哈工大金属学与热处理课件3
哈工大,金属学与热处理课件,绪论
2
绪 论
(一)材料的定义及分类
• 按应用领域,材料可以分为:电子材料,航空航 天材料,核材料,建筑材料,能源材料,生物材 料等。 • 按使用用途,材料可以分为:结构材料和功能材 料。 • 按先进性,材料可以分为:传统材料和新材料 (先进材料)。
3
绪 论
(二)材料的发展与人类的进步
材料的发展是人类进步程度的重要标志, 是人类社会发展的里程碑。 • 一百万年以前,人类开始进入旧石器时代,可以 用石头作工具。 • 一万年以前,人类开始进入新石器时代,将石头 加工成器皿和工具,在8000年前,开始人工烧成 陶器,用于器皿和装饰品。
22
绪 论
(六)金属学及热处理的发展概况
近代的理论科学阶段 近几十年来,以马氏体相变为核心的固态相变 理论得到了迅速发展,固态相变理论日臻成熟。成 熟的热处理工艺已经广泛应用于工业领域,并且随 着金属物理的发展和其它新技术的移植应用,各种 先进的热处理技术不断出现并得到应用。
23
绪 论
(七)本课程的任务及在科研生产中的地位
绪 论
(四)材料科学与技术发展的重点
• 开发先进材料---材料制备新技术的开发;新材料 的设计与制备。 • 改进现有材料---传统材料的改性;先进复合材料 的研制。 • 材料的应用---材料的应用要考虑的主要因素有: 材料的使用性能;材料的使用寿命及可靠性;材 料制备、加工与使用期间与环境的适应性;价 格。
9
绪 论
(三)材料科学与工程的内涵
材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、 制备与加工工艺、材料性能与使用效能以及他们之 间的关系.
性质 效能 成分 受环境影响 (气氛、温度、受力) 组织结构
合成/制备
性质
金属学与热处理(哈工大版)第三版 钢在加热和冷却时的转变
一、概述1、热处理:将钢在固态下加热到预定的温度,保温一定的时间,然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺(1)目的:细化晶粒、消除偏析、降低内应力,使组织和性能更加均匀(2)预备热处理:热加工后为随后冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理(3)热处理原理:钢的加热转变、P转变、M转变、B转变和回火转变2、钢的临界温度:A1、A3、A cm(过冷度和过热度)(1)A c1:加热时P向A转变的开始温度A r1:冷却时A向P转变的开始温度(2)A c3:加热时先共析F全部融入A的终了温度A r3:冷却时A开始析出先共析F的温度(3)A ccm:加热时Fe3C II全部溶入A的终了温度A rcm:冷却时A开始析出Fe3C II温度二、珠光体转变1、P转变:过冷A在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行转变(1)实质:单相A分解为F和Fe3C两个新相的机械混合物的相变过程(2)扩散型相变:碳的重新分布和铁的晶格改组2、组织形态和机械性能(1)片状珠光体:由片层相间的F和Fe3C片组成P的片间距(S0):相邻两片F或Fe3C之间的距离→P形成时的过冷度(越大、越小)一般片状珠光体:在光学显微镜下能明显分辨出F和Fe3C层片状组织形态S(细片状P):只能在高倍光学显微镜下才能分辨出F和Fe3C层片状组织形态T(极细P):只能在电子显微镜下才能分辨出F和Fe3C层片状组织形态机械性能:片间距和P团的直径片间距和直径越小,强度和硬度越高;片间距减小能提高塑性(2)粒状珠光体:F基体上分布着粒状Fe3C的组织球化退火或淬火后经过中、高温回火得到机械性能:Fe3C颗粒的大小、形态和分布Fe3C颗粒越细(相界面越多),强度和硬度越高碳化物接近等轴状、分布越均匀,韧性越好**成分相同,粒状P比片状P硬度稍低,但塑性较好;硬度相同,粒状P比片状P具有良好的拉伸性能;粒状P具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能3、珠光体形成过程:(1)片状P:形核(A晶界或相界面),长大(受碳的扩散控制)晶格重构是由Fe原子自扩散完成(2)粒状P:淬火组织回火、过冷A直接分解;冷却速度的大小和等温温度的高低三、马氏体转变1、M转变:钢从A状态快速冷却,抑制其扩散性