工程材料学全套课件

工程材料学 第1章序论 第1节概述 一 工程材料什么是工程材料 印象中工程材料是哪类材料 是否联想到 建筑工程 桥梁 企业建设所用到的材料 实际上工程材料的含义远非如此 凡与工程有关的材料均谓之工程材料 如机器零件 轴承 弹簧等部件 工模具 量具 工业加热炉内的构件 飞机发动机涡轮叶片 高分子材料中的粘结剂 防宇宙射线的宇航服 芳香族聚酰胺纤维 镍氢电池中的储氢合金 工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类 结构材料以力学性能为主 兼有一定的物理 化学性能 功能材料以特殊的物理 化学性能为主 如那些要求有电 光 声 磁 热等功能和效应的材料 总之 工程材料包括了与工农业 国防尖端技术等各行各业有关的所有材料 按照其基本成分分类见图1 1 二 新材料发展趋势1 继续重视高性能的新型金属材料指具有高强度 高韧性 耐高温 耐低温 抗腐蚀 抗辐射等性能的材料 这种材料与发展空间技术 核能 海洋开发等工业有着极其密切的关系 新材料是依靠新技术和新工艺发展的 例如 合金成分的物理冶金设计 微量元素的加入与控制 特殊组织结构的控制等 可大幅度提高材料的性能 面向21世纪 金属材料仍占主导地位 2 结构材料趋向于复合化尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料 如高分子材料和陶瓷材料 但由于单一材料存在难以克服的某些缺点 如脆性 弹性模量低 比强度不足等 所以把不同的材料进行复合以得到优于原组分性能的新材料 就成为结构材料发展的一个重要趋势 如玻璃树脂基的第一代复合材料 碳纤维增强树脂基的第二代复合材料 第三代复合材料则是正在发展的金属基 陶瓷基及碳基复合材料 复合材料在航空 航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用 在化工设备和其它方面也有较多的应用 3 低维材料正在扩大应用包括零维 超微粒 一维 纤维 和二维薄膜材料 可用于作结构材料和功能材料 通过化学反应 气相沉积等方法 可制出亚微米级和纳米级 1 100mm 的金属或陶瓷粉末 有很大的比表面积和比表面能 熔点低 扩散速度快 烧结温度下降 强度高而塑性好 具有良好的综合性能 某些超微粒功能材料 可成为高效吸波材料 一维材料最突出的是光导纤维 可用于作通信工程材料 纤维结构材料是复合材料中的主要增强组分 它决定了复合材料的关键性能 纤维中的晶须 其强度和刚度可接近理论强度值 碳纤维 有机高分子纤维和陶瓷纤维均有广阔的应用前景 二维的薄膜材料发展迅速 金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人 高温超导薄膜也尤为突出 金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片 高分子分离膜已在水处理 化工生产 高纯物质制备等方面获得了应用 高温超导薄膜将开辟超导技术的新领域 4 非晶 亚稳态 材料日益受到重视70年代通过快冷技术 106 s 而获得非晶态或亚稳态合金材料 由于骤冷 金属中的合金元素偏析程度降低 没有晶界 从而可提高合金化程度 而不致产生脆性相 非晶态合金具有高强度 耐腐蚀等特点 某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能 用作变压器比硅钢片的铁损低2 3 在工程应用中 通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态 具有高耐磨性和耐蚀性 另外 非晶态的硅太阳能电池 光电转换率可达15 有很大进一步实用化研究价值 5 功能材料迅速发展功能材料是当代新技术中能源技术 空间技术 信息技术和计算机技术的物质基础 功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域 例如 由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展 对集成电路的要求越来越高 促进集成度逐年增加 从材料看 除了硅半导体外 化合物半导体受到越来越多的重视 又如有关磁记录和磁光记录材料 高温超导材料 光电转换材料等都将有进一步的发展 近年来功能梯度材料发展很快 其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的 梯度功能材料将有巨大的应用潜力 一般复合材料中分散相是均匀分布的 但在有些情况下 常常希望同一件材料两侧具有不同的功能 又希望两侧结合得完美 从而不至于在苛刻条件下因性能不匹配而发生破坏 航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机 燃烧气体温度超过2000 燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用 温度为 200 一般材料显然满足不了这一要求 于是 人们想到将金属和陶瓷联合起来使用 用陶瓷去对付高温 用金属来对付低温 但是 用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时 由于二者的界面热力学特性匹配不好 在极大的热应力下还是会遭到破坏 在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化 使两种材料之间不出现界面 