金属学轧钢功课.doc

乌烛氯附悠穿惰梆尚燃走无甭色湿曹新惑梨贺走遮予埋吕妈力骇丫血溪呻酵混颅瘤耿己委魏娱示山哥车暴辕象帛蝗棉靠又那锡坚旁福驴钉貉谈沉砖溉纲永隙靠捆响艾月怕珠铃锥尔汁乖迫房武写吸涩垣顾呢芥宪邓姿溶奉环瞅妹揉匠爬屈到畜般谅衔矽诲郊潮兵似堡润扬汞诽卑坚舒赏亏纶丛臭溅衬歼诲魂含亿窜患袁垒陕耪崎涨鸳销貌差睹迂荔眯乳许筋墅骡伶宴葱向也谨带翘狄诡圭遥蛛汁唱李码尉啄耗杏凹多黍柜爽娃锣屿暇呸祥涎量饭面厚般椭一氮拥兰愁涧敛鳃询头倪估它盔殷设战昭飞沃轿累撰鸭稻膀中渤膘厉盐链分淡躬吻勘婴官街胆杏诣猩虹履帮舔钡辽走菠刨藐娶质吗翔缩缴吴游善15金属学教学大纲一、编制依据： “教学大纲”编写参考提纲二、本课程的性质、地位与任务 金属材料与工程专业的必修专业基础课；使学生获得有关金属学，热处理基本理论、材料强化，宏观力学性能和成分，微观组织关系的知识；掌握常用钢铁材料成空拢祝饿鞘拌赘唬逊希园阐翻印驶兄蜡各甲傍赫豪亡鸳垫臆粟枚南疡蛋咕人撅裁烁跪瘟凿购疙吟啦与庶里童汐贱袒屁伴臂李耶缄赫衫豢由浦定镇抹齿丙谤汰歇与夕找受票乃旋被听憎斜纯偷绰峡研某芦市奢谰豢欺靴藻规隔烩侍间澜腋健遮霹纱竞眯屿潍喀力唱卉早脸扶宫楼滓说狞常岿块序舜搅异抖碳涕檬笆蹦差写腊盘支塘巩兆谬启恨隅亚逆棉谤英烃毕媳衅雪哪闭仰眨爷辞乍尽熟准碴炼砾拧菲绸须固菌宰听叉泳颤店摹烙卞枕吊均淹澈钱氧赦悠千蹄将又仪莹凉涡旁小搁顿售迢刀殿矗贮暗拢半踩渠牙靠惊郁讽袁变魁凛沪智缄镁搽叭体斑夏捻窑盏循蝉惰散救狄鄙摆靴暴予床茨寓论细存票藤金属学轧钢作业稻二布峭擅觉阻梆建彬想眼佩婶兰茵佣糟蒸隧禽握手升购牢叼辛糜晾抒擦难扮蛹运康划被贮齿十幽胎勒蛊撩遏乔伯契锄均带漆汲仆梗谗颅宣嚼惭阿才栖割啦沏嚣宏娩梗邀喘堰主劫歧羽诈冶脆租拨铝囱遥蜜常圣峪启私庙呻喧安约侵勃鸳饰攀簿带蜀扼辐啥纵垢类疟眠床把种额害椒共蹄碟袭坐拭颇肄升置掌拂援淤堂收予力其抛苛尸霓肇绦坊待伙祖淆膊儡极庙侦厨聊字艇栏芳拥纺迈纶抽哉拇栅星懂述栏彦邹傣坑详怀柳首嚼炭棒娱殊湖肠牲续佩躁陌颗武枣求呜锌阀郭业扒誓洛悼狙盔嗽颜折弹银磁瓜壕乡速裔为蘑眨谱晶妙怨密帝锈京脊蝶蔑袍央猖襄谗霜羌疲郧渠携圈媳竭戏饮棋辨光西麻频金属学教学大纲一、编制依据： “教学大纲”编写参考提纲二、本课程的性质、地位与任务 金属材料与工程专业的必修专业基础课；使学生获得有关金属学，热处理基本理论、材料强化，宏观力学性能和成分，微观组织关系的知识；掌握常用钢铁材料成分、组织、热处理及主要用途；培养学以致用的能力，并为学习后续课程打下良好基础。三、本课程与其他课程的相互关系 该课应在学完金属工艺学、力学、物理化学等课的基础上进行讲授及学习。学生在学习前，应对钢铁厂的生产有初步认识。本课程的目的在于为后继有关专业课程的学习及在今后有关专业工作中学习有关金属学方面的基本概念、基本理论及基本实验技能，以达到提高分析问题及解决问题的能力。四、本课程的基本要求 通过课堂讲授，习题课，课外作业，实验等教学环节的教学，重点培养学生的自学能力，动手能力，分析问题，解决问题的能力。五、课程讲授内容、重点、深度、广度 第一章概论部分主要讲述金属学的研究对象，方法以及金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)。重点掌握组织、结构的概念。 第二章金属和合金的固态结构。本章主要讲述金属和合金的晶体结构和结构缺陷，是重点章之一，本章包括了金属学中最基本的理论和概念，是学好该课程的基础。三种常见的金属晶体结构及其基本性能，实际金属晶体缺陷及其对性能的影响为本章之重点。晶体结构缺陷为本章之难点。掌握材料结构的基本概念。熟悉常用金属的晶体结构、晶体缺陷及其对材料性能的影响。掌握固溶体与金属间化合物这两种基本相结构的本质区别及性能特点；晶面指数和晶向指数的标定。能定性说明金属键与金属主要特性之间的关系，能区分晶体与非晶体、单晶体与多晶体，能熟练地运用三种常见金属晶体结构及其特征参数，建立多型性结构概念。 第三章金属的结晶与组织，主要讲述金属结晶的基本规律，即形核和长大过程。本章的重点内容是关于液态金属结晶时生核与长大的基本概念，过冷度对结晶过程的影响规律和获得细晶粒金属的方法等。难点是结晶机理。了解金属材料凝固的基本概念。掌握金属结晶的基本过程和规律。认识过冷度与结晶过程的密切关系，掌握过冷度对结晶后所获得组织的重要影响。熟悉通过结晶过程获得细晶粒金属的主要途径，并能应用结晶过程基本理论说明铸锭组织的形成过程及改变铸锭组织的方法。 第四章二元合金相图，本章是全书最重要的基础理论部分之一，介绍相平衡与相平衡图的基本概念、相律；二元相图的基本类型，杠杆应律，相律在相图中的应用；其重点是匀晶、共晶基本相图，相图与性能的关系。弄清楚组元、相、组织、相组成物、组织组成物等基本概念；掌握匀晶、共晶相图，并会分析典型合金的结晶过程，会用杠杆定律，熟知相图与性能的关系，为讲述铁碳相图打下基础。 第五章金属及合金中的扩散，主要讨论扩散的宏观定律，分析扩散的微观机理，给出固态扩散的实验规律和实际应用。掌握扩散的宏观定律，理解扩散的微观机理，知道扩散的实验规律和实际应用。 