金屬學(xué)與熱處理第二版 復(fù)習(xí)總結(jié)

金屬學(xué)與熱處理第二版復(fù)習(xí)總結(jié)

此文檔只總結(jié)了部分重要概念與影響因素（不包含第八章、第十二章、

第十三章）

另外，第十章、十一章的熱處理的具體工藝也是重點，此文檔沒有涉及。

啊令

愕力、

金屬最外層的電子數(shù)很少，一般為1~2個，不超過3介。

金屬犍

0原子共用自由電子形成

0無飽和性和方向性。

金屬晶體

原子排列密度高，能變形，導(dǎo)電，導(dǎo)熱。

金屬原子特點

0外層電子少，易失去

0有自由電子

0金屬離子與自由電子形成鍵。

0金屬鍵無方向性

0有良好的塑性

晶體：各向異性是晶體區(qū)別于非晶體的一個重要標(biāo)志

柏氏矢量的意義及特征

0反映位錯的點陣畸變總量

0反映晶體的滑移量及方向

0與位錯線有確定的位置關(guān)系

0具有守恒性

相界

共格界面、半共格界面、非共格界面三類。共格界面界面能最低

0界面處晶體缺陷集中，原子能量高

0界面是氧化、腐蝕的優(yōu)先發(fā)生地

0界面是固態(tài)相變的有效形核位置

0界面原子的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)高于晶內(nèi)

0存在內(nèi)吸附現(xiàn)象。異類原子可降低界面能時，會向界面偏聚

0界面阻礙位錯運動，組織越細(xì)小，強(qiáng)度硬度越高

0界面能越大，界面遷移速度越大；晶粒長大可以降低界面能。

固溶體結(jié)晶的特點

(1)異分結(jié)晶：固相成分與液相成分不同，晶體與母相成分不同

稱為異分結(jié)晶(選擇結(jié)晶)O

(2)固溶體結(jié)晶需要在一定的溫度范圍：每一溫度下，結(jié)晶出一

定數(shù)量的固相。溫度的降低，固相的數(shù)量增加成分分別沿著固相線和液

相線變化

非平衡凝固總結(jié)：

(1)固相平均成分線和液相平均成分線偏離固相線與液相線。

冷卻速度越快，偏離越嚴(yán)重

(2)固溶體成分不均勻。

先結(jié)晶部分總是富高熔點組元，后結(jié)晶的部分富低熔點組元。

區(qū)域偏析、晶內(nèi)偏析、枝晶偏析

(3)結(jié)晶溫度。凝固終結(jié)溫度低于平衡凝固時的終結(jié)溫度。

偽共晶一靠近共晶點附近合金得到全部共晶組織

離異共晶一共晶組織沒有顯示出共晶的特征

不平衡共晶一在不該出現(xiàn)共晶的合金里出現(xiàn)共晶組織

李生變形的特點

(1)切應(yīng)力作用下發(fā)生，臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移時。

(2)是一種均勻切變。

(3)攣晶有對稱關(guān)系。在一定范圍內(nèi)改變了晶體的取向。

多晶體塑性變形的特點

0各晶粒變形不同時性

0晶粒間、晶粒內(nèi)變形的不均勻性

0相鄰晶粒變形的協(xié)調(diào)性

0配位數(shù)：一個原子周圍最近鄰并且等距離的原子的個數(shù)。

致密度一晶胞中原子所占的體積

一種材料具有幾種不同晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)稱多晶型性

晶體缺陷是指晶體結(jié)構(gòu)中偏離完整晶格排列的微觀區(qū)域。

0液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

0不是完全無序的

0不斷有近程有序的原子集團(tuán)（晶胚）出現(xiàn)

0這種結(jié)構(gòu)時而形成，時而散開，稱為結(jié)構(gòu)起伏

0液相的結(jié)構(gòu)起伏提供了各種尺寸的有序原子集團(tuán)，成為結(jié)晶時核胚

的來源。結(jié)構(gòu)條件

0等溫等壓條件下化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是體系的自由能降低。熱

力學(xué)

