金屬學(xué)及熱處理基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章 金屬學(xué)及熱處理基礎(chǔ)知識(shí)一、金屬的基本結(jié)構(gòu)金屬材料的化學(xué)成分不同， 其性能也不同。 但是對(duì)于同一種成分的金屬材料， 通過(guò)不同 的加工處理工藝，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)， 也可以使其性能發(fā)生極大的變化，可見(jiàn)， 金屬 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。 金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶 體，因此首先要了解其晶體結(jié)構(gòu)。1、金屬的原子結(jié)構(gòu)及原子的結(jié)合方式（1）金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最外層的電子數(shù)很少，一般為12個(gè)，最多不超過(guò)4個(gè)，這些外層電子與原子核的結(jié)合力很弱， 很容易脫離原子核的束縛而變成自由電子， 此時(shí)的原子即變?yōu)檎x 子，而對(duì)于過(guò)渡族金屬元素來(lái)說(shuō)，除具有以上金屬原子的特點(diǎn)外，還有

2、一個(gè)特點(diǎn)， 即在次外層尚未填滿電子的情況下， 最外層就先填充了電子。 因此， 過(guò)渡族金屬的原子 不僅容易丟失最外層電子，而且還容易丟失次外層的 12 個(gè)電子，這就出現(xiàn)了過(guò)渡 族金屬化合價(jià)可變的現(xiàn)象。 當(dāng)過(guò)渡族金屬的原子彼此相互結(jié)合時(shí)，不僅最外層電子參與結(jié)合，而且次外層電子也參與結(jié)合。因此， 過(guò)渡族金屬的原子間結(jié)合力特別強(qiáng)， 宏 觀表現(xiàn)為熔點(diǎn)高。強(qiáng)度高。由此可見(jiàn)，原子外層參與結(jié)合的電子數(shù)目，不僅決定著原子間結(jié)合鍵的本質(zhì)，而且對(duì)其化學(xué)性能和強(qiáng)度等特性也具有重要影響。（ 2）金屬鍵處以集聚狀態(tài)的金屬原子， 全部或大部將它們的價(jià)電子貢獻(xiàn)出來(lái)， 為其整個(gè)原子 集體所公有， 稱之為電子云或電子氣。 這些價(jià)

3、電子或自由電子， 已不再只圍繞自己的 原子核轉(zhuǎn)動(dòng)， 而是與所有的價(jià)電子一起在所有原子核周?chē)戳孔恿W(xué)規(guī)律運(yùn)動(dòng)著。貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子， 則變?yōu)檎x子， 沉浸在電子云中， 它們依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化 的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來(lái)， 這種結(jié)合方式叫做金屬鍵， 它沒(méi)有飽和性和方向 性。（3）結(jié)合力與結(jié)合能固態(tài)金屬中兩原子之間的相互作用力包括： 正離子與周?chē)杂呻娮娱g的吸引力， 正離子與正離子以及電子與電子間的排斥力。結(jié)合能是吸引能與排斥能的代數(shù)和， 當(dāng)形成原子集團(tuán)比分散孤立的原子更穩(wěn)定，即勢(shì)能更低時(shí)， 在吸引力的作用下把遠(yuǎn)處的原子移近所做的功是使原子的勢(shì)能降低，所以吸引能是負(fù)值，相反，排斥能作用下把

4、遠(yuǎn)處的原子移近平衡距離do時(shí)，其結(jié)合能最低，原子最穩(wěn)定。任何對(duì)do的偏離，都會(huì)使原子的勢(shì)能增加，從而使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，原子就力圖回到低能狀態(tài)，即恢復(fù)到平衡距離的傾向，這里的Eab成為原子間的結(jié)合能或鍵能。2、金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）晶體的特性a、晶體具有一定的熔點(diǎn)。b、晶體具有各向異性，在不同的方向上測(cè)量其性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、彈性和強(qiáng)度等）時(shí)，表現(xiàn)出或大或小的差異。（2）晶格和晶胞晶格：將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）忽略，而將它們抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)，這些陣點(diǎn)可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各個(gè)陣點(diǎn)的周?chē)h(huán)境都相同，用平行

