工材第二章復習總結

1、2.1純金屬的結晶條件：過冷動力：自由能差阻力：表面能/界面能純金屬結晶為恒溫過程；總結：恒溫過程&變溫過程恒溫過程變溫過程純金屬結晶勻晶反應共晶反應包晶反應共析反應純金屬結晶過程：形核自發(fā)形核非自發(fā)形核 （大部分）長大平面長大樹枝狀長大 （大部分）自發(fā)形核：短程有序（迅速形成，迅速消失）；過冷度越大，臨界晶核尺寸越小；非自發(fā)形核：結構相似，尺寸相當；難溶雜質；平面長大：過冷度較??；表面能最小原則；晶體表面為密排面；少見；樹枝狀長大：過冷度較大；一次晶軸，二次晶軸；樹枝晶是單晶體；大部分；同素異構體轉變（二次結晶/重結晶）：金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象；需較大過冷

2、度；產生較大內應力；鑄錠最典型的鑄造結構細等軸晶區(qū)；粗等軸晶區(qū)；柱狀晶區(qū)：接觸面因雜質形成弱面，熱軋、鍛造易開裂；雜質多的金屬，不希望生成柱狀晶；性能具有明顯方向性；柱狀晶&等軸晶柱狀晶等軸晶較大溫度梯度溫度均勻冷卻速度大冷卻速度小鑄造溫度高鑄造溫度低澆注速度大機械振動（破壞柱狀晶）單向散熱（定向結晶法）電磁攪拌（破壞柱狀晶）鑄錠的缺陷：（1）縮孔（2）疏松（3）氣孔細化鑄態(tài)金屬晶粒：細晶強化（1） 增大過冷度（形核/長大 增大，晶粒細化）采用冷卻能力較強的模子超高速急冷技術（2） 變質處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質劑 形核：增加非自發(fā)形核的數(shù)量長大：阻礙晶核長大 （3） 機械震動：破碎樹

3、枝晶，細化晶粒；（4） 電磁攪拌：破碎樹枝晶，細化晶粒；單晶的制取尖端形核法垂直提拉法2.2合金的結晶相圖使用前提：平衡狀態(tài)（合金在極其緩慢冷卻條件下的結晶過程）四種反應定義：勻晶反應從液相中逐漸結晶出固溶體液相固相共晶反應一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應液相固相+固相包晶反應一種液相和一種固相在恒溫條件下轉變成另一種固相的反應液相+固相固相共析反應一種固相轉變成完全不同的兩種相互關聯(lián)的固相固相固相+固相1. 勻晶反應（0-100%：無限固溶體）：L（1） 類似純金屬結晶形核長大；傾向樹枝狀長大；（2） 變溫結晶過程；（3） 兩相區(qū)內，溫度一定時，兩相的成分（質量分數(shù)）是確定的；（4）

4、 兩相區(qū)內，溫度一定時，兩相的質量比是確定的（杠桿定律）；【杠桿定律只適用于兩相區(qū)&平衡狀態(tài)】（5） 枝晶偏析現(xiàn)象：一個晶粒內化學成分分布不均（解決：擴散退火）2. 共晶反應（有限固溶體）：Ld 恒溫 +3. 包晶反應（有限固溶體）：+Ld 恒溫 包晶偏析：擴散退火解決；4. 共析反應（0-100%：低溫有限固溶體，高溫無限固溶體）： 恒溫 +共析產物比共晶產物要細密得多；【區(qū)分】組織組成物&組成相&組織：組織組成物：、等單相、+共晶體、共析體等兩相混合物組成相：、等 組織： + 鑄造合金常選共晶或接近共晶的部分液相線固相線間隔大，形成偏析；先結晶枝晶阻礙流動，增多分散縮孔；鐵碳相圖：Fe：液

5、態(tài)1538C-Fe1394C-Fe912C-Fe鐵碳相圖中的：名稱別名&字符特性結構/形態(tài)組元Fe工業(yè)純鐵強度低、硬度低、塑性好Fe3C滲碳體硬而脆間隙化合物五種相液相L相高溫鐵素體C在-Fe中的間隙固溶體，體心立方晶格相奧氏體A/強度較低、硬度不高、易于塑性變形C在-Fe中的間隙固溶體，面心立方晶格相鐵素體F/強度低、硬度低、塑性好C在-Fe中的間隙固溶體，體心立方晶格Fe3C相滲碳體硬而脆兩產物萊氏體Le塊狀或粒狀A分布在Fe3C基體上珠光體P強度較高，塑性、韌性和硬度介于F和Fe3C之間層片狀鐵碳合金結晶過程總結：C含量w(c)0.0218%0.0218%-0.77%w(c)=0.77%

