金属学基础
金属学及热处理
时效处理工艺
总结词
时效处理是一种通过长时间放置或加热使金属内部发生沉淀 或析出反应的过程，主要用于提高金属的强度和稳定性。
详细描述
时效处理工艺通常将金属加热至较低的温度，并保持一定时 间，使金属内部的原子或分子的分布发生变化，形成更加稳 定的结构。通过时效处理，金属的强度和稳定性可以得到提 高。
表面热处理工艺
总结词
表面热处理是一种仅对金属表面进行 加热和冷却的过程，主要用于改善金 属表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化 性等。
详细描述
表面热处理工艺通常仅对金属表面进行加热 和冷却，而内部保持不变。通过表面热处理 ，可以改变金属表面的晶格结构、化学成分 和组织结构等，从而改善其表面的性能。
04 热处理设备与工具
热处理炉应定期进行维护和保养，确保设备的正常运行 和使用寿命。
在操作过程中，应定期检查炉温和炉压是否正常，防止 超温或超压。
在使用过程中，应保持炉膛的清洁，防止杂物和积炭对 加热元件和金属材料的影响。
热处理工具的选择与使用
01
02
03
04
根据不同的热处理工艺和金属 材料，选择合适的热处理工具
。
在使用过程中，应注意工具的 材质和尺寸是否符合要求，防 止工具损坏或金属材料表面损
金属学及热处理
contents
目录
• 金属学基础 • 热处理原理 • 热处理工艺技术 • 热处理设备与工具 • 热处理的应用与发展趋势
01 金属学基础
金属材料的分类与特性
钢铁材料
根据碳含量和用途，钢铁材料可分为生铁、铸铁和钢 材。其特性包括高强度、耐磨性和耐腐蚀性。
有色金属
如铜、铝、锌等，具有良好的导电性、导热性和延展 性。
第二节 金属学及热处理基本知识
第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。
固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。
常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。
第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。
而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。
常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。
我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。
(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。
食盐、水结成的冰，都是晶体。
一般的固态金属及合金也都是晶体。
并非所有固态物质都是晶体。
如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。
晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。
在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。
而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。
由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。
(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。
金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。
体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。
图1—4 典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。
这种晶格的转变，称为同素异晶转变。
纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。
金属材料及热处理基础知识.ppt
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
《金属学基础原理》典型题例
《金属学原理》典型题例晶体结构章节1. 纯铁在912 ℃由bcc结构转变为fcc结构，体积减少1.06%，根据fcc形态的原子半径计算bcc形态的原子半径。
它们的相对变化为多少？如果假定转变前后原子半径不便，计算转变后的体积变化。
这些结果说明了什么？2. 铜的相对原子质量为63.55，密度为8.96g/cm3，计算铜的点阵常数和原子半径。
测得Au的摩尔分数为40%的Cu-Au固溶体，点阵常数a=0.3795nm，密度为14.213g/cm3，计算说明他是什么类型的固溶体。
3. Fe-Mn-C合金中，Mn和C的质量分数为12.3%及1.34%，它是面心立方固溶体，测得点阵常数a=0.3642nm，合金密度为7.83g/cm3，计算说明它是什么类型的固溶体。
4 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：①立方晶系(421)，(1—23)，(130)，[21—1—]，[311]；②六方晶系(211——1)，(11—01)，(321——2)，[211——1]，[12—13]。
