金屬學(xué)與熱處理復(fù)習(xí).ppt

金屬學(xué)與熱處理復(fù)習(xí) MetallurgyandHeatTreatment 江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 主講人 王淑艷 第七章 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶 典型退火的過(guò)程 隨著保溫時(shí)間和延長(zhǎng)和溫度升高 可分為和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段 回復(fù) 再結(jié)晶的定義及性能變化及應(yīng)用 再結(jié)晶形核機(jī)制 亞晶長(zhǎng)大形核 變形量較大時(shí) 凸出形核 再結(jié)晶溫度 高純金屬 T再 0 25 0 35 Tm 工業(yè)純金屬 T再 0 35 0 45 Tm 合金 T再 0 4 0 9 Tm 經(jīng)驗(yàn)公式 注 再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高100 200 第七章 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶 達(dá)到某一數(shù)值 2 10 時(shí) 晶粒特別粗大 主要是G N的比值大 臨界變形度 臨界變形量 晶粒長(zhǎng)大方式 正常長(zhǎng)大 反常長(zhǎng)大 再結(jié)晶圖 將晶粒大小 退火溫度與變形量的關(guān)系繪制成立體圖形 稱為再結(jié)晶圖 冷加工 熱加工 按加工的溫度分類 第八章擴(kuò)散 空位機(jī)制 擴(kuò)散機(jī)制 間隙機(jī)制 具有驅(qū)動(dòng)力 化學(xué)位梯度 此外 溫度梯度 應(yīng)力梯度 表面自由能差 以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用也可引起擴(kuò)散擴(kuò)散原子能固溶 擴(kuò)散原子在基體有一定固溶度 溫度足夠高 溫度 原子熱振動(dòng)越激烈 原子激活遷移幾率越大 時(shí)間足夠長(zhǎng)擴(kuò)散原子的每次隨機(jī)躍遷距離只有nm級(jí) 需長(zhǎng)時(shí)間 固態(tài)擴(kuò)散的條件 固態(tài)擴(kuò)散需滿足下列四個(gè)條件 第八章擴(kuò)散 第三節(jié)影響擴(kuò)散的主要因素 溫度 晶體結(jié)構(gòu) 成分 其他 影響程度 溫度 成分 結(jié)構(gòu) 其它 第八章擴(kuò)散 擴(kuò)散的分類 自擴(kuò)散 原子經(jīng)由自己元素的晶體點(diǎn)陣而遷移的擴(kuò)散 如純金屬或固溶體的晶粒長(zhǎng)大 無(wú)濃度變化 互擴(kuò)散 原子通過(guò)進(jìn)入對(duì)方元素晶體點(diǎn)陣而導(dǎo)致的擴(kuò)散 有濃度變化 下坡擴(kuò)散 原子由高濃度處向低濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散 上坡擴(kuò)散 原子由低濃度處向高濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散 原子擴(kuò)散 擴(kuò)散過(guò)程中不出現(xiàn)新相 反應(yīng)擴(kuò)散 由之導(dǎo)致形成一種新相的擴(kuò)散 有無(wú)濃度變化 擴(kuò)散方向 是否出現(xiàn)新相 第八章擴(kuò)散 第二節(jié)擴(kuò)散定律 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的某一單位面積截面的擴(kuò)散物質(zhì)流量 擴(kuò)散通量J 與濃度梯度成正比 菲克 FickA 第一定律 適用條件 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 dc dt 0 濃度及濃度梯度不隨時(shí)間改變 表達(dá)式 J D dc dx C 溶質(zhì)原子濃度 D 擴(kuò)散系數(shù) 第九章鋼的熱處理原理 第一節(jié)概述 定義 熱處理及其作用 熱處理工藝示意圖 最終熱處理 預(yù)備熱處理 熱處理與相圖 原則上只有在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生溶解度顯著變化或者同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的 