第3章金属学

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大学金属学教案

大学金属学教案一、教学目标本课程旨在通过教学使学生了解和掌握金属的基本性质、组织结构和物理力学性能，认识金属的工艺加工和应用，为学生的后续学习和职业发展打好坚实的基础。

二、教学内容1. 金属的基本性质：（1）金属的化学性质；（2）金属的物理性质；（3）金属的电子结构。

2. 金属的组织结构：（1）晶体结构；（2）晶体缺陷；（3）金属的相变。

3. 金属的物理力学性能：（1）机械性能；（2）热力学性能；（3）电磁性能。

4. 金属的工艺加工：（1）金属的热处理；（2）金属的成形加工；（3）金属的切削加工。

5. 金属的应用：（1）金属材料的应用范围和特点；（2）金属材料在制造、建筑和电气等业界的应用；（3）金属材料的未来发展趋势。

三、教学方法1.灌输法结合互动式在讲解金属的基本性质、组织结构和物理力学性能等知识点时，采用灌输法，重点强调知识点的要点和难点，深化学生对基础知识的积累；在讲解金属工艺加工和应用方面，采用互动式教学，引导学生发挥自身的思考能力和主动性，提高学生的学习兴趣，扩大学生的知识面。

2.模拟实验法在讲解金属的组织结构、物理力学和工艺加工等知识点时，利用模拟实验将知识点呈现出图形、图像或文字，以方便学生理解和掌握；同时通过实验帮助学生了解金属在不同条件下的物理和化学行为，培养其实验操作能力和科学精神。

3.案例分析法在讲解金属的应用方面，通过案例分析的方式，让学生迅速了解金属在不同领域的应用，进一步加深学生对金属实际应用的理解，培养学生整合以往所学知识的能力，提高学生的综合素质。

四、教学评估1.形成性评估通过课堂小测验、课上互动问答等形式评估学生的课前预习和课堂反应情况，及时发现学生的学习差距，及时纠正。

2.总结性评估在本课程结束时，通过作业和课程论文的形式，对学生对金属学的掌握程度进行总结性评估，对学生整体学术水平进行评估，对教学效果进行总结和反馈，并对下一次教学做出调整和补充。

五、教学材料1.教材：《金属学》2.参考书：《金属学基础》、《现代金属学基础》、《材料力学》3.教学笔记、课件及实验设备六、教学总结金属学是丰富多彩的一门学科，包括金属的基本性质、组织结构、物理力学和工艺加工等内容，同时也涉及到金属在工业、建筑、交通和生活等各个方面的应用。

金属学课程-第3章习题答案

第3章习题3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必须在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面方式长大。

而固溶体实际凝固时，往往会产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。

3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。

问：（1）凝固后哪个铸件的枝晶偏析严重？（2）哪种合金成分过冷倾向较大？（3）室温下哪个铸件的硬度较高？答：（1）w Ni=50%的合金枝晶偏析严重。

在铸件的形状、尺寸和冷却条件相同的情况下，枝晶偏析的程度主要取决于液、固相线之间的水平距离，水平距离越大，结晶出来的固相成分和合金成分的差别越大，枝晶偏析越严重。

w Ni=50%的合金液、固相线之间的水平距离大，所以枝晶偏析严重。

（2）w Ni=50%的合金成分过冷倾向大。

w Ni=50%的合金就是w Cu=50%的合金，w=90%的合金就是w Cu=10%的合金；把Cu看作溶质，溶质溶度越大，越容易Ni形成成分过冷，所以w Cu=50%的合金（即w Ni=50%的合金）成分过冷倾向大。

（3）w Ni=50%的合金硬度高，溶质含量越高，固溶强化的效果越好。

3-4 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？答：成分过冷是指合金凝固时由于液固界面前沿溶质浓度分布不均匀，使其实际温度低于其理论熔点而造成的一种特殊过冷现象。