从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能 又如W Cu热沉材料 6 特殊条件下应用的材料在低温 高压 高真空 高温以及辐射条件下 材料的结构和组织将会转变 并由此引起性能变化 研究这些变化规律 将有利于改善材料性能和开发新材料 例如 在高压下的结构材料 由于原子间距离缩短 材料将由绝缘体转变为导电体 Nb3Sn Nb3Ce和Nb3Si等超导体均在高压下合成 现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究 理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态 它在室温时就具有超导性 它的实现还有待于高压条件的创建 另外 对太空 深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究 7 材料的设计及选用计算机化由于电子计算机及应用技术的高度发展 使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实 通过电子计算机的应用以及量子力学 系统工程和统计学的运用 可以在微观与宏观相结合的基础上进行材料设计和选用 使之最佳化 目前已建立起计算机化的各种材料性能数据库和计算机辅助选材系统 并进一步向智能化方向发展 从而提高了工程技术的用材水平 三 工程材料学 不仅学习各种材料的分类 基本特性 制备方法 用途 而且学习材料性能与组成 组织结构 制备工艺之间的内在联系 作用机理 以典型的工程材料为例 学习材料 重点是金属材料 所表现出的宏观性能的内在本质 为提高材料性能 开发新材料 材料选择 使用打基础 第2节工程材料失效分析 一 概念与意义失效 工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能 有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失 弹簧 但有些场合失效会造成巨大的经济损失 甚至危及生命安全 如锅炉材料 特别是航空航天 核工业 大型工程等 所以必须分析失效原因 提出预防措施 这就发展了新学科 失效分析学 为什么本课程学习材料失效 二 失效原因失效原因并不是简单的设计 计算问题 如轧机支架 除剪切力 拉应力外 还有疲劳 过渡角等因素 再者 还与使用环境等很多因素有关 可概括为四个方面 一 设计应从强度计算 结构形式 选材 使用条件和环境的影响等多个方面周密考虑安全使用寿命问题 设计中的错误主要表现为 设计中的过载荷 外形上的应力集中 焊接或装配不当 没有考虑使用条件和环境的影响等 工件外形设计不合理或结构上存在问题 将引起应力集中 如尖角 过渡角太小 凹槽和缺口布置或设计不当等 在未经周密的计算 或构件形状复杂 及很难进行应力计算时就从事设计 也将引起工件早期失效 例如汽轮机叶片 由于设计不当 经常发生共振损坏 德国阿连兹技术中心 AZT 曾对1200次蒸汽轮机电站失效原因进行统计分析 其中设计及结构引起的事故占17 5 这说明了设计与失效之间的密切关系 二 选材1 选材不当主要原因 如80 12 1加拿大某地储油罐炸裂 引起大火 损失850万美元 失效分析表明 是由于选用锰碳比很低的ASTMA283钢 在低温使用 导致储油罐壳发生脆性断裂 2 材质低劣材料的生产经冶炼 铸造 锻造 轧制等阶段 这些过程中造成的缺陷往往会导致早期失效 1 冶炼 冶炼工艺较差 会使钢中有较多的氧 氢 氮 并形成非金属夹杂物 不仅使材料变脆 甚至还会成为疲劳源 2 铸造 铸造工艺不当 可产生铸造缺陷 铸件中由于碳化物 氮化物和硫化物等沿晶界的析出 会引起铸件产生沿晶断裂 3 锻造或轧制 锻造工艺不当 会产生各种缺陷 如过热 过烧 锻造或轧制裂纹 流线分布不良及折叠等 三 加工1 冷加工加工工艺不当 磨削深度过大或冷却不充分 使表面出现回火组织使表面硬度降低 甚至形成磨削裂纹 零件表面加工粗糙 造成应力集中 例如某厂购进一批DAL载重汽车 使用两年后 约有4 的发动机曲轴发生断裂 经分析 是由于加工质量不符合规定而造成的早期失效 2 热处理文献报告表明 工模具失效大部分是热处理不当造成的 例如 天津机车车辆厂用60Si2Mn钢生产的热成型弹簧 装车使用后不久就产生了断裂 分析认为 是由于弹簧在热处理时加热温度过高引起淬火裂纹所致 3 焊接焊接缺陷引起失效的例子也很多 如焊接时产生气孔 未焊透 焊接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效 另外 焊接所引起的残余应力也会引起零件的早期失效 四 安装据文献统计 在260起压力容器失效中 属于操作不当而造成的失效竟占74 6 又如前苏联切尔诺贝利核电站事故是由于电站工作人员粗暴违反反应堆装置的操作规程 导致了这场大灾难 总之 工件失效的原因是复杂的 它是各种因素共同作用的结果 但每一失效事故 都有一个导致失效的主要原因 因此对各种服役条件下的工件失效 应作具体分析 找出失效方式和失效抗力指标 失效分析时应做到设计 材料 工艺相结合 结构强度与材料强度相结合 宏观规律与微观机理相结合 规律性试验与生产实际相结合 三 失效类型 一 变形失效弹性变形 塑性变形 蠕变变形 二 断裂失效 1 塑性断裂失效 断裂前有一定塑料变形 一般是非灾难性的 2 脆性断裂失效 突发性 3 疲劳断裂 最终断裂是瞬时的 因此危害性较大 工程上疲劳断裂约占失效总数的80 以上 4 蠕变断裂失效 最终断裂是瞬时的 多属高温低应力沿晶蠕变断裂 三 