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塔里木油田职业技能鉴定技师培训塔里木油田职业技能鉴定技师培训相关知识培训教程相关知识培训教程金属材料基础知识金属材料基础知识主讲主讲 曹新华曹新华塔里木油田分公司工程技术部塔里木油田分公司工程技术部2008.062021/9/271第一章第一章 概概 述述1.11.1金属材料的发展过程金属材料的发展过程金属材料的发展与人类社会的发展紧密联系：人类社会历史：从商周时期进入青铜器时代和铁器时代。在本世纪初-50年代，材料的发展主要围绕着机械制造业、军事工业主要发展了以一般力学性能为主的金属材料。50-60年代，压力容器、舰船、结构等向高强度方向发展更快，发展了高强度低合金钢。60-70年代以后，由于航空、空间机械和动力机械的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量等。工程用金属材料主要应用于机械制造、航空、航天、石油、化工、建筑和交通运输等部门。石油化工中主要用于钻采设备、集输管道，压力容器、反应器、塔器、换热器、贮槽等。2021/9/2721.2金属材料的分类金属材料的分类2021/9/2731.2.11.2.1黑色金属、钢和有色金属黑色金属、钢和有色金属 在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属、钢与有色金属的基本概念。1）黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。2021/9/274 2）把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢多数属于黑色金属但不完全等于黑色金属。3）有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等。2021/9/2751.2.21.2.2钢的分类钢的分类 钢是含碳量在0.04%-2.03%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：1.2.2.1 按品质分类 （1）普通钢（P0.045%，S0.050%）（2）优质钢（P、S均0.035%）（3）高级优质钢（P0.030%，S0.025%）（4）特级优质钢（P0.025%，S0.015%）1.2.2.2 按化学成份分类 （1）碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。（2）合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）；b.中合金钢（合金元素总含量510%）；c.高合金钢（合金元素总含量10%）。1.2.2.3 按成形方法分类：锻钢；铸钢；热轧钢；冷拉钢。2021/9/2761.2.2.4 按金相组织分类(1)退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。(2)正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。(3)无相变或部分发生相变的2021/9/2771.2.2.5 按用途分类(1)建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。(2)结构钢 a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氮钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。b.弹簧钢 c.轴承钢(3)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。(4)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。(5)专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。2021/9/2781.2.2.6综合分类(1)普通钢 a.碳素结构钢：b.低合金结构钢 c.特定用途的普通结构钢 (2)优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。2021/9/2791.2.2.7按冶炼方法分类(1)按炉种分 a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或(a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。c.电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。(2)按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。2021/9/27101.31.3金属材料性能与化学成分和组织结构的关系金属材料性能与化学成分和组织结构的关系材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素（载荷性质、应力状态、工作温度和环境介质）作用下的综合反映。材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据，而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一。