金属材料与热处理(最全)

精品课程金属材料与热处理工程材料金属材料非金属材料黑色金属材料：钢和铸铁有色金属材料高分子材料铜及铜合金滑动轴承合金陶瓷材料复合材料铝及铝合金工程材料的分类当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。金属材料的性能使用性能加工工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等铸造性能：流动性、收缩性等锻造性能：压力加工成型性等切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等热处理性能：淬透性、回火稳定性等概述1.在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是由二组元及以上组元组成的多元系材料。多组元的加入，使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂，这为材料性能的多变性及其选择提供了可能。2.二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的工具，它已在金属、陶瓷，以及高分子材料中得到广泛的应用.3.在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的体系。第3章铁碳合金和铁碳相图本章课程目的要求通过讲授铁碳合金相图，使学生掌握：合金相图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。从中可以了解碳钢和铸铁的成分(含碳量)，组织和性能之间的关系。它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基础。铁碳合金和铁碳相图3.1铁碳合金中的组元和基本相3.2Fe-Fe3C相图3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织3.4铁碳合金的成分－组织－性能关系3.5铁碳相图在工业中的应用•工业纯铁：塑性较好，强度较低，具有铁磁性，在一般的机器制造中很少应用，常用的是铁碳合金•铁素体（F）：碳溶于-Fe中的一种间隙固溶体，体心立方晶体结构，组织和性能与工业纯铁相同•奥氏体（A）：碳溶于-Fe中的一种间隙固溶体，具有面心立方晶体结构，塑性好，变形抗力小，易于锻造成型铁碳合金中的组元和基本相渗碳体：铁和碳的金属化合物（即Fe3C）属于复杂结构的间隙化合物，硬而脆，强度很低，耐磨性好，是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可分解为铁和石墨珠光体（P）：铁素体和渗碳体的机械混合物，是两者呈层片相间的组织，即层片状组织特征，可以通过热处理得到另一种珠光体的组织形态五个单相区：ABCD以上-液相区（L）；AHNA-固溶体区（）；NJESGN-奥氏体区（A）；GPQ以上-铁素体区（F）；DFKL-渗碳体区（Fe-Fe3C）七个两相区（两相邻的单相区之间）：L+,L+A,L+Fe3C,+A,F+A,A+Fe3C,F+Fe3CFe-Fe3C相图恒温转变线包晶反应：HJB水平线LB＋H（1495°）AJ包晶反应仅可能在含碳量0.09～0.53％的铁碳合金中，其结果生成生成奥氏体共晶反应：ECF水平线Ae＋Fe3C（1148°）Lc共晶反应可在含碳量2.11～6.69％的铁碳合金中，形成奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，C点为共晶点，含碳量为4.3％,温度1148度共析反应：PSK线AsFp＋Fe3C（727°）所有含碳量超过0.0218％的铁碳合金均能发生共析反应。其结果形成铁素体和渗碳体的共析和渗碳体的共析混合物，称为珠光体（P）。根据杠杆定律可以求出铁素体和渗碳体的相对重量为：F（％）＝(6.69-0.77)÷6.69×100％＝88％Fe3C（％）＝1－88％＝12％主要转变线GS线－不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时）的转变线，常用A3表示ES线－碳在奥氏体中的固溶体。常用Acm表示，含碳量大于0.77％的铁碳合金，自1148°冷至727°从奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体PQ线－碳在铁素体中的固溶线，铁碳合金由727°冷却至室温时，将从铁素体析出渗碳体，称为三次渗碳体典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织LL+AAL+Fe3CA+Fe3CF+AF+Fe3CF1.纯铁(﹤0.0218%C）2.钢（0.0218%～2.11%C）亚共析钢（0.0218%～0.77%C）共析钢（0.77%C）过共析钢（0.77%C～2.11%C）过共晶白口（4.3%~6.69%C）共晶白口铁（4.3%C）亚共晶白口铁（2.11~4.3%C）3.白口铸铁（2.11%~6.69%C）LL+AAL+Fe3CA+Fe3CF+AF+Fe3CF3.3.1共析钢3.3.2亚共析钢3.3.3过共析钢3.3.4共晶白口铁3.3.5亚共晶白口铁3.3.6过共晶白口铁3.3.7工业纯铁F工业纯铁F+P亚共析钢P(片状)共析钢P（粒状）共析钢P+Fe3Cп过共析钢亚共晶白口铁P+Fe3Cп+Le´共晶白口铁Le´过共晶白口铁Le´+Fe3CI按组织分区的铁碳合金相图铁碳合金的成分－组织－性能关系1.亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加。其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度也升高，塑性、韧性不断下降。2.过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因因强度、硬度上升，而塑性、韧性值不断下降。但是，当钢中Wc﹥0.9％时，二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧性，则随着含碳量的增加而不断降低含碳量对力学性能的影响3.5铁碳相图在工业中的应用1、在选材方面的应用：根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。2、在铸造生产上的应用：参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注温度在液相线以上50－60℃。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。3、在锻压生产上的应用：锻扎温度控制在单相奥氏体区。