1、金屬材料組織和性能的控制,第二章,本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,純金屬的結(jié)晶 合金的結(jié)晶 金屬的塑性加工 鋼的熱處理 鋼的合金化 表面技術(shù),液態(tài),固態(tài)1（晶態(tài)）,一、純金屬的結(jié)晶,固態(tài)2（晶態(tài)）,一次結(jié)晶,二次結(jié)晶,重結(jié)晶,1. 純金屬的結(jié)晶,過(guò)冷現(xiàn)象,結(jié)晶條件,結(jié)晶過(guò)程,液體中原子密集堆集；大范圍原子排列不規(guī)則，局部微區(qū)瞬時(shí)出現(xiàn)有規(guī)則排列近程有序；晶胚近程有序的原子集團(tuán)；一定條件下，晶胚成為晶核。,液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu),純金屬的結(jié)晶過(guò)程,純金屬的結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)成核及長(zhǎng)大的過(guò)程。 形核率N(個(gè)/m3.s)單位時(shí)間，單位體積液體中晶核的生成數(shù)量； 長(zhǎng)大線速度G (m.s-1)單位時(shí)間晶核生長(zhǎng)的線長(zhǎng)度；晶核長(zhǎng)成晶粒

2、，晶粒之間存在晶界。,晶核的形成過(guò)程形核（nucleation） 晶核的長(zhǎng)大過(guò)程長(zhǎng)大（growth）,純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖,2. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,定義,金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。,3. 細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施,晶粒度,措施,增大金屬的過(guò)冷度 成核速率 N 晶體長(zhǎng)大速度 G 變質(zhì)處理 變質(zhì)劑 孕育劑 振動(dòng) 機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等 電磁攪拌 電磁感應(yīng)現(xiàn)象,4. 鑄錠的結(jié)構(gòu),鑄錠結(jié)構(gòu),柱狀晶區(qū),粗等軸晶區(qū),細(xì)等軸晶區(qū),鑄錠晶粒形狀的影響因素,鑄錠的缺陷,縮孔 切除 疏松 提高澆注時(shí)的液面，熱軋過(guò)程中焊合 氣孔 嚴(yán)格控制,加熱溫度、冷卻速度、鑄造溫度、

3、澆注速度等,二、合金的結(jié)晶,相圖的基本知識(shí),相 圖（Phase Diagram ）：物質(zhì)在熱力學(xué)平衡條件下，各種成分的物質(zhì)在不同溫度、壓力下相的組成、相的成分等，又稱平衡相圖 。 一個(gè)大氣壓下的溫度、成分關(guān)系,舉例說(shuō)明相圖如何建立,PbSb合金的二元相圖,表象點(diǎn),1、二元合金的結(jié)晶,本節(jié)主要介紹內(nèi)容,勻晶反應(yīng) 共晶反應(yīng) 包晶反應(yīng) 共析反應(yīng) 含有穩(wěn)定化合物的合金的結(jié)晶, 勻晶反應(yīng) （L ）,相圖分析,勻晶轉(zhuǎn)變液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程 Cu-Ni，Si-Be等，液態(tài)、固態(tài)均為無(wú)限固溶勻晶系,杠桿定理,QS=(bcab) 100%,QL=(acab) 100%,QS + QL = Q aQS +

4、bQL = cQ, 共晶反應(yīng) （L +）, 共析反應(yīng) （ +）, 包晶反應(yīng) （L+ ）,2、合金的性能與相圖的關(guān)系,相圖與合金物理、力學(xué)性能之間的關(guān)系,合金的流動(dòng)性、縮孔性質(zhì)與相圖 之間的關(guān)系,3、鐵碳合金的結(jié)晶 ,鐵碳相圖 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程 鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系 相圖的應(yīng)用,回顧：Fe的簡(jiǎn)單情況,No.26，地殼中平均含量4.2 熔點(diǎn)1538 強(qiáng)度和塑性配合較好 三個(gè)同素異構(gòu)體 770 以下具有鐵磁性,（1）鐵碳相圖,研究鋼和鑄鐵的基礎(chǔ),鐵碳合金的組元（2） Fe C 鐵碳合金中的相（5） 液相L（Fe、C的液溶體） 相 （高溫鐵素體）；1495，0.09 相 （奧氏體）

