金属材料的组织结构与性能分析

1、金属材料的组织结构与性能分析, Clark Wu A1014506,第一章 金属材料的力学性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。,五万吨水压机,.,应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0,一、弹性和刚度,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。

2、,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,二、强度与塑性,强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,说

3、明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征,为什么？,三、冲击韧性,表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力.韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性是指当承受应力时对折断的变形. 其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。

4、发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,四、疲劳、蠕变,疲劳：材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 蠕变：金属在高温和低于s的应力作用下，材料塑性变形量随时间延续而增加的现象。,通过改善材料的形状结构，减少表

5、面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,疲劳断口,五、硬度,材料抵抗表面局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 布氏硬度HB,布氏硬度计,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示， 适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 表,示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120HBS。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：测量误差

6、小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40),洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢

7、等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,维氏硬度,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,铁碳合金的显微组织,铁碳合金的组织组分：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体、石墨 按铁碳合金相图和平衡组织对铁碳合金分类：工业纯铁、钢和铸铁,材料科学与工程学院,.,23,1、铁碳合金的组织组分,（1）铁素体(

8、或F)：是C溶于-Fe形成的间隙固溶体，其性能是硬度低，塑性高，右图是工业纯铁的退火室温组织，是由多边形的铁素体和细小颗粒三次渗碳体组成(+Fe3C)，晶粒因位相不同而呈现不同的颜色。,一、铁碳合金概述,.,24,（2）奥氏体(或A)：C溶解于-Fe形成的间隙固溶体，其性能是屈服强度低，硬度低，塑性较高，适合压力加工，下图为不锈钢的退火组织（奥氏体和孪晶）,2020/9/20,.,25,（3）渗碳体(Fe3C)：铁碳合金中铁、碳形成的化合物，渗碳体硬而脆，塑性极低，延伸率接近于0，是钢铁材料中的主要强化相，Fe3C在钢和铸铁中呈现片状、粒状、网状和板条状。具有铁磁性。,.,26,（4）珠光体(

9、P)：是含碳量0.77的铁碳合金发生共析转变的产物，是有铁素体和渗碳体组成的机械混合物(+Fe3C)，根据渗碳体形态不同，分为片状P和粒状P，粒状P是片状P球化形成的。片状P的强度高，粒状P的综合性能好。,2020/9/20,.,27,（5）莱氏体(Ld)：是含碳量4.3的铁碳合金发生共晶转变的产物(Ld:+Fe3C)，温度降至727线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为Fe3C+P+Fe3C，称为低温莱氏体(Ld),莱氏体硬而脆。下图中是在白亮的Fe3C基体上分布着椭圆形的P。,.,28,（6）石墨(C)：是Fe3C在一定条件下分解产生的C，以游离态存在。可实用的铸铁中碳大部分或全部以石

10、墨的形式存在，铸铁组织是由基体和石墨两部分组成的。石墨的形态、大小、数量和分布对铸铁的性能有着非常重要的影响，石墨的形态有片状、球状、蠕虫状、团絮状等。,29,按铁碳合金相图和平衡组织可将铁碳合金分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。具体如下： 工业纯铁： Wc2.11%的铁碳合金，分为： 亚共晶白口铸铁： Wc2.114.30% 共晶白口铸铁： Wc4.30% 过共晶白口铸铁： Wc4.316.69%,2、铁碳合金分类,.,30,2、共析钢的平衡组织,（1）共析钢的平衡组织 共析钢理论上是Wc=0.77%的铁碳合金，通过共析转变形成的，其室温组织是由铁素体和渗碳体相间排列组成的机械混合物，即 P(+

11、 Fe3C)，常呈层片状。下图为共析钢退火后的室温组织(500)。,.,31,（2）亚共析钢的平衡组织,亚共析钢是 Wc= 0.02180.77%的铁碳合金，其室温组织是由铁素体和珠光体组成，即+P(+Fe3C)，P仍呈层片状。下图为亚共析钢(45钢)的室温组织(200)，图中白亮的为，层片状的是P。,.,32,（3）过共析钢的平衡组织,过共析钢是 Wc= 0.772.11%的铁碳合金，其室温组织是由珠光体和二次渗碳体组成，即 P+Fe3C，Fe3C呈白色的网状，P仍呈层片状。下图为T12钢退火的室温组织(500)，图中白亮的网为，层片状是P。,.,33,3、铸铁的平衡组织,（1）共晶白口铸铁

