第2章金属热处理和表面改性
学习目标
了解金属热处理和表面改性的目的
掌握整体热处理中退火、正火、淬火和回火的工艺方法和应用
了解常用表面热处理的方法
了解常用表面改性的技术方法
内容提要
本章重点介绍了退火、正火、淬火和回火的工艺原理和应用，简要介绍了表面淬火和化学热处理的工艺方法和应用，探讨了表面改性技术的基本知识。
2.1 概述
热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。
在机械制造中，热处理起着十分重要的作用，是零件的制造工艺中一道重要的工序，如在汽车、拖拉机制造中有70%-80%的零件需经热处理。运用热处理工艺可进一步提高金属材料的性能，保证产品的质量，延长产品的使用寿命，充分挖掘钢材的潜力。
钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。虽然热处理方法较多，但其过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。它们都可以通过热处理工艺曲线表示，见图2.1。
图2.1 钢热处理工艺规范曲线
2.2 退火与正火
2.2.1 退火
退火是将工件加热到一定温度，保持一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是：降低硬度，改善切削加工性能；细化晶粒、改善组织，提高力学性能；消除内应力，并为后续热处理作好组织准备。在生产中，退火工艺根据退火目的的不同，常用的有以下三种：完全退火、球化退火和去应力退火。
退火最常用的是电阻炉，电阻炉有箱式电阻炉和井式电阻炉，见图2.2和图2.3。实际操作时必须注意以下几点：
（１）退火时加热温度要准确。因为温度过高会造成过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷；温度过低，达不到退火的目的。
（２）工件装炉时要注意工件的放置方法。如对于细长工件的稳定尺寸退火，一定要在井式炉中垂直吊置，以防工件由于自身重量所引起的变形。
（３）装炉和出炉时注意不要触碰电阻丝，以免短路。
图2.2 箱式电阻炉图2.3 井式电阻炉
1-热电偶 2-炉壳 3-炉门 4-电热元件 1-升降机构 2-炉盖 3-风扇 4-工件 5-炉体5-炉膛 6-耐火砖 6-炉膛 7-电热元件 8-装料筐
2.2.2 正火
正火是将工件加热到一定温度(780—920℃)，保温后空气中冷却的热处理工艺。正火的冷却速度要比退火快，所获得的组织比退火更细，因此强度和硬度有所提高。对于低碳钢工件，正火可以提高硬度，使其具有良好的切削加工性能；而对于中碳钢和高碳钢，因正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺，但对于中碳钢小型工件用正火代替退火可以节能；对于比较重要的零件，正火可以作为淬火前的预备热处理；对于性能要求不高的碳钢工件，正火也可作为最终热处理。
示范和实践内容：
（1）正火的装炉方式、加热速度、保温时间的选择与控制与退火同，但加热温度和冷却方式不同。
（2）正火除空冷外，还可采用风冷(如风扇吹)、喷雾冷却等。
2.3 淬火与回火
2.3.1 淬火
淬火是将工件加热到某一温度，保温一定时间，然后在水或油中快速冷却，以获得马
氏体组织的热处理工艺。淬火的主要目的是提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火
后获得高硬度与一定韧性相结合的性能。淬火的冷却速度主要取决于淬火剂，常用的淬
火剂有水、油等。淬火后，一般要经回火后才能使用。
示范和实践内容：
（１）热处理操作前，有些工件需要进行正确捆扎，错误的捆扎会使加热后的工件因
自重将孔拉长变形，见图2.4。
（２）加热时温度必须选择恰当，选择时依据不同的工件材料而定。
（３）根据工件的技术要求，选择合适的加热设备。常用的加热设备有电阻炉、盐浴炉等。
（4）根据工件几何形状和尺寸大小，装炉方式、加热设备，选择适当的加热保温时间。
（５）选择适当的淬火剂，水作为淬火剂，适用于一般碳钢的淬火，向水中加入少量盐，还可进一步提高其冷却能力；油作为淬火剂，适用于合金钢淬火或双液淬火。
（６）要注意工件浸入淬火剂的方式，若浸入方式不正确，可能会造成极大内应力，甚至使工件发生变形和开裂，或产生局部淬不硬等缺陷。例如，厚薄不匀的工件，厚的部
分应先浸入淬火剂中；细长的工件应垂直地浸入淬火剂中；薄而平的工件必须立着放入淬
火剂中；薄壁环状工件，浸入淬火剂时，它的轴线必须垂直于液面；截面不匀的工件应斜
着放下去，使工件各部分的冷却速度趋于一致等。各种不同形状的工件在淬火时浸入的方
式见图2.5。
图2. 4 热处理工件捆扎法图2. 5 工件浸入淬火剂的正确方法
2.3.2回火
将淬火后的工件重新加热到某一温度，经保温后在油中或空气中冷却的操作称回火。回火的目的是减少或消除工件在淬火时所形成的内应力，降低淬火钢的脆性，调整工件的
力学性能，稳定工件尺寸。回火操作主要是控制回火温度，回火温度越高，工件的韧性愈好，内应力愈小，但硬度和强度下降得愈多。根据回火时加热温度不同，可分为以下三种：１.低温回火回火温度150—250℃，其主要目的是为了减少工件淬火后的内应力和脆性，而保持钢在淬火后得到的高硬度和高耐磨性。低温回火适用于刃具、量具、冷冲模具和滚动轴承等。
２. 中温回火回火温度为350—500℃，其主要的目的是提高钢的弹性屈服极限，大大减少工件的内应力，同时又具有一定的韧性和硬度。它一般适用于热锻模、弹簧等热处理。
３. 高温回火回火温度为500—650℃，习惯上把淬火加高温回火称为调质，其主要目
的是为了获得既有一定的强度和硬度，又有良好的塑性和韧性相配合的综合力学性能。它广泛用于中碳钢、合金钢制造的重要结构零件如轴、齿轮、连杆等的热处理。
示范和实践内容：
（１）回火时加热温度要选择适当，保温时间的确定，其基本原则是保证热透并且组织充分转变，但不得少于半小时。
（２）回火后冷却一般对性能影响不大，大多采用空冷，但重要的工件，为了防止产生应力可缓冷，特别是某些含有硅、锰、鉻等元素的合金钢，为了避免回火脆性，往往要求快冷(水冷或油冷)，为消除内应力再补充低温回火。
2.4 表面热处理
某些零件的使用要求是表面应具有高硬度、高强度、高耐磨性和抗疲劳性能，而心部保持一定的强度、硬度条件下应具有足够的塑性和韧性，这就需要采用表面热处理的方法。表面热处理在生产实践中应用较广泛的是表面淬火和化学热处理。
2.4.1 表面淬火
钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度，然后快速冷却下来的热处理工艺。表面淬火主要适用于中碳钢和中碳低合金钢如45、40Cr等。通常，工件在表面淬火前均须进行正火或调质处理。这样，不仅可以保证其表面的高硬度和高耐磨性，而且可以保证心部的强度和韧性。
表面淬火通常采用电感应加热和火焰加热两种，实际生产中最常用的是电感应加热。感应加热表面淬火见图2. 6所示。
图2.6 感应加热表面淬火示意图
示范和实践内容：
（１）感应加热淬火前须进行调质处理。
（２）根据工件的形状和大小选择一个合适的感应圈。
（３）淬火后工件要及时回火。
2.4.2 化学热处理
化学热处理是将工件置于某种化学活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，改变其化学成分，达到改变表面组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的不同，化
