1、金屬學級熱處理筆記 本科生上課筆記重點宏觀的塑性變形是位錯在外力作用下運動的結果。位錯在晶體中的運動方式有兩種：滑移slip：與金屬的變形密切相關攀移climba位錯的滑移是在切應力作用下進行的，存在一個最小切應力。使刃型位錯滑移的切應力必須與位錯線垂直。對于刃型位錯，晶體滑移的方向與位錯運動方向一致?；泼妫何诲e線與柏氏矢量組成的原子面，對于刃型位錯，位錯線與柏氏矢量垂直，因此刃位錯的滑移面是唯一確定的。使螺型位錯滑移的切應力必須與位錯線平行。對于螺型位錯，晶體滑移的方向與位錯運動方向垂直。滑移面：對于螺型位錯，位錯線與柏氏矢量平行，因此螺型位錯可以有多個滑移面。要點 （1）位錯的滑移面包含

2、柏氏矢量和位錯線。（2）對于一根位錯線而言，柏氏矢量是固定不變(3 )可以通過柏氏矢量和位錯線的關系來判斷位 錯特征。bt時為刃型位錯，bt為螺型位錯， 對于混合型位錯，b和t的角度在0和90。 的。 （4）位錯線不能終止于完整晶體之中。位錯通?？梢栽诎诲e線和柏氏矢量的面上滑移，在某些情況下，還能發生垂直于滑移面方向的移動，稱為攀移。只有刃型位錯會發生攀移。攀移的本質是刃型位錯半原子面的向上（正攀移）或向下運動（負攀移）。攀移時伴隨物質的遷移，需要空位的擴散，需要熱激活，比滑移需要更大的能量原子正常的堆剁次序遭到破壞的現象稱為堆垛層錯。面缺陷包括晶界、相界和表面前面舉例晶體有規則的外形，金

3、屬內部是由大量的小的單晶體組成，稱為晶粒，每個晶粒內部，原子是規則排列的。晶粒之間的界面稱為晶界。在晶界部分，原子呈不規則排列。晶界兩側晶粒的位相差10o 大角度晶界在晶界處，原子處于較高能量狀態。這部分能量稱為晶界能點缺陷、線缺陷、面缺陷、肖脫基空位、弗蘭克耳缺陷、間隙原子、置換原子、刃型位錯、螺型位錯、位錯密度、滑移、攀移、全位錯、不全位錯、層錯、大角度晶界、小角度晶界、晶界能刃型位錯和螺型位錯的特征。柏氏矢量的確定及柏氏矢量的表示。理解滑移的過程及刃型位錯和螺型位錯滑移的特點。組元 component：組成材料最基本的，獨立的物質。純元素 金屬Ni Cu Fe Cr 非金屬 C N B

4、O化合物 Al2O3、 SiO2、 AlN、 Fe3C 合金 alloy： 由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經熔煉或其他方法制成的具有金屬特性的物質。相 phase：金屬中具有同一聚集狀態、同一晶體結構和性質并以界面相互隔開的均勻組成部分。相圖 phase diagrams：描寫在平衡條件下，系統狀態或相的轉變與成分、溫度及壓力間的關系的圖。純金屬：高導電性，高延展性，良好的耐蝕性。強度較低，很少用作工程結構。合金化：可提高強度和硬度。工程中應用的金屬材料大部分是合金。以合金中某一組元作為溶劑、其它組元為溶質、所形成的與溶劑有相同晶體結構、晶格常數稍有變化的固相，稱為固溶體。 溶劑的晶體

5、結構不改變，但是由于溶質原子的存在，晶格會發生畸變形成無限固溶體時，原子相對尺寸差一般小于15%。組元間晶體結構相同時固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若組元間晶體結構不同便只能形成有限固溶體。兩元素間電負性差越小，則越易形成固溶體，而且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大固溶度減小，當溶質與溶劑的電負性差很大時，往往形成比較穩定的金屬間化合物。電子濃度：合金中各組成元素的價電子數總和與原子總數的比值，記作ea。存在一極限電子濃度。超過極限電子濃度，固溶體就不穩定，便會形成新相。形成間隙固溶體的溶質原子半徑很小，如 氫（0.046nm） 氧（0.061nm） 氮（0

