金属学及热处理

《金属学及热处理》复习资料第1单元金属的结构与性能1、名词解释强度：材料在外力作用下抵抗永久变形的能力塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力指标为伸长率和收缩率{值越大，塑性越好}韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

硬度：指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。

是材料力学性能的一个综合物理量晶体：基元在三维空间呈规则的周期性婆排列，结构长程有序，表现为各向异性，有固定熔点，天然晶体有规则外形晶格：描述原子或原子团在晶体中排列方式的几何空间格架。

晶胞：从晶格中选取出来的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。

通常选定晶格中最小的平行六面体为晶胞。

该晶胞满足以下原则：具有原晶体多面体的全部对称要素；体积最小晶格常数：，即a,b,c,以及α，β。

γ晶面：在晶体中，由一系列原子所构成的平面。

晶向：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。

晶面指数和晶向指数：表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向。

晶向指数用[ ]表示，晶面指数用( )表示晶向指数表示一组相互平行、方向一致的晶向。

晶体缺陷：根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小进行分类：点缺陷{空位、间隙原子、臵换原子}、线缺陷{主要是位错：刃型位错上正、螺型位错}、面缺陷{晶体外表面及各种内界面（晶界、孪晶界、亚晶界、相界、堆垛层错等}。

空位{热振动引起}和间隙原子的运动是金属晶体产生扩散的重要方式。

{热平衡缺陷}间隙原子造成的晶格畸变远大于空位。

位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。

{多余在上，则为正刃型位错}位错决定金属的前度，断裂和塑性变形细化晶粒是强化金属的重要手段之一。

合金：由一种金属元素跟其它金属/非金属熔合/复合而成的、具有金属特性的物质组元：组成合金的最基本的独立的物质。

可以是元素，也可以是化合物。

相：指合金中具有同一聚集状态、结构相同、成分和性能均一，并有明确界面与其他部分分开的均匀组成部分。

合金在固态下的相即为合金相。

组织：用肉眼或显微镜所观察到的组成相的形状、分布及各相之间的组合状态。

固溶体：以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其它组元原子（溶质）后所形成的一种合金相。

仍然保持溶剂的晶体结构。

固溶强化：溶质元素产生晶格畸变，使固溶体强度、硬度升高的现象{臵换和间隙}。

中间相：当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现晶体结构和任一组元都不相同的新相，即金属间化合物。

同素异构转变：一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化2、金属有哪几种常见的晶体结构？晶胞内原子数和致密度各为多少？体心立方，面心立方，密排六方三种，体心立方原子数为2，致密度为0.68；面心立方为4,0.74；密排六方为6,0.74α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、W、Mo、Zn各属何种晶体结构？α-Fe，Cr，V，W、Mo为体心立方结构，γ-Fe，Al、Cu、Ni为面心立方结构，Mg，Zn为密排六方就够3、实际晶体中的晶体结构缺陷有哪些？它们对金属的性能有什么影响？4、在立方晶系中画出下列晶面和晶向，(100)、(110)、(111)、(211)、(121)、[100]、[110]、[111]、[211]、[121]。

5、试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。

间隙固溶体为溶质燕子很小时，溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中而形成间隙固溶体。

溶质原子通常是原子半径小于0.1 mm 的一些非金属元素。

溶质原子引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。

因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

间隙相：当r非/r金<0.59时，化合物具有简单的晶体结构。

仍具有明显的金属特性，而且间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是高合金钢和硬质合金中的重要强化相。

在间隙相中金属原子组成简单点阵类型的结构，此结构与其为纯金属时的结构不相同。

间隙相的一般可以用简单的化学式来表达，大多数间隙相的成分可以在一定范围内变化。

间隙化合物的晶体结构都很复杂，原子间结合键位共价键和金属键。

间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。

但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。

6、何谓臵换固溶体？影响臵换固溶体溶解度的因素有哪些？臵换固溶体：溶质原子替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格结点位臵所形成的固溶体。

影响臵换固溶体固溶度的因素：组元的晶体结构类型；原子尺寸因素；电负性因素（化学亲和力）；电子浓度因素。

7、何谓固溶强化？一般情况下，固溶强化后的性能如何？固溶强化：溶质元素产生晶格畸变，使固溶体强度、硬度升高的现象。

固溶体的强度和硬度比其纯金属组元的平均值高；在塑性和韧性方面，固溶体比其组元平均值低，但比一般化合物高得多。

间隙式溶质原子的强化效果—般要比臵换式溶质原子更显著。

固溶体的综合力学性能优于纯金属或化合物，因此是金属材料最常用的基体相。

固溶体的耐蚀性能一般低于纯金属组元晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。

组元间要无限互溶，晶体结构类型必须要相同第2单元金属的结晶1、名词解释相图：表示合金系的状态，是合金的状态与温度、成分之间关系的图解。

杠杆定律：利用相图确定和计算合金在两相区中两平衡相的成分和相对量的方法。

晶内偏析：固溶体不平衡凝固时，先结晶的固相内富含高熔点组元，后结晶的外部则富含低熔点组元。

这种在晶粒内部出现的成份不均匀现象称为晶内偏析，是微观偏析。

枝晶偏析：如果固溶体是以树枝状结晶长大的，则枝干（富含高熔点组元）与枝间（富含低熔点组元）会出现成份差别，称为枝晶偏析，属于晶内偏析。

宏观偏析：固溶体非平衡结晶所造成的在大范围内化学成分不均匀的现象。

是宏观偏析。

2、何谓过冷度？为什么金属结晶一定要有过冷度？过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差。

△T=Tm-Tn>0——过冷度不恒定。

液体温度达到理论结晶温度时并不能进行结晶，而必须在它温度以下的某一温度（称为实际开始结晶温度）才开始结晶。

在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的3、金属结晶时，获得细晶的途径有哪些？，使用形核剂，使用机械的方法增加形核剂如超声、振动等。

