金属学及热处理总结.docx

金属学与热处理总结 左建亮 2015/6/17一、金属的晶体结构配位数：所谓配位数是指晶体结构中与任意一个原子最近邻、等距离的原子数目。配位数越大，晶体中的原子排列越紧密。致密度：若把原子看做刚性圆球，那么原子之间必然有空隙存在，原子排列的紧密程度可用原子所占体积与晶胞体积之比表示，称为致密度或密集系数，可用下式表示K=nV1/V(V1为一个原子的体积，V为晶胞体积，n原子个数）。晶向指数：通常以uvw表示晶向指数，所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向为晶向族，用uvw表示。只有对于立方结构的晶体改变晶向指数的顺序，所表示的晶向上的原子排列情况完全相同。晶面指数：一般用（hkl)表示，取各截距的倒数，并化为最小简单整数。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。晶面族：在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，其晶面指数用hkl表示。晶体的各向异性：各向异性是晶体区别于非晶体的一个重要标志。晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。晶体缺陷：一些原子偏离规则排列的不完整性区域。分为三类：点缺陷空位（迁移到晶体表面的肖脱基空位，迁移到晶格的间隙中的弗兰克尔空位，迁移到其他空位）、间隙原子、置换原子、 线缺陷刃型位错、螺型位错、 面缺陷晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面（晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等）刃型位错的特征：（1）有一额外半原子面（2）位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面之下为拉应力。负刃型位错与此相反。（3）位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。螺型位错的特征：（1）没有额外半原子面（2）螺型位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变（3)位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。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 3a4868%面心立方42a41274% 密排六方6a21274%晶格类型面心立方结构体心立方结构密排六方结构间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体四面体八面体间隙个数8412 6126原子半径rA2a43a4a2间隙半径rB(3-2)a4（2-2）a/4(5-3)a4(2-3)a4(6-2)a4（2-1)a2定义：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。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。位错的柏氏矢量具有的一些特性：用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型：如位错线与柏氏矢量垂直是刃型位错，平行是螺型位错；柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；位错的柏氏矢量各部分均相同;用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小；用柏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小；对于一个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面；螺型位错可以从一个滑移面移到另一个滑移面。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。晶界具有的一些特性：晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；相变时新相优先在晶界出形核；晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；晶界易于腐蚀和氧化；常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。二、纯金属的结晶定义：相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低。固相自由能低于液相的自由能 形核率：是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。它受两个方面因素控制：一方面是随着过冷度的增加，临界晶核半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；另一方面，无论是临界晶核的形成，还是临界晶核的长大，都必须伴随着液态原子向晶核的扩散迁移，没有液态原子向晶核上的迁移，临界晶核就不可能形成，即使形成也不可能长大成为稳定晶核。N.=N1N2(N1为受形核功影响的形核率因子，N2为受原子扩散能力影响的形核率因子）；N1随着过冷度的增加，即温度的降低而增大，N2随着温度的升高而增大。非均匀形核率受过冷度的影响、固体杂志结构的影响、固体杂质形貌的影响、过冷度的影响、其他因素的影响 均匀形核临界形核功：Gk=4/3(rk2)=4/3(2Tm/HfT)2表明过冷度越大，临界形核功降低，易于结晶。非均匀形核临界形核功：Gk=（4rk2)3（2-3cos+cos3）4晶核半径rk一样。越小，Gk越小，非均匀形核越容易，需要的过冷度越小。 晶核长大机制：（1）二维晶核长大机制（当固液界面为光滑界面时，它的形成需要较大的过冷度）（2）螺型位错长大机制（具有光滑界面的晶体，其长大速度比按二维快得多）（3）连续长大机制（晶体缺陷在粗糙界面的生长过程中不起明显作用，它的长大速度很快，大部分金属晶体以这种方式长大）50%为粗糙界面，0%或100%为光滑界面变质处理：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。