5、的直線將這些陣點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)三維的空間格架，這種用于描述晶體中原子（離子或分子）排列規(guī)律的空間格架成為空間點(diǎn) 陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣或晶格。晶胞：用來(lái)分析晶體中原子排列的規(guī)律性而在晶格中選取的能夠完全反映晶格 特征的最小的幾何單元成為晶胞。（3）3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)a、基本概念原子數(shù)：一個(gè)晶胞中含有的原子數(shù)目。配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一個(gè)原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目。致密度：原子所占體積與晶胞體積之比，用于表示原子排列的緊密程度。b、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)（圖 1 1） 體心立方晶格原子半徑r=原子數(shù)N = 2;配位數(shù)為8;致密度K = 0.68 面心立方晶格原子半徑r=原子數(shù)N = 4;配位數(shù)為

6、12;致密度K = 0.74 密排六方晶格a原子半徑r=;原子數(shù)N = 6 ;配位數(shù)為12;致密度K = 0.742(a)體心立方(b)面心立方(c)密排六方1- 1典型的晶體結(jié)構(gòu)(4) 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)在晶體中，由一系列原子所組成的平面成為晶面，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向成為晶向。a、晶向指數(shù)的確定步驟 以晶胞的三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸 X、Y、Z,以棱邊長(zhǎng)度(即晶格常數(shù))作為 坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位； 從坐標(biāo)軸原點(diǎn)引一有向直線平行于待定晶向； 在所引有向直線上任取一點(diǎn)，求出該點(diǎn)在X、Y、Z軸上的坐標(biāo)值； 將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)，即得所求得晶向指數(shù)，記為uvw。b、晶面指數(shù)的確定步驟 以

7、晶胞的三條相互垂直的棱邊為參考坐標(biāo)軸X、Y、Z,坐標(biāo)原點(diǎn)0應(yīng)位于待定晶面之外，以免出現(xiàn)零截距； 以棱邊長(zhǎng)度(即晶格常數(shù))為度量單位，求出待定晶面在各軸上的截距； 取各截距的倒數(shù)，并化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)，即為所求的晶面指數(shù)，記為(hkl)。注：在立方結(jié)構(gòu)的晶體中(1) 當(dāng)一晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)時(shí)，必須滿足此關(guān)系：hu+kv+lw=O;(2) 當(dāng)某一晶向與某一晶面指數(shù)垂直時(shí)，其晶向指數(shù)和晶面指數(shù)須完全相等。3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完 整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可以將它們分為以下三類(lèi)：（ 1

8、） 點(diǎn)缺陷：其特征是三個(gè)方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子的尺寸，如 空位、間隙原子等。（ 2） 線缺陷：其特征是在兩個(gè)方向上的尺寸很小，另一個(gè)方向上的尺寸很 大，如位錯(cuò)。（ 3） 面缺陷：其特征是在一個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸 相對(duì)很大，如晶界、亞晶界等。二、金屬的結(jié)晶基本過(guò)程金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程成為凝固。 由于凝固后的固態(tài)金屬通常是晶體， 所以又將 這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱之為結(jié)晶。 金屬結(jié)晶后所形成的組織， 包括各種相的晶粒形狀、 大小和分布 等，將極大地影響到金屬的加工性能和使用性能， 對(duì)于鑄件來(lái)說(shuō)， 結(jié)晶過(guò)程就基本上決定了 它的使用性能和使用壽命， 因此， 研究和控制金屬的結(jié)晶

9、過(guò)程， 已成為提高金屬機(jī)械性能和 工藝性能的一個(gè)重要手段。1金屬結(jié)晶的條件（1） 過(guò)冷度：金屬在結(jié)晶之前，溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫 度Tm （熔點(diǎn)）時(shí)，并未開(kāi)始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm之下的某一溫度Tn,液體金屬才開(kāi)始結(jié)晶，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度 Tm之差，稱之為過(guò)冷度，以 T表示， T = Tm Tn。結(jié)論：金屬結(jié)晶必須要有一定的過(guò)冷度, 一般來(lái)說(shuō), 過(guò)冷度隨金屬的本性和純度 的不同, 以及冷卻速度的差異可以在很大的范圍內(nèi)變化。 金屬不同, 過(guò)冷度的 大小不同； 金屬的純度越高,則過(guò)冷度越大。 當(dāng)以上兩因素確定后,過(guò)冷度的 大小主要取決于冷卻速度, 冷卻速度

