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金属学与热处理基本知识一.金属的晶体结构•物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。•晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有:•1.体心立方晶格，如图l-11a所示。属于此类的金属有α-铁，δ-铁，Cr,V，β-Ti等。•2.面心立方晶格，如图l-11b所示。属于此类的金属有γ一铁，Al,Cu，Ni等。•3.密排六方品格，如医11-11c所示。属于此类的金属有Mg，Zn，α-Ti等。•实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，如图1-12所示。品粒之间的界面称为晶界。•晶格缺陷使材料的物理、化学性质发生改变，•例如空位隙原子、置代原子的存在引起周围晶格畸变(图1-13)，使金属屈服点和抗拉强度增高，•而位错的存在则使金属容易塑性变形，强度降低。•(图1-14)•高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程，即原子由不规则状态(液态)过渡到规则状态(固态)的过程。•过冷是金属结晶的必要条件。•每一种金属都有一定的结晶温度，例如铁的结晶温度为1538℃，铜的结晶温度为1083℃，这种结晶温度称为理论结晶温度或平均结晶温度，用有To表示。•但实际上，液态金属只有冷却到低于To的某一温度时才开始结晶。也就是说，实际结晶温度Tn总是低于理治结晶温度To。•两者之差称为过冷度，用ΔT表示，•即ΔT=To–Tn。•结晶过程：(图1-15)1、生成晶核（晶核通常依附于液态金属中的固态微粒杂质而形成）。2、晶核长大（液体中的原子不断向晶核聚集，同时液体中又不断产生新的晶核，并不断长大。)3、结晶结束（所有的晶粒长大到相互接触）二纯铁的同素异构转变图1-29纯铁的冷却曲线及晶体结构变化同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变三、金属的结构及铁碳合金1、铁碳合金的基本组织⑴、钢和铁①、含碳量小于2.06的铁碳合金叫钢。②、含碳量大于2.06的铁碳合金叫铁（铸铁或生铁）。⑵、钢材的性能不仅取决于钢材的化学成份，而且与钢材组织有关。⑶、纯铁的晶体结构①.15380C～13940C—α-Fe(体心立方晶体)②.13940C～9120C—γ-Fe(面心立方晶体③.9120C以下—α-Fe(体心立方晶体)⑶、铁碳合金的基本组织①、铁素体（F）—铁素体是碳溶解于α-Fe中的固溶体。铁素体含碳量低（室温下溶解度为0.006%），塑性、韧性好，强度、硬度低，在770℃以下具有铁磁性，超过770℃则丧失铁磁性。②、渗碳体（Fe3C)—铁和碳的化合物。其性能是熔点高，硬而脆。钢中含碳量增加，渗碳体增加，硬度强度提高，塑性韧性下降。渗碳体在217℃以下具有铁磁性。③、珠光体（P）—铁素体和渗碳体体的机械混合物。强度较高，硬度适中，有一定的塑性。④、奥氏体（A）—奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。碳钢加热到723℃以上组织发生转变时才有奥氏体组织产生。强度硬度较铁素体高，塑性良好。奥氏体不具有铁磁性。2、铁碳合金状态图⑴、铁碳合金状态图—表示在平衡状态下不同含碳量的铁碳合金在不同温度下所处的状态、晶体结构和显微组织特征的图。⑵、图中的主要特征线①、ACD线—液相线。此线以上全部为液体。钢加热到此线全部转化为液体，冷却到此线开始结晶。②、AECF线—固相线。钢冷却到到此线以下全部结晶为固体，加热到此线开始出现液体。⑶、两点（E、S）、三线（GS、ES、PSK）①.PSK线（A1线）—表示钢在缓慢冷却时，奥氏体开始转变为珠光体或钢在缓慢加热时珠光体转变为奥氏体的温度线（7230C）。②.GS线（A3线）—表示钢在缓慢冷却时，奥氏体开始析出铁素体的温度线或钢在缓慢加热时铁素体转变为奥氏体的终止温度线。