金属材料知识

第一节金属一、金属的特性固态金属的特性主要表现在不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性，并随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独有的一个特点，而非金属与此相反。化学元素周期表中105种元素，其中83种为金属元素，在这其中有71种为天然元素，12种为人工方法获得。二、金属原子结构特点金属原子结构特点是最外层电子数很少，一般只有一、二个，且与原子核的结合力较弱，容易脱离原子核的束缚变成自由电子，而金属原子则变成正离子。钢中的Fe、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、W、Mo等为过渡族金属，其特点除上述外，在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。所以，过渡族金属原子不仅容易丢失最外层电子，也易丢失次外层的一、二个电子，即化合价可变现象（例如Fe3O4、FeO）。而过渡族金属原子互相结合时，不仅最外层电子参与结合，次外层电子也参与结合，所以其原子的结合力特别强，宏观上表现为其金属的熔点高、强度大。三、金属键金属原子间的结合键（使原子紧凑而规则地排列在一起）称为金属键。金属原子越靠近，相互作用越强，靠近到一定程度，相邻原子的最外电子层发生交叠，价电子的运动状态发生变化，原来单个原子中的每一个价电子能级，都分裂成许多个不连续的新能级，形成一个“能带”。这样一来，每个金属原子的价电子层都变成很宽的彼此交叠的能带，成为所有价电子的“公共通道”。每个原子的价电子不再只围绕自己的原子核转动，而是在所有原子之间运动，成为“公有化”的自由电子。价电子被公有化后的金属原子就成为正离子，而自由电子则好象一种气体充满其间，被称为“电子气”。带负电的自由电子与带正电的金属正离子之间产生静电吸引力，使金属原子结合在一起。这就是金属键的本质。图1-1给出了金属键的模型。在实际的固态金属中，并非所有的金属原子都变成了正离子，而是绝大部分处于正离子状态，还有小部分仍处于中性原子状态，并且金属原子的这种状态也是在不断地变化的。了解了金属键的本质，就可以比较深刻地理解固态金属的一些特性。（1）在外加电场作用下，固态金属中的自由电子能够沿电场方向加速运动，所以金属具有良好的导电性。典型铁碳合金的平衡结晶根据铁碳合金的含C量及组织不同，可分为三类。（1）纯铁（含C＜0.0218%）组织铁素体（2）钢（含C0.0218%~2.11%）高温组织为单相A，具有良好塑性，根据室温组织不同，分为三类：亚共析钢（含C＜0.77%﹚组织铁素体+珠光体共析钢（含C0.77%）组织珠光体过共析钢（含C＞0.77%）组织珠光体+渗碳体（3）白口铁（含C2.11~6.60%）结晶时都有共晶转变，有良好的铸造性能，根据室温组织不同，分为三类：亚共晶白口铁（含C＜4.3%＝组织珠光体+渗碳体+莱氏体共晶白口铁（含C4.3%）组织莱氏体共晶白口铁（含C＞4.3%）组织渗碳体+莱氏体珠光体组织特征为层片状的铁素体和渗碳体构成，铁素体数量多于渗碳体，故可说是在F基体上分布着片状渗碳体。含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响（1）含C量对组织的影响随着含C量的增加，组织中的Fe3C数量增加，且存在形式也发生变化，由分布在F基体内（作为P）变为分布在A晶界上（二次Fe3C），当形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现。（2）含C量对机械性能的影响Fe3C是强化相。如果基体是F，Fe3C数量越多，分布越均匀，材料强度就越高。但当这种又硬又脆的Fe3C相分布在晶界、特别作为基体时，材料的塑性和韧性就大大下降。含C量对机械性能的影响突出表现在对合金抗拉强度和冲击韧性的影响。含C量为0.0218~0.77%的亚共析钢，随着含C量的增加，P数量相应增加，钢的硬度、强度直线上升，而塑性指标（δ、ψ）和韧性相应降低。含C量为0.77%的共析钢，组织为片层状珠光体，具有较高的强度和适中的塑性，但韧性值较低。过共析钢，组织为珠光体+二次渗碳体，随着含C量的增加，Fe3C数量增加，并形成网状分布，其脆性增大。