金属热处理第二章剖析
金属学及热处理要点总结
第一章金属的晶体结构决定材料性能的三个因素：化学成分、内部结构、组织状态金属：具有正的电阻温度系数的物质。
金属与非金属的主要区别是金属具有正的电阻温度系数和良好的导电能力。
金属键：处以聚集状态的金属原子，全部或大部分贡献出他们的价电子成为自由电子，为整个原子集体所共有，这些自由电子与所有自由电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着，贡献出价电子的原子则变为正离子，沉浸在电子云中，依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用结合起来，这种结合方式叫做金属键。
双原子模型：晶体：原子在三维空间做有规则周期性重复排列的物质叫做晶体。
晶体的特性：1、各向异性2、具有一定的熔点。
空间点阵：为了清晰地描述原子在三维空间排列的规律性，常将构成晶体的实际质点忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称为阵点或节点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子团或分子团的中心，各个阵点的周围环境都相同。
做许多平行的直线将这些阵点连接起来形成一个三维空间格架，叫做空间点阵。
晶胞：从点阵中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。
晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数，在X、Y、Z轴上分别以a、b、c表示。
致密度：表示晶胞中原子排列的紧密程度，可用原子所占体积与晶胞体积之比K表示。
三种典型的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
体心立方晶格：α-Fe、Cr、W、V、Nb、Mo 配位数8 致密度0.68 滑移系：{110}*<111> 共12 个堆垛顺序ABAB 面心立方晶格：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 配位数12 致密度0.74 滑移系：{111}*<110> 共12 个堆垛顺序ABCABC 密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd 配位数12 致密度0.74 滑移系：{0001}*<1121> 堆垛顺序ABAB晶向族指数包含的晶向指数：一、写出<u v w>的排列二、给其中每个晶向加一个负号，分三次加三、给其中每个晶向加两个负号，分三次加四、给每个晶向加三个负号晶面族指数包含的晶面指数：（如果h k l 中有一个是零就写出排列各加一个负号，如果有两个零就只写出排列就行。
金属学与热处理第二章
根据构成能障的界面情况的不同，可能出现两种不同的形核
方式：
均匀形核
非均匀形核
15
3.1 均匀形核
在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。均质生核在熔 体各处几率相同，晶核的全部固－液界面皆由生核过程提供。因 此，所需的驱动力也较大。理想液态金属的生核过程就是均匀形 核，又称均质形核或自发形核。
16
31
(2) 形核速率
' GA Gk GA Gk f ( ) N k1 exp[( )] k1 exp[( )] kBT kBT
根据上式可知，异质形核率与下列因素有关： (1) 过冷度(ΔT)：过冷度越大，形核率越高。
32
(2) 界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定。如夹 杂物基底与晶核润湿，则形核率大。 失配度
20
(3) 形核率 形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。临界
尺寸r的晶核处于介稳定状态，既可溶解，也可长大。当r >rk时 才能成为稳定核心，即在rk的原子集团上附加一个或一个以上的 原子即成为稳定核心。其成核率 N 为：
N N1 N 2
Gk N1 N L exp( ) kBT
(1) 形核热力学
液相与固相体积自由能之差--相变的驱动力
由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能--相 变的阻力
G G均 V GV 4 3 r GV 4 r 2 3
17
临界形核半径
2 Tm 2 rk Gv H f T
18
(2) 形核功
在实际金属中，由于金属原子的活动能力强，不易出现极大 点，即随着过冷度的增大，形核率急剧增加。 23
(4) 均匀生核理论的局限性 均匀形核的过冷度很大,约为0.2T m，如纯铝结晶时的过冷度
《金属学与热处理》第二课后习题答案
金属学与热处理第一章习题1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。
今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。
