金属材料及热处理

金属材料及热处理金属材料及热处理金属材料是现代工业的基础。金属材料包括黑色金属材料和有色金属材料两大类。正确地了解、认识金属材料，并合理选择材料。正确使用好材料是保证机械工程、机械设备以及锅炉压力容器产品质量乃至安全可靠运行必不可少的重要控制环节。金属材料及热处理第一节金属学基础知识在自然界中已发现的全部化学元素中，金属元素约占3/4，而固态金属所具有的共同特性是，有金属光泽，良好的导电性、导热性及良好的塑性等。这些特性是由金属原子电子结构和原子间的排列、结合方式所决定的。由两种或以上金属元素溶合在一起所形成的复合体，称为合金。金属材料及热处理1金属的晶体结构1.1晶体与晶格金属的原子都是按一定的规律次序排列的，不同金属有不同的排列方式，这种排列方式称为金属的晶体结构。晶体结构是决定金属性能的重要内在因素。晶体的特征；具有一定的熔点，组成晶体的质点（原子、离子和分子）在三维空间按一定规律排列，因此金属具有规则的几金属材料及热处理何外形，各向异性，即晶体在不同方向上具有不同的性能。实际晶体中各原子是按一定几何形状紧密地堆积在一起的，如下图所示。但在研究晶体结构时，为便于分析各种晶体中原子的不同排列方式，于是采用了假想的几何线条，将各原子的中心连接起来，就得到一个抽象化的几何空间格架，称为空间晶格。简称晶格。金属材料及热处理金属材料及热处理如果在晶格中取出一个完全代表晶格的最小单位，称为晶胞。晶格就是有无数晶胞在三维空间堆积起来的。典型的晶格有体心立方晶格，面心立方晶格和密排六方晶格。金属材料及热处理体心立方晶格的晶胞是一个正六面体（立方体），立方体每个顶角都各有一个原子，中心有一个原子，体心立方晶格的金属有Mo、V、α-Fe等面心立方晶格的晶胞是也是一个正六面体，其八个顶角上各有一个原子，六个面的中心处也各有一原子，面心立方晶格金属有Cu、Al、Ag。金属材料及热处理密排六方晶格的晶胞是一八面体，上下两个底面呈六角形，六个侧面为长方形。密排六方晶格的金属有Mg、Zn等。晶格中原子的排列、密度对金属的塑性变形能力影响很大，如面心立方晶格的金属塑性好，密排六方晶格的金属塑性较差。金属材料及热处理2实际金属的晶体结构实际金属与上述理想的单晶体的晶体结构不同，实际金属由很多结晶位向不同的小晶体颗粒所组成，晶粒内晶体的位向相同，如图，晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。金属材料及热处理在晶体内部一般存在着缺陷。根据缺陷的几何形态可分为点缺陷，线缺陷，面缺陷3类。金属材料及热处理3金属的结晶3.1金属结晶的概念物质从液态状态转变为固态时的凝固过程，即为晶体结构的形成过程称为结晶。从原子排列情况来讲，结晶是原子以不规则排列（液态）过渡到规则排列（晶体）的过程。每一种金属都存在一定的平衡结晶温度（T0），当液态金属冷却到低于这一温度时即开始结晶，如水到0°以下开始结冰，金属材料及热处理在平衡温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态，这时液态中的原子结晶到晶体上的速度与晶体上的原子溶于液态中的速度相同。从宏观来看，这时既不结晶也不熔化，处于平衡状态。只有冷却到低于平衡结晶温度下才能开始结晶。3.2结晶过程液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过程。首先在液态金属中形成金属材料及热处理极小的晶体-晶核，作为结晶中心。此后，已形成的晶核不断长大，同时液相中又不断产生晶核并长大，直至液相完全消失。每个晶核长大成为一个晶粒。结晶过程示意图如下，每一批晶核形成后，成核和长大过程是同时进行的，直至每个晶核长大到互相接触，每个长大的晶核就成为1个晶粒。金属材料及热处理晶核的形成有两种情况，一是在液体中一定过冷度条件下自然形成的晶粒。称为自发晶核。二是在液体中依附外来的固态粒子的表面上形成晶核，称为非自发形核。金属材料及热处理4合金的相结构合金是两种或两种以上金属元素（或金属与非金属元素）溶合在一起，形成一种有金属特征的新物质，称为合金。钢是铁和碳的合金，黄铜是铜和锌的合金。组成合金的各元素称为组元。合金通过不同元素的结合，使材料强度、硬度、耐磨性得到改善，工艺性能得到提高。合金的性能是由合金相结构及其分布形式所决定的。相是指合金中具有相同化金属材料及热处理学成分相同物理和化学性能、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀组成部分。例如纯铁是由单相的α-Fe组织。