金属材料及热处理

• 钢和铁的区别在于含碳量的多少： • 含碳量﹤0.02%为工业纯铁； • 含碳量在 0.02～2.06%为钢（共析 钢0.77%）； • 含碳量＞2.06%为生铁（铸铁） • 钢加热到高于723 ℃时出现A组织，则塑 性好的抗变形能力强。
1-3 钢的热处理
• • • • • • 一、概述 1．热处理的基本概念： 1）改善钢的性质，通常可以通过两种途径来实现： ①调整钢的化学成分； ②对钢进行热处理。 2）钢的热处理是指对钢在固态下加热，保温和冷 却，以改变其内部组织结构，从而改变钢的性能 的一种工艺法； • 3）目的在于充分发挥材料潜力、节约钢材、提高 产品质量、延长使用寿命；
临界
• 图中：V1— 相当于缓冷（退火）与“C”相交位置可以判断转变为P； • V2— 相当于空冷（正火）可判断转变为 氏体（细P） • V3— 相当于油冷（油淬）与“C”开始相交故一部分转变为T；另 一部分来不及转变，为过冷A最后转为Ms； • V4— 相当于水冷（水淬）不与“C”线相交，冷却时A来不及发生 分解，象马氏体转变。
例: 共析钢在冷却时的转变
• A等温转变曲线
过冷奥氏体 珠光体开始形成 珠光体形成中间 珠光体形成结束
珠光体形 马氏体形 贝氏体形
珠光体10～20 转 变
2 1 1
索氏体25～30
转 变 终 始
3
屈氏体30～40
开
温度/
上贝氏体40～45 了
≈240℃Ms
下贝氏体 50～60
时间/ 图1-21 共析碳钢的奥氏体等温转变曲线
三、钢的热处理工艺 • 1．退火— 将钢件加热到AC1或AC3以上 某一温度，保温一定时间后随炉冷却，从 而得到近似平衡组织的热处理方法。 • 目的：降低硬度，细化晶粒，提高强度， 塑性和韧性，消除内应力等 • ① 完全退火（重结晶退火）：将钢加热到 AC3以上20～40 ℃使钢组织完全重结晶， 可细化晶粒、均匀组织、降低强度。
•
二、在铁碳合金中出现以下四种基本组织 • 1．铁素体（F）— 是碳溶解于α—Fe中形 成的间隙固溶体。室温时铁内含碳量为 0.006%。 • 特点：具有良好的塑性和韧性，强度、 硬度低。 • 2．渗碳体（Fe3C）— 是铁和碳的化合物。 其含碳量为6.67%. • 特点：熔点高、硬度高、脆性大、塑性 和韧性几乎为零。
2）洛氏硬度—原理和布氏硬度相同
• 金属体压头对金属表面加压，用一定的载荷P把 压头压入被测金属表面，卸载后以压痕的深度来 确定金属材料的硬度。压痕越深，硬度越低。 • 可用于测定从极软到极硬的金属或合金。 • 洛氏硬度与布氏硬度的关系大致如下： • • HV≈HB（当HB＜400时） • HRC≈1/10HB（HB在200～600之间） • 硬度可确定焊接接头热影响组织的淬硬情况。
E
723oC
加热
P+Fe3CⅡ
时间
时间
• 图中是在极其缓慢的加热和冷却条件下建 立的，故相变点称为理论临界点。在实际 生产中钢的加热和冷却总有一定的过热和 过冷度，实际发生组织转变的温度和状态 图上所示的理论临界点之间有一定的偏离。 为区别，故加热时的临界点加注“C”，冷 却时的临界点加注“γ”
二、钢在加热及冷却时的组织转变来自强度与塑性. 1．拉伸试验
载荷
伸长量Δ
2．强度—金属材料在外力作用下抵抗变形和 破坏的能力。
• • σ=P/F （N/mm2） ①弹性极限 σe=Pe/Fo （N/mm2） • ②屈服极限(σs)— 材料承受的载荷不再增 加，而仍继续发生塑性变形时的应力。 σs= Ps/Fo （N/mm2） • 有许多金属或合金材料，并没有明显的屈 服现象发生，为表明这些材料的屈服极限。 规定的试样产生的伸长量为试样长度的0.2% 时的应力作为材料“条件屈服极限”，用 σo.2表示。
• b．在550 ℃ ～Ms（240 ℃ ）之间为贝氏体转变， 中温转变区。在500～350 ℃转变为白光条状组织， 形若羽毛为上B（其塑性差）；在350～320 ℃区 间转变为呈黑色个体状的BT（硬度高韧性较好）； • c．在Ms（240 ℃ ）～Ms之间为马氏体转变，称 为低温转变，产物为马氏体（碳在α—Fe中的过 饱和固溶体）。它具有很高的硬度，但冲击韧性 低、脆性大、延伸率很低。 • 在实际生产中，A的转变是在连续冷却的过程中 进行的，它与等温转变有区别。但为了方便在生 产实践中，把代表连续冷却的冷却速度线（V1、 V2、V3等）点在等温转变曲线上。根据与c曲线 的相交位置，可得出组织及性质
三、铁碳合金状态图 — 用来表示在平衡状态下不同 含碳量的铁碳合金在不同温度下的状态、晶 体结构和显微组织特征。
A
1534 oC 1600
D
δ
H
γ +δ δ +A
B
1493 oC
N
1390 oC
γ γ +A γ +Fe3CⅠ
A G A3 F+A A+Fe3CⅡ P r F 0.02Po S 723oC F+P P P1 Fe Q 0.8 P+Fe3CⅡ
