金属学与热处理总复习

1、1第第1 1章章 复习复习2金属键金属键n典型金属原子结构典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子形成电子云。云。n金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金金属键属键。l特点特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构形成低能量密堆结构l性质性质：良好导电、导热性能，延展性好：良好导电、导热性能，延展性好3n 空间点阵：空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何将晶体中原子或原子团抽象为纯几

2、何点（点（阵点阵点 lattice point），），即可得到一个由无数几何即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列。点在三维空间排列成规则的阵列。空间点阵空间点阵n晶胞：晶胞：为了反映晶格为了反映晶格的对称性，常取最小重的对称性，常取最小重复单元的几倍作为重复复单元的几倍作为重复单元。单元。a c b 4晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵5典型的金属晶体结构典型的金属晶体结构n 面心立方（面心立方（A1, FCC）n 体心立方（体心立方（A2, BCC）n 密排六方（密排六方（A3, HCP）628fcNNiN=N343nRnvKVV7原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度

3、：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：8 a42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：a9a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.63310晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式11典

4、型金属晶体中原子间的间隙典型金属晶体中原子间的间隙122a2a441121n422aarB132aa43v四面体间隙的数目四面体间隙的数目v四面体间隙半径四面体间隙半径8n4243aarB1415晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数晶向晶向：连接晶体中任意原子列的直线。：连接晶体中任意原子列的直线。晶面晶面：穿过晶体的原子面（平面）。：穿过晶体的原子面（平面）。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。16(1) 建立以晶轴建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在

5、待标晶向上；，坐标原点在待标晶向上；(2) 选取该晶向上原点以外的任一点选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)；(3) 将将x，y，z化成最小的简单整数化成最小的简单整数u，v，w， 且且u : v : w = x : y : z；(4) 将将u，v，w三数置于方三数置于方括号括号2内就得到晶向指数内就得到晶向指数uvw。晶向指数求法晶向指数求法17晶面指数的标定晶面指数的标定n建立以建立以a，b，c为坐标轴的坐标系。为坐标轴的坐标系。n求待标晶面在求待标晶面在a，b，c轴上的截距轴上的截距x，y，z。如该晶面与某轴。如该晶面与某轴平行，则截距为平行，则截距为。n取截距的倒数取截距

6、的倒数1/x,1/y,1/z。n将其化成最小的简单整数将其化成最小的简单整数h,k,l。n将将h，k，l置于圆括号内，写成置于圆括号内，写成(hkl)，即为待标晶面的晶面指数。，即为待标晶面的晶面指数。图 晶面指数的标定18指三三 指指 数数 系系 统统 四四 数数 系系 统统t th hr re ee e i in nd de ex x s sy ys st te em m f fo ou ur r i in nd de ex x s sy ys st te em m（ h h k k l l） （ h h k k i i l l） i i- - （ h h k k）u v w u v t

7、w t=-(u v w u v t w t=-(u+vu+v) )wWuvVvuU22)2(31VUu)2(31UVvWw )(vut六方晶系指数六方晶系指数19 所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个个 “晶带晶带”（crystal zone）；此直线称为晶带轴（；此直线称为晶带轴（crystal zone axis），），所有的这些晶面都称为共带面。所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴晶带轴u v w与该晶带的与该晶带的晶面（晶面（h k l）的关系的关系 hukvlw0 凡满足此关系的晶面都凡满足此关系的晶面都属于以属于以u v

8、w为晶带轴的晶带。为晶带轴的晶带。晶带与晶带定理晶带与晶带定理20plane indicesBCCFCCatomic arrangementplanar densityatomic arrangementplanar density100110111221414aa224 . 121414aa2258. 023613aa2221414aa224 . 12212414aa223 . 223213613aaaaaa2a2a2a2aaaa2a2a2a2晶体的各向异性晶体的各向异性21linear indicesBCCFCCatomic arrangementlinear densityatomic

9、arrangementlinear densityaa1212aa7 . 02212aa16. 131212aa1212aa4 . 121212aa58. 03212aaa2a2a3a322多晶型性多晶型性-Fe -Fe -Fe1394 912 23缺陷缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷 (位错位错)面缺陷面缺陷分类：空位、间隙原子分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷点缺陷浓度点缺陷浓度 位错类型位错类型刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错混合位错混合位错柏氏矢量柏氏矢量表面表面晶界晶界相界相界实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构24缺陷的分类缺陷的分类2

10、5点缺陷的分类点缺陷的分类26n弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷：在晶格内原子热振在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。缺陷。n肖特基缺陷肖特基缺陷：如果正常格点上的原：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特格点上留下空位，这种

11、缺陷称为肖特基缺陷。基缺陷。 弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷根据产生缺陷的原因来划分27点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。u点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。u空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。过程起着重要的作用。u金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀

12、、表面化金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。着密切的联系。 u过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。屈服强度。28n多余半排原子面在滑移面上方的称多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错正刃型位错，记为，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错负刃型位错，记为，记为“”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表

13、半个原子面。线缺陷线缺陷29有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移； 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷

14、陷30n符合右手法则的称符合右手法则的称右螺旋位错右螺旋位错；符合左手法则的称为；符合左手法则的称为左螺旋左螺旋位错位错。CBADABC31无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；型位错；一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；的滑移面；位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切

15、应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。32n位错是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排。位错是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排。n位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。nb与与之间的关系确定了三类位错。之间的关系确定了三类位错。b b的大小决定了位错中心区的大小决定了位错中心区的原子错配度和周围晶体的弹性形变，决定了能量大小。的原子错配度和周围晶体的弹性形变，决定了能量大小。n位错线必须是连续的。

16、它或者起至于晶体表面（或晶界），位错线必须是连续的。它或者起至于晶体表面（或晶界），或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其他位错相连。或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其他位错相连。n刃位错的刃位错的b向上为正，反之为负（右手法则）。螺位错的向上为正，反之为负（右手法则）。螺位错的与与b同向为右螺型，反向为左螺型。同向为右螺型，反向为左螺型。nb的最重要性质是守恒性，即一条位错线只有一个的最重要性质是守恒性，即一条位错线只有一个b。33n表征位错线的性质：根据表征位错线的性质：根据b b与位错线的取向关系可确定位错线与位错线的取向关系可确定位错线性质。性质。nb b表征了总畸变的积累

17、：围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大表征了总畸变的积累：围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。nb b表征了位错强度：同一晶体中表征了位错强度：同一晶体中b b大的位错具有严重的点阵畸大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。变，能量高且不稳定。n用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即

18、为柏氏矢，滑移方向即为柏氏矢量的方向。量的方向。 34 晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于晶内。晶内。 3536该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成组成。3738第第2 2章章 复习复习39404142相律相律2PCF自由

19、度数自由度数独立组元数独立组元数相数相数外界因素外界因素 是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。元数和平衡相数之间的关系式。式中的式中的2 2，就是温度和压力，若还有其它因素，则为，就是温度和压力，若还有其它因素，则为n n； 43纯金属的相图纯金属的相图组元数组元数 C=1 根据相律：根据相律： F=1-P+2=3-PF0, P3若，若，F=0，则，则P=3，即最多有三相平衡。即最多有三相平衡。 若，若，P=1，则，则F=2可以用温度和压力作坐标的平面图可以用温度和压力作坐标的平面图 (p-T图图) 来表示系统的相图。来表示系

20、统的相图。44金属凝固的过程金属凝固的过程45纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线结晶的过冷现象结晶的过冷现象46结晶的结构条件结晶的结构条件47 吉布斯自由能随温度变化的关系吉布斯自由能随温度变化的关系 结晶的热力学条件结晶的热力学条件mmVTTLG结晶的热力学条件：结晶的热力学条件：就是必须有一定的过冷度。就是必须有一定的过冷度。 48 均匀形核均匀形核 非均匀形核非均匀形核形核形核49均匀形核的能量条件均匀形核的能量条件晶胚形成时系统自晶胚形成时系统自由能的变化与半径的关系由能的变化与半径的关系mmVTTLGTLTrmm250非均匀形核非均匀形核在实际金属液体中，存在许多微小的固相质点；另在实际

21、金属液体中，存在许多微小的固相质点；另外，锭模的内壁总是与金属液体接触的，这些固体外，锭模的内壁总是与金属液体接触的，这些固体的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于这些现成的表面而形成。这种形核方式称为这些现成的表面而形成。这种形核方式称为非均匀非均匀形核形核，也叫做，也叫做异质形核异质形核。 51）（均非4coscos323GG 不同润湿角的晶核形貌不同润湿角的晶核形貌 52均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比 53（b b）形核率与温度的关系）形核率与温度的关系（a a）温度对）温度对N1、N2的影响的影响形核率形核率*expexpGQNKkTkT54晶核长大晶核长大55液液-固界面的微观结构固界面的微观结构56晶核的长大机制晶核的长大机制57界面前沿的温度梯度界面前沿的温度梯度58晶体的长大形态晶体的长大形态5960晶粒大小的控制晶粒大小的控制61铸件的宏观组织铸件的宏观组织62铸锭组织的控制铸锭组织的控制63n缩孔：缩孔：金属和合金在凝固过程要发生体积收缩，在铸锭金属和合金在凝固过程要发生体积收缩，在铸锭(件件)中形成收缩孔洞，中形成收缩孔洞，铸锭缺陷铸锭缺陷n气泡：气泡：溶入液态中的气体，在凝固时脱溶析出，形成气泡留溶入液态中的气体，在凝固时脱溶析出，