室温下45钢的组织为铁素体和渗碳体两个相组成。合金的相结构分为固溶体和化合物两大类。4.1固溶体把蔗糖溶于水，得到糖和水的溶液-糖水。水是溶剂即为基体组元称为溶剂。蔗糖金属材料及热处理是溶质，为溶入基体的组元称为溶质。如糖水结成冰，就得到蔗糖在固态水中的固溶体。合金中也存在类似的情况。如果溶质原子溶入溶剂晶格中所形成均匀的固体合金，这种固体合金结构称为固溶体。如果当两种原子直径大小相近时，则在形成固溶体时，溶剂在晶格上的部分原子被溶剂原子所置换，这种固溶体称为置换固溶体，如果溶质原子分布在溶剂晶格的间隙处，就形成间隙固溶体。如图所示，金属材料及热处理置换固溶体，由于溶质原子的溶入造成溶剂晶格的畸变。随着异类原子的溶入及其浓度的增加，溶剂晶格畸变加大，使变形时位错移动困难，因而提高强度和硬度。金属材料及热处理4.2金属化合物金属化合物是指组成合金的组元，按一定原子数量比相互化合而成的完全不同于原组元晶格的新相，且具有金属特性的固体合金。金属化合物最突出的特点是，其晶体结构不同于原组元。合金组织中的化合物都具有较高的硬度和较大的脆性，从而可使合金的硬度、强度提高，韧性下降。如钢中的碳化铁，会使金属材料及热处理钢强度，硬度提高，韧性下降。4.3机械混合物当组成合金的组元，其数量不能完全溶解或完全化合时，则形成由两相或多相构成的组织，称为机械混合物。当合金的相为机械混合物时其性能取决于混合物中来那个钟相的性质及它们的各自的形状、大小、数量及分布的情况。例如退税状态的碳钢是铁素体和化合物（Fe3C)金属材料及热处理的机械混合物。铁素体软而韧性高，Fe3C硬而脆，不同含碳量的钢，Fe3C数量不同，因而性能也有很大差异。工业上绝大数合金是属于机械混合物组织，如钢、生铁、铝合金。有机械混合物构成的合金一般比单一固溶体具有更高的强度和硬度。金属材料及热处理5铁碳合金相图在合金中由于含有不同元素及不同的元素比例，会形成多种相结构。这些相的不同形状，数量及分布，使合金具有多种组织。合金的组合比纯金属复杂，为研究合金的组织与性能的关系，必须探求合金中的各种组织形成和变化的规律。合金相图是研究这些规律的工具。利用相图可以知道不同成分合金在合金相图是制定合金铸造，锻造，焊接及热处理工艺的重要依据。金属材料及热处理铁碳合金相图表明了碳质量分数不同的各铁碳合金在不同温度下的组织。碳质量分数小于2%的铁碳合金相图，是钢的相图。如图，纵坐标表示温度，横坐标表示碳的质量分数。相图主要有标志某些特性的点和线组成。金属材料及热处理金属材料及热处理金属材料及热处理5.1钢的相图中的特性线ABC线为合金的液相线，钢加热到此线以上相应温度时，全部变成液态，而冷却到此线时，开始结晶出现固相。AHJE线为铁碳合金的固相线，钢加热到此线相应的温度，开始出现液相，而冷却到此线时全部变成固相。ES线是碳在奥氏体中的溶解度线，常用Acm表示。从线上可看出，1148℃时γ-Fe金属材料及热处理中溶解的碳质量分数最大为2.06%，在727℃溶解度的碳质量分数为0.8%。因此碳质量分数大于0.8%的铁碳合金，自1148℃冷却到727℃的过程中，由于奥氏体溶解碳量的减少，将从奥氏体中析出渗碳体，一般称为二次渗碳体。GS线常用A3表示，它表示碳质量分数不同的奥氏体，冷却时奥氏体开始析出铁素体的温度线，或加热时铁素体完全转变成金属材料及热处理奥氏体的温度线。PQ线，为碳在铁素体中的溶解度线，铁素体在727℃时溶解碳量最大为0.02%，室温时仅溶解0.008%的碳。GP线，为碳质量分数在0.02%以下的铁碳合金，在冷却时奥氏体全部转变为铁素体的温度线，或加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度线。金属材料及热处理6钢的组织所谓组织，是指用金相观察的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状、排列情况等组成关系的构造情况，也称金相组织。6.1铁素体铁素体是在铁基合金中，固溶有碳和其他元素的，晶体点阵为体心固溶体。即通俗称碳溶于α-Fe形成固溶体。如图金属材料及热处理金属材料及热处理铁素体的强度、硬度较低，但有良好的塑性和韧性。所以含铁素体多的钢强度硬度较低，塑性韧性较好。6.2渗碳体渗碳体是铁和碳的化合物，晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C一种间隙化合物。常温下碳在α-Fe溶解度小，大部分碳以渗碳体形式出现。渗碳体的性能与铁素体相反，硬而脆。金属材料及热处理随着钢中碳质量分数的增加，渗碳体增多，钢的硬度强度提高，塑性，韧性下降。