第3章改變材料性

第3章改變材料性能的主要途徑材料的性能是由其化學(xué)成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的，通過改變材料的成分或采用不同的加工處理工藝來改變其組織結(jié)構(gòu)以改變材料性能，后者則是工程上采用的主要手段。3.1、金屬的熱處理熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的一種工藝。熱處理是改善金屬材料（尤其是鋼）的使用性能和加工性能的一種非常重要的工藝方法。在機(jī)械工業(yè)中，絕大部分重要零件都要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍軡M足使用要求。本部分內(nèi)容理論聯(lián)系實(shí)際，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，也是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。本部分的主要內(nèi)容可分為熱處理原理和熱處理工藝兩部分。1）熱處理原理以過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(C曲線或TTT曲線)為中心，以鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系為主線，分析鋼中的各種組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。其主要內(nèi)容是：鋼在加熱時(shí)的奧氏體化過程；鋼在冷卻時(shí)由過冷奧氏體在不同條件下轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N產(chǎn)物(珠光體型、貝氏體型和馬氏體型)的轉(zhuǎn)變過程；鋼的回火轉(zhuǎn)變過程。學(xué)習(xí)中要注意弄清各種不同成分的鋼在不同冷卻條件下所形成各種組織的特征及其與性能的關(guān)系，見表3-1。

組織名稱符號轉(zhuǎn)變溫度／℃

相組成

轉(zhuǎn)變類型

特征HRC珠光體型

珠光體PA1～650

F+Fe3C

擴(kuò)散型(鐵原于和碳原子都擴(kuò)散)

片層間距0.6～0.8μm，500倍分清

索氏體S650～600

片層間距0.25μm，1000倍分清細(xì)珠光體25～30

托氏體T600～550

片層間距0.1μm，2000倍分清極細(xì)珠光體

貝氏體型

上貝氏體B上550～350F過飽+Fe３C半擴(kuò)散型(鐵原子不擴(kuò)散，碳原子擴(kuò)散)

羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間不均勻分布短桿(片狀)Fe3C。脆性大，工業(yè)上不應(yīng)用40～45F貝氏體B下350～240F過飽+ε(Fe２．４Ｃ)

針狀：在過飽和F針內(nèi)均勻分布(與針軸成550～650)細(xì)小顆粒ε碳化物。具有較高的強(qiáng)度、塑性、硬度、塑性和韌性50～60馬氏體針狀馬氏體w(C)≥1.0%(高碳、孿晶)M240～(-50)

碳在α-Fe中過飽和固溶體(體心正方晶格)

非擴(kuò)散型(鐵原子和碳原子都不擴(kuò)散)

①M(fèi)變溫形成，與保溫時(shí)間無關(guān)；

②M生長率非常大(達(dá)103m/s)；

③M轉(zhuǎn)變不完全性，w(C)≥0.5%，鋼中存在殘余奧氏體；

④M硬度與含碳量有關(guān)64～66板條馬氏體w(C)≤0.2%(低碳、位錯(cuò))30～50從共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可以確定在A1以下不同溫度等溫時(shí)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。根據(jù)它也可以定性地估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。凡是影響C曲線和冷卻曲線間相對位置的一切因素，均影響所得產(chǎn)物的組織和性能。這些因素主要是：①鋼加熱時(shí)奧氏體化的條件，主要是奧氏體的成分、均勻性及晶粒度；②冷卻介質(zhì)和冷卻方式；③零件的尺寸，由于零件表面和心部冷卻速度不同，導(dǎo)致其組織不同；④合金化，即改變鋼的成分，從而改變C曲線的位置和形狀及Ms點(diǎn)、Mf點(diǎn)的高低。這些因素是制定熱處理工藝時(shí)要考慮的基本問題。亞共析鋼和過共析鋼與共析鋼不同，在奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w之前，有先共析鐵素體或滲碳體析出。因此在亞共析鋼C曲線上多一條鐵素體析出線，過共析鋼則多一條滲碳體析出線。2）（整體）熱處理工藝由于熱處理后要求的性能不同，熱處理工藝的類型是多種多樣的。改變金屬整體組織的熱處理有退火、正火、淬火和回火以及穩(wěn)定化處理、固溶處理、固溶處理+時(shí)效等；改變金屬表面或局部組織的熱處理有表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。退火和正火常作為預(yù)備熱處理，淬火+回火常作為最終熱處理，淬火+回火工藝小結(jié)見表3-2。類別回火溫度/℃主要組織和硬度/HRC回火目的應(yīng)用舉例淬火+低溫回火150～250回火馬氏體(M回)，58～64

