重庆大学考研金属学与热处理总结 - 图文

第一章  金属的晶体结构

一．基本内容 ：金属键、位错、晶体的概念；面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数、晶向指数、晶面指数的标定； 二．重要内容： 1．晶体、位错的概念

位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态； 晶体：材料在固态下原子或分子在空间呈有序排列；

2．面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度；八面体、四面体间隙。 晶格类型 体心立方 面心立方 密排六方

晶胞中的原子数 2 4 6

配位数 8 12 12

致密度 68% 74% 74%

3．晶向指数、晶面指数的标定

晶面指数求法：建立坐标~求截距~取倒数~化整~加（） 晶面指数作法：建立坐标~求截距~取倒数~连线、画剖面线 晶向指数求法：定原点~建坐标~求坐标~化最小整数~加【 】 晶向指数作法：

定原点~建坐标~以{hkl }中最大数字作为字母，化为小于或等于1的分数 第二章 纯金属的结晶

一．基本内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 二．重点内容

1.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差；

2.变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。

3.过冷度与液态金属结晶的关系（看书参考）：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程，从热力学的角度看，没有过冷度结晶没有驱动力。

第三章 二元合金的相结构与结晶

一．基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织，合金，成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 二．重点内容：

1.伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。

2.偏析：合金中成分的不均匀分布。

3.杠杠定律及运用，组织组成物（概念）及相组成物（概念）的计算。 第四章 铁碳合金

一．基本内容：铁碳合金的组元和基本相，铁碳相图，铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织。 二．重点内容 1.铁素体和奥氏体

铁素体：碳在a—Fe中的固溶体 奥氏体：碳在r—Fe中的固溶体

2.铁碳相图（会画） 包晶反应（温度、成分） 共晶，共析 3.钢的含碳量对平衡组织及结晶过程的影响

例：含碳0.4%碳钢的结晶过程经过匀晶转变，包晶转变，匀晶转变，单相冷却，同素异晶转变，共析转变等； 其室温组织相对量为：铁素体%=（0.8%—0.4%）/0.8%=50% 珠光体%=1—50%=50%

相组成与组织组成的区别。

4.典型钢在相图上的位置。例10钢，40钢，60钢，T12钢 第五章 三元合金相图（不考） 第六章 金属及合金的塑性变形与断裂

一．基本内容：固溶体强化机理与强化规律，第二相得强化机理，单晶体塑性变形的方式，滑移的本质，金属塑性变形后的组织和性能。 二．重点内容

1.金属塑性变形后的组织与性能：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质，亚结构细化，出现形变组织、性能，材料的强度、硬度升高；塑性，韧性的下降，线密度增加。导电系数和电阻温度系数下降，防腐蚀能力降低等。

2．冷变形会使金属材料内部形成哪些内应力？这些内应力是如何形成的？他们的作用范围有多大？ 三种内应力：

（1）第一类内应力（宏观内应力），由于不同部位变形不均匀造成，作用范围大；

（2）第二类内应力（微观内应力），由于不同晶粒之间不均匀形核，作用范围在几个晶粒之间； （3）第三类内应力（晶格畸变），由于晶体缺陷大量增加造成，作用范围在原子尺度； 3．冷变形对金属材料的性能有何影响？ 第七章 金属及合金的回复与再结晶

一．基本内容：回复、再结晶的概念，变形金属加热时显微组织的变化，性能的变化。影响再结晶的主要因素性能的变化规律。 二．重点内容

1．塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：

显微组织经过回复、再结晶，晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成稳定尺寸的等轴晶粒。 第八章 扩散（不考） 第九章 钢的热处理原理

一．基本内容：冷却时转变产物（P、B、M）的特征，性能特点，热处理的概念，等温，连续C-曲线。 二．重点内容：

1、转变产物（P、M、B）的特征、性能特点：片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性，韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，第二相的数量越多，对塑性的危害越大，片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为马条状，亚结构为位错具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶。强度硬度高，塑性韧性差。

第十章 钢的热处理工艺

一．基本内容：淬透性、淬硬性、热应力、组织应力、回火脆性、回火稳定性。 二．重点内容

1．淬透性及影响因素：是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。 例：合金元素的影响，Cr的作用

2．回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降。这种脆化现象叫做钢的回火性。 3．球化退火工艺（与完全退火区别） 球化退火是使钢中碳化而进行的退火工艺。

将钢加热到Ac1以上20~30摄氏度，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组成。

例：Fe-C共析图，T10钢制造的锉刀，采用球化退火，920度退火，正确吗？会出现什么问题？ 第十一章 工业用钢

一．基本内容：材料强化方法，钢的分类和牌号，典型零件的材料、成分、热处理工艺及组织。 二．重点内容：

1．材料强化方法：

2．典型零件的材料、成分、热处理工艺及组织 例：

齿轮：20CrMnTi，渗碳钢，C%=0.2%，Cr%<1.5%，Mn%<1.5%，预备热处理是正火，最终热处理是渗碳后淬火加低温回火，其最终组织为表层是回火马氏体，心部是托氏体。

连杆：40Cr，调质钢，C%=0.4%，Cr%<1.5%，预备热处理是退火，最终热处理是淬火加高温回火，其最终组织是回火索氏体。 弹簧：65Mn，弹簧钢，C%=0.65%，Mn%<1.5%，预备热处理是退火，最终热处理是淬火加中温回火，其最终组织是回火托氏体。 滚动轴承：GCr15，滚动轴承钢，C%=1.0%，Cr%=1.5%，预备热处理是球化退火，最终热处理是淬火加中温回火，其最终组织是回火索氏体。