在正的温度梯度下，若无成分过冷，晶体以平面方式生长，界面呈平直界面。

成分过冷区较小时，晶体以胞状方式生长，呈现凸凹不平的胞状界面，称为胞状组织或胞状结构。

成分过冷区大时，晶体可以树枝状方式生长，形成树枝晶。

在两种组织形态之间还会存在过渡形态：平面胞状晶和胞状树枝晶。

当成分过冷度大于形成新晶核所需要的过冷度时，就会在固液界面前沿的液相中产生大量的新晶核，从而获得等轴晶粒。

金属学及热处理课后习题答案第三章

⾦属学及热处理课后习题答案第三章第三章⼆元合⾦的相结构与结晶3-1 在正温度梯度下，为什么纯⾦属凝固时不能呈树枝状⽣长，⽽固溶体合⾦却能呈树枝状成长？答：原因：在纯⾦属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界⾯呈平⾯状⽣长；当温度梯度为负时，则固液界⾯呈树枝状⽣长。

固溶体合⾦在正温度梯度下凝固时，固液界⾯能呈树枝状⽣长的原因是固溶体合⾦在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界⾯前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界⾯前沿⼀定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了⼀个由于成分差别引起的过冷区域。

所以，对于固溶体合⾦，结晶除了受固液界⾯温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从⽽使固溶体合⾦在正温度梯度下也能按树枝状⽣长。

3-2 何谓合⾦平衡相图，相图能给出任⼀条件下合⾦的显微组织吗？答：合⾦平衡相图是指在平衡条件下合⾦系中合⾦的状态与温度、成分间关系的图解，⼜称为状态图或平衡图。

由上述定义可以看出相图并不能给出任⼀条件下合⾦的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。

3-3 有两个形状、尺⼨均相同的Cu-Ni 合⾦铸件，其中⼀个铸件的W Ni =90%，另⼀个铸件的W Ni =50%，铸后⾃然冷却。

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。

答：W Ni =50%铸件凝固后偏析严重。

解答此题需找到Cu-Ni 合⾦的⼆元相图。

原因：固溶体合⾦结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。

由Cu-Ni 合⾦相图可以看出W Ni =50%铸件的固相线和液相线之间的距离⼤于W Ni =90%铸件，也就是说W Ni =50%铸件溶质Ni 的k 0（溶质平衡分配系数）⾼，⽽且在相图中可以发现Cu-Ni 合⾦铸件Ni 的k 0是⼤于1，所以k 0越⼤，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越⼤，也就是偏析越严重。

消除措施：可以采⽤均匀化退⽕的⽅法，将铸件加热⾄低于固相线100-200℃的温度，进⾏长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的⽬的。

金属学垃

ＡＢＳＲＡＣＴＴｈｃｓｒｃｕｅｅｏｕｉｎｏ７Ｎｉ０ａｌｙｍｅｔＳｓｓｅｔｃｌｖｓｉａｅＴｅｍｉｒｔｕｔｒｖｌｔｏｆｏＣＵ０３ｌｌＷａｙｔｍａｉａｌｉｅｔｔｄｏｓｙｎｇ
盐酸水溶液腐蚀显示枝晶、用ＮｏｈｔＩ型光镜观察组ｅｐｏ－织，以Ｔ－４０能谱仪（Ｄ）Ｎ５０ＥＳ分析微区成分．
圈１ＣｕｏａｖＮｉｏ熔体在不同过睁度下的凝固组织
Ｆｉ１Ｍｉｒｔｕｃｕｒｓｏｇ．ｃ￣ｒｔｅｆＣｕＴｏＮｉｏｍｅｔｓｉｆｅｄｅｆｅｅｔｕｎｅｒｏｏｌｇ３ｌｏｌｉｄｕｎｒｄｉｒｎｄｃｌｎｓｄｉ
（】Ｔ＝２ＫａＡ２（）Ａ＝３ｂＴ８Ｋ（）＝１ｃＡＴ７Ｋ（）＝１２Ｋ（Ｔ９（＆Ｔ２２ｄＡＴ３ｅ）Ａ￣１８Ｋｆ）＝４Ｋ
４期
郭学锋等：过冷ＣｖＮ￣熔体凝固组织的第一类粒状晶ｕ０ｉｏ
析结果表明，枝晶段之间偏析区不是晶界．第一类粒状晶的形成过程包括技晶在再辉期间发生断熔从而形成枝晶县；然后枝晶
关麓调深过狰
Ｇｉｕ３７合０金Ｎ０
，
枝晶熔断，再结晶
－－＿＿一
ｆ￡
１０
ｃ－ｔｆ／监测循环过程中的过冷度．在间隔小于１５Ｋ的预定过冷度下，用Ｎｉ针触发试样表面形桩以获得要求的组织
和熔断尚不足“破坏枝晶原貌 △ ＝△ （８时．３ＫＪ

