最新金屬材料學(xué)必考重點

1、近代物理學(xué)的觀點認為，處于凝聚態(tài)的金屬原子，全部或大部將它們的價電子貢獻出來，為其整個原子集體所公有，稱之為電子云或電子氣。貢獻出價電子的原子，則變?yōu)檎x子，沉浸在電子云中，它們依靠運動于其間的公有化的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來，這種結(jié)合方式叫做金屬鍵，它沒有飽和性和方向性。固體金屬根據(jù)其原子排列特點可以分為三類：晶體金屬、非晶金屬和準晶金屬晶體結(jié)構(gòu)指晶體中原子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式晶格一一用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣。晶胞一一能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。晶格常數(shù)一一取晶胞角上某

2、一結(jié)點作為原點，沿其三條棱邊作為三個坐標(biāo)軸X、Y、乙稱為晶軸，以棱邊長度a、b、c和棱面夾角a、B、丫表示晶胞的形狀和大小。其中棱邊長度稱為晶格常數(shù)，單位為？最典型最常見的有三種類型，即體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。前兩者屬于立方晶系，后者屬于六方晶系。體心立方結(jié)構(gòu)的晶胞模型如圖所示。晶胞的三個棱邊長度相等，三個軸間夾角均為90,構(gòu)成立方體。除了在晶胞的八個角上各有一個原子外，在立方體的中心還有一個原子面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞如圖所示。在晶胞的八個角上各有一個原子，構(gòu)成立方體，在立方體六個面的中心各有一個原子密排六方結(jié)構(gòu)的晶胞如圖所示。在晶胞的12個角上各有一個原子，構(gòu)成六方柱體，上底面

3、和下底面的中心各有一個原子，晶胞內(nèi)還有三個原子在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情況及其在空間的位向，需要有一種統(tǒng)一的表示方法，這就是晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用hkl和uvw表示原子的緊密程度不同，意味著原子之間的距離不同，則導(dǎo)致原子間結(jié)合力不同，從而使晶體在不同晶向上的物理、化學(xué)和力學(xué)性能不同，即無論是彈性模量、斷裂抗力、屈服強度，還是電阻率、磁導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)以及在酸中的溶解速度等方面都表現(xiàn)出明顯的差異。具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型或同素異構(gòu)當(dāng)

4、外部條件（如溫度和壓強）改變時，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶體缺陷不但對金屬及合金的性能，其中特別是那些對結(jié)構(gòu)敏感的性能，如強度、塑性、電阻等產(chǎn)生重大的影響，而且還在擴散、相變、塑性變形和再結(jié)晶等過程中起著重要作用點缺陷其特征是三個方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子的尺寸，例如空位、間隙原子等。線缺陷其特征是在兩個方向上的尺寸很小，另一個方向上的尺寸相對很大。屬于這一類的主要是位錯。面缺陷其特征是在一個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸相對很大，例如晶界、亞晶界等。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性

5、、韌性下降。位錯有多種類型，其中最簡單、最基本的類型有兩種：一種是刃型位錯，另一種是螺型位錯位錯是一種極為重要的晶體缺陷，它對于金屬的強度、斷裂和塑性變形等起著決定性的作用刃型位錯設(shè)有一簡單立方晶體，某一原子面在晶體內(nèi)部中斷，這個原子平面中斷處的邊緣就是一個刃型位錯，猶如用一把鋒利的鋼刀將晶體上半部分切開，沿切口硬插入一額外半原子面一樣，將刃口處原子列稱之為刃型位錯線刃型位錯具有以下幾個重要特征：1）刃型位錯有一額外半原子面。2）位錯線是一個具有一定寬度的細長晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。對于正刃型位錯，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面之下為拉應(yīng)力。負刃型位錯與此相反。3）位錯線與

6、晶體的滑移方向相垂直，位錯線運動的方向垂直于位錯線螺型位錯設(shè)想在立方晶體右端施加一切應(yīng)力，使右端上下兩部分沿滑移面發(fā)生了一個原子間距的相對切變，于是就出現(xiàn)了已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界BC,BC就是螺型位錯線。由于位錯線附近的原子是按螺旋形排列的，所以這種位錯叫做螺型位錯。螺型位錯具有以下重要特征：1）螺型位錯沒有額外半原子面。2）螺型位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，而無正應(yīng)變。3）位錯線與晶體的滑移方向平行，位錯線運動的方向與位錯線垂直。柏氏矢量柏氏矢量是描述位錯實質(zhì)的一個很重要的標(biāo)志，它集中地反映了位錯區(qū)域內(nèi)畸變總量的大小和方向位錯對金屬材料性能的影響金屬的塑性變

