1、1金属学与热处理总结一、金属的晶体结构晶格类型 晶胞中的原子数 原子半径 配位数 致密度体心立方 2 a438 68%面心立方 4 212 74%密排六方 6 112 74%晶格类型 fcc(A1) bcc(A2) hcp(A3)间隙类型 正四面体 正八面体 四面体 扁八面体 四面体 正八面体间隙个数 8 4 12 6 12 6原子半径 rA a2a432a间隙半径 rB 35241晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。晶体:原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的
2、静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。金属典型晶体结构:体心立方结构，面心立方结构和密排立方结构。固溶强化:在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而朔性、韧性和电阻则有所下降，这种现象称为固溶强化。Fe-Fe3C 相图分析 P110P113钢中的杂质元素及其影响 P123-P125镇静钢缺陷的种类:缩孔、缩松、偏析、气泡等形变强化：在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、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。伪共
3、晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。2过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是位错的移动。塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。淬透性：是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。热应力：工件在加热(或冷却 )时
4、，由于不同部位的温度差异，导致热胀 (或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力。再结晶：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形的新晶粒，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。固态金属扩散的条件：1、扩散要有驱动性 2、扩散原子要固溶 3、温度要足够高 4、时间要足够长影响扩散的因素：温度：温度越高，扩散速度越大； 晶体结构：体心结构的扩散系数大于面心结构的扩散系数； 固溶体类型：间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度； 晶体缺陷：晶体缺陷越多，原子的扩散速度越快； 化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度，有些可
5、以减慢扩散速度。过冷奥氏体：在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的种类：珠光体、贝氏体、马氏体M（马氏体）形态：板条状马氏体、片状马氏体。奥氏体与铁素体的异同点：相同点： 都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。不同点： 铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为 0.0218%， 奥氏体最高含碳量为 2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。退火的目的：均匀钢的化学成分及组织；细化晶粒；调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能；消除内应力和加工硬化；为淬火做好组织准备。低温
6、回火：低温回火温度约为 150250,回火组织主要为回火马氏体。中温回火：中温回火温度在 350500之间，回火组织主要为回火托氏体。高温回火：高温回火温度约为 500650，回火组织为回火索氏体。3渗碳方法的种类：根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。优质钢的品质判定方法：优质碳素结构钢的优质钢等级 wp、w s均0.035，高级优质钢等级 wp、w s均0.030；合金结构钢的优质钢等级 wp、w s均0.035，高级优质钢等级wp、w s均0.025。淬硬性：表示钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。二、纯金属的结晶相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏
7、不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 可知当过冷度 为零时临TRk1T界晶核半径 Rk为无穷大，临界形核功（ ）也为无穷大。临界晶核半径 Rk与临2G界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质
8、，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。金属塑性变形后的组织与性能 ：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化：随温度的升高，金属的硬度和强度下降，塑性和韧性提高。电阻率不断下降，密度升高。金属的抗腐蚀能力提高，内应力下降。塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒，亚晶尺寸增大；储存能降
9、低，内应力松弛或被消除；各种结构缺陷减少；强度、硬度降低，塑性、韧度提高；电阻下降，应力腐蚀倾向显著减小。转变产物（P、B、M）的特征、性能特点：片状 P 体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状 P 体，Fe 3C 颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，4对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。回火稳定性：淬火钢
10、对回火时发生软化过程的抵抗能力。回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。正火的目的：改善钢的切削加工性能；细化晶粒，消除热加工缺陷；消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；提高普通结构零件的机械性能。形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。固溶强化：随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下
11、降的现象称为固溶强化。强化机理：一、是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二、是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三、是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。改善金属材料韧性的途径： 尽量减少钢中第二相的数量； 提高基体组织的塑性； 提高组织的
