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金属材料与热处理(最全)精编课件.ppt

金属材料与热处理(最全)精编课件

Miss杨
2019-05-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《金属材料与热处理(最全)精编课件ppt》,可适用于工程科技领域

精品课程金属材料与热处理绪论  本课程的性质  本课程的主要内容   学习目的与要求          绪论本课程的性质《工程材料》课程是机械设计制造及自动化专业的一门必修课是一门重要的技术基础课。计划讲课:学时实验:学时学分:个。工程材料主要是指机械、船舶、建筑、化工、交通运输、航空航天等各项工程中经常使用的各类材料。工程材料金属材料非金属材料黑色金属材料:钢和铸铁有色金属材料高分子材料铜及铜合金滑动轴承合金陶瓷材料复合材料铝及铝合金工程材料的分类当今社会科学技术突飞猛进新材料层出不穷但到目前为止在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。金属材料的性能使用性能加工工艺性能机械性能:强度、硬度、塑性、韧性等铸造性能:流动性、收缩性等锻造性能:压力加工成型性等切削加工性能:车、铣、刨、磨的切削量光洁度等物理性能:导电、导热、电磁、膨胀等化学性能:抗氧化性、耐腐蚀性等焊接性能:熔焊性、焊缝强度、偏析等热处理性能:淬透性、回火稳定性等金属材料具有良好的机械性能是由它的成分和内部结构与组织所决定的。金属材料的结构是其晶体结构的简称它指的是构成金属材料的质点(如分子、原子或离子等)的具体组合状态、结合方式和排列情况。金属材料的组织是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌故也称为显微组织。本课程的主要内容本课程共设章可分为五个部分:金属学部分:~章为金属学基础知识主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律热处理部分:章主要包括钢的热处理原理与工艺两方面金属材料部分:~章这部分主要结合金属学与热处理基本知识非金属材料部分:~章这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分:第章主要介绍材料的常用机械性能指标和机械零件的失效形式、原因与分析方法本教材按编者安排全书讲课共需学时实验学时。这与我校实际教学计划相差较大故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩。为了尽量保证课程体系的完整性我们重点介绍~章内容~章内容根据教学进度与时间只作简单介绍。学习目的与要求了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。了解和掌握各类工程材料的牌号、成分组织与性能之间的相互关系及其变化规律。能正确选择常用工程材料合理制订其生产工艺流程。第章金属的结构与结晶  基本概念与金属的特征   晶体结构    实际金属晶体中的晶体缺陷     纯金属结晶的基本概念           金属的结构与结晶基本概念金属材料是指金属元素与金属元素或金属元素与少量非金属元素所构成的具有一般金属特性的材料统称为金属材料。晶体组成固态物质的最基本的质点(如原子、分子或离子)在三维空间中作有规则的周期性重复排列即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如:金属天然金刚石结晶盐水晶冰等非晶体组成固态物质的最基本的质点在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如:玻璃松香等。*金属键是金属原子之间的结合键它是大量金属原子结合成固体时彼此失去最外层子电子(过渡族元素也失去少数次外层电子)成为正离子而失去的外层电子穿梭于正离子之间成为公有化的自由电子云或电子气而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力(库仓引力)这种结合方式称为金属键如图所示。金属键*金属的特征金属材料主要以金属键方式结合从而使金属材料具有以下特征:)良好的导电、导热性)正的电阻温度系数)不透明有光泽)具有延展性*晶体结构不管是金属晶体还是非金属晶体其晶体结构如何与组成晶体的物质质点(可以是原子、分子或离子也可以是原子群分子群或离子群的中心)的具体排列方式和规律有关。科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述。*晶体结构模型按晶体结构模型提出的先后可将晶体结构模型分为球体模型、晶格模型和晶胞模型。a球体模型b晶格模型c晶胞模型*晶系与空间点阵晶系是晶体分类的一种方式具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系。根据晶胞特征参数的不同晶体可分为七大晶系:见表即三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。空间点阵将组成晶体的物质质点进一步抽象为几何点这些几何点在三维空间周期性、规则地排列成的阵列称为空间点阵或布喇菲点阵而这些几何点称为阵点或结点。*表晶系及空间点阵晶系与空间点阵:根据每个阵点具有相同的周围环境(距离、位向)空间点阵只能有种它分属上述七个晶系如右图所示。其中有种为简单晶胞种为复杂晶胞或复合晶胞。*同一种空间点阵可以有无限种实际晶体结构。见图(a)(b)(c)三种不同的晶体结构都属于(d)这种空间点阵。因此可以说空间点阵是有限的(只能有种)而晶体结构是无限的可以有很多种。纯金属的三种典型晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构其中最典型的为体心立方结构(bcc)、面心立方结构(fcc)和密排六方结构(hcp)如图:a体心立方b面心立方c密排六方*三种典型晶体结构的形貌体心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子在体中心有一个原子每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有alphaFe,Cr,Mo,W,V等。