车刀：W18Cr4V，高速钢，W%=17.5~18.5%，Cr%=3.5~4.5%，V%<1.5%，预备热处理是退火，最终热处理是淬火后加560度三次回火，其最终组织是回火马氏体加颗粒状碳化物。

锉刀：T10，碳素工具钢，C%=1.0%，预备热处理是球化退火，最终热处理是淬火加低温回火，其最终组织是回火马氏体。 冷冲压：Cr12MnV，冷作模具钢，C%>1.0%，Cr%=11.5~12.5%，Mo%、V%<1.5%，预备热处理是球化退火，最终热处理是淬火加低温回火，其最终组织是回火马氏体。

机床床身：HT250，灰口铸铁，浇注后不进行热处理。（注：为什么选铸铁）第一章：金属的晶体结构 §1—1 晶体的基本知识 一、晶体与非晶体 1、晶体

内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。

有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为1083℃，铝为660℃）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。 2、非晶体及其特性

内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。  二、晶格、晶胞和晶格常数 1、晶格（图）

假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架，这种抽象的，

用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。 2、晶胞(图）

最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。 3、 晶格常数

如图，α、β、γ，a、b、c为晶格常数。  晶体中原子排列示意图（教材P5） 晶胞选取应满足下列条件：

(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性； (2)平行六面体内相等的棱和角数目最多； (3)当棱间呈直角时，直角数目应最多；

(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。 §1—2 金属的晶体结构 一、金属的特性和金属键 1、  特性

良好的导电性、导热性、塑性，具有金属光泽，不透明，正的电阻温度系数。 2、  原因

这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。 3、金属键

当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。 金属特性的金属键理论解释

(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示出良好的导电性。

(2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。

(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。

⑷当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。

⑸自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。 二、金属中常见的晶格 1、体心立方晶格(图)

a=b=c α=β=γ=90°

晶胞中实际原子数为:

具有体心立方晶格的金属有：α-Fe、Cr、W、Mo、V等。 2、 面心立方晶格(图) a=b=c α=β=γ=90°

晶胞中原子数为：

具有面心立方晶格的金属有：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。 3、 密排六方晶格(图) a=b≠ c α=β=90° γ=120 °

密排六方晶格中原子数为：

具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。 三、晶体结构的致密度（计算）

致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 1、 体心立方的致密度 2、面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，均为0.74。 致密度数值越大，则原子排列越紧密 四、配位数的概念

配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。  体心立方：8；面心立方：12；密排六方：12

配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。 五、晶面与晶向

在晶体中，由一系列原子所构成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。 

不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的力学性能和理化性能。

表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。 

1、晶面指数求法

①  设坐标 ②  求截距 ③  取倒数 ④  化整数 ⑤  列括号

2、 晶向指数求法

①  设坐标 ②  求坐标值 ③  化整数 ④  列括号

§1—3 实际金属的晶体结构 一、多晶体和亚组织 ㈠  概念

1、单晶体—把晶体看成是由原子按一定的几何规律作周期性排列而成的，即晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间的位向都不同。 2、晶粒—外形不规则的小晶体。 3、晶界—晶粒与晶粒之间的界面。 4、多晶体—实际上由许多晶粒组成的晶体。

5、显微组织或金相组织—晶粒尺寸很小，如：钢铁材料的晶粒一般在10-1～10-3mm左右，故只有在金相显微镜下才能观察到这种金属组织。

㈡  晶体的各向异性

当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态下的单晶体时，该晶体必然具有各向异性的特征，但实际金属是多晶体，表现各向同性。

亚组织——在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称亚组织。

亚晶界——两相邻亚组织间的边界。 二、晶体的缺陷

实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。 

晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷 1、点缺陷（图）

空位和间隙原子：位于点阵上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，就可以脱离其原来的平衡位置，而迁移到别处，结果，在原来的位置的上的出现了空结点，称为空位。 形成空位的同时，产生了间隙原子，这种不占有正常的晶格位置而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。 点缺陷的产生使其产生了晶格畸变，晶格畸变将晶体性能发生改变，如强度，硬度和电阻增加。 2、线缺陷-位错（图）

位错-晶体中，某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

① 刀刃位错——在晶体的某一水平面上，多出一个垂直原子面ABCD，这个多原子面像刀刃一样切入晶体，使晶体上、下两部分的原子发生了错排现象。

② 螺旋位错-原子平面被畸变成了螺旋面。

③位错密度：

V-晶体的体积

S-体积为V的晶体中位错线的总长度。 3、 面缺陷

⑴ 晶界：多晶体中两个相邻晶粒间的位向差大多在30°～40°，原子排列成无规则的过渡层。 ⑵ 亚晶界：是由一系列刃型位错所形成的小角晶界。亚组织越细，金属的屈服强度越高。 将相本无种，男儿当自强。为了让自己从是一条不起眼的毛毛虫变成美丽的蝴蝶而努力！ 第二章  纯金属的结晶 一、纯金属的冷却曲线和过冷现象 1、  通过热分析法测定冷却曲线 2、 冷却曲线分析

纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。 3、 过冷现象

金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。 过冷度△T= T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。

同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。 二、固液界面前沿液体中的温度梯度 1、正温度梯度(图）

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，其结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而减小。  2、负温度梯度（图）

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，也就是说，过冷度随至界面距离的增加而增大。  三、纯金属的结晶过程

结晶的过程是不断形核和长大的过程。 1、 形核

液体中存在着许多类似于晶体的小集团，当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。

2、 长大

晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液—固界面向液体中推移的过程。 晶体长大的方式： ⑴ 平面状长大