第三章二元合金相图和二元合金的结晶

第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶§1 概述⼀、合⾦系由⼀定数量的组元配制成的不同成分的⼀系列合⾦组成的系统，称合⾦系。

两个组元的称⼆元合⾦系，三个组元的称三元合⾦系。

例如,Cu-Ni是⼆元合⾦系，⽽Pt-Pd-Rh是三元合⾦系。

⼆、什么是合⾦相图合⾦相图是表⽰平衡状态下合⾦系的合⾦状态和温度、成分之间关系的图解。

该定义中，“平衡状态”是指⼀定条件下，合⾦⾃由能最低的稳定状态；⽽“合⾦状态”是指合⾦由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。

三、合⾦相图的作⽤利⽤合⾦相图可以了解各种成分的合⾦，在⼀定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。

但它不能指出相的形状、⼤⼩和分布状况，即不能指出合⾦的组织状况。

尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动⼒学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利⼯具，成为⾦属材料⽣产、科研的重要参考资料，因此，相图是⾦属学的重要内容之⼀。

§2⼆元合⾦相图的建⽴⼀. ⼆元合⾦相图的表⽰⽅法1.⽤平⾯坐标系表⽰⼆元合⾦系物质的状态通常由成分、温度和压⼒三个因素确定。

由于合⾦的熔炼、结晶都是在常压下进⾏的，所以，合⾦的状态可由成分和温度两个因素确定。

对于⼆元合⾦系来说，⼀个组元的浓度⼀旦确定，另⼀个组元的浓度也随之⽽定，因此成分变量只有⼀个，另⼀个变量是温度，所以⽤平⾯坐标系就可以表⽰⼆元合⾦系。

通常⽤纵坐标代表温度，横坐标代表成分。

成分多⽤重量百分⽐来表⽰。

（如图3.1所⽰），横坐标的两个端点A、B代表组成合⾦的两个组元。

2.⼆元合⾦相图中的表象点和表象线在⼆元合⾦相图中，平⾯上任意⼀点称为表象点。

其坐标值表⽰合⾦的成分和温度。

例如图中的E点表⽰合⾦由40%的B组元和60%的A组元组成，合⾦的温度为500℃。

在⼆元相图上，过合⾦成分点的垂线，称合⾦的表象线。

⼆. ⼆元合⾦相图的测定⽅法建⽴相图的⽅法有两种：实验测定和理论计算。

第三章金属学

bc WL 100% ac ab W 100% ac
（二）二元共晶相图
1、共晶相图——凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态有限溶解，并发生共晶转变。以典型的Pb-Sn合金相图介绍共晶相图。 2、相图分分析：点：A、B、E、M、N、F、G 线：AEB、AMENB、MEN、MF、NG 相区：L、L+α、L+β、α、β、α +β 共晶反应或共晶转变
晶格发生畸变，塑性变形抗力增大，结果使金
属材料的强度、硬度增高。
㈡
金属化合物
1、概念：
异类原子组成具有与该组元均不相同的点阵结构。一般可以用分子式来大致表示其组成。
Fe—C合金：

C% 0～0.0218% 铁素体溶体
C在α—Fe的间隙固

C% ＞0.0218% 一部分形成金属化合物Fe3C
2、分类：
Mg-Si合金相图
（五）共析相图一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相，这个转变过程称为共析反应。下图是一种包括共析反应的相图。
具有共析反应的二元相图
四、相图与合金性能之间的关系
1、使用性能与相图的关系 2、工艺性能与相图的关系
相图与性能之间的关系

线： ACB：液相线； APDB：固相线； PDC：包晶转变线:
PE：固溶线，是Ag在Pt中的溶解度曲线。
DF：固溶线，是Pt在Ag中的溶解度曲线。

相区：单相区：L、α 、β ；
两相区：L+α 、L+β 、α +β ；三相平衡：L+α +β 。
3、具有包晶转变合金的平衡结晶

金属学与热处理

金属学与热处理---第3章钢的热处理热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺，作用:它不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。

第一节热处理的基本原理一、钢在加热时的组织转变(一)钢在加热和冷却时的相变温度铁碳合金相图中的A1、A3和Acm 线是反映不同含碳量的钢在极为缓慢加热或冷却时的相变温度。