③.ES线（Acm线）—表示钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出渗碳体的温度线，即含碳量大于0.8%的钢冷却时析出二次渗碳体的起始线。④.S点（共析点）：对应于含碳量=0.8%的钢。在S点以上为单一的奥氏体，低于S点为珠光体。⑤.E点：钢和铸铁的分界点（含碳量2.06%)。⑷、共析①.共析反应：钢冷却到7230C时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体，此反应称共析反应，产物为珠光体。②.共析钢：含碳量等于0.8%的钢称为共析钢。共析钢在7230C以上为单一的奥氏体；7230C以下为单一的珠光体。③.亚共析钢：含碳量小于0.8%的钢称为亚共析钢。共析钢在7230C以上为铁素体+奥氏体；7230C以下为铁素体+珠光体。④.过共析钢：含碳量大于0.8%的钢称为过共析钢。共析钢在7230C以上为奥氏体+二次渗碳体；7230C以下为珠光体+二次渗碳体。四、钢的热处理1、基本概念（1）、定义：钢的热处理是指对钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构从而改变钢的性能的一种工艺方法。（2）、主要的热处理方法：a.普通热处理：淬火、正火、回火、退火、调质。b.表面热处理：表面淬火、化学热处理。（3）、热处理工艺三大工艺参数：加热、保温和冷却。（4）、钢的加热和冷却状态图2、钢在加热和冷却时的组织转变⑴、钢在加热时的转变过程（以共析钢为例）：①.奥氏体晶核产生（铁素体与渗碳体交界处）；②.奥氏体晶粒长大（碳的扩散）；③.殘余渗碳体溶解；④.奥氏体成份均匀化。⑵、钢在冷却时的转变①.高温转变区：723-5500C之间，依转变温度高，转变产物低依次为粗珠光体、索氏体（细珠光体，6500C）和屈氏体（极细珠光体，5400C）；②.中温转变区：5500C-Ms（2400C）之间，转变产物为上贝氏体（500-3500C，塑性差）、下贝氏体（350-3200C，硬度高、韧性较好）；③.低温转变区：Ms（2400C）-Mf之间，转变产物为马氏体（脆性大、韧性低、延伸率低）。3、钢的热处理工艺⑴、退火：将钢加热到AC1或AC3以上某一温度，保温一定时间，然后随炉冷却，从而得到近似平衡组织的热处理方法。目的：降低钢的硬度，细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，消除内应力等。①.完全退火（重结晶退火）：加热到AC3上20-400C。细化晶粒、均匀组织、降低硬度。②.消除应力退火（低温退火）：加热到A1以下，一般为500-6000C，保温缓冷到3000C空冷。消除焊接件、热轧件、冷挤压件等内应力。钢无组织变化，殘余应力通过塑性变形或蠕变变形产生松弛而消除的。⑵、正火：将钢加热到Ac3或Accm以上40-600C，保温后从炉中取出空冷的热处理方法。目的：对低碳钢：细化晶粒，均匀组织，改善性能。对中碳钢：提高强度、硬度。对高碳钢：消除网状渗碳体。⑶、淬火：将钢加热到临界点以上（Ac3或Ac1+30-500C），经过保温使钢的组织全部转变为奥氏体，然后快速冷却（淬水或油）得到马氏体组织的热处理方法。目的：提高强度和硬度，增加耐磨性或为其后的回火作准备。⑷、回火：将淬火后的钢材加热到A1（7230C）以下某一温度，保温一段时间，然后在空气中或油中冷却的热处理方法。目的：降低钢的脆性，消除内应力，稳定工件尺寸和获得所要求的机械性能。①.低温回火：150-2500C，得到回火马氏体组织。降低淬火钢的内应力和脆性，保持高硬度和耐磨性。②.中温回火：350-4500C，得到回火屈氏体组织。具有高弹性极限和屈服极限，有较好的韧性。③.高温回火（调质）：500-6500C，得到回火索氏体组织。使钢具有一定的强度、硬度又有较好的塑性和韧性。④.回火脆性：有些结构钢在250-4000C回火后冲击韧性反而降低，称第一回火脆性；有些合金钢在450-5750C回火后冲击韧性反而降低，称第二次回火脆性。