金属组织和热处理.ppt

1 金属组织和热处理 2 金属材料的基础知识 第一节金属的晶体结构 一 晶体结构的基本概念 BaseknowledgeoftheMetallicmaterical 1 晶体与非晶体概念 原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质 称晶体 非晶体则反之 特点 晶体 有熔点 具有各向异性 如 食盐 冰 金刚石 金属等 非晶体 无熔点 各向同性 如 玻璃 松香 沥青等 3 二 常见的晶格类型 1 体心立方晶格body centeredcubiclattice 特点 b较好 如 912 Fe Cr Mo V等 体心立方晶格 含有2个原子体积组成 2 面心立方晶格face centeredcubiclattice 特点 较好 如 912 Fe Cu Al等金属 含有4个原子体积组成 面心立方晶格 4 2 晶格与晶胞 晶格 表示晶体中原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的几何单元 a b c 晶胞示意图 原子 3 晶格常数 a b c a b c且互垂直 表示晶胞几何形状大小 晶体中的原子排列 晶面 结点 形成的原因 各原子之间相互吸引力与排斥力相平衡结果 5 3 密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice 特点 硬度高 脆性大 如 锌 Zn 镁 Mg 镉 Cd 等金属 a b C a b c 4 晶格致密度 原子排列的紧密程度 致密度 原子体积 晶胞体积 4 3 r3 a3 结果 体心 0 68 面心 0 74 六方 0 74 原子半径r a 6 三 金属的实际晶体结构 教材20页三 一 多晶体结构 晶粒 晶界 多晶体示意图 由多个单晶粒组成的晶体为多晶体 通常 钢铁材料晶粒尺寸为0 1 0 001mm 显微组织 在显微镜下观察到其形态 大小 分布不同的组成物 二 晶格缺陷1 点缺陷 在长 宽 高方向尺寸都有很小变化的一种缺陷 间隙原子 晶格空位 7 2 线缺陷 在晶格中呈线状分布的缺陷 3 面缺陷 呈面状分布的缺陷 线缺陷 面缺陷 8 第二节合金的相结构 一 有关合金的基本概念 1 合金alloy由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 2 组元constituent组成合金的最基本的独立的物质称组元 简称 元 如 黄铜Cu Zn 硬铝Al Cu等都称二元合金 3 系system由给定组元可以按不同比例配制一系列成分不同的合金 简称 系 9 4 相图 表示合金系中合金状态与温度 成分之间的关系的图解 如 铁碳合金状态图 5 相phase 指同一化学成分 同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分 如固相 液相等 6 组织structure 借助于放大镜 显微镜下观察到具有某种形态 形貌特征的组成部分 二 合金的相结构 1 固溶体solidsolution 概念 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体 如 糖水水 溶剂 糖 溶质 10 分类 按溶质原子在溶剂中分布情况不同 分置换固溶体和间隙固溶体两类 置换固溶体 溶质原子替换晶格上的原子 间隙固溶体 溶质原子溶入晶格原子间隙 a 间隙固溶体b 置换固溶体 特征 晶格类型不变 化学成分有限 性能发生变化 11 特征 1 晶格仍保持原晶格 溶剂 2 化学成分在一定范围内可改变 3 性能随化学成分改变而逐渐变化 性能 造成晶格畸变 强度 硬度上升 这种现象称固溶强化 若溶质原子质量分数 含量 适当 其力学性能高 2 金属化合物compound 概念 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相 如Fe与C Fe3C 12 特征 1 具有一定的化学成分 2 与任一组元成分不同 3 熔点高脆性大硬度高 性能 晶格复杂斜方 HB ak 脆性大 3 机械混合物mixture 概念 两相按固定比例构成的组织 复合相 称机械混合物 如铁碳合金中F与Fe3C结合为P 特征 各相保持自己的晶格类型 性能特点 强度 硬度适中 目前钢铁材料中大部分是这种组织 13 第三节纯金属的结晶 一 结晶的概念 1 结晶crystallization由液态转变为固体晶体的过程 或者描述为 原子由不规则排列到有规则排列过程 或者描述为 晶体结构形成的过程 如水 冰 2 冷却曲线与过冷度 T T0T1 时间 O 冷却曲线 平台 结晶过程时间 是结晶时放出的热 潜热 