金属学与热处理第二版 复习总结

金属学与热处理第二版复习总结

此文档只总结了部分重要概念与影响因素（不包含第八章、第十二章、

第十三章）

另外，第十章、十一章的热处理的具体工艺也是重点，此文档没有涉及。

啊令

愕力、

金属最外层的电子数很少，一般为1~2个，不超过3介。

金属犍

0原子共用自由电子形成

0无饱和性和方向性。

金属晶体

原子排列密度高，能变形，导电，导热。

金属原子特点

0外层电子少，易失去

0有自由电子

0金属离子与自由电子形成键。

0金属键无方向性

0有良好的塑性

晶体：各向异性是晶体区别于非晶体的一个重要标志

柏氏矢量的意义及特征

0反映位错的点阵畸变总量

0反映晶体的滑移量及方向

0与位错线有确定的位置关系

0具有守恒性

相界

共格界面、半共格界面、非共格界面三类。共格界面界面能最低

0界面处晶体缺陷集中，原子能量高

0界面是氧化、腐蚀的优先发生地

0界面是固态相变的有效形核位置

0界面原子的扩散速度远高于晶内

0存在内吸附现象。异类原子可降低界面能时，会向界面偏聚

0界面阻碍位错运动，组织越细小，强度硬度越高

0界面能越大，界面迁移速度越大；晶粒长大可以降低界面能。

固溶体结晶的特点

(1)异分结晶：固相成分与液相成分不同，晶体与母相成分不同

称为异分结晶(选择结晶)O

(2)固溶体结晶需要在一定的温度范围：每一温度下，结晶出一

定数量的固相。温度的降低，固相的数量增加成分分别沿着固相线和液

相线变化

非平衡凝固总结：

(1)固相平均成分线和液相平均成分线偏离固相线与液相线。

冷却速度越快，偏离越严重

(2)固溶体成分不均匀。

先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶的部分富低熔点组元。

区域偏析、晶内偏析、枝晶偏析

(3)结晶温度。凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。

伪共晶一靠近共晶点附近合金得到全部共晶组织

离异共晶一共晶组织没有显示出共晶的特征

不平衡共晶一在不该出现共晶的合金里出现共晶组织

李生变形的特点

(1)切应力作用下发生，临界切应力远大于滑移时。

(2)是一种均匀切变。

(3)挛晶有对称关系。在一定范围内改变了晶体的取向。

多晶体塑性变形的特点

0各晶粒变形不同时性

0晶粒间、晶粒内变形的不均匀性

0相邻晶粒变形的协调性

0配位数：一个原子周围最近邻并且等距离的原子的个数。

致密度一晶胞中原子所占的体积

一种材料具有几种不同晶体结构的性质称多晶型性

晶体缺陷是指晶体结构中偏离完整晶格排列的微观区域。

0液态金属的结构

0不是完全无序的

0不断有近程有序的原子集团（晶胚）出现

0这种结构时而形成，时而散开，称为结构起伏

0液相的结构起伏提供了各种尺寸的有序原子集团，成为结晶时核胚

的来源。结构条件

0等温等压条件下化学反应自发进行的条件是体系的自由能降低。热

力学

在数值上，临界形核功等于形成的新相临界晶核界面能的1/3

抵消形成临界晶核时所增加的能量的是液相的能量起伏。这是均匀形核

的能量条件

0结构条件

0要求原子排列接近晶体

0可由液相结构起伏满足

0热力学条件

0要求结晶过程体系自由能降低

0可由液相具有的过冷度满足

0能量条件

0要求能克服体系增加的临界形核功

0可由液相中的能量起伏满足

0形核时能量变化包含体积自由能的降低和新相界面能的增加

0形核时需要满足结构、热力学、能量三方面条件

0临界形核功等于新相界面能的1/3

0过冷度显著影响均匀形核，金属材料的形核率随过冷度增大而增大。

0有效形核需要的过冷度较大

非均匀形核：实际金属结晶时依附于液相中的外来固体表面形核的方式

均质和异质形核具有相同的临界晶核半径

0长大过冷度

0动态过冷度(ATk):晶核长大需要的界面附近的过冷度。

0粗糙界面与光滑界面的动态过冷度不同。

0粗糙界面的晶核长大机制

垂直长大机制

0光滑界面的晶核长大机制

a.二维晶核长大

b.螺型位错长大机制

表层细晶区

形成原因：

(1)过冷度AT大。

(2)模壁作为非均匀形核的位置。

特点：

—晶粒细小，组织致密，机械性能好

—薄，无实用意义

柱状晶区

形成原因：

(1)细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度AT较低，不易形

成新的晶核；

(2)细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大；

(3)晶体沿垂直于模壁(散热最快)相反方向择优生长成柱状晶。

特点：组织粗大而致密；为“铸造织构”

