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文檔簡介
2023/12/91
金屬材料的基礎(chǔ)知識2023/12/92
第一節(jié)金屬材料的性能
金屬材料適應(yīng)冷熱加工的能力,稱為加工工藝性能,簡稱工藝性能。工藝性能好的材料易于承受加工,生產(chǎn)成本低;工藝性能差的材科在承受加工時工藝復(fù)雜、困難,不易達到頂期的效果,加工成本也高。一、金屬材料的工藝性能(一)鑄造性能金屬材料的生產(chǎn),多數(shù)是通過冶煉、鑄造而得到的,如各種機械設(shè)備的底座,汽輪機、發(fā)電機的機殼、閥門、磨煤機的耐磨件等。液體金同澆注成型的能力,稱為金屬的鑄造性能。它包括流動性、收縮率和偏析傾向等。2023/12/93
流動性是指金屬對鑄型填充的能力。金屬的流動性好,可以澆注成外觀整齊、薄而形狀復(fù)雜的零部件。在常見的金屬材料中,鑄鐵的流動性優(yōu)于鋼,青銅的流動性比黃銅好,可以容易地制造各種零件。收縮率是指鑄件冷凝過程中體積的減少率,稱為體積收縮率。金屬自液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)時體積都要減少,使鑄件形成縮孔和疏松,即形成集中或分散的孔洞,嚴重影響金屬零件的質(zhì)量。鑄件冷凝時,由于種種原因會造成化學(xué)成分的不均勻,叫做偏析。偏析使整體沖擊韌性降低,質(zhì)量變壞。縮孔、疏松和偏析等鑄造缺陷都是不允許產(chǎn)生的,在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以消除。2023/12/94(二)鍛造性能重要零件的毛坯往往要經(jīng)過鍛造工序,如汽輪機、發(fā)電機的主軸,輪轂,葉片,大型水泵和磨煤機的主軸、齒輪等。材料承受鍛壓成型的能力,稱為可鍛性。金屬的鍛造性能可用金屬的塑性和變形抗力(強度)來衡量。金屬承受鍛壓時變形程度大而不產(chǎn)生裂紋,其鍛造性能就好。金屬的鍛造性能取決于材料的成分、組織及加工條件。通常低碳鋼具有較好的可鍛性,低碳鋼的可鍛性最好。隨著含碳量的增加,鋼的可鍛性降低。合金鋼的可鍛性略遜于碳鋼。一般情況下,合金鋼中合金元素含量越多,其可鍛性越差。鑄鐵則不能承受鍛造加工。2023/12/95金屬的冷熱彎曲性能也取決于材料的塑性和強度。材料承受彎曲而不出現(xiàn)裂紋的能力,稱為彎曲性能。一般用彎曲角度或彎心直徑與材料厚度的比值來衡量彎曲性能。電廠鍋爐管道彎頭和輸粉管道彎頭是經(jīng)過冷熱彎曲成型的。(三)焊接性能金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結(jié)構(gòu)形式,優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力,稱為金屬的焊接性。在電廠中有大量金屬結(jié)構(gòu)件是用焊接方法連接的,如鍋爐管道、支架、蒸汽導(dǎo)管、管道、風(fēng)管、汽包、聯(lián)箱等。2023/12/96金屬的焊接性能主要取決于材料的化學(xué)成分,也取決于所采用的焊接方法、焊接材料(焊條、焊絲、焊藥)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等。衡量一種材料的焊接性,需要做焊接性試驗。影響鋼的焊接性能的主要因素是鋼的含碳量,隨著含碳雖的增加,焊后產(chǎn)生裂紋的傾向增大。鋼中其它合金元素的影響相應(yīng)小些。將合金元素對焊接性的影響都折合成碳的影響,即為碳當量。其計算公式為:2023/12/97式中:C,Mn,Cr,Mo,V,Ni,Cu為鋼中該元素的百分含量。當Ce<0.4%時,焊接性優(yōu)良,可不預(yù)熱。
Ce=0.4%~0.6%時,焊接性較差,焊接時需采用適當預(yù)熱等工藝措施。
Ce>0.6%時,焊接性很差,焊接時需采用較高預(yù)熱溫度和較嚴格的工藝措施。(四)切削性能金屬材料承受切削加工的難易程度,稱為切削性能。
金屬的切削性能與材料及切削條件有關(guān),如純鐵很容易切削,但難以獲得較高的光潔度;不銹鋼可在普通車床上加工,但在自動車床上,卻難以斷屑,屬于難加工材料。通常,材料硬度低時切削性能較好,但是對于碳鋼來說,硬度如果太低時,容易出現(xiàn)“粘刀”現(xiàn)象,光潔度也較差。一般情況下金屬承受切削加工時的硬度在HB170一230之間為宜。2023/12/98二、金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下,所表現(xiàn)出來的抵抗變形和破壞的能力以及接受變形的能力。(一)強度和塑性強度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。塑性是衡量材料在外力作用下接受變形的能力。拉伸試驗是測定強度和塑性的最普遍方法,該試驗依據(jù)國家標準(目前通用的標準為GB/T228-2002)進行,將材料制作成標準試樣或比例試樣,在萬能實驗機上沿試樣軸向緩慢地施加拉力,試樣隨拉力的增加而變形,直至斷裂。測得材料的彈性極限、屈服極限、強度極限及塑性等主要力學(xué)性能指標。2023/12/992023/12/9101.拉伸試樣2023/12/9112.拉伸曲線拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關(guān)系,可用應(yīng)力-延伸率曲線表示,縱坐標為應(yīng)力R,R=F/S0,橫坐標為延伸率ε,ε=ΔL/L0。拉伸曲線的形狀與材料有關(guān),由圖可見,在載荷小的oa階段,試樣在載荷F的作用下均勻伸長,伸長量與載荷的增加成正比。如果此時卸除載荷,試樣立即回復(fù)原狀,即試樣產(chǎn)生的變形為彈性變形。當載荷超過b點以后,試樣會進一步產(chǎn)生變形,此時若卸除載荷,試樣的彈性變形消失,而另一部分變形則保留下來,這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。2023/12/912
強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。通過拉伸試驗所測得的常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是材料產(chǎn)生屈服時對應(yīng)的應(yīng)力值。用符號Re表示,單位是N/mm2或MPa,大小為載荷與試樣原始橫截面積的比值,即:
式中:Fs-材料屈服時的載荷(N);
S0-試樣原始橫截面積(mm2)。3.強度2023/12/913
屈服強度可分為上屈服強度和下屈服強度,上屈服強度是指試樣發(fā)生屈服而外力首次下降前的最高應(yīng)力,用符號ReH表示;下屈服強度是指試樣屈服期間,不計初始瞬時的最低應(yīng)力值,用符號ReL表示。一般機械零件和工程構(gòu)件都不允許在使用中產(chǎn)生塑性變形,否則會因失效而發(fā)生事故,所以ReL屈服強度是機械設(shè)計和工程設(shè)計中的重要依據(jù)??估瓘姸仁遣牧显诶瓟嗲八惺艿淖畲髴?yīng)力值。用符號Rm表示,單位是N/mm2或MPa,其大小為材料最大載荷與試樣原始橫截面積的比值表示,即:
式中:Fb-材料屈服時的載荷(N);
S0-試樣原始橫截面積(mm2)。2023/12/9144.塑性金屬材料的塑性指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。拉伸試驗所測得的塑性指標有斷后伸長率和斷面收縮率。
斷后伸長率,又稱延伸率,標準試樣的斷后伸長率用A表示,指試樣被拉斷后,其標距部分所增加的長度與原標距比值的百分率。即:式中:Lu-試樣被拉斷后標距的長度。
L0-試樣原始標距。
