金属材料及热处理基础

金属材料及热处理基础知识讲座授课人杨华金属材料•工程材料根据其结构特点可分为金属材料、非金属材料和复合材料等。金属材料是工业上应用最为广泛的。•金属材料之所以得到广泛的应用，是由于其具有许多优良的性能。•金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能。•使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能，它包括物理性能、化学性能和力学性能。•工艺性能是指金属材料对诸如铸造、锻造、焊接、切削加工和热处理等工艺性能，采用各种工艺方法加工成形和进行性能调整的适应性，满足金属材料的使用要求。•物理、化学性能主要有导电性、导磁性、耐蚀性、耐热性。•力学性能是金属材料最主要的使用性能，所谓金属力学性能是指金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。它包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度。•1）强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的有屈服点（屈服强度）Rel（σs）和抗拉强度Rm（σb）。•根据载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度和抗扭强度等。一般情况下多以屈服点和抗拉强度作为判断金属材料强度高低的判据。•屈服点：试样在试验过程中力不增加仍能继续伸长（变形）时的应力。•抗拉强度：试样拉断前承受的最大标称拉应力。•2）塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。断后伸长率A%（δ%）和断面收缩率Z%（Ψ%）。断后伸长率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑变加工成复杂形状零件；塑性好的材料在受力过大时，材料产生塑性变形而不致于发生突然断裂，因而安全性好。•3）硬度：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是各种零件和工具的必备的性能指标。常用的硬度表示法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、里氏硬度等等。•①布氏硬度•布氏硬度的表示方法：HBS(HBW)•布氏硬度主要用于检测铸铁、金属及合金的退火、正火、调质的钢材。压痕较大，因此不适合测定成品及薄件。•②洛氏硬度•洛氏硬度的表示方法：HRC应用最广泛。(HRA\HRB\HRC)•洛氏硬度操作简单迅速，由于压痕小，可测量成品及薄工件，用于测量最终热处理工序的高硬度零件。•③维氏硬度•维氏硬度的表示方法：HV•它是一种较为精确的硬度检测方法，主要利用低载荷来测定不适合用布氏和洛氏法来测定的薄工件和工件上薄的硬化层的硬度。•④里氏硬度•里氏硬度的表示方法：HL•里氏硬度也是一种常用的检测方法，目前应用比较广泛，它的优点是：便携，检测方便，测量压痕小，可以与其它硬度进行转换。•⑤肖氏硬度：•表示方法HS。主要轧辊类零件的硬度检测。•4）韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力。ak：冲击韧度；Ak：冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的韧性越好。承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。材料的多次冲击抗力取决于材料的强度和塑性的综合性能判据。冲击能量小时，材料的多次冲击抗力主要取决于材料的强度；冲击能量大时，则主要取决于材料的塑性。•5）疲劳强度：材料在循环应力和应变作用下，在一处或多处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。在机械零件失效中有近80%以上属于疲劳破坏。金属在指定循环基数下的疲劳强度称为疲劳极限。金属的疲劳强度受工作条件、表面状态、材料本质及残余应力等因素的影响。•2、金属材料的工艺性能•金属材料的工艺性能直接影响零件加工的工艺质量，是选材和制定零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。•包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。合金的结构•一、合金与合金的基本组织•1、合金；是指两种或两种以上的金属与非金属经熔炼或烧结而成的具有金属特性的物质。合金不仅具有纯金属的基本特性，还具有优良的力学、物理和化学性能。因此合金比纯金属应用广泛。我们机械制造业中使用的的金属材料绝大多数都是合金，如碳素钢、合金钢、铸铁、黄铜、青铜等。•1）组元：组成合金的最基本的独立的物质叫做组元。它可以是金属元素（如Ｆｅ），非金属（如Ｃ、Ｓｉ）或稳定的化合物（如Ｆｅ３Ｃ）。•2）相：是指一个合金系统中的这样一种物质部分，它具有相同的物理和化学性能并与该系统的其余部分以界面分开。•如果合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，个晶粒间虽有界面分开，但它们仍属于同一种相；如果合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相。•3）组织：所谓的组织是指用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。也可说是人们观察到的合金的特征与形貌。•2、合金的基本相•合金中的基本相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。•1）固溶体：合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体。•根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两大类。•间隙固溶体的溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体。•置换固溶体的溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体。•无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入而使溶剂的晶格发生畸变，阻碍了位错的运动，使位错的滑移变得困难，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使合金的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。这种通过溶入溶剂元素形成固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。