工程材料讲义.doc

1 工程材料講義工程材料講義 緒論緒論 0.1 工程材料的發展過程 0.2 工程材料的分類 0.3 材料性能與化學成分和組織結構的關係 0.4 選擇材料須考慮的因素 0.5 壓力容器的監察機構和設計規範 0.6 學習本課程的目的和要求 0.7 參考書參考書 第一章：金屬的結晶與合金的構造第一章：金屬的結晶與合金的構造 1.1 金屬的晶體構造 1.2 金屬的結晶 1.3 金屬的同素異晶轉變 1.4 合金的晶體結構 1.5 二元合金狀態圖的構成 第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖 2.1 碳鐵合金的基本組織 2.2 碳鐵合金狀態圖 第三章：鋼的熱處理第三章：鋼的熱處理 3.1 鋼熱處理的基本原理 3.2 鋼的熱處理 第四章：金屬材料的變形與再結晶第四章：金屬材料的變形與再結晶 4.1 單晶體金屬的變形 4.2 多晶體金屬的變形 4.3 塑性變形對金屬組織和性能 2 4.4 塑性變形後的金屬在加熱時的組織和性能變化 第五章：金屬材料的脆性第五章：金屬材料的脆性 5.1 金屬材料的斷裂 5.2 脆性破壞事故分析 5.3 韌-脆性轉變溫度 5.4 無塑性溫度 5.5 金屬材料產生脆性斷裂的條件 5.6 金屬材料的脆化現象 第六章：金屬材料的高溫機械性能第六章：金屬材料的高溫機械性能 6.1 金屬材料的蠕變現象 6.2 金屬材料的高溫強度 6.3 蠕變和持久強度的推測方法 6.4 鋼的持久塑性 6.5 影響材料高溫強度性能的因素 6.6 金屬材料的鬆弛 第七章：長期在高溫條件下金屬組織第七章：長期在高溫條件下金屬組織 7.1 珠光體球化 7.2 石墨化 7.3 合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配 第八章：鋼的過熱與過燒第八章：鋼的過熱與過燒 8.1 概述 8.2 鋼在高溫加熱中的變化 8.3 高溫加熱後的冷卻 8.4 鋼的過熱 8.5 鋼的過燒現象 第九章：金屬材料的腐蝕第九章：金屬材料的腐蝕 3 9.1 概述 9.2 金屬材料的高溫氧化 9.3 金屬材料的電化學腐蝕 9.4 金屬材料的應力腐蝕 9.5 蒸汽腐蝕 9.6 硫腐蝕 9.7 釩腐蝕 9.8 氧腐蝕 9.9 防腐原理 第十章：金屬材料的疲勞第十章：金屬材料的疲勞 10.1 交變載荷的特性 10.2 高周疲勞特點 10.3 疲勞斷裂機理 10.4 影響材料疲勞抗力的因素 10.5 低周疲勞的特性 10.6 熱疲勞 10.7 腐蝕疲勞 10.8 接觸疲勞 10.9 提高材料與機件疲勞強度 第十一章：合金元素在鋼中的作用第十一章：合金元素在鋼中的作用 11.1 合金元素在鋼中的存在方式 11.2 合金元素對鋼的平衡組織的影響 11.3 合金元素對熱處理的影響 11.4 合金元素對對氧化與腐蝕的影響 11.5 合金元素對機械性能的影響 11.6 合金元素對鋼的工藝性能的影響 4 11.7 幾種常用合金元素在鋼中的作用 第十二章：構件用鋼第十二章：構件用鋼 12.1 構件用鋼的力學特點 12.2 構件用鋼的工藝性能 12.3 構件用鋼耐大氣腐蝕性能 12.4 碳素構件用鋼 12.5 普通低合金結構鋼 12.6 進一步提高普低鋼力學性能途徑 第十三章：有色金屬及其合金第十三章：有色金屬及其合金 13.1 鋁及鋁合金 13.2 鎂及鎂合金 13.3 銅及銅合金 13.4 鈦及鈦合金 第十四章：金屬材料的加工工藝性能第十四章：金屬材料的加工工藝性能 14.1 金屬材料的鑄造性能 14.2 金屬材料的鍛造性能 14.3 金屬材料焊接性能 14.4 金屬材料的加工性 第十五章：鍋爐及壓力容器常用鋼材第十五章：鍋爐及壓力容器常用鋼材 15.1 鍋爐及壓力容器對鋼材性能要求 15.2 鍋爐及壓力容器用鋼的分類 15.3 碳素鋼 15.4 普通低合金結構鋼 15.5 低合金熱強鋼 15.6 不鏽耐酸鋼 15.7 低溫用鋼 5 第十六章：工具鋼第十六章：工具鋼 16.1 概述 16.2 刃具用鋼 16.3 模具用鋼 16.4 量具用鋼 第十七章：不銹鋼第十七章：不銹鋼 17.1 概述 17.2 金屬腐蝕 17.3 不銹鋼的合金化原理 17.4 不銹鋼的種類和特點 第十八章：耐熱鋼及高溫合金第十八章：耐熱鋼及高溫合金 18.1 鋼的穩定性和熱穩定性 18.2 金屬的熱強性 18.3 -Fe 基熱強鋼 18.4 -Fe 基熱強鋼 第十九章：鑄鐵第十九章：鑄鐵 19.1 鑄鐵的特點和分類 19.2 鑄鐵的結晶 19.3 鑄鐵的石墨化 19.4 灰鑄鐵 19.5 提高鑄鐵性能的途徑 19.6 可鍛鑄鐵 19.7 特殊性能的鑄鐵 19.8 鑄鐵的熱處理 6 緒緒 論論 按國際公約規定，社會經濟過程中的全部產品通常分為三類，即 硬體產品(hardware)，軟體產品(software)，和流程性產品(processed material)。