分解,在低于Ms点下发生的转变(1)实质:低温转变,非扩散性相变(Fe的晶格改组通过切边方式完成)(2)M:碳在α-Fe中的过饱和固溶体,具有很高的硬度和强度2、M的组织形态(1)板条M(位错M):由许多成群、相互平行排列的板条所组成空间形态:扁条状,小角晶界相间低、中碳钢、M时效钢、不锈钢亚结构:高密度位错位错胞:位错分布不均相互缠结,形成胞状亚结构(2)片状M(针状M):大量显微裂纹(增加高碳钢脆性)空间形态:双凸透镜状,光学显微镜下呈针状或竹叶状最大尺寸:取决于原始A晶粒大小→隐晶M(光学显微镜无法分辨)亚结构:孪晶(孪晶M)细微孪晶区(3)影响M形态的因素:M的形成温度(A的化学成分,即碳和合金元素的含量)板条M:200℃以上;片状M:200℃以下碳浓度越高,板条M越少,片状M越多:降低Ms的合金元素促进片状M形成Ms以上不太高温度进行塑性变形,增加板条M的数量3、M的晶体结构:正方度(轴比c/a,表示碳的过饱和程度,取决于M的质量分数)4、M的性能:(1)M的硬度和强度:硬度取决于M的含碳质量分数;合金元素影响强度固溶强化、相变强化、时效强化、晶界强化(原始A晶粒大小及板条M束大小)(2)M的塑性和韧性:取决于含碳质量分数、组织形态和内部的亚结构片状M 硬而脆;板条M 具有较高的强度、硬度以及相当高的塑性、韧性(3)M 的物理性质:铁磁性,高的矫顽力,高电阻率等5、M 转变的特点:(1)热力学特点:)(e S V G G G G ∆+∆+∆=∆,相变驱动力与表面能和弹性应能之和(2)晶体学特点:无扩散性,切变性,共格性,严格的位向关系和惯习面(3)动力学特点:M 的降温转变,A 的稳定化(热稳定化和机械稳定化(两种))(4)M 转变的可逆性:A 可以在冷却时转变为M ,M 重新加热又能形成A四、贝氏体转变1、B 转变(中温转变):介于珠P 和M 转变之间的一种转变既具有P 转变又具有M 转变的某些特征2、B 的组织形态:(1)上B :成束分布、平行排列的F 和夹于其间的断续的条状Fe 3C 的混合物羽毛状,亚结构是位错(2)下B :由含碳过饱和的片状F 和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物空间形态呈双凸透镜状,光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状,亚结构是位错(3)粒状B :形成于上B 转变区上限温度范围内,无论如何冷却都可有粒状B 的形成 分解为F 和碳化物形成P ;发生M 转变;富碳的A 全部保留亚结构是位错(密度不大)3、B 的机械性能:取决于B 的组织形态(1)上B :强度和硬度较低,冲击韧性较低(2)下B :良好的综合力学性能(等温淬火工艺得到)(3)粒状B :良好的强韧性(复相强化作用)4、B 转变的特点:(1)B 转变的热力学特点:)(e S V G G G G ∆+∆+∆=∆(2)B 转变的晶体学特点:F 通过切变结构形成;一定的位向关系和惯习面(3)B 转变的动力学特点:F 的形成和碳化物的析出5、魏氏组织:从A 晶界上生长出来的F 或Fe 3C 近乎平行,呈羽毛状或三角形,其间存在着P 的组织,这种组织称为魏氏组织(1)形成:魏氏组织中的F 按B 切变共格机理形成,相当于无碳B (易出现在过热钢中)(2)影响:常伴随A 晶粒粗大,使钢的机械性能尤其是塑性、韧性显著降低(3)消除方法:细化晶粒的正火、退火以及锻造等,严重可采用二次正火五、钢在加热中的转变1、奥氏体化过程:钢加热获得A 的转变过程(1)热力学条件:)(e S V G G G G ∆+∆+∆=∆→A 的自由能低于P 的自由能(2)A 形成过程:形核、长大、剩余Fe 3C 溶解和A 均匀化形核:优先在F 和Fe 3C 的相界面上形成(浓度起伏、结构起伏、能量起伏) 长大:形核后便开始长大,F 向A 转变速度远大于Fe 3C 溶解速度剩余Fe 3C 溶解:趋于共析成分A 均匀化:均匀的单相A(3)A 形成速度:P 向A 转变开始、结束,剩余Fe 3C 溶解完毕,A 均匀化完成 孕育期:共析钢加热到A c1以上某一温度等温,A 并不是立即出现,而是需要保温一段时间才开始形成A 形核、长大阶段所需时间较短,剩余Fe 3C 溶解所需时间较长,A 均匀化更长(4)影响A 形成速度的因素:加热温度,原始组织,化学成分加热温度:加快扩散;增加自由能差原始组织:原始组织越细小,相界面积越大,A 