金属材料基本知识,金属材料热处理常识
目录
目录 一、材料与材料科学
绪 论
**章 材料的性能
1.1 材料的力学性能
1.1.1 弹性与刚度
1.1.2 强度与塑性
1.1.3 硬度
1.1.4 冲击韧性
1.1.5 疲劳
1.1.6 断裂韧性
1.1.7 热疲劳
1.2 材料的物理和化学性能
1.2.1 材料的物理性能
1.2.2 材料的化学性能
**章 材料的结构
2.1 原子的结合方式
2.1.1 离子键
2.1.2 共价键
2.1.3 金属键
2.1.4 分子键
2.2 晶体结构的基本概念
2.2.1 晶体与非晶体
2.2.2 晶格
2.2.3 晶胞
2.2.4 立方晶系的晶面和晶向表示方法
2.3 金属的结构
2.3.1 金属的晶体结构
2.3.2 金属的非晶态结构
2.4 陶瓷的结构
2.4.1晶相
2.4.2玻璃相
第三章 材料的凝固
3.1 纯金属的结晶
3.1.1 结晶的热力学条件
3.1.2 纯金属的结晶过程
3.1.3 同素异构转变
3.2 合金的结晶
3.2.1 二元相图的建立
3.2.2 二元相图的基本类型与分析
3.3 铁碳合金相图
3.3.1 铁碳合金的组元和相
3.3.2 铁碳合金相图的分析
3.3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程
3.3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
3.4金属及合金的结晶
3.4.1 金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制
3.4.2铸锭的组织及其控制
第四章 金属的塑性变形与再结晶
4.1 金属的塑性变形
4.1.1单晶体金属的塑性变形
4.2 合金的塑性变形与强化
4.3 塑性变形对金属组织和性能的影响
4.3.1 塑性变形对金属组织的影响
4.3.2 塑性变形对金属性能的影响
4.3.3 残余应力
4.4 回复与再结晶
4.4.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
4.4.2 再结晶温度
4.4.3 再结晶退火后的晶粒度
4.5 金属的热加工
4.5.1 冷加工与热加工的区别
4.5.2 热加工对金属组织和性能的影响
第五章 钢的热处理
5.1 概述
5.2 钢在加热时的转变
5.2.1 奥氏体的形成过程
5.2.2 奥氏体的晶粒大小及其影响因素
5.3 钢在冷却时的转变
5.3.1 过冷奥氏体的转变产物及转变过程
5.3.2 过冷奥氏体转变图
5.4 钢的退火和正火
5.4.1 退火
5.4.2 正火
5.5 钢的淬火与回火
5.5.1 淬火
5.5.2钢的回火
5.6 钢的表面热处理
5.6.1 表面淬火
5.6.2 化学热处理
5.7 金属材料表面热处理新技术
5.7.1 热喷涂技术
5.7.2 气相沉积技术
5.7.3 三束表面改性技术
第六章 工业用钢
6.1 钢的分类与编号
6.1.1 钢的分类
6.1.2 钢的分类
6.2 钢中的杂质与合金元素
6.2.1 钢中常存杂质元素对性能的影响
6.2.2 合金元素在钢中的主要作用
6.3 结构钢
6.3.1 碳素结构钢
6.3.2 上等碳素结构钢
6.3.3 低合金高强度结构钢
6.3.4 渗碳钢
6.3.5 调质钢
6.3.6 弹簧钢
6.3.7 滚动轴承钢
6.3.8 耐磨钢
6.4 工具钢
6.4.1 刃具钢
6.4.2 模具钢
6.4.3 量具钢
6.5 特殊性能钢
6.5.1 不锈钢
6.5.2 耐热钢
第七章 铸 铁
7.1 概述
7.1.1 铸铁的石墨化过程
7.1.2 铸铁的特点及分类
7.2 常用铸铁
7.2.1 灰铸铁
7.2.2 可锻铸铁
7.2.3 球墨铸铁
7.2.4 蠕墨铸铁
第八章 有色金属及其合金
8.1铝及铝合金
8.1.1 铝及铝合金的性能特点
8.1.2 铝合金的分类
8.1.3 铝合金的热处理
8.1.4 铝合金的牌号性能及用途
8.2 铜及铜合金
8.2.1 铜及铜合金的性能特点
8.2.2 黄铜
8.2.3 青铜
8.2.4 白铜
8.3 钛及钛合金
8.3.1 工业纯钛
8.3.2 钛合金
8.4 轴承合金
8.4.1 组织性能要求
8.4.2 常用的轴承合金
金属材料基本知识,金属材料热处理常识
1.材料
材料是用来制作有用器件的物质,是人类生产和生活所必须的物质基础。从日常生活用的器具到高技术产品,从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人,都是用各种材料制作而成或由其加工的零件组装而成的。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。
历史学家按照人类所使用的材料将人类历史划分为:
石器时代:早在公元前6000年-公元前5000年的新石器时代,中华民族的先人就能用黏土烧制陶器,到东汉时期又出现瓷器,并流传海外。
青铜器时代:4000年前的夏朝石器,我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商时期,我国的青铜冶炼和铸造技术已经达到很高的水平
司母戊鼎是中国商代后期(约公元前16世纪至公元前11世纪)王室祭祀用的青铜方鼎,1939年3月19日在河南省安阳市武官村一家的农地中出土,因其腹部著有“司母戊”三字而得名,现藏中国国家博物馆。司母戊鼎器型高大厚重,又称司母戊大方鼎,高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克,鼎腹长方形,上竖两只直耳(发现时仅剩一耳,另一耳是后来据另一耳复制补上),下有四根圆柱形鼎足,是中国目前已发现的*重的青铜器。该鼎是商王祖庚或祖甲为祭祀其母所铸。
铁器时代:我国在春秋战国时期便开始大量使用铁器,明朝科学家宋应星在其所著的《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺,这说明在欧洲工业**之前,我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。中华人民共和国成立后,我国先后建立了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地,钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的1亿吨,成为世界上钢产量大国之一。原子弹、氢弹的爆炸,卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料方面的开发、研究及应用有了飞跃性的发展,达到了一定的水平。但与世界发达国家相比,我们还有一定的差距,需要我们一代代地努力,以缩小这些差距。
**章 材料的性能
1 材料的力学性能
(一)力学性能:
材料在外力作用时所表现的性能(又称机械性能),如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
(二)变形:材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化。
外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形,外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
1.1.1 弹性与刚度
应力-应变曲线:是描述应力与应变关系的曲线,它是根据标准试样所承受的载荷与变形量的变化所绘制的关系曲线。
(一)弹性极限:
在应力-应变曲线中,OA段为弹性变形阶段,此时卸掉载荷,试样恢复到原来尺寸。A点多对应的应力为材料承受*大弹性变形的应力称为弹性极限,用σp表示。
(二)比例极限:
其中OA′部分为一斜直线,应力与应变呈比例关系,A′点所对应的应力为保持这种比例关系的*大应力称为比例极限,用σe表示。由于大多数材料的A点和A′点几乎重合在一起,一般不做区分。
(三)弹性模量E:
在弹性形变范围内,应力与应变的比值。弹性模量是材料*稳定的性质之一,它的大小主要取决于材料的本性,除随温度升高而逐渐降低外, 其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。
(四)刚度:
材料受力时抵抗弹性变形的能力,可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度。
.1.2 强度与塑性
一、 强度
定义:材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据加载方式的不同,强度指标有许多种,其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用*多。
1. 屈服强度
(一)屈服现象:
应力超过B点后,材料将发生塑性变形。在BC段,材料发生塑性变形而应力不会增加的现象。
(二)屈服强度:
B点所对应的应力称为屈服强度,用σs表示。屈服强度反映材料抵抗长久变形的能力,是*重要的零件设计指标之一。
2. 抗拉强度
(一)颈缩现象:
CD段为均匀变形阶段。在这一阶段,应力随应变增加而增加,产生应变强化。变形超过D点后,试样开始发生局部塑性变形,即出现颈缩。
(二)抗拉强度:
随应变增加,应力明显下降,并迅速在E点断裂。D点所对应的应力为材料断裂前所承受的*大应力,称为抗拉强度,用σb表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力,也是零件设计和材料评价的重要指标。
二、 塑性:
是指材料受力破坏前承受*大塑性变形的能力,指标为伸长率和断面收缩率。
(一)伸长率:为试样拉断后,标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率。
δ=(l1-l0) /l0*100%,l0为原长, l1为断裂后长度。
(二)断面收缩率:
为试样断裂后,横截面积*大缩减量与原始横截面积之比的百分率。
φ=(F0-F1)/ F0 *100%,F0为试件原始截面积, F1为断口处的截面积。
(三)屈服现象:
应力超过B点后,材料将发生塑性变形。在BC段,材料发生塑性变形而应力不会增加的现象。
(四)屈服强度:
B点所对应的应力称为屈服强度,用σs表示。屈服强度反映材料抵抗长久变形的能力,是*重要的零件设计指标之一。
1.3 硬度
硬度:是材料抵抗局部塑性变形的能力,现在多用压入法测定。
注:各硬度值相互之间不能直接比较,只能通过硬度对照表换算。
一 、布氏硬度(HB)
1.测试用压头:直径为D的钢球或硬质合金球;
2.适用范围:
对金属来讲,只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。
3.优点:测量误差小,数据稳定;
4.缺点:压痕大,不能用于太薄件或成品件。
二、洛氏硬度(HR)
1.洛氏硬度的分类及适用范围:
根据压头的材料及压头所加的负荷不同,洛氏硬度可分为:HRA、HRB、HRC。HRA 适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层;HRB 适用于测量有色金属和退火、正火钢等;HRC 适用于调质钢、淬火钢等。
2.洛氏硬度的优点:操作简单、压痕小、适用范围广;
3.洛氏硬度的缺点:测量结果分散度大。
三、维氏硬度(HV)
1.测试用压头:金刚石四方角锥体,所加负荷较小;
2.维氏硬度的优点:
保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点,既可测量由极软到极硬的材料的硬度,又能相互比较。
1.1.4 冲击韧性
(一)冲击韧性:
材料抵抗冲击载荷作用而不发生破坏的能力。用αk表示。下图为摆锤式冲击试验机用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次冲断,可测得冲击吸收功。试样缺口处单位截面积上的冲击吸收功称为冲击韧性值。
(二)韧脆转变现象:
材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内αk值急剧下降的现象。
(三)韧脆转变温度:
发生韧脆转变的温度范围。常在低温下服役的船舶、桥梁等结构材料的使用温度应高于其韧脆转变温度。如果使用温度低于韧脆性转变温度,则材料处于脆性状态,可能发生低应力脆性破坏。韧脆转变温度对组织和成分很敏感,如细化钢的晶粒和降低钢的含碳量可降低其韧脆转变温度。应当指出的是,并非所有材料都有韧脆转变现象,具有面心立方晶格的金属及其合金(如铝、铜合金)即使在非常低的温度下也能保持韧性状态,而体心立方和密排六方晶格金属及其合金则有韧脆转变。
1.1.5 疲劳
(一)交变载荷:是指大小或方向随时间而变化的载荷。
(二)疲劳:
在交变载荷的作用下,材料常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂的现象。
如发动机的轴、齿轮等均受交变载荷的作用。疲劳破坏是脆性破坏,它的一个重要特点就是具有突发性,因而更具灾难性。
提高零件的疲劳强度的方法:除应合理选材外,还应注意其结构形状,避免应力集中,减少缺陷,提高表面光洁度和进行表面强化等。
1.1.6 断裂韧性
工程上有时会出现材料在远低于δb的情况下发生断裂现象。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半,计算的甲板应力为68.6MPa远低于δb(300~400MPa)。美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸,经过研究,发现破坏的原因是材料中存在0.1~1mm的裂纹并扩展所致。
断裂力学认为,材料中存在缺陷是**的,常见的缺陷是裂纹。在应力作用下,这些裂纹将发生扩展,一旦扩展失稳,便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。
1.1.7 热疲劳
一些在温度急剧反复变化条件下工作的零件,如喷气发动机的导向叶片,热锻模等,承受着热循环引起的热应力或热应变,使材料受到疲劳损伤而破坏,这种现象称为热疲劳
1.2 材料的物理和化学性能
1.2.1 材料的物理性能
1. 密 度:材料单位体积的质量。
密度小于5×103Kg/m3的金属称为轻金属;密度大于5×103Kg/m3的金属称为重金属。
2. 熔 点:材料的熔化温度。
陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点;高分子材料一般不是完全晶体,所以没有固定的熔点。一般来说,材料的熔点越高,材料在高温下保持高强度的能力越强。在设计高温条件下工作的构件时,需要考虑材料的熔点。金属中,汞的熔点为-38.8℃,而钨的熔点则高达3410℃。
3. 热膨胀性:材料受热后的体积膨胀,通常用线膨胀系数表示。它是指温度升高1℃时单位长度材料的伸长量。
对精密仪器或机器的零件,热膨胀系数是一个非常重要的性能指标。对于特别精密的仪器,应选择热膨胀系数低的材料,或在恒温条件下使用。在材料热加工过程中更要考虑其热膨胀行为,如果表面和内部热膨胀不一致,就会产生内应力,导致材料变形或开裂。常用金属的热膨胀系数为5×10-6~25×10-6/℃。
4. 导热性:材料热传导的能力,用其导热系数来表示。
金属及合金的导热系数远高于非金属材料;在金属中,以银为*好,铜和铝次之。
5. 磁 性:材料能导磁的性能。
根据材料在磁场中的行为可将其分为三类:使磁场减弱的材料称为抗磁性材料;使磁场略有增强的材料称为顺磁性材料;使磁场强烈增强的材料称为铁磁性材料,常用于制造变压器、电动机、仪器仪表等,抗磁性材料常用做磁屏蔽或防磁场干扰材料。
1.2.2 材料的化学性能
1.耐腐蚀性:材料抵抗各种介质侵蚀的能力。
非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料。
2.抗氧化性:材料抵抗高温氧化的能力。
抗氧化的材料常在表面形成一层致密的保护膜,来阻碍氧的进一步扩散。
耐腐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。高温下的化学稳定性称为热化学稳定性。在高温下工作的设备或零部件,如锅炉、汽轮机和飞机发动机等应选择热化学稳定性高的材料。
金属材料基本知识,金属材料热处理常识
**章 材料的结构
2.1 原子的结合方式
工程材料通常是固态物质,是由各种元素通过原子、离子或分子结合而成的。
结合键:组成物质的质点(原子、分子或离子)之间的互相作用而联系在一起的结合力;
结合键的分类:离子键、共价键、金属键和弱键。
2.1.1 离子键
离子键的形成条件:当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子相互接近时,正电性元素原子失去外层电子变为正离子,负电性原子获得电子变为负离子,当引力与离子间的斥力相等时便形成稳定的离子键(如下图所示)。
离子键的特点:离子键结合力大,因而通过离子键结合的材料强度高、硬度高、熔点高、脆性大。由于离子键难以移动输送电荷,所以这类材料都是良好的绝缘体。由于离子的外层电子被牢固束缚,难于被光激发,离子键结合的材料不能吸收可见光,是无色透明的。
2.1.2 共价键
共价键的形成条件:两个相同原子或性质相差不大的原子互相靠近,电子不会转移,原子间借共用电子对所产生的力而结合,形成共价键。如金刚石、SiC。如下图所示为1个硅原子通过共用电子与其他4个硅原子形成共价键的示意图。这种通过共用电子形成的结合键称为共价键。多工程构件需要焊接成型。可焊性是指材料易于被焊到一起并获得上等焊缝的能力。钢的含碳量直接影响可焊性,含碳量低,可焊性越好。
通过共价键结合的材料的特点:通过共价键结合的材料具有强度高、硬度高、熔点高、脆性大的特点。其导电性依共价键的强弱而不同。弱共价键的锡是导体,硅是半导体,而金刚石是绝缘体。具有离子键和共价键的工程材料多为陶瓷或高分子聚合物。
2.1.3 金属键
金属键的形成条件:金属原子的*外层价电子少,易失去。因此金属原子之间不可能通过电子转移或共用来获得稳定的外层电子结构。当金属原子相互靠近时,其外层电子脱离原子,成为自由电子,而金属原子则成为正离子,自由电子在正离子之间自由运动,为各原子所共有,形成电子云或电子气。金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而相互结合,这种结合键称为金属键。如下图所示。
通过金属键结合的材料的特点:自由电子的存在,使金属具有良好的导电性和导热性,使金属不透明并呈特有的金属光泽。金属键无方向性,当金属原子之间发生相对位移时,金属键不受破坏,因而金属塑性好。
2.1.4 分子键
分子键的形成条件:在某些分子中可能存在偶极矩,这是由于分子**价电子的非对称分布,使分子的某一部分比其他部分更偏于带正电或带负电。一个分子带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分,这种结合力称为分子键。
通过分子键结合的材料的特点:由于分子键结合力很弱,因而由分子键结合的固体材料的熔点和硬度都比较低。因无自由电子存在,所以这些材料都是良好的绝缘体。
2.2 晶体结构的基本概念
2.2.1 晶体与非晶体
固体物质按原子在空间的排列方式可分为晶体与非晶体。
晶体:原子在空间呈规则排列的固体物质;
如正常状态下的金属、食盐、单晶硅。
非晶体:原子在空间呈无序排列的固体物质;
如普通玻璃、石蜡、松香的等。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。
2.2.2 晶格
如果把组成晶体的原子看作是刚性球体,那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期性堆垛而成,如下图所示。为研究方便,假设将刚性球体缩为处于球心的点,称为结点。由结点所形成的阵列 称为空间点阵。用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格。晶格直观地表示了晶体中原子的排列规律。
2.2.3 晶胞
为便于研究,常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的*小几何单元来进行分析,这个*小的几何单元称为晶胞。
晶胞的各项参数:
晶格常数:晶胞各边的尺寸a, b, c;
原子半径:晶胞中原子密度*大方向上相邻原子间距的一半尺寸;
晶胞原子数:指一个晶胞内所包含的原子数目;
配位数:晶格中与某一原子*相邻且等距的原子数目;
致密度:晶胞中原子本身所占的体积的百分数。
2.2.4 立方晶系的晶面和晶向表示方法
晶面:晶体中各方位上的原子面;
晶向:晶体中各方向上的原子列;
晶面指数:表示晶面的符号;
晶向指数:表示晶向的符号为。
一、晶面指数的标定
晶面指数的确定步骤:
(1) 以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴,以晶格常数为单位长度,求出所求晶面在三个坐标轴上的截距;
(2) 将所得的三个截距值变为倒数;
(3) 将所得数值化为*简单整数,用圆括号括起,就成为该晶面的晶面指数(hkl)。
注:(hkl)代表是一组互相平行的晶面。原子排列完全相同,只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族,用{hkl}表示。
二、晶向指数的标定
晶向指数的确定步骤:
(1) 以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴,以晶格常数为单位长度,过原点引一平行于待定晶向的直线,求出该直线上任一结点的坐标值;
