完整版金属学热处理笔记.docx
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完整版金属学热处理笔记
绪论
性能（内在联系）组织结构→制备加工工艺。
扫描电镜→透射电镜→隧道电子显微镜。
一般适合机械加工的硬度HB200（布氏）。
使用性能：
力学性能指标（强度、比例极限、硬度。
。
。
），物理性能
材料性能（光电磁热），化学性能
工艺性能：
可加工性（铸造、塑性加工、焊接碳当量、热处理、粉末冶金）
悍马自重3.5吨，6秒钟内可以加速到100Km/h,V8发动机，排量6.0，扭矩输出400N·m
结构材料金属材料（主要金属键）
功能特点用途分类原子间键合分类陶瓷材料（主要离子键）
功能材料高分子材料（主要共价键）
复合材料（土坯）
金属：
是具有正的电阻温度系数的物质，通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高密度和高的光泽。
陶瓷：
金属和非金属元素间化合物。
具有很高的强度和硬度，较低的导点、导热、延性、成型性及耐冲击性都很差。
极好的耐高温和耐腐蚀特性，还有一些独特的光电性能。
高分子材料：
非金属原子共有电子而构成的大分子材料。
每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此又称为聚合物。
具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度优良特性。
复合材料：
有两种或两种以上材料组成的材料所不具备的。
复合材料可能具有非比寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。
液态氮：
零下196摄氏度氛围77K
材料的性能与组织结构的关系：
a.材料的性能决定于其组织结构
b.要想改变材料的性能，需要用过材料的加工工序过程来改变材料的组织结构，从而改变其性能
c.材料的性能反过来影响加工工序的选择。
航空航天工程选材时指标：
阻燃性能、燃烧过程中释放气体的有毒气体含量、气味等级
第一章
原子核
原子结构
结构核外电子：
核外电子排布方式显著影响光电磁热性能，和原子间彼此结合方式
原子空间排列
显微组织
1.金属原子间的键合特点
价电子：
原子核外电子中能与其他电子相互作用形成化学键的电子
外层电子排布方式：
1、稳定8电子排布2、接受或释放额外电子3、共有电子
a金属键：
无方向性+无饱和性，良好的强度与塑性
铷受波辐射产生785nm光谱，GHz级，北斗灯泡600mg-900mg
b离子键：
方向性+饱和性，一般有非常高的熔点高的硬度低的塑性，往往作为良好的电绝缘材料，陶瓷材料绝大部分以离子键形式表示出来。
C共价键：
方向性+饱和性，高熔点高硬度低塑性电绝缘体，聚合物高分子材料
d范德华键，分子键表现出比较好的塑性
FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
结合力=引力（库仑力）+斥力（短程力），合力为零点=自由能最低点
Ionic离子键150-370Kcal/mol，Covalent共价键125-300Kcal/mol，Metallic金属键25-200Kcal/mol，范德华键＜10Kcal/mol
2.金属晶体典型结构
原子排列方式：
无序排列，短程有序→非晶态材料→结构无序，物理性质，各向同性，膨胀系数低。
金属熔化极冷之后得非晶态材料（超薄）。
当今支撑经济发展的三大支柱：
材料+能源+信息
基元（构成材料的质点）在三维空间周期性排列，长程有序→晶体→各向异性。
基元的种类包含单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等
错配热应力
空间点阵：
一个抽象的几个概念，由一维二维或三维跪着排列的点阵组成。
刚球模型→抽象成为质点，构成空间格架即为晶格→保持点阵几何特征的基本单元→晶胞。
布拉菲证明了如果有序空间点阵只有14钟，分属7个晶系晶体结构=空间点阵+基元（多种多样的）
原子半径：
晶胞中原子密度最大方向（密排方向）相邻的两原子之间距离的一半，与晶体结构直接相关。
晶胞中所含原子数：
一个晶胞真正包含的原子数
配位数：
在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数，
致密度：
晶胞中原子所占体积分数，即K=nv,/V
体心立方30多种b.c.c，衍射满足布拉格方程求出晶胞立方体边长a0，
立方晶系晶胞中所含原子数2个，致密度68%八面体