面心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子每个面的中心各有一个原子属于这种晶体结构的纯金属有AlCuAuAgNiPbgammaFe等。密排六方结构它是在六棱柱体晶胞的十二个顶角上各有一个原子上下顶面中心各有一个原子在六棱柱中三个相间的三棱柱中心各有一个原子属于这种晶体结构的纯金属有Mg,Zn,Cd等。*)单位晶胞原子数即一个晶胞所含的原子数目。)原子半径是利用晶格常数算出晶胞中两相切原子间距离的一半。)配位数是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目配位数越大原子排列的越紧密。)致密度是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比其表达式为K=nvVKmdash致密度nmdash单位晶胞原子数vmdash每个原子的体积Vmdash晶胞体积致密度越大原子排列越紧密。)间隙半径指晶格空隙中能容纳的最大球体半径。因为相同尺寸的原子既使按最紧密方式排也会存在空隙。描述金属晶体结构的一些重要参数*三种典型晶体结构的重要参数小结晶格类型单位晶胞原子数原子半径配位数致密度间隙半径体心立方radicagamma面心立方radicagamma密排六方agamma*金属晶体中晶面和晶向的表示晶面:是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面。晶向:是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线。晶面指数:表示晶面在晶体中方位的符号。晶向指数:表示晶向在晶体中方向的符号。*晶面指数的确定a建立坐标,找出所求晶面的截距(坐标原点不可设在所求晶面上)所求晶面与坐标轴平行时,截距为infinb取晶面与三个坐标轴截距的倒数c将所得倒数按比例化为最小整数放入圆括号内即得所求晶面的晶面指数一般用(hkl)表示。*对于立方晶系由于其对称性高所以可将其原子排列情况相同而空间位向不同的晶面归为同一个晶面族用{hkl}表示。如()()()就属于{}晶面族。而()()()(ī)(ī)(ī)就属于{}晶面族。()(ī)(ī)(ī)就属于{}晶面族。对于非立方晶系由于其对称性较差所以其晶面指数数字相同而排列次序不同的晶面不属于同一个晶面族。如在正交晶系中()()()晶面就不属于同一个晶面族{}因为其晶格常数anebnec。*晶向指数的确定a建立坐标,将所求晶向的一端放在坐标原点上(或从坐标原点引一条平行所求晶向的直线)b求出所求晶向上任意结点的三个坐标值c将所得坐标值按比例化为最小整数放入方括号内即得所求晶向的晶向指数一般用uvw表示。对于立方晶系由于其对称性高。也可将其原子排列情况相同而空间位向不同的晶向归为一个晶向族用uvw表示如晶向属于晶向族。*金属晶体的各向异性()单晶体:由一个晶核所长成的大晶体,它的原子排列方式和位向完全相同,这样的晶体称为单晶体。()各向异性:是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象。*()多晶体:由许多晶核长成的大晶体因各晶核的原子排列方式相同而位向不同因此在各晶核长成的晶粒交界处存在着晶界所以多晶体由许多晶粒组成多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体它具有各向异性。由于各晶粒位向不同因此它们的各向异性相互抵消表现为各向同性多晶体的这种现象称为伪等向性(伪无向性)。非晶体由于原子排列无规则所以沿各不同方向测得的性能相同表现为各向同性*实际金属晶体中的晶体缺陷()理想晶体:是指晶体中原子严格地成完全规则和完整的排列在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。()实际晶体:多晶体晶体缺陷()晶体缺陷:是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域按其几何尺寸特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。*点缺陷的概念:是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。点缺陷的类型:主要有四类即空位间隙原子(有同类和异类之分)置换原子(大小之分)复合空位。点缺陷的概念*线缺陷线缺陷的概念:是晶体中在一维方向上尺寸很大而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷它的主要形式是位错。位错:是晶体中一列或若干列原子发生某种有规律的错排现象。它的类型很多主要有刃型位错螺型位错和混合型位错等。*刃型位错螺型位错*面缺陷:是指晶体中在二维方向上尺寸很大而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。面缺陷的类型:主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。晶界:是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面由于各晶粒中原子排列方式相同(如都是体心立方)只是晶格位向不同因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡而使过渡层处的原子总是不能规则排列产生晶格畸变所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。面缺陷*根据晶体中各晶粒之间的位向差theta不同又可将晶界分为大角度晶界(thetadeg)和小角度晶界(thetadeg)两类。*亚晶界:是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界位向差theta一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。