金属学级热处理笔记注释

本科生上课笔记重点宏观的塑性变形是位错在外力作用下运动的结果。位错在晶体中的运动方式有两种：滑移slip：与金属的变形密切相关攀移climba位错的滑移是在切应力作用下进行的，存在一个最小切应力。使刃型位错滑移的切应力必须与位错线垂直。对于刃型位错，晶体滑移的方向与位错运动方向一致。滑移面：位错线与柏氏矢量组成的原子面，对于刃型位错，位错线与柏氏矢量垂直，因此刃位错的滑移面是唯一确定的。使螺型位错滑移的切应力必须与位错线平行。对于螺型位错，晶体滑移的方向与位错运动方向垂直。滑移面：对于螺型位错，位错线与柏氏矢量平行，因此螺型位错可以有多个滑移面。要点 （1）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。（2）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变(3 )可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位 错特征。bt时为刃型位错，bt为螺型位错， 对于混合型位错，b和t的角度在0和90。 的。 （4）位错线不能终止于完整晶体之中。位错通常可以在包含位错线和柏氏矢量的面上滑移，在某些情况下，还能发生垂直于滑移面方向的移动，称为攀移。只有刃型位错会发生攀移。攀移的本质是刃型位错半原子面的向上（正攀移）或向下运动（负攀移）。攀移时伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激活，比滑移需要更大的能量原子正常的堆剁次序遭到破坏的现象称为堆垛层错。面缺陷包括晶界、相界和表面前面举例晶体有规则的外形，金属内部是由大量的小的单晶体组成，称为晶粒，每个晶粒内部，原子是规则排列的。晶粒之间的界面称为晶界。在晶界部分，原子呈不规则排列。晶界两侧晶粒的位相差10o 大角度晶界在晶界处，原子处于较高能量状态。这部分能量称为晶界能点缺陷、线缺陷、面缺陷、肖脱基空位、弗兰克耳缺陷、间隙原子、置换原子、刃型位错、螺型位错、位错密度、滑移、攀移、全位错、不全位错、层错、大角度晶界、小角度晶界、晶界能刃型位错和螺型位错的特征。柏氏矢量的确定及柏氏矢量的表示。理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的特点。组元 ponent：组成材料最基本的，独立的物质。纯元素 金属Ni Cu Fe Cr 非金属 C N B O化合物 Al2O3、 SiO2、 AlN、 Fe3C 合金 alloy： 由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。相 phase：金属中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。相图 phase diagrams：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间的关系的图。纯金属：高导电性，高延展性，良好的耐蚀性。强度较低，很少用作工程结构。合金化：可提高强度和硬度。工程中应用的金属材料大部分是合金。以合金中某一组元作为溶剂、其它组元为溶质、所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。 溶剂的晶体结构不改变，但是由于溶质原子的存在，晶格会发生畸变形成无限固溶体时，原子相对尺寸差一般小于15%。组元间晶体结构相同时固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若组元间晶体结构不同便只能形成有限固溶体。两元素间电负性差越小，则越易形成固溶体，而且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大固溶度减小，当溶质与溶剂的电负性差很大时，往往形成比较稳定的金属间化合物。电子浓度：合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值，记作ea。存在一极限电子浓度。超过极限电子浓度，固溶体就不稳定，便会形成新相。形成间隙固溶体的溶质原子半径很小，如 氢（0.046nm） 氧（0.061nm） 氮（0.071nm） 碳（0.077nm） 硼（0.097nm）间隙固溶体只能是有限固溶体。形成固溶体时，材料的硬度、强度升高，这种由于溶质原子的固溶引起的强化效应，称为固溶强化。当溶质原子的加入量超过一定限度时，会形成一种新相，这种新相称为中间相，中间相的晶体结构不同于此相中的任一组元。又称为金属间化合物分类： 正常价化合物 电子化合物 尺寸因素化合物由金属元素与周期表中的第IV，V，VI族元素组成。化合物符合化合的原子价规律，可用化学式表示。AB, A2B (or AB2). 熔点高于组成金属元素，说明原子间结合力较强。硬度较高，但是脆性大。如Mg2Si Mg2Sn MnS AlN SiC等。e/a = (价电子数总和) / (原子总数). 有三种不同的比值，通常称为Hume-Rothery比:e/a = 3/2(21/14)-相e/a = 21/13-相e/a = 21/12-相这类中间相的形成主要受组元的相对尺寸所控制。两类：间隙化合物拉弗斯相ri(interstitial)/rm(metal) 0.59 晶格畸变增大，形成新的更复杂的晶体结构，称为间隙化合物。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。相平衡：在某一条件下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。 相律（Gibbs Phase Rule） 1876 Gibbs 描述系统的组元数、相数和自由度数关系的法则。 f = C - P + 2 自由度：平衡系统中保持平衡相数不变的条件下独立可变的因素。不能为负值。组元数C=1根据相律： f =1-P+2=3-P若，P=1，则f =2可以用温度和压力作坐标的平面图(p-T图)来表示系统的相图。