学热处理的种类有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。目前，工业生产上最常用的是渗碳、氮化和碳氮共渗这三种。
渗碳是将低碳钢制工件放入高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的化学热处理工艺。钢件渗碳后，尚需进行淬火和低温回火，使表面具有高硬度、高耐磨性，而心部却保持良好的塑性和韧性。渗碳适用于高速齿轮、凸轮等。常用的渗碳材料有15、20、20Cr、20CrMnTi 等。气体渗碳炉见图2. 7。
渗氮是将工件放入高氮介质中加热、保温以获得高氮表层的化学热处理工艺，又称氮化。氮化后，零件表面形成一层氮化物，不需淬火便具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性和一定的耐蚀性，而且变形很小。氮化广泛用于精密量具、高精度镗床主轴等。最常用的氮化钢是38CrMoAl.。
碳氮共渗是使工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺，又称氰化。目前应用较多的是气体碳氮共渗，它包括高温碳氮共渗和低温碳氮共渗。高温碳氮共渗以渗碳为主，处理后再进行淬火和低温回火；低温碳氮共渗以渗氮为主。碳氮共渗用的主要产品是渗碳钢如20CrMnTi等。
图2. 7 气体渗碳炉示意图
1-风扇 2-炉盖升降机构 3-滴量器 4-废气引出管 5-炉盖
6-炉罐 7-炉膛 8-工件挂具 9-工件 10-电热元件 11-炉体
示范和实践内容：
（１）装炉前工件表面上的油污、污物、氧化皮、锈斑等有害物质要清理干净。
（２）装炉时，工件之间的距离要保持适当，以保证气氛流通和温度均匀。
（３）严格按照工艺要求控制温度、时间、渗剂流量。
（４）要及时检查试样处理情况。
（５）一炉工件处理完毕要抽查工件的硬度、金相组织和渗层深度。
2.5 金属表面改性
表面改性是利用各种物理、化学或机械的方法，使金属获得特殊的成分、组织结构和性能的表面，以提高金属的使用寿命的技术
2.5.1 零件的表面氧化处理
零件的氧化处理是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理,使其表面生成一层均匀的蓝
黑色或黑色膜层的过程,也称钢铁的“发蓝”或“发黑”。
发黑方法采用含有亚硝酸钠的浓碱性处理液,在140℃左右的温度下处理15min～90min,高温化学氧化得到的是以磁性氧化铁（Fe3O4）为主的氧化膜，膜厚一般只有0.5μm～1.5μm，最厚可达2.5μm。氧化膜具有较好的吸附性，将氧化膜浸油或作其他处理，其耐蚀性可大大提高。由于氧化膜很薄，对零件尺寸和精度几乎沒有影响，因此在精密仪器、光学仪器、武器及机械制造业中得到广泛应用。
钢铁零件的表面氧化处理工艺见表2.1。
表2.1 钢铁零件表面氧化工艺
2.5.2 零件的表面镀镍处理
用还原剂将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到钢铁零件上面的方法称为镀镍。
以次磷酸盐为还原剂的表面镀镍溶液有两种类型：酸性镀液和碱性镀液。酸性镀液的特点是溶液比较稳定易于控制，沉积速度较快，镀层中磷的质量分数较高（２％－11％）。碱性镀液中的PH值范围比较宽，镀层中磷的质量分数较低（3％－7％），但镀液对杂质比较敏感，稳定性较差，难维护，所以这类镀液不常用。表2.2列出了这两种镀液的典型工
艺规范。
表2.2 次磷酸钠镀镍工艺规范
2.5.3 零件的表面磷化处理
把金属放入含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于
水的磷酸盐保护层的方法，称为金属的磷酸盐处理，简称磷化。磷化膜层为微孔结构，与基体结合牢固，具有良好的吸附性、润滑性、耐蚀性、不粘附熔融金属（Sn、Al、Zn）性及较高的电绝缘性等。磷化膜主要用在涂料的底层，金属加工的润滑层、金属表面保护层以及用作电机硅钢片的绝缘处理，压铸模具的防粘处理等。磷化膜厚度一般为5μm～20μm。磷化处理所需设备简单，操作方便，成本低，生产效率高，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造及家电等工业生产中。
钢铁零件磷化处理的配方及工艺规范见表2.3。
表2.3 钢铁零件磷化处理的配方及工艺规范
①点数相当于滴点10ml磷化液，使指示剂在PH3.8(对游离酸度)和PH8.2(对总酸度)变色时所消耗浓度为0.1mol/L氢氧化
钠溶液的毫升数。
从表2.3可知，磷化工艺主要有：高温、中温和常温磷化，根据对钢铁零件表面磷化膜的不同要求，生产选用不同的磷化工艺。高温磷化的优点是膜层较厚，膜层的耐蚀性、耐热性、结合性和硬度都比较高好，磷化速度快；缺点是溶液的工作温度高，能耗大，溶液蒸发量大，成分变化快，常需调整，且结晶粗细不均匀。中温磷化的优点是膜层的耐蚀性接近高温磷化膜，溶液稳定，磷化速度快，生产效率高；缺点是溶液较复杂，调整较麻烦。常温磷化的优点是节约能源，成本低，溶液稳定；缺点是耐蚀性较差，结合力欠佳，处理时间较长，效率低。
2.5.4 零件先进改性技术简介
2.5.4.1塑料涂敷
塑料涂敷已广泛用于各种金属结构的涂装，主要起良好的防蚀作用。本节对塑料涂敷作简单介绍。
１.塑料粉末涂料
⑴热固性粉末涂料
它主要有环氧树脂系、聚脂系、丙烯酸树脂系等，这些树脂能与固化剂交联后成为大分子网状结构，从而得到不溶、不熔的坚韧而牢固的保护涂层，适于性能要求较高的防腐性或
装饰性的器材表面。
⑵热塑性粉末涂料
它由热塑性合成树脂作为主要膜物质，特别是一些不能为溶剂溶解的合成树脂如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、碳氟树脂以及其他工程塑料粉末等。这种涂料经熔化、流平，在水或空气中冷却即可固化成膜，配方中不加固化剂。
２.塑料粉末涂敷方法
⑴静电喷涂法
它是利用高压静电电晕电场，在喷枪头部金属上接高压负极，被涂金属工件接地形成正极，两者之间施加30KV～90KV电压,形成较强的静电场。当塑料粉末从储粉筒经输粉管送到喷枪的导流杯时，导流杯上的高压负极产生电晕放电，由密集电荷使粉末带上负电荷，然后粉末在静电和压缩空气的作用下飞向工件（正极）。随着粉末沉积层的不断增加，达到一定厚度时，最表面的粉末电荷与新飞来的粉末同性而相斥，于是不再增加厚度。这时，将附着在工件表面的粉末层加热到一定温度，使之熔融流平并固化后形成均匀、连续、平滑的涂层。
该方法不需预热工件，粉末利用率高达90％以上，涂层薄而均匀且易于控制，无流挂现象，可手工操作也可以用于自动流水线。在防腐、装饰以及绝缘、导电、耐热等方面应用广泛。
⑵流动浸塑法
它是将塑料粉末放入底部透气的容器，下面通入压缩空气使粉末悬浮于一定高度，然后把预先加热到塑料粉末熔融温度以上的工件浸入这个容器中，塑料粉末就均匀地附于工件表面，浸渍一定时间后取出并进行机械振荡，除掉多余粉末，最后送入塑化流平、塑化再出炉冷却，得到均匀的涂层。
该方法要求塑料粉末有合适的粒度，良好的流平性，优良的化学稳定性，无毒，稳定的储存性。
该方法的优点是耗能小，无污染，效率高，质量好，涂层厚，耐久，耐蚀，设备简单，用途广泛。
2.5.4.2激光表面处理