世界各發達國家和我國都把“先進製造技術”列為優先發展 的戰略性高技術之一。先進製造技術主要指硬體產品的先進製造技術 和流程性材料產品的先進製造技術。 工程材料-工程上使用的材料，與工程有關的材料。 一、工程材料發展過程一、工程材料發展過程 材料的發展與人類社會的發展緊密聯繫： 人類社會歷史：石器時代、銅器時代和鐵器時代 在 40-50 年代，材料的發展主要圍繞著機械製造業，因此，主要發展 了以一般力學性能為主的金屬材料， 50-60 年代，壓力容器向高強度方向發展更快，發展了高強度低合金 鋼。 60 年代以後，由於航空、空間機械和動力機械的發展對材料提出了更 苛刻的要求。如高溫、高壓、高的比強度和比模量等。 20 世紀後期，材料作為高技術的四大支柱（能源、材料、生命和資訊） 之一高速發展，新材料特別是非金屬人工合成材料如陶瓷材料、高分 子材料及複合材料快速發展。分析測試手段如：掃描電鏡、電子探針、 透射電鏡的發展以數位化、電腦的應用加速了材料的發展。 尤其是隨著材料的發展，對刀具和模具材料提出了更高的要求，只有 陶瓷材料和複合材料的出現，才能更好地滿足生產的需要。 7 工程材料主要應用於機械製造、航空、航太、化工、建築和交通運輸等 部門。 石油化工中主要有壓力容器，反應器，塔器，換熱器，貯槽等。 二、工程材料分類二、工程材料分類 8 三、材料性能與化學成分和組織結構的關係。三、材料性能與化學成分和組織結構的關係。 材料的所有性能都是其化學成分和組織結構在一定外界因素（載荷性 質、應力狀態、工作溫度和環境介質）作用下的綜合反映。 材料的化學成分和組織結構是其力學性能的內部依據，而力學性能則 是具有一定化學成分和組織結構的外部表現。 鋼的化學成分是組織結構的主要決定因素之一。 化學成分一定時，可以通過不同的熱處理工藝改變材料的組織結構， 而導致材料在力學性能上有較大的差異。 四、選擇材料需考慮的因素四、選擇材料需考慮的因素 在零構件及壓力容器設計中，正確地選擇結構材料對於保證構件的結 構合理、安全使用和降低製造成本是至關重要的。 材料的選擇必須要考慮到許多因素，以壓力容器為例儘管工藝系統設 計人員負責推薦選用於工藝條件的、即具有良好耐腐蝕性能的材料或 對介質無污染的材料。但作為設備專業的設計人員，除應瞭解材料的 耐蝕性能外，還必須知道：材料應具有足夠的強度和良好的焊接性能 和其它加工性能，應選擇適合於工藝和機械兩方面要求的最經濟的材 料這些材料應該是在整個設備工作壽命期限裡，考慮到維修、更新 等因素在內的成本最低的材料。 選擇結構材料時，需考慮的主要因素包括： （一）使用性能 9 1 力學性能 力學性能是針對失效而言。失效三種形式：變形，磨損和斷裂。 （1）強度指標抗拉強度、屈服點； =P/F 抗拉強度是材料的主要強度指標之一，它是材料在拉伸受力過程中， 從開始載入至斷裂所能承受的最大應力，是決定材料許用應力的主要 依據之一。在 GB228“金屬拉伸試驗方法”中給出了抗拉強度的定義 和試驗方法。 屈服點是指呈現屈服現象的金屬材料，在所加外載荷不再增加（保持 恒定），而材料仍繼續伸長變形時所對應的應力對於在壓力容器行 業中通常使用的材料，規定以殘餘伸長率為 02時的應力作為決定 材料許用應力時的屈服點。GB 228 中給出了試驗方法。 （2）剛度彈性模量 剛度是結構抗彎曲和翹曲的能力，是度量構件在彈性範圍內受力時變 形大小的因素之一，它與材料的彈性模量和結 構元件的截面形狀（截 面慣性矩）有關。 彈性模量是材料在彈性極限內應力與應變的比值。 GB 150 附錄 1 給出了不同類別鋼材在不同溫度下的彈性模量 （3）韌性抗斷裂性能；衝擊韌性 Ak 韌性用來衡量材料的抗裂紋擴展能力對低碳鋼、鋁、銅一類塑性材 料，其晶格結構能夠由於裂紋尖端的局部屈服而終止裂紋的擴展；對 於類似鑄鐵等脆性材料，其晶格結構不會使裂紋尖端產生局部屈服現 象，不能終止裂紋擴展，因此脆性材料不耐拉伸而在壓縮條件下，任 何已經存在的初始裂紋都可能閉合 10 （4）硬度耐磨性，洛氏硬度，維氏硬度 硬度是抵抗其它物體刻劃或壓入其表面的能力用標準試驗方法測得 的表面硬度是材料耐磨能力的重要指標如果容器是用於處理有摩擦 性的固體或含有可能引起磨蝕的懸浮固體的流體物料時，則應考慮材 料的表面硬度根據試驗方法的不同，有不同的量值表示硬度在壓 力容器行業中，多採用布氏硬度，其標準試驗方法是 GB231金屬布 氏硬度試驗方皆其它硬度表示方法及試驗方法有： GB 230 “金屬洛氏硬度試驗方法” GB 4340“金屬維氏硬度試驗方法” （5）抗疲勞性能疲勞極限 材料或元件在交變應力（隨時間作週期性改變的應力）作用下，經過一 段時期後，在內部缺陷或應力集中的部位，局部產生細微的裂紋，裂 紋逐漸擴展以致在應力遠小於屈服點或強度極限的情況下，突然發生 脆性斷裂，這種現象稱為疲勞，例如頻繁進料、出料的週期性間歇操 作的設備，應考慮其疲勞失效的可能性 疲勞極限即材料承受近無限次應力迴圈（對鋼材約為 107 次），而不破 壞的最大應力值。 