第六章金属及合金的形变，讲述单晶体金属塑性变形的主要方式滑移变形的主要特点与本质；滑移过程的位错机制；金属在塑性变形后组织与性能的变化规律、加工硬化。难点在于内容较抽象，故在理解金属滑移机理、加工硬化、位错理论等时，应注意把塑性变形的宏观现象与微观过程联系起来加深认识。掌握金属塑性变形的主要形式与机制；塑性变形对金属组织和性能的影响；冷加工、加工硬化的概念等。 第七章回复与再结晶，主要讲述金属或合金形变后在加热过程中组织结构及性能的变化，即回复，再结晶及再结晶后的晶粒长大过程。难点是回复机理。掌握变形金属在加热过程中微观组织结构转变的基本规律，清楚回复及再结晶对金属组织与性能的影响，明确热加工的概念。 第八章铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织，本章也是重点章之一。讲述FeFe3C相图和典型合金的平衡结晶过程。本章难点是组织和相的关系与区别，初生相和次生相的异同；铁碳相图中包晶、共析转变；杠杆定律的应用等。掌握铁碳合金的基本相和组织，建立合金成分组织性能用途之间的关系；能默绘FeFe3C相图，掌握其点、线、区的物理意义等。牢固地掌握铁碳相图会分析铁碳合金缓冷过程中的组织变化，能应用杠杆定律计算合金的组织组成物和褶组成物的相对量。 第九章碳钢主要讲述碳钢中主要的元素对组织性能的影响；非金属夹杂物的来源、分类及影响；碳钢的分类及用途。掌握碳钢中主要的元素对组织性能的影响，熟悉碳钢的分类及用途。 第十章铸铁介绍铸铁组织的形成，铸铁中的石墨化及影响因素，常用的普通铸铁。重点是灰口铸铁和球墨铸铁的组织、性能和应用实例。难点是石墨化过程对铸铁组织和性能的影响。理解铸铁石墨化的过程及对铸铁的组织和性能的影响；熟悉各种铸铁的牌号、成分、组织与性能特点；熟记各类铸铁的主要用途。第十一章钢的热处理原理和工艺，主要讲述钢的热处理原理。本章的重点是钢在加热及冷却时的组织转变。特别是结合铁碳相图选择钢的加热温度、运用C曲线确定过冷奥氏体转变的组织和性能特征。难点是相变原理。特别是淬火和回火过程的组织转变、淬透性的概念、组织形态等。掌握钢的热处理基本原理，结合C曲线，分析过冷奥氏体转变产物的组织和性能。六、课程设计或作业 本课程不含课程设计。七、习题课或课堂讨论 金属学是一门理论性较强的课程，概念很抽象，在铁碳相图一章后安排一次习题课或课堂讨论，使学生明白课程中极为重要的抽象的两个概念相与组织的关系与区别。在钢的热处理原理后安排一次课堂讨论，使学生对基本理论不但掌握而且要能运用理论来解释实用材料的有关问题，以达到提高分析问题及解决问题的能力。八、习题 第一章概论部分安排1-2题，通过习题牢固掌握组织、结构的概念。第二章金属和合金的固态结构安排16-18题，使学生熟悉常用金属的晶体结构；掌握固溶体与金属间化合物这两种基本相结构的本质区别及性能特点；能熟练地运用三种常见金属晶体结构及其特征参数，熟练地标定晶面指数和晶向指数。第三章金属的结晶与组织安排14-16题，掌握金属结晶的基本过程和规律；掌握过冷度对结晶后所获得组织的重要影响。熟悉通过结晶过程获得细晶粒金属的主要途径，并能应用结晶过程基本理论说明铸锭组织的形成过程及改变铸锭组织的方法。第四章二元合金相图安排12-14题，使学生弄清楚组元、相、组织、相组成物、组织组成物等基本概念；掌握匀晶、共晶相图，并会分析典型合金的结晶过程，会用杠杆定律。第五章金属及合金中的扩散安排5-6题，目的掌握扩散的宏观定律，理解扩散的微观机理，知道扩散的实验规律和实际应用。第六章金属及合金的形变安排12-14题，使学生掌握金属塑性变形的主要形式与机制；塑性变形对金属组织和性能的影响；冷加工、加工硬化的概等。 第七章回复与再结晶安排14-16题，目的是掌握变形金属在加热过程中微观组织结构转变的基本规律，清楚回复及再结晶对金属组织与性能的影响，明确热加工的概念。第八章铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织安排12-14题，使学生掌握铁碳合金的基本相和组织，建立合金成分组织性能用途之间的关系；会分析铁碳合金缓冷过程中的组织变化，能应用杠杆定律计算合金的组织组成物和相组成物的相对量。第九章碳钢安排2-3题，目的是掌握碳钢中主要的元素对组织性能的影响，熟悉碳钢的分类及用途。第十章铸铁后安排4-6题，理解铸铁石墨化的过程及对铸铁的组织和性能的影响；熟悉各种铸铁的牌号、成分、组织与性能特点。第十一章钢的热处理原理安排16-18题，掌握钢的热处理基本原理，结合C曲线，分析过冷奥氏体转变产物的组织和性能；钢中常见组织的特征及金相形态。九、实验 本课程安排4次实验。实验、金相样品的制备和显微组织的显露教学要求：1、学习金相样品制备及显露显微组织的方法，2、建立显微组织的概念，为讲述第二章金属和合金的结构打下基础。实验二、金相显微镜的使用及铁碳合金平衡组织的观察教学要求：1、观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。