即有固態(tài)相變的金屬或合金 才能進(jìn)行熱處理 純金屬 某些單相合金等不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的 只能采用加工硬化的方法 加熱與冷卻速度對(duì)臨界點(diǎn)的影響 第九章鋼的熱處理原理 固態(tài)相變類型 擴(kuò)散型 非擴(kuò)散型 半擴(kuò)散型 第九章鋼的熱處理原理 奧氏體是碳溶于 Fe所形成的固溶體 在合金鋼中 除了碳原子外 溶于 Fe中的還有合金元素原子 1 奧氏體的結(jié)構(gòu) 第九章鋼的熱處理原理 共析鋼奧氏體的形成過(guò)程 奧氏體的形成過(guò)程 形核 長(zhǎng)大 殘余滲碳體的溶解 均勻化 第九章鋼的熱處理原理 奧氏體晶粒長(zhǎng)大及控制 晶粒度 是表示晶粒大小的一種尺度 是以單位面積內(nèi)晶粒的個(gè)數(shù)或每個(gè)晶粒的平均面積與平均直徑 類別 起始晶粒度 實(shí)際晶粒度 本質(zhì)晶粒度 指臨界溫度以上奧氏體形成剛剛完成 其晶粒邊界剛剛互相接觸時(shí)的晶粒大小 指在某一熱處理加熱條件下 所得到的晶粒尺寸 對(duì)鋼來(lái)說(shuō) 如果不特別指明 一般是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒大小 默認(rèn) 代表在某一條件下 奧氏體的長(zhǎng)大傾向 通常采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法 即將鋼加熱到 930 10 攝氏度 保溫3 5小時(shí)后 測(cè)定其奧氏體晶粒大小 晶粒度在5 8級(jí)者稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 在1 4級(jí)者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼 晶粒度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 一般生產(chǎn)中把奧氏體晶粒大小分為1 8個(gè)級(jí)別 其中1級(jí)最粗 8級(jí)最細(xì) 超過(guò)8級(jí)以上的稱為超細(xì)晶粒 關(guān)系式 晶粒度的級(jí)別G與晶粒大小之間的關(guān)系為 N 2G 1G 晶粒度級(jí)別 N 100X時(shí) 平均晶粒數(shù)目 inch2 6 45cm2 第九章鋼的熱處理原理 例題 晶粒度級(jí)別N可由關(guān)系式N 2G 1確定 式中n為當(dāng)線放大100倍時(shí) 在每個(gè)6 45cm2面積中觀察到的晶粒數(shù) 計(jì)算當(dāng)晶粒度為7級(jí)時(shí) 晶粒的實(shí)際平均直徑 解 n 27 1 64d平均 645 1002 64 0 032 mm 第九章鋼的熱處理原理 晶粒度影響因素 加熱溫度保溫時(shí)間 加熱速度 化學(xué)成分 原始組織 第九章鋼的熱處理原理 冷卻方式 等溫冷卻 連續(xù)冷卻 過(guò)冷奧氏體 第九章鋼的熱處理原理 奧氏體不同冷卻方式示意圖1 等溫冷卻2 連續(xù)冷卻 圖9 5共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 第九章鋼的熱處理原理 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 中間曲線左邊過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線 右側(cè)一條為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線 水平A1鋼的臨界點(diǎn) 723 即奧氏體與珠光體的平衡溫度 Ms 230 為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度 Mf 50 為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度 共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析 三水平線兩曲線 第九章鋼的熱處理原理 問(wèn)題 如將一根直徑5mm的熱軋鋼試樣加熱到650 等溫15s后淬火水中 問(wèn)等溫轉(zhuǎn)變曲線可否用來(lái)分析最后得到的組織 不能原因 