解释：正温度梯度下，界面上局部微小区域有偶尔冒出而伸入到过冷度较小的L中时，它的长大会减慢，甚至停止，周围部分会赶上，冒出部分消失，L∕S界面始终保持平面状。 ⑵ 树枝状长大

解释：负温度梯度下，界面上局部微小区域有偶尔冒出而伸入到L中时，△T增加凸出部分生长加快，形成晶轴，同时这些晶轴还可产生二次晶轴形成树枝状形态。 四、金属结晶后的晶粒大小 ㈠ 概念

1、 晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。 2、 形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。 3、 长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。 ㈡  影响晶粒大小的因素

晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。 1、形核率的影响 形核率越大，晶粒越细。 2、长大速率的影响 长大速率越小，晶粒越细。 ㈢ 细化晶粒的方法 1、  增加过冷度（图）

形核率N，长大速率G都随过冷度△T的增加而增大。△T越大，N∕G越大。使单位体积中的晶粒数目越多，故晶粒越细化。 2、  变质处理

在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂，使结晶时的形核率N增加或降低长大速率G，这种方法称为变质处理。 3、  附加振动

振动能使液态金属在铸模中运动，造成枝晶破碎，破碎的枝晶尖端又可起晶核作用。 四、金属的同素异晶转变

1、 概念：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异晶转变。 2、同素异晶转变的特点

①  同素异晶转变遵循结晶的一般规律。

②  固态下原子扩散困难，同素异晶转变须有较大的过冷度。

③  由于转变时晶体结构的致密度发生改变，晶体体积发生变化，从而可产生较大的内应力。 教材P48图  两种温度分布方式 补充习题（请认真做） 第一章习题

1.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）

2.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） 3.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=1.633

4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=0.414R

5.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。

解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V面、V踢与a面、a体，钢球的半径为r，由晶体结构可知，对于面心晶胞有

4r=√2a面，a面=2√2/2r，V面=（a面）3=（2√2r）3 对于体心晶胞有

4r=√3a体，a体=4√3/3r，V体=（a体）3=（4√3/3r）3 则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀△V为 △V=2×V体-V面=2.01r3

B）按照晶格常数计算实际转变体积膨胀△V实，有 △V实=2△V体-V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3

实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由γ-Fe转化为α-Fe时,Fe原子的半径发生了变化，原子半径减小了。 6.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm，求1cm3中铁和铜的原子数。

解：室温下Fe为体心立方晶体结构，一个晶胞中含2个Fe原子，Cu为面心立方晶体结构， 一个晶胞中含有4个Cu原子

1cm3=1021nm3

令1cm3中含Fe的原子数为N Fe，含Cu的原子数为N Cu，室温下一个Fe的晶胞题解为V Fe，一个Cu晶胞的体积为V Cu，则

N Fe=1021/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x1018 N Cu=1021/V Cu=1021/(0.3607)3=2.8X1018

7.一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错，试说明之。 解：不能，看混合型位错

8.试计算{110}晶面的原子密度和[111]晶向原子密度。 解：以体心立方 {110}晶面为例 {110}晶面的面积S=a x √2a

{110}晶面上计算面积S内的原子数N=2 则{110}晶面的原子密度为ρ=N/S= √2a-2 [111]晶向的原子密度ρ=2/√3a

9.有一正方形位错线，其柏式矢量如图所示，试指出图中各段线的性能，并指出任性位错额外串排原子面所在的位置。

AD、BC段为刃型位错； DC、AB段为螺型位错

AD段额外半原子面垂直直面向里 BC段额外半原子面垂直直面向外 第二章习题 

1.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，固态金属融化时是否会出现过热，为什么？

答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即 ?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态 金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。 影响过冷度的因素： 影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高， 过冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。 固态金属熔化时会出现过热度。原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自 固态金属熔化时会出现过热度。原因： 由度是否低于固相的自由度，即 ?G = GL-GS<0；只有当温度高于理论结晶温度 Tm 时，液态金属的自 由能才低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。 2.试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。

相同点：均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均匀形核的临界形核功也等于三分之一 .

不同点：非均匀形核要克服的位垒比均匀形核的小得多，在相变的形核过程通常都是非均匀形核优先进行。核心总是倾向于以使其总的表面能和应变能最小的方式形成，因而析出物的形状是总应变能和总表面能综合影响的结果。 3.说明晶体成长形状与温度梯度的关系 （1）、在正的温度梯度下生长的界面形态：

光滑界面结晶的晶体，若无其它因素干扰，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。粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下成长时，其界面为平行于熔点等温面的平直界面，与散热方向垂直，从而使之具有平面状的长大形态，可将这种长大方式叫做平面长大方式。

（2）、在负的温度梯度下生长的界面形态粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长成树枝晶体。主干叫一次晶轴或一次晶枝。其

它的叫二次晶或三次晶。对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶，如果杰克逊因子α很大时，即使在负的温度梯度下，仍有可能形成规则形状的晶体。 4.简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点

形成原因：1）表层细晶区：低温模壁强烈地吸热和散热，使靠近模壁的薄层液体产生极大地过冷， 形成原因 形成原 模壁又可作为非均匀形核的基底，在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。 晶核数目多，晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形成薄层很细的等轴晶粒区。

2） 柱状晶区：模壁温度升高导致温度梯度变得平缓；过冷度小，不能生成新晶核，但利于细晶区靠近液 相的某些小晶粒长大；远离界面的液态金属过热，不能形核；垂直于模壁方向散热最快，晶体择优生 长。

