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塔里木油田职业技能鉴定技师培训相关知识培训教程 金属材料基础知识 主讲曹新华塔里木油田分公司工程技术部2008 06 第一章概述 1 1金属材料的发展过程金属材料的发展与人类社会的发展紧密联系 人类社会历史 从商周时期进入青铜器时代和铁器时代 在本世纪初 50年代 材料的发展主要围绕着机械制造业 军事工业主要发展了以一般力学性能为主的金属材料 50 60年代 压力容器 舰船 结构等向高强度方向发展更快 发展了高强度低合金钢 60 70年代以后 由于航空 空间机械和动力机械的发展对材料提出了更苛刻的要求 如高温 高压 高的比强度和比模量等 工程用金属材料主要应用于机械制造 航空 航天 石油 化工 建筑和交通运输等部门 石油化工中主要用于钻采设备 集输管道 压力容器 反应器 塔器 换热器 贮槽等 1 2金属材料的分类 1 2 1黑色金属 钢和有色金属在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属 钢与有色金属的基本概念 1 黑色金属是指铁和铁的合金 如钢 生铁 铁合金 铸铁等 钢和生铁都是以铁为基础 以碳为主要添加元素的合金 统称为铁碳合金 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品 主要用来炼钢和制造铸件 把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼 即得到铸铁 液状 把液状铸铁浇铸成铸件 这种铸铁叫铸铁件 铁合金是由铁与硅 锰 铬 钛等元素组成的合金 铁合金是炼钢的原料之一 在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用 2 把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼 即得到钢 钢的产品有钢锭 连铸坯和直接铸成各种钢铸件等 通常所讲的钢 一般是指轧制成各种钢材的钢 钢多数属于黑色金属但不完全等于黑色金属 3 有色金属又称非铁金属 指除黑色金属外的金属和合金 如铜 锡 铅 锌 铝以及黄铜 青铜 铝合金和轴承合金等 另外在工业上还采用铬 镍 锰 钼 钴 钒 钨 钛等 这些金属主要用作合金附加物 以改善金属的性能 其中钨 钛 钼等多用以生产刀具用的硬质合金 以上这些有色金属都称为工业用金属 此外还有贵重金属 铂 金 银等和稀有金属 包括放射性的铀 镭等 1 2 2钢的分类钢是含碳量在0 04 2 03 之间的铁碳合金 为了保证其韧性和塑性 含碳量一般不超过1 7 钢的主要元素除铁 碳外 还有硅 锰 硫 磷等 钢的分类方法多种多样 其主要方法有如下七种 1 2 2 1按品质分类 1 普通钢 P 0 045 S 0 050 2 优质钢 P S均 0 035 3 高级优质钢 P 0 030 S 0 025 4 特级优质钢 P 0 025 S 0 015 1 2 2 2按化学成份分类 1 碳素钢 a 低碳钢 C 0 25 b 中碳钢 C 0 25 0 60 c 高碳钢 C 0 60 2 合金钢 a 低合金钢 合金元素总含量 5 b 中合金钢 合金元素总含量 5 10 c 高合金钢 合金元素总含量 10 1 2 2 3按成形方法分类 锻钢 铸钢 热轧钢 冷拉钢 1 2 2 4按金相组织分类 1 退火状态的 a 亚共析钢 铁素体 珠光体 b 共析钢 珠光体 c 过共析钢 珠光体 渗碳体 d 莱氏体钢 珠光体 渗碳体 2 正火状态的 a 珠光体钢 b 贝氏体钢 c 马氏体钢 d 奥氏体钢 3 无相变或部分发生相变的 1 2 2 5按用途分类 1 建筑及工程用钢 a 普通碳素结构钢 b 低合金结构钢 c 钢筋钢 2 结构钢a 机械制造用钢 a 调质结构钢 b 表面硬化结构钢 包括渗碳钢 渗氮钢 表面淬火用钢 c 易切结构钢 d 冷塑性成形用钢 包括冷冲压用钢 冷镦用钢 b 弹簧钢c 轴承钢 3 工具钢 a 碳素工具钢 b 合金工具钢 c 高速工具钢 4 特殊性能钢 a 不锈耐酸钢 b 耐热钢 包括抗氧化钢 热强钢 气阀钢 c 电热合金钢 d 耐磨钢 e 低温用钢 f 电工用钢 5 专业用钢 如桥梁用钢 船舶用钢 锅炉用钢 压力容器用钢 农机用钢等 1 2 2 6综合分类 1 普通钢a 碳素结构钢 b 低合金结构钢c 特定用途的普通结构钢 2 优质钢 包括高级优质钢 a 结构钢 a 优质碳素结构钢 b 合金结构钢 c 弹簧钢 d 易切钢 e 轴承钢 f 特定用途优质结构钢 b 工具钢 a 碳素工具钢 b 合金工具钢 c 高速工具钢 c 特殊性能钢 a 不锈耐酸钢 b 耐热钢 c 电热合金钢 d 电工用钢 e 高锰耐磨钢 1 2 2 7按冶炼方法分类 1 按炉种分a 平炉钢 a 酸性平炉钢 b 碱性平炉钢 b 转炉钢 a 酸性转炉钢 b 碱性转炉钢 或 a 底吹转炉钢 b 侧吹转炉钢 c 顶吹转炉钢 c 电炉钢 a 电弧炉钢 b 电渣炉钢 c 感应炉钢 d 真空自耗炉钢 e 电子束炉钢 2 按脱氧程度和浇注制度分a 沸腾钢 b 半镇静钢 c 镇静钢 d 特殊镇静钢 1 3金属材料性能与化学成分和组织结构的关系材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素 载荷性质 应力状态 工作温度和环境介质 作用下的综合反映 材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据 而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现 钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一 化学成分一定时 可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构 