對於承受週期性迴圈載荷的容器分析設計，在即將發佈實施以應力分 析為基礎壓力容器設計方法“鋼制壓力容器 另一標準”中另有專章規 定。 （6）抗蠕變性能 蠕變是在一個長時間內，在穩定的拉伸應力作用下材料出現逐漸伸長 的現象對於鋼材，通常只有在較高溫度下才會發生蠕變；對於少數 材料，在中等溫度下就有顯著的蠕變速度，如鉛，甚至在常溫下就會 在本身重量下產生蠕變。所以用鉛作村裡時，必須以較小的間隔予以 11 支承固定。GB 150 中是以設計溫度下經過 10 萬小時蠕變率為 1的 蠕變極限作為設計基礎的。 （7） 溫和低溫對力學性能的影響 材料的抗拉強度、屈服點和彈性模量隨溫度的升高而降低如果設備 的操作溫度較高，則必須選用在相應溫度下能保持其強度指標的材料。 顯然，不銹鋼比普通碳鋼要優越得多。如果材料在高溫下承受高的應 力，則材料的抗蠕變性能是關鍵性的必要時採用特殊合金，如因康 鎳。 對於 0以下的低溫設備，通常的塑性金屬材料可能以脆性方式破 壞。脆性失效的現象與金屬的晶體結構有關。體心立方（bcc）晶格的 金屬要比面心立方晶格（fcc）的金屬更容易發生脆性失效。對於低溫 容器，如深冷裝置和某些液化氣體的貯存，有時要規定使用奧氏體不 銹鋼和鋁合金。 引起鋼制焊接壓力容器脆性破壞的因索非常複雜。它取決於材料的 晶格結構，板材的厚度、加工後的殘餘應力、結構缺陷以及材料的使 用溫度 目前各國標準規範均以夏比 V 型缺口衝擊試驗來檢驗材料對施性破 壞的敏感性，其指標為衝擊（吸收）功 Akv，即具有一定形狀尺寸的金 屬試樣在衝擊負荷下折斷時所吸收的功，單位為焦耳（J）標準試驗 方法有： GB 2106 “金屬夏比（V 型缺口）衝擊試驗方法” GB 4159 “金屬低溫夏比衝擊試驗方法” 所謂材料的使用溫度是指容器在正常操作過程中，元件材料可能達 到的溫度，GB 150 規定，該溫度不得超過各許用應力表中各鋼號所 對應的上限溫度；對於 0以下的使用溫度，要求材料仍能符合對其 低溫衝擊功指標的要求 12 2化學性能 耐腐蝕性能； 3物理性能 特殊性能：如導熱性，硬化性能； （二）工藝性能 機械加工性能一成型、焊接、鍛造、機加工、熱處理； （三）其他 標準系列尺寸一常用板材、管材與型材的規格； 材料價格 六、學習本課程的目的和要求六、學習本課程的目的和要求 目的和要求：根據各種實際工作條件選擇適當的材料。 第一章：金屬的結晶與合金的構造第一章：金屬的結晶與合金的構造 1.1 金屬的晶體構造金屬的晶體構造 1.1.1 晶體概念 指原子（離子）呈規則排列的物體。 晶體特點： （1）有固定熔點， （2）原子呈規則排列，宏觀斷口有一定形態且不光滑 （3）各向異性，由於晶體在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶 體在不同方向上的性能也不一樣。 晶體：絕大多數的固態物質，固態的金屬和合金。 13 非晶體：玻璃，瀝青。 1.1.2 金屬的晶體結構 晶體有規則的原子排列，主要是由於各原子之間的相互吸引力與排 斥力相平衡。 為了便於說明和分析各種晶體的原子排列規律，把原子看成一個點， 並用假想的直線將各點連接起來，這樣就構成了一個假想的空間格子。 這種用以描述原子在晶體中排列的空間格子叫晶格。組成晶格的最基 本幾何單 元叫晶胞。晶胞各邊尺寸及夾角稱為“晶格常數”。 1.1.3 三種常見的晶格及分析 （1）體心立方晶格：鉻，釩，鎢，鉬，-Fe。1/8*8+1=2 個原子 （2）面心立方晶格：鋁，銅，鉛，銀，-Fe。1/8*8+1/2*6=4 個原子 （3）密排六方晶格：鎂，鋅。6 個原子 1.1.3.1 反映金屬晶體排列緊密的參數 晶格的緻密度：晶胞中所包含的原子所佔有的體積與該晶胞體積之比。 配位數：晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且等距離的原子數。 