等溫轉(zhuǎn)變曲線是描述過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變的 熱軋共析鋼加熱到650 并未發(fā)生奧氏體化 第九章鋼的熱處理原理 珠光體轉(zhuǎn)變 pearlitetransformation 共析成分的過(guò)冷奧氏體從Al以下至C曲線的 鼻尖 以上 即Al 550 溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變 為全擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變 即鐵原子和碳原子均進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 按形態(tài) 片狀珠光體 粒狀珠光體 形成條件 組織 性能 不同 第九章鋼的熱處理原理 第九章鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變 pearlitetransformation 兩種馬氏體比較 貝氏體比較 第九章鋼的熱處理原理 貝氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)加熱溫度過(guò)高并以較快速度冷卻時(shí) 先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體的晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)生長(zhǎng) 呈針片狀析出 連同其間的珠光體組織一起稱為魏氏組織 魏氏組織的形成與鋼中碳含量 奧氏體晶粒大小及冷卻速度有關(guān) 通常伴隨奧氏體粗晶組織出現(xiàn) 第九章鋼的熱處理原理 魏氏組織 共析鋼連續(xù)冷卻C曲線 第九章鋼的熱處理原理 共析鋼過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻C曲線 碳化物的轉(zhuǎn)變 第九章鋼的熱處理原理 離位析出 一種碳化物的析出是通過(guò)其它碳化物溶解并在其它地方重新形核 長(zhǎng)大的方式形成 這種單獨(dú)形核的方式 原位析出 一種碳化物的析出是由另外一種碳化物直接轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái) 它們之間存在相同的慣習(xí)面 鋼在回火時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象 即在250 400 和450 650 兩個(gè)溫度區(qū)間回火后 鋼的沖擊韌性明顯下降 這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性 回火脆性 根據(jù)脆化現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和溫度區(qū)間 回火脆性可分為兩類 第九章鋼的熱處理原理 淬火后回火產(chǎn)物與奧氏體直接分解產(chǎn)物比較 第九章鋼的熱處理原理 托氏體索氏體 回火托氏體回火索氏體 是鐵素體加碳化物的珠光體類型組織 相同 區(qū)別 碳化物呈片狀分布 碳化物呈顆粒狀分布 許多性能得到改善 相同的硬度和強(qiáng)度時(shí) 屈服強(qiáng)度 韌性塑性提高 片狀碳化物受力時(shí)會(huì)使基體產(chǎn)生應(yīng)力集中 碳化物脆斷或形成微裂紋 而粒狀的應(yīng)力集中小 微裂紋不易產(chǎn)生 故塑 韌性好 第十章鋼的熱處理工藝 退火 正火 淬火 回火 定義 目的 選用原則 組織 淬火應(yīng)力 第十章鋼的熱處理工藝 兩種應(yīng)力比較 工件在淬火過(guò)程中會(huì)發(fā)生形狀和尺寸的變化 有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生淬火裂紋 工件變形和開裂的原因是由于淬火過(guò)程中在工件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成的 淬透性是是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力 鋼的固有屬性 相同奧氏體化溫度下 其淬透性是不變的 實(shí)際工件的淬透層深度是指具體條件下測(cè)錠的半馬氏體區(qū)至表面的深度 與淬透性 工件尺寸及淬火介質(zhì)的冷卻能力等有關(guān) 淬硬性是鋼淬火時(shí)的硬化能力 用淬成馬氏體可能得到的最高硬度表示 主要取決于馬氏體碳含量 