经典培训教材金属加工和热处理(编辑修改稿)

经典培训教材金属加工和热处理(编辑修改稿)内容摘要：

增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却速度。 实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。 当过冷度大到图中虚线部分时，金属液的温度已经很低，原子扩散能力极大的降低，反而使形核率Ｎ和生长线速度Ｇ下降。 ② 进行变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，从而细化晶粒的方法。 有的变质剂加入液态金属 时，它们或它们的氧化物会形成起非自发晶核作用的杂质微粒，使形核率大大增加，细化晶粒，如往钢液中加入钛、铝等。 还有一种变质剂，能附着在晶体前面强烈阻碍晶粒长大，降低长大线速度Ｇ，如往铝硅铸造合金中加入钠盐，钠附着在硅的表面，降低硅的长大线速度Ｇ，阻碍粗大片状硅晶体形成，使合金组织细化。 ③ 附加振动 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。 第二节铁碳合金 一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以 满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。 一、合金的基本概念 合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。 合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。 另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足 了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。 组元 组成合金的基本的物质称为组元。 组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。 有时稳定的化合物也可作为组元，如 Fe3C 等。 合金系 给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。 由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。 另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。 相 相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。 其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石 墨）。 组织 组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。 将金属试样的磨面经适当处理后用肉眼或借助放大镜观察的组织，称为宏观组织；将用适当方法（如浸蚀）处理后的金属试样的磨面复型或制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织，称为显微组织。 只由一种相组成的组织称为单相组织；由几种相组成的组织称为多相组织。 金属材料的组织不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。 固 溶体 溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。 例如铁碳合金中，α铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。 根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。 置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如图）。 间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的（如图）。 因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。 由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，如图，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和 硬度，这种现象称为固溶强化。 它是提高材料力学性能的重要途径之一。 例如，我国和低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。 金属化合物 金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。 金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。 当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。 金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合 金的综合力学性能。 机械混合物 机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。 各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。 三、纯铁的同素异构转变 固态金属随温度变化而 发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。 纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示，可见，纯铁在 1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ铁；当冷却到 1394℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的δ铁转变为面心立方晶格的γ铁；继续冷却至912℃时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的γ铁转变成了具有体心立方晶格的α铁。 再继续冷却时晶格类型不再发生变化。 同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。 同素异构转变不仅存在于纯铁中， 而且存在于以铁为基的钢铁材料中，这是钢铁材料性能呈多种多样、用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。 金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。 因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷 ；有潜热产生；转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段。 四、 铁碳合金的（基本组织）相 在固态铁碳合金中，铁和碳的相互作用有两种：一是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体，如铁素体与奥氏体；二是铁和碳原子按一定的比例相互作用形成金属化合物， 如渗碳体。 铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。 铁素体（Ｆ） 碳溶于α铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号Ｆ或α表示。 它仍保持α铁的 体心立方晶格，由于体心立方晶格原子间的空隙很小，因而溶碳能力极差，在 727℃时的最大溶碳量为Ｗｃ＝ ％，在 600℃是溶碳量约为Ｗｃ＝ ％，室温下几乎为零Ｗｃ＝ ％。 因此，其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、硬度不高（σb=180280MPa,5080HBS），但具有良好的塑性和韧性 (δ=30%50%,Akv=128160J)。 所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。 奥氏体（Ａ） 碳溶于 γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号Ａ或γ表示。 