培训教材1金属学基础知识

理化计量中心培训2011-11-29,主要内容,1,2,3,1.金属学基础知识,1.金属学基础知识,1.金属学基础知识,1.1.1晶格晶胞晶格常数晶体其原(离)子在空间严格按照一定规则而周期性的排列晶格人们用空间点阵表示晶体中原子在空间规则排列的方式称为晶格，或称结晶点阵。晶胞由于晶体中原子排列具有周期重复性，因此选取其中一个具有代表性且由最少原子排列而成的小单元（六面体）即称晶胞。晶格常数晶胞大小形状用晶格参数表示，各棱边尺寸称晶格常数，各棱边夹角用表示。,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,典型晶格体心立方晶格：立方体的八个棱角上各有一个原子，立方体中心占有一个原子。-铁，铬，钼等金属为体心立方晶格结构,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,面心立方晶格:正方体的八个棱角上各有一个原子，正方体六个面的中心各有一个原子。-铁，镍，铝，铜等为面心立方晶体结构,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,密排六方晶格：在上下底面的十二个棱角上各有一个原子，在上下底面的中心也各有一个原子，在六方柱内有三个原子，他们相间的处于三个棱柱体的几何中心。,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,1.1.2.结晶概念（1）过冷现象：金属凝固时其实际冷却速度往往比理想状态快，它的实际结晶温度都比理论结晶温度低，这称为结晶过程的过冷现象（2）结晶过程：晶核形成:自发形核非自发形核（靠背和依附）晶核长大（3）晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷。1.1.3.钢锭结晶构造表层为细晶区（以模壁为靠背形成非自发形核）次表层为柱状晶区（晶核择优生长）中心为等轴晶区在钢锭的头部（上部）集中了缩孔、疏松、杂质等缺陷，使用时要求切除掉。,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,1.1.4.金属的同素异构性金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格叫做同素异构转变同素异构转变也是一种结晶过程，为了与液体结晶相区别，通常称此为重结晶，例如在1394时，-铁（体心立方）转变为-铁（面心立方），在912时，-铁（面心立方）又转变为-铁（体心立方）,1.1金属的晶体结构与结晶,1.金属学基础知识,1.2合金的相结构与结晶,1.2.1.合金的相结构相是合金中同一成分同一结构和原子聚集状态，同一性能的均匀组成部分，合金中的基本相包括：纯金属，固溶体和化合物。(1)纯金属相1394以上纯铁是-铁相1394912纯铁是-铁相912以下纯铁是-铁相(2)固溶体：某元素的晶格中溶有其他元素原子的相称为固溶体置换式固溶体：溶剂晶格中部分结点上的原子被溶质原子置换间隙式固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中。(3)金属化合物(4)机械混合物：钢和铸铁中的珠光体，莱氏体,1.金属学基础知识,1.2合金的相结构与结晶,1.2.2.几种基本结晶转变形式,（1）匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体杠杆定律：计算两相区内，某一成分合金在某一温度时两相的成分和含量。（2）共晶转变：从液相中同时结晶出两种固体(共晶体)（3）共析转变：从一种固相中转变为两种固(共析体)（4）包晶转变：由先结晶的固相与剩余的液相反应生成另一固相,1.金属学基础知识,1.3Fe-Fe3C状态图,铁碳合金的基本相铁素体：是碳溶于-铁中的固溶体，它的溶碳能力很小奥氏体：是碳溶于-铁中的固溶体，它的溶碳能力较大渗碳体：是铁的碳化物，Fe3C表示，其含碳量6.69%,1.金属学基础知识,1.3Fe-Fe3C状态图,1.金属学基础知识,1.3Fe-Fe3C状态图,特征点和线介绍液相线ACD、固相线AECF、共晶线ECF、共析线PSK、ES线、GS线、PQ线平衡结晶过程及其组织工业纯铁结晶过程室温组织为铁素体+三次渗碳体共析钢结晶过程室温组织为珠光体亚共析钢结晶过程室温组织为铁素体+珠光体过共析钢结晶过程室温组织为珠光体+二次渗碳体共晶白口铁结晶过程室温组织为低温莱氏体（渗碳体基体及分布在其上的珠光体）亚共晶白口铁结晶过程室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体过共晶白口铁结晶过程室温组织为一次渗碳体+低温莱氏体选材指导热工艺制定,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