大连交通大学材料科学基础总结

PAGE1PAGE4材料科学基础复习概念晶体：原子、离子或分子在三维空间有规则周期性重复排列的构成的物质。单晶体：由一个晶粒构成的晶体；晶体的晶格取向完全一致的晶体。多晶体：凡是由两个以上晶粒所组成的晶体称为多晶体。同素异构转变（多晶型转变）：当外部条件改变时，晶体由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。位错：晶体中一列或若干列原子有规律的错排而形成的线缺陷。柏氏矢量：用以表示位错晶格畸变的大小和方向的矢量。晶界：晶格结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，简称晶界。相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。结晶：液体通过凝固转变成晶体的过程。再结晶：冷变形金属加热到一定程度后，原来的变形组织转变为新的无畸变的等轴晶粒的过程。重结晶：固态下的相变结晶过程。二次再结晶：经过严重冷变形的某些金属再结晶之后，继续保温或提高加热温度时出现的少数晶粒异常长大的现象。过冷度：理论凝固温度与实际凝固温度之差，称为过冷度。均匀形核：液相中各个区域出现新晶核的几率都是相同的，这种形核方式为均匀形核。非均匀形核：新晶核优先出现于液相的某些区域，这种形核方式为非均匀形核。变质处理：在浇铸前向液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的方法。调质处理：淬火加高温回火相结合的热处理工艺。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，晶熔炼或烧结、或用其他方法形成的具有金属特性的物质。相：合金中具有同一聚集状态，结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。固溶体：晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同的合金相。金属化合物：晶体结构和性能与各组元的晶体结构和性能都不相同的合金相。相图：表示合金系中的状态与温度、成分间的关系及其变化规律的图解。晶内偏析（枝晶偏析）：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。伪共晶：非共晶成分的合金所得到的共晶组织称伪共晶。离异共晶：共晶两相分离的现象。铁素体：碳在-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体：碳在-Fe中形成的间隙固溶体。珠光体：铁碳合金共析转变的产物。莱氏体：铁碳合金共晶转变的产物。滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生的相对滑动。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。多晶体中的晶界大都属于大角度晶界，亚晶界为小角度晶界。相界的结构有三类：共格相界、半共格相界和非共格相界。非共格界面的界面能最高，半共格界面的界面能次之，共格界面的界面能最低。晶界的特性：①晶界的平直化和晶界的运动降低晶界能，导致晶粒的长大；②对塑性变形起阻碍作用，使金属强化；③晶界上的原子扩散较快；④新相晶核优先在晶界上形成；⑤晶界的熔点较晶粒内部低；⑥晶界易于腐蚀和氧化；⑦杂质易在晶界处偏聚。结晶需要过冷并放出结晶潜热。结晶是相变过程，由形核和长大过程组成。结晶的条件为：①过冷（热力学条件）；②结构（相）起伏（结构条件）；③能量起伏（形核功、能量条件）④浓度起伏（合金）（成分条件）。实际金属结晶时都为非均匀形核。固相杂质的晶体结构和形貌对形核率由一定的影响。金属及合金结晶时，一般以树枝晶方式长大。晶粒的大小对金属的性能有很大的影响，控制结晶晶粒度的常用方法有：①控制过冷度；②变质处理；③振动、搅拌。纯金属铸锭的宏观组织通常有三个晶区组成：表层细晶区、中间的柱状晶区和中心的等轴晶区。实际金属铸锭都有一定的组织缺陷。固溶体的分类：按位置：置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体；按浓度：有限溶体、无限固溶体；按相对分布：有序固溶体、无序固溶体。影响固溶体的因素：电负性因素、原子尺寸因素、电子浓度和晶体结构。纯金属结晶是在恒温下进行的，是同分结晶；合金是在变温下进行的，是异分结晶。二元合金的三相平衡反应是在恒温下进行的；三元合金的四相平衡反应是在恒温下进行的。实际生产中固溶体结晶是不平衡结晶，存在晶内偏析和宏观偏析。常压下，相律的数学表达式：f=c-p+2。杠杆定律适用于两相区，重心法则适用于三元合金的三相区。包晶转变的两个特点：包晶转变的形成相依附在初晶相上形成、包晶转变的不完全性。根据相图可判断合金的平衡组织和性能（包括工艺性能）。按有无共晶转变可将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类。随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdLdLd+Fe3CIIFe3C五种形态的渗碳体：Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、共晶渗碳体和共析渗碳体。