金属学与热处理-3

第一章金属的晶体结构1.金属，金属材料的特点1.金属是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而增加；2.固态金属具有良好的导电性和导热性；3.固态金属不透明，具有金属光泽；4.具有较高强度和良好塑性2.典型的晶体结构体心立方结构，面心立方结构，密排六方结构配位数越大，晶体中的原子排列越紧密；密排六方结构的配位数和致密度均与面心立方结构相同，这说明两者晶胞中的原子具有相同的紧密排列程度3.晶面指数，晶向指数的标定在晶体中，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；原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族；所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数4.晶体的缺陷类型1.点缺陷：其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸空位：空位是一种热平衡缺陷，即在一定温度下，空位有一定的平衡浓度。

对于一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间可能反而低些，这种现象叫做能量起伏。

脱离平衡位置的原子大致有三个去处：(1)迁移到晶体表面上（2）迁移到晶格的间隙中（3）迁移到其他空位处。

间隙原子：处于晶格间隙中的原子，也是一种热平衡缺陷。

置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。

不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，使金属屈服强度升高，电阻增大，体积膨胀，加速金属中的扩散过程。

2.线缺陷：晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，最简单最基本的是刃型位错和螺型位错。

位错对金属的强度，断裂，塑性变形等起着决定性作用。

刃型位错的特征：（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，位错线的运动方向垂直于位错线。

螺型位错的特征：（1）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晶格畸变管道，其中只有切应变，无正应变(3)位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直。

3.面缺陷：包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两大类，内界面又有晶界，亚晶界，孪晶界，堆垛层错和相界等。

晶体表面是指金属与真空或气体，液体等外部介质相接触的界面。

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，或简称晶界。

影响表面能的因素有：（1）外部介质的性质(2)裸露晶面的原子密度（3）晶体表面的曲率。

第二章纯金属的结晶2.均匀形核时的能量变化，形核功，临界晶核半径1.在一定过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，当在此过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使自由能降低，它是结晶的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，从而使系统的自由能升高，它是结晶的阻力。

临界晶核半径与过冷度成反比，过冷度越大，临界晶核半径越小。

2.形核功的能量由晶核周围液体对晶核做功来提供。

临界形核功与过冷度的平方成反比，过冷度增大，临界形核功显著降低，从而使结晶过程易于进行。

各微区能量处于此起彼伏，变化不定的状态，这种暂时偏离平衡能量的现象即为能量起伏。

3.晶体长大机制(1)二维晶核长大机制：即依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团差不多同时降落到光滑界面上，形成具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团。

体力自由能的降低必须大于其表面能的增加，它才能在光滑界面上形成稳定状态。

长大速度十分缓慢2）螺型位错长大机制：长大速度比二维快得多，这是由于晶体长大时，可能形成种种缺陷，这些缺陷所造成的界面台阶使原子容易向上堆砌，因而长大速度大为加快。

(3)连续长大机制：在粗糙界面上进行，晶体缺陷在生长过程中不起明显作用，长大速度很快，大部分金属均以这种方式长大。

4.正负温度梯度下的晶面形态(1)正温度梯度：是指液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。

一般的液态金属均在铸型中凝固，金属结晶时放出的结晶潜热通过型壁传导散出。

1）光滑界面的情况：原子密度大的晶面长大速度较小，原子密度小的晶面长大速度较大。

若无其他因素干扰，大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体，具有规则的几何外形。

2）粗糙界面的情况：界面为平行于熔点等温面的平直界面，它与散热方向垂直。

所需过冷度很小，界面温度与熔点十分接近。

采用平面长大方式。

(2)负温度梯度：是指液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况。

产生的结晶潜热主要通过尚未结晶的过冷液相散失。

1)粗糙界面：树枝状生长是具有粗糙界面物质的最常见的晶体生长方式。

2）光滑界面：如果杰克逊因子不太大，仍有可能长成树枝状晶体。

6.增加过冷度的方法(1)提高液态金属的冷却速度（2）降低浇注温度和浇注速度7.金属铸锭三晶区（1）表层细晶区：晶粒十分细小，组织致密，力学性能很好。

（2）柱状晶区：由垂直于型壁的粗大柱状晶组成。

形成的外因是散热的方向性，内因是晶体生长的各向异性。

柱状晶区具有方向性，组织比较致密，但也存在弱面。

（3）中心等轴晶区：与柱状晶区相比，裂纹在此不易扩展，不存在明显弱面，没有方向性；树枝状晶体比较发达，分枝较多，显微缩孔较多，组织不够致密。

第三章二元合金的相结构与结晶1.影响置换固溶体的因素（1）原子尺寸因素：两组元间原子尺寸相对大小越大，固溶体固溶度越小。

（2）电负性因素：（电负性定义为元素的原子获得或吸引电子的相对倾向）两元素的电负性差值越小，则形成的固溶体固溶度越大。

（3）电子浓度因素：（合金的电子浓度是指合金晶体结构中的价电子总数与原子总数之比）固溶体的电子浓度有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，而要形成另外的新相。

