金属材料及热处理基础知识讲座

,金属材料及热处理 基础知识讲座,2008年12月,目录一、金属材料的分类二、碳素钢中常见元素的作用三、金属的晶体结构四、金属的基本概念五、钢铁中的基本金相组织六、铁碳合金相图七、常规热处理八、化学热处理,一、金属材料的分类1、金属的分类,金属材料,黑色金属,铁锰铬,有色金属,重金属（铜、镍等）轻金属（铝、镁、钠等）贵金属（金、银、铂等）半金属（硅、硼等）放射性金属（镭、铀等）稀有金属（钛、钨等）,2、钢铁材料的分类钢铁是钢和铁的统称。钢和铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金。钢铁材料是工业中应用最广、用量最大的金属材料。钢铁材料分为生铁、铸铁和钢三大类。生铁是指没有经过冶炼的铁碳合金。其分类方式如下：,按化学成分,炼钢生铁,铸造生铁,普通生铁,合金生铁,按用途分类,生铁,铸铁是指经过碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。碳在铸铁中除少量溶解于金属基体外，通常 以游离状态的石墨存在，或以化合状态的渗碳体存在。其分类方式如下：,按断口颜色,按化学成分,按石墨形态,灰口铸铁,白口铸铁,麻口铸铁,普通铸铁,合金铸铁,灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,蠕墨铸铁,铸铁, 钢是指碳的质量分数为0.0218.的铁碳合金。,按化学成分,按用途分,碳素钢,合金钢,钢,中碳钢（.C.）,高碳钢（C.）,低碳钢（C.）,中合金钢（合金元素）,高合金钢（合金元素）,低合金钢（合金元素）,结构钢（工程结构用钢、机器零件用钢）,工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）,特殊钢（不锈钢、耐磨钢、高温合金等）,专业用钢（指各个工业部门专业用途的钢，如农机用钢、机床用钢、航空用钢、宇航用钢等）,二、碳素钢中常见元素的作用1硅和锰的影响 硅和锰是在炼钢时作为脱氧剂进入钢中的。硅溶入铁素体中起固溶强化作用，从而提高热轧钢材的强度、硬度和弹性极限。硅的脱氧作用比锰强，可以消除FeO夹杂对钢的有害作用。锰大部分能溶于铁素体中，使铁素体得到强化；此外，锰与硫化合生成MnS，可消除硫的有害作用。因此，Mn和Si是有益的杂质元素，生产中二者含量一般控制在Si0.5,Mn0.8。,2硫的影响 由于生铁中含有较多的硫，在炼钢时因去除不完全而残留在钢中。硫在铁中与Fe形成化合物FeS。FeS与Fe又能形成低熔点共晶体(熔点为985)，分布在晶界上。在钢材热压力加工时(11501200)，低熔点的FeSFe共晶体已经熔化，导致钢材晶间开裂，韧性极低，这种现象称为钢的热脆性。硫对钢的焊接性能也产生不良影响，它不但导致焊缝产生热裂，而且硫在焊接过程中，容易生成SO2气体，使焊缝产生气孔和疏松。因此，总体上S是钢中有害的杂质元素，生产中应在炼钢时尽量去除掉，其质量分数一般控制在S0.05。,3.磷的影响磷在钢中易产生偏析，形成Fe3P能使钢的强度、硬度提高，但却使钢的塑、韧性显著下降，脆性增大。特别是钢的脆性转折温度急剧升高，引起钢的冷脆性。因此磷在钢中也是有害杂质元素，故磷的含量也要严格控制，一般规定其含量0.05。,三、金属的晶体结构,1、晶体的基本概念自然界中的一切固态物质，可分为晶体和非晶体两大类。凡是内部原子或分子在三维空间内，按照一定几何规律作周期性的重复排列的物质称为晶体。凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体。晶体具有下列特点：（1）具有规则的外形（2）有固定的熔点（3）具有各向异性为了描述晶体中原子在三维空间排列的规律性，可以把原子看成是固定不动的刚性小球，把刚性小球抽象为几何的点，如果把这些点用直线连接起来，就构成几何空间格架。这种抽象地用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架，就称为结晶格子，简称晶格。,为了便于说明原子在空间排列的特点，根据晶体中原子排列规律性和周期性的特点，通常从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，以表示晶格中原子排列的规律性，这个最小几何单元就称为晶胞。为了研究晶体结构，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z称为晶轴。常以晶胞棱边的长度a、b、c和棱边之间夹角、六个参数作为晶格参数，表示晶胞的几何形状和大小。其中a、b、c称为晶格常数，单位为10-10m。而、称为晶轴间夹角，单位为度。