4、金属的结晶条件和结晶的一般规律是什么？液态金属中存在结构（相）起伏，能量起伏和过冷度，结晶必须在一定温度下进行（扩散条件）。

液态金属过冷，孕育期，形核→晶核长大→未转变液体部分形核→晶核长大→相邻晶体互相接触→液体全部转变→完成结晶，形成由晶粒构成的组织。

5、简述金属铸锭三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点？1、表面细等轴晶区：成因：模壁温度低，传热快，外层ΔT大；模壁表面可作为非均匀形核的有利位臵；厚度不大，晶粒很细。

性能：组织致密。

，力学性能好；中间柱状晶区：成因：细晶区形成以后，模壁温度升高，结晶前沿ΔT逐渐减小，不易形成新的晶核，而已形成的细晶区中某些晶粒可以长大。

散热的方向性。

垂直于模壁方向散热最快，晶体沿其相反方向择优生长成柱状晶性能：结构致密。

性能有方向性，热加工性能差。

不同方向的柱状晶处结合强度低；中心粗等轴晶区：成因：结晶后期中心液体温度已全部降到结晶温度以下，可同时形核。

液体中的杂质也集中在中心尚未结晶的液体中，降低了液体的熔点，满足了结晶对ΔT的要求。

散热失去了方向性，各个方向的长大速度相差不大，长成等轴晶。

此时结晶的ΔT不大，结晶后的晶粒较粗。

性能：无方向性、无明显弱面、热加工性能好。

缺点：显微缩孔多、致密性差。

6、何谓相律？有何应用？表示在平衡条件下，系统的自由度数f与组元数c和相数p之间关系的定律。

f=c-p+2。

应用：可知不同合金系最大自由度数可确定系统中可能共存的最多平衡相数，可判断不同相平衡时相图的形式；单相时，p=1，f=2，二相平衡时，p=2，f=1，三相平衡时，p=3，f=07、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？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。

8、在正的温度梯度下，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？纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必需在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面状长大。

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。

9、说明固溶体的平衡结晶与纯金属的平衡结晶的异同。

(1) 相同点：基本过程相同：形核－长大。

热力学条件相同：⊿T>0，存在过冷度。

能量条件相同：能量起伏。

结构条件相同：结构起伏。

(2) 不同点：纯金属恒温结晶，合金在一个温度范围内结晶；固溶体合金的平衡结晶存在溶质原子重新分配和均匀化；合金结晶是异分结晶，需成分起伏。

10、何谓共晶反应？反应产物有何特点？由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相的转变。

是两相机械混合物；存在领先相；领先相之后形成另一相；11、何谓共析反应？反应产物有何特点？共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。

组织为F+FeC3两相交替排列的混合物第3单元铁碳合金1、名词解释铁素体{F}：碳在α-Fe相中的间隙固溶体。

强度和硬度低，塑性好。

奥氏体{A}：，碳在γ-Fe相中的间隙固溶体。

强度和硬度低，易于塑性变形。

渗碳体{Cm}：渗碳体Fe3C。

复杂结构间隙化合物。

硬度高，脆性大，塑性和韧性低。

珠光体{P}：恭喜转变的产物是珠光体{铁素体加渗碳体}莱氏体(Ld)：共晶转变形成的奥氏体和渗碳体的混合物：变态莱氏体Ld ：珠光体呈条状或粒状分布在Fe3C基体上2、给出Fe-Fe3C相图（包括重要的三相转变线、转变温度和分界点的成分），并标明各相区的相组成，给出用组织组成物表示的Fe-Fe3C相图。

3、说明铁碳合金的分类及其室温组织。

工业纯铁：w(C)≤0.0218%室温组织F+Fe3CⅢ；钢0.0218%< w(C)≤2.11%；钢：亚共析钢：0.0218%< w(C)<0.77%；F+P共析钢：w(C)=0.77%；P（F+Fe3C）过共析钢：0.77%< w(C)≤2.11%。

P+Fe3CⅡ白口铸铁2.11%< w(C)<6.69%；亚共晶白口铁：2.11%< w(C)≤4.3%；P+ Ld` (P+ Fe3CⅡ+ Fe3C) + Fe3CⅡ共晶白口铁：w(C)=4.3%；变态莱氏体Ld`(P+ Fe3CII+Fe3C)过共晶白口铁：4.3%< w(C)<6.69%Fe3CⅠ+ Ld`4、分析含碳量分别为0.6%、1.2%、3.5%和5.0%的铁碳合金从液态平衡冷至室温时的转变过程，并分别计算室温下上述合金的相组成物及组织组成的相对含量。