1、重慶大學材料科學與工程學院2011年考研答疑金屬學及熱處理課程名稱：834 材料科學與工程基礎專業書籍：金屬學及熱處理 哈爾濱工業大學 崔忠歧 機械工業出版社出版第一章：金屬的晶體結構基本內容：金屬鍵，位錯，晶體的概念；面心立方，體心立方金屬晶體結構的配位數，致密度，原子半徑，八面體，四面體間隙個數；晶向指數，晶面指數。金屬鍵：失去外層價電子的正離子與彌漫其間的自由電子的靜電作用而結合起來，這種結合方式稱為金屬鍵。重點內容：晶體，位錯的概念：晶體：材料在固態下原子或分子在空間呈有序排列。位錯：晶體中原子的排列在一定范圍內發生有規律的律動的一種特殊結構組態。面心立方，體心立方金屬晶體結構配位數，

2、致密度，八面體，四面體間隙：晶體類型晶胞中的原子數配位數致密度體心立方2868%面心立方41274%晶格類型面心立方體心立方間隙類型正四面體正八面體四面體扁八面體間隙個數84126原子半徑rA間隙半徑rB晶向指數、晶面指數標定：晶面指數求法：建立坐標求截距取倒數化整加（）晶面指數作法：建立坐標取倒數求截距連線，畫剖面線晶向指數的求法：定原點建立坐標求坐標化最小整數加 晶向指數的作法：定原點建立坐標以hkl中最大數字作為分母，化為小于或等于1的分數，作出重點始、終點連線第二章：純金屬的結晶重點內容：過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差稱為過冷度。變質處理：在澆鑄前往液態金屬中加入形核劑，促使形

3、成大量的非均勻晶核，以細化晶粒的方法。過冷度與液態金屬結晶的關系：液態金屬結晶的過程是形核與晶核的長大過程，從熱力學的角度上看，沒有過冷度結晶就沒有趨動力。根據Rk1/r 可知當過冷度T為零的臨界晶核半徑Rk為無窮大，臨界形核功（G1/T2）也為無窮大。臨界晶核半徑Rk與臨界形核功為無窮大時，無法形核，所以液態金屬不能結晶，晶體的成長也需要過冷度，所以液態金結晶需要過冷度。第三章 二元合金的相結構與結晶基本內容：相，勻晶，共晶，包晶相圖的結晶過程及不同成分合金在室溫下的顯微組織；合金，成分過冷、非平衡結晶及枝晶偏析的基本概念。相：合金中結構相同，成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分。合金：

4、兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經熔煉或燒結，或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質。成分過冷：由于界面前沿液相中的成分差別引起的過冷度叫做成分過冷。過冷度：金屬結晶前，溫度連續下降，當液態金屬冷卻到理論結晶溫度時，并未開始結晶，而是需要繼續冷卻到理論結晶溫度以下某一溫度，液態才開始結晶。金屬的理論結晶溫度與實際結晶溫度之差，稱為過冷度。非平衡結晶：在實際冷卻條件下合金以較大速度冷卻，偏離平衡條件的結晶過程。枝晶偏析：也就是晶內偏析，是在一個晶粒內部化學成分不均勻的現象，由于固溶體晶體通常呈樹枝狀，使枝干和枝間的化學成分不同，所以又稱枝晶偏析。重點內容：偽共晶：在不平衡結晶條件下，成分

5、在共晶點附近的亞共晶或過共晶合金也可能得到全部共晶組織，這種共晶組織稱為偽共晶。偏析：合金中成分的不均勻分布。杠桿定律及應用。組織組成物及相組成物的計算。第四章鐵碳合金基本內容：鐵碳合金的組元與基本相，鐵碳相圖，鐵碳合金的結晶過程及室溫下的平衡組織。重點內容：鐵素體與奧氏體：鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。鐵碳相圖。鋼的含碳量對平衡組織及結晶過程的影響：例，含碳0.4%碳鋼的結晶過程經過了勻晶轉變，包晶轉變，勻晶轉變，單相冷卻，同素異晶轉變，共析轉變等。其室溫組織相對量為：鐵素體%=（0.8%-0.4%）/0.8%=50% 珠光體%=1-50%=50%相組織與組織組

