金属学原理期末复习 缩印

1、金属学热处理I第一章 金属的晶体结构第一节、金属1、 金属的定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质（温度升高，电阻升高） 特点：良好的导电性良好的导热性正的电阻温度系数有金属光泽 延展性2、 金属及合金主要以金属键的方式结合，金属键的结合能力强；金属键特点：没有方向性，没有饱和性。第二节、金属的晶体结构1、晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体（金属一般是晶体） 晶体的特性：规则外形固定熔点各向异性 晶体结构：原子在三维空间的具体排列方式 阵点（结点）：将构成晶体的原子忽略，抽象成纯粹的几何点，称为阵点 空间点阵：将阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵。

2、晶格：将阵点用直线连接起来形成的空间格子，称为晶格。 晶胞：从晶体中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。（选取原则：对称性最高） 2、晶格常数分为7种类型（晶胞），对应七种晶系（三斜、单斜、正交、六方、菱方、立方，四方）14种布拉菲点阵。常见的三种金属晶体结构比较：晶格类型晶胞中原子数原子半径配位数致密度体心立方（bcc）2(3/4)a80.68面心立方（fcc）4(2/4)a120.74密排六方（hcp）6a/2120.74密排六方与面心立方结构的配位数及致密度相同。晶体中的间隙（通常为非金属原子C、N等进入，间隙大并不代表就

3、容易进入）间隙分为两种：八面体间隙（6个原子围成）和四面体间隙（4个原子围成）体心立方中四面体间隙比八面体间隙大得多；面心立方中八面体间隙比四面体间隙大得多。3、晶面、晶向指数：晶面：由一系列原子组成的平面 晶向：任意两个原子之间连线所指的方向两个定理：在立方结构中， 当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，必须满足hu+kv+lw=0; 当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h, v=k, w=l.3、 晶体的各向异性是晶体的重要特征，是区别非金属的重要标志；产生各向异性的原因：不同晶向上原子紧密程度不同。金属属于多晶体，多晶体中晶粒位向是任意的，晶粒

4、的各向异性被抵消。第三节、 实际金属的晶体结构1、点缺陷：空位，间隙原子和置换原子 空位 形成：原子脱离原来的平衡位置 条件：存在能量起伏 间隙原子（通常为非金属原子，尺寸较小，比如H,N,C,B）是热平衡缺陷的一种， 置换原子（通常为金属原子）占据在原来基体平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于原子大小区别也会造成畸变。置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称为固溶度或溶解度，通常比间隙原子固溶度大得多。 点缺陷造成的影响： 结构变化-晶格畸变强化金属（固溶强化） 加速金属中的扩散过程 破坏原子排列规律性增加电阻 线缺陷各种位错（主要以刃型位错、螺型位错、混合型位错 位错对金属的强度、

5、断裂和塑性变形起着决定性作用位错形成：金属结晶、塑性变形和相变过程中。 刃型位错特征：1、 存在一个额外的半原子面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。正刃型位错画面上为压应力，下为拉应力。3、 位错线与晶体的滑移方向垂直，位错线的运动方向垂直于位错线。螺型位错特征：1、 不存在额外的半原子面2、 位错线是一个具有一定宽度的晶格畸变管道，只有切应变没有正应变3、 位错线平行于晶体的滑移方向，位错线运动方向垂直于位错线。位错运动的两种形式 滑移 攀移面缺陷影响表面能因素：外部介质的性质裸露晶面的原子密度晶体表面的曲率 相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面

6、称为相界。分三类：共格界面，半共格界面和非共格界面晶界能越高，晶界越不稳定。高晶界能有向低晶界能转化趋势，导致晶界运动。晶界迁移是原子扩散过程，只有在较高温度下才可能发生；晶界上空位，位错等缺陷较多，因此原子扩散较快，发生相变时，新相晶核往往现在晶界形成。第二章 纯金属的结晶第一节、金属结晶现象1、结晶：金属由液态变为固态的过程2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm和实际结晶温度Tn之差，以T表示，T=Tm-Tn，过冷度越大，实际结晶温度越低，过冷度与金属本性、纯度以及冷却速度有关。3、结晶潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。4、结晶规律：形核与长大的过

7、程第二节、金属结晶的热力学条件1、为什么金属结晶需要一定的过冷度？答：这是由热力学条件决定的，根据热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能低的状态，液态金属要结晶，固相自由能必须低于液相自由能，两相自由能之差构成了结晶过程所必须的驱动力。故只有在过冷条件下，才能使Gs<Gl Gv=-Hf+T*Hf/Tm=-Hf(Tm-T)/Tm=-Hf*T/Tm，过冷度越大，液固两相自由能差值越大，相变驱动力越大，结晶速度越快。第三节 金属结晶的结构条件1、结构条件：存在结构起伏（相起伏）结构起伏：液态金属中，近程有序的原子集团时聚时散，起伏不定的现象。第四节 晶核