但钢在实际加热和冷却时不可能非常缓慢，因此，钢中的相转变不能完全按铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线，而有一定的滞后现象，即出现过热(加热时)或过冷(冷却时)现象。

加热或冷却时的速度越大，组织转变偏离平衡临界点的程度也越大。

为区别起见，把冷却时的临界点记作Ar1、Ar3 、Arcm；加热时的临界点记作Ac1、A1c3、Accm。

例如，共析钢在平衡状态下珠光体和奥氏体的转变温度为A1；冷却时奥氏体转变为珠光体的温度为Ar1；加热时珠光体转变为奥氏体的温度为Ac1。

这些临界点是正确选择钢在热处理时的加热温度和冷却时结构发生变化的温度的主要依据。

(二)奥氏体的形成共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到Ac1以上温度时，珠光体开始转变为奥氏体。

只有使钢呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。

钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。

在铁素体和渗碳体的相界面上首先出现许多奥氏体晶核。

这是因为铁素体与渗碳体是两个具有不同晶体结构的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊乱等缺陷，原子处于高能量状态，有利于奥氏体核形成。

奥氏体晶核形成后，便开始长大。

它是依靠铁素体向奥氏体继续转变和渗碳体不断溶入而进行的。

铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解快，因此，铁素体消失后，仍有部分残余渗碳体，它将随着时间的延长，继续不断地向奥氏体溶解直至全部消失。

金属学原理第三章

2015/11/7
中北大学材料科学与工程学院
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空位小结
1、空位是热力学稳定的缺陷
2、不同金属空位形成能不同。
3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关
C SV E E n exp( ) exp( V ) A exp( V ) N k kT kT
4、空位对金属的物理及力学性能有明显影响 5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响
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刃型位错立体示意图
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刃型位错的分类
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② 刃型位错可以是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。
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③ 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。
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刃位错的柏氏回路
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螺型位错的柏氏回路示意图
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螺型位错完整的柏氏回路
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2.用柏氏矢量判断位错类型
用柏氏矢量判断位错类型: (1) 刃型位错 ξe⊥be 右手法则 : 食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向，拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。 (2) 螺型位错 ξs∥bs 正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反）为左螺旋位错。 (3) 混合位错柏氏矢量与位错线方向成夹角υ 刃型分量be 螺型分量bs 用矢量图解法表示位错:数量积、向量积等

2018-2019学年人教版必修1 第3章第1节金属的化学性质(第1课时) 课件(72张)

课堂探究透明、有金属光泽、易导电、易导热、有延展性等。 2．化学性质 (1)与非金属的反应 Mg 与 O2 反应的化学方程式为 2Mg＋O2=点==燃==2MgO。 (2)与酸的反应 Mg 与稀盐酸反应的化学方程式为 Mg＋2HCl===MgCl2＋ H2↑。
5．通过金属及其化合物、金属材料在生产和生活中的应用等的学习，提高学习化学的兴趣，增强学好化学、服务社会的责任感和使命感。
6．通过多种多样的活动，积极提出问题，培养敢于质疑、勇于创新的精神等。
第一节金属的化学性质
[目标] 1.根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，掌握钠与氧气、铝与氧气的反应原理，通过对钠与氧气反应的实验现象的讨论，培养观察和分析问题的能力。(重点)
与酸反应越来越缓慢
2．金属与盐的反应在金属活动性顺序表中，一般位于前面的金属能够把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来，如 Fe ＋ CuSO4===FeSO4＋Cu。K、Ca、Na 由于其活泼性太强会先与水发生反应，而不符合此规律。
(4)延展性：可以压成薄片，也可以抽成细丝。 (5)熔点及硬度：由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。
2．特性 (1)颜色：绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色，如：Au 为金黄色，Cu 为紫红色，Cs 为银白色略带金色。 (2)密度：与原子半径、相对原子质量、晶体质点排列的紧密程度有关。最重的金属为锇(Os 22.57 g·cm－3)，最轻的金属为锂(Li 0.534 g·cm－3)。 (3)熔点：最高的为钨(W 3 413 ℃)，最低的为汞(Hg－39 ℃)。
食品添加剂。油条、油饼、馒头、花卷、糕点等中都含有这种添加剂。据有关部门抽查的结果看，每千克油饼中含铝量超过 1 000 mg。如果吃 50 g 这样的油饼，就超过了每人每天允许的铝摄入量。因此，要尽量少吃油炸食品，尽量避免使用铝制的炊具及餐具。