腐蚀失效与周围介质发生化学或电化学作用 其中应力腐蚀 氢脆和腐蚀疲劳等是突发性失效 而点腐蚀 缝隙腐蚀等局部腐蚀和大部分均匀腐蚀失效不是突发性的 失效形式多 机理复杂 占较大比率 四 磨损失效后果一般不像断裂失效和腐蚀失效那么严重 然而近年来却发现一些来自磨损的灾难性事故 磨损失效主要有 粘着磨损 磨粒磨损 接触疲劳磨损 微动磨损 气蚀等几种失效形式 一 冶金质量问题微量杂质元素对金属材料性能影响很大 提高纯度 如钢铁中S P 二 微合金化钢 铜 铝 提高强韧性 三 控制轧制细晶组织 尽量减少缺陷和内应力 四 强韧化工艺如板条状位错型马氏体的应用 亚温淬火 超细晶粒处理 形变热处理和复合热处理 超高温淬火 碳化物的微细化处理 高碳钢和渗碳钢的短时加热淬火等 五 采用局部复合强化采用局部复合强化 克服薄弱环节 例如中碳合金结构钢淬火 低温回火后滚压 合金渗碳钢经C N共渗淬火 低温回火后滚压 都可提高其疲劳极限 四 提高失效抗力的方法 从材料角度 3 热容经验定律评价 第3节工程材料的选用原则 工程材料学的最终目的 提高材料的使用性能 经济性 最终准确 合理地使用材料 所以要了解工程材料选用选用原则 要求 在学习 研究中增强目的性 一 使用性能 能够安全可靠工作所必备的性能 第3节工程材料的选用原则 二 工艺性能 制备过程中各种工艺过程是否易实现 第4节材料化学成分 组织结构与性能之间的关系 化学成分 Fe Al 铁 钢 AZ31 AZ91组织结构 晶体结构 显微组织 精细结构外部条件 温度 介质 应力状态等 铸造工艺 热处理 冷 加塑性工加工工艺等纤维强化 颗粒强化 定向凝固等 基本要求 掌握工程材料及其分类 了解新材料的发展趋势 掌握材料化学成分 组织结构与性能之间的关系 思考题 1 思考影响金属材料力学性能的因素 2 分析材料化学成分 组织结构与性能间的关系 失效分析在适航与维修中的作用适航中心粟牧怀改革开放以来 我国民用航空业发展较快 但由于技术人员不足和管理水平不高在80年代未和90年代初多次出现较严重的航空事故 当时在民航系统内没有较完善的失效分析部门和专业分析人员 在出现机械零 部件的失效和由于机械原因导致事故时 多是将失效件送国外或国内其他系统的分析部门进行失效分析 但由于利益 责任问题和对民航的维护 使用特点的不了解 经常得到不正确的结论 如 30KY 154发动机的非包容性破坏事故 苏联事故调查人员的结论是因我国使用不当而引起发动机包容性事故 但后经民航组织分析小组重新调查 分析 试验 是因发动机高压轴内一密封胶卷选材不合理 引起高压轴和衬套间高压 导致低压传动轴断裂 同时此型发动机没有防 飞转 措施 又如ALF 502发动机的一级涡轮叶片发生了断裂 经制造厂分析为正常的疲劳断裂 发动机执管单位又将此叶片送到刚组建的航空材料失效分析室 经分析 疲劳裂纹起源于叶片的缺陷是在叶片铸造时产生的 这种例子还有很多但当时民航系统无自己的失效分析部门 只能接受别人的分析结果 因此很难保证采取的措施正确性 随着我国适航管理工作不断深入发展 适航部门感到有必要在民航系统成立自己的 权威性失效分析部门 其工作责任是研究重大的 多发性故障 在发生事故时协助调查和试验分析 找出引起故障或事故的真实原因 协助制定防止再次发生类似问题的方法及措施 保证民用航空安全 在总局各级领导关心下 各兄弟单位的帮助下 适航中心航空材料失效分析室于1992年9月26日正式成立 并陆续购置了扫瞄电子显微镜 X射线能谱分析仪 金相显微镜 红外分析仪等具有世界先进水平的设备 培养引进了具有博士 硕士及大学学历具有高级 中级技术职称的专业技术人员开始开展失效分析工作 下面通过几个实例来看失效分析在适航和维修中的作用 我国的波音747一SP型飞机在89年时出现了一次机翼前梁腹板的上缘处开裂事件 整个裂纹长达660毫米 当时断裂件送制造厂分析 结论是由于声音而引起的疲劳裂纹 2年后 在同型号的另一架飞机上的相同位置又发生了形状完全相同长度更长的裂纹 送制造厂分析后结论相同 但适航部门感到这二次故障的现象十分相似 而且考虑到发生位置的危害性 利用刚刚成立安装完的设备开展了分析工作 经分析发现裂纹产生的位置是在机翼前缘上梁 并处于发动机前吊挂处 产生这种裂纹的主应力不是飞行中的应力 而是飞机着陆过程中由于重力引起的瞬间高应力 同时在裂纹起源处找到了产生应力集中的缺陷 整个裂纹上没有声音疲劳的断裂特征 因此我们认为是因构件上有制造而产生的应力集中点 在着陆的载荷的作用下 引起了低循环疲劳断裂 为了避免产生此类裂纹 应在结构设计上改进和避免制造过程中产生应力集中点 此结论得到波音公司的认可 并采取了必要的防止方法 在某航空公司所执管的BAe一146飞机上多次发现轮毂内的裂纹 该公司将毂送来希望能确定失效原因 经分析发现在裂纹源区有较严重的晶间腐蚀现象 同时在内表面漆层脱落的应力集中的尖角处也存在着程度不同的晶间腐蚀现象 分析后得出因有腐蚀介质的流入而引起应力腐蚀疲劳开裂 在一般情况下 轮毂内不应接触到腐蚀性介质 只有在清洗飞机或维护不当时可能产生腐蚀介质的流入 在缺少漆层保护的应力集中处产生应力腐蚀裂纹 因此需在维护上注意 避免产生上述现象 我国发生的MD一82飞机主起落架折断事件 经分析发现此起落架存在着较严重的不符合要求的粗大晶粒 分析认为是因缺少道垫处理工序而引起的粗大晶粒 这种粗大晶粒使起落架的抗疲劳性能下降 引起了疲劳断裂 据此结论适航工程部门要求全面检查 同时派一个工作小组与制造厂进行分析讨论产生粗大晶粒的原因和防止方法 在讨论中制造厂认为此事件与英国AIRTOVRS公司所发生的事件相同 已有结论 