10、越大, 則過(guò)冷度越大, 即實(shí)際結(jié)晶溫度越 低,故對(duì)于一定的金屬來(lái)說(shuō),過(guò)冷度有一最小值, 若過(guò)冷度小于這個(gè)值,結(jié)晶 過(guò)程不能進(jìn)行。（2） 結(jié)晶潛熱：一摩爾物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí),伴隨著放出或吸收的 熱量稱為相變潛熱。結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r(shí)要放出熱量,稱為結(jié)晶潛 熱。一般地,用冷卻曲線表示結(jié)晶的過(guò)程（圖12）,冷卻曲線上的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),對(duì)應(yīng)著結(jié)晶過(guò)程的開(kāi)始,第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)則對(duì)應(yīng)著結(jié)晶過(guò)程的結(jié)束。結(jié)論：結(jié)晶潛熱的釋放和散失是影響結(jié)晶過(guò)程的一個(gè)重要因素，如果釋放 的結(jié)晶潛熱大于向周?chē)h(huán)境中散失的熱量，溫度將會(huì)回升，甚至已經(jīng)發(fā)生結(jié)晶 的區(qū)域會(huì)發(fā)生重熔現(xiàn)象。（3）金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程結(jié)晶過(guò)程是形核和長(zhǎng)

11、大的過(guò)程。結(jié)晶時(shí)，首先在液體中形成具有某一臨界尺寸的晶核，然后，這些晶核再不斷凝聚液體中的原子繼續(xù)長(zhǎng)大。結(jié)晶過(guò)程需要一個(gè)孕育期，當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷至理論結(jié)晶溫度以下的實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)，晶核并未立即出生，而是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才開(kāi)始出現(xiàn)第一批晶核，結(jié)晶開(kāi)始的這段停留時(shí)間稱為孕育 期。（4）金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相將自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，即金屬發(fā)生結(jié)晶，從而使系統(tǒng)的自由能降低， 處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)。 液相金屬和固相金屬 的自由能之差就是促進(jìn)金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，即G = Gs Glv 0。結(jié)論：過(guò)冷度越大，液固兩相的自由能的差值越大，即相變驅(qū)動(dòng)力越大，結(jié) 晶速度越快。（5）金屬

12、結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 近程有序：在液體中的微小范圍內(nèi)存在著緊密接觸規(guī)律排列的原子集 團(tuán)，稱為近程有序。 遠(yuǎn)程有序：在在液體中的大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布的，而在晶體中大范圍內(nèi)的原子卻是呈有序排列的，稱之為遠(yuǎn)程有序。 相起伏：液態(tài)金屬中近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)并不是固定不動(dòng)、一成不變的，而是處于不斷地變化之中，由于液態(tài)金屬原子的熱運(yùn)動(dòng)很激烈，而且原子間距較大， 結(jié)合較弱，所以液態(tài)金屬原子在其平衡位置 停留的時(shí)間很短，很容易改變自己的位置， 這就使近程有序的原子集 團(tuán)只能維持短暫的時(shí)間即被破壞而消失，以此同時(shí)，在其它地方又會(huì) 出現(xiàn)新的近程有序的原子集團(tuán)，液態(tài)金屬中的這種不斷變化著的近程 有序原子集團(tuán)稱為結(jié)構(gòu)起

13、伏或稱為相起伏。 晶胚：根據(jù)結(jié)晶熱力學(xué)條件可以判斷，只有在過(guò)冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏才有可能在結(jié)晶時(shí)轉(zhuǎn)變成為晶核，這些相起伏就是晶核的胚芽，稱為晶胚。結(jié)論：液態(tài)金屬的一個(gè)重要特點(diǎn)是存在著相起伏，只有在過(guò)冷液體中的相起伏才能成為晶胚。但是，并不是所有的晶胚都可以轉(zhuǎn)變成為晶核。2晶核的形成在過(guò)冷液體中形成固態(tài)晶核時(shí)，可能有兩種形核方式： 一種是均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核；另一種是非均勻形核，又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。（6）均勻形核 晶核：在過(guò)冷液體中并不是所有的晶胚都可以轉(zhuǎn)變成為晶核，只有那些尺寸等于或大于某一臨界尺寸的晶胚才能穩(wěn)定的存在，并能自發(fā)地長(zhǎng)大。這種等于或大于臨界尺寸地晶胚即

14、為晶核。 均勻形核：在液相中各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的，這種形核方式即為均勻形核。 結(jié)晶過(guò)程中系統(tǒng)自由能的變化為432G = 一 V GVS r GV 4 r3其中，Gv為液固兩相單位體積自由能差，為單位面積的表面能。 臨界晶核半徑：當(dāng)r = rK時(shí)，晶胚既可能消失，也可能長(zhǎng)大成為穩(wěn)定 的晶核，因此把半徑為 rK的晶胚稱為臨界晶核，rK稱為臨界晶核半 徑，如圖1一 3所示。22 TmrKGv Lm T其中，Tm為理論結(jié)晶溫度，Lm為熔化潛熱。圖1-3臨界晶核半徑形核功a、定義：形成臨界晶核時(shí)，體積自由能的下降只補(bǔ)償了表面能的2/3,還有1/3的表面能沒(méi)有得到補(bǔ)償，需要另外供給，即需要