晶格類型配位數緻密度 體心立方80.68 面心立方120.74 密排六方120.74 1.1.3.2 晶面與晶向指數： 晶面：晶體中各種方向上的原子面。 晶向：晶體中各種方向上的原子列。 在研究金屬晶體結構的細節及其性能時，需要分析它們的各種晶面和 晶向中原子分佈的特點，因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符 號，以表示出它們在晶體中的方位或方向，便於分析。晶面和晶向的 14 這種符號分別叫“晶面指數”和“晶向指數”。 確定晶面指數的步驟： （1）設晶格中某一原子為原點，通過該點平等於晶胞的三棱邊作 OX，OY，OZ 三坐標軸，以晶格常數 a,b,c 分別作為相應的三個坐標 軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距； （2）將所得三截距之值變為倒數； （3）再將這三個倒數按比例化為最小整數，並加上一圓括號，即為晶 面指數。晶面指數的一般形式用（hkl）表示。 立方晶格中三個重要晶面 100,110,111 晶向指數的確定方法： （1）通過座標原點引一直線，使其平行於所求的晶向； （2）求出該直線上任意一點的三個座標值； （3）將三個座標值按比例化為最小整數，一般用uvw表示。 晶面與晶向的原子密度： 晶面原子密度：單位面積中的原子數 晶向原子密度：單位長度上的原子數。 例：體心立方晶格 晶面指 數 晶面密度晶向指 數 晶向密 度 1001/a21/a 1101.4/a20.7/a 1110.58/a21.16/a 單晶體應用例子： 變壓器中的矽鋼片晶向指數為，利用了它的磁導率 15 多晶體結構 如果一個晶體內部的晶格方位完全一致，稱為單晶體。工業中實際使 用的金屬材料，包含了許多小晶體，內部晶格方位一致，但彼此方位 不同，多晶體。晶粒與晶粒之間的介面稱為晶界。 單晶體各向異性，多晶體一般不顯示各向異性。 1.2金屬的結晶金屬的結晶 1.2.1 結晶 液態金屬冷卻至凝固溫度時，金屬原子例由無規則運動狀態轉變為按 一定幾何形狀作有序排列的狀態，這種由液態金屬轉變為晶體的過程 稱為金屬的結晶。 冷卻曲線： 過冷現象：實際上有較快的冷卻速度。 過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度之差，過冷度。 1.2.2 結晶過程 不斷產生晶核和晶核長大的過程 1.2.3 金屬結晶後晶粒大小 一般來說，晶粒越細小，材料的強度和硬 度越高，塑性韌性越好。 細化晶粒的方法： （1） 增大過冷度，增加晶核數量 （2） 加入不熔物質作為人工晶核 （3） 機械振動、超聲波振動和電磁振 動 16 1.3 金屬的同互異晶轉變金屬的同互異晶轉變 大多數金屬在結晶完成後的繼續冷卻中，其晶體結構不再發生變化， 如鋁、銅等。也有少數金屬如鐵、鈦等。這種金屬在固態下晶體結構隨 溫度發生變化的現象稱為同素異晶轉變。 1538 -Fe 1394 -Fe 912 -Fe 因為鐵能發生同素異晶轉變，在生產中才有可能對鋼和鑄鐵進行各種 熱處理，改變它的組織與性能，以發揮材料的潛力。 1.4 合金的晶體結構合金的晶體結構 純金屬一般強度低，工業生產中大量使用的金屬材料都是合金，碳鋼， 合金鋼，鑄鐵，鋁鎂合金。 1.4.1 合金概念 由兩種或兩種以上的金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的 物質稱為合金。 1.4.2 合金結構 （1） 固溶體 指溶質的原子溶入溶劑原子的晶格中或取代了栽些溶劑原子的位置， 而仍保持溶劑原子晶格類型的一種成分和性能均勻的固態合金。 如鐵素體是碳在固溶體中的混合物。 （2） 金屬化合物 合金組元間按一定的原子數量之比，相互化合而成的一種具有金屬特 性的新相，稱為金屬化合物。如 Fe3C（滲碳體） 17 （3） 機械混合物 由兩種或兩種以上的相機械地混合在一起而組成的一種多相組織。 如珠光體是滲碳物與鐵素體的混合物。 1.5 二元合金狀態圖的構成二元合金狀態圖的構成 合金狀態圖即合金結晶過程的簡明圖解，反映在平衡條件下不同成分 合金在不同溫度下所存在的相及其相平衡關係，以瞭解合金在溫度變 化時的相變過程及組織形成的規律。是分析合金組織、確定熱加工工 藝、預測材料性能的依據。 1.5.1 二元合金狀態圖的建立 通過實驗建立的 以 Pb-Sb 合金為例 （1）首先配製幾組成分不同的 Pb-Sb 合金，然後作出它們的冷卻曲線 （2）作出每個合金的冷卻曲線，並找出各冷卻曲線上的臨界點（即停歇 點和轉捩點） （3）作一個以溫度為縱坐標（單位為），以合金成分為橫坐標（單位 為重量或原子百分數）的直角坐標系統，並自橫坐標上各成分點作垂 直線成分垂線，然後把每個合金冷卻曲線上的臨界點分別標在各 合金的成分垂線上。