即刹车过急加上节流阀原因而引起的 但由于我们已经进行了详细的分析 我们例举了大量的断口上的证据来说明与英国事件的不同性 断口特点的形态及种种与英国事件的不同性均证实了缺少锻造后的正火处理 经反复讨论及又进行了验证试验后 制造厂承认了我们的结论 并开始通过记录查找原因 为什么会产生这种差错 产生差错的起落架有几件 安装在那架飞机上 研究这种缺陷对其疲劳性能会有多大影响等工作 并制定了可行的检查方法 从而从根本上消除这种事故隐患 近几年我国使用的飞机多次发生电子舱 货舱着火事件 其直接原因是因导线短路的火花而引起的 但适航部门已经注意到了这种事件已构成重复性 多发性故障 并注意到它对航空安全的危害 为此适航部门进行了专项研究经研究 发现机舱内的隔音 隔热垫的外包覆层不阻燃 为此适航部门颁发了适航管理文件要求各航空公司加强检查 同时将此问题通报了FAA 希望FAA协助彻底解决此问题 从以上几个例子中可以看出 在使用中发生了不正常的失效件需对其进行深入的分析 因为任何一个失效件上都带有大量的信息 它客观地反映了失效的起始 发展 变化的全过程 通过对失效件的分析可准确地找出导致失效的原因及外部环境的影响因素 确定其薄弱环节 制定设计 制造 维护 使用中的改进措施 最终达到保证民用航空安全 失效分析结果反馈到相关部门后 将产生巨大的经济效益及社会效益 二 民航总局适航中心的航空材料分析室成立及组成情况1 1992年9月26日 民航总局批准由适航中心正式组建航空材料失效分析室 为了方便与航空界的失效分析部门联系 现称航空材料失效分析室 2 航空材料失效分析室的职责负责民用航空器重要失效件的分析和研究 负责航空产品的失效预防研究 参与民用航空器事故和重大多发性故障的调查及分析 参与国内外失效分析的合作与交流 3 航空材料失效分析室的人员状况根据航空材料失效分析室的工作特点 需配备有丰富实践经验技术全面的专业技术人员 到目前为止 共调人六名正式分析人员和一名特聘的失效分析专家 退休返聘 六名正式人员分别具有大学或硕士或博士后学历及高级或中级技术职称 分别具有航空制造业的经验或航空维修业的经验 受聘于国家劳动部的安全评审专家组成员 受聘于民航总局事故调查员 4 航空材料失效分析室的设备在民航总局领导的关心下 在适航司和适航中心领导的帮助下 配置了一套失效分析最常用的分析仪器及设备 设备配置原则是基本分析设备要求全套并具有世界先进水平 特殊分析利用大专院校或科研单位的设备进行 第2章钢的合金化基础 为什么从钢的合金化讲起 钢铁是最常用最主要的工程材料 在所有金属材料中人类对钢铁的研究时间最长 最深入 最系统 对所有金属材料合金化的具有普遍意义 所有金属 合金包括陶瓷材料在组织性能的改善以及性能的提高方面都可借鉴钢铁方面的一般规律和研究成果 重点在于建立钢的成份 组织 性能关系的一般模型 一 钢的合金化在钢中加入合金元素 与钢中的铁 碳发生作用 改善组织结构和工艺性能 提高使用性能 二 为什么发展合金钢 改善提高钢的性能 弥补碳钢的不足 如有些特殊条件下的使用要求 韧性 耐蚀 抗氧化 耐磨 高温强度等 车削速度较高的刀具要求红硬性 大尺寸零件要求高的淬透性 这时碳钢已不能满足要求 钢的合金化原理内容相当广泛 包括不同合金元素的不同作用 不同合金元素的交互作用 不同合金元素在不同热处理工艺 C含量 杂质含量条件下的不同行为 合金化基础 合金元素与Fe C的基本作用 一般规律 即共性 主要内容分为以下5个方面 1 钢中合金元素及其分类 2 合金元素与钢中铁和碳的相互作用 3 钢的强化 4 改善钢的塑性与韧性的途径 5 合金元素对钢的相变和热处理工艺性能的影响 第一节钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用 一 钢中合金元素的分类钢中常加入的合金元素有 第二周期 硼 碳 氮 第三周期 铝 硅 第四周期 钛 钒 铬 锰 钴 镍 铜 第五周期 锆 铌 钼 第六周期 钨 第七周期 稀土元素 硫 磷等元素通常作为有害元素看待 但有时也可当作合金元素 如在易切削钢中硫被用来改善切削性能 一 按照与铁相互作用的特点分类 合金元素与铁的相互作用主要是影响铁的同素异构结构 Fe的同素异构转变 奥氏体 A C溶于 Fe 面心立方 C溶解度大 铁素体 F C溶于 Fe 体心立方 C溶解度小 1 奥氏体形成元素 如碳 氮 镍 锰 铜 钴等 稳定和扩大A区 优先分布于A中 2 铁素体形成元素 如铬 硅 钒 钛 钼 钨 铌 钽 铝 锆等 稳定和扩大F区 优先分布于F中 但合金元素的实际分布还与加入量和热处理条件有关 二 按照与碳相互作用的特点分类1 非碳化物形成元素 如镍 铜 硅 铝 磷等 易溶入F或A中2 碳化物形成元素 如铬 钼 钨 钒 钛 锆 铌等 易与C形成碳化物 但加入数量较少时也可溶入固溶体或渗碳体 三 按照对A层错能的影响分类1 提高A层错能的元素 如镍 铜 碳等 2 降低A层错能的元素 如锰 铬 钌 铱等 A的层错能低 利于位错扩展 形成层错 滑移困难 加工硬化趋势增大 二 钢中合金元素的分布 1 形成非金属夹杂 与钢中的O N S Si等结合形成化合物 残留在钢中 使塑性 韧性和疲劳强度的降低 还降低耐磨性 耐蚀性 并影响淬透性 其危害性与夹杂物的成分 性能 形状 大小 数量和分布有关 但AlN可弥散与钢中 提高钢的性能 2 溶入固溶体 溶于F A和M中 不同元素在不同的组织中溶解度不同 3 形成强化相 4 自由存在 某些合金元素如银和铅等 既不溶于铁中基体中又不与之形成化合物 而以游离状态存在于基体中 存在形式决定于 三 合金元素与铁 碳的相互作用 一 