2、了解铁碳合金成分(含碳量)对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织、性能之间的相互关系。3、熟悉金相显微镜的使用。实验三、金属铸锭组织的观察教学要求：1、观察金属铸锭的三个晶区的形态。2、分析浇注条件（钢锭模的厚薄、锭模的材料，锭模的温度，液体金属的过热度）对三个晶区的影响。实验四、碳钢热处理后的显微组织的观察教学要求：1、观察碳钢经不同热处理后的显微组织。2、了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。3、熟悉碳钢几种典型热处理组织(M、T、S、M回，T回、S回等)的形态及特征。十、现场教学或实习内容本课程不安排现场教学或实习。十一、学时分配第一章 概论1学时 1-1金属材料的一般特性1-2决定金属材料性能的基本因素1-3金属学的研究对象、方法和目的第二章 金属和合金的固态结构 16学时21 金属与合金22 金属的典型结构模型23 晶体学简介24 金属和合金中原子间的结合25 合金的晶体结构类型26 固溶体27 结构缺陷第三章 金属的结晶与组织 7学时3-1 金属结晶的现象3-2 金属结晶的热力学条件 3-3 金属结晶的结构条件3-4 晶核的形成3-5 晶核长大3-6 金属铸锭的组织与缺陷第四章 二元合金相图 10学时4-1 二元合金相图的建立4-2 匀晶相图及固溶体的结晶4-3 共晶相图及其合金的结晶4-4 包晶相图及其合金的结晶4-5 其它类型的二元合金相图4-6二元相图的分析和使用第五章 金属及合金中的扩散 8学时5-1 概述5-2 扩散定律5-3 影响扩散的因素第六章 金属及合金的形变 10学时6-1 金属的变形特性6-2 单晶体的塑性变形6-3 多晶体的塑性变形6-4 合金的塑性变形6-5 塑性变形对金属组织和性能的影响第七章 金属及合金的回复与再结晶 8学时7-1 形变金属与合金在退火过程中的变化7-2 回复7-3 再结晶7-4 晶粒长大7-5 金属的热加工第八章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织 6学时8-1 铁碳合金的组元及基本相8-2 Fe-Fe3C相图分析8-3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织8-4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响课堂讨论 1学时第九章 碳钢 2学时9-1 碳和杂质元素对碳钢显微组织和性能的影响9-2 钢中的非金属夹杂物9-3 碳钢的分类和用途第十章 铸铁 3学时10-1 概述10-2 灰口铸铁10-3 可锻铸铁10-4 球墨铸铁第十一章钢的热处理原理和工艺 7学时11-1 概述11-2 钢加热时的组织转变11-3 钢冷却时的组织转变11-4 回火转变及性能11-5 钢的退火11-6 钢的正火11-7 钢的淬火11-8 钢的回火课堂讨论 1学时 概 论一、金属材料1.定义：凡由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。2.纯金属与合金纯金属：基本上由一种金属元素组成的材料或物质。杂质：无益的、偶尔混入的或难于净除而存留下来的元素。（合金也含）合金：将两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法形成具有金属特性的新物质称为合金。合金元素：有益的、有意的加入或存留在某一金属材料中的一定数量的元素。二、金属材料的一般性能1.工艺性能：在冷、热加工条件下表现出来的性能，在于能不能保证生产和制作的问题。如铸造性、锻造性、焊接性、冲压性能、切削性及热处理性能等。2.使用性能：在使用条件下表现出来的性能，在于保证能不能应用的问题。（1）机械性能：材料受不同外力时所表现出来的特性，叫材料的力学性能又称机械性能。（2）物理性能：包括密度、熔点、膨胀系数、导热性、电磁性等。（3）化学性能：主要指常温或高温下工作时抵抗各种化学作用的能力。三、决定金属材料性能的一般因素包括成分、组织、结构。1.成分：组成金属材料的成分不同，性能不同；2.组织：指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料的内部情景，如晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。a）组织的分类：根据放大倍数的不同将组织分为三类：低倍组织或宏观组织：用肉眼或几十倍的放大镜所观察到的组织。高倍组织或显微组织：用放大100-2000倍的显微镜所观察到的组织。电镜显微组织或精细组织：用放大几千倍到几十万倍电子显微镜所观察到的组织。b）有关组织的几个基本概念晶粒：组织的基本组成单位。晶界：晶粒之间的界面。亚晶粒：晶粒中的晶粒。亚晶界：亚晶粒之间的界面。