金属材料知识培训

金属材料知识金属材料非金属材料黑色金属有色金属材料(用量占80%)复合材料陶瓷材料高分子材料(用量占20%)材料的性能材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性、韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）强度：指材料抵抗塑性变形和断裂的能力，对于结构材料来说，它是最重要的力学性能。塑性：表示材料断裂前发生的永久变形（塑性变形）的能力。塑性指标：延伸率和断面收缩率韧性：反映材料抵抗裂纹扩展能力的大小，是单位体积材料在断裂前所吸收的能量，也就是外力使材料断裂所做的功。硬度：指材料抵抗外物压入能力，硬度测量简单快速，不破坏零件。硬度与强度之间有一定关系，可用硬度来估计强度。几种常见的力学性能P载荷(N)变形三阶段弹性变形弹塑性变形断裂形变强化（加工硬化）：屈服后欲变形必须不断增载，随塑变增大，变形抗力增大。Pb：强度极限的载荷试样某一部位截面开始急降颈缩——导致载荷下降。Pk：断裂载荷Pp：保持直线关系的最大载荷过P点曲线开始偏离直线Pe：变形开始阶段卸载后立刻恢复原状（弹变）超过，伸长只部分恢复（塑变）Ps：屈服时的最小变形屈服：载荷不增加或反而减少，试样还继续伸长的现象。屈服后，材料出现明显塑变，表面滑移带。l伸长(mm)（低碳钢的拉伸曲线）eps0bPpkPklblulk(MPa)(%)0pkbuk（低碳钢的应力-应变曲线）p：比例强度极限保持直线关系的最大应力值e：弹性强度极限p-e弹性变形阶段过e，弹变+微量塑变s：屈服强度极限达一定值时，不增或降低，l增上屈服点：屈服阶段的最大应力。（对试样局部应力集中极为敏感）一般选下屈服点作为材料屈服强度形变强化：欲继续变形，必须不断增加应力，达b后，形变强化效应已不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低。(b点后颈缩)k：断裂强度此时试样断裂。2.弹性极限e和屈服强度s：•弹性极限是表征开始塑性变形的抗力。•严格说：是表征微量塑性变形的抗力。•测出的弹性极限受测量精度影响，为便于比较，规定残余伸长应力。•规定以残余伸长为0.01%的应力作为规定残余伸长应力，记作0.01•除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现象外，大多数金属合金都没有屈服点。•规定产生0.2%残余伸长的应力作为屈服强度，以0.2表示。•0.2的测量方法同上，采用图解法。•固态相变是热处理的基础•相变：构成物质的原子（分子）的聚合状态（相状态）发生变化的过程。•固态相变：固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变。•母相或旧相：相变前的相状态•新相：相变后的相状态固态相变Fe-CPhaseDiagramA1A3ACM铁碳相图相图与相变Fe-C相图、冷却过程中的组织变化及产物1.1固态相变的分类1.按平衡状态图分类•平衡相变和非平衡相变•平衡相变缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变–：•非平衡相变加热或冷却速度很快，上述平衡相将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织平衡相变①同素异构转变/多形性转变–纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。–在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。钢中铁素体奥氏体的转变奥氏体铁素体的转变平衡相变②平衡脱溶沉淀•在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀•特点：母相不消失，随着新相析出，母相的成分和体积分数不断变化（结构不变），新相的结构和成分与旧相不同平衡相变③共析相变•合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变(或珠光体型转变)•其两个生成相的结构和成分均与母相不同•加热时也可发生α+→转变，称为逆共析相变平衡相变④调幅分解•某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。⑤有序化转变•固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序(指长程有序)的转变称为有序化转变。如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。非平衡相变•（2）非平衡相变–非平衡相变：加热或冷却速度很快，上述平衡相将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织–①伪共析相变：•由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变•组成相的相对量由A的碳含量而变。非平衡相变–②马氏体相变•进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都己不能或不易扩散，故奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由点阵改组为α点阵，这种转变称为马氏体相变Fe-C合金非平衡相变–③贝氏体相变•当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或称为中温转变)。•其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与珠光体不同，称其为贝氏体。非平衡相变④非平衡脱溶沉淀•若b成分的合金自T1温度快冷时，相在冷却过程中来不及析出，则冷到室温时便得到过饱和的α固溶体。•若在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相。但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同，这一过程称为非平衡脱溶沉淀(或时效)。2.按原子迁移特征分类相变时原子迁移特征扩散型相变非扩散型相变2按原子迁移特征分类（1）扩散型相变相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化转变等等。特点：（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；（2）新相和母相的成分往往不同；（3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。2.按原子迁移特征分类(2)非扩散型相变相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。如：马氏体相变特点：（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象。（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。（3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。（4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。•热处理是将工件在介质中加热到一定温度并保温一定时间，然后以一定速率冷却，以改变金属的组织结构，从而改变其性能。例如增加或降低金属材料的强度、硬度、韧性、塑性等。热处理基本知识1、热处理的定义一、概述时间温度临界温度热加保温冷却2、热处理的主要目的：获得所需的使用性能3、热处理的应用范围：整个制造业4、热处理的分类：一、概述热处理普通热处理化学热处理表面热处理退火、正火淬火、回火表面淬火感应加热淬火火焰加热淬火渗碳、渗氮碳氮共渗1、转变温度二、钢在加热时的组织转变2、奥氏体的形成二、钢在加热时的组织转变3、奥氏体晶粒度对力学性能的影响(1)奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。(2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。二、钢在加热时的组织转变1、钢在热处理时的冷却方式三、钢在冷却时的组织转变时间温度临界温度热加连续冷却等温冷却保温2、过冷奥氏体的等温冷却转变(1)TTT曲线(C曲线)-Time,Temperature,Transformation三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变(1)TTT曲线(C曲线)----共析碳钢三、钢在冷却时的组织转变⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。⑵C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。C曲线的分析2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能珠光体形貌三、钢在冷却时的组织转变光镜下形貌电镜下形貌2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能索氏体形貌三、钢在冷却时的组织转变光镜形貌电镜形貌2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能------屈氏体形貌三、钢在冷却时的组织转变电镜形貌光镜形貌2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;三、钢在冷却时的组织转变B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能上贝氏体组织金相图三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能350～230℃:B下;50～60HRC;三、钢在冷却时的组织转变B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能下贝氏体组织金相图三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能马氏体型(M)转变(230～-50℃):马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变三、钢在冷却时的组织转变奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响2、过冷奥氏体的等温冷却转变三、钢在冷却时的组织转变奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响2、过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的组织形态：板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变三、钢在冷却时的组织转变低碳板条马氏体组织金相图2、过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的组织形态：针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。三、钢在冷却时的组织转变2、过冷奥氏体的等温冷却转变三、钢在冷却时的组织转变高碳针片状马氏体组织金相图2、过冷奥氏体的等温冷却转变马氏体的性能主要取决于马氏体中的碳浓度。三、钢在冷却时的组织转变高碳针片状马氏体组织金相图2、过冷奥氏体的等温冷却转变影响TTT曲线的形状和位置的因素：奥氏体中含碳量的影响：含碳量越高，曲线右移。奥氏体中合金元素的影响：除Co和Al外，所有合金元素溶入奥氏体中会使曲线右移。加热温度和保温时间的影响：加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。三、钢在冷却时的组织转变3、过冷奥氏体的连续冷却转变(1)CCT曲线三、钢在冷却时的组织转变3、过冷奥氏体的连续冷却转变(1)CCT曲线----共析碳钢三、钢在