最新贵州大学机械工程材料及其成型技术基础复习资料.docx
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工程材料及成形技术基础课复习资料
第1章零部件对材料性能的要求
⒈零件在工作条件下所受力学负荷、热负荷和环境介质的作用。
⒉力学负荷分静载荷(拉、压、弯、扭等)和动载荷(交变载荷与冲击载荷)。
力学负荷使零件产生变形或断裂;热负荷使零件产生热应力,交变热应力引起材料的热疲劳,温度升高材料的强度硬度下降、塑性韧性升高,高温使材料产生氧化,温度超过0.3Tm时产生高温蠕变;环境介质使金属产生腐蚀和摩擦磨损、使高分子材料产生老化。
⒊在弹性变形范围内,△L﹦PL0/EA0,E↑或A0↑→△L↓,即提高材料的弹性模量E或增加零件的横截面积A0均能减少弹性变形。
E主要取决于材料的本性,与显微组织关系较小,加工处理对它的影响很小。
⒋强度—材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度是应力值(MPa),应力极限。
强度与组织的关系密切,用于零件的设计计算。
常用的强度指标有屈服强度σs(适用于塑性好材料)、条件屈服强度σ0.2(适用于塑性差的材料)、抗拉强度σb等。
⒌比刚度(比模量)—E/ρ;比强度—σb/ρ。
比刚度、比强度大的材料能减轻零件的重量。
屈强比—σs/σb,表征材料强度的利用程度和工作的安全程度,屈强比高材料强度利用程度高但工作安全程度低。
⒍塑性—材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。
指标有延伸率δ(δ5)、断面收缩率ψ。
同一材料的δ5值大于δ值(δ5>δ),因颈缩而ψ能较真实地反映材料的塑性好坏。
塑性指标不能直接用于设计计算,塑性能降低应力集中,有利于压力加工,提高零件使用的可靠性。
⒎冲击韧性—在一定温度下材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力(αK),强度和塑性的综合指标。
冲击韧性对材料的夹杂物等缺陷及晶粒大小十分敏感。
一般把冲击韧性值低的材料称为脆性材料,冲击韧性值高的材料称为韧性材料。
冲击韧性值随温度的降低而降低。
冷脆或韧脆转变温度Tk—冲击韧性值急剧下降时的温度。
冲击韧性值不能直接用于零件的设计计算。
⒏硬度—材料表面局部抵抗塑性变形或破裂的能力,是反映材料软硬程度的指标,是一种综合性指标。
生产中常用的有洛氏硬度(HR)和布氏硬度(HB)。
硬度试验简单方便且非破坏性,用于零件的设计和检验。
硬度与材料的强度、塑性、韧性有关,对耐磨性和切削加工性有直接关系。
从定义出发,强度高硬度高,塑性韧性就低。
提高塑性韧性就要降低强度硬度。
硬度对组织不敏感。
⒐疲劳强度—当应力低于一定值时,试样在交变应力作用下经无限周期循环而不破坏的应力值(σ﹣1)。
⒑工程材料的分类分金属材料、有机高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
⒒各类材料特征⑴金属材料(金属键)的特征:
良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、正的电阻温度系数。
⑵有机高分子材料(主链间强共价键及大分子链间弱分子键)的特征:
密度小,强度低(比强度高),E低,弹性较高,电绝缘性好,优良的减摩、耐磨和自润滑性能,优良的耐腐蚀性能,优良的透光性和隔热、隔音性,可加工性好。
但不耐热(<300℃),可燃,易老化。
