金属学和热处理知识大全

2023-01-30 11:54:04 作者：材子笔记来源：材子笔记分享至：

金属的晶体结构（物质是由原子组成的）

根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体。所有固态金属都是晶体。

凡内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体。如：玻璃，松香，沥青等。

电子显微镜观察到晶体内部原子各种规则排列，称为金属的晶体结构。晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。

金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。

常见纯金属的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

什么是晶格？

晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。晶胞：能够完整地反映晶格特征的最小几何单元。

体心立方晶胞Body Centered Cubic Lattice（BCC）

体心立方晶胞中的原子数为1/8x8+1=2个，致密度为0.68。

体心立方：Cr铬、W钨、V钒、Cb铌、Ta钽、Mo钼、钢铁（α-Fe、δ-Fe）。

面心立方晶胞Face Centered Cubic Lattice（FCC）

面心立方晶胞中的原子数为1/8x8+1/2x6=4个，致密度为0.74。

面心立方：Al铝、Cu铜、Au金、Pb铅、Ni镍、Pt铂、Ag银、钢铁（γ-Fe）。

密排六方晶胞Hexagonal Close Packed Lattice（HCP）

密排六方晶胞中的原子数为1/6x12+1/2x2+3=6个，致密度为0.74。

密排六方：Zn锌、Mg镁、Zr锆、Ca钙、Co钴、Mn锰、Ti钛。

冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。

体心立方晶格的冲击韧性值会急剧降低，具有脆韧转变温度。

实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子的排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。晶粒之间的界面称为晶界。

高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程，是一个结晶过程态，即原子由不规则态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。结晶过程总是从晶核开始，晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成，液体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大；同时液体中又不断产生新的晶粒，并不断长大，直至所有的晶粒长大到互接触，结晶即告结束。

实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，从而产生各种各样的缺陷。

常见的缺陷有：

①点缺陷------空位、间隙原子、置代原子；

②位错。

点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格发生曲，称晶格畸变。其结果使金属屈服点、抗拉强度增高，塑性、韧性下降。

位错，晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。位错的存在则使金属容易塑性变形，强度降低。

铁碳合金

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。铁碳合金是由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金。

当含碳量小于0.02％时称纯铁（工业纯铁）。

一般把碳含量0.02％～2％的称为钢。

含碳量大于2％的称为铸铁。

合金相图是什么？

铁碳合金相图又称铁碳相图或铁碳合金平衡图，是通过实验方法建立起来的，表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及他们之间相互关系的图形。

横、纵坐标代表什么？

横坐标：碳的百分含量（0～6.69%），纵坐标：温度，多条分界线把相图分成多个区域，每个区域均对应着某一种组织。

铁碳合金相图中有那些关键点和关键线？

P点：纯铁与钢的分界点（0.0218%碳含量）

S点：共析线（0.77%碳含量）

E点：钢与生铁的分界点（2.11%含碳量）

C点：共晶点（4.3%含碳量）

ACD：液相线、AECF：固相线、GS：A3线、ES：ACM线、ECF：共晶线（1148℃）、PSK：共析线，又称A1线（727℃）。

工业纯铁（小于0.0218%含碳量）

显微组织：F+Fe3CⅢ，铁素体（F）是呈亮白色的等轴状晶纯铁的基体组织，主要为白色。铁素体，晶粒均匀分布（6级），图中黑色细条为晶界腐蚀线。

钢的基本组织有奥氏体、铁素体、渗碳体（3种）

①铁素体（F-ferrite）

碳在α-Fe（低于910℃）中的固溶体，称铁素体,用F或α表示。

碳在δ-Fe（1390～1535℃之间）中的固溶体，称δ-铁素体，用δ表示。

α铁和δ铁，都是体心立方晶格（有冷脆性的）。铁素体溶碳量极差，在727℃时为0.02%；室温时为0.0008%，几乎为零。金相组织为明亮的多边形晶粒。其强度和硬度高，具有良好的塑性和韧性，在770℃以下它具有铁磁性，超过770℃则丧失铁磁性。晶粒度：常见1～8级。8级细小而均匀、综合力学性能好。

