2020年 07月 24日 星期五

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金属学及热处理基础知识

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-07-24 19:06 人气:

  仅供个人参考 第一章 一、金属的基本结构 金属学及热处理基础知识 金属材料的化学成分不同,其性能也不同。但是对于同一种成分的金属材料,通过不同 的加工处理工艺,改变材料内部的组织结构,也可以使其性能发生极大的变化,可见,金属 的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。 金属和合金在固态下通常都是晶 体,因此首先要了解其晶体结构。 1、金属的原子结构及原子的结合方式 (1)金属原子的结构特点 最外层的电子数很少,一般为 1~2 个,最多不超过 4 个,这些外层电子与原子 核的结合力很弱, 很容易脱离原子核的而变成电子, 此时的原子即变为正离 子,而对于过渡族金属元素来说,除具有以上金属原子的特点外,还有一个特点,即 在次外层尚未填满电子的情况下,最外层就先填充了电子。因此,过渡族金属的原子 不仅容易丢失最外层电子,而且还容易丢失次外层的 1~2 个电子,这就出现了过渡 族金属化合价可变的现象。 当过渡族金属的原子彼此相互结合时, 不仅最外层电子参 与结合,而且次外层电子也参与结合。因此,过渡族金属的原子间结合力特别强,宏 观表现为熔点高。强度高。由此可见,原子外层参与结合的电子数目,不仅决定着原 子间结合键的本质,而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。 (2)金属键 处以集聚状态的金属原子, 全部或大部将它们的价电子贡献出来, 为其整个原子 集体所公有,称之为电子云或电子气。这些价电子或电子,已不再只围绕自己的 原子核转动, 而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。 贡 献出价电子的原子,则变为正离子,沉浸在电子云中,它们依靠运动于其间的公有化 的电子的静电作用而结合起来, 这种结合方式叫做金属键, 它没有饱和性和方向 性。 (3)结合力与结合能 固态金属中两原子之间的相互作用力包括: 正离子与周围电子间的吸引力, 正离子与正离子以及电子与电子间的力。 结合能是吸引能与能的代数和, 当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定, 即势能更低时, 在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低, 不得用于商业用途 仅供个人参考 所以吸引能是负值,相反,能作用下把远处的原子移衡距离 d0 时,其结合 能最低,原子最稳定。任何对 d0 的偏离,都会使原子的势能增加,从而使原子处于 不稳定状态,原子就力图回到低能状态,即恢复到平衡距离的倾向,这里的 EAB 成 为原子间的结合能或键能。 2、金属的晶体结构 (1) 晶体的特性 a、 晶体具有一定的熔点。 b、 晶体具有各向异性,在不同的方向上测量其性能(如导电性、导热性、热膨 胀性、弹性和强度等)时,表现出或大或小的差异。 (2) 晶格和晶胞 晶格:将构成晶体的实际质点(原子、离子或)忽略,而将它们抽象为纯 粹的几何点,称之为阵点或结点,这些阵点可以是原子或的中心, 也可以是彼此等同的原子群或群的中心, 各个阵点的周围都相 同,用平行的直线将这些阵点连接起来,构成一个三维的空间格架,这 种用于描述晶体中原子 (离子或) 排列规律的空间格架成为空间点 阵,简称点阵或晶格。 晶胞: 用来分析晶体中原子排列的规律性而在晶格中选取的能够完全反映晶格 特征的最小的几何单元成为晶胞。 (3) 3 种典型的金属晶体结构 a、 基本概念 原子数:一个晶胞中含有的原子数目。 配位数:晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 致密度:原子所占体积与晶胞体积之比,用于表示原子排列的紧密程度。 b、 3 种典型的金属晶体结构(图 1-1) ① 体心立方晶格 原子半径 r= ② 面心立方晶格 原子半径 r= ③ 密排六方晶格 3 a ;原子数 N=2;配位数为 8;致密度 K=0.68 4 2 a ;原子数 N=4;配位数为 12;致密度 K=0.74 4 不得用于商业用途 仅供个人参考 原子半径 r= a ;原子数 N=6;配位数为 12;致密度 K=0.74 2 (a)体心立方 (b)面心立方 图 1-1 典型的晶体结构 (c)密排六方 (4) 晶向指数和晶面指数 在晶体中, 由一系列原子所组成的平面成为晶面, 任意两个原子之间连线 所指的方向成为晶向。 a、 晶向指数的确定步骤 ① 以晶胞的三个棱边为坐标轴 X、Y、Z,以棱边长度(即晶格)作为 坐标轴的长度单位; ② 从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向; ③ 在所引有向直线上任取一点,求出该点在 X、Y、Z 轴上的坐标值; ④ 将三个坐标值按比例化为最小简单整数,即得所求得晶向指数,记为 [uvw]。 b、 晶面指数的确定步骤 ① 以晶胞的相互垂直的棱边为参考坐标轴 X、Y、Z,坐标原点 O 应 位于待定晶面之外,以免出现零截距; ② 以棱边长度 (即晶格) 为度量单位, 求出待定晶面在各轴上的截距; ③ 取各截距的倒数,并化为最小简单整数,即为所求的晶面指数,记为 (hkl)。 注:在立方结构的晶体中 (1) 当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)时,必须满足此关 系:hu+kv+lw=0; (2) 当某一晶向与某一晶面指数垂直时,其晶向指数和晶面指数须 完全相等。 