12、均匀性； 加入 Ni 及细化晶粒的元素； 防止杂质在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。5三、FeFe 3C 相图，结晶过程分析及计算 1. 分析含碳 0.530.77的铁碳合金的结晶过程，并画出结晶示意图。点之上为液相 L；点开始 L；点结晶完毕；点之间为单相；点开始 转变；点开始 P 共析转变；室温下显微组织为 + P。结晶示意图：2. 计算室温下亚共析钢（含碳量为 ）的组织组成物的相对量。x组织组成物为 、P，相对量为：或PP WxW1 ,%1028.7.0 %1028.7.0x3. 分析含碳 0.772.11的铁碳合金的结晶过程。点之上为液相 L；点开始 L；之间为 L+；点结晶完毕；点之间为
13、单相 ；点开始 Fe 3C 转变；点开始 P 共析转变；室温下显微组织为 P + Fe3C。6结晶过程示意图。4. 计算室温下过共析钢（含碳量为 ）的组织组成物的相对量。x组织组成物为 P、Fe 3C ，相对量为：或PCFeP WxW1 ,%107.69. 3 %107.69.3xCFe5. 分析共析钢的结晶过程，并画出结晶示意图。点之上为液相 L；点开始L；点结晶完毕；点之间为单相 ；点 P共析转变；室温下显微组织为P。 7结晶示意图：6. 计算含碳 3.0%铁碳合金室温下组织组成物及相组成物的相对量。含碳 3.0%的亚共晶白口铁室温下组织组成物为 P、Fe 3C ，相对量为： %4.13
14、W,%0.4617.0692 .591 ,34 Fe 3 PCP LdLdW相组成物为 F、Fe 3C，相对量为：2.51 ,8 33 CFeCe7. 相图中共有几种渗碳体？说出各自的来源及形态。相图中共有五种渗碳体: Fe 3C 、Fe 3C 、Fe 3C 、Fe 3C 共析 、Fe 3C 共晶 ；Fe3C ：由液相析出，形态连续分布（基体） ； Fe3C ：由奥氏体中析出，形态网状分布；Fe3C ：由铁素体中析出，形态网状、短棒状、粒状分布在铁素体的晶界上；Fe 3C 共析 ：奥氏体共析转变得到，片状；Fe 3C 共晶 ：液相共晶转变得到，粗大的条状。8. 计算室温下含碳量为 合金相组成物
15、的相对量。x相组成物为 、Fe 3C，相对量为：CFeCFe WxW33 1 ,%1069. 9. Fe3C的相对量： %0.469.3xCFe8当 x=6.69 时 Fe3C 含量最高，最高百分量为： %1069.3CFeW10. 过共析钢中 Fe3C 的相对量： .270xe当 x=2.11 时 Fe3C 含量最高，最高百分量为： 6.3CF11. Fe3C 的相对量计算 ： 169.3xCFe当 x=0.0218 时 Fe3C 含量最高，最高百分量为： %3.0169.0283CFeW12. 共析渗碳体的相对百分量为： .703Fe13. 共晶渗碳体的相对百分量为： 8.471.264C
16、14. 说出奥氏体与铁素体的异同点。相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为 0.0218%， 奥氏体最高含碳量为 2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。15. 说出 Fe -Fe3C 相图中室温下的显微组织工业纯铁(0.0218C)室温组织： 亚共析钢（0.02180.77C）室温组织： P；共析钢：0.77C；室温组织： P 过共析钢：0.772.11C 室温组织：P Fe3C亚共晶白口铁：2.114.30C；室温组织： FeLd3
17、共晶白口铁：4.30C；室温组织： 过共晶白口铁：4.306.69C 。室温组织：d四、晶面指数与晶向指数 1） 、标出图、图中晶面的晶面指数及图中所示晶向(AB，OC) 的晶向指数。Z Z ZCY Y A O B Y X X X9 ： ：（012） 01AB： OC：1012） 、标出图、图中晶面的晶面指数及图中所示晶向(AC，OB ) 的晶向指数。Z Z C ZY Y A O YX X X B ： ：（112）210AC： OB：120 3） 、画出下列指数的晶向或晶面（111） （0 21） 1 1 0 0Z Z Z（021）Y Y YX （111） （110） X X 110001五、
18、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。1. 说出图中各点（M、N 、P、E）室温下的显微组织。M：B（B C）（ABC） ； N：（AB ） （ABC） ；P：C（ ABC） ； E：（ ABC ） 。2. 求出 E 点合金室温下组织组成物的相对量和相组成物的相对量。E 点合金室温下组织组成物的相对量（A BC）为 100%相组成物的相对量为：10WA=Ea/Aa100%WB=Eb/Bb100%WC=Ec/Cc100%A E1 c B% B N A% E M C% b K E2 E3 P aC3. 分析 M 点合金的结晶过程。先从液相中结晶出 B 组元，当液相成分为 K 时，发生二元共
19、晶转变，转变产物为（BC） ，当液相成分为 E 时，发生三元共晶转变，转变产物为（ABC） 。室温下的显微组织为：B（BC ）（A BC） 。六、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。A e1 B% BA% E e3 e2C%C 1. 确定出 E 点合金 A、B、C 三个组元的化学成分。2. 计算 E 点合金组织组成物的相对量3. 计算 E 点合金相组成物的相对量114. E 点合金的化学成分与相组成物相对量之间有什么关系？为什么？ A b D e1 B% BA% E cF H e3 a e2C%C1、 A、B、C 三个组元的化学成分为 ：A=Ca% ，B=Ab% ，C=Bc%2、E
20、点合金组织组成物的相对量为：W (AB C) =100%3、E 点合金相组成物的相对量为： ， ，%10AHEW10BFE%10CD4、E 点合金的化学成分与相组成物相对量是相等的，即：Ca=EH/AH，Ab=EF/BF ，Bc=ED/CD。因为三个组元在固态下互不溶解，都已纯金属的形成存在，所以三个相（A、B、C ）的相对量就应该等于其各自的化学成分。九、影响扩散的因素有哪些？十二、固态金属扩散的条件是什么？ 度要足够高，温度越高原子热振动越激烈原子被激活而进行迁移的几率越大；时间要足够长，只有经过相当长的时间才能造成物质的宏观迁移；扩散原子要固溶，扩散原子能够溶入基体晶格形成固溶体才能进行
21、固态扩散；扩散要有驱动力，没有动力扩散无法进行，扩散的驱动力为化学位梯度。十五、简述位错与塑性、强度之间的关系。位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。晶体塑性变形的方式有滑移和孪晶，多数都以滑移方式进行。滑移的本质就是位错在滑移面上的运动，大量位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形。位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形，使材料发生屈服，位错越容易滑移，强度越低，12因此增加位错移动的阻力，可以提高材料的强度。溶质原子造成晶格畸变还可以与位错相互作用形成柯氏气团，都增加位错移动的摩擦阻力，使强度提高。晶界、相界可以阻止位错的滑移，提高材料的强度。所以细化晶粒、第二相弥散分布可以提高强度。十八、影响再结晶的主要因素有哪些？二十一、塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：二十六、退火的目的是什么？
