一、金属材料基础知识

压力管道基础知识 大连市质量技术监督局李明第一部分金属材料基础知识 一 金属学基础知识1 铁碳合金相图从某种意义上讲 铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具 是研究碳钢和铸铁成分 温度 组织和性能之间关系的理论基础 也是制定各种热加工工艺的依据 2 铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe Fe3C相图 铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C 铁存在着同素异晶转变 即在固态下有不同的结构 不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体 Fe Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体 由于 Fe和 Fe晶格中的孔隙特点不同 因而两者的溶碳能力也不同 1 铁素体 ferrite 铁素体是碳在 Fe中的间隙固溶体 用符号 F 或 表示 体心立方晶格 虽然BCC的间隙总体积较大 但单个间隙体积较小 所以它的溶碳量很小 最多只有0218 727 时 室温时几乎为0 因此铁素体的性能与纯铁相似 硬度低而塑性高 并有铁磁性 铁素体的力学性能特点是塑性 韧性好 而强度 硬度低 30 50 AKU 128 160J b 180 280MPa 50 80HBS 铁素体的显微组织与纯铁相同 用4 硝酸酒精溶液浸蚀后 在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒 在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布 但当含碳量接近共析成分时 铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围 2 奥氏体 Austenite 奥氏体是碳在 Fe中的间隙固溶体 用符号 A 或 表示 面心立方晶格 虽然FCC的间隙总体积较小 但单个间隙体积较大 所以它的溶碳量较大 最多有2 11 1148 时 727 时为0 77 铁碳合金中的基本相在一般情况下 奥氏体是一种高温组织 稳定存在的温度范围为727 1394 故奥氏体的硬度低 塑性较高 通常在对钢铁材料进行热变形加工 如锻造 热轧等时 都应将其加热成奥氏体状态 所谓 趁热打铁 正是这个意思 b 400MPa 170 220HBS 40 50 另外奥氏体还有一个重要的性能 就是它具有顺磁性 可用于要求不受磁场的零件或部件 铁碳合金中的基本相奥氏体的组织与铁素体相似 但晶界较为平直 且常有孪晶存在 3 渗碳体 Cementite 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物 用化学分子式 Fe3C 表示 它的碳质量分数Wc 6 69 熔点为1227 质硬而脆 耐腐蚀 用4 硝酸酒精溶液浸蚀后 在显微镜下呈白色 如果用4 苦味酸溶液浸蚀 渗碳体呈暗黑色 渗碳体是钢中的强化相 根据生成条件不同渗碳体有条状 网状 片状 粒状等形态 它们的大小 数量 分布对铁碳合金性能有很大影响 在一定条件下 如高温长期停留或缓慢冷却 渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳 Fe3C 3Fe C 石墨 这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义 4 珠光体pearlite珠光体是奥氏体 奥氏体是碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体 得名自其珍珠般 pearl like 的光泽 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物 也称片状珠光体 用符号P表示 含碳量为 c 0 77 在珠光体中铁素体占88 渗碳体占12 由于铁素体的数量大大多于渗碳体 所以铁素体层片要比渗碳体厚得多 在球化退火条件下 珠光体中的渗碳休也可呈粒状 这样的珠光体称为粒状珠光体 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间 强韧性较好 其抗拉强度为750 900MPa 180 280HBS 伸长率为20 25 冲击功为24 32J 力学性能介于铁素体与渗碳体之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 b 770MPa 180HBS 20 35 AKU 24 32J 5 莱氏体 ledeburite 莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体 其含碳量为 c 4 3 当温度高于727 时 莱氏体由奥氏体和渗碳体组成 用符号Ld表示 在低于727 时 莱氏体是由珠光体和渗碳体组成 用符号Ld 表示 称为变态莱氏体 因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体 所以硬度高 塑性很差 分为高温莱氏体和低温莱氏体两种 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体 用符号Ld或 A Fe3C 表示 由于其中的奥氏体属高温组织 因此高温莱氏体仅存于727 以上 高温莱氏体冷却到727 以下时 将转变为珠光体和渗碳体机械混合物 P Fe3C 称低温莱氏体 用Ld 表示 莱氏体含碳量为4 3 由于莱氏体中含有的渗碳体较多 故性能与渗碳体相近 即极为硬脆 总结 在铁碳合金中一共有三个相 即铁素体 奥氏体和渗碳体 但奥氏体一般仅存在于高温下 所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相 就是铁素体和渗碳体 由于铁素体中的含碳量非常少 所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中 这一点是十分重要的 由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5 以下 因此成分轴从0 6 69 所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe Fe3C相图 2 铁碳合金相图分析Fe Fe3C相图看起来比较复杂 但它仍然是由一些基本相图组成的 我们可以将Fe Fe3C相图分成上下两个部分来分析 1 上半部分 共晶转变在1148 4 3 C的液相发生共晶转变 Lc AE Fe3C 转变的产物称为莱氏体 用符号Ld表示 存在于1148 727 之间的莱氏体称为高温莱氏体 用符号Ld表示 组织由奥氏体和渗碳体组成 存在于727 以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体 用符号Ld 表示 组织由渗碳体和珠光体组成 低温莱氏体是由珠光体 Fe3C 和共晶Fe3C组成的机械混合物 经4 硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察 其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上 Fe3C 和共晶Fe3C交织在一起 一般无法分辨 2 下半部分 共析转变在727 0 77 的奥氏体发生共析转变 AS F Fe3C 转变的产物称为珠光体 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体 