金属学原理期末复习缩印全解Word格式.docx

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▲晶体中的间隙（通常为非金属原子C、N等进入，间隙大并不代表就容易进入）

间隙分为两种：

八面体间隙（6个原子围成）和四面体间隙（4个原子围成）

体心立方中四面体间隙比八面体间隙大得多；

面心立方中八面体间隙比四面体间隙大得多。

3、晶面、晶向指数：

①晶面：

由一系列原子组成的平面

晶向：

任意两个原子之间连线所指的方向

②★两个定理：

⑴在立方结构中，

当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面（hkl）时，必须满足hu+kv+lw=0;

⑵当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h,v=k,w=l.

3、晶体的各向异性是晶体的重要特征，是区别非金属的重要标志；

产生各向异性的原因：

不同晶向上原子紧密程度不同。

金属属于多晶体，多晶体中晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被抵消。

第三节、实际金属的晶体结构

1、⑴点缺陷：

空位，间隙原子和置换原子

1空位形成：

原子脱离原来的平衡位置

条件：

存在能量起伏

2间隙原子（通常为非金属原子，尺寸较小，比如H,N,C,B）

是热平衡缺陷的一种，

3置换原子（通常为金属原子）

占据在原来基体平衡位置上的异类原子称为置换原子。

由于原子大小区别也会造成畸变。

置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称为固溶度或溶解度，通常比间隙原子固溶度大得多。

▲点缺陷造成的影响：

1结构变化-------晶格畸变→强化金属（固溶强化）

2加速金属中的扩散过程

3破坏原子排列规律性→增加电阻

⑵线缺陷→各种位错（主要以刃型位错、螺型位错、混合型位错

1位错对金属的强度、断裂和塑性变形起着决定性作用

位错形成：

金属结晶、塑性变形和相变过程中。

2刃型位错特征：

1、存在一个额外的半原子面

2、位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变又有切应变。

正刃型位错画面上为压应力，下为拉应力。

3、位错线与晶体的滑移方向垂直，位错线的运动方向垂直于位错线。

螺型位错特征：

1、不存在额外的半原子面

2、位错线是一个具有一定宽度的晶格畸变管道，只有切应变没有正应变

3、位错线平行于晶体的滑移方向，位错线运动方向垂直于位错线。

位错运动的两种形式滑移攀移

⑶面缺陷

影响表面能因素：

①外部介质的性质②裸露晶面的原子密度③晶体表面的曲率

▲相界：

具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。

分三类：

共格界面，半共格界面和非共格界面

晶界能越高，晶界越不稳定。

高晶界能有向低晶界能转化趋势，导致晶界运动。

晶界迁移是原子扩散过程，只有在较高温度下才可能发生；

晶界上空位，位错等缺陷较多，因此原子扩散较快，发生相变时，新相晶核往往现在晶界形成。

第二章纯金属的结晶

第一节、金属结晶现象

1、结晶：

金属由液态变为固态的过程

2、过冷度：

金属的理论结晶温度Tm和实际结晶温度Tn之差，以△T表示，△T=Tm-Tn，过冷度越大，实际结晶温度越低，过冷度与金属本性、纯度以及冷却速度有关。

3、结晶潜热：

1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。

4、结晶规律：

形核与长大的过程

第二节、金属结晶的热力学条件

1、为什么金属结晶需要一定的过冷度？

答：

这是由热力学条件决定的，根据热力学第二定律：

在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能低的状态，液态金属要结晶，固相自由能必须低于液相自由能，两相自由能之差构成了结晶过程所必须的驱动力。

