金属材料及热处理基础知识.ppt

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1、第一章 金属材料加热处理基本知识,1 材料的性能 使用性能 力学性能 强度 硬度 刚度 塑性 韧性 物理性能 密度 熔点 导热性 热膨胀系数 化学性能 耐蚀性 热稳定性工艺性能,1.1 材料的力学性能力学性能是指材料在受力作用时所表现出来的各种性能。,外力作用的效果宏观：物体形状与尺寸改变。微观：物体内部相邻质点间的相对位置改变。,内力指材料内部各部分之间相互作用的力,内 力,1.1.1 应力和应变,P,P,1、截开：在欲求内力的截面处，假想的将构件截开，取 其中一部分。,截面法,2、替代：用弃去部分对留下部分的作用力代替截面 上的内力。,P,P,3、平衡：建立留下部分的平衡条件，确定未知内力

2、。,P,P,FN=P,截面法求内力的步骤：,截开 替代 平衡,截面法的实质：,通过假想的把构件截开的方法，将内力转化为外力。,为什么相同材料细杆比粗杆容易被拉断？,F,F,FN1,FN2,FN1=F,FN2=F,内力是与强度直接有关的量吗？,应力：内力在某一点的分布集度。,k,A,F,求：mm 截面上 k点的应力,平均应力,pk,pk可分解为,正应力 切应力,拉应力压应力,F,F,轴向拉伸杆横截面上的应力,轴向拉伸杆件横截面上应力的求法,0,拉 伸 曲 线,1.1.2 强度 金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。,弹性阶段,屈服阶段,强化阶段,屈服阶段,金属拉伸过程四个阶段 弹性阶段 符合胡克定律

3、 屈服阶段 发生屈服 强化阶段 发生加工硬化 颈缩阶段,强度指标,安全条件：构件的最大工作应力不超过材料的 极限应力。,（断裂）（屈服）,极限应力,公式 中的近似因素,荷载值的确定是近似的。计算简图不能精确符合实际构件的工作情况。实际材料不能完全符合理想均匀假设。测量值存在误差。结构在使用过程中偶尔会遇到超载的情况。,许用应力,安全系数,工程上认为的屈服强度为可测量的塑性伸长 0.2%,1.1.3 塑性,材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性大小用伸长率和断面收缩率来表示,GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法,1.1.4 硬度 材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能

4、力。一般硬度较高的材料其强度也较高。1.布氏硬度,以一定大小载荷F把规定直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合全球压头压入试样表面，保持规定时间后卸载，在放大镜下测量试样表面的压疽直径d(mm)，用载荷F除以压痕球形表面积Ao(mm2)所得商作为布氏硬度值，记为HB。,2.洛氏硬度,以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1588mm的淬火钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接在硬度计刻盘读出。,洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。洛氏硬度符号、试验条件和应用表,3维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，

5、区别在于压头采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。维氏硬度值用HV表示。,压痕面,4.里氏硬度 原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生的反弹速度大于较软者。,5.硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。工程上：,单位：MPa,1.1.5 韧性 材料抵抗冲击载荷的能力。,冲击试验装置,冲击试样,1.2 金属学与热处理基本知识1.2.1 金属的原子结构 绝大多数固体具有晶态结构，即为晶体，其组成粒子在三维空间作有规则的周期性重复排列。规则排列的方式即称晶体结构。,(1)体心立方晶格-Fe(910

6、以下的纯铁)、铬、铂、钒、钨等。这类晶格一船具有较高的熔点、相当大的强度和良好的塑性。,(2)面心立方品格 属于这类晶格的金属有-Fe(1390一910时的钝铁)、铜、铝、镍、银、金等。这类晶格金属往往有很好的塑性。,(3)密排六方晶格 该类金属有镁、锌、镉、铍等。该类金属有一定的强度，但塑性较差。,（4）单晶体和多晶体,晶粒内的原子排列相同,由多个晶粒构成,（5）原子缺陷,A、点缺陷,使金属发生晶格畸变，使金属屈服点和抗拉强度提高,B、线缺陷,晶体中的刃形位错和螺位错,C、面位错,晶界附近晶格的错配和畸变,D、体缺陷,非金属夹杂物，硫化物。降低基体的机械强度,（6）金属的凝固过程,过冷度：金