解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2,5,5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0）7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2则有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=√8/3=1.6338.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有R=0.146X4R/√2=0.414R9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。
b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。
《金属热处理缺陷分析及案例》完整版
聚二醇（PAG）。
▪ F、其它措施： ▪ 及时回火。局部包扎。 ▪ （六）、其它热处理裂纹： ▪ 回火裂纹：多出现于高速钢或高合金工
具钢。 ▪ 冷处理裂纹：高速钢刀具、工模具冷至
－80度以下的淬火处理时易出现裂纹。 ▪ 时效裂纹：高温合金多。 ▪ 磨削裂纹：出现于淬硬工具钢或经渗碳、
▪ 经渗碳、碳氮共渗的零件，表层产生 很大的压应力、心部产生很大的拉应 力。
三、残余应力对力学性能的影响：
▪ 1、残余拉应力导致硬度降低，压应力则提 高硬度值。
▪ 2、残余应力增大，磨损增大。 ▪ 3、疲劳失效： ▪ （1）、失效过程：裂纹萌生→裂纹扩展。 ▪ （2）、残余压应力提高工件的疲劳强度。 ▪ 4、残余拉应力增大了应力腐蚀开裂的敏感
金属热处理缺陷 分析及案例
授课内容：
▪ 第一部分： ▪ 常见热处理缺陷的特征、产生原因、
危害性和预防措施。 ▪ 第二部分： ▪ 热处理质量全面控制体系。 ▪ 第三部分： ▪ 典型热处理缺陷案例分析。 ▪ 第四部分： ▪ 总结复习
▪第一部分
▪热处理缺陷特征、原因 及防止措施
第一章、热处理缺Biblioteka 概述：▪ A、冶金因素： ▪ （1）材料质量：冶金缺陷扩展成淬火裂纹。 ▪ （2）、化学成分：①、碳量超高，倾向越大。
②、合金元素：双向作用。 ▪ （3）、原始组织：粗大组织或魏氏组织倾向
大。球状组织倾向小。
B、零件尺寸和结构：
▪ （1）、截面尺寸过大或过小不易淬 裂。
▪ （2）、截面突变处：淬裂倾向大。
▪ （一）、含义：
▪ 指在热处理生产过程中产生 的使零件失去使用价值或不符合 技术条件要求的各种不足，以及 使热处理以后的后序工序工艺性 能变坏或降低使用性能的热处理 隐患。
金属热处理思考题
《金属热处理》思考题第二章钢在加热时的转变1．说明A1、A3、Acm、Ａc1、，Ac3、Accm、Ａr1、Ａr3、Ａrcm各临界点的意义。
2．奥氏体形成的全过程经历了那几个阶段？简答各阶段的特点。
3．奥氏体的形核部位在哪里优先及条件？4．哪些因素影响（及如何影响）奥氏体的形成速度？其中最主要的因素是什么？5．为什么说钢的加热相变珠光体向奥氏体转变的过程受碳扩散的控制? 用图示加以说明。
6．粒状珠光体，片状珠光体（粗片状与细片状），回火马氏体转变为奥氏体时共转变速度有何差别？7．什么是奥氏体的起始晶粒度，实际晶粒度，本质晶粒度？8．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？9．钢件加热时欠热，过热，过烧有何不同？能否返修？10.奥氏体是高温相，在一般钢中冷却下来就已经不存在了，谈论Ａ体晶粒大小，还有什么实际意义？11.钢件加热时过热会造成什么不良后果？12. 什么是珠光体向奥氏体转变过热度？它对钢的组织转变有何影响？第三章珠光体转变与钢的退火和正火１．简述珠光体的形成过程。
２．什么是珠光体？性能如何？如何获得珠光体？３．珠光体有哪几种组织形态？片状珠光体的片间间距决定于什么？它对钢的性能有何影响？４．珠光体的形成条件、组织形态和性能方面有何特点？５．粒状珠光体，片状珠光体（粗片状与细片状），回火马氏体转变为奥氏体时共转变速度有何差别？６．亚共析钢中铁素体和过共析钢中渗碳体有哪几种组织形态？它们对性能有何影响？７．若共析钢加热到Ａ体状态，然后进行等温转变和连续冷却转变，均获得片状珠光体，但其组织特征有何区别？８．为什么说钢的珠光体转变过程受碳扩散的控制? 用图示加以说明。
９．分析渗碳体球化过程的机制和高碳钢要进行球化退火的原因。
１０．45钢制零件820℃加热后分别进行退火和正火，其显微组织有什么不同？性能有什么不同？１１．何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？１２．正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退火？第四章马氏体转变１．钢中常见的马氏体形态和亚结构有哪几种？２．马氏体组织有哪几种基本类型？它们在形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点？３．钢获得马氏体组织的条件是什么？与钢的珠光体相变，马氏体相变有何特点？４．条状Ｍ体和片状Ｍ体在强度，硬度，韧性等方面的性能差异如何？５．0.2%Ｃ，1.0%Ｃ钢淬火后的Ｍ体形态和亚结构有什么异同？６．钢中常见的马氏体形态和亚结构有哪几种？７．Ｍ体的强化机构有哪几个方面？８．Ｍs点位置高低有什么实际意义？它受哪些因素的影响？其中主要的因素是什么？９．淬火钢中Ａ残的存在有什么影响？决定Ａ残量的因素有哪些？在热处理操作上如何控制？１０．试分析如何通过控制热处理工艺因素提高中碳钢件和高碳钢件的强韧性。
金属材料热处理技术手册
金属材料热处理技术手册第一章：引言金属材料热处理技术是一种通过加热、保温和冷却等步骤来改变金属材料的组织和性能的方法。