15、對(duì)形核作功，稱之為形核功，記為Gk，其表達(dá)式如下:Gk-43Sk16 3Tm i3LmT7其中，Sk為臨界晶核的表面積。b、形核功的能量來(lái)源：在液態(tài)金屬中存在著結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏。形核率a、定義：形核率是指在單位時(shí)間單位體積液相中形成的晶核數(shù)目, 以N表示，單位為cm-3$-1。b、影響形核率的兩個(gè)因素：一是隨著過(guò)冷度的增加，晶核的臨界半 徑和形核功都隨之減小，結(jié)果使晶核易于形成，形核率增加；二 是取決于原子的擴(kuò)散能力，溫度越高（過(guò)冷度越?。?，則原子的擴(kuò)散能力越大，形核率越高。二者綜合作用的結(jié)果是在形核率的 曲線上出現(xiàn)了極大值，開(kāi)始時(shí)形核率隨過(guò)冷度的增加而增大，當(dāng)超過(guò)極大值之后，形核率又隨過(guò)冷

16、度的增加而減小，當(dāng)過(guò)冷度非常大時(shí)，形核率接近于零，如圖1 -4所示。圖1-4形核率與溫度及過(guò)冷度的關(guān)系7) 非均勻形核 定義： 在液態(tài)金屬中總是存在一些微小的固相雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，并且液態(tài)金屬在凝固時(shí)還要和型壁相接觸， 于是晶核就可以優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成 的固體表面上形成，這種形核方式就是非均勻形核，或稱異質(zhì)形核、 非自發(fā)形核。 影響非均勻形核的形核率的因素a、 過(guò)冷度的影響由于非均勻形核所需的形核功很小， 因此， 在很小的過(guò)冷條件下 其形核率就很大。 另外，由于非均勻形核取決于適當(dāng)?shù)膴A雜物質(zhì)點(diǎn)的 存在，因此，其形核率可能越過(guò)最大值，并在高的過(guò)冷度處中斷。 b、 固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響非均勻形核的形核功與接

17、觸角B有關(guān)，B角越小，形核功越小， 形核率越高。c、固體雜質(zhì)形貌的影響固體雜質(zhì)表面的形狀各種各樣， 其基面具有不同的形核率， 在曲 率半徑、接觸角相同的情況下，晶核體積隨界面曲率的不同而改變。 凹曲面的形核效能最高， 因?yàn)檩^小體積的晶胚便可以達(dá)到臨界晶核半 徑，平面居中， 凸曲面的效能最低。 因此， 對(duì)于相同的固體雜質(zhì)顆粒， 若其表面曲率不同， 它的催化作用也不同， 在凹曲面上形核所需過(guò)冷 度比在平面、凸面上的形核所需的過(guò)冷度都要小。d、過(guò)熱度的影響過(guò)熱度是指金屬熔點(diǎn)與液態(tài)金屬溫度之差。 當(dāng)過(guò)熱度較大時(shí)， 有 些質(zhì)點(diǎn)的表面狀態(tài)改變了， 凹曲面變?yōu)槠矫妫?使非均勻形核的核心數(shù) 目減少； 當(dāng)過(guò)熱度

18、很大時(shí)， 將使固態(tài)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)全部熔化， 這就使非均 勻形核轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛐魏?，形核率大大降低。e、其它影響因素一些物理因素對(duì)形核率也有影響，如振動(dòng)、 攪拌等， 一方面可使正在長(zhǎng)大的晶體碎裂成幾個(gè)結(jié)晶核心， 另一方面又可使受振動(dòng)的液體 金屬中的晶核提前形成。8) 金屬的結(jié)晶形核有以下要點(diǎn)： 液態(tài)金屬的結(jié)晶必須在過(guò)冷的液體中進(jìn)行，液態(tài)金屬的過(guò)冷度必須大于臨界過(guò)冷度，晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑k。前者提供形核的驅(qū)動(dòng)力，后者是形核的熱力學(xué)條件所要求的。rKrK 值大小與晶核的表面能成正比，與過(guò)冷度成反比。過(guò)冷度越大，則 值越小，形核率越大，但是，形核率有一極大值。如果表面能越大，形 核所需的過(guò)冷度也應(yīng)越大