α和高温稳定的体5 已知纯钛有两种同素异构体：低温稳定的密排六方结构Ti-β，其同素异构转变温度为882.5℃，计算纯钛在室温(20℃)和心立方结构Ti-900℃时晶体中(112)和(001)的晶面间距(已知aα20℃=0.2951nm，cα20℃=0.4679 nm，aβ900℃=0.3307nm)。
6 试计算面心立方晶体的(100)，(110)，(111)等晶面的面间距和面致密度，并指出面间距最大的面。
7 Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为α为0.632nm，ρ为7.26g/cm3，r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？8 ①按晶体的钢球模型，若球的直径不变，当Fe从fcc转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？②经X射线衍射测定，在912℃，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm，计算从γ-Fe转变为α-Fe时，其体积膨胀为多少？与①相比，说明其产生差异的原因。
金属材料工程大一学习计划
金属材料工程大一学习计划引言在当今社会，金属材料工程是一个非常重要的学科领域。
金属材料一直以来都是制造业的基础材料，被广泛地应用在各个行业中。
因此，学习金属材料工程对于从事相关行业的学生来说是非常重要的。
本文将从大一学生的角度出发，制定出一份详细的金属材料工程学习计划，以帮助大一新生更好地学习和掌握这门学科。
一、课程安排大一的金属材料工程专业课程通常包括《工程材料学》和《金属学基础》两门课程。
在学习这两门课程之前，大一学生通常会先学习大学物理学、高等数学、英语等基础课程。
因此，在进行金属材料工程学习计划之前，我们需要先了解在大一的课程安排。
1.1 大学物理学大学物理学是金属材料工程学习的基础，它是对物质运动规律和物质结构的研究。
在大学物理学课程中，学生将学习到原子结构、能量转换、热学、波动光学、电磁学等基础知识。
这门课程对于学生以后学习金属材料工程学科非常重要，因为它是金属材料工程学科的基础知识。
1.2 高等数学高等数学是金属材料工程学习的数学基础，它是现代数学的一个重要分支，是应用数学的基础。
在高等数学课程中，学生将学习到微积分、多元函数微积分、常微分方程、偏微分方程等数学知识。
这些知识对于学生以后学习金属材料工程学科非常重要，因为它是金属材料工程学科的数学基础。
1.3 英语英语是金属材料工程学习的语言基础，因为金属材料工程学科是一个国际性学科，需要与世界各地的专家进行学术交流。
因此，学生需要通过英语课程学习到足够的英语知识和技能，以便能够进行学术交流和研究合作。
1.4 工程材料学《工程材料学》是金属材料工程学科的重要课程之一，它是专门研究工程材料的组织、性能和应用的一门学科。
在这门课程中，学生将学习到金属材料的组织、性能和应用方面的知识。
这对于学生掌握金属材料工程学科非常重要。
1.5 金属学基础《金属学基础》是金属材料工程学科的另一门重要课程，它是专门研究金属材料原子结构、物理性质和机械性能的一门学科。
第五章金属学基础第五节铁碳合金相图
第五章金属学基础第五节铁碳合金相图由α-Fe转变为γ-Fe就是属于________。
A.同素异构转变B.共析转变C.共晶转变D.匀晶转变Fe-Fe3C相图就是Fe-C合金相图的一部分,生产中使用的碳钢与铸铁的含碳量不超过________,Fe－Fe3C相图部分就可满足生产上的要求。
A.2、11%B.1、5%C.4、3%D.5%Fe-Fe3C相图就是Fe-C合金相图的一部分,其组元为________。
A.F+AB.F+Fe3CC.Fe+Fe3CD.P+Fe3C当温度在室温至727℃时,α-Fe的体心立方晶格中的溶碳量为________。
A.0、0008%～0、0218%B.0、0008%～0、077%C.0、0218%～0、77%D.0、77%～2、11%当温度在727～1148℃时,γ-Fe的面心立方晶格中的溶碳量为________。
A.0、0008%～0、0218%B.0、0008%～0、077%C.0、0218%～0、77%D.0、77%～2、11%在下列铁的形态中,具有体心立方晶格的就是________。
A.α-FeB.γ-FeC.δ-FeD.α-Fe与δ-Fe在下列铁的形态中,具有面心立方晶格的就是________。
A.α-FeB.γ-FeC.δ-FeD.α-Fe与δ-Fe渗碳体的性能特点就是________。
Ⅰ.硬度高;Ⅱ.硬度低;Ⅲ.强度高;Ⅳ.强度低;Ⅴ.塑性高;Ⅵ.塑性低。
A.Ⅱ+Ⅲ+ⅤB.Ⅰ+ⅤC.Ⅰ+Ⅳ+ⅥD.Ⅰ+Ⅵ碳溶于α-Fe的晶格中形成的固溶体称为________。
A.铁体素B.奥氏体C.渗碳体D.马氏体铁素体的最大的溶碳量为________。
A.0、77%B.0、0008%C.0、0218%D.2、11%在室温时,铁素体的最大的溶碳量为________。
A.0、77%B.0、0008%C.0、0218%D.2、11%在727℃时,铁素体的最大的溶碳量为________。
金属学及热处理基础知识
第一章金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。
但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。
1、金属的原子结构及原子的结合方式（1）金属原子的结构特点最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。
因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。
当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。