(2) 将空间坐标值按比例化为*小简单整数,加上方括号,即为晶向指数[uvw]。如果有负值则在相应指数上加负号。
注:[uvw]代表的是一组互相平行的晶向,原子排列完全相同,只是空间位向不同的各组晶向称为晶向族,用< uvw >。
值得指出的是:在立方晶系中,指数相同的晶面和晶向是互相垂直的。
2.3 金属的结构
2.3.1 金属的晶体结构
一、纯金属的晶体结构
(1)体心立方晶格(b.c.c):Body-Centered Cubic Lattice
体心立方晶格的晶胞如下图所示,为一个立方体。在立方体的8个顶角各有一个与相邻晶胞共有的原子,立方体中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等。
体心立方晶格:
晶格常数:a=b=c,故只用a即可表示;
晶胞原子数:2,每个顶点的原子为八个晶胞所共有;
原子半径:体对角线上原子间距的一半;
配位数:8;
致密度:0.68。
(2)面心立方晶格(f.c.c):Face-Centered Cubic Lattice
面心立方晶格的晶胞如下图所示,也是一个立方体。除在立方体的8个顶角上各有一个与相邻晶胞共有的原子外,在6个面的中心也各有一个共有的原子。属于这种晶格的金属有:γ-Fe,Ni,A1,Cu,Pb,Au,Rh等。
面心立方晶格
晶格常数:a ;
晶胞原子数:4,立方体顶角上的原子为8个晶胞所共有,面上的原子为两个晶胞所共有;
原子半径:面的对角线;
配位数:12;
致密度:0.74。
(3)密排六方晶格(c.p.h):Close-Packed Hexagonal Lattice
密排六方晶格的晶胞如下图所示,是一个正六棱柱体。在六棱柱体的12个顶角及上下底面的中心各有一个与相邻晶胞共有的原子,两底面之间还有3个原子。属于这类晶格的金属有Mg,Zn,Be,Cd等。
密排六方晶格
晶格常数:a和c;
晶胞原子数:6;六棱柱顶角原子为六个晶胞所共有,底面中心的原子为两个晶胞共有,两底面之间的三个原子为晶胞所独有;
原子半径:a/2;为底面边长的一半;
配位数:12;
致密度:0.74。
二、实际金属的晶体结构
在实际应用的金属材料中,原子的排列不可能像理想晶体那样的规则和完整,总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域,金属学中将这种原子组合的不规则性,统称之为结构缺陷,或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸,或其影响范围的大小,可将它分为点缺陷,线缺陷和面缺陷等。
(1)点缺陷
点缺陷是指空间三维尺寸都很小,不超过几个原子间距的缺陷。晶体中的点缺陷主要指空位、间隙原子、置换原子等(如下图所示)。点缺陷的存在,破坏了原子的平衡状态,使晶格发生扭曲,从而引起性能变化,使金属的电阻率增加,强度、硬度升高,塑性、韧性下降。
(一)空位:
是指晶格中某些缺排原子的空结点,空位的产生是由某些能量高的原子通过热振动离开平衡位置引起的。
(二)间隙原子:
某些挤进晶格间隙中的原子称为间隙原子,间隙原子可以是基体金属原子,也可以是外来原子。
(三)置换原子:
如果外来原子取代了结点上原来原子的位置,这种原子称为置换原子。
(2)线缺陷
(3)面缺陷:
面缺陷是指在一个方向上的尺寸很小(同点缺陷),而其余两个方向上的尺寸则很大缺陷。晶体的外表面及各种内界面——一般晶界、亚晶界及层错等属于这一类。
晶界:如果一块晶体内部的晶格方位完全一致,这种晶体称为单晶体。实际使用的金属材料几乎都是多晶体(如下图所示),即由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成,这些小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界(如图所示)。晶界是两个晶粒的过渡部位,原子排列不规则。晶界对位错运动有阻碍作用,是金属中的强化部位。金属的晶粒越细,晶界总面积越大,金属的强度也越高,因而实际使用的金属材料力求获得细晶粒。
亚晶界:晶粒本身也不是完整的理想晶体,它是由许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块镶嵌而成的(如下图所示),这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界对金属同样有强化作用。
三、合金的晶体结构
合金是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属元素,如黄铜(由铜和锌组成),也可以是金属元素与非金属元素,如碳钢(由铁和碳组成)。纯金属的品种少、力学性能低、获得困难,因而工业上使用的金属材料多数是合金。
金属或合金中,凡成分相同、结构相同,并与其他部分有分界面分开的均匀组成部分称为相。金属材料可以是单相,也可以是多相组成的。
通常所说的显微组织实质上是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。组合不同,材料的性能也不相同。
根据相的晶体结构特点,可以将其分为固溶体和金属化合物两类。
(1)固溶体
合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体,习惯上用希腊字母α、β、γ等来表示。一般把与合金晶体结构相同的元素称为溶剂;除溶剂以外的其它元素称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同,固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体。
置换固溶体:溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。
间隙固溶体:溶质原子较小,如碳、氢等,它们位于溶剂晶格间隙形成的固溶体称为间隙固溶体。
固溶体的溶解度:
固溶体的溶解度是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。根据溶解度的不同,固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。
溶解度有一定限度的固溶体称为有限固溶体,而组成元素无限互溶的固溶体称为无限固溶体(如下图所示)。组成元素的原子半径、电化学特性相近、晶格类型相同的置换固溶体,才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体由于间隙有限,只能形成有限固溶体。
固溶体的性能:
随溶质含量的增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降,这种现象称为固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使溶剂晶格发生畸变及对位错的钉扎作用,阻碍了位错的运动。与纯金属相比,固溶体的强度、硬度高,塑性、韧性低,但与金属化合物相比其硬度要低得多,而塑性、韧性要高得多。
(2)金属化合物
合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和较大的脆性,并可用分子式来表示其组成。金属化合物也是合金中的重要组成相。当合金中出现金属化合物时,可提高其强度、硬度和耐磨性。但塑性下降。
根据形成条件及结构特点,金属化合物主要有以下几类:
① 正常价化合物
符合正常的原子价规律的化合物称为正常价化合物,通常由金属元素与周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素组成。如Mg2Si、Mg2Pb、MnS等。
② 电子化合物
符合电子浓度规律的化合物称为电子化合物。电子浓度是指金属化合物中的价电子数目与原子数目的比值。电子化合物多由ⅠB族或过渡族金属与ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素组成,其晶体结构与电子浓度有一定的对应关系。
③ 间隙化合物
间隙化合物是由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。根据结构的特点,间隙化合物分为间隙相合具有复杂结构的间隙化合物两种。
1) 间隙相
非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时,所形成的具有简单晶格结构的间隙化合物称为间隙相。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点,非常稳定。
2) 具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时,形成具有复杂结构的间隙化合物。部分碳化物及所有硼化物属于这一类间隙化合物,如Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C等。其中的Fe3C称为渗碳体,是碳钢中的强化相,具有复杂斜方晶格。
金属化合物也可溶入其他元素原子,形成以化合物为基的固溶体。如渗碳体中溶入Mn、Cr等合金元素所形成的(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等化合物,称为合金渗碳体。
2.3.2 金属的非晶态结构
非晶态金属具有独特的力学性能和物理、化学性能,因而对它的研究也越来越受到重视。非晶态金属的结构与液态金属结构相似,原子排列没有长程的周期性。在非晶态金属中,没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。
(1) 描述方法
与晶态相比,非晶态结构是一种无序结构,但不像气体那样原子排列完全没有规则,而存在短程有序。描述非晶态结构目前通用的方法是统计方法,即在非晶态材料中以任一原子为中心,在和它相距为的球壳中发现另一个原子的几率为。
比较气态、非晶态和晶态的双体相关函数可以看出,非晶态结构与液态非常接近,存在一定程度的短程有序,而与气态和晶态则差别显著。
(2) 模型
关于非晶态结构细节的研究,多数人公认的模型是硬球无规密堆模型。该模型把原子假设为不可压缩的硬球,均匀、连续、无规则的堆积,结构中没有容纳另一个硬球的空间,这种模型的计算结果与实测结果有的符合较好,有的不是很相符。
2.4 陶瓷的结构
陶瓷材料是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料经坯料制备、成型和烧结工艺加工而成。陶瓷材料中的基本相及其结构要比金属复杂得多,它通常由三种不同的相组成,即晶相、玻璃相和气相。
2.4.1晶相
与晶态相晶相是陶瓷材料中主要的组成相,陶瓷材料的物理化学性质主要由晶相决定。陶瓷材料中晶体的类型及其复杂程度都超过金属晶体。大多数陶瓷材料是由离子键构成的离子晶体或共价键构成的共价晶体。
(1) 硅酸盐的晶体结构
硅酸盐是普通陶瓷的主要成分,其晶体结构比较复杂。硅酸盐晶体的主体是硅氧四面体。按照硅氧四面体在结构中的结合排列方式不同,可构成岛状、组群状、链状、层状和架状等不同形式的硅酸盐晶体结构。
(2)氧化物的晶体结构
氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等化合物的晶体结构比较简单。
晶相中的晶粒大小对陶瓷材料的性能影响很大,晶粒越细,晶界总面积越大,裂纹越不容易扩展,材料的强度越高。这一点与金属材料很相似。
2.4.2玻璃相
玻璃相是非晶态结构的低熔点固体,其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。但玻璃相的强度低、绝缘性及稳定性差,所以工业陶瓷中玻璃相的数量一般控制在20%~40%。
陶瓷坯体在烧结过程中,由于复杂的物理化学反应,产生含有复杂聚合体的熔体,如含有复杂硅氧阴离子团的硅酸盐熔体,这种熔体的粘度很大,冷却时不利于晶体形核长大,从而转变为玻璃体。玻璃体的结构是由硅氧四面体组成的不规则空间网。由熔体转变为玻璃体的温度称为玻璃化温度(Tg)。玻璃体加热时粘度下降,加热到某一温度时发生显著软化,这一温度称为软化温度(Tf),陶瓷的成型加工通常在Tf以上进行。
金属材料基本知识,金属材料热处理常识
第三章 材料的凝固
3.1 纯金属的结晶
3.1.1 结晶的热力学条件
热力学定律:在等压条件下,一切自发过程都是朝着系统自由能降低的方向进行。
理论结晶温度:两条自由能曲线的交点温度T0;
在理论结晶温度下,液体和晶体处于热力学平衡状态;在T0以下,晶体的自由度较低,因而物质处于晶体状态稳定;在T0以上则液体稳定。
结晶时的过冷现象:金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象;
过冷度:理论结晶温度T0与实际结晶温度T的差值 △T=T0-T;
注:对于某种金属来说,过冷度不是恒定值,它的大小与冷却速度有关,冷却速度越大,过冷度也越大,则金属的实际结晶温度越低。
3.1.2 纯金属的结晶过程
(1)结晶的基本过程
任何一种物质液体的结晶过程都是由晶核形成和晶核的长大两个过程组成的。
液体冷却到T0温度以下,经过一段时间,形成晶核,晶核形成后,便向各个方向不断地长大。在这些晶核长大的同时,又有新的晶核产生,就这样不断形核,不断长大,直到液体完全消失为止。每一个晶核*终长成为一个晶粒,两晶粒接触后便形成晶界。
(2)晶核的形成方式
晶核的形成方式有两种:自发形核和非自发形核;
自发形核:在结晶过程中,晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成;
非自发形核:依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形核称为非自发形核。
在实际结晶过程中,自发形核和非自发形核是同时存在的,但以非自发形核方式发生结晶更为普遍。
3.晶核的长大方式
晶核的长大方式也有两种:均匀长大和树枝状长大。当过冷度很小时,结晶以均匀长大方式进行,实际金属结晶时冷却速度较大,因而主要以树枝状形式长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好、生长快,先形成枝干,而枝干间*后被填充。
3.1.3 同素异构转变
1.概念
同素异构转变:有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化的现象。
同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律,但它是一个固态下的相变过程,即固态相变。在金属中,除锡之外,铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
2.铁的同素异构转变
在金属晶体中,铁的同素异构转变*为典型,也是*重要的。
3.固态转变的特点
固态转变又称为二次结晶,它有着与结晶不同的特点:
1) 发生固态转变时,形核一般在某些特定部位发生,如晶界、晶内缺陷等。
2) 由于固态下扩散困难,因而固态转变的过冷倾向大;
3) 固态转变往往伴随体积变化,因而易产生很大的内应力,使材料发生变形或开裂。
3.2 合金的结晶
基本概念:
合金的结晶过程比纯金属复杂,为研究方便,通常以温度和成分作为独立变量的相图来分析合金的结晶过程。
相图:是表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解,又称为状态图或平衡图。
合金系:是指两种或两种以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。
相图表示了在缓慢冷却条件下,不同成分合金的组织随温度变化的规律,是制定熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。
3.2.1 二元相图的建立
绝大多数二元相图是以实验数据为依据,在以温度为纵坐标,材料成分为横坐标的坐标系中绘制,*常用的实验方法是热分析法。下面以Cu-Ni二元合金为例,简要说明二元相图的建立过程。
1. 配制出不同成分的合金,测出它们的冷却曲线;
2. 找出各曲线上的临界点(结晶的开始温度和终了温度);
3. 在温度-成分坐标系中过各合金成分点做成分垂线,将临界点标在成分垂线上;
4. 将成分垂线上相同意义的点连接起来,并标上相应的数字和字母,便得到如下图所示的Cu-Ni二元合金相图。
3.2.2 二元相图的基本类型与分析
一、 二元匀晶相图
二元匀晶相图:两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图;是*简单的二元相图,Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有这类相图。
均晶转变:从液相中结晶出单一固相的转变。
1. 相图分析
Cu-Ni合金二元匀晶相图如下图所示,上面一条为液相线,是加热时合金熔化的终了温度点或冷却时结晶的开始温度点的连线,下面的一条为固相线,是加热时合金熔化的开始温度点或冷却时结晶的终了温度点的连线。液相线以上合金全部为液体L,称为液相区。固相线以下合金全部为α固溶体,称为固相区。液相线和固相线之间为液相和固相共存的两相区(L+α)。
2. 合金的结晶过程
除纯组元外,其他成分合金的结晶过程相似,现以Ⅰ合金为例,分析合金的结晶过程。
当合金自液态缓冷到液相线上的t1温度时,开始从液相中结晶出成份为α1的固溶体,其镍的含量高于合金的平均含量。
随温度下降,α相重量增加,液相重量减少,同时,液相成份沿着液相线变化,固相成份沿着固相线变化。当合金冷却到固相线上的t4温度时,*后一滴L4成份的液体也转变为α固溶体,此时固溶体的成分又回到α4上来。
由此可见,液、固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成份变化线。还可以看出,匀晶转变是变温转变,在结晶过程中,液、固两相的成份随温度而变化。
3. 杠杆定律
当合金在某一温度下处于两相区时,由相图不仅可以知道两平衡相的成份,而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律。
1) 求出两平衡相的成份
设合金成份为X,过X作成份垂线,在垂线上相当于温度t1的点0作水平线,其与液、固相线的交点a、b所对应的成份X1、X2,分别为液相和固相的成份,
2) 确定两平衡相的相对重量
设成份为X的合金的总重量为1,液相的相对重量为QL,其成份为X1,固相相对重量为Qα,其成份为X2,则
由此可知,两相重量之比为:QL•X1 X = Qα•X X2。
此式与力学定律中的杠杆定律完全相似,因此也称之为杠杆定律,即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成份线段之比,如下图所示,在杠杆定律中,杠杆的支点是合金的成份,杠杆的端点是所求两平衡相的成份。
需要注意的是:杠杆定律只适用于两相区。单相区中相的成分和重量,即合金的成分和重量,没有必要使用杠杆定律。
3) 枝晶偏析
成因:固溶体合金的结晶,只有在充分缓慢冷却的条件下才能够得到成分均匀的固溶体组织。在实际生产中,由于冷速较快,合金在结晶过程中固相和液相中的原子来不及扩散,使得先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素,而后结晶的枝晶轴含有较多的低熔点元素。
概念:这种在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象叫做枝晶偏析。
枝晶偏析对材料性能的影响:枝晶偏析会影响合金的性能,如力学性能、耐腐蚀性能及加工性能等。
解决方法:生产中常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温来消除枝晶偏析,这种热处理称为扩散退火。通过扩散退火,使成分均匀。
影响枝晶偏析的因素:枝晶偏析的大小除了与冷却速度有关以外,还与给定成分合金的液、固相线间距有关。冷速越大,液、固相线间距越大,枝晶偏析越严重。
二、 二元共晶相图
当两组元在液态下完全互溶,在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称为共晶相图。Pb-Sb,A1-Si,Pb-Sn,Ag-Cu等二元合金均为这类的相图。
1. 相图分析
下图为一般共晶型的Pb-Sn合金相图。其中AEB线为液相线,ACEDB线为固相线, A点为铅的熔点, B点为锡的熔点。相图中有L、α、β三种相,形成三个单相区。L代表液相,处于液相线以上。α是Sn溶解在Pb中所形成的固溶体,β是Pb溶解在Sn中所形成的固溶体,在每两个单相区之间,共形成了三个两相区,即L+α,L+β,和α+β。
相图中的水平线CED称为共晶线。在水平线对应的温度下(183℃)下, E点成分的液相同时结晶出C点成分的α固溶体和β固溶体。
这种在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出两种成分和结构都不相同的新固相的转变过程称为共晶转变或共晶反应。
共晶反应的产物称为共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称为共晶温度,代表共晶温度和共晶成分的点称为共晶点,具有共晶成分的合金称为共晶合金。在共晶线上,凡成分位于共晶点以左的合金成为亚共晶合金,位于共晶点以右的合金称为过共晶合金。
相图中的CF线和DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的溶解度曲线称为固溶线。可以看出,随温度的下降,固溶体的溶解度降低。