7、形主要由位錯運動引起，阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度實際晶體中經(jīng)常含有大量的位錯，通常把單位體積中所包含的位錯線的總長度稱為位錯密度另一個定義是：穿過單位截面積的位錯線數(shù)目，單位也是cm-2。晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒間界，簡稱晶界。當(dāng)相鄰晶粒的位向差小于10時，稱為小角度晶界；位向差大于10時，稱為大角度晶界由于晶界上的原子或多或少地偏離了其平衡位置，因而就會或多或少地具有晶界能，一般為13J/m2。晶界能越高，則晶界越不穩(wěn)定。高的晶界能就具有向低的晶界能轉(zhuǎn)化的趨勢，這就導(dǎo)致了晶界的運動。晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積

8、，從而降低晶界的總能量。晶界的遷移是原子的擴散過程，只有在比較高的溫度下才有可能進行。晶粒越細，金屬材料的強度和硬度便越高。因此，對于在較低溫度下使用的金屬材料，一般總是希望獲得較細小的晶粒。由于晶界能的存在，使晶界的熔點低于晶粒內(nèi)部，且易于腐蝕和氧化。晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此原子的擴散速度較快，在發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形塑性變形的形式：滑移和孿生滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象?；浦荒茉谇袘?yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力?；瞥Ｑ鼐?/p>

9、體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。？因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多

10、，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。結(jié)晶過程一定是凝固過程和相變過程，凝固過程不一定是結(jié)晶過程和相變過程，相變過程不一定是結(jié)晶過程和凝固過程。非均勻形核更為普遍。晶核的長大有兩種方式，即均勻長大和樹枝狀長大金屬晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。也可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶體越小。晶粒大小對金屬的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能均有很大的影響。如金屬的強度、硬度、塑性和韌性等都隨晶粒細化而提高。金屬在固態(tài)下隨溫度的

11、改變，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元，組元可以是元素或穩(wěn)定化合物。合金的優(yōu)良性能是由合金各組成相的結(jié)構(gòu)及其形態(tài)所決定的。組織是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的內(nèi)部微觀形貌（相、晶粒、晶界、缺陷、夾雜物等）。合金中的相結(jié)構(gòu)一類是固溶體，其晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的一個金屬組元的結(jié)構(gòu)相同；習(xí)慣以a、B、丫表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。另一類是金屬化合物（中間相），其晶體結(jié)構(gòu)與組元的結(jié)構(gòu)不同。在固溶體中，隨著溶質(zhì)濃度增加，固溶體的強度、硬度提高，而塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，

12、塑性、韌性低。與金屬化合物相比，固溶體硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。共析反應(yīng)（共析轉(zhuǎn)變）是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程鐵碳合金中的共析體稱珠光體用P表示奧氏體碳在丫-Fe中的固溶體

13、稱奧氏體強度低、塑性好，鋼材熱加工都在丫區(qū)進行A或丫表示含碳量對力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。0.9%C,Fe3Cn為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，強度下降，但硬度仍上升。2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le，合金太脆。含碳量對工藝性能的影響切削性能：中碳鋼合適可鍛性能：低碳鋼好焊接性能：低碳鋼好鑄造性能：共晶合金好熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。熱處理？是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝。普通熱處理退火正火淬火回

14、火表面熱處理表面淬火一感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理一滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等其他熱處理控制氣氛熱處理真空熱處理形變熱處理激光熱處理影響奧氏體晶粒長大的因素加熱溫度和保溫時間：加熱溫度高、保溫時間長，晶粒粗大。加熱速度：加熱速度越快，過熱度越大，形核率越高，晶粒越細。合金元素：阻礙奧氏體晶粒長大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成促進奧氏體晶粒長大的元素：Mn、P、C、No原始組織：鋼的原始組織越細，碳化物彌散度越大，則奧氏體晶粒越細小奧氏體在相變點A1以下不立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，而經(jīng)過一個孕育期后才開始轉(zhuǎn)變，這種在孕育期暫時存在的、處于不

15、穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為“過冷奧氏體”過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。根據(jù)片層厚薄不同，又細分為珠光體、索氏體和托氏體厚薄片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。珠光體轉(zhuǎn)變是擴散型轉(zhuǎn)變下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一貝氏體轉(zhuǎn)變屬半擴散型轉(zhuǎn)變，即只有碳原子擴散而鐵原子不擴散，晶格類型改變是通過切變實現(xiàn)的。馬氏體轉(zhuǎn)變是強化鋼的重要途徑之一馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量：C%小于0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大于1.0%C時幾

16、乎全部是針狀馬氏體.C%在0.21.0%之間為板條與針狀的混合組織。原始奧氏體晶粒細，轉(zhuǎn)變后的馬氏體片也細。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細化也有強化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)的形式。針片馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。無擴散性共格切變性降溫形成高速長大轉(zhuǎn)變不完全過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種退火與正火主要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時才作為最終熱處理。將鋼加熱至適當(dāng)溫度保溫，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝叫做退火。正火是將亞共析鋼加熱到A

