]金属学与热处理-第六章-热处理原理

金属学与热处理原理概述及解释说明1. 引言1.1 概述引言部分将介绍本文的主题，即金属学与热处理原理的概述和解释说明。

金属学作为一个极其重要的领域，研究了金属材料的结构、性质以及在工程中的应用。

而热处理则涉及改变金属材料的微观结构和性质，通过控制材料的加热和冷却过程，从而调整和优化其力学性能和物理特性。

1.2 文章结构文章将按照以下顺序进行阐述：首先，我们会介绍一些关于金属学基础知识的内容，包括金属的分类与性质、元素与化合物在金属中的结构和特性，以及热力学与相图分析在金属学中的应用。

接着，在第三部分中我们将简要概述热处理原理，并重点讲解固溶处理、淬火、回火和调质等常见热处理工艺及其机理。

第四部分将以几个具体案例为例，分析金属材料选择与热处理方法论证案例、钢材中非金属夹杂物影响评估案例以及铝合金热处理优化方案设计案例。

最后在结论与展望部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展趋势进行展望。

1.3 目的本文的目的在于给读者提供一个全面而简明的概述，深入解释金属学与热处理原理。

通过介绍金属学基础知识和常见热处理工艺，并结合应用案例分析，读者将能够更好地理解金属材料的分类、性质和热处理过程对其性能的影响。

同时，本文还会探讨未来金属学与热处理领域的发展趋势，并提出相关建议。

通过阅读本文，读者可以对金属学和热处理有一个清晰全面的认识，并将这些知识应用到实际工程中。

2. 金属学基础知识：2.1 金属的分类与性质：在金属学中，金属可以分为两大类：有色金属和黑色金属。

有色金属包括铜、铝、镁等，具有较高的导电性和导热性，同时还具有较好的延展性和可塑性。

黑色金属主要指铁及其合金，具有良好的磁性和机械性能。

除了颜色的区别外，各种金属还具有不同的物理性质和化学性质。

例如，铜在常温下呈现红色，并且是一种优良的导电材料；而铁则是一种较为坚硬且可磁化的材料。

2.2 元素与化合物在金属中的结构和特性：金属是由原子通过共价键形成晶体结构而组成。

金属学与热处理原理中的金属的热膨胀与收缩金属学是研究金属材料的结构、性能和制备工艺的科学学科。

在金属学中，研究金属的热膨胀与收缩是非常重要的内容之一。

本文将为您介绍金属的热膨胀与收缩的原理以及其在热处理过程中的应用。

一、金属的热膨胀与收缩原理金属材料的热膨胀和收缩是由晶格结构中原子的热振动引起的。

当金属受热时，其晶格中的原子会因为热振动而相对位移，使整个金属材料发生膨胀。

相反，当金属被冷却时，原子的热振动减小，导致金属收缩。

金属的热膨胀和收缩与其晶格结构有密切的关系。

不同金属的晶格结构可能在温度变化时会产生不同的膨胀和收缩效应。

例如，立方晶体结构的金属在三个维度上的膨胀系数相等，而六方晶体结构的金属则具有不同的膨胀系数。

这些不同的晶格结构导致了不同金属的热膨胀性质的差异。

二、金属的热膨胀与收缩的影响因素金属的热膨胀与收缩受到多种因素的影响，其中最主要的是温度变化和金属的组成成分。

首先是温度变化。

当金属受到温度升高或降低时，其膨胀和收缩的程度也会相应改变。

金属的热膨胀系数是用来衡量金属单位温度变化下的膨胀或收缩量的重要参数。

一般来说，金属在升温过程中会发生膨胀，温度降低则发生收缩。

其次是金属的组成成分。

金属材料通常由多种金属元素合金化而成，不同金属元素的组合对金属的热膨胀与收缩也会造成影响。

例如，含有镍的合金在高温下的热膨胀系数较小，而含有铝的合金则具有较大的热膨胀系数。

三、金属的热膨胀与收缩在热处理中的应用金属的热膨胀与收缩在热处理过程中具有重要的应用价值。

热处理是一种通过控制金属材料的加热、保温和冷却过程来改变其组织和性能的方法。

在金属的加热过程中，由于热膨胀的效应，金属材料的体积会增大。

这个特性使得在热处理时可以利用金属的热膨胀来实现对零件尺寸的调整。

例如，在制造高精度零件时，可以将金属零件先进行加热使之膨胀，然后在合适的温度下进行加工和冷却使其回缩到设计尺寸。

另外，在金属材料的淬火过程中，由于金属的快速冷却，使其迅速收缩产生组织变化，进而提高材料的硬度和强度。

复习重点：名词、简答、各章课堂强调的重点及书后作业第六章金属的塑性变形和再结晶一、名词强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。