19、。凡是能降低表面能的辦法都能促進(jìn)形核。 均勻形核既需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏，二者皆是液體本身存在的 自然現(xiàn)象。 晶核的形成過(guò)程是原子的擴(kuò)散遷移過(guò)程，因此，結(jié)晶必須在一定的溫度 下進(jìn)行。 在工業(yè)生產(chǎn)上，液體金屬的凝固總是以非均勻形核方式進(jìn)行。3 晶核長(zhǎng)大（1）晶體長(zhǎng)大的條件晶體的長(zhǎng)大從宏觀上來(lái)看， 是晶體的界面向液相中的逐步推移過(guò)程； 從微觀上看， 則是依靠原子逐個(gè)由液相中擴(kuò)散到晶體表面上， 并按晶體點(diǎn)陣規(guī)律要求， 逐個(gè)占據(jù) 適當(dāng)?shù)奈恢枚c晶體穩(wěn)定牢靠地結(jié)合起來(lái)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，晶體長(zhǎng)大的條件是： 第一要求液相能繼續(xù)不斷地向晶體擴(kuò)散供應(yīng)原子，這就要求液相有足夠高的溫度， 以使液態(tài)金屬原子具有

20、足夠的擴(kuò)散能力； 第二要求晶體表面能夠不斷而牢靠地接納 這些原子， 但是晶體表面上任意地點(diǎn)接納這些原子地難易程度不同，晶體表面接納這些原子的位置多少與晶體的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)， 并應(yīng)符合結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件， 這 就意味著晶體長(zhǎng)大時(shí)的體積自由能的降低應(yīng)大于晶體表面能的增加，因此， 晶體的長(zhǎng)大必須在過(guò)冷的液體中進(jìn)行，只不過(guò)它所需的過(guò)冷度遠(yuǎn)比形核時(shí)小得多而已。（2）決定晶體長(zhǎng)大方式和長(zhǎng)大速度的主要因素 決定晶體長(zhǎng)大方式和長(zhǎng)大速度的主要因素是晶核的界面結(jié)構(gòu)和界面附近的溫 度分布狀況， 潛熱的釋放及逸散條件。 這兩者的結(jié)合， 就決定了晶體長(zhǎng)大后的形態(tài)。（3）晶體的長(zhǎng)大機(jī)制 二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制當(dāng)固液界面為光滑界

21、面時(shí)， 若液相原子單個(gè)的擴(kuò)散遷移到界面上是很難形 成穩(wěn)定狀態(tài)的， 這是由于它所帶來(lái)的表面能的增加， 遠(yuǎn)大于其體積自由能的降 低。這種情況下， 晶體的長(zhǎng)大只能依靠所謂的二維晶核方式， 即依靠液相中的 結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，使一定大小的原子集團(tuán)差不多同時(shí)降落到光滑界面上， 形成具有一個(gè)原子厚度并且有一定寬度的平面原子集團(tuán)。根據(jù)熱力學(xué)的分析， 這個(gè)原子集團(tuán)帶來(lái)的體積自由能的降低必須大于其表面能的增加， 它才能在光 滑界面上形成穩(wěn)定狀態(tài)。 二維晶核形成后， 它的四周就出現(xiàn)了臺(tái)階， 后遷移來(lái) 的液相原子一個(gè)個(gè)填充到這些臺(tái)階處， 這樣所增加的表面能較小。 直到整個(gè)鋪 滿一層原子后， 便又變成了光滑界面， 而

22、后又需要新的二維晶核的形成， 否則成長(zhǎng)即告中斷。晶體以這種方式長(zhǎng)大時(shí)，其長(zhǎng)大速度十分緩慢。 螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制螺型位錯(cuò)在晶體表面露頭處，即在晶體表面形成臺(tái)階， 這樣，液相原子一個(gè)個(gè)地堆砌到這些臺(tái)階處，新增加的表面能很小， 完全可以被體積自由能的降低所補(bǔ)償。每鋪一排原子，臺(tái)階即向前移動(dòng)一個(gè)原子間距，所以， 臺(tái)階各處沿 著晶體表面向前移動(dòng)的線速度相等。 垂直長(zhǎng)大機(jī)制在粗糙界面上，從液相中擴(kuò)散來(lái)的原子很容易填入這些位置，與晶體連接起來(lái)，由于這些位置接待原子的能力是等效的，在粗糙界面上的所有位置都是生長(zhǎng)位置，所以液相原子可以連續(xù)、垂直地向界面添加， 界面的性質(zhì)永遠(yuǎn)不會(huì)改變，從而使界面迅速地向液相推移。這