3）中心等轴晶区：柱状晶长到一定程度后，铸锭中部开始形核长大---中部液体温度大致是均匀的，每个晶粒的成长在各方向上接近一致，形成等轴晶。 

性能特点：1）表层细晶区：组织致密，力学性能好；

2）柱状晶区：组织较致密，存在弱面，力学性 能有方向性；

3）中心等轴晶区：各晶粒枝杈搭接牢固，无弱面，力学性能无方向性。 

5.为了得到发达的柱状晶区应采用什么措施，为了得到发达的等轴晶区应采取什么措施？其基本原理如何？

答：为了得到发达的柱状晶区应采取的措施：1）控制铸型的冷却能力，采用导热性好与热容量大的铸型 为了得到发达的柱状晶区应采取的措施： 材料，增大铸型的厚度，降低铸型的温度。2）提高浇注温度或浇注速度。3）提高熔化温度。 基本原理： 基本原理：1）铸型冷却能力越大，越有利于柱状晶的生长。2）提高浇注温度或浇注速度，使温度梯 度增大，有利于柱状晶的生长。3）熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物溶解得越多， 非均匀形核数目越少，减少了柱状晶前沿液体中的形核的可能，有利于柱状晶的生长。 

为了得到发达的等轴晶区应采取的措施： 为了得到发达的等轴晶区应采取的措施：1）控制铸型的冷却能力，采用导热性差与热容量小的铸型材 等轴晶区应采取的措施 料，增大铸型的厚度，提高铸型的温度。2）降低浇注温度或浇注速度。3）降低熔化温度。 

基本原理： 1）铸型冷却能力越小，越有利于中心等轴晶的生长。2）降低浇注温度或浇注速度，使温 度梯度减小，有利于等轴晶的生长。3）熔化温度越低，液态金属的过热度越小，非金属夹杂物溶解得 越少，非均匀形核数目越多，增加了柱状晶前沿液体中的形核的可能，有利于等轴晶的生长。第三章习题

1.在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，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。 2.何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下的合金显微组织吗？

合金平衡相图是研究合金的工具，是研究合金中成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

其中二元合金相图表示二元合金相图表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解。平衡状态：合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。 合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。

三元合金相图是指独立组分数为3的体系，该体系最多可能有四个自由度，即温度、压力和两个浓度项，用三维空间的立体模型已不足以表示这种相图。若维持压力不变，则自由度最多等于3，其相图可用立体模型表示。若压力、温度同时固定，则自由度最多为2，可用平面图来表示。通常在平面图上用等边三角形(有时也有用直角坐标表示的)来表示各组分的浓度。 不能，相图只能给出合金在平衡条件下存在的合金显微组织

3.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？

在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。

这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。温度梯度增大，成分过冷减小。 成分过冷必须具备两个条件：第一是固~液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。

对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的

固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程。 第四章习题

1.分析分析ωc=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程。 ωc=0.2%: L---L+δ---δ→γ(1495度)---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C; (γ=A,α=F;下同) ωc=0.6%: L---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C; ωc=1.2%: L---γ+L---γ----Fe3C+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C; 室温下相组成物的相对含量:

ωc=0.2%，渗碳体相对含量=(0.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ωc=0.6%，渗碳体相对含量=(0.6-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ωc=1.2% 渗碳体相对含量=(1.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 室温下组织组成物的相对含量:

ωc=0.2%，珠光体相对含量=(0.2-0.02)/0.77%,余量铁素体 ωc=0.6%，珠光体相对含量=(0.6-0.02)/0.77 %,余量铁素体 ωc=1.2%,渗碳体相对含量=(1.2-0.77)/6.67 %,余量珠光体

2.分析ωc=3.5%、ωc=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织转变示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物。

解：下图表示ωc=3.5%%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：

下图表示ωc=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：

3.计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。

答：铁碳合金中二次渗碳体即Fe3CⅡ的最大可能含量产生在2.11%C的铁碳合金中，因此 （Fe3CⅡ）max=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）x100%=22.64%

三次渗碳体即Fe3CⅢ的可能最大含量在0.0218%C的铁碳合金中，因此 （Fe3CⅢ）max（0.0218-0.006）/（6.69-0.006）x100%=0.24%

4.分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量。 解：在莱氏体中，

Fe3C共晶%=（4.3-2.11）/（6.69-2.11）*100%=47.8%

Fe3CⅡ%=[（6.69-4.3）/（6.69-2.11）]*[（2.11-0.77）/（6.69-0.77）]*100%=11.8%

Fe3C共析%=[（6.69-4.3）/（6.69-2.11）-11.8%]*[（0.77-0.0218）/（6.69-0.0218）]*100%=4.53%

5.为了区分两种弄混的钢，工人分别将A、B两块碳素钢试样加热至850 ℃保温后缓冷， 金相组织分别为： A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体面积为 58.4%； B试样的二次渗碳体面积为7.3%，珠光体面积为 92.7%； 设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳量为零， 求A、B两种碳素钢的含碳量。

解：这两个试样处理后都是得到的平衡态组织，首先判断A试样为亚共析钢，根据相图杠杆原理列出方程如下：(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6% 这样得到X=45.0%，大概是45钢的成分范围。

同理B试样为过共析钢(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%，大概是T12钢的范围，当然相应地还可以利用杠杆的另外一端来求了。

6.利用Fe-FeC3相图说明铁碳合金的成分、组织和性能的关系。

从相组成物的情况来看，铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体组成，当碳质量分数为零时，合金全部由铁素体所组成，随着碳质量分数的增加，铁素体的量呈直线下降，到wc为6.69%时降为零，相反渗碳体则由零增至100%。

碳质量分数的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化，而且两相相互组合的形态即合金的组织也将发生变化，这是由于成分的变化引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化的结果，由图3-35可见，随碳质量分数的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：

