金屬學級熱處理筆記

1、 本科生上課筆記重點宏觀的塑性變形是位錯在外力作用下運動的結(jié)果。位錯在晶體中的運動方式有兩種：滑移slip：與金屬的變形密切相關(guān)攀移climba位錯的滑移是在切應力作用下進行的，存在一個最小切應力。使刃型位錯滑移的切應力必須與位錯線垂直。對于刃型位錯，晶體滑移的方向與位錯運動方向一致?；泼妫何诲e線與柏氏矢量組成的原子面，對于刃型位錯，位錯線與柏氏矢量垂直，因此刃位錯的滑移面是唯一確定的。使螺型位錯滑移的切應力必須與位錯線平行。對于螺型位錯，晶體滑移的方向與位錯運動方向垂直?；泼妫簩τ诼菪臀诲e，位錯線與柏氏矢量平行，因此螺型位錯可以有多個滑移面。要點 （1）位錯的滑移面包含柏氏矢量和位錯線。

2、（2）對于一根位錯線而言，柏氏矢量是固定不變(3 )可以通過柏氏矢量和位錯線的關(guān)系來判斷位 錯特征。bt時為刃型位錯，bt為螺型位錯， 對于混合型位錯，b和t的角度在0°和90°。 的。 （4）位錯線不能終止于完整晶體之中。位錯通?？梢栽诎诲e線和柏氏矢量的面上滑移，在某些情況下，還能發(fā)生垂直于滑移面方向的移動，稱為攀移。只有刃型位錯會發(fā)生攀移。攀移的本質(zhì)是刃型位錯半原子面的向上（正攀移）或向下運動（負攀移）。攀移時伴隨物質(zhì)的遷移，需要空位的擴散，需要熱激活，比滑移需要更大的能量原子正常的堆剁次序遭到破壞的現(xiàn)象稱為堆垛層錯。面缺陷包括晶界、相界和表面前面舉例晶體有規(guī)則的外

3、形，金屬內(nèi)部是由大量的小的單晶體組成，稱為晶粒，每個晶粒內(nèi)部，原子是規(guī)則排列的。晶粒之間的界面稱為晶界。在晶界部分，原子呈不規(guī)則排列。晶界兩側(cè)晶粒的位相差<10o 小角度晶界>10o 大角度晶界在晶界處，原子處于較高能量狀態(tài)。這部分能量稱為晶界能點缺陷、線缺陷、面缺陷、肖脫基空位、弗蘭克耳缺陷、間隙原子、置換原子、刃型位錯、螺型位錯、位錯密度、滑移、攀移、全位錯、不全位錯、層錯、大角度晶界、小角度晶界、晶界能刃型位錯和螺型位錯的特征。柏氏矢量的確定及柏氏矢量的表示。理解滑移的過程及刃型位錯和螺型位錯滑移的特點。組元 component：組成材料最基本的，獨立的物質(zhì)。純元素 金屬Ni

4、 Cu Fe Cr 非金屬 C N B O化合物 Al2O3、 SiO2、 AlN、 Fe3C 合金 alloy： 由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或其他方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。相 phase：金屬中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。相圖 phase diagrams：描寫在平衡條件下，系統(tǒng)狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變與成分、溫度及壓力間的關(guān)系的圖。純金屬：高導電性，高延展性，良好的耐蝕性。強度較低，很少用作工程結(jié)構(gòu)。合金化：可提高強度和硬度。工程中應用的金屬材料大部分是合金。以合金中某一組元作為溶劑、其它組元為溶質(zhì)、所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)

5、稍有變化的固相，稱為固溶體。 溶劑的晶體結(jié)構(gòu)不改變，但是由于溶質(zhì)原子的存在，晶格會發(fā)生畸變形成無限固溶體時，原子相對尺寸差一般小于15%。組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若組元間晶體結(jié)構(gòu)不同便只能形成有限固溶體。兩元素間電負性差越小，則越易形成固溶體，而且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大固溶度減小，當溶質(zhì)與溶劑的電負性差很大時，往往形成比較穩(wěn)定的金屬間化合物。電子濃度：合金中各組成元素的價電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值，記作ea。存在一極限電子濃度。超過極限電子濃度，固溶體就不穩(wěn)定，便會形成新相。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子半徑很小，如 氫（0.0