•2）金属化合物：它是合金间发生化合而形成的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于任一组成元素，一般可用分子式表示，且具有一定的金属性质。特点是具有高熔点、高硬度和高脆性。它是许多合金的重要组成相。•3、合金组织：纯组元、固溶体和金属化合物是构成合金内部组织的基本相。•二、铁碳合金相图•1、铁碳合金的基本组织•主要有三种形态：固溶体、金属化合物和机械混合物。它们是铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。•铁素体表示符号：F（a-Fe是体心立方晶格的固溶体）•奥氏体表示符号：A（r-Fe是面心立方晶格的固溶体）•渗碳体表示符号：Fe3C（间隙式化合物）•珠光体表示符号：P（机械混合物）•莱氏体表示符号：Ld（机械混合物）•2、根据Fe-Fe3C相图•Fe-Fe3C相图中不同含碳量的铁碳合金一般可分成三类：•1）工业纯铁（wc≤0.0218%）•2）钢（0.0218%＜wc≤2.11%）•亚共析钢（0.0218%＜wc＜0.77%）•共析钢（wc=0.77%）•过共析钢（0.77%＜wc＜2.11%）•3）白口铸铁（2.11%＜wc≤6.69%）•3、Fe-Fe3C相图的应用•1）作为选用钢铁材料的依据。根据Fe-Fe3C相图所表示的成分组织和性能的规律。如强度较高，塑性韧性好，焊接性好的的钢材，可以选择碳含量小于0.25%的低碳钢；如需要强度、韧性、塑性都比较好用钢可选择碳含量0.25~0.6%的中碳钢；如需要强度、硬度高和耐磨性好的工具用钢，可选择碳含量高于0.6%的高碳钢。•2）制定铸锻和热处理等热加工工艺的依据。铸造生产根据相图的液相线可以找出不同成分铁碳合金的熔点，找到钢熔化和浇注的合理温度。由于奥氏体组织具有强度低、塑性好、便于塑性变形加工的特点，合理选择锻造的开始轧制和终锻温度。根据对工件材料性能要求的不同，采取各种不同的热处理工艺方法，选择热处理加热温度等。热处理•热处理是机械零件制造的重要的特殊工序之一。•零件的加工工艺主要是：冶炼→锻造（铸造）→第一热处理→粗加工（车、铣、刨、镗等等）→(预备)热处理→半精加工→最终热处理→精加工•热处理：通过加热、保温和冷却的方法使金属和合金内部的组织结构发生变化，从而改善了工件的原始状态或应力分布，满足工件使用性能的要求的工艺方法。•热处理是由加热、保温、冷却三个基本环节组成的。•金属材料的传热方式有:传导、对流和辐射。钢的加热和冷却一、钢的加热•在大多数热处理工艺中，钢的加热的主要目的是获得奥氏体组织。因此我们把将钢件加热到Ac3或Ac1点以上，以获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。•金属或合金在加热和冷却过程中，发生相变的温度称为相变点（或临界点）。A1、A3、Acm等。•A1：表示加热时珠光体向奥氏体或奥氏体向珠光体转变的温度；•A3：表示亚共析钢加热时先共析铁素体完全容入奥氏体的温度或冷却时先共析铁素体开始从奥氏体中析出的温度；•Acm：表示过共析钢加热时二次渗碳体完全容入奥氏体的温度或冷却时二次渗碳体开始从奥氏体中析出的温度。•二、钢在加热过程中常见的缺陷：•欠热、过热和过烧都是加热时的组织缺陷，它们都因加热不当形成非正常组织，导致材料的性能下降甚至开裂。•1、欠热、过热和过烧•欠热是由于加热温度过低或加热时间过短,未充分进行奥氏体化而引起的组织缺陷.•过热是金属或合金在热处理加热时,由于温度过高,晶粒长的过大,以致性能显著降低的现象.过热除了引起晶粒粗大,在冷却过程中易于形成魏氏组织.因此过热的工件不仅易于引起淬火变形、开裂，能使力学性能明显降低，塑性和韧性的降低尤为明显。•过烧是金属和合金在加热温度达到其固相线附近时，晶界氧化和开始部分熔化的现象称为过烧。过烧的工件不仅晶粒严重粗化，会因局部熔化造成工件报废。•2、氧化和脱碳•3、变形、开裂•三、钢的冷却转变•钢在冷却时，主要的转变形式有两种：一种是等温转变；另一种是连续冷却转变。•1、等温转变：钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时，过冷奥氏体所发生的相转变称为等温转变。属于这种转变方式的有等温退火、等温淬火及分级淬火。等温转变图称“C曲线”•2、连续冷却转变：钢经奥氏体化后在不同冷速的冷却过程中过冷奥氏体所发生的相转变称为连续冷却转变。属于这种转变方式的有普通退火、正火和淬火。连续冷却转变图称CCT曲线。•四、过冷奥氏体的组织转变类型•1、珠光体型转变：A1~550℃•A1~650℃之间等温转变得到粗片状珠光体（P）。•650~600℃之间等温转变得到细片状珠光体，又称索氏体（S）。•600~550℃之间等温转变得到极细状珠光体，称为托氏体（T）。•2、贝氏体型转变：550℃~Ms温度范围内•550~350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体（B上）。•350℃~Ms范围内形成的贝氏体称为下贝氏体（B下）。•3、马氏体型转变：Ms~Mf•低碳板条马氏体（0.2%C）•高碳针状马氏体或片状马氏体（1.0%C）•五、工艺方法：•1、加热和保温：加热温度是热处理工艺的重要的工艺参数。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而不同，但一般都是加热到相变温度以上。当金属工件表面达到要求的加热温度时，还需在此温度保温一定时间，使内外温度一致，显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。因工艺方法的不同，加热、保温的速度和时间也不相同。2、冷却：冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。3、工艺类型：从工艺类型上大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火。钢的退火与正火•一、退火：就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热到奥氏体化后进行珠光体转变。•1、退火的目的：•1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。•2）细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。•3）消除钢的内应力，以防止变形和开裂。•2、常见的退火方式：•1）完全退火：在Ac3+30~50℃主要用于亚共析钢。•2）不完全退火：在Ac1~Ac3之间(用于共析或过共析钢).•3）球化退火：主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢。•球化退火有普通球化退火和等温球化退火。•4）去应力退火：主要为了消除锻造、铸造、焊接、加工及