而导致材料在力学性能上有较大的差异 1 4选择材料需考虑的因素在零构件及钻采用具设计中 正确地选择结构材料对于保证构件的结构合理 安全使用和降低制造成本是至关重要的 材料的选择必须要考虑到许多因素 以钻采用具为例尽管工艺系统设计人员负责推荐选用于工艺条件的 即具有良好强度 韧性 耐腐蚀性能的材料 但作为专业的设计人员 除应了解材料的上述性能外 还必须知道 材料应具有良好的可加工工艺性能 应选择适合于工艺和机械两方面要求的最经济的材料 这些材料应该是在整个设备工作寿命期限里 考虑到使用安全 维护 更新等因素在内的成本最低的材料 选择结构材料时 主要需考虑的因素包括 使用性能 工艺性能 1 4 1使用性能1 4 1 1力学性能金属材料在一定的温度条件和受外力作用下 抵抗变形 断裂的能力称材料的力学性能又称为机械性能 主要有四大指标 强度指标 抗拉强度屈服强度 疲劳强度 屈强比 塑性指标硬度指标韧性指标 1 强度指标根据载荷作用方式不同 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等 将规定尺寸的试棒在拉伸实验机上进行静拉伸实验 以测定该试件对外力载荷的抗力 可求强度指标和塑性指标 抗拉强度 抗拉强度是材料的主要强度指标之一 它是材料在拉伸受力过程中 从开始加载至断裂所能承受的最大应力 是决定材料许用应力的主要依据之一 在GB228 金属拉伸试验方法 中给出了抗拉强度的定义和试验方法 外力 应力 屈服强度 屈服强度 屈服点 是指呈现屈服现象的金属材料 在所加外载荷不再增加 保持恒定 而材料仍继续伸长变形时所对应的应力 对于在钻具制造行业中通常使用的材料 规定以残余伸长率为0 2 时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点 GB228中给出了试验方法 屈强比 屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比 比值越大越能发挥材料的潜力 减少自重 但可靠性能下降 因两值较接近 材料在断裂前的塑性 储备 较少 安全裕度较小 屈强比越小 结构的可靠性越高 为保证安全 一般比值在0 65 0 75之间 高屈强比可省材料但对应力集中较敏感 抗疲劳性能较差 所以对大于0 8要慎重处理 2 塑性指标塑性 是指金属材料在载荷作用下产生最大塑性变形而不破坏的能力 伸长率 试样受拉力断裂后 总伸长量与原始长度的比值的百分率称为伸长率 延伸率 L0 试件原始标距长度L1 试件拉断后标距长度长试样或表示 10d短试样表示 5d为了防止采用屈强比太高的钢材 对钻具用钢的延伸率规定不得小于13 以此来限定屈强比 断 截 面收缩率 试样受拉力断裂后 试样截面的缩减量与原截面之比的百分率称为断面收缩率 100 A0 拉伸前原始截面A1 拉断后细颈处 最小截面积断面收缩率不受试件标距长度的影响 无长短之分 对于钻具材料一般要求30 40 伸长率和断面收缩率表明材料在静态或缓慢拉伸应力作用下的韧性 良好的塑性即可使材料冷压成型性好 重要的受压零件可防止超载时发生脆性断裂 但对塑性的要求有一定限度并非越大越好 3 硬度指标硬度 指金属材料抵抗硬物压入表面的能力 耐磨性 常用的硬度测定方法都是用一定载荷 压力 把一定的压头压在金属材料表面 然后测定压痕面积或深度来确定硬度值 压痕愈大愈深则硬度愈低 它是表征材料的弹性 塑性 形变强化率 强度 韧性等一系列不同物理量的组合的一种综合性能指标 布氏硬度HB P A在直径为D的淬火钢球上施加压力P 使钢球压入被测金属表面 并留下压痕 载荷P与压痕表面积之比称为布氏硬度 P 压力载荷 N A 压痕表面积 D 钢球直径d 压痕直径为了避免压痕面积计算的麻烦 专门制定了压痕直径与HB值的对照表 在布氏硬度实验时 钢球直径D 压力P和力保持时间应根据不同的金属材料和厚度选定 的比值不同 不能直接进行比较 分为30 10 25三种 压痕直径d应在0 25D d 0 6D范围内 HB 450不能用淬火钢球测量布氏硬度 硬度与强度的关系 经验公式 低碳钢高碳钢布氏硬度一般不标出单位 硬度值越高表示材料越硬 表示方法 HBS淬火钢球 450HB HBW合金钢球 650HB 洛氏硬度HR洛氏硬度时采用测量压痕深度来确定硬度值的实验方法 实验 锥角为120 的金刚石圆锥或直径为1 588 1 16英寸 的淬火钢球负载先后两次施加 先加100N初载 再加主载荷 按照压头种类和总实验力的大小组成三种洛氏值 洛氏硬度及应用范围 维氏硬度HV使用金刚石正四棱锥体为了满足从软到硬有一个连续一致的硬度标度 需要采用维氏硬度HV 是以负荷除以压痕表面积所得的商 测出两对角线平均长度 d 然后查表或代入公式确定硬度值 采用正棱角锥体金刚石压头 实验压力从10 1000N选用 还有显微硬度选更小的压力测出金相组织中不同相的硬度 焊缝热影响区硬度等 里氏硬度HL装有一碳化钨冲击测头在一定高度下冲击试件表面测出冲击测头距试样表面1 处的冲击速度和回跳速度 利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系 则HL 1000 里氏硬度实验结果表示方法 在HL里氏硬度符号前给出硬度数值 在HL后给出冲击装置类型 例 700HLD表示D型冲击装置测定的对于换算成其他硬度则在HL前 相应的硬度符号例如 HB120HLD 400HVHLD 冲击装置类型D DC G C型 主要是冲击体质量不同 冲击能量不同 测试范围不同 VB 测头回跳速度VA 冲击速度 4 韧性指标韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标 冲击韧性 金属材料在冲击载荷作用下 抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小 它表示材料对冲击负荷的抗力 计算公式 a 单位 1J 1N m AK 冲击功 冲断试样所消耗的功 