为保证铁碳合金具有适当的塑性和韧性，对碳素钢、普通低、中合金钢来说，其渗碳体相的数量不应过多，一般含C量不超过1.3%。钢的热处理热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中被广泛地应用着。钢的热处理工艺特点是：把钢在固态下加热到预定的温度，保温预定的的时间，然后以预定的方式冷却下来。通过这样一个工艺过程，使钢的性能发生预期的变化。热处理的目的在于改变钢的性能，即改善钢的工艺性能和提高钢的使用性能。例如，高速钢钻头，先经热处理，降低材料硬度，才能进行切削加工成钻头，后经热处理，提高钻头的硬度和耐磨性，才能使用钻削其它金属。前后热处理要求的性能不同。热处理改变钢的性能，是通过改变钢的组织来决定的。钢中组织转变的规律，就是热处理的原理。根据热处理原理制订的温度、时间、介质等参数，就是热处理工艺。第一节钢的临界温度从铁碳合金相图中知道，碳素钢在加热和冷却过程中，经过PSK（A1）线，发生珠光体向奥氏体的相互转变，经过GS（A3）线，发生铁素体向奥氏体的相互转变，经过ES（Acm）线，发生渗碳体向奥氏体的转变。所以任一含碳量的碳素钢，其在缓慢加热和冷却过程中固态组织转变的临界点，就是依据A1、A3和Acm线确定。共析钢仅有一个临界点A1，亚共析钢有两个临界点A1和A3点，过共析钢也有两个临界点A1和Acm点。A1、A3和Acm均为平衡临界点，实际转变过程不可能在平衡临界点进行，为示区别，将加热转变点以C表示，冷却转变点以r表示。开始转变AC1——加热时PA温度开始转变Ar1——冷却时AP温度全部转变AC3——加热时FA终了温度开始析出Ar3——冷却时AF温度全部溶入ACcm——加热时Fe3CⅡA终了温度开始析出Arcm——冷却时AFe3CⅡ温度各种钢的临界点可在热处理手册中查到。第二节钢在加热时的转变本节主要指加热到A1点以上时所发生的转变。热处理进行A1点以上加热的目的，就是为了得到奥氏体，通常把这种加热转变过程称为奥氏体化。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格，塑性很好，容易变形，在冷却时会发生不同的转变，形成不同的组织和性能。一般热处理时都要首先加热得到奥氏体，然后在一定的过冷度下形成所需的组织。一、共析钢的奥氏体过程共析钢在室温的平衡组织是单一的珠光体，加热到AC1点以上时全部转变为奥氏体。珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物，铁素体是基体相，具有体心立方晶格，含碳量极微（0.0218%），渗碳体为化合物，具有复杂斜方晶格，含碳量高（6.69%），珠光体的平均含碳量为0.77%。由于珠光体向奥氏体转变，是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相变成另一种晶格的单相均匀固溶体，因此，在转变过程必须进行碳原子和铁原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变。二、影响奥氏体化的因素奥氏体的形成是依靠原子的扩散，通过形核与长大过程进行的。凡影响这两个因素，都会影响奥氏体的形成速度，主要影响因素如下：1、加热温度和保温时间加热温度愈高，奥氏体形成速度越快，转变所需的时间越短。2、加热速度加热速度越快，转变开始温度AC1越高，终了温度也越高，转变时间越短。3、合金元素合金元素的加入不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程，但会使珠光体向奥氏体转变速度下降。4、原始组织原始组织愈细，相界面愈多，形成奥氏体晶核的位置就愈多，则转变速度愈快。三、非共析钢的奥氏体化过程非共析钢（亚或过共析钢）与共析钢的组织不同之处在于，除珠光体外还有一部分先共析相，亚共析钢中是自由的铁素体，过共析钢中是二次渗碳体。所以，奥氏体化要分两步来完成。第一步珠光体向奥氏体转变，第二步先共析相的奥氏体化，见图3-2所示。A1~A3以上加热铁素体向奥氏体转变，A1~Acm以上完成二次渗碳体的奥氏体化。第二节钢在冷却时的转变一、冷却条件对钢性能的影响冷却过程是钢的热处理的关键工序，决定着钢在冷却后的组织和性能。实际生产中冷却方式有连续冷却和等温冷却，在不同冷却速度下，奥氏体的过冷度不同，因而转变产物的组织和性能也不同。