棒材工藝教程(第二章第一節(jié)金屬材料2).ppt

1、純金屬的結(jié)晶,五 金屬的結(jié)晶,工程上使用的金屬材料通常要經(jīng)過液態(tài)和固態(tài)的加工過程。例如制作機器零件的鋼材，要經(jīng)過冶煉、注錠、軋制、鍛造、機加工和熱處理等工藝過程。生產(chǎn)上將金屬的凝固叫做結(jié)晶。從本質(zhì)上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）到另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變叫金屬的結(jié)晶。金屬從液態(tài)過渡到固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶。,什么是金屬的結(jié)晶？,純金屬的結(jié)晶過程,五 金屬的結(jié)晶,形核,長大,當(dāng)溫度進一步降低，在液態(tài)金屬內(nèi)的原子團向晶核聚集，形成晶粒，其最終完全固化的過程。,液態(tài)金屬隨溫度的降低，內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核心。生成的核心叫做晶核。,形核的兩種方式,自發(fā)形核在液態(tài)

2、金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程有序的原子集團變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個過程叫自發(fā)形核。這種由液態(tài)金屬內(nèi)部為金屬原子自發(fā)形成的晶核叫自發(fā)晶核。,非自發(fā)形核實際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個過程叫非自發(fā)形核。這種依附于雜質(zhì)而形成的晶核叫做非自發(fā)晶核。,五 金屬的結(jié)晶,長大的兩種方式,平面長大當(dāng)冷卻速度較慢時，金屬晶體以其表面向前平行推移的方式長大。晶體長大時，不同晶面的垂直方向上的長大速度不同。沿密排面的垂直方向上的長大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的長大速度較快。平面長

3、大的結(jié)果，晶體獲得表面為密排面的規(guī)則形狀。,樹枝狀長大當(dāng)冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優(yōu)越，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長和變粗的同時，在其側(cè)面生出新的晶枝，即二次晶軸。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。結(jié)晶后得到具有樹枝狀的晶體。,五 金屬的結(jié)晶,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,五 金屬的結(jié)晶,許多金屬在固態(tài)下只有一種晶體 結(jié)構(gòu)，但有些金屬在固態(tài)下，存 在兩種或兩種以上的晶格形式。 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由 一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn) 象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。以不同 晶體結(jié)構(gòu)存在的同一種金屬的 晶體稱為該金屬的同素異晶體,四 金屬材料的性能,

4、液相 L, 相, 相,相,鐵碳合金中的相,Fe3C相,液相（L）是鐵與碳的液溶體。,相又稱高溫鐵素體, 是碳在 -Fe中的間隙固溶體, 呈體心立方晶格,相也稱鐵素體, 用符號 F或 表示, 是碳在 -Fe 中的間隙固溶體, 呈體心立方晶格。,相常稱奧氏體, 用符號 A或 表示, 是碳在 -Fe中的間隙固溶體, 呈面心立方晶格。,Fe3C相是一個化合物相, 稱滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài),鐵碳相圖,五 金屬的結(jié)晶,共析鋼的平衡結(jié)晶過程,碳質(zhì)量分數(shù)為0.77%的鋼為共析鋼, 其平衡結(jié)晶過程為： 合金冷卻時, 于1點起從L中結(jié)晶出A, 至2點全部結(jié)晶完了。在2-3點間A冷卻不

5、變。 至3點時, A發(fā)生共析反應(yīng)生成P。從3繼續(xù)冷卻至4點, P不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為P。P呈層片狀。,五 金屬的結(jié)晶,提示：共析鋼的室溫組織組成物全部是P, 而組成相為F和Fe3C。,亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程,五 金屬的結(jié)晶,提示：亞共析鋼室溫平衡組織為F+P。F呈白色塊狀; P呈層片狀, 放大倍數(shù)不高時呈黑色塊狀。碳質(zhì)量分數(shù)大于0.6%的亞共析鋼, 室溫平衡組織中的F常呈白色網(wǎng)狀, 包圍在P周圍。,過共析鋼的平衡結(jié)晶過程,五 金屬的結(jié)晶,提示：因此室溫平衡組織為Fe3CII+P。在顯微鏡下, Fe3CII呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍。 含1.2%C的過共析鋼的組成相為F和Fe

6、3C； 組織組成物為Fe3CII和P。,四 金屬材料的性能,正火,退火,淬火,回火,常規(guī)熱處理,鋼材或鋼件加熱到Ac3(對于亞共析鋼)和Accm(對于過共析鋼)以上3050, 保溫適當(dāng)時間后, 在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。正火后的組織：亞共析鋼為F+P, 共析鋼為P, 過共析鋼為P+Fe3CII。,鋼件淬火后, 為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1以下某一溫度, 保溫一定時間, 然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。,將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。,將鋼加熱到相

7、變溫度以上（亞共析鋼為Ac3以上3050；共析鋼和過共析鋼為Ac1以上3050），保溫一定時間后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火 。,低溫回火溫度150250，亞共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體(回火M)。過共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體碳化物殘余奧氏體。,中溫回火溫度為350500，得到鐵素體基體與大量彌散分布的細粒狀滲碳體的混合組織，叫做回火屈氏體(回火T),回火溫度為500650, 得到粒狀滲碳體和鐵素體基體的混和組織, 稱回火索氏體(回火S)。,各級的回火組織,五 金屬的結(jié)晶,高溫轉(zhuǎn)變 在A1550之間, 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織, 此溫區(qū)稱珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。,中溫

8、轉(zhuǎn)變 在550Ms之間, 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織, 此溫區(qū)稱貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。,過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變,五 金屬的結(jié)晶,合金元素加入鋼中后，主要以三種形式存在鋼中。即：與鐵形成固溶體；與碳形成碳化物；在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。,合金元素與鐵、碳的相互作用,五 金屬的結(jié)晶,溶于鐵中,幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中, 形成合金鐵素體或合金奧氏體, 按其對-Fe或-Fe的作用, 可將合金元素分為擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)兩大類。,形成碳化物,合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小, 可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。,提高鋼的強度是加入合金元素的主要目的之一。

9、欲提高強度, 就要設(shè)法增大位錯運動的阻力。金屬中的強化機制主要有固溶強化、位錯強化、細晶強化、第二相(沉淀和彌散)強化。,合金元素對鋼的機械性能的影響,五 金屬的結(jié)晶,退火狀態(tài),正火狀態(tài),淬火回火狀態(tài),結(jié)構(gòu)鋼在退火狀態(tài)下的基本相是鐵素體和碳化物。合金元素溶于鐵素體中, 形成合金鐵素體, 依靠固溶強化作用, 提高強度和硬度, 但同時降低塑性和韌性。,合金元素的加入降低了共析點的碳含量、使C曲線右移, 從而使組織中的珠光體的比例增大, 使珠光體層片距離減小, 這使鋼的強度增加, 塑性下降。,合金元素對淬火、回火狀態(tài)下鋼的強化作用最顯著, 因為它充分利用了全部的四種強化機制。淬火時形成馬氏體, 回火時析出碳化物, 造成強烈的第二相強化，同時使韌性大大改善, 故獲得馬氏體并對其回火是鋼的最經(jīng)濟和最有效的綜合強化方法。,塑性加工分熱加工和冷加工。合金元素溶入固溶體中, 或形成碳化物(如Cr、Mo、W等), 都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。,合金元素對鋼的塑性加工性能的影響,五 金屬的結(jié)晶,合金元素對鋼的焊接性能的影響,合金元素都提高鋼的淬透性, 促進脆性組織(馬氏體)的形成, 使焊接性能變壞。但鋼中含有少