金属学及热处理全解.ppt

1、,金属学及热处理,张勇 铸造教学与研究中心,钢的强化与韧化途径； 强韧化机理的举例；,合金元素对钢工艺性能的影响,金属键,共价键,分子间作用力,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。,合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,钢的分类,钢的强化机制,金属的塑性变形是通过位错运动实现的，任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径。,钢的强化与韧化途径,通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服强度和断裂强度。,单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶

2、质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。,固溶强化,Cu-Ni合金成分与性能关系,固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。,不同溶质原子在位错周围的分布状态,由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。,第二相强化,通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。 第二相可以是：纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多

3、数是化合物。,如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为弥散强化。,时效强化是有色金属材料如铝合金、钛合金、高温合金，以及少量钢铁材料如不锈钢以及耐热钢等的最重要的强化处理手段。,待处理的有色金属铸件,第二相强化-沉淀强化（时效强化）,时效强化：,时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。,在相图上有固溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。,时效强化的最基本条件,固溶时效处理的一般步骤,1、固溶处理：,将合金通过加热到固溶线以上、固相线以

4、下温度保温，获得成分均匀的单相固溶体组织。之后快速冷却，得到过饱和单相固溶体。,2、时效：,使过饱和单相固溶体析出细小弥散沉淀相的过程。自然时效；人工时效。,沉淀：是指从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变的范畴。,凡是有固溶度变化的相图，从单相区进到两相区时都会发生（脱溶）沉淀。,随着时效时间的延长，将发生下列析出过程（析出序列）： 3 2 +GP1+其中 GP区是溶质偏聚区、 为亚稳过渡相。,以AlCu合金为例：,过饱和固溶体的时效分解产物,时效时间对性能的影响,TC4合金540实效硬化曲线,3 2 + GP区 1+ +,定义：如果第二相微粒

5、是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，称为弥散强化。 粉末冶金原理与工艺： 与金属熔铸法不同，它是利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经过压制成型和烧结两个主要工序来生产各种金属制品的方法。 主要工艺过程：粉末的制备、压制成型、烧结及后处理。,第二相强化-弥散强化,粉末冶金工艺流程图,塑性变形,液相烧结、固相烧结,弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,钢的强化与韧化途径,弥散型两相合金强化的主要影响因素： 颗粒直径； 第二相含量（体积分数）; 第二相的分布状态。,钢的强化与韧化途径,与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关，呈颗粒状弥散分

6、布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降；,第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。,+钛合金(固溶体第二相),弥散强化-曲奇饼干,钢的强化与韧化途径,钢的强化与韧化途径,第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。,从弥散质点引起强化这一点来说，沉淀

7、强化与弥散强化并没有大区别； 前一情况是内生的沉淀相，后一情况为外加质点。,沉淀强化 and 弥散强化,钢的强化与韧化途径,晶界是一种面缺陷，能有效地阻碍位错运动， 使金属强化。晶粒越细，晶界越多也越曲折， 强化作用越显著。细晶强化是唯一能使材料强度、 塑性和韧性同时提高的方法。,细晶强化,含硫的铁晶内与晶界强度,铁素体钢的抗拉强度与晶粒尺寸的关系曲线,铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系曲线,低碳钢的s 与晶粒大小的关系,Hall-Petch公式：,s =0 + Kd -1/2,在上图中，低碳钢的s 与晶粒直径平方根的倒数呈线 性关系。,钢的强化与韧化途径,细晶强化理论的提出： 针对不同常规材

8、料，探索抑制其晶粒长大的办法。 在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性 和韧性，获得最佳的强韧性配合。,合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越 多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能 量高这一特点，对材料进行强化。,钢的强化与韧化途径,对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大 过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间； 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却 工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。,细化晶粒方法,双晶粒式试样拉伸变形示意图,钢的强化与韧化途径,加工

9、硬化,加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强 度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变 形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。,晶粒度对加工硬化曲线的影响,加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使 晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重 畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。,晶体结构对加工硬化曲线的影响,钢的强化与韧化途径,提高钢的韧性方法 合金化提高钢的韧性主要是通过改变显微组织、 改变基体本身的韧性途径来实现的。 Mn、Ni、C对钢的韧性的影响 当钢中含碳量低时，Mn2%时，可细化组织，是韧 化的主要元素。 Ni在低温时，可交叉滑移，

10、改善基体本身韧性。 C是钢中必不可少的元素，加碳虽然强化作用很高， 但却显著降低韧性。只有在晶界形成TiC、NbC、VC时，起阻碍作用，才能细化组织，提高韧性。,马氏体的强化机制 1、固溶强化 为严格区分C原子的固溶强化效应与时效强化效应，Winchell专门设计了一套Ms点很低的C%不同的Fe-Ni-C合金，以保证M转变能在C原子不可能发生时效析出的低温下淬火后在该温度下测量M的强度，以了解C原子的固溶强化效果。,强韧化机理举例,结果表明C%0.4%时的S随碳含量增加急剧升高，超过0.4%后S不再增加。,2、相变强化 马氏体相变的特性造成在晶体内产生大量微观缺陷（位错、孪晶及层错等），使马氏

11、体强化，即相变强化。 无碳马氏体的屈服极限为284MPa与强化F的S很接近，而退火的F的S仅为98137MPa，也就是说相变强化，使强度提高了147186MPa。,强韧化机理举例,3、第二相强化 理论计算得出，在室温下只要几分钟甚至几秒钟即可通过碳原子扩散而产生时效强化。在-60以上，时效就能进行发生碳原子偏聚现象，是马氏体自回火的一种表现。碳原子含量越高，时效强化效果越大。,4、马氏体形态及大小对强度的影响 原A晶粒大小和M群的大小对M的强度也有一定的影响， 0.2=608+69d-1/2 0.2=449+60d-1/2 单位 ：Mpa; 其中d：奥氏体晶粒的平均直径；d：马氏体板条群的平均直径。对中碳低合金结构钢，A晶粒由单晶细化至10级晶粒时，强度增加不大于245MPa，因此在一般钢中以细化A晶粒的方法来提高M的强度作用不大。,马氏体的韧性 位错型马氏体具有良好的塑性和韧性。由图中可以看出，随C%的增加韧性显著下降，对C%为0.6%的M，即使经低温回火，冲击韧性还是很低。,除C%外，马氏体的韧性与其亚结构有着密切的 关系，在相同的屈服极限的条件下，位错型马氏体的 韧性比孪晶M的韧性高很多。,为什么低碳马氏体钢具有高的强度？ 固溶强化； 位错强化； 晶界强化； 析出强化。,强韧化机理举例,为什么低碳马氏体钢具有高的韧性？ 低