本手册旨在向读者介绍金属材料热处理技术的基本原理和常用方法，并提供实际操作指导。
第二章：金属材料热处理基础知识2.1 金属材料组织与性能的关系金属材料的组织对其性能有着重要影响。
不同的组织状态会导致材料具有不同的力学性能、耐腐蚀性以及导电导热性能。
热处理可以改变金属材料的晶格结构和相对应的组织状态，从而调控其性能。
2.2 热处理工艺的分类热处理工艺可分为退火、淬火、回火、时效等多种类型。
每种类型的热处理工艺都有不同的加热温度、保温时间和冷却速率等操作要求，以达到预期的效果。
第三章：常见金属材料热处理工艺3.1 碳钢的热处理碳钢是最常见的金属材料之一，其常见的热处理工艺包括正火、球化退火和淬火等。
不同的热处理工艺可以使碳钢材料获得不同的硬度和延展性。
3.2 不锈钢的热处理不锈钢是一类具有高耐腐蚀性的金属材料，其常见的热处理工艺包括固溶处理、时效处理和回火等。
这些工艺可以调整不锈钢材料的抗拉强度和耐腐蚀性能。
3.3 铝合金的热处理铝合金具有轻质、良好的导热性和机械性能等特点，在航空、汽车等领域得到广泛应用。
其常见的热处理工艺包括固溶处理、时效处理和淬火等，这些工艺可以提高铝合金材料的强度和硬度。
第四章：热处理设备与工艺控制4.1 热处理设备的分类热处理设备可以分为电阻炉、盐浴炉、气体炉等多种类型。
不同的热处理设备适用于不同的金属材料和工艺要求。
本节将介绍各种热处理设备的特点和适用范围。
4.2 热处理工艺控制热处理过程中的温度、时间和冷却速率等参数的控制对最终的热处理效果至关重要。
本节将介绍热处理工艺控制的方法和技巧，以确保热处理的准确性和可重复性。
第五章：热处理质量控制与检测5.1 热处理质量控制热处理质量控制包括原材料的质量控制、热处理过程的控制和成品的质量检测等。
本节将介绍如何建立有效的质量控制体系，以确保热处理的质量。
金属热处理技术手册
金属热处理技术手册
摘要：
本手册旨在对金属热处理技术进行全面而系统的介绍和总结。
内容
包括金属热处理的基本原理、分类、工艺流程、设备及技术等方面的
知识点。
希望能为金属材料加工及相关从业人员提供参考和实用指导。
第一章金属热处理的基本原理
金属热处理是指加热金属材料，将其保持在一定温度下并进行适当
冷却后得到期望的金属组织和性能的过程。
这一过程可以改善金属的
塑性、韧性、抗疲劳性、耐腐蚀性和耐热性能等特点。
第二章金属热处理的分类
金属热处理的分类按材料性质不同而异，主要包括调质、退火、正火、淬火等不同的热处理类型，各种类型的热处理都会在一定程度上
改变材料的性质和组织结构。
第三章金属热处理的工艺流程
金属热处理的工艺流程包括加热、保温、降温、处理等过程。
在这
一过程中，需要注意合理控制加热和冷却速率，保证金属组织均匀性
和性能等要素的达成。
第四章金属热处理的设备
金属热处理的设备通常包括热处理炉、热处理钢罐、加热炉、降温设备、炉具等。
其中，炉具的种类和质量直接决定着金属热处理成品的质量水平和工艺效率。
第五章金属热处理的技术
金属热处理的技术主要包括热处理工艺、工艺参数和环境因素等，其中前两者直接决定了金属组织和性能的变化方向和程度。
结论：
金属热处理作为一项重要的金属材料加工技术，一直以来受到广泛的关注和应用。
本手册对于金属热处理技术的全面系统介绍和总结，期望能为从事金属热处理的相关从业人员提供参考和实用指导，使其能更好地从事相关工作，提高工作效率和成果质量。
金属学与热处理课后习题答案第二章
第二章纯金属的结晶2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V △Gv/2b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何答：2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。
为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。
答：2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度影响过冷度的因素是什么固态金属熔化时是否会出现过热为什么答：金属结晶时需过冷的原因：如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。
当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。
所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使Gs＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。
把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度影响过冷度的因素：金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。
固态金属熔化时是否会出现过热及原因：会。
原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜Gs，固态金属才会发生自发地熔化。
2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。
答：相同点：1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。
2、具有相同的临界形核半径。