23、種長(zhǎng)大方式稱為垂直長(zhǎng)大，它的長(zhǎng)大速度很快，大部分金屬晶體以這種方式長(zhǎng)大。a）晶體長(zhǎng)大的要點(diǎn)如下i. 具有粗糙界面的金屬， 其長(zhǎng)大機(jī)理為垂直長(zhǎng)大，長(zhǎng)大速度大，所需過(guò)冷度小。ii. 具有光滑界面的金屬化合物、亞金屬或非金屬等，其長(zhǎng)大機(jī)理可 能有兩種方式，其一為二維晶核長(zhǎng)大方式， 其二為螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大 方式，它們的長(zhǎng)大速度都很慢，所需的過(guò)冷度較小。iii. 晶體成長(zhǎng)的界面形態(tài)與界面前沿的溫度梯度和界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在正的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈鋸齒狀；粗糙界面的形態(tài)為平行于Tm等溫面的平直界面，呈平面長(zhǎng)大方式。在負(fù)的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，一般金屬和亞金屬的界面都呈樹(shù)枝狀，

24、只有那些a值較高的物質(zhì)仍然保持著 光滑界面形態(tài)。 金屬結(jié)晶過(guò)程中的生長(zhǎng)形態(tài)a）正溫度梯度:dT 0dx生長(zhǎng)過(guò)程的特點(diǎn):相變潛熱只能通過(guò)固相單向散失，界面向液體內(nèi)推進(jìn)的速度受固體散熱控制。 0，在S/L界面處的任何凸起都不會(huì)很快長(zhǎng)大 dx故結(jié)晶過(guò)程的生長(zhǎng)形態(tài)為:光滑界面：保持臺(tái)階狀長(zhǎng)大（或小平面長(zhǎng)大），其生長(zhǎng)的形態(tài)呈臺(tái)階狀。粗糙界面：為垂直長(zhǎng)大，其 S/L界面的生長(zhǎng)形態(tài)呈平面狀。b)負(fù)溫度梯度:dT vodx生長(zhǎng)過(guò)程的特點(diǎn):i.ii.相變潛熱可通過(guò)固相和液相兩個(gè)方向散失，其S/L界面移動(dòng)的速度不受散熱所控制。-JT r 八所以當(dāng)碳原子溶入八面體間隙中時(shí)，使晶格發(fā)生畸變，從而使得其 最大溶碳量為

25、2.11，而不是理論的 20。 奧氏體的性能a、 奧氏體的物理性能：順磁性、比容小（致密度大）、線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性 差。b、奧氏體的機(jī)械性能：強(qiáng)度低、硬度低、塑性好、易成型。（3）奧氏體的形成過(guò)程奧氏體的形成分四個(gè)過(guò)程： 奧氏體的形核將鋼加熱到 Ac1 以上某一溫度保溫時(shí)，珠光體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通常首先在鐵素體和滲碳體相界面上形成奧氏體晶核， 這是由于鐵素體和滲碳 體相界面上碳濃度分布不均勻， 原子排列不規(guī)則， 易于產(chǎn)生濃度和結(jié)構(gòu)起 伏區(qū)，為奧氏體的形核創(chuàng)造了有利條件。 珠光體群邊界也可成為奧氏體的 形核部位。 在快速加熱時(shí)， 由于過(guò)熱度大， 也可在鐵素體亞晶邊界上成核。 奧氏體的長(zhǎng)大奧氏體

26、晶核形成以后即開(kāi)始長(zhǎng)大。 奧氏體晶粒長(zhǎng)大是通過(guò)滲碳體的溶 解、碳在奧氏體和鐵素體中的擴(kuò)散和鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變而進(jìn)行的。 剩余 Fe3C 的溶解鐵素體消失后， 在 t1 溫度下繼續(xù)保溫或繼續(xù)加熱時(shí)， 隨著碳在奧氏體 繼續(xù)擴(kuò)散，剩余滲碳體不斷向奧氏體中溶解。 奧氏體的均勻化當(dāng)滲碳體剛剛?cè)咳苋電W氏體后， 奧氏體內(nèi)碳濃度仍是不均勻的， 原 來(lái)是滲碳體的地方碳濃度較高， 而原來(lái)是鐵素體的地方碳濃度較低， 只有 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的保溫或繼續(xù)加熱， 讓碳原子進(jìn)行充分地?cái)U(kuò)散才能獲得成分均 勻的奧氏體。4） 影響奧氏體形成速度的因素 加熱溫度和保溫時(shí)間隨著奧氏體加熱溫度 T 的提高， A 的形成速度加快， 這是

