金属学与热处理章节重点总结

1、第 1 章 金属和合金的晶体结构1.1 金属原子的结构特点 ：最外层的电子数很少，一般为 1 2个，不超过 3 个。 金属键的特点 ：没有饱和性和方向性结合力 ：当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力吸引力排斥力 结合能 吸引 能排斥能（课本图 1.2 ）吸引力 ：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力排斥力 ：正离子间，电子间的作用力， 短程力 固态金属原子趋于规则排列的原因：当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保 持其稳定状态，原子间也必须保持一定的平衡距离。1.2 晶体 ：基元在三维空间呈规律性排列。 晶体结构 ：晶体中原子的具体排列情况， 也

2、就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。晶格 ：将阵点用直线连接起来形成空间格子。 晶胞：保持点阵几何特征的基本单元 三种典型的金属晶体结构（要会画晶项指数，晶面指数）共带面： 平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面 晶带轴： 同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线。多晶型转变或同素异构转变： 当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构 转变。1.3 合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有 金属特性的物质。 组元： 组成合金最基本的独立的物质，通常组元

3、就是组成合金的元素。 相： 是合金中具 有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分 。固溶体： 合金的组元 通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的 组元为溶剂，另一组元为溶质。固溶体的分类： 按溶质原子在溶剂晶格中的位置： 置换固溶体 与间隙固溶体 。按溶质原子在固体中的溶解 度：分为 有限固溶 体和 无限固溶体 。按溶质原子在固溶体内分布规则：分为 有序固溶体 和无序固溶体 固溶强化： 在固体溶液中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性韧性下降。间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于 0

4、.59 时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物。 间隙化合物： 与间隙相相反（比值大于 0.59）。1.4 点缺陷： 空位 间隙原子 置换原子 。线缺陷： 线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原 子发生了有规律的错排现象。 （刃型位错 、螺型位错、混合型位错） 滑移矢量： 表示位错的性质，晶格畸 变的大小的物理量 （刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直；螺形位错的柏氏矢量与其位错线平行。 ）。 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、小角度晶界、大角度晶界： 两相邻晶粒位向差小于或大于 10° 相界面的结构有三类： 共

5、格界面、半共格界面、非共格界面 习题 3 、5 做一下第 2 章 纯金属的结晶2.1结晶： 结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。 同素异构转变： 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变过冷度 ：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷是结晶的必要条件。（金属不同过冷度也不同，金属纯度越高过冷度越大。过冷度的速度取决于，冷却速度越大过冷度越大实际洁净无度越低，反之） 金属结晶 : 孕育出现晶核长大金属单晶体2.2 从液体向固体的转变使自由能下降 . 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是 自由能差降低（ F）是自由能增加，阻力是自身放热2.3近程有序 ：在液体中的微小范围

6、内，存在着紧密接触规则拍了的的原子集团。 远程有序 ：在大范围内原子时无序分布的，在晶体中大范围内却是有序排列的。结构起伏或相起伏： 近程有序在金属液体中各处瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的现象。 液态 金属重要特点 ：存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。2.4 固态晶核两种形核方式：均匀形核（ 是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程） 非均匀形核 （是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程） 。 晶核半径与 G 的关系： 当 r<rk 时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。 r rk 时,G 最大，这样的晶胚称为临界晶核， rk 为临界晶核半径。

7、r>rk 时,晶胚成为稳定的晶核。 临界晶核半径： 晶胚刚好可以自发的长大成为稳定地晶核时的半径叫做临界 晶核半径均匀形核 是在过冷液态金属中， 依靠结构起伏形成大于临界晶核 的晶胚， 同时必须从能量起伏中获得形核 功，才能形成稳定的晶核。 形核功 ：半径为临界晶核半径的晶胚继续长大成为稳定晶核所需要做的最小功 形核率 N 受两个矛盾的因素控制，一方面随过冷度增大， rk 、 减小，有利于形核；另一方面随过冷度 增大，原子从液相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核。形核率可用下式表示： N=N1N22.5 决定晶体长大方式和长大反方式主要原因 ：晶核界面结构、 界面附近的温度分布及潜热的释放

8、和逸散条 件。 生长线速度 ：单位时间内晶体长大的线速度。活性质点： 满足点阵匹配原理的界面，可对形核起催化作用。 变质处理 ：在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进大量非均匀形核来细化晶粒的方法 变质剂： 能提供结晶核心，或起阻止晶粒长大的作用的物质。晶体长大的机制： 二维晶核长大机制、螺形位错长大机制、垂直长大机制。常温下，金属晶粒越细小，则 强度硬度越高，塑性韧性也越好细化晶粒的方法： （1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力适用于小件。（2）化学变质处理，加入形核剂（孕育剂） 。促进非均匀形核，阻碍晶粒长大。 （ 3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；使凝固 过程中正在长大的晶体破

