工程材料与热处理课件

书名：工程材料与热处理 ISBN： 978-7-111-25734-9 作者：黄晓明 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件,工程材料与热处理 ppt 课件,第二章 金属学及热处理基础,工程材料与热处理 ppt 课件,2.1 金属的结构与结晶 一、金属晶体结构 1、晶体和非晶体 固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。 非晶体 原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。 晶体 原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属等。,工程材料与热处理 ppt 课件,晶体中原子在空间是按一定规律堆砌排列的。,晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。,2金属晶体的结构,工程材料与热处理 ppt 课件,结点 晶格中每个点叫结点。,晶胞 晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。,结点,晶胞,工程材料与热处理 ppt 课件,晶格常数 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用来度量（1 =10-8cm）。晶格常数a=b=c，而=90o的晶胞为简单立方晶胞 。,金属的种类很多，而且它们的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的有三种晶格类型： 体心立方结构; 面心立方结构; 密排六方结构,工程材料与热处理 ppt 课件,最常见的晶格类型,1、体心立方晶格,a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。 b）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。 c）致密度0.68,属于这类晶格的金属有：-Fe、Cr、V、W、Mo等。,2、面心立方晶格,a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。 b）每个体心立方晶胞中仅包含4个原子。 c）致密度0.74,属于这类晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Pb等。,3、密排六方晶格,a）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。 b）每个密排六方晶胞中包含6个原子。 c）致密度0.74,属于这类晶格的金属有：Mg、Zn等。,工程材料与热处理 ppt 课件,晶格致密度,三种晶格中原子排列的紧密程度：面心立方和密排六方晶格致密度均为0.74；体心立方晶格的致密度为0.68。,体心立方、面心立方、密排六方晶格 密度比较,工程材料与热处理 ppt 课件,3 金属的实际晶体结构,工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体，每个小晶体称为晶粒。 如果一整块金属仅由一个晶粒组成，则称为单晶体。反之则为多晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态和分布。,1、单晶体和多晶体,工程材料与热处理 ppt 课件,在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。 按缺陷的几何形态分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。,2、晶体缺陷,工程材料与热处理 ppt 课件,1）点缺陷：空位和间隙原子,晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。 空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”。 点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度。,工程材料与热处理 ppt 课件,2）线缺陷：即位错,在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 位错对金属的性能有着重要影响,3）面缺陷：晶界和亚晶界,晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。,二、 金属的结晶,液态转变为固态的过程称为凝固。液态金属的凝固过程就称为结晶。,1、结晶,2、冷却曲线与过冷度,1)冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。通过热分析法测量绘制，即使熔化后的液体金属缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。,时间t,温度T,T0,Tn,2)过冷度 图中T0为理论结晶温度，金属实际结晶温度(Tn)总是低于理论结晶温度的现象，称为过冷现象。而 过冷度T=T0Tn,T=T0Tn,2、结晶的过程 晶核的形成和长大过程,4、金属结晶后的晶粒大小 晶粒大小控制: 晶核数目: 多细(晶核长得慢也细) 冷却速度: 快细(因冷却速度受限,故多加外来质点) 晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.,细化晶粒的方法 一般来说，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。 