6、0.77%-2.11%2.11%-4.3%w(c)=4.3%4.3%-6.69%晶體類型工業(yè)純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵組織F(+Fe3C)F+PPP+Fe3CP+Fe3C+LeLeLe+Fe3C組織組成物FF、PPP、Fe3CP、Fe3C、LeLeLe、Fe3C組成相FF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3C形貌F呈白色塊狀；Fe3C量極少，呈小白片狀分布于F晶界處；F呈白色塊狀；P呈層片狀（放大倍數(shù)不高時呈黑色塊狀）P呈層片狀Fe3C呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍網(wǎng)狀Fe3C分布在粗大塊狀P的周圍，Le則由條狀或粒狀P和Fe3

7、C基體組成Le由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成Fe3C呈長條狀，Le則由條狀或粒狀P和Fe3C基體組成強度（對組織形態(tài)敏感）低P強度高；P增多強度升高強度幾乎最高Fe3C強度很低；強度降低低低低硬度（受形態(tài)影響?。┑?，線性增加線性增加線性增加線性增加線性增加線性增加線性增加，高塑性合金的塑性全由F提供，最高降低（奧氏體是塑性最好的相）降低降低無塑性（近乎0）無塑性Fe3C極脆，無塑性鐵碳相圖工程應用：特點不適合特點適合純鐵強度低不宜用作結構材料磁導率高，矯頑力低軟磁材料C質量分數(shù)較低塑性、韌性好建筑結構中碳鋼強度、塑性、韌性都較好各種機械零件高碳鋼硬度高、耐磨性好各種工具白口鑄鐵硬度高

8、、脆性大，不能切削加工，不能鍛造耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件鋼處于奧氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，鍛造軋制選在此區(qū)進行；鐵碳相圖使用兩大前提：平衡狀態(tài)（合金在極其緩慢冷卻條件下的結晶過程）鐵碳二元合金，不能含有其他元素 2.3金屬的塑性加工（冷加工）塑性加工包括鍛壓、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等；產生塑性變形，對金屬的組織結構和性能會產生重要影響；單晶體的塑性變形滑移 特點：滑移時晶體伴隨有轉動只能在切應力作用下才會發(fā)生晶體內部位錯在切應力租用下運動的結果總變量為這個方向上原子間距的整數(shù)倍在晶體的密排面上沿密排方向進行孿生 特點：孿生所需要的臨界切應力比滑移大得多孿晶與未變

9、形部分晶體原子分部形成對稱移動方向與切應力方向不同滑移系較少的密排六方晶格易發(fā)生孿生滑移系（決定塑性大?。夯品较颍ㄓ绊懘螅┗泼娑嗑w的塑性變形多晶體的塑性變形晶界阻礙位錯運動晶粒分批逐步進行細晶粒金屬（細晶強化）：強度高：晶界越多，變形抗力越大，強度越大塑性好：變形時分批逐步進行，變形分散在材料各處，減少了應力集中，推遲裂紋的形成和發(fā)展合金的塑性變形固溶強化原子層次：晶格畸變；阻礙位錯運動；第二相強化（幾百納米）：彌散分布的第二相阻礙位錯運動【總結】四種強化種類維數(shù)層次本質固溶強化維原子層次原子阻礙位錯運動細晶強化維晶界阻礙位錯運動形變強化維多位錯之間相互作用彌散強化維幾百納米第二相阻礙

10、位錯運動塑性變形（冷加工）對金屬組織和性能的影響組織：晶粒變形，形成纖維組織亞結構形成，細化晶粒形成形變織構絲織構板織構性能：加工硬化形變強化產生各向異性物化性能變化產生殘余內應力能量分布不均，存在電位差，形成原電池，導致耐腐蝕性降低表面殘余壓應力可提高零件抗疲勞破壞能力金屬的再結晶回復：晶粒內部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復合消失而大大減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)再結晶：原子擴散被拉長、破碎的晶粒通過重新形核長大變成新的均勻細小的等軸晶晶粒長大過程性質強度硬度塑性殘余應力工業(yè)應用回復回復（.）熔點釋放內應力略有降低略有降低有增高大大降低去應力退火，降低殘余內應力，保留加工硬化效果再結