它仍保持γ铁的面心立方晶格。 由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大，因此碳在γ铁中的溶碳能力比在α铁中要大些。 在 727℃时的溶碳量为Ｗｃ＝ ％，随着温度的升高溶量增加，到 1148℃是时达到最大Ｗｃ＝ ％。 奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为（σ b 约为 400MPa,160200HBS），但具有良好的塑性和韧性 (δ=40%50%)，无磁性。 因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。 渗碳体 渗碳体具有 复杂晶格的间隙化合物，分子式为Ｆｅ３Ｃ，其Ｗｃ＝ ％，是钢和铸铁中常用的固相。 熔点约为 1227℃，渗碳全硬度很高（ 950－ 1050ＨＶ），而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。 渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是碳钢中主要强化相。 渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状、板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。 第五章铁碳合金相图与非合金钢 第一节 铁碳合金的结晶过程 一、 共析钢的结晶过程 图中Ⅰ表示共析钢（ Wc＝ ％），合金在 1 点以上为液体（ L），当缓冷至稍低于 1 点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（ A）， A 的数量随温度的下降而增多。 温度降到 2 点时，液体全部结晶为奥氏体。 2～ S 点之间，合金是单一奥氏体相。 继续缓冷至 S 点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（ P）。 727℃以下， P 基本上不发 生变化。 故室温下共析钢的组织为 P。 共析钢的结晶过程如下图所示。 二、 亚共析钢的结晶过程 图 3－ 6 中合金Ⅱ表示亚共析钢。 合金在 1 点以上为液体。 缓冷至稍低于 1 点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到 2 点结晶终了。 在 2～ 3 点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与 GS 线相交的 3 点时，开始从奥氏体中析出时 ，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。 沿着GS线变化。 当温度降至 4点（ 727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了 Wc＝ ％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。 原铁素体不变保留了在基体中。 4 点以下不再发生组织变化。 故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。 亚共析钢的结晶过程如图 3－ 8 所示。 三、 过共析钢的结晶过程 图 36 中合金Ⅲ表示过共析钢。 合金在 1 点以上为液体，当缓冷至稍低于 1 点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至 2 点结晶终了。 在 2～ 3 点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。 缓冷至 3 点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。 随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着 ES 线变化。 3～ 4 点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。 降至4 点（ 727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。 在 4 点以下 ，合金的组织不再发生变化。 故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。 过共析钢结晶过程如图 3－ 9。 四、 共晶白口铁的结晶过程 图 3－ 6 中合金Ⅳ表示共晶白口铁（ Wc＝ ％）。 合金在 C 点温度以上为液体，当降至 C 点时，液态合金将发生共晶转变，结晶出奥氏体与渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。 转变是在恒温下 进行，其中奥氏体的成分是 E 点的成分。 温度继续下降时，莱氏体中的奥代体将不断析出二次渗碳体，剩余奥氏体的碳浓度不屡减少，并沿着 ES 线变化。 1～ 2 点之间的组织为高温莱氏体，是由奥氏体，二次渗碳体和共晶渗碳体组成（ A+Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C 共晶）。 当温度降至 2 点（ 727℃）时，莱氏体中的奥氏体的含碳量降到了 Wc＝ ％，发生共析转变，生成珠光体，即高温莱氏体（ Ld）转变为低温莱氏体（ L 39。 d），其组织由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成（ P+ Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C 共晶）。 共晶白口铁的显微组织如图 3－ 4 所示，共晶白口铁的结晶过程如图 3－ 10 所示。 五、 亚共晶白口铁的结晶过程 图 3－ 6 中合金Ⅴ表示亚共晶白口铁。 合金在 1 点温度以上为液体，缓冷至稍低于 1 点温度，开始从液体中结晶出奥氏体。 1～ 2 点温度之间组织为液体和奥氏体。 继续缓冷，结晶出的奥氏体量不断增多，而液体量不断送还减少，奥氏 体的含碳量不断沿 AE骊变化，液体的硕深度沿 AC骊变化。 温度缓冷 至 2点（ 1148℃）时，奥氏体的含碳量为 E 点的成分，液体的碳浓度为 C 点的浓度，于是这部分液体发生共晶转变。 在 2～ 3 点温度区间，随着温度的不断下降，奥氏体的含碳量沿 ES 线变化，并不断析出二次渗碳体。 因此 2～ 3 点温度区间内的组织为奥代体、二次渗碳体和高温莱氏体（ A+Fe 3 C Ⅱ +Ld）。 缓冷至 3 点（ 727℃）时， Wc＝ ％的奥氏体发生析转变，转变为珠光体。 最后室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体（ P+Fe 3 C Ⅱ +L 39。 d）。 亚共晶白口铁的结晶过程如图 3－ 11 所示。 六、 过共晶白口铁的结晶过程 图 3－ 6 中合金Ⅵ表示过共晶白口铁。 合金在 1 点温度以上为液体。 当温度缓冷至稍低于 1 点时，从液体中开始结晶出一次渗碳体（ Fe 3 C ⅡⅠ ）。 温度不断下降，结晶出的一次渗碳体不断增多，剩余液体量相对减少。 同时，液体的碳浓度沿 着 CD 骊不断变化，至 2 点时，乘余液体 Wc＝ ％，于是发生共晶转变，形成高温莱氏体。 此时的组织为一次渗碳体＋高温莱氏体。 随后继续冷却时的转变情况与共晶白口铁相同，最终组织为一次渗碳体＋低温莱氏体。 过共晶白口铁的结晶过程如图 3－ 12 所示。 白口铁因有共晶转变，所以组织中出现了莱氏体基体，莱氏体的存在 ，使得白口铁硬度很高，脆性很大，所以实际生产中很少直接使用，一般用用炼钢原料。 第二节 铁碳相图的应用 一、 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 随着含碳量的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，回此，合金的力学性能也相应发生变化。 铁碳合金的成分、组织、相组成、组织组成、力学性能等变化规律如图 3－ 13 所示。 亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加。 其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度也升高，塑性、韧性不断下降。 过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光。