（4） 將各成分垂線上具有相同意義的點連接成線， 並根據已知條件分析結果作標記。 相律：合金系在平衡狀態下，系統的自由度（f）與組元數(C)和平衡相 數(P)之間關係的定律。 f=C-P+2 自由度：保持合金系相的數目不變條件下，可獨立改變的影響合金狀 態的內部及外界因素的數目。 在恒壓下，f =C-P+1，對二元系，C=2,則 f =3-P，可知： f =0，P=3,平 18 衡相最大為 3；P=3，f=0,溫度、相成分一定；P=2，f=1,溫度或相的成分 可變，但只有一個獨立變數；P=1；f=2，溫度和相成分均可獨立改變。 1.5.2 勻晶相圖 當兩組元在液態和固態均無限互溶時所構成的相圖，稱為二元勻晶相 圖。具有這類相圖的合金系主要有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni 及 W- Mo 二元相圖的杠杆定律：杠杆定律：用來確定二相平衡時，兩平衡相的成 分和相對量。 （1）確定兩平衡相成分的方法 （2）確定兩平衡相相對量的方法： WL a r = Wa r b 或 WL/ Wa= r b/ a r 注意：杠杆定律只適用于兩相區。 合金的結晶過程： 勻晶轉變：由液相結晶出均一固相過程。 一、相圖分析 以 Cu-Ni 合金相圖為例： 相線：液相線、固相線 相區：單相區、兩相區 結晶過程：0-1, 1，L 相, 降溫過程； 1-2，L- 相變過程； 2， 相，成分為合金成分； 2-3， 相，降溫過程； 3， 相，室溫組織 相變過程： t1: 液相開始析出 ， 成分由固相線確定,為 1，液相成分 L1; t2: L+, 成分分別由液相線和固相線確定，為 L2、2，1 - 2， 19 L1 - L2,兩相的相對量用杠杆定律確定; 繼續降溫，成分分別沿固、 液相線變化，W ， WL； t3：結晶結束，固溶體成分 3=合金成分 總之，結晶過程是一動態過程。 選份結晶（選擇結晶）：從液相結晶出的固溶體成分與液相成分不同， 含有較多的高熔點組元。 固溶體結晶與純金屬結晶的異同： 相同點：一定過冷度，形核與長大過程； 不同點： 純金屬：恒溫結晶；結構起伏與能量起伏；結晶時無成分變 化； 固溶體：變溫結晶；結構起伏、能量起伏和成分起伏；結晶過程總存在 原子擴散，以進行溶質在液固兩相中的再分配。 1.5.3 二元共晶相圖 共晶體：共晶轉變所得的兩相機械混合物。 當兩組元在液態時無限互溶，在固態時有限互溶，而且發生共晶反應 時，所構成的相圖稱為二元共晶相圖。如 Pb-Sn,Pb-Sb 等。 一、相圖分析 相區：3 個單相區，3 個雙相區 相線：液相線，固相線。 共晶反應線，在共晶線上，f=C-P+1=2-3+1=0，在恒溫進行，三相 的成分恒定。固溶線: MF 和 NG 點：E 點共晶點，共晶反應時液相的成分。 二、典型合金的平衡結晶及其組織 分析要點：臨界點、冷卻曲線、相狀態、成分變化、室溫組織與相對量 1.含 Sn 21 包晶相圖：具有包晶轉變的相圖。Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Sn-Sb 等具有 包晶相圖。 1.5.5 相圖分析方法與應用 一、分析相圖的基本方法 分析相圖中的相和相區 分析相圖中有無水準直線，並判斷其轉變類型是共晶型還是包晶型。 根據相區接觸法則確定圖形結構是否合理。相區接觸法則即“相鄰 相區相數差一” 分析任一合金的結晶過程。 二、利用相圖判斷合金的性能 （1）利用相圖判斷合金力學性能 利用相圖可確定合金在某一溫度下的相平衡關係，計算各相相對 量，再根據各相的性質，大致判斷合金性能。 （2）利用相圖判斷合金工藝性能 第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖 2.1 鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 1.1. 鐵素體 碳與 -Fe 中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用 F 表示。強度和硬 度低，塑性和韌性好。 1.2. 奧氏體 碳與 -Fe 中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用 A 表示。高溫組織， 在大於 727時存在。