合金元素与铁的相互作用 按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式 可将合金元素分为两大类 为什么有的合金元素扩大 区 而有的缩小 区呢 取决于 点阵类型 原子尺寸 电子结构和电化学等因素 合金元素含量高到形成 相 合金将严重发脆 合金元素与铁的相互作用的工程实际意义 为了保证钢具有良好的耐蚀性 如不锈钢 需要在室温下获得单一相组织 就是运用上述合金元素与铁的相互作用规律 通过控制钢中合金元素的种类和含量 使钢在室温条件下获得单相奥氏体或铁素体等单一组织来实现 例如 为了获得奥氏体型不锈钢 通常向钢中加人大量的Ni Mn N等奥氏体形成元素 为获得铁素体型不锈钢 通常向钢中加入大量的Cr Si A1 Mo Ti等铁元素形成元素 同时向钢中加入两类元素时 其作用往往相互抵消 但也有例外 如铬是铁素体形成元素 当钢中含wcr18 与镍同时加入时却促进奥氏体的形成 二 合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物 还是形成固溶体 取决于形成碳化物的趋势及其含量 xC yM MxCy G 非碳化物形成元素 如镍 铜 硅 磷 铝 钴等 碳化物形成元素 如钛 铌 锆 钒 钼 钨 铬 锰等 非碳化物形成元素易溶入铁素体和奥氏体等固溶体中 而碳化物形成元素易于溶入碳化物中 如加入少量碳化物形成元素时 它也可以溶入固溶体中 或溶入渗碳体中形成合金渗碳体等 当加入数量较多时 形成特殊碳化物 1 形成碳化物的规律 碳化物形成元素在周期表中都是过渡族元素 次d层未排满 次d层越不满 形成碳化物的趋势越强 碳化物越稳定 另外 热处理方式 影响扩散条件 影响碳化物种类 2 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相 提高强度 硬度 碳素钢 合金钢 镍基 钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当重要的地位 因此 应对碳化物的特性作进一步分析 根据合金钢中常见的碳化物种类 主要有以下几个方面特性 1 硬度 碳化物具有高硬度 其形成碳化物的倾向性越强 其硬度越高 如TiC 硬度最高 2 稳定性 熔点 分解温度 溶入固溶体难易稳定性高 难以集聚长大 强化效果好 提高回火温度 高温使用性能提高回火温度 使基体组织恢复充分 残余A少 碳化物弥散 钢塑性 韧性 强度好 高温使用 在温度及应力长期作用下不易集聚长大 提高材料使用寿命 一般 形成碳化物能力越强的元素 碳化物熔点高 稳定性亦大 Fe3C M23C6 M6C MC稳定性升高 但碳化物稳定 溶入A的温度高 自M中分解出来的温度亦高 使用锻造及热处理方法改变碳化物相的分布状况变得困难 稳定性又指 碳化物和基体 固溶体 之间不易因原子扩散而发生合金元素的再分配 许多碳化物形成元素同时也是有效的强化固溶体的元素 如铬 钼 钨等 故在经过适当的热处理之后 固溶体和碳化物间应保持最佳的合金元素含量分配率 以保证高的综合性能 如强度与塑性 强度与耐蚀性 3 溶解 碳化物具有一定的金属特性 所以其成分不是很固定 而是常常以其分子式所代表的化合物为基底 固溶各种合金元素 如 Fe3C能溶解大量的合金元素 在回火最初阶段所形成的Fe3C 既有碳化物形成元素溶入 又有非碳化物形成元素溶入 只是在提高回火温度或延长回火时间时 碳化物形成元素向Fe3C中固溶越来越多 而非碳化物形成元素固溶越来越少 3 合金元素与碳相互作用的实际意义 一方面关系到所形成碳化物的种类 性质和在钢中的分布 而所有这些都会直接影响到钢的性能 如钢的强度 硬度 耐磨性以及塑性 韧性 红硬性和某些特殊性能 同时对钢的热处理亦有较大影响 如奥氏体化的温度和时间 奥氏体晶粒长大等 另一方面由于合金元素与碳有着不同的亲和力 对相变过程中碳的扩散速度有较大影响 碳化物形成元素阻碍碳的扩散 降低碳原子的扩散速度 弱碳化物形成元素及大多数非碳化物形成元素则无此作用 甚至某些元素 如钴 还有增大碳原子扩散的作用 因而 合金元素与碳的作用对钢的相变有重要的影响 四 合金元素对奥氏体层错能的影响 一 合金元素的影响趋势目前有关合金元素对奥氏体层错能的影响规律尚不完全清楚 但对以下元素的影响趋势看法一致 镍 铜和碳提高A层错能 锰 铬 钌和铱降低之 二 奥氏体层错能对钢的力学性能影响层错能低 有利于位错扩展和形成层错 使横滑移困难 钢的加工硬化趋势增大 所以A层错能的高低将会直接影响到奥氏体钢的力学行为 如 高镍钢和高锰钢 虽然锰和镍都是A形成元素 单独加入相当数量的镍和锰都可使钢在室温下获得单相A 但却发现镍钢易于变形加工 而锰钢的冷变形性能很差 有很高的加工硬化趋势与耐磨性 三 奥氏体层错能对钢相变行为的影响A层错能的高低 对Fe Ni C合金中M的形态有直接影响 通常 A层错能越低越易于形成板条M 具有位错型亚结构 而A层错能越高 越易于形成片状马氏体 具有孪晶型亚结构 第二节钢的强化机制 钢的强化主要指提高其屈服强度 屈服强度 使位错开动 增殖并在金属中传播所需要的应力 因此 阻碍位错运动 就可达到强化目的 基于此 钢中合金元素的强化作用主要四种基本方式 固溶强化 晶界强化 第二相强化及位错强化 通过对这四种方式单相或综合加以运用 便可有效提高钢的强度 一 固溶强化 溶质原子溶入基体金属中形成固溶体使金属强化 称固溶强化 固溶强化可分为 间隙固溶强化和置换固溶强化两种 一 铁素体的固溶强化 1 间隙式固溶强化间隙原子C N固溶于F晶格间隙 阻碍位错运动 