F→F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ+Le→Le→Le+ Fe3CⅠ

wc<0.0218%时的合金组织全部为铁素体，wc=0.77%时全部为珠光体，wc=4.3%时全部为莱氏体，wc=6.69%时全部为渗碳体，在上述碳质量分数之间则为组织组成物的混合物；而且，同一种组成相，由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但其形态会有很大的差异。如渗碳体，当wc<0.0218% 时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片状分布；经共析反应生成的共析渗碳体与铁素体呈交替层片状分布；从奥氏体中析出的二次渗体则以网状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体与奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状；从液相中直接析出的一次渗碳体呈规则的长条状。可见，成分的变化，不仅引起相的相对量的变化，而且引起组织的变化，从而对铁碳合金的性能产生很大的影响。

1)切削加工性能

钢中碳质量分数对切削加工性能有一定的影响。低碳钢的平衡结晶组织中铁素体较多，塑性、韧性很好，切削加工时产生的切削热较大，容易黏刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳钢中渗碳体较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也不好；中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度与塑性也比较适中，切削加工性能较好。一般说来，钢的硬度在170～250HBW时切削加工性能较好。 2)压力加工性能

金属压力加工性能的好坏主要与金属的锻造性有关。金属的锻造性是指金属在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能。钢的锻造性主要与碳质量分数及组织有关，低碳钢的锻造性较好，随着碳质量分数的增加，锻造性逐渐变差。由于奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加热到高温获得单相奥氏体组织时可具有良好的锻造性。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，锻造性很差，不允许进行压力加工。 3)铸造性能

随着碳质量分数的增加，钢的结晶温度间隔增大，先结晶形成的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，流动性变差。铸铁的流动性要好于钢，随碳质量分数的增加，亚共晶白口铁的结晶温度间隔缩小，流动性随之提高；过共晶白口铁的流动性则随之降低；共晶白口铁的结晶温度最低，又是在恒温下结晶，流动性最好。碳质量分数对钢的收缩性也有影响，一般说来，当浇注温度一定时，随着碳质量分数的增加，钢液温度与液相线温度差增加，液态收缩增大；同时，碳质量分数增加，钢的凝固温度范围变宽，凝固收缩增大，出现缩孔等铸造缺陷的倾向增大。此外，钢在结晶时的成分偏析也随碳质量分数的增加而增大。

7.Fe-FeC3相图有哪些应用，又有哪些局限性 答：铁—渗碳体相图的应用： 1）在钢铁选材方法的应用； 2）在铸造工艺方法的应用；

3）在热锻、热轧、热锻工艺方法的应用 ； 4）在热处理工艺方法的应用。 渗碳体相图的局限性 ： 1）只反映平衡相,而非组织； 2）只反映铁 二元合金中相的平衡； 3）不能用来分析非平衡条件下的问题

I have a lot of things to prove to myself. One is that I can live my life fearlessly. ——Oprah Winfrey人可以通过很多种方式证明自己。勇敢无畏地生活便是其中之一。——奥普拉 (责任编辑：文彦考研) 第五章 三元合金相图（不考） 第六章 金属及合金的塑性变形

?

金属的变形特点

1. 2.

金属在外力作用下的变形阶段可分为弹性变形、弹塑性变形、断裂三个阶段。 σe材料的弹性极限，表示材料保持完全弹性变形的最大应力。

σs：材料的屈服强度，表示材料对起始微量塑性变形的抗力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度，称为条件屈服强度或屈服强度。

σb：材料的强度极限或抗拉强度，表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。 σ k：材料的条件断裂强度，表示材料对塑性变形的极限抗力。

1.

塑性：是指材料在断裂前的塑性变形量，通常用伸长率δ和断面收缩率Ψ表示。

韧性：是指材料对断裂的抵抗能力。

1. 2.

n：加工硬化指数，表征金属在均匀变形阶段的加工硬化能力。取决于材料的晶体结构和加工状态。

弹性变形:当金属受到外力后，其内部原子偏离平衡位置，但所加的外力未超过原子间的结合力，当外力去除后，在原子间结合力的作用下，原子立即恢复到原来的平衡位置，金属晶体在外力作用下产生的宏观变形完全消失，这种变形叫弹性变形。当外力超过原子间的结合力，在外力去除后宏观塑性变形不会消失的变形叫塑性变形。 3.

弹性模量E、切变模量G表征金属材料对弹性变形的抗力。工程上经常将构件产生弹性变形的难易程度称为构件的刚度。E决定材料的性能，称为材料的刚度。

?

单晶体的塑性变形

1.

滑移带：将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，当试样经适量的塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到在抛光的表面上出现许多相互平行的线条，这些线条称为滑移带。

滑移：晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这种变形方式叫滑移。当滑移的晶面移出晶体表面时，在滑移晶面与晶体表面的相交处会形成一个滑移台阶，一个滑移台阶就是一条滑移线，每一条滑移线对应的台阶高度就是某一滑移面的滑移量。

滑移面、滑移系：滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分做相对的滑动，这种晶面称为滑移面，晶体在滑移面上的滑动方向称为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系。 单系滑移：只有一个滑移系开动的滑移。 多系滑移：在两个或更多的滑移系上进行的滑移。

交滑移：在滑移过程中，由于晶体取向的改变可能使两个或多个相交的滑移面沿一个滑移方向进行滑移，使加工硬化效果逐渐下降，这个过程称为交滑移。

单、多、交滑移效果：第一阶段只有一个滑移系起作用，加工硬化效果很小；但到第二阶段后，由于晶体的转动，发生了多滑

移，此时不同滑移系间的相互交割，使加工硬化效果突然上升；到了第三阶段，由于晶体取向的改变可能使两个或多个相交的滑移面沿一个滑移方向进行滑移，使加工硬化效果逐渐下降。

1.