对称倾側晶界*扭转晶界*纯金属结晶的基本概念物质由液态rarr固态的过程称为凝固,由于液态金属凝固后一般都为晶体,所以液态金属rarr固态金属的过程也称为结晶。*液态金属的结构()是近程有序远程无序结构()存在着能量起伏和结构起伏结晶过程的宏观现象研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中加热熔化后切断电源用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线该曲线称为冷却曲线或热分析曲线。由该曲线可以看出液态金属的结晶存在着两个重要的宏观现象。 结晶过程的宏观现象结晶过程中存在过冷现象结晶过程中要释放出结晶潜热冷却曲线TTn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=TTn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度(克服界面能)*冷却速度越大则过冷度越大。*金属结晶的微观基本过程液态金属形核晶核长大完全结晶结晶是:形核和晶核长大的过程* 金属结晶的热力学条件结晶只有在系统自由能DeltaG降低的条件下才可以发生只有存在过冷度DeltaT的条件下才可能存在DeltaGle形核和长大两种形核方式mdashmdash自发形核(均质形核)与非自发形核(异质形核)自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。自发形核难度大需要的过冷度达Tm非自发形核mdashmdash是依附于外来杂质上生成的晶核。非自发形核难度小需要的过冷度为Tm*()晶核长大过程两种长大方式mdashmdash平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长*温度梯度的影响正温度梯度下是平面生长负温度梯度下是树枝状生长细化晶粒的措施 提高过冷度  变质处理   振动结晶*()提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关系TGNGN*()变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用:作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。()振动结晶振动的作用:使树枝晶破碎晶核数增加晶粒细化。mdashmdash机械振动、超声振动或电磁搅拌等。*第章二元合金的相图及结晶由于纯金属的机械性能比较低很难满足机械制造业对材料性能的要求尤其是一些特殊性能如高强度、耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等的要求加上它冶炼困难价格昂贵所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金。合金的性能比纯金属的优异主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同而合金的组织是合金结晶后得到的合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料也是制订各种热加工工艺的重要理论依据所以本章着重介绍合金的结构与相图。概述在实际工业中广泛使用的不是前述的单组元材料而是由二组元及以上组元组成的多元系材料。多组元的加入使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂这为材料性能的多变性及其选择提供了可能。二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下相与温度、成分之间关系的工具它已在金属、陶瓷以及高分子材料中得到广泛的应用在多元系中二元系是最基本的也是目前研究最充分的体系。组元与相的概念组元组成合金的独立的最基本单元。例如:元素、稳定化合物。如FeC合金中Fe、C均为组元。①相:指具有相同结构相同成分和性能(也可以是连续变化的)并以界面相互分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相mdashmdash固溶体和化合物②组织:指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像一般用肉眼观察到的称为宏观组织用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织。③合金系:由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金为一个合金系统简称为合金系。固溶体固溶体概念合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。如Fe(C)固溶体。溶解度概念*固溶体类型*固溶体分类置换固溶体有限互溶无限互溶有序无序间隙固溶体固溶体的性能:固溶强化物理性能:随溶质原子含量的加固溶体合金的电阻温度系数减小导电性darr电阻uarr形成固溶体使属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变*晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变*金属化合物化合物类型合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相正常价化合物mdashmdash按化合价规律形成如MgSi。间隙化合物mdashmdash过渡金属小半径非金属元素电子化合物mdashmdash按电子浓度规律形成如CuAl。{间隙相r非r金如WC、TiC、VC复杂结构的间隙化合物r非r金如FeC、CrC间隙化合物熔点高、硬度高脆性大。