,简单立方晶体 （a）晶体结构 （b）晶格 （c）晶胞,2、常见金属晶格类型1）、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。如下图所示。具有体心立方晶格的常见金属有Fe（铁）、Cr（铬）、Mo（钼）、W（钨）、V（钒）、Nb（铌）等,体心立方晶胞,2）、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在面心立方晶胞的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。如下图所示。具有面心立方晶格的常见金属有Fe（铁）、Al（铝）、Cu（铜）、Ni（镍）、Au（金）、Ag（银）和Pb（铅）等。,面心立方晶胞,3）、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体, 除了位于正六棱柱体的十二个顶角和上下两底面中心各有一个原子外，在柱体中间还有三个原子。如下图所示。具有密排六方晶格的常见金属有Mg（镁）、Zn（锌）、Cd（镉）、Be（铍）等。,密排六方晶胞,四、金属的基本概念,1）合金 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合、烧结而成的具有金属特性的物质。例如黄铜是由铜和锌两种金属元素合金组成的合金；碳钢是由铁和碳组成的合金。合金不仅具有较高的强度、硬度以及某些优异的物理、化学性能和工艺性能，而且价格比纯金属低廉，所以它比纯金属得到更广泛的应用。2）组元 组成合金最基本的、独立的物质叫做组元，简称为元。一般来说，组元既可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。如黄铜的组元分别是铜和锌；碳钢的组元分别是铁和碳。根据合金中组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金、多元合金。换句话说，由三个组元组成的合金，则称为三元合金，依此类推。,3）相 金属中具有相同的化学成分、相同晶体结构和相同物理性能的组分，称之为相，其中包括固溶体、化合物及纯物质（石墨）。合金中相和相之间有明显的界面分开。例如：在铁碳合金中F为一个相，Fe3C为一个相，即铁碳合金的组成是由成分和结构都不相同的F和Fe3C两个相组成的。4）组织 是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体，以及各种材料的缺陷和损伤。合金可以由一个相组成，其组织称之为单相组织，也可以由几个相复合而成，其组织称为多相组织。5）固溶体 合金组元在液态相互溶解，当合金结晶成为固态晶体时组元间仍能互相溶解而形成均匀的相，这种均匀的固相则称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。,a 置换固溶体置换固溶体是指溶质原子代替部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，犹如溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所置换，故称为置换固溶体，如图a所示，置换固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。b 间隙固溶体溶质原子占据溶剂晶格间隙位置而形成的固溶体称为间隙固溶体。,a） b）,6）同素异构体：自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但有些金属如铁、钴、钛、锰、锡等，在固态下随温度或压力的改变，还会发生晶体结构的变化，即由一种晶格转变为另一种晶格。这种金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。由同素异构转变所得的晶体，称为同素异构体。纯铁的同素异构转变可概括如下： 右图为纯铁的冷却曲线。,7）过冷度纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，但在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都是相当快的，此时的液态金属将在理论结晶温度以下的某一温度才开始结晶，这个温度就是金属的实际结晶温度，金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差常用T表示，称之为过冷度，过冷度T= T0T1。实践证明，过冷度不是一个恒定值，它同金属结晶时的冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。