金屬學(xué)與熱處理總復(fù)習(xí)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)A》總復(fù)習(xí)課程的性質(zhì)：本課程旨在介紹金屬材料的成份、組織、加工工藝與金屬材料的性能間的關(guān)系和變化規(guī)律。

主要內(nèi)容：包括金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、鋼的熱處理和金屬材料三方面。

（1）金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講述金屬的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過(guò)程及金屬的塑性變形，鐵碳合金的組織及鐵碳合金相圖；

（2）鋼的熱處理講述熱處理的原理和工藝，以及熱處理在零件加工過(guò)程中的地位和作用，根據(jù)零件的技術(shù)條件正確選定熱處理工藝方法，合理安排工藝路線；

（3）金屬材料講述工業(yè)用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金等金屬材料的牌號(hào)、成分、組織、熱處理、性能及用途，以便能合理選用金屬材料。使用性能工藝性能純金屬合金工業(yè)用鋼有色金屬及其合金鑄鐵結(jié)晶塑性變形熱處理一、性能㈠使用性能1、力學(xué)性能⑴剛度：材料抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量：E=/⑵強(qiáng)度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度b—材料斷裂前承受的最大應(yīng)力。屈服強(qiáng)度s—材料產(chǎn)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力。條件屈服強(qiáng)度0.2—?dú)堄嗨茏優(yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度-1—無(wú)數(shù)次交變應(yīng)力作用下不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力。⑶塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力。指標(biāo)為HB、HRC。⑸沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。指標(biāo)為αk.材料的使用溫度應(yīng)在冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上。⑹斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的能力。指標(biāo)為K1C。2、化學(xué)性能⑴耐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。⑵抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨損的能力。㈡工藝性能1、鑄造性能：液態(tài)金屬的流動(dòng)性、填充性、收縮率、偏析傾向。2、鍛造性能：成型性與變形抗力。3、切削性能：對(duì)刀具的磨損、斷屑能力及導(dǎo)熱性。4、焊接性能：產(chǎn)生焊接缺陷的傾向。5、熱處理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶體結(jié)構(gòu)㈠純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、理想金屬⑴

晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。

晶格：表示原子排列規(guī)律的空間格架。

晶胞：晶格中代表原子排列規(guī)律的最小幾何單元.⑵三種常見(jiàn)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見(jiàn)金屬31212滑移系底面對(duì)角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12

128配位數(shù)6

42原子個(gè)數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方⑶立方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)①晶面指數(shù)：晶面三坐標(biāo)截距值倒數(shù)取整加（）②晶向指數(shù)：晶向上任一點(diǎn)坐標(biāo)值取整加[]立方晶系常見(jiàn)的晶面和晶向

⑷晶面族與晶向族指數(shù)不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。⑸密排面和密排方向

——同滑移面與滑移方向在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。2、實(shí)際金屬

⑴多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。

晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體.

晶界：晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—晶格不完整的部位①點(diǎn)缺陷

空位：晶格中的空結(jié)點(diǎn)。

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子。

置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子。②線缺陷——位錯(cuò)晶格中一部分晶體相對(duì)另一部分晶體沿某一晶面發(fā)生局部滑移,滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交接線.③面缺陷——晶界和亞晶界

亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。④晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；熔點(diǎn)低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位。金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使得金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目越多,變形越均勻，在斷裂前將發(fā)生較大塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，在斷裂前消耗的功大，因而韌性也好.細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性的方法。㈡合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相.⑴置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。

⑵間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過(guò)渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。馬氏體：碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。固溶強(qiáng)化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。

⑵金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相.①正常價(jià)化合物如Mg2Si②電子化合物如Cu3Sn③間隙化合物：由過(guò)度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。強(qiáng)碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C⑶性能比較：強(qiáng)度：固溶體純金屬

硬度：化合物固溶體純金屬塑性：化合物固溶體純金屬⑷金屬化合物形態(tài)對(duì)性能的影響①基體、晶界網(wǎng)狀：強(qiáng)韌性低②晶內(nèi)片狀：強(qiáng)硬度提高，塑韌性降低③顆粒狀：彌散強(qiáng)化：第二相顆粒越細(xì)，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象。⑸固溶體與化合物的區(qū)別：①結(jié)構(gòu)；②性能；③表達(dá)方式合金元素在鋼中的作用1、強(qiáng)化鐵素體；2、形成化合物——第二相強(qiáng)化3、擴(kuò)大（C,Mn,Ni,Co）或縮?。–r,Si,W,Mo）A相區(qū)4、使S、E點(diǎn)左移5、影響A化6、溶于A(除Co外),使C曲線右移,Vk減小,淬透性提高.7、除Co、Al外，使Ms、Mf點(diǎn)下降。8、提高耐回火性（淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力）9、產(chǎn)生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時(shí)，由于析出細(xì)小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時(shí)A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸回，使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象)10、防止第二類回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火鋼在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象。)三、組織㈠純金屬的組織1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程⑴結(jié)晶的條件——過(guò)冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差。⑵結(jié)晶的基本過(guò)程——晶核形成與晶核長(zhǎng)大形核——自發(fā)形核與非自發(fā)形核長(zhǎng)大——均勻長(zhǎng)大與樹(shù)枝狀長(zhǎng)大⑶結(jié)晶晶粒度控制方法：①增加過(guò)冷度；②變質(zhì)處理；③機(jī)械振動(dòng)、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：①形核部位特殊；②過(guò)冷傾向大;③伴隨著體積變化。1394℃