因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。
强度高。
由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。
（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。
这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价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，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。
（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。
结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。
机械工程材料模拟题
机械工程材料复习题第一章金属学基础一、名词解释1.过冷度2.均质成核3.非均质成核4.冷变形5.热变性6.加工硬化7.再结晶8.纤维组织9.锻造流线二、选择题1. 每个体心立方晶胞中包含有（）个原子。
A.1B.2C.3D.42. 每个面心立方晶胞中包含有（）个原子。
A.1B.2C.3D.43.属于面心立方晶格的金属有（）。
A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒C.γ-Fe,铜D.γ-Fe,钒4.属于体心立方晶格的金属有（）。
A.α-Fe,铝B.α-Fe,铬C.γ-Fe,铝D.γ-Fe,铬5.在晶体缺陷中，属于点缺陷的有（）。
A.间隙原子B.位错C.晶界D.缩孔6.金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：A．越高 B. 越低 C. 越接近理论结晶温度7.为细化晶粒，可采用：A. 快速浇注B. 加变质剂C. 以砂型代金属型8.铸锭剖面由表面到中心的晶粒特点依次为：A．表面等轴粗晶粒层，中间柱状晶粒层，心部细晶粒层B．表面细晶粒层，中间柱状晶粒层，心部等轴粗晶粒层C．表面等轴粗晶粒层，中间细晶粒层，心部柱状晶粒层D．表面等轴粗晶粒层，中间柱状晶粒层，心部等轴粗晶粒层9.下列三种方法制造紧固螺栓，哪一种比较理想（）。
A.直接用圆钢切削加工而成；B.将圆钢局部镦粗，然后再加工；C.用一厚钢板切削加工而成。
10.对重要受力零件，纤维组织的方向应该是与（）。
A.最大正应力和最大剪应力平行；B.最大正应力垂直和最大剪应力平行；C.最大正应力平行和最大剪应力垂直。
三、是非题1. 非晶体具有各向异性。
2. 每个体心立方晶胞中实际包含有2个原子。
3. 每个面心立方晶胞中实际包含有2个原子。
4. 每个面心立方晶胞中实际包含有4个原子。
5. 每个体心立方晶胞中实际包含有4个原子。
6. 单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。
7. 晶体具有各向同性。
8. 单晶体具有各向同性，多晶体具有各向异性。
9. 物质从液体状态转变为固体状态的过程称为结晶。
《金属工艺学》课后习题
第一章金属学基础知识1．什么是强度什么是塑性衡量这两种性能的指标有哪些各用什么符号表示金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。
常用的强度指标有弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb。
塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。
常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。
2．什么是硬度HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度各种硬度测试方法的特点有何不同硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
HBS：用淬火钢球作压头时的布氏硬度。
不能测试太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。
通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。
HBW：用硬质合金球作压头的布氏硬度。
用于测试硬度在650HBW以下的材料。
HRA：洛氏硬度，表示试验载荷（60KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥压头试压。
用于硬度极高的材料，例如硬质合金。
HRB：洛氏硬度，表示试验载荷（100KG），使用直径的淬火钢球试压。
用于硬度较低的材料，例如退火钢、铸铁等。
HRC：洛氏硬度，表示试验载荷（150KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥头试压。
用于硬度很高的材料，例如淬火钢等。
3．简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的。
静载荷作用下测试：强度、塑性、硬度。
动载荷作用下测试：冲击韧度、疲劳强度。
4．试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简要解释。
晶体：物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体。
晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的空间架格称为晶格。
晶胞：能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞。
单晶体：如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。
多晶体：由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体。
5．常见金属晶格类型有哪几种试绘图说明。
①体心立方晶格②面心立方晶格③密排六方晶格6．晶体的各向异性是如何产生的为何实际晶体一般都显示不出各向异性在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，因而原子间距不同，原子间相互作用的强弱不同，从而导致晶体的宏观性能在不同方向上具有不同数值，此现象称为晶体的各向异性。
金属学基础--晶向指数和晶面指数
Total: 4×3！=24
16
立方晶系常见的晶面为
{100} : (100)、 )、 ) (010 (001 {110} : (110)、 )、 )、 10)、 01)、 1 1) (101 (011 (1 (1 (0 {111} : (111)、 11)、 1 1)、 1) (1 (1 (11
a
linear density
1 2 21 a a
1 2 2 0.7 a 2a 1 2 1 1.16 2 a 3a
linear density
2 1 21 a a
<100>
<110>
2a
2a
1 2 1 1.4 2 a 2a 1 2 2 0.58 a 3a
<111>
h1
k1 k2
u h 1 h2
v k1 k2
u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1
35
晶带定律的应用 （2）若已知两个晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]，则由此二 晶向所决定的晶面指数（hkl) 可以从下式求得
h:k :l
u h 1 h2
17
{110}
Z （110） （011） （011） （101）
（101） Y （110）
X
18
说明：
① 在立方晶系中，指数 相同的晶面与晶向相互 垂直。 ② 遇到负指数，“-”号 放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性，
(221) [110] [221] [110]
Z
Y X
U 2u v
V 2v u
W w
25
金属学原理
金属学原理
金属学是研究物理和化学特性以及结构的有趣的领域，旨在提高金属的性能，以满足多种工业应用的需求。
在这里，我们将介绍金属学的基本原理，包括金属的结构特性和行为的影响因素。
一、金属的结构特性
金属具有以下特性：（1）表面强度：金属表面结构紧密，具有良好的抗腐蚀性和力学性能；（2）熔点低：金属在常温下易于熔化，熔点较低；（3）优异的导热性和导电性：金属具有优异的导热性和导电性，适宜在高温下的工作环境。
二、行为的影响因素
1.金成分：合金中的元素成分会影响金属的性能。
2.度：温度也会影响金属的性能。
随着温度升高，金属的塑性和硬度会下降；随着温度升高，金属的蠕变和抗腐蚀性能也会减弱。
3.力：应力也会影响金属的性能。
受到外力作用时，应力会增大，导致金属容易变形和断裂。
三、金属的应用
金属在工业上的应用十分广泛，如制造发动机的金属零件、航空发动机的燃料系统、家用电器的部件、工程机械的结构支撑等。
有了这些基本的金属学原理，人们就可以利用不同的金属材料来满足各种不同的需求，为社会建设做出重要贡献。
四、总结
金属学是一个关于金属结构和性能的学科，它提高了人们对金属
的认识，促进了金属材料的研发和应用。
它通过分析金属的结构和行为的影响因素，从而为金属材料的制造与应用提供了理论基础和实践指导。
在今天的日常生活和工业生产中，金属的应用无处不在，我们也因为金属学的存在而受益良多。
第五章金属学基础金属的结晶过程与同素异构转变
第五章金属学基础第二节金属的结晶过程与同素异构转变由液态金属变为固态金属的过程称为________。
A．凝固B．结晶C．再结晶D．重结晶金属从一种固态晶体结构转变成另一种固态晶体结构的过程称为重结晶，下列转变中________属于重结晶转变。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．同素异构转变金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为________。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．重结晶关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是________。
A．过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值B．实际结晶温度高于理论结晶温度C．冷却速度越大，过冷度则越大D．过冷度是实际液态金属结晶的必要条件对纯金属而言，下列说法________是错误的。
