第一节金属一、金属的特性固态金属的特性主要表现在不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性,并随着温度的升高,金属的导电性降低,电阻率增大,这是金属独有的一个特点,而非金属与此相反。化学元素周期表中105种元素,其中83种为金属元素,在这其中有71种为天然元素,12种为人工方法获得。二、金属原子结构特点金属原子结构特点是最外层电子数很少,一般只有一、二个,且与原子核的结合力较弱,容易脱离原子核的束缚变成自由电子,而金属原子则变成正离子。钢中的Fe、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、W、Mo等为过渡族金属,其特点除上述外,在次外层尚未填满电子的情况下,最外层就先填充了电子。所以,过渡族金属原子不仅容易丢失最外层电子,也易丢失次外层的一、二个电子,即化合价可变现象(例如Fe3O4、FeO)。而过渡族金属原子互相结合时,不仅最外层电子参与结合,次外层电子也参与结合,所以其原子的结合力特别强,宏观上表现为其金属的熔点高、强度大。三、金属键金属原子间的结合键(使原子紧凑而规则地排列在一起)称为金属键。金属原子越靠近,相互作用越强,靠近到一定程度,相邻原子的最外电子层发生交叠,价电子的运动状态发生变化,原来单个原子中的每一个价电子能级,都分裂成许多个不连续的新能级,形成一个“能带”。这样一来,每个金属原子的价电子层都变成很宽的彼此交叠的能带,成为所有价电子的“公共通道”。每个原子的价电子不再只围绕自己的原子核转动,而是在所有原子之间运动,成为“公有化”的自由电子。价电子被公有化后的金属原子就成为正离子,而自由电子则好象一种气体充满其间,被称为“电子气”。带负电的自由电子与带正电的金属正离子之间产生静电吸引力,使金属原子结合在一起。这就是金属键的本质。图1-1给出了金属键的模型。在实际的固态金属中,并非所有的金属原子都变成了正离子,而是绝大部分处于正离子状态,还有小部分仍处于中性原子状态,并且金属原子的这种状态也是在不断地变化的。了解了金属键的本质,就可以比较深刻地理解固态金属的一些特性。(1)在外加电场作用下,固态金属中的自由电子能够沿电场方向加速运动,所以金属具有良好的导电性。典型铁碳合金的平衡结晶根据铁碳合金的含C量及组织不同,可分为三类。(1)纯铁(含C<0.0218%)组织铁素体(2)钢(含C0.0218%~2.11%)高温组织为单相A,具有良好塑性,根据室温组织不同,分为三类:亚共析钢(含C<0.77%﹚组织铁素体+珠光体共析钢(含C0.77%)组织珠光体过共析钢(含C>0.77%)组织珠光体+渗碳体(3)白口铁(含C2.11~6.60%)结晶时都有共晶转变,有良好的铸造性能,根据室温组织不同,分为三类:亚共晶白口铁(含C<4.3%=组织珠光体+渗碳体+莱氏体共晶白口铁(含C4.3%)组织莱氏体共晶白口铁(含C>4.3%)组织渗碳体+莱氏体珠光体组织特征为层片状的铁素体和渗碳体构成,铁素体数量多于渗碳体,故可说是在F基体上分布着片状渗碳体。含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响(1)含C量对组织的影响随着含C量的增加,组织中的Fe3C数量增加,且存在形式也发生变化,由分布在F基体内(作为P)变为分布在A晶界上(二次Fe3C),当形成莱氏体时,渗碳体已作为基体出现。(2)含C量对机械性能的影响Fe3C是强化相。如果基体是F,Fe3C数量越多,分布越均匀,材料强度就越高。但当这种又硬又脆的Fe3C相分布在晶界、特别作为基体时,材料的塑性和韧性就大大下降。含C量对机械性能的影响突出表现在对合金抗拉强度和冲击韧性的影响。含C量为0.0218~0.77%的亚共析钢,随着含C量的增加,P数量相应增加,钢的硬度、强度直线上升,而塑性指标(δ、ψ)和韧性相应降低。含C量为0.77%的共析钢,组织为片层状珠光体,具有较高的强度和适中的塑性,但韧性值较低。过共析钢,组织为珠光体+二次渗碳体,随着含C量的增加,Fe3C数量增加,并形成网状分布,其脆性增大。为保证铁碳合金具有适当的塑性和韧性,对碳素钢、普通低、中合金钢来说,其渗碳体相的数量不应过多,一般含C量不超过1.3%。