激光表面处理是高能密度表面处理技术中的一种主要手段。激光表面处理的目的是改变表面层的成分和显微结构，激光表面处理工艺包括激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等，从而提高表面性能，以适应基体材料的需求。
1．激光表面处理设备
激光表面处理设备包括激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。
2．激光表面处理技术
激光束向金属表面层的热传递，是通过“逆韧致辐射效应”实现的，金属表层和其所吸收的激光进行光－热转换。由于光子能通过金属的能力极低（仅为10－4mm的数量级），故仅能使其极表面的一薄层温度升高。在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度可在微秒级时间内就能达到相变或熔化温度。这样形成热层的时间远小于激光实际辐射的时间，其厚度明显远低于硬化层的深度。
在激光处理表面前，必须对工件表面进行涂层或其他处理。常用的预处理方法有：磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料（如胶体石墨、含炭黑和硅酸的涂料等）。
激光处理工艺及应用主要有：激光表面强化；激光表面涂敷；激光表面非晶态处理；激光表面合金化；激光气相沉积。
2.6 热处理车间安全技术规则
1. 操作前，首先要熟悉热处理工艺规程和所使用的设备。
2. 操作工一定要穿戴好防护用品，如工作服、手套、防护眼镜等。参观学习者严禁乱动，必须离工作点1.5米。
3. 注意工件放人盐浴炉时，必须先烘烤消除水份。
4. 设备危险区如电炉的电源导线、配电屏、调整仪表等不得随便触动，以免发生事故。
5. 热处理的工件，不能用手去摸，以免工件未冷而造成灼伤。
复习思考题
1 什么情况下可用正火代替退火？
2 淬火后为什么要回火？以下工件应采用何种回火方法？
(1) 錾子；
(2) 齿轮轴；
(3) 冷冲模；
(4) 弹簧。
3 在下列工作条件下的齿轮，应选用何种材料及热处理工艺？
(1) 轻载、无冲击的低速齿轮；
(2) 要求心部韧性好，齿形表面耐磨的齿轮。
4 选择一种在实习中常见的机器或部件如车床分析其中的轴、齿轮、箱体等零件所用材料及热处理方法。
5 零件发黑的前处理如何进行？
6 硫酸镍电镀液在PH值较低，PH〈2下对零件镀镍有何影响？
7 铜质组件焊锡后的表面上如何镀镍？
8 零件表面磷化处理后，还需要什么样的后处理工作？
第十章钢的热处理工艺 10-1 何谓钢的退火？退火种类及用途如何？ 答： 钢的退火：退火是将钢加热至临界点AC1以上或以下温度，保温一定时间以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 退火种类：根据加热温度可以分为在临界温度AC1以上或以下的退火，前者包括完全退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火，后者包括再结晶退火、去应力退火，根据冷却方式可以分为等温退火和连续冷却退火。 退火用途： 1、完全退火：完全退火是将钢加热至AC3以上20-30℃，保温足够长时间，使 组织完全奥氏体化后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 其主要应用于亚共析钢，其目的是细化晶粒、消除应力和加工硬化、提高塑韧性、均匀钢的化学成分和组织、改善钢的切削加工性能，消除中碳结构钢中的魏氏组织、带状组织等缺陷。 2、不完全退火：不完全退火是将钢加热至AC1- AC3（亚共析钢）或AC1-ACcm （过共析钢）之间，保温一定时间以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。对于亚共析钢，如果钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火达到消除应力、降低硬度的目的。对于过共析钢，不完全退火主要是为了获得球状珠光体组织，以消除应力、降低硬度，改善切削加工性能。 3、球化退火：球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的热处理工艺。 主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、改善切削加工性能，均匀组织、为淬火做组织准备。 4、均匀化退火：又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻轧坯加热至略低于固相 线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。 5、再结晶退火：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当时间，然后 缓慢冷却至室温的热处理工艺。其目的是使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留应力，使钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。 6、去应力退火：在冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，保温一段时间 然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。其主要目的是消除铸件、锻轧件、焊接件及机械加工工件中的残留应力（主要是第一类应力），以提高尺寸稳定性，减小工件变形和开裂的倾向。 10-2 何谓钢的正火？目的如何？有何应用？ 答： 钢的正火：正火是将钢加热到AC3或Accm以上适当温度，保温适当时间进行完全奥氏体化以后，以较快速度（空冷、风冷或喷雾）冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。 目的：细化晶粒、均匀成分和组织、消除应力、调整硬度、消除魏氏组织、带状组织、网状碳化物等缺陷，为最终热处理提供合适的组织状态。
第二章珠光体转变 共析碳钢加热奥氏体化后，在共析温度以下冷却时，奥氏体可发生三种基本的转变：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。这三种转变得到的组织中，马氏体硬度最高，贝氏体次高，珠光体最低。 图2-1是实测的共析钢奥氏体等温冷却转变曲线的示意图（也称等温C曲线），图中三条线分别表示转变开始线、转变终了线和马氏体转变开始温度。奥氏体在A1以下不同温度等温冷却时，将发生以下转变：A1~550℃珠光体转变，550℃~Ms之间为贝氏体转变。在Ms以下则发生马氏体转变。珠光体区又分为粗珠光体P、细珠光体 S (也称索氏体)、极细珠光体T (也称托氏体)；贝氏体区分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。如将共析钢工件冷至650℃并等温，当等温时间与珠光体转变开始曲线相交时，奥氏体将开始发生珠光体转变，转变为细珠光体S；此后，随等温时间延长，奥氏体不断减少、S不断增多，当等温至与珠光体转变终了曲线相交时，奥氏体全部转变为S。 图2-1 共析碳钢等温转变曲线示意图 本章主要介绍珠光体组织形态、形成过程、影响因素及力学性能等。 第一节珠光体组织形态和力学性能 一、珠光体组织形态 当含碳量为0.77%的奥氏体冷却到A1温度以下时,发生共析转变,分解为片状的铁素体和渗碳体交替重叠组成的共析组织(见图2-2)。这种组织经浸蚀后,在光学显微镜下观察,其金相形态酷似珍珠母产生的光学效果,故而得名珠光体。珠光体组织中铁素体和渗碳体的体积比约为7:1，故铁素体片总是比渗碳体厚。