间隙，四面体间隙，配位数8
三种典型晶体结构面心立方f.c.c铝、铜、镍晶胞中含原子4个
致密度74%，配位数12，最紧密，八面体间隙，四面体间隙
六方晶系密排六方h.c.p镁、锌晶胞中原子数
6个，致密度74%，配位数12，最紧密形式
排列上的差异，对于晶体材料沿着不同方向去测试它的性能，会有非常大的差异，称为各向异性。
材料因为排列的紧密程度不同，结构不同，会造成很明显的各向异性，所以在材料的选择与设计是应加以注意。
一个晶体的某一方向可以用方向矢量来描述，这就是晶向指数[111]
晶体中原子周期排列相同在空间位向不同（即不平行）的晶向统称为晶向族<111>
取晶面在坐标轴上的截距，取截距的倒数，将倒数约成互质的整数，即该晶面的法向量，就是晶面指数（111）
在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族{111}
平行于或者相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，而该直线叫做晶带
晶带轴计算公式（
）,（
）[
]
密勒指数：
以晶胞基矢定义的互质整数，用以表示晶面的方向，又称晶面指数
原子密度：
单位长度或单位面积的原子数目
体心立方b.c.c原子密度最大方向<111>最大面{110}
面心立方f.c.c原子密度最大方向<110>最大面{111}
变形沿着最密面的最密方向发生变化。
α-Fe是b.c.c体心立方晶格有明显的冷脆效应γ-Fe是f.c.c
多晶型性转变：
当外部的温度和压强改变时，有些金属会有一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称为多晶型性转变，又称同素异构转变。
（热缩套管）
3.合金相
合金：
将两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或者其他方法组合而成并具有金属特性的物质。
组元：
组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。
W18Cr4V
相：
合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。
相=固溶体+金属化合物
间隙固溶体：
溶质原子占据溶剂晶格中的间隙位置而形成的固溶体。
固溶体
置换固溶体：
合金元素替换了晶格节点上原子的位置。
点缺陷
又可分为有限固溶体和无限固溶体；有序固溶体和无序固溶体
固溶体:
合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且机构与组元之一想同的固相。
固溶体合金特别适合变形
影响固溶体溶解度的因素：
a尺寸差b电负性价效应c价电子浓度d晶体结构的类型（Cu-Ni合金）
固溶强化：
通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象。
提高幅度5%-10%间隙型固溶强化比置换型固溶强化效果要好的多！
！
马氏体→严重过饱和式间隙固溶体强度非常高，置换式固溶强化主要应用于有色金属。
金属化合物：
包括正常价化合物，电子化合物，间隙相，间隙化合物，引入基体中产生非常强的强化效果
电子化合物：
按照一定价电子浓度的比值组成一定的晶格类型的化合物。
电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中重要强化相。
间隙相：
非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时将相成具有简单晶体结构的金属间化合物。
当大于0.59时形成的晶体结构跟任一组元的晶体结构都不同，而且较为复杂。
体心立方b.c.c的冲击韧性在温度降到某一温度时需要冲击功会突然下降，该温度称为临界转变温度，而面心立方f.c.c则会随温度增大缓慢增大。
4.金属晶体缺陷
把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。
当没有缺陷时，强度最高，当有缺陷时强度急剧下降，当缺陷逐渐增多时强度逐渐增大。
提高金属的强度：
a降低材料内部缺陷b在材料内部加入缺陷
点缺陷（间隙原子，置换原子，空位）、线缺陷（螺型位错，刃型位错）、面缺陷（表面，晶界，亚晶界，相界）
线缺陷就是各种类型的位错，它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象
柏氏矢量：
可以表示晶体滑移的方向和大小。