3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。
不同点：1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。
2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。
3、两者对形核率的影响因素不同。
非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。
2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。
答：液相中的温度梯度分为：正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。
金属学与热处理第二章
复习重点：名词、简答、各章课堂强调的重点及书后作业第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。
结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。
近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。
远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。
结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。
晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。
形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。
过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。
均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。
非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。
变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。
能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。
正温度梯度：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。
负温度梯度：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细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。
晶粒度：晶粒的大小。
缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。
二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。
金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。
3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；3）潜热的释放与逸散4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。
金属学与热处理课后答案(崔忠圻版)
第二章纯金属的结晶2-3 为什么金属结晶时一定要有过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？答：（1）因为金属结晶时存在过冷现象，是为了满足结晶的热力学条件，过冷度越大，固、液两项的自由能差越大，相变驱动力越大。
（2）过冷度随金属的纯度不同和本性不同，以及冷却速度的差异可以再很大范围内变化。
金属不同，过冷度也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大，反之，越小。
（3）会，当液态金属的自由能低于固态时，这时实际结晶温度高于理论结晶温度T m，此时，固态金属才能自发的转变为液态金属，称为过热。
2-4试比较均匀形核与非均匀形核的异同点。
答;均匀形核是指：若液相中各区域出现新相晶核的几率是相同的；非均匀形核：液态金属中存在微小的固相杂质质点，液态金属与型壁相接触，晶核可以优先依附现成的固体表面形核。
在实际的中，非均匀形核比均匀形核要容易发生。
二者形核皆需要结构起伏，能量起伏，过冷度必须大于临界过冷度，晶胚的尺寸必须大于临界晶核半径。
2-5说明晶体成长形状与温度梯度的关系？答;正温度梯度下以平面状态的长大形态，服温度梯度下以树枝状长大。
2-6简述铸锭三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点？（1）表层细晶区形成原因：①型壁临近的金属液体产生极大过冷度满足形核的热力学条件；②型壁可以作为非均匀形核的基地。
该晶区特点：组织细密，力学性能较好，但该晶区较薄，一般没有多大的实际意义。
（2）柱状晶区的形成原因：①液态金属结晶前沿有适当的过冷度，满足形核要求；②垂直于型壁方向散热最快，晶体向相反的方向生长；③外因是散热的方向性；④内因是晶体晶体生长的各向异性。