2. 典型合金的结晶过程
1) 含Sn量小于C点成分合金的结晶过程(以合金Ⅰ为例)
由此可知合金Ⅰ的室温组织为α+βⅡ
成分大于D点合金的结晶过程与合金Ⅰ相似,其室温组织为β+αⅡ
由于从共晶体中析出的αⅡ、βⅡ不易分辨,因此共晶合金*终的室温组织为α+β共晶体。
3) 亚共晶合金的结晶过程(以合金Ⅲ为例)
由此可知,亚共晶合金室温下的组织为α+(α+β)+βⅡ
4)过共晶合金的结晶过程(以合金Ⅳ为例)
过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似,不同的是一次相为β,二次相为α。其室温组织为β+(α+β)+αⅡ
三、 二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶,在固态下有限互溶,并发生包晶反应时所构成的相图称为包晶相图。
常用的Fe-C,Cu-Zn,Cu-Sn等合金相图中,均包括这种类型的相图。
现以Fe-C合金相图为例子来说明包晶相图。
1.相图分析
相图中有L、δ、γ三个单相区和L+δ,L+γ,和δ+γ三个两相区。
包晶水平线上发生的反应是由一种液相和一种固相相互作用生成另一种固相的转变过程。该反应是液相L包着固相δ,新相γ在L、δ界面上形核,并通过原子扩散分别向L和δ两侧长大的过程。
这种在一定温度下,由一定成分的液相包着一定成分的固相,发生反应后生成另一种成分新固相的反应称为包晶转变或包晶反应(插入包晶反应过程动画)。
2.典型合金的结晶过程
1)合金Ⅰ的结晶过程分析
合金Ⅰ在温度缓冷到2点时,反应前的液相L和固 相δ数量比为:L/δ=HJ/JB;反应后两相全部耗尽,形成单一的新相γ。合金Ⅰ的结晶过程:匀晶反应+包晶反应;反应产物:γ。
2)合金Ⅱ的结晶过程分析
合金Ⅱ在温度缓冷到2点时,反应前的液相L和固相δ数量比为:L/δ=H2/2B;参加包晶反应的d相量过剩,所以反应后形成δ+γ两相,进入HNJ匀晶区,随温度的下降,3点以下形成单相γ。合金Ⅱ的结晶过程:匀晶反应+包晶反应+匀晶反应;反应产物:γ。
3)合金Ⅲ的结晶过程分析
合金Ⅲ在温度缓冷到2点时,反应前的液相L和固相δ数量比为: L/δ=H2/2B;参加包晶反应的L相量过剩,所以反应后形成L+γ两相,进入HNJ匀晶区,随温度的下降,3点以下形成单相γ。合金Ⅲ的结晶过程:匀晶反应+包晶反应+匀晶反应;反应产物:γ。
四、 二元共析相图
共析反应(共析转变):指在一定温度下,由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的反应。共析反应的产物也是两相机械混合物,称为共析组织或共析体。
与共晶反应不同的是,共析反应的母相是固相,而不是液相,因而共析转变也是固态转变。由于固态转变过冷度大,因而其组织比共晶组织细。
下图中dce称为共析线,c点称为共析点。与c点对应的成分和温度分别称为共析成分和共析温度。
五、 二元相图的分析步骤
1.先分清图中包括哪些基本类型的相图
2.相区的确定
相区接触法则:相邻两个相区的相数差为1
两相区的确定:两个单相区之间夹有一个两相区,该两相区的相由两个相邻单相区的相组成
三相区的确定:二元相图中的水平线是三相区,其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成
3.分析典型合金的结晶过程
做出典型合金冷却曲线示意图,二元合金冷却曲线的特征是在单相区和两相区冷却曲线为一斜线;由一个相区过渡到另一个相区时,冷却曲线上出现拐点,发生三相等温转变时,冷却曲线呈一水平台阶。
由一个相区过渡到另一个相区时,冷却曲线上出现拐点,发生三相等温转变时,冷却曲线呈一水平台阶。
画出组织转变示意图,计算各相、各组织组成物相对重量比:在单相区,合金由单相组成,相的成分、重量即合金的成分、重量;在两相区,两相的成分随温度下降沿各自的相线变化,各相、各组成物的相对重量可由杠杆定律;在三相区,三个相的成分固定,相对重量不断变化,杠杆定律不适用。
六、 相图与合金性能之间的关系
1.相图与合金力学性能、物理性能的关系
组织为机械混合物的合金,其性能与合金成分呈直线关系,如下图1所示。
组织为固溶体的合金,随溶质元素含量的增加,合金的强度和硬度也增加,产生固溶强化,如果是无限互溶的合金,则在溶质含量为50%附近强度和硬度*高,性能与合金成分之间呈曲线关系如下图2所示
2.相图与铸造性能的关系
单相固溶体的合金,浇铸时合金流动性差,浇铸时不能充满铸型,凝固后形成许多分散的缩孔,此类合金不宜制作铸件。但此类合金的塑性较好,具有良好的压力加工性能。
此类合金的塑性较好,具有良好的压力加工性能,不易产生分散的缩孔,在凝固的过程中出现的集中缩孔的现象,可以采取设置冒口的方法,并控制这种缩孔于冒口处,待铸件成型后,再将冒口切除。
3.3 铁碳合金相图
3.3.1 铁碳合金的组元和相
一、基本概念
铁碳合金:碳钢和铸铁的统称,都是以铁和碳为基本组元的合金
碳 钢:含碳量为0.0218%~2.11%的铁碳合金
铸 铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金
铁碳合金相图:研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。
注:由于含碳量大于Fe3C的含碳量(6.69%)时,合金太脆,无实用价值,因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C
二、组元
1.纯铁:指的是室温下的α-Fe,强度、硬度低,塑性、韧性好。
2.碳:是非金属元素,自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨,它们是同素异构体。
3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种:
(1)C与Fe形成金属化合物,即渗碳体;
(2)C以游离态的石墨存在于合金中。
(3)C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体;
A. 铁素体:
C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号“F”或“α”表示,铁素体是一种强度和硬度低,而塑性和韧性好的相,铁素体在室温下可稳定存在。
B. 奥氏体:
C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体,面心立方晶格,用符号“A”或“γ”表示,奥氏体强度低、塑性好,钢材的热加工都在奥氏体相区进行,奥氏体在高温下可稳定存在。
C.
C与Fe形成金属化合物:即渗碳体Fe3C,Fe与C组成的金属化合物,Fe与C组成的金属化合物,含碳量为6.69%。以“Fe3C”或“Cm”符号表示,渗碳体的熔点为1227℃,硬度很高(HB=800)而脆,塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中,一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大,是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低,所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。
3.3.2 铁碳合金相图的分析
1.铁碳合金相图由三个相图组成:包晶相图、共晶相图和共析相图;
2.相图中有五个单相区:液相L、高温铁素体δ、铁素体 α、奥氏体 γ、渗碳体 Fe3C;
3.相图中有三条水平线:
(1)HJB水平线(1495℃):包晶线,发生包晶反应,反应产物为奥氏体。
L0.53+δ0.09←→γ0.17
(2)ECF水平线(1148℃):共晶线,发生共晶反应,反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物,称为莱氏体,用“Le”表示。
L 4.3←→γ2.11+ Fe3C
(3)PSK水平线(727℃):共析线,发生共析反应,反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物,称为珠光体,用“P”表示。共析线又称为A1线
γ0.77←→F0.0218+ Fe3C
4.图中的特性点
A点:纯铁的熔点
C点:共晶点
D点: Fe3C的熔点
E点:γ-Fe中的*大溶碳量
G点:α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点
J点:包晶点
N点:γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点
S点:共析点
5.图中的特性线
ABCD-液相线
AHJECF-固相线
GS、GP为 α-Fe固溶体转变线
HN、JN为奥氏体A固溶体转变线
ES线为碳在奥氏体A中的固溶线,随着温度下降,C的溶解度下降,当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时,会从奥氏体中析出渗碳体,称为二次渗碳体,标记为Fe3CⅡ。ES线又称为Acm线。
PQ线为碳在α-Fe中的固溶线,随着温度下降,C的溶解度下降,铁碳合金自727℃向室温冷却时,会从铁素体中析出渗碳体,称为三次渗碳体。标记为Fe3CⅢ,但因为析出量极少,在含碳量高的合金中不予以考虑。
CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线,从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体,标记为Fe3CⅠ。
铁碳合金:碳钢和铸铁的统称,都是以铁和碳为基本组元的合金
3.3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程
一、铁碳合金的分类
1.工业纯铁(<0.0218%C)
室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金,工业上很少使用
2.钢(0.0218%--2.11%C)
高温组织为单相奥氏体,易于变形。根据室温组织的不同分为三类
(1) 亚共析钢(0.0218%--0.77%C):指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金,有熟铁之称;
(2) 共析钢(0.77%C):指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金,即碳素工具钢中的T8钢;
(3) 过共析钢(0.77%C-- 2.11%C):指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金。
3.白口铸铁( 2.11% -- 6.69%C)
指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金,其断口白亮而得名,俗称生铁。
分类:亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁
二、结合下图,分析7种典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化
1. 工业纯铁的结晶过程(图中合金①):
1—2点:匀晶反应形成δ铁素体;2—3点:不发生组织转变;3—4点:开始从δ铁素体中析出奥氏体,4点后全部转化为奥氏体;4—5点:不发生组织转变;5—6点:开始从奥氏体中析出铁素体,6点后全部转化为铁素体;6—7点:不发生组织转变;7点以后:开始从铁素体中析出三次渗碳体
工业纯铁结晶过程的基本反应:匀晶反应十固溶体转变反应+二次析出反应
工业纯铁的室温组织:F十Fe3CⅢ
纯铁的结晶过程中的组织变化过程
2. 共析钢的结晶过程(图中合金②):
1—2点:匀晶反应形成奥氏体;2—3点:不发生组织转变;3点以后:发生共析转变,反应结束后全部转化为珠光体;3′点后继续冷却:从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体
共析钢结晶过程的基本反应:匀晶反应十共析反应
共析钢室温组织:100%的珠光体P
共析钢结晶过程中的组织变化过程
3. 亚共析钢的结晶过程(图中合金③):
1—2点:匀晶反应形成δ铁素体;2—2′点:发生包晶反应L0.53+δ0.09←→γ0.17; 2′—3点:剩余的液相发生通过匀晶转变为奥氏体;3—4点:不发生组织转变;4—5点:从奥氏体中析出铁素体;5—5′点:发生共析反应γ0.77←→F 0.0218+ Fe3C,5′点以后:从铁素体中析出少量的三次渗碳体。
亚共析钢结晶过程的基本反应:匀晶反应+包晶反应+匀晶反应+固溶体转变反应+共析反应
亚共析钢的室温组织:铁素体F+珠光体
亚共析钢结晶过程中的组织变化过程
4. 过共析钢的平衡结晶过程(图中合金④)
1—2点:匀晶反应形成奥氏体;2—3点:不发生组织转变;3—4点:从奥氏体晶界析出二次渗碳体,并在晶界上呈网状分布;4—4′点:剩余的奥氏体发生共析反应 γ0.77←→F0.0218+ Fe3C;4点以后:二次渗碳体不再变化,珠光体的变化同共析钢
过共析钢结晶过程的基本反应:匀晶反应十二次析出反应+共析反应
过共析钢室温的组织:珠光体P+ 网状二次渗碳体Fe3C
过共析钢结晶过程中的组织变化过程
5. 共晶白口铸铁的平衡结晶过程(图中合金⑤)
1—1′点:发生共晶反应 L4.3←→γ2.11+ Fe3C,全部转化为莱氏体,是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物;1—2点:析出二次渗碳体;2—2′点:发生共析反应,转变为珠光体。珠光体与共晶渗碳体组成的组织为低温莱氏体。
共晶白口铸铁结晶过程:共晶反应十二次析出反应+共析反应
共晶白口铸铁的室温组织:Le′(珠光体+共晶渗碳体)
共晶白口铸铁显微组织
6. 亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程(图中合金⑥)
1—2点:匀晶反应形成奥氏体;2—2′点:发生共晶反应转变为莱氏体;2—3点:从奥氏体中析出二次渗碳体;3—3′点:发生共析反应转变为珠光体
亚共晶白口铸铁结晶过程:匀晶反应+ 共晶反应十二次析出反应 +共析反应
亚共晶白口铸铁的室温组织:P+ Fe3CⅡ + Le’(P+ Fe3C + Fe3CⅡ )
亚共晶白口铸铁的室温组织
7. 过共晶白口铸铁的平衡结晶过程(图中合金⑦)
1—2点:匀晶反应结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ;2—2′点:余下的液相发生共晶反应,转变为莱氏体;继续冷却:一次渗碳体的重量不发生变化,莱氏体的变化同共晶合金
过共晶白口铸铁结晶过程:匀晶反应+共晶反应十二次析出反应+共析反应
过共晶白口铸铁室温组织:Fe3CⅠ和Le’(P+ Fe3C+ Fe3CⅡ)
过共晶白口铸铁室温组织
三、组织组成物在相图上的标
3.3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
一、含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响
随着合金中室温组织的变化,其组织组成物及相组成物的相对量皆发生变化,如下图所示:
二、含碳量对力学性能影响
亚共析钢:
共析钢:含碳量为0.77%时,组织为100%的珠光体
过共析钢:
白口铸铁:
三、含碳量对工艺性能的影响
切削加工性:中碳钢的切削加工性能比较好
可锻性:低碳钢比高碳钢为好,奥氏体塑性好、强度低,易于塑性变形,热压力加工都加热到奥氏体相区。
铸造性:靠近共晶成分的合金铸造性能好。
焊接性能:钢的塑性越好,焊接性能越好,所以低碳钢比高碳钢易于焊接。
3.4金属及合金的结晶
3.4.1 金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制
1. 晶粒度
晶粒度是晶粒大小的量度。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来表示不同方法评定或测定的晶粒大小。在100倍下645.16mm2 面积内包含的晶粒个数N与显微晶粒度级别数G的关系为N=2G-1。由于测量晶粒尺寸很不方便,在工业生产上常采用与标准系列评级图对比的比较法来评定平均晶粒度,标准晶粒度共分8级,1级*粗,8级*细。比1级更粗或比8级更细的晶粒也可以用晶粒度级别数表示,如0级、10级、-1级等。比较法的评定方法是将与相应标准系列评级图相同放大倍数的有代表性视场的晶粒组织图像或显微 照片与标准系列评级图直接进行对比,选取与检测图像*接近的标准评级图级别数。金属平均晶粒度的具体测量方法见GB/T6394—2002。
2. 决定晶粒尺寸的因素
结晶时,每个晶核长大后便形成一个晶粒,因而晶粒的大小取决于晶核的形成速率和长大速度。单位时间、单位体积内形成晶核的数目称为形核率(N),而单位时间内晶核生长的长度称为长大速度(G)。可见,形核率与长大速度的比值N/G越大,晶粒越细小。
3. 控制晶粒尺寸的方法
(1)控制过冷度:过冷度对形核率和长大速度的影响如下图所示。在正常铸造情况下,随过冷度ΔT增大,N/G值增加,晶粒变细。所以生产中的小型和薄壁铸件比大型铸件组织细。
(2)变质处理:变质处理又称孕育处理,是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的物质称为变质剂。金属不同,所加的变质剂也不同。
(3)振动、搅拌:结晶时通过机械振动、电磁搅拌及超声波等方法可以打碎正在生长的树枝状晶体,增加晶核数目。同时,由于外部输入了能量,又能够促进形核,从而细化晶粒。
4. 晶粒大小对金属性能的影响
常温下,晶粒细化,晶界面积越大,因而金属强度、硬度越高,同时塑性、韧性越好,称为细晶强化。
高温下,晶界呈粘滞状态,在外力作用下易产生滑动和迁移,因而细化晶粒无益,但晶粒太粗,易产生应力集中。因而高温下晶粒过粗、过细都不好。
3.4.2铸锭的组织及其控制
材料的凝固总是在一定的容器中进行,容器的形状、散热条件等因素将影响金属材料铸造后的组织形态。对于铸锭来说,它的组织包括晶粒大小、形状、取向、元素和杂质分布,以及铸锭中的缺陷等。铸锭的组织对后续加工和使用性能都有很大的影响。
1. 铸锭的组织
由于凝固时表面和心部的结晶条件不同,铸锭的宏观组织是不均匀的,通常由表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个晶区组成。
(1)表层细晶区:当高温的液体金属被浇注到铸型中时,液体金属首先与铸型的模壁接触,一般来说,铸型的温度较低,产生很大的过冷度,形成大量晶核,再加上模壁的非均匀形核作用,在铸锭表层形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区。
(2)柱状晶区:表层细晶区形成后,由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出,使模壁的温度逐渐升高,冷却速度下降,结晶前沿过冷度减小,难以形成新的结晶核心,结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。由于散热方向垂直于模壁,因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。
(3)中心等轴晶区:当柱状晶长大到一定程度,由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出,使结晶前沿的温度梯度消失,导致柱状晶长大停止。当心部全部冷却至实际结晶温度以下时,以杂质和被冲下的晶枝碎块为结晶核心均匀长大,形成粗大的等轴晶区。
一般的铸锭都是作为坯料,还要进行轧制等各种加工,柱状晶由于方向性过于明显,而且晶粒之间往往结合较弱,轧制时容易在柱状晶处开裂,因此要尽量减少或避免形成明显的柱状晶区。根据柱状晶区的形成与温度梯度的方向性有直接关系的特点,要减少柱状晶区,需从破坏稳定的温度梯度及柱状晶的稳定生长入手,如降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加液体流动或震动以及变质处理等。
2. 铸锭的缺陷
铸锭的缺陷包括缩孔、疏松、气孔和偏析等。
(1)缩孔和疏孔:大多数金属凝固时体积要收缩,如果没有足够的液体补充,便会形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的*后部位,则称为缩孔。缩孔可以通过合理设计浇注工艺,预留出补缩的液体(如加冒口)等方法控制,一旦铸锭中出现缩孔则应将其切除。如果孔隙分散地分布于枝晶间,则称为疏孔,可以通过压力铸造等方法予以消除。
(2)气孔:金属在液态下比在固态下溶解气体多。液态金属凝固时,如果所析出的气体来不及逸出,就会保留在铸锭内部,形成气孔。内表面未被氧化的气孔在热段或热轧时可以焊合,如发生氧化,则必须去除。
(3)偏析:合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同,合金中的低熔点元素偏聚于*终结晶区,或由于结晶出的固相与液相的比重相差较大,使固相上浮或下沉,从而造成铸锭宏观上的成分不均匀,称为宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。
第四章 金属的塑性变形与再结晶
4.1 金属的塑性变形
4.1.1单晶体金属的塑性变形
弹性变形及解理断裂,只有在切应力г的作用下,金属晶体才能产生塑性变形。