⑶陶瓷材料(强离子键或共价键化合物)的特征:
熔点高、硬度高、化学稳定性高,极高的弹性模量,具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小等优点。
部分陶瓷具有特殊功能,作压电材料、磁性材料、生物陶瓷等功能材料。
但抗压不抗拉、脆性大、不易加工成形。
⑷复合材料的特征:
性能优于组成材料,成分、性能可人为调整设计,材料合成与产品成形大多一次完成。
第2章材料的内部结构、组织与性能
⒈固态物质的晶体与非晶体:
晶体具有固定熔点和各向异性(单晶体);非晶体无固定熔点和各向同性。
晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。
⒉金属的三种晶体结构:
体心立方晶格,大多具有较高的熔点、硬度及强度,塑性、韧性较低并具有冷脆性。
面心立方晶格,大多具有较高的韧性并且无冷脆性。
密排六方晶格,大多无冷脆性,但机械性能不突出。
⒊晶体缺陷:
⑴点缺陷—空位、间隙原子和置换原子,破坏晶格的规则性,引起晶格发生畸变,导致金属的强度、硬度、电阻等增加,塑性下降,是内部原子扩散和固溶强化的主要原因。
⑵线缺陷—位错,金属在退火态时强度硬度最低,塑性高,在此基础上增加或减少位错密度,均使强度升高,位错密度升高是导致加工硬化的主要原因。
⑶面缺陷—晶界和亚晶界,晶粒越细,晶界数量越多,晶界对塑性变形的抗力越大,晶粒的变形越均匀,致使强度、硬度越高,塑性、韧性越好。
在常温下晶粒越细力学性能越好,在高温下晶界稳定性差而晶粒越细高温性能越差。
晶界增加是细晶强化的主要原因,位错密度增加亚晶细化是加工硬化的主要原因。
⒋合金的相结构—固溶体和金属化合物。
合金、组元、相、组织的概念。
固溶体分间隙固溶体和置换固溶体,保持溶剂的晶体结构,间隙固溶体由过渡族金属元素与原子半径很小的非金属元素(H、B、C、N、O等)组成,为有限固溶体;置换固溶体可形成有限固溶体和无限固溶体。
固溶强化—溶质原子溶入引起晶格畸变,使强度、硬度提高、塑性、韧性降低的现象。
固溶体是合金的基本组成相(基体相),可单独使用。
金属化合物(有金属键结合,具有金属特性)分正常价化合物、电子化合物(前两种仅出现在有色金属中)、间隙化合物。
金属化合物一般具有很高的熔点、高的硬度和较大的脆性,不能单独使用(强化相)。
在固溶体基体上弥散分布适当的金属化合物,可提高材料的强度、硬度和耐磨性,即弥散强化(或沉淀强化)。
机械混合物—由固溶体或金属化合物混合在一起形成的多相固体组织,性能介于组成相之间(与组元种类、数量、形态、大小和分布有关)。
⒌有机高分子材料的结构单体、链节、聚合度、聚合反应。
单个大分子链的形状分线型分子结构、支链型分子结构和体型分子结构。
线型高分子的聚集状态分晶态、部分晶态和非晶态,体型聚合物只能为非晶态(玻璃态)。
⒍陶瓷材料的结构组成相有晶体相、玻璃相和气相,晶体相常为硅酸盐、氧化物和非氧化物,主要决定陶瓷的性能;玻璃相的主要作用是起粘结作用、填充孔隙作用和降低烧结温度;气相(气孔)越少越好,一般为5%~10%,特种陶瓷<5%。
大多数氧化物结构氧离子排列成简单立方、面心立方和密排六方的晶体结构,正离子位于其间隙中。
硅酸盐结构以硅氧四面体(共价键)为基本结构单元组成。
⒎纯金属结晶是在恒温下进行的,结晶必须过冷(低于理论结晶温度T0),过冷度△T﹦T0﹣T1,冷却速度越快,过冷度越大。
结晶的基本规律为形核和核长大,一个晶核长大成一个晶粒。
结晶的速度取决于形核率和晶体长大速度,过冷度增加形核率和晶体长大速度增加。
