金屬學(xué)及熱處理

1、金屬學(xué)及熱處理金屬學(xué)及熱處理張勇鑄造教學(xué)與研究中心u鋼的強化與韌化途徑；鋼的強化與韌化途徑；u強韌化機理的舉例；強韌化機理的舉例；合金元素對鋼工藝性能的影響合金元素對鋼工藝性能的影響金屬鍵金屬鍵共價鍵共價鍵分子間作用力分子間作用力工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。得的鐵基合金。 鋼的分類鋼的分類鋼的強化機制鋼的強化機制晶體晶

2、格晶胞示意圖晶體晶格晶胞示意圖 金屬的塑性變形是通過位錯運動實現(xiàn)的，任何阻止金屬的塑性變形是通過位錯運動實現(xiàn)的，任何阻止位錯運動的因素都可以成為提高金屬材料強度的途徑。位錯運動的因素都可以成為提高金屬材料強度的途徑。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑 通常研究的結(jié)構(gòu)材料在室溫工作條件下，最需要考通常研究的結(jié)構(gòu)材料在室溫工作條件下，最需要考慮的是屈服強度和斷裂強度慮的是屈服強度和斷裂強度 v單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌

3、性下降，稱固溶溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。強化。 Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系合金成分與性能關(guān)系 晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、用、 電電 交互作用和化學(xué)交互作用。其中最主要交互作用和化學(xué)交互作用。其中最主要的是：溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用阻礙了的是：溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。位錯的運動。 由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住

4、，位錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。加外力，從而使變形抗力提高。 通過各種工藝手段使第二相質(zhì)點彌散分布，可以阻礙通過各種工藝手段使第二相質(zhì)點彌散分布，可以阻礙合金內(nèi)部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。合金內(nèi)部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。 第二相可以是：第二相可以是：純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物中第二相多數(shù)是化合物。 如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時效處理而沉如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強化，則稱為淀析出并產(chǎn)生強化，則稱為；如果第；如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強化作用，則

5、稱為二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強化作用，則稱為。 時效強化是有色金屬材料如鋁合金、鈦合金、高溫時效強化是有色金屬材料如鋁合金、鈦合金、高溫合金，以及少量鋼鐵材料如不銹鋼以及耐熱鋼等的最重合金，以及少量鋼鐵材料如不銹鋼以及耐熱鋼等的最重要的強化處理手段。要的強化處理手段。待處理的有色金屬鑄件待處理的有色金屬鑄件 沉淀強化（時效強化）沉淀強化（時效強化） ：時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實現(xiàn)對材料強化的方法。保溫析出過渡相、第二相等而實現(xiàn)對材料強化的方法。 將合金通過加熱到將合金通過加熱到保溫，獲得成分均勻

6、的保溫，獲得成分均勻的組織。之組織。之后后快速冷卻，得到快速冷卻，得到 使過飽和使過飽和固溶體固溶體析出細(xì)小彌散沉淀相析出細(xì)小彌散沉淀相的的過程。過程。自然時效自然時效；人工時效人工時效。沉淀沉淀：是指從過飽和固溶體中析出一個成分不同的新相：是指從過飽和固溶體中析出一個成分不同的新相或溶質(zhì)原子富集的亞穩(wěn)區(qū)過渡相的過程，屬于或溶質(zhì)原子富集的亞穩(wěn)區(qū)過渡相的過程，屬于固態(tài)相變固態(tài)相變的范疇。的范疇。 凡是有固溶度變化的相圖，從單相區(qū)進(jìn)到兩相區(qū)時都凡是有固溶度變化的相圖，從單相區(qū)進(jìn)到兩相區(qū)時都會發(fā)生（脫溶）沉淀。會發(fā)生（脫溶）沉淀。 隨著時效時間的延長，隨著時效時間的延長，將發(fā)生下列析出過程將發(fā)生下列

7、析出過程（析出序列）：（析出序列）： 3 2 +GP1+其中其中 GPGP區(qū)是溶質(zhì)偏聚區(qū)、區(qū)是溶質(zhì)偏聚區(qū)、 為亞穩(wěn)過渡相。為亞穩(wěn)過渡相。以以AlCu合金為例合金為例：TC4合金540實效硬化曲線3 2 + GP區(qū)1+定義：如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并定義：如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強化作用，稱為起強化作用，稱為。粉末冶金原理與工藝： 與金屬熔鑄法不同，它是利用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)過壓制成型和燒結(jié)兩個主要工序來生產(chǎn)各種金屬制品的方法。 主要工藝過程：粉末的制備、壓制成型、燒結(jié)及后處理理。 散強化散強化粉末冶金工藝流程圖塑性變形塑性變形液相燒結(jié)、

8、固相燒結(jié)液相燒結(jié)、固相燒結(jié)v彌散強化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而彌散強化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑 顆粒直徑；顆粒直徑；第二相含量（體積分?jǐn)?shù)）第二相含量（體積分?jǐn)?shù)）;第二相的分布狀態(tài)。第二相的分布狀態(tài)。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)，與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)，呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細(xì)，分布越呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有均勻，合金的強度、硬度越高