F 试样缺口处的截面积目前均采用冲击吸收功AKV表示 单位J 试样 V型缺口 AKV表示 V型缺口在钻具的检验中应用较多 U型缺口 时效冲击时用时效冲击将试件拉伸残余变形10 低碳钢 5 低合金钢 后加热250 10 保温一小时后再作冲击 试验采用U型缺口 得出a时效冲击值 断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂 实际上材料远非是均匀的 连续的各向同性的 其组织中存在微裂纹 夹杂 气孔等缺陷均可看作是裂纹 在外力作用下 在裂纹尖端附近便出现应力集中 根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析 应力场的强弱主要取决与一个力学参数 应力强度因子KIKI YY 无量钢系数与裂纹形状 加载方式试样尺寸有关 外加拉应力 MPa a 裂纹长度的一半 m 当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时 KI也随之增大 当KI增大到某一临界值时 试样中的裂纹会突然失稳扩展 导致断裂 这个临界值称为该材料的断裂韧度用KIC表示 断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展 即抵抗脆性断裂的指标 当KI KIC时 裂纹扩展很慢或不扩展 当KI KIC时 则材料发生失稳脆断 断裂韧度是材料固有的力学性能指标 是强度和韧性的综合体现 主要取决于材料的成分 内部组织和结构 与裂纹的大小 形状 外加应力等无关 通过实验测定的 弯曲实验是焊接接头力学性能实验的主要项目 焊接工艺评定和产品焊接试板都要进行弯曲实验 方法 将试样放在支座上 用一定直径的压头压下 使试样弯曲至一定角度 焊接方法 材料不同而取180 100 90 50 评定是以不出现长度大于一定尺寸的裂纹或缺陷为合格 分面 背 侧弯 5 刚度 弹性模量刚度是结构抗弯曲和翘曲的能力 是度量构件在弹性范围内受力时变形大小的因素之一 它与材料的弹性模量和结构元件的截面形状 截面惯性矩 有关 弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值 应力 单位面积材料抵抗变形的力 应变 单位长度的变形量 6 抗疲劳性能 疲劳极限材料或元件在交变应力 随时间作周期性改变的应力 作用下 经过一段时期后 在内部缺陷或应力集中的部位 局部产生细微的裂纹 裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下 突然发生脆性断裂 这种现象称为疲劳 疲劳极限即材料承受近无限次应力循环 而不破坏的最大应力值 几种钻具常用材料的力学性能GB T3077 1999 合金结构钢 标准参数 几种钻具常用材料的化学成分GB T3077 1999 合金结构钢 标准参数 1 4 1 2物理性能特殊性能 如导热性 非磁性 硬化性能 1 4 1 3化学性能耐腐蚀性能 抗氧化性能 耐高温性能等 1 4 2工艺性能1 4 2 1可锻性金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不开裂的能力 1 4 2 2铸造性是指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能 主要包括流动性 充满铸模能力主要受金属化学成份和浇注温度等的影响 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收缩性 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 1 4 2 3可焊性是指金属材料通过加热或加热和加压的焊接方法 把两种或两种以上的金属材料焊接到一起 接口处能满足使用目的的特性 1 4 2 4冲压性金属材料承受冲压变形加工而不变形的能力 在常温进行冲压叫冷冲压 检验方法用杯突实验进行 1 4 2 5机加工性切削加工金属材料的难易程度称为机加工性能 影响因素 加工性与金属材料的化学成分 硬度 韧性 导热性 金相组织和加工硬化能力等因素有关 1 4 2 6热处理工艺性能通过对钢材加热和保温得到奥氏体 通过不同方式的冷却得到不同组织的性能和难易程度 第二章金属的结晶与合金的构造 2 1金属的晶体结构我们把内部原子是规则排列的物质称为晶体 凡是晶体都具有规则的外形 一定的熔点 那么内部原子是如何按规则进行排列的 它们排列的方式有哪些种类 就是我们要研究的晶体结构 2 1 1晶体与非晶体晶体 凡原子呈有序 有规则排列的物质 金属的固态 金刚石 明矾晶体等 非晶体 在物质内部 凡原子呈无序堆积状况的 称为非晶体 如 普通玻璃 松香 树脂 沥青等 性能 晶体有固定的熔 沸点 呈各向异性 非晶体没有固定熔点 而且表现为各向同性 2 1 2金属的晶体结构晶体有规则的原子排列 主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡 为了便于说明和分析各种晶体的原子排列规律 把原子看成一个点 并用假想的直线将各点连接起来 这样就构成了一个假想的空间格子 2 1 2 1晶格和晶胞表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格 能完整地反映晶格特征的最小几何单元 称为晶胞 2 1 2 2晶面和晶向在晶体中由一系列原子组成的平面 称为晶面 通过两个或两个以上原子中心的直线 可代表晶格空间排列的一定方向 称为晶向 2 1 2 3晶格常数即晶胞三边长度 a b c 以埃为单位 1 埃 10 8cm 0 1nm 纳米 2 1 3金属晶格的类型2 1 3 1体心立方晶格它的晶胞是一个立方体 原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心 如 Cr V W Mo Fe 2 1 3 