12、平衡组织 共晶白口铸铁是Wc4.30% 的铁碳合金，高温有莱氏体组成，即Ld(+Fe3C)。室温由低温莱氏体组成，即Ld(P+Fe3C+Fe3C)，左图(200)，绿色是P，黄色是Fe3C。,.,34,（2）亚共晶白口铸铁的平衡组织,亚共晶白口铸铁是Wc2.114.30 % 的铁碳合金，其室温组织由珠光体和低温莱氏体组成，即(P+Ld)，右图为其室温组织，黑色椭圆是珠光体，其余为莱氏体。,.,35,（3）过共晶白口铸铁的平衡组织,过共晶白口铸铁是Wc4.36.69 % 的铁碳合金，其室温组织由条状的一次渗碳体和低温莱氏体组成，即(Fe3C+ Ld)，左下图(200)中黄色的为Fe3C，低温莱氏

13、体由绿色的P和棕黄色的Fe3C组成。,.,36,2、马氏体类组织,马氏体和马氏体转变： （1）板条马氏体 常出现在低、中碳钢、M时效钢和不锈钢中，其组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构为高密度的位错。下图为20钢的淬火组织。,.,37,（2）片状马氏体,片状马氏体常出现在高、中碳钢、含Ni量高的钢中。在显微镜下观察片状马氏体呈针状或竹叶状，空间形态呈双凸透镜状。片状马氏体内部亚结构主要是孪晶。,.,38,（3）混合马氏体,在中碳钢或中碳铁镍合金中可获得板条马氏体和针状马氏体组成的混合马氏体。右下为铁镍碳合金的淬火组织，板条M呈浅黄，片状M呈黄红且有

14、小蝶状。,.,39,(1) 无碳化物贝氏体,无碳化物贝氏体是低碳钢在贝氏体转变区的最上部，在靠近BS的温度处形成的贝氏体。是一种由板条状铁素体构成的单相组织，是由铁素体和富碳的奥氏体组成。下图为30CrMnSiA钢450等温处理得到的无碳化物贝氏体组织的OM和TEM照片。,3、贝氏体组织,.,40,(2) 上贝氏体,上贝氏体是在贝氏体转变区的较上部的温度范围内形成的由铁素体和渗碳体组成的贝氏体。F呈大致平行的成束的板条状且含碳量处于过饱和状态，自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内伸展，渗碳体呈断续短杆状分布于铁素体板条之间，从整体上看呈羽毛状。上B硬度低，韧性差。下图为T8钢380等温淬火得到

15、的上贝氏体组织的OM和TEM照片。,.,41,（3）下贝氏体,下贝氏体是在贝氏体转变区的下部的温度范围内形成的由铁素体和-FeXC组成的贝氏体，在奥氏体晶粒内部沿某些晶面单独的或成堆的长成竹叶状(黑色片状或针状)，碳化物呈粒状或细片状分布在过饱和的铁素体内，立体形态呈双凸透镜状。下贝氏体硬度高且韧性好。下图为T8钢320等温淬火得到的下贝氏体的OM和TEM照片，下B呈黄绿，残余A为白色。,.,42,（4）粒状贝氏体组织,粒状贝氏体是低、中碳及其合金钢在上贝氏体转变区的上部，Bs以下以一定的冷速范围内（如热扎后空冷或正火）连续冷却得到的，组织为块状铁素体和粒状奥氏体二相混合物。下图是18Mn2C

16、rMoBA的粒状贝氏体组织。,.,43,七 钢的热处理,1、概述,应用 机床制造中，热处理零件占 60%70%， 汽车制造中，热处理零件占70%80%。,方法 通过对钢件重新加热，保温并以不同条件下的冷却获得所需组织和性能。普通热处理: 退火、正火、淬火、回火；表面热处理: 表面淬火、化学热处理,意义 将钢件在固态下使之 改善内部组织和提高其力 学性能，但不允许改变形状。,.,44,2、热处理工艺方法,正火 加热，保温过程和目的同退火，只是放到空气或水中冷却，比退火冷却稍快，珠光体中的 Fe 3C片层更薄，性能与退火相近,退火指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目

17、的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。,45,目的： 降低表层硬度，利于切削加工； 细化晶粒，提高塑性和韧性； 消除热应力。,主要应用于铸件、锻件、焊件等多种毛坯加工 前的预备热处理。,应用,46,退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火和低温退火三种,完全退火应用：亚共析钢的铸、锻、 焊件。加热保温：Ac3+3050， 奥氏体化； 冷却：炉冷至500后开炉 空冷。,.,47,球化退火,应用：过共析钢(刀具、刃具)锻坯。,作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火 做准备。,组织变化特征：,加热、保温：Ac1 +20