一根不分岔的位错不论形状如何变化，只有一个恒定的柏氏矢量。
一条位错先不能终止在晶体的内部，只能终止于晶体的表面或晶界。
位错先线和柏氏矢量构成的平面定义为滑移面。
如果滑移面跟晶体结构中是原子排列最紧密的面的话，则位错就可动。
位错密度可用单位体积中位错线总长度表示。
在T再再结晶温度以下加工退火态材料会大量产生位错。
退火态得到的是珠光体组织。
面缺陷：
在二维方向上，原子错排与理想结构都有比较大的偏差。
（表面，晶界，亚晶界，相界）
晶界：
是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。
在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。
两个相邻的晶粒间角一般都超过10度，定义为大角度晶界。
Hall-Patch公式
，d平均直径，细晶强化。
晶界的作用体现在对位错的运动起到非常明显阻碍作用。
塑性变形最主要的方式是位错的滑动。
亚晶界：
晶粒内部位向差小于1°的亚结构，也称亚晶粒，亚晶之间的界面，通常由位错组成
第一相=固溶体，第二相=金属化合物，第二相在第一相基础上均匀弥散的分布在基体上，这个形态称为第二相质点强化。
第二相获取方式：
沉淀强化，热糖水极冷成过饱和固态，不稳定，放置一段时间析出
粉末冶金（弥散强化）
相界：
不同结构的晶粒之间的界面，共格相界能量最低，非共格相界能量最高，有畸变共格相界和半共格相界对应于材料处理的中期，非共格相界对应材料处理后期。
70℃晶粒过细，热稳定性差，高温下使用的材料一般要求晶粒粗一点
固态下相变的转变过程，一般在想便是阻力都非常大，新相生成的过程一般只能在缺陷处生成。
缺陷位置优先发生相的转变过程。
晶界特性：
由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，晶界处熔点往往偏低。
P冷脆S热脆
共晶合金，两个熔点都很高的组元，合金后熔点急剧下降。
位错攀移：
指刃型位错在晶体内沿着垂直于滑移面方向上的运动。
螺型位错能够运动的面，必须是这种晶体结构定下之后的密排面。
交滑移：
在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。
晶体结构确定之后，其原子面的密排面的间距是最大的。
严重影响空位的因素：
温度
第二章
纯金属结晶的基本概念
凝固：
金属由液态转变为固态
结晶：
从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程
金属的熔点：
平衡结晶温度或理论结晶温度
一次结晶：
金属从业态转变为固体晶态的过程
二次结晶（重结晶）：
金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程，同素异构转变：
一些金属在固态下随温度或压力的改变，还会发生晶体结构变化，即有一种晶格转变为另一种晶格的变化。
既是多晶型性转变
912℃一下为常温铁素体，1394℃以上称为高温铁素体
1.金属结晶的的现象
过冷度：
金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种液态金属在熔点以下仍保持为液态的现象称为过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度偏差称为过冷度，冷却速度越大过冷度越大。
结晶潜热：
在等温等压条件下，由结晶引起的热焓的变化，成为系统向环境释放的热能，这部分所释放的热能便是结晶潜热。
热分析方法：
在一定冷却条件下通过测冷却曲线的作为分析方法，一般称为热分析法。
DSC差热扫描仪
2.金属结晶的热力学条件
3.晶核的形成
结晶微观过程：
形核→长大→多晶体结构（假各向同性）
近程有序结构可在金属液体中各处处于时聚时散此起彼伏的不断变动之中，这种近程有序的聚散现象，称为结构起伏，或相起伏。
晶胚：
在过冷的金属液体中，液态金属中出现的某些尺寸较大，较为稳定且原子规则排列方式与金属本身晶格相同的近程有序原子集团，有可能称为潜在的结晶核心，这种在过冷条件下液态金属中尺寸较大的，与金属本身晶格相同的近程有序原子集团称为晶胚。
能量起伏：
指体系中每一个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。
液态中金属结晶的条件：
相起伏+能量起伏
均匀形核：
指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。
非均匀形核：
指晶胚依附于液态金属中固态杂质表面形核的过程。