A．不会在恒温下结晶B．不会发生相变C．都能进行形变强化D．都能进行时效强化当系统的温度________T0时，系统过热，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，熔化自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于当系统的温度________T0时，系统过冷，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，结晶自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于液态金属结晶时，过冷度ΔT________，自由能差ΔE________，所以液态金属结晶的倾向越大。
A．越大/越大B．越大/越小C．越小/越小D．越小/越大下列关于金属结晶过程的说法不正确的是________。
A．金属结晶不是瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程B．对一个晶粒的形成来说，它具有严格区分的成核和长大两个阶段C．对整体液态金属结晶过程来说，成核与长大过程始终交叉进行，所以说结晶是成核与长大并进的过程D．尺寸增大稳定性增高的远程有序原子团称为晶胚金属的结晶过程包含________和________。
A．晶核不断形成/晶核长大B．晶粒/晶界C．晶界/亚晶界D．晶核/晶核长大液态金属在晶体长大过程中，________是其动力。
金属的内部结构-讲座
1.2 金属结晶的过冷现象及过冷度。 让液态纯金属极其缓慢冷却是不易实现的，因此
前述结晶过程只是理想的情况。这种极其缓慢的冷却， 称衡为条件“下平的衡结条晶件温下的 度冷 ，却 称为”理。论图结2-1晶1中温T度0温，度即就指是某平种 金属的液体与固态晶体处于平衡状态,此时液体的结 晶速度与固态晶体的熔化速度相等，即自液体转入晶 体的原子数目等于晶体熔于液体的原子数目。
这种方法只适用于中、小型铸件，对于大 型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。
2）变质处理 。在浇注前向液态金属中加入一些 细小的形核剂（又称变质剂或孕育剂），使它 分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著 增加，或者降低晶核的长大速度，这种细化晶 粒的方法称为变质处理。钢中加入钛、硼、铝 等，铸铁中加入硅铁、硅钙等均能起到细化晶 粒的作用。
实验表明，晶体中的空位和间隙原子的浓度随温 度升高而增大，因此将金属加热到高温而后快速冷 却，则高温形成的过量的晶格畸变被“冻结”至室 温，这将影响全属某些物理性能和力学性能及随后 的相变过程。
晶体中的空位和间隙原子不是固定不变的，而是 在不断运动和变化中，这种原子的运动就是金属晶 体中原子扩散的主要形式之一，它将影响金属的固 态相变过程和化学热处理过程。
（二）晶体的线缺陷 是指在晶体某一平面，沿某一方向伸展的 线状分布的缺陷，其特征是，某一方向上 的尺寸很大，而另两个方向的尺寸很短， 即发生了各种位错，位错缺陷就是某处的 一列或若干列原子有规律的错排现象，其 中最基本的是刃型位错和螺型位错。 1. 刃型位错。见图1—23 2. 螺型位错。见图1—24
2. 纯铁的同素异构转变 图2-16为纯铁的冷却曲线。有图可见，
液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体 心立方晶格的δ-Fe ，继续冷却到1394℃时 发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方 晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生同素 异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe， 如再继续冷却到室温，晶格的类型不再发
金属学的基础知识
（一）熟悉金属及合金的固态结构晶体：人们将原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，金属和合金在固态下通常都是晶体。
晶体的特性：(1) 晶体具有一定的熔点；(2) 各向异性或异向性。
即在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。
(3)一般具有规则的外形。
1、三种典型的金属晶体结构：金属晶体中，金属键使原子（分子或离子）的排列趋于尽可能紧密，构成高度对称性的简单晶体结构，常见的有以下三种。
(1) 体心立方结构（body-centered cubic, “bcc”）如下图，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。
具有bcc结构的金属有α-Fe, Cr, V, Nb, Mo, W等约30种。
(2) 面心立方结构（face-centered cubic, “fcc”）见下图。
γ-Fe, Cu, Ni, Al, Ag等约20种金属具有这种晶体结构。
(3) 密排六方结构（hexagonal closed-packed, “hcp”）见下图。
在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。
具有hcp结构的金属有Zn, Mg, α-Ti, Cd等。
多晶型转变（同素异构转变）：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。
当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。
如Fe在912℃以下为bcc结构，称为α-Fe，在912-1394℃，具有fcc结构，称为γ-Fe，而从1394℃至熔点，又转变为bcc结构，称为δ-Fe。
