金相檢驗(yàn)1基礎(chǔ)知識(shí)

1、 金相檢驗(yàn)根底知識(shí)主講：王文科蘭州工業(yè)學(xué)院本單元授課內(nèi)容金相檢驗(yàn)概述一金屬與合金的結(jié)構(gòu)二鐵碳合金相圖三鋼的熱處理四塑性變形對(duì)組織的影響五一、金相檢驗(yàn)概述1、金相檢驗(yàn)的概念： 運(yùn)用放大鏡和顯微鏡，根據(jù)對(duì)金屬材料的宏觀組織及微觀組織進(jìn)行觀察研究的方法叫金相檢驗(yàn)，也叫金相分析。所用工具：放大鏡和顯微鏡。檢測(cè)對(duì)象：金屬材料。檢測(cè)內(nèi)容：觀察相和組織組成物、晶粒、非金屬夾雜、晶體缺陷的數(shù)量、形貌、大小、分布、取向、空間排布等。2、金相檢驗(yàn)的目的： 預(yù)測(cè)和判斷金屬的性能，分析失效破壞原 因，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。 圖1-1 金屬材料組織性能關(guān)系圖二、金屬與合金的結(jié)構(gòu)1、晶體的根本知識(shí)：金屬和合金在固態(tài)下，通常

2、都是晶體。 晶體就是原子在三維空間中有規(guī)那么作周期重復(fù)排列的物質(zhì)，就是說(shuō)，在金屬和合金中，原子的排列都是有規(guī)那么的，而不是雜亂無(wú)章的。什么是晶體？ 晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣 圖1-2 晶體中原子排列示意圖a原子堆垛模型 b晶格 c晶胞2、純金屬的三種典型晶體結(jié)構(gòu) 體心立方結(jié)構(gòu) 圖1-3 體心立方結(jié)構(gòu)晶胞a剛球模型 b質(zhì)點(diǎn)模型 c晶胞原子數(shù) 面心立方結(jié)構(gòu) 圖1-4 面心立方結(jié)構(gòu)晶胞a剛球模型 b質(zhì)點(diǎn)模型 c晶胞原子數(shù) 密排六方結(jié)構(gòu) 圖1-5 密排六方結(jié)構(gòu)晶胞a剛球模型 b質(zhì)點(diǎn)模型 c晶胞原子數(shù)3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 原因：結(jié)晶條件、壓力加工、原子熱運(yùn)動(dòng) 結(jié)構(gòu)：兼有完整性規(guī)律性和不完整性不規(guī)律性兩方面的

3、統(tǒng)一體，而且完整性占主導(dǎo)地位 多晶體結(jié)構(gòu) 實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 存在缺陷單晶體與多晶體 大局部金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也有少數(shù)金屬如Fe、Mn、Ti、Be、Sn等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件如溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 單晶體的各向異性 多晶體的各項(xiàng)同性晶體中的缺陷點(diǎn)、線、面 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可以將它們分為以下三類: 1點(diǎn)缺陷 其特征是三個(gè)方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子的尺寸，例如空位、間隙原子等。 2線缺陷 其特征是在兩個(gè)方向上的尺寸很小，另一個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大。屬于這一類的主要是位錯(cuò)。 3

4、面缺陷 其特征是在一個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大，例如晶界、亞晶界等。點(diǎn)缺陷圖1-6 晶體中的各種點(diǎn)缺陷1大的置換原子 2肖脫基空位 3異類間隙原子 4復(fù)合空位 5弗蘭克爾空位 6小的置換原子線缺陷刃、螺 圖1-7 刃型位錯(cuò)示意圖a立體示意圖 b垂直于位錯(cuò)線的原子平面圖1-8 刃型位錯(cuò)柏氏矢量確實(shí)定a實(shí)際晶體的柏氏回路 b完整晶體的相應(yīng)回路圖1-9 螺型位錯(cuò)示意圖圖1-10 螺型位錯(cuò)柏氏矢量確實(shí)定a實(shí)際晶體的柏氏回路 b完整晶體的相應(yīng)回路面缺陷 晶體的面缺陷包括晶體的外外表外表或自由界面和內(nèi)界面兩類，其中的內(nèi)界面又有晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)和相界等。圖1-11 對(duì)稱傾

5、側(cè)晶界圖1-12 對(duì)稱傾側(cè)晶界的形成 a傾側(cè)前 b傾側(cè)后圖1-13 扭轉(zhuǎn)晶界形成模型a晶粒2相對(duì)于晶粒1繞Y軸旋轉(zhuǎn)角b晶粒1、2之間的螺型位錯(cuò)交叉網(wǎng)絡(luò)圖1-14 扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)4、合金的相結(jié)構(gòu) 組元是合金中最根本的、獨(dú)立的物質(zhì)。 相是合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以相界面相互分開的組成局部。合金中的根本相包括：純金屬，固溶體和化合物。(1)純金屬相1394以上純鐵是-鐵相1394912純鐵是-鐵相912以下純鐵是-鐵相2固溶體：合金組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這樣的固相叫固溶體。某元素的晶格中溶有其他元素原子的相稱為固溶體。 溶劑-結(jié)構(gòu)相

6、同組元、溶質(zhì)-結(jié)構(gòu)不同組元置換式固溶體：溶劑晶格中局部結(jié)點(diǎn)上的原子被溶質(zhì)原子置換 間隙式固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格的間隙中。3金屬化合物：合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，也叫中間相。晶格類型和性能不同于組成合金的任一組元。5、相與組織組織：在金屬與合金中，由于形成條件的不同，可能形成不同的相，相的數(shù)量、形態(tài)及分布狀態(tài)也可能不同，從而形成不同的組織?；鞠喽?義力學(xué)性能容碳量鐵素體F、a碳在a-Fe中的間隙固溶體強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好最大0.0218%奧氏體A、r碳在r-Fe中的間隙固溶體硬度低、塑性好最大2.11%滲碳體Fe3C Fe與C的金屬化合物硬而脆最大6.69%鐵碳合金