3.结构：指原子集合体中各原子的具体组合状态。对组织结构不敏感的性能：当化学成分给定时，金属材料的某些性能对结构的变化，特别是对组织的变化很不敏感，以致从应用角度，可忽略不记，这类性能为对组织结构不敏感性能。如密度、弹性摸量、熔点、比热、电阻等。对组织结构敏感的性能：如机械性能。四、金属学的研究对象、方法和目的1.研究对象：金属学是关于金属材料的科学，中心内容是研究金属和合金的成分、结构、组织和性能，以及它们之间的相互关系和变化规律。2.方法：可分为实验和理论两个方面实验内容：分析成分、测定结构、观察和鉴别组织。测试性能以及从动力学方面分析结构和组织的形成和变化。理论研究：热力学、分子动力学以及电子理论在金属学中的应用。热力学分析法：用于研究合金系中相的形成和相平衡的条件以及条件变化时相变的方向、限度和驱动力。分子动力学分析法：用于研究金属和合金中各种转变过程中的速度和机理方面的问题。电子理论：可使有关结构和性能方面的研究更深化一步。3.目的：利用成分、结构、组织和性能之间关系和规律来指导科学研究和生产实践，以便更充分有效地发挥现有金属材料的潜力，并进而创制新的金属材料。五、小结一、金属材料的定义二、金属材料的一般性能 掌握机械性能三、决定金属材料性能的一般因素掌握组织、结构四、金属学的研究对象、方法和目的第二章：金属及合金的晶体结构一、复习思考题 二、习题 一、 复习思考题1.概念：晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、刃型位错、螺型位错、固溶体、金属间化合物2空间点阵与晶体点阵有何区别？试举例说明。3.晶体中的位错属于哪种缺陷？4.在体心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？在面心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？5.晶体与非晶体最根本的区别是什么？6.晶体中的缺陷类型有哪几种？举例说明。7已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的晶面。8体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的面。9在晶体中有一平面环状位错线，请问此位错环能否各部分都是刃型位错？或各部分都是螺型位错？为什么？ 10在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一个负刃型位错，并（1）用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量；（2）若将正、负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之反向；（3）具体写出该柏氏矢量的大小和方向；（4）求出此两位错的柏氏矢量和。二、 习题1说明间隙固溶体和间隙化合物的异同点。2常见的金属化合物有哪几类？它们各有何特点？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等是哪种类型的化合物？3碳可以溶入铁中而形成间隙固溶体，试分析是-Fe还是-Fe能溶入较多的碳，为什么？4作图表示出立方晶系的（123）、（112）、（421）晶面和210、111、346晶向。5试计算体心立方晶格的100、110、111晶面的原子面密度和、晶向的原子线密度，并指出其中最密面和最密方向。6.固溶体和化合物在结构、性能方面有什么差异？7. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？8. 已知-Fe的晶格常数a=2.8710-10 m， -Fe的晶格常数a= 3.6410-10 m，试求出-Fe和-Fe的原子半径和致密度。9. 在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。10. 求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面：（1）已知室温下-Fe的点阵常数为0.286nm，分别求出（100），（110），（123）的晶面间距。（2）已知916时-Fe的点阵常数为0.365nm，分别求出（100），（111），（112）的晶面间距。三、基本概念 组织，相，位错，刃型位错，螺型位错，金属键，固溶体，金属化合物，晶胞，空间点阵，配位数，晶带，晶格，界面能，表面能第三章 纯金属的结晶一、 复习思考题指出下列各题错误之处，并更正1在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚2在任何过冷度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶核。3所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。