形成越快化学成分影响:碳的质量分数,合金元素(扩散速度、临界温度、不均匀分布)2、A 的晶粒大小及其影响因素(1)A 的晶粒度:起始晶粒度,实际晶粒度,本质晶粒度起始晶粒度:A 转变刚刚完成,其晶粒边界刚刚相互接触时的A 晶粒大小(N/G ) 实际晶粒度:钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的A 的实际晶粒大小 本质晶粒度:根据标准试验方法,在(930±10)℃保温3~8 h 后测得的A 晶粒大小 本质晶粒度表示钢在一定条件下A 晶粒长大的倾向性(本质粗晶粒钢、本质细晶粒钢),与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关(2)影响A 晶粒长大的因素:升温或保温过程中A 晶粒长大的倾向加热温度和保温时间,加热速度,质量分数,合金元素影响3、过冷A(临界温度A1以下处于不稳定状态的A称为过冷A)等温转变:C曲线(1)过冷A等温转变曲线建立:膨胀法,磁性法,金相硬度法(2)过冷A等温转变曲线分析:A1以上是A稳定区;Ms至M f为M转变区(3)影响A等温转变曲线因素:含碳质量分数,合金元素,A状态,4、过冷A连续冷却转变:CCT图(1)过冷A连续冷却转变曲线建立:膨胀法,金相法,热分析法(2)过冷A连续冷却转变曲线分析:只有P和M转变区,没有B转变区共析钢和过共析钢没有B转变区(A的碳浓度高使B的孕育期长,连续冷却时来不及进行B转变便冷却至低温),亚共析钢由B转变区上临界冷却速度(临界淬火速度):过冷A连续冷却过程中不发生分解,全部冷至Ms点以下发生M转变的最小冷却速度,v c,P+残余A下临界冷却速度:过冷A全部得到P的最大冷却速度,P+M**过冷A等温转变曲线和连续冷却转变曲线比较:①连续冷却转变过程中过冷A的转变温度低于相应的等温转变时的温度,且孕育期长②等温转变产物为单一的组织;连续冷却转变是在一定的温度范围内进行。
哈工大,金属学与热处理课件,第3章
3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
临界点
上临界点 液相线 固相线 下临界点 临界点
用热分析法制作Cu-Ni二元合金相图过程
3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
上临界点连接线称为液相 线,表示合金结晶开始温 度或加热过程中熔化终了 温度。 下临界点连接线称为固相 线,表示合金结晶终了温 度或加热过程中开始熔化 温度。
因此,固溶体结晶时,始终进行着溶质和溶剂原子 的扩散,包括在液相和固相内部的扩散和通过界面 进行的原子互扩散。 需要有足够长的时间,保证平衡结晶过程充分进行。
3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
3.2.2 固溶体合金的平衡结晶过程
(2)固溶体合金的结晶需要一定的温度范围
固溶体合金的结晶需要原子之间的相互扩散。
400 300 200 100 A 20 40 60 w(B) / % 80 B T/℃
3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
• 配制一系列成分不同的合金,测定合金相变点 温度,便可在温度-成分坐标图上得到一系列 坐标点。把各相同意义的点连接成线,这些线 把坐标图划分出一些区,称为相区,标明各区 存在的相名,相图建立完毕。 • 相变点的常用测量方法有:热分析法;膨胀 法;电阻法等。
第3章 二元合金相图及合金的凝固
• 本章的主要学习内容:
二元合金相图的建立; 匀晶相图及固溶体的结晶; 共晶相图及其合金的结晶; 包晶相图及其合金的结晶; 其它类型的二元合金相图; 二元相图的分析和使用; 铸锭的组织与缺陷。
3.1 二元合金相图的建立
3.1.1 二元相图的表示方法
• 合金存在的状态通常由合金的成分、温度和 压力三个因素确定。由于合金的加工处理常 在常压下进行,所以合金的状态可由合金的 成分和温度两个因素决定。 • 对于二元合金,通常用横坐标 表示成分,纵坐标表示温度, 700 600 建立二元合金相图。 •E 500 • 相图中任意一点的坐标值表示 一个合金的成分和温度,如图 中E点表示合金成分w(B)=40%, w(A)=60%,温度为500℃。
哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件金属的塑性变形ppt
04 试验标准
GB/T228.1-2010、ASTM E8/E8M-13等。
压缩试验
定义
压缩试验是测定材料在静压力作 用下变形与破坏的力学性能试验 。它可以模拟材料在承受静载荷 时的变形和破坏行为,评估材料 的抗压强度和塑性。
目的
压缩试验可以用来评估材料的抗 压强度、屈服点和塑性等力学性 能,为工程结构的设计和使用提 供依据。
03
金属的塑性变形应用
塑性变形在工业中的应用
1 2 3
生产制造
通过塑性变形工艺,可以生产出各种形状的零 部件和产品,如锻件、冲压件、挤压件等。
设备安装
利用塑性变形的原理,可以通过冷装、热装等 方法,将大型设备安装到预定位置,提高设备 的稳定性和可靠性。
维修维护
在一些设备的维修和维护中,也常常需要应用 塑性变形的原理,如矫正、校直等。
孪晶
在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生平移 ,并形成与主晶面平行的新晶面。这种变形机制主要受到晶体结构和相变的影响 。
晶界与界面
晶界
晶体之间的边界,是晶体结构中的缺陷之一。在塑性变形过 程中,晶界可以成为位错滑移的障碍,从而影响材料的塑性 变形行为。
界面
不同相之间的接触面,如金属与非金属之间的界面。界面可 以影响材料的强度、硬度等力学性能,并对塑性变形产生影 响。
01
在结构材料的加工过程中,常常需要应用塑性变形的原理,如
钢材的轧制、拉拔等。
结构材料的性能改善
02
通过塑性变形,可以改善结构材料的性能,如提高材料的强度
、硬度、韧性等。
结构材料的应用
03
在建筑、航空航天、汽车等领域中,也常常需要应用塑性变形
金属学 与热处理ppt课件
绪论
四、学习方法 前后联系,理论与实践、实验联系。 五、主要参考书 《金属学与热处理》崔忠圻主编(第1版) 六、金属材料及研究手段发展史简介
第一章 金属与合金的晶体结 构
【重点】1.金属晶体学的基本概念 2.金属中常见的三种晶体结构及特征参数 3.晶向及晶面指数的确定 4.合金相的结构及性能特征 5.晶体缺陷及其对金属材料性能的容】知识点1 金属原子间的结合 知识点2 金属的晶体结构 知识点3 合金相结构 知识点4 实际金属的晶体结构
第二节 金属的晶体结构
• 2、晶面及晶面指数(hkl)的确 定 • 晶面对面:在晶体中,由一系 列原子所组成的平面。
• 晶面指数的确定步骤:
• 1)设空间坐标(坐标原点设在 所求晶面外); • 2)求截距; • 3)求截距的倒数; • 4)将截距的倒数化为最小整数 ; • 5)将最小整数列入圆括号中。
110 [ 110 ] [ 101 ] [ 011 ] [ 1 10 ] [ 1 01 ] [ 0 1 1 ] [ 1 1 0 ] [ 10 1 ] [ 01 1 ] [ 1 1 0 ] [ 1 0 1 ] [ 0 1 1 ]
111 [ 111 ] [ 1 11 ] [ 1 1 1 ] [ 11 1 ] [ 1 1 1 ] [ 1 1 1 ] [ 1 1 1 ] [ 1 1 1 ]
•
第二节 金属的晶体结构
• 三、三种典型的金属晶体结构 • 1、面心立方结构 • 例:γ -Fe Al Cu等
• 2、体心立方结构 • 例:α -Fe W Cr等
• 3、密排六方结构 • 例: Zn Mg Be等
4.晶体结构特征参数
2 a 4
3 a 4
《金属学及热处理》课件
降低汽车零部件的制造成本, 提高生产效率
提高汽车零部件的耐磨性、 耐腐蚀性和疲劳强度
提高汽车零部件的尺寸精度 和形状精度,保证其装配精
度和性能稳定性
热处理在航空航天工业的应用
提高材料强度和韧性
改善加工性能和焊接性能
改善疲劳性能和耐磨性
提高零件的尺寸稳定性和可靠性
提高耐腐蚀性和抗氧化性
延长零件的使用寿命和维护周期
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金属学及热处理PPT课 件
汇报人:
目录
01 02 03 04 05 06
添加目录项标题 金属学基础
金属的热处理原理 金属的热处理工艺 金属热处理的应用 金属热处理的未来发展
01
添加目录项标题
02
金属学基础
金属材料的分类