6.3珠光体珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变形成的，其晶体形态为铁素体薄层和碳化物薄层交替重叠的层状物，在高倍相显微镜下，可看到珠光体中片状铁素体与渗碳体一层一层交替分布，如图金属材料及热处理金属材料及热处理珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，其硬度适中，强度比铁素体高，但脆性并不大，同时具有良好的塑性和韧性。6.4奥氏体奥氏体晶体结构是面心立方的固溶体，如图，碳钢加热到727℃临界点以上时发生转变才存在奥氏体，随着温度继续升高，全部转变奥氏体组织。冷却到727℃以下，随着钢碳质量分数和冷却条件不同，分别转变成铁素体，珠光体，渗碳体奥氏体硬度不高，塑性韧性很好，没有磁性。金属材料及热处理金属材料及热处理6.5马氏体马氏体是碳或合金元素在α铁的过饱和固溶体。如图，奥氏体转变时，由于冷却速度快，碳或合金元素原子来不及析出而固溶在晶格中，呈饱和状态即形成马氏体。因此晶格发生畸变，并使晶粒之间产生内应力。这样就增加了金属抵抗塑性变形的能力，使之具有较高的硬度和强度，但塑性和韧度极低，几乎不能承受冲击载荷。金属材料及热处理金属材料及热处理6.6贝氏体贝氏体是钢在奥氏体化后过冷到珠光体转变温度区以下，马氏体转变温度以上这一中温区转变而成由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，是介于珠光体和马氏体之间的一种组织。在不同转变温度的条件下，贝氏体的形态和性能有很大差别，可分为上贝氏体，下贝氏体粒状贝氏体。如图金属材料及热处理金属材料及热处理6.7魏氏组织魏氏组织是沿着过饱和固溶体的特定晶面析出并在母相内呈一定规律的片状或针状分布的二相形成的组织，是一种过热组织。魏氏组织使钢的塑性，冲击韧度大大降低，使钢变脆。气焊或电渣焊时，近缝区容易出现魏氏组织，一般可通过退火或正火加以消除。如图金属材料及热处理金属材料及热处理7热处理将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构性能的工艺，称为热处理。热处理方法主要分为退火、正火、淬火、回火和表面热处理。7.1退火将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称为金属材料及热处理退火。根据退火温度，时间的不同，常用的退火方法有完全退火，不完全退火和去应力退火。完全退火是铁碳合金完全奥氏体化，使之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。不完全退火是加热到AC1-AC3之间的温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。去应力退火是为了去除由于塑性变形加工，焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。金属材料及热处理退火可降低钢或金属的硬度，细化晶粒，提高塑性。使组织均匀化并消除残余应力。正火将钢材加热道AC3以上30-50，保温适当时间，在静止的空气冷却的热处理工艺，称为正火。淬火将方才加热到AC3或AC1以上某个温度，保持一定时间，在后在水，空气或油介质中以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体的热处理工艺。金属材料及热处理回火把淬火钢件，重新加热到AC1点以下某个温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火是为了消除内应力，稳定组织，提高塑性，韧性，适当降低硬度，以获得所要求的力学性能。根据回火时保持的温度不同，可分为低温回火，中温回火和高温回火。金属材料及热处理低温回火淬火钢件在250℃以下的回火，称为低温回火。中温回火淬火钢件在250-500℃之间的回火，称为中温回火。高温回火淬火钢件在高于500℃进行的回火称为高温回火。金属材料及热处理8金属材料的力学性能金属材料在外力或能的作用下所表现出来的力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、硬度等。也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损。力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。