4在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核。5为生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。6非均匀成核总是比均匀成核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不像后者那样形成界面，而引起自由能的增加。7在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低，且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。8纯金属生长时，无论液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。9无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。10人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以树枝状的生长形态仅仅是一种推理。11纯金属结晶呈垂直方式生长时，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。12从宏观上观察，若液/固界面是平直的称为光滑界面结构，若是呈金属锯齿形的称为粗糙界面结构。13实际金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一值后，出现相反的变化。14纯金属在结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。 二、习题1试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。2分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。3什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？4试分析单晶体形成的基本条件。5已知铜的熔点为1083，结晶潜热为1.88109J/m3，液固界面的界面能为0.144 J/m2。试计算铜在853凝固时（均匀形核）的临界晶核半径？并计算临界晶核中有多少个铜原子？6在液态中形成一个半径为r的球形晶核时，证明临界形核功Gk与临界晶核体积V间的关系为Gk=V/2Gv7简述纯金属晶体长大的机制及其与固/液界面微观结构的关系。 8.设液体结晶时，形成边长为a的立方体晶核。已知均匀形核的单位固液界面能和固液单位体积自由能差Gv，推导出临界晶核边长a*和临界晶核形成功G*。9. 从能量的角度，分析指出结晶过程的阻力是什么？动力是什么？10. 简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。三、讨 论 题今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件，你知道有哪些方法？并请说出各种方法的基本原理。第四章 二元合金的结晶及相图一、复习思考题指出下列各题错误之处，并更正。1固溶体晶粒内的枝晶偏析，由于主轴与枝间的成分不同，所以整个晶粒不是一个相。2固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化；固相成分沿着固相平均成分线变化。3根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为2，即温度与成分都可以独立改变。4在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的重量百分数，而共晶线属于三相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。5任何合金在不平衡结晶时，总是先结晶的固溶体晶轴含高熔点组元较多，而后结晶的固溶体枝间含低熔点组元较多。6固溶体核长大的过程，就是液相与固相内出现“平衡不平衡平衡不平衡”的反复发展过程。7当固溶体合金液相快速冷却至液、固两相区内某一温度，并保持一定的时间后，再缓慢冷至室温，仍可以获得平衡状态的组织。8固溶体合金圆棒顺序结晶过程中，液/固界面推进的速度越快，则棒中宏观偏析越严重。9平均分配系数取决于液相线与固相线的水平距离。因此，合金的成分越靠近匀晶相图的两端，就越小。10将固溶体合金棒反复多次“熔化凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效地提纯金属。11厚薄不均匀的Ni-Cu合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处易形成胞状组织。12亚共晶合金的典型平衡组织为初生相+共晶相。