故只有在过冷条件下，才能使Gs<

Gl

★△Gv=-△Hf+T*△Hf/Tm=-△Hf（Tm-T）/Tm=-△Hf*△T/Tm，过冷度越大，液固两相自由能差值越大，相变驱动力越大，结晶速度越快。

第三节金属结晶的结构条件

1、结构条件：

存在结构起伏（相起伏）

结构起伏：

液态金属中，近程有序的原子集团时聚时散，起伏不定的现象。

第四节晶核的形成

1、两种形核方式：

均匀形核和非均匀形核

㈠均匀形核（液体内各区域形核概率相同，比较困难且需要较大的过冷度）

1原子从液态转变为固态降低了系统自由能，是驱动力

2晶胚构成新表面，形成表面能，提高系统自由能，阻碍结晶。

系统自由能：

△G=V△Gv+Sσ

总的自由能是体积自由能和表面能的代数和

当r<

rk时，晶胚不能成为稳定的晶核

当r>

r0时，晶胚能形成稳定的晶核

当rk<

r,r0时，体积自由能下降只能补偿表面能的2/3,剩下由形核功△Gk补偿（能量起伏）

△T↑，rk和△Gk↓,易于形核，形核率↓

③形核率

原子迁移与扩散

⑵非均匀形核（通常情况下的形核方式，需要较小的过冷度）

①过冷度

②固体杂质结构的影响（接触角θ越小，形核功越小，形核率越高

影响形核率因素③固体杂质形貌的影响（凹<

平<

凸）

④过热度（过热度越高，形核率越低）

金属结晶形核要点：

1液态金属结晶必须在过冷液体中进行

2临界形核半径与表面能成正比，与过冷度成反比

3形核既需要结构起伏也需要能量起伏

4晶核的形成是原子迁移扩散的过程，需要在一定温度下进行

5工业生产中液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行

第五节晶核长大

1、条件：

①动力学条件——足够高的温度。

②热力学条件——有一定的过冷度

2、①粗糙界面在较小的过冷度下才垂直生长（连续生长），速度快

光滑界面在较大过冷度下才能以二维晶核与螺型位错方式长大，且速度很慢

②随着过冷度增大，速度先增大，直到极大值后又减少

3.、①固液界面前沿液体中的温度梯度：

正温度梯度和负温度梯度

②晶体生长的界面形状：

光滑界面：

以密排面为表面具有规则的几何外形

正温度梯度下粗糙界面：

平面长大

光滑界面

负温度梯度下

粗糙界面：

树枝状生长

6、晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。

凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。

提高过冷度

7、细化晶粒的措施变质处理

振动结晶

第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷

1、铸锭金属三晶区：

表层的细晶区，中间的柱状晶区和中心部的等轴晶区

2、铸件缺陷：

气孔、缩孔和夹杂物

第三章二元合金的相结构与结晶

第一节合金的相组织

㈠固溶体

1、固溶体：

合金中的组员之间以不同比例相互混合后形成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。

2、分类：

按溶质原子在晶格中所占的位置分类置换固溶体间隙固溶体

按溶质在固溶体溶解度不同分类：

有限固溶体无限固溶体

按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类：

①无序固溶体②有序固溶体

3、固溶体结构特点

1晶格畸变

2偏聚与短程有序（偏聚：

同种原子结合力大于异种原子；

短程有序：

相反）

3有序固溶体

4、固溶体性能：

固溶强化：

在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度和硬度提高，而韧塑性有所下降，这种现象称为固溶强化。

㈡金属化合物

1金属化合物：

合金中组元相互作用，当超过固溶体的固溶度，还可以形成晶体结构和性能均不同于任一组元的金属化合物

2分类：

①正常价化合物②电子化合物3间隙相和间隙化合物

第三节二元合金相图的建立

1、相律：

相律是在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。

当系统压力为常数时，F=C-P+1，利用相律可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。

第四节匀晶相图及固溶体

1、匀晶相图：

两组元液态、固态均无限互溶的二元合金相图

两线三区

固溶体合金结晶过程也是一个形核与长大的过程

形核方式：

均匀形核与非均匀形核

★结晶不仅需要结构起伏和能量起伏、还需要成分起伏

2★与纯金属结晶相比的不同特点：

①异分结晶成分起伏②结晶需要一定的温度范围

2、固溶体结晶过程是与液相以及固相内的原子扩散过程有关

固相成核→温度梯度→相内扩散→界面浓度不平衡→晶核长大→重新建立平衡

3、关于固溶体的不平衡结晶

1枝晶偏析：

在晶粒内部出现化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，由于固溶体晶体通常是树枝状，枝干，枝间化学成分不同，所以又称为枝晶偏析。