屈服极限：金属开始产生屈服现象时的应力。

延伸率：在拉伸试验中，金属试样断裂后标距长度伸长量∆L(L k-L0)与原始标距长度L0的百分比。

断面收缩率：在拉伸试验中，金属试样断裂后原始横截面面积F0和断裂时横截面面积F k之差与原始横截面积F0的百分比。

滑移带：当表面抛光的单晶体金属试样经过适量塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上出现的相互平行的线条。

滑移线：经塑性变形后在试样表面上产生的一个个小台阶。

滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动的塑性变形方式。

滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

软取向：当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45°时所对应的取向称为软取向。

硬取向：当外力与滑移面平行(ϕ＝90°)或垂直(λ=90°)时所对应的取向称为硬取向。

细晶强化：用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法。

孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变过程。

孪晶：通过孪生形成的以孪晶界为分界面的对称的两部分晶体。

变形织构：因塑性变形导致的多晶体晶粒具有的择优取向的组织。

加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降的现象。

二、简答：1. 低碳钢拉伸应力-应变曲线可分为哪几个阶段？答：弹性变形、塑性变形、断裂2. 影响弹性模量的因素有哪些？答：金属的本性、晶体结构、晶格常数。

3. 滑移面与滑移方向选择晶体密排面与密排晶向的原因？答：密排晶面上原子间结合力最强，而密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，因而最易滑移，密排晶向阻力最小。

4. 多晶体塑性变形的特点？答：各晶粒不同时变形、各晶粒相互协调变形、各晶粒及一个晶粒内部变形不均匀5. 塑性变形后，金属内部残余应力有哪几种？答：宏观内应力、微观内应力、点阵畸变6、根据组织，合金分为哪两种？答：1）单相固溶体合金，2）多相合金。

第一章金属的晶体结构1-1 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。

答：1-2 立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。

答：{1 1 1}晶面共包括（1 1 1）、（-1 1 1）、（1 -1 1）、（1 1 -1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。

1-3 某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。

今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。

答：由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/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）1-4 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）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

答：H（1 0 0）==a/2H（1 1 0）==√2a/2H（1 1 1）==√3a/6面间距最大的晶面为（1 1 0）1-5 面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

答：H（1 0 0）==a/2H（1 1 0）==√2a/4H（1 1 1）==√3a/3面间距最大的晶面为（1 1 1）注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：1、体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=2、面心立方晶格晶面间距：当指数不全为奇数是H=，当指数全为奇数是H=。

1-6 试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。

答：1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。

第1章金属和合金的晶体结构1.1金属原子的结构特点：最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。

金属键的特点：没有饱和性和方向性结合力：当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。

结合力＝吸引力＋排斥力结合能＝吸引能＋排斥能（课本图1.2）吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力固态金属原子趋于规则排列的原因：当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子间也必须保持一定的平衡距离。

1.2晶体：基元在三维空间呈规律性排列。

晶体结构：晶体中原子的具体排列情况，也就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。

晶格：将阵点用直线连接起来形成空间格子。

晶胞：保持点阵几何特征的基本单元三种典型的金属晶体结构（要会画晶项指数，晶面指数）共带面：平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面晶带轴：同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线。

多晶型转变或同素异构转变：当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。

1.3合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。

组元：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。

相：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。

固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。

与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。

固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置：置换固溶体与间隙固溶体。

按溶质原子在固体中的溶解度：分为有限固溶体和无限固溶体。

按溶质原子在固溶体内分布规则：分为有序固溶体和无序固溶体固溶强化：在固体溶液中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性韧性下降。

⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。

答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。

当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。

2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。

cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。

当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。

6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。

答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。

1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。

在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。

2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。

3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。

6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。