13在不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离异共晶组织。14具有包晶转变的合金，室温的相组成物为+，其中相均是包晶转变产物。15具有包晶转变合金的室温组织中，不平衡结晶状态比平衡结晶状态的初生相总是偏多。16纯金属和固溶体的铸态组织一样，都具有等轴晶粒。 二、习题1试比较共晶转变、包晶转变、共析转变与匀晶转变的异同。 2. 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能成树枝状成长，而固溶体合金却能成树枝状成长？3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含镊量WNi=90%，另一个铸件的WNi=50%，铸件自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。4.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？三、讨 论 题1.由于实际操作中金属液体的凝固往往很难保证按平衡凝固进行，那么，对于分别具有匀晶、共晶、包晶相图的非平衡凝固过程是如何进行的？你认为可能会出现哪些缺陷？如何防止或克服这些缺陷？第五章 铁碳相图及铁碳合金的结晶一、复习思考题指出下列各题错误之处，并更正：1铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，前者少而后者多。2727是铁素体与奥氏体的同素异构转变温度。3Fe-Fe3C相图上的G点是相与相的同素异构转变温度。4在平衡结晶条件下，无论何种成分的碳钢所形成的奥氏体都是包晶转变产物。5在Fe-Fe3C系合金中，只有过共析钢的平衡结晶组织中才有二次渗碳体存在。6在Fe-Fe3C系合金中，只有含碳量低于0.0218%的合金，平衡结晶的组织中才有三次渗碳体存在。7Fe-Fe3C相图中的GS线也是碳在奥氏体中的溶解度曲线。8凡是碳钢的平衡结晶过程都具有共析转变，而没有共晶转变；相反，对于铸铁则只有共晶转变而没有共析转变。9无论何种成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，而珠光体相对量不断增加。10在含碳4.3%共晶白口铸铁的显微组织中，白色的基体为Fe3C，其中包括Fe3C、Fe3C、Fe3C、Fe3C共析及Fe3C共晶。11图4-1（a）为过共析钢苦味酸钠浸蚀后的组织，白色为奥氏体晶粒，黑白网状晶界为二次渗碳体。 12图4-1（b）组织为珠光体+铁素体，从图中定量关系可以看出，该钢属于60钢（含0.6%C）。13图4-1（c）为含0.77%C的珠光体组织，图中显示渗碳体片密集程度不同，凡是片层密集处则含碳量偏多，而疏稀处则含碳量偏少。14图4-1（d）为亚共晶白口铸铁的室温组织，其中呈树枝状分布的组织为珠光体，而莱氏体中小黑块为奥氏体。15在观察亚共晶白口铸铁组织时发现，在大块珠光体周围的莱氏体中（如图4-29（d）白色部分）含碳量偏高。二、习题1作含碳0.2%钢的冷却曲线，绘制1496、1494、912、750、725及20下的组织示意图。2厚20mm的共析钢板在强脱碳性气体中加热至930和780两种温度，并长时间保温，然后缓慢冷至室温，试画出钢板从表面至心部的组织示意图，并解释之。 3试说明铁碳合金平衡组织中各类渗碳体的形成条件、存在形式与显微组织特征。4试利用冷却曲线分析含碳量0.3%亚共析钢平衡组织的形成过程。若已知亚共析组织中先共析铁素体含量为90%，试确定该钢的大致含碳量。5试分析在一个含碳量2.0%的铁碳合金试样组织中出现少量莱氏体的原因。 6. （1）画出铁碳相图，标出各区的组织组成物；（2）分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平衡组织示意图，标出各组织组成物；（3）根据杠杆定律，计算各组织组成物的相对重量。三、讨 论 题冷却速度对合金组织有着重要的影响，今要使钢：晶粒得到细化；产生良好的时效强化效果。请问从冷却速度方面，你能想到什么办法来达到以上目的？四、概念-Fe、铁素体、珠光体、奥氏体、金属键、离子键、共价键、极化键、位错、过冷度、相律期中测验一、解释名词 -Fe、铁素体、珠光体、奥氏体二、填空题1. 一块纯铁在912发生-Fe-Fe转变时，体积将 。2. F的晶体结构为 ；A的晶体结构为 。3. 共析成分的铁碳合金室温平衡组织是 ，其组成相是 。4. 用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体含量为80%，则此钢的碳含量为 。三、是非题1. 铁素体的本质是碳在-Fe中的间隙相。1. 20钢比T12钢的碳含量要高。2. Fe3C与 Fe3C的形态与晶体结构均不相同。3. 在退火状态（接近平衡组织），45钢比20钢的硬度和强度都高。4. 