2面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体 原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心 如 铝Al Cu Pb Ni Fe 2 1 3 3密排六方晶格它的晶胞是一个正六棱柱体 原子排列在柱体的每个顶角上和上 下底面的中心 另外三个原子排列在柱体内 属于这种晶格类型的金属有Mg Be Cd Zn 等 2 1 3 4反映金属晶体排列紧密的参数晶格的致密度 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比 配位数 晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数 2 1 4实际金属的结构2 1 4 1单晶体具有一致晶向的晶体叫单晶体 例如单晶硅 由于各方向上的原子密度不同所以呈现物理化学力性性能各向异性 2 1 4 2多晶体由许多不同晶向的晶粒组成的晶体称多晶体 多晶体中每个晶粒内部的原子排列次序一样 但不同晶粒的晶体位向不同 由于多晶体是由许多不同位向的晶粒所组成 各晶粒的有向性互相抵消 所以多晶体呈现的是 无向性 又称 伪各向同性 2 1 4 3晶界在多晶体中晶粒和晶粒之间的交界称为晶界 晶界是两个位向不同的晶粒的过度区 所以在晶界处的原子排列不整齐 造成了晶格的畸变 即晶格常数发生了改变 并常有杂质存在 所以晶界处熔点偏低 化学能高 易受侵蚀 金相原理 2 1 4 4晶体的缺陷a 点缺陷 空位和间隙原子 置代原子引起晶格的畸变 使其金属的屈服点和抗拉强度增高 所以热处理有渗C N等工艺 b 面缺陷 位错若有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排称为位错 分为 刃型位错和螺型位错 位错的存在使金属容易塑性变形 但使强度降低 位错附近晶格发生畸变 位错会动 位错的密度和运动对金属的塑性 强度 相变 疲劳 腐蚀等起重要作用 所以位错理论是当今研究金属学的重要领域 2 2金属的结晶2 2 1结晶液态金属冷却至凝固温度时 金属原子例由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态 这种由液态金属转变为晶体的过程称为金属的结晶 冷却曲线过冷现象 实际上有较快的冷却速度 过冷度 理论结晶温度与实际结晶温度之差 过冷度 2 2 2结晶过程不断产生晶核和晶核长大的过程 外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒 晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界 2 2 3金属结晶后晶粒大小一般来说 晶粒越细小 材料的强度和硬度越高 塑性韧性越好 细化晶粒的方法 1 增大过冷度 增加晶核数量 2 加入不熔物质作为人工晶核 3 机械振动 超声波振动和电磁振动 2 3金属的同素异构转变金属在固态下 随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变 具有同素异构转变的金属有 铁 钴 钛 锡 锰等 同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度 由低温到高温依次用希腊字母 等表示 铁的同素异构转变式 1535 1390 910 液体 Fe Fe Fe体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处 1 有一定的转变温度 转变时有过冷现象 放出和吸收潜热 转变过程也是一个形核和晶核长大的过程 2 同素异构转变属于固态相变 有本身的特点 新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成 转变需要较大的过冷度 晶核的变化伴随金属体积的变化 转变时产生较大的内应力 例如 Fe转变为 Fe时 铁的体积会膨胀约1 这是钢热处理时引起应力 导致工件变形和开裂的重要原因 2 4合金的晶体结构纯金属一般强度低 工业生产中大量使用的金属材料都是合金 碳钢 合金钢 铸铁 铝镁合金 2 4 1合金概念由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金 2 4 2合金结构组织 是显微镜尺度上的晶粒尺寸 形状 组成物的特点 结构 是原子尺度上的 是用X射线衍射分析的点阵结构 由于铁和碳之间相互作用的不同 使铁碳合金的相结构有两大类及混合物 1 固溶体指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了些某溶剂原子的位置 而仍保持溶剂原子晶格类型的一种成分和性能均匀的固态合金 如铁素体是碳在固溶体中的混合物 2 金属化合物合金组元间按一定的原子数量之比 相互化合而成的一种具有金属特性的新相 称为金属化合物 如Fe3C 渗碳体 按组织分 机械混合物由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织 珠光体 P 它是F Fe3c的机械混合物莱氏体 Ld 它是Fe3c和P的机械混合物 在铸铁中 第三章铁碳合金与铁碳合金相图 3 1铁碳合金的基本组织3 1 1铁素体碳与 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 用F表示 铁素体仍具有体心立方晶格 碳与铁形成间隙固溶体 溶C能力差 727 最大溶C 0 02 室温可溶C 0 006 所以与纯铁没有明显区别 所以铁素体强度 硬度低而塑性 韧性好 3 1 2奥氏体碳与 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 用A表示 高温组织 在大于727 时存在 塑性好 强度和硬度高于F 在锻造 