为什么滑移总是最密排面密排方向？P165在晶体的原子密度最大的晶面上，原子的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，即密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易于滑移。沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小。 2.

为什么体心立方的塑性比面心立方差

因为金属塑性的好坏，不只取决于滑移系的多少，还与滑移面上的原子密排程度和滑移方向数目有关。虽然体心立方和面心立方的滑移系相同，但由于体心立方的滑移方向不及面心立方多；同时滑移面上的原子密排程度也比面心立方金属低，因此它的滑移面间距离较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移。

1.

临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力。

软取向：当外力与滑移面、滑移方向都为45度时，取向因子最大，σs最小，最容易滑移，这种取向称为软取向。 硬取向：当外力与滑移面平行或垂直时，取向因子为0，σs为无穷大，晶体根本无法滑移，这种取向称为硬取向。 几何硬化：如果某一滑移系的取向处于软取向，在拉伸时，随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力的夹角线越来越远离45度，从而使滑移越来越困难，这种现象称为几何硬化。

几何软化：金属晶体在外力作用下发生滑移和转动后，滑移面法向与外力的夹角越来越接近45度，而使滑移变得越来越容易，这种现象称为几何软化。

1.

多系滑移加工硬化效果较大的原因

一方面是位错运动相互交割，产生割阶，不仅增加了位错线的长度，也消耗了一定的能量；另一方面它使带割阶的位错运动变的困难，成为后续位错运动的障碍。

1.

孪生：当晶体在切应力作用下发生塑性变形时，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部分作均匀的切变，这种变形方式称为孪生。

孪晶：当晶体按孪生方式作均匀切变时，这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变化，并与未变形部分的晶体以孪晶界为分界面构成镜面对称关系，通常把对称的两部分晶体称为孪晶。

?

多晶体的塑性变形

1.

多晶体变形的特点：一是晶粒变形的不同时性，即各晶粒的变形有先有后，不是同时进行的；二是各晶粒变形的相互协调性，即任一晶粒的变形都不是独立的，必须与周围的晶粒相适应，以保持晶粒之间的结合和整体的连续性；三是变形的不均匀性，各晶粒变形有大有小，同一晶粒中心区域变形大，晶界附近变形小。 2.

细晶强化的原理

由于应力集中与n正正比，而晶粒越大距离越大，n越大，所引起的应力集中越大，越易激发相邻晶粒发生塑性变形。而小晶粒则相反，所引起的应力集中较小，为使相邻晶粒发生塑性变形需外加较大应力，因此屈服强度高。

此外，细化晶粒还能提高塑性、韧性。这是因为在相同外力的作用下，细小的晶粒内部和晶界附近的应变相差较小，变形较均匀，相对来说应力集中引起开裂的机会较小，就可能在断裂前承受较大变形量，所以塑性较好。由于细晶粒金属中的裂纹不易产生也不易扩展，因而在断裂前能吸收更多的能量，所以韧性也较好。 第四节  合金的塑性变形

1.单相固溶体合金：具有以基体金属为基的单相固溶体组织。

第二相：各合金组元形成的化合物或以合金元素为基形成的另一固溶体。

多相合金：加入的合金元素超过了基体金属对它的饱和溶解度，形成了以基体金属为基的固溶体和第二相构成的合金组织。 2.固溶强化机理

Ⅰ.固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象。

Ⅱ.原因：一是固溶体中的溶质原子与溶剂原子存在半径差，会引起晶格畸变，产生晶格畸变应力场，与位错应力场产生弹性交互作用，对位错运动起阻碍作用；二是溶质原子会偏聚在位错线上，形成柯氏气团，对位错起钉扎作用。若要使位错运动脱离气团的钉扎作用就需要更大的外力，从而增加了固溶体的变形抗力。 Ⅲ.合金形成固溶体时的固溶强化规律：

①在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，因而强化效果越大；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化作用越大。 3.第二相强化

第二相强化：当硬脆的第二相呈弥散均匀分布于塑性基体上时，增加了合金的强度、硬度的现象。两种机制：

弥散强化：当位错运动遇到第二相质点时，由于质点坚硬不变形且较大，位错只能绕过第二相而继续运动，从而增加了变形阻力，使基体得到强化作用。

沉淀强化：当位错运动遇到第二相质点时，由于质点硬度不高、尺寸不大且可变形，位错能切过第二相粒子与基体一起运动。由于切过第二相粒子必须做额外的功，消耗足够大的能量，从而使基体得到强化。

第五节 塑性变形对组织、性能的影响 1、对组织

①在晶粒内出现滑移带、孪晶；②晶粒伸长，出现纤维组织；③亚结构细化，出现胞状亚结构或形变亚结构；④晶粒出现择优取向，形成形变织构。 一些概念：

①纤维组织：在金属和合金塑性变形后，各晶粒沿变形方向逐渐伸长。当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。

②胞状亚结构：形变亚结构的边界是晶格畸变区，堆积有大量的位错，而亚结构内部的晶格则相对比较完整，这种亚结构常称为胞状亚结构。

③形变亚结构：金属在塑性变形过程中，当位错运动受阻而形成位错缠结时，出现的由高密度的缠结位错分隔开的位错密度较低的区域，这些区域称为形变亚结构。

④晶粒的择优取向：当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋近于一致，这一现象称为晶粒的择优取向。

⑤形变织构：由于金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构。 丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近。