6、成的區別典型鋼在相圖上的位置：如，10鋼，40鋼，60鋼，T12鋼。第五章 三元合金相圖（不考）第六章 金屬及合金的塑性變形與斷裂基本內容：固溶體強化機理與強化規律，第二相的強化機理，單晶體塑性變形的方式，滑移的本質，金屬塑性變形后的組織與性能。固溶體強化機理：一是在固溶體中溶質與溶劑的原子半徑差所引起的彈性畸變，與位錯之間產生的彈性交互作用，對在滑移面上的運動著的位錯有阻礙作用。二是在位錯線上偏聚的溶質原子對位錯的釘扎作用。強化規律：1.在固溶體的溶解度范圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大。2.溶質原子與溶劑原子的尺寸相差越大，則造成的晶格畸變越大，因而強化效果越大。3.形成間隙固

7、溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素。4.溶質原子與溶劑原子的價電子數相差越大，則強化作用越大。第二相強化機理：由塑性較好的固溶體基體及其上分布的硬脆的第二相所組成的多相合金。由于其第二相的存在而引起的強化，叫做第二相強化。強化的主要原因是由于彌散細小的第二相離粒子與位錯的交互作用，阻礙了位錯的運動，從而提高了合金的塑性變形抗力。有兩種強化機制：1.位錯繞過第二相粒子（彌散強化）。2.位錯且過第二相粒子（沉淀強化）。單晶體塑性變形的方式：以滑移和孿生為主。滑移本質：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對另一部分作相對的滑動。滑移的本質是位錯的移動。重點內容：金屬塑形變性后的組織與性能

8、：組織：顯微組織出現纖維組織，雜質沿變形方向拉長為細帶狀或粉碎成鏈狀，光學顯微鏡分辨不清晶粒和雜質。亞結構細化，出現形變織構。性能：材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降；比電阻增加，導電系數和電阻溫度系數下降，抗腐蝕能力降低等。冷變形使金屬材料內部形成哪些內應力？這些內應力是如何形成的？它們的作用范圍有多大？三種內應力:1) 第一類內應力（宏觀內應力）。由于不同部位變形不均勻造成，作用范圍大。2) 第二類內應力（微觀內應力）。由于不同晶粒之間變形不均勻造成，作用范圍在幾個晶粒之間。3) 第三類內應力（晶格畸變）。由于晶體缺陷大量增加造成，作用范圍在原子尺度。冷變形對金屬材料的性能有何影響？材料

9、的強度、硬度升高，塑性、韌性下降；比電阻增加，導電系數和電阻溫度系數下降，抗腐蝕能力降低等。第七章 金屬及合金的恢復與再結晶基本內容：回復、再結晶的概念，變形金屬加熱時顯微組織的變化，性能的變化，影響再結晶的主要因素性能的變化規律。回復：冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學顯微組織發生改變前所產生的某些亞結構和性能的變化過程。再結晶：冷變形后的金屬加熱到一定溫度或者保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產生了無畸變的新晶粒，位錯密度顯著降低，性能也發生顯著變化，并恢復到冷變形前的水平。這個過程叫做再結晶。影響再結晶的主要因素性能的變化規律：1.再結晶退火溫度：退火溫度越高，再結晶后的晶粒越粗大；1.冷

10、變形量：一般冷變形量越大，完成再結晶的溫度越低，變形量達到一定程度后，完成再結晶的溫度趨于一定；3.原始晶粒尺寸：原始晶粒越細，再結晶晶粒也越細；4.微量溶質與雜質原子，一般均起細化晶粒的作用；5.第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再結晶，彌散分布的細小的第二相粒子不利于再結晶；6.形變溫度，形變溫度越高，再結晶溫度越高，晶粒粗化；7.加熱速度，加熱速度過快或過慢，都可能使再結晶溫度升高。重點內容：塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會發生的一些變化：顯微組織經過回復、再結晶、晶粒長大三個階段由破碎的或纖維組織轉變成等軸晶粒，亞晶尺寸增大；儲存能降低，內應力松弛或被消除；各種結構缺陷減小；強度、硬

11、度降低，塑形、韌性提高；電阻下降，應力腐蝕傾向顯著減小。第八章 擴散（不考）第九章 鋼的熱處理原理基本內容：冷卻時轉變產物（P、B、M）的特征、性能特點；熱處理的概念，等溫、連續C-曲線熱處理：將鋼在固態下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻下來，讓其獲得所需要的組織結構和性能的一種熱加工工藝。重點內容：轉變產物（P、B、M）特征，性能特點：片狀P體，片層間間距越小，強度越高，塑形、韌性也越好；粒狀P體，Fe3C顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高。第二相的數量越多，對塑性的危害越大；片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑形、韌性差；上貝氏體為羽毛狀，亞結構為位錯，韌性差

