金属学及其热处理知识点

第一章金属与合金的晶体结构1、晶体：原子在三维空间中有规律的周期性重复排列的物质2、晶体与非晶体的区别：①晶体中原子等质点是规则排列的，非晶体中质点是无规则堆积在一起的；②晶体具有明显、固定的熔点，伴有体积与性能的突变；③晶体有各向异性，非晶体则各向同性；（各向异性：不同方向上的性能有差异）。

3、空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列。

晶格：几何点(原子)排列的空间格架。

4、晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，是能代表原子排列形式特征的最小几何单元。

5、晶系与布拉菲点阵：7种晶系（立方、正方、斜方、菱方、六方、单斜、三斜），14种布拉菲点阵。

6、晶胞的结点数（原子数）计算：N=Ni+Nf/2+Nc/8。

（Ni，Nf，Nc为晶胞内，晶胞面上，晶胞角上的结点数）7、晶向：晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代表晶体空间内的一个方向，称为晶向。

晶向指数表示，最小正整数化[uvw]8、晶面：晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面，代表晶体的原子平面，称为晶面。

晶面不能通过原点，用最小整数化（ukl）表示，ukl代表晶面在各轴的截距的倒数。

与那个轴平行，截距就为∞。

9、晶向族：晶体中原子密度相同（即原子列中两个原子间距相同）而空间位向不同的各组晶向。

用<uvw>表示，例<100>的晶向族有：[100]、[010]、[001]、[ī00]、[0ī0]、[00ī]。

10、晶面族：晶体中原子排列分布相同而空间位向不同的各组等同晶面。

用{uvw}表示，例{100}的晶面族有：（100）、（010）、（001）、（ī00）、（0ī0）、（00ī）。

11、晶带：晶体中两个或者两个以上的晶面形成的集合。

12、晶带面：在晶体结构和空间点阵中平行于某一轴向的所有晶面均属于同一个晶带，这些晶面叫做晶带面。

13、晶带轴：与晶带面的交线相互平行，通过坐标原点的那条平行直线成为晶带轴。

晶带轴的晶向指数即为该晶带的指数。

（晶带指数）14、晶带定律：①同一晶带所有晶面的法线都与晶带轴垂直。

所以属于[uvw]晶带的晶面，他们的指数（hkl）符合：hu+kv+lw=0；②立方晶系中指数相同的晶面与晶向互相垂直：［100］⊥(100)；［121］⊥(121)；15、已知两晶面指数（h1k1l1）、（h2k2l2），求两晶面的晶面轴[uvw]。

解：u=k1l2 - k2l1；v=l1h2 - l2h1 ；w=h1k2 - h2k116、已知某个晶面(hkl)同时属于两个晶带[u1v1w1]、[u2v2w2]，求hkl。

h = v1w2-v2w1 ；k = w1u2- w2u1 ；l = u1v2-u2v117、晶面间距的计算：①立方晶系的面间距公式：d=a/(h2+k2+l2)1/2；面间距大的晶面，其指数较低；面间距小的晶面，其指数较高；晶体外表面通常为低指数晶面，面间距大的晶面——密排面17、最典型最常见的晶体结构有三种类型：体心立方结构、面心立方结构、密排六方结构，前两种属于立方晶体系，后一种属于六方晶系。

18、晶向指数的标定：将三个坐标值按比例化为最小简单整数依次写入方括号[]中，平行时截距为无穷。

晶面指数的标定：取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在（）内，平行时截距为无穷。

晶体的各向异性（单晶体）：产生原因：不同晶向上的原子紧密程度不同所致。

多晶体具有各向同性19、致密度：晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比。

K为晶体的致密度；n为一个晶胞实际包含的原子数；v为一个原子的体积；V为晶胞的体积。

K=（n v）/ V20、配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻、等距离的原子数目,也可以理解为和任一原子接触的原子数目。

b.c.c 中为8 ——配位数越大，原子排列越紧密；（描述原子排列紧密程度：致密度、配位数）23、同素异构转变：当外部条件改变时，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。

——随温度、压力而变化；例如：Ｃ由石墨结构转变为金刚石结构。

24、晶体缺陷的几何特征将它们分为：点缺陷、面缺陷、线缺陷。

25、点缺陷：空位、间隙原子、置换原子。

特征：三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸。

（零维缺陷）结构上：造成晶格畸变。

性能上：强度↑，电阻↑；影响扩散过程26、线缺陷：位错，位错分为刃型位错和螺型位错。

特征：两个方向上的尺寸很小，另一个方向尺寸相对很大。

（一维缺陷）；刃型位错：(1)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。

螺型位错：①没有额外半原子面；②是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变；③位错线与晶体滑行方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直27、柏氏矢量：表示位错的性质，还可表示晶格畸变的大小和方向，人们在研究位错时能够摆脱位错区域内原子排列具体细节的约束，这就是柏氏矢量。

意义：①可判定位错性质；位错线⊥柏氏矢量——刃型，位错线∥柏氏矢量——螺型；②描述了晶格畸变的大小与方向，指出了滑移后晶体上下部相对位移的方向与大小——柏氏矢量方向代表滑移方向。