铸造织构：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织。

—又称“结晶织构"

中心等轴粗晶区

形成原因：

(1)液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。

(2)未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。

(3)散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。长成等轴

晶。

由于过冷度AT不大，晶粒较粗大。

固溶体

B组元的原子完全溶入固相的A组元，并保持A的晶体结构所形成的

合金相。

A,B分别称为溶剂组元与溶质组元。

间隙固溶体

原子半径很小的溶质原子溶入到溶剂中时，填入到溶剂晶格的间隙

中间相一金属化合物

概念：溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全新晶体结构的新相。

键性：主要金属键，兼有离子键、共价键。

种类：

正常价化合物：符合化合物原子价规律，具有严格的化合比，成分

固定不变。结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同

电子化合物：按一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。

电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差。

间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将

形成具有简单晶体结构的金属间化合物

间隙化合物:当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时,

形成复杂晶体结构的金属间化合物，与间隙相相比，间隙化合物的熔点

和硬度及化学稳定性都要低一些。

二元相图几何规律

L相区接触法则一相邻相区相数差一

2.二元相图中的水平线一三相平衡，与三个单相区，三个两相区接触。

3.二元相图最大相数为3

4.两条水平线涉及的相有两个相同时，两条水平线之间是由这两个相组

成的两相区

5.相界线的走向一两相区与单相区分界线与三相水平线相交时，其延

长线应进入另一个两相区而不是单相区

结晶时从液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变

平衡凝固的概念：

0凝固进行到任何温度都能够达到平衡

0意味着：指定的温度与压力下，各相间达到平衡时，组元在每一相

中的浓度不随时间而改变（即各相成分不变）。

0是在极其缓慢的冷速下实现的。

成分过冷

平衡结晶温度随液相浓度的增加而降低由界面前沿液相中的成分差别

引起平衡结晶温度与实际温度之差

同素异构转变

0物质在固态下晶体结构随温度变化而变化的现象称同素异构转变

（或重结晶），属于相变之一（固态相变）

根据钢中氧含量和凝固时放出co的程度，钢锭分为镇静钢，沸腾钢和

半镇静钢

滑移系

0滑移面与该面上一个滑移方向的组合

临界分切应力是一材料的常数

位错运动一晶体滑移的主要方式

0特点：所需切应力小

0原因：仅需少量原子的弹性偏移

位错交割与塞积

0是形变强化现象的源头

0与位错运动受阻有关-割阶、扭折、平面塞积群

固溶强化现象：由于溶质原子的存在及其固溶度的增加，导致基体金属

的变形抗力提高。

2.李生

0一种特殊的塑性变形

0晶体中有限宽度的部分产生一个均匀切变

0切变得到李晶

0李生不改变晶体结构，但改变有限区域内的晶体位向

细晶强化（晶界强化）

室温下多晶体的强度随其晶粒（亚晶粒）细化而提高。

回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时经历的基本过程

回复

0指经过冷变形的金属在退火加热的过程中，于再结晶过程开始之前、

仍保留着变形态组织特点的阶段。0回复的驱动力是储存能0回复阶

段储能部分释放。0不同温度，回复机制有差异2.回复机理a.低温

回复点缺陷的迁移一点缺陷密度降低b.中温回复位错在滑移面

上运动一位错密度有所降低，缠结位错重新排列c.高温回复位错

滑移、攀移一多边化及多边形亚晶形成，亚晶粒尺寸增大回复退火

的应用工业应用：去应力退火效果：保留加工硬化，降低应力，防止

应力腐蚀开裂再结晶：指经过冷变形的金属退火过程中，于变形的基

体中重新生成无畸变的等轴状的新晶粒的过程。再结晶的特点0再结

晶的驱动力是储存能0再结晶阶段剩余储能全部释放

0加工硬化消除

0是形核与长大的过程，不改变晶体结构

再结晶的应用0消除加工硬化

0再结晶退火中间退火

核心问题：

变形严重的区域位错密度高，而形成无缺陷的微区可以迅速降低能量。

该微区可成为再结晶晶核的孕育地。