12、；下貝氏體為黑針狀或竹葉狀，亞結構為位錯，位錯密度高于上貝氏體，具有良好的綜合機械性能；低碳馬氏體為板條狀，亞結構為位錯，具有良好的機械性能；高碳馬氏體為片狀，亞結構為孿晶，強度硬度高，塑形和韌性差。第十章 鋼的熱處理工藝基本內容：淬透性，淬硬性，熱應力，組織應力，回火脆性，回火穩定性的概念；退火，正火，淬火，回火的目的和工藝方法；淬火加熱缺陷及其防止措施。淬透性：是表征鋼材淬火時獲得馬氏體的能力的特性。淬硬性：指淬成馬氏體可能得到的硬度。熱應力：工作在加熱（或冷卻）時，由于不同部位的溫度差異，導致熱脹（或冷縮）的不一致所引起的應力稱為熱應力。組織應力：由于工作不同部位組織轉變不同時性而引起的

13、內應力。回火穩定性：淬火鋼對回火時發生軟化過程的抵抗能力。退火目的：均勻鋼的化學成分及組織；細化晶粒；調整硬度，改善鋼的成形及切削加工性能；消除內應力和加工硬化；為淬火做好組織準備。工藝方法：完全退火（將鋼件或鋼材加熱到Ac3以上20-30，經保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝），均勻化退火（將鋼加熱到Ac3或Accm以上150-300），不完全退火（將鋼加熱到Ac1-Ac3 亞共析鋼或Ac1- Accm過共析鋼之間），球化退火（將鋼加熱到Ac1以上20-30），再結晶退火，去應力退火（不超過Ac1點，一般在500-600）。正火目的：改善鋼的切削加工性能；細化晶粒，消除熱加工缺陷；

14、消除過共析鋼的網狀碳化物，便于球化退火；提高普通結構零件的機械性能。工藝方法：將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織。淬火的目的：使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。工藝方法：將鋼加熱到臨界點Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）。回火目的：減少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，以滿足各種用途工件的性能要求。工藝方法：將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變為穩定的回火組織，并以適當方式冷卻到室溫的工藝過程

15、。重點內容：淬透性及影響因素：是表征材料淬火時獲得馬氏體的能力的特性。例：合金元素的影響，Cr的作用。回火脆性：鋼在一定的溫度范圍內回火時，其沖擊韌性顯著下降，這種脆化現象叫做鋼的回火脆性。球化退火工藝：球化退火是使鋼中碳化物球化而進行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上20-30，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。例如，T10鋼制造的銼刀，采用的球化退火工藝為920退火，正確嗎？會出現什么問題？第十一章 工業用鋼基本內容：材料強化方法；鋼的分類和編號；典型零件的材料，成分，熱處理工藝及組織。重點內容：材料強化方法。形變強化：隨變形程度的增加，材料的

16、強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬化。機理：隨塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度。規律：變形程度增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據公式=bG1/2 ，可知強度與位錯密度（）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強化效果越顯著。方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。形變強化的實際意義（利與弊）：形變強化是強化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強化的材料可以用形變強化的方法提高材料的強度，可

17、使強度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等；形變強化還可提高零件或構件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現應力集中或過載現象時，使該處產生塑性變形，因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩，變形使強度升高、塑性降低，給繼續變形帶來困難，中間需要進行再結晶退火，增加生產成本。固溶強化隨溶質原子含量的增加，固溶體的強度硬度升高，塑性韌性下降的現象稱為固溶強化。強化機理：一是溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏

18、聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質原子在層錯區的偏聚阻礙擴展位錯的運動。所有阻止位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。固溶強化規律：在固溶體溶解度范圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大；溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著；形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素；溶質原子與溶劑原子的價電子數差越大，則強化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。3、第二相強化鋼中第二相的形態主要有三種，即網狀、片狀和粒狀。網狀特別是沿晶界析出的連續網狀Fe3C，降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降；第二相為片

19、狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。符合s=0KS0-1/2的規律，S0 片層間距。第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，符合的規律，粒子之間的平均距離。第二相的數量越多，對塑性的危害越大；片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差；沿晶界析出時，不論什么形態都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態及分布。4、細晶強化細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現象稱為細晶強化。細化晶粒不但可以提高強度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強化材料的方法。機理：晶粒越細小，位錯塞集群中位錯個數（n）越小，根據，應力集中越小，所以材料的強度越高。細晶強化的強化規律：晶界越多，晶粒越細，根據霍爾-配奇關系式s=0Kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強度（s）越高。細化晶粒的方法：結晶過程中可以通過增加過冷度，變質處理，振動及攪拌的方法增加形核率細化晶粒。對于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒。可以通過正火、退火的熱處理方法細化晶粒；在鋼中加入強碳化物物形成元素。典型零件的材料，成分，熱處理工藝及組織：例：