结晶：金属由液态变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。结晶过程是由形核和长大两个过程交错重叠在一起的。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Rk1T 可知当过冷度T为零时临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功（G1T2）也为无穷大。临界晶核半径Rk与临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。 结晶能否发生取决于固相的自由能是否低于液相的自由能。液相金属和固相金属的自由能之差是结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，固液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快。这就是金属结晶必须过冷的根本原因。 在常温下金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性和韧性越好。凡是能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。晶粒大小控制、细化晶粒的方法：增加过冷度（提高液态金属的冷却速度）、变质处理、振动与搅拌。铸锭三个晶区的形成机理：（1）表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。（2）柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。（3）中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 铸锭缺陷：（1）缩孔（集中缩孔加快底部的冷却速度；如在铸底部安防冷铁在铸锭顶部加保温冒口使铸型壁上薄下厚，锭子上大下小、分散缩孔（缩松）在压力加工时可以焊合）（2）气孔（气泡）（3）夹杂物（外生夹杂物、内生夹杂物在液态金属冷却过程中形成的）三、二元合金的相结构与结晶组成合金最基本的、独立的物质叫做组元。由两个组元组成的合金称为二元合金。相是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。比重偏析是由组成相与熔液之间密度的差别所引起的一种区域偏析。防止比重偏析的方法：一是增大冷却速度；二是加入第三种元素；另外热对流、搅拌也可克服显著的比重偏析。固溶体合金在结晶时，如果凝固从一端开始顺序进行的话，则可能产生区域偏析。铸锭件中低熔点元素的含量从先凝固的外层到后凝固的内层逐渐增多，高熔点元素的含量则逐渐减少，这种区域偏析称为正偏析。反偏析是低熔点元素富集在铸锭件线凝固的外层的现象。这种偏析多发生在结晶范围较大的合金中。固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶或选择结晶。间隙相和间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制，通常由过渡族金属原子半径很小的非金属元素H、N、C、B所组成。间隙相与间隙固溶体之间有本质区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元不同的晶体结构，而间隙固溶体则仍保持着溶剂组元的晶格类型。间隙相有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。间隙化合物一般具有复杂的晶体结构。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但与间隙相相比，它们的熔点和硬度要低些，而且加热时也较易分解。定义：相律：f = c p + 1其中，f 为 自由度数，c为 组元数，p为 相数。杠杆定律：L/=rb/ar L=rb/ab100% =ar/ab100%伪共晶：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。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，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。成分起伏：在任一瞬间，液相中总会有某些微小体积可能偏离液相的平均成分，这些微小体积的成分、大小和位置都是在不断地 变化着，这就是成分起伏。四、铁碳合金室温组织：工业纯铁(Fe3C+F)、共析钢(P珠光体）、亚共析钢(P+F)、过共析钢（P+Fe3C）、共晶白口铁（低温莱氏体，P+Fe3C)、亚共晶白口铁（P+Ld)、过共晶白口铁（Fe3C+Ld)含碳量对力学的影响：碳含量对碳钢力学性能的影响：随着碳含量的增加，钢的硬度始终上升，塑性、韧性始终下降；当碳含量小于0.9%时，随着碳含量的增加强度增加，反之，强度下降。碳含量对碳钢室温组织的影响：随着碳含量的增加，铁素体的量逐渐减少，珠光体的量逐渐增大，当碳含量增大到0.77%时珠光体的量增大到100%；碳含量继续增加时出现了二次渗碳体，当碳含量超过0.9%时二次渗碳体连接成网，组织为珠光体+二次渗碳体。 镇静钢与沸腾钢的区别：沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。沸腾钢的结晶过程与镇静钢的基本相同，但是由于钢液沸腾，使其宏观组织具有与镇静钢锭不通的特点。从表面至心部由五个带组成：坚壳带、蜂窝气泡带、中心坚固带、二次气泡带、锭心带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。二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为FP，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降。六、金属及合金的塑性变形与断裂 金属在外力作用下的变形过程可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂。 工程应力应变曲线特点：e为材料的弹性极限，表示材料保持完整弹性变形时的最大应力。当应力超过e后，出现屈服台或屈服齿。s称为材料的屈服极限或屈服点，对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。s或0.2均表示材料对起始微量塑性变形的抗力。当应力超过s后，试样发生明显而均匀的塑性变形。