高中化学必修1讲义：第3章铁金属材料

[核心素养发展目标] 1.能从物质类别和铁元素化合价的角度认识铁及其化合物的性质，理清铁元素不同价态之间的转化关系，增强证据推理与模型认知的能力。

2.会设计实验制备氢氧化亚铁，检验Fe3＋，探究Fe3＋、Fe2＋的氧化性与还原性，增强科学探究与创新意识。

一、铁的单质1．铁元素的存在及使用(1)存在：铁在自然界中既可以以单质的形态存在，也可以以化合物的形态存在，其主要化合价有＋2价和＋3价，地壳中铁元素的含量仅次于氧、硅和铝，居第四位。

(2)使用历史：人类最早使用的铁是陨铁，我国在春秋初年掌握了冶铁技术，在战国中期铁制工具得到了广泛使用。

(3)工业炼铁的原理是用还原剂把铁矿石中的铁提炼出来，如用CO还原Fe2O3。

2．铁单质的性质(1)物理性质纯净的铁是光亮的银白色金属，密度较大，熔点较高，有延展性和导热性。

能导电，其导电性比铜、铝差，能被磁体吸引。

(2)化学性质写出下列反应的化学方程式或离子方程式(3)在如图所示的实验装置中：①试管中湿棉花的作用是加热时产生水蒸气与铁粉反应。

②若用火柴点燃肥皂泡，可能发生的现象是听到爆鸣声。

③该反应体现铁单质具有还原性。

(1)有下列物质：①S ②CuCl 2溶液③稀H 2SO 4④AgNO 3溶液⑤Cl 2，与Fe 反应时生成＋2价铁的化合物的是__________(填序号，下同)，生成＋3价铁的化合物的是____________。

提示①②③④⑤(2)铁与水蒸气能发生反应，日常生活中为什么可用铁壶烧水？提示铁只能与水蒸气在高温下反应，而与冷水或热水不反应。

二、铁的主要化合物1．铁的氧化物氧化物氧化亚铁氧化铁(铁红)四氧化三铁化学式FeO Fe 2O 3Fe 3O 4颜色状态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体铁的价态＋2＋3＋2、＋3溶解性都不溶于水，但都能溶于酸溶液化学性质都能与稀盐酸、稀硫酸反应，生成相应的盐和水都具有氧化性，都能被CO 、H 2、Al 等还原为铁单质FeO 不稳定，在空气中加热生成稳定的Fe 3O 4分别写出盐酸与下列铁的氧化物反应的离子方程式：①氧化亚铁：FeO ＋2H ＋===Fe 2＋＋H 2O ；②氧化铁：Fe 2O 3＋6H ＋===2Fe 3＋＋3H 2O ；③磁性氧化铁：Fe 3O 4＋8H ＋===Fe 2＋＋2Fe 3＋＋4H 2O 。

高中化学第三章第1节金属的化学性质(第1课时)课件高中必修1化学课件

3．4铁Al与＋氧3O气2。==△===2Al2O3
(1)常温干燥的空气中_____反应，在潮湿的空气中易______。
(2) 在纯氧中能 _______ ，化学反应方程式为：
很难
生锈
_________________________。
燃烧
3Fe＋2O2=点==燃==Fe3O4
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第十二页，共三十八页。
思考交流
2.铝是较活泼的金属，易被氧化(yǎnghuà)，为什么铝又具有抗腐蚀的性能？
提示：常温下，铝能被空气里的O2氧化，在表面生成一层致密的氧化物薄膜，这层薄膜能阻止内部的金属继续跟氧气(yǎngqì) 反应，故铝具有抗腐蚀性。
3.Na2O2和Na2O哪个更稳定？
钠可以置换出较不活泼的金属(jīnshǔ)，如：4Na＋TiCl44NaCl＋Ti。
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四、Fe与H2O(g)的反应(fǎnyìng)
反应方程式为：3Fe(s)＋4H2O(g)
Fe3高=O=4温(=s)＋4H2(g)。
1．反应类型是置换反应，也是氧化还原反应，但不是(bù shi)离子
二、金属(jīnshǔ)与氧气的反应
1．钠与氧气 (1)常温下：____4_N__a＋__O__2=_=__=_2_N_a_2_O_。
(2)加热(jiā rè)：_2__N_a_＋___O_2_=_=_△_=_=_=_N__a_2_O__2。
2．铝与氧气 (1) 常温下：铝的表面容易生成一层很稳定的 ______________ ， __致__密__(_z_hì铝mì与)氧氧化气膜反应，4A阻l＋止3O2===__________。