8、的形成1、 两种形核方式：均匀形核和非均匀形核均匀形核（液体内各区域形核概率相同，比较困难且需要较大的过冷度） 原子从液态转变为固态降低了系统自由能，是驱动力 晶胚构成新表面，形成表面能，提高系统自由能，阻碍结晶。系统自由能：G=VGv+S总的自由能是体积自由能和表面能的代数和 当r<rk时，晶胚不能成为稳定的晶核 当r>r0时，晶胚能形成稳定的晶核 当rk<r,r0时，体积自由能下降只能补偿表面能的2/3,剩下由形核功Gk补偿（能量起伏） T，rk和Gk,易于形核，形核率形核率 原子迁移与扩散非均匀形核（通常情况下的形核方式，需要较小的过冷度） 过冷度 固体杂质结构的影响（

9、接触角越小，形核功越小，形核率越高影响形核率因素 固体杂质形貌的影响（凹<平<凸） 过热度（过热度越高，形核率越低）金属结晶形核要点： 液态金属结晶必须在过冷液体中进行 临界形核半径与表面能成正比，与过冷度成反比 形核既需要结构起伏也需要能量起伏 晶核的形成是原子迁移扩散的过程，需要在一定温度下进行 工业生产中液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行第五节 晶核长大1、 条件：动力学条件足够高的温度。 热力学条件有一定的过冷度2、粗糙界面在较小的过冷度下才垂直生长（连续生长），速度快光滑界面在较大过冷度下才能以二维晶核与螺型位错方式长大，且速度很慢随着过冷度增大，速度先增大，直到极大

10、值后又减少3.、固液界面前沿液体中的温度梯度：正温度梯度和负温度梯度 晶体生长的界面形状： 光滑界面：以密排面为表面具有规则的几何外形正温度梯度下 粗糙界面：平面长大 光滑界面 负温度梯度下 粗糙界面：树枝状生长6、晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。 提高过冷度7、细化晶粒的措施 变质处理 振动结晶第六节 金属铸锭的宏观组织与缺陷1、 铸锭金属三晶区：表层的细晶区，中间的柱状晶区和中心部的等轴晶区2、 铸件缺陷：气孔、缩孔和夹杂物第三章 二元合金的相结构与结晶第一节 合金的相组织固溶体1、 固溶体：合金中的组员之间以不同比例相互混合后形成的

11、固相，其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。2、 分类：按溶质原子在晶格中所占的位置分类 置换固溶体 间隙固溶体按溶质在固溶体溶解度不同分类：有限固溶体 无限固溶体按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类：无序固溶体有序固溶体3、 固溶体结构特点 晶格畸变 偏聚与短程有序（偏聚：同种原子结合力大于异种原子；短程有序：相反） 有序固溶体4、 固溶体性能：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度和硬度提高，而韧塑性有所下降，这种现象称为固溶强化。金属化合物 金属化合物：合金中组元相互作用，当超过固溶体的固溶度，还可以形成晶体结构和性能均不同于任一组元的金属化合物 分类：正常

12、价化合物 电子化合物 3间隙相和间隙化合物第三节 二元合金相图的建立1、 相律：相律是在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。当系统压力为常数时，F=C-P+1，利用相律可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。第四节 匀晶相图及固溶体1、 匀晶相图：两组元液态、固态均无限互溶的二元合金相图 两线三区 固溶体合金结晶过程也是一个形核与长大的过程 形核方式：均匀形核与非均匀形核 结晶不仅需要结构起伏和能量起伏、还需要成分起伏2 与纯金属结晶相比的不同特点：异分结晶 成分起伏结晶需要一定的温度范围2、 固溶体结晶过程是与液相以及固相内的原子扩散过程有关固相成核温度梯度相内扩散界面浓度不平

13、衡晶核长大重新建立平衡3、 关于固溶体的不平衡结晶 枝晶偏析：在晶粒内部出现化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，由于固溶体晶体通常是树枝状，枝干，枝间化学成分不同，所以又称为枝晶偏析。 影响因素：分配系数溶质原子扩散能力（扩散能力越大，偏析越小）冷却速度 对合金性能影响：机械性能下降韧塑性下降不易加工抗蚀性下降 消除方法：均匀化退火区域提纯（区域熔炼）：根据区域偏析原理，用以提纯金属4、 成分过冷：固溶体在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成浓度梯度，从而产生成分过冷。 形成条件： 对晶体成长形状的影响：不出现成分过冷平面状生长（正温度梯度下） 出现成分过冷胞状、树枝状生长第六节 包晶相图