钢的热处理热处理是一种重要的金属加工工艺,在机械制造工业中被广泛地应用着。钢的热处理工艺特点是:把钢在固态下加热到预定的温度,保温预定的的时间,然后以预定的方式冷却下来。通过这样一个工艺过程,使钢的性能发生预期的变化。热处理的目的在于改变钢的性能,即改善钢的工艺性能和提高钢的使用性能。例如,高速钢钻头,先经热处理,降低材料硬度,才能进行切削加工成钻头,后经热处理,提高钻头的硬度和耐磨性,才能使用钻削其它金属。前后热处理要求的性能不同。热处理改变钢的性能,是通过改变钢的组织来决定的。钢中组织转变的规律,就是热处理的原理。根据热处理原理制订的温度、时间、介质等参数,就是热处理工艺。第一节钢的临界温度从铁碳合金相图中知道,碳素钢在加热和冷却过程中,经过PSK(A1)线,发生珠光体向奥氏体的相互转变,经过GS(A3)线,发生铁素体向奥氏体的相互转变,经过ES(Acm)线,发生渗碳体向奥氏体的转变。所以任一含碳量的碳素钢,其在缓慢加热和冷却过程中固态组织转变的临界点,就是依据A1、A3和Acm线确定。共析钢仅有一个临界点A1,亚共析钢有两个临界点A1和A3点,过共析钢也有两个临界点A1和Acm点。A1、A3和Acm均为平衡临界点,实际转变过程不可能在平衡临界点进行,为示区别,将加热转变点以C表示,冷却转变点以r表示。开始转变AC1——加热时PA温度开始转变Ar1——冷却时AP温度全部转变AC3——加热时FA终了温度开始析出Ar3——冷却时AF温度全部溶入ACcm——加热时Fe3CⅡA终了温度开始析出Arcm——冷却时AFe3CⅡ温度各种钢的临界点可在热处理手册中查到。第二节钢在加热时的转变本节主要指加热到A1点以上时所发生的转变。热处理进行A1点以上加热的目的,就是为了得到奥氏体,通常把这种加热转变过程称为奥氏体化。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,具有面心立方晶格,塑性很好,容易变形,在冷却时会发生不同的转变,形成不同的组织和性能。一般热处理时都要首先加热得到奥氏体,然后在一定的过冷度下形成所需的组织。一、共析钢的奥氏体过程共析钢在室温的平衡组织是单一的珠光体,加热到AC1点以上时全部转变为奥氏体。珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物,铁素体是基体相,具有体心立方晶格,含碳量极微(0.0218%),渗碳体为化合物,具有复杂斜方晶格,含碳量高(6.69%),珠光体的平均含碳量为0.77%。由于珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相变成另一种晶格的单相均匀固溶体,因此,在转变过程必须进行碳原子和铁原子的扩散,必须进行铁原子的晶格改组,即发生相变。二、影响奥氏体化的因素奥氏体的形成是依靠原子的扩散,通过形核与长大过程进行的。凡影响这两个因素,都会影响奥氏体的形成速度,主要影响因素如下:1、加热温度和保温时间加热温度愈高,奥氏体形成速度越快,转变所需的时间越短。2、加热速度加热速度越快,转变开始温度AC1越高,终了温度也越高,转变时间越短。3、合金元素合金元素的加入不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程,但会使珠光体向奥氏体转变速度下降。4、原始组织原始组织愈细,相界面愈多,形成奥氏体晶核的位置就愈多,则转变速度愈快。三、非共析钢的奥氏体化过程非共析钢(亚或过共析钢)与共析钢的组织不同之处在于,除珠光体外还有一部分先共析相,亚共析钢中是自由的铁素体,过共析钢中是二次渗碳体。所以,奥氏体化要分两步来完成。第一步珠光体向奥氏体转变,第二步先共析相的奥氏体化,见图3-2所示。A1~A3以上加热铁素体向奥氏体转变,A1~Acm以上完成二次渗碳体的奥氏体化。第二节钢在冷却时的转变一、冷却条件对钢性能的影响冷却过程是钢的热处理的关键工序,决定着钢在冷却后的组织和性能。实际生产中冷却方式有连续冷却和等温冷却,在不同冷却速度下,奥氏体的过冷度不同,因而转变产物的组织和性能也不同。