2、合金的晶体结构：在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，称为均匀的液体，因而只具有一个液相。
但凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元之间的相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构（phase structure），主要有固溶体（solid solution）和金属化合物（intermetallic compound）两大类。
工程材料学_第一章-金属学基础知识
晶向（crystal direction） ：
通过晶体中任意两个原子中心连线来表示晶体结构的空间的各 个方向。 晶胞原子数：一个晶胞内包含的原子数目。
原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间
平衡距离的一半，与晶格常数有一定的关系。 配位数：晶格中任一原子处于相等距离并相距最近原子数
的性能、塑性变形及其组织 转变均有极为重要的作用 。
通过冷塑性变形，提高位错
密度使得金属强度、硬度提
高的方法称为加工硬化。
面缺陷－晶界与亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
金属的晶体结构
合金与合金的相结构
•单相合金组织(homogeneous structure )与多相合金组织 (Heterogenous structure):显微组织为单相的称为单相组织，为 多相的称为多相组织。
•合金组织的相：构成合金组织的各个相称为合金组织的相。 • 相结构：相组成物的晶体结构称为合金的相结构
二、合金的相结构
点位置的异类原子
线缺陷
位错( dislocation )：晶格的一部分相对
于另一部分发生的局部滑移现象，或者说 局部原子发生有规律的位置错排现象
面缺陷
晶界( grain boundary ) 亚晶界( sub-boundary )
点缺陷
置换原子
间隙原子
化合物离子晶体两种常见的缺陷
晶格空位
（1）晶面(crystal face)和晶向（ crystal directions ）:
晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal－plane)是分
高等金属学基础位错B概念和应用
第二项为x2方向上分力fx2，作用于 位错上的攀移力
• 分析fx1可知： 当x1=0或x1=±x2时，fx1=0。即位于以上两类位置 的位错2都不受x1方向的力，不会在x1x2平面上 产生滑移运动，是相对22即|x1|>|x2|时，若x1>0，则fx1>0,受+x1方 向的力；若x1<0，则fx1<0,受-x1方向的力。即位 错2在水平方向有远离位错1的倾向。
2(1-
)
x1(x12-x22) (x12 +x22 )2
11=-
Gb
2(1-
)
y(3x12 +x22 ) (x12 +x22 )2
则 f=
Gbb'
2(1-
)
x(x12-x22) (x12 +x22 )2
i+
Gb
2(1-
)
y(3x12 +x22 ) (x12 +x22 )2
j
F r 2 G ( 1 b 1 b 2 )r c o s(c o s 2 s in 2)i r s in( 1 2 c o s 2)r j
高等金属学基础 位错B概念和应用
2.6.4 位错受应力场的作用力
﹡受力的定义：位错dl受力扫过距离dd ,则作
的 场功 为[σ],则dwF r是dd r外那, Tr应么F r 力nr场是施位加错的T线r d.s若和外滑应移力距
离所组成的平面上受的力，作用面滑动一
个距离
dw
，则r ：r
r
br
b Tds b(
A
θ
x
★两平行位错间的作用力，其大小与两位 错强度的乘积成正比，而与两位错间距成 反比，其方向则沿径向r垂直于所作用的位 错线。
金属学基础题
一、填空题：1.材料常用的塑性指标有“延伸率”“断面收缩率”，其中“断面收缩率”表示塑性更接近硬度2.检验淬火钢成品件硬度一般用“洛氏”硬度，而布氏硬度适用于测定“退火零件”的硬度3.零件表面的加工质量对其“疲劳”性能有很大的影响4.材料性能是指“铸造”性、“可锻”性、“切削加工”性5.表征材料抵抗冲击荷载能力的性能指标是“冲击韧性”，单位是“J/m2”6.工程材料的结合键有“离子键”“共价键”“金属键”“分子键”7.体心立方晶格和面心立方晶格晶胞内原子数分别是“2”“4”，其致密度分别是“0.68”“0.74”8.实际金属中存在有“点缺陷”“线缺陷”和“面缺陷”3类缺陷，错位是“线”缺陷，晶界是“面”缺陷。
金属的晶粒越小，晶界总面积就越“大”，金属的强度也越“大”9已知银的原子半径为0.144nm，则其晶格常数为“0.407”nm1.金属的结晶过程主要由形核和长大两个基本过程组成。
2.金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有增加过冷度、和震动、搅拌。
3.物质在固体下的晶体结构随温度变化的现象成为同素异构转变。
铁的同素异构转变为4.金属从液态转变为固态的过程成为凝固。
金属在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程为固态相变。
5.金属在结晶过程中，冷却速度越大，则过冷度越大，晶粒越小，强度和硬度越强，塑形越好。
6.二元合金的杠杆定律中，杠杆的端点是所求的相或组织组成物部分，杠杆的支点是合金的成分1．常温下，金属单晶体的塑性变形方式滑移和＿孪生。
2．滑移只能在切应力的作用下发生。
3．纯铁在室温下塑性变形时的滑移面为＿{110}，在1100℃塑性变形时的滑移面为＿{111}。
5．由于位错的易动性，金属容易产生滑移变形，使其实际强度远低于理论强度值。
