△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)
结构:
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)
影响因素:
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
条件:
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