按照化学成分分类:铁、铜、铝、锌等 按照组织结构分类:单相、多相、复合等 按照性能分类:高强度、高韧性、耐腐蚀等 按照用途分类:建筑、汽车、航空、电子等
热处理工艺:包括加热速度、保温时间、冷却速度等
热处理效果:影响金属的力学性能、物理性能和化学性能
热处理的分类
退火:将金属加热到一定温度,保温一定时间 后冷却,以消除内应力,降低硬度,提高塑性 和韧性
正火:将金属加热到一定温度,保温一定时间后 冷却,以细化晶粒,提高硬度和强度
淬火:将金属加热到一定温度,保温一定时间后 快速冷却,以获得高硬度和高耐磨性
热处理与环境保护的结合
绿色热处理技术:采用环保材料和工艺,减少污染排放 节能减排:优化热处理工艺,降低能耗,减少碳排放 循环利用:回收利用废热、废气、废液等,实现资源循环利用 环保法规:遵守环保法规,确保热处理过程符合环保要求
热处理在智能制造领域的应用前景
哈工大金属学与热处理上课课件 .ppt
热 处 理
学习目的
掌握有关金属材料学科的基本概 念、基本原理和基本方法
为合理地选材和制订零件的热加 工工艺规程奠定坚实的基础。
熟悉常用术语和基本概念
学 牢固建立材料的性能决定于材料 习 的组织、结构这一概念 要 求 掌握金属材料主要热加工工艺原
理, 并能制定常规热处理工艺。
考 作业10%+实验10%+期中笔试 核 20%+期末口试60 %
使指材料的 用可加工性 。
性
性能
铸造
能
工 塑性加工
艺
焊接
性 热处理
能 粉末冶金
机械加工
液→固;流动性
使
用
性
性 能
能 工
铸造 塑性加工
液→固;流动性
锻、拉、挤、轧、弯 ; 延展性 ;变形抗力、变 形开裂倾向
艺
焊接
性 热处理
能 粉末冶金
机械加工
使
用
性
性 能
能 工
铸造 塑性加工
液→固;流动性
非金属原子共有电子而 构成大分子材料称为高 分子材料。每个大分子 由许多结构相同的单元 相互连接而成,因此高 分子材料又称为聚合物。 它具有较高的强度、良 好的塑性、较强的耐腐 蚀性、绝缘性和低密度 等优良性能。材料中原子之间的键合特点
金属材料
材
料 的
陶瓷材料
分 类 高分子材料
复合材料
复合材料是由两 种或两种以上材 料组成的,其性 能是它的组成材 料所不具备的。 复合材料可能具 有非同寻常的刚 度、强度、高温 性能和耐蚀性。
组织结构
性能
热加工工艺
铸 造
锻 造
焊 接
热 处 理
组织结构
哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件金属的塑性变形ppt
xx年xx月xx日
目录
• 金属的晶体结构 • 金属的塑性变形机制 • 金属的屈服与断裂 • 金属的强化机制 • 金属的热处理 • 金属的加工硬化 • 金属的循环硬化与软化
01
金属的晶体结构
金属的晶体结构
金属键
自由电子的海洋,无方向性和饱和性
金属原子半径
影响金属键强弱的因素
金属晶体结构
金属材料在塑性变形过程中,结构发生变化,产生新相或产生孪晶结构,导致强度和硬度 提高。
加工硬化的利弊及控制方法
01
加工硬化的优点
可以提高金属材料的强度和硬度,改善材料的综合性能,如耐腐蚀性
、高温性能、表面硬度等。
02
加工硬化的缺点
可能会导致材料的延展性和韧性降低,增加材料脆性,降低材料成形
性和后续加工性能。
热处理对金属性能的影响
热处理可以显著提高金属材料的硬度、强度、耐磨性、疲劳强度等力学性能。同 时,也能改善金属材料的磁性、导电性和耐腐蚀性等物理和化学性能。
06
金属的加工硬化
加工硬化的概念
加工硬化是指金属材料在塑性变形过程中,随着变形量的增 加,材料的强度和硬度逐渐提高,而塑性和韧性逐渐降低的 现象。
循环硬化主要源于位错增殖、加工硬化、动态应变时效等 机制。
循环软化的概念及原因
循环软化(Cyclic Softening)是指在循环 加载过程中,金属材料的塑性变形抗力降低 的现象。
循环软化主要源于动态恢复、动态再结晶、 裂纹扩展等机制。
高周疲劳与低周疲劳下的循环硬化与软化行为
高周疲劳(High-Cycle Fatigue)是指加载频率 较高、应力水平较低的疲劳行为,循环硬化和软 化现象不明显。
金属学与热处理教学PPT课件(带内容)
03
含银量
WAg =42.4%~66.3%
的Pt-Ag合金
汇 报 人 : XXX
L
L1
L2
t2
L3
t3
α3
t1
L+α
α1
α2
α
1100
1050
Cu
30