③位错只能终止于晶体表面，内部成封闭环28、位错发生的条件：①几何条件：∑b前= ∑b后；②能量条件：∑b2前> ∑b2后；（U= αGb^2 ）29、位错密度：单位体积包含的位错总长度: ρ= L / V (m/m3)或穿越单位截面积的位错线的数目: 退火软化金属中ρ=1010 ～1012m - 2；冷变形金属中ρ= 1015 ～1016 m - 2。

30、金属强度和位错的关系：(1) 理论上：位错的存在是材料具有良好塑性变形的前提；——低密度位错利于强度的提高；(2)实际中：位错密度较低时，↑ρ（位错密度）则σ（强度）↓，晶须，——无工业实际意义；位错密度较高时，↑ρ则σ↑；工业意义：形变强化、马氏体相变强化。

31、位错的产生：金属结晶、塑性变形、相变过程中；位错的观察：透射电镜等面缺陷：特征在一个方向上尺寸很小，；另外两个方向上的尺寸相对很大，例如：晶界、亚晶界等。

面缺陷包括晶体外表面和内表面两类，外表面包括晶体表面，内表面包括晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错、相界等；32、晶界特性：(1)晶界有界面能，晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定。

为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。

(在一定的温度下)；(2)相变时新相晶核往往优先在界面上形成。

(3) 晶界对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，界面积越大，材料的强度越高。

——晶界强化或细晶强化（4）晶界由于有界面能，且低熔点杂质含量较高，故熔点低于晶内；（5）表面容易被腐蚀和氧化。

第二章纯金属的结晶1、结晶概念:物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为结晶。

结晶和凝固的区别：金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。

金属结晶的宏观现象：(1) 过冷现象：金属在低于熔点的温度结晶的现象；(2) 结晶过程伴随潜热释放结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。

2、过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。

3、金属结晶的微观过程:（1）形核：从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程（2）长大：晶核由小变大长成晶粒的过程——实际金属最终形成多晶体；注：单个晶粒由形核→长大。

多个晶粒形核与长大交错重叠当只有一个晶核时→单晶体；晶核越多，最终晶粒越细4、金属结晶的条件：热力学条件：ΔG = G(转变后) －G(转变前) < 0（存在过冷度是结晶的必要条件）结构条件：液态金属结构特点：(1) 原子间距等与固态相近, 与气态迥异；(2) 短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列——短程有序晶体：长程有序；（液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”——结晶的结构条件）结晶的实质：由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。

5、相起伏特点：1) 瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏;（2）相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率均小;（3）过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。

——过冷液体中的相起伏称为晶胚6、形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。

7、结晶时形核要点：①必须要有过冷度ΔT，晶胚尺寸r>rK。

②rK与ΔT成反比。

ΔT↑rK↓。

③均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏——液体中的自然现象。

④结晶必须在一定温度下进行(扩散条件)⑤在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。

均匀形核ΔT=0.2Tm；非均匀形核ΔT=0.02Tm8、晶核长大的机制：光滑界面有两种机制：(1) 二维晶核长大机制——速度很慢(2) 晶体缺陷长大机制——结构上存在台阶时，如螺型位错，速度较(1) 快；粗糙界面主要有一种机制：(3) 垂直长大机制（连续长大）界面上所有位置均为生长点：——垂直界面连续长大；——长大速度远较(1)(2)快；——金属晶体长大的主方式9、晶粒大小及控制（1）晶粒大小对材料性能的影响：常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。

但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性。

此时须采用适当粗晶粒度。

（2）铸造中晶粒大小的控制：形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。

单位体积中的晶粒数目为：ZV=0.9（N / G）3 / 4；细化晶粒：提高形核率N，降低晶核长大速度G；控制晶粒大小方法：①增加过冷度：过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G——增加过冷度——加大冷却速度②变质处理：添加固相微粒或表面——非均匀形核；变质处理定义：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为~。

孕育剂选择原则：Ⅰ点阵匹配：即结构相似、尺寸相当。

Ⅱ孕育剂熔点远高于金属本身；③振动、搅拌：机械方法、电磁波搅拌、超声波搅拌等。

3、过冷度越大，则实际结晶温度越低。

反之，冷却速度越慢，则过冷度越小。

4、纯金属结晶过程是恒温过程。

5、相起伏：这种不断变化着的近程的有序原子集团称为结构起伏或称为相起伏。

6、晶核的形成分为均匀形核、非均匀形核。

非均匀形核是最常见的。

7、晶体以树枝状形式长大，过冷度越大，形核率、长大速度越大。

8、控制晶粒大小有三种方法（1）控制过冷度过冷度越大，晶粒越细小（2）变质处理（3）振动、搅动9、铸锭中的缺陷：缩孔、气孔、偏析等（1）缩孔分为：集中缩孔、分散缩孔。

（2）气孔（气泡）（3）偏析分为：显微偏析、区域偏析10、铸锭三晶区（1）表层细晶区（2）柱状晶区（3）中心等轴区第三章二元合金相图和合金的凝固1、合金：由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。