形核率：
单位时间单位体积内形成的核心的数目。
均匀形核过冷度达到0.2Tm（理论熔点）时形核率最大，非均匀形核需要过冷度远远小于均匀形核所需过冷度。
形核率N=N1*N2，N1是两项自由能提供的驱动力，N2是原子扩散能力
过冷度越大，临界形核半径越小，形核力越大，得到晶粒就越细。
点阵匹配原理：
固态基面与晶核之间的结构愈相似，促进形核的作用变越显著。
通过调整哪些工艺参数可以得到比较细的晶粒组织？
？
调整过冷度，学取不同的模具材料来控制冷却速度。
找合适非均匀形核粉末，变质处理。
4.晶核的长大
晶体长大的基本条件：
a液相中原子不断向晶体扩散提供原子（有足够高的温度）
b晶体表面能不断而牢固缔结钠原子（固液界面结构，温度场分布等）
液固界面微观结构：
光滑界面+粗糙界面。
杰克逊应自己结论：
金属多数为粗糙界面，有机和无机化合物多数为光滑界面，半导体材料多为混合型界面结构。
光滑界面→二维晶核长大的机制，螺型位错长大机制
粗糙界面→垂直长大机制
过冷度：
考察形核率与生长速率的比值
变质处理：
在金属液体中加入某种元素阻碍晶粒长大以细化晶粒
能量输入：
最常见的方法有超声波，机械振动，在浇注过程中输入能量，在形核过程中将晶粒打碎。
经验公式
B是模具常数，V是熔体体积，A是散热面积，n是常数
二次晶间距
k，m为材料成分相关常数他，t，s为结晶时间
二次晶间距越大材料的强度越低，塑性越差
铸锭：
表层细晶区，中间柱状晶区，心部柱状晶区
现代铝工业生产采用点解法，氧化铝作为溶质，碳素体作为阳极，铝液作为阴极。
液态状态下氢的溶解度极高，固态状态下溶解度下，容易产生氢脆。
应力腐蚀：
材料、机械零件或构件在静应力（主要是拉应力）和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。
内应力：
是指当外部荷载去掉以后，仍残存在物体内部的应力。
它是由于材料内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。
铸锭的宏观组织与缺陷：
缩孔，组织疏松，成分偏析
第四章
相率：
f=c-p+2，如果研究的系统为固态物质，可以忽略压强的影响，相律中的“2”应为“1”。
钢铁中最常见的金属化合物间隙化合物Fe3C
固溶体的晶体结构跟构成固溶体的溶剂结构一致。
通过晶相中溶质原子的长征扩散是的初始和末了结晶的成分不同。
合金形核方式：
均匀形核非均匀形核（生产中主要方式）
平衡分配系数：
指在一定温度下，固液两平衡相溶质浓度之比值，用K0表示。
匀晶结晶的特点：
1.与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向树枝状长大。
金属结晶时，液固界面温度场是正的温度梯度时，则平面状长大，当是负温度梯度时则才能得到树枝晶。
2.固溶体结晶是在一个温度区间进行，即为一个变温结晶过程。
3.在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。
可利用杠杆定律计算出。
偏析：
1.晶内偏析：
该情况取决于浇铸时的冷却速度，偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等·可以通过退火将偏析消除；
2.枝晶偏析：
由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。
以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同，成为晶内偏析。
而金属的结晶多以枝晶方式长大，所以这种偏析多呈树枝状，先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同，又称为枝晶偏析。
固相线与液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。
铸铁的成分越靠近共晶点，偏析越小，反之越大。
铸锭不均匀性的影响因素：
a.材料本身的特性b.原子扩散
防止成分偏析的措施：
1.制定热处理工艺时均匀化退火温度一般是固相线温度一下100℃左右。
（局限与合金含量较少的低合金钢）
2.热加工
成分过冷：
由于成分的改变导致熔点的改变，形成过冷度。
G温度梯度，R结晶速率，m液相线斜率，C0合金溶质浓度K0平衡分配系数，D扩散系数。
G1平面长大，G2包状生长G3树枝状长大
何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?
