1、LOGO 金相检验基础知识 主讲：王文科 兰州工业学院 本单元授课内容本单元授课内容 金相检验概述 一 金属与合金的结构 二 铁碳合金相图 三 钢的热处理 四 塑性变形对组织的影响 五 一、金相检验概述 1、金相检验的概念：、金相检验的概念： 运用放大镜和显微镜，根据对金属材料的宏观组织及微观组织进行观察研究的方法叫金相检验，也叫金相分析。 ?所用工具：放大镜和显微镜。 ?检测对象：金属材料。 ?检测内容：观察相和组织组成物、晶粒、非金属夹杂、晶体缺陷的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布等。 2、金相检验的目的： 预测和判断金属的性能，分析失效破坏原 因，对实际生产进行指导。 图1-1 金
2、属材料组织性能关系图 二、金属与合金的结构二、金属与合金的结构 1、晶体的基本知识：、晶体的基本知识： 金属和合金在固态下，通常都是晶体。 晶体就是原子在三维空间中有规则作周期重复排列的物质，就是说，在金属和合金中，原子的排列都是有规则的，而不是杂乱无章的。 什么是晶体什么是晶体？ 晶体结构和空间点阵 图1-2 晶体中原子排列示意图 a）原子堆垛模型 b）晶格 c）晶胞 2、纯金属的三种典型晶体结构、纯金属的三种典型晶体结构 体心立方结构 图1-3 体心立方结构晶胞 a）刚球模型 b）质点模型 c）晶胞原子数 面心立方结构 图1-4 a）刚球模型 b）质点模型 c）晶胞原子数 密排六方结构 图
3、1-5 密排六方结构晶胞 a）刚球模型 b）质点模型 c）晶胞原子数 3、实际金属的晶体结构 原因：结晶条件、压力加工、原子热运动 结构：兼有完整性（规律性）和不完整性（不规律性）两方面的统一体，而且完整性占主导地位 多晶体结构 实际金属晶体结构特点 存在缺陷 单晶体与多晶体 大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Be、Sn等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。 单晶体的各向异性 多晶体的各项同性 晶体中的缺陷（点、线、面） 根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它
4、们分为以下三类: （1）点缺陷 其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空位、间隙原子等。 （2）线缺陷 其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一 （3）面缺陷 其特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界等。 ?点缺陷 图1-6 晶体中的各种点缺陷 1大的置换原子 2肖脱基空位 3异类间隙原子 4复合空位 5弗兰克尔空位 6小的置换原子 ?线缺陷（刃、螺） 图1-7 a）立体示意图 b）垂直于位错线的原子平面 图1-8 a）实际晶体的柏氏回路 b）完整晶体的相应回路 图1-9 螺型位错示意图 图1-10 螺型位错柏氏
5、矢量的确定 a）实际晶体的柏氏回路 b）完整晶体的相应回路 ?面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。 图1-11 对称倾侧晶界 图1-12 对称倾侧晶界的形成 a）倾侧前 b）倾侧后 图1-13 扭转晶界形成模型 a）晶粒2相对于晶粒1绕Y轴旋转角 b）晶粒1、2之间的螺型位错交叉网络 图1-14 扭转晶界的结构 4、合金的相结构 组元是合金中最基本的、独立的物质。 相是合金中结构相同、成分和性能均一，并以相界面相互分开的组成部分。合金中的基本相包括：纯金属，固溶体和化合物。 (1) 纯金属相 ?1394 以
6、上纯铁是-铁相 ?1394 912 纯铁是-铁相 ?912 以下纯铁是-铁相 （2）固溶体：合金组元之间以不同的比例相互）固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这样的固相叫固溶体。的某一组元相同，这样的固相叫固溶体。 某元素的晶格中溶有其他元素原子的相称为固溶体。 （溶剂（溶剂-结构相同组元、溶质结构相同组元、溶质 -结构不同组元）结构不同组元） ?置换式固溶体：溶剂晶格中部分结点上的原子被溶质原子置换被溶质原子置换 ?间隙式固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中。 （3）金属化合物：合金组元之间发生相互作用）金属化合物：合金组元之间发生相互
7、作用而形成的一种新相，也叫中间相。晶格类型和性能不同于组成合金的任一组元。性能不同于组成合金的任一组元。 5、相与组织 组织：在金属与合金中，由于形成条件的不同，可能形成不同的相，相的数量、形态及分布状态也可能不同，从而形成不同的组织。 基本相 定 义 力学性能 容碳量 铁素体F、a 碳在a-Fe中的间隙固溶体 强度、硬度低，塑性、韧性好 最大0.0218% 奥氏体A、r 碳在r-Fe中的间隙固溶体 硬度低、塑性好 最大2.11% 渗碳体Fe3C Fe与C的金属化合物 硬而脆 最大6.69% 铁碳合金的基本相 铁碳合金的基本组织 莱氏体Ld 铁素体F 奥氏体A 渗碳体Fe3C 珠光体P 三、铁
8、碳合金相图 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据. 1、铁碳合金中的基本相、组织 铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。 碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低 ,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。 奥氏体( A ) - Austenite 碳在? -Fe 中的间隙固溶体称奥氏体。用 A或 ? 表示。 面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力
