工材第二章复习总结

1、2.1纯金属的结晶条件：过冷动力：自由能差阻力：表面能/界面能纯金属结晶为恒温过程；总结：恒温过程&变温过程恒温过程变温过程纯金属结晶匀晶反应共晶反应包晶反应共析反应纯金属结晶过程：形核自发形核非自发形核 （大部分）长大平面长大树枝状长大 （大部分）自发形核：短程有序（迅速形成，迅速消失）；过冷度越大，临界晶核尺寸越小；非自发形核：结构相似，尺寸相当；难溶杂质；平面长大：过冷度较小；表面能最小原则；晶体表面为密排面；少见；树枝状长大：过冷度较大；一次晶轴，二次晶轴；树枝晶是单晶体；大部分；同素异构体转变（二次结晶/重结晶）：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象；需较大过冷

2、度；产生较大内应力；铸锭最典型的铸造结构细等轴晶区；粗等轴晶区；柱状晶区：接触面因杂质形成弱面，热轧、锻造易开裂；杂质多的金属，不希望生成柱状晶；性能具有明显方向性；柱状晶&等轴晶柱状晶等轴晶较大温度梯度温度均匀冷却速度大冷却速度小铸造温度高铸造温度低浇注速度大机械振动（破坏柱状晶）单向散热（定向结晶法）电磁搅拌（破坏柱状晶）铸锭的缺陷：（1）缩孔（2）疏松（3）气孔细化铸态金属晶粒：细晶强化（1） 增大过冷度（形核/长大 增大，晶粒细化）采用冷却能力较强的模子超高速急冷技术（2） 变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂 形核：增加非自发形核的数量长大：阻碍晶核长大 （3） 机械震动：破碎树

3、枝晶，细化晶粒；（4） 电磁搅拌：破碎树枝晶，细化晶粒；单晶的制取尖端形核法垂直提拉法2.2合金的结晶相图使用前提：平衡状态（合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程）四种反应定义：匀晶反应从液相中逐渐结晶出固溶体液相固相共晶反应一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应液相固相+固相包晶反应一种液相和一种固相在恒温条件下转变成另一种固相的反应液相+固相固相共析反应一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相固相固相+固相1. 匀晶反应（0-100%：无限固溶体）：L（1） 类似纯金属结晶形核长大；倾向树枝状长大；（2） 变温结晶过程；（3） 两相区内，温度一定时，两相的成分（质量分数）是确定的；（4）

4、 两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的（杠杆定律）；【杠杆定律只适用于两相区&平衡状态】（5） 枝晶偏析现象：一个晶粒内化学成分分布不均（解决：扩散退火）2. 共晶反应（有限固溶体）：Ld 恒温 +3. 包晶反应（有限固溶体）：+Ld 恒温 包晶偏析：扩散退火解决；4. 共析反应（0-100%：低温有限固溶体，高温无限固溶体）： 恒温 +共析产物比共晶产物要细密得多；【区分】组织组成物&组成相&组织：组织组成物：、等单相、+共晶体、共析体等两相混合物组成相：、等 组织： + 铸造合金常选共晶或接近共晶的部分液相线固相线间隔大，形成偏析；先结晶枝晶阻碍流动，增多分散缩孔；铁碳相图：Fe：液

5、态1538C-Fe1394C-Fe912C-Fe铁碳相图中的：名称别名&字符特性结构/形态组元Fe工业纯铁强度低、硬度低、塑性好Fe3C渗碳体硬而脆间隙化合物五种相液相L相高温铁素体C在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格相奥氏体A/强度较低、硬度不高、易于塑性变形C在-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格相铁素体F/强度低、硬度低、塑性好C在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格Fe3C相渗碳体硬而脆两产物莱氏体Le块状或粒状A分布在Fe3C基体上珠光体P强度较高，塑性、韧性和硬度介于F和Fe3C之间层片状铁碳合金结晶过程总结：C含量w(c)0.0218%0.0218%-0.77%w(c)=0.77%

6、0.77%-2.11%2.11%-4.3%w(c)=4.3%4.3%-6.69%晶体类型工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁组织F(+Fe3C)F+PPP+Fe3CP+Fe3C+LeLeLe+Fe3C组织组成物FF、PPP、Fe3CP、Fe3C、LeLeLe、Fe3C组成相FF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3CF、Fe3C形貌F呈白色块状；Fe3C量极少，呈小白片状分布于F晶界处；F呈白色块状；P呈层片状（放大倍数不高时呈黑色块状）P呈层片状Fe3C呈网状分布在层片状P周围网状Fe3C分布在粗大块状P的周围，Le则由条状或粒状P和Fe3

7、C基体组成Le由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成Fe3C呈长条状，Le则由条状或粒状P和Fe3C基体组成强度（对组织形态敏感）低P强度高；P增多强度升高强度几乎最高Fe3C强度很低；强度降低低低低硬度（受形态影响小）低，线性增加线性增加线性增加线性增加线性增加线性增加线性增加，高塑性合金的塑性全由F提供，最高降低（奥氏体是塑性最好的相）降低降低无塑性（近乎0）无塑性Fe3C极脆，无塑性铁碳相图工程应用：特点不适合特点适合纯铁强度低不宜用作结构材料磁导率高，矫顽力低软磁材料C质量分数较低塑性、韧性好建筑结构中碳钢强度、塑性、韧性都较好各种机械零件高碳钢硬度高、耐磨性好各种工具白口铸铁硬度高