7、属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，两者温度之差，称为过冷度。,生长过程：随机产生晶核晶核依附于固态杂质液态原子相晶核聚集晶核长大晶粒接触,冷却速度对晶粒大小的影响,快速冷却，形核点多，晶粒细小冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大,1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量2%-弱而脆铁碳合金 铁素体碳熔于铁或铁中的固溶体 F 钢 奥氏体碳熔于铁中的固溶体 A 渗碳体铁碳金属化合物含碳6.67%Fe3C 渗碳体 含碳量为6.67的铁碳合金。,碳含量0.02%-2%,强而韧,Fe-Fe3C的平衡相图,简化的平衡相图,(1)C点 共晶点 含碳量为4.3%的合金熔热冷至此点时，在恒温下发生共晶转变。(2

8、)S点 共析点 含碳量为0.77%的合金熔热冷至此点时，在恒温下发生共析转变。(3)ABCD线 液相线(4)AHJECF线 固相线。(5)GS线 又称A3线，从奥氏体中析出铁索体的曲线，相变 时，奥氏体成分沿此线向S点变化。(6)ES线 又称Acm线，碳在奥氏体中固溶线，其最大溶解度是1148时的2.11%(E点)。舆氏体冷至此线开始析出Fe3C，称为二次渗碳体，记为Fe3C，以区别于从液体中直接结晶出的一次渗碳体。(7)PQ线 碳在铁索体中固溶线，其最大溶解度是727时的0.02(P点)。铁索体冷至此线时将析出二次相Fe3C，称三次渗碳体。,共析钢A、结晶过程,B、显微组织,2.亚共析钢A、

9、结晶过程,B、显微组织,铁素体,珠光体,3.过共析钢A、结晶过程,B、显微组织,渗碳体,珠光体,4.亚共晶白口铸铁A、结晶过程,B、显微组织,渗碳体,珠光体,莱氏体,5.过共晶白口铸铁A、结晶过程,B、显微组织,渗碳体,莱氏体,1.2.3 热处理的一般过程,钢的热处理是指将钢在固态下进行不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺。它是改善钢树加工性能、提高产品质量、降低成本、延长使用寿命、充分发挥材料潜力的重要手段。绝大部分的零件和工、模具你需进行热处理。热处理工艺一般由为加热、保温、冷却三个阶段构成。加热速度、加热温度、保温时间及冷却速度，称为热处理过程的工艺参数

10、。变动其中之一参数，都可改变钢的组织，从而改变钢的性能。,一、加热时奥氏体的转变,碳钢在室温的组织不外是铁素体+珠光体(亚共析钢)、珠光体(共析钢)、或珠光体+二次渗碳体(过共析钢)。当加热温度超过Ac1时，珠光体即转变为奥氏体，故碳钢在加热时的组织转变主要是珠光体向奥氏体的转变，此转变过程称为奥氏体化。钢奥氏体化的目的主要是为了获得成分均匀，晶粒细小的奥氏体。,1共析碳钢奥氏体的形成过成程,2.亚共析钢、过共析钢奥氏体的形成过程,二、冷却时奥氏体的分解 钢通过加热获得一定成分和晶粒大小的奥氏体状态以后，便要按预定的目的以一定的冷却速度冷却下来，达到预定的组织和性能要求。生产中常用的冷却方式有

11、两种：一种是连续冷却，即把已奥氏体化的钢件从高温连续不断地冷却下来，组织转变在临界点以下不同的温度下连续进行。生产中的退火、正火、淬火等乡属于这种冷却方式。另一种是等温冷却，即把已奥氏体化的钢件迅速冷却到临界点以下某一温度，在此温度下保温，待组织转变完成后再继续冷却到室温，所以其组织转变是在某一恒温下进行的。生产中的等温退火、等温淬火等属于这种冷却方式。,1.过冷奥氏体等温转变曲线,727,马氏体转变终了温度,马氏体开始转变温度,珠光体区,贝氏体区,马氏体区,“c曲线”或TTT曲线,2.冷却速度对组织转变的影响,V1 炉冷V2-空冷V3油冷V4水冷,上贝氏体,下贝氏体,上贝氏体：细密平行的铁素