對于比例試樣,A應(yīng)附下腳注說明所使用的比例系數(shù),例如A11.3表示原始標距的斷后伸長率。對于非比例試樣,符號A應(yīng)附以下腳標注說明所使用的原始標距,以mm表示,例如,A80mm表示原始標距L0為80mm的斷后伸長率。斷面收縮率指試樣拉斷后截面積的收縮量與原截面積之比的百分率,叫金屬材料的斷面收縮率,用符號Z表示。2023/12/915(二)硬度金屬材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物體壓入時所引起局部塑性變形的能力。常見的硬度指標有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)和里氏硬度(HL)等。1.布氏硬度(HB)2023/12/916壓頭的材質(zhì)有淬火鋼球或硬質(zhì)合金兩種,當壓頭材質(zhì)為淬火鋼球時,布氏硬度用HBS表示,適用于測量布氏硬度≤450的材料;當壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金時,布氏硬度用HBW表示,適用于測量布氏硬度在450~650范圍內(nèi)的材料。布氏硬度值的表示方法為:硬度值+硬度符號+球體直徑/+載荷/+載荷保持時間(10~15秒不標注)。例如,180HBS10/1000/30,表示直徑10mm的鋼球在1000kgf作用下,保持30秒測得的布氏硬度值為120。2023/12/9172.洛氏硬度(HR)用一定載荷將壓頭壓入材料表面,根據(jù)壓痕深度表示硬度值。根據(jù)壓頭和載荷的不同,洛氏硬度分HRA,HRB和HRC,試驗規(guī)范見表3-1。2023/12/918符號壓頭類型總載荷(kgf)適用范圍HRC120°金剛石圓錐150一般淬火鋼等硬度較大材料HRBΦ1.588mm鋼球100退火鋼和有色金屬等軟材料HRA120°金剛石圓錐60硬而薄的硬質(zhì)合金或表面淬火鋼試驗規(guī)范2023/12/9193.維氏硬度(HV)維氏硬度是用一定的載荷將錐面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭壓入試樣表面,保持一定時間后卸除載荷,試樣表面就留下壓痕,測量壓痕對角線的長度,計算壓痕表面積,載荷F除以壓痕面積S所得值即為維氏硬度。維氏硬度用符號HV表示,計算公式如下:2023/12/920圖1-5維氏硬度試驗示意圖維氏硬度也可按對角線的d值從表中查出,d值為兩對角線的算術(shù)平均值。維氏硬度的結(jié)果表示方法為:硬度值+HV+試驗載荷/+載荷保持時間(10~15秒不標注)。例如,640HV30/20表示在試驗力30kgf作用下保持載荷20秒測定的維氏硬度值為640。2023/12/9214.里氏硬度(HL)里氏硬度用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面,用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。計算公式如下:
式中:vR—沖擊體回彈速度;
vA—沖擊體沖擊速度。根據(jù)沖擊體質(zhì)量和沖擊能量的不同,里氏硬度分HLD,HLDC,HLG和HLC。表示方法為:硬度值+沖擊裝置類型,例如700HLD表示用D型沖擊裝置測定的里氏硬度值為700。2023/12/922各種硬度試驗因其試驗條件的不同而不能直接換算,需要查閱專門的表格進行換算比較。硬度是材料的重要性能之一,一般情況下,材料的硬度高,其耐磨性能也較好。材料的硬度與強度之間也有一定的關(guān)系,例如,對于未淬硬鋼,布氏硬度與抗拉強度間存在如下的近似換算關(guān)系:
Rm≈0.362HBS(當HBS<175)
Rm≈0.345HBS(當HBS>175)布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度各有優(yōu)缺點:布氏硬度由于壓痕面積較大,能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度,所以測量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費時,對試樣表面有一定破壞。洛氏硬度操作簡單,可以直接讀出硬度值,且壓痕小,不傷工件。缺點是所測硬度值的離散性較大。維氏硬度的載荷小、壓痕淺,廣泛用于測定薄工件表面硬化層。里氏硬度操作簡單,便攜性好,廣泛用于現(xiàn)場硬度測量。2023/12/923(三)沖擊韌性(αk)沖擊韌性是衡量材料抵抗沖擊載荷能力大小的指標,常用沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消耗的沖擊功。沖擊韌性用αk表示,計算公式如下:式中:αk—試樣沖斷時所消耗的沖擊功(J);
S—試樣缺口處截面積(cm2)。2023/12/924影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學(xué)成份、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷等。另外,金屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降。金屬材料的強度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨立的是強度和塑性,硬度與強度有極為密切的關(guān)系,韌性是受強度和塑性的綜合影響;因此,在鑒別金屬材料的力學(xué)性能時,常常是以強度和塑性為主要指標。
2023/12/925(四)疲勞強度金屬材料在遠低于其屈服極限的交變應(yīng)力長期作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象,稱為金屬的疲勞。1.疲勞失效的特點疲勞失效的斷口有明顯的特征,一般由兩個明顯的部分組成,見圖1-8所示。圖中A為疲勞源;D區(qū)為疲勞裂紋發(fā)展區(qū);G區(qū)為瞬時斷裂區(qū)。疲勞裂紋發(fā)展區(qū)的特征表面較光滑,另外,裂紋向前擴展時,表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時脆性破斷區(qū)特征是斷口較粗糙。葉片疲勞斷口的宏觀形貌如圖1-10所示。汽輪機的軸和葉片等零部件的損壞,多以金屬疲勞損壞的方式失效。2023/12/926圖1-10材料疲勞斷口宏觀形貌2023/12/9272.疲勞失效的測定金屬材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(強度)。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一定條件下,當應(yīng)力的最大值低于某一定值時,材料可能經(jīng)受無限次循環(huán)仍然不會發(fā)生疲勞斷裂。這個最大應(yīng)力值,就叫金屬材料的疲勞強度。當交變應(yīng)力循環(huán)對稱時,疲勞強度用符號σ-1表示。通常規(guī)定,鋼經(jīng)過107次應(yīng)力循環(huán)仍不破壞,就認為它可以經(jīng)受無限次循環(huán),此時的最大應(yīng)力值就定為其疲勞極限;有色金屬則規(guī)定應(yīng)力循環(huán)數(shù)為108次或更多次才能確定其疲勞強度。2023/12/9283.影響金屬材料疲勞強度的因素材料本身的強度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強度,另外,疲勞強度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境等有關(guān)。由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)是先從表面產(chǎn)生和發(fā)展的,因而采用表面強化的處理,可以提高疲勞強度。2023/12/929(五)斷裂韌性關(guān)于斷裂力學(xué)在工程上選擇金屬材料的傳統(tǒng)方法,是根據(jù)零部件的工作條件,對塑性和韌性提出一定的要求,并根據(jù)該材料的屈服程度Rel或抗拉強度Rm來計算許用應(yīng)力值:
式中——許用應(yīng)力,即該材料的最大工作應(yīng)力;——工作溫度T時材料的屈服強度;n——安全系數(shù)。
2023/12/930裂紋在外力作用下擴展的形式可分為三類,如圖1-12所示。這三種類型的脆性破壞,以張開型又稱為I型的擴展斷裂較為常見,且在外力作用下也較為危險,故近期大量研究的是I型這種裂紋的擴展及破壞。2023/12/9312.斷裂韌性的評定金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能,也是通過一定的實驗方法測定出來的。由于驗的方法不同,裂紋在外力作用下失穩(wěn)擴展、脆性斷裂的形式也不同,目前常用的斷裂韌性計算公式為:2023/12/932脆斷應(yīng)力也和裂紋形狀及加力方式有關(guān),即:構(gòu)件中的裂紋越長(a越大),則裂紋前端應(yīng)力集中越大,使裂紋擴展的外加應(yīng)力,即脆斷應(yīng)力越小,即:當a和Y已知時,可根據(jù)一定的實驗方法測出脆斷應(yīng)力代入上式,即可計算出k1C值顯然,材料的k1C值越高,則材料阻止裂紋擴展的能力越強。因此,k1C是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的指標,是材料抵抗低應(yīng)力脆斷的韌性參數(shù)。斷裂韌性在電廠金屬材料中有相當重要的作用。由于電廠的大型、重要構(gòu)件,如鍋爐汽包,氣輪機轉(zhuǎn)子、主軸、葉片等,是在高溫及復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下運行的,對于這些在特殊狀態(tài)下工作的金屬材料斷裂韌性的研究,就顯的更加必要。2023/12/933一、金屬鍵與晶體結(jié)構(gòu)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點是:價電子數(shù)目較少(1~3個),電子層數(shù)較多,原子核對價電子的引力較弱,價電子極易脫離原子核形成自由電子,金屬原子成為正離子,如圖1-13所示。自由電子在正離子之間做高速運動,形成帶負電的電子氣。金屬原子間這種正離子與自由電子的電性引力結(jié)合,稱為金屬鍵。第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2023/12/934
