金属热处理课件1-2

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1、合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,1.2 合金的晶体结构,所谓相是指金属或合金中凡结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,1、固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所

2、处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,（1）置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 （2） 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。 间隙固溶体基本都是无序固溶体。,（3） 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固

3、溶体。,（4） 影响固溶度的因素 1) 原子尺寸因素 rA为主组元A的原子半径，rB为副组元B的原子半径。 在合金两组元的负电性相差较小而有利于形成固溶体的情况下，当 .(两组元原子半径差别不大)时，有利于形成具有显著固溶度的代位固溶体。而当 (两组元原子半径差别较大)时，有利于形成具有相当固溶度的间隙固溶体。 若两组元负电性相差较大，即使它们的原子半径差别较大，有助于形成不同类型的化合物。,2）负电性因素 负电性：元素的原子在异类原子的集合体中或分子中能够吸收电子作为自身所有的一种能力，即吸收外来电子形成负离子的倾向性。 当进行合金化时，如果组元之间负电性相差较大，那么就有利于形成化合物，而

4、不利于形成固溶体，而且所形成的化合物越稳定，则固溶体的固溶度必越小。反之，则越有利于形成固溶体。 在负电性相差较大的情况下，由异类原子结合的合金相，便可能使其结合方式从金属键向离子键过渡。,3) 电子浓度因素 在合金中，两个组元的价电子总数(e)和两组元的原子总数(a)之比称为电子浓度(c)，即,x副组元的原子百分数； v每个副组元原子的价电子数； u每个主组元原子的价电子数。,对应一定点阵结构的合金相，其中自由电子数或电子浓度是有限度的。当超过极限电子浓度时，由于电子分布能态的剧增，将引起该合金相结构的改变。,2、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金

5、属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,铁碳合金中的Fe3C,当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。,（1）正常价化合物符合正常原子价规律。如Mg2Si、MnS、Mg2Pb等。 （2）电子化合物符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。 （3）间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。,间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 间隙相具有金

6、属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。,VC的结构,具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂正交点阵。 化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,Fe3C的晶格,一、力学性能,1.强度 (1)拉伸试样:拉伸试样的形状有圆形和矩形两类。在国家标准(GB/T 2282002)金属材料室温拉伸试验方法中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。图所示为圆形拉伸试样。,圆形截面的拉伸试样,1.3 金属材料的性能,(2)力-伸长曲线:拉伸试

7、验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力伸长曲线。 图是低碳钢的力伸长曲线，纵坐标表示,低碳钢的力-伸长曲线,力 F，单位是N;横坐标表示伸长量l，单位是mm。由力伸长曲线可以看出，随着拉伸力的不断增加，试样经历了以下几个变形阶段:,拉伸过程经历四个阶段：,1. 弹性变形（OS） Oe段：直线阶段，完全弹性变形 eS段：极微量塑性变形,2屈服（s点）,弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。 塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形。,3均匀塑性变形阶段：（sb） 4缩颈（bk）-局部集中塑性变形,应力:=F/A0 （MPa） 应变:=L/L0,在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材

8、料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。图为铸铁的力伸长曲线。,铸铁的力-伸长曲线,(3)强度指标:屈服点和抗拉强度。,屈服点:试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，其计算公式为 s=Fs/S0 式中 s屈服点，MPa; Fs试样屈服时的载荷，N; S0试样原始横截面面积，mm2。 对于无明显屈服现象的金属材料，按GB/T 2282002规定可用规定残余伸长应力0.2表示。0.2表示试样卸除拉伸力后，其标距长度部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称屈服强度。计算公

9、式为 0.2=F0.2/S0 式中 0.2规定残余伸长应力，MPa; F0.2残余伸长率达到0.2%时的载荷，N; S0试样原始横截面面积，mm2。,抗拉强度:试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。其计算公式为 b=Fb/S0 （1-5） 式中 b抗拉强度，MPa; Fb试样承受的最大载荷，N; S0试样原始横截面面积，mm2。 抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。抗拉强度b和屈服点s一样，也是机械零件设计和选材的主要依据。在工程上把s/b称为屈强比。屈强比高，则材料强度的有效利用率高，但过高也不好，一般以0

10、.75左右为宜。,(3)强度指标:屈服点和抗拉强度。,2.塑性,断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。它们也是由拉伸试验测得的。 试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比称为断后伸长率，其计算公式为 =(l1- l0)/l0100% 式中 试样断后伸长率，%; l0试样原始标距长度，mm; l1试样拉断后的标距长度，mm。 试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比称为断面收缩率，其计算公式为 =(S0-S1)/S0100% 式中 断面收缩率，%; S0试样原始横截面面积，mm2; S1试样拉断后缩颈处的最小横截面面积

11、，mm2。,3.硬度,抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。,(1)布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。,适用范围:,450HBS;淬火钢球,650HBW; 硬质合金钢球,(2)洛氏硬度 ( Rockwll hardness ),洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 HRB （钢球，P=1000N）轻金属，未淬火钢 HRC （金刚石圆锥体，P=1500N）较硬，淬硬钢制品 HRA （金刚石圆锥体，p=600N）硬、薄试件,10HRCHBS,(3)维氏硬度,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，12

12、0kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,压头：金刚石四棱锥体,4.韧性,金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。 冲击试验:,冲击试验示意图,AK=GH1-GH2 =G(H1-H2) 式中 AK冲击吸收功， J ; GH1摆锤初始势能; GH2摆锤剩余势能; G摆锤重量， N ; H1摆锤初始高度， m ; H2冲断试样后，摆锤回升高度，m。 冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为 K= AK/ S0 式中 K冲击韧度， J/cm2; AK冲击吸收功， J ; S0试样缺口处横截面面积,cm2。,5.疲劳强度

13、,疲劳现象： 承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,（80%的断裂由疲劳造成）,影响因素： 循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,1943年美国T-2油轮发生断裂,Titanic沉没原因,Titanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,二、金属的工艺性能,工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊

14、接性和切削加工性等 1、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。 2、锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,3、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 4、切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。 5、热处理工艺性能 热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向，主要包括淬透性、回火稳定性、回火脆性及氧化脱碳倾向性和淬火变形开裂倾向性等。,