强度金属材料的强度，根据载荷的特点分为静载强度、疲劳强度。根据温度条件分金属材料及热处理常温时强度和高温强度。根据载荷作用形式不同，强度还分为抗压，抗拉，抗剪，一般以抗拉强度作为最基本的强度的指标。静载强度指标有：屈服点金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力称为屈服点。以σs表示。金属材料及热处理抗拉强度拉伸试验时，材料拉断前所承受的最大应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力称为抗拉强度，以σb表示。塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂前最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和端面收缩率。硬度硬度是金属材料表面抵抗弹性变形，塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量金属材料及热处理材料软硬程度的性能指标。硬度不是一个单纯的，确定的物理量，而是一个由材料弹性，塑性，韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标。所以硬度不仅取决于材料本身，还取决于试验方法和条件。常用的有布氏硬度法，洛氏硬度法和维氏硬度法。金属材料及热处理韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。衡量材料韧性的指标分为冲击韧性和断裂韧性。冲击韧性是评定金属材料受冲击载荷作用时抵抗变形和断裂的能力。目前国内外多数国家采用夏比V形缺口试样。断裂韧性是材料阻止或抵抗裂纹扩展的能力。金属材料及热处理9钢的分类和编号9.1钢的分类方法很多，可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行。按化学成分分类分为碳素钢、合金钢两大类。碳素钢是指碳质量分数低于2.06%的铁碳合金，根据质量分数不同，碳钢可分为工业纯铁（≤0.02%），低碳钢（0.25%），中碳钢（）和高碳钢（＞0.6%)金属材料及热处理合金钢是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能加入某些合金元素炼制成的钢，按合金元素总量的不同，合金钢分为低合金钢（合金元素总量≤5%），中合金钢（5-10%），高合金钢（≥10%）按照冶炼方法分为平炉钢，转炉钢，电炉钢。按品质分类根据钢中硫磷杂质含量，可分为普通碳素金属材料及热处理钢，优质碳素钢和高级优质碳素钢。普通碳素钢Wp≤0.045%,Ws≤0.05%优质碳素钢Wp≤0.035%,Ws≤0.35%高级优质碳素钢Wp≤0.035%,Ws≤0.30%按用途分类可以分为结构钢，工具钢和特殊用途钢金属材料及热处理9.2钢的编号及特性我国钢材牌号表示的方法，是采用国际化学元素符号，汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原则，即钢号中化学元素用国际化学符号表示，钢材名称、用途、冶炼和浇注方法一般用汉语拼音缩写字母表示，钢中主要化学元素含量采用阿拉伯数字表示。金属材料及热处理普通碳素钢的结构钢根据GB/T700-1988《碳素结构钢》标准，钢的牌号由代表屈服点的字母、数值，质量等级符号，脱氧方法等4部分按顺序组成。主要钢种有Q235B,Q235C,Q235A等。Q---表示钢的屈服点为屈字拼音字母235---钢的屈服点数值单位MPaA/B/C/D—质量等级，A级最低，D级最高金属材料及热处理优质碳素结构钢优质碳素结构钢主要用于制造重要的机器零件。结构。其钢号用两位数字表示。两位数字表示该钢种平均碳质量分数的万分率，如20、45钢分别表示钢中平均碳质量分数为0.2%，0.45%优质碳素结构钢。常用的钢号有10、20、40、45等，含锰量较高，（0.7-1.0%）应将锰元素标出，如15Mn金属材料及热处理碳素工具钢碳素工具钢用钢的平均碳质量分数的千分率数字表示。为了与合金工具钢分开，在数字前冠以T字母，如碳质量分数为0.7%的碳素工具钢，其钢号写成T79.4其他专业用钢压力容器用钢板前加R，锅炉用钢板加g焊接气瓶用钢加HP金属材料及热处理9.3合金钢低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q，屈服点值，质量等级符号3个部分组成。