9、碎，增加核心。第 3 章 二元合金相图和合金的凝固（ 掌握二元合金图 ）相图 : 是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图平衡 : 是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。 影 响相结构的因素 ： 1 、负电性因素 2、原子尺寸因素 3、电子浓度因素建立相图的方法： 热分析法，金相组织法， X 射线分析法，硬度法，电阻法，热膨胀法，相律： 热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。表达式： f=c-p+2; 压力为常数时，f=c-p+1 。杠杠定律： （书上 p67 公式牢记）有序固溶体 : 又称为超点阵，溶质

10、原子按适当比例并按一定顺序和一定方向围绕溶剂原子分布时就形成有 序固溶体。置换固溶体 ：指溶质原子位于溶剂晶格的某些节点位置所形成的固溶体。间隙固溶体 ：溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中形成的固溶体。晶格畸变 ：由于异类原子的溶入或塑性变形等原因造成的点阵中的原子偏离其正常平衡位置的现象。 影响固溶度的因素： 1、原子尺寸因素 2、负电性因素 3、电子浓度因素 4 、晶体结构因素 5、温度因素 只有 r 溶质 / r 溶剂 <0.59 时，才有可能形成间隙固溶体。金属间化合物一般具有高熔点、高硬度、和脆性大。分类 ：1、正常价化合物 2、电子化合物 3、间隙相合间隙化合物。固溶体合金结

11、晶两大特点： 1 异分结晶结晶时结晶出的固相与液相成分不同，也称为选择性结晶。 2 变 温结晶固溶体合金的结晶需要在一定温度范围内进行。晶内偏析： 一个晶粒内部化学成分不均匀现象 。枝晶偏析： 树枝晶的枝干和枝间化学成分 不 均匀的现象。 消除枝晶偏析： 扩散退火或均匀化退火对偏析的影响： 1.与分别配系数 K0 有关（ k0 大于 1，k0 值越小偏析越大； k0 大于 1， k0 越大偏析越大）2.原子扩散（成反比） 3. 冷却速度（一般冷却速度越大偏析越严重）成分过冷 ：液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从 而产生的过冷。四种相图（ 又要有术

12、记住的）共晶反应式为 Ld c+ e 共晶反应的特点是 发生共晶反应时三相共存，它们各自的成分是确定的，反 应在恒温下平衡的进行。第四章 铁碳合金铁素体 ：碳溶于铁中的间隙固溶体，体心立方晶格，性能与纯铁基本相同，塑性和韧性很好，但其强度很低居里点也是 770 ，最大溶碳能力 727时为 0.0218%。奥氏体 ：碳溶于 铁中的间隙固溶体，面心立方晶格，塑性很好，但具有顺磁性，比容最小。最大溶碳能力 1148 时为 2.11%。铁素体 ：碳溶于 -Fe 中的间隙固溶体。体心立方晶格，最大溶碳能力1495时为 0.09%。渗碳体 ：铁与碳形成的间隙化合物 Fe3C。属正交晶系，复杂立方晶格。具有

13、很高的硬度，但塑性很差，延 伸率接近于零，居里温度为 230，又称 A0转变 。含碳量 6.69%P110图 4.5 、 P119图 4.21（两图要求默写想办法记住）第六章金属及合金的塑性变形与再结晶取向因子、软取向、硬位向 （书上自己背，有点难打这字）滑移 ：晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动时晶体产生塑性变形的方式。 滑移线： 经 塑性变形，滑移面与晶体表面的交线。 滑移系 ：由一个滑移面与其面上的一个滑移方向组成的滑移系。 滑 移带： 由一族相互平行的滑移线组成的带称为滑移带。丝织构 ：在拉拔时形成，特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。板织构 ：在轧制时行成

14、，特征是各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。孪生 ：晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向） ，相对于另一部分晶体作均匀的切 变过程。晶界强化的原理 ：1、由于晶界的增多，使位错在晶界处运动受到的阻碍加大。2、由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形， 要求每个晶粒必须进行多滑移， 发生位错的交割， 使位错运动困难。 3、 小晶粒内位错塞积群引起的应力集中小，引起变形开裂的机会少，可以承受大变形量。加工硬化及原理： 金属材料在外力作用下发生塑性变形的过程中， 由位错增殖机构产生了越来越多的位错， 形成胞状形变亚结构，使亚晶粒细化，提高了基体强度。同时这些位错

15、发生相互交割，一方面 形成割阶，增大了位错的长度；另一方面可能形成一种使位错难以运动的固定割阶。成为后续 位错运动的障碍。提高了金属的变形抗力。使材料的塑性、韧性下降的现象。残余应力分类 ：（残余应力在第一、二、三类内应力中的分配为：1： 10：100）1、宏观内应力（第一类内应力） ，由物体各部分变形不均匀产生，在物体整个范围内处于平衡的力。2、微观内应力（第二类内应力） ，由晶粒或亚晶粒变形不均匀产生，在晶粒亚晶粒范围处于平衡的力。3、 点阵畸变（第三类内应力） ，储存在晶体缺陷中。3、解理断裂：断口特征为河流花样，是在正应力作用下的一种穿晶断裂。退火过程包括：回复、再结晶、晶粒长大 三个