1、过冷度大：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶 粒愈细。 2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。 3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。,三、二元合金相图,、合金及其结构 1、合金 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。 2、组元 组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。 3、显微组织 在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。,3、合金系 合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。 4、相 相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 合金中的相结构 合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。,1、固溶体,溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金。 特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生改变。 固溶强化由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。,置换固溶体,当合金中的二组元的原子半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，称有限固溶体，但当溶剂与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，它们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。,溶剂结点上的部分原子被溶质原子替代所形成的固溶体,间隙固溶体： 溶质原子在固溶体中处于溶剂晶体结构的间隙位置。,溶质原子不占据正常的晶格结点，而是嵌入晶格间隙中，由于溶剂的间隙尺寸和数量有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，且这种固溶体的溶解度有限。,固溶体的性能：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。 固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。,2、金属化合物 合金元素间相互作用而形成的新相。 特点： 1）其晶格类型和性能不同于任一组元； 2）一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆； 3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。 4）它的组成一般可用分子式来表示 如碳素钢中的Fe3C、铜铝合金中的CuAl2、合金钢中的Cr23C6及Fe4W2C等都是金属化合物。,3、机械混合物,由两种或两种以上的相按一定质量百分比数组成的物质称为混合物。,混合物中各组成部分保持自己原来的晶格。其性能取决于各组成相的性能、分布形式、数量及大小。,、二元合金相图 相图测定方法：最常用的相图测定方法为热分析法，即对合金系中不同成分的合金进行加热熔化，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，测出其相变临界点，并标于“温度成分”坐标中，绘成相图。 1、二元合金相图的建立 1）配置各种成分的合金； 2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点； 3）建立坐标系。作出临界点 4）连接开始转变点和转变终了点并标注数字、字母和各区内的相或组织名称。,以Cu-Ni合金为例,说明二元合金相图的建立,时间,温度,I,合金成分Cu:100%Ni:0%,Cu,Ni,80,60,40,20,II,III,IV,V,VI,合金成分Cu:0% Ni:100%,合金成分Cu:80% Ni:20%,合金成分Cu:60% Ni:40%,合金成分Cu:40% Ni:60%,合金成分Cu:20% Ni:80%,温度,二元合金相图分析,一个液相区，位于相图的最上方，常用L表示；,一个固相区，位于相图的下方，用表示；,1、相图分析,位于两个区之间的区域则是液、固共存区。用 + L 表示,该点表示纯Cu的熔点,该点表示纯Ni的熔点,现以含Ni 40%的合金为例来分析其结晶过程,当合金温度高于A点温度时，合金处于液态,当合金由高温缓慢冷却A点以下，从液相中开始结晶出固溶体 ，并随合金温度的不断下降，结晶出的固溶体不断增加，液相不断减少,当温度下降至B点，液相全部消失，合金结晶结束，得到单相固溶体,同样的道理，我们可以分析任何比例Cu-Ni合金从高温液体冷却至室温固体时组织的转变过程。,2、结晶分析,、共晶相图,二元合金系中两组元在液态下相互无限溶解，在固态下形成两种不同的固相，发生共晶转变，形成共晶组织的相图，称为共晶相图。,在共晶相图中，根据两组元在固态下相互作用的不同，共晶相图又可分为简单共晶相图和一般共晶相图。,1)简单共晶相图：两组元在液态下完全互溶，在固态下互不溶解的共晶相图称为简单共晶相图。