Ni
01
由图当合金自高温缓慢冷至t1温度时,开始从
液相中结晶出α固溶体,根据平衡相成分的确
定 方 法 , 可 知 液 相 成 分 为t1L1, 固 相 成 分 为 α1, 此
时的相平衡关系是L1
α1 运用杠杆定律
,可以求出α1的含量为零,说明在温度t1时,
当合金1自液态缓慢冷却到与液相线相交的1点时,开
始从液相中结晶出a相。在继续冷却的过程中,a相的
数量不断增多,液相的数量不断减少,a相和液相的
成分分别沿固相线AP和液相线AC变化。当温度降低
到tD(1186℃) 时,合金中a相的成分达到P点,液相
的成分达到C点,在温度tD时,液相L和固相a发生包
晶转变:Lc +ap
汇 报 人 : XXX
匀晶相图的定义及特征 共晶相图的定义及特征 包晶相图的定义及特征
两组元不但在液态无限互溶,而且在固态也 无限互溶的二元合金系所形成的相图,称为 匀晶相图。
匀晶转变
结晶时从液相结晶出单相的固溶体
以铜镍合金为例,上面是液相线, 液固两相并存区L+α
结晶刚刚开始,实际固相尚未形成
02
wNi(%)
当温度缓冷至t2温度时,便有一定数量的α固溶体结晶出来,此时的固相成分为α2,液相成分为L2,合金的相平衡
关系是: L2 t1 α2 为了达到这种平衡,除了在t2温度直接从液相中结晶出的 α2外,原有的α;相也必须改变为与
哈工大金属学与热处理课件钢的热处理原理与热处理工艺
是过冷奥氏体在临界温度A1以下较高的温度范 围内进行的转变(共析钢在A1~550℃之间), 又称高温转变。是典型的扩散型相变。
奥氏体γ
A1以下
珠光体P( α+ Fe3C)
体心立方 (bcc) 0.0218%C
面心立方 (fcc) 0.77% C
复杂斜方 6.69%C
§7.4 珠光体转变
相互平行排列的板条
针状或竹叶状 凸透镜状 孪晶 高碳钢 硬而脆
扁条状 高密度的位错 低/中碳钢 强韧性
§7.5马氏体转变
热力学
转变特点
晶体学 动力学
§7.6贝氏体转变
§7.6贝氏体转变
贝氏体
贝氏体转变的主要特点:中温相变 上贝氏体 形成温度: 550 ~ 350℃ 下贝氏体 350℃ ~ Ms
性能: 取决于粒状渗碳体的大 小、形态和分布。具有较高的 强度,较好的切削加工性能( 塑韧性好)及淬火工艺性能。 颗粒越细,强度越高;颗 粒越均匀,韧性越好。
在硬度相同的条件下, P 粒状 比 P片 拉伸性能好
获得:球化退火 、淬火+ 回火
§7.5马氏体转变
§7.5马氏体转变
§7.5马氏体转变
1)片状长大机制
领先相
片状珠光体刚形成时碳的浓度示意图
§7.4 珠光体转变
P粒状比P片拉伸性能比较
片状珠光体形成时成片形成机制示意图
§7.4 珠光体转变
珠光体转变的主要特点
(1)在A1温度以下的高温区进行的相变,对非合金钢 约在550~720℃; (2)是渗碳体和铁素体交替组成的片层状组织,为共 析转变; (3)在渗碳体和铁素体形核和长大的过程中,必须依 靠碳的扩散,是扩散型相变; (4)珠光体的形核率随转变温度的降低而增大,而原 子的扩散随温度的降低而困难,故珠光体转变的 温度—时间曲线呈C字形。
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(101)非密 排面,长 大速度快
最终外表 面为密 排面
粗糙界面: “平面长大”方式——平面晶
(二) 负温度梯度下 “枝晶生长”方式——树枝晶——常见
—— 会解释树枝晶形成 1 粗糙界面
2 光滑界面 多为小平面树枝状晶体 有时为规则外形晶体
三、晶粒大小及控制 1 晶粒大小对材料性能的影响
常温下,金属的晶粒越细小,强度和硬 度越高,塑性和韧性也越好。
即ΔG = G(转变后) -G(转变前) < 0 时 转变会自发进行
纯金属恒压条件下在液态、固态时的自 由能GS 、GL 随温度的变化如下:
dG =-S dT
G: 体系自由能 T: 热力学温度 S: 熵,表征体系中原子排列混乱程度的参数
斜率不同的原因: S液>S固
结晶时只有存在ΔT 才 能 保 证: ΔG V= GS -GL < 0
但不适于尺寸较小的铸件 原因:若铸模冷却能力很大,反而促进
等轴晶的发展(增加形核率)。 例:连铸小截面钢坯时,采用水冷结晶
器, 连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。