第一章 金属材料及热处理
1-1 金属的机械性能 金属材料在一定的温度条件和受外力(载荷)作 用下，抵抗变形和断裂的能力称材料的机械性能 金属材料的常规机械性能指标包括：强度、塑性、 硬度、韧性等。 对锅炉压力容器压力管道的用材，最关心的 是材料的强度指标、塑性指标和韧性指标。 强度和塑性指标，可通过拉伸试验得知。 韧性指标,可通过冲击试验得知。
• 1．钢在加热时的转变 • 例，对共析钢，加热到AC1以上时P转变为A， 具体转变过程通过以下四个步骤
• • • • 奥氏体晶粒的产生； 奥氏体晶粒的长大； 剩余Fe3C体中的继续溶解； A的成分均匀化
• 在加热过程中，P开始全部转变为A时晶粒比较细 小，再继续加热、保温，晶粒就可长大，结果使 钢在常温下机械性能（特别是αk值）变坏。
6、疲劳 — 材料在无数次重复和交变载荷下 发生损坏的现象
• 大多数锅炉压力容器都是在交变载荷（大小、方 向周期性变化）作用下工作，其断裂时的应力远 低于该材料的抗拉强度，且低于其屈服强度，这 种现象称为金属的“疲劳”破坏。 • GB4337《金属旋转弯曲疲劳实验方法》规定， 低碳钢在5×106交变载荷作用，低合金钢在107交 变载荷作用下不会断裂时最大应力值称为疲劳强 度，用σ-1表示。 • σ-1 ≈(0.4～0.6)σb • 提高钢材的疲劳强度可采取改善结构、避免应力 集中、提高表面光洁度、进行表面热处理等措施。
• • • • • • • • • ①延伸率（δ） δ=（L1-L0）/ L0×100% L1——试样拉断后的标准长度。 L0——试样原始的标准长度。 ②断面收缩率（Ψ） Ψ=（F1-F0）/ F0×100% F1——试样断后细颈处最小截面积。 F0——拉伸前试样原始截面积。 例 低碳钢 δ=20～30%，在铸铁δ=1%。
1-2 金属的结构及铁碳合金
• • 一、铁碳合金的基本组织 钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且 还与钢材的组织有关。钢材组织无法用肉眼直 接观察，只有经过取样打磨、抛光、腐蚀显示 后在金相显微镜下才能观察到钢材的组织。 钢材是铁碳合金，在固态下都是晶体，流态纯 铁在1538℃开始结晶，得到体心立方晶格的 α—Fe，继续冷却到1394℃转变为面心立方晶 格的γ—Fe，继续冷却到910℃时又转变为体 心立方晶格的α—Fe，如再继续冷却晶格类型 不再变化。以上这些变化称铁的同素异构转变。
• ③强度极限（σb）— 材料抵抗拉力破坏作 用的最大能力。 • σb= Pb/Fo （N/mm2） • 在锅炉压力容器选材上，不仅希望材料具 有高的σs，而且具有一定的屈强比 （σs/σb），屈强比越小，结构零件的可靠 性越高，由于塑性变形不致立即破坏。
3．塑性 — 金属材料在外力作用下，产生最 大塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。 以试样断裂后残留塑性变形的大小来表示。
2．钢冷却时的转变 • 钢在热处理时，加热和保温的主要目的是 为了使钢获得细而均匀的A晶粒。试验说明， 钢的机械性能，不仅与高温加热状态获得 奥氏体晶粒的大小，化学成分的均匀程度 有关，而且与奥氏体在冷却时的转变有直 接的关系（冷却方式和冷却速度等），冷 却速度不同，组织结构也不同，钢的性能 也不同。
E
1147
C
F
A+Fe3CⅡ+L(A+Fe3CⅡ+Fe3C) K' P+Fe3CⅡ+L(P+Fe3CⅡ+Fe3C)
L(P+Fe3CⅡ +Fe3C)
Fe3CⅠ+L
2.06
4.3
6.67
• 1．状态图的主要特性线 • ①ACD —液相线 • ②AECF —固相线 • ③PSK’ —又叫A1线表示钢在缓慢冷却时，A开始转 变为P的温度线（共析线） • ④GS线又叫A3线，表示钢在缓慢冷却时，A开始析出 F的温度线。 • ⑤PQ — 碳在F中的溶解度曲线 • ⑥ES线又叫AC线，表示钢在缓慢冷却时由A开始析出 Fe3C的温度线（表示碳在奥氏体中的溶解度曲线） • ⑦S点为共析点对应该点钢含碳量为0.8%，共析钢 • ⑧E点，碳在γ—Fe中的最大溶解度点。其含碳量为 2.06%，也是钢和铸铁（白口铁）的分界点 • ⑨P点，碳在α—Fe中的最大溶解度，其含碳量为 0.02%。还是纯铁与钢的分界点。
A等温转变的组织和性能
• 上图中有两条“C”字行曲线，左边Ⅰ曲线是A转 变开始线，曲线Ⅰ以左的区域为过冷A区，即过 冷到A1（723℃）以下未发生转变的区域，此区 域A过冷不稳定。右边曲线Ⅱ是A转变终了线，曲 线Ⅱ以右的区域为转变产物区，不同温度区域组 织转变的产物及其特性为： • a．在A1（723～550℃）为P转变即高温转变区， 按转变温度的高低产物可分为粗P、 氏体（即由P 在650 ℃）和 氏体（极细P在540 ℃ ）；