8、、脆性大，不能切削加工，不能锻造耐磨性好，铸造性能优良耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，锻造轧制选在此区进行；铁碳相图使用两大前提：平衡状态（合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程）铁碳二元合金，不能含有其他元素 2.3金属的塑性加工（冷加工）塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等；产生塑性变形，对金属的组织结构和性能会产生重要影响；单晶体的塑性变形滑移 特点：滑移时晶体伴随有转动只能在切应力作用下才会发生晶体内部位错在切应力租用下运动的结果总变量为这个方向上原子间距的整数倍在晶体的密排面上沿密排方向进行孪生 特点：孪生所需要的临界切应力比滑移大得多孪晶与未变

9、形部分晶体原子分部形成对称移动方向与切应力方向不同滑移系较少的密排六方晶格易发生孪生滑移系（决定塑性大小）：滑移方向（影响大）滑移面多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形晶界阻碍位错运动晶粒分批逐步进行细晶粒金属（细晶强化）：强度高：晶界越多，变形抗力越大，强度越大塑性好：变形时分批逐步进行，变形分散在材料各处，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展合金的塑性变形固溶强化原子层次：晶格畸变；阻碍位错运动；第二相强化（几百纳米）：弥散分布的第二相阻碍位错运动【总结】四种强化种类维数层次本质固溶强化维原子层次原子阻碍位错运动细晶强化维晶界阻碍位错运动形变强化维多位错之间相互作用弥散强化维几百纳米第二相阻碍

10、位错运动塑性变形（冷加工）对金属组织和性能的影响组织：晶粒变形，形成纤维组织亚结构形成，细化晶粒形成形变织构丝织构板织构性能：加工硬化形变强化产生各向异性物化性能变化产生残余内应力能量分布不均，存在电位差，形成原电池，导致耐腐蚀性降低表面残余压应力可提高零件抗疲劳破坏能力金属的再结晶回复：晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，晶粒仍保持变形后的形态再结晶：原子扩散被拉长、破碎的晶粒通过重新形核长大变成新的均匀细小的等轴晶晶粒长大过程性质强度硬度塑性残余应力工业应用回复回复（.）熔点释放内应力略有降低略有降低有增高大大降低去应力退火，降低残余内应力，保留加工硬化效果再结

11、晶回复（.3.4）熔点原子扩散（晶格类型不变）明显降低明显降低大大提高全部消失加工硬化现象被消除晶粒长大晶界迁移显著降低显著降低显著降低一般应避免影响最低再结晶温度的因素： 预先变形度：晶体缺陷越多，再结晶温度越低； 金属的熔点； 杂质和金属元素：特别是高熔点元素，阻碍原子扩散和境界迁移，显著提高T再结晶； 加热速度和保温时间；提高加热速度，T再结晶升高，保温时间长，T再结晶降低；影响再结晶后晶粒的晶粒度因素： 加热温度：温度越高，晶粒长大越快； 预先变形度：避免临界变形度；塑性变形和再结晶的工程应用：热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工热加

12、工：变形速度较大，可能来不及再结晶（热扩散过程）P92-P93冷加工：无再结晶过程；强度硬度提高，塑性韧性下降（加工硬化/形变强化），有利于金属均匀变形；喷丸强化：零件表面强度硬度提高，产生较大残余压应力，提高疲劳强度；再结晶退火：用来恢复金属塑性变形的能力；2.4钢的热处理奥氏体化，不完全平衡条件下进行相变奥氏体化奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大剩余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化影响奥氏体转变速度的因素 加热温度：加热温度越高，碳原子扩散速度越大，奥氏体化加快 加热速度：加热速度越快，过热度越大，奥氏体化越快 钢中碳质量分数：wC越高，Fe3C越多，相界面增大，奥氏体核心增多，转变速度加快

13、合金元素：Co、Ni加快奥氏体化；Cr、Mo、V与C形成难溶解的碳化物，减慢；Si、Mn等无影响 原始组织：渗碳体间距越小，相界面越大，奥氏体化越快影响奥氏体晶粒度的因素： 加热温度和保温时间 钢的化学成分：C含量越高，晶粒长大倾向增大；钢在冷却时的转变等温处理（等温的意义是扩散）连续冷却共析钢C曲线（TTT曲线，Time Temperature Transition）由上到下产物为：P、S、T、上B、下B、M共析钢过冷奥氏体等温转变：转变温度转变类型转变区转变产物层间距高温转变550- A1扩散型珠光体转变区珠光体性组织温度越低层间距越小，PST中温转变Ms-550半扩散型贝氏体转变区贝氏体