27、因?yàn)殡S著 T 的升高， 奧氏體的形核率大大增加， 同時(shí)奧氏體晶核的長(zhǎng)大速度加快。 在 較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間加熱和較高溫度下短時(shí)間加熱可以獲得相同的奧氏體 狀態(tài)。 鋼的原始含碳量對(duì)于亞共析鋼，隨 C%的增加，奧氏體的形成速度增大。原因：a、C%f，滲碳體和鐵素體的相界面越多，形核率 N f;b、 C%f，碳在奧氏體中的 DA f,原子擴(kuò)散系數(shù)f;c、C%f，界面越多，碳原子擴(kuò)散距離J,擴(kuò)散越快。 原始組織a、原始組織越細(xì)小，界面f,形核率 N f,奧氏體的形成速度加快；b、原始組織越細(xì)小，碳原子擴(kuò)散的距離J,奧氏體的形成速度加快；c、 原始組織越細(xì)?。ɑ蚱瑢娱g距越小），奧氏體內(nèi)碳原子的濃度梯度f(wàn),

28、碳原子擴(kuò)散速度增加,奧氏體的形成速度加快。 加熱速度 v加熱速度v f,奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度 T f,奧氏體的形核率 N和長(zhǎng)大速 度 v 均增加,從而奧氏體的形成速度 vf。 合金元素 Mea、 Me 影響臨界點(diǎn)降低臨界點(diǎn)的 Me,將提高過(guò)熱度 T,從而使 G f,從而加速了奧 氏體的形成速度。相反則降低其形成速度。b、Me 影響碳原子的擴(kuò)散加速碳原子擴(kuò)散的 Me,使DC f,從而加快了奧氏體的形成速度v,相反阻止碳原子擴(kuò)散的 Me 將降低奧氏體的形成速度 v。c、強(qiáng)碳化物形成元素,其碳化物很穩(wěn)定,加熱不易溶解,相當(dāng)于延長(zhǎng)了 奧氏體形成過(guò)程。d、在Me的均勻化過(guò)程中，若 Me的直徑f,其擴(kuò)散速度

29、v J,也將延 長(zhǎng)奧氏體的形成過(guò)程。5） 奧氏體晶粒的大小及影響因素 三種晶粒度a、起始晶粒度：指奧氏體形成剛剛完成,或者奧氏體的晶界剛剛?cè)?部相互接觸的瞬間的晶粒大小。b、實(shí)際晶粒度： 鋼經(jīng)過(guò)實(shí)際熱處理加熱條件下所獲得的奧氏體晶粒 的大小。c、本質(zhì)晶粒度：指在一定加熱條件下加熱時(shí),奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾 向。 影響奧氏體 A 晶粒的因素a、加熱溫度 T 和保溫時(shí)間 t 的影響T f,奧氏體的長(zhǎng)大速度 v呈指數(shù)f, A晶粒越粗大；tf, A 晶粒越粗大。b、加熱速度 v 的快慢加熱速度vf,奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度 T f,奧氏體的形核率 N f, 同時(shí)奧氏體的長(zhǎng)大速度 vf,故快速加熱，短時(shí)保溫可以獲得

30、細(xì)小的 A 晶粒。c、含碳量C %的影響在一定溫度下，隨著 C%f, A晶粒（粗大）f;當(dāng) C %超過(guò)一 定值時(shí)，隨著隨著 C%f, A晶粒（細(xì)小）J。d、合金元素 Me 的影響強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈阻止 A 晶粒長(zhǎng)大；中碳化物形成元素中 等阻止 A 晶粒長(zhǎng)大；不形成碳化物元素不影響 A 晶粒長(zhǎng)大。e、原始組織的影響原始組織越細(xì)小,碳化物的分散度越高,界面越多,形核率Nf、起始晶粒度越小。2 過(guò)冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變1）珠光體 P 轉(zhuǎn)變共析鋼過(guò)冷奧氏體在 C曲線鼻溫至Al線之間較高溫度范圍內(nèi)等溫停留 時(shí)，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變， 形成含碳量和晶體結(jié)構(gòu)相差懸殊并和母相奧氏體截然 不同的兩個(gè)固態(tài)新相： 鐵素體