造成的 T0 理论结晶温度 T1 实际结晶温度 T0 T1 T过冷度 过冷是结晶的必要条件 T temperation 14 结论 冷却速度 T 或者说 T F 结晶能量 结晶驱动力 结晶倾向 二 结晶过程 过程 不断形核和晶核不断长大的过程 三 晶粒大小控制 1 晶粒越细小 力学性能越高 15 F F 结果 小鸡蛋不易碎 大鸡蛋容易碎 举例 两组大小不同的鸡蛋受力情况 2 细化晶粒方法 1 增加 T 2 孕育处理 变质处理 3 附加振动或搅拌 16 四 金属的同素异构转变 补充内容 铁丝加热实验示意图 铁丝 标尺 支架 现象 加热时铁丝伸长 到912 开始收缩 若冷却时从1000 到912 出现伸长现象 概念 在固态下随温度发生变化 其晶格类型发生转变的现象 同素异构转变 冷却曲线 用冷却曲线表示出此现象 实质是 原子排列不同 结构不同 金属体积发生改变 17 冷却曲线 温度 时间 O 1538 1394 912 L liquid 结晶过程 Fe体心立方晶格 Fe面心立方晶格 Fe体心立方晶格 转变式 Fe Fe Fe 912 1394 体心面心体心 或者 Fe Fe 912 临界转变温度 面心体心 体心 2个原子体积面心 4个原子体积 18 第四节合金的结晶 描述合金的结晶过程用 二元相图 解释 一 二元合金相图的建立 用热分析法绘制 如 Cu Ni合金 Cu Ni 成分变化 Cu由100 0 Ni由0 100 0 100 温度 A B 1083 1452 L liquid S solid L S WNi 结晶过程分析 70 Cu 30 Ni合金 1 2 1点以上为液体L 到1点开始结晶出固体S 1 2间为两相区L S 到2点时全为固体S 2点以下为固体 19 A B Cu Ni 1 2 L S AB上线 液相线 AB下线 固相线 二 合金结晶的特点 1 一个温度范围内结晶 有两个相变点 因为合金有两组元 2 结晶出的固相成分与液相成分不同 液相成分不断改变 3 形成单相 两相混合物 单相与两相混合物 L S t O 1 2 L L S L S S 冷却曲线 20 第五节铁碳合金Ferrocarbonalloy 一 铁碳合金状态图 1 状态图的建立 通过热分析法获得 Fe与C形成 Fe C Fe3CFe2CFeC Wc 6 69 Wc 9 3 Wc 17 8 Fe3C Fe2C FeC 说明 GB3102 93规定W称为质量分数 下标为含某元素 W weight分量 重量 Fe Fe3C简化状态图 21 二 状态图作用 1 研究钢铁的成分 组织和性能之间关系理论基础 2 制定热加工工艺的依据 简化Fe Fe3C状态图 三 基本组织 1 铁素体FFerrite 碳在 Fe中所形成的间隙固溶体 特点 塑性 韧性好 强度 硬度低 22 2 奥氏体A austenite英国金相学家 碳在 Fe中的间隙固溶体 特点 塑性较好 强度较低 3 渗碳体Fe3C 是Fe与C的化合物 特点 硬度很高 很脆 塑性几乎等于零 在钢中起强化作用 cementite 4 珠光体P pearlite 日本 是F与Fe3C机械混合物 WC 0 77 特点 有一定的强度 塑性 层片状 23 5 莱氏体Ld Ledeburite 德国金相学家 特点 硬而脆 不能进行压力加工 是高温下A与Fe3C的机械混合物 共晶反应的产物 Wc 4 3 反应式 L4 3 Ld A Fe3C 1148 注 随温度降低至727 时 A转变为P 室温下变成 P Fe3C共晶组织 称为低温莱氏体L d L d P Fe3C F A Fe3C是单相组织 P Ld是混合物 24 第二节Fe Fe3C状态图分析 一 分类 工业纯铁 碳钢 白口铸铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 25 力学性能变化 随碳含量增加 其强度 硬度 塑性 韧性 但当WC 0 9 后 其HB b ak 二 状态图中的特性点 线 区域组织 26 钢铁力学性能与碳含量WC的关系 27 特性点 见表2 2 特性线 1 ACD线 2 AECF线 固相线 液相线 其中AE线是碳钢固线 3 ECF线 共晶转变线L Ld 4 GS线 又称A3线 5 ES线 又称Acm线 6 PSK线 共析转变线 A p 又称A1线 28 三 合金的结晶过程分析 亚共析钢 共析钢 过共析钢 A F A L E A Fe3C L A 29 三 合金的结晶过程分析 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析钢WC 0 77 1 2 3 P 亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P