1、金屬材料與熱處理-金屬學(xué)與金屬材料

金屬材料與熱處理（之一）

----金屬材料與金屬學(xué)目錄一、金屬材料概念二、金屬學(xué)基礎(chǔ)概念三、鋼中常見的組織四、鐵碳合金相圖五、合金元素在鋼鐵材料中的作用一、金屬材料概念金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、有一定的強(qiáng)度和塑性、并具有光澤的物質(zhì)，如鐵、鋁和銅等。金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料、并具有金屬特性的工程材料。它包括純金屬和合金。金屬（或金屬材料）通常分為黑色金屬和有色金屬兩大類：1、黑色金屬以鐵或以它為主而形成的物質(zhì)，稱為黑色金屬，如鋼和生鐵。2、有色金屬除黑色金屬外的其它金屬，稱為有色金屬，如銅、鋁和鎂等。

一、金屬材料黑色金屬分為鋼和生鐵。含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，大于2.11%的鐵碳合金稱為鐵。

1、鐵的分類

煉鋼生鐵、鑄造生鐵（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）。2、鋼的分類

鋼是含碳量在0.04%-2.1%之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。二、金屬學(xué)知識(shí)二、金屬學(xué)知識(shí)金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶:

不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其力學(xué)性能也是不同的。金屬力學(xué)的這些差異，從本質(zhì)上來說，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。

1、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。根本區(qū)別：晶體中原子（或分子）在三維空間有規(guī)律地周期性重復(fù)排列，而非晶體不具備這一特點(diǎn)。二、金屬學(xué)知識(shí)原子作無序排列；沒有固定的熔點(diǎn)；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。金屬的理想晶體結(jié)構(gòu)2、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)①純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方、面心立方和密排六方晶格。②晶體結(jié)構(gòu)為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律，可以將原子簡化成一個(gè)點(diǎn)，用假想的線將這些點(diǎn)連結(jié)起來，就構(gòu)成了有明顯規(guī)律性的空間格子。這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架，叫做晶格。晶格是由許多形狀、大小相同的最小幾何單元重復(fù)堆積而成的。能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。

晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。二、金屬學(xué)知識(shí)3、金屬晶格的類型

1）體心立方晶格

它的晶胞是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體的中心，屬于這種晶格類型的金屬有鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）、及a-鐵（a-Fe）等金屬。二、金屬學(xué)知識(shí)⑵面心立方晶格：它的晶胞也是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角和立方體六個(gè)面的中心，屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及r-鐵（r-Fe）等金屬。二、金屬學(xué)知識(shí)3）密排六方晶格：

它的晶胞是一個(gè)正六方柱體，原子排列在柱體的每個(gè)角頂上和上、下底面的中心，另外三個(gè)原子排列在柱體內(nèi)，屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）、及鋅（Zn）等金屬。

二、金屬學(xué)知識(shí)相：是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。單相合金兩相合金二、金屬學(xué)知識(shí)NaCl溶液（液相）未溶NaCl（固相）組織：

用放大鏡或顯微鏡觀察到的材料的宏觀或微觀形貌圖像。（如宏觀組織、微觀組織、金相組織、單相組織、多相組織）顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。二、金屬學(xué)知識(shí)二、金屬學(xué)知識(shí)4、鋼的晶粒度鋼中晶粒大小的尺寸稱為晶粒度，通常用顯微晶粒級(jí)別指數(shù)G表示。在放大100倍的條件下，645.16mm2面積所包含的晶粒數(shù)n與G的關(guān)系為n=2G-1。二、金屬學(xué)知識(shí)5、雙相合金及多元合金

①合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質(zhì)。

二、金屬學(xué)知識(shí)

②固溶體：是一個(gè)（或幾個(gè)）組元的原子（化合物）溶入另一個(gè)組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。

Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體二、金屬學(xué)知識(shí)③

固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙或結(jié)點(diǎn)，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強(qiáng)度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。④

機(jī)械混合物：由兩種晶體結(jié)構(gòu)而組成的合金組成物，雖然是兩種晶體，卻是一種組成成分，具有獨(dú)立的機(jī)械性能。

⑤金屬化合物：合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格鐵碳合金中的Fe3C二、金屬學(xué)知識(shí)合金相固溶體金屬化合物有限固溶體無限固溶體按溶質(zhì)原子位置分按溶解度分按溶質(zhì)原子分布分間隙固溶體置換固溶體無序固溶體有序固溶體正常價(jià)化合物電子化合物尺寸因素化合物合金相的分類B2H6一些金屬間化合物三、鋼中常見的組織1、奧氏體

碳或其它合金元素溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用γ或A表示。

是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)則多面體晶粒，晶界較直。無磁性強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在

