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金屬學基礎知識-2,金属及合金的塑性变形及断裂,金属的变形特性,应力-应变图,金属拉伸变形阶段,塑性变形阶段,弹性变形阶段,,,应力δP/A0,应变ε(L-L0)/L0,应力及应变计算,应力δP/A0,应变ε(L-L0)/L0P为载荷,A0为试样的原始截面积,L0为试样的原始标距的长度,L为变形后的长度,最大的应力及为抗拉强度,最大的应变数值即为伸长率。真实的应力及应变图,塑性变形的机理,1.单晶体的塑性变形A.滑移位错的移动及繁殖晶体沿最大原子密度平面做滑动。B.孪生变形晶体在切应力的作用下,晶体发生的部分变形,晶体的方向发生变化。,多晶体的塑性变形A.单个晶体内的滑移位错的移动及繁殖B.位错的移动受到晶体界面的阻碍,其变形和晶体的大小有关系。,塑性变形对金属组织和性能的影响,1.金属的晶体颗粒被拉或积压变形,形成长条状,如晶体颗粒较小,拉伸变形量较大则可能形成晶体纤维组织。,2.晶体内部大量的位错集结,形成晶体内亚结构,位错集结的组织叫位错团,大量的位错团的存在,阻碍位错的产生,位错变形的困难加大,对外来的应力要求加强,因此形成加工硬化。,加工硬化,随着金属的变形程度的增加,其强度,硬度增加,而塑性和韧性下降。这一现象称为加工硬化。,金属加工硬化基本认为是由于位错的交互作用有关。随着塑性变形的进行,位错的密度不断的增加,位错在运动时相互交割加剧,结果产生了位错缠结,位错的运动阻力加大,引起形变抗力的增加,塑性变形困难,要继续变形就必须增大外力,因此就增加了金属的强度。,加工硬化的用处,1。增加金属的强度,特别是塑性好而强度较低的铝,铜,不锈钢。2。使某些工件的冷加工得以进行。如拉丝,冲压成型。3。增加工件的使用安全性。为什么,缺点后续的加工带来困难。但可以通过退火来消除。,加工硬化对其他性能的影响,金属经变形后,其物理和化学性能都发生明显的变化。金属及合金的比电阻增加,导电性能和电阻温度系数都下降。导热系数,导磁率略为下降。金属变形提高金属的内能,化学活性提高,容易被腐蚀。扩散速度增加。,材料特性值與成形性的關係,硬度,硬度是表征金屬表面抵變形或破裂的能力。1.布氏硬度HB采用鋼球壓頭﹐加載后壓入試樣表面﹐用單位壓痕表面積所受的載荷大小來確定布氏硬度值。HBP/FP-壓痕的面積F-載荷布氏硬度硬度通常用于測定鑄鐵﹑非鐵合金﹑低合金結構鋼等原材料及結構鋼調質件的硬度。.,2.洛氏硬度洛氏硬度試驗應用的最為廣泛﹐它是測量壓痕的深度﹐以深度的大小來表示材料的硬度值。為了能用同一硬度計測量從極軟到極硬材料的硬度﹐采用不同的壓頭和載荷﹐組成了15種不同的硬度標尺。常用的有﹕HRA-硬質合金﹑表面淬火鋼等﹕HRB-銅合金﹑退火鋼﹑鋁合金等﹔HRC-淬火鋼﹑鈦合金等﹕,洛氏硬度計,3.維氏硬度HV維氏硬度的測試原理與布氏硬度相同﹕單位壓痕表面積上所承受的載荷。但所采用的壓頭不同﹐維氏硬度采用的是錐面夾角為136度的金剛石四方角錐體。特點載荷可任意選取﹐材質不論軟硬﹐數據穩定﹐精度高。常用于檢驗表面淬火硬化層深度﹐化學熱處理件表面硬度及薄件硬度等。,熱處理基礎知識,一.鋼材的熱處理原理,二.鋼材的熱處理工藝,1.熱處理的定義熱處理就是將鋼材在固態下加熱到預定的溫度,並在該溫度下保持一段時間,然後以一定的速度冷卻下來的一種熱加工工藝,一.鋼材的熱處理原理,2.熱處理的作用a.改變鋼材的內部組織結構,即消除鑄,鍛,焊等熱加工工藝造成的各種缺陷,細化晶粒,消除偏析,降低內應力,使鋼材組織和性能均勻﹔b.改善鋼材表面的物理化學性能,使之具有一定的抗磨性,耐腐蝕性等特殊性能﹔,3,熱處理通常由加熱,保溫,冷卻三個階段組成。3.1.加熱就是鋼加熱到一定溫度而達到奧氏體狀態,此過程稱為鋼材的奧氏體化。3.1.1.一般加熱時形成的奧氏體的化學成分,均勻化程度,以及晶粒大小直接影響鋼在冷卻後的組織和性能。3.1.2.加熱的目的是為了得到均勻細小的奧氏體晶粒,奧氏體晶粒越細小,鋼熱處理後的強度越高,塑性越好,沖擊韌性越高。,3.2.保溫就是鋼材在一定溫度下保溫,使鋼材組織充分奧氏體化。3.2.1.加熱溫度越高,保溫時間越長,則奧氏體晶粒越粗大。3.2.2.同時控制好加熱溫度和保溫時間是鋼材奧氏體晶粒度的保證。3.2.3.