F 冷却曲线 过共析钢WC 1 0 状态图的应用 自己看P45 30 四 碳素钢 简称 碳钢 carbon steel 本内容P101 重点是常见牌号的含义 性能 应用 GB T13304 1991规定 钢按化学成分分 非合金钢 碳钢 低合金钢 合金钢三类 非合金钢 是指WC 2 11 并含有少量Si Mn P S等元素的铁碳合金 一 常存元素对碳钢性能的影响 了解 1 锰Mn 作用 脱氧 FeO还原Fe 与S作用 MnS降低热脆性 提高强度 硬度 有益元素 2 硅Si 作用 与钢液中FeO生成炉渣 提高钢质量 溶于F中 固溶强化 有益元素 31 3 硫S 作用 形成FeS 熔点1190 在晶界处 在1100 1200 时 压力加工 产生脆裂 热脆 有害元素 4 磷P 作用 全部溶于F中 固溶强化 HB 在低温下引起脆断 冷脆 有害元素 二 碳钢分类 牌号 用途 掌握内容 1 分类 1 按钢中含碳量多少分 低碳钢中碳钢高碳钢 Wc0 6 32 2 按钢的质量 品质 分 S P含量多少 普通碳素钢 优质钢 高级优质钢 S P较高 Ws 0 05 Wp 0 045 Ws 0 035 Wp 0 035 Ws 0 02 Wp 0 03 3 按钢的用途不同分 1 碳素结构钢structuralsteel 2 碳素工具钢toolsteel 3 特殊性能钢specialsteel 4 铸钢castingsteel 适用于各种机器零件 工程结构件 制造量具 刀具 模具 手锤 钳子等 用于特殊要求 酸 碱 盐腐蚀环境 形状复杂 难用锻造方法成形的铸钢件 33 三 碳钢的牌号 用途 1 碳素结构钢GB700 1988 牌号由代表屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法四部分组成 其中质量等级分别用A B C D表示 A的S P量高 D的S P量最低 且质量最好 如 Q235 A F Q 屈 字汉语拼音字首 235 s 235MPa A 质量等级A级 F 脱氧方法 指 沸腾钢 制造的钢材 一般不标出 牌号有 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五类 见教材105页表5 2 34 2 优质碳素结构钢 S P含量较低 用于重要零件 GB699 88规定 牌号用两位数字表示 其中两位数字表示含碳量万分之几 如 08F 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 如 45钢是WC 0 45 用途见表5 2 P106 20Mn 65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢 3 碳素工具钢 GB1298 88规定 牌号用 碳 字汉语拼音字首 T 数字表示 数字表示WC的千分之几 如 T7 T8 T9 T10 T10A T12等 如T10钢WC 1 T10A中的 A 表示为高级优质碳素工具钢 用途见P112 表5 9 35 补充 铸钢GB T5613 1995 牌号 用 铸钢 汉语拼音字首ZG表示 如 ZG200 400用变速箱体 壳等 焊接性好 200 s 200MPa400 b 400MPa 还有 ZG230 450 用力不大的阀体 轴承盖 ZG270 500热轧曲轴 连杆等 注意 碳钢分类 说出常见钢号20 45 65Mn Q235B Q235A T7 T10 T10A T12 ZG200 400等 属哪类钢 有何性能特点 用途 36 第三章金属的塑性变形与再结晶 本章重点 1 变形机理 2 形变后组织性能特点 第一节金属的塑性变形plasticdeformationofmetal 一 单晶体的塑性变形 1 弹性变形 受力变形 外力卸去后 又回到原状态现象 2 塑性变形 外力取消后 物体的变形不完全恢复的现象 变形的基本方式 滑移 位错造成的 37 滑移变形的实质 在切应力作用下 某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生位移 此现象称 滑移 二 实际多晶体塑性变形 1 晶粒本身的变形 滑移变形 主要的2 晶粒之间的变形 晶间变形 次要的 38 第二节冷塑性变形对组织 性能的影响 一 晶粒被拉长 压扁 性能趋于各向异性 1 1 2 2 受力变形 二 产生冷变形强化 加工硬化 现象workhardened 随变形程度的增加 其强度 硬度 塑性 韧性 的现象 如 手弯铁丝 冷卷弹簧 推土机前板 不锈钢刀 三 产生内应力 残余应力 解决办法 去应力退火 39 40 第三节变形金属在加热时的变化 一 回复recovery 晶格歪扭现象消失的过程 T回 0 25 