化学成分一定时，可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构，而导致材料在力学性能上有较大的差异。2021/9/27111.41.4选择材料需考虑的因素选择材料需考虑的因素 在零构件及钻采用具设计中，正确地选择结构材料对于保证构件的结构合理、安全使用和降低制造成本是至关重要的。材料的选择必须要考虑到许多因素，以钻采用具为例尽管工艺系统设计人员负责推荐选用于工艺条件的、即具有良好强度、韧性、耐腐蚀性能的材料。但作为专业的设计人员，除应了解材料的上述性能外，还必须知道：材料应具有良好的可加工工艺性能，应选择适合于工艺和机械两方面要求的最经济的材料这些材料应该是在整个设备工作寿命期限里，考虑到使用安全、维护、更新等因素在内的成本最低的材料。2021/9/2712选择结构材料时，主要需考虑的因素包括：选择结构材料时，主要需考虑的因素包括：使用性能使用性能工艺性能工艺性能2021/9/27131.4.11.4.1使用性能使用性能1.4.1.11.4.1.1力学性能力学性能 金属材料在一定的温度条件和受外力作用下，抵抗变形、断裂的能力称材料的力学性能又称为机械性能。主要有四大指标：强度指标：抗拉强度 屈服强度：（疲劳强度、屈强比）2021/9/2714 塑性指标 硬度指标 韧性指标2021/9/27151 1）强度指标）强度指标 根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。将规定尺寸的试棒在拉伸实验机上进行静拉伸实验，以测定该试件对外力载荷的抗力，可求强度指标和塑性指标。抗拉强度：抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。在GB228“金属拉伸试验方法”中给出了抗拉强度的定义和试验方法。外力（应力2021/9/2716屈服强度屈服强度：屈服强度（屈服点）是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加（保持恒定），而材料仍继续伸长变形时所对应的应力。对于在钻具制造行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率为02时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB 228中给出了试验方法。2021/9/2717屈强比：屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比。比值越大越能发挥材料的潜力，减少自重，但可靠性能下降，因两值较接近，材料在断裂前的塑性“储备”较少，安全裕度较小。屈强比越小，结构的可靠性越高，为保证安全，一般比值在0.650.75之间，高屈强比可省材料但对应力集中较敏感，抗疲劳性能较差，所以对大于0.8要慎重处理。2021/9/27182）塑性指标）塑性指标塑性：是指金属材料在载荷作用下产生最大塑性变形而不破坏的能力。伸长率：=试样受拉力断裂后，总伸长量与原始长度的比值的百分率称为伸长率（延伸率）。L0：试件原始标距长度L1：试件拉断后标距长度长试样或表示，=10d短试样表示，=5d为了防止采用屈强比太高的钢材，对钻具用钢的延伸率规定不得小于13%，以此来限定屈强比。2021/9/2719断（截）面收缩率（%）试样受拉力断裂后，试样截面的缩减量与原截面之比的百分率称为断面收缩率。=100%A0：拉伸前原始截面A1：拉断后细颈处，最小截面积断面收缩率不受试件标距长度的影响（无长短之分），对于钻具材料一般要求3040%。伸长率和断面收缩率表明材料在静态或缓慢拉伸应力作用下的韧性，良好的塑性即可使材料冷压成型性好，重要的受压零件可防止超载时发生脆性断裂，但对塑性的要求有一定限度并非越大越好。2021/9/27203）硬度指标）硬度指标硬度：指金属材料抵抗硬物压入表面的能力(耐磨性)。常用的硬度测定方法都是用一定载荷（压力）把一定的压头压在金属材料表面，然后测定压痕面积或深度来确定硬度值，压痕愈大愈深则硬度愈低。它是表征材料的弹性、塑性、形变强化率，强度、韧性等一系列不同物理量的组合的一种综合性能指标。布氏硬度HB=P/A在直径为D的淬火钢球上施加压力P，使钢球压入被测金属表面，并留下压痕，载荷P与压痕表面积之比称为布氏硬度。P：压力载荷（N）A：压痕表面积（）D：钢球直径d：压痕直径为了避免压痕面积计算的麻烦，专门制定了压痕直径与HB值的对照表。在布氏硬度实验时，钢球直径D，压力P和力保持时间应根据不同的金属材料和厚度选定2021/9/2721的比值不同，不能直接进行比较。分为30、10、25三种；压痕直径d应在0.25Dd0.6D范围内。HB450不能用淬火钢球测量布氏硬度。硬度与强度的关系：经验公式：低碳钢高碳钢布氏硬度一般不标出单位，硬度值越高表示材料越硬。表示方法：HBS淬火钢球450HB，HBW合金钢球650HB2021/9/2722洛氏硬度HR洛氏硬度时采用测量压痕深度来确定硬度值的实验方法。实验：锥角为120的金刚石圆锥或直径为1.588（1/16英寸）的淬火钢球负载先后两次施加，先加100N初载，再加主载荷，按照压头种类和总实验力的大小组成三种洛氏值。洛氏硬度及应用范围标度压头总负荷（N）测量范围HRA120圆锥6007585HRB1.588钢球100025100HRC120全钢圆锥150020672021/9/2723维氏硬度HV使用金刚石正四棱锥体为了满足从软到硬有一个连续一致的硬度标度，需要采用维氏硬度HV：是以负荷除以压痕表面积所得的商。测出两对角线平均长度（d）。然后查表或代入公式确定硬度值。