轧制时常要加热到A 提高塑性 易于加工 碳位于面心立方体的中心 此处间隙比铁素体大 所以溶碳能力大 在727 可溶0 8 在1147 最大为2 06 奥氏体没有磁性因为是面心立方塑性好 所以是锻造轧制选择的温度范围 3 1 3渗碳体铁和碳形成化合物Fe3c称为渗碳体 具有复杂斜方晶格 不发生同素异晶转变 含碳为6 67 熔点1227 硬度很高 耐磨 很脆 塑性几乎为零 不能单独使用 Fe3c是钢中的强化相 它的数量 形状 分布对钢材的机械性能影响很大 在钢和铸铁中可呈片状 球状 网状等分布 在一定条件下可分解 Fe3c3Fe C 石墨 这就是高温下某些材料有时会出现的石墨化问题 3 1 4珠光体珠光体是铁素体和渗碳体两者组成的机械混和物 其平均含碳量为0 8 0 77 常温下的珠光体内铁素体约占88 而渗碳体占12 金相照片可见是由片状铁素体和片状渗碳体一层层交替分布的 由于珠光体是由硬而脆的渗碳体与软而韧的铁素体相间组成的机械混合物 因此其性能介于两者之间 因此珠光体的比例 分散度 珠光体的形状对其力学性能起着决定性的作用 例 20 钢珠光体的比例大约26 而45 钢占58 珠光体的片层细小 珠光体的球化等等 20 钢45 钢 3 1 5莱氏体 概念 是含碳量为4 3 的液态铁碳合金在1148 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 F A Fe3C是单相组织 称铁碳合金的基本相 P Ld是由基本相混合组成的多相组织 3 2铁碳合金状态图用来表示在平衡状态下 不同含碳量的铁碳合金在不同温度下所处的状态 晶体结构和显微组织特征的图称为铁碳合金状态图 又叫铁碳平衡图 利用合金状态图可以全面了解不同成分的铁碳合金在不同温度下处于什么状态 组织结构等 它是制定熔铸 锻造 热处理工艺的重要依据 也是分析合金组织研究相变规律的工具 3 2 1状态图主要点线主要点 主要线 ABCD线液相线 液相冷却至此开始析出 加热至此全部转化 AHJECF线 固相线 液态合金至此线全部结晶为固相 加热至此开始转化 GS线A3线 A开始析出F的转变线 加热时F全部溶入A ES线Acm线 C在A中溶解度曲线ECF线共晶线 含C量2 11 6 69 至此发生共晶反应 结晶出A与Fe3C混合物 莱氏体 PSK线共析线 含C量在0 0218 6 69 至此反生共析反应 产生出珠光体 3 2 2铁碳合金分类3 2 2 1钢含C量0 0218 2 11 共析钢含C量0 77 S点P亚共析钢0 0218 0 77 S点以左F P过共析钢0 77 2 11 S点以右Fe3c P3 2 2 2白口铸铁2 11 6 69 共晶白口铸铁4 3 亚共晶白口铸铁2 11 4 3 过共晶白口铸铁4 3 6 69 3 2 3典型铁碳合金的结晶过程共析钢 C 0 77 合金I 室温亚共析钢 0 0218 C 0 77 合金II 室温 过共析钢 0 77 C 2 11 合金III 室温共晶白口铸铁 C 4 3 合金IV 室温 3 2 4铁碳合金相图的用途3 2 4 1作为选用钢材料的依据 如制造要求塑性 韧性好 而强度不太高的构件 则应选用含碳量较低的钢 要求强度 塑性和韧性等综合性较好的构件 则选用含碳量适中的钢 各种工具要求硬度高及耐性好 则应选用含碳量较高的钢 3 2 4 2制定铸 锻和热处理等热加工工艺的依据在铸造方面 选择合适的浇铸温度 流动性好在煅造方面 选择合适的温度区 奥氏体区在热处理方面 选择合适的退火 正火 淬火等工艺参数3 2 4 3分析合金组织研究相变规律的工具 3 2 5碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响3 2 5 1含碳量对平衡组织的影响室温下 铁碳合金均由a Fe3C两相组成 随含碳量不同 可分为七个典型组织区 3 2 5 2含碳量对机械性能的影响珠光体P 为F Fe3C的混合物 呈层片状 由于Fe3C的强化作用 珠光体性能较好 亚共析钢 由F P组成 随碳量增加 珠光体量增加 强度性能提高 过共析钢 P Fe3C II 组成 当含碳量1 Fe3C II 呈网状分布在晶界处 强度性能下降 莱氏体 Fe3C硬而脆没有使用价值 含碳量越高 钢的强度和硬度越高 而塑性和韧性越低 3 3钢的合金化在铁碳合金中加入合金元素则Fe Fe3c相图将发生显著的变化 包括引起固溶体晶格的畸变起固溶强化作用 对S E点的影响 对C曲线的影响 对回火脆性 氢脆等的影响 按照合金元素与碳的亲和力强弱 划分为 弱碳化物形成元素 n中强碳化物形成元素 Cr Mo W强碳化物形成元素 V Nb Ti 按对钢的临界点的影响划分为两大类扩大铁相区的 n Ni N CnNi和 n使A3线急剧降低 当达30 时就可得到室温下单相金属奥氏体组织 缩小铁相区 Cr Mo Ti Si升高A3线 从而缩小奥氏体区的存在范围当加入一定量后使A3 A4重合从而使A相区封闭 始终是铁素体称铁素体合金 Cr17 Cr17Ti Cr28等 第四章钢的热处理 改善钢的性能 主要有两个途径 1 调整钢的化学成分 加入合金元素 2 钢的热处理 改变组织结构热处理 通过加热 保温 冷却等操作方法 使钢的组织结构发生变化 以获得所需性能的一种加工工艺 分类 普通热处理 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 火焰加热 感应加热 化学热处理 渗碳 氮化 碳氮共渗 4 1钢热处理的基本原理加热或冷却时钢组织结构将会发生变化 4 1 1钢在加热时的组织转变A1 A3 Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度 平衡临界点 实际生产中 加热和冷却速度不可能很慢 总有过冷和过热现象 加热和冷却速度越大 相变温度偏离平衡临界点的程度也越大 即过冷度和过热度越大 通常用Ac1 Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度 