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文檔簡介

《金屬材料與熱處理》總復習使用性能工藝性能純金屬合金工業(yè)用鋼有色金屬及其合金鑄鐵結晶塑性變形熱處理一、性能㈠使用性能1、力學性能⑴剛度:材料抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量:E=/⑵強度:材料抵抗變形和破壞的能力。指標:抗拉強度b—材料斷裂前承受的最大應力。屈服強度s—材料產生微量塑性變形時的應力。F/S0條件屈服強度0.2—殘余塑變?yōu)?.2%時的應力。疲勞強度-1—無數(shù)次交變應力作用下不發(fā)生破壞的最大應力。⑶塑性:材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標為、。⑷硬度:材料抵抗局部塑性變形的能力。指標為HB、HRC。⑸沖擊韌性:材料抵抗沖擊破壞的能力。指標為αk.材料的使用溫度應在冷脆轉變溫度以上。2、化學性能⑴耐蝕性:材料在介質中抵抗腐蝕的能力。⑵抗氧化性:材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性:材料抵抗磨損的能力。㈡工藝性能1、鑄造性能:液態(tài)金屬的流動性、填充性、收縮率、偏析傾向。2、鍛造性能:成型性與變形抗力。3、切削性能:對刀具的磨損、斷屑能力及導熱性。4、焊接性能:產生焊接缺陷的傾向。5、熱處理性能:淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶體結構㈠純金屬的晶體結構1、理想金屬⑴

晶體:原子呈規(guī)則排列的固體。

晶格:表示原子排列規(guī)律的空間格架。

晶胞:晶格中代表原子排列規(guī)律的最小幾何單元.⑵三種常見純金屬的晶體結構Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見金屬31212滑移系底面對角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12128配位數(shù)642原子個數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方2、實際金屬

⑴多晶體結構:由多晶粒組成的晶體結構。

晶粒:組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體.

晶界:晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—晶格不完整的部位①點缺陷

空位:晶格中的空結點。

間隙原子:擠進晶格間隙中的原子。

置換原子:取代原來原子位置的外來原子。②線缺陷——位錯晶格中一部分晶體相對另一部分晶體沿某一晶面發(fā)生局部滑移,滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交接線.③面缺陷——晶界和亞晶界

亞晶粒:組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界:亞晶粒之間的交界面。④晶界的特點:原子排列不規(guī)則;阻礙位錯運動;熔點低;耐蝕性低;產生內吸附;是相變的優(yōu)先形核部位。金屬的晶粒越細,晶界總面積越大,位錯障礙越多;需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多,使得金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細,單位體積內同時參與變形的晶粒數(shù)目越多,變形越均勻,在斷裂前將發(fā)生較大塑性變形。強度和塑性同時增加,在斷裂前消耗的功大,因而韌性也好.細晶強化:通過細化晶粒來提高強度、硬度和塑性、韌性的方法。㈡合金的晶體結構合金:由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。相:金屬或合金中凡成分相同、結構相同,并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。1、固溶體:與組成元素之一的晶體結構相同的固相.⑴置換固溶體:溶質原子占據(jù)溶劑晶格結點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。

⑵間隙固溶體:溶質原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體:碳在-Fe中的固溶體。奧氏體:碳在-Fe中的固溶體。馬氏體:碳在-Fe中的過飽和固溶體。固溶強化:隨溶質含量增加,固溶體的強度、硬度提高,塑性、韌性下降的現(xiàn)象。馬氏體硬度主要取決于含碳量并隨含碳量增加而提高。

⑵金屬化合物:與組成元素晶體結構均不相同的固相.強碳化物形成元素:Ti、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素:W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素:Mn、Fe如Fe3C⑶性能比較:強度:固溶體純金屬

硬度:化合物固溶體純金屬塑性:化合物固溶體純金屬⑷金屬化合物形態(tài)對性能的影響①基體、晶界網狀:強韌性低②晶內片狀:強硬度提高,塑韌性降低③顆粒狀:彌散強化:第二相顆粒越細,數(shù)量越多,分布越均勻,合金的強度、硬度越高,塑韌性略有下降的現(xiàn)象。三、組織㈠純金屬的組織1、結晶:金屬由液態(tài)轉變?yōu)榫w的過程⑴結晶的條件——過冷:在理論結晶溫度以下發(fā)生結晶的現(xiàn)象。過冷度:理論結晶溫度與實際結晶溫度的差。⑵結晶的基本過程——晶核形成與晶核長大形核——自發(fā)形核與非自發(fā)形核長大——均勻長大與樹枝狀長大⑶結晶晶粒度控制方法:①增加過冷度;②變質處理;③機械振動、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉變同素異構轉變:物質在固態(tài)下晶體結構隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。固態(tài)轉變的特點:①形核部位特殊;②過冷傾向大;③伴隨著體積變化。1394℃