生產上采用短時快速加熱工藝是獲得超細化晶粒的重要手段之一。,3.3.冷卻鋼材經過奧氏體化後,以不同的冷卻方式可得到不同形態的金相組織。鋼材的性能最終取決於奧氏體冷卻轉變後的組織。3.3.1.冷卻方式一般可以分為兩大類a,等溫冷卻﹔b,連續冷卻﹔3.3.2.冷卻後一般的組織轉變a,珠光體相變﹔b,貝氏體相變﹔c,馬氏體相變﹔,3.3.3.等溫冷卻將奧氏體化的鋼材快速冷卻到臨界點以下的某一溫度,在此溫度等溫一段時間,然後再冷卻到室溫。如等溫退火,等溫淬火,分級淬火。3.3.4.連續冷卻將奧氏體化的鋼材以一定速度連續冷卻到室溫。如淬火,退火,正火。,3.3.5.珠光體相變鋼材在奧氏體狀態下快速冷卻,在較高溫度下發生的相變,即為珠光體轉變。珠光體組織是退火和正火鋼的重要組織組成物,它的形態,數量與分布情況對退火和正火鋼的性能有著直接影響。,3.3.6.馬氏體相變鋼材從奧氏體化狀態下快速冷卻,在較低溫度下發生的相變叫做馬氏體相變。它是強化金屬,提高鋼的硬度和強度最主要的途徑之一。一般而言,鋼中馬氏體的硬度主要取決於含碳量。,3.3.7.貝氏體相變鋼材奧氏體化後,在珠光體轉變溫度以下,馬氏體轉變溫度以上的范圍內發生的相變為貝氏體相變,又稱為中溫轉變。它的轉變具有珠光體轉變和馬氏體轉變的某些共同特點。通常情況下,貝氏體組織具有較為優良的機械性能。,4.回火時的轉變4.1.鋼材淬火後進行回火,是為了消除或減少內應力,防止變形或開裂,並獲得穩定的組織和需要的性能。4.2.回火轉變馬氏體分解形成回火馬氏體﹔殘餘奧氏體轉變﹔碳化物轉變﹔,4.3.淬火鋼材在回火時性能的變化總趨勢為,一般情形下,隨著溫度的昇高,鋼材的硬度不斷降低。4.4.回火脆性某些鋼材在一定溫度范圍內回火時,其沖擊韌性顯著下降,這種脆化現象叫做鋼材的回火脆性。a.低溫回火脆性在250℃400℃溫度范圍內出現的回火脆性,亦叫第一類回火脆性。b.高溫回火脆性在450℃650℃溫度范圍內出現的回火脆性,亦叫第二類回火脆性。,1.熱處理鋼的熱處理就是將鋼在固態下施以不同的加熱、保溫和冷卻,以改變其內部組織結構,獲得所需性能的一種加工工藝。在大多數熱處理工藝中,鋼加熱的目的主要是獲得奧氏體組織,因此習慣上把鋼從室溫組織加到奧氏體狀態的過程稱為鋼的奧氏體化。其最基本的類型根據加熱和冷卻方法不同,可分為退火、正火、淬火、回火等四種。,2.退火2.1.退火概念所謂退火,就是將金屬或合金加熱到適當溫度,保溫一定時間,然後隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝,其實質是將鋼加熱奧氏體化后進行珠光體轉變。2.2.退火目的a.降低鋼的硬度,提高塑性,以利於切削加工及冷變形加工;b.細化晶粒,消除因鍛、焊等引起的組織缺陷,均勻鋼的組織成分,改善鋼的性能或為以后的熱處理作準備;c.消除鋼中的內應力,以防止變形或開裂;,2.3.退火方法常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應力退火、再結晶退火、擴散退火和等溫退火等幾種。2.3.1.完全退火又稱重結晶退火,是將鐵碳合金完全奧氏體化,隨之緩慢冷卻,獲得接近平衡狀態組織的退火工藝。適用於含碳量為0.30.6的中碳鋼和中碳合金鋼。2.3.2.球化退火使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝。常用的球化退火有普通球化退火和等溫球化退火兩種,此工藝主要用於共析鋼和過析鋼的模具、量具和刃具鋼等。,2.3.3.去應力退火為了去除由於塑性變形加工、鍛造、焊接等造成及鍛件內存在的殘余應力而進行的退火工藝。2.3.4.再結晶退火又稱中間退火,是指經冷形變后的金屬加熱到再結晶溫度以上,保持適當時間,使形變晶粒重新結晶成均勻的等軸晶粒,以消除形變強化和殘余應力的熱處理工藝。,2.3.5.等溫退火就是將鋼件或毛坯加熱到高於Ac3或Ac1溫度,保持適當時間后,較快地冷卻到珠光體溫度區間的某一溫度並等溫保持使奧氏體轉變為珠光體組織,然後在空氣中冷卻的熱處理工藝。此種退火方式主要用於過冷奧氏體比較穩定的合金鋼。,3.正火3.1.正火概念正火就是將鋼材或鋼件加熱到Ac3或Accm以上3050℃,保溫適當時間后,在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。