随着含碳量的增加：铁碳合金的硬度始终是增加的。钢的强度先增加后降低。塑性和韧性始终是降低的。中碳钢的切削加工性能好；铸铁的铸造性能比钢好；高碳钢的铸造性能比低碳钢好。金属及合金塑性变形的基本方式滑移和孪生。二者都是在切应力下进行的。临界分切应力的大小主要取决于金属本身，与晶体的取向和外力无关；而屈服强度则与晶体的取向有关。滑移伴随着滑移面的转动和滑移方向的旋转；造成几何硬化和几何软化。多系滑移比单系滑移加工硬化效果大；间隙原子比置换原子的固溶强化效果大。滑移的机制是位错的运动。随着塑性变形的增加，位错的密度越来越大。多晶体变形的特点：各晶粒变形的不同时性、各晶粒变形的相互协调性、各晶粒变形的不均匀性。固溶强化的主要原因：晶格畸变、位错钉扎。有冷变形，就有加工硬化；冷变形后，缺陷密度增大。加工硬化的主要原因是位错的相互作用。回复和再结晶的驱动力都是预先冷变形所产生的储存能。回复时显微组织不变，硬度、强度略有下降，塑性、韧性有所提高，内应力降低；再结晶时显微组织彻底改组。加工硬化的造成影响消失。对给定的金属材料，冷变形程度和退火温度对再结晶退火后的晶粒大小影响最大。热处理与其它热加工工艺如铸造、压力加工等不同的是：热处理不改变工件的形状，只改变其组织，通过组织的变化来改变性能。热处理只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来强化。热处理大致分类：1．普通热处理：退火、正火、淬火和回火2．表面热处理：表面淬火、化学热处理3．其它热处理：形变热处理、控制气氛热处理、真空热处理等。钢进行热处理时，实际转变温度要偏离平衡的临界温度。如：Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm按固态相变中生核和成长特点，将固态相变分为三类：扩散型相变、非扩散型相变、半扩散型（过渡型）相变。钢中对应的分别为：珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变。共析钢奥氏体形成过程：奥氏体的形核、奥氏体的长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体的均匀化。影响奥氏体形成速度的因素：加热温度和保温时间、原始组织、化学成分（碳、合金元素）。影响奥氏体晶粒度的因素：加热温度和保温时间、加热速度、原始组织、化学成分（碳、合金元素）。影响过冷奥氏体等温转变的因素：奥氏体成分、奥氏体状态（原始组织、奥氏体化条件）、应力和塑性变形。亚共析钢随奥氏体含碳量增加，C-曲线逐渐右移；过共析钢随含碳量增加，C-曲线逐渐左移；共析钢C-曲线鼻子最靠右，其过冷奥氏体最稳定。除Co和Al以外的所有合金元素，当其溶解到奥氏体中后，都增大过冷奥氏体的稳定性，使C-曲线右移。强碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V、Ti等，不但使C-曲线右移，而且改变C-曲线的形状。过冷奥氏体的碳含量影响Ms、Mf点，因而影响马氏体形态和残余奥氏体量。合金元素除Co和Al以外，均使Ms、Mf降低，使残余奥氏体量增加。共析钢随奥氏体化温度和程度的不同，过冷奥氏体可形成片状和粒状珠光体。前者渗碳体呈片状，后者呈粒状。随过冷度不同，可得到片间距不同的珠光体、索氏体、屈氏体。钢中马氏体的基本形态：板条（低碳型、位错、立方）马氏体；片状（针状、高碳型、孪晶、正方）马氏体。马氏体转变的特点：无扩散性、共格切变性、惯习面和位向关系、温度范围。奥氏体转变为马氏体时要发生体积膨胀。因此，即使冷到Mf点以下仍然得不到100％的马氏体。马氏体机械性能显著特点是具有高硬度和高强度。其硬度主要取决于含碳量，合金元素影响不大。马氏体高强度、高硬度原因主要是：碳原子的固溶强化、相变强化、时效强化。马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。位错马氏体具有很高的强度和良好的塑性、韧性。孪晶马氏体具有高的强度，但塑性、韧性很差，即硬而脆。贝氏体的组织形态：羽毛状上贝氏体、针状下贝氏体。上贝氏体性能较差，而下贝氏体强度高，韧性好。淬火钢的回火转变：马氏体中碳原子的偏聚、马氏体的分解、残余奥氏体的转变、碳化物的转变、碳化物的聚集长大和α相再结晶。回火转变组织：回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、回火（粒状）珠光体。实际采用的回火有三种：低温回火、中温回火、高温回火。几乎所有淬成马氏体的钢，都存在低温回火脆性，故应避免在该脆化温度范围内回火；在钢中加入钨、钼或快冷防止高温回火脆性。在相同硬度下，二者的抗拉强度相同，但回火索氏体的σs、δ、ψ等性能总是高于索氏体。钢的正火加热温度为Ac3或Accm以上约30～50℃，或者更高。亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30～50℃；过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30～50℃。淬透性和淬硬性是两种不同的概念。应掌握的主要内容：晶面指数和晶向指数标注。体心立方、面心立方、密排六方晶胞的画法，密排面和密排方向的标注。均匀形核的临界晶核半径和形核功的推导（结晶和固态相变）