采用正棱角锥体金刚石压头，实验压力从101000N选用。还有显微硬度选更小的压力测出金相组织中不同相的硬度，焊缝热影响区硬度等。2021/9/2724里氏硬度HL装有一碳化钨冲击测头在一定高度下冲击试件表面测出冲击测头距试样表面1处的冲击速度和回跳速度。利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系。则HL=1000里氏硬度实验结果表示方法：在HL里氏硬度符号前给出硬度数值，在HL后给出冲击装置类型。例：700HLD表示D型冲击装置测定的对于换算成其他硬度则在HL前，相应的硬度符号例如：HB120HLD；400HVHLD；冲击装置类型D、DC、G、C型。主要是冲击体质量不同，冲击能量不同，测试范围不同。VB：测头回跳速度VA：冲击速度2021/9/27254）韧性指标）韧性指标韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。计算公式：a=单位（1J=1N.m）AK：冲击功（冲断试样所消耗的功）F：试样缺口处的截面积目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J。试样：V型缺口：AKV表示，V型缺口在钻具的检验中应用较多。U型缺口：时效冲击时用时效冲击将试件拉伸残余变形10%（低碳钢），5%（低合金钢）后加热25010保温一小时后再作冲击，试验采用U型缺口，得出a时效冲击值。2021/9/2726断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂。实际上材料远非是均匀的、连续的各向同性的，其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等缺陷均可看作是裂纹，在外力作用下，在裂纹尖端附近便出现应力集中，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，应力场的强弱主要取决与一个力学参数应力强度因子KIKI=YY无量钢系数与裂纹形状、加载方式试样尺寸有关：外加拉应力（MPa）a：裂纹长度的一半（m）当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时，KI也随之增大，当KI增大到某一临界值时，试样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。这个临界值称为该材料的断裂韧度用KIC表示。2021/9/2727断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。当K KI I K KICIC时，裂纹扩展很慢或不扩展；当K KI I K KICIC时，则材料发生失稳脆断。断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现，主要取决于材料的成分，内部组织和结构，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，通过实验测定的。2021/9/2728弯曲实验是焊接接头力学性能实验的主要项目，焊接工艺评定和产品焊接试板都要进行弯曲实验。方法：将试样放在支座上，用一定直径的压头压下，使试样弯曲至一定角度。焊接方法、材料不同而取 180（100）90（50）评定是以不出现长度大于一定尺寸的裂纹或缺陷为合格。分面、背、侧弯。2021/9/27295 5）刚度）刚度弹性模量弹性模量刚度是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大小的因素之一，它与材料的弹性模量和结构元件的截面形状（截面惯性矩）有关。弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。应力 （单位面积材料抵抗变形的力）应变 （单位长度的变形量）2021/9/27306 6）抗疲劳性能）抗疲劳性能疲劳极限疲劳极限材料或元件在交变应力（随时间作周期性改变的应力）作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳。疲劳极限即材料承受近无限次应力循环，而不破坏的最大应力值。2021/9/2731几种钻具常用材料的力学性能GB-T3077-1999合金结构钢标准参数材料牌号（SNCM）淬火温度冷却介质回火温度冷却介质bMPasMPas%AKJHB（退火或高温回火供应状态）35 CrMo35 CrMo（41354135）850油550水/油98083512456322942 CrMo42 CrMo（41454145）850油560水/油108093012456321740 CrMnMo 40 CrMnMo（41404140）850油550水/油98078510456321740 CrNiMoA 40 CrNiMoA（43404340）850油600水/油9808351255782692021/9/2732几种钻具常用材料的化学成分GB-T3077-1999合金结构钢标准参数材料牌号（SNCM）CSiMnCrMoNi35 CrMo35 CrMo（41354135）0.320.400.170.370.400.700.801.100.150.2542 CrMo42 CrMo（41454145）0.380.450.170.370.500.800.901.200.150.2540 CrMnMo 40 CrMnMo（41404140）0.370.450.170.370.901.200.901.200.200.3040 CrNiMoA 40 CrNiMoA（43404340）0.370.440.170.370.500.800.600.900.150.251.251.652021/9/27331.4.1.21.4.1.2物理性能物理性能 特殊性能：如导热性、非磁性、硬化性能。