金屬鍵與非金屬原子間的結(jié)合鍵(離子鍵和共價鍵)不同。金屬離子間的鍵合力很大,且由大量原子結(jié)合成整體金屬,故金屬的強度高:自由電子在電場力作用下作定向運動,使金屬具有導(dǎo)電性;金屬離子周圍的鍵是等價的、對稱的,因而金屬原子在空間的位置必須有規(guī)則地排列且勢能最低,即呈晶體結(jié)構(gòu)。金屬離子在平衡位置上作高速振動,溫度越高,振幅越大。金屬的這種結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。2023/12/935
取晶格中一個最基本的幾何單元來表明原子排列的規(guī)律性,這個最小的幾何單元,稱為“晶胞”。顯然,金屬的結(jié)構(gòu)是由大量晶胞在空間堆垛形成。晶胞各邊的長度a,b,c稱為“晶格常數(shù)”,其大小是以?為單位來度量。
金屬材料通常都是晶體,為了便于分析晶體中原子的排列規(guī)律,通常用假想的線條將各原子中心連接起來,使之構(gòu)成一個空間格架,這種三維的空間格架,稱作“晶格”.2023/12/936常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種,即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。2023/12/937(一)體心立方晶格(二)面心立方晶格(三)密排六方晶格2023/12/938二、晶面、晶向與晶格致密度
為了研究方便,可以把金屬原子看成球形,并且人為規(guī)定與鄰近的原子是相切的,并將球的半徑規(guī)定為原子半徑。圖1-18是體心立方晶格中的原子半徑與晶格常數(shù)的關(guān)系圖。2023/12/939三、單晶體與多晶體如果依晶格中晶胞的長、寬、高取坐標系X、Y、Z,將坐標原點選在一個頂角原子上,晶格就有了方位和方向,稱為位向。在單晶體中晶格的位向是一致的。金屬的單晶體很小,約在10-1-10-3cm數(shù)量級。金屬總是以多晶體的形式存在,所以往往看不到金屬的單晶體,金屬單晶體的各向異性也被抵消了。圖1-21為多晶體示意圖。在自然界中,常??梢钥吹绞雏},方解石的單晶體。2023/12/940
2023/12/941四、晶體的缺陷金屬晶體的缺陷依照其幾何形狀,分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。(一)點缺陷
點缺陷是指晶格中三維尺寸都較小的點狀缺陷,主要包括晶格空位、間隙原子和異質(zhì)原子。圖1-23為空位和間隙原子,空位指晶格中某些結(jié)點處沒有原子,而間隙原子指晶格間隙中出現(xiàn)多余原子。產(chǎn)生空位和間隙原子的主要原因是由于原子熱運動使其逃離晶體結(jié)點位置或轉(zhuǎn)移到晶格間隙中。圖1-24為異質(zhì)原子,一般是其他金屬或非金屬原子置換原晶格中原子或存在原晶格間隙中??瘴弧㈤g隙原子和異質(zhì)原子缺陷均會引起晶格局部變形,即晶格畸變。晶格畸變引起能量升高,使金屬的強度、硬度和電阻升高。2023/12/9422023/12/943(二)線缺陷線缺陷又稱位錯,是指晶體中一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯有兩種類型,最簡單的是刃形位錯.位錯的存在對金屬的性能有很大影響,隨著位錯數(shù)目的增加,金屬強度先降低后增加,所以金屬晶體中不含位錯或含有大量位錯均能使強度提高。2023/12/944(三)面缺陷
面缺陷是晶體中二維尺寸較大,一維尺寸較小的呈面狀分布的缺陷,如晶界、亞晶界等。在多晶體中相臨晶粒的位向不同,在交界的地方原子排列不可能很規(guī)則,于是產(chǎn)生一層“過渡層”。相鄰晶粒的位向差如果小于15度,稱作“小角度晶界”,可以看作由許多縱向排列的同號刃型位錯組成;當位向差大于15度時,稱作大角度晶界,隨著位向差的增加,晶界的厚度也增加。在實際金屬中多數(shù)晶界是大角度晶界。在晶界上原子的無規(guī)則排列,使得晶界的性能與晶內(nèi)差別很大:晶界原子比晶內(nèi)原子易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因而容易被腐蝕;晶界原子近于液態(tài)結(jié)構(gòu),致使晶界熔點低于晶內(nèi);異類原子和雜質(zhì)在晶界上存在時能量低,所以晶界是雜質(zhì)原子易于聚集的地方;由于晶界處原子排列無規(guī)則,金屬的塑性變形(滑移)受到阻礙,致使晶界的強度比晶內(nèi)高。因此,金屬晶粒的大小對金屬的性能有很大影響。2023/12/945五、純金屬的結(jié)晶金屬材料自液態(tài)凝固的過程稱為結(jié)晶。(一)結(jié)晶的條件
純金屬在結(jié)晶時都有一固定的轉(zhuǎn)變溫度,稱為熔點,或平衡結(jié)晶溫度。金屬的溫度高于熔點時,金屬應(yīng)以液體狀態(tài)存在;低于熔點時,金屬則以固體狀態(tài)存在。在平衡結(jié)晶溫度時,液體與固體同時存在,這時液體的結(jié)晶速度與固體的熔化速度相同,是動態(tài)平衡狀態(tài)。液態(tài)金屬冷卻到镕點時是不能結(jié)晶成晶體的,只有冷到低于熔點的溫度時,即有一定的“過冷度”時才能結(jié)晶。過冷度按下式計算:
△t=tR-t
式中:△t—過冷度tR——理論熔點t—實際結(jié)晶溫度2023/12/946金屬的實際結(jié)晶溫度可以用熱分析法測得。冷卻曲線有一水平線段,說明金屬在結(jié)晶過程中溫度是恒定的.這是由于金屬在由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時,要放出“結(jié)晶浴熱”。這種潛熱的釋放恰恰補償了金屬向周圍散逸的熱量,而使結(jié)晶過程處于恒溫狀態(tài)。當結(jié)晶過程結(jié)束時,即液態(tài)金屬都已轉(zhuǎn)變?yōu)榫w后,金屬的溫度又隨著散熱而降低,直至室溫。曲線上水平線段的長度代表結(jié)晶過程的時間。2023/12/947(二)結(jié)晶的過程金屬的結(jié)晶過程一般包括兩個過程,即形核過程和晶核長大過程。形核過程是當溫度降到結(jié)晶溫度時,熔液中開始出現(xiàn)時聚時散的類似晶體結(jié)構(gòu)的小集團,當小集團達到一定臨界值時,逐漸穩(wěn)定,這種最初形成的小晶體被稱為晶核。熔液中晶核數(shù)目的多少與過冷度、熔液中含高熔點雜質(zhì)數(shù)目等因素有關(guān),把單位時間內(nèi)單位體積中所產(chǎn)生晶核數(shù)用形核速率(簡稱形核率)來表示。2023/12/948長大過程是晶核逐漸長大的過程,晶核的長大過程具有方向性,一般沿過冷度大的方向生長,這種生長方式類似樹枝的生長,被稱為樹枝狀長大,直到液相消耗完畢。晶核長大的速率稱為長大率,用單位時間內(nèi)晶體表面向前推進的線速度表示。2023/12/949(三)影響晶粒大小的因素金屬晶粒的大小是影響金屬性能的重要因素。晶粒大小與常溫力學(xué)性能的關(guān)系為:晶粒越細小,金屬的強度、塑性、韌性越高。反之晶粒越粗大,金屬的力學(xué)性能越差。制備細晶粒材料的措施一般為在結(jié)晶過程提高形核率和抑制長大率。形核率和長大率的影響因素主要有以下三個方面:2023/12/9501.過冷度影響形核率N和長大率G與過冷度Δt關(guān)系,一般隨著過冷度的增加,形核率和長大率先增加后下降。3.金屬流動與振動在金屬結(jié)晶時如果增加液體流速或給以機械振動、超聲波振動,都將達到增加形核率或抑制長大率的效果。2.難熔雜質(zhì)的影響高熔點雜質(zhì)的加入對細化晶粒的作用也非常明顯,由于液態(tài)金屬結(jié)晶時可以附著在未全部熔解的高熔點雜質(zhì)的顆粒表面,所以加入高熔點雜質(zhì)能提高形核率。2023/12/951四、固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變多數(shù)金屬結(jié)晶后晶格類型保持不變,但有些金屬如鐵、錳、鈷、鈦、錫等在固態(tài)下晶格類型會隨溫度的變化而發(fā)生改變,由一種晶格向另一種晶格轉(zhuǎn)變,金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格變化的過程稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。2023/12/952純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變在實際生產(chǎn)中有重要意義,正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變,生產(chǎn)中才有可能用熱處理的方法來改變鋼的組織和性能。2023/12/953第三節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、單晶體的塑性變形晶體塑性變形的主要形式是滑移和孿生。(一)滑移如果對單晶體鋅做拉伸試驗,但單晶鋅被拉長后,發(fā)現(xiàn)鋅的表面出現(xiàn)傾斜的近乎平行的細線,稱為滑移線。在鋅晶體的內(nèi)部,發(fā)生了一部分晶體相對于另一部分晶體的相對滑動,即滑移。對滑移后的晶體進行x射線分析表明,晶體發(fā)生相對浴動后仍然是完整的晶體,且晶格位向不變,滑動的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍。這種由整個晶體沿著一個滑移的平面發(fā)生的整體滑動,稱為“剛性滑移”。發(fā)生滑移的晶面,叫做滑移面。2023/12/954