正常情况下,塑性变形有两种形式:滑移和孪生,在多数情况下,金属的塑性变形是以滑移的方式进行的。
1. 滑移
滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生移动的现象。滑移变形的特点是:
(1)滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的*小切应力称为临界切应力。
(2)滑移常沿晶体中原子密度*大的晶面和晶向发生,这是因为原子密度*大的晶面和晶向之间间距*大,结合力*弱,产生滑移所需切应力*小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。显然,滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排方向。
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格与面心立方晶格的滑移系数目相同,都是12个,而密排六方晶格只有3个滑移系。
滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而具有面心立方晶格金属的塑性好于体心立方晶格金属,具有体心立方晶格金属的塑性好于密排六方晶格金属。
(3)滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶,称为滑移线,若干条滑移线组成一个滑移带。
(4)滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种:一种是滑移面向外力轴方向转动,另一种是在滑移面上滑移方向向*大切应力方向转动。
转动的原因是由于晶体沿着滑移面和滑移方向滑动后使正应力分量σn、σn’和切应力分量гb、гb’组成了力偶。计算表明,当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45°角时,滑移方向上的切应力гs*大,因而*容易发生滑移。当滑移面和滑移方向与外力轴方向平行或垂直时,切应力分量гs=0,晶体不发生滑移。
(5)滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。计算表明,把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量的临界切应力值大3~4个数量级,而按照位错运动模型计算所得的临界切应力值则与实测值相符,可见滑移不是刚性滑动,而是位错运动的结果。
当晶体通过位错运动产生滑移时,只在位错中心的少数原子发生移动,而且它们移动的距离远小于一个原子间距,因而所需临界切应力小,这种现象称为位错的易动性。
当一个位错移动到晶体表面时,便产生一个原子间距的滑移量,同一滑移面上,若有大量位错移出,则在晶体表面形成一条滑移线。
2. 孪生
孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称为孪晶带或孪晶,沿其发生孪生的晶面称为孪生面,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移不同,孪生使晶格位向发生改变,所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近于声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
在常见的晶格类型中,密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属一般不发生孪生变形,但在这类金属中常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的,称为退火孪晶。
4.1.2多晶体金属的塑性变形
工程上使用的金属绝大多数是多晶体,其中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似,但由于晶界的存在及各晶粒的取向不同,使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。
1. 晶界及晶粒位向差的影响
在多晶体中,晶界原子排列不规则,当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来,称为位错的塞积。若要使变形继续进行,则必须增加外力,可见晶界使金属的塑性变形抗力提高。双晶粒试样的拉伸实验表明,试样往往呈竹节状,晶界处较粗,这说明晶界的变形抗力大,变形较小。
由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性形变便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。
2. 多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒,使位错在晶界附近塞积,当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒,当有大量晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。
3. 晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。原因是金属的晶粒越细,晶界总面积越大,位错障碍越多,需要协调的具有不同位向的晶粒越多,金属塑性变形的抗力越高。
金属的晶粒越细,其塑性和韧性也就越好。这是由于晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多。同时参与变形的晶粒数目也越多,变形越均匀,推迟了裂纹的形成和扩展,使得在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下,金属在断裂前消耗的功也大,因而其韧性也比较好。
通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称为细晶强化。细晶强化是金属的重要强化手段之一。
4.2 合金的塑性变形与强化
1.单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化
单相固溶体合金的组织与纯金属相同,因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似;
由于溶质原子的存在,使晶格发生畸变,从而使固溶体的硬度、强度提高,塑性韧性下降,这种现象称为固溶强化。
2.多相合金的塑性变形与弥散强化
当合金的组织由多相混合物组成时,合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外,还与**相的性质、形态、大小、数量和分布有关。**相可以是纯金属,也可以是固溶体或化合物,工业合金中的**相多数是化合物;
当**相在晶界上呈网状分布时,对合金的强度和塑性都不利;当在晶内呈片状分布时,可提高强度、硬度可显著提高,而且**相颗粒越细,分布越均匀合金的强度、硬度越高,这种强化方法称为弥散强化或沉淀强化。
4.3 塑性变形对金属组织和性能的影响
4.3.1 塑性变形对金属组织的影响
金属发生塑性变形,不仅外形发生变化,而且内部的晶粒被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清,如下图所示。塑性变形使晶粒破碎成亚晶粒。
4.3.2 塑性变形对金属性能的影响
金属发生冷塑性变形后,随塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。
冷塑形变形金属产生加工硬化的原因:
位错密度增加;亚结构细化,亚晶界对位错运动有阻碍作用;空位密度增加。
由于加工硬化的存在,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形,因此,没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一。尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。
4.3.3 残余应力
内应力是指平衡于金属内部的应力,它是由于金属在外力作用下,内部变形不均匀而引起的。
内应力分为三类:
(1)宏观内应力:平衡于金属表面与心部之间;
(2)微观内应力:平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间;
(3)畸变应力:由晶格缺陷引起的内应力。
内应力的存在,使金属的耐蚀性降低,引起零件在加工、淬火过程中的变形和开裂。因此,金属在塑性变形后,通常要进行退火处理,以消除或降低内应力。
4.4 回复与再结晶
4.4.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
金属经冷塑性变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到变形前组织状态的倾向。在常温下,原子扩散能力小,不稳定状态可以维持相当长时间,而加热则使原子扩散能力增强,金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
1.回复
回复是指在加热温度较低时,由于金属中点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化。在回复阶段,组织变化不明显,强度、硬度略有下降,塑性略有提高;但内应力、电阻率等显著下降。
在工业中,利用回复现象将冷变形金属低温加热,既稳定组织有保留了加工硬化,这种热处理方法称为去应力退火。
2.再结晶
如下图所示,当冷塑性变形金属被加热到较高温度时,由于原子活动能力增大,晶粒的形状开始发生变化,有破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称为再结晶。
再结晶也是一个晶核形成和长大的过程,但不是相变过程。再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。由于再结晶后组织的复原,金属的强度、硬度下降,韧性提高,加工硬化消失。
3.结晶后的晶粒长大
再结晶完成后,若继续升高加热温度或延长加热时间,将发生晶粒长大,这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的,是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒长大会使金属的强度,尤其是塑性和韧性下降。
4.4.2 再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程,它是自某一温度开始,在某一温度范围内连续进行的过程,发生再结晶的*低温度称为再结晶温度。影响再结晶温度的因素如下:
金属的预先变形度;金属的纯度;加热速度和保温时间
4.4.3 再结晶退火后的晶粒度
由于晶粒大小对金属的力学性能具有重大影响,因而生产上非常重视再结晶退火后的晶粒度。影响再结晶退火后晶粒大小的因素如下:
1.加热温度和保温时间
加热温度越高,保温时间越长,金属的晶粒越大,加热温度的影响尤为显著。
2.预先变形度
预先变形度的影响实质上是变形均匀程度的影响。
4.5 金属的热加工
4.5.1 冷加工与热加工的区别
在金属中,冷、热加工的界限是以再结晶温度来划分的,低于再结晶温度的加工为冷加工,而高于再结晶温度的加工为热加工。例如,Fe的再结晶温度为450℃,其在400℃以下的加工变形仍属冷加工。而Pb的再结晶温度为-33℃,则其在室温下的加工变形为热加工。
热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消,因而热加工不会带来加工硬化的效果。
4.5.2 热加工对金属组织和性能的影响
热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合,使粗大的树枝晶破碎,从而使组织致密,成份均匀,晶粒细化,力学性能提高。
热加工使铸态金属中的非金属夹杂物沿变形方向伸长,形成彼此平行的宏观条纹,称为流线,由这种流线体现的组织称为纤维组织。纤维组织使钢产生各向异性,与流线平行的方向强度高,而与其垂直的方向强度低。在制定加工工艺时,应使流线分布合理,尽量与拉应力方向一致。如下图(a)所示的曲轴锻坯流线分布合理,而图(b)中所示的曲轴是由锻钢切削加工而成,其流线分布不合理,易在轴肩处发生断裂。
在热加工亚共析钢时,常发现钢中的铁素体与珠光体呈带状分布,这种组织称为带状组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关,它的存在将降低钢的强度、塑性和冲击韧性,可通过多次正火或退火来消除。
热加工能量消耗小,但钢才表面易氧化,因而热加工一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面粗糙度要求高的工件
第五章 钢的热处理
5.1 概述
1.热处理的定义:指将钢在固态下加热、保温、冷却,以改变钢的内部组织结构,从而获得需要的性能的一种工艺。
2.热处理的特点:只通过改变工件的组织来改变性能,不改变其形状。
3.热处理的适用范围:只适用固态下发生相变的材料。
4.热处理原理:描述热处理时钢中组织转变的规律。
5.热处理工艺:根据热处理原理而制定的温度、时间、介质等参数
6.热处理分类:
(1)根据加热、冷却方式的不同及钢的组织变化特点的不同,将热处理工艺分类如下:
普通热处理:退火、正火、淬火和回火
表面热处理:表面淬火、化学热处理
其他热处理:真空热处理、形变热处理、激光热处理
(2)根据在零件生产过程中所处的位置和作用不同来分类
预备热处理:**前道工序的缺陷,改善其工艺性能,确保后续加工顺利进行。
*终热处理:赋予工件所要求的使用性能的热处理。
7.热处理时的过热和过冷现象
由于实际加热或冷却时,又过热或过冷现象,因此,将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm来表示,冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm来表示。
5.2 钢在加热时的转变
加热是热处理的**道工序。加热分两种:一种在临界点A1以下的加热,不发生组织变化,一种是在临界点A1以上的加热,目的是获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。
5.2.1 奥氏体的形成过程
钢在加热时奥氏体的形成过程也是一个形核和长大的过程。以共析钢为例,其奥氏体化过程可简单地分为4个步骤,如下图所示。
**步:奥氏体晶核形成。奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的界面上形成,因为晶面处的成分和结构对形核有利。
**步:奥氏体晶核长大。奥氏体晶核形成后,便通过碳原子的扩散向铁素体和渗碳体方向长大。
第三步:残余渗碳体的溶解。铁素体在成分和结构上比渗碳体更接近于奥氏体,因而先于渗碳体消失,而残余渗碳体则随保温时间延长不断溶解直至消失。
第四步:奥氏体均匀化。渗碳体溶解后,其所在部位碳的含量仍比其他部位高,需通过较长时间的保温使奥氏体成分逐渐趋于均匀。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同,只是由于先共析铁素体或二次渗碳体的存在,要获得全部奥氏体组织,必须相应地加热到Ac3或Accm以上。
5.2.2 奥氏体的晶粒大小及其影响因素
钢在加热时所获得的奥氏体晶粒大小将直接影响到冷却后的组织和性能。
1.奥氏体的晶粒度
起始晶粒度:奥氏体化刚结束时的晶粒大小,此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长,会出现晶粒长大的现象。
实际晶粒度:在某一具体热处理下得到的奥氏体的晶粒度。它直接影响钢的性能。
本质晶粒度:钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向,通常将钢加热到940±10℃奥氏体化后,设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度。如下图所示,晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢,前者晶粒长大倾向大,后者晶粒长大倾向小。
在工业生产中,经锰硅脱氧的钢一般都是本质粗晶粒钢,而经铝脱氧的钢、**钢则多为本质细晶粒钢。需进行热处理的工件,一般应采用本质细晶粒钢制造。
2.影响奥氏体晶粒大小的因素
(1)加热温度和保温时间。
加热温度高、保温时间长,奥氏体晶粒粗大,即使是本质细晶粒钢,当加热温度过高时,奥氏体晶粒也会迅速粗化。
(2)加热速度
加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细
(3)合金元素
随奥氏体中含碳量的增加,奥氏体晶粒长大倾向变大,但如果碳以残余渗碳体的形式存在,则由于其阻碍晶界移动,反而使长大倾向减小。同样在钢中加入碳化物形成元素和氮化物、氧化物形成元素,都能阻碍奥氏体晶粒长大。
(4)原始组织
接**衡状态的组织有利于获得细奥氏体晶粒
奥氏体晶粒粗大,冷却后的组织也粗大,从而降低了钢的常温力学性能,尤其是塑性。因此,加热时获得细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。
5.3 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序,因为钢的常温力学性能与其冷却后的组织密切相关。钢在不同的冷却速度下可转变为不同的组织,包括平衡组织和非平衡组织。
5.3.1 过冷奥氏体的转变产物及转变过程
过冷奥氏体:处于临界点A1以下的奥氏体
过冷奥氏体是非稳定组织,迟早要发生转变。随过冷度的不同,过冷奥氏体将发生三种类型转变:珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
一、珠光体转变
1.转变条件:过冷奥氏体在A1→550℃温度范围内转变为珠光体类型的组织;
2.转变产物:铁素体与渗碳体片层相间的机械混合组织,根据片层厚薄的不同,又可细分为:
(1)珠光体(P):形成温度A1~650 ℃,片层较厚,500倍光学显微镜下可辨,用符号P表示,组织。
(2)索氏体(S):形成温度为650~600℃,片层较薄,800-1000倍光学显微镜下可辨,用符号S表示
(3)托氏体(T):形成温度为600~550℃,片层极薄,电子显微镜下可辨,用符号T表示,组织如下图所示。
这三种组织无本质区别,只是片层厚度不同,因此其界限也是相对的。片间距越小,钢的强度、硬度越高,同时塑性和韧性略有改善。
3.奥氏体转变为珠光体过程:
二、贝氏体转变
1.转变条件:过冷奥氏体在550℃~Ms(对于共析钢而言,Ms为230℃)温度范围内将转变为贝氏体型组织。
2.转变产物:Fe3C与含碳过饱和铁素体的两相机械混合物,根据贝氏体的组织形态不同,又分为:
上贝氏体转变:形成温度550~350 ℃,用符号(B上)来表示。在光镜下呈羽毛状,不连续的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。如下图所示。
上贝氏体性能特点:上贝氏体中铁素体片较宽,碳化物较粗,且分布不均匀,它的脆性较大,强度较低,基本上无实用价值。
下贝氏体转变:形成温度为350℃~Ms,用符号(B下)来表示。在光镜下呈竹叶状,细片状碳化物分布于铁素体针上,如下图所示。
下贝氏体性能特点:下贝氏体中碳化物细小,分布均匀,除有较高的强度和硬度外,还有良好的塑性和韧性,是生产上常用组织,因此获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。
3.奥氏体转变为贝氏体过程:
贝氏体转变也是形核和长大的过程,发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核,其含碳量介于奥氏体和渗碳体之间,为过饱和铁素体。
上贝氏体的形成过程(如下图所示):当转变温度较高(550-350℃)时,条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长,随铁素体条伸长和变宽,其碳原子向条间奥氏体富集,*后在铁素体条间析出Fe3C短棒,奥氏体消失,形成上贝氏体。
下贝氏体的形成过程(如下图所示):当转变温度较低(350-230℃)时,铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状,由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围,碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出,形成下贝氏体。
三、马氏体转变
1)转变条件:温度区间低于Ms点,过冷奥氏体在该温度下不能在恒温下转变,而是以极大的过冷度连续冷却。
2)转变产物:碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。根据转变产物形态的不同,马氏体分为板条马氏体和针状马氏体。