(2)提高铸模中心区温度,增大温度梯度。 具体:提高浇注温度与浇注速度。
(3)提高熔化温度,减少非均匀形核数目。
熔化温度越高,液态金属过热度越大, 非金属夹杂物溶解越多,从而减少了柱状晶 前沿液体中形核的可能性,有利于柱状晶区 的发展。
情况下只有柱状晶区,而有的只有等轴晶区。
塑性好金属铝、铜等——发展柱状晶 塑性相对较低的金属、钢等——发展等轴晶
(一)促进柱状晶生长的方法: 总体: (1) 加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力
——促进散热的方向性 (2) 降低液相内部非均匀形核的可能性
具体: (1) 提高铸锭模的冷却能力。 如: 金属模代替砂型模; 增加金属铸模的厚度等 注意:此方法仅适于尺寸较大的铸件,
——晶核可长大
当 r < r0 时, ΔG > 0, 热力学上结晶
不可发生,但液相中结 rk 时,
r0
随 r ↑, ΔG ↑
—— 晶胚尺寸减小为自 发过程→会瞬间离散, 只 能保持结构起伏状态,不
能长大。
② 当 rk < r < r0时,
随 r ↑, ΔG ↓
如γ- Fe为 f c c 结构 a≈0.3652nm Cu也为 f c c 结构 a≈0.3688nm
在液体Cu中加入少量Fe,可促进形核。 又如 Zr 能促进 Mg 的非均匀形核 Ti 能促进 Al 的非均匀形核。
(3)振动、搅动: 机械方法、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。
§2 金属铸锭的组织与缺陷 1、铸锭三晶区
——随ΔT ↑,ΔG↓↓ 即:增大过冷度,可显著降低形核阻力
(3) 形核率(N = cm -3 s –1): 单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。 意义: N 越大,结晶后获得的晶粒越细小,
材料的强度高,韧性也好。
形核率控制因素: N = N1• N2 N 1 ─受形核功影响的因子;(ΔT↑, N 1↑) N 2 ─受扩散控制的因子。(ΔT↑, N 2↓) ┗ ΔT对N的影响矛盾、复杂
——但高温下晶界为弱区,晶粒细小强 度反而下降,但晶粒过于粗大会降低塑性 。 此时须采用适当粗晶粒度。
2 铸造中晶粒大小的控制 形核率越大,长大速度越小,则单位体
积中的晶粒数目越多,晶粒越细小。 单位体积中的晶粒数目为: ZV=0.9(N / G)3 / 4
细化晶粒: 提高形核率N, 降低晶核长大速度G
临界晶核半径与过 冷度的关系:
随ΔT↑, rk ↓;
ΔTk: 晶胚 → 晶核 ——临界过冷度
即过冷液体中最大晶胚尺寸= rk时的ΔT
(2)形核功以及形核时的能量起伏现象
事实上,当r = rk 时系统的ΔG > 0, 此时:
rK=
2σTm LmΔT
代入球形晶胚自由能表达式可得:
ΔGk =1/3 ·(4πr2k) ·σ =1/3 ·Sk·σ
工业上常用的方法: (1)增加过冷度
过冷度增大,N、G 均增大,但N提高的 幅度远高于G ——增加过冷度 —— 加大冷却速度
(2)变质处理 添加固相微粒或表面——非均匀形核 变质处理定义:在浇注前往液体中加入
变质剂(孕育剂),促进形成大量的非均匀晶 核,该工艺称为~。
孕育剂选择原则: Ⅰ 点阵匹配:即结构相似、尺寸相当。 Ⅱ 孕育剂熔点远高于金属本身
最大散热方向
注意:晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别 另有:形变织构
(三)中心等轴粗晶区 形成原因:
(1)液体温度全部降到结晶温度以下, 可同时形核。
(2)未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作 为非均匀形核的核心。
(3)散热失去了方向性,各方向长大 速度相差不大。
——长成等轴晶。 由于过冷度ΔT不大,晶粒较粗大。
3 晶体的生长形态 (1)液固界面前沿温度分布
正温度梯度温度分布: 液相温度随至界面距离增
加而提高。——靠近模壁处
负温度梯度温度分布: 液相温度随至界面距离增
加而降低。
(2) 晶体的生长形态 (一) 正温度梯度下 光滑界面: 易于形成具有规则形状的晶体。
(100)密排面(简单立方中),长大速度慢
——短程有序 晶体:长程有序
结晶的实质:
由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。
液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏”
相起伏特点: (1) 瞬时出现,瞬时消失,此起彼伏;
——又称为结构起伏。
瞬时 1
瞬时 2
(2)相起伏或大或小,不同尺寸相起伏出现的 几率不同,过大或过小的相起伏出现几率均 小;
┗晶胚长大为自发过程
即该尺寸区域的晶
r0
胚不再瞬间离散,而为
稳定且可长大的 。
注意:
实际当rk < r < r0时,
ΔG>0, 按热力学理论
L→S不能发生,然而:
r0
rk :为临界晶核尺寸 原因:
——过冷液体中存在能量 起伏, 其中高能区可能使 ΔG <0 。
微分, 求得: rk =2σ/ΔGV =2σ·Tm/(Lm·ΔT) ——临界晶核尺寸
金属玻璃
实际纯金属: 随ΔT↑, N↑; 且ΔT =0.2Tm
2 非均匀形核(非自发形核): 晶核依附于液态金属中现成的微小固相
杂质质点的表面形成。
见教材50: 公式2-22 图2-11
非均匀形核特点: 形核功↓; ΔT=0.02Tm ┗ 远小于均匀形核
结晶时形核要点 1、必须要有过冷度ΔT,晶胚尺寸r>rK。 2、rK与ΔT成反比。ΔT↑ rK↓。 3、均匀形核既需结构起伏,又需能量起伏
感应加热炉 叶片
单晶制备方法
(三)、发展等轴晶,限制柱状晶的方法
降低浇注温度和浇注速度,减小液体过 热度,在液体中保留较多非均匀形核核心;
小铸件:可用↑过冷度的方法↑形核率;
大铸件:变质处理;
3、金属铸锭组织缺陷——自学 缩孔 气孔 夹杂物
小结:
具有临界晶核尺寸的晶胚
驱动力 GS-GL
等轴晶和柱状晶体性能比较
等 轴晶
柱状晶
优点:
优点:结构致密
无方向性,无 缺点:
明显弱面,热加 1、由于结晶位向一致,性
工性能好。
能有方向性,热加工性能差
缺点:
2、两个不同方向柱状晶
显微缩孔多,的结合处杂质多、强度低,
致密性差。
称为弱面,热轧时易破断。
2 铸锭组织的控制 一般有三个晶区,凝固条件复杂,在某些
晶核由小变大长成晶粒的过程
——实际金属最终形成多晶体 注: 单个晶粒由形核→长大
多个晶粒形核与长大交错重叠
** 当只有一个晶核时 → 单晶体 ** 晶核越多,最终晶粒越细
二 金属结晶的条件 1 热力学条件
热力学:研究系统转变的方向和限度 ——转变的可能性
热力学第二定律:在等温等压条件下, 物质系统总是自发地从自由能较高的状态 向自由能较低的状态转变。
1表层细晶 2中间柱状晶区 3中心等轴晶区
区
铸锭结构图
(一)表层细晶区 形成原因:
(1)过冷度ΔT大。 (2)模壁作为非均匀 形核的位置。 特点: ——晶粒细小,组织致 密, 机械性能好,
——薄,无实用意义
(二)柱状晶区 形成原因:
(1) 细晶区形成后,模壁温 度升高,结晶前沿过冷度ΔT 较低,不易形成新的晶核;
(2) 细晶区中某些取向有利 的晶粒可以显著长大;
(3)晶体沿垂直于模壁 (散热最 快)相反方向择优生长成柱状晶。
特点:组织粗大而致密; 为“铸造织构”
铸造织构:铸造过程中形成的一种 晶体学位向一致的铸态组织称为~。 ——又称“结晶织构”
细晶区中: 晶粒的<001>无序取向
柱状晶区中: 晶粒的<001>一致取向
形核功:过冷液 结晶总阻力 体形核时的障碍
事实上,只要 r > rk, 即为稳定晶核。 原因:
液体中除结构起伏外,还存在能量起伏 故形核功可以依靠能量起伏来补偿 结论: 除结构起伏外,形核还借助能量起伏条件
形核功的影响因素 :
ΔGK=
4π( 3
2σTm LmΔT
)
2σ
===16πσ3Tm2 1 3L2m ΔT 2
从而使 L→S ┗ 结晶存在过冷度 ΔT的原因
——存在过冷度是结晶的必要条件
过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值
另可推出:
△GV=Lm
△T Tm
结晶潜热
——过冷度越大,相变驱动力越大
2 结构条件 液态金属结构特点: (1) 原子间距等与固 态相近, 与气态迥异 (2) 短距离的小范围 内存在近似于固态结 构的规则排列
——液体中的自然现象。 4、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件) 5、在工业生产中,液态金属凝固总是以非 均匀形核进行。