2影响因素：

⑴分配系数⑵溶质原子扩散能力（扩散能力越大，偏析越小）⑶冷却速度

3对合金性能影响：

⑴机械性能下降⑵韧塑性下降⑶不易加工⑷抗蚀性下降

4消除方法：

均匀化退火

区域提纯（区域熔炼）：

根据区域偏析原理，用以提纯金属

4、成分过冷：

固溶体在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成浓度梯度，从而产生成分过冷。

▲形成条件：

▲对晶体成长形状的影响：

①不出现成分过冷→平面状生长（正温度梯度下）

②出现成分过冷→胞状、树枝状生长

第六节包晶相图及其合金的结晶

P94-961、包晶转变产生的不平衡组织，可采用长时间的均匀化退火来减少或消除

2、包晶转变特点：

第二相依附在初晶生长和包晶转变具有不完全

3、包晶转变可细化晶粒

第七节、其他类型的二元合金相图

1、共析转变：

一定成分的固相，在一定温度下分解成另外两个一定成分固相的转变过程，称为共析转变。

第四章铁碳合金

1、铁的同素异构转变

δ-Fe,具有体心立方晶格1538

γ-Fe,具有面心立方晶格1394细化晶粒

α-Fe,具有体心立方晶格912

2、①铁素体：

碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，体心结构，用F或者α表示强度硬度低

②奥氏体：

碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心结构，用A或者γ表示韧性塑性高

注：

铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多

2渗碳体（Fe3C）：

铁与碳形成的间隙化合物，高熔点高硬度，塑性差

④珠光体（P）：

铁素体与渗碳体薄片相间的机械混合物，性能介于铁素体和渗碳体之间

片状珠光体经球化退火后形成粒状珠光体（韧塑性比片状珠光体好）

⑤莱氏体（Ld）：

奥氏体与渗碳体组成的共晶体，塑性很差

5马氏体（M）：

钢铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在α铁中的过饱和固溶体。

硬度高，塑性差。

3、★★铁碳相图（Fe-FeC）分析

A15380纯铁熔点

B14950.53包晶转变时液态合金的成分

C11484.30共晶点

D12276.69渗碳体的熔点

E11482.11碳在γ-Fe中最大溶解度

F11486.69渗碳体的成分

G9120α-Feγ-Fe转变温度A3

H14950.09碳在δ-Fe中最大溶解度

J14950.17包晶点

K7276.69渗碳体的成分

M7700纯铁磁性转变点

N13940γ-Fe----δ-Fe的转变温度

O770约0.5Wc=0.5%合金的磁性转变点

P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度

S7270.77共析点A1

Q6000.0057600°

C时在α-Fe中的溶解度

4、五种渗碳体：

①一次渗碳体：

由液相直接析出的渗碳体称为一次渗碳体，呈板条状

②二次渗碳体：

由A中析出的Fe3C称为二次渗碳体，网状分布在奥氏体晶界

③三次渗碳体：

由F中析出的Fe3C称为三次渗碳体，沿晶界呈小片状分布

④共晶渗碳体：

经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。

⑤共析渗碳体：

经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，与铁素体呈交替层片状。

第六章金属及合金的塑性变形与断裂

第一节金属的变形特征

1、金属在外力作用下的变形过程可分为弹性变形，弹塑性变形和断裂三个连续阶段

2、应力应变曲线工程应力-应变曲线（假设试样横截面积不变）

真应力-应变曲线

σe→弹性极限σs→屈服极限σb→抗拉强度（强度极限）

1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极限

3、弹性是金属的一种重要特性。

弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形阶段中还伴随着一定的弹性变形

▲弹性模量E是一个对组织不敏感的性能指标，取决于原子间结合力大小，与金属材料合金化、加工过程和热处理影响不大

4、刚度：

构件产生弹性形变的难易程度

韧性：

材料对断裂的抵抗能力

第二节单晶体的塑性变形

㈠滑移