1.滑移的受力分析作用在滑移面上的拉力P可以分解為垂直滑移面的正應(yīng)力分量σ,和平行沿移面的切應(yīng)力分量τ。由圖中分析可知,作用在滑移面上的正應(yīng)力,只能引起晶格的彈性伸長,即彈性交形,應(yīng)力取消時,彈性使變形恢復(fù)原狀。只有在σ很大很大(超過原子間的結(jié)合力)時,才能將晶體拉斷。晶體在切應(yīng)力作用下,發(fā)生剪切彈性變形。這時,如果取消外力,晶體則恢復(fù)原狀。但當切應(yīng)力分量大到一定值時,品格發(fā)生剛性滑移。能使晶體滑移的最小分切應(yīng)力,稱為“臨界切應(yīng)力”。從金屬晶體受力分析可知,作用在滑移面上的正應(yīng)力分量遠遠沒有達到晶體結(jié)合力時,切應(yīng)力分量已經(jīng)達到臨界切應(yīng)力值。因此,金屬受力后總是先發(fā)生塑性交形,在大量塑性變形后才發(fā)生斷裂現(xiàn)象。2023/12/955晶體在產(chǎn)生滑移變形時,不是沿著任何晶面都能滑移的,只有在原子最密排的晶面上才能發(fā)生滑移。晶體中原子排列最密的品面,稱為密排面。這些密排面往往就是滑移變形的滑移面,如圖1-34所示。2023/12/956當晶體沿著密徘面滑移時,滑移的方向一定是沿著面內(nèi)最密排的方向。這是因為密排方向上原子之間的距離小,滑動一個原子間距所需的能量小的緣故。一個密排面及面上一個密排的晶向,組成一個可能滑移的通道,稱為滑移系。晶體中滑移系越多,其塑性越好。面心立方晶格與體心立方晶格金屬的滑移系比密排六方晶格金屬的滑移系多,因此密排六方晶格的金屬鎂、鋅等塑性較差。面心立方晶格與體心立方晶格的滑移系雖然形同,但滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I更大些,因此具有面心立方晶格的銅、鋁、鎳等比具有體心立方晶格的鉻、鉬、鎢、釩等塑性好。2.滑移的機理
金屬晶體如果按照上述剛性滑移的機理發(fā)生滑移變形,即部分晶體發(fā)生整體滑動時,所需的切應(yīng)力比實際晶體滑移時所需的臨界切應(yīng)力大二至三個數(shù)量組。如鐵在剛性滑移時所需切應(yīng)力為2300MPa,而實際測得的臨界切應(yīng)力為29MPa;銅在剛性滑移時所需切應(yīng)力為1540MPa,而實際測得的臨界切應(yīng)力為1MPa。這說明實際晶體滑移時,并不是剛性滑移。實驗證明,滑移變形的真正機理是由位錯的移動來完成的。2023/12/957其微觀過程,是由位錯的移動來完成的。金屬中存在著大量位錯,位錯沿著滑移面運動,在宏觀上引起金屬的塑性變形。2023/12/958金屬的健合力是很高的,即其本質(zhì)強度很高,但在外力作用下,金屬中所存在的大量位所在切應(yīng)力很小時即可運動,導(dǎo)致滑移變形。金屬經(jīng)一定量的塑性變形后,內(nèi)部缺陷增加,以致斷裂。因此,金屬中位錯的數(shù)量、分布對金屬的性能影響很大。假如金屬中沒有位錯,金屬的塑性變形只有依剛性滑移來進行,金屬的強度就很高。隨著位錯數(shù)量的增加,金屬的強度下降,但當位錯數(shù)量增至很大時,位錯線之間發(fā)生的交互作用,反而阻礙位錯的移動,金屬強度又有上升的趨勢。金屬強度與位錯密度的關(guān)系如圖l—37所示。2023/12/959(二)孿生孿生是晶體的另一種塑性變形方式。在切應(yīng)力作用下,晶體的一部分沿一定的晶面(孿晶面)和晶向(攣晶方向)相對于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。與滑移變形相比,孿生變形很少發(fā)生。因為孿生所需要的剪切應(yīng)力很大,孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發(fā)生,或在滑核系很少的密排六方晶格金屬中發(fā)生,或受到?jīng)_擊變形的金屬中發(fā)生。二、多晶體的塑性變形
多晶體塑性變形時,每個晶粒的塑性變形與單晶體塑性變形基本相同,但由于晶界的作用及相鄰晶粒之間位向不同,多晶體的塑性變形與單晶體相比又有所不同。實際使用的金屬材料幾乎都是多晶體。2023/12/960(一)晶界的影響晶界是相鄰兩個晶粒的邊界,晶界上的原子排列是無規(guī)則的,金屬中的雜質(zhì)原于往往存在其間,這對于位錯的運動形成很大阻力。用只有兩個晶粒的試樣進行拉伸試驗,變形后試樣出現(xiàn)了所謂“竹節(jié)現(xiàn)象”,如圖1—39所示。這說明晶界附近晶體的塑變抗力很大。由此可以推斷,多晶體金屬的晶粒越細小(單位體積內(nèi)晶粒數(shù)越多)時,該晶體的塑變抗力越大,即強度越高。2023/12/961(二)位向差的作用外力的切應(yīng)力分量在外力呈45°角度時最大。因此,晶體中與外力方向接近45°的滑移系最容易發(fā)生滑移,而接近0°與90°時,切應(yīng)力分量最小,晶體不易發(fā)生滑移。由于多晶體金屬中相鄰晶粒位向不同,當一個晶粒的位向接近45°發(fā)生滑移時,必然受到相鄰晶粒的牽制作用,相鄰晶粒間的位向差越大時,牽制作用越大,從而增加了塑變抗力,使強度提高。金屬的晶粒越細時,其強度越高。細晶粒的金屬不僅強度高,塑性也好,這是應(yīng)為多晶體在應(yīng)力作用下,塑性變形分散在更多的晶粒之中,晶粒越細時,多晶體各處的塑性變形越均勻。相反,多晶體的晶粒很措大時,某些大晶粒的位向不利于滑移變形,則在較大的體積內(nèi)牽制塑性變形,使塑性交形不均勻。在實際生產(chǎn)中,希望金屬零件的晶粒越細越好。在電力設(shè)備中,有些重要零件的晶粒度,被限定在一定級別之內(nèi),尤其是承受沖擊的構(gòu)件,如碎煤機的錘頭和錘扦,細晶粒金屬的強度高、塑性好,則沖擊韌性也高,能夠承受反復(fù)的沖擊而不易產(chǎn)生疲勞損壞。2023/12/962三、冷塑性變形對金屬組織和性能影響金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形,其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化,主要的變化是加工硬化,同時在金屬內(nèi)部產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力。在電力工業(yè)中,碎煤機錘頭、磨煤機襯板、斗輪機斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進一步提高強度的。(一)加工硬化金屬在受外力作用屈服后,如繼續(xù)變形則需要增加應(yīng)力,即隨著塑性變形的增加金屬不斷強化、硬化,直至達到強度極限。低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象見圖1—41所示,出現(xiàn)了加工硬化后強度可提高80%以上。建筑用鋼筋須先經(jīng)過冷拔強化。但加工硬化會使金屬的電阻增加,耐腐蝕性下降,特別是金屬的塑性.韌性下降,甚至趨于零。金屬的顯微組織:會發(fā)現(xiàn)金屬的晶粒逐漸被拉長,甚至?xí)兂杉殫l狀、纖維狀,這說明晶粒發(fā)生碎化,亞晶的數(shù)量增加。晶界和亞晶界數(shù)量的增加,使位錯運動受阻,形變抗力加大,導(dǎo)致強度和硬度增加,性能:隨著塑性變形量的增加,位錯密度增加,使運動中的位錯發(fā)生復(fù)雜的交互作用,位錯線相互纏結(jié)、堆積,阻礙了位錯的運動,也會使強度、硬度提高,塑性、韌性下降。2023/12/963(二)形變內(nèi)應(yīng)力金屬經(jīng)塑性變形后,由于多晶體的變形不均勻,有的晶粒須以彈性變形協(xié)調(diào)整體的變形,又由于塑性變形產(chǎn)生了大量的缺陷,因此,外力所做的功有一小部分以彈性能的形式殘存于晶體中,稱為形變內(nèi)應(yīng)力。形變內(nèi)應(yīng)力按照其存在的范圍不同,可分為三種:第一類內(nèi)應(yīng)力,亦稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。第二類內(nèi)應(yīng)力,亦稱為顯微應(yīng)力。
第三類內(nèi)應(yīng)力,亦稱為晶格畸變應(yīng)力。2023/12/964四、回復(fù)與再結(jié)晶