用Ar1 Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度 大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上 使其室温组织转变为均匀奥氏体 即 奥氏体化 以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变 4 1 1 1形成过程共析钢在室温时具有珠光体组织 将其加热到Ac1以上时 珠光体将全部转为含碳量为0 77 的奥氏体 P F 体心立方 Fe3C 复杂晶格 A 面心立方 奥氏体化是一个重结晶的过程 分为四个阶段 奥氏体晶核形成晶核易于在F和Fe3C相界面形成 这是因为此处原子排列紊乱 位错 空位密度高 奥氏体晶核的长大含碳量不同出现碳浓度梯度 引起F A及Fe3C溶解 残余渗碳体的溶解F先转变完 Fe3C完全溶解 奥氏体成分均匀化碳扩散使A含C量趋于均匀 4 1 1 2影响珠光体向奥氏体转变的因素 形成温度 钢的成分和原始组织及加热速度 形成温度越高 原子扩散能力增大 增大了A中C浓度梯度 加速成A形成 含C量越高 F和Fe3C相界面增多 有得于A形成 P越细 A形成速度越快 连续加热时 随着加热速度增大 A形成温度提高 所需时间缩短 4 1 1 3奥氏体晶粒的长大及其影响因素晶粒度分为起始晶粒度 实际晶粒度和本质晶粒度 起始晶粒度 钢在进行加热时 P刚转变为A 由于A晶粒此时细小均匀 我们称这时的晶粒为A的起始晶粒度 实际晶粒度 钢在某一具体加热条件下 只临界点以上 实际获得奥氏体晶粒大小 它的大小对钢热处理性能影响很大 实际晶粒度总比起始晶粒度要大 它是钢加热临界点以上的温度且保温一定时间 因此A晶粒不同程度的长大 本质晶粒度 有些钢加热到临界点以后 温度 A晶粒迅速长大粗化 我们称它为本质粗晶粒钢 还有一些钢在930 以下加热 A晶粒生长很慢 因此晶粒细小 当加热到高温时 A晶粒急剧长大 我们称这种钢为本质细晶粒钢 右图 1 4晶粒度为本质粗晶粒钢 5 8晶粒度为本质细晶粒钢 奥氏体化温度越高 晶粒长大越明显 加入合金元素影响奥氏体晶粒长大 能形成稳定碳化物元素Ti Cr 抑制A长大 Mn P等则加速A长大 4 1 1 4亚共析碳钢与过共析碳钢加热时的转变亚 过共析钢与共析钢组织的不同点在于 除了室温组织中有P外 亚共析碳钢还有先共析铁素体 过共析钢还有先共析二次渗碳体 因此 亚 过共析钢的奥氏体化过程 除了有P转化 A外 还有Fe Fe3C向A转化与溶解的过程 亚共析钢 加热到AC1线以上后P转化 A 在Ac1 Ac3点升温过程中 共析铁素体F转化 A 温度到达Ac3点时 亚共析钢A化过程会结束 获取单一的奥氏体组织 过共析钢 加热到AC1线以上后P转化 A 在Ac1 Acm升温过程中 先共析Fe3C 转化 A 温度超过Acm点后 过共析碳钢的奥氏体化全部结束 获取单一的奥氏体组织 奥氏体的晶粒度从图中可以看出 在相同的温度下 随钢中含碳量增大 A晶粒只寸也在增大 这是因为他们相互碰撞的机会增多 加快了晶粒的长大 但含碳量超过一定限度 A晶粒长大倾向反而减小 这是由于未溶的渗碳体质点阻碍了晶粒长大 因此钢中含碳量超过某个限度愈多 那么未溶渗碳体也越多 阻碍晶粒长大的作用也愈大 奥氏体晶粒长大倾向也就愈小 我们可以获取较细小的奥氏体实际晶粒度 奥氏体晶粒大小对钢机械性能的影响A晶粒越细小 热处理后钢的机械性能越高 特别是冲击韧性高 因此处理时 希望能够获得细小而均匀的奥氏体晶粒 过热的概念 这是金属工艺学的一个术语 钢在加热时 如果温度过高A晶粒会长大 粗化 粗化的晶粒降低材料的机械性能我们称这种缺陷为 过热 一般需要控制温度在950 以下 这样一来 本质晶粒钢不易长大 本质粗晶钢不易过热 控制晶粒度的方法 4 1 2钢在冷却时的组织转变冷却方式有两种 1 等温冷却就是将加热后组织为全部奥氏体的钢 先以较快的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度 这时奥氏体尚未来得及转变 但已成为过冷奥氏体 然后进行保温 使奥氏体在等温下发生组织转变 再继续冷却到室温 如等温退火 等温淬火等 2 连续冷却 将加热后组织为全部奥氏体的钢 以某一速度冷却 使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变 如退火 炉冷 正火 空冷 普通淬火 油 水泠 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 晶粒粗细之分 马氏体 M C在 Fe中的过饱和固溶体 高强度 高硬度和耐磨性 贝氏体 B 由含碳过饱和F和碳化物组成的两相混合物 上贝氏体 下贝氏体 45钢经840 加热后 不同条件冷却后的机械性能 由上表可以发现 同是一种钢 加热条件相同 但由于采用不同的冷却条件 钢所表出的机械性能明显不同 是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发生不同的变化 导致性能上的的差别 由于Fe Fe3C相图是在极其缓慢加热或冷却条件下建立的 没有考虑冷却条件对相变的影响 而热处理过程中的过冷奥氏体等温转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线是对这个问题的补充 4 1 2 1过冷A等温冷却转变加热到A状态的钢快速冷却到Ar1以下的某一温度 A处于不稳定状态 但过冷到A1点以下的A并不是立即发生转变 而是经过一个孕育期后才开始转变 这个暂时处在孕育期处于不稳定状态的A 我们就称作 过冷A 并在此温度等温停留过程中完成其组织转变过程 称为过冷A的等温转变 1 高温转变区Ar1 550 2 中温转变区550 230 3 低温转变区 230 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 