3、实际金属的晶体结构 在实际应用的金属材料中, 总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完 不得用于商业用途 仅供个人参考 整性区域,这就是晶体缺陷。 根据晶体缺陷的几何形态特征,可以将它们分为以下三类: (1) 点缺陷:其特征是三个方向上的尺寸都很小,相当于原子的尺寸,如 空位、间隙原子等。 (2) 线缺陷:其特征是在两个方向上的尺寸很小,另一个方向上的尺寸很 大,如位错。 (3) 面缺陷:其特征是在一个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸 相对很大,如晶界、亚晶界等。 二、金属的结晶基本过程 金属由液态转变为固态的过程成为凝固。 由于凝固后的固态金属通常是晶体, 所以又将 这一转变过程称之为结晶。金属结晶后所形成的组织,包括各种相的晶粒形状、大小和分布 等,将极大地影响到金属的加工性能和使用性能,对于铸件来说,结晶过程就基本上决定了 它的使用性能和使用寿命,因此,研究和控制金属的结晶过程,已成为提高金属机械性能和 工艺性能的一个重要手段。 1 金属结晶的条件 (1) 过冷度:金属在结晶之前,温度连续下降,当液态金属冷却到理论结晶温 度 Tm(熔点)时,并未开始结晶,而是需要继续冷却到 Tm 之下的某一温 度 Tn,液体金属才开始结晶,金属的实际结晶温度 Tn 与理论结晶温度 Tm 之差,称之为过冷度,以△T 表示,△T=Tm-Tn。 结论: 金属结晶必须要有一定的过冷度, 一般来说, 过冷度随金属的本性和纯度 的不同,以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。金属不同,过冷度的 大小不同;金属的纯度越高,则过冷度越大。当以上两因素确定后,过冷度的 大小主要取决于冷却速度,冷却速度越大,则过冷度越大,即实际结晶温度越 低,故对于一定的金属来说,过冷度有一最小值,若过冷度小于这个值,结晶 过程不能进行。 (2) 结晶潜热:一摩尔物质从一个相转变为另一个相时,伴随着放出或吸收的 热量称为相变潜热。结晶时从液相转变为固相时要放出热量,称为结晶潜 热。 一般地,用冷却曲线) ,冷却曲线上的第一个转折 点,对应着结晶过程的开始,第二个转折点则对应着结晶过程的结束。 不得用于商业用途 仅供个人参考 结论: 结晶潜热的和散失是影响结晶过程的一个重要因素, 如果的 结晶潜热大于向周围中散失的热量, 温度将会回升, 甚至已经发生结晶的区 域会发生重熔现象。 图 1-2 金属结晶的冷却曲线) 金属结晶的微观过程 结晶过程是形核和长大的过程。 结晶时, 首先在液体中形成具有某一临界尺寸 的晶核,然后,这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。结晶过程需要一个孕 育期, 当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时, 晶核并未立即出生, 而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核,结晶开始的这段停留时间称为孕育 期。 (4) 金属结晶的热力学条件 如果液相的能高于固相的能, 那么液相将自发地转变为固相, 即金属 发生结晶,从而使系统的能降低,处于更为稳定的状态。液相金属和固相金属 的能之差就是促进金属结晶的驱动力,即△G=GS-GL<0。 结论:过冷度越大,液固两相的能的差值越大,即相变驱动力越大,结晶 速度越快。 (5) 金属结晶的结构条件 ① 近程有序: 在液体中的微小范围内存在着紧密接触规律排列的原子集 团,称为近程有序。 ② 远程有序: 在在液体中的大范围内原子是无序分布的, 而在晶体中大 范围内的原子却是呈有序排列的,称之为远程有序。 ③ 相起伏: 液态金属中近程规则排列的原子集团并不是固定不动、 一成 不变的, 而是处于不断地变化之中, 由于液态金属原子的热运动很激 烈,而且原子间距较大,结合较弱,所以液态金属原子在其平衡 停留的时间很短, 很容易改变自己的, 这就使近程有序的原子集 团只能维持短暂的时间即被而消失, 以此同时, 在其它地方又会 不得用于商业用途 仅供个人参考 出现新的近程有序的原子集团, 液态金属中的这种不断变化着的近程 有序原子集团称为结构起伏或称为相起伏。 ④ 晶胚: 根据结晶热力学条件可以判断, 只有在过冷液体中出现的尺寸 较大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核, 这些相起伏就是晶核 的胚芽,称为晶胚。 结论: 液态金属的一个重要特点是存在着相起伏, 只有在过冷液体中的相起伏 才能成为晶胚。但是,并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。 2 晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时,可能有两种形核方式:一种是均匀形核,又称均质 形核或自发形核;另一种均匀形核,又称异质形核或非自发形核。 (6) 均匀形核 ① 晶核: 在过冷液体中并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核, 只有那 些尺寸等于或大于某一临界尺寸的晶胚才能稳定的存在, 并能自发地 长大。这种等于或大于临界尺寸地晶胚即为晶核。 ② 均匀形核: 在液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的, 这种 形核方式即为均匀形核。 ③ 结晶过程中系统能的变化为 4 ?G=- V?GV ? ?S ? ? ?r 3 ?GV ? 4?r 2? 3 其中,?GV 为液固两相单位体积能差,? 为单位面积的表面能。 ④ 临界晶核半径:当 r = rK 时,晶胚既可能消失,也可能长大成为稳定 的晶核,因此把半径为 rK 的晶胚称为临界晶核,rK 称为临界晶核半 径,如图 1-3 所示。 