1.4.1.31.4.1.3化学性能化学性能 耐腐蚀性能；抗氧化性能；耐高温性能等。1.4.2 1.4.2 工艺性能工艺性能1.4.2.1 1.4.2.1 可锻性可锻性 金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不开裂的能力。1.4.2.2 1.4.2.2 铸造性铸造性 是指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。主要包括流动性：充满铸模能力主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。2021/9/27341.4.2.3 1.4.2.3 可焊性可焊性是指金属材料通过加热或加热和加压的焊接方法，把两种或两种以上的金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。1.4.2.4 1.4.2.4 冲压性冲压性金属材料承受冲压变形加工而不变形的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突实验进行。1.4.2.5 1.4.2.5 机加工性机加工性切削加工金属材料的难易程度称为机加工性能。影响因素：加工性与金属材料的化学成分，硬度，韧性，导热性，金相组织和加工硬化能力等因素有关。1.4.2.6 1.4.2.6 热处理工艺性能热处理工艺性能通过对钢材加热和保温得到奥氏体、通过不同方式的冷却得到不同组织的性能和难易程度。2021/9/2735第二章第二章 金属的结晶与合金的构造金属的结晶与合金的构造2.12.1金属的晶体结构金属的晶体结构我们把内部原子是规则排列的物质称为晶体，凡是晶体都具有规则的外形、一定的熔点。那么内部原子是如何按规则进行排列的，它们排列的方式有哪些种类，就是我们要研究的晶体结构。2.1.12.1.1晶体与非晶体晶体与非晶体晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂、沥青等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。2021/9/27362.1.22.1.2金属的晶体结构金属的晶体结构 晶体有规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡。为了便于说明和分析各种晶体的原子排列规律，把原子看成一个点，并用假想的直线将各点连接起来，这样就构成了一个假想的空间格子。2.1.2.1 2.1.2.1 晶格和晶胞晶格和晶胞表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。2021/9/27372.1.2.2 2.1.2.2 晶面和晶向晶面和晶向在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。2.1.2.32.1.2.3晶格常数晶格常数 即晶胞三边长度：a、b、c，以埃为单位。1(埃)=108cm=0.1nm(纳米)2021/9/2738。2.1.3金属晶格的类型金属晶格的类型2.1.3.1 体心立方晶格体心立方晶格它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。如：Cr、V、W、Mo，-Fe。2.1.3.2 面心立方晶格面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。如：铝Al、Cu、Pb、Ni，-Fe。2.1.3.3 密排六方晶格密排六方晶格它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有Mg、Be、Cd、Zn，等。2021/9/27392.1.3.42.1.3.4反映金属晶体排列紧密的参数反映金属晶体排列紧密的参数晶格的致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。晶格类型配位数致密度体心立方80.68面心立方120.74密排六方120.742021/9/27402.1.42.1.4实际金属的结构实际金属的结构 2.1.4.1 2.1.4.1 单晶体单晶体具有一致晶向的晶体叫单晶体。例如单晶硅：由于各方向上的原子密度不同所以呈现物理化学力性性能各向异性。2.1.4.2 2.1.4.2 多晶体多晶体由许多不同晶向的晶粒组成的晶体称多晶体。多晶体中每个晶粒内部的原子排列次序一样，但不同晶粒的晶体位向不同。由于多晶体是由许多不同位向的晶粒所组成，各晶粒的有向性互相抵消，所以多晶体呈现的是“无向性”又称“伪各向同性”。2021/9/27412.1.4.3 2.1.4.3 晶界晶界在多晶体中晶粒和晶粒之间的交界称为晶界。晶界是两个位向不同的晶粒的过度区，所以在晶界处的原子排列不整齐，造成了晶格的畸变（即晶格常数发生了改变）并常有杂质存在，所以晶界处熔点偏低（化学能高）易受侵蚀（金相原理）。2021/9/27422.1.4.42.1.4.4晶体的缺陷晶体的缺陷a.点缺陷空位和间隙原子、置代原子引起晶格的畸变，使其金属的屈服点和抗拉强度增高（所以热处理有渗C、N等工艺）。b.面缺陷位错若有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排称为位错。