18、30； 冷却：随炉缓慢冷却；,.,48,低温退火(去应力退火) 加热，保温： 500650以下( Ac1) 作用：消除热应力。对冷 拔、冷拉、冲压件则消除加工硬化，以利于进一步变形。,.,49,淬火 加热，保温规范： 亚共析钢： t = Ac3 + 3050 过共析钢： t = Ac1 + 3050 冷却条件：速冷（油或水中，水中冷却更快),50,回火 淬火钢因突显脆性，一般都要重新加热才能使用，其淬火后重新加热（ Ac1以下）、保温并冷却至室温的热处理工艺称为回火。,回火意义 淬火后因“M”为不稳定组织，重新加热时， 碳原子扩散能力增强，将以 Fe 3C形式析出，致使 b、HRC降低， %、

19、k提高。,51,回火分类按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：,1）低温回火（150200） 目的：减小内应力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（5665HRC）和高的耐磨性。 应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件,52,2）中温回火（350500） 目的：获得高弹性，保持表面较高硬度 （3550HRC），获得一定的韧性。 应用：弹簧、发条、锻模板。,.,53,(3) 高温回火（500600） 目的：获得高强度，高塑性和高的冲击韧性，即良 好的综合力学性能。 应用：广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件， 如连杆、主轴、齿轮、重力螺钉等。硬度 2035HRC。,淬火后高温回火也称为 调质热处理。中

20、碳钢（0.40.6C） 也称为调质钢。,.,54,表面淬火和化学热处理,1）表面淬火 钢件表层淬火到一定深度，心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。2）工艺 钢件表层快速加热到淬火温度（ Ac3+3050），当高温来不 及传递到心部而立即喷水冷却，实现表层局部淬火。,表面火焰淬火,.,几种常见钢材,热轧 hot rolled steel 锭或钢坯在常温下很难变形，不易加工，一般加热到11001250进行轧制，这种轧制工艺叫热轧。大部分钢材都用热轧方法轧制。但是因为在高温下钢的表面容易生成氧化铁皮，使热轧钢材表面粗糙，尺寸波动较大，所以要求表面光洁、尺寸精确、力学性能好的钢材，以热轧半成品或成

21、品为原料再用冷轧方法生产。 冷轧 COLD ROLLED STEEL 在常温下轧制，一般理解为冷轧，从金属学的观点看，冷轧与热轧的界限应以再结晶温度来区分。即低于再结晶温度的轧制为冷轧，高于再结晶温度的轧制为热轧。钢的再结晶温度为450600。 特点： 冷轧板表面有一定的光泽度手摸起来比较光滑，类似于那种用来喝水的很常见的钢水杯。 热轧板如未经酸洗处理，则与市场上很多普通钢板的表面相类似，生了锈的表面为红色，没生锈的表面为紫黑色（氧化铁皮）。,.,冷轧钢与热轧钢,.,优缺点：,精度更高，冷轧带钢厚度差不超过0.010.03mm。 尺寸更薄，冷轧最薄可轧制0.001mm的钢带；热轧现在最薄可达到

22、0.78mm。 表面质量更优越，冷轧钢板甚至可以生产出镜面表面；而热轧板的表面则有氧化铁皮，麻点等缺陷。 冷轧板可以根据用户要求调整其力学性能如抗拉强度和工艺性能如冲压性能等。 冷轧和热轧是两种不同的轧钢技术，顾名思义，冷轧就是在钢在常温情况下进行扎制，这种钢的硬度大。 热轧板硬度低，加工容易，延展性能好。 冷轧板硬度高，加工相对困难些，但是不易变形，强度较高。 热轧板强度相对较低，表面质量差(有氧化、光洁度低)，但塑性好，一般为中厚板，冷轧板：一般为薄板 可以作为冲压用板。 冷轧钢板由于有一定程度的加工硬化，韧性低，但能达到较好的屈强比，用来冷弯弹簧片等零件，同时由 于屈服点较靠近抗拉强度，

23、所以使用过程中对危险没有预见性，在载荷超过许用载荷时容易发生事故。,所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，正如人们所知道的那样，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的钢便开始锈蚀。不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一，所以保护方法不尽相同。 在铬的添加量达到11.7以上时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含量更高时，尽管仍可提高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种氧化物钝化膜，继续起保护作用。 因此，所有的不锈钢元素都具有一种共同的特性，