形變后的金屬加熱時,將發(fā)生一系列的組織和性能的變化,變化的主要形式是回復(fù)與再結(jié)晶。(一)回復(fù)
經(jīng)過塑性變形的金屬在加熱溫度較低時,金屬組織基本不變,硬化現(xiàn)象仍然保留,但內(nèi)應(yīng)力大大消除,這種現(xiàn)象稱為回復(fù)。2023/12/965(二)再結(jié)晶塑性變形后的金屬在較低溫度下加熱時,雖經(jīng)回復(fù)使內(nèi)應(yīng)力大部分消除,但顯微組織和結(jié)構(gòu)沒有明顯的改變,形變儲存能未能完全釋放,金屬組織仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如繼續(xù)提高加熱溫度,使金屬原子的擴散能力增加,這種高能不穩(wěn)定狀態(tài)將消除,晶粒拉長和碎化趨于消失,金屬的組織、性能完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。這種變化實質(zhì)上是一個重新形核、長大的過程,稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后的金屬組織與形變前的退火組織相同,加工硬化現(xiàn)象完全消失,位錯密度也降至變形前的狀態(tài),如圖l—43所示。2023/12/966(三)再結(jié)品溫度與晶粒長大再結(jié)晶過程不是相變。再結(jié)晶溫度主要取決于金屬的預(yù)變形程度。沒有產(chǎn)生塑性變形的金屬加熱時不會出現(xiàn)再結(jié)晶的現(xiàn)象。金屬的預(yù)變形度越大,其形變儲存能越多,加熱時再結(jié)晶的傾向越大,所需的再結(jié)晶溫度越低。當形變量大到一定程度后,再結(jié)晶溫度趨于某一固定值,這一溫度值稱作Ta,即最低再結(jié)晶溫度。金屬的最低再結(jié)晶溫度與金屬的熔點有關(guān),高熔點的金屬Ta較高,反之則低。與金屬熔點Tr的關(guān)系約為:
Ta≈0.35~0.4Tr2023/12/967加熱溫度過高,保溫時間過長,都能使已形成的細晶粒組織繼續(xù)長大,而成為粗大晶粒的組織,使金屬的性能變壞,這是應(yīng)該力求避免的?;貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程中,隨加熱溫度的增加,組織和性能變化如圖1-45所示。再結(jié)晶退火在工業(yè)生產(chǎn)中適于冷拔、冷拉的金屬材料。往往在冷拔或冷拉后,安排一道或數(shù)道再結(jié)晶退火工藝,使變形后的金屬恢復(fù)到變形前,再繼續(xù)變形,如冷拔無縫鋼管,冷拉鋼絲、銅絲等。2023/12/968五、熱加工與冷加工的區(qū)別許多重要工件在機加工前,往往安排一道鍛造工序,如汽輪機的主袖、葉輪葉片,發(fā)電機.風(fēng)機、水泵的主軸、齒輪等。用金屬學(xué)的觀點來看,凡在金屬的再結(jié)晶溫度以下的加工變形稱作冷加工,而在再結(jié)晶溫度以上的加工變形稱為熱加工。金屬熱加工的塑性變形量大,不會出現(xiàn)加工硬化,可以很快加工成型。在熱加工中,金屬的某些缺陷(如氣孔、裂紋等)可以在高溫下焊合,因而熱加工后金屬的組織細密質(zhì)量好。2023/12/969
二、二元合金相圖合金的性能是由合金的成分、組織決定的,研究合金成分、組織、性能之間關(guān)系最重要的工具是合金相圖。相圖的概念合金相圖又稱平衡圖或平衡狀態(tài)圖。它以合金成分為橫坐標,以溫度為縱坐標,表示同一合金系在平衡狀態(tài)下不同成分的合金在不同溫度下由哪些相組成,以及相間平衡關(guān)系的圖形。平衡是指熱力學(xué)平衡,即一定成分的合金在一定溫度下各相的量不再發(fā)生變化,處于動態(tài)平衡狀態(tài)。處在動態(tài)平衡狀態(tài)下的相稱為平衡相。2023/12/9701.相圖的表示純金屬的相圖可以用表示溫度的縱坐標及其上幾個臨界點表示。圖1—51為工業(yè)純鐵的冷卻曲線及相圖。圖中左邊是工業(yè)純鐵的冷卻曲線,二元合金的組織組成的相不僅與溫度有關(guān),且與合金的成分有關(guān)。如用一核坐標表示合金的成分,用縱坐標表示溫度,即可將不同成分的合金在不同溫度下的平衡相及相間的平衡關(guān)系表示出來。圖1—52為銅—鎳合金相圖,Cu—Ni橫坐標表示從0%Ni至100%Ni的合金系的所有成分。這樣二維坐標平面上任一點(稱作表象點),即表示一個成分的合金在某一溫度時的狀態(tài)(相)。2023/12/9712023/12/9722.相圖的測定二元合金相圖可以用多種方法則定,其中最簡單、最常用的方法是采用熱分析法。以Cu—Ni合金為例,用熱分析法測定相圖的步驟:(1)配制不同成分的Cu—Ni合金,測出結(jié)晶開始溫度(上轉(zhuǎn)變點)及結(jié)晶終了溫度(下轉(zhuǎn)變點):繪制合金的冷卻曲線,如圖1-53(a)所示。(2)將各冷卻曲線的臨界點平移至相圖上,如圖1-53(b)所示,并將同類的點描成線,稱為相界線,即的到一個完整的Cu-Ni合金相圖。2023/12/9732023/12/974(二)杠桿定律由二元合金相圖不僅可以確定任何成分的合金在任何溫度下有那些相,還可以借助杠桿定律確定兩相區(qū)內(nèi)兩個平衡相的相對重量如圖1-54所示。因此,杠桿定律是分析合金相圖的重要工具。2023/12/9751.確定二平衡相的成分在圖1-54給出的銅鎳合金相圖中,液相以上是液相區(qū)L,固相線以下是固相區(qū)α,兩相線之間是二相平衡共存的區(qū)域L+α。若有任何一個成分的合金CX,在溫度t℃時處在兩相區(qū)L+α,這時的表相點為b。若通過該點作一水平與液相線及固相線交于a、c兩點,則a、c點的成分是兩平衡相L,α的成分,其原因可做如下分析。2023/12/9762.確定兩平衡相的相對重量圖1-54所示的Cu-Ni合金相圖中,仍以Cx成分的合金為例,設(shè)Cx成分的合金重量為1,t℃液相L的重量為QL,固相的重量為Qα,則QL=1-Qα因為合金中含Ni量為Cx,t℃時,固相中含Ni量為C2,液相中含Ni量為C1,則Qα·C2+QL·C1=1·CxQα·C2+(1-Qα)·C1=Cx整理得
所以:
或2023/12/977(三)相圖的基本類型勻晶相圖前面討論的Cu-Ni相圖,稱為勻晶相圖。形成勻晶相圖的二組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶,在固態(tài)時能夠形成無限固溶體。勻晶相圖是最簡單的二元合金相圖,只有兩個單相區(qū)L及α,一個兩相區(qū)L+α。2023/12/978共晶過程二元合金的兩個組元在液態(tài)完全互溶,在固態(tài)有限互溶,形成共晶的二元合金,其相圖稱為共晶相圖,如Al-Si、Ag-Cu、Pb-Sn、Al-CuAl2等。結(jié)晶過程還可用反應(yīng)式表示:
L→L+α→α2023/12/979(2)合金結(jié)晶過程分析圖1-58表示Pb-Sn合金相圖。1)共晶合金:合金1為c點合金的成分,稱為共晶合金。從相圖上看,在c點液相線與固相線交于一點,說明結(jié)晶過程是在恒溫下進行的。結(jié)晶的產(chǎn)物是α、β固溶體同時生成物,稱作共晶體。圖1-59是共合金I的冷卻曲線和結(jié)晶過程示意圖。從圖中可以看出,共晶反應(yīng)是個恒溫過程,在冷卻曲線上是個水平臺階。2023/12/980因為c點是ac與bc的交點,即兩個勻晶相圖的交點,這時生成的α相的成分為d,β相成分為e。寫出共晶反應(yīng)式為:
Lc=αd+βe共晶生成物的組織稱作共晶組織。共晶組織的形態(tài)是多種多樣的,有層片狀、短桿狀、球狀、點狀等。但它們都有一個特點,即兩相組織都比較小,相間而生,在較低的顯微鏡下觀察,甚至分辨不清,是一種兩相的機械混合物組織。共晶合金的溫度降至α+β相區(qū)后,再隨溫度降低αd與βc兩相的成分要沿著各自的固溶曲線變化,到室溫時為αf及βg。2023/12/9812)亞共晶合金:成分在dc之間的合金稱作亞共晶合金,如圖1-58中合金II。合金自液態(tài)冷卻至ac線時,開始析出α固溶體;隨著溫度降低,α相逐漸增多,L相逐漸減少。由杠桿定律可知,固相α的成分沿著固相線ad變化,液相L的成分沿著液相線ac變化,直到2點以前,合金的結(jié)晶過程完全遵守勻晶相圖的結(jié)晶規(guī)律。當溫度降至2點時,利用杠桿定律可知,已析出的α與剩下的液相的重量比為2c/d2,已析出的α相成分為d,剩下的液相成分為c,具備了共晶反應(yīng)的條件。剩下的成分為c的液相在共晶溫度下將會發(fā)生共晶反應(yīng),生成共晶體。于是,當溫度冷至共晶溫度以下時,生成的組織為初生的α相及共晶體,如圖1-60所示。亞共晶合金自液態(tài)的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示:
LII→α+L→αd+Lc=αd+(αd+βc)共晶成分為IV的合金結(jié)晶過程與亞共晶合金相同,只是將α固溶體換成β固溶體即可稱作過共晶合金。生成物的組織為:βc+(αd+βc)共晶。2023/12/9822023/12/983第一節(jié)鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)純鐵從液態(tài)結(jié)晶后得到體心立方晶格的δ-Fe,隨后又有兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,即面心立方格的γ-Fe和體心立方格的α-Fe。碳溶入α-Fe和γ-Fe鐵中所形成的固溶體為鐵素體和奧氏體。當含量超過鐵素體和奧氏體的溶解度時,則會出現(xiàn)金屬化合物相Fe3C,稱做滲碳體。碳原子溶入α-fe中所形成的固溶體稱做高溫鐵素體。它在1400℃以上的高溫出現(xiàn),對工程上應(yīng)用的鐵碳合金的組織和性能沒有什么影響,故不作為鐵碳合金的基本相。固態(tài)鐵碳合金的基本組成相是鐵素體,奧氏體和滲碳體。2023/12/984一、鐵素體碳原子溶入α-Fe中形成的間隙固溶體,稱做鐵素體。由于體心立方格的α-Fe的晶體格間隙半徑只有0.036nm,而碳原子半徑為0.077nm,所以鐵素體對碳的溶解度很小。在727℃時最大固溶度為0.02%,而在室溫時固溶度幾乎降為零。鐵素體的力學(xué)性能與純鐵相近,其數(shù)值如下:
抗拉強度Rm250Mpa,屈服強度RE140Mpa斷后延伸率A11.340%-50%沖擊韌性αK200J/cm2布氏硬度HBS80由此可見,鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性,但強度,硬度較低,在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素體是912℃以下的平衡相,也稱做常溫相,在鐵碳相圖中用符號F表示。2023/12/985二、奧氏體碳原子溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體,稱做奧氏體。具有面心立方格的γ-Fe的間隙半徑為0.052nm,比α-Fe的間隙稍大,在1148℃時碳原子在其中的最大固溶度為2.11%。隨著溫度的降低,碳在γ-Fe中的固溶度下降,在727℃時是0.77%。奧氏體是727℃以上的平衡相,也稱高溫相。在高溫下,面心立方格晶體的奧氏體具有極好是塑性,所以碳鋼具有良好的軋、鍛等熱加工工藝性能。在鐵碳相圖中,奧氏體通常用符號A表示。2023/12/986三、滲碳體滲碳體是鐵與碳原子結(jié)合形成的具有金屬性質(zhì)的復(fù)雜間隙化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬于復(fù)雜八面體結(jié)構(gòu),分子式為Fe3C,含碳量6.69%。滲碳體的硬度很高,HV800,但極脆,塑性和韌性幾乎是零,強度Rm=30Mpa左右。在鐵碳合金中,它是硬脆相,是碳鋼的主要強化相。滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對鋼的性能有很大影響。它在鐵碳合金中可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在。在高溫時,鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時間會發(fā)生下面的分解反應(yīng),析出石墨態(tài)的碳。Fe3C→3Fe+C(石墨)2023/12/987一、相圖圖形介紹在鐵碳合金系中,含碳量高于6.69%的鐵碳合金性能極脆,沒有使用價值。因此只研究Fe—Fe3C,即含碳量小于6.69%這一部分,通常稱為Fe—Fe3C相圖,也稱鐵碳合金相圖。在Fe—Fe3C相圖中,較穩(wěn)定的化合物Fe3C與Fe是組成二元合金的兩個組元。相圖有三個部分組成,左上角為包晶相圖。包晶相圖與共晶相圖都是具有三相平衡反應(yīng)的基本相圖,但它是在1400℃以上發(fā)生的反應(yīng),在研究和應(yīng)用中對鐵碳合金的組織和性能都沒有什么影響,故不予研究。Fe—Fe3C相圖可簡化為圖2-2的形式。第二節(jié)鐵碳合金相圖2023/12/988L4.3A2.11+Fe3C恒溫1148℃恒溫727℃相圖的右上部為共晶相圖,在1148℃時,含碳量4.3%的合金發(fā)生共晶反應(yīng):A0.77F0.02+Fe3C反應(yīng)生成鐵素體與滲碳體組成的機械混合物共析體,稱作珠光體,以符號P表示。以上反應(yīng)生成奧氏體與滲碳體組成的機械混合物共晶體,稱為萊氏體,以符號Ld表示。相圖的下部為共析相圖。共析相圖與共晶相圖相似,所不同的是共晶相圖是從液相中同時析出兩個固相,產(chǎn)物稱作共晶體;而共析相圖則是從一個固相中同時析出兩個新的固相,產(chǎn)物稱作共析體。在鐵碳合金中,含碳0.77%的奧氏體在727℃時發(fā)生共析反應(yīng):2023/12/989珠光體也是鐵碳合金中室溫時的一個平衡組織,其力學(xué)性能數(shù)據(jù)如下:布氏硬度HBS180斷后延伸率A11.320%~25%沖擊韌性aK30~40J/cm2強度極限Rm750Mpa二、相圖中點、線和相區(qū)的意義鐵碳合金相圖中主要點的溫度、含碳量及涵意見表2-1所示。特性點溫度(℃)含碳量(%)特性點含義A15380純鐵的熔點C11484.3共晶點D~12276.69滲碳體的熔點B11482.11碳在奧氏體中的最大溶解度G9120α-Feγ-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點S7270.77共析點2023/12/9902023/12/991鐵碳合金下圖中各主要線的意義是:AECF為固相線。若溫度低于AECF線時,鐵碳合金凝固為固體。ECF為共晶線。若含碳量在ECF線投影范圍(2.11%~6.69%)內(nèi),鐵碳合金在1148℃時必然發(fā)生共晶反映,形成萊氏體。ES為碳在奧氏體中溶解度變化線,簡稱Acm。從這根線可以看出,碳在秋耕氏體中的最大溶解度是在1148℃時,可溶解碳2.11%,布在727℃時,由于碳在奧氏體中的溶解度會降低,會從奧氏體中析出滲碳體。從固溶體奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII),以區(qū)別從液體中直接結(jié)晶的一次滲碳體(Fe3CI)。GS為奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體起始溫度線,簡稱A3線.GP為奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終止溫度線.PSK為共析線,簡稱A1線.合金含碳量在PSK線投影范圍(0.02%~6.69%)內(nèi)時,奧氏體在727℃時必然發(fā)生共析反應(yīng),形成珠光體。2023/12/992PQ為碳在鐵素體中溶解度變化線。從該線可看出,碳在鐵素體中最大溶解度是在727℃時,可溶解碳0.0218%,在室溫僅能溶解碳0.008%。故一般鐵碳合金凡是從727℃緩冷至室溫時,均會從鐵素體中析出滲碳體,稱此滲碳體為三次滲碳體(Fe3CIII)。因三次滲碳體數(shù)量極少,對力學(xué)性能影響不大,常予忽略。所謂一次`二次,三次滲碳體,僅在其來源,大小和分布上有所不同;但是其含量,晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同。當然,其本身細碎些,對脆性的影響就小一些。簡化的鐵碳合金下圖共有一個液相和三個固相,在相圖中分別占有四個單相區(qū),即L,A,F(xiàn)及Fe3C;滲碳體也可作為鐵碳相圖的一個組元,它的成分是固定不變的,因此在相圖上它的相區(qū)僅是一條豎直線。相圖中有五個相區(qū),即L+A、L+Fe3C、A+F及F+Fe3C。相圖中的兩條水平線是三相平衡線上有三個點,分別與三個單相區(qū)以點相連接,當發(fā)生三相平衡反應(yīng)時,三個平衡相的成分即這三個點的成分,說明了溫度和三個平衡相的成分是固定的.從相圖可以看出,含碳量大于0.008%時任何成分的鐵碳合金在室溫時都處在F+Fe3C相區(qū)內(nèi),即合金的相結(jié)構(gòu)都要由這兩相組成。但這兩個相的相對量不同,相的形態(tài)和分布不同,即組織不同,合金的性能會在很大范圍之內(nèi)變化。2023/12/993三、典型合金結(jié)晶過程及室溫組織工程上使用的鐵碳合金分為鋼和鑄鐵兩大類,它們的區(qū)別在于所含碳量不同。含量碳量小于2.11%的,稱為鑄鐵。在分析鐵碳合金的平衡組織時,按照組織的不同,習(xí)慣將鋼和鑄鐵分為共析鋼,亞共析鋼,過共析鋼。共晶白口鑄鐵,亞共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵等六種典型合金,如圖2—3所示。2023/12/994(一)共析鋼圖2—3中合金①稱為共析鋼,其含碳量為0.77%。當溫度在1點以上時,合金為液相;溫度降至1點時,開始從液相中析出奧氏體;溫度降至1~2點之間時,從液相中繼續(xù)析出奧氏體。它的特點是液相不斷減少,固相奧氏體不斷增加。剩下的液相的成分沿AC變化,奧氏體的成分沿AE線變化。當溫度降至2點時,合金全部線結(jié)晶成奧氏體,溫度降至2~3點之間時,合金為單相奧氏體,奧氏體組織不變。