.1临界点反应固态组织转变的临界温度Ac1珠光体向奥氏体转变的实际开始温度（加热）Ar1奥氏体向珠光体转变的实际开始温度（冷却）Ac3游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度（加热）Ar3奥氏体开始析出游离铁素体的温度（冷却）Accm二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度（加热）Arcm奥氏体开始析出二次渗碳体的温度（冷却）,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.2加热时的转变,1奥氏体化过程：奥氏体的形成要通过铁，碳原子的扩散来实现，属于扩散性相变，大致分为以下四个阶段：（1）奥氏体晶核形成优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成（2）奥氏体晶核长大成长是向奥氏体和渗碳体两侧长大推移的过程（3）残余渗碳体溶解是碳原子扩散和渗碳体向奥氏体的晶格改组过程（4）奥氏体均匀化碳原子充分扩散过程2影响奥氏体化的因素（1）加热速度（2）加热温度（3）合金元素（4）原始组织,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,3奥氏体晶粒度,（1）初始晶粒度细小而均匀（2）实际晶粒度一般总是大于初始晶粒度（3）晶粒长大后在冷却时就不能再变小，只有通过重结晶(重新奥氏体化)才能使晶粒变小。（4）奥氏体晶粒度对钢性能的影响奥氏体晶粒越细，屈服强度和冲击韧性越高，综合性能越优良。,1.4.2加热时的转变,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.3.1过冷奥氏体的等温转变,（1）表示过冷奥氏体在A1以下多个不同温度保温过程中发生的转变量与转变时间关系曲线，如下图,1.4.3冷却时的转变,左边为奥氏体开始转变线右边为奥氏体转变转变终了线Ms是奥氏体向马氏体转变开始温度线Mf是奥氏体向马氏体转变终止温度线,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,(2)C曲线分析不同温度下过冷奥氏体稳定性是不同的（孕育期不同），大约在550左右达最低稳定性。即孕育期最短转变速度最快，常称此为“鼻子”。在C曲线的鼻子以上，即A1500之间是珠光体转变区，属扩散型在C曲线的鼻子以下，大约500Ms之间是贝氏体转变区，属半扩散型在Ms线以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，此属非扩散型。,1.4.3冷却时的转变,1.4.3.1过冷奥氏体的等温转变,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,（3）影响C曲线因素碳含量：奥氏体中碳含量增加C曲线、左移，Ms和Mf下降合金元素：除钴和铅大于2.5%以外，其它合金元素溶入奥氏体后都使C曲线右移加热条件:奥氏体化温度提高，时间加长，均使C曲线右移,1.4.3冷却时的转变,1.4.3.1过冷奥氏体的等温转变,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,临界淬火速度：保证过冷奥氏体全部转变为马氏体的最小冷却速度。,1.4.3冷却时的转变,1.4.3.2过冷奥氏体连续冷却转变,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4.1组织形态与力学性能,1.4.4珠光体转变,（1）片状珠光体：按片间距分为珠光体、索氏体(细珠光体)、屈氏体（极细珠光体）片间愈小，相界面愈多，强度和硬度愈高，塑性开始是增高，当达0.1m时略有下降。（2）粒状珠光体：是铁素体基体上分布着的细小颗粒状渗碳体的球化组织。渗碳体颗粒愈细小则强度和硬度愈高，反之颗粒较大且分布均匀则塑性高，粒状珠光体的切削加工性好，也是中低碳钢冷挤压适宜的原始组织。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4.2珠光体的形成,1.4.4珠光体转变,（1）片状珠光体：奥氏体晶界是珠光体晶核优先形成之处，由过冷奥氏体直接分解而形成。（2）粒状珠光体：由球化退火得到。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4珠光体转变,片状珠光体500,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4珠光体转变,粒状珠光体500,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4.3.