912℃

鐵的同素異構轉變:-Fe?-Fe?-Fe㈡合金的組織1、相圖勻晶L共晶L+共析+包晶L+杠桿定律:只適用于兩相區(qū)。枝晶偏析:在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現(xiàn)象。2、合金中的固態(tài)相變⑴固溶體轉變:AF⑵共析轉變:AP(F+Fe3C)⑶二次析出:AFe3CⅡ⑷奧氏體化⑸過冷奧氏體轉變⑹固溶處理+時效:固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上,保溫并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫,以析出彌散強化相的熱處理。

3、鐵碳合金相圖

點:符號、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ萊氏體Le(A+Fe3C)

Le’(P+Fe3C)珠光體P(F+Fe3C)復相組織組成物:組織組成物標注相區(qū)標注線:液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉變線A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%溫度典型合金的結晶過程(以共析鋼為例)時間溫度四、鋼的熱處理㈠熱處理原理1、加熱時的轉變奧氏體化步驟:A形核(位置?);A晶核長大;殘余滲碳體溶解;A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度:初始晶粒度:奧氏體化剛結束時的晶粒度。實際晶粒度:給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質晶粒度:加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。

2、冷卻時的轉變⑴C曲線及產物(各種產物的組織形態(tài)及性能)650℃600℃550℃350℃A1MSMf時間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A⑵用C曲線定性說明連續(xù)冷卻轉變產物

根據(jù)與C曲線交點位置判斷共析鋼轉變產物

P均勻A細AA1MSMf時間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’3、回火時的轉變碳鋼:馬氏體的分解;殘余奧氏體分解;-碳化物轉變?yōu)镕e3C;Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化。W18Cr4V鋼:560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物,產生二次硬化。回火冷卻時,A’轉變?yōu)镸。每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。強化鋼鐵材料最經濟有效的熱處理工藝是淬火+回火,它包含了四種基本強化機理。

㈡熱處理工藝(淬透性、淬硬性、淬火應力及缺陷)工藝目的加熱溫度組織退火1.調整硬度,便于切削加工。2.細化晶粒,為最終熱處理作組織準備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃F+PPP球+Fe3C(球化退火)正火1.低中碳鋼同退火。2.過共析鋼:消除網狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C,SSS淬火獲得馬氏體組織或B下。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃M+A’M+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝(續(xù))工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內應力,減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調質)亞共析,共析鋼:M回過共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織,并獲得表硬心韌的性能。預備熱處理:調質或正火適用于中碳鋼0.4~0.5%C表面:M回心部:S回(調質)或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量,獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度:表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面:M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部:M回+F

M回五、鋼的合金化--合金元素在鋼中的作用1、強化鐵素體;固溶強化2、形成化合物——第二相強化3、擴大(C,Mn,Ni,Co)或縮?。–r,Si,W,Mo)A相區(qū)4、使S、E點左移5、影響A化6、溶于A(除Co外),使C曲線右移,Vk減小,淬透性提高.7、除Co、Al外,使Ms、Mf點下降。8、提高耐回火性?(淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力)9、產生二次硬化?(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時,由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時A’轉變?yōu)镸回,使硬度不僅不下降,反而升高的現(xiàn)象)10、防止第二類回火脆性:W、Mo(回火脆性?:淬火鋼在某些溫度范圍內回火時,出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象。)六、工業(yè)用金屬材料鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結構鋼<0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結構低合金高強度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強化F,增加P,降低脆轉溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強化F,Ti:細化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面:M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部:M回+F表硬里韌軸、齒輪調質鋼0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強化F,Mo:防止第二類回火脆性調質S回良好綜合力學性能軸、齒輪彈簧鋼0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強化F;Si:提高屈強比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧㈠工業(yè)用鋼(鋼的分類方法)工業(yè)用鋼(續(xù))鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動軸承鋼0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織固溶處理表:M+碳化物心:A高耐磨耐沖擊鏟齒,履帶板碳素工具鋼0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.75~1.59SiCrSi、Cr:提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性;W、V:提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具工業(yè)用鋼(續(xù))鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途冷作模具鋼1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛,退,淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調質鋼調質S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性;Ni:形成A;Ti:防止晶間腐蝕調質S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫(yī)療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業(yè)1Cr18Ni9Ti固溶處理A化工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再;V,Ti:彌散強化;Ni:形成A組織正火F+P高熱強性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調質S回氣閥,葉片1Cr18Ni9Ti固溶A過熱器管㈡鑄鐵石墨化:鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程。鑄鐵名稱牌號舉例獲得方法組織熱處理用途灰鑄鐵HT250(最低抗拉強度為250

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