溫度降至3點,即共析點S時,含碳量0.77%的奧氏體在727℃溫度下發(fā)生共析反應(yīng)。從奧氏體中同時析出含碳量為0.02%的鐵素體F和滲碳體Fe3C的共析組織,即珠光體P。2023/12/995珠光體是在727℃恒溫下生成的,溫度降到室溫時組織基本不發(fā)生變化。只是鐵素體的含量碳量從0.025降至幾乎為零,碳則以微量三次滲碳體的形式沉淀出來,計算時可以忽略不計。恒溫727℃共析鋼的結(jié)晶過程如圖2—4所示。珠光體的顯微組織如圖2-5所示,鐵素體與滲碳體呈層片狀相間而生,有類似貝殼的光澤,故名珠光體。共析鋼的結(jié)晶過程用反應(yīng)式表示為:L→L+AP2023/12/996(二)亞共析鋼含碳量低于0.77%的鋼均稱為亞共析鋼。以圖2—3中合金⑵為例,亞共析鋼的結(jié)晶過程,如圖2—6所示。合金從液相冷卻到1.2點以后,結(jié)晶出單相的奧氏體組織;溫度繼續(xù)降至2—2點之間時,奧氏體組織不變;當溫度降至3點時,開始從奧氏體中析出鐵素體,鐵素體首先在奧氏體的晶界上形核,隨著溫度降低而長大;溫度降至4點時,根據(jù)杠桿定律先結(jié)晶出的鐵素體相的量為4S/(PS),其成分沿著GP線變化至P點(含碳0.02%),稱作初生鐵素體;剩下的奧氏體相的量為P4/(PS),其成分沿著GS線變化至S點(含碳0.77%)。這時剩下奧氏體的成分和溫度已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件,在727℃時發(fā)生共析反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這樣,亞共析鋼奧氏體的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌跎F素體(圖2—7中白色晶粒),另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織(圖2—7黑色部分)。溫度將繼續(xù)降至室溫時,顯微組織基本不變(三次滲碳體忽略不計)為鐵素體+珠光體(F+P)。2023/12/997圖2-7亞共析鋼的顯微組織2023/12/998鐵素體與珠光體的相對量可用杠桿定律在GPS相區(qū)(P+F)的PS線上計算出,稱作組織相對量。合金(2)中,珠光體量為:Qp=P4/PS×100%鐵素體量為:QF=1-Qp
或QF=4S/PS×100%隨著亞共析鋼含碳量的增加,組織中的珠光體量增加,從0%增加到100%;當含碳量增加到0.77%時,珠光體為100%,即共析鋼組織。珠光體中的鐵素體,稱作共析鐵素體,滲碳體稱作共析滲碳體。室溫時,鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)只有鐵素體和滲碳體??梢岳酶軛U定律在F+Fe3C的兩相區(qū)中計算出亞共析鋼鐵素體與滲碳體的相對量,稱作相的相對量:QF=(6.69-②)/(6.69-0.02)+100%QFe3C=1-QF式中②——亞共析鋼的含碳量。計算出的QF為初生鐵素體與共析鐵素體之和。亞共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示:L→L+A→A→F+A→F+P2023/12/999含碳量在0.77~2.11%的鋼,均統(tǒng)稱為過共析鋼.以圖2-3中合金3為例,過共析鋼的結(jié)晶過程如圖2-8所示.合金從液相冷卻至1、2點以后,結(jié)晶出單相奧氏體組織;溫度繼續(xù)冷卻至2~3之間時,奧氏體組織不變;溫度降至3點時,碳在奧氏體中達到飽和,開始析出Fe3C,稱作二次滲碳體,寫作Fe3CII。Fe3CII沿著奧氏體晶界析出,呈網(wǎng)狀分布(圖2-9),隨著溫度降低,碳在奧氏體中溶解度下降,不斷析出。溫度降至4點(727℃)時,析出的二次滲碳體可用杠桿定律在A+Fe3C兩相區(qū)SK線上計算出來。(三)過共析鋼2023/12/9100式中③—過共析鋼的含碳量剩余的奧氏體量為1-QFe3CII,其成分已沿著SE線變化至S點,已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件,在727時發(fā)生共析反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體的組織相對量為:Qp=1-QFe3CII或Qp=利用杠桿定律可以在F+Fe3C兩相區(qū)中計算出鐵素體與滲碳體相的相對量:QFe3C=1-QFQFe3CII=Lg→L+A→Ag→Fe3CII
+Aτ→Fe3CII+AsFe3CII+P
恒溫727℃這樣計算出的QFe3C為二次滲碳體與共析滲碳體之和。過共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示為:2023/12/9101過共析鋼的顯微組織如圖2-9所示,圖中白色的沿著晶界分布的組織即為二次滲碳體;深色部分的組織為珠光體。過共析鋼的顯微組織如圖2-9所示2023/12/9102圖2-3中合金④稱為共晶白口鐵,含碳量為4.3%,其結(jié)晶過程如圖2-10所示。含碳量4.3%的合金自液相冷卻至1點,即降至共晶溫度(1148)℃時,發(fā)生共晶反應(yīng),從液相中同時析出含碳量為2.11%的奧氏體和含碳量為6.69%的滲碳體的共晶體,這種機械混合物稱為萊氏體用符號Ld表示。萊氏體組織為球狀或短桿狀的奧氏體均勻分布在滲碳體基體上。溫度從1點繼續(xù)下降時,共晶體中的奧氏體碳的溶解度下降,不斷析出二次滲碳體,奧氏體的成分是沿著ES線變化的。溫度降至727℃時,奧氏體中的含碳量已降至0.77%,此時,奧氏體具備了共析轉(zhuǎn)變的條件,轉(zhuǎn)變?yōu)槎螡B碳體加鐵素體的珠光體組織。這樣,共晶白口鐵的萊氏體組織形態(tài)不變,只是其中球狀和短桿狀的奧氏體轉(zhuǎn)變成了二次滲碳體和珠光體,而且二次滲碳體又與一次滲碳體融為一體,不大容易分辨。這種由一次滲碳體、二次滲碳鐵和珠光體組成的組織稱為變態(tài)萊氏體,也有稱為低溫萊氏體,用符號L′d表示,其顯微組織如圖2-11所示。共晶白口鐵的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示為:LA+Fe3CI→(A+Fe3CII)+Fe3CI
恒溫1148℃
Ld恒溫727℃(四)共晶白口鐵P+Fe3CII+Fe3CI2023/12/91032023/12/9104(五)亞共晶白口鐵
含碳量高于2.11%,低于4.3%的鐵均稱為亞共晶白口鐵。以圖2-3合金5為例,亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖2-12所示。在共晶反應(yīng)之前,即1~2之間,從液相中已先結(jié)晶出一部分初生奧氏體A,其形態(tài)如樹枝狀(圖2-12)。冷卻到2點時,剩下液相的溫度和成分已具備共晶反應(yīng)的條件,遂轉(zhuǎn)化為萊氏體Ld。A與Ld的相對量可利用杠桿定律從L+A相區(qū)EC線上計算出。初生A+Ld的組織形態(tài)冷卻至室溫時變化不大,只是溫度在1148℃以下時,A初及共晶奧氏體中都要析出Fe3CII;冷卻至727℃時(即3點時),又具備了共析反應(yīng)的條件,轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫的顯微組織為二次滲碳體、樹枝珠光體及變態(tài)萊氏體,如圖2-13所示。合金的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表式為:L→A+L
A+Ld→A+Ld+Fe3CII)恒溫727℃恒溫1148℃P+L′d+Fe3CII2023/12/91052023/12/9106(六)過共晶白口鐵
含碳量為4.3%~6.69%的鐵,均統(tǒng)稱為過共晶白口鐵。以圖2-3中合金6為例,過共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖2-14所示。從1點開始自液相中結(jié)晶出呈板條狀的一次滲碳體Fe3CI,剩下的液相在2點1148℃轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏Ld。所生成的Fe3CI+Ld的組織冷卻至室溫時,形態(tài)變化不大。但是在隨后的降溫過程中,從奧氏體中要析出二次滲碳體Fe3CII,冷卻至727℃(即3點)時又轉(zhuǎn)變成珠光體.過共晶白口鐵室溫時的顯微組織為板條狀的一次滲碳體及變態(tài)萊氏體,如圖2-15所示。
L→L+Fe3CLd+Fe3CIL’d+Fe3CI恒溫727℃恒溫1148℃2023/12/91072023/12/9108四、含碳量對鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響含碳量小于0.02%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵,它的力學(xué)性能與鐵素體基本相同,有良好的塑性和韌性,較低的強度與硬度.