3马氏体转变(一)

内蒙古工业大学 2
20世纪20年代以来，马氏体相变是金属学最活跃的研究领域之一。发现不仅钢中存在马氏体相变，而且在有色金属及合金，陶瓷材料中都可发生马氏体相变。 1930年，Γ.Β.库尔久莫夫和G.萨克斯(Sacks)首先测得Fe-C合金马氏体与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关系，即K-S关系。 1933年，R．E．迈尔(Mehl)测得在中、高碳钢中马氏体在奥氏体的{225}g 晶面上形成,并将其称为惯习面。 1934年,西山测得Fe-Ni合金马氏体相变时存在一定的位向关系，并称为西山关系。
内蒙古工业大学 23
马氏体相变的主要特征如下：
(1)表面浮凸现象和切变共格性无需扩散性； (2)马氏体相变的无扩散性；即无论间隙原子还是替换原子均不需要扩散，即能完成相变
(3)新相与母相具有一定的晶体学关系（取向关系和惯习面）；
(4)马氏体转变的非恒温性和不完全性。 (5)马氏体转变的可逆性
内蒙古工业大学
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§3-1 马氏体相变的特征及定义
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1.马氏体的晶体结构
由于马氏体是由奥氏体直接转变而来的，故马氏体与奥氏体的成分(碳含量)完全相同。 Fe-C合金的马氏体是碳在a -Fe中的过饱和固熔体，通常以符号a ’或M来表示。
a - Fe是体心立方点阵，其熔碳量极少 (仅为0.01~0.02％)。当发生马氏体转变时，奥氏体中的碳量即全部保留在马氏体点阵中。
内蒙古工业大学 8
图为马氏体的晶胞模型。(a)图表明，碳原子在点阵中分布的可能位置是a - Fe体心立方晶胞的各棱边的中央和面心处，这些位置实际上是由铁原子组成的扁八面体的空隙。
奥氏体中最大碳含量的重量百分数为2%，其原子百分数为9%，10个铁原子中约有1个碳原子，5~6个晶胞分摊1个碳原子内蒙古工业大学