9、，塑性、韌性略有下降；下降； 第二相可以是純金屬、固第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。中第二相多數(shù)是化合物。 + 鈦合金鈦合金(固溶體第二相固溶體第二相)彌散強化彌散強化-曲奇餅干曲奇餅干鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑生產(chǎn)中可通過對馬氏體進(jìn)行回火的方法獲得彌散分布生產(chǎn)中可通過對馬氏體進(jìn)行回火的方法獲得彌散分布 的第二相；的第二相；也可通過共晶化合物進(jìn)行熱壓力加工獲得；也可通過共晶化合物進(jìn)行熱壓力加工獲得；還可通過共析反應(yīng)獲得；還可通過共析反應(yīng)獲得；另外還可通過粉末冶金方法獲得。另外還可通過粉末冶金方法獲得。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與

10、韌化途徑 以鋼中以鋼中Fe3C的形態(tài)與分布為例：的形態(tài)與分布為例： a：過共析鋼中，：過共析鋼中， Fe3C呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上。晶界上。 塑性、強度下降。塑性、強度下降。 b：珠光體中，：珠光體中， Fe3C與鐵素體呈平行間隔分布。與鐵素體呈平行間隔分布。 塑性、強度較高。塑性、強度較高。（要求珠光體細(xì)小，片層間距?。ㄒ笾楣怏w細(xì)小，片層間距小） c： 共析鋼或過共析鋼經(jīng)球化退火后，共析鋼或過共析鋼經(jīng)球化退火后，F(xiàn)e3C呈顆粒呈顆粒 狀分布在狀分布在晶界上。晶界上。 強度下降，塑性上升，便于加工。強度下降，塑性上升，便于加工。 從彌散質(zhì)點引起強化這一點來說，沉從彌散質(zhì)點引

11、起強化這一點來說，沉淀強化與彌散強化并沒有大區(qū)別；淀強化與彌散強化并沒有大區(qū)別； 前一情況是內(nèi)生的沉淀相，后一情況前一情況是內(nèi)生的沉淀相，后一情況為外加質(zhì)點。為外加質(zhì)點。 沉淀沉淀強化強化 散強化散強化鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑 晶界是一種面缺陷，能有效地阻礙位錯運動，晶界是一種面缺陷，能有效地阻礙位錯運動，使金屬強化。晶粒越細(xì)，晶界越多也越曲折，使金屬強化。晶粒越細(xì)，晶界越多也越曲折，強化作用越顯著。強化作用越顯著。是唯一能使材料強度、是唯一能使材料強度、塑性和韌性同時提高的方法。塑性和韌性同時提高的方法。細(xì)晶強化細(xì)晶強化含硫的鐵晶內(nèi)與晶界強度含硫的鐵晶內(nèi)與晶界強度鐵素體鋼的抗拉強

12、度與晶粒尺寸的關(guān)系曲線鐵素體鋼的抗拉強度與晶粒尺寸的關(guān)系曲線銅和鋁的屈服強度與其亞晶尺寸的關(guān)系曲線銅和鋁的屈服強度與其亞晶尺寸的關(guān)系曲線Hall-Petch公式：公式：s =0 + Kd -1/2 在上圖中，低碳鋼的在上圖中，低碳鋼的s 與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系。性關(guān)系。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑細(xì)晶強化理論的提出：細(xì)晶強化理論的提出： 針對不同常規(guī)材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。針對不同常規(guī)材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。 在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。 可以實現(xiàn)在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性可以實

13、現(xiàn)在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性和韌性，獲得最佳的強韌性配合。和韌性，獲得最佳的強韌性配合。合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細(xì)晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能多。細(xì)晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能量高這一特點，對材料進(jìn)行強化。量高這一特點，對材料進(jìn)行強化。鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑 對鑄態(tài)使用的合金：合理控制冶鑄工藝，如增大 過冷度、加入變質(zhì)劑、進(jìn)行攪拌和振動等。 對熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金：控制變形度、再結(jié)晶退火溫度和時間； 對熱處理強化態(tài)使用的合金：控制加熱和冷卻 工藝參數(shù), 利用相變重

14、結(jié)晶來細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒方法細(xì)化晶粒方法雙晶粒式試樣拉伸變形示意圖鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑 加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。 曲線分為三階段曲線分為三階段1）易滑移階段（位錯少干擾）易滑移階段（位錯少干擾）2）線性硬化階段（位錯塞積）線性硬化階段（位錯塞積）3）拋物線硬化階段（螺旋位錯）拋物線硬化階段（螺旋位錯 啟動，位錯密度下降）啟

