金属学级热处理笔记.docx
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金属学级热处理笔记
本科生上课笔记重点
宏观的塑性变形是位错在外力作用下运动的结果。
位错在晶体中的运动方式有两种:
滑移slip:
与金属的变形密切相关
攀移climba
位错的滑移是在切应力作用下进行的,存在一个最小切应力。
使刃型位错滑移的切应力必须与位错线垂直。
对于刃型位错,晶体滑移的方向与位错运动方向一致。
滑移面:
位错线与柏氏矢量组成的原子面,对于刃型位错,位错线与柏氏矢量垂直,因此刃位错的滑移面是唯一确定的。
使螺型位错滑移的切应力必须与位错线平行。
对于螺型位错,晶体滑移的方向与位错运动方向垂直。
滑移面:
对于螺型位错,位错线与柏氏矢量平行,因此螺型位错可以有多个滑移面。
要点
(1)位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。
(2)对于一根位错线而言,柏氏矢量是固定不变
(3)可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。
b⊥t时为刃型位错,b∥t为螺型位错,对于混合型位错,b和t的角度在0°和90°。
的。
(4)位错线不能终止于完整晶体之中。
位错通常可以在包含位错线和柏氏矢量的面上滑移,在某些情况下,还能发生垂直于滑移面方向的移动,称为攀移。
只有刃型位错会发生攀移。
攀移的本质是刃型位错半原子面的向上(正攀移)或向下运动(负攀移)。
攀移时伴随物质的迁移,需要空位的扩散,需要热激活,比滑移需要更大的能量
原子正常的堆剁次序遭到破坏的现象称为堆垛层错。
面缺陷包括晶界、相界和表面
前面举例晶体有规则的外形,金属内部是由大量的小的单晶体组成,称为晶粒,每个晶粒内部,原子是规则排列的。
晶粒之间的界面称为晶界。
在晶界部分,原子呈不规则排列。
晶界两侧晶粒的位相差θ
θ<10o小角度晶界
θ>10o大角度晶界
在晶界处,原子处于较高能量状态。
这部分能量称为晶界能
点缺陷、线缺陷、面缺陷、肖脱基空位、弗兰克耳缺陷、间隙原子、置换原子、刃型位错、螺型位错、位错密度、滑移、攀移、全位错、不全位错、层错、大角度晶界、小角度晶界、晶界能
刃型位错和螺型位错的特征。
柏氏矢量的确定及柏氏矢量的表示。
理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的特点。
组元component:
组成材料最基本的,独立的物质。
纯元素金属NiCuFeCr非金属CNBO
化合物Al2O3、SiO2、AlN、Fe3C
合金alloy:
由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。
相phase:
金属中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。
相图phasediagrams:
描写在平衡条件下,系统状态或相的转变与成分、温度及压力间的关系的图。
纯金属:
高导电性,高延展性,良好的耐蚀性。
强度较低,很少用作工程结构。
合金化:
可提高强度和硬度。
工程中应用的金属材料大部分是合金。
以合金中某一组元作为溶剂、其它组元为溶质、所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相,称为固溶体。
溶剂的晶体结构不改变,但是由于溶质原子的存在,晶格会发生畸变
形成无限固溶体时,原子相对尺寸差一般小于15%。
组元间晶体结构相同时.固溶度一般都较大,而且有可能形成无限固溶体。
若组元间晶体结构不同.便只能形成有限固溶体。
两元素间电负性差越小,则越易形成固溶体,而且所形成的固溶体的溶解度也就越大;
随两元素间电负性差增大.固溶度减小,当溶质与溶剂的电负性差很大时,往往形成比较稳定的金属间化合物。
电子浓度:
合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值,记作e/a。
存在一极限电子浓度。
超过极限电子浓度,固溶体就不稳定,便会形成新相。
形成间隙固溶体的溶质原子半径很小,如
氢(0.046nm)氧(0.061nm)氮(0.071nm)
碳(0.077nm)硼(0.097nm)
间隙固溶体只能是有限固溶体。
形成固溶体时,材料的硬度、强度升高,这种由于溶质原子的固溶引起的强化效应,称为固溶强化。
当溶质原子的加入量超过一定限度时,会形成一种新相,这种新相称为中间相,中间相的晶体结构不同于此相中的任一组元。
又称为金属间化合物
分类:
正常价化合物
电子化合物
尺寸因素化合物
由金属元素与周期表中的第IV,V,VI族元素组成。
化合物符合化合的原子价规律,可用化学式表示。
AB,A2B(orAB2).