在數(shù)值上，臨界形核功等于形成的新相臨界晶核界面能的1/3

抵消形成臨界晶核時所增加的能量的是液相的能量起伏。這是均勻形核

的能量條件

0結(jié)構(gòu)條件

0要求原子排列接近晶體

0可由液相結(jié)構(gòu)起伏滿足

0熱力學(xué)條件

0要求結(jié)晶過程體系自由能降低

0可由液相具有的過冷度滿足

0能量條件

0要求能克服體系增加的臨界形核功

0可由液相中的能量起伏滿足

0形核時能量變化包含體積自由能的降低和新相界面能的增加

0形核時需要滿足結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、能量三方面條件

0臨界形核功等于新相界面能的1/3

0過冷度顯著影響均勻形核，金屬材料的形核率隨過冷度增大而增大。

0有效形核需要的過冷度較大

非均勻形核：實際金屬結(jié)晶時依附于液相中的外來固體表面形核的方式

均質(zhì)和異質(zhì)形核具有相同的臨界晶核半徑

0長大過冷度

0動態(tài)過冷度(ATk):晶核長大需要的界面附近的過冷度。

0粗糙界面與光滑界面的動態(tài)過冷度不同。

0粗糙界面的晶核長大機(jī)制

垂直長大機(jī)制

0光滑界面的晶核長大機(jī)制

a.二維晶核長大

b.螺型位錯長大機(jī)制

表層細(xì)晶區(qū)

形成原因：

(1)過冷度AT大。

(2)模壁作為非均勻形核的位置。

特點：

—晶粒細(xì)小，組織致密，機(jī)械性能好

—薄，無實用意義

柱狀晶區(qū)

形成原因：

(1)細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度AT較低，不易形

成新的晶核；

(2)細(xì)晶區(qū)中某些取向有利的晶?？梢燥@著長大；

(3)晶體沿垂直于模壁(散熱最快)相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。

特點：組織粗大而致密；為“鑄造織構(gòu)”

鑄造織構(gòu)：鑄造過程中形成的一種晶體學(xué)位向一致的鑄態(tài)組織。

—又稱“結(jié)晶織構(gòu)"

中心等軸粗晶區(qū)

形成原因：

(1)液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，可同時形核。

(2)未熔雜質(zhì)、沖斷的枝晶分枝可作為非均勻形核的核心。

(3)散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。長成等軸

晶。

由于過冷度AT不大，晶粒較粗大。

固溶體

B組元的原子完全溶入固相的A組元，并保持A的晶體結(jié)構(gòu)所形成的

合金相。

A,B分別稱為溶劑組元與溶質(zhì)組元。

間隙固溶體

原子半徑很小的溶質(zhì)原子溶入到溶劑中時，填入到溶劑晶格的間隙

中間相一金屬化合物

概念：溶質(zhì)含量超過溶解度極限時出現(xiàn)的具有全新晶體結(jié)構(gòu)的新相。

鍵性：主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價鍵。

種類：

正常價化合物：符合化合物原子價規(guī)律，具有嚴(yán)格的化合比，成分

固定不變。結(jié)構(gòu)與相應(yīng)分子式的離子化合物晶體結(jié)構(gòu)相同

電子化合物：按一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的化合物。

電子化合物的熔點和硬度都很高，而塑性較差。

間隙相：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時，將

形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物

間隙化合物:當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時,

形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，與間隙相相比，間隙化合物的熔點

和硬度及化學(xué)穩(wěn)定性都要低一些。

二元相圖幾何規(guī)律

L相區(qū)接觸法則一相鄰相區(qū)相數(shù)差一

2.二元相圖中的水平線一三相平衡，與三個單相區(qū)，三個兩相區(qū)接觸。

3.二元相圖最大相數(shù)為3

4.兩條水平線涉及的相有兩個相同時，兩條水平線之間是由這兩個相組

成的兩相區(qū)

5.相界線的走向一兩相區(qū)與單相區(qū)分界線與三相水平線相交時，其延

長線應(yīng)進(jìn)入另一個兩相區(qū)而不是單相區(qū)

結(jié)晶時從液相結(jié)晶出單相固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變

平衡凝固的概念：

0凝固進(jìn)行到任何溫度都能夠達(dá)到平衡

0意味著：指定的溫度與壓力下，各相間達(dá)到平衡時，組元在每一相

中的濃度不隨時間而改變（即各相成分不變）。

0是在極其緩慢的冷速下實現(xiàn)的。

成分過冷

平衡結(jié)晶溫度隨液相濃度的增加而降低由界面前沿液相中的成分差別

引起平衡結(jié)晶溫度與實際溫度之差

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

0物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化而變化的現(xiàn)象稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