14、及其合金的结晶P94-96 1、包晶转变产生的不平衡组织，可采用长时间的均匀化退火来减少或消除2、包晶转变特点：第二相依附在初晶生长和包晶转变具有不完全3、包晶转变可细化晶粒第七节、其他类型的二元合金相图1、 共析转变：一定成分的固相，在一定温度下分解成另外两个一定成分固相的转变过程，称为共析转变。第四章 铁碳合金1、铁的同素异构转变 -Fe,具有体心立方晶格1538 -Fe,具有面心立方晶格 1394 细化晶粒 -Fe,具有体心立方晶格9122、铁素体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，体心结构，用F或者表示 强度硬度低 奥氏体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，面心结构，用A或者表示 韧性塑性高 注：

15、铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多 渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的间隙化合物，高熔点高硬度，塑性差 珠光体（P）：铁素体与渗碳体薄片相间的机械混合物，性能介于铁素体和渗碳体之间 片状珠光体经球化退火后形成粒状珠光体（韧塑性比片状珠光体好） 莱氏体（Ld）：奥氏体与渗碳体组成的共晶体，塑性很差 马氏体（M）：钢铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体。硬度高，塑性差。3、铁碳相图（Fe -FeC）分析A 1538 0 纯铁熔点B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分C 1148 4.30 共晶点D 1227 6.69 渗碳体的熔点E 1148 2.11 碳在-Fe中最大溶

16、解度F 1148 6.69 渗碳体的成分G 912 0 -Fe -Fe转变温度A3H 1495 0.09 碳在-Fe中最大溶解度J 1495 0.17 包晶点K 727 6.69 渗碳体的成分M 770 0 纯铁磁性转变点N 1394 0 -Fe-Fe的转变温度O 770 约0.5 Wc=0.5%合金的磁性转变点P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度S 727 0.77 共析点A1Q 600 0.0057 600°C时在-Fe中的溶解度4、五种渗碳体：一次渗碳体：由液相直接析出的渗碳体称为一次渗碳体，呈板条状二次渗碳体：由A中析出的Fe3C称为二次渗碳体，网状分布在奥氏体

17、晶界三次渗碳体：由F中析出的Fe3C称为三次渗碳体，沿晶界呈小片状分布共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，与铁素体呈交替层片状。第六章 金属及合金的塑性变形与断裂第一节 金属的变形特征1、 金属在外力作用下的变形过程可分为弹性变形，弹塑性变形和断裂三个连续阶段2、 应力应变曲线 工程应力-应变曲线（假设试样横截面积不变） 真应力-应变曲线e弹性极限 s屈服极限 b抗拉强度（强度极限） 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

18、屈服极限3、 弹性是金属的一种重要特性。弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形阶段中还伴随着一定的弹性变形 弹性模量E是一个对组织不敏感的性能指标，取决于原子间结合力大小，与金属材料合金化、加工过程和热处理影响不大4、 刚度：构件产生弹性形变的难易程度韧性：材料对断裂的抵抗能力第二节 单晶体的塑性变形滑移1、 在常温和低温下金属塑性变形主要通过滑移的方式进行，此外还有孪生等。2、金属中滑移系越多，滑移面上原子密排程度和滑移方向的数目金属塑性越好有关。面心（12个）>体心（12个）>密排六方（3个）2、 临界分切应力=s*coscos 与金属本性有关，不受和影响 软取向：外力与

19、滑移面，滑移方向夹角均为45°时，取向因子有最大值0.5，s最小， 金属容易滑动。 硬取向：外力与滑移面平行或者垂直，取向因子为0，s无穷，无法滑移3、 加工硬化（形变强化，冷作硬化）金属变形时，随着塑性变形的增大，强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象 强化金属的重要途径利 提高材料使用安全性 材料加工成型保障4、 单滑移（加工硬化效果小）多滑移（加工硬化效果突然上升）交滑移（加工硬化效果下降）5、 滑移的位错机制 位错运动与晶体滑移位错增殖位错交割与塞积孪生1、 孪生形成的晶体取向的镜面对称的位向关系，通常把对称的两部分晶体称为孪晶。2、 孪生对塑性变形的贡献不及滑移（hcp金属