增加钢的塑性变形抗力 提高钢的屈服强度 达到强化目的 间隙原子 碳 氮 对强度的影响表达式 与间隙原子性质 基体晶格类型 基体的刚度 溶质和溶剂原子直径差及二者化学性质的差别等因素有关 F中固溶度很小 C最大仅0 0218 效果差 常采用相变 造成过饱和固溶体 如A M 间隙固溶可显著强化 但严重地损害钢的塑性 韧性以及焊接性能 原子半径小 指数关系 二 奥氏体的固溶强化C在面心立方晶格中造成的畸变呈球面对称 其间隙强化作用属弱硬化 置换式原子在A中的强化作用比碳原子更小 但置换式原子会影响A层错能 层错能低 位错易扩展 层错和溶质原子交互作用使溶质原子偏聚在层错附近 形成铃木气团 钉扎位错造成A强化 强化作用顺序 间隙式原子 C N 置换式F形成元素 置换式A形成元素钢中加入镍会使屈服强度降低 这是一种固溶软化现象 相对于F中 置换式固溶强化对F的强化作用小得多 但工程用钢中不可忽视 因多种元素的强化作用可以垒加 总的强化效果可观 如在低合金高强度钢中 加入微量多种合金元素就是这个道理 间隙式溶质原子强化效果显著 但受溶解度限制 可采用相变原理 总之 影响固溶强化作用 错配度与固溶度 还要考虑对塑 韧性的影响 2 置换式固溶强化置换固溶 晶格畸变多为球面对称 强化效果较间隙式小得多 约小两个数量级 称弱硬化 强度增量与溶质原子含量间关系式 但强度随CS 而直线 且若含量低时 基本不损害塑韧性 这点很重要 不同合金元素对铁素体强化作用不同 如磷 硅 锰和钼强化作用明显 其中硅 锰作用最大 镍 铝强化作用不大 多种合金元素同时存在 强化可累加 二 晶界强化晶界的存在可阻碍位错运动 提高金属材料屈服强度 晶粒越细 则晶界面积越大 屈服强度越高 霍尔 配奇 Hall petch 公式 屈服强度与晶粒大小的关系 适于一般晶体材料 亚晶等 细化晶粒还可提高金属塑韧性 应力集中小 裂纹扩展困难 是各种晶体材料强韧化的理想措施之一 0 单晶体中位错运动的摩擦阻力 KS 与材料本质有关而与晶粒直径无关的参数 又称晶界障碍强度系数 面心立方金属的滑移系比体心立方金属的多 所以其KS比体心立方金属小 三 第二相强化第二相强化分为沉淀强化和弥散强化 这两种强化方式共同点是第二相对位错的阻碍作用 但对位错运动阻碍的方式不同 沉淀强化 位错切过第二相粒子 粒子可变形 并与母相具有共格关系 淬火时效得 故称沉淀强化 基本途径 合金化加淬火时效 最佳沉淀相 与基体共格 键合强度高 高的派 纳力与弹性模量 有序相 如 在M时效钢中加入钛和钼 形成Ni3Ti Ni3Mo 基本上满足上述要求 效果良好 基体相以外的相 弥散强化 位错绕过第二相粒子 粒子不变形 与基体非共格 第二相粒子人为加入或淬火过时效 不溶入基体 故称弥散强化 弥散强化是钢中常见的强化机制 例如 淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物做弥散强化相 合金元素提供弥散分布第二相粒子形成的成分条件 高温回火为使碳化物呈细小 均匀 弥散分布 并防止碳化物聚集长大 要向钢中加入碳化物形成元素 钛 钒 铌 锆 钼和钨等 总之 第二相强化效果与第二相的大小 数量 分布及性能有关 沉淀相体积分数越大 强化效果越显著 第二相弥散度越大 强化效果越好 沉淀强化比弥散强化效果大 四 位错强化 一 位错数量位错密度越高 位错运动时越易于发生相互交割 引起位错缠结 位错运动的障碍越大 强化作用越大 金属中的位错密度与变形量有关 变形量越大 位错密度就越大 钢的强度则显著提高 但塑性明显下降 二 位错组态涉及位错的分布及其性质等 1 F钢 层错能较高 易于交叉滑移和形成胞状亚结构 随形变量增大 胞状结构细化 b增高 位错胞尺寸对屈服强度的影响也符合Hall Petch型关系 但与晶界相比 位错胞壁的障碍强度系数小得多 2 A钢 层错能较低 易形成层错 加工硬化快 冷变形 b迅速升高 一般面心立方金属中的位错强化效应比体心立方金属中的大 利用位错强化更有效 三 利用位错强化的途径 着眼于塑性变形时使位错增殖或分解 1 细化晶粒 通过增加晶界数量 使晶界附近因变形不协调诱发位错 同时还可使晶粒内位错塞积群的数量增多 2 形成第二相粒子 当位错遇到第二相粒子时 希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈 使位错数量迅速增多 3 促进淬火效应 相变体积效应诱发位错 五 有序化强化有序固溶体和原固溶体晶格相同 并保持固溶体的特性 这种固溶体的原子按一定次序排列 在二元合金中 同类原子间的结合力比较弱 异类原子间的结合力比较强时 固溶体就会产生有序化 溶剂 溶质结合方式相同的区域和另一结合方式不同的区域形成反相畴界 阻碍位错运动 使金属屈服强度提高 强化效果并不明显 但可与其他强化方式叠加 第三节改善钢塑性和韧性的基本途径 塑性 承受塑性变形的能力 用延伸率和断面收缩率表示 韧性 变形断裂吸收功 用冲击韧性 KIC 或塑脆转变温度表示 一 改善钢塑性的基本途径 因此 改变钢的极限塑性的途径是在提高均匀塑性的同时 尽量避免 推迟微孔坑的形成 一 钢的塑性变形 二 影响钢的塑性因素 1 溶质原子 固溶 1 间隙固溶 C N等 对塑性下降影响大 较置换式 如M中0 2 C塑性好 0 4 的C冷加工困难 C N还可引起低碳钢蓝脆 温度升至200 300 时 b 硬度 塑性 蓝回火色 此时C N原子扩散速度与位错运动速度相当 变形抗力 2 置换溶质原子 不同合金元素影响差别很大 2 晶粒大小的影响对均匀真应变影响不大 但对提高极限塑性有利 位错分散 减小应力集中 