4、在热处理生产上的应用：热处理工艺的加热温度依据铁碳相图确定。第4章金属及合金的塑性变形与再结晶4.1金属及合金的塑性变形4.2塑性变形对金属组织和性能的影响4.3金属与合金的回复与再结晶4.4金属的热加工金属及合金的塑性变形与再结晶金属与合金的塑性变形金属及合金变形的三个阶段三个阶段：σ≤σe:弹性变形阶段σs＜σ≤σb:（均匀）塑性变形阶段σ＞σb:不均匀塑性变形阶段（断裂阶段）力学性能指标：σe—弹性极限σs—屈服极限σb—强度极限断裂方式:根据塑变阶段长短分：脆性断裂，韧性断裂根据断裂路径分：沿晶断裂，穿晶断裂单晶体金属的塑性变形1）单晶体的塑变主要是通过滑移实现的•（1）滑移的概念•切应力作用下原子面之间相对错动一个原子间距•（2）滑移线和滑移带•滑移留下的痕迹•（3）滑移系•滑移面数与滑移方向数的乘积：•晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶向进行。•不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向是不同的:•BCC：是（110）111滑移系数6×2＝12•FCC:是（111）1104×3＝12HCP：是（0001）11201×3＝3•滑移系数目越多，晶体越容易变形•同滑移系数目，则滑移方向越多越容易变形(4)临界分切应力外力在滑移面上分切应力足够大时方能滑移τ=Fcosλ/(A/cosφ)=(F/A)cosλcosφ=σcosλcosφ仅当τ≥τ临才能产生滑移（5）滑移时的晶体转动（6）滑移是由位错运动造成的孪生在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。黄铜中的孪晶多晶体的塑性变形1）与单晶体塑变的异同同：都主要依靠滑移异：存在不同时性；需相互协调2）塑变过程：软取向的晶粒先滑移→晶界处位错塞积→产生应力集中→相邻晶粒滑移∴滑移系数目多越有利塑变3）晶粒细化：→强度↑，且塑韧性↑•晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形抗力增大。•晶粒小→晶界多→变形抗力大→强度，硬度↑（细晶强化）•晶粒小→变形分散，应力集中小→塑性↑，韧性↑•晶粒大小与屈服强度的关系：•σs=σi+kyd(-1/2)_____霍尔配奇公式合金的塑性变形1）单相固溶体合金：与纯金属相近，有固溶强化2）两相合金：(i)两相性能相近时:变形与多晶相似(ii)第二相硬而脆：除与相对量有关外，还与第二相形态及分布有关网状；层片状；颗粒状合金的塑性变形•1.单相固溶体的塑性变形：溶质原子的溶入导致晶格畸变，从而产生固容强化•2.两相合金的塑性变形：•1）脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度、塑性下降；（网状二次渗碳体）•2）脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强化（珠光体）；•3）脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合金强化。4.2塑性变形对金属组织和性能的影响对组织结构的影响1）组织：①晶粒变形，如图所示（→可能产生各向异性）2）亚结构：位错密度增加，形成位错胞（→加工硬化）②可能会产生变形织构（→各向异性）对内能的影响——产生残余内应力1）残余内应力的含义：2）残余内应力的形式：宏观内应力；微观内应力；晶格畸变能3）残余内应力对性能影响：①一般有害：变形、开裂、应力腐蚀②有利方面：畸变能→↑强度表面残留压应力→↑接触疲劳寿命对性能的影响1）加工硬化：利：①强化手段；②提高塑性成形性（冷拉）；③提高安全性弊：使进一步加工难（阻力大，开裂）2）各向异性：有利有弊3）物理、化学性能：电阻增加，耐蚀性下降金属与合金的回复与再结晶变形金属加热时的组织转变回复1）特征：温度低，光学显微组织未变化，亚结构发生了变化（位错、点缺陷密度降低，甚至出现亚晶界，三个阶段）2）性能：力性变化不明显（强硬度到高温回复阶段有所降低，但不大）内应力部分消除导电率升高再结晶1）特征：温度较回复更高（纯金属：TR≈0.4Tm），重新形核长大，无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒2）性能：强硬度显著降低，塑韧性显著提高（变形前水平），内应力完全消除。3）结晶驱动力：塑性变形贮存的能量4）再结晶温度：取决于材料、合金成分、变形度、加热速度等预变形度的影响晶粒长大机制：界面能降低是驱动力类型：均匀长大异常长大（二次再结晶）性能：强硬度进一步降低，塑韧性提高，但若严重粗化则降低控制：通过变形度、温度、时间的控制，防止过分长大回复退火与再结晶退火1）温度2）目的3）再结晶退火晶粒度的控制①加热温度和保温时间②冷变形度。一般：变形度↑→畸变能↑→细化不能太大或太小金属的热加工热加工的概念1）定义：再结晶温度是冷热加工的分界点热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程注意冷热的概念：W:1000℃,Sn:20℃2）现象：同时存在硬化和软化现象——动态硬化、动态软化,热加工因再结晶而及时消除了加工硬化.3）应用热加工对金属组织和性能的影响1）可改善铸态组织，提高机械性能：焊合气孔、疏松；碎化柱状晶和粗大碳化物；细化晶粒2）可能会出现纤维组织：夹杂物、第二相、偏析沿变形方向被拉长及分布，利弊。3）可能会出现带状组织热加工金属晶粒组织控制1）温度范围：始锻：固相线以下100-200℃终锻：0.6Tm以上2）变形量3）锻后冷却第5章钢的热处理热处理的概念5.1钢在加热时的转变5.2钢在冷却时的转变5.3钢的普通热处理5.4钢的表面热处理5.5钢的化学热处理钢的热处理把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。5.1钢在加热时的转变临界温度平衡时：A1、A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm冷却时：Ar1、Ar3、ArcmA1A3Acm1．奥氏体的形成——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、C的均匀化。亚（过）析钢的A化——P→A，首先是先共析F或Fe3CⅡ溶解。影响A转变速度的因素加热温度和速度↑→转变快C%↑或Fe3C片间距↓→界面多，形核多→转变快合金元素→A化速度↑或↓A晶粒度：起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度加热温度，保温时间↑→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓5.2钢在冷却时