金属材料及热处理基础知识

金属材料及热处理基础知识•力学性能•晶体结构•金属材料的塑性变形•铁－碳平衡图•过冷奥氏体的转变•常用热处理工艺•碳钢•合金钢分类及用途•材料选用原则金属材料力学性能•静载单向静拉伸应力―应变曲线•材料的强度•塑性•刚度和弹性•硬度•冲击韧性•断裂韧性静载单向静拉伸应力―应变曲线1．I(oab)段―弹性变形阶段a:Pp，b:Pe（不产生永久变形的最大抗力）oa段：△L∝P直线阶段ab段：极微量塑性变形2．II(bcd)段―屈服变形c:屈服点Ps3．III(dB)段―均匀塑性变形B:Pb材料所能承受的最大载荷4．IV(BK)段―局部集中塑性变形颈缩低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：材料的强度――材料所能承受的极限应力.单位:MPa(N/mm2)σ=P/Fo表示材料抵抗变形和断裂的能力1．抗拉强度σb=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02a:σs=Ps/Fo（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）b:σ0.02条件屈服强度3．疲劳强度σ-1（80%的断裂由疲劳造成）疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。塑性1．延伸率Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关，d5,d10(Lo=5do,10do)2．断面收缩率y=△F/Fo=(Fo-Fk)/Fox100%d,y越大，塑性愈好d5%,脆性材料刚度和弹性1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Pp/Fo应力―应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Pe/Fo不产永久变形的最大抗力工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标1．布氏硬度适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB轻金属，未淬火钢②HRC较硬，淬硬钢制品③HRA硬、薄试件洛氏硬度维氏硬度维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。冲击韧性韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2)ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口呈金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。韧性与温度有关—脆性转变温度TK断裂韧性1．问题的提出低应力脆断――断裂力学2．应力场强度因子KI前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。3．断裂韧性对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，σy=KI就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC，失稳扩展。（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。晶体结构•理想晶体•面心立方晶体•体心立方晶体•密排六方晶体•点缺陷•线缺陷－位错•面缺陷－晶间•金属材料的塑性变形•冷塑性变形对金属组织性能的影响BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,a=b=g=90o2868%BCCa=b=c,a=b=g=90o41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120oa/261274%金属材料的塑性变形•单晶体的塑性变形——滑移和孪生•多晶体的塑性变形•冷塑性变形对金属组织性能的影响•塑性变形金属在加热时组织性能变化金属材料的塑性变形1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生（1）滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切应力τ。正应力作用使晶格发生弹性伸长；σ↓---伸长量↓，σ→O，变形恢复；σ↑---伸长量↑，σ＞原子间结合力时，拉断。正应力σ只能使晶体产生弹性变形和断裂，不能使晶体产生塑性变形。切应力作用使晶格发生弹性歪扭；τ＜τc（临界切应力），τ↓----变形量↓，τ→O，变形恢复；τ＞τc，发生滑移，产生永久塑性变形。滑移与位错滑移的实现→借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值＞＞实测值）位错产生→滑移→塑性变形·位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面→一个原子间距的滑移台阶→塑性变形·滑移线（晶体表面的滑移台阶）→滑移带（大量滑移线）·滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC。金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。b.滑移时晶体的转动①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。（2）孪生晶体的一切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。→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。（3）滑移和孪生：1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生→ⅰ.FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生。→ⅱ.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。→ⅲ.HCP金属较容易发生孪生。3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化。孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％）→孪生变形引起的晶格畸变大。2、多晶体的塑性变形（1）影响多晶体塑性变形的因素1.晶粒位向：晶粒位向不一致2.晶界：ⅰ.滑移的主要障碍：晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大→变形抗力大。ⅱ.协调变形：晶界自身变形→处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。（2）细晶强化Hall-Pitch关系：σs=σ0+Kyd-1/2晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高。冷塑性变形对金属组织性能的影响1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降——加工硬化塑性变形→位错开动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→弹度↑、硬度↑、塑性、韧性↓位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑意义1）一种强化手段2）冷加工成形得以顺利进行3）具有过载能力，使用安全4）↓塑性，↑切削性能不利：塑性变形困难→中间退火→消除2．纤维组织晶粒拉长，纤维组织→各同异性3．残余内应力第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均第三类内应力——超微观，晶粒畸变1．回复D较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退大。2．再结晶1）新的形核一长大过程，无新相生成加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化→等轴晶粒，强度大大下降再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K)2）影响再结晶晶粒度的因素①温度T↑—D↑—↑晶界迁移—长大↑②预变形度3．晶粒长大三、塑性变形金属在加热时组织性能变化铁碳合金•Fe-Fe3C平衡相图•铁素体、奥氏体、渗碳体•纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程•共析钢的奥氏体化过程•奥氏体晶粒度•过冷奥氏体的等温转变•过冷奥氏体的连续冷却转变铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。普通碳钢和铸铁均属于铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。因此，铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先从研究铁碳合金开始，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金成分、组织结构与性能之间的关系。纯铁及其同素异构转变大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化，但也有一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构(晶)转变。铁素体碳溶解于a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”，以符号F表示。由于a-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，因而碳在a-Fe中的溶解度很小，最大的溶解度为0.02％（727℃）。随着温度下降溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量仅为0.0008％。这是因为在a-Fe中容纳碳原子的空隙半径很小，通常情况下，a-Fe中晶格的最大空隙半径为0.36A，而碳原子半径为0.77A。因此碳原子不可能处于晶格的空隙中，而是存在于a-Fe晶格的缺陷处（如位错、晶界、空位等）。所以铁素体含碳量很低，它的显微组织是由网络状的多面体晶粒组成，它的性能几乎与纯铁相同，即强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。奥氏体碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格它的致密度虽然高于体心立方晶格的a-Fe，但由于其晶格间隙的直径要比a-Fe大，故溶碳能力也较大。在1148℃时溶碳量最大可达2.11％，碳通常填充在γ-Fe中的八面体间隙中。随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为Wc=0.77％。奥氏体只存在于727℃以上的高温范围内。因此加热到高温时可以得到单一的A组织。由于A是易产生滑移的面心立方晶格，奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。奥氏体为非铁磁性相。渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体含碳6.69％；熔点为1227℃；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；硬度很高，能轻易地刻划玻璃，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。在室温平衡状态下，铁碳合金（钢）中的碳大多以渗碳体形式