形核分自发形核和非自发形核(异质形核),非自发形核所需过冷度比自发形核小得多,晶体的长大方式主要是枝晶长大。
⒏金属的同素异构(或异晶)转变—金属在固态下由一种晶格转变成另一种晶格。
纯铁的同素异构转变为δ﹣Fe(体心立方)←→γ﹣Fe(面心立方)←→α﹣Fe(体心立方)。
具有同素异构转变和溶解度显著变化是进行热处理强化的先决条件。
⒐二元合金相图有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图等。
二元合金相图的一般分析方法:
⑴特性点(成分、温度、意义),①熔点②共晶点③共析点④包晶点⑤同素异构转变点⑥溶解度点⑵特性线(起点、终点),①液相线②固相线③共晶线④共析线⑤包晶线⑥溶解度曲线⑦金属化合物垂线⑶相区①单相区a液相区b固溶体区c纯组元或化合物垂线②两相区两个单相区之间必夹一个由这两个单相组成的两相区⑶三相(区)等温线a共晶线b共析线c包晶线⑷典型成分结晶过程分析
⒑铁碳合金相图与铁碳合金
组成相:
固溶体①铁素体—碳溶在体心立方晶格α-Fe中的间隙固溶体,用符号“F”或“α”表示。
室温下溶碳量为0.0008%,727℃溶碳量为0.0218℃。
碳溶在体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为高温铁素体。
铁素体的强度硬度较低,塑性韧性较好。
②奥氏体—碳溶在面心立方晶格γ-Fe中的间隙固溶体,用符号“A”或“γ”表示。
1148℃时溶碳量最高为2.11%。
韧性极好。
化合物③渗碳体—铁和碳的复杂晶格间隙化合物,用“Fe3C”表示。
硬度高,脆性大,强度塑性韧性均很低,是强化相。
分共晶渗碳体、共析渗碳体、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ五种渗碳体。
铁碳合金分类组织:
⑴工业纯铁ωc≤0.0218%,室温组织为F﹢Fe3CⅢ;⑵钢①亚共析钢0.0218%<ωc<0.77%,F﹢P;②共析钢ωc﹦0.77%,P;③过共析钢0.77%<ωc<2.11%,P﹢Fe3CⅡ。
⑶白口铸铁①亚共晶铸铁ωc﹦4.3%,Le′;③过共晶白口铸铁4.3%<ωc<6.69%,Le′﹢Fe3CⅠ。
含碳量与钢的相、组织、性能之间的关系:
ωc↑,铁素体相↓,渗碳体相↑;组织F﹢P→P→P﹢Fe3CⅡ;硬度↑(与渗碳体相数量多少有关,数量增加硬度增加),塑性、韧性↓(与铁素体相数量多少有关,数量增加而增加),强度对组织敏感,当组织均匀分布时随ωc↑而强度↑,当过共析钢中形成网状二次渗碳体时强度↓。
(见图2.39)
第三章改变材料性能的主要途径
⒈金属的热处理强化
⑴钢的热处理工艺—将钢在固态下通过加热、保温和冷却,改变其组织性能的一种工艺。
⑵热处理的特点:
不改变工件的尺寸和形状,仅改变组织性能。
⑶热处理分类分普通(整体)热处理(退火、正火、淬火、回火)、表面热处理(表面淬火,仅改变表层组织性能,不改变化学成分)和表面化学热处理(改变表层的成分而改变组织性能),按热处理的作用分预先热处理(改善工艺性能)和最终热处理(保证使用性能)。
⒉钢加热的目的:
获得细小均匀的奥氏体晶粒(只有奥氏体才能向低温的其它组织F、P、B、M等转变,细小均匀保证转变后的组织细小,性能好且变形小)。
⒊保温的目的是:
①整体热处理,使其达到工件整体加热到所需温度;②表面化学热处理,使原子扩散达到所要求的浓度和深度。
⒋钢的冷却分等温组织转变冷却和连续组织转变冷却。
等温冷却可得到组织类型单一、尺寸均匀的组织;连续转变则可能得到组织尺寸大小不均、组织类型多样的(高温和低温转变组织)混合组织。