珠光体转变 温度 A1 550 珠光体HRCA1 650 珠光体 P 25650 600 索氏体 S25 35600 550 屈氏体 T35 40 贝氏体型转变 HRC550 Ms 贝氏体 B550 350 上贝氏体 B上40 45350 Ms 下贝氏体 B下45 55 马氏体转变 碳在 Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 用符号M表示 体心正方晶格 马氏体转变的特点 转变温度 Ms Mf转变速度极快 转变体积发生膨胀 转变不彻底 实验表明 当奥氏体的含碳量大于1 的钢淬火后 马氏体形态为片状M 片状M又称高碳M 当奥氏体的含碳量小于0 2 的钢淬火后 M形态基本为板条状M 因此又称低碳M 当A的含碳量在1 与0 2 之间 则为两种马氏体的混合组织 性能特点 针状马氏体 硬度高 脆性大 板条马氏体 强度 韧性较好 马氏体的硬度主要取决于含碳量 过冷奥氏体等温度转变图的应用 在等温转变图上估计连续冷却转变产物 确定马氏体临界冷却速度 4 1 2 2 过冷A连续冷却转变在实际热处理生产中 A的转变大多是在连续冷却过程中进行的 常在炉内 空气中 油中或水中冷却 与等温转变一样也能发生珠光体 贝氏体 马氏体等转变 但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区 会发生几种转变 得到几种转变产物的复合组织 首先将一组试件经加热到奥氏体化后 它们以不同冷却速度连续冷却 也就是图中所示的V1 V6速度 在冷却过程中我们测各试样比容变化 由奥氏体与其转变产物的比容不同 我们即可测出各种冷却速度下奥氏体转变开始和转变终了的时间与温度 用这些测出的数据我们绘出温度 时间坐标图 然后所有转变开始点和转变终了点分别连接起来 这样便可获得过冷奥氏体的连续冷却曲线 注意 V5 V6冷却速度的转变开始点连成一水平线 这就是M开始转变线 MS线 共析碳钢过冷A连续冷却转变曲线分析比较P5 25与P5 10两曲线 连续冷却转变有以下主要特点 1 Ps线是P体型转变开始线 Pf线是P体型转变终了线 AB线是P体型转变中途停止线 冷却曲线遇AB线后 过冷A不再发生P体型转变 而一直保留到MS线以下 A直接转变为M 2 连续冷却转变曲线上只有C曲线上半部分 而没有下半部分 这说明共析碳钢连续冷却时 只有珠光体型转变 而没有贝氏体转变 3 图中的VK与过冷奥氏体连续冷却转变曲线鼻尖相切 是保证A在连续冷却过程中不发生分解而全部冷却到M区的最小冷却速度 又称临界冷却速度 4 在连续冷却过程中 过冷奥氏体的转变 是在一个温度区间内进行的 随冷却速度的增加 转变温度区间逐渐移向低温并随之加宽 而转变时间则缩短 5 冷却速度V 它与转变开始线相交后又与AB线相交 因此珠光体型的转变没有结束 剩余的过冷A在随后冷却时与MS线相交而开始转变为马氏体 因此最后所得到的产物主要是屈氏体和马氏体的混合组织 过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用过冷A连续冷却转变曲线的测定比较困难 因此有些使用广泛的金属材料的连续冷却曲线至今还没测出 目前生产技术方面多是应用过冷奥氏体等温转变曲线近似地来分析奥氏体连续冷却中的转变 4 2钢的退火与正火钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺 例如各类铸 锻 焊生产的毛坯或半成品的预备热处理 目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷 改善组织和工艺性能 为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备 对于某些性能要求不高的机械零件 经退火或正火后可直接使用 此时 退火或正火也就成为最终热处理 4 2 1退火 把钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度 保温一段时间 随后在炉中或埋入炉中或导热性较差的介质中 使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织 退火分为 完全退火 等温退火 扩散退火 球化退火 去应力退火 再结晶退火 退火的目的 1 降低钢件硬度 利于切削加工HB 160 230 最适于切削加工 退火后HB恰在此中 2 提高钢的塑韧性 便于成形加工 3 消除残余应力 稳定钢件尺寸并防止变形和开裂 4 细化晶粒 改善组织 提高钢的机械性能 5 为最终热处理 淬火 回火 做组织上的准备 4 2 1 1完全退火 是将亚共析碳钢加热到Ac3线以上约20 60 C 保温一定时间 随炉缓慢冷却到600 C以下 然后出炉在空气中冷却 这种退火主要用于亚共析成分的碳钢和和金钢的铸件 锻件及热扎型材 目的是细化晶粒 消除内应力与组织缺陷 降低硬度 提高塑性 为随后的切削加工和淬火做好准备 4 2 1 2等温退火等温退火是为了保证A在珠光体转变区上部发生转变 因此冷却速度很缓慢 所需时间少则十几小时 多则数天 因此生产中常用等温退火来代替完全退火 等温退火加热与完全退火相同 但钢经A化后 等温退火以较快速度冷却到A1以下 等温应定时间 使奥氏体在等温中发生珠光体转变 然后再以较快速度冷至室温 等温退火时间短 效率高 4 2 1 3扩散退火 均匀化退火 实用范围 合金钢铸锭和铸件 目的 消除和金结晶是产生的枝晶偏析 使成分均匀 故而又称均匀化退火 工艺 把铸锭或铸件加热到Ac1以上 大约1000 1200 C 保温10 15小时 再随炉冷却 特点 高温长时间加热 钢中合金元素含量越高 加热温度也越高 高温长时间加热又是造成组织过热又一原因 因此扩散退火后需要进行一次完全退火或正火来消除过热 4 2 1 4去应力退火 低温退火 目的 用于消除铸件 锻件 焊接件 冷冲压件以及机加工件中的残余应力 