分为：刃型位错和螺型位错，位错的存在使金属容易塑性变形，但使强度降低，位错附近晶格发生畸变。位错会动、位错的密度和运动对金属的塑性、强度、相变、疲劳、腐蚀等起重要作用，所以位错理论是当今研究金属学的重要领域。2021/9/27432.2 2.2 金属的结晶金属的结晶 2.2.12.2.1结晶结晶 液态金属冷却至凝固温度时，金属原子例由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态，这种由液态金属转变为晶体的过程称为金属的结晶。冷却曲线过冷现象：实际上有较快的冷却速度。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差，过冷度。2021/9/27442.2.22.2.2结晶过程结晶过程 不断产生晶核和晶核长大的过程。外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。2.2.32.2.3金属结晶后晶粒大小金属结晶后晶粒大小 一般来说，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越好。细化晶粒的方法：（1）增大过冷度，增加晶核数量；（2）加入不熔物质作为人工晶核；（3）机械振动、超声波振动和电磁振动。2021/9/27452.3 2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母，等表示。铁的同素异构转变式：15351390910液体FeFeFe体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格2021/9/27462021/9/2747金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：1）有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。2）同素异构转变属于固态相变，有本身的特点：新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；转变需要较大的过冷度；晶核的变化伴随金属体积的变化，转变时产生较大的内应力。例如：Fe转变为Fe时，铁的体积会膨胀约1，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。2021/9/27482.4 2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 纯金属一般强度低，工业生产中大量使用的金属材料都是合金，碳钢，合金钢，铸铁，铝镁合金。2.4.1 2.4.1 合金概念合金概念由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。2.4.2 2.4.2 合金结构合金结构组织：是显微镜尺度上的晶粒尺寸、形状，组成物的特点。结构：是原子尺度上的，是用X射线衍射分析的点阵结构。由于铁和碳之间相互作用的不同，使铁碳合金的相结构有两大类及混合物。2021/9/27491）固溶体指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了些某溶剂原子的位置，而仍保持溶剂原子晶格类型的一种成分和性能均匀的固态合金。如铁素体是碳在固溶体中的混合物。2）金属化合物合金组元间按一定的原子数量之比，相互化合而成的一种具有金属特性的新相，称为金属化合物。如Fe3C（渗碳体）按组织分：机械混合物由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织。珠光体（P），它是F+Fe3c的机械混合物 莱氏体（Ld），它是Fe3c和P的机械混合物（在铸铁中）2021/9/2750第三章第三章 铁碳合金与铁碳合金相图铁碳合金与铁碳合金相图3.1 3.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 3.1.13.1.1铁素体铁素体碳与-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。铁素体仍具有体心立方晶格，碳与铁形成间隙固溶体。溶C能力差，727最大溶C，0.02%，室温可溶C，0.006%，所以与纯铁没有明显区别，所以铁素体强度、硬度低而塑性、韧性好。2021/9/27512021/9/27523.1.2 3.1.2 奥氏体奥氏体碳与-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。高温组织，在大于727时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。碳位于面心立方体的中心（此处间隙比铁素体大）所以溶碳能力大，在727可溶0.8%，在1147最大为2.06%，奥氏体没有磁性因为是面心立方塑性好，所以是锻造轧制选择的温度范围。2021/9/27532021/9/27543.1.3 3.1.3 渗碳体渗碳体铁和碳形成化合物Fe3c称为渗碳体。具有复杂斜方晶格，不发生同素异晶转变，含碳为6.67%，熔点1227，硬度很高，耐磨，很脆，塑性几乎为零、不能单独使用。Fe3c是钢中的强化相，它的数量、形状、分布对钢材的机械性能影响很大，在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状等分布。在一定条件下可分解：Fe3c3Fe+C（石墨）这就是高温下某些材料有时会出现的石墨化问题。