金属材料及其热处理

金属材料及其热处理，侯峰起2010.11，主要内容，金属结构和晶体热处理基本知识金属材料的性能热处理技术，金属结构和晶体，固体物质根据其结构特征分为晶体和非晶体。 晶体(原子排列规则，金属固体通常为晶体)。 物质由原子和分子构成，其存在状态分为气体、液体和固体。 金属的结构和结晶性能特点：判断一般具有规则几何形状的内部原子的排列情况。 Fe的熔点为1538； 无定形在一定的温度区间内熔化。 性能表现出各向异性(在各个方向表现出不同的性能)。 晶格是反映原子排列规律的空间晶格架。 能够完全反映格子特征的最小几何单位是单位格子。 金属晶格类型、金属晶格类型是指金属中原子排列的规律。 大多数金属属属于以下3种简单晶格：1.体心立方晶格(BCC ) :单位晶格为立方体，原子位于立方体的8个顶点和立方体的中心。 具有体心立方晶格结构金属有-Fe、w、Mo、v、-Ti等. 单位晶格中所含原子数为81/8 1=2个. 金属晶格类型，2 .面心立方晶格(FCC ) :单位晶格为立方体，原子位于立方体的8个顶点和立方体的6个面的中心。 具有面心立方晶格结构金属有-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、-Co等. 单位晶格中所含原子数为81/8 61/2=4个. 金属晶格类型，3 .密六角晶格(HCP ) :单位晶格为正六角柱，原子除圆柱的各顶点和上下两个底面的中心外，正六角柱的中心为三个原子。 密集排列六方晶格结构的金属为Mg、Zn、Be、Cd (镉)、-Ti、-Co等。单位晶格中所含原子数为61/62 21/2 3=6个. 单晶和多晶，普通的金属材料都是多晶的，虽然有各晶粒的各向异性，但由于各晶粒的取向不同，加上晶界的作用，抵消了各晶粒的各向异性，多晶体呈各向同性。 金属由大小、外形、晶格排列方向不同的小晶体构成，小晶体称为晶粒，晶粒边界处称为晶界。 晶体缺陷，金属原子的规则排列受到干扰和破坏，晶体中的一些原子偏离正常位置，这种晶体中的原子扰乱排列的现象称为晶体缺陷。 常见的一些晶体缺陷：1.点缺陷：空穴、间隙原子或取代原子。 晶体缺陷，2 .线缺陷：位错线(刃型位错)。 晶体缺陷，2 .线缺陷：位错线(刃型位错)。 晶体缺陷，2 .线缺陷：位错线(螺旋位错)。 晶体缺陷，3 .面缺陷： (1)晶体的外表面(2)晶体的内部界面。 晶界、亚晶界、相界等。 金属的结晶，工业上使用的金属材料通常经过液体和固体的加工过程，金属的凝固称为结晶。 晶体是指金属从高温液体状态冷却凝固成固体(晶体)状态的过程。 另外，金属的熔点T0也称为理论结晶温度或平衡结晶温度。 在实际条件下，液态金属必须在低于该金属的理论结晶温度的温度下才能结晶。 理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差t称为过冷却度. T=T0-T1，金属晶体、金属晶体过程由核的形成和生长几乎同时进行的过程组成。 晶粒的大小与晶核的数量和生长速度有关。 为了在、金属晶体、铸造生产中得到微细晶粒铸件，经常采用以下几种方法：3.振动处理。 破坏枝晶，提高成核率，降低生长速度。 固体且晶粒粗大的金属材料可以通过冷、热机械加工(锻造、轧制等)及热处理的方法使晶粒微细化。 1 .增加过冷却度的冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷却度越大。 2 .变质处理加入小变质剂，提高成核率，降低生长速度。同素异构化几乎所有金属的格子型都是一定的，但铁、锰、锡、钛等金属的格子型随着温度的上升和下降而变化。 纯钛在882.5下产生-Ti(HCP)-Ti(BCC )，引起均匀异构化，固体中金属随温度和压力的变化从一个晶格变为另一个晶格的现象称为金属均匀异构化。 由于金属的同位素转移也是结晶过程，因此也称为再结晶。 铁、钛等金属及其合金的同位素转化是热处理的重要依据。 铁-碳合金相图、铁-碳合金相图是表示在缓慢冷却(或加热)条件下，不同成分的铁-碳合金的状态或组织随温度变化的情况的图。铁碳合金相图、铁碳合金相图、铁碳合金相图、铁碳合金相图、碳含量影响工艺性能：切削加工性能； 锻炼性：冲压加工性能铸造性能：金属的流动性、收缩性及偏析倾向。相图的应用，如上所述，相图是材料状态与成分、温度关系的图解，是研究合金的重要工具：1 .选材依据。 2 .在铸造生产中的应用。 不同成分合金的熔点决定适当的冶炼和浇注温度。 3 .在锻造技术中的应用。 决定开始锻炼、结束锻炼温度。 