在鐵碳合金中含碳量變化對組織和性能影響很大.從Fe-Fe3C相圖中可看出,當含碳量不同時,組織將變化。圖2-16為含碳量對碳鋼組織影響的示意圖。當含碳量為0.77%時,為鐵素體+珠光體;而在過共析鋼中,組織則為珠光體+滲碳體。從示意圖中可以很清楚的得出含碳量變化后這些組織的變化情況。2023/12/9109
含碳量變化后對力學(xué)性能的影響可見圖2-17所示。從圖中可看出,當含碳量增加后,碳鋼的強度和硬度升高,而塑性和韌性則下降。這是由于含碳量增加后,碳鋼中的滲碳體在不斷的增加。但是,含碳量超過了0.9%后,由于游離狀態(tài)的二次滲碳體自晶界析出,這些硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體包圍住珠光體的晶粒,降低了晶界之間的結(jié)合力,使鋼的脆性增加,反而使碳鋼強度逐漸下降。當碳鋼的含碳量大于1.4%后,在工程上已應(yīng)用很少。2023/12/9110五、鐵碳合金在工程上的應(yīng)用
鐵碳合金相圖在選擇和使用材料、金屬加工、熱處理以及選配合鋼、合金鑄鐵等方面有重要作用。鐵碳合金相圖能很好地反映鋼鐵材料的成分與組織之間的關(guān)系,可根據(jù)工程上的需要選材?;痣姀S的鍋爐支架、廠房結(jié)構(gòu)、冷卻塔、起重機構(gòu)架、輸電鐵塔、鍋爐水冷壁管、風(fēng)機、風(fēng)管、燃料輸送設(shè)備和管道、粗細粉分離器等需要韌性、塑性好的含碳小與0.25%的碳鋼;重要的地腳螺栓、軸、齒輪等需要強度、韌性都較好的含碳0.3%~0.5%的鋼;各類彈簧、板簧需要含碳0.5%~0.75%的鋼;而工具、模具、軸承類則需要含碳0.8%~1.3%的鋼。白口鑄鐵的硬度高,脆性大,難于加工,只能用作拔絲模、磨煤機磨球等。如果在白口鑄鐵中加入足夠的鉻、鎳等合金元素,制成合金白口鐵,則是很好的耐磨材料,在磨煤機、碎煤機、灰渣泵、管道內(nèi)襯、噴燃器中有很廣泛的應(yīng)用。鐵碳合金相圖是選擇熱加工工藝的重要依據(jù),在鑄鐵、軋鍛、焊接和熱處理方面應(yīng)用很廣。2023/12/9111鐵碳合金相圖(與鑄鐵工藝的關(guān)系如圖2-18所示),從圖中看出,鑄鐵的澆注溫度低。越是接近共晶點C的鐵碳合金結(jié)晶是,液相線溫度低,合金的流動性好;固液線距離近,偏析傾向小,所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。鐵碳合金相圖中有很廣闊的奧氏體區(qū),面心立方晶格的高溫奧氏體有優(yōu)良的塑性和較好的強度,塑性變形抗力很低,是熱鍛、熱軋極好的組織,軋、鍛溫度一般選在圖中影線部分。鍛造的原則是始鍛(軋)的溫度不宜過高,終鍛溫度不宜過低,以防止鍛(軋)造裂紋出現(xiàn)。不同成分的鐵鑄合金冷卻后組織不同,在焊接時要選擇不同的焊接工藝。如鍋爐中有大量不同材質(zhì)的管道,其中含碳兩越低的鋼焊接性越好,含碳量增加時,隨著焊件壁厚的增加,需要預(yù)熱和焊后回火處理。鐵碳合金相圖還是鋼的熱處理重要工具和依據(jù)。2023/12/91122023/12/9113第三節(jié)碳鋼目前使用的金屬材料中,碳鋼占有重要地位。工程上使用的碳鋼一般是指含碳量不超過1.4%,且含有錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)的鐵碳合金。一、常存雜質(zhì)對碳鋼性能的影響碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素,統(tǒng)稱五大元素,在煉鋼是要對含量進行分析和控制。碳在鋼中的影響已如前述。錳、硅、硫、磷則稱為常存雜質(zhì),它們的含量對碳鋼的性能也有較大的影響。(1)錳的影響,錳作為煉鋼時的脫氧劑而殘存在鋼中。它以置換固溶體的形式溶入鐵素體,可以提高鋼的強度。特別是它能與鋼中的硫,化合形成高熔點的MnS化合物,可消除硫的脆熱性,因此,錳是有益元素。在碳鋼中錳的含量一般不超過1.2%以下。(2)硅的影響,硅與錳相似,也是煉鋼脫氧是殘存在鋼中的。硅溶入鐵素體可以起固溶強化的作用,但含量增多是鋼變脆,一般控制在0.4%以下。2023/12/9114(3)硫的影響硫是從礦石和燃料中帶來的,雖經(jīng)煉鋼,煉鐵,還未能完全消除而殘存鋼中。硫不溶于鐵,但容易以FES的形式與FE形成低熔點共晶體并存在與晶界上這種共晶體在958℃時熔化,使得在1100~1200℃是軋、鍛的鋼材發(fā)生晶間開裂并報廢,稱為熱脆性,因此硫是有害元素,在鋼中的含量要控制在0.055%以下。當鋼中有錳存在是,錳與硫產(chǎn)生高熔點的MnS(熔點1620℃),可以消除硫的熱脆性。(4)磷的影響磷也是礦石經(jīng)冶煉殘存在鋼中的有害雜質(zhì),它可以溶入鐵素體中使鋼的韌性下降,并使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,這種現(xiàn)象稱作冷脆性。磷在鋼中的含量被限制在0.045%以內(nèi)。除了以上四種常存雜質(zhì)外,還有氫、氧、氮等殘存與鋼中,這些氣體易與形成白點、氣孔和非金屬夾雜物。特別是氧化夾雜,如SiO2、MnO等。這些缺陷的存在,均要使鋼材質(zhì)量下降。對于重要的電力設(shè)備零件,如汽輪機輪轂、葉片等,要求非金屬夾雜物限定在一定范圍內(nèi)。2023/12/9115二、碳鋼的分類、編號和用途(1)碳鋼的分類碳鋼的分類方法很多,通常按照鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類。按含碳量分為:a低碳鋼:含碳量≤0.25%;b中碳鋼:含碳量在0.25%~0.6%之間c高碳鋼:含碳量>0.6%。按鋼的質(zhì)量分為:①普通碳素鋼:鋼中含S≤0.055%,P≤0.045%;②優(yōu)質(zhì)碳素鋼:鋼中含S≤0.04%,P≤0.040%;③高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼:鋼中含S≤0.030%,P≤0.035%。2023/12/9116按鋼的用途分為:
①碳素結(jié)構(gòu)鋼:用于制造工程構(gòu)件(鐵塔、鍋爐支架、廠房鋼結(jié)構(gòu)、起重設(shè)備和工程機械結(jié)構(gòu)、水冷壁管、風(fēng)管、榆粉管道、及機械零件f抽、齒輪、螺栓、螺母等)。一般為低、中碳鋼。②碳素工具鋼:用于制造各種工具、刀具、刃具、模具
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