*二元合金的相图及结晶相图的基本知识二元匀晶相图二元共晶相图二元包晶相图组元间形成稳定化合物的相图由二元相图判断合金的性质本章要求熟悉几种基本相图: 匀晶相图(CuNi合金相图)共晶相图(PbSn合金相图)包晶相图(PtAg合金相图)相律杠杆定律及其应用:二元合金相图中的几种平衡反应:共晶反应、包晶反应、共析反应二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。AABABLLBbetaalphabetaalphaLalphaLalphaLalphaalphaLbetaLbetaalphabetaalphabetaL三个不同类型的二元相图相图:描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。二元相图用途:在热力学平衡条件下根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量以及成分和温度变化时可能发生的变化。第二节相图的基本知识相律相图的表示与建立杠杆定律相律)相律:热力学平衡条件下系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。在分析和研究相图时,相律能定量地表示出系统的自由度数与组元数和相数之间的关系,系统的自由度数是它的可变因素(也称变量,温度、压力和相的成分)的数目,这些因素在一定的范围内可以任意改变而不使任何原有的相消失.也不产生任何新相。)表达式:f=cp压力一定时f=cp。式中:f为自由度数C为组元数P为相数。)应用:可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系个二元系个。可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行二元合金变温进行)状态与成分表示法状态表示:温度-成分坐标系:二元相图采用两个坐标轴,纵坐标用来表示温度,横坐标用来表示成分。令A和B代表合金的两个组元,则横坐标的一端代表纯组元A,另一端代表纯组元B,任何一个由A,B二组元组成的合金,其成分都可以在横坐标上找到相应的一点坐标系中的点称表象点成分表示:合金的成分可以用质量分数或原子百分数表示。一般情况下,如果没有特别的注明,都是指质量分数。相图的表示与建立)相图的建立二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。方法:测定材料临界点有动态法和静态法两种方法如前者有热分析、膨胀法、电阻法等后者有金相法、X射线结构分析等。相图的精确测定必须由多种方法配合使用。过程:配制合金-测冷却曲线-确定转变温度-填入坐标-绘出曲线。CumdashNi相图测定下面以热分析法为例说明如何测绘CumdashNi相图其步骤如下:按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的CumdashNi合金。测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。求出各冷却曲线上的临界点。纯Cu、纯Ni的冷却曲线上有一平台表示其在恒温下凝固。合金的冷却曲线上没有平台而为二次转折温度较高的折点表示凝固的开始温度而温度低的转折点对应凝固的终结温度。将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中每个临界点在二元相图中对应一个点。连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)就得到了CumdashNi合金的二元相图。由图可见:纯组元Cu和Ni的冷却曲线相似都有一个水平台表示其凝固在恒温下进行凝固温度分别为℃和℃。其他条二元合金曲线不出现水平台而为二次转折温度较高的转折点(临界点)表示凝固的开始温度而温度较低的转折点对应凝固的终结温度。这说明个合金的凝固与纯金属不同是在一定温度范围内进行的。由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线。为了精确测定相变的临界点用热分析法测定时必须非常缓慢冷却以达到热力学的平衡条件一般控制在每分钟~℃之内。杠杆定律杠杆定律可用来计算处于两相平衡的二元合金中,每个相的质量分数或两个相的质量比。alpha和beta两相共存时可用杠杆法则求出两相的相对量:因为WLWa=W有:alpha相的相对量为:alpha=(x-xa)(xb-xa)beta相的相对量为:beta=(xb-x)(xb-xa)应用:()确定两平衡相的成分(浓度)。 ()确定两平衡相的相对量。注意:只适用于两相区三点(支点和端点)要选准。第二节二元匀晶相图匀晶相图及其分析固溶体合金的平衡结晶固溶体的不平衡结晶匀晶相图及其分析)匀晶转变:由液相直接结晶出单相固溶体的转变。具有匀晶转变特征的相图称匀晶相图。2)相图分析:由凝固开始温度连接起来的线成为液相线由凝固终了温度连接起来的线成为固相线相图中由相界线划分出来的区域称为相区表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元合金系中有:单相区(singlephaseregion)单相区内f=T和成分都可变两相区(twophaseregion)双相区内、f=T和成分只有一个可以独立变化三相区(threephaseregion)若三相共存、f=T和成分都不变属恒温转变平衡结晶:   是指凝固过程是在无限缓慢地冷却原子(组元)扩散能够充分进行以达到相平衡的成分。这种凝固方式所得到的组织称为平衡组织研究平衡结晶过程包括:)冷却曲线:温度-时间曲线)相(组织)与相变(各温区相的类型、相变反应式杠杆定律应用))组织示意图固溶体合金的平衡结晶下图是该合金平衡结晶时的组织变化示意图:以Ⅰ点成分的CumdashNi合金(Ni的质量分数为b)为例分析结晶过程。冷却时遇到液相线开始结晶遇到固相线结晶终止形成单相均匀固溶体。随温度下降固相成分沿固相线变化液相成分沿液相线变化且液相成分减少固相成分增加直至结晶完毕。在结晶过程中每一温度其液相、固相成分和相对量可由该温度下作水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出。