该晶区的特点：相互平行的柱状晶接触面及相邻垂直的柱状晶区的交界面较为脆弱，并常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，使铸锭在热压力加工时，容易沿着这些脆弱面开裂，组织比较致密。
（3）中心等轴晶区形成特定：①中心液体达到过冷，加上杂质元素的作用，满足形核的要求；②散热失去方向性，晶核自由生长，长大速度差不多，长成等轴区。
《金属学与热处理》(第二版)课后习题参考答案
金属学与热处理第一章习题1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。
今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。
解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2,5,5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0）7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2则有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=√8/3=1.6338.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有R=0.146X4R/√2=0.414R9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。
b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。
《金属学和热处理》崔忠圻[第二版]课后答案解析[完整版]
![《金属学和热处理》崔忠圻[第二版]课后答案解析[完整版]](https://img.taocdn.com/s3/m/b52838811a37f111f1855b79.png)
第一章金属的晶体结构1-1 作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6]等晶向。
答：1-2 立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
答：{1 1 1}晶面共包括（1 1 1）、（-1 1 1）、（1 -1 1）、（1 1 -1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。
1-3 某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。
今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。
答：由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/3=2a。
取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2，5，5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）1-4 体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：H==a/2（1 0 0）==√2a/2H（1 1 0）==√3a/6H（1 1 1）面间距最大的晶面为（1 1 0）1-5 面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：==a/2H（1 0 0）H==√2a/4（1 1 0）==√3a/3H（1 1 1）面间距最大的晶面为（1 1 1）注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：1、体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=2、面心立方晶格晶面间距：当指数不全为奇数是H=，当指数全为奇数是H=。
1-6 试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。
答：1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。
金属学与热处理—第二章1-4节
教学要求：
1 了解金属结晶过程的形核、长大
2 理解金属铸锭的组织与缺陷
3 掌握金属结晶的热力学条件和结构条件
重点：金属结晶的热力学条件和结构条件 难点：金属结晶过程的形核、长大 学时数：共4学时
§1
金属的结晶现象
注意结晶和凝固的 区别
结晶： 液体 --> 晶体——金属生产的第一步
θ=0 a)
θ b) 不同湿润角的晶核形状
θ c)
2、影响非均质形核率的因素
⑴ 过冷度的影响：∵形核功小；
∴ΔT=0.02Tm
~0.2Tm ⑵
┗ 远小于均匀形核 ⑵ 固体杂质结构的影响：
~0.02Tm
⑴
△T 非均匀形核率⑴与均匀形核率 ⑵随过冷度变化的比较
LB B cos L
温度
Tm
△T
急冷
非晶态材料
非均匀形核
1、临界形核半径和形核功
液相L
1 3 V r (2 3 cos cos3 ) 3
σLα σLβ θ
晶核α
S1
S1 2r 2 (1 cos )
S2
σαβ
L L cos
基底β
r
S 2 r 2 sin2
结晶的结构条件
相起伏
能量起伏
晶胚
晶核
§4 晶核的形成
形核方式：