（4）晶体结构因素：溶质与溶剂的晶体结构相同，是置换固溶体形成无限固溶体的必要条件。

2.间隙相和间隙化合物的区分（1）间隙相都具有简单的晶体结构，而间隙化合物一般具有复杂的晶体结构。

（2）间隙相与间隙化合物之间的本质区别是间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，而间隙化合物则仍保持着溶剂组元的晶格类型。

（3）间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性，而间隙化合物虽也有很高的熔点和硬度，却比间隙相低些，而且加热时也易分解。

3.相律和杠杆定律以及杠杆定律的应用（1）相律是检验，分析和使用相图的重要工具，相律可用下式表示：F =C--P+2，F是平衡系统自由度数，C为平衡系统组元数，P为平衡系统的相数。

含义为，在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，它的自由度数等于系统组元数和相数之差再加上2。

（2）杠杆定律：主要适用于两相区4.三个典型相图，重点是共晶，用杠杆定律分析平衡结晶时的相组成和组织组成(1)两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图，称为二元共晶相图。

(2)平衡结晶及其组织：1）含锡量小于等于19%的合金。

2）共晶合金（含锡量61.9%,其余为铅）。

3）亚共晶合金（含锡量50%）。

4）过共晶合金(含锡量70%)第四章铁碳合金1.钢中杂质元素S.P.H.N造成的缺陷（1）硫的影响：1）引起钢在热加工时开裂（热脆，原因是由于FeS严重偏析。

防止热脆的方法是在钢中加入适当的锰）。

2)硫能提高钢的切削加工性能。

3）含硫量高时，还会使钢铸件在铸造应力作用下产生热裂纹，也会使焊接件在焊缝处产生热裂纹（2）磷的影响：1）磷具有很强的固溶强化作用，使钢的强度，硬度明显提高，但剧烈的降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。

2)磷还有严重的偏析倾向，很难用热处理方法消除。

3）可以提高钢的切削加工性，与铜共存时，可以显著提高钢的耐大气腐蚀能力。

（3）氢的影响：1）引起氢脆（在低于钢材强度极限的应力作用下，经一定时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂）2)导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷（白点）（4）氮的影响：1）使钢的强度硬度升高，塑形韧性下降，使钢材变脆（淬火时效）2）含有氮的低碳钢材经冷塑性变形后，性能也将随时间而变化，即强度硬度升高，塑形韧性明显下降（应变时效，解决方法是在钢中加入足够数量的铝）。

2.镇静钢，半镇静钢，沸腾钢根据钢中含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度，可将钢锭分为镇静钢，沸腾钢，半镇静钢。

（1）镇静钢：钢液在浇注前用锰铁，硅铁和铝进行充分脱氧，使所含氧的质量分数不超过0.01%，以致钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭。

镇静钢锭的缺陷主要有缩孔（浇注是最好使用体积较大的保温冒口），缩松（一般情况下，经压力加工可使之得到改善），偏析（一般无法避免，枝晶偏析可经高温塑性变形和均匀化退火后消除；减轻方框形偏析的方法是提高钢液纯度，采用合理的浇注工艺，并在压力加工时采用较大的锻压比），气泡（分为皮下气泡和内部气泡）(2)沸腾钢：沸腾钢成分偏析较大，这是由于模内钢液过分沸腾造成的。

特点是：成分偏析大，组织不致密，力学性能不均匀，冲击韧度值较低，时效倾向较大。

沸腾钢锭从表面至心部由五个带组成：坚壳带（由致密细小等轴晶粒组成，无气泡），蜂窝气泡带（由分布在柱状晶带内的长形气泡组成），中心坚固带（由柱状晶粒组成，无气泡），二次气泡带，锭心带（由粗大等轴晶组成，有许多分散的小气泡）第六章金属及合金的塑性变形与断裂2.滑移的位错增殖机制（1）位错的运动和晶体的滑移：当一条位错线移到晶体表面时，便会在晶体表面上留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量的量值，如果有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面形成显微镜下能观察到的滑移痕迹，这就是滑移线的实质。

（2）位错的增殖：只有滑移面上的位错线才能运动，当滑移面上的分切应力足够大时，位错线将向垂直于位错线的方向运动（3）位错的交割与塞积：晶体的滑移，实际上是源源不断的位错沿着滑移面的运动3.多晶体塑性变形特征（1）各晶粒变形的不同时性（各晶粒变形有先有后，不是同时进行的）。

（2）各晶粒变形的相互协调性。

（3）不均匀性4.断口特征三要素：纤维区，放射区，剪切唇5.解理，沿晶，微孔聚集型断口微观特征(1)解理：新鲜的断口都是晶粒状的，可以看到许多强烈反光的小平面（解理面），断口形貌特征是河流花样。

（2）沿晶：宏观断口呈细瓷状，较亮，也可看到许多强烈反光的小刻面，形貌特征为冰糖状，晶粒表面清洁光滑，棱角清晰，有很强的多面体感。

（3）微孔聚集型：用扫描电子显微镜可观察到微观断口形貌是韧窝。

第七章金属及合金的回复与再结晶1.金属的回复再结晶，定义，驱动力，显微组织变化，力学性能变化（1）回复：是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微镜组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。

(2)再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平。