不易形成微孔坑 微裂纹 3 第二相的影响使均匀真应变稍升或不降低 使位错快速增殖 使硬化速率快速增大 对总伸长率不利 本身与基体界面断裂 形成微孔 4 位错强化的影响 二 改善钢韧性的途径 延性断裂 解理断裂和晶间断裂过程中吸收的能量越大 韧性越好 一 改善延性断裂抗力的途径 延性断裂过程 微孔坑出现 聚集 长大断口呈韧窝型 二 改善解理断裂抗力的途径 解理断裂 原子键断裂 表现为沿晶面断裂 普遍存在于体心立方和六方晶体中 一般不存在于面心立方中 宏观断裂表面垂直于应力方向 属脆性断裂 F 温度降低 流变应力提高 发生解理脆断 温度升高 流变应力降 形成微孔坑 夹杂 第二相断裂 脱离 塑断 具有冷脆性 措施 三 改善晶间断裂抗力的途径 防止晶界偏聚 溶质原子S As Sb Sn与Ni Mn交互作用 偏聚于晶界 防止方法 加Mo Ti 与之作用强 抑制杂质元素向晶界移动 减少第二相沿晶界分布 减小晶界处形成微裂纹的可能性 如晶界处MnS使晶界弱化 加入稀土元素形成稳定的稀土硫化物 避免形成之 第四节合金元素对钢相变的影响 一 对平衡状态下相变的影响 一 对奥氏体相区的影响 二 对共析温度的影响 三 对共析点位置的影响 所有合金元素使S点左移 合金钢中C 0 77 时就会析出二次渗碳体 变为过共析钢 二 对非平衡状态下相变的影响 一 对钢加热转变的影响 A形成 残余碳化物分解 A均匀化 A晶粒长大 1 对A形成速度的影响改变A的形成速度 形核和核长大速度 改变了A的形成温度A1 A3和Acm等相变点的位置 改变C的扩散速度 影响C的重新分布 碳化物形成元素 铬 钼 钨 钛和钒等 降低C扩散速度 钴和镍 提高碳在A中的扩散速度 增大奥氏体的形成速度 硅 铝 锰 对C在A中的扩散速度影响不大 2 对残余碳化物溶解的影响F全部转变为A后 仍有一部分碳化物残留 为了增强奥氏体的合金化程度 以充分发挥合金元素的作用 就应使残余碳化物充分地溶解于奥氏体中 由于合金元素扩散困难 再加上合金碳化物的稳定性较高 要使碳化物分解并溶入A中 需提高加热温度 例如 含铬的碳化物在850 才大量溶解 含钼的碳化物要在950 时才显著溶解 含钒 钛 铌的碳化物要达1050 才溶解 又如 在高速钢的生产中 为了保证碳化物充分溶解 其淬火温度一般都在1250 1280 比其临界点 A1 820 高出数百度 总之 碳化物愈稳定 含量愈高 所需的加热温度越高 3 对奥氏体均匀化的影响由于碳化物的溶入 使A不均匀 为使其均匀化 C 合金元素都需扩散 但合金元素的扩散极慢 为C扩散速度的千分之几或万分之几 且碳化物形成元素还降低C在A中的扩散速度 所以合金钢的A化时间比碳钢长 这也是在生产中合金钢加热保温时间往往比碳钢长的原因所在 综上所述 对于含有强碳化物形成元素的合金钢 必须严格注意选择淬火温度和保温时间 以使合金元素能够充分溶入A中 否则将影响钢的淬透性及得到合金度较低的马氏体 而降低钢的力学性能 4 对奥氏体晶粒长大的影响A晶粒越细小 淬火后得到M越细 回火后钢的力学性能越好 因而钢中常加入某些合金元素 以降低钢加热时A晶粒的长大 一般 强碳化物形成元素 如钛 钒 锆 铌等 强烈阻止A晶粒长大 钨 钼 铬等 作用中等 非碳化物形成元素 如镍 硅 铜 钴等 作用较弱 锰 磷 碳等 促使A晶粒长大 复合元素 影响不一定是简单的迭加关系 需要实践测定 生产中常用少量的铝 0 005 质量分数 脱氧 形成极细小的Al2O3和A1N质点 可以阻止奥氏体晶粒长大 但当加热温度超过其溶解度温度时 阻碍奥氏体晶粒长大的作用即消失 晶粒将急剧长大 二 对过冷A分解转变的影响 1 对过冷A稳定性的影响除Co外 都使C曲线右移 A稳定性 获得大的过冷度 淬透性 注意 只有合金元素溶于A后 才起作用 若未溶入 以碳化物形式存在 A的稳定性原因 A中的C 合金元素少 且碳化物作为形核核心 2 对珠光体转变的影响A 珠光体 Fe Fe3C 需C 合金元素再分配 由于合金元素自扩散很慢 且 C扩散速度 除Co外 因此合金元素都不同程度上使珠光体相变进行迟缓 钢的淬透性 1 除钴 铝外的合金元素推迟珠光体转变 其由强到弱排列 钼 镍 铬 锰 非碳化物形成元素作用较弱 钴加速转变 铝作用不明显 2 强碳化物形成元素 碳化物极稳定 若不溶入A 提供成核条件 加速相变 3 合金元素同时存在 对延缓转变不是算术迭加 往往是迭乘的 在合金元素总量相同时 多元素的低含量的效果远远超过单一元素高含量 4 微量硼 改变A晶界状态 在晶界上形成共格硼相 M23C3B3 可显著阻止 Fe相的形核 增加A稳定性 5 扩大 区元素 使A1 缩小 区元素 提高A1点 相变温度 3 对贝氏体转变的影响贝氏体 介于P与M间 过冷A约在350 240 间转变而得 组织为F Fe3C 但F中有过饱和的C 取决于其对 相变难易程度 自由能差 动能 减慢A分解 贝氏体转变 1 铬 锰 镍等 两相自由能差 相变动力 A分解 推迟贝氏体转变 铬和锰还阻碍碳的扩散 故推迟了贝氏体转变的作用尤为强烈 2 钼 钨 钒等 既可使转变温度升高 又可使A与F两相自由能差加大 但 C扩散速度 故使上述两个作用十分微弱 3 硅 强烈推迟转变 因强烈阻碍过饱和固溶体中C脱溶 利于形成M 4 钴和锆 自由能差 同时钴还 C扩散速度 使A稳定性 转变 总顺序 锰 铬 镍 硅 钼 钨 钒 钴 铝 推迟作用 4 合金元素对M相变的影响除钴 铝外 大多数合金元素 M转变温度 残余A量 其中碳的作用最强烈 其次是锰 铬 镍 再次为钼 钨 硅 对于一般合金钢 生产上经常用下列经验公式估算其Ms点 Ms 538 317C 