板条马氏体:其立体形态为细长的扁棒状,在光镜下为一束束的细条状组织,每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列,一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在透射电镜下,板条内的亚结构主要是高密度的位错,因而又称为位错马氏体。
针状马氏体:其立体性态为双凸透镜性的片状,显微组织为针状。在透射电镜下观察表明,其亚结构主要是孪晶,因而又称为孪晶马氏体。
在一个奥氏体晶粒内,先形成的马氏体横穿整个晶粒,但不能穿过晶界和孪晶界,后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体,所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细,转变后的马氏体片也细。
马氏体的形态主要取决于其含碳量,如下图所示,当含碳量小于0.2%时,转变后的组织几乎全部是板条马氏体,而当含碳量大于1.0%时,则几乎全部是针状马氏体。含碳量在0.2%~1.0%时,为板条状和针状马氏体的混合物
3)马氏体的性能
高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量,含碳量增加,其硬度也随之提高,当含碳量大于0.6%时,其硬度趋于平缓,如下图所示。合金元素对马氏体的硬度影响不大。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化,此外,马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体强化是钢的主要强化手段之一,已广泛应用于工业生产中。
4)马氏体转变的特点
无扩散型:铁和碳原子都不发生扩散,因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。
降温形成:只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变,温度下降,转变量增加,冷却中断,转变停止,到Mf转变终了。Ms、Mf与冷却速度无关,取决于奥氏体中的含碳量。
高速长大:马氏体形成速度极快,瞬间形核,瞬间长大;
转变不完全:即使冷却到Mf点,也不可能获得100%的马氏体,总有部分残余奥氏体未能转变而残留下来,称为残余奥氏体,用A′表示。马氏体转变后的残余奥氏体量随含碳量的增加而增加,当含碳量达0.5%后,残余奥氏体量才显著,如下图所示。
5.3.2 过冷奥氏体转变图
在热处理中,通常有两种冷却方式,即等温冷却和连续冷却。如下图所示,过冷奥氏体转变图即为描述在这两种冷却方式下过冷奥氏体的转变量和转变时间之间的关系曲线图。过冷奥氏体转变图是对钢进行热处理的重要依据。
一、过冷奥氏体的等温转变图
概念:指表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下,在各种不同温度的保温过程中,转变量与转变时间之间关系的曲线图。也称TTT(Temperature Time Transformation)曲线,因为其形状像字母C,所以又称C曲线。C曲线是利用热分析等方法获得的。
1.共析钢C曲线的分析
两条C形曲线中,左边的一条及Ms是过冷奥氏体转变开始线,右边的一条及Mf线是过冷奥氏体转变终了线。A1线、Ms线、转变开始线及纵坐标所包围的区域为过冷奥氏体去,转变终了线以右及Mf线以下为转变产物区。转变开始线和转变终了线之间及Ms线与Mf线之间为转变区。
孕育期:转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小,过冷奥氏体稳定性越小。孕育期*短处称为C曲线的“鼻尖”。对于碳钢,“鼻尖”处的温度为550℃。过冷奥氏体的稳定性取决于相变驱动力和扩散这两个因素。在“鼻尖”以上,过冷度越小,相变驱动力也越小;在“鼻尖”以下,温度越低,原子扩散越困难,两者都使奥氏体稳定性增加,孕育期增长。
1) 影响C曲线的因素
影响C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。
含碳量的影响:共析钢过冷奥氏体*为稳定,C曲线*靠右。由共析钢成分开始,含碳量增加或减少都使C曲线左移,而Ms点与Mf点则随含碳量增加而下降。
合金元素的影响:除Co以外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移,除Co和Al以 外,所有合金元素都使Ms与Mf点下降。
奥氏体化条件的影响:
二、过冷奥氏体连续冷却转变图
在实际生产中,热处理的冷却多采用连续冷却。因此,过冷奥氏体连续冷却转变图对于确定热处理工艺及选材更具有实际意义。过冷奥氏体连续冷却转变图又称为CCT曲线(Continuous Cooling Transformation),它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量和转变时间的关系获得的。
在碳钢中,共析钢的CCT曲线(如下图所示)*简单,它没有贝氏体转变区,在珠光体转变区之下多了一条转变中止线K。当连续冷却曲线碰到转变中止线时,过冷奥氏体中止向珠光体转变,余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。与TTT曲线相比,CCT曲线位于其右下方。
共析钢的连续转变冷却曲线
图中Vk是CCT曲线的临界冷却速度,即在连续冷却条件下获得全部马氏体组织的*小冷却速度。Vk′为TTT曲线的临界冷却速度,Vk′=1.5Vk。显然,C曲线越靠右,Vk越小,过冷奥氏体越稳定。
由于CCT曲线获得困难,而TTT曲线容易测得,因而在手册中TTT曲线较多。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况,方法是将冷却曲线绘在C曲线上,依其与C曲线交点的位置来说明*终转变产物。
当冷却缓慢时(炉冷),过冷奥氏体转变为珠光体,冷却较快时(空冷),过冷奥氏体转变为索氏体。采用油冷时,过冷奥氏体先有一部分转变为托氏体,剩余的奥氏体在冷却到Ms以下后转变为马氏体,其室温组织为托氏体+马氏体+残余奥氏体。当冷却速度大于Vk时,过冷奥氏体将在Ms以下直接转变为马氏体,其室温组织为马氏体+残余奥氏体。
5.4 钢的退火和正火
机械零件的一般加工工艺路线如下:
退火和正火主要用于预备热处理,只有当工件性能要求不高时才作为*终热处理。
5.4.1 退火
将钢加热到适当温度保温,然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺称为退火。退火后的组织接近于钢在平衡状态下的组织。
一、退火目的
① 调整硬度以便进行切削加工;
② 消除残余内应力,以防止钢件在淬火时产生变形或开裂;
③ 细化晶粒,改善组织,提高力学性能,为*终热处理作准备。
二、退火工艺
退火的种类很多,常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火等类型。各种退火工艺的加热温度范围如下图所示:
完全退火:将工件加热到Ac3 +(30~50℃),保温后缓冷的退火工艺,完全退火主要用于亚共析钢,使中碳以上的钢软化以便于切削加工,并消除内应力。
等温退火:将亚共析钢加热到Ac3+(30~50℃),将共析钢、过共析钢加热Ac1+(30~50℃),保温后快冷到Ar1以下的某一温度,并在此温度下停留,待相变完成后出炉空冷的退火工艺。等温退火可缩短工件在炉内停留时间,更适合于孕育期长的合金钢,如下图所示。
球化退火:使高碳钢中渗碳体球状化的退火工艺,将工件加热到Ac1+(30~50℃)充分保温后缓冷,或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温,从而使珠光体中的渗碳体球状化的退火工艺。球化退火主要用于共析钢和过共析钢,目的在于降低硬度,改善切削加工性能,并为后续热处理作组织准备。
球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体,称为球状珠光体(如下图所示)。对于有网状二次渗碳体的过共析钢,在球化退火前先进行正火,以消除网状渗碳体。
5.4.2 正火
正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃,过共析钢加热到Accm+30~50℃,保温后空冷的热处理工艺。
由于正火比退火冷却速度大,因而正火组织比退火细,强度和硬度也比退火组织高,当碳钢的含碳量小于0.6%,正火后组织为铁素体加索氏体,当含碳量大于0.6%时,正火后组织为索氏体。
对于低、中碳钢的亚共析钢而言,正火的目的与退火的目的相同,即调整硬度,便于切削加工;细化晶粒,为淬火作组织准备;消除残余内应力。对于过共析钢而言,正火是为了消除网状二次渗碳体,为球化退火作组织准备。对于普通结构件而言,正火可增加珠光体量并细化晶粒,提高强度、硬度和韧性,作为*终热处理。
从改善切削加工性能的角度出发,低碳钢宜采用正火;中碳钢既可采用退火,也可采用正火;过共析钢在消除网状渗碳体后采用球化退火。
5.5 钢的淬火与回火
5.5.1 淬火
淬火是指将将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk的速度冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此,淬火的目的就是为了获得马氏体,提高钢的力学性能。淬火是钢的*重要的强化方法,也是应用*广的热处理工艺之一。
一、淬火温度
淬火温度即钢奥氏体化温度,是淬火的主要工艺参数之一。碳钢的淬火温度可利用合金相图来选择(如下图所示)。
对于亚共析钢,淬火温度为Ac3 +30~50℃。当含碳量不高于0.5%时,淬火后组织为马氏体,当含碳量大于0.5%时,淬火后组织为马氏体与少量残余奥氏体(如下图所示)。
亚共析钢在Ac1~Ac3之间加热淬火后的组织为马氏体加铁素体,由于组织中有自由铁素体存在,使钢的强度和硬度降低,但可改善韧性,这种淬火称为亚温淬火,如处理得当,亚温淬火也可作为一种强韧化处理方法。
对于共析钢和过共析钢,淬火温度为Ac1+(30-50)℃。共析钢淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。过共析钢由于淬火前经过球化退火,因而淬火后组织为细马氏体加颗粒状的渗碳体和少量残余奥氏体,如下图所示。分散分布的颗粒状渗碳体对提高钢的硬度和耐磨性有利。如果将过共析钢加热到Accm以上,则由于奥氏体晶粒粗大,含碳量提高,使淬火后马氏体晶粒也粗大,且残余奥氏体量增多,这将使钢的硬度、耐磨性下降,脆性和变形开裂倾向增加。
对于合金钢,由于大多数合金元素(Mn、P除外)有阻碍奥氏体晶粒长大的作用,因而淬火温度比碳钢高,一般为临界点以上50-100℃。
二、淬火介质
理想淬火介质的冷却曲线(如下图所示)应只在C曲线“鼻尖”处快冷,而在Ms附近尽量缓冷,以达到既获得马氏体组织,又减小内应力的目的,但目前还没有找到这种理想介质。
常用的淬火介质是水和油。
水是经济的且冷却能力较强的淬火介质,水的缺点是在650-550℃范围内的冷却能力不够强,而在300-200℃范围内冷却能力又太大,因此生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢件的淬火。
油在低温区冷却能力较理想,但在高温区冷却能力太低,因此主要用于合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火。大尺寸碳钢件油淬时,由于冷却不足,会出现珠光体型分解。
熔融的碱和盐也常用作淬火介质,称为盐浴或碱浴。这类介质只适用于形状复杂及变形要求严格的小型件的分级淬火和等温淬火。
三、淬火方法
采用适当的淬火方法可以弥补冷却介质的不足,常用的淬火方法如下图所示。
1)单介质淬火方法:是指将加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。如水淬和油淬都属于这种方法。该方法操作简单,易实现机械化,应用较广。
2)双介质淬火:是指将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却,避免珠光体转变,然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。常用的方法是水淬油冷或油淬空冷。其优点是冷却比较理想,缺点是**种介质中停留时间不易控制,需要有实践经验。该方法主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件。
3)分级淬火:指将奥氏体化的工件淬入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保温,待工件表、心部温度接近盐浴温度时取出来空冷的淬火方法。分级淬火可以很好地消除淬火工件表心部的温差问题,有效地减少工件变形开裂倾向。
4)等温淬火:加热工件在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间,获得下贝体组织后再空冷的淬火方法。经等温淬火的零件具有良好的综合力学性能,淬火应力小,适用于形状复杂及要求较高的小型件。
四、钢的淬透性
淬透性是钢的主要热处理性能,它对合理选材和正确制定热处理工艺具有重要意义。
1.钢的淬透性及其测定方法
钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为钢的淬透性,其高低用规定条件下的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指工件表面到半马氏体的深度。淬透性与淬硬性不同,淬硬性是指钢淬火后所能达到的*高硬度,即硬化能力。
同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸,冷却介质有关,工件尺寸小、冷却能力强,淬硬层深,工件尺寸小、介质冷却能力强,淬硬层深,而淬透性与工件尺寸、冷却介质无关,它只用于不同材料之间的比较,是在尺寸、冷却介质相同时,用不同材料的淬硬层深度进行比较的。
淬透性常用末端淬火法测定(如下图所示),将标准化试样奥氏体化后,对末端进行喷水冷却。然后从水冷段开始,每隔一定距离测量一个硬度值,即可得到试样沿轴向的硬度分布曲线,称为钢的淬透性曲线。
2.影响淬透性的因素
1)钢的淬透性取决于其临界冷却速度,临界冷却速度越小,则奥氏体越稳定,钢的淬透性越高。临界冷却速度取决于C曲线的位置,C曲线越靠右,临界冷却速度越小,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。
2) 在碳钢中,共析钢的临界冷却速度*小,因而其淬透性在碳钢中*高。
3) 除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移,临界冷却速度减小,钢的淬透性提高。
4) 提高奥氏体化温度、延长保温时间可使奥氏体晶粒长大、成分均匀,从而提高了奥氏体的稳定性,使钢的淬透性提高,而钢中未溶的**相则促进冷却转变时的形核,降低奥氏体的稳定性,使淬透性下降。
3.淬透性的应用
力学性能是机械设计中选材的主要依据,而钢的淬透性又直接影响其热处理后的力学性能。因此,在选材时,必须对钢的淬透性有充分的了解。
下图为两种淬透性不同的钢制成相同的轴经调质处理后,其力学性能的比较。高淬透性的钢的整个截面都是回火索氏体组织,力学性能均匀,强度高,韧性好。低淬透性钢的心部组织为片状索氏体加铁素体,韧性差。
对于截面尺寸较大、形状复杂的重要零件以及承载较大、要求截面力学性能均匀的零件,应选用高淬透性的钢制造,并要求全部淬透。而承受弯曲和扭转的零件,由于其外层受力较大,心部受力较小,可选用淬透性较低的钢种,不必全部淬透。
5.5.2钢的回火
回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的热处理工艺。
一、 回火的目的
1) 消除或减少淬火内应力,防止工件变形或开裂;
2) 获得工艺所要求的力学性能;
3) 稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织,有自发向平衡组织铁素体加渗碳体转变的倾向。回火可使马氏体和残余奥氏体转变为平衡或接**衡的组织,防止使用时变形。
4) 对于某些高淬透性的钢,空冷即可淬火,如采用退火则软化周期太长,则采用回火软化即能降低硬度,又能缩短软化周期。
对于未经淬火的钢,回火是没有意义的,而淬火钢不经回火一般也不能直接使用,为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂,钢件经淬火后应及时回火。
二、 回火的种类
根据钢的回火温度范围,可将回火分为3类。
1.低温回火
回火温度为150-250℃。低温回火时发生如下变化,得到M回组织。
低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时,降低内应力,提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。
2.中温回火
回火温度为350-500℃。中温回火时发生如下变化,得到T回组织,即为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织。
回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限,并具有一定的韧性,硬度一般为35HRC-45HRC,主要用于各类弹簧的处理。
3.高温回火
回火温度为500-650℃。高温回火时发生如下变化,得到S回组织,即为在多边性铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织。
回火索氏体具有良好的综合力学性能,即在保持较高强度的同时,具有良好的塑性和韧性,硬度一般为25HRC-35HRC。
回火时的组织变化必然引起力学性能的变化,总的趋势是随回火温度提高,钢的强度、硬度下降,塑性、韧性提高。下图为淬火硬度随回火温度的变化曲线。可以看出,在200℃以下回火时,由于马氏体中碳化物的弥散析出,钢的硬度并不下降,高碳钢硬度略有提高。在200-300℃回火时,由于高碳钢中的残余奥氏体转变为回火马氏体,硬度再次升高。在300℃以上回火时,由于渗碳体粗化,马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。
通常把淬火加高温回火的热处理工艺称为“调质处理”,简称“调质”。调质广泛用于各种重要结构件,如连杆、轴、齿轮等的处理,也可作为某些要求较高的精密零件、量具等的预备热处理。
三、 回火脆性
回火脆性:淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高,在某些温度范围内回火时,会出现冲击韧性下降的现象,称为回火脆性(如上图所示)。
不可逆回火脆性:是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性,又称**类回火脆性。这种回火脆性是不可逆的,只要在此温度范围内回火就会出现脆性,目前尚未有效消除方法。因而回火时应避开这一温度。
可逆回火脆性:是指淬火钢在500-600℃范围内回火后缓冷时出现的脆性,又称**类回火脆性。这类回火脆性主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的结构钢中。一般认为这类回火脆性与上述元素促进Sb、Sn、P等杂质在原奥氏体晶界上偏聚有关。如果回火后快速冷却则不出现这类脆性。此外,在钢中加入合金元素W、Mo也可有效抑制这类回火脆性的产生,这种方法更适合于大截面的零部件。
5.6 钢的表面热处理
5.6.1 表面淬火
对于承受弯曲、扭转、摩擦或冲击的零件,一般要求表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限而心部具有足够的塑性和韧性即表硬里韧,对零件进行表面热处理是满足这些性能要求的有效方法。
一、表面淬火用材及预备热处理
1.适用范围:表面淬火适用于含碳量为0.4%~0.5%的中碳结构钢,如:40、45钢、40Cr、40MnB及60Ti等低淬透性钢。如果含碳量过高,则会降低工件心部韧性;如含碳量过低,则会降低钢的表面硬度和耐磨性。此外,表面淬火还可用于铸铁,如机床导轨表面的热处理,以提高其耐磨性。
2.预备热处理:表面淬火所要求的预备热处理为调质或正火,前者性能高,用于要求较高的重要零部件,后者用于要求不高的普通构件。预备热处理的目的是为表面淬火作组织准备,并获得*终的心部组织。
二、表面淬火后的回火及组织
表面淬火后为低温回火 回火温度不高于200℃。回火目的是为了降低内应力并保留表面淬火后的高硬度和高耐磨性。回火后的组织是表面组织为回火马氏体,心部组织为回火索氏体(预备热处理为调质时)或铁素体加索氏体(预备热处理为正火时)。
三、表面淬火常用的加热方法
1.感应加热:利用交变电流在工件表面感应产生巨大涡流,使工件表面迅速加热的方法。
2)感应加热淬火的特点:
(1) 加热速度快,工件不易脱碳,变形小;
(2) 获得的马氏体组织极细,硬度高、脆性小、疲劳强度好;
(3) 加热层深度易控制,可实现自动化批量生产。
上述特点使感应淬火加热表面淬火在生产中得到了广泛应用,其缺点是设备较贵,形状复杂零件的处理比较困难。
2.火焰加热表面淬火
利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。火焰表面加热淬火如下图所示,其淬硬层深度一般为2~8mm。这种处理的特点是设备简单、成本低、灵活性大,但淬火质量不易控制。主要用于单件、小批量生产工件及大型工件的表面淬火。