9、比铁素体大，1148 时最大为2.11% 。 ?组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在? 区进行. ?碳钢室温组织中无奥氏体。 渗碳体 铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物 即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(?b?35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零。 主要作为铁碳合金的强化相存在。 珠光体 ( P ) - Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体 含碳量为4.3%的合金，在1148从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld（ Ledeburite ）表示 。 727以下，由珠光体和渗碳体
10、组成的共晶体，称为低温莱氏体 ，用Ld/表示。 2、特征点、特征点 ? ? ? ? ? L J N G ? ? +Fe3C ? +Fe3C L+Fe3C L+? ? + ? 3、特征线、特征线 液相线ACD，固相线AECF 二条水平线： ECF ：共晶线 PSK：共析线 HJB ：包晶线 其它相线 GS,GP? ? ? 固溶体转变线, GS又称A3 线。 ES碳在? -Fe中的固溶线。又称 Ac m线。 PQ碳在?-Fe中的固溶线。 包晶转变反应式（水平线HJB）: L0.53 + ?0.09 A0.17 1495 共析转变反应式（水平线PSK）: A0.77 ( F0.0218 + Fe3C
11、 ) P 727 共晶转变反应式（水平线ECF）: L4.3 ( A2.11 + Fe3C ) Ld 1148 3、相区、相区 五个单相区： L、?、?、?、Fe3C 七个两相区: L+?、L+?、L+Fe3C、? +?、?+Fe3C、?+? 、?+Fe3C 三个三相区：即HJB (L+?+?)、ECF(L+?+ Fe3C)、PSK(?+?+ Fe3C)三条水平线 ? 4、典型的平衡结晶过程及组织转变 亚共析钢：含碳量0.0218%0.77，其室温组织由铁素体和珠光体所组成。 共析钢： 含碳量等于0.77，其室温组织全部是珠光体组成。 过共析钢：含碳量0.772.11，其室温组织由珠光体和二次
12、渗碳体组成 四、钢的热处理 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺（图9-1）。 1、热处理的作用 图9-1 热处理工艺曲线示意图 （1）退火的目的及工艺 完全退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火、再结晶退火。退火的目的是消除内应力，降低硬度和改善切削加工性能，为后续的热处理做准备。 方法：将钢加热到临界温度 Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近平衡状态组织。 2、钢的热处理工艺 （2）正火的目的及工艺 正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒，消除应力 ,消除魏氏组织和带状组
13、织，为最终热处理提供合适的组织状态。改善组织为随后的热处理做准备。 方法：将钢加热到Ac3/Accm+3050的适当温度，保温后在空气中冷却得到珠光体类组织 （3）淬火的目的和方法 目的是使奥氏体化以后的工件尽量多的获得马氏体组织，然后配以不同温度的回火获得所需性能的组织。 方法:将钢加热至临界温度 Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（下贝氏体） Ac3/Ac1+3050 （4）回火的目的和方法 目的是得到回火索氏体（铁素体 +马氏体+残余奥氏体），强度和韧性配合良好，有良好的综合机械性能。 方法：将淬火钢加热到A1温度以下，使其转变为稳定的回火组织（回火
14、索氏体），并以适当方式冷却到室温。 五、塑性变形对金属组织和性能的影响五、塑性变形对金属组织和性能的影响 1.性能的变化 造成加工硬化，随着变形程度的增加，形变阻力增大，强度和硬度升高，塑性、韧性下降。 2.显微组织的变化 随着变形的方法和变形程度不同，晶粒外形的变化也不一样。在轧制过程中，各个晶粒顺着变形方向伸长，其伸长的程度随变形度的增加而增大。变形量很大时，晶粒将变为纤维状，称为纤维组织。 3.回复 将冷变形的金属材料在较低温度加热时，组织变化不明显，但应力显著降低，而强度、硬度和塑性变化不大。 4.再结晶 将冷变形的金属材料加热到高于回复的一定温度时，强度、硬度剧烈降低，塑性显著升高，
15、恢复到变形前的数值。组织变化是首先在晶粒畸变大、能量高的区域，形成与原金属结构相同的新晶粒，然后逐渐长大成等轴晶粒 。 5晶粒长大 再结晶完成后继续升温或延长加热时间，晶粒会继续长大。如果再结晶后获得细小而均匀的等轴晶粒，继续升温或延长加热时间，晶粒逐步长大，称正常长大。如再结晶后获得大小不均匀的晶粒时，由于大小晶粒之间能量相差悬殊，加热到较高温度或保温较长时间的情况下，少数晶粒选择性急剧长大，形成极粗大的晶粒，这种现象称为二次再结晶。 6.变形程度对再结晶后的晶粒大小的影响变形程度对再结晶后的晶粒大小的影响 变形程度对再结晶后的晶粒大小的影响特别显著。变形量较小时，晶粒保持原状。当增大变形程度达到210% 时，变形晶粒极不均匀，会使再结晶后的晶粒特别粗大，此变形程度称为“临界变形度”，变形度大于临界变形度时，晶粒度便会越来越细。当变形度很大时（ 95% ），又会出现再结晶后晶粒急剧长大的现象。 LOGO 兰州工业学院 本单元完