4 .在热处理工艺中的应用。 理解加热冷却时的相变规律，确定适当的热处理制度。 相图的应用，如上所述，相图是材料状态与成分、温度关系的图解，是研究合金的重要工具：1.选材依据。 2 .在铸造生产中的应用。 不同成分合金的熔点决定适当的冶炼和浇注温度。 3 .在锻造技术中的应用。 决定开始锻炼、结束锻炼温度。 4 .在热处理工艺中的应用。 理解加热冷却时的相变规律，确定适当的热处理制度。 合金及其组织结构、合金是以金属为基础，加入其他金属和非金属，融合得到的具有金属特性的材料。 合金是由两种以上元素构成的金属材料。 1、元素(成分)组成合金最简单、最基本、能独立存在的原物质叫元素。 合金及其组织结构，2 .相合金中成分、结构和性能相同的组成部分称为相。 相与相之间有明显的界面。 3 .组织合金的组织是指合金中不同的同源相互组合配置的状态。 数量、大小、分布方式不同的相构成合金的不同组织。 单相组织，多相组织。 合金的晶体结构根据合金中各元素之间的结合方式分为固溶体、金属化合物和混合物3种。 其中固溶体和金属间化合物属于单相组织，混合物属于多相组织。 1 .固溶体合金的单元之间以不同比例混合，形成的固相晶体结构与构成合金的某单元相同。 固溶体的分类：1)按溶剂分类。 一次固溶体(纯金属为溶剂)二次固溶体(纯化合物为溶剂)。 2 )以固溶度(溶解度)分类有限固溶体(固溶极限)的无限固溶体。 合金的晶体结构，3 )溶质原子在晶格中所占的位置进行分类。 取代固溶体； 间隙固溶体。 形成固溶体时的晶格应变、固溶强化。合金的晶体结构，4 )按溶质原子和溶剂原子的相对分布进行分类。 无序固溶体； 秩序固溶体。 秩序固溶体在加热到某一温度以上时变成无序固溶体。 冷却后变成秩序，这种变化叫做秩序化。 合金的晶体结构，2 .金属化合物组元素之间的相互作用形成具有金属特性的物质。 各组元素之间相互溶解形成固溶体，超过最大溶解度，有可能形成新的合金相，又称中间相。 晶格结构复杂，具有高熔点、高硬度、高脆性和良好的化学稳定性。 (1)正常价化合物(2)电子化合物(3)间隙相和间隙化合物.合金晶体结构、(1)正常价化合物； 合金的晶体结构，合金的晶体结构，3 .混合物的两种或两种以上相以一定的质量百分比组成的物质。 混合物的性能取决于每个组的性能以及其尺寸、数量和分布形式。 合金的结晶过程、固溶体的结晶化在某一温度范围内进行，即变温结晶化过程。 随着合金的结晶过程、温度的下降，液相成分在液相线变化，固相成分在固相线变化。 什么是热处理、热处理？ 热处理是重要的金属加工技术，主要是将金属材料固体加热、保温、冷却，改变组织，获得所需性能的热加工技术。 拖拉机、汽车零部件的70%80%需要热处理的工具、测量仪器、模具的100%需要在热处理的原材料加工中进行预热处理。 热处理在机械工业中具有重要地位。 热处理、热处理的目的热处理主要是为了改善金属材料的性能，即改善其工艺性能，提高机械性能和使用性能。 热处理、热处理和相图中发生固态相变的合金不能热处理，纯金属，一些单相合金不能热处理强化，只能采用应变强化的方法。 a )图中f点左侧的合金不能进行热处理。 固体相变的特点，金属固体相变和液固相变(结晶)过程的共同点： (1)相变的驱动力是新旧两相的自由能差；(2)相变包括形核和生长两个过程。 固体相变的新旧相都是晶体，与晶体明显不同： (1)相变阻力大。 (2)新相的晶核和母相有一定的结晶学位关系，(3)母相的结晶缺陷发挥促进相变的作用，(4)容易出现过渡相。 固体相变的特征，固体相变类型： (1)扩散型相变。 形成核生长。 从奥氏体到珠光体的变态等。 (2)非扩散型相变。 相变型相变，如马氏体相变。 (三)两者之间的相变。 钢的贝氏体相变。钢的奥氏体相变、钢的热处理一般要将钢加热到临界温度以上，得到奥氏体组织，然后用适当的方法(或速度)冷却，得到所需的组织和性能。 通常将加热钢得到奥氏体的相变过程称为奥氏体化过程。 影响钢奥氏体相变、奥氏体晶粒大小的因素：1.加热温度和保温时间的影响2 .加热速度的影响加热速度快、过热度大、成核率大、奥氏体晶粒细小。 3 .钢化学成分的影响晶粒的生长趋势和成核点。 4 .钢原始组织的影响。 原始组织越细奥氏体晶粒越小。 钢的奥氏体相变、生产中的冷却方式多种多样，常用的有两种：1.等温冷却； 等温淬火、等温退火等。 2 .连续冷却炉冷、空冷、油冷、水冷等。 不同冷却速率奥氏体过冷度不同，转移产物组织不同。 过冷却奥氏体的相变产物为珠光体、贝氏体、马氏体。 