五、钢的分类及应用1、钢的分类和命名方法⑴、钢的分类：按品质分类：①普通钢（P≤0.045%，≤0.055%)②优质钢（P、S≤0.040%)③高级优质钢(A)(P≤0.045%、S≤0.030%)按用途分类：①低碳钢、低合金高强度钢②耐热钢③低温钢④不锈钢⑵、钢牌号表示方法①碳素结构钢Q（屈服强度）+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D）+脱氧方法（F、b、Z、TZ）如：Q235-A·FQ235-B②优质碳素结构钢碳含量+脱氧方法+用途代号如：20、20R、20g“20”—碳含量0.20%;“R”—压力容器用钢；“g”—锅炉用钢。③低合金钢碳含量+合金元素符号+用途代号如：16Mn、15MnV、16MnR、15Mng、16MnDR、16MnHP、15CrMoR、16MnHC、09Mn2NiR等。“16”—碳含量0.16%；“DR”—低温容器用钢；“HC”—高压多层压力容器用钢；“HP”—焊接钢瓶用钢。④高合金钢碳含量+合金元素符号+合金元素含量如：1Cr13、1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni11、00Cr17Ni12Mo2等。含碳量“0”—“低碳”，C＜1‰;“00”—“超低碳”，C＜0.03%;“1”—平均碳含量1‰。元素含量：“13”—元素平均含量(12.5-13.49%)；不标—元素平均含量＜1.5%。2、锅炉压力容器常用钢材⑴、锅炉压力容器用钢的要求①具有良好的加工艺性能和焊接性能；②满足使用条件下的力学性能要求。⑵、碳素钢的合金元素及对性能的影响①碳（C）：碳是碳钢的基本元素，起强化作用。碳含量增加，强度和硬度提高，但塑性、韧性降低，可焊性变坏。②锰（Mn）：锰是有益元素，有一定脱氧能力，能清除钢中的FeO，能与硫化合生成MnS减轻硫的有害作用。含量适当，能提高钢的强度的硬度，增加耐磨性，提高焊缝的抗热裂性。（0.35-0.65%)③硅（Si)：硅是脱氧剂，消除FeO对钢的不良影响，提高钢的强度，使焊缝致密均匀，但含量过大易使焊缝形成夹渣，降低抗弯角度和冲击韧性。（0.15-0.30%)④硫（S）：有害元素。能在晶界处形成低熔共晶，使钢材产生热脆性，热加工时产生热裂纹。（＜0.045%）。⑤磷（P）：有害元素。能与碳化合析出脆性化合物Fe3P,使钢材产生冷脆性，使钢材塑性韧性降低，可焊性变坏。（＜0.045%）。⑶、低合金高强度钢合金元素及对性能的影响①锰（Mn)：提高钢的强度。过高便钢的塑性、韧性下降，焊接性变坏，耐蚀性降低。（1.10-1.65%)②硅（Si)：提高钢的抗腐蚀和抗氧化能力，冷加工硬化程度作用极强。会使焊接性变差。作为合金元素一般≮0.4%.③铬（Cr)：提高钢的淬透性和强度，具有良好的抗氧化性和耐腐蚀能力。但超过10%会使塑性和可焊性明显降低。④钼（Mo)：提高钢的淬透性和热强性，消除或降低钢的热脆性和回火脆性，改善钢在高温高压下的抗氢腐蚀能力。⑤钒（V)：有较好的细化晶粒的作用，使钢的强度和韧性同时得到改善，提高钢的耐磨性及回火稳定性，改善钢的焊接性。⑷、不锈钢①不锈钢分类按抗腐蚀性能分类：不锈钢—在空气中能抗腐蚀的钢。耐酸钢—在化学浸蚀中能抵抗腐蚀的钢。按化学成份分类：铬不锈钢—马氏体不锈钢铁素体不锈钢铬镍奥氏体不锈钢铬锰氮不锈钢②不锈钢的晶间腐蚀沿金属晶界发生的腐蚀称之为晶间腐蚀。其特点是：金属外形尺寸几乎不变，大多仍保留原有金属光泽，但金属强度和延伸性下降，冷变后表面出现鱼鳞状裂纹，敲击时失去金属声。断面金相检查可发现晶界或相邻区域发生局部腐蚀，腐蚀的晶界发展堆进较为均匀。晶间腐蚀倾向试验方法：GB1223规定五种方法：草酸法（C法）、硫酸、硫酸铜和铜屑法（T）法、硫酸铜法（L法）、氟化钠法（F）法、硫酸法（X）法。奥氏体不锈钢常要求用（T）法检验。③常用不锈钢a.铁素体不锈钢：Cr17、Cr17Ti、Cr28。特点：在氧化性酸类、有机酸和有机盐水溶液中有良好的耐腐蚀性。在退火状态使用。焊接时有产生脆化和冷裂倾向。b.马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13特点：在温度不超过300C的弱腐蚀介质中有良好的耐腐蚀性，对淡水、海水、蒸汽和空气也有足够的耐腐蚀性。在淬火+回火状态下使用。具有