,五、钢铁中的基本金相组织,1、铁素体碳溶入-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。铁素体仍保持-Fe的体心立方晶格。由于-Fe的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大，WC可达0.0218%，随着温度的下降溶碳量是逐渐减小的，在600时溶碳量WC约为0.0057%，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其力学性能几乎和纯铁相同，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性与韧性。,2、奥氏体碳溶入-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。奥氏体仍保持-Fe的面心立方晶格。在727时溶碳能力WC为0.77%，而在1148 时可达2.11%。奥氏体的存在温度范围为7271495。奥氏体的晶粒呈多边形，与铁素体的显微组织形态相近，但晶粒边界较铁素体平直。奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关。一般来说，奥氏体的伸长率为40%50%，硬度为170220HB，强度、硬度较低，具有良好的塑性和低的变形抗力，适于进行压力加工。与-Fe一样，奥氏体无铁磁性。,3、渗碳体化学式为Fe3C的金属化合物称为渗碳体。渗碳体的WC6.69%，熔点为1227。渗碳体的硬度极高（约800HBW），脆性大，塑性几乎等于零，是一个硬而脆的相。渗碳体具有复杂的晶体结构，碳原子构成一个正交晶格(即三个轴间夹角90，三个晶格常数abc)，在每个碳原子周围都有六个铁原子构成八面体，各个八面体的轴彼此倾斜一角度，每个八面体内都有一个碳原子，每个铁原子为两个八面体所共有。,4、珠光体由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。其强度较高，硬度适中，有一定塑性。抗拉强度b ：770MPa 伸长率：2035%冲击韧性k ： 3040J/cm2 硬度HBS ： 180,5、马氏体碳溶于-Fe中所形成的过饱和固溶体 ，其强度、硬度很高，但塑性、韧性低。,、莱氏体 高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，低温莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，莱氏体硬度很高，塑性极差。,六、铁碳合金相图,1、铁碳相图分析 Fe-Fe3C相图是表示在缓慢冷却（加热）条件下（即平衡状态）不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。它表明了铁碳合金的成分、温度与组织变化规律之间的关系，是研究钢和铸铁及制定其焊接、热处理、铸造和锻造等热加工工艺的重要依据。铁碳相图如图所示：,组成Fe-Fe3C相图的基本相有4个：液相L、铁素体F(高温时以表示)、奥氏体A和Fe3C，它们存在于4个单相区内。,2、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类根据铁碳合金的含碳量及室温组织不同，可将铁碳合金相图中所有合金分成三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。1）工业纯铁 是碳的质量分数WC小于0.0218%的铁碳合金，室温显微组织为铁素体。2）钢 是碳的质量分数WC为0.02182.11%的铁碳合金，根据室温组织的不同，钢又分三种：亚共析钢含碳量WC小于0.77%，组织是铁素体和珠光体。共析钢含碳量WC为0.77%，组织是珠光体。过共析钢含碳量WC大于0.77%，组织是珠光体和二次渗碳体。,3）白口铸铁 是含碳量WC在2.11%6.69%的铁碳合金，其特点是液态结晶时，都有共晶转变。液态合金的流动性好，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因其共晶转变产物是以渗碳体为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口是呈白亮光泽，故又称白口铸铁。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为三种：亚共晶白口铸铁含碳量WC小于4.3%，组织是珠光体、二次渗碳体与莱氏体。共晶白口铸铁含碳量WC为4.3%，组织是莱氏体。过共晶白口铸铁含碳量WC大于4.3%，组织是莱氏体与一次渗碳体。