳量上限为0 01 汽轮机叶片 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢 如15CrMo注 旧标准含碳量表示方法为 当含碳量 0 08 时 以 0 表示 如0Cr18 当含碳量 0 03 时 以 00 表示 如00Cr18Ni10 7 铸钢ZG 两位数字ZG表示 铸钢 两位数字表示平均含碳量的万分之几 如ZG25 钢中的杂质及合金元素 1 Mn 0 8 时为杂质 是有益元素 作用为 强化铁素体 消除硫的有害作用 一 杂质元素对性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn Si P S 是由原料带入或脱氧残留的元素 强化铁素体 增加钢液流动性 3 S 是有害元素常以FeS形式存在 易与Fe在晶界上形成低熔点共晶 985 热加工时 1150 1200 由于其熔化而导致开裂 称热脆性 钢中的硫应控制在0 045 以下 2 Si 0 5 时为杂质 是有益元素 作用为 合金晶界的低熔点硫化物共晶 Mn可消除硫的有害作用 FeS Mn Fe MnS MnS熔点高 1600 4 P 也是有害元素能全部溶入铁素体中 使钢在常温下硬度提高 塑性 韧性急剧下降 称冷脆性 P一般控制在0 045 以下 5 气体元素 N 室温下N在铁素体中溶解度很低 钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN Fe4N形式析出使钢变脆 称时效脆化 加Ti V Al等元素可使N固定 消除时效倾向 O 氧在钢中以氧化物的形式存在 其与基体结合力弱 不易变形 易成为疲劳裂纹源 H 常温下氢在钢中的溶解度也很低 当氢在钢中以原子态溶解时 降低韧性 引起氢脆 当氢在缺陷处以分子态析出时 会产生很高内压 形成微裂纹 其内壁为白色 称白点或发裂 对钢中基本相的影响1 溶于铁素体 起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体 形成合金铁素体 Si Mn对强度 硬度提高显著 Cr Ni在适当范围内提高韧性 二 合金元素在钢中的作用 对铁素体冲击韧性影响 2 形成碳化物 起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 Ti Nb V W Mo Cr Mn Fe Ti Nb V为强碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性高 如TiC VC等 钢中碳化物 W Mo Cr为中碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较高 如W2C等 Mn Fe为弱碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较低 如Fe3C等 结构钢 对结构钢的性能要求为 使用性能以强韧性为主 工艺性能以可焊性 淬透性为主 合金结构钢除少量为中高合金钢外 都是低合金钢 铜陵长江公路大桥 1 成分 0 4 C P S量及非金属夹杂较多 2 性能 可焊性 塑性好 3 热处理 不进行专门热处理 热轧空冷态下使用 4 使用状态下组织 F P 一 碳素结构钢 5 用途常以热轧板 带 棒及型钢使用 用量约占钢材总量的70 用于建筑结构 适合焊接 铆接 栓接等 1 性能要求 高强度及足够韧性 良好的焊接性能 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度 2 成分特点 低碳 0 2 C 合金元素 主要是Mn 还有少量V Ti Nb等 二 低合金高强度结构钢 3 热处理 大多数热轧空冷后使用 少数可用正火 高温回火处理 4 使用状态下组织 F P 低合金高强钢合金元素细化晶粒作用 Mn的作用是强化铁素体 增加珠光体的量 V Ti Nb等起细化晶粒和弥散强化作用 另外加Cu P可提高耐蚀性 加RE可提高韧性 疲劳极限 降低冷脆转变温度 5 用途 Q345钢 16Mn 综合性能好 用于船舶 桥梁 车辆等大型钢结构 Q390钢含V Ti Nb 强度高 用于中等压力的压力容器 Q460钢含Mo B 正火组织为贝氏体 强度高 用于石化中温高压容器 南京长江大桥 制造渗碳零件的钢种 1 性能要求 表面具有高硬度 高耐磨性 心部具有足够的韧性和强度 即表硬里韧 良好的热处理性能 如淬透性和渗碳能力 三 渗碳钢 2 成分特点 低碳 0 1 0 25 C 合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Ni B 强化铁素体 Cr Mn Ni 细化晶粒 W Mo Ti V 渗碳淬火后的表层组织 3 热处理特点渗碳件的加工工艺路线为 下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火正火目的为调整硬度 便于切削加工 淬火温度一般为Ac1 30 50 4 使用状态下组织心部 M回 F表层 M回 颗粒状碳化物 A 少量 5 常用钢号及用途低淬透性钢 20 20Cr 用于受力小的耐磨件 如柴油机的活塞销 凸轮轴等 中淬透性钢 20CrMnTi 用于中等载荷的耐磨件 如变速箱齿轮 高淬透性钢 18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐磨件 如柴油机曲轴 调质件 螺杆 调质后使用的钢种 1 性能要求 良好的综合力学性能 良好的淬透性 四 调质钢 2 成分特点 中碳 0 3 0 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr Ni B 强化铁素体 Mn Si Cr Ni 细化晶粒 Ti V 防止第二类回火脆性 W Mo 3 热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为 下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 装配调质目的 获得良好综合力学性能使用状态下的组织为 S回 为提高表面耐磨性 调质后可进行表面淬火或氮化 回火索氏体 调质处理车间 柴油机凸轮轴 4 常用钢号及用途低淬透性钢 D0油 30 40mm 常用45 40Cr 用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等 中淬透性钢 D0油 40 60mm 常用40CrNi 用于制造大中型零件 高淬透性钢 D0油 60mm 常用40CrNiMo 用于制造大截面重载荷零件 如曲轴等 制造弹簧或类似性能零件的钢种 1 性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件 高的 s s b 高的 1 足够的韧性 高的淬透性 五 弹簧钢 2 成分特点 中高碳 碳素弹簧钢为0 6 0 9 C合金弹簧钢为0 45 0 7 C 合金元素作用 提高淬透性 强化铁素体 Mn Si Cr 提高 s b Si 细化晶粒 V 3 热处理及组织特点 冷成型弹簧 冷拔 冷成型 定型处