塑性好，強度和硬度高於 F，在鍛造、軋製時 常要加熱到 A，提高塑性，易於加工。 22 1.3. 滲碳體 鐵與碳形成的金屬化合物，硬度高，脆性大。用 Fe3C 1.4. 珠光體 F 與 Fe3C 混合物。強度，硬度，塑性，韌性介於兩者之間。 1.5. 萊氏體 A 與 Fe3C 混合物硬度高，塑性差。 2.2 鐵碳合金狀態圖鐵碳合金狀態圖 2.2.1 狀態圖主要點線 主要點 特性 點 溫度 含義 23 A1538純鐵熔點 C1148共晶點 D1227滲碳體熔點 E1148C 在 -Fe 中最大溶解度 G912純鐵的同互異晶轉變點 P727C 在 -Fe 中最大溶解度 S727共析點 Q室溫室溫時 C 在 -Fe 中最大溶解度 主要線： ABCD 線 液相線，液相冷卻至此開始析出，加熱至此全部轉化。 AHJECF 線 固相線，液態合金至此線全部結晶為固相，加熱至此開始轉化 GS 線 A3 線，A 開始析出 F 的轉變線，加熱時 F 全部溶入 A ES 線 Acm 線，C 在 A 中溶解度曲線 ECF 線 共晶線，含 C 量 2.11-6.69%至此發生共晶反應，結晶出 A 與 Fe3C 混合物，萊氏體。 PSK 線 共析線，含 C 量在 0.0218-6.69%至此反生共析反應，產生出珠光 體 2.2.2 鐵碳合金分類 2.2.2.1 鋼 含 C 量 0.02182.11% 24 共析鋼 含 C 量 0.77% 亞共析鋼 0.0218-0.77% 過共析鋼 0.77-2.11% 2.2.2.2 白口鑄鐵 2.11-6.69% 共晶白口鑄鐵 4.3% 亞共晶白口鑄鐵 2.11-4.3% 過共晶白口鑄鐵 4.3-6.69% 2.2.3 鐵碳合金相圖的作用 在鑄造方面 選擇合適的澆鑄溫度，流動性好 在煆造方面 選擇合適的溫度區，奧氏體區 在熱處理方面 退火，正火，淬火等 2.2.4 碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響 一、含碳量對平衡組織的影響 室溫下，鐵碳合金均由 + Fe3C 兩相組成 隨含碳量不同，可分為七個典型組織區 二、含碳量對機械性能的影響 珠光體 P：為 F + Fe3C 的混合物，呈層片狀，由於 Fe3C 的強化作 用，珠光體性能較好； 亞共析鋼：由 F + P 組成，隨碳量增加，珠光體量增加，強度性能 提高； 過共析鋼：P+ Fe3C(II)組成，當含碳量 1%， Fe3C(II)斷續分佈在 晶界處，強度提高；當含碳量1%， Fe3C(II)呈網狀分佈在晶界處，強 25 度性能下降。 萊氏體：硬而脆 第三章第三章 鋼的熱處理鋼的熱處理 改善鋼的性能，主要有兩個途徑： （1） 調整鋼的化學成分，加入合金元素 （2） 鋼的熱處理，改變組織結構 熱處理：通過加熱，保溫，冷卻等操作方法，使鋼的組織結構發生變化， 以獲得所需性能的一種加工工藝。 分類： 普通熱處理：退火，正火，淬火，回火 表面熱處理：表面淬火（火焰加熱，感應加熱），化學熱處理（滲碳， 氮化，碳氮共滲） 3.1 鋼熱處理的基本原理鋼熱處理的基本原理 加熱或冷卻時鋼組織結構發生變化。 3.1.1 鋼在加熱時的組織轉變 A1，A3，Acm 是反映不同含碳量的鋼在緩慢加熱和冷卻時的相變溫 度（平衡臨界點）。實際生產中，加熱和冷卻速度不可能很慢，總有過 冷和過熱現象。加熱和冷卻速度越大，相變溫度偏離平衡臨界點的程 度也越大，即過冷度和過熱度越大。通常用 Ac1，Ac3 和 Accm 表示 加熱時偏離後的相變溫度；用 Ar1，Ar3 和 Arcm 表示冷卻時偏離後的 相變溫度。 大多數熱處理工藝都是將鋼加熱至相變溫度以上，使其室溫組織轉變 為均勻奧氏體， 即“奧氏體化”。 以共析鋼為例說明鋼在加熱時的組織轉變。 26 3.1.1.1 形成過程 共析鋼在室溫時具有珠光體組織，將其加熱到 Ac1 以上時，珠光體將 全部轉為含碳量為 0.77%的奧氏體。 P=F（體心立方）+Fe3C（複雜晶格）A（面心立方） 奧氏體化是一個重結晶的過程，分為四個階段： * 奧氏體晶核形成 晶核易於在 F 和 Fe3C 相介面形成，這是因為此處原子排列紊亂， 位元錯、空位密度高。 * 奧氏體晶核的長大 含碳量不同出現碳濃度梯度，引起 F-A 及 Fe3C 溶解。 * 殘餘奧氏體的溶解 F 先轉變完，Fe3C 完全溶解 * 奧氏體成分均勻化 碳擴散使 A 含 C 量趨於均勻。 3.1.1.2 影響珠光體向奧氏體轉變的因素 * 形成溫度，鋼的成分和原始組織及加熱速度 形成溫度越高，原子擴散能力增大，增大了 A 中 C 濃度梯度，加 速成 A 形成。 * 含 C 量越高，F 和 Fe3C 相介面增多，有得于 A 形成。 * P 越細，A 形成速度越快。 * 連續加熱時，隨著加熱速度增大，A 形成溫度提高，所需時間縮短。 3.1.1.3 奧氏體晶粒的長大及其影響因素 晶粒度分為起始晶粒度，實際晶粒度和本質晶粒度。 起始晶粒度：指珠光體剛剛全部轉變為 A 時的 A 晶粒度。 實際晶粒度：指鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體 晶粒大小。直接影響鋼件性能。 27 本質晶粒：指 A 晶粒長大的傾向性（本質細晶粒鋼，本質粗晶粒鋼） A 晶粒長大及其影響因素： * 奧氏體化溫度越高，晶粒長大越明顯。 * 加入合金元素影響奧氏體晶粒長大。 能形成穩定碳化物元素 Ti，Cr，抑制 A 長大。 Mn，P 等則加速 A 長大 3.1.2 鋼在冷卻時的組織轉變 冷卻方式有兩種： （1）等溫冷卻 就是將加熱後組織為全部奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷卻 到 Ar1 線以下某一溫度，這時奧氏體尚未來得及轉變，但已成為 過冷奧氏體。然後進行保溫，使奧氏體在等溫下發生組織轉變。再 繼續冷卻到室溫，如等溫退火、等溫淬火等。 （2）連續冷卻、 將加熱後組織為全部奧氏體的鋼，以某一速度冷卻，使奧氏體在溫 度連續下降的過程中發生組織轉變。如退火（爐冷），正火（空冷）， 普通淬火（油、水泠）。 過冷奧氏體轉變產物的組織形態與性能 珠光體，索氏體，屈氏體：晶粒粗細之分。 馬氏體：C 在 -Fe 中的過飽和固溶體，高強度，高硬度和耐磨性 貝氏體：由含碳過飽和 F 和碳化物組成的兩相混合物。上貝氏體， 下貝氏體（高強，韌） 3.1.2.1 過冷 A 等溫冷卻 將 A 過冷到 Ar1 以下的某一溫度，並在此溫度等溫停留過程中完 成其組織轉變過程，稱為過冷 A 的等溫轉變。 （1） 高溫轉變區 Ar1-550 28 （2） 中溫轉變區 550-230 （3） 低溫轉變區 3.1.2.2. 過冷 A 連續冷卻轉變 在實際熱處理生產中，A 的轉變大多是在連續冷卻過程中進行的， 常在爐內、空氣中，油中或水中冷卻。與等溫轉變一樣也能發生珠 光體、貝氏體、馬氏體等轉變，但不同的是冷卻過程要經過各個轉 變溫度區，會發生幾種轉變，得到幾種轉變產物的複合組織。 3.2 鋼的熱處理鋼的熱處理 3.2.1 退火與正火 鋼的退火與正火是應用非常廣泛的熱處理工藝，例如各類鑄、鍛、 焊生產的毛坯或半成品的預備熱處理，目的在於消除冶金及熱加 工過程中產生的某此缺陷，改善組織和工藝性能，為以後的機加工 及最終熱處理做好組織與性能準備。對於某些性能要求不高的機 械零件，經退火或正火後可直接使用。此時，退火或正火也就成為 最終熱處理。 退火：把鋼加熱到臨界點 Ac1 以上或以下的一定溫度，保溫一段時間， 隨後在爐中或埋入爐中或導熱性較差的介質中，使其緩慢冷卻以 獲得接近平衡狀態的穩定的組織。 目的： （1）降低鋼的硬度，改善切削加工性； （2）提高鋼的塑韌性，便於成形加工； （3）細化晶粒 （4）消除工件內的殘餘應力。 29 正火：將鋼加熱到 Ac3 或 Accm 以上 30-50，適當保溫後，從爐中取 出在靜止的空氣中冷卻至室溫。 目的： （1）細化晶粒，消除缺陷 （2）調整鋼的硬度 （3 消除內應力 既可做為中間熱處理，也可用作最終熱處理。 3.2.2 淬火與回火 淬火：將鋼加熱到 Ac3 或 Ac1 線以上 30-50，保溫一定時間後， 在水或油中快速冷卻，以獲得馬氏體組織。 目的：主要是獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。 兩個概念：淬透性，淬硬性 淬火後強度和硬度有了較大提高，但塑性和韌性卻顯著降低，此外， 淬火工件內部有較大內應力，如不及時處理， 會進一步變形至開裂，為此，淬火後要及時回火。 回火：將淬火後的鋼加熱到 Ac1 線以下的某一溫度，在該溫度下保 溫一定時間（2-4 小時），然後取出在空氣或油中冷卻。 回火通常作鋼件熱處理的最後一道工序，因此，把淬火和回火的聯 合工藝稱為最終熱處理。 目的： （1）降低脆性，減少內應力，防止變形開裂 （2）調整鋼件的機械性能 （3）穩定組織，保證工件尺寸、形狀穩定。 低溫回火：加熱到 150-250，保溫 1-3 小時後空冷，得到回火馬氏體。 （保證高硬度，如刃具、量具） 中溫回火：加熱到 350-450，保溫後空冷，得到回火屈氏體。（高彈性 30 極限，有一定韌度和硬度，如彈簧） 高溫回火：加熱到 500-650，保溫後空冷，得到回火索氏體。