热处理培训资料(苏州工业园区姑苏科技有公司)

苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU热处理培训资料第1章金属的结晶与合金的构造1.1金属的晶体构造1.1.1晶体概念指原子（离子）呈规则排列的物体。晶体特点：（1）有固定熔点，（2）原子呈规则排列，宏观断口有一定形态且不光滑（3）各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在不同方向上的性能也不一样。晶体：绝大多数的固态物质，固态的金属和合金。非晶体：玻璃，沥青。1.1.2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。这种用以描述原子在晶体中排列的空间格子叫晶格。组成晶格的最基本几何单元叫晶胞。晶胞各边尺寸及夹角称为“晶格常数”。1.1.3三种常见的晶格及分析（1）体心立方晶格：铬，钒，钨，钼，α-Fe。1/8*8+1=2个原子（2）面心立方晶格：铝，铜，铅，银，γ-Fe。1/8*8+1/2*6=4个原子（3）密排六方晶格：镁，锌。6个原子1.1.3.1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苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU密排六方120.741.1.3.2晶面与晶向指数：晶面：晶体中各种方向上的原子面。晶向：晶体中各种方向上的原子列。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向，便于分析。晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。确定晶面指数的步骤：（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平等于晶胞的三棱边作OX，OY，OZ三坐标轴，以晶格常数a,b,c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；（2）将所得三截距之值变为倒数；（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（hkl）表示。立方晶格中三个重要晶面100,110,111晶向指数的确定方法：（1）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；（2）求出该直线上任意一点的三个坐标值；（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，一般用[uvw]表示。晶面与晶向的原子密度：晶面原子密度：单位面积中的原子数晶向原子密度：单位长度上的原子数。例：体心立方晶格晶面指数晶面密度晶向指数晶向密度{100}1/a21001/a苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU{110}1.4/a21100.7/a{111}0.58/a21111.16/a单晶体应用例子：变压器中的硅钢片晶向指数为100，利用了它的磁导率多晶体结构如果一个晶体内部的晶格方位完全一致，称为单晶体。工业中实际使用的金属材料，包含了许多小晶体，内部晶格方位一致，但彼此方位不同，多晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。单晶体各向异性，多晶体一般不显示各向异性。1.2金属的结晶1.2.1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。1.2.2结晶过程不断产生晶核和晶核长大的过程1.2.3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：苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU（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1.3金属的同互异晶转变大多数金属在结晶完成后的继续冷却中，其晶体结构不再发生变化，如铝、铜等。也有少数金属如铁、钛等。这种金属在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。1538℃δ-Fe1394℃γ-Fe912℃α-Fe因为铁能发生同素异晶转变，在生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，改变它的组织与性能，以发挥材料的潜力。1.4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。1.4.1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。1.4.2合金结构（1）固溶体指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了栽些溶剂原子的位置，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）（3）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。如珠光体是渗碳物与铁素体的混合物。1.5二元合金状态图的构成合金状态图即合金结晶过程的简明图解，反映在平衡条件下不同成分合金在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，以了解合金在温度变化时的相变过程及组织形成的规律。是分析合金组织、苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU确定热加工工艺、预测材料性能的依据。1.5.1二元合金状态图的建立通过实验建立的以Pb-Sb合金为例（1）首先配制几组成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它们的冷却曲线（2）作出每个合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点（即停歇点和转折点）（3）作一个以温度为纵坐标（单位为℃），以合金成分为横坐标（单位为重量或原子百分数）的直角坐标系统，并自横坐标上各成分点作垂直线——成分垂线，然后把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各合金的成分垂线上。