20、除外）第三节 多晶体的塑性变形1、 特点：晶体变形的不同时性晶粒间变形的协调性多晶变形的不均匀性2、 霍尔-配奇公式（Hall-Petch） s=0+kd-1/2 常温下金属材料的屈服强度与晶粒直径的关系关于此公式的解释晶粒越细，s屈 强度越高的原因：多晶中，s是与滑移丛先塑性变形的晶体转变到相邻晶粒。主要取决于已滑移晶粒附近位错塞积群所产生的应力集中。当外加应力和其他一定时，位错数目N是与距离（晶粒位错源）成正比。而晶粒越大，距离就越大，应力集中就越大，塑性变形机会就越大。第四节 合金的塑性变形1、 根据合金组织分类：单相固溶体合金多相合金2、 单相固溶体塑性变形强化机制： 晶格畸变，阻碍位

21、错运动柯氏气团强化（对位错起钉扎作用）3、 多相合金的塑性变形结构：基体+第二相两性能相近：按强度分数相加计算两相性能差别很大（软基体+硬第二相）结构：硬而脆的第二相网状分布在晶界（二次渗碳体） 脆性相呈层片状分布在基体上（珠光体） 脆性第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）两种强化机制：位错绕过第二相粒子（弥散强化） 位错切过第二相粒子（沉淀强化）第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响1、 显微组织的变化（出现纤维组织）2、 亚结构的细化（变形亚晶的出现加工硬化的主要原因）3、 形变织构（丝织构和板织构）残余应力分类 宏观内应力（第一类内应力） 微观内应力（第二类内应力） 点阵畸变（第三类内应力）

22、第六节 金属的断裂1、 断裂时金属材料在外力作用下丧失连续性的过程，它包括裂纹的萌生和扩散两个过程。2、 塑性断裂与脆性断裂在韧塑性较好的金属中穿晶断裂通常发生在高强度或韧塑性差的金属或合金中沿晶断裂3、 影响断裂的基本因素： 裂纹和应力状态的影响温度的影响第七章 金属及合金的回复与再结晶第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化1、 退火：形变金属的组织和性能在加热时逐渐发生变化，向稳定态转变，此过程称为退火。2、 典型的退火过程，随保温时间的延长或温度的升高，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段3、 回复与再结晶的驱动力：储存能的降低4、 弹性应变能（3-12%）储存能 位错（80-90%）

23、 再结晶大量释放储存能， 点缺陷 回复仅释放一小部分储存能第二节 回复1、 在回复过程中，显微组织无可见变化，物理力学性能部分恢复，强度硬度略有下降，韧塑性略有提高2、 回复机制：1 低温回复（0.1-0.3Tm）：空位运动，点缺陷密度下降 中温回复（0.3-0.5Tm）：位错滑移，位错密度下降高温回复（>0.5Tm）：位错的攀移运动3、 在回复阶段，大部分甚至全部第一类内应力可以消除（通过去应力退火），第二类或第三类内应力只能消除一部分，经再结晶之后，因塑性变形造成的内应力可以完全消除4、 去应力退火作用（回复退火或者时效处理）：使冷加工的金属在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应

24、力（主要是第一类内应力），减轻工件翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其韧塑性，提高使用安全性。同时强度硬度下降不多。第三节 再结晶1、 再结晶的驱动力：畸变能差。产生了无畸变的等轴晶粒，强度硬度明显下降，塑性明显提高。2、 再结晶与同素异构转变的异同点：同：都是重新形核与长大的过程异：再结晶前后晶体结构与母相相同，不是相变；而同素异构转变中晶体结构发生了变化，产生了相变。3、 两种形核机制：亚晶长大形核机制和晶界突出形核机制4、 再结晶温度：经过严重冷变形的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶的温度。影响因素：变形度，T金属纯度，T形变金属的晶粒越细小，T加热速度太快或太慢，会

25、使T5、 再结晶退火温度通常比其最低再结晶温度高出100-2006、 关于变形度与晶粒尺寸大小的关系（临界变形度）再结晶晶粒平均直径d=K（G/N）1/4影响因素 变形度 再结晶退火温度 原始晶粒尺寸大小 合金元素及杂质当变形度很小时，晶粒仍保持原状。当变达到某数值时，再结晶的晶粒变得特别粗大，当变超过临界变形度后，则变形度 晶粒越细小。当变形度达到一定程度后，结晶大小基本保持不变。而对于某些金属和合金，变形度相当大时，再结晶晶粒又会重新出现粗化现象。第四节 晶粒长大1、 晶粒长大驱动力：界面能差。晶界移动，晶粒粗化达到相对稳定的尺寸。硬度强度继续下降，塑性继续提高，严重粗化时下降。2、 晶粒长大分为两种：正常长大（晶粒连续均匀长大）和反常长大（二次再结晶）影响因素：温度杂志及合金元素第二相质点相邻晶粒位相差3、 反常长大（二次再结晶）：一次再结晶完成后，在继续保温或提高加热温度时，绝大多数晶粒长大很慢，少数晶粒长大异常迅速结构材料：避