金属材料知识培训

非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷到室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若在室温或低于固溶度曲线 MN的某一温度下溶质原子尚 具有一定的扩散能力，则在 上述温度等温时，过饱和α固 溶体仍可能发生分解，逐渐 析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均 与平衡脱溶沉淀相有所不同， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
(2)转变产物的组织与性能
珠光体型(P)转变(A1～550℃): ➢ A1～650℃ : P ; 5～25HRC;
片间距为0.6～0.7μm(500×)。 ➢ 650～600℃ : 细片状P---索氏体(S);
片间距为0.2～0.4μm(1000×); 25～36HRC。 ➢ 600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm(电镜); 35～40HRC。
改变。
2. 按原子迁移特征分类
(2)非扩散型相变
相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致
的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时 原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移 动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。 如：马氏体相变
1、转变温度
二、钢在加热时的组织转变
2、奥氏体的形成
二、钢在加热时的组织转变
3、奥氏体晶粒度对力学性能的影响
(1)奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。
(2) 粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变 形甚至开裂。
三、钢在冷却时的组织转变
1、钢在热处理时的冷却方式
温
保温
度
临界温度
Pk ：断裂载荷
(MPa)
p ：比例强度极限 保持直线关系的最大应力值
p k
e ：弹性强度极限 p-e 弹性变形阶段 过e ，弹变+微量塑变
0
b
u
k
(%)
s ：屈服强度极限 达一定值时，不增或降低，
l增
（低碳钢的应力-应变曲线） 上屈服点：屈服阶段的最大应力。
（对试样局部应力集中极为敏感）
孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小. 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢 鼻尖处的温度为550℃。 在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小。 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而 使奥氏体稳定性增加。
⑵ C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温 度下的等温转变产物。
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变
样还继续伸长的现象。
屈服后，材料出现明显塑
0
lb
lu
lk
变，表面滑移带。
l伸长(mm)
形变强化（加工硬化）：屈服后欲
变形必须不断增载，随
（低碳钢的拉伸曲线）
塑变增大，变形抗力增大。
变形 三阶段
弹性变形 弹塑性变形 断裂
Pb ：强度极限的载荷 试样某一部位截面开始急降 颈缩——导致载荷下降。
热处理性能（可热处理强化）
几种常见的力学性能
强度：指材料抵抗塑性变形和断裂的能力，对于结构材料来说，它是最重 要的力学性能。
塑性：表示材料断裂前发生的永久变形（塑性变形）的能力。
塑性指标：延伸率 和断面收缩率
韧性：反映材料抵抗裂纹扩展能力的大小，是单位体积材料在断裂前所吸 收的能量，也就是外力使材料断裂所做的功。
金属材料知识
金属材料
(用量占80%)
非金属材料
(用量占20%)
黑色金 属
有色金属材料 陶瓷材料
高分子材料
复合材料
力学性能（强度、塑性、韧性等）
材料使用性能
物理性能（光、热、电、磁等）
材
料
化学性能（氧化、腐蚀等）
的
性
能
加工性能（切削、锻造等）
材料工艺性能
铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否）
2. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
2 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状
• 固态相变：固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或 结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的 转变。
• 母相或旧相：相变前的相状态 • 新相：相变后的相状态
相图与相变
ACM A3
A1
铁碳相图
Fe-C Phase Diagram
Fe-C相图、冷却过程中的组织变化及产物
1.1固态相变的分类
热 加
连续冷却
等温冷却 时间
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (1) TTT曲线(C曲线)- Time,Temperature,Transformation
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (1) TTT曲线(C曲线)----共析碳钢
C 曲线的分析
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕 育期。
硬度：指材料抵抗外物压入能力，硬度测量简单快速，不破坏零件。硬度 与强度之间有一定关系，可用硬度来估计强度。
P 载荷
(N)
s pe
b
Pp ：保持直线关系的最大载荷 过P点曲线开始偏离直线
k
Pe：变形开始阶段 卸载后立刻恢复原状（弹变）
超过，伸长只部分恢复（塑变）
Pp Pk
Ps ：屈服时的最小变形 屈服：载荷不增加或反而减少，试
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能
下贝氏体组织金相图
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变
(2)转变产物的组织与性能
马氏体型 ( M ) 转变 ( 230～ -50℃ ) : 马氏体是一种碳在α – Fe中的过饱和固溶体。 转变特点: ➢ 在一个温度范围内连续冷却完成; ➢ 转变速度极快,即瞬间形核与长大; ➢ 无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ),
⑤有序化转变
• 固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位 置由无序到有序(指长程有序)的转变称为有序化 转变。如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。