6、.071nm） 碳（0.077nm） 硼（0.097nm）間隙固溶體只能是有限固溶體。形成固溶體時，材料的硬度、強度升高，這種由于溶質原子的固溶引起的強化效應，稱為固溶強化。當溶質原子的加入量超過一定限度時，會形成一種新相，這種新相稱為中間相，中間相的晶體結構不同于此相中的任一組元。又稱為金屬間化合物分類： 正常價化合物 電子化合物 尺寸因素化合物由金屬元素與周期表中的第IV，V，VI族元素組成。化合物符合化合的原子價規律，可用化學式表示。AB, A2B (or AB2). 熔點高于組成金屬元素，說明原子間結合力較強。硬度較高，但是脆性大。如Mg2Si Mg2Sn MnS AlN SiC等。e

7、/a = (價電子數總和) / (原子總數). 有三種不同的比值，通常稱為Hume-Rothery比:e/a = 3/2(21/14)-相e/a = 21/13-相e/a = 21/12-相這類中間相的形成主要受組元的相對尺寸所控制。兩類：間隙化合物拉弗斯相ri(interstitial)/rm(metal) 0.59 晶格畸變增大，形成新的更復雜的晶體結構，稱為間隙化合物。相圖是描述系統的狀態、溫度、壓力及成分之間關系的一種圖解。利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在哪些相、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發生的變化。相平衡：在某一條件下，系統中各個相經過很長時間也不互相轉變，處于

8、平衡狀態，這種平衡稱為相平衡。 相律（Gibbs Phase Rule） 1876 Gibbs 描述系統的組元數、相數和自由度數關系的法則。 f = C - P + 2 自由度：平衡系統中保持平衡相數不變的條件下獨立可變的因素。不能為負值。組元數C=1根據相律： f =1-P+2=3-P若，P=1，則f =2可以用溫度和壓力作坐標的平面圖(p-T圖)來表示系統的相圖。若， f =0，則P=3，即最多有三相平衡 相圖上的每一個點都對應著系統的某一種狀態，因此這些點通常稱作狀態點。 如果外界保持一個大氣壓，根據相律，C=1，P=1則f=1。系統中只有一個獨立可變的變數。因此單元系相圖可以只用一個溫

9、度軸來表示。 二元系統有兩個組元，根據相律：f=C-P+1，二元系統最大的自由度數目f=2，這兩個自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標軸的溫度-成分圖表示。 熱分析法、金相組織法、X射線分析法、硬度法、電阻法、熱膨脹法、磁性法等 第四章鐵-碳合金相圖Phase diagram of iron-carbon alloys要求：掌握鐵-碳合金中的基本相；掌握鐵-碳（Fe-Fe3C）合金相圖；熟悉典型合金的平衡凝固過程及組織轉變；理解碳含量對鐵-碳合金組織和性能的影響；了解鋼中的雜質元素。鋼鐵為最重要的金屬材料。鐵碳合金分類：鋼：

10、碳的質量分數小于2.11%；鑄鐵：碳的質量分數大于2.11%。實際研究中碳的含量小于6.69%。鐵-碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具。由于含碳量超過6.69（Fe3C的含碳量）以后，合金脆性很大，所以研究的只是Fe-Fe3C鐵的熔點：1538密度：7.87kg/m3. 同素異構轉變：金屬在固態下發生的晶格類型的轉變。Fe3C是鐵與碳的一種具有復雜結構的間隙化合物（正交晶系），通常稱為滲碳體，用Cm表示。性能特點：硬度高，800HBW。脆性大Fe3C3Fe+C石墨相：碳在-鐵中的間隙固溶體，bcc結構，1394以上存在，最大溶碳量為0.09%。又叫高溫鐵素體。相：碳在-鐵中的間隙固溶體，bcc