（有一定 強度和硬度，又有良好的塑性和韌性，如曲軸，齒輪） 淬火+高溫回火=調質處理 3.2.3 表面熱處理 機器零件如齒輪，曲軸工件條件不同，有時受衝擊，表面受摩擦， 要求芯部有足夠強度，韌性，表面有高的硬度和耐磨性。 3.2.3.1. 表面淬火 火焰加熱表面淬火；感應加熱表面淬火 3.2.3.2. 表面化學熱處理 滲碳：向鋼的表面滲入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、 抗疲勞性和耐磨性。 滲氮：在工件表面滲入氮原子，形成一個富氮硬化層的過程。提高材 料表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，且滲氮性能優於滲碳。 碳氮共滲：碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨 性，並兼具滲碳和滲氮的優點。 滲鉻：有較好的耐蝕性和優良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不 銹鋼和耐熱鋼用於機械和工具製造。 滲硼：十分優秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明 顯優於滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用於泥 漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。 第四章：金屬材料的變形與再結晶第四章：金屬材料的變形與再結晶 金屬材料在承受外力時，會產生一定的變形，隨著外力的增加， 其變形將由彈性變形轉變為塑性變形，直至斷裂。金屬材料的變形特 性在工程技術上十分重要， 31 （1）由於鑄態金屬中往往具有晶粒粗大不均勻、組織不緻密及雜質偏 析等缺陷，故工業上的金屬材料大多要在澆注後經過壓力加工再予使 用。 （2）把材料製作成所要求的形狀。 因為通過壓力加工時的塑性變形，金屬的組織也會發生很大的變化， 可使某些性能如強度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時，也會 給金屬的組織和性能帶來某些不利的影響，因此在壓力加工之後或在 其加工的過程中，還應經常對金屬進行加熱，使其發生回復與再結晶， 以消除不利的影響。 工程上實際材料均為多晶體組織，為了更好地瞭解多晶體材料的變形， 首先瞭解單晶體的變形特性。 4.1. 單晶體金屬變單晶體金屬變 4.1.1. 單晶體金屬彈性變形 單晶體金屬材料在正應力作用下變形過程，圖（2-1） 32 切應力變形圖圖（2-2） 特點： （1） 可逆性，去除外力後，變形消失。 （2） 變形量小，貝氏體馬氏體 （3）熱處理 奧氏體化溫度 d，回火溫度 a 6.5.影響材料高溫強度性能的因素影響材料高溫強度性能的因素 6.6. 提高材料高溫強度關鍵 （1）使在蠕變變形過程中受到阻礙而堆積的位錯不容易重新開始運動 （2）大力強化晶界，避免晶間開裂 6.5.1.化學成分 6.5.1.1. C 3Fe+C 石墨開始以細微點狀出現，逐漸聚集成越來越粗的顆粒，石墨強度低， 相當於在金屬內部產生空穴。 7.2.1 對材料影響： 脆性急劇增大。 7.2.2 影響石墨化因素 溫度 ： 高溫下，是一個擴散過程 合金元素 ： 與碳結合能力強的元素均可阻止石墨化發生鉻，鈦，釩 ；促進石墨 化，矽，鋁，鎳 晶粒大小： 細晶粒鋼及有加工硬化鋼易發生。 7.2.3 石墨化分級 1 級不明顯 2 級 明顯 3 級 嚴重 4 級很嚴重 7.3合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配 58 在高溫下使合金元素原子活動能力增加，對一些起固溶強化作用 的合金元素，鉻，錳，鉬（固溶體）脫落，轉移至碳化物中。 固溶體引起晶格畸變從而起到強化作用，畸變晶格不穩定，在高溫下 就有向較穩定的碳化物中轉移的趨勢。 （固溶體和碳化物中）合金元素成分的變化及對高溫機械性能影響： 常用珠光體熱強鋼 ：（1）鉻鉬低合金鋼（2）鉻鉬釩低合金鋼 第八章：鋼的過熱與過燒第八章：鋼的過熱與過燒 8.1 概述概述 在鍋爐和壓力容器製造中，對所用鋼材進行熱加工和熱處理。此時， 如果加熱溫度控制不當，加熱不均會使材料超溫，導致材料機械性能 惡化。 根據超溫的程度和時間長短，鋼材會發生脫碳，過熱和過燒現象。 過熱：鋼被加熱到 Ac3 以上某一溫度，隨著奧氏體晶粒的長大，在粗 大的奧氏體晶界上，發生了化學成分的明顯變化（主要是硫的偏析），