6.与单晶体相比，影响多晶体塑性变形的两个主要因素是＿晶界＿＿＿和＿晶粒位相差＿＿＿。
7.在金属学中，冷变形加工的界限是以再结晶温度＿来划分的。
因此，Cu（熔点为1084℃），在室温下的变形加工为＿冷＿加工，Sn（熔点为232℃）在室温下的变形加工为热＿加工。
- 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)。
凝固：物质由液态冷却转变为固态的过程 结晶:如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列 的晶体，则这种凝固又称为结晶。
液体
晶体
结晶潜热
结晶过程实际上是原子由一个高能量级向一 个较低能量级转变的过程，所以结晶过程中 会放出一定的热量，称为结晶潜热。 结晶潜热使正在结晶的金属处于一种动态的 热平衡，所以纯金属结晶是在恒温下进行的。 冷却曲线上有一段水平线，是说明在这一时 间段中温度是恒定的
3. 密排六方晶格
铍、镁、锌、镉等。
四、金属的实际晶体结构与晶体缺陷
① 单晶体与多晶体
单晶体：晶体内部原子排列得非常整齐，晶格位向 完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体：由许多位向不同的晶粒组成，且其内部还 存在着多种晶体缺陷。 ② 金属的晶体缺陷
Ⅰ、点缺陷 ：空位和间隙原子 Ⅱ、线缺陷 ：位错 Ⅲ、面缺陷：晶界和亚晶界
第五节 合金的晶体结构与结晶
纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工 业中获得了一定的应用，但力学性能较低， 价格较高，且种类有限；合金具有很多优于 纯金属的特性：较高的强度、硬度、耐磨性， 优异的物理和化学性能。种类繁多，并且容 易冶炼，价格便宜。 工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤 其是铁碳合金。
完全结晶
晶核不断地形成及长大，直到液态金属已全部耗尽， 结晶过程也就完成了
三、晶核形成与晶粒长大
1 两种形核方式
均质形核 在均匀的液体金属内部，由少量能量较高的 液态原子聚集形成结晶核心的过程。形核所 需过冷度很大。 非均质形核 —— 晶核依附于容器表面或 外来杂质上生成的形核过程。形核所需的 过冷度小。
课堂练习
1、合金是指由两种或两种以上的（ ）或 （ ）经过熔炼、烧结或其他方法行成的 具有金属特性的物质。 2、根据构成合金各组元之间相互作用的不同， 固态合金的相结构可分为（ ）和（ ）两 大类。 3、名词解释：相；组织
第六节 铁碳合金相图
教学目的与要求
掌握Fe-C合金的基本相、组织以及它们的性能特点。 掌握Fe-Fe3C相图特征点、线的含义及区域组织分析。 熟悉典型铁碳合金结晶过程及Fe- Fe3C相图的应用
α-Fe（体心 ）912℃ γ-Fe（面心） 1394 ℃ δ-Fe（体心 ）
课堂练习
1、常见的金属晶体结构类型有哪些?画出其 晶胞图，并举例。 2、金属的晶体缺陷有那些？ 3、名词解释：晶格；晶胞；同素异构转变 4、纯铁的同素异构转变过程？
第四节
金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件 二、金属的结晶过程 三、晶核形成与晶粒长大 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织结构 小结
圆形拉伸试样
拉 伸 试 验
低碳钢力-伸长曲线图(ss、 sb 、 d、 y )
F Fe Fb Fs
强化阶段 屈服阶段 颈缩阶段
Fp
线弹性阶段
O
Dl
屈服点： Fs ss A0 抗拉强度： Fb sb A0
l1 l 0 伸长率： d 100% l0
A0 A1 断面 y 100% 收缩率： A0
四、导热性
导热性是指在物体内部或互相接触的物体之 间存在温度差时，热量从高温到低温的移动 能力，用热导率λ表示。单位为W/(m. ℃) 或 W/(m. K)
五、导电性
导电性：金属传导电流的能力。常用导电率 表示，符号为γ，单位为s/m 金属导电能力大小的顺序与热导率基本相同
第三节 金属的晶体结构
3、晶面、晶向和晶格常数 α=β=γ=90°
三、常见的金属晶体结构类型 1. 体心立方晶格
属于体心立方晶格类型的金属有α-铁（ 912℃以下的纯铁）、 铬、钼、钨、钒。较高的强度和较好的塑性。
2. 面心立方晶格
属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃ 的纯铁）、铜、铝、镍等。很好的塑性。
一、合金的基本概念
1、合金：合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与 非金属元素经过熔炼、烧结或其他方法行成的具有金属特性 的物质。 2、组元：组成合金的最基本而独立的物质称为组元，简称 元。——元素或化合物； 3、合金系：给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分 的合金，构成一个合金系。 4、相：相是指在合金中具有相同的化学成分、结晶结构的 均匀部分。 5、组织：泛指用金相观察方法看到的金属或合金中不同形 状、大小、数量和分布的一种或多种“相”构成的综合体。 合金的性能决定于组织，而组织又取决于合金中各个相的成 分、类型和性质。
二、晶体缺陷
1、点缺陷
点缺陷的存在使金属能够比较容易的发 生扩散现象
2. 线缺陷-位错
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
3. 面缺陷