11、結構，912以下存在，最大溶碳量為0.0218%。叫做鐵素體，也可用F表示。相：相是碳在-鐵中的固溶體，fcc結構，727-1495之間存在，最大溶碳量為2.11%，叫做奧氏體，也可用A來表示。4.1.2相圖中重要的點和線相圖中各個點的代表符號一般通用，不隨意改變。其中的P、S、E、C四個點最重要。包晶轉變：1495 HJB水平線：L0.53+0.090.17共晶轉變：1148 ECF水平線：L4.302.11+ Fe3C萊氏體Ledeburite符號Ld共晶反應的產物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，叫做萊氏體，用Ld表示。其中的滲碳體叫做共晶滲碳體。共析轉變：727PSK 水平線(A1線，A1

12、溫度)：0.770.02+ Fe3C珠光體Pearlite符號P共析反應的產物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，叫做珠光體，用P表示。其中的滲碳體叫做共析滲碳體。GS線（A3線，或A3溫度）：合金冷卻時從A中開始析出F的臨界溫度線。ES線碳在A中的固溶線，叫做Acm線，Acm溫度。由奧氏體中析出的滲碳體叫做二次滲碳體，用Fe3C表示。PQ線碳在鐵素體中的固溶度曲線。由鐵素體中析出的滲碳體叫做三次滲碳體，用Fe3C表示。一次滲碳體：直接從液相中析出。二次滲碳體：從A中析出三次滲碳體：從F中析出共晶滲碳體：共晶反應，萊氏體中共析滲碳體：共析反應，珠光體中成分相同，來源、形態不同鐵碳合金可以分為三類：工

13、業純鐵：C0.0218%鋼：0.0218%C2.11%亞共析鋼：0.0218%C0.77%共析鋼：C=0.77%過共析鋼：0.77%C2.11%白口鑄鐵：2.11%C6.69%亞共晶白口鑄鐵：2.11%C4.3%共晶白口鑄鐵：C=4.3%過共晶白口鑄鐵：4.3%C6.69%典型合金的結晶過程工業純鐵2. 共析鋼3亞共析鋼4. 過共析鋼 5. 共晶白口鑄鐵低溫萊氏體：高溫萊氏體（A+ Fe3C）形成后，隨溫度的降低，A要轉變為P和Fe3C，叫做低溫萊氏體（P+ Fe3C+ Fe3C共晶）。用Ld表示。6.亞共晶白口鑄鐵7. 過共晶白口鑄鐵本章重點題一 鐵-碳相圖的應用1合理選用鋼鐵材料根據性能要

14、求來選擇合金的成分。2確定熱加工工藝如鑄造中要求選擇結晶溫度區間小的合金，從相圖中可以看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。在熱變形加工中，要求合金的塑性較高，因而選擇在單相奧氏體區進行。3在熱處理工藝中的應用鋼的熱處理工藝都是根據鐵-碳相圖制定的。二 雜質元素對鋼的性能的影響五大元素：碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）其它：氧（O）、氮（N）、氫（H）錳和硅作為脫氧劑。硅含量0.5%。增加鋼液流動性，提高鋼的強度。含量高時，影響鋼的質量。錳含量0.8%。提高硅和鋁的脫氧效果。硫有害元素，來源于生鐵原料、礦石和燃料（如焦炭）燃燒產生的SO2。熱脆：鋼在熱加工時開裂 （11年考）。原因：Fe+FeS共晶 （11年考）Fe+FeS+FeO三元共晶解決：加入錳磷28 / 2828 / 28有害元素，來源于礦石和生鐵等煉鋼原料。冷脆：其固溶強化作用提高鋼的強度、硬度，但劇烈降低鋼的低溫韌性。主要以氧化物形式存在。如FeO、Fe2O3