,简单共晶相图中的特性点、线、区：,a特性点：,组元X的熔点,组元Y的熔点,共晶点,b特性线：,ACB线为液相线,2.2铁碳合金相图分析,1纯铁,纯铁的同素异晶转变：,液态纯铁在1538时进行结晶，得到具有体心立方晶格的铁，称为-Fe；当温度降至1394时，发生同素异晶转变-Fe转变为面心立方晶格，称为-Fe；温度降至912时，面心立方晶格又转变为体心立方晶格，为便于区分前面的体心立方晶格，912转变的体心立方晶格称为-Fe。,1394 912 - Fe - Fe - Fe,一.铁碳合金的基本组织,2渗碳体,渗碳体是铁和碳所形成的间隙化合物。具有复杂的晶体结构，用符号Fe3C（或Cm）表示；其熔点为1227，不发生同素异晶转变，具有硬而脆的特性，延伸率接近为零。在铁碳合金相图中直接从液相中析出的渗碳体称为一次渗碳体，表示为Fe3C；而从固相中析出的渗碳体则称为二次渗碳体，表示为Fe3C。,3铁素体,铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。具有体心立方晶格，常用符号F表示；碳在铁素体中的溶解度很小，在727时最大溶解度为0.0218%，并随温度的下降，溶解度随之下降，正是由于其含碳量很低，其性能与纯铁接近，具有良好的塑、韧性，但强度和硬度较低。,4奥氏体,奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。具有面心立方晶格，常用符号A表示；碳在奥氏体中的溶解度在1148时最大为2.11%，并随温度的下降，溶解度随之下降，在727溶碳度为0.77 %。奥氏体强度不高，但具有良好的塑性和可锻性。,5珠光体,珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。含碳量为0.77%，常用符号P表示，是铁素体和渗碳体片状相间、交替结晶而成的混合物。因而强度较高，硬度适中，并具有一定的塑性。,6莱氏体,在铁碳合金中莱氏体分为两类，其一是在1148时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，称为高温莱氏体，常用符号Ld表示；在727时，由于奥氏体转变为珠光体，高温莱氏体中奥氏体和渗碳体的混合物转变为珠光体和渗碳体的混合物，这种在727以下由珠光体和渗碳体的混合物称为低温莱氏体，用符号Ld表示。由于莱氏体含碳量为4.3%，因此具有很高的硬度，但塑性很差。,二.铁碳合金相图分析,在铁碳合金中，由于含碳量大于6.69%后，脆性极大，已无实用价值。因而在生产中通常使用含碳量小于5%的铁碳合金。本着实用的原则，铁碳相图仅研究含碳量小于6.69%的那部分合金，所以铁碳合金相图也可以视为铁-渗碳体相图。,1铁碳合金相图中的三个转变,包晶转变：,L（液相）+ （高温铁素体） A （奥氏体）,1495C,共晶转变：,L （液相） Ld(高温铁素体)（A + Fe3C）,1148C,共析转变：,A （奥氏体） P（珠光体）（F + Fe3C）,727C,2铁碳合金相图中的特性点、线、面,2. 铁碳合金相图中常用特性线及其含义,3铁碳合金的分类,根据铁碳合金中含碳量及组织的不同分为以下三类： 工业纯铁：含碳量小于0.0218%，组织为铁素体。 钢：含碳量为0.0218%2.11%，特点是高温时都有单相奥氏体组织。根据室温组织的不同，钢又可分为以下几类,白口铸铁：含碳量为2.11%6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变。根据室温组织的不同，白口铸铁又可分为以下几类,4典型铁碳合金的平衡组织,亚共析钢：,从图中可看出温度在1点以上时，合金全部为液相，当温度降至1点时，液相中开始析出固相奥氏体（A），在12点之间为液相L+固相A；当温度降至2点时，残余液体全部转变为奥氏体（A），在23点之间为单相奥氏体；温度降至3点（GS线）时，奥氏体中析出铁素体，在34点之间为奥氏体A+铁素体F，在此期间随铁素体的析出，残余奥氏体中含碳量沿GS线逐步增加，温度降至4点（即共析线）时，残余奥氏体含碳量达到0.77%，此时残余奥氏体在恒温下发生共析转变AP（F+ Fe3C），因而在4点以下的组织为：F+P，并保持至室温,共析钢：,从图中可以看出温度在1点（BC线）以上时，合金全部为液相，当温度降至1点时，液相中开始析出固相奥氏体（A），在12点（BC线与JE线）之间为液相L与固相A共存；温度降至2点时，残余液体全部转变为奥氏体（A），在23点之间为单相奥氏体；温度降至3点（S点）时，单相奥氏体在恒温下发生共析转变AP（F+ Fe3C），奥氏体全部转变为珠光体，因而在3点以下组织为：P，并保持至室温。,过共析钢：,从图中可看出温度在1点以上时，合金全部为液相，当温度降至1点时，液相中开始析出固相奥氏体（A），在12点（BC线与JE线）之间为液相L+固相A；当温度降至2点时，残余液体全部转变为奥氏体（A），在23点之间为单相奥氏体；温度降至3点（ES线）时，奥氏体中析出二次渗碳体（Fe3C），在34点之间为：奥氏体A+二次渗碳体Fe3C，在此期间随二次渗碳体的析出，残余奥氏体中含碳量沿ES线逐步降低，温度降至4点（即共析线）时，残余奥氏体含碳量达到0.77%，此时残余奥氏体在恒温下发生共析转变AP（F+ Fe3C），因而在4点以下的组织为： P + Fe3C，并保持至室温。,亚共晶白口铸铁：,从图中可看出温度在1点以上时，合金全部为液相，当温度降至1点时，液相中开始析出固相奥氏体（A），在12点（BC线与EC线）之间为液相L+固相A；当温度降至2点时，残余液体在恒温下发生共晶转变L残Ld（A+ Fe3C）全部转变为奥氏体与渗碳体的混合物莱氏体（Ld）组织，结晶在2点（EC线）结束时组织为：A+ Ld 。