5.6.2 化学热处理
化学热处理是将工件置于一定的化学介质中加热、保温,使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层,以改变工件表层化学成分和组织且又能有更高强韧性的热处理工艺。
根据渗入的元素不同,化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。
化学热处理由三个基本过程组成:
1)介质的分解:即加热时介质中的化合物分子发生分解并释放出活性原子;
2)工件表面的吸收:即活性原子向固溶体中溶解或与钢中某些元素形成化合物;
3)原子向内部扩散:即溶入的元素原子在浓度梯度的作用下由表层向钢内部的扩散。
一、渗碳
渗碳是指向钢表面渗入碳原子的过程。渗碳是为了使低碳钢工件(含碳量为0.1%~0.25%)表面获得高的碳浓度(0.85%~1.05%),从而提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度,同时保持心部良好的韧性和塑性。若采用中碳以上的钢渗碳,则将降低工件心部的韧性。渗碳主要用于那些对耐磨性要求较高、同时承受较大冲击载荷的零件,如齿轮、活塞销及套筒等。
1)渗碳方法
渗碳的方法通常有气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳等,*常用的是气体渗碳。
气体渗碳是将工件放人密封的渗碳炉内,使工件在高温(900—950℃)的渗碳气氛中进行渗碳(如下图所示)。气体渗碳法的优点是生产效率高,渗层质量好,劳动强度低,便于直接淬火;气体渗碳法的缺点是碳量及渗层深度不易**控制,电力消耗大等。
2)渗碳后热处理
工件渗碳后必须进行淬火加低温回火处理后才能使用。回火温度一般为160-180℃,常用的淬火方法有以下3种:直接淬火、一次淬火和二次淬火。
3)渗碳层的成分、组织和厚度
低碳钢工件渗碳后,其表面含碳量可达过共析钢的成分,由表向里碳浓度逐渐降低,直至钢的原始含碳量。一般规定,从表面到过渡层一半处的厚度为渗碳层的厚度,渗碳层表面的含碳量以0.85%-1.05%为*好。
二、氮化
1.氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程,其目的是为了提高工件表面的硬度、疲劳强度、耐磨性及耐蚀性。
2.氮化用钢通常为含有Cr、Mo、Al、Ti、V等合金元素的中碳钢。
如38CrMoAl。氮化温度较低,一般为500-570℃。氮化层厚度随工件的不同而有所区别,一般不会超过0.6-0.7mm。工件在氮化前需进行调质处理,以保证氮化件心部具有较高的强度和韧性。
3.氮化的特点
1)氮化件表面硬度高(1000-2000HV),耐磨性好,还具有高的热硬性;
2)氮化件疲劳强度高。这是由于氮化后表层体积增大,产生压应力;
3)氮化件变形小。这是由于氮化温度低,而且氮化后不再进行热处理;
4)氮化件耐蚀性好。这是由于氮化后表面形成一层致密的化学稳定性相。
氮化的缺点是工艺复杂,成本高,氮化层薄,因而主要用于耐磨性及精度均要求很高的零件,或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件,如精密机床的丝杠、镗床主轴、发动机气缸及热作模具等。
三、碳氮共渗
1.碳氮共渗是指使工件表面同时渗入碳原子和氮原子的化学热处理工艺,也称氰化。
2.氰化用钢:主要是渗碳钢,但也可用中碳钢和中碳合金钢。
3.氰化的特点:与渗碳相比,氰化具有处理温度低、时间短,生产效率高,工件变形小等优点,但其渗层较薄,主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨件。
5.7 金属材料表面热处理新技术
近二十年,金属材料表面处理新技术得到了迅速发展,开发出了许多新的工艺方法,这里只介绍其中主要的几种。
5.7.1 热喷涂技术
将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等,已广泛用于包括航空航天、原子能、电子等**技术在内的几乎所有领域。
1. 涂层的结构
热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式叠在一起的层状结构,粒子之间不可避免地存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。孔隙率因喷涂方法不同,一般在4%~20%之间,氧化物夹杂是喷涂材料在空气中发生氧化形成的。孔隙和夹杂的存在将使涂层的质量降低,可通过提高喷涂温度、喷速,采用保护气氛喷涂及喷后重熔处理等方法减少或消除这些缺陷。
喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的,其次是微区治金结合及化学键结合。
2. 热喷涂方法
常用的热喷涂方法:
①火焰喷涂,多用氧-乙炔火焰作为热源,具有设备简单操作方便成本低的特点,但涂层质量不太高,目前应用较广;
②电弧喷涂,是以丝状喷涂材料作为自耗电极,以电弧作为热源的喷涂方法。与火焰喷涂相比,具有涂层结合强度高、能量利用率高、孔隙率低等优点;
③等离子喷涂,是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法,具有涂层质量优良、适应材料广泛的优点,但设备较复杂。
3. 热喷涂工艺
热喷涂的工艺过程一般为:表面预处理→预热→喷涂→喷后处理。
表面预处理主要是在去油、除锈后对表面进行喷砂粗化。预热主要用于火焰喷涂。喷后处理主要包括封孔、重熔等;
4. 热喷涂的特点及应用
热喷涂的特点:
①工艺灵活:热喷涂的对象小到ф10的内孔,大到铁塔、桥梁。可整体喷涂,也可局部喷涂;
②基体及喷涂材料广泛:基体可以是金属和非金属,涂层材料可以是金属合金及塑料陶瓷等;
③工件变形小:热喷涂是一种冷工艺,基体材料温度不超过250℃;
④热喷涂层可控:从几十微米到几毫米;
⑤生产效率高。
由于涂层材料的种类很多,所获得的涂层性能差异很大,可应用于各种材料的表面保护﹑强化及修复,并满足特殊功能的需求。
5.7.2 气相沉积技术
气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质,通过物理或化学的方法沉积字材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。根据沉积过程的原理不同,气相沉积技术可分为物**相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)沉积两大类.
1. 物**相沉积
物**相沉积是指在真空条件下,用物理的方法。使材料汽化成原子、分子或电离成离子,并通过气相过程,在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀﹑溅射镀、离子镀等三种基本方法。
真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。根据蒸镀材料熔点的不同,其加热方式有电阻加热、电子束加热、激光加热等多种。真空蒸镀的特点是设备、工艺及操作简单,但因汽化粒子动能低,镀体与基体结合力较弱,镀层较疏松,因而耐冲击、耐磨损性能不高。
溅射镀是指在真空下通过辉光放电来电离氩气,产生的氩离子在电场作用下加速轰击阴极,被溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。其优点是气化粒子动能大、适用材料广泛(包括基体材料和镀膜材料)均镀能力好,但沉积速度慢、设备昂贵。
离子镀是指在真空下利用气体放电技术,将蒸发的原子部分电离成离子,与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。其特点是镀层质量高、附着力强、均镀能力好、沉积速度快,但存在设备复杂、昂贵的特点。
物**相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛;工艺简单省材料无污染;获得膜层膜附着力强膜层厚度均匀、致密、针空少等优点。已广泛应用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。
2. 化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积是指在一定温度下,混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如,气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN,并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。
化学气相沉积的特点是:沉积物种类多,可沉积金属、半导体元素、碳化物、氮化物、硼化物等,并能在较大范围内控制膜的组成及晶型;能均匀涂敷几何形状复杂的零件;沉积速度快,膜层致密,与基体结合牢固;易于实现大批量生产。
由于化学气相沉积膜层具有良的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能,已被广泛应用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。
5.7.3 三束表面改性技术
三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源施加到材料表面,使之发生物理、化学变化,以获得特殊表面性能的技术。三束对材料表面的改性是通过改变材料的成分和结构来实现的。由于这些束流具有极高的能量密度,可对材料表面进行快速加热和快速冷却,使表层的结构和成分发生大幅度改变(如形成微晶、纳米晶、、非晶、亚稳成分固容体和化合物等),从而获得所需要的特殊性能。此外,束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。
1. 激光束表面改性技术
激光是由受激辐射引起的并通过谐振放大了的光。激光与一般光的不同之处是纯单色,具有相干性,因而具有强大的能量密度。由于激光能量密度高,可在短时间内将工件表面快速加热或熔化,而心部温度基本不变;当激光辐射停止后,由于散热速度快,又会产生“自激冷”。激光束表面改性技术主要应用于以下几方面:
(1) 激光表面淬火
又称激光相变硬化。激光表面淬火件硬度高(比普通淬火高15%~20%)、耐磨、耐疲劳、变形极小,表面光亮,已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。
(2) 激光表面合金化
预先用镀膜或喷涂等技术把所需要的合金元素涂敷到工件表面,再用激光束照射涂敷表面,使表面膜与基体材料表层融合在一起并迅速凝固,从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。利用这种方法可以进行局部表面合金化,使普通金属零件的局部表面经处理后可获得**合金的性能。该方法还具有层深层宽可精密控制、合金用量少、对基体影响小、可将高熔点合金涂敷到低熔点合金表面等优点,已成功用于改善发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命。
激光束表面改性技术也可用于激光涂敷,以克服热喷涂层的气孔、夹杂和微裂纹缺陷;还可用于气相沉积技术,以提高沉积层与基体的结合力。
2. 电子束表面改性技术
电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体。除所使用的热源不同外,电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的热处理,电子束也都可以进行。
与激光束表面改性技术相比,电子束表面改性技术还具有以下特点:
① 由于电子束具有更高的能量密度,加热的尺寸范围和深度更大;
② 设备投资较低,操作较方便;
③ 因需要真空条件,故零件的尺寸受到限制。
3. 离子注入表面改性技术
离子注入是指在真空下,将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面,使材料表面层的物力、化学和机械性能发生变化的方法。
离子注入的特点是:可注入任何元素,不受固溶度和热平衡的限制;注入温度可控,不氧化、不变形;注入层厚度可控,注入元素分布均匀;注入层与基体结合牢固,无明显界面;可同时注入多种元素,也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。
通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用,尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。
其他表面处理技术还包括热渗镀技术(如热渗镀锌、热渗镀铝等)、特种电镀技术(如电刷镀、低温镀铁等)、化学镀技术(如化学镀镍、磷化处理等)、堆焊技术、化学转化膜技术、金属表面彩色技术以及涂装技术等。
上述表面处理新技术有的已不属于热处理范畴。这些新技术在提高材料表面性能发挥材料性能潜力方面起着不可代替的作用,在各工业和技术领域中有着广泛的应用前景。
第六章 工业用钢
6.1 钢的分类与编号
6.1.1 钢的分类
钢的种类繁多,为了便于生产、使用、管理,可按以下几种方法分类。
1.按化学成分分类
按化学成份可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢根据合金元素含量分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。
2.按质量分类
钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。根据硫、磷的含量可将钢分为普通质量钢、上等钢、**上等钢和特级上等钢。
3.按冶炼方法分类
根据冶炼所用炼钢炉不同,可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。
4.按金相组织分类
在退火组织可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。按正火组织可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。
5.按用途分类
按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
6.1.2 钢的分类
一、钢铁产品牌号表示方法
我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。
(1)碳素结构钢和低合金高强度结构钢
这两类钢采用屈服点的拼音字母“Q” ,屈服点数值(单位为MPa)和表6-2中规定的质量等级脱氧方法等符号表示,按顺序组成牌号。例如碳素结构钢牌号为Q235AF、Q235BZ等;低合金钢高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D等。
质量等级由A到E磷硫含量质量提高。碳素结构钢牌号中表示**钢的符号”Z”和表示特殊**钢的符号“TZ”可以省略,低合金高强度结构钢都是**钢或特殊**钢,其牌号中没有表示脱氧方法的符号。
根据需要,低合金高强度结构钢的牌号也可采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分之几)和化学元素符号,按顺序表示,如16Mn等。
上等碳素结构钢
上等碳素结构钢的牌号以两位数表示,这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几。
沸腾钢和半**钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。如平均含碳量为0.08%的沸腾钢,其牌号表示为“08F”;平均含碳量为0.01%的半**钢,其牌号表示为“10b”。**钢一般不表示符号,如平均含碳量为0.45%的**钢,其牌号表示为“45”。
钢的含锰量为0.70%~1.00%时,在牌号后加锰元素符号,如“50Mn”。**上等钢在牌号后加字母“A”。特级上等钢在牌号后加字母“E”如“45E”。
(2)合金结构钢和合金弹簧钢
合金结构钢和合金弹簧钢牌号由两位数字(表示平均含碳量的万分之几)加上其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。
(3)工具钢
①碳素工具钢
碳素工具钢的牌号由字母“T”与其后的数字组成,如“T9”。**上等钢在牌号后加字母“A”如“T10A”。
②合金工具钢和高速工具钢
合金工具钢和高速工具钢牌号的表示方法与合金结构钢基本相同,但一般不标明含碳量数字,如“Cr12MoV”(平均含碳量为1.60%)“W6Mo5Cr4V2”(平均含碳量为0.85%)当合金工具钢的含碳量小于1.00%时,含碳量用一位数字标明,表示平均含碳量的千分之几,如“8MnSi”。
平均含铬量小于1%的合金工具钢,在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”,如“Cr06”。
(4)轴承钢
高碳铬轴承钢的牌号以字母“G”打头,牌号中不标明含碳量,铬含量以千分之一为单位,如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同,仅在牌号头部加字母“G”如“G20CrNiMo”。
(5)不锈钢和耐热钢
不锈钢和耐热钢的牌号由表示平均含碳量的数字(以千分之一为单位)与其后带有百分含量的合金元素符号组成。合金元素含量表示方法同合金结构钢。含碳量的表示方法为:当平均含碳量≥1.00%时,用两位数字表示,如“11Cr17”(平均含碳量为1.10%);当1.00%>平均含碳量≥0.1%时,用一位数字表示,如“2Cr13”(平均含碳量伪0.20%);当含碳量上限<0.1%时,以“0”表示,如“0Cr18Ni9”(含碳量上限为0.08%);当0.03%≥含碳量上限>0.01%(超低碳),以“03”表示,如“03Cr19Ni10”(含碳量上限为0.03%);当含碳量上限≤0.01%时(极低碳),以“01”表示,如“01Cr19Ni11”(含碳量上限为0.01%)。
(6)铸 钢
以强度为主要特征的铸钢牌号为“ZG”(表示“铸钢“二字)加上两组数字,**组数字表示*低屈服强度值,**组数字表示*低抗拉强度值,单位均为MPa如“ZG200-400”。以化学成分为主要特征的铸钢的牌号为“ZG”加上两位数字,这两位数字表示平均含碳量的万分之几。合金铸钢牌号在两位数字后加上带有百分含量数字的元素符号。当合金元素平均含量为0.9%~1.4%时,除锰只标符号不标含量外,其他元素需在符号后标注数字1;当合金元素平均含量大于1.5%时,标注方法同合金结构钢,如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。
二、钢铁及合**号统一数字代号体系
我国国家标准GB/T76156-1998对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号,与现行的GB/T221-2000《钢铁产品牌号表示方法》等同时并用。统一数字代号有利于现代化的数据处理设备进行存储和检索,便于生产和使用。
6.2 钢中的杂质与合金元素
6.2.1 钢中常存杂质元素对性能的影响
钢中常存杂质元素主要是指锰、硅、硫、磷及氮、氢、氧等。这些元素在冶炼时或者由原料、燃料及耐火材料中带入钢中,或者由大气进入钢中,或者脱氧时残留于钢中,它们的存在会对钢的性能产生影响。
1.硅和锰的影响
硅和锰在钢中均为有益元素,能溶于铁素体中起固溶强化作用,提高钢的强度和硬度。
2.硫和磷的影响
硫和磷在钢中都是有害元素。硫在钢中以FeS的形式存在,使钢变脆,产生热脆性。控制在0.05%以下,MnS对断屑有利。磷可溶于铁素体中,使钢的强度、硬度显著增加。但使钢脆化,产生冷脆性。
3. 气体元素的影响
氮:室温下氮在铁素体中溶解度很低,钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆,称为时效脆化。在钢中加入Ti、V、Al等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定,从而消除时效倾向。
氧: 氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在,氧化物夹杂与基体的结合力弱,不易变形,易成为疲劳裂纹源。
氢:常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢中以原子态溶解时,降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时,会产生很高的内压,形成内裂纹,其内壁为白色,称为白点或裂纹。
6.2.2 合金元素在钢中的主要作用
1.合金元素对钢中基本相的影响
铁素体和渗碳体是碳素钢中两个基本相,合金元素进入钢中将对这两个基本相的成分、结构和性能产生影响。
(1)溶于铁素体,起固溶强化作用
加入钢中的非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都将溶于铁素体,形成合金铁素体,起固溶强化作用。从几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响可以看出,Si、Mn的固溶强化效果*显著,但其含量超过一定值后,铁素体的韧性将急剧下降,而Cr、Ni在适当的含量范围内不但能提高铁素体的硬度,而且还能提高其韧性。因此为了获得良好的强化效果,应控制固溶强化元素在钢中的含量。