图2-2 共析碳钢片状珠光体 500X 珠光体的金相组织中有许多片层排列位向大致相同的小区域（见图2-3），称为珠光体领域或珠光体团。在一个原奥氏体晶粒内，可形成几个位向不同的珠光体团。相邻两渗碳体（或铁素体）片中心之间的距离S0，称珠光体片层间距（见图2-3a所示）。片层间距S0是影响珠光体力学性能的一个重要参数。实验表明，珠光体团的尺寸随原奥氏体晶粒尺寸减小而减小。 图2-3 珠光体片层间距和珠光体团示意图 a）珠光体片层间距S。 b）珠光体团 通常所说的珠光体组织粗细，是指组织中渗碳体和铁素体片层厚薄程度不同，也就是珠光体片层间距大小的不同。如前已述及的组织中的珠光体、索氏体和托氏体组织，实质上都是渗碳体和铁素体交替重叠组成的片状组织，只是片层间距大小不同而已（见表2-1）。 由表中数据可以看出，转变温度愈低，片间距愈小（即珠光体组织愈细），硬度愈高。较高温度下，形成的珠光体组织，片间距较大，在通常光学显微镜下观察，就能清楚分辨片层组织形态。在较低温度形成的索氏体组织，在显微镜放大至600倍以上，才能分辨其片层组织形态。如果转变温度更低，形成托氏体组织，其片层组织更细小，即使在高倍的光学显微镜下也分辨不出其片层形态，只能看到其总体是一团黑，必须用高倍率的电子显微镜才能分辨出极薄的渗碳体和铁素体片。 在工业用钢中，还可见到另一种形态的珠光体组织，在铁素体上均匀分布着球粒状碳化物，称为粒状珠光体，见图2-4。粒状珠光体一般是经球化退火后获得的组织。球化退火工艺不同，获得
金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法, 铸锭三晶区
的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据Rk= 1..，T可知当过冷度T为零时临界晶核半 径R k为无穷大，临界形核功（1订2 ）也为无穷大。临界晶核半径R k与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。 基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律：f = c -p + 1其中，f为自由度数，c为组元数，p为相数。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。 合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 四、铁碳合金 重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算 基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。 钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算；五种渗碳体的来源及形态。
第一章金属及合金的晶体结构 一、名词解释: 1 ?晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。 2?非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。 3 ?晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4?晶胞：构成晶格的最基本单元。 5. 单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。 6?多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。 7?晶界：晶粒和晶粒之间的界面。 8. 合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。 9. 组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 10. 相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。 11. 组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。 12. 固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相 、填空题: 1 .晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。 2?常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。 3?实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 4?根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 5?置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。 6 ?合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。 7. 同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光—泽，正的电阻温度系数。 8. 金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。 9. 位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的 10. 在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、(210)> (201)、
“钢的热处理原理及工艺”作业题 第一章固态相变概论 1、扩散型相变和无扩散型相变各有哪些特点？ 2、说明晶界和晶体缺陷对固态相变成核的影响。 3、说明相界面和应变能在固态相变中的作用，并讨论它们对新相形状的影响。 4、固－固相变的等温转变动力学曲线是“C”形的原因是什么？ 第二章奥氏体形成 1、为何共析钢当奥氏体刚刚完成时还会有部分渗碳体残存？亚共析钢加热转变时是否也存在碳化物溶解阶段？ 2、连续加热和等温加热时，奥氏体形成过程有何异同？加热速度对奥氏体形成过程有何影响？ 3、试说明碳钢和合金钢奥氏体形成的异同。 4、试设计用金相－硬度法测定40钢和T12钢临界点的方案。 5、将40、60、60Mn钢加热到860℃并保温相同时间，试问哪一种钢的奥氏体晶粒大一些？ 6、有一结构钢，经正常加热奥氏体化后发现有混晶现象，试分析可能原因。 第三章珠光体转变 1、珠光体形成的热力学特点有哪些？相变主要阻力是什么？试分析片间距S与过冷度△T的关系。 2、珠光体片层厚薄对机械性能有什么影响？珠光体团直径大小对机械性能影响如何？ 3、某一GCr15钢制零件经等温球化退火后，发现其组织中除有球状珠光体外，还有部分细片状珠光体，试分析其原因。 4、将40、40Cr、40CrNiMo钢同时加热到860℃奥氏体化后，以同样冷却速度使之发生珠光体转变，它们的片层间距和硬度有无差异？ 5、试述先共析网状铁素体和网状渗碳体的形成条件及形成过程。 6、为达到下列目的，应分别采取何热处理方法？ （1）为改善低、中、高碳钢的切削加工性； （2）经冷轧的低碳钢板要求提高塑性便于继续变形； （3）锻造过热的60钢毛坯为细化其晶粒； （4）要消除T12钢中的网状渗碳体； 第四章、马氏体转变