当应力达到b时，试样的均匀变形阶段即告中止，此最大应力值b称为材料的强度极限或抗拉极限，它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。在b值之后，式样开始发生不均匀性塑性变形并形成缩颈，应力下降最后应力达到k时试样断裂。k为材料的条件断裂强度，它表示材料对塑性变形的极限抗力。铜、铝及其合金、经热处理的钢材的应力应变曲线没有明显的屈服平台（无弹塑性变形）；铝青铜和某些奥氏体钢不形成缩颈（无不均匀塑性变形）；而某些脆性材料，如淬火状态下的中、高碳钢，灰铸铁等，几乎没有明显的塑性变形即发生断裂。 真应力应变曲线的特点：它不像工程应力应变曲线那样在载荷达到最大之后转而下降，而是继续上升直至断裂。通常把均匀塑性变形阶段的真应力应变曲线称为流变曲线。 金属弹性变形的实质就是金属晶格在外力作用下所产生的弹性畸变。弹性模量E或切变模量G越大，弹性变形越不易进行。它们是表征金属材料对弹性变形的抗力。 刚度：工程上将构件产生弹性变形的难易程度称为构件的刚度。拉伸件的刚度A0E。E是决定构件刚度的材料性能，又称之为材料的刚度。金属的弹性模量取决于原子结合力的大小。塑性变形的方式：以滑移和孪晶（对称的两部分晶体）为主。 将形成孪晶的过程称为孪生。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。滑移是位错扫过滑移面并移出晶体表面造成的。体心结构的滑移系个数为62=12，滑移面：110，方向。面心结构的滑移系个数为43=12，滑移面：111，方向。密排六方结构的滑移系个数为13=3，滑移面：0001，方向。 滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动，这种晶面称为滑移面，晶体在滑移面上的滑动方向称为滑移方向。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。滑移系表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向。当其他条件相同时，滑移系越多，金属的塑性越好。一般来说，滑移面总是原子排列最密的晶面，而滑移方向也总是原子排列最密的晶向。这是因为在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，即密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易于滑移。沿原子密集最大的晶向滑动时，阻力也最小。金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。滑移是在切应力的作用下发生的。晶体中某个滑移系是否发生滑移，取决于力在滑移面内沿滑移方向上的分切应力大小，当分切应力达到一定的临界值时，滑移才能开始，此应力称为临界分切应力（k=scoscos，coscos称为取向因子），它是使滑移系开动的最小分切应力。当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45时，取向因子具有最大值0.5，此时屈服极限s具有最小值，金属最容易开始滑移，这种取向因子称为软取向。而当外力与滑移面平行（轴向拉力F与滑移面法线的夹角=90)或垂直（与滑移方向的夹角=90）时，取向因子为0，则无论临界分切应力k的数值如何，s均为无穷大，晶体在此情况下根本无法滑移，这种取向称为硬取向。当取向因子介于00.5之间时，s较高，意味着需较大拉应力才能使晶体开使滑移，产生塑性变形。在拉伸时随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越远离45，从而使滑移越来越困难，这种现象称为“几何硬化”。与此相反，经滑移和转动后，滑移面的法向外力轴的夹角越来越接近45，那么就越容易进行，这种现象称为“几何软化”。晶体的滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐渐移动的结果。 位错的增值：晶体中的位错在一定形式的运动中，自身不断产生新的位错环或大幅度增加位错线长度，从而使材料中的位错数目或位错密度在运动中不断增大的过程。 变形后晶体中的位错数目显著增多。在晶体中必然存在着在塑性变形过程中能不断增殖位错的位错源，常见的一种位错增殖机制是弗兰克-瑞德位错源机制。当滑移面上的分切应力足够大时，位错线将向垂直于位错线的方向运动。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。 多数晶粒的塑性变形是由已塑性变形的晶粒中位错平面塞积群所造成的应力集中所引起。每个晶粒至少需5个独立的滑移系启动。晶界越多，即晶粒越细小，则其强化效果越显著。这种用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法称为细晶强化。细晶强化不但可以提高材料的强度，同时还可以改善材料的塑性和韧性。 合金分为两大类：（1）具有以基本金属为基的单相固溶体组织，称为单相固溶体合金（2）加入的合金元素量超过了它在基体金属中的饱和溶解度，在显微组织中除了以基体金属为基的固溶体外，还将出现第二相(各组元形成的化合物或以合金元素为基形成的另一固溶体），构成了多相合金。 由于固溶体中存在着溶质原子，使得合金的强度、硬度提高，而塑形、韧性有所下降，即产生固溶强化。产生固溶强化的原因：一是在固溶体中溶质与溶剂的原子半径差所引起的弹性畸变，与错位之间产生的弹性交互作用，对在滑移面上运动着的位错有阻碍作用；二是在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。偏聚于位错周围的溶质原子好像形成了一个溶质原子“气团”，称为“柯氏气团”。柯氏气团的形成，减小了晶格畸变，降低了溶质原子与位错的弹性交互作用能，使位错处于稳定的状态，减少了可动位错数目。增加了固溶体合金的塑性变形抗力。 多相合金的组织主要分为：一类是两相晶粒尺寸相近，两相的塑形也相近；另一类是由塑形较好的固溶体基体及其上分布的硬脆的第二相所组成。它们的强度往往比单相固溶体合金高。 沉淀强化：位错切过第二相粒子时必须作额外的功，消耗足够大的能量，从而提高合金的强度。这种强化方式称为沉淀强化。 塑性变形对组织结构的影响：（1)显微组织的变化（金属与合金金塑性变形后，其外形、尺寸的改变是内部晶粒变形的总和；当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织）（2）亚结构细化（3）形变织构（由于金属塑性变形使晶粒具有择尤取向的组织叫做形变织构）丝织构、板织构。