0 3 T熔 T回 回复加热温度 单位K T熔 绝对熔化温度 单位K 热力学温度单位 二 再结晶recrystallization 对回复后的金属继续加热 由于原子获得了更大的活动能力 晶粒外形发生变化 进而由碎晶粒变成完整晶粒的过程 此时没有应力出现 加工硬化现象消失 通过 形核 长大方式完成 再结晶后晶格类型没有变化 T再 0 4T熔 碳钢T再 0 5T熔合金钢T再 0 6T熔 41 三 晶粒长大 若T再继续升高 则晶粒长大 变粗 力学性能大大下降 所以要严格控制加热温度 保温时间 第四节金属的热加工hotworking 一 热加工与冷加工概念 1 热加工 当加热温度大于再结晶温度时 变形工艺称热加工 2 冷加工 coldworkingT加小于T再 称冷加工 特点 如 金属铅在室温下变形 属热加工 金属钨在1000 时变形 属冷加工 热加工变形量大 表面粗糙 无加工硬化现象 有再结晶 冷加工变形量小 表面光滑 有加工硬化现象 无再结晶 42 二 热加工对组织 性能的影响 1 材料中的气孔 间隙压合 使组织致密 晶粒细化 力学性能高 2 形成锻造流线forgingflowline 纤维组织 产生各向异性 钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长 与变形方向一致 好似一条条细线 平行流线方向 抗拉强度 塑性好 垂直于流线方向 抗剪切力大 抗拉强度低 曲轴 齿轮 裂纹 43 第四章钢的热处理 Heattreatmentofcarbonsteel 1 热处理概念GB T7372 99 采用适当的方式对金属材料或工件进行加热 保温 冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺 目的 改变钢的工艺性能 强化钢材 满足使用要求 原理 改变组织 t o 时间 加热 保温 冷却 热处理工艺曲线 本章重点 热处理基本理论 常用热处理工艺 热处理组织 性能特点 44 2 热处理分类 按目的 加热条件和特点不同分 退火 正火 淬火 回火 是讨论的重点 1 整体热处理bulkheat treatment 2 表面热处理surfaceheat treatment 火焰加热法 感应加热法 3 化学热处理thermo chemicaltreatment 渗碳 渗氮 碳氮共渗等 4 特殊热处理specialhent treatment 形变热处理 磁场热处理 真空热处理 激光热处理等 45 第一节钢在加热时的组织转变 G P Q S E A F F A A Fe3C p F P P Fe3C 加热时 C 下标 如 AC1 AC3 Accm AC3 Accm AC1 冷却时 r 下标 如 Ar1 Ar3 Arcm Ar3 Ar1 Arcm 一 奥氏体的形成 以共析钢为例 室温P F Fe3C混合物 F 体心立方WC 0 0218 Fe3C 密排六方WC 6 69 AC1 A面心立方WC 0 77 奥氏体形成的过程是Fe C原子的扩散过程 46 Fe3C F A核 A A 形成过程 1 奥氏体的形核与长大 2 剩余Fe3C的溶解 3 奥氏体的均匀化 6 69 0 0218 二 影响A形成的因素 1 加热速度 温度的影响 2 原始组织的影响 3 化学成分的影响 47 三 奥氏体晶粒大小与控制 1 晶粒度 晶粒的大小程度 称晶粒度 GB6394 86规定 有10个级别 1级最粗 10级最细 见教材P63 2 晶粒大小与控制 1 起始晶粒度 2 实际晶粒度 3 本质晶粒度 P刚刚转变为A时的晶粒大小 经热处理后获得的晶粒大小 原材料的晶粒大小 未加热时 1 合理选择加热温度和保温时间 2 选择原始材料晶粒粒状P组织 3 加入一定量的合金元素 抑制A晶粒长大 48 第二节钢在冷却时组织转变 A1 温度 时间 O 连续冷却 等温冷却 一 过冷A的等温冷却转变 过冷A 冷却到A1线以下暂时存在的A 等温冷却 将A由高温冷却到A1线以下某个温度等温停留一段时间 然后冷却下来的方式 等温转变 在等温保持时 过冷A发生的转变 1 等温转变曲线的建立 以共析钢为例 步骤 1 制成若干 10 1 5mm的试样 49 2 将试样加热到850 900 保温一段时间 A1 t O 850 900 3 将试样分别放入不同温度的等温槽 炉 中 如 700 650 600 550 500 450 400 200等 700 650 650 600 550 500 450 200 230 Ms 2 曲线分析 时间 温度 组织转变关系曲线 简称 TTT 线 Time Temperature Transform P B M 按温度划分三个区 高温区 A1 550 珠光体型转变P中温区 550 Ms 