（4）将各成分垂线上具有相同意义的点连接成线，并根据已知条件分析结果作标记。相律：合金系在平衡状态下，系统的自由度（f）与组元数(C)和平衡相数(P)之间关系的定律。f=C-P+2自由度：保持合金系相的数目不变条件下，可独立改变的影响合金状态的内部及外界因素的数目。在恒压下，f=C-P+1，对二元系，C=2,则f=3-P，可知：f=0，P=3,平衡相最大为3；P=3，f=0,温度、相成分一定；P=2，f=1,温度或相的成分可变，但只有一个独立变量；P=1；f=2，温度和相成分均可独立改变。1.5.2匀晶相图当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图，称为二元匀晶相图。具有这类相图的合金系主要有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni及W-Mo二元相图的杠杆定律：杠杆定律：用来确定二相平衡时，两平衡相的成分和相对量。（1）确定两平衡相成分的方法（2）确定两平衡相相对量的方法：WL•ar=Wa•rb或WL/Wa=rb/ar注意：杠杆定律只适用于两相区。合金的结晶过程：匀晶转变：由液相结晶出均一固相过程。一、相图分析苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU以Cu-Ni合金相图为例：相线：液相线、固相线相区：单相区、两相区结晶过程：0-1,1，L相,降温过程；1-2，L-α相变过程；2，α相，成分为合金成分；2-3，α相，降温过程；3，α相，室温组织相变过程：t1:液相开始析出α，α成分由固相线确定,为α1，液相成分L1;t2:L+α,成分分别由液相线和固相线确定，为L2、α2，α1-α2，L1-L2,两相的相对量用杠杆定律确定;继续降温，成分分别沿固、液相线变化，W↑α，WL↓；t3：结晶结束，固溶体成分α3=合金成分总之，结晶过程是一动态过程。选份结晶（选择结晶）：从液相结晶出的固溶体成分与液相成分不同，含有较多的高熔点组元。固溶体结晶与纯金属结晶的异同：相同点：一定过冷度，形核与长大过程；不同点：纯金属：恒温结晶；结构起伏与能量起伏；结晶时无成分变化；固溶体：变温结晶；结构起伏、能量起伏和成分起伏；结晶过程总存在原子扩散，以进行溶质在液固两相中的再分配。1.5.3二元共晶相图共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的相图称为二元共晶相图。如Pb-Sn,Pb-Sb等。一、相图分析相区：3个单相区，3个双相区相线：液相线，固相线。共晶反应线，在共晶线上，f=C-P+1=2-3+1=0，在恒温进行，三相的成分恒定。固溶线:MF和NG苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU点：E点共晶点，共晶反应时液相的成分。二、典型合金的平衡结晶及其组织分析要点：临界点、冷却曲线、相状态、成分变化、室温组织与相对量1.含Sn19%的合金2.共晶成分合金（61.9%Sn)3.亚共晶合金（50%Sn)4.过共晶合金（80%Sn)组织与相：不同成分Pb-Sn合金室温下相均为a+b，但组织则因成分而异。Pb-Sn合金组织分区图。三、初生相和共晶体的组织特征1.初生相的组织特征纯金属或固溶体，一般呈树枝状，平面磨面可呈树枝状、卵形或颗粒状。亚金属、非金属或金属化合物，一般具有规则外形。2.共晶体的组织特征共晶团：由一个晶核形成的共晶体。共晶体形态多样：层片状、棒状、球状、针片状、螺旋状等。3.离异共晶：发生共晶转变时，共晶组织中与先共晶相相同的一相会依附于先共晶相生长，而将另一相推向最后凝固的晶界处，从而失去了共晶组织特征，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。四、共晶合金的不平衡结晶及其组织1.伪共晶伪共晶：非共晶成分的合金在快冷条件下得到100%的共晶组织。伪共晶产生条件：合金过冷至伪共晶区。2.离异共晶（非平衡条件）3.其他变化：组织形态：细小相对量：初生相减少、共晶组织增多苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU1.5.4包晶相图包晶转变：一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的转变，即L+β-α包晶相图：具有包晶转变的相图。Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Sn-Sb等具有包晶相图。1.5.5相图分析方法与应用一、分析相图的基本方法•分析相图中的相和相区•分析相图中有无水平直线，并判断其转变类型是共晶型还是包晶型。•根据相区接触法则确定图形结构是否合理。相区接触法则即“相邻相区相数差一”•分析任一合金的结晶过程。二、利用相图判断合金的性能（1）利用相图判断合金力学性能利用相图可确定合金在某一温度下的相平衡关系，计算各相相对量，再根据各相的性质，大致判断合金性能。（2）利用相图判断合金工艺性能热处理技术论坛苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU热处理培训资料第2章铁碳合金与铁碳合金相图2.1铁碳合金的基本组织1.1.铁素体碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。1.2.奥氏体碳与γ-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。1.3.渗碳体铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C1.4.珠光体F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。1.5.莱氏体A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。2.2铁碳合金状态图苏州工业园区姑苏科技有公司GUSU2.2.1状态图主要点线主要点特性点温度℃含义A1538纯铁熔点C1148共晶点D1227渗碳体熔点E1148C在γ-Fe中昀大溶解度G912纯铁的同互异晶转变点P727C在α-Fe中昀大溶解度S727共析点Q室温室温时C在α-Fe中昀大溶解度主要线：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AES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2.2.2铁碳合金分类2.2.2.1钢含C量0.0218～2.11%共析钢含C量0.77%亚共