当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整起取向而彼此趋于一致，这一现象称为晶粒的择尤取向。当出现织构后，多晶体金属就不再表现为等向性而显示出各向异性。 选材和设计依据：1.确定构件的安全性2.确定构件承载能力3.确定临界裂纹尺寸。多晶体塑性变形的特点：（1）各晶粒变形的不同时性（2）各晶粒变形的相互协调性（3）多晶体的塑性变形具有不均匀性。七、金属及合金的回复与再结晶 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。温度越高，回复的程度越大。回复的机制：在低温回复时，主要涉及到空穴的运动（的减少）。在较高温度回复时，主要涉及到位错的运动（的减少）。亚结构的变化：金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位错密集较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密集很高。回复温度越低，变形度越大，则回复后的亚晶粒尺寸越小。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。再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。再结晶晶粒大小的控制：再结晶后的晶粒大小决定于G/N.,要细化晶粒必须使G/N.比值减小。（1）变形度（当变形度超过临界变形度后，则变形度越大，晶粒越细小）（2）再结晶退火温度（提高再结晶温度，不仅使再结晶后的晶粒长大，而且还减小临界变形度的具体值）（3）原始晶粒尺寸（当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再结晶后的晶粒也越细）（4）合金元素及杂质（溶于基体中的合金元素及杂质，一方面增加变形金属的储存能，另一方面阻碍晶界的运动，一般均起细化晶粒的作用） 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，称之为正常地长大；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。晶粒长大的驱动力：从整体来看，晶粒长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒的晶界多，界面能高；粗晶粒的晶界少，界面能低。所以细晶粒长大成为粗晶粒是使金属自由能下降的自发过程。它的驱动力与界面能和晶界的曲率有关。晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大），则晶界移动的驱动力越大。所有晶界的新位置都朝向晶界的曲率中心移动，这和再结晶时晶界移动的方向正好相反。 晶粒稳定形状的两个必备条件：所有的晶界均为直线；晶界间的夹角均为120.晶粒正常长大遵循的规律：晶界迁移总是朝向晶界的曲率中心方向；随着晶界迁移，小晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒（边数6),晶界本身趋于平直化；三个晶粒的晶界交角趋于120，使晶界处于平衡状态。 影响晶粒长大的因素：晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。1.温度（温度越高，长大速度越快）2.杂质及合金元素（被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低了界面移动的驱动力，使晶界不易移动）3.第二相质点（第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小）4.相邻晶粒的相位差（小角度晶界的界面能小于大角晶界的界面能，而界面移动的驱动力与界面能成正比，因此前者的移动速度小于后者） 热冷加工的区别：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。只要有塑性变形，就会产生加工硬化现象，而只要有加工硬化，在退火时就会发生回复和再结晶。热加工的主要作用（或目的）是：把钢材加工成所需要的各种形状，如棒材、板材、线材等；能明显的改善铸锭中的组织缺陷，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；使粗大的柱状晶变细，合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其均匀分布；减轻或消除成分偏析，均匀化学成分等。使材料的性能得到明显的改善。影响再结晶的主要因素：再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。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。八、扩散扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果。 扩散机制：扩散不仅由原子的热运动所控制，而且还要受具体的晶体结构所制约。对于固态金属说，原子扩散机制主要有两种（1）空位扩散机制（自扩散和置换原子的扩散程度取决于空位的数目。温度越高，空位浓度越大，金属中原子的扩散越容易）（2）间隙扩散机制（间隙原子尺寸越小，扩散越快）。 固态金属扩散的条件（1）扩散要有驱动力（化学位梯度）（2）扩散原子要固溶（要有一定的固溶度，才能溶入基体晶格形成固溶体）（3）温度要足够高（固态扩散是依靠原子热激活而进行的过程）（4）时间要足够长。柯肯达尔效应：由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应。 固态扩散的分类：一是否发生浓度变化分为：自扩散（不发生浓度变化，只发生在纯金属和均匀固溶体中）、互（异）扩散（伴有浓度变化，与异类原子的浓度差有关，又称化学扩散）二是否与浓度梯度方向相同分为：下坡扩散、上坡扩散三是否出现新相分为：原子扩散（不出现）、反应扩散（出现）影响扩散的因素：温度：温度越高，扩散速度越大；（是影响扩散的最主要因素） 键能和晶体结构：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；（表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢） 化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度，有些可以减慢扩散速度。