rK ? 2?Tm 2? , ? ?GV Lm ?T 其中, Tm 为理论结晶温度, Lm 为熔化潜热。 不得用于商业用途 仅供个人参考 图 1-3 临界晶核半径 ⑤ 形核功 a、 定义:形成临界晶核时,体积能的下降只补偿了表面能的 2/3,还有 1/3 的表面能没有得到补偿,需要另外供给,即需要对 形核作功,称之为形核功,记为 ?G K ,其表达式如下: 2 16?? 3 Tm 1 1 1 2 ?GK ? 4?rK ? ? S K ?= 3 3 3Lm ?T 2 其中, S K 为临界晶核的表面积。 b、 形核功的能量来源:在液态金属中存在着结构起伏和能量起伏。 ⑥ 形核率 a、 定义:形核率是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目, 以 N 表示,单位为 cm 3?s 1。 - - b、 影响形核率的两个因素:一是随着过冷度的增加,晶核的临界半 径和形核功都随之减小,结果使晶核易于形成,形核率增加;二 是取决于原子的扩散能力,温度越高(过冷度越小) ,则原子的 扩散能力越大,形核率越高。二者综合作用的结果是在形核率的 曲线上出现了极大值,开始时形核率随过冷度的增加而增大,当 超过极大值之后,形核率又随过冷度的增加而减小,当过冷度非 常大时,形核率接近于零,如图 1-4 所示。 图 1-4 形核率与温度及过冷度的关系 不得用于商业用途 仅供个人参考 (7) 非均匀形核 ① 定义: 在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点, 并且液态金 属在凝固时还要和型壁相接触, 于是晶核就可以优先依附于这些现成 的固体表面上形成,这种形核方式就均匀形核,或称异质形核、 非自发形核。 ② 影响非均匀形核的形核率的因素 a、 过冷度的影响 由于非均匀形核所需的形核功很小, 因此, 在很小的过冷条件下 其形核率就很大。 另外, 由于非均匀形核取决于适当的夹杂物质点的 存在,因此,其形核率可能越过最大值,并在高的过冷度处中断。 b、 固体杂质结构的影响 非均匀形核的形核功与接触角θ 有关,θ 角越小,形核功越小, 形核率越高。 c、 固体杂质形貌的影响 固体杂质表面的形状各种各样, 其基面具有不同的形核率, 在曲 率半径、接触角相同的情况下,晶核体积随界面曲率的不同而改变。 凹曲面的形核效能最高, 因为较小体积的晶胚便可以达到临界晶核半 径, 平面居中, 凸曲面的效能最低。 因此, 对于相同的固体杂质颗粒, 若其表面曲率不同, 它的催化作用也不同, 在凹曲面上形核所需过冷 度比在平面、凸面上的形核所需的过冷度都要小。 d、 过热度的影响 过热度是指金属熔点与液态金属温度之差。 当过热度较大时, 有 些质点的表面状态改变了, 凹曲面变为平面, 使非均匀形核的核心数 目减少;当过热度很大时,将使固态杂质质点全部熔化,这就使非均 匀形核转变为均匀形核,形核率大大降低。 e、 其它影响因素 一些物理因素对形核率也有影响,如振动、搅拌等,一方面可使 正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心, 另一方面又可使受振动的液体 金属中的晶核提前形成。 (8) 金属的结晶形核有以下要点: ① 液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行,液态金属的过冷度必须大于 临界过冷度,晶胚尺寸必须大于临界晶核半径 rK。前者提供形核的驱动 力,后者是形核的热力学条件所要求的。 ② 不得用于商业用途 rK 值大小与晶核的表面能成正比,与过冷度成反比。过冷度越大,则 rK 仅供个人参考 值越小,形核率越大,但是,形核率有一极大值。如果表面能越大,形 核所需的过冷度也应越大。凡是能降低表面能的办法都能促进形核。 ③ 均匀形核既需要结构起伏,也需要能量起伏,二者皆是液体本身存在的 自然现象。 ④ 晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程,因此,结晶必须在一定的温度 下进行。 ⑤ 在工业生产上,液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。 3 晶核长大 (1)晶体长大的条件 晶体的长大从宏观上来看, 是晶体的界面向液相中的逐步推移过程; 从微观上看, 则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上, 并按晶体点阵规律要求, 逐个占据 适当的而与晶体稳定牢靠地结合起来的过程。由此可见,晶体长大的条件是: 第一要求液相能继续不断地向晶体扩散供应原子,这就要求液相有足够高的温度, 以使液态金属原子具有足够的扩散能力; 第二要求晶体表面能够不断而牢靠地接纳 这些原子, 但是晶体表面上任意地点接纳这些原子地难易程度不同, 晶体表面接纳 这些原子的多少与晶体的表面结构有关, 并应符合结晶过程的热力学条件, 这 就意味着晶体长大时的体积能的降低应大于晶体表面能的增加, 因此, 晶体的 长大必须在过冷的液体中进行,只不过它所需的过冷度远比形核时小得多而已。 (2)决定晶体长大方式和长大速度的主要因素 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构和界面附近的温 度分布状况, 潜热的及逸散条件。 这两者的结合, 就决定了晶体长大后的形态。 (3)晶体的长大机制 ①二维晶核长大机制 当固液界面为光滑界面时, 若液相原子单个的扩散迁移到界面上是很难形 成稳定状态的, 这是由于它所带来的表面能的增加, 远大于其体积能的降 低。这种情况下,晶体的长大只能依靠所谓的二维晶核方式,即依靠液相中的 结构起伏和能量起伏,使一定大小的原子集团差不多同时降落到光滑界面上, 形成具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团。