②奥氏体（A-austenite）

碳熔于γ-Fe中（910~1390℃）的所形成的固溶体。γ-铁是面心立方晶格。用A表示。

奥氏体溶碳能力比铁素体大，1148℃时达2.11%，在727℃时为0.77%。奥氏体与铁素体相比，塑性很高，硬度和屈服点较低。在铁碳合金系中，仅存在于727℃以上的高温范内，不具有铁磁性，因此，在轧制、锻造时常加热到奥氏体状态，以提高其塑性。奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较铁素体平直。

③渗碳体（Fe3C-cementite）

铁和碳的金属化合物，具有复杂的晶格结构。渗碳体的熔化温度为1600℃，碳含量为6.67％，渗碳体的硬度很高，脆性极大，而塑性和韧性几乎为零。渗碳体在低温下弱磁性，高于217℃磁性消失。

铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。含碳量大2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。由于碳在α-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳大部分以渗碳体Fe3C的形式存在。

钢的基本组织除了奥氏体、铁素体、渗碳体基本相组成的单相组织外，还有由两种基本相组成多相组织，即珠光体、莱氏体。

④珠光体（P-pearlite）

珠光体是铁素体与渗碳体以片层相间排列而成机械混合物。片层间距和片层厚度主要取决于奥氏体分解时的过冷度，据片层厚薄分：粗珠光体P、索氏体S、屈氏体T。

在缓慢冷却的条件下，含碳量为0.77%的铁碳合金只发生共析反应，其组织是100%珠光体，称为共析钢。

珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强度和硬度较高，塑性也较好。

含碳量大于0.77%的铁碳合金为过共析钢，其组织为:P+Fe3C。

含碳量小于0.77%的铁碳合金为亚共析钢，其组织为:F+P。

⑤莱氏体（Ld-ledeburite）

莱氏体是奥氏体与渗碳体的混合物，莱氏体是一种高温组织，在高于1148℃时存在，4.3%C。

莱氏体的硬度很高，脆性很大，塑性很差。

低碳钢是亚共析钢，其正常组织是铁素体F＋珠光体P。碳含量越低，组织中铁素体F的含量就越多，材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。

强度：当C<0.9％时，随着C增加，不断提高；当C>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。

硬度：随C的增加而提高。

塑性：随C的增加而迅速降低。

冲击韧性：随C的增加而迅速降低。

热处理知识

热处理的一般过程

热处理过程：热处理过程主要是由加热、保温（时间）、冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，因此热处理过程都可以用温度－时间曲线来表述。

钢的冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能。

加热时，高于合金相图临界温度才发生相变的现象。如图所示Ac3、Ac1、Acm为加热时钢的临界温。

实际生产中钢的热处理的冷却总是在一定速度条件下进行的，即存在过冷现象，冷却时理论临界点与实际临界点温度的差值为过冷度。对于同一金属，冷却速度越快，成分过冷度也越大。

钢在热处理过程中，组织变化，一是加热时，二是冷却时的转变：

①加热时的转变—奥氏体的形成：

常温组织系F+P，加热温度超过AC1，珠光体P向奥氏体A的转变，继续加热，剩余铁素体F向奥氏体A溶解，直至组织为单一奥氏体A。

②冷却时的转变—奥氏体A的分解：

冷却的目的，是使高温下的奥氏体A组织随着温度的降低发生分解，当缓慢冷却时，A转化为F+P；但实际冷却不是一个缓慢的过程，存在着一定的过冷度，那么随着冷却速度的不同，奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化。

研究奥氏体转变过程的冷却方法有两种：连续冷却（与实际相近）和等温冷却（奥氏体转变易于测量）。

a连续冷却：

这个冷却过程中，更加接近工业生产实际情况，冷却方式一般为空冷或水冷等快速冷却方式，如正火、淬火。

实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的，在连续冷却过程中，只要过冷度与等温转变相对应，则所得到的组织与性能也是对应的。

b等温冷却：

这个冷却过程中，由于存在保温过程，占用设备且耗费时间，不利于连续生产，因此常用于保温温度较高的退火，以及热处理理论分析。

将温度在727℃以上，组织为均匀奥氏体的钢试样，急冷至727℃以下的某一温度，然后保持这一温度不变，经过一段时间，奥氏体开始转变，再经过一段时间，奥氏体转变束，整个转变过程的时间变化范围可以从几秒至几昼夜。将不同温度下奥氏体转变开始和结束的时间绘制成曲线，即得到奥氏体等温转变曲线，由于曲线形状像字母C，所以又称C曲线。