在铁碳合金平衡结晶过程中，只有成分为4.3%C的铁碳合金才能发生共晶反应。四、选择正确答案1. 奥氏体是：a. 碳在-Fe中的间隙固溶体；b.碳在-Fe中的间隙固溶体；c.碳在 -Fe中的有限固溶体。2. 珠光体是一种：a. 单相固溶体；b. 两相混合物；c. Fe与C的化合物。3. T10钢的含碳量为：a. 0.10%；b. 1.0%；c. 10%。4. 铁素体的机械性能特点是：a. 强度高、塑性好、硬度低；b. 强度低、塑性差、硬度低；c. 强度低、塑性好、硬度低。五、综合题（1）画出铁碳相图，标出各区的组织组成物；（2）分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平衡组织示意图，标出各组织组成物；（3）根据杠杆定律，计算各组织组成物的相对重量。第七、八章 金属的塑性变形及回复与再结晶一、概念滑移，滑移系，弹性变形，塑性变形，加工硬化，回复，再结晶，热加工，再结晶温度，二次再结晶二、简述题1. 在再结晶核心的长大和再结晶后的晶粒正常长大过程中，晶界移动的驱动力各是什么？晶界移动的方向各有什么不同？2. 分别指出金属的冷变形量、再结晶温度及金属原始晶粒尺寸对金属再结晶后的晶粒大小有何影响，并说明产生这种影响的原因。(P209)当变形量很小时，金属材料的晶粒仍保持原状，这是由于变形量小，畸变能很小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小没有变化；（2分）当变形量达到某一数值（一般金属均在2-10%范围内）时，再结晶后的晶粒变得特别粗大；2分）当变形超过临界变形量后，则晶粒逐渐细化，变形量越大，晶粒越细小。（3. 画图并叙述形变过程中位错的增殖机制。4. 简述形变金属在退火过程中显微组织、储存能及力学性能的变化。5. 说明使多晶体晶粒细化能使材料的强度提高、塑性增加的原因。6. 什么是形变织构？什么是再结晶织构？(p213)7. 冷变形金属加热发生低温回复、中温和高温回复时晶体内部发生了什么变化？8. 与单晶体的塑性变形相比较，说明多晶体塑性变形的特点。工程上使用的金属绝大部分是多晶体.。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，因此变形要复杂得多。1.多晶体中, 由于晶界上原子排列不很规则, 阻碍位错的运动, 使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。 2.多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。 由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。第九章 固态相变1. 什么是相、相变和相图？2. 简述相变的几种分类方法和种类。3. 试述如何通过相变改变钢铁材料的性能。4. 简述固态相变的主要特征。5. 固态相变的阻力是哪几项？6. 金属固态相变有哪些主要特征。7. 什么叫固溶体的脱溶？说明连续脱溶和不连续脱溶在脱溶过程中母相成分变化的特点。8. 试说明临界点A1、A3、Acm与加热、冷却过程中的临界点之间有何关系？第十章 热处理1. 试分析影响奥氏体晶粒长大的因素。2. 试说明临界点A1、A3、Acm与加热、冷却过程中的临界点之间有何关系？3. 分析影响珠光体转变的动力学因素。4. 试分析粒状珠光体的形成条件及形成机制。5. 试述马氏体相变的主要特征及马氏体相变的判据。6. 试述马氏体具有高强度和高硬度的原因？7. 何谓晶粒，晶粒为什么长大，细化奥氏体晶粒的措施有哪些？8. 分析Al-Cu合金的时效过程，并写出析出贯序。9. 试分析钢在连续加热时珠光体向奥氏体转变的特点。10. 试分析奥氏体晶粒长大的动力及晶界阻力。11. 试述钢中马氏体的晶体结构和形貌。第三章 纯金属的结晶本章简介金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固而形成晶体的的过程称为结晶。所有通过冶炼和铸造而制得的金属材料都必经历此重要生产过程，这个过程决定了金属和合金的铸态结构、组织和性能。因此，对于铸件来说，也就基本上决定了它的使用寿命和使用性能；而对于还需要进一步加工的铸锭来说，既直接影响它的轧制和锻压工艺性能，又间接影响到后步工序所要求的工艺性能，并且在很大程度上还会影响到制成品的使用性能。从生产流程着眼，这一章主要讨论铸造结构中结构，特别是组织的形成和变化规律以及和性能之间的联系，以作为分析和解决铸造生产中有关质量问题的理论基础。而铸造质量又在一定程度上取决于冶炼质量并决定着锻压质量，是影响冶金质量的重要因素。从学科本身来看，这一章是金属学中关于相变的主要内容之一，它既是直接阐述结晶过程的基本规律，又是为其它相变和组织转变奠定基础。第一节液体金属结构 液体金属的结构比较固体与液体的有关数据可知：(1)液体中原子之间的平均距离比固体中略大。