5、A、 ；1148 ， 2.11 相（鐵素體）F、；727，0.0218 Fe3C相,鐵碳合金中的點(diǎn)和線,J（包晶點(diǎn)） C（共晶點(diǎn)） S（共析點(diǎn)） ABCD：液相線；AHJECF：固相線； HJB：包晶反應(yīng)線；ECF:共晶反應(yīng)線； PSK：共析反應(yīng)線（A1）； GS：奧氏體中開始析出鐵素體的臨界溫度線（A3）； ES：碳在奧氏體中的固溶度線（Acm）； PQ：碳在鐵素體中的固溶線,包晶反應(yīng)L0.53+0.09 A0.17,共晶反應(yīng),L4.3 Le4.3（A2.11+Fe3C）,共析反應(yīng),A0.77 P0.77（F0.0218+Fe3C）,鐵碳合金的分類（依據(jù)鐵碳相圖）,（2）典型鐵碳相圖平衡結(jié)晶

6、過(guò)程,工業(yè)純鐵 w（C）0.0218 鋼0.0218 w（C）2.11 白口鑄鐵 2.11 w（C）6.69,亞共析鋼0.0218 w（C） 0.77 共析鋼w（C） 0.77 過(guò)共析鋼0.77 w（C） 2.11,亞共晶白口鑄鐵2.11 w（C） 4.3 共晶白口鑄鐵w（C） 4.3 過(guò)共晶白口鑄鐵4.3 w（C） 6.69,共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖,亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖,過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖,共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖,亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖,過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖,室溫組織（隨碳含量增大依次變化情況） F、F+P、P、P+Fe3C、 P+Fe3C +Le，、Le，、Le，+F

7、e3C、Fe3C 性能同成分之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系 如：硬度取決于組織中組成相或組織組成物的硬度和相對(duì)數(shù)量 強(qiáng)度對(duì)組織形態(tài)很敏感 塑性取決于F量,（3）鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系,碳鋼機(jī)械性能與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖（正火）,選材方面的應(yīng)用 鑄造工藝方面的應(yīng)用 確定澆注溫度，液相線以上50100，純鐵和共晶白口鑄鐵鑄造性能最好 熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用 鋼處于奧氏體狀態(tài)下強(qiáng)度底，塑性好，固相線以下100200 熱處理工藝方面的應(yīng)用 制訂熱處理工藝的重要參考,（4）相圖的應(yīng)用,鐵碳相圖只反應(yīng)鐵碳二元合金相的平衡狀態(tài)，加入其它元素，相圖將發(fā)生改變！ 鐵碳相圖反應(yīng)的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)！冷卻和加熱

8、速度較快，那么組織變化也同相圖中所示有差異！,注意！,塑性是金屬的重要特性 塑性加工方式：鍛壓、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等 塑性變形 組織結(jié)構(gòu)和性能變化,三、金屬的塑性加工,1金屬的塑性變形,1單晶體的塑性變形,滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體一部分沿一定晶面上的一定方向相對(duì)于另外一部分發(fā)生滑動(dòng) 孿生：在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生切變的變形過(guò)程,滑移,切應(yīng)力作用下發(fā)生 是內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 總變形量是運(yùn)動(dòng)方向上原子間距的整數(shù)倍 沿最密排面上的最密排方向進(jìn)行 伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng),孿生,在滑移難以進(jìn)行的時(shí)候才發(fā)生 滑移系較少的密排六方晶格結(jié)構(gòu)的金屬易發(fā)生,復(fù)雜一些 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理 晶

9、粒細(xì) -晶界多-阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)-變形抗力大-強(qiáng)度大 晶粒細(xì)-變形分散-應(yīng)力集中減少-推遲裂紋產(chǎn)生和發(fā)展-塑性變形能力強(qiáng),2多晶體的塑性變形,2塑性變形對(duì)組織和性能的影響,1）對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 纖維組織形成 亞結(jié)構(gòu)形成 形變織構(gòu)產(chǎn)生,注：變形度很大時(shí)，各晶粒位向趨于一致，產(chǎn)生一種有序化結(jié)構(gòu),絲織構(gòu) 板織構(gòu),2）對(duì)性能的影響,加工硬化現(xiàn)象（形變強(qiáng)化） 纖維組織和形變織構(gòu)造成各向異性 制耳現(xiàn)象 變壓器鐵芯100易磁化 對(duì)物理化學(xué)性能的影響 缺陷增多，殘余內(nèi)應(yīng)力增大 零件開裂 噴丸處理,2塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織 和性能的變化,回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長(zhǎng)大,回復(fù),變形金屬在較低溫度加熱時(shí)候發(fā)生 T回復(fù)（0