⒌高温转变(A1~550℃鼻部)—珠光体型转变(P、S、T,无本质区别,仅是片间距不同),扩散型转变(铁、碳原子均能扩散)。
珠光体P在A1~650℃,索氏体S在650~600℃,屈氏体T在600~550℃形成。
P、S、T均为片层状结构,随转变温度降低,转变产物的片间距减小,硬度、强度、塑性、韧性均增加。
⒍中温转变(鼻部~Ms)—贝氏体型转变(B上、B下),半扩散型转变(铁原子不能扩散,只有碳原子扩散)。
贝氏体—过饱和铁素体和渗碳体的非片层状混合物。
B上在550~350℃形成,由稍过饱和铁素体板条和条间小片状Fe3C组成,羽毛状特征,性能脆性大无实用价值;B下在350℃~Ms(240℃)形成,由呈一定角度的更过饱和的针片状铁素体与其内部超细小碳化物片粒组成,针状特征,强韧性好。
⒎低温转变(Ms~Mf)—马氏体型转变(Ms、A′),非扩散型转变(铁、碳原子均不能扩散),保持奥氏体成分。
马氏体M—碳在α-Fe中的过饱和固溶体,体心正方晶格,正方度c/a>1,马氏体含碳量越高正方度越大,硬度越高。
马氏体形态有板条马氏体(ωc≤0.20%,低碳马氏体或位错马氏体,强韧性高)和针状马氏体(ωc≥1.0%,高碳马氏体或孪晶马氏体,硬而脆)。
残余奥氏体A′—马氏体转变后还没有转变的奥氏体。
马氏体转变具有不完全性,不能100%转变,奥氏体的含碳量越高,则A′数量越多。
合金元素对钢的硬度影响不大,但使强度升高。
奥氏体转变成马氏体,体积要膨胀,产生巨大的相变应力。
⒏影响C曲线的因素:
⑴含碳量(碳钢):
共析钢的C曲线形状最简单,最靠右、亚共析钢在高温转变区多一条A→F线,随ωc↑C曲线向右下移动;过共析钢在高温转变区多一条A→Fe3CⅡ线,随ωc↑C曲线向左上移动。
⑵合金元素(合金钢):
溶入奥氏体的合金元素使C曲线①改变位置,阻碍铁碳扩散,C曲线右移;②改变形状,使P区与B区分开。
⑶加热温度与保温时间:
提高加热温度或延长保温时间,提高奥氏体稳定性,C曲线右移。
⑷未溶碳化物:
促进过冷奥氏体分解降低稳定性,C曲线左移。
⒐过冷奥氏体连续冷却转变曲线(图3.9):
⑴过冷度与等温转变相同,组织性能相同;⑵共析钢连续转变曲线没有中温转变,即转变组织得不到贝氏体,多一条KK′转变中止线;⑶临界冷却速度VK(上临界冷却速度)—与C曲线开始转变线鼻部相切的冷却速度,是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。
Vk′(下临界冷却速度)—与C曲线转变终了线鼻部相切的冷却速度,是获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。
当V冷≤VK′时,转变产物为全部珠光体型组织(P、S、T);V冷≥VK时,转变产物为M﹢A′;V冷在VK~VK′之间时,转变产物为T﹢M﹢A′,即转变产物可以是高温转变产物和低温转变产物的混合组织,且粗细不均。
⑷有些合金钢连续冷却可以得到贝氏体,组织更复杂,可能为高、中、低温转变的混合组织T﹢B﹢M﹢A′,如图3.8(b);或中、低温转变的混合组织B﹢M﹢A′,如图3.8(c)。
⒑钢的普通(整体)热处理:
⑴退火—将钢加热到适当的温度保温,然后缓慢冷却(常为随炉冷却),获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。
分①完全退火,加热温度为Ac3﹢(20~50)℃,即830~880℃,保温2~5h后炉冷。
退火组织为铁素体和珠光体,主要用于亚共析(ωc﹦0.3~0.6%)结构钢,细化晶粒提高力学性能,降低硬度方便切削加工和消除应力。