第一章习题 1作图表示出立方晶系(1 2 3)、(0 -1 -2)、(4 2 1)等晶面和［-1 0 2］ ［-2 1 1］、［3 4 6］等晶向 面心立方原子半径 R=Z2a/4贝卩a=4R/V2代入上式有 R=0.146X4R/ V 2=0.414R 10?已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为 0.286nm 和0.3607nm,求 1cm3中铁和铜的原子数。 解：室温下Fe 为体心立方晶体结构，一个晶胞中含 2个Fe 原子， Cu 为面心立方晶体结构， 一个晶胞中含有4个Cu 原子 1cm3=1021 nm3 解：面心立方八面体间隙半径 r=a/2-V 2a/4=0.146a
令1cm3中含Fe的原子数为N Fe,含Cu的原子数为N Cu，室温下一个Fe的晶胞题解为V F e, 一个Cu晶胞的体积为V皿贝S N Fe=1021/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x1018 N cu=1021/V cu=1021/(0.3607)3=2.8X1018 11一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错，试说明之。 解：不能，因为位错环上各点的位错运动方向是不一样的，而柏氏矢量的方向是确定的。 15?有一正方形位错线，其柏式矢量如图所示，试指出图中各段线的性能，并指出任性位错额外串排原子面所在的位置。 AD、BC段为刃型位错; DC、AB段为螺型位错 AD段额外半原子面垂直直面向里 BC段额外半原子面垂直直面向外 第二章习题 1?证明均匀形核时，形成临界晶粒的△ Gk与其体积V之间的关系
（1）为△ G k = V/2△ G v 证明：由均匀形核体系自由能的变化 可知，形成半径为r k的球状临界晶粒，自由度变化为W —斗咖。+忸9 （2）对（2）进行微分处理，有 4 * d（AG）川一§ 叼"J 第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答： 2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答： 2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。 2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。 2、在负温度梯度下： 具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答： 三晶区的形成原因及各晶区特点： 一、表层细晶区 第一章习题 1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向 3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。 解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a 化为最小简单整数分别为2,5,5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5） 4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面 解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3 三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0） 7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633 证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示 则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a 因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE 由于(BC)2=(CE)2+(BE)2 则 有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即 因此c/a=√8/3=1.633 8.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R 解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a 面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有 R=0.146X4R/√2=0.414R 9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。 解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V面、V 踢与a面、a体，钢球的半径为r，由晶体结构可知， 对于面心晶胞有4r=√2a面，a面=2√2/2r，V面=（a面）3=（2√2r）3 对于体心晶胞有4r=√3a体，a体=4√3/3r，V体=（a体）3=（4√3/3r）3 则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀△V为 △V=2×V体-V面=2.01r3 B）按照晶格常数计算实际转变体积膨胀△V 实 ，有 △V 实=2△V 体 -V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3 实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由γ-Fe转化为α-Fe时,Fe原子的半径发生了变化，原子半径减小了。 10.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm，求1cm3中铁和铜的原子数。 解：室温下Fe为体心立方晶体结构，一个晶胞中含2个Fe原子，Cu为面心立方晶体结构，一个晶胞中含有4个Cu原子 1cm3=1021nm3 令1cm3中含Fe的原子数为N Fe，含Cu的原子数为N Cu，室温下一个Fe 的晶胞题解为V Fe，一个Cu晶胞的体积为V Cu，则 N Fe=1021/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x1018 N Cu=1021/V Cu=1021/(0.3607)3=2.8X1018 11.