金属材料的组织结构与性能分析

金属材料的组织结构与性能分析——ClarkWuA10145062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3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a4低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l05一、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。）（MPatgEe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。6二、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。s0.27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：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象8•说明：•①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。•②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•③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？9三、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)。10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。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。11TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关12Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板13四、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。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图14通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，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。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）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)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计16•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)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度•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。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计•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。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕•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。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计22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a231、铁碳合金的组织组分（1）铁素体(α或F)：是C溶于α-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(α+Fe3CⅢ)，晶粒因位相不同而呈现不同的颜色。一、铁碳合金概述a24（2）奥氏体(γ或A)：C溶解于γ-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）2021/2/1a25（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。a26（4）珠光体(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(α+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。2021/2/1a27（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:γ+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+Fe3CⅡ，称为低温莱氏体(L’d),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。a28（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：Wc0.0218%的铁碳合金钢：Wc=0.0218～2.11%之间的铁碳合金，分为：亚共析钢：Wc=0.0218～0.77%共析钢：Wc=0.77%过共析钢：Wc=0.77～2.11%白口铸铁：含碳量Wc2.11%的铁碳合金，分为：亚共晶白口铸铁：Wc＝2.11～4.30%共晶白口铸铁：Wc＝4.30%过共晶白口铸铁：Wc＝4.31～6.69%2、铁碳合金分类a302、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(α+Fe3C)，常呈层片状。下图为共析钢退火后的室温组织(500×)。a31（2）亚共析钢的平衡组织亚共析钢是Wc=0.0218～0.77%的铁碳合金，其室温组织是由铁素体和珠光体组成，即α+P(α+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α，层片状的是P。a32（3）过共析钢的平衡组织过共析钢是Wc=0.77～2.11%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+Fe3CⅡ，Fe3CⅡ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α，层片状是P。a333、铸铁的平衡组织（1）共晶白口铸铁平衡组织共晶白口铸铁是Wc＝4.30%的铁碳合金，高温有莱氏体组成，即Ld(γ+Fe3C)。室温由低温莱氏体组成，即L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C)，左图(200×)，绿色是P，黄色是Fe3C。a34（2）亚共晶白口铸铁的平衡组织亚共晶白口铸铁是Wc＝2.11～4.30%的铁碳合金，其室温组织由珠光体和低温莱氏体组成，即(P+L’d)，右图为其室温组织，黑色椭圆是珠光体，其余为莱氏体。a35（3）过共晶白口铸铁的平衡组织过共晶白口铸铁是Wc＝4.3～6.69%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(Fe3CⅠ+L’d)，左下图(200×)中黄色的为Fe3CⅠ，低温莱氏体由绿色的P和棕黄色的Fe3C组成。a362、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。a37（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。a38（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呈黄红且有小蝶状。a39(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a40(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℃等温淬火得到的上贝氏体组织的OM和TEM照片。a41（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ε-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。a42（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18Mn2CrMoBA的粒状贝氏体组织。a43七钢的热处理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。a442、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Fe3C片层更薄，性能与退火相近退火指的是将金属缓