2021/9/27553.1.4 珠光体珠光体是铁素体和渗碳体两者组成的机械混和物。其平均含碳量为0.8%（0.77%）常温下的珠光体内铁素体约占88%而渗碳体占12%，金相照片可见是由片状铁素体和片状渗碳体一层层交替分布的。由于珠光体是由硬而脆的渗碳体与软而韧的铁素体相间组成的机械混合物，因此其性能介于两者之间。因此珠光体的比例、分散度、珠光体的形状对其力学性能起着决定性的作用。2021/9/27562021/9/2757例：20#钢珠光体的比例大约26%，而45#钢占58%（珠光体的片层细小，珠光体的球化等等）。20#钢45#钢2021/9/27583.1.53.1.5莱氏体莱氏体概念：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。符号：Ld（高温莱氏体，温度727）由于奥氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。Ld表示溶碳能力：C=4.3%性能特点：硬度很高，塑性很差。F、A、Fe3C是单相组织，称铁碳合金的基本相。P、Ld是由基本相混合组成的多相组织。2021/9/2759名称 符号 结合类型 晶格类型 奥氏体 A碳溶于 中的固溶体 面心立方 铁素体 F或 碳溶于 中的间隙固溶体 体心立方 渗碳体 Fe3C 铁和碳的金属化合物 复杂斜方 珠光体 P铁素体和渗碳体的机械混合物 2021/9/27603.2 3.2 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 用来表示在平衡状态下，不同含碳量的铁碳合金在不同温度下所处的状态，晶体结构和显微组织特征的图称为铁碳合金状态图（又叫铁碳平衡图）。利用合金状态图可以全面了解不同成分的铁碳合金在不同温度下处于什么状态，组织结构等，它是制定熔铸、锻造、热处理工艺的重要依据，也是分析合金组织研究相变规律的工具。2021/9/27612021/9/27623.2.1 3.2.1 状态图主要点线状态图主要点线主要点：2021/9/2763主要线：ABCD线 液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线。固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化。GS线A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A。2021/9/2764ES线Acm线，C在A中溶解度曲线ECF线共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。PSK线共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体。2021/9/27653.2.23.2.2铁碳合金分铁碳合金分类类3.2.2.1钢 含C量0.02182.11%共析钢含C量0.77%S点 P 亚共析钢0.02180.77%S点以左 F+P 过共析钢0.772.11%S点以右 Fe3c+P 3.2.2.2白口铸铁 2.11-6.69%共晶白口铸铁 4.3%亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%过共晶白口铸铁 4.3-6.69%2021/9/27663.2.3 3.2.3 典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程 共析钢：（C=0.77%）合金I：室温亚共析钢：（0.0218%C0.77%）合金II：室温2021/9/2767过共析钢：（0.77%C2.11%）合金III：室温共晶白口铸铁：（C=4.3%）合金IV：室温2021/9/27683.2.4 3.2.4 铁碳合金相图的用途铁碳合金相图的用途3.2.4.1作为选用钢材料的依据：如制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，则应选用含碳量较低的钢；要求强度、塑性和韧性等综合性较好的构件，则选用含碳量适中的钢，各种工具要求硬度高及耐性好，则应选用含碳量较高的钢。2021/9/27693.2.4.23.2.4.2制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据据 在铸造方面：选择合适的浇铸温度，流动性好在煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区在热处理方面：选择合适的退火、正火、淬火等工艺参数 3.2.4.3分析合金组织研究相变规律的工具 2021/9/27703.2.5 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响3.2.5.1含碳量对平衡组织的影响 室温下，铁碳合金均由a+Fe3C两相组成。随含碳量不同，可分为七个典型组织区。2021/9/27712021/9/27723.2.5.2含碳量对机械性能的影响 珠光体P：为F+Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好。亚共析钢：由F+P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高。过共析钢：P+Fe3C(II)组成，当含碳量1%，Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。