一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错，试说明之。 解：不能，看混合型位错 13.试计算{110}晶面的原子密度和[111]晶向原子密度。 解：以体心立方{110}晶面为例 {110}晶面的面积S=a x √2a {110}晶面上计算面积S内的原子数N=2 则{110}晶面的原子密度为ρ=N/S= √2a-2 [111]晶向的原子密度ρ=2/√3a 第一章 1?作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1-2）、（4 2 1）等晶面和［-1 0 2］、 今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。 解：设X方向的截距为5a, Y方向的截距为2a,则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a,取截距的倒数，分别为 1/5a，1/2a, 1/2a 化为最小简单整数分别为2,5,5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5） 4体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1） 晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面 3?某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数 解：（1 0 0）面间距为a/2, （1 1 0）面间距为"2a/2, （1 1 1）面间距为"3a/3 三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0） 7证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633 证明：理想密排六方晶格配位数为12,即晶胞上底面中心原子 与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示 贝卩OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a 因厶ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE 由于(BC)2=(CE)2+(BE)2 有(CD)2=(OC)2+(1/2C)2，即 I /T J (CU)(c)2- ' 3 2 因此c/a=V8/3=1.633 8?试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R 解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-v2a/4=0.146a 面心立方原子半径R二辺a/4，贝卩a=4R/\2，代入上式有 R=0.146X4R/ V2=0.414R 9. a ）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经X射线测定，在912C时丫-Fe的晶格常数为0.3633nm, a -Fe的晶格常数为0.2892nm,当由丫-Fe转化为a -Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。 解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别 为V面、V踢与a面、a体，钢球的半径为r，由晶体结构可知，对于面心晶胞有 4r=辺a 面，a 面=2辺/2r, V 面二（a 面）3= （2辺r）3 对于体心晶胞有 4r= \3a 体，a 体=4v3/3r, V 体二（a 体）3= （4\3/3r）3 则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀厶V为 △V=2X V体-V 面=2.01r3 B）按照晶格常数计算实际转变体积膨胀厶V实，有 △V实=2^ V体-V 面=2x（0.2892）3-（0.3633）3=0.000425nm3 实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由丫-Fe转化为a -Fe时,Fe原子的半径发生了变化，原子半径减小了。 10. 已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm,求 一.名词解释 弹性模量、弹性极限、屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、冲击韧性、布氏硬度、洛氏硬度、韧脆转变、韧催转变温度、疲劳、断裂韧性 二、填空题 1.材料常用的塑性指标有________和________两种，其中_________表示塑性更接近硬度。 2.检验淬火钢成品件的硬度一般用________硬度，而布氏硬度适用于测定_______的硬度。 3.零件表面加工质量对其________性能有很大的影响。 4.材料性能是指________性_________性_________性和___________性。 5.表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是_________，其单位是___________。 三、选择题 1.在设计拖拉机缸盖螺钉时应选用的强度指标是（） A.σb B、σs C、σ0.2 D、σp 2.有一碳钢支架刚性不足，解决办法是（） A、通过热处理强化 B、选用合金钢 C、增加横截面积 D、在冷加工状态下使用 3.材料的使用温度（） A、应在其韧脆转变温度以上 B、应在其韧脆转变温度以下 C、应与其韧脆转变温度相等 D、与其韧脆转变温度无关 4.汽车后半轴热处理后冷校直，造成力学性能指标下降，主要是（） A、σb B、δ C、σ-1 D、HB 5.在有关工件的图纸上，出现了以下几种硬度技术条件的标注方法，其中正确的是（） A、500HBS B、HV800 C、12~15HRC D、229HB 四、判断题 1、所有金属材料都有明显的屈服现象。（） 2、同种材料不同尺寸试样所测得的伸长率相同。（） 3、σ0.2是机械零件的设计依据，如果使用σb代替，则应选择较大的安全系数。（） 五、计算题 1.一根直径为 2.5mm、长为3m的钢丝，受4900N拉伸载荷作用后的变形量是多少？ （钢丝的变形为弹性变形，其弹性模量为205000MN/m2）[提示：参考第一部分第一章的例题1] 六、简答题 1.如何提高金属材料的刚度和疲劳寿命？ 2.韧脆转变在工程上有何意义？ 金属学与热处理 第一章习题 1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向 3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。 