根据热力学的分析, 这个原子集团带来的体积能的降低必须大于其表面能的增加, 它才能在光 滑界面上形成稳定状态。二维晶核形成后,它的四周就出现了台阶,后迁移来 的液相原子一个个填充到这些台阶处, 这样所增加的表面能较小。 直到整个铺 满一层原子后,便又变成了光滑界面,而后又需要新的二维晶核的形成,否则 不得用于商业用途 仅供个人参考 成长即告中断。晶体以这种方式长大时,其长大速度十分缓慢。 ② 螺型位错长大机制 螺型位错在晶体表面露头处,即在晶体表面形成台阶,这样,液相原子一 个个地堆砌到这些台阶处, 新增加的表面能很小, 完全可以被体积能的降 低所补偿。每铺一排原子,台阶即向前移动一个原子间距,所以,台阶各处沿 着晶体表面向前移动的线速度相等。 ③ 垂直长大机制 在粗糙界面上, 从液相中扩散来的原子很容易填入这些, 与晶体连接 起来, 由于这些接待原子的能力是等效的, 在粗糙界面上的所有都是 生长,所以液相原子可以连续、垂直地向界面添加,界面的性质永远不会 改变,从而使界面迅速地向液相推移。这种长大方式称为垂直长大,它的长大 速度很快,大部分金属晶体以这种方式长大。 a) i. 晶体长大的要点如下 具有粗糙界面的金属,其长大机理为垂直长大,长大速度大,所 需过冷度小。 ii. 具有光滑界面的金属化合物、 亚金属或非金属等, 其长大机理可 能有两种方式, 其一为二维晶核长大方式, 其二为螺型位错长大 方式,它们的长大速度都很慢,所需的过冷度较小。 iii. 晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构 有关, 在正的温度梯度下长大时, 光滑界面的一些小晶面互成一 定角度,呈锯齿状;粗糙界面的形态为平行于 Tm 等温面的平直 界面,呈平面长大方式。在负的温度梯度下长大时,一般金属和 亚金属的界面都呈树枝状, 只有那些α 值较高的物质仍然保持着 光滑界面形态。 ④ 金属结晶过程中的生长形态 a) 正温度梯度: dT >0 dx 生长过程的特点: i. 相变潜热只能通过固相单向散失, 界面向液体内推进的速度受固 体散热控制。 ii. dT >0 ,在 S/L 界面处的任何凸起都不会很快长大 dx 故结晶过程的生长形态为: 光滑界面:保持台阶状长大(或小平面长大) ,其生长的形态呈台阶状。 粗糙界面:为垂直长大,其 S/L 界面的生长形态呈平面状。 不得用于商业用途 仅供个人参考 b) 负温度梯度: dT <0 dx 生长过程的特点: i. 相变潜热可通过固相和液相两个方向散失, 其 S/L 界面移动的速 度不受散热所控制。 ii. dT <0 ,在 S/L 界面处的任何一个凸起,其前沿随着Δ T 的增 dx 大,使生长速度随之加快,所以任何凸起均会迅速长大。 故结晶过程的生长形态为: 光滑界面: a、 如果Δ T 较大, 其 S/L 界面的生长形态则为带有小平面的树枝状。 b、 如果Δ T 较小,其 S/L 界面的生长形态则为小平面长大,呈台阶 状。 粗糙界面:为垂直长大,其 S/L 界面的生长形态呈树枝状长大。 三、合金的概念 1 合金的定义 所谓合金是指两种或两种以上的金属,或金属与非金属,经或烧结、或用其它方法 组合而成的具有金属特性的物质。 2 合金的组元 组成合金最基本的、的物质叫做组元,或简称元。一般说来,组元就是组成合金的 元素,但也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金,由三个组元组成的 合金称为三元合金,由三个以上组元组成的合金称为多元合金。 3 合金的相 (1) 定义 相是指合金中结构相同、 成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 由一种固 相组成的合金称为单相合金,由集中不同固相组成的合金称为多相合金。 (2) 分类 不同的相具有不同的晶体结构,根据相的晶体结构特点可以将其分为两大类。 ① 固溶体: 不得用于商业用途 仅供个人参考 合金的组元之间以不同的比例相互混合, 混合后形成的固相的晶体结构与组元 合金的某一组元的相同,这种相就称为固溶体。这种组元称为溶剂,其它的组元即 为溶质。按溶质原子在晶格中所占的分为:置换固溶体、间隙固溶体。 ② 金属化合物 在合金系中,组元间发生相互作用,除彼此形成固溶体外,还可能形成一种具 有金属性能的新相, 即为金属化合物。 金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性 质,而与各组元的晶体结构和性质不同,一般可以用式来大致表示其组成。常 见的金属化合物:正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物。 (3) 影响相结构的因素 ① 负电性因素 负电性因素是指组成合金的组元原子, 吸引电子形成负离子的倾向。 越容易吸 引电子形成负离子的元素,则其负电性越强。组元间的负电性相差越小,则越容易 形成固溶体;组元间的负电性相差越大,则越不容易形成固溶体,而易于形成金属 化合物相。 ② 原子尺寸因素 原子尺寸因素一般用组元间原子半径之差与其中一组元的原子半径之比表示, 若 rA、rB 分别为 A、B 两组元的原子半径,则 ?r ? rA ? rB 表示原子尺寸因素的大 rA 小。当组元的负电性相差不大时,则 ?r 越小,越容易形成固溶体,否则,将增加 形成化合物的倾向性。 ③ 电子浓度因素 电子浓度是指合金晶体中的价电子数与其原子数之比,可用下式表示: c电子= VA (100 ? r ) ? VB r 100 式中,V A 、VB 分别为溶剂和溶质的原子价, r 为溶质 B 的物质的量比。当电 子浓度越小,则形成固溶体的倾向越大,电子浓度增大,则固溶体将变得不稳定, 形成化合物的倾向增大。 