3.2.正火目的a.可消除過共析鋼中的网狀碳化物,改善鋼的切削加工性能;b.細化過熱鑄、鍛件晶粒和消除內應力;c.對含C量0.4的中、低碳鋼可用正火代替退火作預先熱處理;d.含C量在0.40.7的不太重要的工件可在正火狀態下使用。,4.淬火4.1.淬火概念淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1點以上某一溫度,保持一定的時間,然後以適當速度冷卻獲得馬氏體和或貝氏體組織的熱處理工藝。4.2.淬火目的淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變,得到馬氏體或貝氏體組織,然後配合以不同溫度的回火,獲得所需的力學性能。『注淬火態工件不允許直接投入現場使用,通常在此之后必須即時進行12次或以上之回火加工,以調整其組織及應力等』,4.3.深冷處理深冷處理就是鋼件淬火冷卻到室溫后,繼續在0℃以下的介質中冷卻的熱處理工藝,也稱為冷處理,是淬火過程的繼續。4.3.1.深冷處理目的為了最大限度的減少殘余奧氏體常溫下不穩定組織,容易引起尺吋變吋等,以進一步提高工件淬火后的硬度和防止在使用過程中因殘余奧氏體的分解而引起的變形,同時強度、硬度和耐磨性都可得到不同程度的提高。,深冷柜,4.3.2.深冷處理注意要項高合金鋼或高合金滲碳鋼,因Mf點很低,冷處理需在_120℃以下進行,保溫12h,冷處理后必須進行回火或時效,以獲得更穩定的回火馬氏體組織,並使殘余奧氏體進一步轉變和穩定化,同時使淬火應力及深冷應力充分消除。4.3.3.深冷處理適用範圍較適用於精度要求很高,必須保証其尺寸穩定性的工件,如量具等。,5.回火5.1.回火概念回火就是鋼件淬硬后,再加熱到低於Ac1點以下某一溫度,保溫一定時間,然後冷卻到室溫的熱處理工藝。5.2.回火目的a.合理地調整力學性能,使工件滿足使用要求;b.穩定組織,使工件在使用過程中不發生組織轉變,從而保證工件的尺寸、形狀不變;c.降低或消除淬火內應力,以減少工件的變形並防止開裂。,5.3.回火分類按照加熱溫度的不同,回火可分為低溫、中溫和高溫回火三類。a.低溫回火回火溫度在250℃以下,回火后的組織為回火馬氏體殘餘奧氏體;b.中溫回火回火溫度在350500℃,回火后組織為回火托氏體殘餘奧氏體;『注通常低溫回火之工件會含有較多殘餘奧氏體組織而不適合進行W/E、EDM加工,作為中溫回火工藝針對模具鋼材處理亦不屬理想之回火溫度區間』,c.高溫回火回火溫度在500650℃,回火后組織為回火索氏體殘餘奧氏體;此工藝也稱為調質處理(即淬火+高溫回火)。『主要用於中碳結構鋼工件,使鋼的的強度、塑性、韌性達到恰當的配合,具有良好的綜合機械性能,常用於高碳高合金鋼如高速鋼等之回火溫度在500600℃,以使發生二次硬化作用,促進殘余奧氏體的轉變。』,6.2.鋼材的表面淬火是將工件快速加熱到淬火溫度,然後迅速冷卻,僅使表面層獲得淬火組織的熱處理方法。6.2.1.表面淬火鋼材的性能表面具有高的強度,硬度和耐磨性,心部具有一定的強度,足夠的塑性和韌性。6.2.2.鋼材的表面淬火種類感應加熱,火焰加熱,電接觸加熱,電解液加熱,激光加熱等。,6.3.鋼材的化學熱處理將金屬工件放入含有某種活性原子的化學介質中,通過加熱使介質中的原子擴散滲入工件一定深度的表層﹐改變其化學成份和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝叫做化學熱處理。6.3.1.與表面淬火之區別﹕a有組織的變化﹐也有化學成份的變化﹔b具有更高的硬度﹐耐磨性﹐疲勞強度﹔c鋼材表層還可以具有減磨﹑耐腐蝕等特殊性能6.3.2.化學熱處理之種類﹕根據滲入元素的不同﹐可分為滲碳﹐滲氮氮化﹐碳﹑氮共滲﹐多元共滲﹐滲硼﹐滲金屬等。,金屬材料常規性質檢驗,金屬材料化學成份金屬的化學成份決定了材料的基本性能.材質鑑定,了解該材料特性;研判竟爭對手的材質;分析制程中導致零件表面異常污染;重金屬含量測試,確保產品或制程環保.,金屬材料常規性質檢驗,金屬物理性質測試比重,確定材料類別了解銅材導電率,以作為連結器設計選材之參考.測試表面光澤,驗證產品品質及制程能力.了解金屬材料在溫度作用下的性能變化.其它物理性質如熱傳導等,THANKS,