12、体宽条间分布极细的短条状渗碳体，形状似羽毛；下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的渗碳体,板条马氏体,针状马氏体,铁碳合金相图的应用,3.锅炉压力容器用钢C曲线,亚共析碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线，其特点在于过冷奥氏体向珠光体转变之前有先共析相铁索体析出过程，因而在珠光体开始转变线的上部，增添了一条由过冷奥氏体析出铁素体的析出开始线而且等温转变温度越低，过冷度越大，其铁素体的析出过程越短。,1.2.4 锅炉压力容器用钢常见金相组织性能1、奥氏体 奥氏体是碳在铁中的固溶体，是面心立方结构，在金相组织中为规则多边形。奥氏体塑性很高，硬度和屈服点很低。,2、铁素体铁素体是碳与合金元素在

13、铁中的固溶体。铁素体为体心立方结构。铁素体硬度低，塑性好。727时碳的溶解度为0.022%，常温下溶解度为0.008%.,纯铁,0.2%碳,0.45%碳,3、渗碳体,渗碳体,二次渗碳体或网状渗碳体,一次渗碳体,渗碳体硬度高、脆性大，塑性接近于零。,4、珠光体是渗碳体和铁素体的机械混合物。,5、马氏体,是碳在铁中的过饱和固溶体，快速冷却时碳来不及扩散，发生组织切变。,6、贝氏体,上贝氏体,下贝氏体,上贝氏体：细密平行的铁素体宽条间分布极细的短条状渗碳体，形状似羽毛；下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的渗碳体,7、魏氏组织,魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这一温度区

14、内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。,8、带状组织铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布，使钢材机械性能出现各向异性，冲击韧性和断面收缩率降低。,1.2.5 锅炉压力容器常用热处理工艺1.1退火 将钢加热到一定温度，保温适当时间，然后缓慢冷却，使组织接近平衡状态的热处理叫退火。退火一般在炉内冷却。完全退火 重结晶退火 将钢加热到Ac3以上30一50，保温，后随炉缓冷不完全退火 将钢加热到Ac1以上30一50，保温，后随炉缓冷消除

15、应力退火将钢加热到Ac1以下100一200，保温，后随炉缓冷等温退火球化退火,1.2退火过程中的组织变化,细化组织，消除应力，改善切削,降低硬度，消除内应力，改善切削,2 正火 将钢加热到Ac3或Acm以上3050，保温足够时间，然后在空气中冷却的热处理工艺,正火后的硬度、强度、塑件和韧件均高于退火。可以细化钢的组织，消除组织缺陷以外，还可以提高低碳钢的硬度，改善切削加上性能，消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准备。,3 淬火 将钢加热到临界点以上一定温度，适当保温后快速冷却，从而使钢强化的热处理工艺，称为淬火。淬火后的马氏体组织不是锅炉压力容器中所希望得到的最终组织。,4 回火 将淬

16、火钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一段阶间，然而冷却(一般空冷到室温)的工艺，称为回火。回火的目的：调整机械性能，消除内应力，稳定工件组织。,低温回火 回火马氏体 工具、滚动轴承等中温回火 回火屈氏体 模具、弹簧等高温回火(调质)回火索氏体 齿轮、曲轴、容器钢板等,5 奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理固溶处理：将铬镍奥氏体不锈钢加热到1050-1100，保温一定时间，使碳化物充分溶解，快速冷却至427 以下，以获得均匀的奥氏体组织。稳定化处理：对含钛或铌铬镍奥氏体不锈钢加热到850-900，保温一定时间，空冷或缓冷。主要目的：均匀组织，防止晶间腐蚀。,1.3 锅炉压力容器常用材料要求：1、