15、動，位錯密度下降）加工硬化的實質(zhì)加工硬化的實質(zhì)： 是金屬塑性變形時內(nèi)部產(chǎn)生滑移，使是金屬塑性變形時內(nèi)部產(chǎn)生滑移，使晶粒變形和細(xì)化亞組織，因而產(chǎn)生大量的位錯，晶格嚴(yán)重晶粒變形和細(xì)化亞組織，因而產(chǎn)生大量的位錯，晶格嚴(yán)重畸變，內(nèi)部應(yīng)力增加，其宏觀效應(yīng)就是加工硬化?；?，內(nèi)部應(yīng)力增加，其宏觀效應(yīng)就是加工硬化。晶體結(jié)構(gòu)對加工硬化曲線的影響晶體結(jié)構(gòu)對加工硬化曲線的影響鋼的強化與韌化途徑鋼的強化與韌化途徑提高鋼的韌性方法提高鋼的韌性方法 合金化提高鋼的韌性主要是通過改變顯微組織、合金化提高鋼的韌性主要是通過改變顯微組織、 改變基體本身的韌性途徑來實現(xiàn)的。改變基體本身的韌性途徑來實現(xiàn)的。 Mn、Ni、C對鋼的

16、韌性的影響對鋼的韌性的影響 當(dāng)鋼中含碳量低時，當(dāng)鋼中含碳量低時，Mn2%時，可細(xì)化組織，是韌時，可細(xì)化組織，是韌 化的主要元素?；闹饕亍?Ni在低溫時，可交叉滑移，改善基體本身韌性。在低溫時，可交叉滑移，改善基體本身韌性。 C是鋼中必不可少的元素，加碳雖然強化作用很高，是鋼中必不可少的元素，加碳雖然強化作用很高， 但卻顯著降低韌性。只有在晶界形成但卻顯著降低韌性。只有在晶界形成TiC、NbC、VC時，起阻礙作用，才能細(xì)化組織，提高韌性。時，起阻礙作用，才能細(xì)化組織，提高韌性。 馬氏體的強化機制馬氏體的強化機制1 1、固溶強化、固溶強化 為嚴(yán)格區(qū)分為嚴(yán)格區(qū)分C原子的固溶強化效應(yīng)與時效強化效

17、應(yīng)，原子的固溶強化效應(yīng)與時效強化效應(yīng)，Winchell專門設(shè)計了一套專門設(shè)計了一套Ms點很低的點很低的C%不同的不同的Fe-Ni-C合金，以保證合金，以保證M轉(zhuǎn)變能在轉(zhuǎn)變能在C原子不可能發(fā)生時效析出的原子不可能發(fā)生時效析出的低溫下淬火后在該溫度下測量低溫下淬火后在該溫度下測量M的強度，以了解的強度，以了解C原子原子的固溶強化效果。的固溶強化效果。強韌化機理舉例強韌化機理舉例 結(jié)果表明結(jié)果表明C%0.4%時時的的S隨碳含量增加急劇升隨碳含量增加急劇升高，超過高，超過0.4%后后S不再增不再增加。加。 2、相變強化、相變強化 馬氏體相變的特性造成在晶體內(nèi)產(chǎn)生大量微觀缺陷馬氏體相變的特性造成在晶體內(nèi)

18、產(chǎn)生大量微觀缺陷（位錯、孿晶及層錯等），使馬氏體強化，即相變強化。（位錯、孿晶及層錯等），使馬氏體強化，即相變強化。 無碳馬氏體的屈服極限為無碳馬氏體的屈服極限為284MPa與強化與強化F的的S很接近，很接近，而退火的而退火的F的的S僅為僅為98137MPa，也就是說相變強化，使強，也就是說相變強化，使強度提高了度提高了147186MPa。強韌化機理舉例強韌化機理舉例3 3、第二相強化、第二相強化 理論計算得出，在室理論計算得出，在室溫下只要幾分鐘甚至幾秒鐘溫下只要幾分鐘甚至幾秒鐘即可通過碳原子擴(kuò)散而產(chǎn)生即可通過碳原子擴(kuò)散而產(chǎn)生時效強化。在時效強化。在-60以上，以上，時效就能進(jìn)行發(fā)生碳原子偏時效就能進(jìn)行發(fā)生碳原子偏聚現(xiàn)象，是馬氏體自回火的聚現(xiàn)象，是馬氏體自回火的一種表現(xiàn)。碳原子含量越高，一種表現(xiàn)。碳原子含量越高，時效強化效果越大。時效強化效果越大。4 4、馬氏體形態(tài)及大小對強度的影響、馬氏體形態(tài)及大小對強度的影響 原原A晶粒大小和晶粒大小和M群的大小對群的大小對M的強度也有一定的影響，的強度也有一定的影響， 0.2=608+69d-1/2 0.2=449+60d-1/2單位單位 ：Mpa; 其中其中d：奧氏體晶粒的平均直徑；：奧氏體晶粒的平均直徑；d：馬氏體板條群的：馬氏體板條群的平均直徑。對中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，平均直徑