912℃

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：-Fe?-Fe?-Fe3、再結(jié)晶⑴再結(jié)晶條件：冷塑性變形⑵加熱時(shí)的變化：回復(fù)→再結(jié)晶→晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶：冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過(guò)程.再結(jié)晶不是相變過(guò)程。

⑶再結(jié)晶溫度：發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度T再0.4T熔⑷影響再結(jié)晶晶粒度的因素：①加熱溫度和時(shí)間；②預(yù)先變形程度4、塑性變形：金屬塑性變形方式：滑移和孿生⑴滑移的特點(diǎn)：①只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生；②沿密排面和密排方向發(fā)生；③位移量是原子間距整數(shù)倍；④伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)滑移的機(jī)理：通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。孿生特點(diǎn)：①孿生使晶格位向發(fā)生改變；②所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；③孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。⑵冷熱加工：以再結(jié)晶溫度劃分①冷加工組織：晶粒被拉長(zhǎng)壓扁、亞結(jié)構(gòu)細(xì)化、織構(gòu)：變形量大時(shí)，大部分晶粒的某一位向與外力趨于一致的現(xiàn)象。加工硬化：

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。冷加工使內(nèi)應(yīng)力增加，耐蝕性下降，提高。②熱加工：形成纖維組織、帶狀組織纖維組織使熱加工金屬產(chǎn)生各向異性，加工零件時(shí)應(yīng)考慮使流線方向與拉應(yīng)力方向一致。㈡合金的組織1、相圖勻晶L共晶L+共析+包晶L+杠桿定律：只適用于兩相區(qū)。枝晶偏析：在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。2、合金中的固態(tài)相變⑴固溶體轉(zhuǎn)變：AF⑵共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷奧氏體化⑸過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變⑹固溶處理+時(shí)效：固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過(guò)飽和的單相固溶體組織的處理。時(shí)效是指將過(guò)飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。

3、鐵碳合金相圖

點(diǎn)：符號(hào)、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ萊氏體Le(A+Fe3C)

Le’(P+Fe3C)珠光體P(F+Fe3C)復(fù)相組織組成物：組織組成物標(biāo)注相區(qū)標(biāo)注線：液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉(zhuǎn)變線A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%溫度典型合金的結(jié)晶過(guò)程（以共析鋼為例）時(shí)間溫度杠桿定律的應(yīng)用合金相的相對(duì)重量百分比組織組成物的相對(duì)重量百分比45鋼T10鋼含碳3.0%亞共晶白口鐵四、鋼的熱處理㈠熱處理原理1、加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長(zhǎng)大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒度。實(shí)際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向。

2、冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變⑴等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf時(shí)間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A⑵用C曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

根據(jù)與C曲線交點(diǎn)位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

P均勻A細(xì)AA1MSMf時(shí)間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級(jí)淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’3、回火時(shí)的轉(zhuǎn)變碳鋼：馬氏體的分解；殘余奧氏體分解；-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C；Fe3C聚集長(zhǎng)大和鐵素體多邊形化。W18Cr4V鋼：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，產(chǎn)生二次硬化?；鼗鹄鋮s時(shí)，A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸。每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。強(qiáng)化鋼鐵材料最經(jīng)濟(jì)有效的熱處理工藝是淬火+回火,它包含了四種基本強(qiáng)化方法。

㈡熱處理工藝工藝目的加熱溫度組織退火1.調(diào)整硬度,便于切削加工。2.細(xì)化晶粒,為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火。2.過(guò)工析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火獲得馬氏體組織。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃≦0.5%C,M>0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝（續(xù)）工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調(diào)質(zhì))亞共析,共析鋼：M回過(guò)共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火適用于中碳鋼0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F

M回五、工業(yè)用金屬材料鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼<0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強(qiáng)化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F,Ti:細(xì)化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強(qiáng)化F,Mo:防止第二類回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學(xué)性能軸、齒輪彈簧鋼0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F；Si:提高屈強(qiáng)比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧㈠工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動(dòng)軸承鋼0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動(dòng)軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途冷作模具鋼1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛，退，淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性；Ni:形成A；Ti:防止晶間腐蝕調(diào)質(zhì)S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機(jī)葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫(yī)療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業(yè)1Cr18Ni9Ti固溶處理A化工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:彌散強(qiáng)化;Ni:形成A組織正火F+P高熱強(qiáng)性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調(diào)質(zhì)S回氣閥,葉片1C