②球化退火,加热温度为Ac1﹢(10~30)℃,短时保温后缓冷或在Ar1﹣(20~30)℃等温使渗碳体球化。
退火组织为球状珠光体(在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体),主要适用于共析钢、过共析钢,降低硬度,提高塑性韧性,改善切削加工性能,为淬火作组织准备,减小最终热处理时的变形开裂倾向。
③扩散退火,加热温度为Ac3﹢(125~150)℃,即常为1050~1150℃,保温10~15h后炉冷。
其后需进行一次完全退火或正火来细化晶粒。
扩散退火使成分均匀化。
④再结晶退火,加热温度﹤A1为T再﹢(150~250)℃,钢为600~700℃,保温1~4h后炉冷至550℃出炉空冷。
消除冷变形加工时产生的加工硬化,恢复塑性。
⑤去应力退火,加热温度﹤A1为500~600℃,保温后炉冷至200℃出炉空冷。
消除残余应力。
⑵正火—将钢加热到Ac3﹢(30~50)℃(亚共析钢)或Accm﹢(30~50)℃(过共析钢),完全奥氏体化后出炉空冷的热处理工艺。
退火、正火均为高温转变,正火冷却快而组织比退火细,且先析相(F或Fe3CⅡ)的数量显著减少,强韧性更高,工艺操作方便经济。
当ωc﹤0.60%时,正火组织为F﹢S,且F量比退火后的量少;ωc﹦0.60~1.40%时,正火组织为S,无先析相,称伪共析组织。
细化晶粒,提高硬度,消除网状二次渗碳体,改善切削加工性能。
⑶淬火—将钢加热到相变温度以上保温奥氏体化后,以﹥VK的冷却速度冷却,获得马氏体(低温转变)或贝氏体(中温转变)组织的热处理工艺。
淬火使钢达到较高硬度的状态。
⒒淬火原则:
一淬硬;二淬透;三在保证淬硬条件下保证变形开裂倾向小。
淬透性—在规定条件下获得淬硬层深度的能力。
它是一种固有属性,主要与钢中合金元素有关。
C曲线越向右则淬透性越好。
临界直接(D0)—在某种介质中淬火心部刚好获得50%马氏体组织时的直径。
在同种介质中D0大则淬透性好。
淬硬层深度—工件在具体淬火条件下从表面→内层刚好为50%马氏体处的深度。
与钢的淬透性、加热温度、淬火介质、零件尺寸等有关。
淬硬性—钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度冷却形成马氏体组织所能达到的最高硬度。
硬度值越高则淬硬性越好,主要取决于马氏体的含碳量,即马氏体的含碳量越高,淬硬性越好。
⒓淬火工艺:
⑴淬火加热温度:
①亚共析钢Ac3﹢(30~50)℃,淬火组织M﹢(A′);②过共析钢(共析钢)Ac1﹢(30~50)℃,组织M﹢粒状碳化物﹢A′。
⑵淬火介质:
冷却速度由快到慢为盐碱水>水>碱浴、盐浴>油>空气。
水价廉且冷却能力强,淬火易变形开裂,用于形状简单的碳钢件;油冷却能力弱用于合金钢或尺寸较小的碳钢件;盐浴、碱浴冷却能力介于水、油之间,常用于形状复杂、尺寸较小、变形要求小的工件的分级淬火和等温淬火;空气冷却能力很弱用于淬透性很高的高合金钢。
⑶淬火方法:
①单介质淬火:
方法操作简单但变形较大。
碳钢一般用水淬,合金钢或尺寸为3~10mm的碳钢件用油淬;②双介质淬火:
先水冷后油冷,先水冷后空冷,即先快冷后缓冷,可减小变形但不易操作;③分级淬火:
奥氏体化后淬入稍高于Ms点的液体介质(盐浴或碱浴)中保温后空冷,能有效地减少应力,用于尺寸不大的零件;④等温淬火:
在250~400℃盐浴中等温转变获得下贝氏体后空冷,适用于形状复杂、要求变形小或韧性高的合金钢零件。
⒔回火—将淬火后的钢重新加热到A1以下的某一温度保温后冷却(通常空冷)的热处理工艺。