四、铁碳相图 铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具, 了解与掌握铁碳合金相图, 对于钢铁材料的 研究和使用,各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面有很重要的指导意义。 不得用于商业用途 仅供个人参考 1 铁碳合金的组元及基本相 (1) 纯铁 ① 铁的同素异晶转变 ? ? Fe ? ? ? Fe ? ? ? Fe ? b .c .c ? A4转变 1394℃ 912℃ ? f .c .c ? A3转变 ? b .c .c ? ② 铁素体与奥氏体 a、 铁素体是碳溶于α 铁中的间隙固溶体,为体心立方晶格,常用符号为 F 或α 。 b、 奥氏体是碳溶于γ 铁中的间隙固溶体,为面心立方晶格,常用符号 A 或γ 表示。 c、 碳溶于体心立方晶格δ —Fe 中的间隙固溶体,称为δ 铁素体。 (2) 渗碳体 渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物 Fe3C,含碳量 wc=6.69%,可以用符号 Cm 表示,是铁碳相图中的重要基本相。 2 Fe-Fe3C 相图分析 图 1-5 为铁-渗碳体的相图。 图 1-5 铁-渗碳体相图 (1)合金的基本组织——铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体(其中铁素 体、奥氏体、渗碳体在上一节已经做了介绍) ① 珠光体是 Fe-Fe3C 相图上的共析转变产物,是在 727℃恒温下,由 wc= 0.77%的奥氏体转变为 wc=0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物,用 不得用于商业用途 仅供个人参考 符号 P 表示。 ② 莱氏体是 Fe-Fe3C 相图上的共晶转变产物,是在 1148℃恒温下,由 wc= 4.3%的液相转变为 wc=2.11%的奥氏体和渗碳体组成的混合物,用符号 Ld 表示。 (2)相图中的点、线)点 相图中各特性点的温度、碳浓度 2) ABCD——液相线; AHJECF——固相线; MO——铁素体的磁性转变线℃虚线为渗碳体的磁性转变线; HJB——包晶转变线;ECF——共晶转变线; PSK——共析转变线) 单相区 ABCD 以上——液相区(L) ; AHNA——δ 固溶体区(δ ) ; NJESGN——奥氏体区(γ 或 A) ; GPQG——铁素体区(α 或 F) ; DFKL——渗碳体区(Fe3C 或 Cm) 。 双相区 L+δ 、L+γ 、L+Fe3C、δ +γ 、γ +α 、γ +Fe3C、α +Fe3C 3 铁碳合金的结晶过程(图 1-6) (1)工业纯铁:wc<0.0218%,其室温组织为α +Fe3CⅢ 相变过程:L → L+δ →δ →δ +γ → γ →γ +α →α → α +Fe3C (L→δ ) (δ →γ ) (γ →α ) (α →Fe3CⅢ) (2)共析钢:wc=0.77%,其室温组织为 P 相变过程:L→ L+γ →γ → γ +α +Fe3C → α +Fe3C (γ 0.77→P) (L→γ ) (α →Fe3CⅢ) (3)亚共析钢:wc=0.0218~0.77%,其室温组织为α +Fe3CⅢ+P 相变过程:L→ L+δ → L+δ +γ → δ +γ →γ → γ +α 不得用于商业用途 仅供个人参考 (L→δ ) (L+δ →γ ) (δ →γ ) → γ +α +Fe3C (γ 0.77→P) (γ →α ) → α +Fe3C (α →Fe3CⅢ) (4)过共析钢:wc=0.77~2.11%,其室温组织为 P+Fe3CⅡ 相变过程:L→ L+γ →γ →γ +Fe3C→γ +α +Fe3C→α +Fe3C (L→γ ) a) (γ →Fe3CⅡ) (γ 0.77→P) (α →Fe3CⅡ) 共晶白口铁:wc=4.3%,其室温组织为 Ld’=P+Fe3C 共晶+Fe3C Ⅱ 相变过程:L → L+γ +Fe3C (L4.3→γ 2.11+ → γ +Fe3C → γ +α +Fe3C (γ 0.77→P) Fe3C6.69) (γ →Fe3CⅡ) → α +Fe3C (α →Fe3CⅢ) b) 亚共晶白口铁:wc=2.11~4.3%,其室温组织为 P+Fe3CⅡ+Ld’ → L+γ +Fe3C (L4.3→γ 2.11+ 相变过程:L → L+γ (L→γ ) → γ +Fe3C Fe3C6.69) (γ →Fe3CⅡ) → γ +α +Fe3C → α +Fe3C (γ c) 0.77→P) (α →Fe3CⅢ) 过共晶白口铁:wc=4.3~6.69%,其室温组织为 Ld’+ Fe3CⅠ → γ +Fe3C Fe3C6.69) (γ →Fe3CⅡ) 相变过程:L → L+Fe3C → L +γ +Fe3C (L→Fe3CⅠ) (L4.3→γ 2.11+ → γ +α +Fe3C → α +Fe3C (γ 0.77→P) (α →Fe3CⅢ) 不得用于商业用途 仅供个人参考 图 1-6 各种铁合金的结晶过程 五、热处理基础知识 热处理时将钢在固态下加热到预定的温度, 并在该温度下保持一段时间, 然后以一定的 速度冷却下来的一种热加工工艺。其目的时改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能。恰当 的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷,细化晶粒、消除偏析、降 低内应力,使钢的组织和性能更加均匀。 1 钢在加热时的转变(加热奥氏体化) (1) 奥氏体形成的热力学条件 A 形成必须有一定的过热度,即△G<0 (2) 奥氏体的组织、结构和性能 ①奥氏体组织 a、 A 是多边形的等轴晶粒,晶粒内有孪晶。 b、 奥氏体晶粒内孪晶的形成原因:一是由于新旧相比容不同,在新旧相界面 处有应力存在,使奥氏体变形;二是碳原子和合金元素原子渗入,产生晶 格畸变。