随着温度下降，奥氏体中析出二次渗碳体（Fe3C），在23点（EC线与PSK线）之间为：莱氏体（Ld）+奥氏体A+二次渗碳体Fe3C，在此期间随二次渗碳体的析出，奥氏体中含碳量延ES线逐步降低，温度降至3点（即共析线）时，奥氏体含碳量达到0.77%，此时奥氏体在恒温下发生共析转变AP（F+ Fe3C），同时高温莱氏体（Ld）转变为低温莱氏体Ld（P+ Fe3C），因而在3点以下的组织为： Ld + P + Fe3C，并保持至室温。,共晶白口铸铁：,从图中可以看出温度在1点（C点）以上时，合金全部为液相，当温度降至1点时，合金液体在恒温下发生共晶转变LLd（A+ Fe3C），全部转变为奥氏体与渗碳体的混合物莱氏体（Ld）组织。当温度在12点（EC线与PSK线）之间时，莱氏体中的奥氏体不断析出二次渗碳体，依附在共晶渗碳体上，使奥氏体含碳量不断下降。在此温度区间组织为：Ld 。温度降至2点（PSK线）时，由于奥氏体含碳量降至0.77%，即在恒温下发生共析转变AP（F+ Fe3C），奥氏体转变为珠光体，因而高温莱氏体Ld（A+ Fe3C）转变为低温莱氏体Ld（P+ Fe3C），2点以下组织为： Ld，并保持至室温。,过共晶白口铸铁：,从图中可看出温度在1点以上时，铁碳合金全部为液相，当温度降至1点时，液相中开始析出固相渗碳体（Fe3C），在12点（CD线与CF线）之间为液相L+固相Fe3C；当温度降至2点时，残余液体在恒温下发生共晶转变L残Ld（A+ Fe3C）全部转变为奥氏体与渗碳体的混合物莱氏体（Ld）组织，因此在23点（EC线与PSK线）之间组织为：Fe3C+ Ld 。温度降至3点（即共析线）时，高温莱氏体（Ld）转变为低温莱氏体Ld（P+ Fe3C），因而在3点以下的组织为： Ld+ Fe3C，并保持至室温。,5铁碳合金成份、组织与性能的关系,含碳量对组织的影响：,正是由于铁碳合金的组织随着含碳量的变化而变化，不同成份的合金才会呈现出不同的性能。,含碳量对性能的影响：,铁碳合金的力学性能主要决定于铁素体和渗碳体相对含量的多少。,含碳量对工艺性能的影响,2.3钢的热处理,热处理是通过对钢及其合金在固态范围内进行适当的加热、保温和冷却以获得所需的组织结构和性能的工艺。,钢的热处理可以分为以下种类：,热处理工艺过程可以用以温度时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线就称为热处理工艺曲线。,一、 钢在加热时的转变,1奥氏体晶粒的形核和长大,当钢加热到Ac1以上时，珠光体就要向奥氏体转变，转变的过程大致分为两个阶段：奥氏体晶粒的形成和长大与残余渗碳体的溶解；奥氏体成份的均匀化,2奥氏体的晶粒度,在一定加热条件下获得的奥氏体晶粒的大小就称为实际奥氏体晶粒度，国家标准对实际晶粒度制订了八个等级 ，即将钢的金相试样放大100倍与标准晶粒度作比较。14级为粗晶粒，58级为细晶粒。,3影响奥氏体形成速度的因素,加热温度：一般来说，加热温度越高，完成转变所需的时间就越短。,原始组织：由奥氏体的形成过程可知：奥氏体晶核主要产生于原始组织中铁素体与渗碳体的相界面上，原始组织中渗碳体的晶粒愈细小，渗碳体与铁素体的相界面愈大，这就有利于奥氏体的形成。,化学成份：含碳量增加，碳化物的数量也增加，这就使得铁素体与渗碳体的两相界面增大。显然这对奥氏体的形核以及长大是有利的，但由于含碳量增加，渗碳体数量也同时增多，致使奥氏体中渗碳体的溶解时间增长。 合金元素：由于合金元素所形成的碳化物具有熔点高、稳定不易分解且硬度高等特点，合金元素对奥氏体的形成不同程度地起到了阻碍的作用。,二、钢在冷却时的组织转变,1钢的过冷奥氏体的等温转变曲线,2过冷奥氏体的连续冷却转变,钢的临界冷却速度：在连续冷却转变中，要获得单一的马氏体组织，就必须保证一定的冷却速度来抑制其它类型的转变。从连续冷却转变图中可以看到，只有连续冷却的冷却速度大于某一个特定的冷却速度才能获得全马氏体组织。这个能使奥氏体全部转变为马氏体所必须的最小冷却速度就称为临界冷却速度，用“V临”表示。,3奥氏体等温转变产物的组织和性能,1)珠光体型转变：过冷奥氏体在高温区A1550范围内，奥氏体等温分解为片状铁素体和片状渗碳体的机械混合物，等温温度越低，珠光体的片层距离越小，硬度也越高。根据片层的粗细程度可进一步区分为珠光体（P）、索氏体（S）、屈氏体（T）三种组织形态。,2)贝氏体型转变：过冷奥氏体在中温区550230范围内等温形成的贝氏体组织（用“B”表示），是铁素体和渗碳体或过饱和的固溶体与碳化物的机械混合物 。贝氏体分为两种：上贝氏体，用“B上”表示；下贝氏体，用“B下”表示。,3)马氏体型转变：马氏体转变是在奥氏体过冷到MS点（230左右）以下连续冷却过程中形成的，由于急速地冷却到230以下，此时奥氏体中的碳原子已无法扩散，前述两种转变类型已不可能进行，所以碳原子就被保留在铁素体内形成过饱和的铁素体，故马氏体也称为碳在Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示。马氏体常见的有两种形态：低碳钢中形成的板条马氏体和高碳钢中形成的针状（片状）马氏体。,马氏体转变的特点： 马氏体转变是无扩散型转变 马氏体是变温转变 马氏体转变的不完全性 奥氏体转变为马氏体由于晶格类型不同，由面心立方转变为体心正方，结果使马氏体的体积增大，这也是形成马氏体后为什么会产生较大的内应力的主要原因。 马氏体转变的稳定化现象,三、钢的退火与正火工艺,1退火：是把钢加热到临界温度（Ac1 、Ac3、Accm）以上或以下（Ac1），在该温度下保温一定的时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。,退火的目的： 消除内应力 降低硬度，提高塑性 使钢发生重结晶，达到细化晶