⑴回火的目的:
①减少或消除淬火应力;②稳定组织;③获得所需的性能。
⑵回火组织:
随回火温度升高,发生马氏体分解、残余奥氏体分解、ε碳化物转变为细粒状的Fe3C、Fe3C的聚集长大和α相再结晶四个重叠过程的变化,合金元素阻碍铁、碳原子扩散使各阶段移向更高的温度。
①回火马氏体(M回)—马氏体和弥散析出并与其共格的Fe2.4C(ε相)薄片的混合组织。
②回火屈氏体(T回)—保持马氏体形态的铁素体之间分布细粒状Fe3C的混合组织。
③回火索氏体(S回)—多边形铁素体基体上分布着细球状Fe3C的混合组织。
⑶回火后的性能变化:
随回火温度升高,马氏体的过饱和程度降低,淬火应力逐渐消除,一般规律强度、硬度下降,塑性、韧性升高。
例外为二次硬化和回火脆性。
⑷回火的种类与应用:
见表3-2。
表3-2回火分类
类别
回火温度/℃
组织和硬度/HRC
回火目的
应用举例
低温回火
150~250
M回,58~64
保持高硬度高耐磨性,消除应力,降低脆性
刃具、冷作模具、量具、渗碳件、表面淬火件、滚动轴承
中温回火
350~500
T回,35~50
获得高的σs和σe
弹簧、模锻锤杆、热作模具
高温回火
500~650
S回,25~35
获得高的综合机械性能
连杆、轴等重要结构件
低温回火脆性(第一类回火脆性,不可逆性)—250~350℃(碳钢,合金钢温度范围宽一些),几乎所有钢都存在,回火冷却速度无影响。
产生的主要原因是该温度范围内碳化物薄片沿马氏体的界面析出,破坏了马氏体间的连接,降低了韧性。
出现后在高一些温度回火脆性消除,再在脆性区回火脆性不会重新出现,即不可逆性。
不在该温度范围内回火。
高温回火脆性(第二类回火脆性,可逆性)—某些含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的合金钢在450~600℃长期保温或回火缓冷出现回火脆性。
出现回火脆性后重新在该温度范围回火快冷,回火脆性消失,再在该温度加热缓冷回火脆性又出现,即具可逆性。
产生原因一般认为是P、Sb、Sn、As等杂质元素或碳化物、氮化物和磷化物等化合物沿原奥氏体晶界上偏聚析出有关。
成分是最根本原因,解决办法①中、小截面件快冷;②大截面件采用含Mo、W的合金钢。
调质处理—淬火﹢高温回火,获得S回,综合力学性能好。
⑸回火次数:
一般一次,某些高合金钢(如高速钢)2~3次;使残余奥氏体充分转变;低碳钢淬火或高频表面淬火可冷却到200~300℃后空冷“自回火”。
⒕钢的表面淬火与化学热处理(承受冲击且要求表面耐磨,即“表硬心韧”)⑴表面淬火—通过对钢铁件表面快速加热奥氏体化,迅速冷却使表面获得淬火组织而心部保持率分①高频(200~300KHZ),淬硬层深度0.5~2.0mm;②超音频(30~60KHZ),淬硬层深度2.5~3.5mm;③中频(2~8KHZ),淬硬层深度2~10mm;④工频(HZ),淬硬层>10~15mm。
淬火介质以水为主。
⑵化学热处理—将工件放在活性介质中加热、保温使表层渗入元素,以改变其表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。
因改变表层化学成分对提高表层性能更有效。
化学热处理由活性原子分解、活性原子吸附和扩散三个基本过程组成。
①渗碳—将钢件在渗碳介质中加热保温,使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。
提高表层硬度、耐磨性、疲劳强度。
ⅰ渗碳用钢:
低碳钢或低碳合金钢;ⅱ渗碳方法:
气体渗碳;ⅲ渗碳工艺:
渗碳温度:
900~950℃;渗层浓度:
ωc﹦0.85~1.05%;渗层深度:
0.5~2mm,载荷小时浅些,保温时间长层深;ⅳ渗碳热处理:
直接淬火﹢低温回火(160~180℃),一次淬火﹢低温回火,二次淬火﹢低温回火。
ⅴ组织性能:
表层:
细片状M回﹢碳化物﹢A′,58~64HRC,心部:
与淬透性有关,未淬透,F﹢P,10﹢15HRC,淬透,回火低碳M﹢F,35~45HRC。
②渗氮(氮化)—在渗氮介质中加热保温,渗入氮原子的热处理工艺。
提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性。
ⅰ氮化用钢:
含Cr、Mo、Al等强烈形成氮化物元素的中碳合金钢;ⅱ氮化前热处理:
调质;ⅲ渗氮工艺:
气体渗氮,渗氮温度,500~600℃,渗氮时间,20~50h,氮化层厚度0.2~0.5mm;ⅳ氮化层组织性能:
由表到内,ε(以Fe2N、Fe3N为基的固溶体),极硬而脆,耐蚀性良好,1000~1100HV→ε﹢γ′(以Fe4N为基的固溶体),硬度很高→γ′﹢α(氮在α-Fe中的间隙固溶体,即含氮铁素体)→S回。
氮化后不需热处理直接使用。
⒖金属的合金化改性—加入合金元素改善钢的性能,形成合金钢。
⑴合金元素与铁形成固溶体,产生固溶强化;⑵与碳形成化合物,产生弥散强化或第二相强化,细化晶粒;⑶溶入奥氏体提高淬透性;⑷提高热稳定性;⑸提高耐热性、耐蚀性;⑹面心立方晶格元素使奥氏体区扩大,在室温下得到奥氏体,得到奥氏体钢;体心立方晶格元素使奥氏体区缩小,在室温下得到单相铁素体,得到铁素体钢;合金元素使S点左移,相同含碳量的合金钢比碳钢的珠光体数量多而强化;E点左移,会使原属于过共析钢成分的合金中具有莱氏体组织,成为莱氏体钢。
⒗金属的形变强化:
⑴(单晶体)金属的塑性变形(永久变形)基本形式有滑移和孪生。
只有切应力才能使单晶体发生塑性变形。
①滑移-在切应力作用下,晶面(滑移面:
原子排列最最密的晶面)两侧的两部分晶体发生了相对滑动,是金属塑性变形的主要方式。
滑移距离为原子间距的整数倍,滑移是位错运动的结果。
②孪生(晶)-在切应力作用下,晶体的两部分沿一定的晶面(孪晶面)和晶向(孪生方向)产生的剪切变形,两部分沿孪晶面呈共格镜面对称关系。
位移距离为原子间距的1/2~1/3倍。
⑵多晶体的塑性变形:
①晶粒方位和晶界的影响晶界处原子排列紊乱,杂质原子多,位错在该处滑移时阻力较大,即塑性变形抗力高;不同晶粒位向不同阻碍滑移。
②多晶体塑性变形的特点:
在外拉力作用下,与外力呈45°方向上切应力最大,最先发生滑移,带动周围晶粒转动,使滑移在不同晶粒内进行,即各晶粒塑性变形具有不同时性和不均匀性。
③细晶强化-用细化晶粒提高强度的方法。
晶粒越细,晶界面积越大,塑性变形抗力(即强度、硬度)越高;晶粒越细,晶粒数目越多,变形分散在更多晶粒内进行,变形均匀,减少应力集中,塑性、韧性也好。
⒘冷塑性变形组织与性能⑴面心立方晶格金属最易塑性变形,塑性最好,体心立方晶格次之,密排六方晶格塑性最差。
⑵冷塑性变形时金属的组织结构变化:
①形成纤维组织(晶粒显著伸长成为细条状);②亚结构细化;③择优取向(变形量>70%,晶粒取向接近一致)。
⑶性能变化:
①加工硬化(形变强化)-随变形程度增加,强度、硬度上升,塑性、韧性下降;②产生残余应力;③各向异性。
⒙冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化
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