6、46nm） 氧（0.061nm） 氮（0.071nm） 碳（0.077nm） 硼（0.097nm）間隙固溶體只能是有限固溶體。形成固溶體時，材料的硬度、強度升高，這種由于溶質(zhì)原子的固溶引起的強化效應，稱為固溶強化。當溶質(zhì)原子的加入量超過一定限度時，會形成一種新相，這種新相稱為中間相，中間相的晶體結(jié)構(gòu)不同于此相中的任一組元。又稱為金屬間化合物分類： 正常價化合物 電子化合物 尺寸因素化合物由金屬元素與周期表中的第IV，V，VI族元素組成?；衔锓匣系脑觾r規(guī)律，可用化學式表示。AB, A2B (or AB2). 熔點高于組成金屬元素，說明原子間結(jié)合力較強。硬度較高，但是脆性大。如Mg2Si

7、Mg2Sn MnS AlN SiC等。e/a = (價電子數(shù)總和) / (原子總數(shù)). 有三種不同的比值，通常稱為Hume-Rothery比:e/a = 3/2(21/14)-相e/a = 21/13-相e/a = 21/12-相這類中間相的形成主要受組元的相對尺寸所控制。兩類：間隙化合物拉弗斯相ri(interstitial)/rm(metal) < 0.59間隙原子處于結(jié)構(gòu)間隙處，不改變金屬的晶體結(jié)構(gòu)。這時，稱為間隙相。ri(interstitial)/rm(metal)>0.59 晶格畸變增大，形成新的更復雜的晶體結(jié)構(gòu)，稱為間隙化合物。相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之

8、間關(guān)系的一種圖解。利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在哪些相、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發(fā)生的變化。相平衡：在某一條件下，系統(tǒng)中各個相經(jīng)過很長時間也不互相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相平衡。 相律（Gibbs Phase Rule） 1876 Gibbs 描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)關(guān)系的法則。 f = C - P + 2 自由度：平衡系統(tǒng)中保持平衡相數(shù)不變的條件下獨立可變的因素。不能為負值。組元數(shù)C=1根據(jù)相律： f =1-P+2=3-P若，P=1，則f =2可以用溫度和壓力作坐標的平面圖(p-T圖)來表示系統(tǒng)的相圖。若， f =0，則P=3，即最多有三相平衡 相圖

9、上的每一個點都對應著系統(tǒng)的某一種狀態(tài)，因此這些點通常稱作狀態(tài)點。 如果外界保持一個大氣壓，根據(jù)相律，C=1，P=1則f=1。系統(tǒng)中只有一個獨立可變的變數(shù)。因此單元系相圖可以只用一個溫度軸來表示。 二元系統(tǒng)有兩個組元，根據(jù)相律：f=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目f=2，這兩個自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標軸的溫度-成分圖表示。 熱分析法、金相組織法、X射線分析法、硬度法、電阻法、熱膨脹法、磁性法等 第四章鐵-碳合金相圖Phase diagram of iron-carbon alloys要求：掌握鐵-碳合金中的基本

10、相；掌握鐵-碳（Fe-Fe3C）合金相圖；熟悉典型合金的平衡凝固過程及組織轉(zhuǎn)變；理解碳含量對鐵-碳合金組織和性能的影響；了解鋼中的雜質(zhì)元素。鋼鐵為最重要的金屬材料。鐵碳合金分類：鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11%；鑄鐵：碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%。實際研究中碳的含量小于6.69%。鐵-碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具。由于含碳量超過6.69（Fe3C的含碳量）以后，合金脆性很大，所以研究的只是Fe-Fe3C鐵的熔點：1538密度：7.87kg/m3. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格類型的轉(zhuǎn)變。Fe3C是鐵與碳的一種具有復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物（正交晶系），通常稱為滲碳體，用Cm表示。性能特點：