平衡结晶过程分析在两相区内温度一定时两相的质量比是一定的如在温度T时两相的质量比可用下式表达:式中QL为相的质量Qalpha为alpha相的质量bcl、acl为线段长度可用其横坐标上的数字来度量。上式亦被称为杠杆定律。由杠杆定律可算出在T时液相和固相在合金中的质量分数:运用杠杆定律时要注意它只适用于相图中的两相区并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点而支点为合金的成分点。)固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不同。上述结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶(又称选择结晶)纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母相化学成分完全一样称为同分结晶)固溶体凝固需要一定的温度范围在此温度范围内只能结晶出一定数量的固相。固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点:固溶体结晶时成分是变化的如果冷却较快原子扩散不能充分进行则会形成成分不均匀的固溶体。使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。固溶体的不平衡结晶)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快在每一温度下不能保持足够的扩散时间使凝固过程偏离平衡条件称为非平衡凝固(结晶)。)非平衡凝固(结晶)得到的组织称为不平衡组织。()固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同有一定的偏离(固相成分按平均成分线变化)其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大其偏离程度越严重冷却速度越小偏离程度越小越接近于平衡条件。()先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。()非平衡结晶条件下凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。通过对非平衡凝固分析得到如下结论:)固溶体非平衡结晶时由于从液体中先后结晶出来的固相成分不同结果使得一个晶粒内部化学成分不均匀这种现象称为晶内偏析。)由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶枝晶干含有高熔点组元多而枝晶间含有低熔点的组元多导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同故称为枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降易引起晶间腐蚀降低合金的抗蚀性能。枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能力相图形状有密切关系:)在其它条件不变时V冷越大晶内偏析程度严重但得到枝晶较小。如果冷速极大致使偏析来不及发生反而又能够得到成分均匀的铸态组织。)偏析元素在固溶体中扩散能力越小相图上液、固相线间距离的间隔愈大形成树枝晶状偏析的倾向愈大。要消除枝晶偏析采用均匀化退火(扩散退火)二元共晶相图及合金凝固共晶相图:具有共晶转变特征的相图。共晶转变:由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。(液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶且发生共晶反应。共晶转变产物称共晶组织(是两相混合物)共晶相图分析相图中有三个基本相:液相L、固相alpha、固相beta相图中有相线:液相线、固相线和共晶转变线。共晶转变线是一条水平线是L、alpha和beta三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共晶反应:共晶点:发生共晶转变的液相成分点E称为共晶点或共晶成分相图中相区:三个单相区L相区、alpha相区和beta相区三个双相区Lalpha相区、Lbeta相区、alphabeta相区一条三相共存线(MEN)Lalphabeta合金的平衡结晶及其组织合金Ⅰ的平衡结晶过程Wsn%的合金)凝固过程)室温组织(alpha+betaⅡ))计算相对量。运用杠杆定律两相的质量分数为:合金室温组织由alpha和betaⅡ组成和即为组织组成物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质一定形成机制的特殊形态的组织部分合金的室温组织全部为共晶体即只含一种组织组成物(即共晶体)而其组成相仍为alpha和beta相。合金Ⅱ的结晶过程合金的室温组织组成为初生alphabetaⅡ(alphabeta)合金的组成相为alpha和beta。合金Ⅲ的结晶过程二元包晶相图及合金凝固包晶转变:由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。包晶相图:具有包晶转变特征的相图。相图分析线:固相线、液相线、水平线(DPC)为包晶转变线包晶线仅有DP为固相线而PC为液相线固溶度曲线。包晶转变线上的合金在该温度下发生包晶转变:Lbalphad=betaP相区:三个单相区L相区、alpha相区和beta相区三个双相区Lalpha相区、Lbeta相区、alphabeta相区三相共存于dpb线Lalphabeta包晶线与共晶线不同之处在于:共晶线为固相线线上的合金在共晶温度全部凝固完毕其组织为两相混合物。包晶线仅有dp为固相线而db为液相线。