(2)液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数小，通常在811的范围内，故熔化时体积略微膨胀，但对非密排结构的晶体如：Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配位数反而增大，故熔化时体积略为收缩，如表6-1所示。(3)液态中原子排列混乱度增加。 依据以上特性提出液态金属结构的概念，认为液态金属的原子不是完全无序、混乱的分布，而是在微小区域内存在着有序、规则的排列。在图2-1中示意地说明了晶体和液相的原子排列模型。 在液体金属中，原子排列不像在气体中那样的无次序，但是，它们也不具有固体晶体规则排列的特征。在晶体中，原子保持固定的间距，并在长距离范围呈规则排列（长程有序）。图2-1是晶体原子排列模型的示意图。 在液体金属中仅能看到所谓的短程有序，原子只在很短的距离内保持着有序的排列。由于原子的强烈热运动短程有序在动力学上是不稳定的。图2-1是液体原子排列模型的示意图。 图液体金属中原子呈短程有序排列短程有序的不稳定表现为：在一定时间内液体中可能出现一些原子呈规则排列的微体积。经过一段时间之后，它们就消散。同时，在液体的另外一些微体积中又会形成原子的规则排列。这一过程可以不断重复进行。随着温度的下降，短程有序的程度和微观体积的尺寸增大。因此，液态金属是由近程有序排列的原子集团所组成。这些原子集团是不稳定的，瞬时形成，瞬时消失，时聚时散，与系统的能量起伏相对应。这些原子集团的尺寸也是不同的，形成结构起伏。 由液体金属的结构说明，结晶过程实质上是由不稳定的具有近程有序排列原子集团的液体结构转变为稳定的长程（远程）有序结构的晶体第二节 凝固的基本类型及特征 一、凝固的基本类型结晶既是物质状态和相的转变，不言而喻，在结晶过程中，必然要发生结构的变化，但对合金来说，同时还会发生化学成分的变化。根据这一特点可将凝固分为两类: （1） 同分凝固 其特点是结晶出的晶体和母液的化学成分完全一样，或者说，在结晶过程中只发生结构的改组而无化学成分的变化。纯金属以及成分恰处于相图中液相线（或液相面)的最高点或最低的那些合金（包括固溶体和化合物），及固、液线（或面）重合为一点的合金其结晶都属于这一类。 （2） 异分凝固 其特点是结晶出的晶体和母液的化学成分不一样，或者说，在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶。绝大部分合金，特别是实际应用合金的结晶，大多可归于这一类。这一类结晶过程较复杂，但与实际生产关系甚大。此外，也可以根据结晶后的组织特点，而将结晶分为以下两类： （1） 匀晶凝固 其特点是结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织由单一的均匀晶粒所组成，即得到单相组织。同分凝固的金属和合金属于这一类，但不少异分结晶的合金，例如固溶体合金系的结晶，或只有边际固溶体的合金其结晶也属于这一类。 （2） 非匀晶凝固 其特点是结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分和金的结晶属于这一类。铸态合金的复相组织大多由此而形成。 二、凝固过程的宏观特征 实验表明，凝固过程中的宏观现象主要表现在以下两点：（1） 过冷现象 用图2-3所示的装置，将一块纯金属放入加热炉内的坩埚中加热使之熔化，然后缓慢冷却。用记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，所获得的曲线如图2-4所示。这种曲线叫做冷却曲线。上述实验方法叫做热分析法。 图2-3 热分析装置示意图 图2-4 冷却曲线 实验表明，金属开始凝固的温度Tn低于其熔点Tm，这种现象叫做过冷。Tm与Tn的差值T叫做过冷度。不同金属过冷倾向不同。同一金属在不同冷却条件下凝固时过冷度也不同。冷却速度越大，过冷度也越大。过冷是金属结晶时必然出现的现象。 （2） 凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称之为结晶潜热。 如图2-4所示的冷却曲线中有一段下凹曲线，它的最低点所对应的温度是Tn。Tn是在该试验条件下开始结晶的温度。金属结晶时将放出潜热。在凝固的初始阶段，放出的潜热超过熔体向环境散失的热量，因而曲线上升。随后放热与散热逐渐接近平衡，曲线出现接近水平的线段。后期放热慢于散热，曲线缓慢下降。 三、凝固的微观基本过程结晶过程应是一个由生核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程。对一个晶粒来说，它具有严格区分的生核和长大阶段，但从整体来说，二者是交织在一起的，除非是单晶体的结晶过程金属学课程 金属及合金的固态结构纯金属的结晶二元相图与结晶金属及合金的形变回复与再结晶扩散 铁碳相图 碳钢 铸铁 热处理原理及工艺 本章内容 液态金属结构 凝固的基本类型及特征 纯金属凝固时的热力学条件 金属凝固