3 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1 含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算 可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系 2 含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多 分布越均匀 材料的硬度和强度越高 塑性和韧性越低 但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时 则材料的塑性和韧性大为下降 且强度也随之降低 对可锻性而言 低碳钢比高碳钢好 由于钢加热呈单相奥氏体状态时 塑性好 强度低 便于塑性变形 所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行 锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度 始轧和始锻温度不能过高 以免产生过烧 始轧和温度也不能过低 以免产生裂纹 对铸造性来说 铸铁的流动性比钢好 易于铸造 特别是靠近共晶成分的铸铁 其结晶温度低 流动性也好 更具有良好的铸造性能 从相图的角度来讲 凝固温度区间越大 越容易形成分散缩孔和偏析 铸造性能越差 一般而言 含碳量越低 钢的焊接性能越好 所以低碳钢比高碳钢更容易焊接 4 其它金相组织1 马氏体 M 是碳溶于 Fe的过饱和的固溶体 是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相 其比容大于奥氏体 珠光体等组织 这是产生淬火应力 导致变形开裂的主要原因 马氏体最初是在钢 中 高碳钢 中发现的 将钢加热到一定温度 形成奥氏体 后经迅速冷却 淬火 得到的能使钢变硬 增强的一种淬火组织 片状马氏体经低温回火 150 250摄氏度 后 得到回火马氏体 他具有针状特征 低温回火 150 250 所得到的组织是回火马氏体 其性能是 具有高的硬度 HRC58 64 和高的耐磨性 因内应力有所降低 故韧性有所提高 这种回火方法主要用于刃具 量具 拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件 钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体 它们都是不稳定的组织 都有向稳定的组织 铁素体和渗碳体两相混合物 转变的倾向 但在室温下 原子活动能力很差 这种转变速度极慢 随着回火温度的升高 原子活动能力加强 组织转变便以较快的速度进行 由于组织的变化 钢的性能也发生相应的变化 按回火温度的不同 回火时淬火钢的组织转变可分为四个阶段 a 80 200 马氏体分解 当钢加热到约80 时 其内部原子活动能力有所增加 马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出 马氏体中碳的过饱和程度不断降低 同时 晶格畸变程度也减弱 内应力有所降低 这种出过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织 称为回火马氏体 b 200 300 残余奥氏体分解 当钢加热温度超过200 时 马氏体继续分解 同时 残余奥氏体也开始分解 转变为下贝氏体或回火马氏体 到300 时 残余奥氏体的分解基本结束 c 300 400 渗碳体的形成 钢在回火的这一阶段 从过饱和固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体 Fe3C 当温度达到400 时 固溶体中过饱和的碳已基本完全析出 Fe晶格恢复正常 由过饱和固溶体转变为铁素体 钢的内应力基本清除 d 400 以上渗碳体的聚集长大 在第三阶段结束时 钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物 随着回火温度的升高 渗碳体颗粒不断聚集而长大 根据混合物中渗碳体颗粒大小 可将回火组织分为二种 400 500 内形成的组织 渗碳体颗粒很细小 称为回火屈氏体 温度升高到500 600 时 得到细小的粒状渗碳体和铁素体的机械混合物 称为回火索氏体 调质处理 2 贝氏体 bainite定义 钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下 马氏体转变温度区间以上这一中温度区间 所谓 贝氏体转变温度区间 转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织 即贝氏体转变的产物 该组织具有较高的强韧性配合 在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体 因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们追求的目标 贝氏体等温淬火 是将钢件奥氏体化 使之快冷到贝氏体转变温度区间 260 400 等温保持 使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺 有时也叫等温淬火 一般保温时间为30 60min 3 魏氏组织 widmanstattenstructure 焊接热影响区中的过热区 由于奥氏体晶粒长得非常粗大 这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织 其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体 渗碳体 针片 在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体 这种过热组织称为铁素体 渗碳体 魏氏组织 简单说来 就是在奥氏体晶粒较粗大 冷却速度适宜时 钢中的先共析相以针片状形态与片状珠光体混合存在的复相组织 魏氏组织不仅晶粒粗大 而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面 使金属的韧性急剧下降 这是不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因 4 带状组织 bandedstructure 带状组织 金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织 例如钢材中的铁素体带 珠光体带 珠光体带 渗碳体带等 钢材内部缺陷之一 出现在热轧低碳结构钢显微组织中 沿轧制方向平行排列 成层状分布 形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒 见图 这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成 导致铁素体形成条带 铁素体条带之间为珠光体 两者相间成层分布 带状组织的存在使钢的组织不均匀 并影响钢材性能 形成各向异性 降低钢的塑性 冲击韧性和断面收缩率 造成冷弯不合 冲压废品率高 热处理时钢材容易变形等不良后果 产品标准中有带状组织评级图片 根据用途确定允许的级别 二 金属机械性能应力的概念 物体内部单位截面积上承受的力称为应力 由外力作用引起的应力称为工作应力 在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力 例如组织应力 热应力 加工过程结束后留存下来的残余应力 等等 机械性能 金属在一定温度条件下承受外力 载荷 作用时 抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能 也称为力学性能 金属材料承受的载荷有多种形式 它可以是静态载荷 也可以是动态载荷 包括单独或同时承受的拉伸应力 压应力 弯曲应力 剪切应力 扭转应力 以及摩擦 振动 冲击等等 因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项 1 强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力 可分为抗拉强度极限 b 抗弯强度极限 bb 抗压强度极限 bc 等 由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循 因而通常采用拉伸试验进行测定 即把金属材料制成一定规格的试样 在拉伸试验机上进行拉伸 直至试样断裂 测定的强度指标主要有 1 强度极限 材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力 一般指拉力作用下的抗拉强度极限 以 b表示 如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限 常用单位为兆帕 MPa b Pb Fo式中 Pb 至材料断裂时的最大应力 或者说是试样能承受的最大载荷 Fo 拉伸试样原来的横截面积 2 屈服强度极限 金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时 虽然应力不再增加 但是试样仍发生明显的塑性变形 这种现象称为屈服 即材料承受外力到一定程度时 其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形 产生屈服时的应力称为屈服强度极限 用 s表示 相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点 对于塑性高的材料 在拉伸曲线上会出现明显的屈服点 而对于低塑性材料则没有明显的屈服点 从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限 因此 在拉伸试验方法中 通常规定试样上的标距长度产生0 2 塑性变形时的应力作为条件屈服极限 用 0 2表示 屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据 但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比 即 s b 要小 以提高其安全可靠性 不过此时材料的利用率也较低了 3 弹性极限 材料在外力作用下将产生变形 但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性 金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限 相应于拉伸试验曲线图中的e点 以 e表示 单位为兆帕 MPa e Pe Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力 或者说材料最大弹性变形时的载荷 4 弹性模数 这是材料在弹性极限范围内的应力 与应变 与应力相对应的单位变形量 之比 用E表示 单位兆帕 MPa E tg 式中 为拉伸试验曲线上o e线与水平轴o x的夹角 弹性模数是反映金属材料刚性的指标 金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性 2 塑性 金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性 通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率 和试样断面收缩率 延伸率 L1 L0 L0 x100 这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差 增长量 与L0之比 在实际试验时 同一材料但是不同规格 直径 截面形状 例如方形 圆形 矩形以及标距长度 的拉伸试样测得的延伸率会有不同 因此一般需要特别加注 例如最常用的圆截面试样 其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为 5 而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为 10 断面收缩率 F0 F1 F0 x100 这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差 断面缩减量 与F0之比 实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算 1 D1 D0 2 x100 式中 D0 试样原直径 D1 试样拉断后断口细颈处最小直径 与 值越大 表明材料的塑性越好 3 硬度 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度 或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力 因此 硬度与强度有着一定的关系 根据硬度的测定方法 主要可以分为 1 布氏硬度 代号HB 用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面 保持一段时间后卸去载荷 在试件表面将会留下表面积为F的压痕 以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度 HB P F 在实际应用中 通常直接测量压坑的直径 并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值 显然 压坑直径越大 硬度越低 表示的布氏硬度值越小 布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系 b KHB K为系数 例如对于低碳钢有K 0 36 对于高碳钢有K 0 34 对于调质合金钢有K 0 325 等等 2 洛氏硬度 HR 用有一定顶角 例如120 的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球 在一定负荷P作用下压入试件表面 保持一段时间后卸去载荷 在试件表面将会留下某个深度的压痕 由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示 显然 压坑越深 硬度越低 表示的洛氏硬度值越小 根据压头与负荷的不同 洛氏硬度还分为HRA HRB HRC三种 其中以HRC为最常用 洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间有如下换算关系 HRC 0 1HB 除了最常用的洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之外 还有维氏硬度 HV 肖氏硬度 HS 显微硬度以及里氏硬度 HL 这里特别要说明一下关于里氏硬度 这是目前最新颖的硬度表征方法 利用里氏硬度计进行测量 其检测原理是 里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放 冲头快速冲击在试件表面上 通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的冲击速度与反弹速度 感应为冲击电压和反弹电压 里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来