31、和滲碳體。 鐵素體與滲碳體片層相間的機(jī)械混合 物即為珠光體。 因此，奧氏體到珠光體的轉(zhuǎn)變必然發(fā)生碳的重新分布和鐵晶格 的改組。由于相變?cè)谳^高溫度下發(fā)生，鐵、碳原子都能進(jìn)行擴(kuò)散， 所以珠光體 轉(zhuǎn)變是典型的擴(kuò)散型相變。 P形成的熱力學(xué)條件：必須有一定的過(guò)冷度，保證G v 0。 P 等溫轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：f、奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變需要一定的孕育期；g、隨著轉(zhuǎn)變溫度T 孕育期超過(guò)一定溫度后，隨轉(zhuǎn)變 T 孕育期f。h、隨著轉(zhuǎn)變時(shí)間tf,轉(zhuǎn)變速度vf,整個(gè)P統(tǒng)計(jì)增量，當(dāng)P達(dá)到 50時(shí)，其轉(zhuǎn)變速度 v 最快。i、亞共析鋼或過(guò)共析鋼在發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變之前有先共析相析出。2）馬氏體 M 轉(zhuǎn)變鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻, 在較低

32、溫度下發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變叫做馬氏體 轉(zhuǎn)變。 M 形成的條件j、過(guò)冷奧氏體必須以大于臨界淬火速度的速度冷卻, 以避免發(fā)生奧 氏體向珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變。k、 過(guò)冷奧氏體必須過(guò)冷到一定溫度Ms 點(diǎn)以下才能開(kāi)始發(fā)生馬氏體 轉(zhuǎn)變。 M 轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)l、馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性；m、馬氏體轉(zhuǎn)變的切變共格性；n、馬氏體轉(zhuǎn)變具有一定的位向關(guān)系和慣習(xí)面；o、馬氏體轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的；p、馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性。 M 轉(zhuǎn)變過(guò)程中的特點(diǎn)a、M 轉(zhuǎn)變量只決定于成核率,與長(zhǎng)大速度無(wú)關(guān)；b、M 轉(zhuǎn)變量主要決定于新 M 片的生成,不決定于原 M 的長(zhǎng)大；c、 M轉(zhuǎn)變量的增加只決定于冷到溫度 T,與時(shí)間無(wú)關(guān)；d、M 轉(zhuǎn)變不能

33、進(jìn)行到底，總會(huì)有殘余奧氏體存在；e、可以認(rèn)為 M 轉(zhuǎn)變是非熱學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。（3）貝氏體 B 轉(zhuǎn)變鋼在珠光體轉(zhuǎn)變溫度以下、 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上的溫度范圍內(nèi)， 過(guò)冷奧氏 體將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變， 又稱中溫轉(zhuǎn)變。 貝氏體轉(zhuǎn)變具有珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn) 變某些共同的特點(diǎn)， 又有某些區(qū)別于它們的獨(dú)特之處。 同珠光體轉(zhuǎn)變相似， 貝 氏體也是由鐵素體和碳化物組成的機(jī)械混合物， 在轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)生碳在鐵素體 中的擴(kuò)散。 但是貝氏體轉(zhuǎn)變特征和組織形態(tài)又和珠光體不同。 和馬氏體轉(zhuǎn)變一 樣，奧氏體向鐵素體的晶格改組是通過(guò)切變的方式進(jìn)行的。 新相鐵素體和母相 奧氏體保持一定的位向關(guān)系。 但貝氏體是兩相組織， 通過(guò)碳原子擴(kuò)散，

34、 可以發(fā) 生碳化物沉淀。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變是有擴(kuò)散、有共格的轉(zhuǎn)變。 B 形成的條件過(guò)冷奧氏體必須過(guò)冷到一定溫度Bs 點(diǎn)以下才能開(kāi)始發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。 B 轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)f、貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)形核與長(zhǎng)大的過(guò)程；g、貝氏體中鐵素體的形成是按馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)進(jìn)行的；h、貝氏體中碳化物的分布與形成溫度有關(guān)。3 常見(jiàn)熱處理工藝（1）淬火 定義：將鋼加熱至臨界點(diǎn) AC3或Aci以上一定溫度，保溫以后以大于臨界 冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝。 目的：淬火可以顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度。 分類(lèi)：?jiǎn)我淮慊鸱?、雙液淬火法、噴射淬火法、分級(jí)淬火法、等溫淬火。 淬透性：鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時(shí)得到馬氏體的能力， 其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層的深度表示。（2）回火 定義： 將淬火鋼在 A1 以下溫度加熱， 使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織， 并 以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過(guò)程。 目的：減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和 塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工 件的性能要求。 類(lèi)：a、低溫回火：溫度約為 150250 C,回火組織為回火馬氏體。b、 中溫回火：溫度在 3505