1、在常温和低温下金属塑性变形主要通过滑移的方式进行，此外还有孪生等。

2、金属中滑移系越多，滑移面上原子密排程度和滑移方向的数目金属塑性越好有关。

面心（12个）>

体心（12个）>

密排六方（3个）

2、临界分切应力

τ=σs*cosΦcosλ

1τ与金属本性有关，不受Φ和λ影响

2软取向：

外力与滑移面，滑移方向夹角均为45°

时，取向因子有最大值0.5，σs最小，

金属容易滑动。

硬取向：

外力与滑移面平行或者垂直，取向因子为0，σs无穷，无法滑移

3、加工硬化（形变强化，冷作硬化）

金属变形时，随着塑性变形的增大，强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象

强化金属的重要途径

利提高材料使用安全性

材料加工成型保障

4、单滑移（加工硬化效果小）→多滑移（加工硬化效果突然上升）→交滑移（加工硬化效果下降）

5、滑移的位错机制

1位错运动与晶体滑移②位错增殖③位错交割与塞积

㈡孪生

1、孪生形成的晶体取向的镜面对称的位向关系，通常把对称的两部分晶体称为孪晶。

2、孪生对塑性变形的贡献不及滑移（hcp金属除外）

第三节多晶体的塑性变形

1、特点：

①晶体变形的不同时性②晶粒间变形的协调性③多晶变形的不均匀性

2、霍尔-配奇公式（Hall-Petch）

σs=σ0+kd^-1/2常温下金属材料的屈服强度与晶粒直径的关系

▲关于此公式的解释

晶粒越细，σs屈强度越高的原因：

多晶中，σs是与滑移丛先塑性变形的晶体转变到相邻晶粒。

主要取决于已滑移晶粒附近位错塞积群所产生的应力集中。

当外加应力和其他一定时，位错数目N是与距离（晶粒—位错源）成正比。

而晶粒越大，距离就越大，应力集中就越大，塑性变形机会就越大。

第四节合金的塑性变形

1、根据合金组织分类：

①单相固溶体合金②多相合金

2、单相固溶体塑性变形强化机制：

1晶格畸变，阻碍位错运动②柯氏气团强化（对位错起钉扎作用）

3、多相合金的塑性变形

结构：

基体+第二相

⑴两性能相近：

按强度分数相加计算

⑵两相性能差别很大（软基体+硬第二相）

①硬而脆的第二相网状分布在晶界（二次渗碳体）

②脆性相呈层片状分布在基体上（珠光体）

③脆性第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）

两种强化机制：

①位错绕过第二相粒子（弥散强化）

②位错切过第二相粒子（沉淀强化）

第五节塑性变形对金属组织和性能的影响

1、显微组织的变化（出现纤维组织）

2、亚结构的细化（变形亚晶的出现→加工硬化的主要原因）

3、形变织构（丝织构和板织构）

残余应力分类

1宏观内应力（第一类内应力）

2微观内应力（第二类内应力）

3点阵畸变（第三类内应力）

第六节金属的断裂

1、断裂时金属材料在外力作用下丧失连续性的过程，它包括裂纹的萌生和扩散两个过程。

2、塑性断裂与脆性断裂

在韧塑性较好的金属中→穿晶断裂

通常发生在高强度或韧塑性差的金属或合金中→沿晶断裂

3、影响断裂的基本因素：

1裂纹和应力状态的影响②温度的影响

第七章金属及合金的回复与再结晶

第一节形变金属与合金在退火过程中的变化

1、退火：

形变金属的组织和性能在加热时逐渐发生变化，向稳定态转变，此过程称为退火。

2、典型的退火过程，随保温时间的延长或温度的升高，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段

3、回复与再结晶的驱动力：

储存能的降低

4、弹性应变能（3-12%）

储存能位错（80-90%）再结晶大量释放储存能，

点缺陷回复仅释放一小部分储存能

第二节回复

1、在回复过程中，显微组织无可见变化，物理力学性能部分恢复，强度硬度略有下降，韧塑性略有提高

2、回复机制：

1低温回复（0.1-0.3Tm）：

空位运动，点缺陷密度下降

⑵中温回复（0.3-0.5Tm）：

位错滑移，位错密度下降

⑶高温回复（>

0.5Tm）：

位错的攀移运动

3、在回复阶段，大部分甚至全部第一类内应力可以消除（通过去应力退火），第二类或第三类内应力只能消除一部分，经再结晶之后，因塑性变形造成的内应力可以完全消除

4、去应力退火作用（回复退火或者时效处理）：

使冷加工的金属在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），减轻工件翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其韧塑性，提高使用安全性。