淬透性 淬透深度 淬硬性區(qū)別 第十章鋼的熱處理工藝 根據(jù)鋼的淬透性曲線 鋼的淬透性值通常用表示 其中 J表示末端淬透性 d表示至末端的距離 HRC表示在該處測(cè)得的硬度值 舉例 第十章鋼的熱處理工藝 感應(yīng)加熱淬火技術(shù) 第十章鋼的熱處理工藝 工作原理及作用 化學(xué)熱處理 滲碳 緩冷及熱處理后的組織及性能 形變熱處理 是形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的綜合效果 工程結(jié)構(gòu)用鋼機(jī)器零件用鋼 刃具鋼模具鋼量具鋼 耐蝕鋼耐熱鋼耐磨鋼耐寒鋼電工鋼 結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼 按用途分 第十一章工業(yè)用鋼 滲碳鋼 調(diào)質(zhì)鋼 彈簧鋼 第十二章鑄鐵 鑄鐵是 2 11 C的鐵碳合金 除C外 還含有較多的Si Mn和其它的一些雜質(zhì)元素 工業(yè)常用鑄鐵的碳含量為2 11 4 5 滲碳體 主要影響因素 化學(xué)成分 冷卻速度 石墨 第十二章鑄鐵 鑄鐵的分類 碳存在的形式及斷口的顏色 白口鑄鐵 灰鑄鐵 麻口鑄鐵 滲碳體 游離的石墨 滲碳體 游離的石墨 第十二章鑄鐵 石墨的形態(tài) 普通灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 球墨鑄鐵 片狀 團(tuán)絮狀 球狀 蠕蟲狀 蠕墨鑄鐵 灰鑄鐵 第十三章有色金屬 鋁無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 鋁合金的熱處理與鋼的異同點(diǎn) 固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化 可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化 鋁合金的標(biāo)識(shí) 硬鋁 鋁及鋁合金 鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果取決于固溶體的濃度和時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間 時(shí)效溫度過(guò)高 時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 將使合金軟化 稱為過(guò)時(shí)效 固溶處理 鋁合金經(jīng)加熱到單相區(qū)保溫后 快速冷卻后獲得過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝 時(shí)效強(qiáng)化 沉淀強(qiáng)化 過(guò)飽和固溶體在室溫放置或加熱到某一溫度保溫 隨時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生強(qiáng)度 硬度明顯升高 塑性降低的現(xiàn)象 自然時(shí)效 人工時(shí)效 鋁合金的熱處理 鋁合金的強(qiáng)化熱處理包括固溶處理和時(shí)效處理 第十三章有色金屬 答 1 不可以 鋁合金在固態(tài)下加熱只有溶解度的變化 而沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 只能通過(guò)固溶處理 時(shí)效強(qiáng)化 問(wèn)題 1 鋁合金可以像鋼一樣通過(guò)馬氏體相變強(qiáng)化嗎 2 鋁合金可以通過(guò)滲碳 氮化方式表面強(qiáng)化嗎 2 不可以 因?yàn)镃 N在鋁中的溶解度很小 特別是鋁與氧親和力大 表面生成致密氧化膜 使?jié)B碳 滲氮時(shí)活性原子不能被表面吸收 同時(shí)也無(wú)法向心部擴(kuò)散 因而不能通過(guò)滲碳和滲氮表面強(qiáng)化 第十三章有色金屬 硬鋁合金 2XXX Al Cu Mg系合金 屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金 合金中加入銅和鎂是為了形成強(qiáng)化相 CuAl2 和S CuMgAl2 含有少量的錳是為了提高抗蝕性能 而對(duì)時(shí)效強(qiáng)化不起作用 硬鋁具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度 經(jīng)自然時(shí)效后強(qiáng)度達(dá)到380MPa 490MPa 原始強(qiáng)度為290MPa 300MPa 提高25 30 