7、的根本相鐵碳合金的根本組織萊氏體Ld鐵素體F奧氏體A滲碳體Fe3C珠光體P 三、鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最根本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論根底,是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù). 1、鐵碳合金中的根本相、組織鐵素體 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于Fe中形成的間隙固溶體。 碳在-Fe中的固溶體稱 -鐵素體，用 表示。 都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。 鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。奧氏體( A ) - Austenite 碳在 -Fe中的間隙固

8、溶體稱奧氏體。用A或 表示。 面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時(shí)最大為2.11%。組織為不規(guī)那么多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在 區(qū)進(jìn)行.碳鋼室溫組織中無(wú)奧氏體。滲碳體鐵和碳組成的具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(b35MPa), 脆性大, 塑性幾乎為零。 主要作為鐵碳合金的強(qiáng)化相存在。珠光體 ( P ) - Pearite鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。萊氏體 含碳量為4.3%的合金，在1148從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織，用符號(hào)Ld Ledeburite 表示

9、。 727以下，由珠光體和滲碳體組成的共晶體，稱為低溫萊氏體 ，用Ld/表示。 2、特征點(diǎn)LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 3、特征線 液相線ACD，固相線AECF 二條水平線： ECF：共晶線 PSK：共析線 HJB：包晶線 其它相線GS,GP 固溶體轉(zhuǎn)變線, GS又稱A3 線。ES碳在 -Fe中的固溶線。又稱Ac m線。PQ碳在-Fe中的固溶線。包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式（水平線HJB）:L0.53 + 0.09 A0.171495共析轉(zhuǎn)變反響式水平線PSK:A0.77 ( F0.0218 + Fe3C ) P 727共晶轉(zhuǎn)變反響式水平線ECF:L4.3 ( A2.11 + Fe3

10、C ) Ld 1148 3、相區(qū) 五個(gè)單相區(qū)： L、Fe3C 七個(gè)兩相區(qū): L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C 三個(gè)三相區(qū)：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三條水平線 4、典型的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變亞共析鋼：含碳量0.0218%0.77，其室溫組織由鐵素體和珠光體所組成。共析鋼： 含碳量等于0.77，其室溫組織全部是珠光體組成。過(guò)共析鋼：含碳量0.772.11，其室溫組織由珠光體和二次滲碳體組成四、鋼的熱處理 熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時(shí)間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝圖9-1。1、熱

11、處理的作用圖9-1 熱處理工藝曲線示意圖1退火的目的及工藝 完全退火、不完全退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火。退火的目的是消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善切削加工性能，為后續(xù)的熱處理做準(zhǔn)備。 方法：將鋼加熱到臨界溫度Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近平衡狀態(tài)組織。2、鋼的熱處理工藝2正火的目的及工藝 正火可以作為預(yù)備熱處理，為機(jī)械加工提供適宜的硬度，又能細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力,消除魏氏組織和帶狀組織，為最終熱處理提供適宜的組織狀態(tài)。改善組織為隨后的熱處理做準(zhǔn)備。 方法：將鋼加熱到Ac3/Accm+3050的適當(dāng)溫度，保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類組織3淬火的目的和方法

12、目的是使奧氏體化以后的工件盡量多的獲得馬氏體組織，然后配以不同溫度的回火獲得所需性能的組織。 方法:將鋼加熱至臨界溫度Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體下貝氏體 Ac3/Ac1+30504回火的目的和方法 目的是得到回火索氏體鐵素體+馬氏體+剩余奧氏體，強(qiáng)度和韌性配合良好，有良好的綜合機(jī)械性能。 方法：將淬火鋼加熱到A1溫度以下，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織回火索氏體，并以適當(dāng)方式冷卻到室溫。五、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1.性能的變化 造成加工硬化，隨著變形程度的增加，形變阻力增大，強(qiáng)度和硬度升高，塑性、韌性下降。2.顯微組織的變化 隨著變形的方法和變形

13、程度不同，晶粒外形的變化也不一樣。在軋制過(guò)程中，各個(gè)晶粒順著變形方向伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)的程度隨變形度的增加而增大。變形量很大時(shí)，晶粒將變?yōu)槔w維狀，稱為纖維組織。3.回復(fù) 將冷變形的金屬材料在較低溫度加熱時(shí)，組織變化不明顯，但應(yīng)力顯著降低，而強(qiáng)度、硬度和塑性變化不大。4.再結(jié)晶 將冷變形的金屬材料加熱到高于回復(fù)的一定溫度時(shí)，強(qiáng)度、硬度劇烈降低，塑性顯著升高，恢復(fù)到變形前的數(shù)值。組織變化是首先在晶?；兇蟆⒛芰扛叩膮^(qū)域，形成與原金屬結(jié)構(gòu)相同的新晶粒，然后逐漸長(zhǎng)大成等軸晶粒。5晶粒長(zhǎng)大 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。如果再結(jié)晶后獲得細(xì)小而均勻的等軸晶粒，繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，晶粒逐步長(zhǎng)大，稱正常長(zhǎng)大。如再結(jié)晶后獲得大小不均勻的晶粒時(shí)，由于大小晶粒之間能量相差懸殊，加熱到較高溫度或保溫較長(zhǎng)時(shí)間的情況下，少數(shù)晶粒選擇