（或重結(jié)晶），屬于相變之一（固態(tài)相變）

根據(jù)鋼中氧含量和凝固時放出co的程度，鋼錠分為鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼和

半鎮(zhèn)靜鋼

滑移系

0滑移面與該面上一個滑移方向的組合

臨界分切應(yīng)力是一材料的常數(shù)

位錯運動一晶體滑移的主要方式

0特點：所需切應(yīng)力小

0原因：僅需少量原子的彈性偏移

位錯交割與塞積

0是形變強(qiáng)化現(xiàn)象的源頭

0與位錯運動受阻有關(guān)-割階、扭折、平面塞積群

固溶強(qiáng)化現(xiàn)象：由于溶質(zhì)原子的存在及其固溶度的增加，導(dǎo)致基體金屬

的變形抗力提高。

2.李生

0一種特殊的塑性變形

0晶體中有限寬度的部分產(chǎn)生一個均勻切變

0切變得到李晶

0李生不改變晶體結(jié)構(gòu)，但改變有限區(qū)域內(nèi)的晶體位向

細(xì)晶強(qiáng)化（晶界強(qiáng)化）

室溫下多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒（亞晶粒）細(xì)化而提高。

回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大是形變金屬退火時經(jīng)歷的基本過程

回復(fù)

0指經(jīng)過冷變形的金屬在退火加熱的過程中，于再結(jié)晶過程開始之前、

仍保留著變形態(tài)組織特點的階段。0回復(fù)的驅(qū)動力是儲存能0回復(fù)階

段儲能部分釋放。0不同溫度，回復(fù)機(jī)制有差異2.回復(fù)機(jī)理a.低溫

回復(fù)點缺陷的遷移一點缺陷密度降低b.中溫回復(fù)位錯在滑移面

上運動一位錯密度有所降低，纏結(jié)位錯重新排列c.高溫回復(fù)位錯

滑移、攀移一多邊化及多邊形亞晶形成，亞晶粒尺寸增大回復(fù)退火

的應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：去應(yīng)力退火效果：保留加工硬化，降低應(yīng)力，防止

應(yīng)力腐蝕開裂再結(jié)晶：指經(jīng)過冷變形的金屬退火過程中，于變形的基

體中重新生成無畸變的等軸狀的新晶粒的過程。再結(jié)晶的特點0再結(jié)

晶的驅(qū)動力是儲存能0再結(jié)晶階段剩余儲能全部釋放

0加工硬化消除

0是形核與長大的過程，不改變晶體結(jié)構(gòu)

再結(jié)晶的應(yīng)用0消除加工硬化

0再結(jié)晶退火中間退火

核心問題：

變形嚴(yán)重的區(qū)域位錯密度高，而形成無缺陷的微區(qū)可以迅速降低能量。

該微區(qū)可成為再結(jié)晶晶核的孕育地。

形核機(jī)理

(1).晶界弓出形核

(2)亞晶長大形核：亞晶移動機(jī)制，亞晶合并機(jī)制

2.再結(jié)晶晶核長大

長大驅(qū)動力為新晶粒與舊晶粒之間的應(yīng)變能差。

臨界變形度：在能引起再結(jié)晶的最小變形度附近變形后，再結(jié)晶后的晶

粒特別粗大，稱為“臨界變形度”。一般為2-10%。

晶粒長大

0晶粒長大

指再結(jié)晶結(jié)束后，細(xì)小的等軸晶通過晶粒相互吞并導(dǎo)致的長大的過程。

晶粒異常長大——二次再結(jié)晶指當(dāng)正常晶粒長大過程被分散相微粒、

織構(gòu)或表面熱蝕泡等因素強(qiáng)烈阻礙時，局部位置此類因素的缺少或消失

而造成的突發(fā)性的晶?？焖匍L大的現(xiàn)象。

再結(jié)晶退火的應(yīng)用

0效果：消除加工硬化；去除應(yīng)力

0應(yīng)用：軟化變形金屬的中間退火

0溫度：最低再結(jié)晶溫度以上100-200℃

熱加工軟化：

1.動態(tài)回復(fù)一高層錯能金屬

0隨著變形進(jìn)行，硬化速度降低，直到實現(xiàn)在一個穩(wěn)定應(yīng)力下變形。變

形金屬內(nèi)有異號位錯的互毀和位錯的重新分布。晶粒變形而亞晶粒為等

軸狀

2.動態(tài)再結(jié)晶一低層錯能金屬

0隨著變形迸行，硬化速度降低，軟化，逐漸實現(xiàn)在一個穩(wěn)定應(yīng)力下變

形。變形金屬內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶，變形抗力小晶粒變?yōu)榈容S狀

熱處理與鋼中固態(tài)相變

0固態(tài)相變是熱處理強(qiáng)化的前提

完全奧氏體化的溫度為Ac3,Accm以上

過冷奧氏體一臨界點以下存在的不穩(wěn)定的奧氏體

共析鋼的CCT曲線

0只有珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)