16、阶段。回复 ：冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。再结晶 ：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒。而性能也发生了明显变化，并恢复到完全软化状态。再结晶的驱动力也是弹性畸变能的降低。影响再结晶温度的因素主要有： 1、变形程度 2、金属纯度 3、加热速度和时间 影响再结晶晶粒大小的因素 ： 1、变形程度 2、原始晶粒尺寸 3、合金元素和杂质 4、变形温度（温度 回 复程度越大）再结晶晶粒正常长大的驱动力：晶粒长大前后总的界面能差。 影响再结晶晶粒长大的因素： 1、温度 2、杂质及合金元素 3、第二相质点 4、

17、相邻晶粒之间的位向差。 超塑性： 某些材料在特定条件下进行拉伸时，能获得特别大的均匀塑性变形，其伸长率可达2001000%，而不致过早产生缩颈和断裂，这种现象临界变形度 ：对应于得到特别粗大的再结晶晶粒的变形度叫做临界变形度。再结晶晶粒反常长大叫做二次再结晶 。带状组织 ：复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替的呈带状分布，这种组织称为带状组织 .可 用正火消除 .第 7 章 钢在加热和冷却时的转变热处理： 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种 工艺。奥氏体的形成四个步骤： 奥氏体晶核的形成奥氏体晶粒长大残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化影

18、响奥氏体形成速度的因素： 1.加热温度的影响 2.原始组织的影响 3.化学成分的影响1. 奥氏体的晶粒度： 通常分为 8级， 1级最粗， 8级最细， 8级以上为超细晶粒。 a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性2影响奥氏体晶粒长大的因素 1. 加热温度和保温时间的影响 2.加热速度的影响 3.质量分数的影响 4.合金元 素的影响。过冷奥氏体 ：在临界点以下存在且不稳定的将要发生转变的奥氏体。 珠光体型转变： 过冷奥氏体在 A1550 温度

19、范围内，将分解为珠光体类组织。高温转变 珠光体分为三类： 珠光体（ A1650 ）索氏体（ 650600 ）屈氏体（ 600550 ） 粒状珠光体： 铁素体基本上分布着粒状渗碳体的组织。一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火 得到的粒状珠光体的机械性能主要决定于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。马氏体 ：碳在 Fe 中的过饱和间隙固溶体。 马氏体转变 ：钢从奥氏体状态快速冷却，在较低温度下发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。M 相变发生的条件： 1、过冷 A 必须以大于临界淬火速度的速度冷却2、必须过冷到 M s点以下。M 的组织形态：1、 板条状 M ：亚结构为高密度位错，又称为位错 M ，

20、其形成后由于温度较高发生自回火，容易形成体心 立方 M空间形态 ：扁条状 的，每个板条为一个单晶体，相邻的板条之间往往存在薄壳状的残余奥氏体。 性能特点 ：高强度、高硬度、 韧性和塑性好 。1、 片状 M ：亚结构为孪晶，又称孪晶马氏体。存在大量显微裂纹。空间形态 ：为双凸透镜状，光学显微镜下呈针状或竹叶状 性能特点 ：高强度、高硬度 、韧性很差。M 高强度、高硬度的原因：1、固溶强化（过饱和的 C 的溶入造成严重晶格畸变，形成与位错交互作用的强烈应力场）2、相变强化（ M 相变形成的高密度位错的板条状 M 或者是具有微细孪晶亚结构的片状 M 都阻碍位错的运 动）3、时效强化（时效后 C 及合

21、金元素的偏聚形成科氏气团，钉扎位错，提高强度） M 转变的特点： 1 、无扩散性 2、切变共格性 3、存在惯习现象 4 、在一个温度范围内进行 5 、可逆性 贝氏体 是铁素体和碳化物组成的机械混合物。下贝氏体是铁素体和碳化物组成的机械混合物。 600350转变形成的是 B 上特征是 羽毛状 。强度低，韧性差。350Ms转变形成的是 B 下特征是 黑色针状 。具有高密度位错，无孪晶亚结构，强度和韧性都很好。 魏氏组织： 含碳量小于 0.6或大于 1.2的钢当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析F 或先共析 Cm从A 晶界沿 A 一定晶面往晶内近于平行的生长， 并呈针片状析出形成的针状 F+P 或 Cm+P 组织叫 做魏氏组织。是钢的一种过热缺陷。第八章钢的热处理工艺完全退火 ：将工件加热至 AC3 以上 20-30，经完全奥氏体化后进