17、材料要有足够的强度2、材料应有良好的韧性3、良好的加工工艺性能4、良好的低倍组织和表面质量5、良好的高温性能6、良好的抗腐蚀性能,1.3.1 钢的分类和命名按化学成分分：非合金钢、低合金钢、合金钢1.碳钢(1)按含碳量 低碳钢 含碳量0.25%中碳钢 含碳量0.25%-0.6%高碳钢 含碳量0.6%按质量普通碳素钢 含硫0.050%，含磷0.045%优质碳素钢 含硫0.040%，含磷0.040%高级优质碳素钢 含硫0.030%，含磷0.035%,按脱氧程度：沸腾钢 浇铸前未脱氧 镇静钢 浇铸前充分脱氧 半镇静钢 浇铸前脱氧不充分按冶炼方法：平炉钢 转炉钢 电炉钢按用途分：碳素结构钢 碳素工具钢

18、,碳钢的牌号,QXXX-XX,屈服点,屈服强度（MPa）,质量等级 A B(优质),脱氧方法 F 沸腾钢 b 半镇静钢 Z 镇静钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢：牌号为含碳质量的万分比 08钢 含碳量0.08%含锰量较高的加牌号数字后Mn 15Mn、20Mn沸腾钢后加 F专门用途钢种：如20g、20R、16MnR碳素铸钢：加ZG，后面跟屈服和抗拉强度如ZG200-400碳素工具钢：前面加T。如T8、T12A（高级优质碳素工具钢）2.合金钢的分类和命名低合金钢 合金含量不超过5%中合金钢 合金含量5%-10%高合金钢 合金含量大于10%,1.3.2 低碳钢 Q235B、Q235C、20R、20

19、g等。根据GB150-98第1号修改单，取消Q235-AF、Q235-A、15MnVNR 等含碳量增加，强度增加，塑性韧性变差，焊接性能变差，淬硬倾向变大。,微量杂质元素对钢性能的影响（1）锰 提高钢的强度，提高钢的韧性，细化组织。锰可以减少硫对钢危害性。但作为杂质存在的少量锰(08)对钢的性能影响不大。（2）硅 硅的脱氧能力较锰强，故作为主要脱氧加入钢液中。提高钢的弹性极限、抗拉强度和硬度。由于镇静钢中硅的含量一般小于037，在沸腾钢中则在0.02以下，因此它对钢的性能影响不大。（3）硫 硫与铁形成硫化亚铁，与铁在晶界形成低温共晶体，热轧出现晶界开裂，称为热脆。压力容器专用钢材含硫量小于0.

20、020%。（4）磷 少量的磷溶于铁素体中，由于其原子直径比铁大很多，造成铁素体的品格畸变很厉害，从而使钢的塑性和韧性大大降低，尤其是在碳的影响下，在低温时使钢的韧性降低特别厉害，这种现象称为冷脆。压力容器用钢中磷含量不大于0.030%。,（5）氮 含氮高的钢不耐腐蚀，已出现时效现象。（6）氧 氧使强度、塑性降低疲劳强度下降，出现热脆（7）氢 钢中含氢已出现氢脆、白点。,1.3.3 低合金钢低合金结构钢（1）16Mng、16MnR力学性能良好，可焊性较好，在大气和海洋中具有较好的耐腐蚀性。缺点是疲劳强度较低，易出现裂纹。（2）18MnMoNbR 强度较高，具有淬硬倾向，容易出现氢致延迟裂纹，必须

21、焊前预热焊后保温处理。（3）13MnNiMoNbR强度高、塑性好、冷脆转变温度低，可用于厚壁容器。（4）0MnCrMoVR强度和韧性都较高，裂纹敏感性低，焊前可不进行预热。,2.低温用钢 锰、镍可以改善钢的低温韧性。杂质轻元素降低钢的低温韧性。将低温界限定为-20 低温铁素体钢 16MnDR、15MnNiDR等低碳马氏体钢 9Ni（板条马氏体）奥氏体钢 1Cr18Ni9Ti、15Mn26Al4 等,3.低合金耐热钢钼钢、铬钼钢、铬钼钒钢在工作温度400-600 易出现：珠光体球化、石墨化、合金化等,1.3.4 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 0Cr13、1Cr17 马氏体不锈钢 1Cr13、2Cr13 奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9、00Cr18Ni10优点：屈服点低，屈服后的加工硬化性高，塑性、韧性好。高温性能好、耐蚀性、抗氧化高。缺点：容易出现晶间腐蚀，氯离子中容易发生应力腐蚀开裂。,