熔点高于组成金属元素,说明原子间结合力较强。
硬度较高,但是脆性大。
如Mg2SiMg2SnMnSAlNSiC等。
e/a=(价电子数总和)/(原子总数).
有三种不同的比值,通常称为Hume-Rothery比:
e/a=3/2(21/14)-β相
e/a=21/13-γ相
e/a=21/12-ε相
这类中间相的形成主要受组元的相对尺寸所控制。
两类:
间隙化合物
拉弗斯相
ri(interstitial)/rm(metal)<0.59
间隙原子处于结构间隙处,不改变金属的晶体结构。
这时,称为间隙相。
ri(interstitial)/rm(metal)>0.59
晶格畸变增大,形成新的更复杂的晶体结构,称为间隙化合物。
相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。
利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。
相平衡:
在某一条件下,系统中各个相经过很长时间也不互相转变,处于平衡状态,这种平衡称为相平衡。
相律(Gibbs’PhaseRule)1876Gibbs
描述系统的组元数、相数和自由度数关系的法则。
f=C-P+2
自由度:
平衡系统中保持平衡相数不变的条件下独立可变的因素。
不能为负值。
组元数C=1
根据相律:
f=1-P+2=3-P
若,P=1,则f=2
∴可以用温度和压力作坐标的平面图(p-T图)来表示系统的相图。
若,f=0,则P=3,即最多有三相平衡
相图上的每一个点都对应着系统的某一种状态,因此这些点通常称作状态点。
如果外界保持一个大气压,根据相律,C=1,P=1则f=1。
系统中只有一个独立可变的变数。
因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。
二元系统有两个组元,根据相律:
f=C-P+1,二元系统最大的自由度数目f=2,这两个自由度就是温度和成分。
故二元凝聚系统的相图,仍然可以采用二维的平面图形来描述。
即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。
热分析法、金相组织法、X射线分析法、硬度法、电阻法、热膨胀法、磁性法等
第四章铁-碳合金相图
Phasediagramofiron-carbonalloys
要求:
掌握铁-碳合金中的基本相;
掌握铁-碳(Fe-Fe3C)合金相图;
熟悉典型合金的平衡凝固过程及组织转变;
理解碳含量对铁-碳合金组织和性能的影响;
了解钢中的杂质元素。
钢铁为最重要的金属材料。
铁碳合金分类:
钢:
碳的质量分数小于2.11%;
铸铁:
碳的质量分数大于2.11%。
实际研究中碳的含量小于6.69%。
铁-碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具。
由于含碳量超过6.69(Fe3C的含碳量)以后,合金脆性很大,所以研究的只是Fe-Fe3C
铁的熔点:
1538℃
密度:
7.87kg/m3.