贝氏体型转变B低温区 Ms 230 以下 马氏体型转变M 50 3 过冷A等温转变产物的组织与性能 550 600 650 A1 Ms P B M 1 珠光体型转变 产物P 由于冷却速度不等 得到的P层片厚薄不同 三种 A1 650 T小 P粒粗 160HBS 250HBS P 表示 P 650 600 T稍大 P粒较细 薄F与Fe3C S 表示 sarbite索氏体 25 35HRC S 600 550 T大 P粒很细 用T表示 troostite托氏体 35HRC 48HRC T 2 贝氏体型转变 Bbainite 727 奥氏体转变成过饱和铁素体和极细小的渗碳体的混合物 称 贝氏体 分B上 B下 B上硬脆无使用价值 B下力学性能较好 生产中常用 350 B上 B下 3 马氏体型转变 Mmartensite T极大 Fe C原子不能扩散 C全部溶于 Fe中 体积 产生应力 面心立方 Fe 体心立方 Fe T M A M A 51 碳在 Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 硬度很高 62HRC 65HRC 耐磨性好 二 过冷A连续冷却转变 A1 550 Ms V1炉冷 V2空冷 V3油冷 V4水冷 P S T VK 1 连续冷却转变曲线 又称 CCT 曲线 ContinuousCoolingTransform VK 临界冷却速度 V1 P170 220HBS V2 S25HRC 35HRC V3 T M45HRC 55HRC V4 M A 55HRC 65HRC 2 马氏体的形态 性能 晶体结构 体心立方 体心正方 体积增大 形态 性能 片状M WC 1 HB高 ak差 板条状M WC 0 6 良好 较高ak 强韧性 52 第三节钢的退火与正火 一 退火annealingGB T7232 1999 概念 将工件加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却的热处理工艺 称退火 属整体热处理的一种 分 完全退火 等温退火 球化退火 去应力退化 再结晶退火等 1 完全退火fullannealing 1 概念 将工件加热到AC3 30 50 完全奥氏体化 随之缓慢冷却 获得接近平衡组织 P F 的退火工艺 A A3 Ac3 完全退火 P F 2 目的 细化晶粒 提高性能 消除应力 防止变形 降低硬度 提高切削加工性 3 应用 亚共析钢 铸件 锻件 焊接件 53 2 球化退火spheroidizingannealing 1 概念 使工件中碳化物球状化而进行的退火工艺 A Fe3C P Fe3C A Ac1 30 50 完全退火 球化退火 加热温度Ac1 30 50 2 目的 HB 切削加工性 195HBS左右 为淬火做准备 3 应用 过共析钢 模具钢 合金工具钢 3 去应力退火tressrelievisng 1 概念 将工件加热到500 600 左右 保留一段时间 然后随炉冷到200 300 再空冷的方法 去应力退火 500 600 2 目的 去除内应力 稳定尺寸 减少变形 3 应用 铸件 锻造件 焊接件 切削加工件 54 二 正火normalizing A F A A Fe3C P Fe3C S F P G 1 概念 将工件加热到奥氏体化状态 然后在空气中冷却的热处理工艺 2 加热温度 Ac3或Accm 30 50 正火 Accm Ac3 30 50 3 目的 细化晶粒 调整硬度 消除网状Fe3C 4 应用 碳钢件 三 退火与正火的选择 1 使用性能 工件要求不高 用正火 形状复杂 大件用退火 2 可加工性 WC 0 45 碳钢用正火 高碳钢用退火 HB 3 经济性 正火 经济 退火 工艺繁杂 55 第四节钢的淬火与回火 一 淬火quenching 卒 ZU 兵 CU 忽然 蘸 1 概念 将工件加热到奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 2 目的 提高硬度 高弹性和耐磨性 3 加热温度 亚共析钢 AC3 30 50 过共析钢 AC1 30 50 A A Fe3C M A 少 M Fe3C A 很少 4 保温时间 太短 奥氏体化不均匀 出现软点 太长 钢件表面出现氧化 脱碳 晶粒粗大 56 5 淬火冷却介质 水 较快 易变形开裂 油 较慢 减少变形 如10 20 机油 食盐水 冷却能力提高 加10 NaCI 6 淬火方法P80自己看 7 钢的淬透性和淬硬性 1 淬透性hardenability 获得硬度深度和硬度分布的能力 硬度层越深 淬透性越好 2 淬硬性hardeningcapacity 淬火后获得的最高硬度的能力 取决于WC的含量 注意 淬火后硬度高的钢 不一定淬透