11、晶回復（.3.4）熔點原子擴散（晶格類型不變）明顯降低明顯降低大大提高全部消失加工硬化現(xiàn)象被消除晶粒長大晶界遷移顯著降低顯著降低顯著降低一般應避免影響最低再結晶溫度的因素： 預先變形度：晶體缺陷越多，再結晶溫度越低； 金屬的熔點； 雜質和金屬元素：特別是高熔點元素，阻礙原子擴散和境界遷移，顯著提高T再結晶； 加熱速度和保溫時間；提高加熱速度，T再結晶升高，保溫時間長，T再結晶降低；影響再結晶后晶粒的晶粒度因素： 加熱溫度：溫度越高，晶粒長大越快； 預先變形度：避免臨界變形度；塑性變形和再結晶的工程應用：熱加工：在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工冷加工：在金屬的再結晶溫度以下的塑性變形加工熱加

12、工：變形速度較大，可能來不及再結晶（熱擴散過程）P92-P93冷加工：無再結晶過程；強度硬度提高，塑性韌性下降（加工硬化/形變強化），有利于金屬均勻變形；噴丸強化：零件表面強度硬度提高，產生較大殘余壓應力，提高疲勞強度；再結晶退火：用來恢復金屬塑性變形的能力；2.4鋼的熱處理奧氏體化，不完全平衡條件下進行相變奧氏體化奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的長大剩余滲碳體的溶解奧氏體成分的均勻化影響奧氏體轉變速度的因素 加熱溫度：加熱溫度越高，碳原子擴散速度越大，奧氏體化加快 加熱速度：加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體化越快 鋼中碳質量分數(shù)：wC越高，F(xiàn)e3C越多，相界面增大，奧氏體核心增多，轉變速度加快

13、合金元素：Co、Ni加快奧氏體化；Cr、Mo、V與C形成難溶解的碳化物，減慢；Si、Mn等無影響 原始組織：滲碳體間距越小，相界面越大，奧氏體化越快影響奧氏體晶粒度的因素： 加熱溫度和保溫時間 鋼的化學成分：C含量越高，晶粒長大傾向增大；鋼在冷卻時的轉變等溫處理（等溫的意義是擴散）連續(xù)冷卻共析鋼C曲線（TTT曲線，Time Temperature Transition）由上到下產物為：P、S、T、上B、下B、M共析鋼過冷奧氏體等溫轉變：轉變溫度轉變類型轉變區(qū)轉變產物層間距高溫轉變550- A1擴散型珠光體轉變區(qū)珠光體性組織溫度越低層間距越小，PST中溫轉變Ms-550半擴散型貝氏體轉變區(qū)貝氏體

14、型組織上貝氏體/下貝氏體上貝氏體（羽毛狀）：塑性變形抗力較低，強度、韌性都較差；上貝氏體（黑色針狀）：硬度高、韌性好，具有較好的綜合力學性能；亞共析鋼 C含量 C曲線 Ms、Mf過共析鋼 C含量 C曲線 Ms、Mf過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變（CCT曲線）：轉變過程及產物： 爐冷：索氏體 空冷：屈氏體 油冷：屈氏體+馬氏體+殘余奧氏體 水冷：馬氏體+殘余奧氏體馬氏體轉變的特點： 非擴散型轉變；面心立方晶格改組為體心正方晶格；馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體； 形成速度很快； 馬氏體的轉變是不徹底的（殘余奧氏體）； 馬氏體形成時體積膨脹，造成很大內應力；馬氏體的形態(tài)：板條狀（位錯馬氏體）：wC1.