無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)

抗回火性又稱回火穩(wěn)定性。指淬火馬氏體回火各階段轉(zhuǎn)變遲滯，能在

較高溫度依然保持較高的強(qiáng)度與硬度的性質(zhì)。

二次硬化指在一定溫度回火后由于析出特殊碳化物導(dǎo)致的硬度再次增

加的性質(zhì)。合金鋼回火的二次硬化(500-600℃)

退火：將金屬與合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保持一定時間，緩慢冷卻以達(dá)

到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。

完全退火

將鋼件加熱到Ac3以上20-30℃,完全奧氏體化后，緩慢冷卻以獲得

近于平衡組織的熱處理工藝。

作用：細(xì)化晶粒，均勻組織，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，改善切削加工性

不完全退火

將鋼加熱到Acl~Ac3或Acl-Accm之間保溫后緩慢冷卻，以獲得接

近于平衡態(tài)組織的熱處理工藝。

球化退火

球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。

℃

Acl+(20-30)o

目的：降低硬度，改善切削性，為淬火做準(zhǔn)備

均勻化退火(擴(kuò)散退火)

將工件加熱到略低于固相線溫度長時間保溫后緩慢冷卻，以消除化學(xué)成

分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。

加熱溫度：Ac3(Accm)+150~300℃保溫時間：10~15h

均勻化退火后需用完全退火或正火糾正粗大組織

去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火

0去應(yīng)力退火：為去除由于形變加工、鍛造、焊接等引起的工件內(nèi)存在

的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。Acl以下，以500-650。(:加熱居多，退火

后應(yīng)緩冷

0再結(jié)晶退火：將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時

間，使變形晶粒重新變?yōu)榫鶆虻容S晶粒、消除加工硬化的熱處理工藝。

可用作合金與鋼件的中間退火，也可作為冷變形成品的最終熱處理使用

鋼材再結(jié)晶：650-700°。口熱，保溫l-3h空冷

正火：將鋼加熱到Ac3(Accm)以上適當(dāng)溫度，保溫后在空氣中

冷卻以得到珠光體類組織的熱處理工藝。

與完全退火相比：正火組織中P更多、更細(xì)小。正火后強(qiáng)度硬度更高

Ac3(Accm)+30-50℃

合金鋼Ac3+100~150℃

保溫：透燒

冷卻：空冷、風(fēng)冷、霧冷

正火的應(yīng)用

(1)消除熱加工缺陷(粗大晶粒、帶狀組織、魏氏組織)

(2)改善低碳鋼的切削加工性

(3)消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物

(4)提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能

退火、正火工藝的選用

首先考慮硬度的要求

滿足硬度要求后再考慮工藝的經(jīng)濟(jì)性的問題

低碳鋼，C%<0.25%,正火

中碳鋼，0.25%<C%<0.5%,正火

高碳鋼，0.5%<C%<0.75%,完全退火

過共析鋼，C%>0.75%,球化退火

消除過共析鋼組織中二次滲碳體，正火

一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理，正火

鋼的淬火淬火是指將鋼加熱到Acl或Ac3之上，保溫一定時間后以

大于臨界冷卻速度的冷卻方法冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱

處理工藝。

亞共析鋼：Ac3以上30~50℃

過共析鋼：Acl以上30~50℃

低合金鋼：通常Ac3(Acl)以上50~100℃

高合金鋼：考慮合金元素加入的作用溫度更高

0部分奧氏體化

0得到A+顆粒狀Fe3C

淬透性的含義指鋼淬火時獲得馬氏體的能力。

回火：將淬火鋼在A1以下某一溫度加熱保溫后冷卻到室溫，獲得穩(wěn)定

回火組織的熱處理工藝。

穩(wěn)定組織、尺寸、性能

消除或降低淬火應(yīng)力、降低脆性

獲得適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能的配合

回火的種類與應(yīng)用

。低溫回火(150?25(TC)