Hale Waihona Puke 面缺陷的存在使金属的强度提高
五、金属的同素异构转变
定义：某些金属在不同的温度（或压力下） 具有不同的晶体结构的现象，称为同素异构 转变或同素异晶性。 纯铁的同素异构转变过程：
一、晶体与非晶体
晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则地周期性重复排列。 ②具有一定的熔点，绝大多数固体金属属于晶体： 如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。 ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶 体具有各向异性。
§1-3 金属的晶体结构 非晶体的特点是：
①原子在三维空间呈不规则的排列。 ②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最 终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。 ③各个方向上的原子密集程度大致相同，即具有各 向同性。
常用测定硬度的方法 1.布氏硬度 230HBS10/3000/30 2.洛氏硬度 50HRC 3.维氏硬度 480HV
显微硬度计
二、强度和塑性
1.强度 强度是金属材料在外力作用下抵抗永久变形 和断裂的能力。 材料的强度指标：σs(σ0.2) ;σb 试验方法为拉伸试验法
二、固态合金的相结构
固态合金中的相，按其组元原子的存在方式可分为固溶体和 金属间化合物两大基本类型 一）固溶体 1 定义：一种由基体金属在固态下溶有其它元素的原子而组 成的相，叫固溶体，固溶体仍保持溶剂金属的晶格类型。溶 剂、溶质 2 分类： 根据固溶体中合金组元的溶解度不同，可分为有限固溶体和 无限固溶体 根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同， 分为置换固溶体和间隙固溶体。
一 . 纯 金 属 的 结 晶 条 件
T
T0 Tn
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
过冷度
DT= T0 - Tn }DT
理论结晶温度 实际结晶温度
纯金属的冷却曲线
t
纯金属的结晶是在一定的温度下进行的
冷却速度越大，则过冷度越大。
二.金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程 液态金属 形核
晶核长大
第一章金属学基础
§1.1 金属的力学性能 §1.2 金属的物理性能 §1.3 金属的晶体结构 §1.4 金属的结晶 §1.5 合金的结构与结晶 §1.6 铁碳合金相图 §1.7 金属受力时结构和性能的变化
第一节金属的力学性能
通常机械零件或工程结构在工作中都要受 到外力的作用，金属在外力作用下所表现 的性能叫做力学性能。 常用力学性能指标有硬度、强度、塑性和 韧性等。 一、硬度 硬度是表示固体材料表面抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是 衡量金属软硬的力学性能指标。
2.塑性 塑性是金属在外力作用下，断裂前发生不可 逆永久变形的能力。 试验方法为拉伸试验 金属材料的塑性指标：δ；ψ
三、韧性
又称韧度，是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。 韧性通常通过摆锤式一次冲击试验测定。Ak;αk 韧性材料:断裂前发生明显塑性变形的材料；脆性材 料：断裂前断口不发生明显塑性变形的材料 对同一材料，随试验温度降低，韧性断裂可以转变 为脆性断裂，即材料由韧性材料变为脆性材料，这 种现象称为韧脆性转移。韧脆转移的温度称为韧脆 转变温度（金属材料的最低工作温度）。
（1）置换式固溶体
溶质原子代替部分溶剂原子 占据晶格中的节点位置而形 成的固溶体
a 置换式固溶体示意图 形成置换固溶体的条件：两组元化学性质相近； 原子半径差别较小
b
（2）间隙式固溶体
溶质原子插入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。 形成条件：r溶质/r溶剂＜0.59；间隙式固溶体都是有限固溶体
碳溶于γ-Fe的间隙式固溶体
形成固溶体时由于晶格畸变（晶格歪扭）使
合金强度和硬度升高的现象-固溶强化
固溶体晶格畸变示意图
固溶强化是提高金属强度的重要途径之一
二）金属间化合物
金属间化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属 特性的一种新相。晶体结构复杂，熔点、硬度高，脆性大。
图1-28 金属间化合物晶格示意图 a)VC的间隙相结构 b)Fe3C的斜方晶格结构
二、熔点
定义：指金属由固态熔化为液态的温度。单 位：℃，K 纯金属熔点固定不变； 合金熔点是将合金加热到最初微量液体出现 时的温度作为熔点。 易熔金属熔点低于700℃，如锡、铅。 难熔金属熔点高于700℃，如钨、钼。
三、热膨胀性
热膨胀性是指固态金属在温度变化时热胀冷 缩的能力，在工程上常用线膨胀系数来表示， 符号为α1，单位为1/℃ 物理意义：温度从T0到T1每升高1度时物体单 位长度的变化率。 线膨胀系数大，引发的焊接应力与变形就大
沉淀强化（弥散强化）：细小的金属间化合物从过饱和的固溶体 中析出而沉淀在固溶体基体上所产生的强化
三 合金的结晶特点
与纯金属相似：也是在过冷条件下，经过形核与晶 核长大两个过程。 不同： （1）合金的结晶过程是在一定的温度范围内进行； （2）结晶的固态金属与液态金属成分不同，且两者 的成分都随温度而改变，最后通过原子扩散而达到 均匀化。 （3）合金结晶后是双相或多相组织