第3章改变材料性.ppt

第3章 改变材料性能的主要途径 材料的性能是由其化学成分和内部组织结构决定的，通过改变材料的成分或采用不同的加工处理工艺来改变其组织结构以改变材料性能，后者则是工程上采用的主要手段。 3.1、金属的热处理 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理是改善金属材料（尤其是钢）的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要零件都要经过适当的热处理才能满足使用要求。 本部分内容理论联系实际，具有重要的应用价值，也是本课程的重点内容之一。 本部分的主要内容可分为热处理原理和热处理工艺两部分。 1）热处理原理 以过冷奥氏体的等温转变曲线(C曲线或TTT曲线)为中心，以钢的化学成分、组织结构与性能之间的关系为主线，分析钢中的各种组织转变规律。其主要内容是：钢在加热时的奥氏体化过程；钢在冷却时由过冷奥氏体在不同条件下转变为各种产物(珠光体型、贝氏体型和马氏体型)的转变过程；钢的回火转变过程。学习中要注意弄清各种不同成分的钢在不同冷却条件下所形成各种组织的特征及其与性能的关系，见表3-1。 从共析钢过冷奥氏体等温转变曲线可以确定在A1以下不同温度等温时的转变产物。根据它也可以定性地估计连续冷却转变时过冷奥氏体的转变产物。凡是影响C曲线和冷却曲线间相对位置的一切因素，均影响所得产物的组织和性能。这些因素主要是：①钢加热时奥氏体化的条件，主要是奥氏体的成分、均匀性及晶粒度；②冷却介质和冷却方式；③零件的尺寸，由于零件表面和心部冷却速度不同，导致其组织不同；④合金化，即改变钢的成分，从而改变C曲线的位置和形状及Ms点、Mf点的高低。这些因素是制定热处理工艺时要考虑的基本问题。 亚共析钢和过共析钢与共析钢不同，在奥氏体转变为珠光体之前，有先共析铁素体或渗碳体析出。因此在亚共析钢C曲线上多一条铁素体析出线，过共析钢则多一条渗碳体析出线。 2）（整体）热处理工艺 由于热处理后要求的性能不同，热处理工艺的类型是多种多样的。改变金属整体组织的热处理有退火、正火、淬火和回火以及稳定化处理、固溶处理、固溶处理+时效等；改变金属表面或局部组织的热处理有表面淬火和化学热处理两大类。 退火和正火常作为预备热处理，淬火+回火常作为最终热处理，淬火+回火工艺小结见表3-2。 钢的强化原理是获得马氏体随后经过回火来实现的：马氏体内部含有很高密度的位错，有很强的位错强化效应；马氏体形成时，奥氏体被分割成许多较小的区域(马氏体束)，产生细晶强化效果；溶质原子特别是碳原子溶人马氏体中造成了很强的固溶强化效应；马氏体回火后碳化物析出，造成了强烈的第二相析出强化效应。因此，马氏体相变加上回火转变是钢中最经济最有效的综合强化手段，只有得到马氏体，钢的综合强化才能得到保证。 金属材料除了相变强化外，提高金属强度的主要方法就是在合金固溶体上分布一定数量的细小弥散第二相颗粒（主要是金属间化合物），因其硬而脆，能够有效地阻碍位错的运动，阻碍塑性变形，使合金得到强化。由于这些硬粒子是在室温或室温以上不太高的温度下长时间停置时沉淀析出的，故称为沉淀强化或时效强化。合金进行沉淀析出的必要条件是固溶体具有一定的溶解度，并且溶解度随温度的降低而明显减少，故合金须进行固溶处理，固溶处理后再进行时效（人工或自然）。固溶处理+时效工艺在有色金属、沉淀硬化不锈钢等材料中应用广泛。 各种常用热处理工艺小结如表3-3所示。 改变金属组织的重要环节是加热和冷却。由Fe—Fe3C相图选择合适的加热温度；由C曲线确定合适的冷却条件和方法。 3）钢的表面淬火与化学热处理 很多机器零件（如齿轮、转轴等）是在弯曲、冲击、疲劳等动载荷和摩擦条件下工作的，要求其表面应具有高的硬度和耐磨性以抵抗磨损或裂纹的产生，而心部要有足够的韧性以抵抗冲击破坏，即要求“表硬心韧”。显然，选择单一性能的材料及整体热处理不能满足要求，此时，可采用表面淬火、化学热处理等表面强化技术与整体热处理工艺相组合的方式来满足零件的性能要求。 钢的表面淬火采用最多的是高频感应加热表面淬火，钢的常用化学热处理工艺小结见表3-4所示。 2、金属的合金化改性 为提高金属材料的力学和理化性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（合金化），就形成了合金（如合金钢、铝合金、铜合金、钛合金等）。合金化也是改善和提高钢铁材料和其它材料(有色金属合金、陶瓷材料甚至发展聚合物“合金”)性能的主要途径之一。 合金元素主要通过对材料的组织的影响而影响其性能，实际上通过其对材料（比如钢）的相平衡及相变的影响来理解它们对力学及其它性能