形核机理

(1).晶界弓出形核

(2)亚晶长大形核：亚晶移动机制，亚晶合并机制

2.再结晶晶核长大

长大驱动力为新晶粒与旧晶粒之间的应变能差。

临界变形度：在能引起再结晶的最小变形度附近变形后，再结晶后的晶

粒特别粗大，称为“临界变形度”。一般为2-10%。

晶粒长大

0晶粒长大

指再结晶结束后，细小的等轴晶通过晶粒相互吞并导致的长大的过程。

晶粒异常长大——二次再结晶指当正常晶粒长大过程被分散相微粒、

织构或表面热蚀泡等因素强烈阻碍时，局部位置此类因素的缺少或消失

而造成的突发性的晶粒快速长大的现象。

再结晶退火的应用

0效果：消除加工硬化；去除应力

0应用：软化变形金属的中间退火

0温度：最低再结晶温度以上100-200℃

热加工软化：

1.动态回复一高层错能金属

0随着变形进行，硬化速度降低，直到实现在一个稳定应力下变形。变

形金属内有异号位错的互毁和位错的重新分布。晶粒变形而亚晶粒为等

轴状

2.动态再结晶一低层错能金属

0随着变形迸行，硬化速度降低，软化，逐渐实现在一个稳定应力下变

形。变形金属内发生再结晶，变形抗力小晶粒变为等轴状

热处理与钢中固态相变

0固态相变是热处理强化的前提

完全奥氏体化的温度为Ac3,Accm以上

过冷奥氏体一临界点以下存在的不稳定的奥氏体

共析钢的CCT曲线

0只有珠光体转变区

无贝氏体转变区

抗回火性又称回火稳定性。指淬火马氏体回火各阶段转变迟滞，能在

较高温度依然保持较高的强度与硬度的性质。

二次硬化指在一定温度回火后由于析出特殊碳化物导致的硬度再次增

加的性质。合金钢回火的二次硬化(500-600℃)

退火：将金属与合金加热到适当的温度，保持一定时间，缓慢冷却以达

到接近平衡状态组织的热处理工艺。

完全退火

将钢件加热到Ac3以上20-30℃,完全奥氏体化后，缓慢冷却以获得

近于平衡组织的热处理工艺。

作用：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除内应力，改善切削加工性

不完全退火

将钢加热到Acl~Ac3或Acl-Accm之间保温后缓慢冷却，以获得接

近于平衡态组织的热处理工艺。

球化退火

球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。

℃

Acl+(20-30)o

目的：降低硬度，改善切削性，为淬火做准备

均匀化退火(扩散退火)

将工件加热到略低于固相线温度长时间保温后缓慢冷却，以消除化学成

分不均匀现象的热处理工艺。

加热温度：Ac3(Accm)+150~300℃保温时间：10~15h

均匀化退火后需用完全退火或正火纠正粗大组织

去应力退火与再结晶退火

0去应力退火：为去除由于形变加工、锻造、焊接等引起的工件内存在

的残余应力而进行的退火。Acl以下，以500-650。(:加热居多，退火

后应缓冷

0再结晶退火：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时

间，使变形晶粒重新变为均匀等轴晶粒、消除加工硬化的热处理工艺。

可用作合金与钢件的中间退火，也可作为冷变形成品的最终热处理使用

钢材再结晶：650-700°。口热，保温l-3h空冷

正火：将钢加热到Ac3(Accm)以上适当温度，保温后在空气中

冷却以得到珠光体类组织的热处理工艺。

与完全退火相比：正火组织中P更多、更细小。正火后强度硬度更高

Ac3(Accm)+30-50℃

合金钢Ac3+100~150℃

保温：透烧

冷却：空冷、风冷、雾冷

正火的应用

(1)消除热加工缺陷(粗大晶粒、带状组织、魏氏组织)

(2)改善低碳钢的切削加工性

(3)消除过共析钢的网状碳化物

(4)提高普通结构零件的机械性能

退火、正火工艺的选用

首先考虑硬度的要求

满足硬度要求后再考虑工艺的经济性的问题

低碳钢，C%<0.25%,正火

中碳钢，0.25%<C%<0.5%,正火

高碳钢，0.5%<C%<0.75%,完全退火

过共析钢，C%>0.75%,球化退火

消除过共析钢组织中二次渗碳体，正火

一般结构件的最终热处理，正火

钢的淬火淬火是指将钢加热到Acl或Ac3之上，保温一定时间后以

大于临界冷却速度的冷却方法冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热

处理工艺。

亚共析钢：Ac3以上30~50℃

过共析钢：Acl以上30~50℃

低合金钢：通常Ac3(Acl)以上50~100℃

高合金钢：考虑合金元素加入的作用温度更高

0部分奥氏体化

0得到A+颗粒状Fe3C

淬透性的含义指钢淬火时获得马氏体的能力。

回火：将淬火钢在A1以下某一温度加热保温后冷却到室温，获得稳定

回火组织的热处理工艺。

稳定组织、尺寸、性能

消除或降低淬火应力、降低脆性

获得适当的力学性能的配合

回火的种类与应用

。低温回火(150〜25(TC)