(2)形成碳化物
加入到钢中的合金元素,除溶入铁素体外,还能进入渗碳体中,形成合金渗碳体,如铬进入渗碳体形成(Fe,Cr)3C。当碳化物形成元素超过一定量后,将形成这些元素自己的碳化物。合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为:Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素与碳的亲和力越大,所形成化合物越稳定、熔点、分解温度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中,钛、铌、钒是强碳化物形成元素,所形成的碳化物如TiC、VC等;钨、钼、铬是中碳化物形成元素,所形成碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等;锰、铁是弱碳化物形成元素,所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是钢中的重要组成相之一,其类型、数量、大小、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。
2.合金元素对铁碳相图的影响
(1) 对奥氏体相区的影响
加入到钢中的合金元素,依其对奥氏体区的作用可分为两类。
一类是扩大奥氏体相区的元素,如Ni、Co、Mn、N等,这些元素使A1、A3点下降,A4点上升。当钢中的这些含量足够高(如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%)时,A3点降到零度以下,因而室温下钢具有单相奥氏体组织,称为奥氏体钢。
另一类是缩小奥氏体相区的元素,如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等,这些元素是A1、A3点上升,A4点下降。当钢中的这些元素含量足够高(如Cr含量大于13%)时,奥氏体相区消失,室温下钢具有单相铁素体组织,称为铁素体钢。
(2)对S点和E点位置的影响
几乎所有合金元素都使E点和S点左移,即这两点的含碳量下降。由于S点的左移,使含碳量低于0.77%的合金钢出现过共析组织(如4Cr13),在退火状态下,相同含碳量的合金钢组织中的珠光体量比碳钢多,从而使钢的强度和硬度提高。同样由于E点的左移,使含碳量低于2.11%的合金钢出现共晶组织,成为莱氏体钢,如W18Cr4V(含碳量为0.7%~0.8%)。
3.合金元素对钢中相变过程的影响
(1)对钢加热时奥氏体化过程的影响
① 对奥氏体形成速度的影响
大多数合金元素(镍、钴以外)都减缓钢的奥氏体化过程。因此合金钢在热处理时要相应地提高加热温度或延长保温时间,才能保证奥氏体化过程的充分进行。
② 对奥氏体晶粒长大倾向的影响
碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体的长大。合金元素与碳和氮的亲和力越大,阻碍奥氏体晶粒长大的作用也越强烈,因而强碳化物和氮化物形成元素具有细化晶粒的作用。Mn 、P对奥氏体晶粒的长大起促进作用,因此含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间。
(2)对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响
① 对C曲线和淬透性的影响
除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移,钢的临界冷却速度下降,淬透性提高。淬透性的提高,可使淬火的冷却速度降低,这有利于减少零件的淬火变形和开裂倾向。合金元素对钢淬透性的影响取决于该元素的作用强度和溶解量,钢中常用的提高淬透性元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。如果采用多元少量的合金化原则,对提高钢的淬透性将会更为有效。
对于中强和强碳化物形成元素(如铬、钨、钼、钒等),溶于奥氏体后,不仅使C曲线右移,而且还使C曲线的形状发生改变,使珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域。
②对Ms、Mf点的影响
除Co、Al外,所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降,使钢在淬火后的残余奥氏体量增加。一些高合金钢在淬火后残余奥氏体量可高达30%~40%,这对钢的性能会产生不利的影响,可通过淬火后的冷处理和回火处理来降低残余奥氏体量。
(3)对淬火钢回火转变过程的影响
① 提高耐回火性
淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性(也称回火稳定性)。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火时的硬度降低过程变缓,从而提高钢的耐回火性。因此,当回火硬度相同时,合金钢的回火温度比相同含碳量的碳钢高,这对于消除内应力是有利的,而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度要比碳钢高。
② 产生二次硬化
含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时,由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体,使钢的硬度不仅不下降,反而升高,这种现象称为二次硬化。二次硬化使钢具有热硬性,这对于工具钢是非常重要的。
③ 防止**类回火脆性
如第5章所述,在钢中加入W、Mo可防止**类回火脆性,这对于需调质处理后使用的大型件有着重要意义。
6.3 结构钢
结构钢按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要是用于各种工程结构,包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢,这类钢冶炼简便、成本低、用量大,一般不进行热处理,而机器用钢大多采用上等碳素结构钢和合金结构钢,它们一般都经过热处理后使用。
6.3.1 碳素结构钢
1.牌号
碳素结构钢含碳量低(0.06-0.38%),硫、磷含量较高。这类钢通常在热轧空冷状态下使用,其塑性高,可焊性好,使用状态下的组织为铁素体加珠光体。
2.使用状态和热处理
一般不经热处理,而在钢厂供应状态(轧制状态)下直接使用
3.用 途
钢结构件、焊接和扳金机械结构件。
6.3.2 上等碳素结构钢
1.牌号
6.3.3 低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上,加入少量的合金元素发展起来的,原称为普通低合金钢。
1.牌号
2.性能特点
(1)强度高于碳素结构钢,可降低结构自重、节约钢材;
(2)具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能;
(3)具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度。
3.成份特点
低碳:含碳量≤0.2%
低和金:主加元素为锰
4.热处理特点
在热轧状态下使用,组织为铁素体加珠光体。
5.典型钢种及用途
Q345是应用*广、用量*大的低合金高强度结构钢,广泛用于石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型钢结构中。
6.3.4 渗碳钢
1.成分:含碳量0.10-0.25%的合金钢,主要加入能提高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素;
2.性能特点:经热处理后表硬里韧、耐磨性及抗疲劳性好;
3.渗碳件一般的工艺路线:
4.用 途
应用很广,主要用于制造渗碳零件,如变速齿轮、内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件。
5.常用的渗碳钢
低淬透性渗碳钢:15Cr、20Cr等,心部强度低,尺寸和载荷小的齿轮和滑块;
中淬透性渗碳钢:20CrMnTi、20CrMn等,心部强度较高,用于制造中等强度的耐磨零件,如汽车、拖拉机的变速齿轮、齿轮轴等;
高淬透性渗碳钢:18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等,淬透性很高。用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件,如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。
以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例:
下料--毛坯锻造--正火--加工齿形--局部镀铜--渗碳(930℃)--预冷淬火(830℃)--低温回火(200℃)--喷丸--磨齿
6.3.5 调质钢
在调质处理后使用的钢种,主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他各种重要零件。
1.性能要求:良好的综合力学性能;良好的淬透性。
2.成分特点:中碳:含碳量为0.25%-0.50%;主加合金元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。
3.调质件一般的工艺路线:
4.典型钢种
低淬透性调质钢:45、40Cr,用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。
中淬透性调质钢:40CrNi,用于制造截面较大的零件,如曲轴、齿轮等
高淬透性调质钢:40CrNiMo,用于制造大截面、重载荷的零件,如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机等。
6.3.6 弹簧钢
1.成分:含碳量在0.40~0.70%的合金钢。
主要加入元素是硅和锰,提高淬透性和屈强比;
2.热处理:淬火+中温回火;
3.组 织:回火屈氏体;
4.热处理特点:
冷成形弹簧:对于钢丝直径小于10mm的弹簧,通过冷拔(或冷拉)、冷卷成型;冷卷后的弹簧不必进行淬火处理,只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理,即加热到250~300℃,保温一段时间,从炉内取出空冷即可使用。
热成形弹簧:直径大于10-15mm,在高于淬火温度热卷成形,然后淬火+中温回火(350—500℃),得到回火屈氏体组织。
5.典型钢种
Si、Mn弹簧钢:代表性钢种65Mn、60SiMn,主要用于制造较大截面的弹簧,如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等;
Cr、V弹簧钢:代表性钢种50CrV,主要用于大截面、大载荷、耐热的弹簧,如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。
6.3.7 滚动轴承钢
1.用 途:主要用来制造滚动轴承的内外圈,滚动体等;
2.牌 号:
3.化学成分:含碳量0.95-1.10%,含铬量0.4-1.65%
4.热处理及组织:
预先热处理:球化退火;
*终热处理:淬火+低温回火
使用状态下组织:回火马氏体+细小碳化物+残余奥氏体。
5.典型钢种:应用*广的GCr15钢,大量用于制造中大型轴承,还可用于制造冷冲模、量具、丝锥等。
6.3.8 耐磨钢
指在冲击载荷作用下发生冲击硬化作用的高锰钢
1.用 途:用于既承受严重磨损又承受强烈冲击的零件;
2.化学成分:高碳:含碳量为0.75%-1.45%;高锰:含锰量为11%-14%;
3.热处理及组织:由于加工困难,铸造后直接使用;
4.应用*广的GCr4,GCr15,GCr15SiMn钢。
6.4 工具钢
工具钢是用来制造各种工具的钢种
6.4.1 刃具钢
用于制造各种金属切削刀具的钢种
一、性能要求:
高的硬度:高的硬度,HRC > 60
高耐磨性:耐磨性取决于硬度、韧性和碳化物;
高的热硬性:钢在高温下保持高硬度的能力;
足够的韧性和塑性:以免刀具在使用过程中崩刃、折断。
二、常用刃具钢:碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢
1.碳素工具钢
1)牌 号:T×[×][A];×[×]——含碳千分之几,[A]:**;
2)典型钢种:T7、T7A、T8、T8A、……、T13A;
3)用 途:冲头、凿子要选用T7、T8等;车刀、钻头可选用T10;精车刀、锉刀则选用T12, T13。
4)优点:成本低,耐磨性和加工性较好,在受用工具和机用低速工具上广泛应用;
5)缺点:热硬性差,淬透性低,只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刀具。
2.低合金工具钢
1)牌 号
2)化学成分:在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素,在保持高碳的同时,加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素;
3)用 途:广泛用于制造形状复杂、要求变形小的低速切削刃具,如丝锥、板牙等,也常用作冷冲模;
4)优 点:淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范围,但淬火变形小、开裂倾向小;
5)典型钢种:9SiCr。
3.高速工具钢:制造高速切削刀具用钢
1)牌 号:W[×]□[×]□[×]□[×],□-合金元素, [×]-合金元素含量;
2)化学成分:含碳量为0.7%-1.6%,主要加入的合金元素是Cr、W、Mo、V;
3)高速钢的加工工艺路线:
下料—锻造—退火—机加工—淬火+回火—喷砂—磨削加工
4)典型钢种: W18Cr4V
5) 用途:主要用于制造高速切削刀具,如车刀、刨刀、铣刀、钻头等
6)特点:高速钢价格昂贵,为充分发挥其性能和节省材料,常采用焊接或镶拼高速钢刀头,如直径大于10mm的钻头,采用45钢做刀柄。
6.4.2 模具钢
用于制造各种冷热模具的钢种
一、冷作模具钢
用于制造各种冷成型模具,如冷冲模、冷挤压模、冷墩模和拔丝模等。
1)对性能的基本要求:高的硬度和耐磨性;较高的强度和韧性;良好的工艺性。
2)冷作模具钢的类型:碳素工具钢和低合金工具钢;耐冲击工具用钢;高碳高铬模具钢。
二、热作模具钢
用于制造各种使加热金属或液态金属成型的模具,如热锻模、热压模、热挤模和压铸模等。
1)对性能的基本要求:高温下良好的力学性能;高的抗热疲劳性能;高的淬透性和良好的导热性;高的抗氧化性。
2)钢种:热锻模钢;压铸模钢。
6.4.3 量具钢
用于制造各种量测工具,如卡尺、千分尺、快规、塞规及螺旋测微仪
1)对性能的基本要求:高的硬度和耐磨性,尺寸稳定性高,热处理变形小;
2)量具用钢:一般非精密量具,可选碳素工具钢(T10A、T12A)或低碳钢(15、20);对精密量具,选用CrWMn、Cr2、GCr15钢等。
以CrWMn钢制块规为例,加工工艺路线如下:
下料—锻造—球化退火—机械加工—淬火—深冷处理—低温回火—粗磨—人工失效—精磨—去应力处理—研磨
3)热处理特点:
深冷处理:
量具淬火后,应立即在-70---80℃进行深冷处理,目的是尽可能减少钢中的残余奥氏体,稳定量具尺寸。
时效处理:
对精度要求高的量具,经深冷处理在进行低温回火、粗磨之后,又要用低温时效处理,以进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力。
6.5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢,分为不锈钢和耐热钢。
6.5.1 不锈钢
在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢
1.用途:主要在石油、化工、海洋开发、原子能、宇航、国防工业等领域用于制造在各种腐蚀介质中工作的零件和结构;
2.性能要求:耐蚀性;
3.成分特点:含碳量在0.03%-0.95%;合金元素:Cr、Ni、Mo。
6.5.2 耐热钢
指在高温下具有良好的抗氧化性和高温强度的专用钢;多用来制作在高温下工作的锅炉、汽轮机、燃气机和内燃机的某些零件或构件。
第七章 铸 铁
铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点,因而是应用*广泛的材料之一。例如,机床、床身、内燃机的气缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。
7.1 上海朝展产品生产过程略图
7.1.1 铸铁的石墨化过程
1.Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图
碳在铸铁中的存在形式:铸铁中的碳除少量固溶于基体中外,主要以化合态的渗碳体Fe3C和游离态的石墨G两种形式存在。石墨是碳的单质态之一,其强度、硬度、塑性都几乎为零。渗碳体是亚稳定相,在一定条件下发生如下分解;形成游离态的石墨。
铁碳合金的双重相图:铁碳合金实际上存在两个相图,即Fe-Fe3C 和 Fe-G相图,这两个相图几乎重合,只是E、C、S点的成分和温度稍有变化。如下图所示,图中的虚线即为Fe-G系相图。根据条件不同,铁碳合金可全部或部分按其中一种相图结晶。
2.铸铁的石墨化过程
铸铁的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。
铸铁的石墨化过程分为两个阶段:
**阶段石墨化: 在P′S′K′线以上发生的石墨化,包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解;
**阶段石墨化:在P′S′K′线以下发生的石墨化,包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。
石墨化程度不同,所得到的铸铁类型和组织也不相同,如下表所示。本章所介绍的铸铁,即工业上主要使用的铸铁,是**阶段石墨化完全进行的灰口铸铁
3.影响石墨化的因素
研究表明,铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素。
(1)化学成份的影响
铸铁中的C、Si是促进石墨化的元素,C、Si含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造性能变差;C、Si含量过高,会使石墨数量多且粗大,基体内铁素体量增多,降低铸件性能。因此,铸铁中的C、Si含量一般控制在:2.5%-4.0%C; 1.0%-3.0%Si。
(2)冷却速度的影响
冷却速度越慢,有利于碳原子的充分扩散,结晶越有利于按照Fe-G相图进行结晶和转变,因而促进石墨化,而快冷时由于过冷度大,结晶将按Fe-Fe3C相图进行,不利于石墨化。
7.1.2 铸铁的特点及分类
1.铸铁的组织特点:
铸铁的组织是由基体和石墨组成的,基体组织有3种,即铁素体、珠光体和铁素体加珠光体,可见铸铁的基体组织是钢的组织,因此铸铁的组织实际上是在钢的基体上分布着不同性态的石墨的组织。
2.铸铁的力学性能特点:
1)力学性能低
由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞,破坏了基体的连续性,减少了有效承载截面,且易导致应力集中,因而其强度、塑性及韧性低于碳钢。
2)耐磨性能好
这是由于石墨本身有润滑作用。此外,石墨脱落后留下的空间还可以储油。
3)消振性能好
这是由于石墨可以吸收振动能量。
4)铸造性能好
这是由于铸铁中硅含量高且成份接近于共晶成分,因而流动性好,填充性好。
5)切削性能好
这是由于石墨的存在使车屑容易脆断,不粘刀。
3.铸铁的分类与牌号表示方法
铸铁是根据石墨的性态进行分类的。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状4种,其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。
7.2 常用铸铁
7.2.1 灰铸铁
灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。灰铸铁价格便宜,应用广泛,其产量约占铸铁总产量的80%以上。
1.牌号:常用的牌号为HT100、HT150、HT200、……、HT350
2.组织
灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的,其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁的显微组织如下图所示。为提高灰铸铁的性能,常对灰铸铁进行孕育处理,以细化片状石墨,常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。
3.热处理
热处理只能改变铸铁的基体组织,但不能改变石墨的形态和分布。由于石墨片对基体的连续性的破坏严重,产生应力集中大,因而热处理对灰铸铁的强化效果不大,其基体强度利用率只有30%-50%。灰铸铁常用的热处理有:消除内应力退火、消除白口组织退火和表面淬火。
4.用途
灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体等。