板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。 2.对性能

Ⅰ.加工硬化：金属在塑性变形过程中，随着变形量的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降的现象。

Ⅱ.原因：因为随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，产生了固定割阶、位错缠结等，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加，因而提高了金属的强度。 Ⅲ.意义：

①广泛用来提高金属材料的强度，对于用热处理不能强化的材料显得更加重要；

②是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素。如冷拔钢丝拉过模孔后，断面尺寸减小，单位面积所受应力增大，若无加工硬化则可能被拉断；又如金属薄板在深冲时，弯角处变形最严重，首先产生加工硬化，到一定程度后将变形转移到其他部位，可得到厚薄均匀的冲压件；

③可提高零件或构件使用过程的安全性。如零构件在受力时会产生塑性变形，若无加工硬化，则变形会越来越大，甚至使零件失效或断裂。而加工硬化可使变形减弱或停止。 3、残留应力

①宏观内应力（第一类内应力）：宏观内应力是由于金属工件或材料各部分的不均匀变形引起的，它是整个范围处于平衡的力，当一部分力去除后会产生整体变形；

②微观内应力（第二类内应力）：它是金属冷塑性变形后，由于晶粒或亚晶粒变形不均匀而引起的，它是在晶粒或亚晶粒范围内处于平衡的力，此应力在局部可产生很大的值，在不大的外力下就会产生显微裂纹，进而导致断裂；

③点阵畸变内应力（第三类内应力）：塑性变形使金属内部产生大量的位错和空位，使点阵中的一部分原子偏离平衡位置，造成点阵畸变。这种点阵畸变所产生的内应力的作用范围最小，只在晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。它使金

属的硬度、强度升高，而塑性、耐腐蚀性下降。

激励的话：

Let us treasure every day in our life, because the beginning of a day will be the first day in our remaining life.我们要学会珍惜生活的每一天，因为这每一天的开始，都将是我们余下生命之中的第一天。

我所理解的自由，不是懈怠与懒散，不是无所作为，而是你明白自己要成为什么样的人，然后，让自己成为那样的人。第八章 扩散（不考）

第九章 钢的热处理原理

第一节 热处理

热处理是将钢在固态下加热到预定的温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热处理工艺。 (1) 固态相变的特点

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相变阻力大

新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 母相晶体缺陷对相变起促进作用 易于出现过度相

(2) 固态相变的类型

扩散性相变（珠光体转变、奥氏体转变）；非扩散性相变（马氏体转变）；介于两者之间的一种过渡型相变（贝氏体转变）

第二节 钢在加热时的转变

加热时奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小、过剩相的数量和分布都影响冷却时的性能。

1.

共析钢的奥氏体化

四个基本过程：奥氏体的形核、奥氏体的长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体的成分均匀化。

1.

形核：将钢加热到AC1以上某一温度保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在铁素体和渗碳体的相界面上形核。这是由于铁素体和渗碳体的相界面上的碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，容易产生浓度起伏和结构起伏，为奥氏体的形核创造条件； 2.

长大：当奥氏体的晶核形成后，由于奥氏体与α的界面及奥氏体与Fe3C的界面存在碳浓度差，破坏了原来的平衡，因此奥氏体要长大以使平衡恢复。奥氏体晶粒的长大是通过Fe3C的溶解、碳在奥氏体和α中的扩散、α向奥氏体的转变而进行的；

3. 剩余渗碳体溶解：由于奥氏体在长大过程中，铁素体向奥氏体的转变速度要比渗碳体向奥氏体的转变速度快得多，因此铁素体首先消失。只有在继续加热或保温时，随着碳在奥氏体中的不断扩散，剩余的渗碳体才能不断溶解；

4. 奥氏体的均匀化： 当Fe3C完全溶解，奥氏体中的碳浓度仍然很不均匀，原来是Fe3C的地方高，原来是α的地方低。只有在继续加热或保温时，才能使碳原子充分扩散，获得成分均匀的奥氏体。

1. 影响奥氏体形成速度的因素

1) 加热和保温时间  温度影响最大，温度越高转变越快。

2) 原始组织的影响  淬火>正火>退火，相界面越多，越容易形核、长大。 3) 化学成分的影响 

① 碳含碳量越高，原始组织渗碳体数量越多，从而增加了铁素体和渗碳体的相界面，使奥氏体的形核率增大；此外，含碳量增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，从而增大奥氏体长大速度。

② 合金元素 合金元素影响碳的扩散速度，分非碳化物、碳化物形成元素等的影响。（此处有一个为什么合金钢的加热保温时间要比较长的问题p237）

1.

奥氏体晶粒大小的影响因素

1) 加热温度和保温时间的影响 加热温度影响最大。温度越高，保温时间越长，晶粒越粗大。 2) 加热速度的影响  速度越大，形核率大于长大速度，晶粒越细。

3) 钢的化学成分的影响  ①碳含量在一定范围内，奥氏体中随碳含量的增加，碳和铁的扩散速度都增大，晶粒长大倾向增加；但超过一定范围，形成未溶碳化物第二相时反而阻碍晶粒长大。②强碳化物形成元素Zr、Ti、Nb、V等能形成弥散碳化物和氮化物，可以细化晶粒，Mn、P、C、N等元素溶入奥氏体后削弱铁原子结合力，加速扩散，促进晶粒长大。 4) 钢的原始组织的影响  原始组织越细，碳化物弥散程度越大，奥氏体晶粒越细。

第三节 钢在冷却时的转变

一、过冷奥氏体：在临界温度以下存在且不稳定、将要发生转变的奥氏体。 二、过冷奥氏体转变测试方法：膨胀法、磁性法、金相硬度法。

三、孕育期：奥氏体冷却到临界温度以下要经过一段时间才开始转变，这段时间称为孕育期。 四、为什么会出现鼻子？P241 五、影响奥氏体等温转变的因素

1.

