金属材料学必考重点

二近代物理学的观点认为，处于凝聚态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。固体金属根据其原子排列特点可以分为三类：晶体金属、非晶金属和准晶金属晶体结构指晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。晶胞能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶格常数取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作为三个坐标轴X、Y、Z，称为晶轴，以棱边长度a、b、c和棱面夹角、表示晶胞的形状和大小。其中棱边长度称为晶格常数，单位为最典型最常见的有三种类型，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。前两者属于立方晶系，后者属于六方晶系。体心立方结构的晶胞模型如图所示。晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90，构成立方体。除了在晶胞的八个角上各有一个原子外，在立方体的中心还有一个原子面心立方结构的晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子密排六方结构的晶胞如图所示。在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向，需要有一种统一的表示方法，这就是晶面指数和晶向指数。原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和力学性能不同，即无论是弹性模量、断裂抗力、屈服强度，还是电阻率、磁导率、线膨胀系数以及在酸中的溶解速度等方面都表现出明显的差异。具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型或同素异构当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。晶体缺陷不但对金属及合金的性能，其中特别是那些对结构敏感的性能，如强度、塑性、电阻等产生重大的影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中起着重要作用点缺陷其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空位、间隙原子等。线缺陷其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一类的主要是位错。面缺陷其特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界等。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。位错有多种类型，其中最简单、最基本的类型有两种：一种是刃型位错，另一种是螺型位错位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用刃型位错设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处原子列称之为刃型位错线刃型位错具有以下几个重要特征： 1）刃型位错有一额外半原子面。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设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了已滑移区和未滑移区的边界BC，BC就是螺型位错线。由于位错线附近的原子是按螺旋形排列的，所以这种位错叫做螺型位错。螺型位错具有以下重要特征: 1）螺型位错没有额外半原子面。 2）螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，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。柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错实质的一个很重要的标志，它集中地反映了位错区域内畸变总量的大小和方向位错对金属材料性能的影响金属的塑性变形主要由位错运动引起，阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度实际晶体中经常含有大量的位错，通常把单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度另一个定义是：穿过单位截面积的位错线数目，单位也是cm-2。晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，简称晶界。当相邻晶粒的位向差小于10时，称为小角度晶界；位向差大于10时，称为大角度晶界由于晶界上的原子或多或少地偏离了其平衡位置，因而就会或多或少地具有晶界能，一般为13J/m2。晶界能越高，则晶界越不稳定。高的晶界能就具有向低的晶界能转化的趋势，这就导致了晶界的运动。晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。晶界的迁移是原子的扩散过程，只有在比较高的温度下才有可能进行。晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高。因此，对于在较低温度下使用的金属材料，一般总是希望获得较细小的晶粒。由于晶界能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形塑性变形的形式：滑移和孪生滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。？因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。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。结晶过程一定是凝固过程和相变过程，凝固过程不一定是结晶过程和相变过程，相变过程不一定是结晶过程和凝固过程。非均匀形核更为普遍。晶核的长大有两种方式，即均匀长大和树枝状长大金属晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。也可以用单位体积内晶粒的数目来表示。数目越多，晶体越小。晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。如金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶粒细化而提高。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。组成合金的最基本的独立物质称为组元，组元可以是元素或稳定化合物。合金的优良性能是由合金各组成相的结构及其形态所决定的。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌（相、晶粒、晶界、缺陷、夹杂物等）。合金中的相结构一类是固溶体，其晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同；习惯以、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。另一类是金属化合物（中间相），其晶体结构与组元的结构不同。在固溶体中，随着溶质浓度增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。与金属化合物相比，固溶体硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程铁碳合金中的共析体称珠光体用P表示奥氏体碳在-Fe中的固溶体称奥氏体强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行A或表示含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le,合金太脆。含碳量对工艺性能的影响 切削性能: 中碳钢合适 可锻性能: 低碳钢好 焊接性能: 低碳钢好 铸造性能: 共晶合金好三热处理只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。热处理？是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。普通热处理退火正火淬火回火表面热处理表面淬火感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等其他热处理控制气氛热处理真空热处理形变热处理激光热处理影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, 晶粒粗大。加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细。合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 原始组织:钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小奥氏体在相变点A1以下不立即发生转变，而经过一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体 厚薄片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。珠光体转变是扩散型转变下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。马氏体转变是强化钢的重要途径之一马氏体的形态主要取决于其含碳量：C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针片马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。无扩散性 共格切变性 降温形成高速长大 转变不完全过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050保温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的获得马氏体组织，提高钢的性能。淬火的关键因素：淬火温度淬火介质淬火方法淬透性淬透性的测定常用末端淬火法回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250350回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。第二类回火脆性又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性.回火后快冷不出现，是可逆的。防止办法： 回火后快冷。 加入合金元素W (约1%)、 Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧用作表面淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢渗碳温度：为900950。四按化学成分分碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。 按用途分 结构钢工具钢特殊性能钢S：是有害杂质元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。P：也是有害杂质元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。0.045%以下氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。合金元素在钢中的作用 对钢中基本相的影响1、 溶于铁素体, 起固溶强化作用2、形成碳化物，起强化相作用Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区元素Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区元素提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火高速钢加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火三次回火磨削防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。 不锈钢中合金元素的作用1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位(n/8规律)3、Ni：获得单相奥氏体组织 4、Mo：耐有机酸腐蚀5、Ti, Nb: 防止奥氏体钢晶间腐蚀提高高温强度的途径: 固溶强化； 析出强化； 晶界强化(加入B、Zr等降低晶界能量)五铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为三类： 1.白口铸铁 2.灰口铸铁 3.麻口铸铁工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。根据灰口铸铁中石墨形态的不同，又可分为： （1）灰铸铁 （2）球墨铸铁 （3）蠕墨铸铁 （4）可锻铸铁铸铁的性能特点 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。 耐磨性能好。石墨本身有润滑作用。 消振性能好。石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。铸铁硅含量高, 成分接近于共晶。 切削性能好。石墨使车屑容易脆断，不粘刀。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的3050%，热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有： 消除内应力退火(又称人工时效) 消除白口组织退火 表面淬火 球墨铸铁是石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到。 球墨铸铁的抗拉强度、塑性、韧性高于其他铸铁；冲击疲劳抗力高于中碳钢；塑性和韧性却低于钢。球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。蠕墨铸铁是石墨呈蠕虫状的灰口铸铁。蠕墨铸铁中石墨形似片状，但石墨片短而厚，端部较钝、较圆。液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土