钢的热处理、钢的热处理技术分为普通热处理(退火、正火、淬火和回火)最基本、最重要、最广泛的热处理方式进行表面热处理(表面淬火和化学热处理等)特殊热处理(应变热处理、磁场热处理等)。 根据热处理在零件生产工艺中的位置和作用，热处理可分为预热处理和最终热处理。 A1、A3、Acm是钢在平衡条件下的临界点。 在实际热处理中会产生一定程度的延迟。 实际的转变温度和平衡临界温度的差称为过热度(加热时)或过冷却度(冷却时)。 通常在加热时的临界温度上加上下标“c”。 钢的热处理-退火和正火、退火是将组织脱离平衡状态的钢加热到预定工艺温度，保温后慢慢冷却(一般对炉冷却或埋入石灰)，得到接近平衡状态的组织的热处理工艺。根据钢的成分和退火的目的、要求，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、再结晶退火、脱应力退火等。 钢的热处理-退火和正火，正火是将钢加热至Ac3(亚共析钢)和Accm (过共析钢)以上的3050，保温一段时间后，在空气中或强制流动的空气中冷却至室温的工艺方法。 正火的目的有以下3点：1.作为最终热处理不要求强度的部件，正火可以作为最终热处理。 正火使晶粒细化，组织均匀化，提高钢的强度、硬度和韧性。 2 .作为预先热处理的断面较大的结构钢，在淬火和调质处理(淬火和高温回火)之前经常进行正火，获得微细均匀的组织。 在碳含量超过0.77%的碳钢和合金工具钢中，正火可以减少次渗碳体的量，为球化退火做好组织准备。 3 .改善切削加工性能火能改善低碳钢(碳含量不足0.25% )的切削加工性能。 钢的热处理-淬火和回火，淬火是将钢加热到临界温度以上，保温后，以超过临界冷却速度的冷速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。 亚共析钢淬火加热温度为Ac3以上3050； 共析、过共析钢淬火加热温度为Ac1以上3050. 回火是继淬火后的热处理技术，大部分淬火钢都要进行回火。 目的减少或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性。 钢的热处理-淬火和回火，回火是把淬火的零件加热到比Ac1低的温度保温，然后冷却到室温的热处理工艺叫回火。 决定工件回火后组织和性能的最重要因素是回火温度。 根据工件使用的回火温度的高低，可以将回火分为低温、中温和的高温回火。 表面热处理，表层强化，心部残留高韧性状态。 加热方式：感应加热表面淬火； 火焰加热表面淬火； 电接触表面被加热淬火。 只对钢表面迅速加热、冷却，将表层淬火至马氏体，不改变心部组织的热处理技术。应变热处理、应变热处理是综合应变强化和相变强化的复合强韧化处理方法。 广义上，有效结合零件成形工序和组织改善的工艺叫做应变热处理。 根据变形和相变的关系，变形热处理在三种基本类型的相变中进行变形：相变前变形； 变态后变形。金属材料的性能、金属材料具有很多良好的性能，广泛应用于各种部件、机械部件、工具、日常生活用具的制造。 金属材料的性能包括工艺性能和使用性能两方面。 所谓工艺性能，是指在制造工艺中材料适应加工的性能(铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等)，所谓使用性能，是指金属材料在使用条件下表现的性能，决定材料的适用范围、安全可靠性和寿命。 包括力学性能、物理性能和化学性能。 关于金属材料的破损和塑性变形、破损形式的变形(塑性)、破坏、磨损压力加工方法、变形的一些概念，1 .重金属材料在加工和使用中受到的外力称为载荷。 根据作用性质，静载荷(大小不变或变化过程慢的载荷)冲击载荷(短时间内高速作用于零件的载荷)交变载荷(大小、方向或大小和方向随时间周期性变化的载荷)，变形的一些概念，1 .载重金属材料在加工和使用过程中受到的外力称为载荷。 作用形式：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷、扭转载荷。 有关变形的一些概念，2 .内力材料承受外部载荷时，对抗其内部产生的外力的力。 3 .每应力单位截面积的内力。R=F/S，金属变形、载荷作用下，金属弹性变形-塑性变形-断裂、金属变形、塑性变形后，金属组织和性能发生变化。 塑性变形的影响因素：1.晶粒相位的影响。 2 .晶界的作用。 3 .晶粒大小的影响。 金属变形，1 .晶粒相位的影响。 2 .晶界的作用。 3 .晶粒大小的影响。 “微晶强化”、金属变形、冷塑性变形的金属随着变形量的增加，强度、硬度提高，塑性、韧性降低的现象称为“变