()包晶合金的结晶(p)结晶过程:LrarrLalphararrLalphabetararrbetararralphaⅡbeta发生包晶反应:LcalphaD=betaP为恒温反应匀晶反应+包晶反应+脱溶转变室温组织:alphaⅡbeta平衡结晶过程及其组织()包晶点(P)以右合金(pb)结晶过程:LrarrLalphararrLalphabetararrLbetararrbetararralphaⅡbeta匀晶反应+包晶反应+匀晶反应+脱溶转变碰到PC发生包晶反应:Lcalphad==betap为恒温反应室温组织:alphaⅡbeta()包晶点(P)以左合金(dp)结晶过程:LrarrLalphararrLalphabetararralphabetararralphabetaalphaⅡbetaⅡ匀晶反应+包晶反应+脱溶转变碰到dP发生包晶反应:LcalphaD=betaP为恒温反应室温组织:alphabetaalphaⅡbetaⅡ具有化合物的二元相图具有偏晶转变的相图具有合晶转变的相图具有熔晶转变的相图具有固态转变的二元相图组元间形成稳定化合物的相图组元间形成稳定化合物的相图Mg-Si相图具有偏晶转变的相图CuPb相图具有固态转变的二元相图由二元相图判断合金的性质相图与合金硬度、强度及电导率之间的关系根据相图判断合全的使用性能形成两相机械混合物的合金其性能是两组成相性能的平均值即性能与成分呈线性关系。固溶体的性能随合金成分呈曲线变化。当形成稳定化合物(中间相)时其性能在曲线上出现奇点。另外在形成机械混合物的合金中各相的分散度对组织敏感的性能有较大的影响。根据相图判别合金的工艺性能由于共晶合金的熔点低并且是恒温转变熔液的流动性好凝固后容易形成集中缩孔合金致密因此铸造合金宜选择接近共晶成分的合金。固溶体合金的流动性差不如共晶合金和纯金属而且液相线与固相线间隔越大即结晶温度范围越大树枝晶易粗大对合金流动性妨碍严重由此导致分散缩孔多合金不致密而且偏析严重同时先后结晶区域容易形成成分的偏析。阶段思考题简述合金相的分类固溶体与纯金属相比有何结构、性能特点?固溶体与纯金属的结晶有何异同?试述匀晶系不平衡结晶的过程(平均成分线的形成、两种偏析)分析共晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。分析两种合金平衡冷却过程指出其室温组织。第章铁碳合金和铁碳相图本章课程目的要求通过讲授铁碳合金相图使学生掌握:合金相图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。从中可以了解碳钢和铸铁的成分(含碳量)组织和性能之间的关系。它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据而且是钢和铸铁热处理的理论基础。铁碳合金和铁碳相图铁碳合金中的组元和基本相FeFeC相图典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的成分-组织-性能关系铁碳相图在工业中的应用工业纯铁:塑性较好强度较低具有铁磁性在一般的机器制造中很少应用常用的是铁碳合金铁素体(F):碳溶于Fe中的一种间隙固溶体体心立方晶体结构组织和性能与工业纯铁相同奥氏体(A):碳溶于Fe中的一种间隙固溶体具有面心立方晶体结构塑性好变形抗力小易于锻造成型铁碳合金中的组元和基本相*渗碳体:铁和碳的金属化合物(即FeC)属于复杂结构的间隙化合物硬而脆强度很低耐磨性好是一个亚稳定的化合物在一定温度下可分解为铁和石墨珠光体(P):铁素体和渗碳体的机械混合物是两者呈层片相间的组织即层片状组织特征可以通过热处理得到另一种珠光体的组织形态五个单相区:ABCD以上液相区(L)AHNA固溶体区()NJESGN奥氏体区(A)GPQ以上铁素体区(F)DFKL渗碳体区(FeFeC)七个两相区(两相邻的单相区之间):L,LA,LFeC,A,FA,AFeC,FFeCFeFeC相图恒温转变线包晶反应:HJB水平线LB+H(deg)AJ包晶反应仅可能在含碳量~%的铁碳合金中其结果生成生成奥氏体共晶反应:ECF水平线Ae+FeC(deg)Lc共晶反应可在含碳量~%的铁碳合金中形成奥氏体与渗碳体的共晶混合物称为莱氏体C点为共晶点含碳量为%,温度度共析反应:PSK线AsFp+FeC(deg)所有含碳量超过%的铁碳合金均能发生共析反应。其结果形成铁素体和渗碳体的共析和渗碳体的共析混合物称为珠光体(P)。根据杠杆定律可以求出铁素体和渗碳体的相对重量为:F(%)=()dividetimes%=%FeC(%)=-%=%主要转变线GS线-不同含碳量的合金有奥氏体开始析出铁素体(冷去时)或铁素体全部溶于奥氏体(加热时)的转变线常用A表示ES线-碳在奥氏体中的固溶体。常用Acm表示含碳量大于%的铁碳合金自deg冷至deg从奥氏体析出渗碳体称二次渗碳体PQ线-碳在铁素体中的固溶线铁碳合金由deg冷却至室温时将从铁素体析出渗碳体称为三次渗碳体典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织纯铁(﹤C)钢(~C)亚共析钢(~C)共析钢(C)过共析钢(C~C)过共晶白口(~C)共晶白口铁(C)亚共晶白口铁(~C)白口铸铁(~C)共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁工业纯铁F工业纯铁FP  亚共析钢P(片状)   共析钢P(粒状) 共析钢PFeCп过共析钢 亚共晶白口铁PFeCпLeacute共晶白口铁Leacute 过共晶白口铁LeacuteFeCI按组织分区的铁碳合金相图铁碳合金的成分-组织-性能关系亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成随含碳量的增加。其组织中珠光体的数量随之增加因而强度、硬度也升高塑性、韧性不断下降。过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成随着钢中含碳量的增加其组织中珠光体的数量不断减少而网状二次渗碳体的数量相对增加因因强度、硬度上升而塑性、韧性值不断下降。但是当钢中Wc﹥%时二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态此时虽然硬度继续增高但因网状二次渗碳体割裂基体故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧性则随着含碳量的增加而不断降低含碳量对力学性能的影响铁碳相图在工业中的应用、在选材方面的应用:根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。