《金属学与热处理》复习资料

《金属学与热处理》2010《金属学与热处理》第一章.金属概述（3学时）基本概念●金属定义：(1)具有正的电阻温度系数的物质。(2)具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。●合金定义：一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。二、影响金属主要性能的主要因素①化学成分不同，性能不同；②化学成分相同，处理方式不同，性能不同。§提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分；另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。三、材料不同层次的结构1）原子结构：取决于原子种类2）晶体结构：原子在空间的排列方式3）组织结构（显微组织）四、影响金属材料结构的主要因素材料的组织结构取决于:原子种类;内部原子排列的方式;合金元素的存在方式;内部不同尺度的各种结构缺陷五、金属冶炼的实质和主要步骤金属冶炼的实质：把金属从矿石中提炼出来金属冶炼的步骤1)矿石的富集除去杂质，提高矿石中有用成分的含量2)冶炼利用氧化还原反应，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。3)精炼提高金属的纯度第二章.金属及合金的塑性变形与断裂（6学时）一、金属的塑性变形金属塑性变形的本质和规律；塑性变形对金属组织和性能的影响；§塑性变形对组织结构的影响1.显微组织的变化2.亚结构的细化3.形变织构§性能的变化对性能的影响力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。(各向异性)2.物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损。a使金属及合金的比电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降，热导率也略为下降。b提高金属的内能，使其化学活性提高，腐蚀速度增快。c金属中的晶体缺陷（位错及空位）增加，因而使扩散激活能减少，扩散速度增加。§残余内应力第一类残余应力（sⅠ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。第二类残余应力（sⅡ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。第三类残余应力（sⅢ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。2消除：去应力退火。3利：预应力处理，如汽车板簧的生产。

弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。二、单晶体的塑性形变●滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向(滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。●孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。三、多晶体的塑性形变晶粒之间变形的协调性1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）3）条件：独立滑移系³5个。（保证晶粒形状的自由变化）晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。●固溶强化（固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。）●细晶强化（通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。）●加工硬化(随着变形程度的增加，材料的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象即为加工硬化或形变强化。)※没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。※加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。●弥散强化(在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。)四、金属韧性断裂与脆性断裂的主要类型、定义、特征●塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。塑性断裂分为解理、准解理、韧窝、沿晶及疲劳断裂等。1、材料因素（内在因素）

①晶体特征（晶体结构、位错）②化学成分

③显微组织（晶粒大小，各相，第二相，夹杂）

④处理工艺（热处理、强化处理）2、环境因素（外因）

①.裂纹和应力状态的影响②温度的影响③其他影响因素.例如环境介质对断裂有很大影响，某些金属与合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下，产生应力腐蚀断裂。金属材料经酸洗、电镀，或从周围介质中吸收氢之后，产生氢脆断裂。第三章金属的回复与再结晶（4学时）一、金属的回复与再结晶（1）回复与再结晶的概念和应用；●回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。●冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。（2）冷变形金属在加热时的组织和性能变化（3）临界变形度的概念；（4）再结晶晶粒度的控制；（5）热加工与冷加工的区别。二、金属的回复塑性变形对材料组织与性能的影响冷变形金属在加热时的组织和性能变化回复动力学预先冷变形所产生的储存能的降低。回复机理（一般认为，回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和组态的过程。）※多边化的驱动力来自弹性应变能的降低。回复退火的应用回复退火在工程上称之为去应力退火，使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），减轻工件的翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和韧性，提高工件使用时的安全性。三、金属的再结晶再结晶与同素异构转变的共同点，是两者都经历了形核与长大两个阶段；两者的区别是，再结晶前后各晶粒的晶格类型不变，成分不变，而同素异构转变则发生了晶格类型的变化。再结晶的驱动力也是预先冷变形所产生的储存能的降低（回复）再结晶过程A形核B长大界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。再结晶动力学●再结晶温度通常定义为：经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（＞95％转变量）的温度。再结晶晶粒大小的控制再结晶退火的组织再结晶的作用晶粒正常长大与二次再结晶●晶粒长大定义随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这一现象称之为晶粒长大晶粒长大的驱功能从整体来看，晶体长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。晶粒长大的类型●晶粒长大分为两种类型：一种是随温度的升高或保温时间的延长晶粒均匀连续地长大，称之为正常长大；另一种是晶粒不均匀不连续地长大，称为反常长大，或二次再结晶。五、金属的热加工热加工过程中的回复与再结晶冷加工与热加工的区别●在工业生产中，热加工通常是指将金属材料加热至高温进行锻造、热轧等的压力加工过程●从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。热加工后的组织与性能一）改善铸锭组织二）纤维组织●由一条条流线勾划出来的组织，叫做纤维组织。三）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地呈带状分布，这种组织称为带状组织.四）晶粒大小特别注意不要在临界变形度范围内加工，否则会得到粗大的晶粒组织。第四章有色金属及其合金的组织及强化机理（6学时）●有色金属：除钢铁以外的所有金属统称为有色金属。一、铝合金的类型、强化机理及组织根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，把铝合金分为：（加工）变形铝合金和铸造铝合金变形铝合金又可分为1.防锈铝(不能热处理强化的铝合金)和2.硬铝3.超硬铝4.锻铝（可热处理强化的铝合金）强化机理:1.形变强化2.沉淀强化铝合金加热到单相区保温后，快速冷却得到过饱和固溶体的热处理工艺叫固溶处理。3.固溶强化4.细晶强化在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高机械性能的另一种重要手段。※淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。※对于铸造铝合金，过剩相强化是主要手段。二、铜合金的强化机理及组织、杂质对性能的影响铜合金的强化机理1.固溶强化加入Zn、Sn、Al、Ni等合金元素，形成铜的固溶体——固溶强化，使铜的强度升高。2.时效强化Be、Si、Zn等在Cu中的溶解度随温度的降低而降低，使合金具有时效强化的功能。3.过剩相强化