为了研究奥氏体的冷却转变规律,通常采用两种方法:一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程,绘出“奥氏体等温转变曲线”;另一种是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程,绘出“奥氏体连续冷却转变曲线”。二、过冷奥氏体等温转变曲线(C—曲线)奥氏体在临界点以上为稳定相,一但冷却到临界点以下,变成不稳定相,只能暂时存在于孕育期中,处于过冷状态,称为“过冷奥氏体”。过冷奥氏体迟早会转变成新的稳定相。在不同的过冷度下,奥氏体将会发生三种不同的转变,而且各个温度下的转变速度也不同,反映这些等温转变的曲线称为过冷奥氏体等温转变曲线。因该曲线形状象字母“C”,又称为“C—曲线”或“TTT曲线”。影响过冷奥氏体等温转变的因素凡是提高奥氏体稳定性,延长孕育期,转变将减慢,使C—曲线右移。凡是降低奥氏体稳定性,将加速转变,使C—曲线左移。(1)碳浓度共析成分的碳浓度的奥氏体最稳定,碳浓度离共析成分越远,奥氏体向珠光体转变越快。所以,共析钢的C—曲线“鼻子”最靠右,非共析钢的C—曲线“鼻子”都较靠左。对贝氏体转变随着奥氏体的碳浓度增大,贝氏体转变的孕育期延长,C—曲线的下半部分向右移动。随着碳浓度的增大,MS线逐渐降低,而A1点始终不变。(2)合金元素的影响因溶入的合金元素会使C曲线上下左右移动,如合金钢会出现两个“鼻子”的C—曲线,上面是珠光体的转变C—曲线,下面是贝氏体的转变C—曲线。在碳素钢中,这两个C—曲线恰巧上下重叠在一起,合成一个“鼻子”的C—曲线。(3)加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间愈长,奥氏体成分愈均匀,晶粒越粗大,使C—曲线右移,增大奥氏体的稳定性。过冷奥氏体转变产物的性能1、珠光体组织和性能珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物,根据共析渗碳体的形状,珠光体分为片状和粒状。根据渗碳体片层的厚度不同,又分为珠光体、索氏体(细珠光体)、屈氏体(极细珠光体)三种,三者实质是一种组织。珠光体的片层间距大小取决于奥氏体的过冷度,转变温度越低,过冷度越大,则珠光体的组织越细,层片间距越小。片状珠光体的性能也取决于片层间距。片层间距越小,珠光体的强度和硬度越高,同时塑性和韧性也变好。因为珠光体的基体相是铁素体,很软,易变形,是依靠渗碳体片分散其中来强化的,这个强化是依靠渗碳体的相界面而非其高硬度。所以渗碳体片越薄,相界面越多,越易随铁素体一起变形而不脆裂,同时相界面积越大,强度越高。如冷拔钢丝具有索氏体组织才容易变形而不致拔断。总之,对于珠光体的组织和性能特点,主要掌握“过冷度—片层间距—性能”之间的关系。实际生产中,通过控制奥氏体的过冷度,来改变珠光体片层间距,从而控制性能,而奥氏体的过冷度改变,是通过改变冷却速度或等温温度来实现。2、马氏体的组织和性能当奥氏体的冷却速度大于VC,便过冷到MS以下,将发生马氏体转变形成马氏体组织。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体,具有体心正方晶格.马氏体晶格淬火钢中的马氏体,按金相形态分为片状马氏体和板条状马氏体。片状马氏体呈针片状或竹叶状,针叶之间互成一定角度。片状马氏体常出现在高碳钢淬火组织中,又叫高碳马氏体。板条状马氏体呈长条状,主要出现在低碳钢淬火组织中,又叫低碳马氏体。由于条状马氏体形成的温度较高,形成之后会立即发生不同程度的分解,称为“自回火”。条状马氏体的自回火是一种有利现象,它对于提高马氏体的强度和韧性,防止淬火变形和开裂都起着重要作用。马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳浓度。随着碳浓度的增大,马氏体的强度和硬度随之增高。片状马氏体的碳浓度高,其性能特点是硬度高而脆性大。条状马氏体因碳浓度低,再加上自回火,使其韧性相当好,所以条状马氏体的性能特点是具有高的强韧性。马氏体的转变特点是:(1)为无扩散型相变,即没有化学成分的变化,只有晶格改组。(2)形成速度极快。(3)变温转变,即随着温度的下降,马氏体量增多,至Mf点,马氏体转变结束。(4)转变的不完全性,存在残余奥氏体组织。(5)体积膨胀。马氏体的比容大于奥氏体的比容,所以当奥氏体向马氏体转