试比较这三种反应的异同点
1.共晶反应：
指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。
二元共晶相图：
两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。
对于共晶合金来说，有固定的熔点，就像纯金属一样。
2.包晶反应：
指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。
3.共析反应：
由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。
4.匀晶转变：
两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶，结晶所构成的相图称为二元匀晶相图。
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
共同点：
反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。
不同点：
共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。
固溶体的溶解度：
表示在某一温度下，固溶体中所含溶质的含量。
共金合金的特点：
塑性，韧性，耐腐蚀性。
匀晶合金的特点：
特别适合于变形成型
共晶合金
片层状组织
不均匀结晶检验和消除的方法：
均匀化退火或热加工。
单相固溶体，耐腐蚀性好，变形性能好，强度相对较低，采用形变强化（加工硬化）引进缺陷
片层间距计算公式λ=C/√Ｒ，C一个常数，Ｒ生长速度。
X射线衍射。
无法区分是先共析钢还是共晶组织。
正火有可能得到共析组织（伪共晶）退火之后组织可以按平衡转变去描述
包晶反应一般较慢。
根据相的晶体结构特点分为：
固溶体，金属化合物
强度：
双相合金＞单相固溶体合金＞纯金属
双相钢两相之间有相界阻碍了位错的运动从而提高了其强度，称为第二相强化或弥散强化。
一般希望基体相是软韧相，同时希望基体是连续的；强化相我们希望他是高强度高硬度不连续的。
希望圆形强化相尽可能细小均匀。
合金当中的相是合金纤维组织的一部分，当合金中的相他的数量、大小、形态、分布发生变化时，显微组织也就发生变化，但是相本身的结构和性能不变。
从而使得合金的性能也就发生变化。
这样，我们就把显微组织重新定义为合金当中相的数量、大小、形态和分布。
C含量0.02%-2.11%称为碳钢，2.11%-6.69%称为铸铁Fe3C渗碳体
。
纯铁的机械性能：
塑性非常好，强度比较低，硬度HB80，延伸率δ50%。
δ相=当碳溶于高温δ-Fe中形成高温铁素体→体心立方
γ相=当碳溶于高温γ-Fe中形成奥氏体（Austenite）→面心立方
α相=当碳溶于高温α-Fe中形成铁素体（Ferrite）→体心立方
渗碳体的性质：
首先渗碳体作为一种金属化合物，它的晶体结构比较复杂，属于间隙化合物。
其次，渗碳体不会发生同素异构转变，含碳量为6.69%是固定不变的。
硬度值HB800
三相区
HJB线1495℃δH+LB+γJHJB包晶转变线δH+LB1495℃γJ
ECF线1148℃LC+γE+Fe3CECF共晶转变线LC1148℃γE+Fe3C（莱氏体）
PSK线727℃γS+αP+Fe3CPSK共析转变线γS1148℃αP+Fe3C（珠光体）珠光体是一种组织而不是一种相。
典型铁碳合金的平衡结晶过程，会画冷却曲线。
1.工业纯铁（0.01%）
室温以下析出三次渗碳体Fe3CⅢ。
工业纯铁室温组织是铁素体加三次渗碳体，含碳量0.0218%碳钢的室温下也只能析出0.33%的三次渗碳体。
一次渗碳体：
从碳质量分数大于4.3%的液相中，直接析出来的渗碳体叫一次渗碳体，呈规则长条状
二次渗碳体：
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体。
二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中而沿晶界析出的，多在过共析钢中出现，一般都是呈网状，由于对性能的影响不利，常可通过正火来打断二次渗碳体网，以改善性能。
三次渗碳体：
从铁素体F中析出的渗碳体叫三次渗碳体。
它是在降温时因含碳量变化从铁素体中而沿晶界析出的，在各种钢中都可能出现，只是因为铁素体的碳溶解度变化不大，不易被发现，一般也是呈网状或断续网状。
在多数钢中对性能的影响不大，但在低碳钢中有时会因三次渗碳体的出现使塑性下降很多，影响冲压、冷镦等到加工，这时可在加热到AC1以上然后的快速冷却来消除，也可用等温球化退火来处理使之球化。
2.共析钢（0.77%）
奥氏体中析出二次渗碳体，室温平衡组织称为珠光体哦。
共析转变后WFe3C=11.3%，W铁素体=88.7%，薄片是渗碳体片，厚片是铁素体片。
3.亚共析钢（0.0218>C<0.77%）
先共析铁素体：
亚共析钢奥氏体中析出铁素体称为~~~
亚共析钢的室温组织就是先共析铁素体和珠光体。
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