不是所有的晶坯均能 形成晶核，为什么？
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中稳定的原
子集团（相起伏）形核的过程，液
相中各区域出现新相晶核的几率都 是相同的。——理想情况
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态金属中现 成的微小固相杂质质点或器壁 的表面形核的过程。——实际 液态金属结晶情况均属此类。
unit2 金属热处理
The key transition described in this diagram is the decomposition of single-phase austenite(γ) to the two-phase ferrite plus carbide structure as temperature drops. 在此图中描述的关键转变是单相奥氏体(γ) 随 着温度下降分解成两相铁素体加渗碳体组织结构。
Austenite n. [冶]体 A nonmagnetic solid solution of ferric carbide or carbon in iron, used in making corrosion-resistant steel. 奥氏体：一种非磁性的固状可溶性含铁碳化物或含碳铁，用 于制作不锈钢 After Sir William Chandler Roberts- Austen (1843-1902), British metallurgist 源自威廉· 查德勒· 罗伯特- 奥斯汀 （1843-1902年）爵士，英 国冶金学家
This structure is composed of two distinct phases, but has its own set of characteristic properties and goes by the name pearlite, because of its resemblance to mother- ofpearl at low magnification. 这种结构由两种截然不同的状态组成，但它本身 具有一系列特性，且因与低倍数放大时的珠母层有类 同之处而被称为珠光体。
Since this chemical separation of the carbon component occurs entirely in the solid state, the resulting structure is a fine mechanical mixture of ferrite and cementite. Specimens prepared by polishing and etching in a weak solution of nitric acid and alcohol reveal the lamellar structure of alternating plates that forms on slow cooling. 由于这种碳成分的化学分离完全发生在固态中， 产生的组织结构是一种细致的铁素体与渗碳体的机 械混合物。通过打磨并在弱硝酸酒精溶液中蚀刻制 备的样本显示出由缓慢冷却形成的交互层状的薄片 结构。
金属热处理原理及工艺总结_整理版
⾦属热处理原理及⼯艺总结_整理版5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和⾯缺陷对⾦属性能有何影响？答：如果⾦属中⽆晶体缺陷时，通过理论计算具有极⾼的强度，随着晶体中缺陷的增加，⾦属的强度迅速下降，当缺陷增加到⼀定值后，⾦属的强度⼜随晶体缺陷的增加⽽增加。
因此，⽆论点缺陷，线缺陷和⾯缺陷都会造成晶格崎变，从⽽使晶体强度增加。
同时晶体缺陷的存在还会增加⾦属的电阻，降低⾦属的抗腐蚀性能。
6.为何单晶体具有各向异性，⽽多晶体在⼀般情况下不显⽰出各向异性？答：因为单晶体内各个⽅向上原⼦排列密度不同，造成原⼦间结合⼒不同，因⽽表现出各向异性；⽽多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个⽅向上的⼒相互抵消平衡，因⽽表现各向同性。
7.过冷度与冷却速度有何关系？它对⾦属结晶过程有何影响？对铸件晶粒⼤⼩有何影响？答：①冷却速度越⼤，则过冷度也越⼤。
②随着冷却速度的增⼤，则晶体内形核率和长⼤速度都加快，加速结晶过程的进⾏，但当冷速达到⼀定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原⼦的扩散能⼒减弱。
③过冷度增⼤，ΔF⼤，结晶驱动⼒⼤，形核率和长⼤速度都⼤，且N的增加⽐G增加得快，提⾼了N与G的⽐值，晶粒变细，但过冷度过⼤，对晶粒细化不利，结晶发⽣困难。
8.⾦属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？答：①⾦属结晶的基本规律是形核和核长⼤。
②受到过冷度的影响，随着过冷度的增⼤，晶核的形成率和成长率都增⼤，但形成率的增长⽐成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的⽅法也会增⼤形核率。
9.在铸造⽣产中，采⽤哪些措施控制晶粒⼤⼩？在⽣产中如何应⽤变质处理？答：①采⽤的⽅法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的⽅法来控制晶粒⼤⼩。