备注：Ⅰ：珠光体（P）Ⅱ:西珠光体（S）Ⅲ:极西珠光体（T）Ⅳ：上贝氏体（B上）Ⅴ：下贝式体（B下）Ⅵ：马氏体（M）

实际生产中几乎不可能得到100%的某一种组织，通常是各种组织的混合形态。

影响C曲线的因素？

碳的影响：在正常加热条件下，亚共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而左移（亚共析钢在过冷奥氏体冷却时发生共析分解，转变为珠光体类型组织之前就开始析出铁素体新相）；过共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而右移。

合金元素的影响：除了钴以外，所有合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，C曲线的形状也发生改变。

加热温度和保温时间的影响：随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体的成份更加均匀，作为奥氏体转变的晶核数量减少，同时奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，这些都不利于过冷奥氏体的转变，提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

热处理工艺

退火

将钢试件加热到适当的温度，保温一定的时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同。退火又可分为完全退火、不完全退火、消除应力退火以及等温退火、球化退火等。

完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温后在炉内缓慢冷却。

其目的是在于均匀组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。

主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。

完全退火组织是接近Fe-Fe3C相图的平衡组织（F+P）。

不完全退火是将工件加热到Ac1以上30～50℃，保温后缓慢冷却的方法。

其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。

应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。

消除应力退火（PWHT）是将工件加热到AC1以下100～200℃，保温后缓慢冷却使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛的方法。

其目的是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力，同时还能使焊缝的氢较完全地扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性，此外改善焊缝及热影响区。

正火

正火是将工件加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。

正火与退火的目的基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低应力。

与退火不同的是，正火的冷却速度较快，过冷度较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。

超声波检测一些晶粒粗大的锻件，会由于锻件出现声能衰减，可通过正火处理，使情况得到改善。

淬火

淬火是将钢加热到临界温度以上（一般情况是：亚共析钢为Ac3以上30～50℃；过共析钢为Ac1以上30～50℃），经过适当的保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。

目的是通过淬火获得马氏体组织，以提高材料硬度和强度，这对于轴承、模具等工件是有益的，但锅炉压力容器材料和焊缝的组织中不希望出现马氏体。

表面淬火

火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐而心部则具有一定的韧性。如轴承滚子、轴等

回火

回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的工艺。

回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可以获得不同的度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外回火还可以稳定工件的尺寸，改善加工性能。

150℃～250℃低温回火。得到的回火马氏体有较高的硬度和耐磨性。主要用于高碳钢制成的工具、量具、滚珠轴承等低温回火处理。

300℃～450℃中温回火。得到的回火屈氏体有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。主要用于模具、弹簧等中温回火处理。

500℃～680℃高温回火。得到的回火索氏体具有一定的强度，又有较高的塑性和韧性。淬火加高温回火的热处理又称为“调质处理”。许多机械零件如齿轮、曲轴等均需经过调质处理，一些承压类特种设备用的低合金高强度钢板也有采用调质处理的。

奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化

把奥氏体不锈钢加热到1050～1100℃（此温度下碳能在奥氏体中固溶），保温一定间（约每25mm厚度不小于1小时），然后快速冷却至427℃以下（要求从925℃至538℃冷却时间小于3分钟），以获得均匀的奥氏体组织，这种方法称为固溶处理的铬镍奥氏体不锈钢，其强度和硬度较低而韧性较好，并具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。

对于含有钛或铌的铬镍奥氐体不锈钢，为防止晶间腐蚀，必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中，以此为目的的热处理称为稳定化处理。稳定化处理的工艺是：将工件加热到850～900℃，保温6小时，在空气中冷却或缓冷。

稳定化处理只适合于含钛或铌的铬镍奥氏体不锈钢。

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