保持高硬度高耐磨性，消除應(yīng)力，降低脆性沖模、量具、滲碳件、表面淬火件、軸承淬火+中溫回火350～500回火屈氏體(T回)，35～50

獲得高的屈服強(qiáng)度和彈性極限彈簧、彈簧夾頭、模鍛錘桿、熱作模具淬火+高溫回火500～650回火索氏體(S回)，25～35

得到高的綜合力學(xué)性能連桿、軸、等重要結(jié)構(gòu)件鋼的強(qiáng)化原理是獲得馬氏體隨后經(jīng)過回火來實(shí)現(xiàn)的：馬氏體內(nèi)部含有很高密度的位錯(cuò)，有很強(qiáng)的位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)；馬氏體形成時(shí)，奧氏體被分割成許多較小的區(qū)域(馬氏體束)，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效果；溶質(zhì)原子特別是碳原子溶人馬氏體中造成了很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)；馬氏體回火后碳化物析出，造成了強(qiáng)烈的第二相析出強(qiáng)化效應(yīng)。因此，馬氏體相變加上回火轉(zhuǎn)變是鋼中最經(jīng)濟(jì)最有效的綜合強(qiáng)化手段，只有得到馬氏體，鋼的綜合強(qiáng)化才能得到保證。金屬材料除了相變強(qiáng)化外，提高金屬強(qiáng)度的主要方法就是在合金固溶體上分布一定數(shù)量的細(xì)小彌散第二相顆粒（主要是金屬間化合物），因其硬而脆，能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，阻礙塑性變形，使合金得到強(qiáng)化。由于這些硬粒子是在室溫或室溫以上不太高的溫度下長時(shí)間停置時(shí)沉淀析出的，故稱為沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化。合金進(jìn)行沉淀析出的必要條件是固溶體具有一定的溶解度，并且溶解度隨溫度的降低而明顯減少，故合金須進(jìn)行固溶處理，固溶處理后再進(jìn)行時(shí)效（人工或自然）。固溶處理+時(shí)效工藝在有色金屬、沉淀硬化不銹鋼等材料中應(yīng)用廣泛。各種常用熱處理工藝小結(jié)如表3-3所示。改變金屬組織的重要環(huán)節(jié)是加熱和冷卻。由Fe—Fe3C相圖選擇合適的加熱溫度；由C曲線確定合適的冷卻條件和方法。3）鋼的表面淬火與化學(xué)熱處理很多機(jī)器零件（如齒輪、轉(zhuǎn)軸等）是在彎曲、沖擊、疲勞等動(dòng)載荷和摩擦條件下工作的，要求其表面應(yīng)具有高的硬度和耐磨性以抵抗磨損或裂紋的產(chǎn)生，而心部要有足夠的韌性以抵抗沖擊破壞，即要求“表硬心韌”。顯然，選擇單一性能的材料及整體熱處理不能滿足要求，此時(shí)，可采用表面淬火、化學(xué)熱處理等表面強(qiáng)化技術(shù)與整體熱處理工藝相組合的方式來滿足零件的性能要求。鋼的表面淬火采用最多的是高頻感應(yīng)加熱表面淬火，鋼的常用化學(xué)熱處理工藝小結(jié)見表3-4所示。2、金屬的合金化改性為提高金屬材料的力學(xué)和理化性能，在冶煉時(shí)特意加入一些合金元素（合金化），就形成了合金（如合金鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金等）。合金化也是改善和提高鋼鐵材料和其它材料(有色金屬合金、陶瓷材料甚至發(fā)展聚合物“合金”)性能的主要途徑之一。合金元素主要通過對材料的組織的影響而影響其性能，實(shí)際上通過其對材料（比如鋼）的相平衡及相變的影響來理解它們對力學(xué)及其它性能的影響。合金化改性或強(qiáng)化金屬材料的原理：1）在金屬材料中能有效地阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)：①細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化，強(qiáng)度增加，塑性也改善；②固溶強(qiáng)化：異類原子溶人晶體使強(qiáng)度硬度增加；③位錯(cuò)強(qiáng)化：增加位錯(cuò)密度使強(qiáng)度增加；④第二相強(qiáng)化：恰當(dāng)尺寸的第二相硬粒子可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使強(qiáng)度、硬度、耐熱增加。2）溶入基體：①溶入奧氏體，阻礙鐵、碳的擴(kuò)散，提高鋼的淬透性；②溶入馬氏體的合金元素大多阻礙馬氏體分解，使合金碳化物也不易聚集長大，從而可提高鋼的抗回火軟化能力，使鋼在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。3）改變相變溫度，得到單相組織（如奧氏體鋼、鐵素體鋼等）。4）形成鈍化保護(hù)膜，提高耐蝕性和耐熱性。等等。3、金屬的形變強(qiáng)化1）塑變強(qiáng)化原理：塑性變形造成晶格歪扭、晶粒變形和破碎，位錯(cuò)密度增加，出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)，甚至形成纖維組織，當(dāng)變形量很大時(shí)，還會產(chǎn)生變形織構(gòu)現(xiàn)象等，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化。當(dāng)外力去除后，金屬內(nèi)部還存在殘余內(nèi)應(yīng)力。2）變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化變形金屬被加熱時(shí)，隨加熱溫度的升高，將發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大等過程。再結(jié)晶后，金屬形成新的無畸變的并與變形前相同晶格的等軸晶粒，同時(shí)位錯(cuò)密度降低，加工硬化現(xiàn)象消失，金屬性能全面恢復(fù)到或略高于變形前的水平。再結(jié)晶的開始溫度主要取決于變形度。