解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为 1/5a，1/2a，1/2a 化为最小简单整数分别为2,5,5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5） 4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面 解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3 三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0） 7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633 证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示 则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a 因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE 由于(BC)2=(CE)2+(BE)2 则 有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即 因此c/a=√8/3=1.633 8.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R 解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a 面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有 R=0.146X4R/√2=0.414R 9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。 热处理原理与工艺课后习题 第一章 一．填空题 1.奥氏体形成的热力条件（）。只有在一定的（）条件下才能转变为奥氏体。（）越大，驱动力越大，奥氏体转变速度越快。 2.共析奥氏体形成过程包括（）（）（）和（）四个阶段。 3.( )钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向小，而（）钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向小。 4.本质晶粒度是钢的热处理工艺性能之一，对于（）钢可有较宽的热处理加工范围，对于（）钢则必须严格控制加热温度，以免引起晶粒粗化而是性能变坏。 5.（）晶粒度对钢件冷却后的组织和性能影响较大。 6.控制奥氏体晶粒长大的途径主要有（）（）( )( )和（）。 7.（）遗传对热处理工件危害很大，它强烈降低钢的强韧性，使之变脆，必须避免和消除。、 二、判断正误并简述原因 1.奥氏体晶核是在珠光体中各处均匀形成的。（） 2.钢中碳含量越高，奥氏体转变速度越快，完全奥氏体化所需时间越 短。（） 3.同一种钢，原始组织越细，奥氏体转变速度越慢。（） 4.本质细晶粒钢的晶粒在任何加热条件下均比本质粗晶粒钢细小。（） 5.在一定加热的温度下，随温度时间延长，晶粒将不断长大。（） 6.所有合金元素都可阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒。（） 三、选择题 1.Ac1、A1、Ar1的关系是__________。 A．.Ac1>A>1Ar1 B. Ar1>A1>Ac1 C.A1>Ar1>Ac1 D.A1>Ac1>Ar1 2. Ac1、Ac3、Ac cm是实际（）时的临界点。 A. 冷却 B.加热 C.平衡 D.保温 3.本质晶粒度是指在规定的条件下测得的奥氏体晶粒（） A.长大速度 B. 大小 C. 起始尺寸 D. 长大极限 4.实际上产中，在某一具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为（） A. 起始晶粒度 B.本质晶粒度 C.实际晶粒度 D.名义晶粒度 四、简答题 1.以共析碳钢为例，说明：1.奥氏体的形成过程； 2. 奥氏体晶核为什 钢的热处理总结 晶向指数[UVW]，晶向族 6. 能量起伏：液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。 7. 均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，是液态金属绝对纯净、无任何杂质，喝不喝型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接生核的理想过程。临界半径 8. 非均匀形核：液态金属中总是存在一些微小的固相杂质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，需要的过冷度较小。 临界半径 非均匀形核的临界球冠半径与均匀形核的临界半径是相等的。 晶核长大的微观结构：光滑界面和粗糙界面。 晶粒大小的控制：控制过冷度；变质处理；振动、搅动。 表面细晶区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。 柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。 中心等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。 10. 固溶体与金属化合物的区别：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。固溶体相对来说塑韧性好，硬度较低，金属化合物硬而脆。 11. 影响置换固溶体溶解度的因素：原子尺寸因素；电负性因素；电子浓度因素；晶体结构因素。 第一章固态相变原理 一．基本概念 相变：物质从一种相转变为另一种相的过程 固态相变：固态金属在一定压力温度下，内部组织结构发生改变的现象 一级相变：在发生相变时，有体积的变化同时有热量的吸收或释放的相变 二级相变：在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化的相变共析相变：由一个固相分解为两个固相的转变 沉淀析出：在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和(或)由之脱溶出微粒的过程调幅分解：过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程 扩散型相变：温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变 非扩散型相变：相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的过程。 相变驱动力：指母相在一定条件下通过相变转变为新相时的自由能降低量ΔG 相变势垒：相变时改组晶格所必须克服的原子间引力而产生的附加能量ΔG 二．基本原理 1.材料的强化手段 1.固溶强化 2.细晶强化 3.位错强化 4.第二相强化 5.位错强化 6.弥散强化 2.固态相变的过程 1.固态相变的形核 2.固态相变时晶核的长大 3.固态相变时所受的相变动力学 3.固态相变的热力学 1.在固态相变过程中，无论形核与否，相变需要驱动力，同时又遇到阻力。 2.相变驱动 力是使系统自由能下降的因素，相变阻力是相变导致系统自由能升高的因素 4.固态相变的动力学 具体描述相变微观机制、转变途径、转变速率以及一些物理学参量对相变的影响，从而得到相变与时间的关系 三．