、在铸造生产上的应用:参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度通常浇注温度在液相线以上-℃。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。、在锻压生产上的应用:锻扎温度控制在单相奥氏体区。、在热处理生产上的应用:热处理工艺的加热温度依据铁碳相图确定。第章金属及合金的塑性变形与再结晶  金属及合金的塑性变形  塑性变形对金属组织和性能的影响    金属与合金的回复与再结晶     金属的热加工           金属及合金的塑性变形与再结晶金属与合金的塑性变形金属及合金变形的三个阶段三个阶段:sigmalesigmae:弹性变形阶段sigmas<sigmalesigmab:(均匀)塑性变形阶段sigma>sigmab:不均匀塑性变形阶段(断裂阶段)*力学性能指标:sigmaeshymdash弹性极限sigmasmdash屈服极限sigmabmdash强度极限断裂方式:根据塑变阶段长短分:脆性断裂韧性断裂根据断裂路径分:沿晶断裂穿晶断裂*单晶体金属的塑性变形)单晶体的塑变主要是通过滑移实现的()滑移的概念切应力作用下原子面之间相对错动一个原子间距()滑移线和滑移带滑移留下的痕迹()滑移系滑移面数与滑移方向数的乘积:晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶向进行。不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向是不同的:BCC:是()滑移系数times=FCC:是()times=HCP:是()times=滑移系数目越多晶体越容易变形同滑移系数目则滑移方向越多越容易变形()临界分切应力外力在滑移面上分切应力足够大时方能滑移tau=Fcoslambda(Acosphi)=(FA)coslambdacosphi=sigmacoslambdacosphi仅当taugetau临才能产生滑移()滑移时的晶体转动*()滑移是由位错运动造成的孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变产生塑性变形。黄铜中的孪晶*多晶体的塑性变形)与单晶体塑变的异同同:都主要依靠滑移异:存在不同时性需相互协调)塑变过程:软取向的晶粒先滑移rarr晶界处位错塞积rarr产生应力集中rarr相邻晶粒滑移there滑移系数目多越有利塑变)晶粒细化:rarr强度uarr且塑韧性uarr*晶界原子排列较不规则阻碍位错运动使形抗力增大。 晶粒小rarr晶界多rarr变形抗力大rarr强度硬度uarr(细晶强化) 晶粒小rarr变形分散应力集中小rarr塑性uarr韧性uarr晶粒大小与屈服强度的关系:sigmas=sigmaikyd()霍尔配奇公式合金的塑性变形)单相固溶体合金:与纯金属相近有固溶强化)两相合金:(i)两相性能相近时:变形与多晶相似(ii)第二相硬而脆:除与相对量有关外还与第二相形态及分布有关网状层片状颗粒状*合金的塑性变形单相固溶体的塑性变形:溶质原子的溶入导致晶格畸变从而产生固容强化两相合金的塑性变形:)脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度、塑性下降(网状二次渗碳体))脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强化(珠光体))脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合金强化。塑性变形对金属组织和性能的影响对组织结构的影响)组织:①晶粒变形如图所示(rarr可能产生各向异性)*)亚结构:位错密度增加形成位错胞(rarr加工硬化)②可能会产生变形织构(rarr各向异性)*对内能的影响mdashmdash产生残余内应力)残余内应力的含义:)残余内应力的形式:宏观内应力微观内应力晶格畸变能)残余内应力对性能影响:①一般有害:变形、开裂、应力腐蚀②有利方面:畸变能rarruarr强度表面残留压应力rarruarr接触疲劳寿命*对性能的影响)加工硬化:利:①强化手段②提高塑性成形性(冷拉)③提高安全性弊:使进一步加工难(阻力大开裂))各向异性:有利有弊)物理、化学性能:电阻增加耐蚀性下降*金属与合金的回复与再结晶变形金属加热时的组织转变*回复)特征:温度低光学显微组织未变化亚结构发生了变化(位错、点缺陷密度降低甚至出现亚晶界三个阶段))性能:力性变化不明显(强硬度到高温回复阶段有所降低但不大)内应力部分消除导电率升高*再结晶)特征:温度较回复更高(纯金属:TRasympTm)重新形核长大无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒)性能:强硬度显著降低塑韧性显著提高(变形前水平)内应力完全消除。)结晶驱动力:塑性变形贮存的能量)再结晶温度:取决于材料、合金成分、变形度、加热速度等*预变形度的影响晶粒长大机制:界面能降低是驱动力类型:均匀长大异常长大(二次再结晶)性能:强硬度进一步降低塑韧性提高但若严重粗化则降低控制:通过变形度、温度、时间的控制防止过分长大*回复退火与再结晶退火)温度)目的)再结晶退火晶粒度的控制①加热温度和保温时间②冷变形度。一般:变形度uarrrarr畸变能uarrrarr细化不能太大或太小*金属的热加工热加工的概念)定义:再结晶温度是冷热加工的分界点热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程注意冷热的概念:W:℃,Sn:℃)现象:同时存在硬化和软化现象mdashmdash动态硬化、动态软化,热加工因再结晶而及时消除了加工硬化)应用*热加工对金属组织和性能的影响)可改善铸态组织提高机械性能:焊合气孔、疏松碎化柱状晶和粗大碳化物细化晶粒)可能会出现纤维组织:夹杂物、第二相、偏析沿变形方向被拉长及分布利弊。)