机械工程材料 教学课件 ppt 作者 罗中平 主编6 第四章 金属强化理论和钢的热处理 1.ppt

/38 第四章 金属强化理论和钢的热处理 第一节 金属强化理论简介 一、金属强度的实质 金属的强度指标(σs、σb)是代表着金属在一定变形过程中对塑性变形的抵抗能力。金属对塑性变形的抗力愈大，则强度愈高。总之，在实际工程材料中，一切阻碍位错运动的因素都会使金属的强度提高，造成强化。 二、金属强化机制 阻碍位错运动的障碍可以有四种：第一种是溶质原子，引起固溶强化；第二种是晶界，引起细晶强化；第三种是第二相粒子，引起沉淀强化(或弥散强化)；第四种是位错本身，引起位错强化。 1.固溶强化：合金组织中的溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场与运动位错的应力场发生交互作用，增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形困难，从而提高合金的强度和硬度，这便是固溶强化。 2.细晶强化：晶界是一种面缺陷，能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒越细，晶界越多也越曲折，强化作用越显著，强化量与晶粒直径的平方根成反比。 3.第二相强化：当合金由多相混合物组成时，合金中除了基体之外还常常存在第二相。此时合金的性能不仅决定于基体的性能，也决定于第二相的性质、大小、形状和分布。材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化，称为弥散强化（也称沉淀强化)。第二相质点弥散度越高，强化效果也越明显。 4.位错强化：运动位错碰上与滑移面相交的其它位错时，发生交割面位错使运动受阻，其所造成的强化量与金属中的位错密度的平方根成正比。金属的冷变形能产生大量位错，强化效果显著。合金中的相变，特别是低温下伴随有容积变化的相变如马氏体相变等，都会产生大量的位错，使合金显著强化。 三、材料强化途径应用举例 实际使用的金属材料，往往是上述几种强化机理同时在起作用，以获得尽可能好的强化效果。常见机械工程材料强化途径有： 1.合金强化：如低碳低合金高强度钢，此钢系统是利用V、Ti、B、Nb、RE及Mn、Si等建立起来的。材料强化特点是：加入少量Si、Mn、Cu、P等元素强化铁素体(固溶强化)，加入微量Al、Cu、V、Ti、Nb等元素使晶粒细化并产生细小析出物NbC、VC等(细晶强化和第二相强化)，达到综合强化的效果。 2.马氏体强化：是通过热处理获得马氏体组织使钢得以强化的方法，是钢铁材料强化的重要手段。马氏体强化主要是通过碳在α-Fe中的过饱和溶解造成固溶强化，但同时也伴有其它强化作用，如目前已得到广泛应用的低碳马氏体，除固溶强化外，由于组织转变中的容积变化和滑移过程、使其组织中的每个板条都存在着很高密度的位错，即位错强化效果十分显著，同时板条之间存在着小角度晶界以及马氏体转变时伴有细小碳化物的析出，所以还有细晶强化和第二相强化的因素存在，因而热处理对材料的强化作用也是综合性的。 3.纤维增强复合强化：用高强度纤维同适当的基体材料相结合而达到强化材料的方法，称为纤维增强复合强化。如几乎不存在位错而近于理想晶体的晶须，虽直径甚小，然而强度极高，工业上用以制成纤维置于基体材料(金属或高聚物)之中，使材料得以强化。 第二节 钢的热处理概述 热处理是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺(图4-2)。它可以提高材料的强度和硬度，增加耐磨性或者改善材料的塑性和切削加工性等。通过热处理可以充分发挥合金元素的作用和挖掘材料的潜力，延长机械的使用寿命并降低金属材料的消耗。目前，各种类型的机床上有80％左右的零件需进行热处理，而刀具、量具、模具和轴承等则l00％的需进行热处理。 钢的热处理基础 钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏体化。加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其冷却转变过程及最终的组织和性能都有极大的影响。因此了解奥氏体形成的规律，是掌握热处理工艺的基础。 第三节 钢的加热转变 一．奥氏体形成的过程 钢在加热时获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。钢在加热时，奥氏体的形成过程符合相变的普遍规律，也是通过形核及核心长大来完成的。以共析钢为例，原始组织为珠光体，当加热到Ac1温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变： Fwc=0.02%+Fe3Cwc=6.69%→Awc=0.77% 这一转变是由化学成分、晶格类型都不相同的两个相转变成为另一个成分和晶格类型的新相，在转变过程中要发生晶格改组和碳原子的重新分布，这一变化均需要通过原子的扩散来完成，所以奥氏体的形成是属于扩散型转变、奥氏体的形成一般分为