回火马氏体

强硬耐磨，工具、刃具、齿轮、滚动轴承

0中温回火(350〜50(TC)

回火托氏体

弹性极限高，弹性元件、锻模

0高温回火(500〜65(TC)(调质=淬火+高温回火)

回火索氏体

综合力学性能优秀，曲轴、连杆、主轴

L钢的分类

用途：结构钢、工具钢、特殊性能钢

冶炼质量：普通钢、优质钢、高级优质钢

脱氧程度：镇静钢、沸腾钢

调质钢经过调质处理（淬火+高温回火）强化后使用的钢

中碳0.25-0.45%—保证强韧性

0合金元素

0Cr,Mn,Si,Ni,B

提高淬透性，提高强度

0WfMo,V,Ti

细化晶粒，减轻回火脆性

调质钢的热处理45钢制造普通车床主轴，工艺路线为

锻造一预备热处理一机加工一最终热处理一装配

典型预备热处理与最终热处理工艺组合：

正火或退火。调质

正火或退火。调质+表面淬火+低温回火

①预备热处理

0改善组织，便于切削加工

0正火或完全退火Ac3

0正火+高温回火针对淬透性非常好的材料，获得回火索氏体，便于

切削加工

②最终热处理

调质处理

获得回火索氏体组织

保证综合力学性能优秀

热处理工艺

AC3+30-50。（:加热保温，油淬（合金钢）

500-650℃回火，油冷（合金钢）

弹簧钢的成分

中高碳0.6-0.9%（碳素钢）

0.5-0.6%（合金钢）

合金元素

Si,Mn提高淬透性、强度、回火抗力

Cr,V,W提高淬透性、回火稳定性，细化晶粒

i.热成形弹簧

热轧钢丝钢板制造：

下料-热轧或热卷成型-热处理-喷丸-装配

淬火+中温回火（450-550°C）,1■回

加热时应防止氧化脱碳

喷丸：形成表面残余压应力，提高疲劳强度

ii.冷成形弹簧

小截面弹簧可以直接冷卷成形

0原料是未强化态的（如退火钢丝）

0冷成形后需进行淬火+中温回火处理

0原料是强化态的

0冷成形后需进行回火：250~300℃

滚动轴承钢

Cr<1.65w%

提高淬透性，形成合金渗碳体

滚动轴承的加工处理

0普通滚动轴承的加工工艺路线

锻造一球化退火一机加工一

不完全淬火①+低温回火一精磨+低温回火②一装配

0精磨后的低温回火目的是消除磨削应力，120〜15003〜5h

0精密轴承的工艺可改进为

①不完全淬火+冷处理使Ar充分转变

②精磨+稳定化处理120~150℃f5-10h

工具钢

0高碳保证硬度与耐磨性0.65-1.35%

0合金元素Cr,W,Mo,V

提高硬度与淬透性

0红硬性

0热处理特点

球化退火

淬火（+冷处理）+回火

碳素工具钢的热处理

0球化退火

0不完全淬火+低温回火

高速钢

i.化学成分

0高碳0.7—1.5%

0高合金W、M。、Cr、V等

0形成碳化物:VC,W2C,Mo2C

0产生二次硬化，提高红硬性

0提高淬透性

ii.一般加工工艺路线

0下料一反复锻造一球化退火一机加工一不完全淬火+多次

回火

反复锻造打碎粗大共晶碳化物，使其均匀分布

影响

点缺陷对性能的影响

晶格畸变与缺陷强化

电阻率升高

加速扩散，影响相变

增加过冷度可以：增加结晶驱动力，降低均匀形核要求的结构起伏

与能量起伏。故：在一定范围内增加过冷度有利于均匀形核

接触角对形核的影响

e=0,完全润湿，不需形核功

e=n,非均匀晶核为球体，为均匀形核

固体杂质表面形状对形核的影响

非均匀形核的形核率

过热度的