奥氏体的成分

①含碳量 亚共析钢随含碳量的增加c曲线右移，过共析钢随含碳量增加左移。（为什么）

②合金元素  除Co、Al以外的所有合金元素，都会增大过冷奥氏体稳定性，均使曲线右移，Ms点降低。

2.

奥氏体的状态  奥氏体晶粒越细小，单位体积晶界越多，使奥氏体形核率增多，降低奥氏体稳定性，使c曲线左移。 3.

应力和塑性变形的影响 拉应力加速转变，压应力阻碍转变；塑性变形也加速转变。

六、珠光体转变

分类： 分为片状珠光体转变和粒状珠光体转变。

珠光体片间距：珠光体团中相邻两片渗碳体或铁素体之间的距离。它与奥氏体的晶粒度关系不大，主要取决于珠光体的形成温度。

珠光体：共析转变形成的铁素体和渗碳体的机械混合物。 索氏体：在600~650温度范围内形成的片层较细的珠光体。 托氏体：在550~600温度范围内形成的片层极细的珠光体。 贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体形成的机械混合物。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

回火马氏体：淬火钢在低温回火后得到的由低碳α相和弥散的ε碳化物组成的双相组织。 回火屈氏体：淬火钢在中温回火后得到的由针状α和无共格联系的细粒状Fe3C组成的机械混合物。 回火索氏体：淬火钢在高温回火时得到的由多边形铁素体和粗粒状Fe3C组成的机械混合物。

伪共析体（伪珠光体）：由偏离共析成分的过冷奥氏体所形成的珠光体。 为什么珠光体片层间距越细，强度、硬度、塑性都增加？P246

粒状珠光体形成方式：过冷奥氏体直接转变、片状珠光体球化、淬火加回火。 七、马氏体转变

1、马氏体的形态：板条、片状。含碳>0.2%生成板条状，>1.0%成片状，中间的为混合体。

1.

板条状马氏体：显微组织是由成群的板条组成的马氏体组织。亚结构主要是位错。低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢的典型马氏体组织。 2.

片状马氏体：空间形态呈凸透镜状，显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体或片状马氏体。亚结构主要是孪晶。 高碳钢、含镍=30%的不锈钢、一些有色金属和合金的典型马氏体组织。当马氏体片细小到光学显微镜不能分辨时，称为隐晶马氏体。

2、马氏体的性能

马氏体具有高强度、高硬度；原因主要是碳原子的固溶强化、相变强化、时效强化。

1.

固溶强化：碳处于ɑ相晶格的扁八面体间隙中，造成晶格的正方畸变并形成一个应力场。该应力场与位错发生交互作用，提高马氏体强度。 2.

相变强化：马氏体转变时在晶体内造成密度很高的晶格缺陷，无论是板条马氏体的高密度位错还是片状马氏体的孪晶都阻碍位错，使马氏体强化，称相变强化。 3.

时效强化：马氏体形成后，碳及合金元素的原子向位错或其他晶体缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错使位错难以运动，造成马氏体强化。

马氏体的塑韧性主要取决于它的亚结构，位错马氏体比孪晶马氏体更韧。为什么?P253 3、马氏体转变特点

1. 2. 3.

马氏体转变的无扩散性 ：原来在母相中的两个原子在新相中仍然相邻，它们的相对运动不超过一个原子间距。 马氏体转变的切变共格性  ：转变时有表面浮凸，是以切变共格进行的。

马氏体转变具有特定的惯习面和位向关系：马氏体转变是在奥氏体一定的结晶面上形成的，此相界面是切变共格界面，称为惯习面。含碳<0.6时为（111）r，0.6%~1.4%时为（25）r，>1.4%为（259）r。马氏体转变后新相和母相存在一定的位向关系（K-S、西山. 4. 5.

马氏体转变是在一定温度范围内进行的：转变也需形核和长大；相变没有孕育期；转变具有不完全性。

马氏体转变的可逆性：奥氏体转变成马氏体后，重新加热时已形成的马氏体又能无扩散的转变成奥氏体，这就是马氏体转变的可逆性。

4．其它

1. 2.

残余奥氏体：淬火冷却时未转变的奥氏体。

奥氏体的热稳定化：在发生马氏体转变时，由于冷却缓慢或在冷却过程停留引起奥氏体稳定性提高而使马氏体转变滞后的现象。 3. 4.

奥氏体的机械稳定化：由于奥氏体在淬火过程中受到较大塑性变形或者受到压应力而造成的奥氏体稳定化现象。 形变诱发马氏体相变：在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形可引起马氏体转变，变形量越大，马氏体转变量越多的现象。 5.

热弹性马氏体：具有马氏体可逆转变而且Ms、As点相差很小的合金，若将它们冷却到Ms以下后，马氏体晶核随温度下降而逐渐长大，当温度回升时，马氏体反过来又同步的随温度的上升而缩小。这种马氏体叫热弹性马氏体。

5、马氏体转变的应用 八、贝氏体转变

也叫中温转变。★与P或M的异同点，p259

1.

组织形态：上B，光镜下呈羽毛状，电镜下条状铁素体+条间断续的、短杆状的渗碳体；下B，光镜下呈黑色针状，电镜下含碳过饱和的铁素体+内部细微的?-碳化物（六方），立体形态呈双凸透镜状，亚结构为高密度位错，无孪晶；粒状B，大块或针状铁素体+内部呈颗粒状小岛的原富碳奥氏体区。

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