變形度越大，再結(jié)晶開始溫度越低。大變形度(70％～80％)的再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)的關(guān)系為T再≈0.4T熔(K)。再結(jié)晶后的晶粒大小與加熱溫度和預(yù)先變形度有關(guān)。加熱溫度越低或預(yù)先變形度越大，其再結(jié)晶后晶粒越細(xì)。但要注意臨界變形度的情況，對于一般金屬，當(dāng)變形度為2％～l0％時(shí)，由于變形很不均勻，會出現(xiàn)晶粒的異常長大，導(dǎo)致性能急劇下降。3）金屬材料的冷加工（又叫冷塑變）和熱加工（又叫熱塑變）在金屬學(xué)上，冷塑變和熱塑變不是根據(jù)變形時(shí)金屬是否加熱，而是根據(jù)金屬的再結(jié)晶溫度來區(qū)分的。在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形為冷塑變；在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形為熱塑變。金屬冷變形后具有加工硬化現(xiàn)象即金屬變形處的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性下降，對于那些不能或不易用熱處理方法提高強(qiáng)硬度的金屬構(gòu)件（尤其是薄壁細(xì)長件），利用金屬在冷塑變成形過程中產(chǎn)生的加工硬化來提高構(gòu)件的強(qiáng)硬度不但有效，而且經(jīng)濟(jì)，另外，冷變形制成的產(chǎn)品精度高、表面質(zhì)量好，大多數(shù)無需進(jìn)行切削加工；但加工硬化也給金屬進(jìn)一步塑性變形帶來困難，故冷變形需重型和大功率設(shè)備，對加工坯料表面質(zhì)量要求較高，另外，加工硬化使金屬變形處電阻升高、耐蝕性降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、形變織構(gòu)等。金屬熱塑變時(shí)，同時(shí)存在著加工硬化和再結(jié)晶，只是加工硬化現(xiàn)象出現(xiàn)馬上被再結(jié)晶消除，金屬在熱變形中始終保持著良好的塑性，可使工件進(jìn)行大量的塑變，又因高溫下金屬的變形抗力低，易于成形；熱變形使金屬材料內(nèi)部的微小孔洞或空隙被壓實(shí)，粗大晶粒組織結(jié)構(gòu)被再結(jié)晶細(xì)化，從而使材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密細(xì)小，力學(xué)性能尤其是韌性明顯改善或提高；熱變形使金屬材料內(nèi)形成纖維組織，力學(xué)性能具有方向性；但熱變形中金屬表面氧化較嚴(yán)重，工件精度和表面品質(zhì)較冷變形的低得多；另外，設(shè)備維修工作量大，勞動(dòng)強(qiáng)度也較大等。4、液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的細(xì)晶強(qiáng)化方法在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)，單位體積的晶界數(shù)量就越多，晶界對塑性變形的抗力越大，同時(shí)晶粒的變形也越均勻，致使強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。工程上，利用細(xì)化晶粒的方式來提高材料室溫強(qiáng)韌性的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化（面缺陷的增加，是細(xì)晶強(qiáng)化的主要原因）。對固態(tài)金屬，可用熱處理及塑性變形來細(xì)化晶粒，而對液態(tài)金屬的結(jié)晶，則主要采用①增大過冷度、②加入形核劑、③機(jī)械方法（如攪拌、振動(dòng)等）的方法來細(xì)化晶粒。5、有機(jī)高分子材料和陶瓷材料的改性簡介利用物理或化學(xué)的方法來改進(jìn)現(xiàn)有高聚物的性能，稱為聚合物的改性這是當(dāng)前高分子材料研究中的重要方向。化學(xué)改性是指用化學(xué)反應(yīng)的方法，使不同的高聚物分子鏈或鏈段之間存在化學(xué)鍵，改變高聚物的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)，改善與提高高分子材料的性能的方法。物理改性中，不同高聚物之間不存在化學(xué)鍵，完全是一種機(jī)械混合的方法，從而形成復(fù)合材料。物理改性又分為填充增強(qiáng)改性、共混改性等。物理改性方法簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用最廣。陶瓷材料具有許多固有的優(yōu)點(diǎn)，如高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等。但其高脆性的特征，使得陶瓷在應(yīng)用上受到很大的限制。如能使陶瓷的韌性顯著地提高，就有可能使陶瓷成為重要的高溫結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)上陶瓷材料的增韌增強(qiáng)途徑有多種。6、材料的表面改性技術(shù)簡介表面改性技術(shù)（或稱表面改性處理）的主要目的是對材料的表面進(jìn)行特殊的強(qiáng)化或作某些功能處理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，或提高零件的裝飾性，或改變表面的電、磁性能等。表面改性技術(shù)一般不改變基體材料的成分或組織，前述表面淬火和化學(xué)熱處理根據(jù)其工藝特點(diǎn)也可歸入此類。工業(yè)上實(shí)施的表面改性技術(shù)有很多如高能束表面改性、氣相沉積技術(shù)、熱噴涂技術(shù)等。本章重點(diǎn)1、鋼在加熱時(shí)的奧氏體化過程，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線(TTT和CCT曲線)的物理意義(即TTT和