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热处理之碳钢知识

热处理 jixienan 3周前 (05-23) 39次浏览 0个评论

说起碳钢,就一定要先说纯铁。说纯铁的组织和性能。

机械男——浅谈金属热处理原理

热处理知识之金属材料的机械性能

将纯铁的表面磨光、抛光,并用硝酸酒精溶液腐蚀,再置于显微镜下观察,就可以发现它是由许多外形不规则的小晶体构成。这些晶体称为晶粒,晶粒间的交界称为晶界。在每一个纯铁晶粒内部,铁原子按一定方向整齐一致地、有规则的排列。而无数的晶粒组成纯铁。因此我们称纯铁这样的组成物质为多晶体。一般的金属都是多晶体。而像单晶硅,其整体是由一个晶粒组成,这种物质为单晶体。这里值得一提的是,单晶硅作为现在科技发展的基础,作为大规模集成电路发展的基石,制备单晶硅是一个国家科技能力的象征。单晶硅圆片的直径直接决定了一个国家的技术能力。如日美可以制造6寸,8寸,12寸,18寸的单晶硅圆片。而我国只能达到12寸的制备技术。这就是差距。另外,还值得一提的是,硅,在港澳台地区,也称矽。玩过星际的人对此应该会有印象。

纯铁的性能与其组织有关。

工业纯铁的机械性能平均为 250MPa抗拉强度,120MPa屈服强度,50%的延伸率,85%的断面收缩率, 30焦/平方厘米的冲击韧性, HB80的硬度。而受组成晶粒的大小、形状和分布影响,都会影响上述数据。比如,晶粒越细,晶界增加,增大塑性变形阻力,因此屈服强度和强度极限就会增加。而这个规律,不仅适用于纯铁,也适用于其他金属和金属合金。另外,对于晶粒的形状也应注意,当晶粒被拉长时,其拉长方向同垂直拉长方向的机械性能就形成差异,即有了“各向异性”。

说到这里,要放慢下速度,说说晶界的问题。晶界按照结构特点分为三类。共格界面,半共格界面和非共格界面。如下面的示意图。共格界面是指界面两侧的相邻原子一一对应,相互保持匹配。半共格是指两侧原子间距不同,在界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变保持匹配,不能匹配的位置将形成刃形错位。非共格是指两相原子间距差别太大,界面两侧不能保持匹配。界面上原子排列的不规则性,会导致界面能的升高。故,共格最低,非共格最高。另外,这里我们先记住一个结论,到后面关于珠光体形成的时候再回头看这个结论,加深印象。这个结论就是,当金属组织形态变化时,如果新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数,则新相可以与母相形成共格界面,新相将成针状。如果晶体结构不同,新相与母相之间可能存在一个共格或半共格界面,而其他面则是非共格界面,新相将成为片状。如果完全不存在共格、半共格界面,则新相成球形。
固态相变
关于晶界问题先说这些。我们再回到纯铁的问题上,学习纯铁的结晶过程。

纯铁在1534摄氏度以上为液态,因此,1534度是纯铁的熔点。实验指出,通过缓慢冷却过程时,纯铁会在熔点完成凝固,并释放结晶潜热(凝固热),然后温度才继续下降;但当通过快速冷却时,凝固却是在低于熔点的某一温度进行的。对于实验中,理论结晶温度与实际结晶温度的差叫做过冷度。DT=te-tn。金属结晶都有一定的过冷度,冷却越快,过冷度越大。

金属的结晶过程由核心形成和核心长大两个过程组成。晶体形成从核心形成开始,呈树枝状长大(见下图),直至与其他晶体相遇,并形成晶界。因此,晶体的大小有核心形成速度(单位时间单位体积内核心的数量)与核心长大速度。而热处理中所谓的细化晶粒就是通过增加核心形成速度和减缓核心长大速度来实现的。正如前面说过的,晶粒越细,机械性能越好。
金属结晶
控制晶粒大小的两个方法:
1。控制冷却速度
2。人工加入结晶核心。比如加入硅铁等。
另外,比如要说的。形核不仅是凝固中存在,在金属固态的不同阶段也存在形核问题。如果控制这一部分的形成和长大,可以通过形核理论进行计算和控制。这里先不发散。后面再就事论事。
关于纯铁的同素异晶变化。
如下图,我们知道,铁存在两种晶体结构,即体心立方体结构和面心立方体结构。其中,1390度是体心立方晶格转变为面心的温度值;910度是面心立方体晶格转变为体心立方体的温度。同时,捎带着,对于纯铁,768度是其居里温度。磁性在这一时刻发生转变。而对于铁磁性,我们不在热处理一部分讨论。
这里再提一下形核。在铁的同素异晶变化中,新相的形核容易在原子排列较乱的晶界处形成。

接下来,是关于铁与碳的相互关系。
学过机械的一半都知道下面的这个区分。含碳量小于2.06%的称为钢;大于2.06%的称为铸铁;而大于4.3%的铸铁基本不可使用。而在铁碳关系中,几个重要的组成是渗碳体,奥氏体和铁素体。  

渗碳体又称碳化三铁(不方便打公式,干脆就用读法写出来),它相当于含碳6.67%。渗碳体硬度很高HB800,塑性接近零,熔点为1600度,具有铁、碳都不具备的复杂晶格。

奥氏体和铁素体。奥氏体和铁素体不同于渗碳体,他们不是化合物,而是一种固溶体。固溶体,又分为置换固溶体和间隙固溶体。当两种金属元素原子直径大小相近时,在固溶过程中就会发生置换固溶。如,Ni,Si元素。而对于小直径的如诸多非金属元素,碳、氢、氮等,会形成间隙固溶体。
晶格
铁的固溶体,属于第二类。分别说两种固溶体。
铁素体。 铁素体是体心立方体结构,间隙半径较小,只有3.6e-8毫米。而碳原子的直径为1.54e-7毫米,也因此,铁素体的溶碳能力很低。铁素体在723度时可以溶碳0.02%,室温状态下只能溶碳0.008%。铁素体强度硬度低,塑性韧性好。
奥氏体。奥氏体是面心立方体结构,间隙较大,间隙半径达5.2e-8毫米。奥氏体的溶碳量从1147度的2.06%降低到723度的0.8%。2.06和0.8,这两个值对于碳钢,是非常重要的两个值,虽然现在还没有说到,但是这两个值所代表的意义重大。2.06是钢与铸铁的分界线。原因很简单,大于2.06是,即便是高温奥氏体,也会存在游离的碳。而0.8则是后面会说到的共析、过共析、亚共析的分界线。所以,这里我们也先记住这两个值。

铁碳关系中还存在一类混合物,对于金属的机械性能和热处理有着很大的意义。这种混合物就是珠光体。而珠光体则是88%铁素体和12%渗碳体的混合物。关于珠光体,后面会详细说。

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