扩散菲克第一定律表达式：J=-DdC/dx（D越大，扩散速度越快，第一定律仅适用于稳定态扩散） 其中，J为扩散流量；D为扩散系数；dC/dx为浓度梯度。扩散的驱动力为化学位梯度（表面能的降低），阻力为扩散激活能菲克第二定律表达式：C/t=(DC/x)/x, 如果扩散系数D与浓度C、距离x无关可写为C/t=D2C/x2 金属学与热处理习题及参考解一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。形变强化：随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象叫形变强化或加工硬化。1.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。规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式=bG1/2 ，可知强度与位错密度（）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。 沉淀强化：位错切过第二相粒子时必须作额外的功，消耗足够大的能量，从而提高合金的强度。这种强化方式称为沉淀强化。2.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。固溶强化规律：在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。3、第二相强化钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合s=0KS0-1/2的规律，S0 片层间距。第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合的规律，粒子之间的平均距离。第二相的数量越多，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；沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。4、细晶强化细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据，应力集中越小，所以材料的强度越高。细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式s=0Kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（s）越高。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。二、改善塑性和韧性的机理晶粒越细小，晶粒内部和晶界附近的应变度差越小，变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越小。晶粒越细小，应力集中越小，不易产生裂纹；晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传播，所以韧性就好。提高或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。三、FeFe3C相图，结晶过程分析及计算 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：计算室温下亚共析钢（含碳量为）的组织组成物的相对量。组织组成物为、P，相对量为：或分析含碳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；点之间为单相；点开始Fe3C转变；点开始 P共析转变；室温下显微组织为P + Fe3C。结晶过程示意图。计算室温下过共析钢（含碳量为）的组织组成物的相对量。组织组成物为P、Fe3C，相对量为：或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。 结晶示意图：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、Fe3C，相对量为： 相组成物为F、Fe3C，相对量为： 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: Fe3C、Fe3C 、Fe3C 、Fe3C共析、Fe3C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；Fe3C共析：奥氏体共析转变得到，片状；Fe3C共晶：液相共晶转变得到，粗大的条状。计算室温下含碳量为合金相组成物的相对量。相组成物为、Fe3C，相对量为： Fe3C?的相对量：当x=6.69时Fe3C? 含量最高，最高百分量为： 过共析钢中Fe3C 的相对量：当x=2.11时Fe3C含量最高，最高百分量为： Fe3C 的相对量计算：当x=0.0218时Fe3C含量最高，最高百分量为：共析渗碳体的相对百分量为：共晶渗碳体的相对百分量为：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。说出二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。举例说明成分、组织与机械性能之间的关系如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为FP，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降。说明三个恒温转变，画出转变特征图包晶转变(LBHJ)含碳量0.090.53范围的铁碳合金，于HJB水平线(1495)均将通过包晶转变，形成单相奥氏体。共晶转变(LCEFe3C)含碳放2.11一6.69范围的铁碳合金，于ECF平线上(1148)均将通过共晶转变，形成奥氏体和渗碳体两相混合的共晶体，称为菜氏体(Ld)。共析转变(S PFe3C)；含碳虽超过002的铁碳合金，于PSK水平线上(727)均将通过共析转变，形成铁素体和渗碳体两相混合的共析体，称为珠光体（P）。转变特征图包晶转变： 共晶转变： 共析转变：各点成分为（C%）：B：0.53 ；H：0.09；J：0.17；C：4.3；E：2.11 S：0.77；P：0.0218。说出Fe -Fe3C相图中室温下的显微组织工业纯铁(95转变量)的温度。再结晶温度并不是一个物理常数，这是因为再结晶前后的晶格类型不变，化学成分不变，所以再结晶不