若， f =0，则P=3，即最多有三相平衡 相图上的每一个点都对应着系统的某一种状态，因此这些点通常称作状态点。 如果外界保持一个大气压，根据相律，C=1，P=1则f=1。系统中只有一个独立可变的变数。因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。 二元系统有两个组元，根据相律：f=C-P+1，二元系统最大的自由度数目f=2，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。 热分析法、金相组织法、X射线分析法、硬度法、电阻法、热膨胀法、磁性法等 第四章铁-碳合金相图Phase diagram of iron-carbon alloys要求：掌握铁-碳合金中的基本相；掌握铁-碳（Fe-Fe3C）合金相图；熟悉典型合金的平衡凝固过程及组织转变；理解碳含量对铁-碳合金组织和性能的影响；了解钢中的杂质元素。钢铁为最重要的金属材料。铁碳合金分类：钢：碳的质量分数小于2.11%；铸铁：碳的质量分数大于2.11%。实际研究中碳的含量小于6.69%。铁-碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具。由于含碳量超过6.69（Fe3C的含碳量）以后，合金脆性很大，所以研究的只是Fe-Fe3C铁的熔点：1538密度：7.87kg/m3. 同素异构转变：金属在固态下发生的晶格类型的转变。Fe3C是铁与碳的一种具有复杂结构的间隙化合物（正交晶系），通常称为渗碳体，用Cm表示。性能特点：硬度高，800HBW。脆性大Fe3C3Fe+C石墨相：碳在-铁中的间隙固溶体，bcc结构，1394以上存在，最大溶碳量为0.09%。又叫高温铁素体。相：碳在-铁中的间隙固溶体，bcc结构，912以下存在，最大溶碳量为0.0218%。叫做铁素体，也可用F表示。相：相是碳在-铁中的固溶体，fcc结构，727-1495之间存在，最大溶碳量为2.11%，叫做奥氏体，也可用A来表示。4.1.2相图中重要的点和线相图中各个点的代表符号一般通用，不随意改变。其中的P、S、E、C四个点最重要。包晶转变：1495 H水平线：L0.53+0.090.17共晶转变：1148 ECF水平线：L4.302.11+ Fe3C莱氏体Ledeburite符号Ld共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，叫做莱氏体，用Ld表示。其中的渗碳体叫做共晶渗碳体。共析转变：727PSK 水平线(A1线，A1温度)：0.770.02+ Fe3C珠光体Pearlite符号P共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，叫做珠光体，用P表示。其中的渗碳体叫做共析渗碳体。GS线（A3线，或A3温度）：合金冷却时从A中开始析出F的临界温度线。ES线碳在A中的固溶线，叫做Acm线，Acm温度。由奥氏体中析出的渗碳体叫做二次渗碳体，用Fe3C表示。PQ线碳在铁素体中的固溶度曲线。由铁素体中析出的渗碳体叫做三次渗碳体，用Fe3C表示。一次渗碳体：直接从液相中析出。二次渗碳体：从A中析出三次渗碳体：从F中析出共晶渗碳体：共晶反应，莱氏体中共析渗碳体：共析反应，珠光体中成分相同，来源、形态不同铁碳合金可以分为三类：工业纯铁：C0.0218%钢：0.0218%C2.11%亚共析钢：0.0218%C0.77%共析钢：C=0.77%过共析钢：0.77%C2.11%白口铸铁：2.11%C6.69%亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3%共晶白口铸铁：C=4.3%过共晶白口铸铁：4.3%C6.69%典型合金的结晶过程工业纯铁2. 共析钢3亚共析钢4. 过共析钢 5. 共晶白口铸铁低温莱氏体：高温莱氏体（A+ Fe3C）形成后，随温度的降低，A要转变为P和Fe3C，叫做低温莱氏体（P+ Fe3C+ Fe3C共晶）。用Ld表示。6.亚共晶白口铸铁7. 过共晶白口铸铁本章重点题一 铁-碳相图的应用1合理选用钢铁材料根据性能要求来选择合金的成分。2确定热加工工艺如铸造中要求选择结晶温度区间小的合金，从相图中可以看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。在热变形加工中，要求合金的塑性较高，因而选择在单相奥氏体区进行。3在热处理工艺中的应用钢的热处理工艺都是根据铁-碳相图制定的。二 杂质元素对钢的性能的影响五大元素：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）其它：氧（O）、氮（N）、氢（H）锰和硅作为脱氧剂。硅含量0.5%。增加钢液流动性，提高钢的强度。含量高时，影响钢的质量。锰含量0.8%。提高硅和铝的脱氧效果。硫有害元素，来源于生铁原料、矿石和燃料（如焦炭）燃烧产生的SO2。热脆：钢在热加工时开裂 （11年考）。原因：Fe+FeS共晶 （11年考）Fe+FeS+FeO三元共晶解决：加入锰磷28 / 28有害元素，来源于矿石和生铁等炼钢原料。冷脆：其固溶强化作用提高钢的强度、硬度，但剧烈降低钢的低温韧性。主要以氧化物形式存在。如FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、MgO使钢的性能变差。氮钢在冶炼时进入的。使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性降低。氢溶入钢中使钢的塑性和韧性降低，称为氢脆。当氢从钢中析出时，形成缺陷，如白点等。铁碳相图（重点）钢、铸铁、渗碳体、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、A1线、Acm线、A3线、组织组成物Fe-Fe3C相图中的恒温转变和重要的固态转变线。典型合金的凝固过程分析及杠杆定律的应用。填写相图中的组织组成物。理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。