故在高温下容易再结晶,造成原子的重排。 ②奥氏体晶体的结构 奥氏体是碳原子在γ -Fe 中的间隙固溶体,且呈面心立方结构,碳原子处 于偏八面体的中心,偏八面体最大半径 r 八=0.52 埃,而 rc=0.77 埃,由于 rc>r 八,所以当碳原子溶入八面体间隙中时,使晶格发生畸变,从而使得其 最大溶碳量为 2.11%,而不是理论的 20%。 ③奥氏体的性能 a、奥氏体的物能:顺磁性、比容小(致密度大) 、线膨胀系数大、导热性 差。 b、奥氏体的机械性能:强度低、硬度低、塑性好、易成型。 (3) 奥氏体的形成过程 奥氏体的形成分四个过程: ① 奥氏体的形核 将钢加热到 Ac1 以上某一温度保温时,珠光体处于不稳定状态,通常 首先在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核, 这是由于铁素体和渗碳 体相界面上碳浓度分布不均匀, 原子排列不规则, 易于产生浓度和结构起 伏区, 为奥氏体的形核创造了有利条件。 珠光体群边界也可成为奥氏体的 不得用于商业用途 仅供个人参考 形核部位。 在快速加热时, 由于过热度大, 也可在铁素体亚晶边界上成核。 ② 奥氏体的长大 奥氏体晶核形成以后即开始长大。 奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶 解、碳在奥氏体和铁素体中的扩散和铁素体继续向奥氏体转变而进行的。 ③ 剩余 Fe3C 的溶解 铁素体消失后, 在 t1 温度下继续保温或继续加热时, 随着碳在奥氏体 继续扩散,剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。 ④ 奥氏体的均匀化 当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后, 奥氏体内碳浓度仍是不均匀的, 原 来是渗碳体的地方碳浓度较高, 而原来是铁素体的地方碳浓度较低, 只有 经过长时间的保温或继续加热, 让碳原子进行充分地扩散才能获得成分均 匀的奥氏体。 (4) 影响奥氏体形成速度的因素 ① 加热温度和保温时间 随着奥氏体加热温度 T 的提高, A 的形成速度加快, 这是因为随着 T 的升高,奥氏体的形核率大大增加,同时奥氏体晶核的长大速度加快。在 较低温度下长时间加热和较高温度下短时间加热可以获得相同的奥氏体 状态。 ② 钢的原始含碳量 对于亚共析钢,随 C%的增加,奥氏体的形成速度增大。 原因: a、 C%↑,渗碳体和铁素体的相界面越多,形核率 N↑; A b、 C%↑,碳在奥氏体中的 D C ↑,原子扩散系数↑; c、 C%↑,界面越多,碳原子扩散距离↓,扩散越快。 ③ 原始组织 a、 原始组织越细小,界面↑,形核率 N↑,奥氏体的形成速度加快; b、 原始组织越细小,碳原子扩散的距离↓,奥氏体的形成速度加快; c、 原始组织越细小(或片层间距越小) ,奥氏体内碳原子的浓度梯度↑, 碳原子扩散速度增加,奥氏体的形成速度加快。 ④ 加热速度 v 加热速度 v↑,奥氏体的转变温度 T↑,奥氏体的形核率 N 和长大速 度 v 均增加,从而奥氏体的形成速度 v↑。 ⑤ 合金元素 Me a、 Me 影响临界点 不得用于商业用途 仅供个人参考 降低临界点的 Me,将提高过热度△T,从而使△G↑,从而加速了奥 氏体的形成速度。相反则降低其形成速度。 b、 Me 影响碳原子的扩散 A 加速碳原子扩散的 Me,使 D C ↑,从而加快了奥氏体的形成速度 v, 相反碳原子扩散的 Me 将降低奥氏体的形成速度 v。 c、 强碳化物形成元素,其碳化物很稳定,加热不易溶解,相当于延长了 奥氏体形成过程。 d、 在 Me 的均匀化过程中,若 Me 的直径↑,其扩散速度 v↓,也将延 长奥氏体的形成过程。 (5) 奥氏体晶粒的大小及影响因素 ① 三种晶粒度 a、 起始晶粒度:指奥氏体形成刚刚完成,或者奥氏体的晶界刚刚全 部相互接触的瞬间的晶粒大小。 b、 实际晶粒度:钢经过实际热处理加热条件下所获得的奥氏体晶粒 的大小。 c、 本质晶粒度:指在一定加热条件下加热时,奥氏体晶粒长大的倾 向。 ② 影响奥氏体 A 晶粒的因素 a、 加热温度 T 和保温时间 t 的影响 T↑,奥氏体的长大速度 v 呈指数↑,A 晶粒越粗大; t↑,A 晶粒越粗大。 b、 加热速度 v 的快慢 加热速度 v↑,奥氏体的转变温度 T↑,奥氏体的形核率 N↑, 同时奥氏体的长大速度 v↑,故快速加热,短时保温可以获得细小的 A 晶粒。 c、 含碳量 C%的影响 在一定温度下,随着 C%↑,A 晶粒(粗大)↑;当 C%超过一 定值时,随着随着 C%↑,A 晶粒(细小)↓。 d、 合金元素 Me 的影响 强碳化物形成元素强烈 A 晶粒长大;中碳化物形成元素中 等 A 晶粒长大;不形成碳化物元素不影响 A 晶粒长大。 e、 原始组织的影响 原始组织越细小,碳化物的分散度越高,界面越多,形核率 N ↑,起始晶粒度越小。 不得用于商业用途 仅供个人参考 2 过冷奥氏体的组织转变 (1)珠光体 P 转变 共析钢过冷奥氏体在 C-曲线 线之间较高温度范围内等温停留 时, 将发生珠光体转变, 形成含碳量和晶体结构相差悬殊并和母相奥氏体截然 不同的两个固态新相: 铁素体和渗碳体。 铁素体与渗碳体片层相间的机械混合 物即为珠光体。 因此, 奥氏体到珠光体的转变必然发生碳的重新分布和铁晶格 的改组。由于相变在较高温度下发生,铁、碳原子都能进行扩散,所以珠光体 转变是典型的扩散型相变。 ① P 形成的热力学条件:必须有一定的过冷度,△G<0。 ② P 等温转变的特点: f、 奥氏体向珠光体转变需要一定的孕育期; g、 随着转变温度 T↓,孕育期↓,超过一定温度后,随转变 T↓, 孕育期↑。 h、 随着转变时间 t↑,转变速度 v↑,整个 P 统计增量,当 P 达到 50%时,其转变速度 v 最快。 i、 亚共析钢或过共析钢在发生珠光体转变之前有先共析相析出。 (2)马氏体 M 转变 钢从奥氏体状态快速冷却, 在较低温度下发生的无扩散型相变叫做马氏体 转变。 ① M 形成的条件 j、 过冷奥氏体必须以大于临界淬火速度的速度冷却,以避免发生奥 氏体向珠光体和贝氏体转变。 k、 过冷奥氏体必须过冷到一定温度 Ms 点以下才能开始发生马氏体 转变。 ② M 转变的特点 l、 马氏体转变的无扩散性; m、 马氏体转变的切变共格性; n、 马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面; o、 马氏体转变是在一个温度范围内进行的; p、 马氏体转变的可逆性。 ③ M 转变过程中的特点 a、 M 转变量只决定于成核率,与长大速度无关; b、 M 转变量主要决定于新 M 片的生成,不决定于原 M 的长大; 不得用于商业用途 仅供个人参考 c、 M 转变量的增加只决定于冷到温度 T,与时间无关; d、 M 转变不能进行到底,总会有奥氏体存在; e、 可以认为 M 转变热学性质的转变。 (3)贝氏体 B 转变 钢在珠光体转变温度以下、 马氏体转变温度以上的温度范围内, 过冷奥氏 体将发生贝氏体转变, 又称中温转变。 贝氏体转变具有珠光体转变和马氏体转 变某些共同的特点,又有某些区别于它们的独特之处。同珠光体转变相似,贝 氏体也是由铁素体和碳化物组成的机械混合物, 在转变过程中发生碳在铁素体 中的扩散。 但是贝氏体转变特征和组织形态又和珠光体不同。 和马氏体转变一 样, 奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变的方式进行的。 新相铁素体和母相 奥氏体保持一定的位向关系。但贝氏体是两相组织,通过碳原子扩散,可以发 生碳化物沉淀。因此,贝氏体转变是有扩散、有共格的转变。 ① B 形成的条件 过冷奥氏体必须过冷到一定温度 Bs 点以下才能开始发生贝氏体转 变。 ② B 转变的特点 f、 贝氏体转变是一个形核与长大的过程; g、 贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机构进行的; h、 贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关。 3 常见热处理工艺 (1)淬火 ① 定义:将钢加热至临界点 Ac3 或 Ac1 以上一定温度,保温以后以大于临界 冷却速度的速度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺。 ② 目的:淬火可以显著提高钢的抗拉强度和硬度。 ③ 分类:单一淬火法、双液淬火法、喷射淬火法、分级淬火法、等温淬火。 ④ 淬透性:钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时得到马氏体的能力, 其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层的深度表示。 (2)回火 ① 定义:将淬火钢在 A1 以下温度加热,使其转变为稳定的回火组织,并 以适当方式冷却到室温的工艺过程。 ② 目的:减少或消除淬火应力,相应的组织转变,提高钢的韧性和 不得用于商业用途 仅供个人参考 塑性,获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合,以满足各种用途工 件的性能要求。 ⑤ 类: a、 低温回火:温度约为 150~250℃,回火组织为回火马氏体。 b、 中温回火:温度在 350~500℃,回火组织为回火屈氏体。 c、 高温回火:温度约为 500~650℃,回火组织为回火索氏体。淬火 和随后的高温回火叫做调质处理。 (3)退火 ① 定义:将钢加热至临界点 Ac1 以上或以下温度,保温以后随炉缓慢冷 却以获得近乎平衡状态组织的热处理工艺。 ② 目的:均匀钢的化学成分及组织,细化晶粒,调整硬度,消除内应力 和加工硬化,改善钢的成形及切削加工性能,并为淬火作好组织准备。 ③ 分类:完全退火、扩散退火、不完全退火、球化退火。 (4)正火 ① 定义:将钢加热到 Ac3(或 Acm)以上适当温度,保温以后在空气总 中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。 ② 目的:正火可以作为预备热处理,为机械加工提供适宜的硬度,又能 细化晶粒、消除应力、消除魏氏组织和带状组织,为最终热处理提供合适 的组织状态。正火还可以作为最终热处理,为某些受力较小、性能要求不 高的碳素钢结构零件提供合适的机械性能。 正火还可以消除过共析钢的网 状碳化物, 为球化退火作好组织准备。 对于大型工件及形状复杂或截面变 化剧烈的工件,用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂。 ③ 应用: d、 改善钢的切削加工性能; e、 消除热加工缺陷; f、 消除过共析钢的网状碳化物,便于球化退火; g、 提高普通结构零件的机械性能。 六、金属的力学性能 金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力)作用下或载荷与(温度、介质和 加载速率)联合作用下所表现的行为。 金属的力学性能包括:强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口性等性能。在这里 介绍以下几种主要性能指标。 不得用于商业用途 仅供个人参考 1、抗拉强度:是指拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力,其值等于最 大力除以试样原始横截面积 ? b= Fb A0 2、断后延伸率:是指试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比,用 ? 表示 ?= L1-L 0 ? 100 % L0 式中 L0——试样原始标距长度; L1——试样断裂后的标距长度。 