棒材工艺教程(第二章第一节金属材料2).ppt

1、纯金属的结晶,五 金属的结晶,工程上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制作机器零件的钢材，要经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程。生产上将金属的凝固叫做结晶。从本质上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金属的结晶。金属从液态过渡到固体晶态的转变称为一次结晶。,什么是金属的结晶？,纯金属的结晶过程,五 金属的结晶,形核,长大,当温度进一步降低，在液态金属内的原子团向晶核聚集，形成晶粒，其最终完全固化的过程。,液态金属随温度的降低，内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。,形核的两种方式,自发形核在液态

2、金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属内部为金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。,非自发形核实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。,五 金属的结晶,长大的两种方式,平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。平面长

3、大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。,树枝状长大当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。,五 金属的结晶,同素异构转变,五 金属的结晶,许多金属在固态下只有一种晶体 结构，但有些金属在固态下，存 在两种或两种以上的晶格形式。 金属在固态下随温度的改变，由 一种晶格转变为另一种晶格的现 象，称为同素异构转变。以不同 晶体结构存在的同一种金属的 晶体称为该金属的同素异晶体,四 金属材料的性能,

4、液相 L, 相, 相,相,铁碳合金中的相,Fe3C相,液相（L）是铁与碳的液溶体。,相又称高温铁素体, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格,相也称铁素体, 用符号 F或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。,相常称奥氏体, 用符号 A或 表示, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。,Fe3C相是一个化合物相, 称渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,铁碳相图,五 金属的结晶,共析钢的平衡结晶过程,碳质量分数为0.77%的钢为共析钢, 其平衡结晶过程为： 合金冷却时, 于1点起从L中结晶出A, 至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不

5、变。 至3点时, A发生共析反应生成P。从3继续冷却至4点, P不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P。P呈层片状。,五 金属的结晶,提示：共析钢的室温组织组成物全部是P, 而组成相为F和Fe3C。,亚共析钢的平衡结晶过程,五 金属的结晶,提示：亚共析钢室温平衡组织为F+P。F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。碳质量分数大于0.6%的亚共析钢, 室温平衡组织中的F常呈白色网状, 包围在P周围。,过共析钢的平衡结晶过程,五 金属的结晶,提示：因此室温平衡组织为Fe3CII+P。在显微镜下, Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。 含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe

6、3C； 组织组成物为Fe3CII和P。,四 金属材料的性能,正火,退火,淬火,回火,常规热处理,钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+P, 共析钢为P, 过共析钢为P+Fe3CII。,钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。,将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。,将钢加热到相

7、变温度以上（亚共析钢为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢为Ac1以上3050），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火 。,低温回火温度150250，亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(回火M)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。,中温回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T),回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S)。,各级的回火组织,五 金属的结晶,高温转变 在A1550之间, 过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织, 此温区称珠光体转变区。,中温

8、转变 在550Ms之间, 过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织, 此温区称贝氏体转变区。,过冷奥氏体的等温转变,五 金属的结晶,合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。,合金元素与铁、碳的相互作用,五 金属的结晶,溶于铁中,几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体, 按其对-Fe或-Fe的作用, 可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。,形成碳化物,合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。,提高钢的强度是加入合金元素的主要目的之一。

9、欲提高强度, 就要设法增大位错运动的阻力。金属中的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化。,合金元素对钢的机械性能的影响,五 金属的结晶,退火状态,正火状态,淬火回火状态,结构钢在退火状态下的基本相是铁素体和碳化物。合金元素溶于铁素体中, 形成合金铁素体, 依靠固溶强化作用, 提高强度和硬度, 但同时降低塑性和韧性。,合金元素的加入降低了共析点的碳含量、使C曲线右移, 从而使组织中的珠光体的比例增大, 使珠光体层片距离减小, 这使钢的强度增加, 塑性下降。,合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著, 因为它充分利用了全部的四种强化机制。淬火时形成马氏体, 回火时析出碳化物, 造成强烈的第二相强化，同时使韧性大大改善, 故获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。,塑性加工分热加工和冷加工。合金元素溶入固溶体中, 或形成碳化物(如Cr、Mo、W等), 都使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降而容易锻裂。一般合金钢的热加工工艺性能比碳钢要差得多。,合金元素对钢的塑性加工性能的影响,五 金属的结晶,合金元素对钢的焊接性能的影响,合金元素都提高钢的淬透性, 促进脆性组织(马氏体)的形成, 使焊接性能变坏。但钢中含有少