硬度也明顯提高 由70HB 85HB提高到120HB 與此同時(shí)仍能保持足夠的塑性 抗蝕性差 特別在海水中尤甚 且易產(chǎn)生晶間腐蝕 因此需要防護(hù)的硬鋁部件 其外部都包一層高純度鋁 制成包鋁硬鋁材 但是包鋁的硬鋁熱處理后強(qiáng)度較未包鋁的為低 代表 2A11T4 2A12T4 第十三章有色金屬 第十三章有色金屬 純鈦具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 鈦及鈦鈦合金 鈦合金的分類 命名及特點(diǎn) 按熱處理后的組織特點(diǎn) 鈦合金 鈦合金 鈦合金 第十三章有色金屬 純銅具有面心立方結(jié)構(gòu) 無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 塑性高而強(qiáng)度低 伸長(zhǎng)率約為50 強(qiáng)度約240MPa 銅及銅合金 純銅 氫病 以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅 以H表示 黃銅最常見的腐蝕形式是 脫鋅 和 季裂 黃銅 綜合分析題 一 用冷拔銅絲制作的導(dǎo)線 冷拔之后應(yīng)如何處理 為什么 答 用冷拔銅絲制作的導(dǎo)線 冷拔之后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火 因?yàn)殂~導(dǎo)線的性能要求具有良好的導(dǎo)電性能 和一定的強(qiáng)度和塑性 銅絲冷拔后 導(dǎo)電性能下降 具有較高的強(qiáng)度 但韌性較差 去應(yīng)力退火后 導(dǎo)線的導(dǎo)電性能基本可以恢復(fù)到冷拔前的水平 且強(qiáng)度 硬度變化不大 而塑性和韌性的所提高 符合導(dǎo)線使用性能的要求 綜合分析題 二 設(shè)有一楔形板坯 經(jīng)過(guò)冷軋后 得到相同厚度的板材 然后進(jìn)行再結(jié)晶退火 試問(wèn)該板材的晶粒大小是否均勻 畫出沿板材方向的晶粒變化情況 并解釋原因 答 晶粒大小不均勻 隨著楔子的進(jìn)入 其變形度逐漸增大 其晶粒度大小隨變形情況的變化如圖所示 當(dāng)變形量小時(shí) 晶粒仍保持原狀 這是由于變形小 畸變能小 不足以引起再結(jié)晶 所以晶粒大小沒(méi)有變化 當(dāng)達(dá)到臨界變形度時(shí) 得到特別大的晶粒 當(dāng)超過(guò)這個(gè)臨界變形度后 則變形越大 晶粒越細(xì) 當(dāng)變形度達(dá)到一定程度后 再結(jié)晶晶粒基本保持不變 當(dāng)變形度再大時(shí) 可能會(huì)出現(xiàn)二次結(jié)晶 導(dǎo)致晶粒重新粗化 綜合分析題 見書中圖7 12 綜合分析題 三 現(xiàn)有低碳鋼齒輪和中碳鋼齒輪各一只 為了使齒輪表面具有高的硬度和耐磨性 它們各應(yīng)進(jìn)行怎樣的熱處理 比較熱處理后它們?cè)诮M織與性能上的異同點(diǎn) 答 低碳鋼齒輪 由于含碳量低 塑性和韌性較高 硬度和耐磨性差 所以使用表面滲碳熱處理 后進(jìn)行淬火 低溫回火 在表面可獲得混合馬氏體組織 具有高的硬度和耐磨性 而心部仍然保持較高的塑性和韌性 中碳鋼齒輪 首先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 由于含碳量較高 整個(gè)提高整個(gè)齒輪的強(qiáng)度 硬度 塑性韌性 組織狀態(tài)是回火索氏體 要提高表面硬度和耐磨性 再進(jìn)行表面淬火 低溫回火 組織表面為回火馬氏體 心部仍為回火索氏體 使齒輪表面具有高硬度 高強(qiáng)度和良好的耐磨性 而心部保持良好的塑性和韌性 綜合分析題 四 用45鋼制造機(jī)床齒輪 其工藝路線為 鍛造 正火 粗加工 調(diào)質(zhì) 精加工 高頻感應(yīng)加熱表面淬火 低溫回火 磨加工 請(qǐng)說(shuō)明各熱處理工序的目的及使用狀態(tài)下的組織 答 鍛造后的45鋼硬度較高 不利于切削加工 正火后將其硬度控制在160 230HB范圍內(nèi) 提高切削加工性能 組織是珠氏體 粗加工后 調(diào)質(zhì)處理整個(gè)提高了45鋼強(qiáng)度 硬度 塑性韌性 組織狀態(tài)是回火索氏體 高頻感應(yīng)加熱表面淬火是要提高45鋼表面硬度的同時(shí) 保持心部良好的塑性和韌性 組織表面為馬氏體 心部仍為回火索氏體 低溫回火的組織狀態(tài)是表層為回火馬氏體 回火馬氏體既保持了45鋼的高硬度 高強(qiáng)度和良好的耐磨性 又適當(dāng)提高了