非平衡相变
• （2）非平衡相变
– 非平衡相变：加热或冷却速度很快， 上述平衡相将被抑制，固态材料可 能发生某些平衡状态图上不能反映 的转变并获得被称为不平衡或亚稳 的组织
• 除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数 合金有屈服现象外，大多数金属合金都 没有屈服点。 • 规定产生0.2%残余伸长的应力作为屈服 强度，以0.2表示。 • 0.2的测量方法同上，采用图解法。
固态相变
• 固态相变是热处理的基础
• 相变：构成物质的原子（分子）的聚合状态（相状态）发 生变化的过程。
光镜形貌 电镜形貌
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能 贝氏体型(B)转变(550～230℃): 550～350℃: B上; 40～45HRC;
过饱和碳α-Fe条状 羽毛状
Fe3C细条状
B上 =过饱和碳 α-Fe条状 + Fe3C细条状
三、钢在冷却时的组织转变
一、概述
1、热处理的定义 温 度
保温
热 加
临界温度
冷 却
时间
一、概述
2、热处理的主要目的：获得所需的使用性能
3、热处理的应用范围：整个制造业 4、热处理的分类：
热处理
普通 热处理
表面 热处理
退火、正火
淬火、回火 表面淬火
感应加热淬火 火焰加热淬火
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化学 热处理
渗碳、渗氮 碳氮共渗
二、钢在加热时的组织转变
时，由一种晶体结构转变 为另一种晶体结构的过程 称为同素异构转变。 – 在固溶体中发生的同素异 构转变称为多形性转变。
钢中铁素体奥氏体的转变 奥氏体铁素体的转变
平衡相变
②平衡脱溶沉淀 • 在缓慢冷却条件下，由过
饱和固溶体中析出过剩相 的过程称为平衡脱溶沉淀 • 特点：母相不消失，随着 新相析出，母相的成分和 体积分数不断变化（结构 不变），新相的结构和成 分与旧相不同
1. 按平衡状态图分类
• 平衡相变和非平衡相变
• 平衡相变
缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡 状态图的平衡组织的相变
–：
• 非平衡相变 加热或冷却速度很快，上述平衡相将被抑
制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不 能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的 组织
平衡相变
①同素异构转变/多形性转变 – 纯金属在温度和压力改变
– ①伪共析相变：
• 由成分偏离共析成分的过冷固溶 体形成的貌似共析体的组织转变
• 组成相的相对量由A的碳含量而 变。
非平衡相变
– ②马氏体相变
• 进一步提高冷却速度，使 伪共析相变也来不及进行 而将奥氏体过冷到更低温 度，则由于在低温下铁原 子和碳原子都己不能或不 易扩散，故奥氏体只能以 不发生原子扩散、不引起 成分改变的方式，通过切 变由点阵改组为α点阵， 这种转变称为马氏体相变
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能
珠光体形貌
光镜下形貌
电镜下形貌
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能
索氏体形貌
光镜形貌
电镜形貌
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能------屈氏体形貌
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能
上贝氏体组织金相图
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 (2)转变产物的组织与性能 350～230℃: B下; 50～60HRC;
过饱和碳 α-Fe针叶状
Fe3C细片状
针叶状
B下 =过饱和碳 α-Fe针叶状 + Fe3C细片状
Fe-C合金
非平衡相变
– ③贝氏体相变
• 当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之 间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不 能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因 此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩 散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或 称为中温转变)。
• 其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相 的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与 珠光体不同，称其为贝氏体。
M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 ➢ 转变不完全性, QM = f ( T )
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变
奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变
奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 ➢ 马氏体的组织形态：板条状 --- 低碳马氏体(＜0.2%C );
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
热处理基本知识
• 热处理是将工件在介质中加热到一定温度并保温 一定时间，然后以一定速率冷却，以改变金属的 组织结构，从而改变其性能。例如增加或降低金 属材料的强度、硬度、韧性、塑性等。
平衡相变
③共析相变
• 合金在冷却时由一个固 相分解为两个不同固相 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷 却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结 构相同但成分不同的两个微区，这种转变称为 调幅分解。
30～50HRC ; δ = 9～17%。
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变
低碳板条马氏体组织金相图
三、钢在冷却时的组织转变
2、过冷奥氏体的等温冷却转变 ➢ 马氏体的组织形态：针、片状---高碳马氏体(＞1%C);
66HRC左右 ; δ ≈ 1%。
一般选下屈服点作为材料屈服强度
形变强化：欲继续变形，必须不断增加应力，达b后，形变强化效应已不能 补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低。 (b 点后颈缩)
k ：断裂强度 此时试样断裂。
2. 弹性极限e和屈服强度s ：
• 弹性极限是表征开始塑性变形的抗力。 • 严格说：是表征微量塑性变形的抗力。 • 测出的弹性极限受测量精度影响，为便 于比较，规定残余伸长应力。 • 规定以残余伸长为0.01%的应力作为规 定残余伸长应力，记作0.01