先共析相,1.4.4珠光体转变,（1）形成：也符合形核长大的相变规律，形核地点与长大方式如下：低碳钢先共析铁素体在奥氏体晶界上形核，然后长大增厚直至彼此相碰最后成块状。中碳钢和过共析钢先共析相也在奥氏体晶界上形核然后长大，最后变成沿奥氏体晶界连成网状。魏氏组织铁素体先共析相不仅在奥氏体晶界上形核，也在奥氏体晶内特定晶面上形核，沿一定位相长大呈针状插入晶内，也有人称此为针状铁素体。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.4.3.先共析相,1.4.4珠光体转变,（2）形状对性能的影响网状铁素体降低钢的疲劳性能。魏氏组织铁素体对强度影响不大，但显著降低塑性和冲击韧性。网状渗碳体增加钢脆性，淬火开裂性提高，实际生产中是不允许存在的，一般用调质处理或充分正火来消除。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5.1.形态,1.4.5贝氏体转变,（1）上贝：由成束的大致平行排列的铁素体条和条间短杆状渗碳体组成，典型特征呈羽毛状。上贝与魏氏组织区别是：上贝铁素体大都是紧靠排列,条间为渗碳体。而魏氏组织为单片铁素体（针），间距较大，铁素体之间是珠光体组织。（2）下贝：有一定取向由针片状铁素体及其内渗碳体（渗碳体排列与针的长轴呈5560）组成（3）粒贝由多边形（块状）铁素体及其中存在不规则小岛状组织组成。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,上贝氏体组织(光镜)400,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,上贝氏体高倍像（电镜）5000,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,下贝氏体组织（光镜）400,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,下贝氏体高倍像（电镜）10000,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,粒状贝氏体组织（光镜）500,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5贝氏体转变,粒状贝氏体高倍像（电镜）500,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.5.2.相变特点,1.4.5贝氏体转变,（1）上贝形成温度范围为550350，低碳钢会更高些。下贝形成温度范围比上贝低。粒贝形成温度稍高于上贝。（2）贝氏体中碳化物的分布情况主要取决于形成温度。（3）连续冷却时能否获得贝氏体组织，主要取决于冷却速度和C曲线的相对位置。,1.4.5.3.力学性能,上贝强度和韧性均较差，下贝有高的强度和韧性，粒贝强度较低但塑性较好。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.6马氏体转变,（1）板条马氏体尺寸大致相同，定向平行排列的板条组成马氏体束（领域），束与束之间存在一定的位向。其亚结构是高密度位错，故它又称为位错马氏体。板条马氏体主要在低碳钢马氏体时效钢和不锈钢中形成。（2）片状马氏体其二维形态大都呈针叶状，中间厚两头尖，相邻马氏体片成一定角度，其亚结构是孪晶，故又称它为孪晶马氏体，一般形成在高碳钢中。,1.4.6.1.马氏体分类,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.6.2.形态,1.4.6马氏体转变,板条马氏体组织（光镜）200,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.6.2.形态,1.4.6马氏体转变,片状马氏体组织（光镜）400,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.6.3.相变特点,1.4.6马氏体转变,（1）切变共格关系：新旧相（奥氏体和马氏体）的相界面保持共格关系（2）惯习面和位向关系：马氏体与原奥氏体之间存在一定的结晶位向及惯习面关系。（3）转变的不完全性：过冷奥氏体一般不能完全转变为马氏体，残余奥氏体总是存在的。,1.金属学基础知识,1.4钢的热处理原理,1.4.6.3.性能,1.4.6马氏体转变,高碳马氏体（片状）具有高硬度高强度低韧性高脆性，低碳马氏体（板条）具有足够强度和良好的塑性韧性,2.齿轮的金相检验,2.齿轮的金相检验,2.齿轮的金相检验,2.1.20CrMnTi齿轮的金相检验,500X,工件图号：154-27-11327,硬度：HV666,2.齿轮的金相检验,2.2.20CrMnMo齿轮的金相检验,500X,50X硬化区微区裂纹,硬度：HV560,2.齿轮的金相检验,2.3.S