同时强度硬度下降不多。

第三节再结晶

1、再结晶的驱动力：

畸变能差。

产生了无畸变的等轴晶粒，强度硬度明显下降，塑性明显提高。

2、再结晶与同素异构转变的异同点：

同：

都是重新形核与长大的过程

异：

再结晶前后晶体结构与母相相同，不是相变；

而同素异构转变中晶体结构发生了变化，产生了相变。

3、两种形核机制：

亚晶长大形核机制和晶界突出形核机制

4、再结晶温度：

经过严重冷变形的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶的温度。

影响因素：

①变形度↑，T↓②金属纯度↑，T↓③形变金属的晶粒越细小，T↓④加热速度太快或太慢，会使T↓

5、再结晶退火温度通常比其最低再结晶温度高出100-200℃

6、★★关于变形度与晶粒尺寸大小的关系（临界变形度）

再结晶晶粒平均直径d=K（G/N）^1/4

影响因素变形度再结晶退火温度原始晶粒尺寸大小合金元素及杂质

当变形度很小时，晶粒仍保持原状。

当变~达到某数值时，再结晶的晶粒变得特别粗大，当变~超过临界变形度后，则变形度晶粒越细小。

当变形度达到一定程度后，结晶大小基本保持不变。

而对于某些金属和合金，变形度相当大时，再结晶晶粒又会重新出现粗化现象。

第四节晶粒长大

1、晶粒长大驱动力：

界面能差。

晶界移动，晶粒粗化达到相对稳定的尺寸。

硬度强度继续下降，塑性继续提高，严重粗化时下降。

2、晶粒长大分为两种：

正常长大（晶粒连续均匀长大）和反常长大（二次再结晶）

①温度②杂志及合金元素③第二相质点④相邻晶粒位相差

3、反常长大（二次再结晶）：

一次再结晶完成后，在继续保温或提高加热温度时，绝大多数晶粒长大很慢，少数晶粒长大异常迅速

结构材料：

避免二次再结晶功能材料：

利用二次再结晶

4、再结晶退火是将冷变形金属加热到规定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺，使形变强化效应完全清除的过程。

再结晶作用：

①回复变形能力②改善纤维组织③消除各向异性④提高组织稳定性

注：

对没有同素异构转变的金属来说，采用冷塑性变形和再结晶退火的方法可以获得细小晶粒。

第五节金属热加工

金属热加工与冷加工→以再结晶温度为界

第八章扩散

第一节概述

1、柯肯达尔效应本质是大量原子无序跃迁的统计结果（不是原子的定向跃迁）

2、扩散机制：

①空位扩散机制：

金属和置换固溶体中原子扩散

方式：

原子迁移到与之相邻的空位

原子近旁存在空位

②间隙扩散机制：

间隙固溶体中间隙原子的扩散机制

间隙-间隙

平衡位置-间隙-间隙：

较困难

间隙-篡位-结点位置

由于间隙扩散比空位扩散的激活能低，所以间隙扩散与空位扩散容易进行。

3、扩散条件

1扩散要有驱动力②扩散原子要固溶③温度足够高④时间足够长

4、扩散分类

⑴按扩散过程是否发生浓度变化分类

①自扩散（无浓度变化）②互扩散（有浓度变化）

⑵根据扩散方向是否与浓度梯度方向相同进行分类

1下坡扩散（沿着浓度降低方向扩散）②上坡扩散

⑶根据扩散过程中是否出现新相进行分类

1原子扩散（无新相）②反应扩散（有新相）

第二节扩散定律

1、菲克第一定律：

在扩散过程中，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量J与浓度梯度dC/dx成正比。

▲J=-D（dC/dx）（D为扩散系数，ddC/dx为体积浓度梯度，符号表示物质的扩散方向与浓度梯度方向相反）。

▲适用于稳态扩散，浓度及浓度梯度不随时间改变

2、菲克第二定律：

在扩散过程中，各处的浓度不仅随距离变化，而且还随时间发生变化。

适用于非稳态扩散

3、扩散应用举例：

①铸锭的均匀化退火②钎焊③镀锌④化学热处理（齿轮表面渗碳）⑤粉末冶金的烧结

第三节影响扩散的因素

温度、晶体结构、化学成分、晶体缺陷和其他（弹性应力场合其他任何对粒子运动的力都可能影响扩散）

因素的影响程度：

温度>

成分>

结构>

其他