10、.250.3）T熔點(diǎn)（K） 缺陷大大減少，晶粒保持變形后的形態(tài)，組織不發(fā)生明顯變化。強(qiáng)度和硬度略降，塑性增高，殘余應(yīng)力大大降低 應(yīng)用：去應(yīng)力退火，降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果,再結(jié)晶,變形后的金屬在較高溫度下加熱時(shí)發(fā)生 變形晶粒重新生核、長(zhǎng)大為新的均勻、細(xì)小等軸晶 硬度、強(qiáng)度降低，塑、韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象消除，內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能恢復(fù)到變形前的狀態(tài) 新的晶粒晶格類型不變！ 再結(jié)晶溫度 再結(jié)晶后的晶粒度,再結(jié)晶溫度,T再（0.350.4）T熔點(diǎn)（K） 只適用于純金屬！ 影響因素： 預(yù)先變形度 金屬的熔點(diǎn) 雜質(zhì)和合金元素 加熱和保溫時(shí)間,再結(jié)晶晶粒的晶粒度,影響因素： 加熱溫度

11、 預(yù)先變形度,臨界變形度,晶粒長(zhǎng)大,機(jī)械性能顯著降低 應(yīng)當(dāng)避免,冷加工 變形伴隨著加工硬化，變形應(yīng)力也不斷增大 熱加工 變形同時(shí)，回復(fù)、再結(jié)晶等軟化過(guò)程也在起作用 根據(jù)變形時(shí)候溫度是否處于再結(jié)晶溫度以上來(lái)劃分！,3金屬材料的熱加工與冷加工,（1）熱加工對(duì)組織、性能的影響,熱軋時(shí)變形及再結(jié)晶示意圖,熱加工可使金屬組織、性能明顯改善,如：低碳鋼冷軋、冷拔、冷沖 沒(méi)有再結(jié)晶過(guò)程 加工硬化,（2）冷加工對(duì)組織、性能的影響,四、鋼的熱處理( Heat Treatment of Steel ),概述 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼的普通熱處理工藝 鋼的表面熱處理工藝 機(jī)械制造過(guò)程中的熱處理

12、,概述 定義： 將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫、和冷卻，從而改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。 改善金屬材料的工藝性能和使用性能 大部分機(jī)械零件都要經(jīng)過(guò)熱處理 熱處理工藝曲線,第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度 奧氏體的形成 奧氏體晶粒度及對(duì)力學(xué)性能的影響,轉(zhuǎn)變溫度( transformation temperature ),奧氏體的形成(共析鋼為例),影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素,1加熱溫度 溫度越高，奧氏體轉(zhuǎn)變速度越快 2加熱速度 速度越快，奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)娇?3鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 碳量多，滲碳體量大，相界面 大，奧氏體轉(zhuǎn)變快 4合金元素 Co、Ni加快奧氏體化；Cr、Mo、

13、V反之；Si、Al、Mn影響不大 合金鋼的加熱溫度一般都高些，保溫時(shí)間更長(zhǎng) 5原始組織 滲碳體為片狀、間距小、長(zhǎng)大速度更快,奧氏體晶粒度: 1.起始晶粒度: 珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。 2.實(shí)際晶粒度: 熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。 3.本質(zhì)晶粒度: 加熱到93010、保溫8小時(shí)、冷卻后測(cè)得的晶粒度。,影響因素,加熱溫度、保溫時(shí)間,鋼的成分,第二節(jié) 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變,鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式 過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變 過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,一.鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式,二.過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變,一) 建立共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線 - TTT曲線 ( C 曲線 ),T

14、- time T - temperature T - transformation,珠 光 體 形 貌 像,索 氏 體 形 貌 像,屈 氏 體 形 貌 像,2.貝氏體型 ( B ) 轉(zhuǎn)變 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,上貝氏體組織金相圖,350230: B下; 5060HRC;,下貝氏體組織金相圖,四) 影響 TTT 曲線形狀與位置的因素,1.奧氏體中含碳量的影響:,2.奧氏體中含合金元素的影響: 除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元素溶入奧氏體中,會(huì)引起:,3.加熱溫度和保溫時(shí)間的影響: 加熱溫度越高, 保溫時(shí)間越長(zhǎng), 碳化物溶解充分, 奧氏體成分均勻, 提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性, 從而 使 TTT曲線向右移。,三.過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,一) 建立共析鋼過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 - CCT 曲線,C - continuous C - cooling T - transformation,CCT曲線建立示意圖,二)共析鋼CCT曲線與TTT曲線比較,三)在連續(xù)冷卻過(guò)程中 TTT 曲線的應(yīng)用,馬氏體型 ( M ) 轉(zhuǎn)變 ( 230 -50 ) :,1)定義:馬氏體是一種碳在 Fe中的 過(guò)飽和固溶體。,2)轉(zhuǎn)變特點(diǎn): 在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成; 轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長(zhǎng)大; 無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變( Fe、C原子均不擴(kuò)散 ), M與原