區(qū)進(jìn)行.奧氏體三、鋼中常見的組織2、鐵素體

碳和其它合金元素溶入α-Fe中所形成的間隙固溶體稱為鐵素體，以α或F表示。右圖為純鐵的鐵素體金相組織三、鋼中常見的組織3、滲碳體滲碳休是鐵和碳組成的金屬化合物，在碳素鋼中用分子式Fe3C表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體三、鋼中常見的組織4、珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，通常呈片層狀相間分布，片層間距和片層厚度主要取決于奧氏體分解時(shí)的過冷度。

珠光體轉(zhuǎn)變根據(jù)片層的厚薄不同珠光體(P)索氏體(S)屈氏體(T)形成溫度A1～650℃形成溫度為650～600℃形成溫度為600～550℃片層較厚片層較薄片層極薄珠光體(P)索氏體(S)屈氏體(T)室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本組成物的機(jī)械性能名稱符號(hào)結(jié)合類型Rm(MPa)HBZ(%)AK（J）鐵素體F碳在α-Fe中的固溶體（體心立方晶格）2308050160滲碳體Fe3C鐵和碳的金屬化合物（復(fù)雜晶格）30800≈0≈0珠光體P鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物75018020-2524-325、萊氏體（Le）力學(xué)性能：σb=30MPa；δ=0；HB=700

萊氏體—是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

1148℃，4.3%C

6、鋼中其他非平衡組織a、馬氏體

馬氏體是碳與合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體，是合金在冷卻過程中所發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的統(tǒng)稱，用M表示。

b、貝氏體（B）：過冷奧氏體在中溫區(qū)間（約250—4500C）相變產(chǎn)生的過飽和的鐵素體和滲碳體混合物。c、魏氏組織：亞共析鋼因?yàn)檫^熱而形成的粗晶奧氏體，在一定的過冷條件下（較快），除了在原來奧氏體晶粒邊界上析出塊狀α-Fe外，還有從晶界向晶粒內(nèi)部生長的片狀α-Fe。d、帶狀組織：經(jīng)熱加工后低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中，鐵素體和珠光體沿加工方向平行成層分布的條帶組織。

e、σ相：是在研究Fe-Cr合金變脆時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種合金相。相圖（狀態(tài)圖）——表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表。

溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心1538℃1394℃912℃溫度℃成分相圖（狀態(tài)圖）的作用是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。

五、鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).1、鐵碳合金狀態(tài)圖?????LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

1）

特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是

(A)與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體,用Ld表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體鐵碳合金相圖PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是A與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。鐵碳合金按含碳量劃分為七種類型(1)工業(yè)純鐵

<0.0218%C(2)

共析鋼

0.77%C(3)

亞共析鋼

0.0218~0.77%C(4)

過共析鋼

0.77~2.11%C(5)

共晶白口鑄鐵

4.30%C(6)

亞共晶白口鑄鐵

2.11~4.30%C(7)

過共晶白口鑄鐵

4.30~6.69%C2、金屬的結(jié)晶過程a．金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象溫度℃時(shí)間T0TnΔT冷卻曲線過冷度b．金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶形核長大過冷度=理論結(jié)晶溫度-實(shí)際結(jié)晶溫度自發(fā)形核非自發(fā)形核晶粒晶界

金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。一般金屬的晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好。

同素異晶轉(zhuǎn)變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。L1538℃1394℃912℃

一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì)—稱為同素異晶性。Fe、Sn、Ti、Mn溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心Fe3、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變4、鐵—滲碳體相圖中鐵碳合金的分類Fe-Fe3C相圖中不同成分的鐵碳合金，具有不同顯微組織和性能，通常根據(jù)相圖中P點(diǎn)，E點(diǎn)將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵，鋼和白口鑄鐵三大類。1）．工業(yè)純鐵成分P點(diǎn)以左（Wc<0.0218%）的鐵碳合金，其室溫組織為鐵素體和三次滲碳體。2）鋼成分為P點(diǎn)與E點(diǎn)間（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金。其特點(diǎn)是高溫固態(tài)組織為塑性很好的γ，因而可進(jìn)行熱加工。根據(jù)含碳量不同又可分為三類：（1）共析鋼——含碳量=0.77%（2）亞共析鋼——含碳量<0.77%（3）過共析鋼——含碳量>0.77%3）

白口鑄鐵成分為E點(diǎn)右面（C%=2.11~6.69%）的鐵碳合金。其特點(diǎn)是液態(tài)結(jié)晶時(shí)都有共晶轉(zhuǎn)變，因而與鋼相比有較好的鑄造性能。但高溫中組織硬脆的滲碳體量很多，故不能進(jìn)行壓力加工，根據(jù)相圖：白口鑄鐵分為：共晶白口鑄鐵——C%=4.3%；亞共晶白口鑄鐵——C%<4.3%；過共晶白口鑄鐵——C%>4.3%5、工業(yè)純鐵的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖工業(yè)純鐵：成分P點(diǎn)以左（Wc<0.0218%）的鐵碳合金，其室溫組織為鐵素體和三次滲碳體。6、亞共析鋼的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖亞共析鋼—含碳量<0.77%7、共析鋼的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖共析鋼—含碳量=0.77%0(a)0.20%C(b)0.45%C(c)0.60%C亞共析鋼的室溫平衡組織