考试题型 一级相变：凡新旧两相化学位相等，化学位的一次偏导不相等的相变 二级相变：凡新旧两相化学位相等，化学位的一次偏导也相等，但化学位的二次偏导不相等的相变 四．简答 1.简述固态相变的特点：1.相变阻力大 2.新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 3.惯习现象 4.母相晶体缺陷促进相变 5.易出现过渡相 2.金属固态相变中的形核特征：1.均匀形核2.不均匀形核 3.晶界形核 4.位错形核 5.空位及 空位集团 14、何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？ 何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？ 答: 组元：组成合金最基本的、独立的物质。 相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合形成的晶体结构与某一组元相同的固相。 固溶体的晶体结构特点：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但结 构发生了变化，主要包括以下几个方面：1)有晶格畸变，2)有偏聚 与有序，3)当低于某一温度时，可使具有短程有序的固溶体的溶质 和溶剂原子在整个晶体中都按—定的顺序排列起来，转变为长程有 序，形成有序固溶体。 置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。 影响置换固溶体固溶度的因素：原子尺寸，电负性，电子浓度，晶体结构 15、何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为 什么？ 答：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。原因：溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。间隙固溶体晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变 16、何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？ 答：间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的简单的晶体结构称为间隙相。间隙相与间隙固溶体有本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶格结构，而间隙固溶体则任保持着溶剂组元的晶格类型。间隙相与间隙化合物相比具有比较简单的晶体结构，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。 21、何谓刃型位错和螺型位错？定性说明刃型位错的弹性应力场与异 类原子的相互作用，对金属力学性能有何影响？ 答：刃型位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如一把锋利的钢刀将 金属学与热处理课后答案 第一章 填表： 晶格类型原子 数 原子半径配位数致密 度 体心立方2 a 4 3 8 68% 面心立方4 a 4 2 12 74% 密排六方6 a 2 1 12 74% 5、作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向 10、已知面心立方晶格常数为a，分别计算（100）、（110）、和（111）晶面的晶面间距；并求出【100】、【110】和【111】晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是指该晶向上单位长度排列原子的个数） 答：（100）： （110）： （111）： 14、何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？ 答: 组元：组成合金最基本的、独立的物质。 相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合形成的晶体结构与某一组元相同的固相。 固溶体的晶体结构特点：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但结构发生了变化，主要包括以下几个方面：1)有晶格畸变，2)有偏聚与有序，3)当低于某一温度时，可使具有短程有序的固溶体的溶质和溶剂原子在整个晶体中都按—定的顺序排列起来，转变为长程有序，形成有序固溶体。 置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。 影响置换固溶体固溶度的因素：原子尺寸，电负性，电子浓度，晶体结构 15、何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？ 答：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。原因：溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。间隙固溶体晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变 16、何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？ 答：间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的简单的晶体结构称为间隙相。间隙相与间隙固溶体有本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶格结构，而间隙固溶体则任保持着溶剂组元的晶格类型。间隙相与间隙化合物相比具有比较简单的晶体结构，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。 21、何谓刃型位错和螺型位错？定性说明刃型位错的弹性应力场与异类原子的相互作用，对金属力学性能有何影响？ 答：刃型位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列为刃型位错线。螺型位错：一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。 刃型位错的应力场可以与间隙原子核置换原子发生弹性交互作用，各种间隙及尺寸较大的置换原子，聚集于正刃型位错的下半部分，或者负刃型位错的上半部分；对于较小的置换原子来说，则易于聚集于刃型位错的另一半受压应力的地反。所以刃型位错往往携带大量的溶质原子，形成所谓的“柯氏气团”。这样一来，就会使位错的晶格畸变降低，同时使位错难于运动，从而造成金属的强化。 23何谓柏氏矢量？用柏氏矢量判断图中所示的位错环中A、B、C、D、E五段位错各属于哪一类位错？ 答：柏氏矢量：不但可以表示位错的性质，而且可以表示晶格畸变的大小和方向，从而使人们在研究位错时能够摆脱位错区域内原子排列具体细节的约束。A是右螺旋型位错、B左螺旋型位错、C金属学与热处理课后习题答案第二章
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