14、型组织上贝氏体/下贝氏体上贝氏体（羽毛状）：塑性变形抗力较低，强度、韧性都较差；上贝氏体（黑色针状）：硬度高、韧性好，具有较好的综合力学性能；亚共析钢 C含量 C曲线 Ms、Mf过共析钢 C含量 C曲线 Ms、Mf过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT曲线）：转变过程及产物： 炉冷：索氏体 空冷：屈氏体 油冷：屈氏体+马氏体+残余奥氏体 水冷：马氏体+残余奥氏体马氏体转变的特点： 非扩散型转变；面心立方晶格改组为体心正方晶格；马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体； 形成速度很快； 马氏体的转变是不彻底的（残余奥氏体）； 马氏体形成时体积膨胀，造成很大内应力；马氏体的形态：板条状（位错马氏体）：wC1.

15、0%马氏体的性能特点： 硬度很高，随w（C）增大而增大；（与合金元素关系不大）高C马氏体由于过饱和度大、内应力高、存在孪晶结构，硬而脆、塑韧性极差；低C马氏体由于过饱和度小、内应力低、存在位错亚结构，强度高，塑韧性较好； 比容比奥氏体大；电阻率高；铁磁相；钢的普通热处理退火完全退火/重结晶退火等温退火球化退火：冷却速度最慢扩散退火：保温温度最高去应力退火：保温温度最低正火淬火单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火回火【区别】重结晶&再结晶重结晶：同素异构体转变，二次结晶；再结晶：晶格结构不变，晶粒外形发生变化；退火缓慢冷却过程正火在自由流动的空气中冷却；尽可能多形成S淬火努力得到马氏体M回火消除

16、内应力完全退火：加热至Ac3以上20-30，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺；主要用于亚共析钢；得到F+P；目的：通过重结晶使组织均匀化细化；降低硬度改善切削加工性能消除内应力；等温退火：加热到高于Ac3，保温后较快冷却到珠光体转变区，并等温保持，奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺；得到F+P；转变较完全退火易控制；目的：通过重结晶使组织均匀化细化；降低硬度改善切削加工性能消除内应力；球化退火：加热温度略高于Ac1，使钢中碳化物球状化的热处理工艺主要用于共析钢、过共析钢；使二次渗碳体及P中的渗碳体球状化；亚共析钢中Fe3C较少故少用球化退火；目的：降低硬度改善切削加

17、工性能为淬火作组织准备；扩散退火：加热到略低于固相线，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺；扩散退火后晶粒很粗大，一般在进行完全退火或正火处理；目的：减少钢锭、铸件的化学成分和组织不均匀性；去应力退火（低温退火）：加热至温度低于Ac1的某一温度，保温，然后随炉冷却；目的：消除残余内应力；正火：加热至A线以上30-50，在自由流动的空气中均匀冷却；目的： 作为最终热处理：细化晶粒，组织均匀化；P增多细化；提高强度、硬度、韧性； 作为预先热处理：消除魏氏组织和带状组织，获得细小均匀的组织；过共析钢减少Fe3C，避免形成连续网状，为球化退火作组织准备； 改善切削加工性能：提高硬度；淬火：将钢加热到相

18、变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体的热处理工艺；淬火是钢的最重要的强化方法；冷却介质：水和油单介质淬火；双介质淬火；分级淬火；等温淬火：中碳以上的钢，为了得到下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性；淬透层深度：试样表面至半马氏体区（硬度陡然下降）；淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力末端淬火法测定；淬硬性：钢淬火后硬度会大幅度提高，能达到的最高硬度为淬硬性，取决于马氏体的w(C)影响淬透性的因素： w(C)：（根据C曲线（TTT曲线）判断） 合金元素：除Co外，均提高淬透性； 奥氏体化温度：减少P生核率，降低临界冷却速度，提高淬透性； 钢中未溶第二相：增大临界冷却速度，降低淬

19、透性；回火：消除内应力；淬火后不直接使用，要进行回火；原因：淬火后得到的是性能很脆的M，存在内应力，易变形和开裂；原因：淬火M和残余A都是不稳定组织，在工作中会发生分解；原因：为了获得要求的强度、硬度、塑性、韧性；低温回火（150-250）：保持高硬度，消除内应力回火马氏体+残余奥氏体中温回火（350-500）：回火屈氏体（高的弹性极限和屈服强度）高温回火（500-650）：综合性能要求高回火索氏体（综合力学性能最好）调质处理：淬火+高温回火回火索氏体（渗碳体为细粒状）正火： 索氏体+铁素体（渗碳体为片状）2.5钢的合金化1.1 合金元素与铁、碳的作用：1 溶于铁中形成固溶体除Pb，几乎所有合金元素都可溶入铁中，形成合金铁素体或合金奥氏体；扩大（奥氏体）相区（奥氏体稳定化元素）：Mn、Ni（完全扩大相区元素）；Co、C、N、Cu（部分扩大相区元素）；缩小（奥氏体）相区（铁素体稳定化元素）：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si（完全封闭相区元素）；B、Nb、Zr（部分缩小相区元素）；2 形成碳化物非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B;碳