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3.5压力容器用有色金属、复合材料与非金属材料
3.5.1 压力容器用有色金属材料
1.铝及铝合金 2.钛及钛合金 3.铜及铜合金 4.镍及镍合金 JB/T4734-2002标准 JB/T4745-2002标准 JB/T4755-2006标准 JB/T4756-2006标准
3.5.2 压力容器用复合材料 3.5.3 压力容器用非金属材料
1-1)．脆性断面率脆性断口也称为晶状断口，是指出现大量晶粒开裂或晶界破坏的有光泽断口，断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比即为脆性断面率，也称晶状断面率。GB/T12778—1991《金属夏比冲击断口测定方法》对冲击试样断口的有关测定方法做了规定。一般有几种方法测定脆性断面率：对比法和测量法等
3.3.4 压力容器用低合金耐热钢
(表3.3-5中后四个钢号见GB 713-2008中相应钢号)
3.3.5 压力容器低温用钢
(表3.3-6见附表.)
3.3.6
压力容器用不锈耐酸钢
2.铁素体不锈钢 4.双相钢(GB/T4237-2007)
1.奥氏体不锈钢; 3.马氏体钢;
3.3.7 国外压力容器用钢简介
σ
3.1.2 金属学基本知识概述
1.金属的晶体结构(图3.1-1～2) 2.金属强度的本质与金属材料的强化机制 3.压力容器钢材的金相组织和性能
(奥氏体 ,铁素体 ,珠光体 ,马氏体 ,贝氏体 ,σ相 )
4.金属结晶
3.1.3 铁碳合金状态图
3.2 压力容器热处理知识
3.2.1 热处理一般过程 1.加热时的转变---奥氏体A的形成 2.冷却时转变---奥氏体A的分解(图3.2-3～6) 3.2.2 压力容器处理名词 1.临界点 A1 (AC1 Ar1),A3 (Ac3 Ar3) 2.重结晶 3.再结晶
第三章金属学、热处理与压力容器材料
本章学习重点和思考内容： 1，了解金属材料主要力学性能指标定义及代表符号。 2，了解压力容器常用热处理工艺方法及用途。 3，了解热处理质量检验方法及典型热处理事例. 4，了解低合金高强度钢的发展概述。 5，了解合金元素及热处理状态对钢材性能的影响。 6, 了解压力容器选材注意事项。 7，了解钢的冷脆性,低温冲击韧性及其它脆化型式。 8，了解压力容器用钢材高温或临氢环境下的材质劣化。
3.2.4 压力容器制造中的消除应力处理 1.焊后热处理（PWHT） 2.中间消除应力处理 3.焊后热处理方法分类 4.整体消除应力处理 5.局部消除应力处理(表3.2-1～2) 6.消除应力热处理的加热温度
7.炉温测量 8.加热和冷却速度 9.异常材料焊缝的热处理（PWHT） 10.复合板及覆层材料的焊后热处理 11.低合金高强度钢再热裂纹的预防
(表3.3-11名称应为相近钢号对照表)
3.4低合金高强度钢的进一步知识 3.4.1低合金高强度钢的发展概述 3.4.2合金元素对钢的性能的影响
(Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Nb)
3.4.3 热处理状态对钢的性能的影响
(热轧,控轧,正火,调质)
1.热轧及正火钢
(热轧,正火)
2.低碳调质钢
冲击吸收功与试样的尺寸和缺口的形状有关。由于不同的冲击试样在试验时应力状况各不相同，在破坏时所消耗的能量也不一样，因此冲击吸收功值也不同。压力容器用钢一般采用夏比V型缺口冲击试样，其冲击吸收功为AkV 。而以前多用U型缺口，其冲击吸收功为AkU。两者的数值不能换算。冲击吸收功还与试验温度有关，有些材料在室温时韧性很好，但在低于某一温度时则可能发生脆性断裂。由于冲击吸收功是材料各项力学性能指标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。所以，对压力容器用钢来说，冲击吸收功是衡量其裂纹扩展阻力的重要指标之一。
4.过热 (温度过高,性能显著降低.可逆) 5.过烧 (晶界部分熔化或氧化.不可逆) 6.时效 7.沉淀硬化 8.固溶处理 9.退火 10.淬火 11.正火 12.回火 13.调质
3.2.3压力容器的常用热处理方法
1.正火处理 (目的、方法和应用) 2.调质处理 (目的、方法和应用) 3.固溶处理 (目的、方法和应用) 4.稳定化处理 (目的、方法和应用) 5.消除应力热处理 (目的、方法和应用)
3.7
压力容器材料性能的劣化
3.7.1 高温材料性能的劣化
1.珠光体球化(珠光体球化到一定程度出现石墨化) 2.石墨化 (由轻到重分为4级) 3.合金元素的再分配 3.7.2 高温高压临氢环境下的腐蚀
(氢→甲烷→表面脱碳或晶界裂纹。影响因素:温度氢分压温度,氢分压温度氢分压,合金成份,应力等. )
AK
国际上通常用冲击功Ak作为冲断试样消耗的总功，只要试样符合标准，就不会出错，应用也简便。但是进一步研究发现用Ak表示也存在问题，因为Ak值也不能完全代表试样断裂前所吸收的总功。冲断试样消耗的总功可分为两部分，其一消耗于试样的变形和断裂；其二消耗于试样掷出及机座本身振动。因此，所吸收的总功Ak为： Ak ＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动+…。由于一般情况下，后几项功很小，因此以Ak作为试样断裂所吸收的能量误差很小，有足够精度。