3、冲击韧性:是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准 试样的冲击吸收功 AK 表示。 4、硬度:是表征金属材料软硬程度的一种性能。其物理意义随试验方法不同而不同。 不得用于商业用途 仅供个人参考 第一章 金属学及热处理基础知识.............................. 错误!未定义。 一、金属的基本结构............................................................................. 错误!未定义。 1、金属的原子结构及原子的结合方式 ....................................... 错误!未定义。 2、金属的晶体结构 ....................................................................... 错误!未定义。 3、实际金属的晶体结构 ............................................................... 错误!未定义。 二、金属的结晶基本过程 ..................................................................... 错误!未定义。 1 金属结晶的条件 .......................................................................... 错误!未定义。 2 晶核的形成.................................................................................. 错误!未定义。 3 晶核长大...................................................................................... 错误!未定义。 三、合金的概念..................................................................................... 错误!未定义。 1 合金的定义.................................................................................. 错误!未定义。 2 合金的组元.................................................................................. 错误!未定义。 3 合金的相...................................................................................... 错误!未定义。 四、铁碳相图......................................................................................... 错误!未定义。 1 铁碳合金的组元及基本相 .......................................................... 错误!未定义。 2 Fe-Fe3C 相图分析 ..................................................................... 错误!未定义。 3 铁碳合金的结晶过程(图 1-6) ............................................. 错误!未定义。 五、热处理基础知识............................................................................. 错误!未定义。 1 钢在加热时的转变(加热奥氏体化) ...................................... 错误!未定义。 2 过冷奥氏体的组织转变 .............................................................. 错误!未定义。 3 常见热处理工艺 .......................................................................... 错误!未定义。 六、金属的力学性能............................................................................. 错误!未定义。 不得用于商业用途 仅供个人参考 仅供个人用于学习、研究;不得用于商业用途。 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur für den pers?nlichen für Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l étude et la recherche uniquement à des fins personnelles; pas à des fins commerciales. только для людей, которые используются для обучения, исследований и не должны использоваться в коммерческих целях. 以下无正文 不得用于商业用途



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