Q345Q--表示钢的屈服点为屈字拼音字母345---钢的屈服点数值单位MPa金属材料及热处理合金结构钢首部数字表示平均含碳量（万分率），如20Mn2,20表示平均含碳量0.2%。在表示含碳量数字后面，用元素符号或汉字表示所含有的主要合金元素，并用符号后面的数字表示该合金元素的平均质量分数。凡是合金元素含量上限不超过1.5%时，编号中只写元素符号，不标明含量。金属材料及热处理如果平均含量超过1.5%，在该元素后面注出近似百分率，如含量为1.8%时，则用2表示。如09Mn2表示平均碳质量分数为0.09%，锰的质量分数约为2%的合金结构钢。合金工具钢当碳质量分数不超过1%时，以千分率表示如9SiCr,9表示碳平均质量分数为0.9%金属材料及热处理含碳量超过1%时，在钢中不表示出含碳量。如CrWMn表示碳质量分数超过1.0%，并含有Cr/W/Mn合金元素的合金工具钢。特殊高合金钢编号方法与合金工具钢相同，如2Cr13,表示碳质量分数为0.2%，铬元素质量分数为13%的不锈钢。金属材料及热处理9.4合金结构钢的分类及特性合金结构钢在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素的钢，从而提高钢的强度，具有良好的塑性和韧性，也获得一些特殊的使用性能。如高温，低温和耐腐蚀。合金结构钢类型很多，合金系统也不相同，一般从焊接用钢来说，大致分为一是强度用钢，二是特殊用钢。金属材料及热处理强度用钢应用很广，凡在一般温度下的受力结构，如压力容器，车辆，桥梁等根据强度级别和热处理状态分为热轧及正火用钢低碳调制钢中碳调质钢特殊钢有特殊用途的，如不锈耐酸钢，耐热钢，低温钢和奥氏体、铁素体，马氏体不锈耐热钢。金属材料及热处理耐热钢一般指具有热强性及热稳定性的钢。低温钢最重要的性能是韧性，脆性转变温度等。我国压力容器用低温钢号有16MnDR（用于-40℃以上）,09MnNiDR(用于-70℃）不锈钢耐酸钢通常所说的不锈钢实际上是耐酸钢、不锈钢和耐热钢的总称。按组织类型分为马氏体型，铁素体型，奥氏体型，奥氏体-铁素体和沉淀硬化型。金属材料及热处理铁素体不锈钢主要特点是加热时不发生相变，因此不能进行热处理强化。铁素体不锈钢有3种倾向475℃脆性，σ相析出脆化，粗晶脆化，主要钢号有0Cr13Al奥氏体不锈钢也不能热处理强化，其屈服点较低，塑性，韧性及工艺性能都很好。具有优良的耐蚀性，无磁性，应用广泛。奥氏体-铁素体不锈钢特点是室温下奥氏体+铁素体双相组织，可提高其抗晶间腐蚀和防止应力腐蚀开裂，屈服点比奥氏体高，有磁性，主要有S22053金属材料及热处理9.5合金元素对钢组织和性能的影响钢中的化学元素及其含量决定了钢的化学成分，由于化学成分不同使钢的组织和性能也不同。碳碳是钢中两个基本组元之一，是决定钢强度的主要元素，随着钢中碳的质量分数的增加，强度，硬度升高，塑性下降。锰锰可固溶于铁素体和奥氏体中，使之固溶强化，提高硬度和强度。含锰量在1%以金属材料及热处理下，强化的同时几乎不影响塑性和韧性。锰是弱碳化物形成元素，是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰可降低临界点，增加奥氏体冷却时过冷度，细化晶粒，改善力学性能。是低合金钢的重要的合金元素。锰还可提高钢的淬透性，但增加回火脆性。硅硅能固溶于铁素体和奥氏体中，使钢的强度和硬度增加，塑性和韧性下降。硅不金属材料及热处理会形成碳化物，硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂。硅可提高钢的热强性和抗氧化能力，改善磁导率，是硅钢片中的主要合金元素。钛是强碳化物形成元素，与氧、氮亲和力极强，是良好的脱氧剂。钛与碳的化合物（TiC)是一种间隙相化合物，极稳定，只有加热到1000℃以上才缓慢溶于固溶体。因此，可提高钢的热强性，细化晶粒。当钢金属材料及热处理中含钛较多时，塑性有所下降。不锈钢中，由于钛能从碳化铬中夺取碳形成碳化钛，使铬还原，从而提高钢抗晶间腐蚀能力，珠光体耐热钢中加入钛可防止含钼钢高温下石墨化倾向。钛及钛合金是宇航工业材料钒钒在钢中能与碳及氮形成极为稳定的碳化物和氮化物，这些化合物只有在高温时才能缓慢溶于奥氏体中，以细小的碳化物金属材料及热处理颗粒弥散分布，可使钢强化并能阻碍晶粒的长大，还提高钢的抗蠕变和高温持久性能。钒还可以提高耐腐蚀能力，但含钒量提高，容易出现回火脆性，导致产生再热裂纹。钼钼是强碳化物形成元素，在较高回火温度下弥散分布，能显著提高强度及热强性，主要提高了钢的再结晶温度和铁素体金属材料及热处理的蠕变能力。钼可使钢晶粒细化，促使贝氏体的形成，是贝氏体钢