7.2.2 可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火后获得的,其石墨呈团絮状。可锻铸铁中要求碳、硅含量不能太高,以保证浇注后获得白口组织,但又不能太低,否则将延长石墨化退火周期。
1.牌号:KTH KTB KTZ分别表示黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号
2.组织
可锻铸铁的组织与**阶段石墨化退火的程度有关。当**阶段石墨化充分进行后(组织为奥氏体+团絮状石墨),在共析温度附近长时间保温,使**阶段石墨化也充分进行,则得到铁素体+团絮状石墨组织,由于表层脱碳而使心部的石墨多于表层,断口心部呈灰黑色,表层呈灰白色,故称为黑心可锻铸铁。若通过共析转变区时,冷却较快,**阶段石墨化未能进行,使奥氏体转变为珠光体,得到珠光体+团絮状石墨的组织,称为珠光体可锻铸铁。
3.性能
由于可锻铸铁中的团絮状石墨对基体的割裂程度及引起的应力集中比灰铸铁要小,因而其强度、塑性和韧性均比灰铸铁高,接近于铸钢,但不能锻造,其强度利用率达到基体的40%-70%。
4.用途
可锻铸铁常用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件,如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。这些零件如用铸钢制造则铸造性能差,用灰铸铁则韧性等性能达不到要求。
7.2.3 球墨铸铁
球墨铸铁是指石墨呈球形的灰口铸铁,是由液态铁水经石墨化后得到的。与灰铸铁相比,它的碳当量较高,一般为过共晶成分,这有利于石墨球化。
1.牌号:QT400-17、QT420-10、QT500-05、QT600-02、 QT700-02、QT800-02、QT1200-01
2.组织
球墨铸铁是由基体+球状石墨组成,铸态下的基体组织有铁素体、铁素体加珠光体和珠光体3种。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。加入到铁水中能使石墨结晶成球形的物质称为球化剂,常用的球化剂为镁、稀土和稀土镁。镁是阻碍石墨化的元素,为了避免白口,并使石墨细小且分布均匀,在球化处理的同时还必须进行孕育处理,常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金。
3.性能
由于球状石墨圆整程度高,对基体的割裂作用和产生的应力集中更小,基体强度利用率可达70%-90%。接近于碳钢,塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高。
4.热处理
由于球状石墨危害程度小,因而可以对球墨铸铁进行各种热处理强化。球墨铸铁的热处理主要有退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。
5.用途
球墨铸铁在汽车、机车、机床、矿山机械、动力机械、工程机械、冶金机械、机械工具、管道等方面得到广泛应用,可代替部分碳钢制造受力复杂,强度、韧性和耐磨性要求高的零件。
7.2.4 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁,与球墨铸铁类似,蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。蠕墨铸铁的显微组织由基体与蠕虫状石墨组成,其基体组织与球墨类似。
1. 牌号:RuT260、 RuT300、 RuT420
2. 组织:钢的基体+蠕虫状石墨
3. 性能:
与片状石墨相比,蠕虫状石墨的长厚比值明显减小,**变钝,因而对基本的割裂程度和引起应力集中减小,所以蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁,其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
4. 用途:
常用于制造承受热循环载荷的零件,如钢锭模、玻璃模具、柴油机气缸、气缸盖、排气阀以及结构复杂、强度要求高的铸件,如液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。
第八章 有色金属及其合金
有色金属:在工业生产中,通常把铁及其称为黑色金属,把其他非铁金属及其合金称为有色金属。有色金属的产量和用量不如黑色金属多,但由于其具有许多优良的特性,如特殊的电磁性能、耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等,已成为现代工业中不可缺少的金属材料。
有色金属的种类很多,本章仅对机械仪表、飞机制造等工业中广泛使用的铝、铜、钛及轴承合金做简要介绍。
8.1铝及铝合金
8.1.1 铝及铝合金的性能特点
纯铝的基本性质:具有银白色金属光泽,密度小(2.72),熔点低(660.4℃),导电导热性能优良;具有面心立方晶格,无同素异构转变,无磁性;纯铝在空气中易氧化,在其表面形成一层致密牢固的氧化膜,因而抗大气腐蚀性能好;具有极好的塑性和低的强度(纯度为99.99%时),易于加工成型;还具有良好的低温塑性,至253℃时,其塑性和韧性也不降低。
纯铝的主要用途:适于配制铝合金,还可用来制造导线包覆材料及耐蚀器具等。
纯铝的性能强化:纯铝的强度硬度低,不适于制作受力的零件。向铝中加入少量的合金元素制成铝合金,可变其组织结构,提高性能。常加入的元素主要有铜锰硅镁锌等,此外还有铬镍钛钴等辅加元素。由于这些合金元素的强化作用,使得铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性,因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机械零件或构件,成为工业中广泛应用的有色金属材料。由于铝合金具有高的比强度,又成为飞机的主要结构材料。
8.1.2 铝合金的分类
铝合金一般分为变形铝合金和铸造铝合金两大类,变形铝合金,其特点是加热到固溶线以上是为单相固溶体组织,塑性好,适于压力加工;铸造铝合金,其组织中存在共晶体,适于铸造。
8.1.3 铝合金的热处理
对于可热处理强化的变形铝合金,其热处理方法为固溶处理加时效。固溶处理是指合金加热到线上,保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温,以析出弥散强化相的热处理.在室温下进行的时效称为自然时效;在加热条件下进行的时效称为人工时效。
8.1.4 铝合金的牌号性能及用途
1.变形铝合金
⑴ 变形铝合金及铝合**号表示方法
根据国家标准规定,变形铝合金及铝合金可直接引用国标四位数字体系牌号。未命名为国标四位数字体系牌号的变形铝及铝合金,应采用四位字符牌号命名。
⑵ 常用变形铝合金
① 防锈铝合金
主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。锰和镁的主要作用是提高抗蚀性能力和塑性,并起固溶强化作用。.防锈铝合金锻造退火后为单相固溶体组织,抗蚀性好,塑性高,易于变形加工,焊接性能好,但切削性能差。这类合金不能进行热处理强化,常利用加工硬化来提高其强度。常用的Al-Mn系合金有3A21(LF21),其抗蚀性和强度高于纯铝,用于制造油罐油箱管道铆钉等需要弯曲冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有5A05(LF5),其密度比纯铝小,强度比Al-Mn合金高,在航空工业中得到广泛应用,如制造管道容器铆钉及承受中等载荷的零件。
② 硬铝合金
主要是Al-Cu-Mg系合金,并含少量锰。锰的作用是提高抗蚀性,并起一定的固溶强化作用。硬铝合金的强度、硬度高,加工性能好,但耐蚀性低于防锈铝合金。常用的硬铝合金如2A11(LY11)、2A12(LY12)等,用于制造冲压件模锻件和铆接件,如螺旋掌铆钉等。
③ 超硬铝合金
属Al-Zn-Mg-Cu系合金,并含有少量铬和锰。是时效后强度*高的一种铝合金。超硬铝合金的热态塑性好,但耐蚀性差。主要用于工作温度较低受力较大的结构件,如飞机的大梁起落架等。
④ 锻铝合金
有两类,一类是Al-Cu-Mg-Si系合金,镁和硅的作用形成强化相Mg2Si,常用牌号有等6A02(LD2)、2A50(LD5)、2B50(LD6)、2A14(LD10)。这类合金的锻性好,力学性能高,主要用于制造形状复杂的锻件和模锻件,如喷气发动机的压气机叶轮,导风轮几飞机上的接头框架支杆等。另一类是Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金,铁和镍可形成耐热强化相Al9FeNi,为耐热锻铝合金。这类合金耐热性较好,主要用于制造150~225℃下工作的零件,如压气机叶片、超音速飞机的蒙皮等。
2.铸造铝合金
铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四种,其代号分别ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加两位数字的顺序号表示(ZL表示”铸铝”)。
⑴ Al-Si系铸造合金 又称硅铝明。系铸造铝合金的铸造性能好,具有优良的耐蚀性耐热性和焊接性能。简单硅铝明强度低,不能热处理强化,用于制造形状复杂但强度要求不高的铸件,如飞机仪表壳体等。复杂硅铝明可热处理强化,用于制造低中强度形状复杂的铸件,如电动机壳体、气缸体、风机叶片和发动机活塞等。
⑵ Al-Cu系铸造铝合金 这类合金的耐热性好、强度高,但密度大、铸造性能、耐热性能和耐蚀性能差,强度低于系合金。主要用于制造在较高温度下工作的高强度零件,如内燃机汽缸头、汽车活塞等。
⑶ Al-Mg系铸造铝合金 这类合金的耐蚀性好、强度高、密度小,但铸造性能差、耐热性能低。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷在腐蚀性介质下工作的零件,如舰船配件、氨用泵体等。
⑷ Al-Zn系铸造铝合金 这类合金的铸造性能好、强度较高,可自然时效强化,但密度大、耐蚀性较差。主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机仪器零件等。
8.2 铜及铜合金
8.2.1 铜及铜合金的性能特点
纯铜呈紫红色,固称紫铜,其密度为8.9X103kg/m3,熔点为1038℃;具有面心立方晶格,无同素异构转变,无磁性;具有良好的导电性和导热性;在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。纯铜的强度不高,硬度较低,塑性好。经冷变形后,其强度可提高到400~450,硬度达100~200,但伸长率下降。纯铜主要用于配制铜合金,制作导电、导热材料及耐蚀器件等。
铜合金是在纯铜中加入合金元素后制成的,常用合金元素为锌、锡、铝、锰、镍、铁、铍、钛、锆、铬等。由于合金元素的固溶强化即**相强化作用,使得铜合金既提高了强度,又保持了纯铜的特性,因而在机械工业中得到了广泛应用。 根据化学成分,可将铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。
8.2.2 黄铜
以锌为主要合金元素的铜为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。
1.普通黄铜
铜和锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为+表示铜平均百分含量的数字。
普通黄铜的耐蚀性较好,与纯铜接近,但含锌量超过7%的冷变形黄铜件,在湿气、海水中或氨的作用下,易产生应力腐蚀,称为季裂。因此,须对冷变形件进行去应力退火。
2.特殊黄铜
在普通黄铜的基础上加入硅、锡、铝、锰、镍、铁、铅等元素形成特殊黄铜。加工特殊黄铜的牌号为H(黄)+主加元素符号+铜平均百分含量,合金元素的加入,可影响和的相对量,提高强度;铝猛硅锡可体高耐蚀性;铅可改善切削加工性;硅还可以改善铸造性能。常用牌号有等特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好,铸造性能改善,主要用于船舶及化工零件,如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。
8.2.3 青铜
除黄铜和白铜外的其他铜合金称为青铜。根据主加元素锡、铝、铍、硅、铅等的不同,分别称为锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。加工青铜的牌号为Q+主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量,如Q+Sn4-3为含4%Sn、3%Zn的锡青铜。
1.锡青铜
是以锡为主加元素的铜合金,锡含量一般为3%~14%。含5%~7%的锡青铜塑性好,适于冷热加工。Sn的含量大于10%锡青铜强度较高,适于铸造。锡青铜铸造流动性差,易形成分散气孔,铸件密度低,高压下易渗漏,但体积收缩率小,适于制造形状复杂、尺寸精度要求高的零件。锡青铜具有良好的耐蚀性,在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好,但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。常用的牌号有QSn4-3、QSn65-0.4、ZCuSnPbl等,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。
2.铝青铜
是以铝为主加元素的铜合金,铝含量一般为5%~11%。铝含量为10%左右时强度*高,多在铸态或经热加工后使用。铝青铜的强度、硬度、耐磨性、耐热性几耐蚀性均高于黄铜和锡青铜,铸造性能好,但收缩率比锡青铜大,焊接性能差。常用牌号有QAl5、QAl7、QAl9、QAl10-4-4、ZCuAlMn13Fe3Ni2等前两者为低铝青铜,塑性、耐蚀性能好,具有一定的强度,主要用于制造要求高耐蚀的弹簧和弹性元件,后三者为高铝青铜,强度、耐磨性耐蚀性高。主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件,如齿轮、轴承、蜗轮轴套、螺旋桨等。
3.铍青铜
是以铍为主加元素的铜合金,铍含量一般为1.7%~2.5%。铍青铜是时效强化型合金,经淬火时效处理后,其抗拉强度达1200MPa~1400MPa,硬度可达350HB~400HB。铍青铜具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性,良好的导电性、导热性和耐低温新,无磁性,受冲击时不产生火花,以及良好的冷热加工性能和铸造性能,但价格较贵。常用牌号有QBe2、Qe1.7、QBe1.9等,主要用于制造重要的弹性件、耐磨件等,如精密弹簧、膜片,高速高压下工作的轴承以及防爆工具、航海罗盘等重要零件。
8.2.4 白铜
以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。白铜分为普通白铜和特殊白铜,普通白铜的牌号为B+镍的平均百分含量,如B5为含5%的白铜;特殊白铜的牌号B+为主加元素符号(Ni除外)+加镍的平均百分含量+主加元素平均百分含量,如BMn40-1.5为含40%Ni、1.5%Mn的锰白铜。普通白铜是Cu-Ni二元合金,具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。常用的牌号有B5、B19等,主要用于制造在蒸汽和海水环境下工作的精密机械仪表中零件几冷凝器、热交换器等。特殊白铜是矮子普通白铜的基础上添加锌、锰、铝等元素形成的,分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等,其耐蚀性、强度和塑性高,成本低。常用牌号有BMn40-1.59康铜)、BMn43-0.5(考铜)等,用于制造精密机械、仪表零件及医疗器械等。
8.3 钛及钛合金
8.3.1 工业纯钛
纯钛是灰白色金属,密度小(4.507g/cm3),熔点高(1688℃),在882.5℃发生同素异构转变α-Tiβ-Ti。纯钛的强度低,比强度高,塑性、低温韧性和耐蚀性好,具有良好的加工工艺性能,切削加工性能与不锈钢接近。纯钛的性能受杂质影响很大,少量杂质即可显著提高其强度。纯钛主要用于350℃以下的工件,强度要求不高的零件,如石油工用的热交换器、反应器海水净化装置及舰船零部件。
8.3.2 钛合金
纯钛加入合金元素形成钛合金。几乎所有钛合金中都含有铝,因为铝能提高钛合金的强度比强度和再结晶温度。
按退火组织,钛合金可分为α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金3类,它们的牌号分别用TATBTC加顺序号表示,如TA5TB2TC4等,其中TA0~TA3为工业纯钛。
1. α型钛合金
主加元素为铝,还有锡、硼等。这类合金不能热处理强化,通常在退火状态下使用,组织为α单相固溶体。α型钛合金的强度低于其他两类钛合金,但高温强度低温韧性及耐蚀性优越。常用的牌号有TA5、TA7等,以TA7*为常用,主要用于制造以下工作的零件,如飞机压气叶片、导弹的燃气罐、超音速飞机的涡轮机匣及飞船上的高压低温容器等。
2. β型钛合金
加入的元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火时效出理后,组织为β相基体上分布着细小的α相粒子。这类合金的强度高,但冶炼工艺复杂,应用受到限制。β型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号,主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件,如飞机叶片、轴、弹簧、**等。
3. α+β型钛合金
加入的合金元素有铝、钒、钼、铬等。这类合金可进行热处理强化,兼具α型钛合金和β型钛合金的优点,强度高,塑性好,具有优良的热强性、耐蚀性和低温韧性,α+β型钛合金共有9个牌号,其中以TC4应用*广用量*大,其经过淬火加时效处理后,组织为α+β+时效析出的针状α相,主要用于制造400℃以下的飞机叶片、 火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐壳体等。
8.4 轴承合金
制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件,由轴承体和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大、工作平稳、无噪音及拆装方便等优点。
8.4.1 组织性能要求
当轴高速旋转时,轴瓦除与轴颈发生强烈摩擦外,还要承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。因此要求轴承合金具有以下性能:
(1) 足够的强韧性,以承受轴颈施加的压力、冲击及交变载荷。
(2) 较小的热膨胀系数,良好的导热性和耐蚀性,以防止轴与轴瓦之间的咬合。
(3) 较小的摩擦系数,良好的耐磨性和磨合性,以减少轴颈磨损,保证轴与轴瓦间良好的跑和。
为满足上述性能的要求,轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点。当轴旋转时,软的基体(或质点)被磨损而凹陷,减少了轴颈与轴瓦的接触面积,有利于储存润滑油和轴与轴瓦间的磨合,而硬的质点(基体)则支撑着轴颈,起承载和耐磨作用。此外,软基体(或质点)还能起嵌藏外来杂质颗粒的作用,以避免擦伤轴颈。
8.4.2 常用的轴承合金
工业上应用的轴承合金很多,常用的有锡基、铅基、铜基和铝基轴承合金等,其中锡基和铅基轴承合金 又称巴氏合金,是应用*广的轴承合金。
1. 锡基轴承合金
是以锡为主并加入少量锑、铜等元素的合金,熔点较低,是软基体硬质点组织类型的轴承合金。典型牌号为ZSnSb11Cu6,锡基轴合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性,摩擦系数和热膨胀系数小,但疲劳强度较低,工作温度不超过150℃,价格高。广泛用于重型动力机械,如汽轮机,涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。
2. 铅基轴承合金
是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金,也是软基体硬质点型轴承合金。典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2,铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴合金,但其成本低,高温强度好,有自润滑性。常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。
锡基和铅基轴承合金的强度比较低,为提高其承载能力和使用寿命,生产上常采用离心浇注法,将它们镶铸在低碳钢轴瓦上,形成一层薄而均匀的内衬,成为双金属轴承。
3. 铜基轴承合金
常用的牌号有ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5等锡青铜和ZCuPb30等铅青铜。前者强度高适于制造中速、承受较大载荷的轴承,如电动机、泵、机床上用的轴承,后者具有高的耐磨性、疲劳强度、导热性和低的摩擦系数,工作温度可达350℃,适于制造高速、重载条件下工作的轴承,如航空发动机、高速柴油机、汽轮机上的轴承。
4.铝基轴承合金
这类合金常含有锡、铜、锑、镁等元素,典型牌号为ZAlSn6Cu1Ni1。铝基轴承合金密度小、导热性好、疲劳强度高、价格低廉,广泛用于高速、高负荷条件下工作的轴承,如重型汽车、拖拉机、内燃机的轴承。