②变质处理：在液态⾦属结晶前，特意加⼊某些难熔固态颗粒，造成⼤量可以成为⾮⾃发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数⽬⼤⼤增加，从⽽提⾼了形核率，细化晶粒。
③机械振动、搅拌。
第⼆章⾦属的塑性变形与再结晶2．产⽣加⼯硬化的原因是什么？加⼯硬化在⾦属加⼯中有什么利弊？答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直⾄破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈⼤，晶粒破碎的程度愈⼤，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长⽽被拉长。
金属热处理原理与工艺优秀课件
A形核
A形成包括四个阶段：
A晶核
剩余
长大
Fe3C溶解
A 均匀化
未溶Fe3C
未溶Fe3C
奥氏体形成动力学可分为等温形成动力学和连续加热 形成动力学。
奥氏体等温形成动力学
等温形成动力学即在一定温度下的转变量和转变时间 的关系（即在一定温度下的转变速度）。
奥氏体等温形成动力学的分析 （1）奥氏体的形核率 （2）奥氏体晶体的长大速度G 影响奥氏体形成速度的因素 （1）温度 （2）碳含量 （3）原始组织的影响 （4）合金元素的影响
影响钢脱碳的因素。 要在热处理时不发生氧化脱碳，可采取的措施
第三章 合金的时效
定义：
1. 固溶处理 2. 析出 3. 时效 4. 时效硬化 5. 时效合金
Al-Cu合金的析出过程为： α相（Al基过饱 和固溶体）、G.P.区、θ″相、θ′相、θ相（平 衡相CuAl2) 。
析出的类型：局部析出、连续析出、不连续 析出。
金属热处理原理与 工艺课件
第一章 金属热处理概述
物理性能
使用性能
化学性能 力学性能
材
焊接性
料 工艺性能 铸造性
的 性 能
锻造性 热处理工艺性 原材料费
经济性
加工费
热处理
金属材料的强化机制 1. 固溶强化 2. 细晶强化 3. 位错强化 4. 沉淀相颗粒强化
普通（整体）热处理
退火 正火 淬火 回火
固态相变的根本动力： 新相与旧相的自由焓差。 固态相变的阻力: 界面能和应变能。
第二章 金属的加热
传热的基本方式 1.热传导 2.热对流 3、热辐射
加热温度和时间
零件加热曲线示意图
金属在含有氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化气氛 中加热时都会不同程度的发生氧化反应，使金属 被氧化。
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
第二章金属热处理
非均匀形核
（二）形核率 两个相互接触的晶面结构越近似，它们之间的 表面能就越小，即使只在接触面的某一个方向上的 原子排列配合得比较好，也会使表面能降低一些。 这样的条件（结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配 原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到 催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性 质点。
由于上式第一项即体积自由能随r的立方而减小， 而第二项即表面能随r的平方而增加，所以当r 增大时， 体积自由能的减小比表面能增加得快。但在开始时， 表面能项占优势，当r 增加到某一临界尺寸后，体积 自由能的减小将占优势。于是在ΔG与r 的关系曲线上 出现了一个极大值ΔGK，与之相对应的r 值为rK。
一、均 匀 形 核
（一）形核时的能量变化和临界晶核半径 在一定的过冷度条件下，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系统的自由能降低， 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。
均 匀 形 核
非均匀形核
（二）形核率 1．过冷度的影响 由于非均匀形核所需 ' 很小，因此 的形核功ΔG K 在较小的过冷度条件下， 当均匀形核还微不足道时， 非均匀形核就明显开始了。 图2-16为均匀形核与非均 匀形核的形核率随过冷度 变化的比较。
图2-16 （1）— （2）—随过冷度而变化的比较
非均匀形核
金属结晶的结构条件
根据以上的试验结果， 可以勾画出液态金属结构的 示意图，如图2-6所示。在液 体中的微小范围内，存在着 紧密接触规则排列的原子集 团，称为短程有序，但在大 范围内原子是无序分布的。 而在晶体中大范围内的原子 却是呈有序排列的，称为长 程有序。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 a b 600/mm、1200/mm
a
d=a+b 光栅常量 b d
（10-5——10-6 m）
光的衍射 -----光栅衍射
2. 光栅的衍射图样
线光源经过透镜射出
平行光照到光栅上，衍射
光再经透镜聚到屏幕上。
θ
屏幕上出现细亮的等间距
的条纹。
单缝衍射与各个缝之间 干涉的综合效果。
D
A
C
B
布拉格定律
如果波程差为波长的整数倍，即
2d sin n
则散射波（1和2）的位相完全相同，所以互相加强， 此为布拉格定律。式中n为整数，称为反射级数。
强度相互加强的波之间的作用称为相长干涉，而强 度相互抵消的波之间的作用称为相消干涉。
第2节 布拉格方程的讨论
（1） 选择反射 （2） 产生衍射的条件 （3） 干涉面和干涉指数 （4） 衍射线方向与晶体结构的关系