回火馬氏體

強(qiáng)硬耐磨，工具、刃具、齒輪、滾動軸承

0中溫回火(350?50(TC)

回火托氏體

彈性極限高，彈性元件、鍛模

0高溫回火(500?65(TC)(調(diào)質(zhì)=淬火+高溫回火)

回火索氏體

綜合力學(xué)性能優(yōu)秀，曲軸、連桿、主軸

L鋼的分類

用途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼

冶煉質(zhì)量：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼

脫氧程度：鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼

調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）強(qiáng)化后使用的鋼

中碳0.25-0.45%—保證強(qiáng)韌性

0合金元素

0Cr,Mn,Si,Ni,B

提高淬透性，提高強(qiáng)度

0WfMo,V,Ti

細(xì)化晶粒，減輕回火脆性

調(diào)質(zhì)鋼的熱處理45鋼制造普通車床主軸，工藝路線為

鍛造一預(yù)備熱處理一機(jī)加工一最終熱處理一裝配

典型預(yù)備熱處理與最終熱處理工藝組合：

正火或退火。調(diào)質(zhì)

正火或退火。調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火

①預(yù)備熱處理

0改善組織，便于切削加工

0正火或完全退火Ac3

0正火+高溫回火針對淬透性非常好的材料，獲得回火索氏體，便于

切削加工

②最終熱處理

調(diào)質(zhì)處理

獲得回火索氏體組織

保證綜合力學(xué)性能優(yōu)秀

熱處理工藝

AC3+30-50。（:加熱保溫，油淬（合金鋼）

500-650℃回火，油冷（合金鋼）

彈簧鋼的成分

中高碳0.6-0.9%（碳素鋼）

0.5-0.6%（合金鋼）

合金元素

Si,Mn提高淬透性、強(qiáng)度、回火抗力

Cr,V,W提高淬透性、回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒

i.熱成形彈簧

熱軋鋼絲鋼板制造：

下料-熱軋或熱卷成型-熱處理-噴丸-裝配

淬火+中溫回火（450-550°C）,1■回

加熱時應(yīng)防止氧化脫碳

噴丸：形成表面殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度

ii.冷成形彈簧

小截面彈簧可以直接冷卷成形

0原料是未強(qiáng)化態(tài)的（如退火鋼絲）

0冷成形后需進(jìn)行淬火+中溫回火處理

0原料是強(qiáng)化態(tài)的

0冷成形后需進(jìn)行回火：250~300℃

滾動軸承鋼

Cr<1.65w%

提高淬透性，形成合金滲碳體

滾動軸承的加工處理

0普通滾動軸承的加工工藝路線

鍛造一球化退火一機(jī)加工一

不完全淬火①+低溫回火一精磨+低溫回火②一裝配

0精磨后的低溫回火目的是消除磨削應(yīng)力，120?15003?5h

0精密軸承的工藝可改進(jìn)為

①不完全淬火+冷處理使Ar充分轉(zhuǎn)變

②精磨+穩(wěn)定化處理120~150℃f5-10h

工具鋼

0高碳保證硬度與耐磨性0.65-1.35%

0合金元素Cr,W,Mo,V

提高硬度與淬透性

0紅硬性

0熱處理特點

球化退火

淬火（+冷處理）+回火

碳素工具鋼的熱處理

0球化退火

0不完全淬火+低溫回火

高速鋼

i.化學(xué)成分

0高碳0.7—1.5%

0高合金W、M。、Cr、V等

0形成碳化物:VC,W2C,Mo2C

0產(chǎn)生二次硬化，提高紅硬性

0提高淬透性

ii.一般加工工藝路線

0下料一反復(fù)鍛造一球化退火一機(jī)加工一不完全淬火+多次

回火

反復(fù)鍛造打碎粗大共晶碳化物，使其均勻分布

影響

點缺陷對性能的影響

晶格畸變與缺陷強(qiáng)化

電阻率升高

加速擴(kuò)散，影響相變

增加過冷度可以：增加結(jié)晶驅(qū)動力，降低均勻形核要求的結(jié)構(gòu)起伏

與能量起伏。故：在一定范圍內(nèi)增加過冷度有利于均勻形核

接觸角對形核的影響

e=0,完全潤濕，不需形核功

e=n,非均勻晶核為球體，為均勻形核

固體雜質(zhì)表面形狀對形核的影響

非均勻形核的形核率

過熱度的