11、硬度高，800HBW。脆性大Fe3C3Fe+C石墨相：碳在-鐵中的間隙固溶體，bcc結(jié)構(gòu)，1394以上存在，最大溶碳量為0.09%。又叫高溫鐵素體。相：碳在-鐵中的間隙固溶體，bcc結(jié)構(gòu)，912以下存在，最大溶碳量為0.0218%。叫做鐵素體，也可用F表示。相：相是碳在-鐵中的固溶體，fcc結(jié)構(gòu)，727-1495之間存在，最大溶碳量為2.11%，叫做奧氏體，也可用A來表示。4.1.2相圖中重要的點和線相圖中各個點的代表符號一般通用，不隨意改變。其中的P、S、E、C四個點最重要。包晶轉(zhuǎn)變：1495 HJB水平線：L0.53+0.090.17共晶轉(zhuǎn)變：1148 ECF水平線：L4.302.11+

12、Fe3C萊氏體Ledeburite符號Ld共晶反應的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，叫做萊氏體，用Ld表示。其中的滲碳體叫做共晶滲碳體。共析轉(zhuǎn)變：727PSK 水平線(A1線，A1溫度)：0.770.02+ Fe3C珠光體Pearlite符號P共析反應的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，叫做珠光體，用P表示。其中的滲碳體叫做共析滲碳體。GS線（A3線，或A3溫度）：合金冷卻時從A中開始析出F的臨界溫度線。ES線碳在A中的固溶線，叫做Acm線，Acm溫度。由奧氏體中析出的滲碳體叫做二次滲碳體，用Fe3C表示。PQ線碳在鐵素體中的固溶度曲線。由鐵素體中析出的滲碳體叫做三次滲碳體，用Fe3C表示。

13、一次滲碳體：直接從液相中析出。二次滲碳體：從A中析出三次滲碳體：從F中析出共晶滲碳體：共晶反應，萊氏體中共析滲碳體：共析反應，珠光體中成分相同，來源、形態(tài)不同鐵碳合金可以分為三類：工業(yè)純鐵：C0.0218%鋼：0.0218%<C2.11%亞共析鋼：0.0218%<C<0.77%共析鋼：C=0.77%過共析鋼：0.77%<C<2.11%白口鑄鐵：2.11%<C<6.69%亞共晶白口鑄鐵：2.11%<C<4.3%共晶白口鑄鐵：C=4.3%過共晶白口鑄鐵：4.3%<C<6.69%典型合金的結(jié)晶過程工業(yè)純鐵2. 共析鋼3亞共析鋼4. 過

14、共析鋼 5. 共晶白口鑄鐵低溫萊氏體：高溫萊氏體（A+ Fe3C）形成后，隨溫度的降低，A要轉(zhuǎn)變?yōu)镻和Fe3C，叫做低溫萊氏體（P+ Fe3C+ Fe3C共晶）。用Ld'表示。6.亞共晶白口鑄鐵7. 過共晶白口鑄鐵本章重點題一 鐵-碳相圖的應用1合理選用鋼鐵材料根據(jù)性能要求來選擇合金的成分。2確定熱加工工藝如鑄造中要求選擇結(jié)晶溫度區(qū)間小的合金，從相圖中可以看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。在熱變形加工中，要求合金的塑性較高，因而選擇在單相奧氏體區(qū)進行。3在熱處理工藝中的應用鋼的熱處理工藝都是根據(jù)鐵-碳相圖制定的。二 雜質(zhì)元素對鋼的性能的影響五大元素：碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）其它：氧（O）、氮（N）、氫（H）錳和硅作為脫氧劑。硅含量0.5%。增加鋼液流動性，提高鋼的強度。含量高時，影響鋼的質(zhì)量。錳含量0.8%。提高硅和鋁的脫氧效果。硫有害元素，來源于生鐵原料、礦石和燃料（如焦炭）燃燒產(chǎn)生的SO2。熱脆：鋼在熱加工時開裂 （11年考）。原因：Fe+FeS共晶 （11年考）Fe+FeS+FeO三元共晶解決：加入錳磷有害元素，來源于礦石和生鐵等煉鋼原料。冷脆：其固溶強化作用提高鋼的強度、硬度，但劇烈降低鋼的低溫韌性。主要以氧化物形式存在。如Fe