亞共析鋼是應(yīng)用最多的鋼種8、過共析鋼的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖過共析鋼—含碳量>0.77%模具過共析鋼的高強(qiáng)度、高硬度可制作各類工具和模具9、共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖10、亞共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖11、過共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡凝固過程示意圖

12．含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ碳鋼的力學(xué)性能與含碳量的關(guān)系

2、錳的影響

一般認(rèn)為錳在鋼中是一種有益的元素。在碳鋼中含錳量通常在0.25～0．80％范圍；在含錳合金鋼中，一般控制在1.0～1.2％范圍。錳大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體強(qiáng)化；一部分錳也能溶于Fe3C中，形成合金滲碳體；錳還能增加珠光體相對量，并使它變細(xì)，從而提高鋼的強(qiáng)度。錳與硫化合成為MnS，以減輕硫的有害作用。當(dāng)錳含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，它對鋼的性能影響并不顯著。1、鍋爐壓力容器常用碳素鋼的含碳量一般不超過0.25%。除碳外，鋼種還含有硅、錳、硫、磷以及氮、氫、氧等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會(huì)對鋼的性能產(chǎn)生影響五、合金元素在鋼鐵材料中的作用

3、硅的影響

硅在鋼中也是一種有益的元素。在鎮(zhèn)靜鋼(用鋁、硅鐵和錳鐵脫氧的鋼)中含硅最通常在0.10～O.40％之間；沸騰鋼(只用錳鐵脫氧的鋼)中只含有0.03～0.07％Si。硅與錳一樣，能溶于鐵素體中，使鐵素體強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性均提高，塑性、韌性均降低。硅也有一部分存在于硅酸鹽夾雜中。當(dāng)硅含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，對鋼的性能影響亦不顯著。

五、合金元素在鋼鐵材料中的作用

4、硫的影響

硫主要以硫化鐵形式存在。硫化鐵與鐵形成低熔點(diǎn)共晶體（熔點(diǎn)985℃）分布于晶界上，當(dāng)鋼材在800—1200℃鍛軋時(shí)，由于低熔點(diǎn)共晶體熔化而使鋼材沿晶界開裂，即“熱脆”。

為了避免熱脆，鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，鍋爐壓力容器專用鋼板含硫量應(yīng)≤0.020％。

在鋼中增加含錳量，可消除硫的有害作用。Mn與S形成熔點(diǎn)為1620℃的MnS，MnS高溫時(shí)又有塑性，因此可避免熱脆現(xiàn)象。五、合金元素在鋼鐵材料中的作用

5、磷的影響

磷也是一種有害雜質(zhì)。磷在鋼中全部溶于鐵素體中，雖可使鐵素體的強(qiáng)度、硬度有所提高，但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，并使脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。

磷的存在也使焊接性能變壞，因此鋼中含磷量要嚴(yán)格控制，鍋爐壓力容器專用鋼材含硫量應(yīng)≤0.030％。五、合金元素在鋼鐵材料中的作用

6、氮、氫、氧的影響

氮使鋼耐蝕性下降，以及出現(xiàn)應(yīng)變實(shí)效脆化。氧使鋼強(qiáng)、塑性降低，熱脆現(xiàn)象嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度下降。氫會(huì)引起氫脆、延遲裂紋、白點(diǎn)等危險(xiǎn)缺陷五、合金元素在鋼鐵材料中的作用7、鉻

能提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性，鉻鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，經(jīng)淬火回火處理的鉻鋼，鉻元素一般不降低其韌性。鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的主要元素，鋼中鉻含量越高，其抗腐蝕性能越好。通常，不銹鋼的鉻含量高于13％。由于鉻能提高鉻鎳調(diào)質(zhì)鋼和高鉻高碳鋼的淬透性，因此冷卻時(shí)要防止由組織應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。高鉻鋼(含鉻量超過12％～14％時(shí))的導(dǎo)熱性能很差，在熱加工加熱時(shí)應(yīng)注意緩慢地升溫，并有足夠的保溫勻熱時(shí)間。高鉻鋼在成型加工時(shí)，每次變形量要小些。五、合金元素在鋼鐵材料中的作用8、鎳

能使鋼具有很高的強(qiáng)度、塑性和韌性。當(dāng)鎳含量少于20％時(shí)，其強(qiáng)度隨鎳含量增