33Mn 28Cr 17Ni llSi llMo 11W另外 碳和合金元素对M形态也有影响 低碳马氏体呈板条状 高碳M呈针叶或透镜片状 中碳M则为两种形态的混合 钢中合金元素铬 钼 锰和钴等增加形成片状马氏体的倾向 三 对淬火钢回火转变的影响 1 对马氏体分解的影响低温回火 C扩散困难 只发生C原子偏聚 短距离扩散 合金元素不扩散 仍分布于 相或 碳化物 对M分解影响不大 中 高温回火 M F Fe3C 2 对残余奥氏体分解的影响除钴 铝外 大多数合金元素 淬火钢中残余A 高速钢中 残余A可达20 40 必须进行多次高温回火后 可降至2 3 以下 淬火组织中残余A 具有较大的内应力和内部缺陷 较容易发生分解 合金元素大多使残余A的分解温度移向较高温度范围 镍 钼 钨 钒的作用弱 铬 锰 硅的作用较显著 某些高合金钢如高速钢 回火过程中从残余A中析出碳化物 使残余A中碳和合金元素含量下降 至使Ms点升高 高于室温 因而在冷却过程中 残余奥氏体转变为马氏体 而使回火后的硬度高于淬火态的硬度 这就是所谓的高速钢二次淬火现象 3 对回火时碳化物的形成及聚集长大的影响Si Al 推迟 碳化物 Fe3C 碳化物 Fe2 4C 随回火温度升高 碳化物形成元素富集于Fe3C 形成合金渗碳体如 FeCr 3C 时间 聚集长大 Ni对聚集无影响 硅 钒 钨 钼 铬等 阻碍聚集长大 回火温度继续 在高合金钢中 直接由M中析出特殊碳化物如TiC VC Mo2C WC等 这些碳化物颗粒细小 弥散分布 使钢的强度 硬度不仅不降低 反而升高 即钢在回火中的二次硬化现象 回火温度再 碳化物聚集长大 硬度下降 强碳化物形成元素本身的扩散速度小 减慢C扩散速度 阻碍碳化物的聚集长大 使碳化物在较高温度回火后 仍能保持均匀 细小的碳化物颗粒 钴虽不能 C扩散速度 但能提高固溶体的原子间结合力 也使析出相不易聚集长大 4 对 相的回变与再结晶的影响回火使过饱和 相分解 析出碳化物 C含量 使晶格畸变回复 因而应力减小 回火温度达520 相再结晶长大 合金元素使 相回复 再结晶温度 回火稳定性 第五节合金元素对钢热处理工艺性能的影响 主要表现在 淬透性 淬裂倾向性及回火脆方面 一 对马氏体淬透性的影响 钢的淬火实际上是M化 即先加热形成均匀的A 淬火得到过饱和M 再经回火使钢的强度 硬度提高 同时具有较好的韧性 大工件 淬火时自表面向内 冷却速度愈来愈慢 而冷却过程中要经过珠光体和贝氏体温度区 若冷却速度低于一定值 则转变为珠光体或贝氏体 要 淬透性 即 过冷A的稳定性 就必须使珠光体 贝氏体转变推迟 更困难 更慢 贝氏体淬透性 仅需提高珠光体区稳定性 不同元素的作用 单元素Mn Mo Cr效果最好 强碳化物形成元素 Cr Mo等 与强F元素 Ni Mn Si等 配合对提高淬透性效果更好 所以一般联合加入 600 650 Fe Fe3C 300 350 F 仍存在过饱和 Fe3C 二 对钢淬裂倾向的影响 C与合金元素 特别是Mn Mo Cr Ni 使M转变温度 组织应力 易淬裂 原因 M转变温度愈低 应力回复愈困难 二 对钢回火脆的影响 回火脆 M在一定温度下回火产生脆性 碳素钢和合金钢都会产生回火脆性 合金钢较严重 应采取措施防止 第一类 不可逆 回火脆 250 350 回火时产生 原因是回火M中分解出不稳定的片状化合物 无法用回火消除 故称不可逆回火脆 锰 铬促进之 镍 钼 钒影响较小 硅 镍 锰可推迟之 如硅可使回火脆温度推迟到350 以上 第二类 可逆 回火脆性 500 550 回火时产生 各种合金钢都有此倾向 只是程度不同 与合金元素偏聚于晶界从而降低晶间结合力有关 由回火温度太高 冷却太慢引起 可通过600 以上回火后快冷消除 使合金元素来不及在晶界偏聚 合金元素对钢的第二类回火脆影响有以下四种情况 产生偏聚的元素 即脆化元素 如氢 氮 氧 硅 磷硫 砷 锡 锑 铋等 与偏聚元素共同起作用的促进剂 如锰 镍等 本身不参予偏聚 但促进其它元素偏聚 如铬 与杂质结合 阻止偏聚 如Mo有抑制回火脆作用 基本要求 掌握合金元素在钢中的分布状态 合金元素与铁和碳的相互作用 合金元素对钢相变及热处理工艺 力学性能的影响 提高钢强韧性的途径 了解钢中合金元素的分类 钢的冶金质量及控制 钢材的断口分析 习题与思考题 1 简述合金元素与铁 碳相互作用的工程实际意义 2 简述合金元素对奥氏体层错能的影响 3 什么叫固溶强化 固溶强化的分类 4 利用位错强化的途径有那些 5 影响钢塑性的因素有那些 6 改善钢韧性的途径有那些 7 简述合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 8 分析合金元素可以通过哪些途径改变钢的组织结构 9 合金元素对钢的相变有哪些方面的影响 平衡状态 非平衡状态 10 合金元素对钢的热处理工艺性能有什么影响 第3章工程构件用钢 工程构件用钢 用于制作各种大型金属结构 如桥梁 船舶 车辆 锅炉和压力容器 所用的钢料 称为工程构件用钢 简称构件钢 工作条件特点是 1 不做相对运动 2 往往承受长期的静载荷 3 有一定的使用温度要求 4 通常在野外 如桥梁 或海水中 如船舶 使用 长期与大气或海水接触 而又不能象机器那样防锈维护得很好 使用性能要求 1 力学性能要求 a 足够的弹性模量 以保证构件有较好的刚度 b 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力 即 s较高而 k k较大 c 缺口敏感性及冷脆倾向性较小 2 要有一定的耐大气腐蚀性及耐海水腐蚀性 要求有良好的冷变形性与可