可能会出现带状组织*热加工金属晶粒组织控制)温度范围:始锻:固相线以下℃终锻:Tm以上)变形量)锻后冷却*第章钢的热处理 热处理的概念  钢在加热时的转变   钢在冷却时的转变    钢的普通热处理     钢的表面热处理      钢的化学热处理      钢的热处理把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。* 钢在加热时的转变临界温度平衡时:A、A、Acm加热时:Ac、Ac、Accm冷却时:Ar、Ar、Arcm*.奥氏体的形成mdashmdashFeC原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac以上时PrarrA共析钢A化过程mdashmdash形核、长大、FeC完全溶解、C的均匀化。亚(过)析钢的A化mdashmdashPrarrA首先是先共析F或FeCⅡ溶解。*影响A转变速度的因素加热温度和速度uarrrarr转变快Cuarr或FeC片间距darrrarr界面多形核多rarr转变快合金元素rarrA化速度uarr或darrA晶粒度:起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度  加热温度保温时间uarrrarr晶粒尺寸darr  合金碳化物uarrCdarrrarr晶粒尺寸darr* 钢在冷却时的转变:.过冷A的等温转变.过冷A的连续冷却转变*过冷A的等温转变过冷A:TA时A不稳定。A等温转变曲线(TTT或C曲线)共析钢的C曲线高温转变A~℃  过冷ArarrP型组织中温转变℃~MS 过冷Ararr贝氏体(B)低温转变MS~Mf 过冷Ararr马氏体(M)*高温P转变过程mdashmdash晶格改变和FeC原子扩散。*P型组织mdashmdashF层片状FeC珠光体P索氏体S屈氏体T层片间距:PST*中温转变(℃~MS)mdashmdashC原子扩散Fe原子不扩散过冷Ararr贝氏体B(碳化物含过饱和C的F):上B~℃产物mdashmdash羽毛状小片状FeC分布在F间。上B强度和韧性差*下B℃~MS产物:下B韧性高综合机械性能好。F针内定向分布着细小FeC颗粒电子显微照片timesT钢下B黑色针状光学显微照片times*马氏体(M)转变特点)无扩散Fe和C原子都不进行扩散M是体心正方的C过饱和的F固溶强化显著。)瞬时性M的形成速度很快温度darr则转变量uarr)不彻底M转变总要残留少量AA中的Cuarr则MS、Mfdarr残余A含量uarr)M形成时体积uarr造成很大内应力。*M的形态C时为板条M(低碳M)。C时为针状M。C=~时为混合M。*M的性能CuarrrarrM硬度uarr针状M硬度高塑韧性差。板条M强度高塑韧性较好。*亚(过)共析钢过冷A的等温转变与共析钢相比C曲线左移多一条过冷AF(FeCⅡ)的转变开始线且Ms、Mf线上(下)移。*过冷A的连续冷却转变连续冷却转变(CCT)曲线PsmdashmdashArarrP开始线PfmdashmdashArarrP终止线KK#mdashmdashP型转变终止线Vkmdashmdash上临界冷却速度Vk#mdashmdash下临界冷却速度MSmdashmdashArarrM开始温度MfmdashmdashArarrM终止温度*连续冷却转变产物CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有ArarrB转变炉冷rarrP(Vasymp0)空冷rarrS(VleVk#)油冷rarrTMA#(Vk#~Vk)水冷rarrMA#  (VgeVk)*亚共析钢连续冷却转变炉冷rarrFP空冷rarrFS油冷rarrTM水冷rarrM*过共析钢连续冷却转变炉冷rarrPFeCⅡ空冷rarrSFeCⅡ油冷rarrTMA#水冷rarrMA#*转变温度对共析钢硬度和韧性的影响按转变温度的高低转变产物分别是:P、S、T上B、下B、M其硬度依次增加。* 钢的普通热处理.退火 .正火  .淬火   .回火*.退火  加热、保温后缓冷(炉冷)rarr近平衡组织P(F或FeCII)完全退火(亚共析钢) 加热温度Ac~℃ 缓冷rarrFP目的:  细化晶粒均匀化组织  降低硬度rarr切削性uarr等温退火: 等温转变rarrFP再缓冷球化退火(过共析钢)  在Ac1~℃等温 使FeCⅡ球化再缓冷rarr 球状P(F球状Cm)目的: 硬度darr,切削性uarr,韧性uarr*扩散退火  加热至略低于固相线目的:使成分、组织均匀再结晶退火:  加热温度TR~℃目的:消除加工硬化去应力退火  加热温度<Ac  一般为~℃目的: 消除冷热加工后的内应力2.正火应用:)钢的最终热处理  细化晶粒组织均匀化增加亚共析钢中P(S)rarr强度、韧性、硬度uarr)预先热处理mdashmdash淬火、球化退火前改善组织。 )增加低碳钢的硬度以改善切削加工性能。加热温度Ac(Accm)~℃空冷rarrS(F或FeCII)*.淬火(蘸火)加热到Ac、Ac以上保温快速冷却rarrM。淬火温度)亚共析钢Ac~℃)过共析钢Ac~℃rarrMFeCIIA#硬度大。A中CdarrrarrM脆性darr残余Adarr淬火温度低rarrM细小淬火应力小。*冷却介质 冷却速度:盐水>水>盐浴>油淬火方法单介质淬火:水、油冷双介质淬火:水冷油冷分级淬火:>Ms盐浴中均温+空冷等温淬火(在盐、碱浴中)rarr下B*钢的淬透性  淬火时得到M的能力取决于临界冷却速度VK。淬透性的应用按负载选择不同淬透性的材料。淬硬性:淬火后获得的最高硬度Cuarrrarr淬硬性uarr影响淬透性的因素除Co外合金使VKdarr,淬透性uarr(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较*.回火  淬火后加热到Ac以下保温冷却。目的:消除淬火应力调整性能。低温回火(~℃)rarr回火M(过饱和F薄片状FeC)A#  淬火应力darr韧性uarr保持淬火后的高硬度。  用于高C工具钢等。中温回火

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