3.3.2
( 表 3.3-3 和 3.3-4 中 16MnR 和 15MnNbR 钢号在 GB713--2008中应为Q345R和Q370R.13MnNiMoNbR 应为13MnNiMoR)
压力容器用低合金结构钢
3.3.3 国产低合金结构钢板材特性简介
1.16MnR (GB713-2008改为Q345R) 2. 15MnVR （GB150中已取消此钢号） 3. 15MnVNR（GB713-2008改为Q370R） 4.18MnMoNbR 5. 13MnNiMoNbR(GB713改为13MnNiMoR) 6. 07MnCrMoVR（GB19189—2003）
3. 金属材料韧性指标 1)．冲击吸收功(冲击韧度) 冲击吸收功（AK）是指材料在 A 受到外加冲击载荷的作用下，断裂时所消耗能量大小的特性，即冲击试样所吸收的功。其单位为焦耳（J）。
冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的。冲击试样受到摆锤的突然打击而断裂时，它的断裂过程是一个裂纹发生和发展的过程。在裂纹发展过程中，如果塑性变形能够发生在它的前面，就将阻止裂纹的长驱直入，当其继续发展时就需消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。冲击吸收功高的材料，一般都有较高的塑性，但塑性指标较高的材料却不一定都有高的冲击吸收功。这是因为在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在冲击载荷下不一定能迅速发生塑性变形。
3.6.2 压力容器材料的其它脆化型式
1.热脆性 2.回火脆性(第一类回火脆性,第二类回火脆性第二类回火脆性) 第二类回火脆性 3.应变时效脆性 (GB/T 4160) 4.蓝脆 (图3.6-13) 5. 氢脆 (分为可逆和不可逆.注意氢的来源 ) 6.苛性脆化 7.应力腐蚀脆断(祥见第节) 祥见第5.2节应力腐蚀脆断祥见第 8.475℃脆性
1-2)．側膨胀值側膨胀值即为冲击试样缺口背部的两側由于冲击试验时所受到的锤击，而产生的尺寸增量。当试样断裂成两截时，应分别测量两截试样断口的側膨胀值，并取其中大者为该试样的側膨胀值。具体的测量方法见GB/T12778—1991《金属夏比冲击断口测定方法》标准。该标准规定了三种测量側膨胀值的方法. 2)断裂韧度 ①临界应力强度因子KIC GB/T4161标准 ②裂纹张开位移COD GB/T2358标准
2. 金属材料塑性指标 1)．断后伸长率(延伸率) 断后伸长率，GB/T228—2002标准是这样定义的：试样拉断后标距的残余伸长（Lu—Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率为断后伸长率（A）。其中，（Lu）为断 A 后标距。 2)．断面收缩率断面收缩率，GB/T228—2002标准是这样定义的：断裂后试样横截面积的最大缩减量（So—Su）与原始横截面积（So）之比的百分率为断面收缩率（Z）。其中， Z （Su）为断后最小横截面积。 3).冷弯性能
3.1 金属学基本知识
3.1.1 金属材料力学性能概述
1. 金属材料强度指标 1)．屈服强度屈服强度，GB/T228—2002标准是这样定义的：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。又区分为上屈服强度和下屈服强度。（1）上屈服强度（ReH），试样发生屈服而力首次下降前的最高应力；（2）下屈服强度（ReL），在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最低应力。
(淬火 +高温回火; 淬火 +回火) (调质的作用)
3.4.4 低合金高强钢压力容器设计选材的注意事项
(A,供设计评审,产品监检和在用检验时判断) (B,介绍液氨的应力腐蚀,GB536---液体无水氨等)
3.4.5 低合金耐热钢选材和 Nelson曲线(图3.4-1)
(15CrMoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R和 12Cr1MoVR)
3.2.5 热处理质量检验方法
1.零件热处理后主要的检验方法：硬度、力学性能、金相试验和无损检测
2.焊后消应力处理质量监督检验
⑴ 检查热处理工艺和设备 ⑵压力容器及焊件外部检验 ⑶审查热处理工艺记录
3.3 压力容器常用钢材
对制造压力容压力容器用碳素钢
（表3.3-1和3.3-2中20R钢号在GB713--2008中应为Q245R,其S，P含量分别≤0.015,0.025）
3.6 压力容器材料脆化
3.6.1 钢的冷脆性和低温冲击韧性(韧度) 1.冷脆性的机理 2.低温冲击试验(GB/T229,AKV—T,
A(%)— T,Le—T. GB/T6803 NDT)
(晶体结构,化学成份, 晶粒度,夹杂物,热处理与显微组织,加工硬化,应力状态)

第3章 金属学

大学金属学教案

金属学课程-第3章 习题答案