为了研究奥氏体的冷却转变规律，通常采用两种方法：一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体等温转变曲线”；另一种是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体连续冷却转变曲线”。二、过冷奥氏体等温转变曲线（C—曲线）奥氏体在临界点以上为稳定相，一但冷却到临界点以下，变成不稳定相，只能暂时存在于孕育期中，处于过冷状态，称为“过冷奥氏体”。过冷奥氏体迟早会转变成新的稳定相。在不同的过冷度下，奥氏体将会发生三种不同的转变，而且各个温度下的转变速度也不同，反映这些等温转变的曲线称为过冷奥氏体等温转变曲线。因该曲线形状象字母“C”，又称为“C—曲线”或“TTT曲线”。影响过冷奥氏体等温转变的因素凡是提高奥氏体稳定性，延长孕育期，转变将减慢，使C—曲线右移。凡是降低奥氏体稳定性，将加速转变，使C—曲线左移。（1）碳浓度共析成分的碳浓度的奥氏体最稳定，碳浓度离共析成分越远，奥氏体向珠光体转变越快。所以，共析钢的C—曲线“鼻子”最靠右，非共析钢的C—曲线“鼻子”都较靠左。对贝氏体转变随着奥氏体的碳浓度增大，贝氏体转变的孕育期延长，C—曲线的下半部分向右移动。随着碳浓度的增大，MS线逐渐降低，而A1点始终不变。（2）合金元素的影响因溶入的合金元素会使C曲线上下左右移动，如合金钢会出现两个“鼻子”的C—曲线，上面是珠光体的转变C—曲线，下面是贝氏体的转变C—曲线。在碳素钢中，这两个C—曲线恰巧上下重叠在一起，合成一个“鼻子”的C—曲线。（3）加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间愈长，奥氏体成分愈均匀，晶粒越粗大，使C—曲线右移，增大奥氏体的稳定性。过冷奥氏体转变产物的性能1、珠光体组织和性能珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物，根据共析渗碳体的形状，珠光体分为片状和粒状。根据渗碳体片层的厚度不同，又分为珠光体、索氏体（细珠光体）、屈氏体（极细珠光体）三种，三者实质是一种组织。珠光体的片层间距大小取决于奥氏体的过冷度，转变温度越低，过冷度越大，则珠光体的组织越细，层片间距越小。片状珠光体的性能也取决于片层间距。片层间距越小，珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好。因为珠光体的基体相是铁素体，很软，易变形，是依靠渗碳体片分散其中来强化的，这个强化是依靠渗碳体的相界面而非其高硬度。所以渗碳体片越薄，相界面越多，越易随铁素体一起变形而不脆裂，同时相界面积越大，强度越高。如冷拔钢丝具有索氏体组织才容易变形而不致拔断。总之，对于珠光体的组织和性能特点，主要掌握“过冷度—片层间距—性能”之间的关系。实际生产中，通过控制奥氏体的过冷度，来改变珠光体片层间距，从而控制性能，而奥氏体的过冷度改变，是通过改变冷却速度或等温温度来实现。2、马氏体的组织和性能当奥氏体的冷却速度大于VC，便过冷到MS以下，将发生马氏体转变形成马氏体组织。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格.马氏体晶格淬火钢中的马氏体，按金相形态分为片状马氏体和板条状马氏体。片状马氏体呈针片状或竹叶状，针叶之间互成一定角度。片状马氏体常出现在高碳钢淬火组织中，又叫高碳马氏体。板条状马氏体呈长条状，主要出现在低碳钢淬火组织中，又叫低碳马氏体。由于条状马氏体形成的温度较高，形成之后会立即发生不同程度的分解，称为“自回火”。条状马氏体的自回火是一种有利现象，它对于提高马氏体的强度和韧性，防止淬火变形和开裂都起着重要作用。马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳浓度。随着碳浓度的增大，马氏体的强度和硬度随之增高。片状马氏体的碳浓度高，其性能特点是硬度高而脆性大。条状马氏体因碳浓度低，再加上自回火，使其韧性相当好，所以条状马氏体的性能特点是具有高的强韧性。马氏体的转变特点是：（1）为无扩散型相变，即没有化学成分的变化，只有晶格改组。（2）形成速度极快。（3）变温转变，即随着温度的下降，马氏体量增多，至Mf点，马氏体转变结束。（4）转变的不完全性，存在残余奥氏体组织。（5）体积膨胀。马氏体的比容大于奥氏体的比容，所以当奥氏体向马氏体转