合金元素的加入量超过铜的最大溶解度时，便产生过剩相，使合金强度提高。但过剩相数量太多时，合金脆化，强度下降。4、细化晶粒强化

Cu中加入少量Fe、Ni等合金元素，能细化晶粒，提高机械强度。杂质对性能的影响杂质对铜性能的影响工业纯铜常见杂质：氧、硫、铅、铋、砷、磷等。这些杂质的存在，均使铜的导电率降低。1.热脆现象产生原因：铅、铋杂质存在。2.冷脆现象产生原因：硫、氧杂质存在3.铜的氢病第五章铸铁的石墨化原理（4学时）1、铸铁的定义、石墨化原理和过程●铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。●铸铁中石墨的结晶过程叫做石墨化过程。2、铸铁的特点及分类1、铸铁的组织特点钢的基体+G（石墨）基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。2、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀3、常用铸铁的显微组织特征与主要力学性能的比较第六章铁碳合金（5学时）铁碳相图的组成结构和分析方法；铁碳相图分析，各种典型成分铁碳合金的组织和相的形成过程，平衡组织中相及组织组成物相对量的计算，熟悉各组织特征；掌握铁碳合金的成分、组织与性能间的变化关系●成分过冷是在合金凝固过程中由于溶质再分配引起的过冷。其他类型的二元合金相图：组元间形成化合物的相图，偏晶、熔晶和合晶相图，具有固态转变的二元合金相图第七章三元合金相图（8学时）三元合金匀晶、简单共晶相图的组成结构和分析方法；水平、垂直的相图分析，理解各种典型成分合金的组织和相的形成过程，掌握平衡组织中相及组织组成物相对量的计算第八章扩散一、扩散机理扩散现象和本质固态金属扩散的条件、类型间隙机制、空位机制二、扩散理论扩散系数扩散方程的误差函数解三、影响扩散系数的因素及其应用第九章金属的固态转变（4学时）相及其特点●相：物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。特点：相与相之间有分界面，可用机械的方法将它们分开。系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时，自由能会发生变化，相的结构也相应发生变化。固态相变的概念及基本内涵●固态相变:是固体物质内产生状态的变化,是自然界中十分普遍的现象之一.固态相变的内涵(三者必具其一)晶体结构的变化化学成分的变化有序程度的变化固态相变的三种基本变化1.晶体结构的变化只有结构转变而无成分变化的固态相变:纯金属的同素异构转变固溶体的多形性转变马氏体相变2.化学成分的变化只有成分转变而无相结构的变化单相固溶体的调幅分解3.有序程度的变化合金的有序化转变，点阵中原子的配位数的变化，以及与电子结构变化相关的转变磁性转变超导转变固态相变的类型1.按相变过程中原子迁移特征1）扩散型相变：特点:依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。举例:珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。2）非扩散型相变：特点:旧相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关系不变；化学成分不变。举例:马氏体转变，Fe,C都不扩散。3）半扩散型相变：特点:切变，又有扩散.举例:贝氏体转变，Fe切变，C扩散。2.按相变方式分类1）非连续型相变：有核相变特点:有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。举例:大多数固态相变属于此类。2）连续型相变：无核相变特点:无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面举例:调幅分解。3.按热力学函数变化分类：根据相变前后热力学函数的变化，可将相变分为一级相变、二级相变和高级相变。1）一级相变●定义：在临界温度、压力时，化学位的一阶偏导数不相等的相变。特点:相变时两相的化学位相等，而化学位对温度及压力的一阶偏微分（－S,V）不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。两相能够共存的条件是化学位相等。举例:凝固、蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。2）二级相变●定义：二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。特点:相变时两相的化学位相等，化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、压缩系数、膨胀系数变化.举例:磁性转变、有序－无序转变、超导转变等属于此类。3）高级相变●定义：在临界温度，临界压力时，一阶，二阶偏导数相等，而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。依次类推，自由焓的n-1阶偏导连续，n阶偏导不连续时称为高级相变。二级以上的相变