莱氏体、Fe3C硬而脆没有使用价值。含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。2021/9/27732021/9/27743.3 3.3 钢的合金化钢的合金化在铁碳合金中加入合金元素则Fe-Fe3c相图将发生显著的变化，包括引起固溶体晶格的畸变起固溶强化作用，对S、E点的影响，对C曲线的影响，对回火脆性、氢脆等的影响。按照合金元素与碳的亲和力强弱，划分为：弱碳化物形成元素：n中强碳化物形成元素:Cr、Mo、W强碳化物形成元素:V、Nb、Ti2021/9/2775按对钢的临界点的影响划分为两大类扩大铁相区的：n、Ni、N、Cn Ni和n使A3线急剧降低，当达30%时就可得到室温下单相金属奥氏体组织。缩小铁相区：Cr、Mo、Ti、Si 升高A3线，从而缩小奥氏体区的存在范围当加入一定量后使A3、A4重合从而使A相区封闭，始终是铁素体称铁素体合金：Cr17、Cr17 Ti、Cr28等。2021/9/2776第四章第四章 钢的热处理钢的热处理改善钢的性能，主要有两个途径：（1）调整钢的化学成分，加入合金元素（2）钢的热处理，改变组织结构热处理：通过加热，保温，冷却等操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。2021/9/2777分类：普通热处理：退火、正火、淬火、回火。表面热处理：表面淬火（火焰加热、感应加热），化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗）。2021/9/27784.14.1 钢热处理的基本原理钢热处理的基本原理加热或冷却时钢组织结构将会发生变化。4.1.1钢在加热时的组织转变A1，A3，Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度（平衡临界点）。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度。大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。2021/9/2779以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变。4.1.1.1 形成过程共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。P=F（体心立方）+Fe3C（复杂晶格）A（面心立方）奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段：2021/9/2780奥氏体晶核形成 晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。奥氏体晶核的长大 含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F-A及Fe3C溶解。残余渗碳体的溶解 F先转变完，Fe3C完全溶解。奥氏体成分均匀化 碳扩散使A含C量趋于均匀。2021/9/27814.1.1.2影响珠光体向奥氏体转变的因素 形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度。形成 温度越高，原子扩散能力增大，增大了A中C浓度梯度，加速成A形成。含C量越高，F和Fe3C相界面增多，有得于A形成。P越细，A形成速度越快。连续加热时，随着加热速度增大，A形成温度提高，所需时间缩短。2021/9/27824.1.1.3 奥氏体晶粒的长大及其影响因素晶粒度分为起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度。起始晶粒度：钢在进行加热时,P刚转变为A，由于A晶粒此时细小均匀，我们称这时的晶粒为A的起始晶粒度。实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下（只临界点以上）实际获得奥氏体晶粒大小，它的大小对钢热处理性能影响很大，实际晶粒度总比起始晶粒度要大，它是钢加热临界点以上的温度且保温一定时间，因此A晶粒不同程度的长大。2021/9/2783本质晶粒度：有些钢加热到临界点以后，温度，A晶粒迅速长大粗化，我们称它为本质粗晶粒钢，还有一些钢在930以下加热，A晶粒生长很慢，因此晶粒细小，当加热到高温时，A晶粒急剧长大，我们称这种钢为本质细晶粒钢。2021/9/2784右图：14晶粒度为本质粗晶粒钢。58晶粒度为本质细晶粒钢*奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。*加入合金元素影响奥氏体晶粒长大。能形成稳定碳化物元素Ti、Cr，抑制A长大。Mn、P等则加速A长大。2021/9/27854.1.1.44.1.1.4亚共析碳钢与过共析碳钢加热时的转变亚共析碳钢与过共析碳钢加热时的转变亚、过共析钢与共析钢组织的不同点在于，除了室温组织中有P外，亚共析碳钢还有先共析铁素体，过共析钢还有先共析二次渗碳体，因此，亚,过共析钢的奥氏体化过程,除了有P 转化 A外，还有Fe,Fe3C向A转化与溶解的过程。亚共析钢：加热到AC1线以上后P 转化 A，在Ac1-Ac3点升温过程中，共析铁素体F 转 化 A，温度到达Ac3点时，亚共析钢A化过程会结束，获取单一的奥氏体组织。过共析钢：加热到AC1线以上后P 转化 A，在Ac1-Acm升温过程中，先共析Fe3C转化A,温度超过Acm点后，过共析碳钢的奥氏体化全部结束，获取单一的奥氏体组织。2021/9/27862021