这些残余应力在以后机加工或使用中潜在地会产生变形或开裂 工艺 将工件缓慢加热到600 650 保温一定的时间 然后随炉缓慢冷却到200 再出炉空冷 4 2 2正火将钢件加热到临界点 Ac3 Acm 30 50 以上 适当保温进行完全奥氏体化 然后在空气中冷却 这种热处理称正火 正火的目的与退火相同 只是温度高于退火 且在空气中冷却 4 2 2 1正火工艺 正火的加热温度与钢的化学成分关系很大低碳钢加热温度为Ac3以上100 150 中碳钢加热温度为Ac3以上50 100 高碳钢加热温度为Ac3以上30 50 保温时间与工件厚度和加热炉的形式有关 冷却既可采用空冷也可采用吹风冷却 但注意工件冷却时不能堆放在一起 应散开放置 4 2 2 2正火后的组织与性能正火实际上是退火的一种特殊情况 两者不同之处主要在于正火的冷却速度较退火快 因此有伪共析组织 分析这两张图可发现 组织中珠光体量增多 且珠光体层片变小 4 2 2 3正火的应用正火与退火相似 有以下特点 正火钢的机械性能高 操作简便 生产周期短能量耗费少 因此尽可能选用正火 正火有以下几方面的应用1 普通结构件的最终热处理 正火可以消除铸造或锻造生产中的过热缺陷 细化组织 提高机械性能 2 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 硬度在160 230HB的金属 易切削加工 金属硬度高 不但难以加工 而且刀具易磨损 能量耗费也大 硬度过低 加工又易粘刀 使刀具发热和磨损 且加工零件表面光洁度也很差 阴影表示切削加工性能较好和低碳合金钢退火硬度一般都在160HB以下 且切削加工性不良 但选用正火 1点划线 由于珠光体量增加 片层间距变细 从而改善了切削加工性能 3 作为中碳结构钢制作的较主要零件的预先热处理 正火常用来为较重要零件进行预先热处理 例如 对中碳结构钢正火 可使一些不正常的组织变为正常组织 消除热加工所造成的组织缺陷 并且它对减小工件淬火变形与开裂提高淬火质量有积极作用 4 消除过共析钢中的网状二次渗碳体 为球化退火作组织准备 这是因为正火冷却速度比较快 二次渗碳体来不及沿A晶界呈网状析出 5 对一些大型或形复杂的零件 淬火可能有开裂的危险 正火也往往代替淬火 回火处理 作为这些零件的最终热处理 4 3钢的淬火概念 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度 保温一定时间 然后以适当速度冷却 获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火 目的 主要获得马氏体 提高钢的强度和硬度 提示 不是热处理所要求的最后组织 淬火后 钢材还要根据不同的需要 进行不同温度的回火 这样可使淬火 获取不同的组织 从而使淬火钢零件具有不同的机械性能 充分满足各种工具与零件的使用要求 4 3 1淬火工艺 1 淬火加热温度的选择淬火温度的高低与钢的化学成分有关亚共析钢t Ac3 30 70 共析钢 过共析钢t Ac1 30 70 亚共析碳钢为什么要加热到Ac3以上完全 化后淬火呢 若加热温度选在Ac1 Ac3之间 组织中有一部分铁素体存在 在随后的淬火冷却中 由于铁素体不发生变化而保留下来 它的存在是钢的淬火组织中存在软点 降低了淬火钢的硬度 同时它的存在还会影响钢的均匀性 影响机械性能 加热Ac3以上太高也不行 钢的氧化脱碳严重 另一方面 精粒粗大 淬火后 粗大 钢的性能变坏 2 加热时间的选择加热时间指的是升温与保温所需时间 加热时间的长短与很多因素有关 象钢的成分 原始组织 工件形状和尺寸 加热介质 装炉方式 炉温等许多因素有关 确切计算加热时间很困难 课本中只是给出一个经验公式 t a Dt加热时间 a加热系数 D工件有效厚度 3 淬火冷却介质理想淬火冷却速度加热到A状态的钢 冷却速度必须大于临界冷却速度是才能获得要求的M组织 从上图可以看出 要获取M组织 不需要在整个冷却过程中都快速冷却 关键在C曲线鼻尖处 这里奥氏体最不稳定 650 附近 因此650 550 温度范围内要快速冷却 而在稍低于A1点和稍高于Ms点处过奥氏体较稳定 为了减少淬火冷却中因工件截面内外温度差引起的热应力 冷却速度应缓慢些 特别是Ms点处 冷却速度太大 工件体积涨大 组织应力也愈大 易引起变形和开裂 常用的淬火冷却介质 油 水 盐水 碱水等 淬火方法 单液淬火法 碳钢一般用水作冷却介质 合金钢用油作冷却介质 预冷淬火法 将加热的工件从加热炉中取出后 先在空气中预冷一定的温度 然后再投入淬火冷却介质中冷却 双介质淬火 如 先水后油 先水后空气 马氏体分液淬火 贝氏体等温淬火 4 淬火缺陷的防止方法热处理生产中 由于热处理工艺处理不当 常会给工件带来缺陷 如氧化 脱碳 过热 过烧 硬度不足 变形与开裂等 氧化 氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时 会发生氧化而在表面形成一层氧化皮 在高温下 甚至晶界也回会发生氧化 脱碳 钢在某些介质中加热时 这些介质会使钢表面的含碳量下降 我们称这现象为 脱碳 减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的方法有 采用脱氧良好的盐溶炉加热 在可控保护气氛炉中加热 在真空炉中加热 预留足够的加工余量 变形与开裂 工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果 但热应力与组织应力方向恰好相反 如果热处理适当 它们可部分相互抵消 可使残余应力减小 但是当残余应力超过钢的屈服强度是 工件就发生变形 残余应力超过钢的抗拉强度时 工件就产生开裂 为减小变形或开裂 出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外 在工艺上可采取下列措施 1 采用合理的锻造与预先热处理 2 采用合理的热处理工艺 3 采用正确的操作方法 4 对于淬火易开裂的部分