同素异构转变:
金属在固态下发生的
晶格类型的转变。
Fe3C是铁与碳的一种具有复杂结构的间隙化合物(正交晶系),通常称为渗碳体,用Cm表示。
性能特点:
硬度高,800HBW。
脆性大
Fe3C→3Fe+C
石墨
δ相:
碳在δ-铁中的间隙固溶体,bcc结构,1394℃以上存在,最大溶碳量为0.09%。
又叫高温铁素体。
α相:
碳在α-铁中的间隙固溶体,bcc结构,912℃以下存在,最大溶碳量为0.0218%。
叫做铁素体,也可用F表示。
γ相:
γ相是碳在γ-铁中的固溶体,fcc结构,727℃-1495℃之间存在,最大溶碳量为2.11%,叫做奥氏体,也可用A来表示。
4.1.2相图中重要的点和线
相图中各个点的代表符号一般通用,不随意改变。
其中的P、S、E、C四个点最重要。
包晶转变:
1495℃HJB水平线:
L0.53+δ0.09→γ0.17
共晶转变:
1148℃ECF水平线:
L4.30→γ2.11+Fe3C
莱氏体Ledeburite符号Ld共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物,叫做莱氏体,用Ld表示。
其中的渗碳体叫做共晶渗碳体。
共析转变:
727℃PSK水平线(A1线,A1温度):
γ0.77→α0.02+Fe3C
珠光体Pearlite符号P共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,叫做珠光体,用P表示。
其中的渗碳体叫做共析渗碳体。
GS线(A3线,或A3温度):
合金冷却时从A中开始析出F的临界温度线。
ES线碳在A中的固溶线,叫做Acm线,Acm温度。
由奥氏体中析出的渗碳体叫做二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示。
PQ线碳在铁素体中的固溶度曲线。
由铁素体中析出的渗碳体叫做三次渗碳体,用Fe3CⅢ表示。
一次渗碳体:
直接从液相中析出。
二次渗碳体:
从A中析出
三次渗碳体:
从F中析出
共晶渗碳体:
共晶反应,莱氏体中
共析渗碳体:
共析反应,珠光体中
成分相同,来源、形态不同
铁碳合金可以分为三类:
工业纯铁:
C≤0.0218%
钢:
0.0218%亚共析钢:
0.0218%共析钢:
C=0.77%
过共析钢:
0.77%白口铸铁:
2.11%亚共晶白口铸铁:
2.11%共晶白口铸铁:
C=4.3%
过共晶白口铸铁:
4.3%典型合金的结晶过程
工业纯铁
2.共析钢
3.亚共析钢
4.过共析钢
5.共晶白口铸铁
低温莱氏体:
高温莱氏体(A+Fe3C)形成后,随温度的降低,A要转变为P和Fe3CⅡ,叫做低温莱氏体(P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶)。
用Ld'表示。
6.亚共晶白口铸铁
7.过共晶白口铸铁
本章重点题
一铁-碳相图的应用
1.合理选用钢铁材料根据性能要求来选择合金的成分。
2.确定热加工工艺如铸造中要求选择结晶温度区间小的合金,从相图中可以看出,纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。
在热变形加工中,要求合金的塑性较高,因而选择在单相奥氏体区进行。
3.在热处理工艺中的应用钢的热处理工艺都是根据铁-碳相图制定的。
二杂质元素对钢的性能的影响
►五大元素:
碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)
►其它:
氧(O)、氮(N)、氢(H)
锰和硅
作为脱氧剂。
硅含量≤0.5%。
增加钢液流动性,提高钢的强度。
含量高时,影响钢的质量。
锰含量≤0.8%。
提高硅和铝的脱氧效果。
硫
有害元素,来源于生铁原料、矿石和燃料(如焦炭)燃烧产生的SO2。
热脆:
钢在热加工时开裂(11年考)。
原因:
Fe+FeS共晶(11年考)
Fe+FeS+FeO三元共晶
解决:
加入锰
磷
有害元素,来源于矿石和生铁等炼钢原料。
冷脆:
其固溶强化作用提高钢的强度、硬度,但剧烈降低钢的低温韧性。
主要以氧化物形式存在。
如FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、MgO
使钢的性能变差。
氮钢在冶炼时进入的。
使钢的强度、硬度升高,塑性、韧性降低。
氢溶入钢中使钢的塑性和韧性降低,称为氢脆。
当氢从钢中析出时,形成缺陷,如白点等。
铁碳相图(重点)
钢、铸铁、渗碳体、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、A1线、Acm线、A3线、组织组成物
Fe-Fe3C相图中的恒温转变和重要的固态转变线。
典型合金的凝固过程分析及杠杆定律的应用。
填写相图中的组织组成物。
理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。