取一个不透光的屏，在它的中间装上一 个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光 照射，在缝后适当距离处放一个像屏 ．
激
光
束
调节狭
像
缝宽窄
屏
光的衍射 -----光栅衍射
1. 基本概念
光栅—大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面) 构成的光学元件。
（分光装置）
种类：
透射光栅
反射光栅
d d
光栅常数 a是透光（或反光）部分的宽度
❖ 1895年，W.C.Rontgen发现X射线，认为X射线是—种 波，但还无法证明它。
背景知识
❖ 法国物理学家ue在和青年研究生厄瓦尔 德讨论光散射角时得到启发：如果x射线是一种波 且具有波动性的话，那么在光栅上可以产生衍射， 而这个光栅常数必须在1~10Å的数量级。这样的光 栅用人工的方法是加工不出来的，但是，如果像 晶体学家所推断的，晶体由原子组成，而原子在 空间的排列间距是1~10Å，那么，如果x射线的波 长也与此相当的话，晶体就可以作为x射线衍射的 光栅。
（1）选择反射
入射束、反射面法线、反射束均处于同一平面上， 而且反射角和入射角相等。所以，习惯地把X射线 的衍射称之为X射线的反射。
（1）选择反射
衍射和(光)反射至少在下述三个方面有本质区别：
❖ 被晶体衍射的X射线是由入射线在晶体中所经过路 程上所有的原子散射波干涉的结果，而可见光的 反射是在极表面层上产生的，可见光反射仅发生 在两种介质的界面上。
（1）选择反射
本质上说，X射线的衍射是由大量原子参与的一种 散射现象。但因衍射线的方向恰好相当于原子面 对入射线的反射，故可用布拉格定律代表反射规 律来描述衍射线束的方向。
产生衍射的必要条件是有一个可以干涉的波和有 一组周期排列的散射中心。
（2）产生衍射的条件
衍射只产生在波的波长和散射中间距为同一数量 级的或更小的时候，因为
晶体的原子排列
布拉格定律的推证
❖ 当Ⅹ射线照射到晶体上时，考虑一层原子面上散 射Ⅹ射线的干涉。当Ⅹ射线以θ角入射到原子面 并以β角散射时，相距为a的两原子散射x射的光 程差为：
cb ad a(cos cos )
布拉格定律的推证
❖ 当光程差等于波长的整数倍（nλ）时 ，在β角 方向散射干涉加强。即光程差δ=0，从上式可得 θ=β。即当入射角与散射角相等时，一层原子面 上所有散射波干涉将会加强。与可见光的反射定 律相类似，Ⅹ射线从一层原子面呈镜面反射的方 向，就是散射线干涉加强的方向，因此，常将这 种散射称为晶面反射。
P
o
f
背景知识
❖ 在1912年之前，物理学家对可见光的衍射现象已经 有了确切的解释，认为光栅常数 (a+b)只要与一个 点光源发出的光的波长为同一数量级的话就可以产 生衍射，衍射花样和光栅常数密切相关。
❖ 另一方面，晶体学家和矿物学家们对晶体的研究也 有了初步的认识，法国晶体学家M．A．Bravais计算 出晶体有十四种点阵类型。
布拉格父子
1915年诺贝尔物理学奖，小布拉格获诺贝尔奖时才25岁，至今还保持 着诺贝尔奖获得者中获奖年龄最轻的纪录
布拉格方程
❖ 可以说，劳厄方程是从原子列散射波的干涉出发， 去求Ⅹ射线照射晶体时衍射线束的方向，而布拉格 定律则是从原子面散射波的干涉出发，去求X射线照 射晶体时衍射线束的方向，两者的物理本质相同。
cb ad a(cos cos )
布拉格定律推证
❖ X射线有强的穿透能力，在x射线作用下晶体的散 射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射 线互相干涉外，各原子面的散射线之间还要互相 干涉。这里只讨论两相邻原子面的散射波的干涉。
布拉格定律的推证
❖ 过D点分别向入射线和反射线作垂线，则AD之前 和CD之后两束射线的光程相同，它们的光程差为 δ＝AB+BC＝2dsinθ。当光程差等于波长的整数 倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强 条件为： 2d sin n
背景知识
❖ 在 Rontgen 的 两 名 研 究 生 协助下，Laue于1912年春 用 CuSO4.5H20 晶 体 作 试 样 ， 经两次实验得到了第一张 透射花样照片。还推导出 X射线在晶体是衍射的几 何规律，提出了著名的 Laue方程。
1914年诺贝尔物理学奖
背景知识
❖ 用劳厄方程描述x射线被晶体的衍射现象时，入射线、 衍射线与晶轴的六个夹角不易确定，用该方程组求 点阵常数比较困难。所以，劳厄方程虽能解释衍射 现象，但使用不便。1912年英国物理学家布拉格父 子（Bragg，W.H.＆Bragg，W.L.）从x射线被原子面 “反射”的观点出发，推出了非常重要和实用的布 拉格定律。
❖ 单色X射线的衍射只在满足布拉格定律的若干个特 殊角度上产生（选择衍/反射），而可见光的反射 可以在任意角度产生，即反射不受条件限制。
（1）选择反射
衍射和(光)反射至少在下述三个方面有本质区别：
❖ 可见光在良好的镜面上反射，其效率可以接近 100%，而X射线衍射线的强度比其入射线强度却微 乎其微。
材料现代研究方法
张峻巍
第二章 X射线运动学衍射理论
本章内容
第1节 X射线衍射方向 第2节 布拉格方程的讨论 第3节 倒易点阵 第4节 X射线衍射强度
本章重点与难点
重点： 布拉格方程与讨论； 一个晶胞的衍射强度与结构因子的内容。
难点： 对布拉格方程的理解； 倒易点阵的概念、定义与性质。
光的衍射 -----单缝衍射