15、0%馬氏體的性能特點： 硬度很高，隨w（C）增大而增大；（與合金元素關系不大）高C馬氏體由于過飽和度大、內應力高、存在孿晶結構，硬而脆、塑韌性極差；低C馬氏體由于過飽和度小、內應力低、存在位錯亞結構，強度高，塑韌性較好； 比容比奧氏體大；電阻率高；鐵磁相；鋼的普通熱處理退火完全退火/重結晶退火等溫退火球化退火：冷卻速度最慢擴散退火：保溫溫度最高去應力退火：保溫溫度最低正火淬火單介質淬火雙介質淬火分級淬火等溫淬火回火【區(qū)別】重結晶&再結晶重結晶：同素異構體轉變，二次結晶；再結晶：晶格結構不變，晶粒外形發(fā)生變化；退火緩慢冷卻過程正火在自由流動的空氣中冷卻；盡可能多形成S淬火努力得到馬氏體M回火消除

16、內應力完全退火：加熱至Ac3以上20-30，保溫一定時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝；主要用于亞共析鋼；得到F+P；目的：通過重結晶使組織均勻化細化；降低硬度改善切削加工性能消除內應力；等溫退火：加熱到高于Ac3，保溫后較快冷卻到珠光體轉變區(qū)，并等溫保持，奧氏體等溫轉變，然后緩慢冷卻的熱處理工藝；得到F+P；轉變較完全退火易控制；目的：通過重結晶使組織均勻化細化；降低硬度改善切削加工性能消除內應力；球化退火：加熱溫度略高于Ac1，使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝主要用于共析鋼、過共析鋼；使二次滲碳體及P中的滲碳體球狀化；亞共析鋼中Fe3C較少故少用球化退火；目的：降低硬度改善切削加

17、工性能為淬火作組織準備；擴散退火：加熱到略低于固相線，長時間保溫并進行緩慢冷卻的熱處理工藝；擴散退火后晶粒很粗大，一般在進行完全退火或正火處理；目的：減少鋼錠、鑄件的化學成分和組織不均勻性；去應力退火（低溫退火）：加熱至溫度低于Ac1的某一溫度，保溫，然后隨爐冷卻；目的：消除殘余內應力；正火：加熱至A線以上30-50，在自由流動的空氣中均勻冷卻；目的： 作為最終熱處理：細化晶粒，組織均勻化；P增多細化；提高強度、硬度、韌性； 作為預先熱處理：消除魏氏組織和帶狀組織，獲得細小均勻的組織；過共析鋼減少Fe3C，避免形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準備； 改善切削加工性能：提高硬度；淬火：將鋼加熱到相

18、變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體的熱處理工藝；淬火是鋼的最重要的強化方法；冷卻介質：水和油單介質淬火；雙介質淬火；分級淬火；等溫淬火：中碳以上的鋼，為了得到下貝氏體，以提高強度、硬度、韌性和耐磨性；淬透層深度：試樣表面至半馬氏體區(qū)（硬度陡然下降）；淬透性：鋼接受淬火時形成馬氏體的能力末端淬火法測定；淬硬性：鋼淬火后硬度會大幅度提高，能達到的最高硬度為淬硬性，取決于馬氏體的w(C)影響淬透性的因素： w(C)：（根據(jù)C曲線（TTT曲線）判斷） 合金元素：除Co外，均提高淬透性； 奧氏體化溫度：減少P生核率，降低臨界冷卻速度，提高淬透性； 鋼中未溶第二相：增大臨界冷卻速度，降低淬

19、透性；回火：消除內應力；淬火后不直接使用，要進行回火；原因：淬火后得到的是性能很脆的M，存在內應力，易變形和開裂；原因：淬火M和殘余A都是不穩(wěn)定組織，在工作中會發(fā)生分解；原因：為了獲得要求的強度、硬度、塑性、韌性；低溫回火（150-250）：保持高硬度，消除內應力回火馬氏體+殘余奧氏體中溫回火（350-500）：回火屈氏體（高的彈性極限和屈服強度）高溫回火（500-650）：綜合性能要求高回火索氏體（綜合力學性能最好）調質處理：淬火+高溫回火回火索氏體（滲碳體為細粒狀）正火： 索氏體+鐵素體（滲碳體為片狀）2.5鋼的合金化1.1 合金元素與鐵、碳的作用：1 溶于鐵中形成固溶體除Pb，幾乎所有合金元素都可溶入鐵中，形成合金鐵素體或合金奧氏體；擴大（奧氏體）相區(qū)（奧氏體穩(wěn)定化元素）：Mn、Ni（完全擴大相區(qū)元素）；Co、C、N、Cu（部分擴大相區(qū)元素）；縮?。▕W氏體）相區(qū)（鐵素體穩(wěn)定化元素）：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si（完全封閉相區(qū)元素）；B、Nb、Zr（部分縮小相區(qū)元素）；2 形成碳化物非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B;碳