17、C3+3050C,共析鋼加熱到Acl+3050C,過共析鋼加熱到Accm+3050C保溫后空冷的工藝。正火比退火冷卻速度大。要改善切削性能，低碳鋼用正火，中碳鋼用退火或正火，高碳鋼用球化退火。淬火是將鋼加熱到臨界點以上，保溫后以大于臨界冷卻Vk速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。淬火是應(yīng)用最廣的熱處理工藝之一。淬火目的獲得馬氏體組織，提高鋼的性能。淬火的關(guān)鍵因素：淬火溫度淬火介質(zhì)淬火方法淬透性淬透性的測定常用末端淬火法回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。顧寸力學(xué)性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。第一類回火脆性又稱不可逆回火脆性。是

18、指淬火鋼在250350C回火時出現(xiàn)的脆性。這種回火脆性是不可逆的，只要在此溫度范圍內(nèi)回火就會出現(xiàn)脆性，目前尚無有效消除辦法。回火時應(yīng)避開這一溫度范圍。第二類回火脆性又稱可逆回火脆性。是指淬火鋼在500-650C范圍內(nèi)回火后緩冷時出現(xiàn)的脆性.回火后快冷不出現(xiàn)，是可逆的。防止辦法：回火后快冷。加入合金元素W（約1%）、Mo（約0.5%）。該法更適用于大截面的零部件。淬火加高溫回火的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)。表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下,利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法。表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限；心部在保持一定的強度、硬

19、度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌用作表面淬火最適宜的鋼種是中碳鋼和中碳合金鋼滲碳溫度：為900950C。四按化學(xué)成分分碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。按用途分結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼S:是有害雜質(zhì)兀素。常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶（985C），熱加工時（11501200C）,由于其熔化而導(dǎo)致開裂，稱熱脆性。P:也是有害雜質(zhì)元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。0.045%以下氫在缺陷處以分子態(tài)析出時，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁

20、為白色，稱白點或發(fā)裂。合金元素在鋼中的作用對鋼中基本相的影響1溶于鐵素體，起固溶強化作用2、形成碳化物，起強化相作用Ni、Mn、Co、C、N等是擴大奧氏體相區(qū)元素Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是縮小奧氏體相區(qū)元素提高耐回火性：淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力稱耐回火性。含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時，由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)镸回,使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象稱二次硬化滲碳件的加工工藝路線為：下料t鍛造t正火t機加工t滲碳t淬火+低溫回火高速鋼加工工藝路線：下料t鍛造t退火t機加工t淬火t三次回火t磨削防止電化學(xué)腐蝕的措施：獲得均勻的單相組織。提高合金的電

21、極電位。使表面形成致密的鈍化膜。不銹鋼中合金元素的作用1、低碳：碳高，則降低耐蝕性。2、Cr:是提高耐蝕性的主要元素形成穩(wěn)定致密的Cr2O3氧化膜.Cr含量大于13%時，形成單相鐵素體組織。提高基體電極電位（n/8規(guī)律）3、Ni:獲得單相奧氏體組織4、Mo:耐有機酸腐蝕5、Ti,Nb:防止奧氏體鋼晶間腐蝕提咼咼溫強度的途徑：固溶強化；析出強化；晶界強化（加入B、Zr等降低晶界能量）五鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式的不同，鑄鐵可分為三類白口鑄鐵灰口鑄鐵麻口鑄鐵工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。根據(jù)灰口鑄鐵中石墨形態(tài)的不同，又可分為(1)

22、灰鑄鐵(2)球墨鑄鐵(3)蠕墨鑄鐵(4)可鍛鑄鐵鑄鐵的性能特點力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中。耐磨性能好。石墨本身有潤滑作用。消振性能好。石墨可以吸收振動能量。鑄造性能好。鑄鐵硅含量高，成分接近于共晶。切削性能好。石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化?；诣T鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。常對灰鑄鐵進行孕育處理，以細化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)。灰鑄鐵強度只有碳鋼的3050%,熱處理強化效果不大。灰鑄鐵常用的熱處理有：消除內(nèi)應(yīng)力退火(又稱人工時效)消除白口組織退火表面淬火球墨鑄鐵是石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到。球墨鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性高于其他鑄鐵；沖擊疲勞抗力高于中碳鋼；塑性和韌性卻低于鋼。球墨鑄鐵可進行各種熱處理，如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。蠕墨鑄鐵是石墨呈蠕蟲狀的灰口鑄鐵。蠕墨鑄鐵中石墨形似片狀，但石墨片短而厚，端部較鈍、較圓。液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