,3、典型铁碳合金的结晶过程分析,七、常规热处理：正火、退火、淬火、回火1、正火加热到全部奥氏体化温度（ Ac3或Acm以上3050），经保温后以空冷的速度冷却下来，以获得细珠光体的热处理工艺方法。,正火的目的如下：含碳量低于05%以下的钢，能使晶粒细化，组织均匀，提高硬度，改善切削加工性；对于共析钢，正火能消除其组织中的网状碳化物，利于球化退火；正火使铸锻件过热晶粒细化和消除内应力；对于最终要求淬火的零件，正火能细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，为最终热处理作准备。,2、退火退火是将钢加热到高于或略低于临界点的某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。其目的是：1）使退火后钢的组织接近于平衡组织，降低钢的硬度，以利于切削加工；2）消除铸件或锻件中的残余应力，以防变形和开裂；3）消除铸件或锻件中的组织缺陷，如粗大晶粒、成分不均匀等，为随后热处理作好组织上的准备。,退火的种类有：扩散退火： Ac3或Acm以上150250 ，保温1015小时后缓冷，主要用于大型铸件，目的是改进或消除在冶金过程中形成的成份偏析或枝晶偏析，处理后的铸件内部晶粒十分粗大，为细化晶粒，需进行一次完全退火，以提高塑性、韧性。完全退火： Ac3以上3050 ，保温得到均一的奥氏体，缓冷得到等轴铁素体+片状珠光体，主要用于原始晶粒粗大，内应力大，硬度较高的亚共析钢的铸件、锻件等，能细化晶粒，降低硬度、便于切削加工，消除内应力。球化退火： Ac1以上2030 ，获得粒状珠光体，适用于工、模、轴承钢的预先热处理，降低硬度，改善切削加工性能，并为最终热处理作准备。,去应力退火： 500650 ， 保温24小时后缓冷至200300 出炉。目的是消除铸钢件、焊接件、机械加工件的内应力，减少和防止工件在后继工序或使用过程中发生变形或开裂。再结晶退火：再结晶以上适当温度（碳钢一般650 700 ）保温13小时， 然后炉冷或出炉空冷。目的是消除冷变形产生的冷作硬化，使被拉长压扁或破碎的晶粒度变为均匀细小的等轴晶粒。,3、淬火淬火是将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析、过共析钢）以上30-50，保温一定时间，然后快速冷却下来，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。其目的是：改变钢的内部组织，获得高的硬度和强度，更好地发挥钢材的性能潜力，为回火做好组织准备。工艺曲线如下所示：,Ac3或Ac1线,常用的淬火方法有：直接淬火：直接淬入单一淬火介质，一般碳钢在水中冷却，合金钢在油中冷却，简便易行，缺点是易变形、开裂。双液淬火：某些淬透性差的钢盐水淬易裂，油淬不硬，采用水淬油冷，关键在控制冷却能力强的淬火介质的冷却时间。等温淬火：将A化的工件淬入BS温度下的等温盐液中较长时间以获得BS组织然后再空冷，由于等温转变不完全空冷到室温后获得BS为主的M和A，使得有较高硬度的同时还保持有很高的韧性。,4、回火不回火的马氏体很脆，且存在较大的内应力，有时甚至会自然开裂，必需回火才能使用。回火是加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后以适当的方式冷却，以减少或消除淬火内应力，提高组织与尺寸稳定性，提高钢的韧性和塑性，适当降低硬度，赋予工件最终的使用性能。根据加热的温度不同分为：、低温回火：150-250进行，目的是减少应力和脆性，保持较高的硬度和耐磨性，主要用于量、刃、模、滚珠轴承、渗碳件和高频淬火件，如球轴承及内外圈、齿轮等最后都要低温回火，得到回火马氏体。、中温回火：350-500 进行，目的是获得高的弹性和屈服强度，得到回火屈氏体。主要用于各种弹簧，如制动蹄回位弹簧。,、高温回火： 500 -650进行，淬火加高温回火又称调质处理，目的是要得到一定的强度、硬度和良好的韧性、塑性相配合的综合力学性能，组织为回火索氏体。,八、化学热处理：钢的化学热处理是将零件放在某种化学介质中加热、保温和冷却，使介质中的某些元素渗入到零件表面，从而改变零件表面层的化学成分和组织，使零件表面层具有不同特殊性能的一种热处理工艺。 渗碳渗碳是将零件放在渗碳气氛中加热、保温和冷却，使介质中的活性碳原子渗入到零件表面，从而增加零件表面碳含量的一种热处理工艺。其基本过程大致如下：渗碳剂在高温下通过化学反应进行分解，产生活性碳原子；活性碳原子吸附到钢的表面上；吸附的活性碳原子由钢的表面层向内渗入并扩散，形成一定深度的渗碳层。,1、常用渗碳钢低碳钢及低碳合金钢：15、20、20Cr、 20CrMo ，用于受力较轻的耐磨件，如小齿、活塞销等，处理后抗拉强度约490-784MPa，冲击韧性98-117J/c；低碳中合金渗碳钢： 20CrMnTi、18CrMnMo，用