第一章金属的晶体结构
第一节金属
1
度系数为负值。
第二节金属的晶体结构
1、晶体的特征：1、具有一定的熔点
2、各向异性
非晶体为各向同性
2
3、为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子抽象为纯粹的几何点，称之为点阵。这些点阵有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵。常人
4
5
6
7、常见的三种晶体结构主要是指体心立方、面心立方和密排六方结构，
其中体心立方结构(BCC)每个晶胞含有2原子，其原子配位数为8，致密度是68%
面心立方结构(FCC)每个晶胞含有4原子，其原子配位数为12；致密度是74%
密排六方结构(HCP)每个晶胞含有6原子，其原子配位数为12，致密度是74% 。
8、密排面的堆垛顺序是AB AB AB……，构成密排六方结构
ABCABCABC……，构成面心立方结构
9、通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式
原子排列相同但空间位向不同的所有晶向成为晶向族，
晶面指数的一般表示形式为(hkl)
晶面族用大括号{hkl}表示
10、在立方结构的晶体中，当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)时，必须满足以下关系：hu+kv+lw=0
当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=b、v=k、w=l。
12、由于多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被互相抵消，因此在一般情况下整个晶体不显示各向异性，称之为伪等向性。
一般金属都是多晶体
第三节实际金属的晶体结构
1、晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。
2、刃型位错的重要特征：
1、刃型位错有一额外半原子面；
2、位错线是一个具有一定宽度的管道
3、位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线
螺型位错的重要特征：
1、螺型位错没有额外半原子面；
2、螺型位错线是一个具有一定宽度的管道，其中只有切应变，而无正应变
3、位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直
4、位错线与柏氏矢量垂直就是刃型位错，位错线与柏氏矢量平行，就是螺型位错。
用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小，已知位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未滑
b b 正刃错负刃错
b b 右螺型左螺型
移区的边界线，位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，其滑移量的大小即柏氏矢量b，滑移的方向即柏氏矢量的方向。
5、位错密度-单位体积中所包含的位错线的总长度。ρ=L/V
ρ：位错密度；L：位错线的总长度；V：晶体体积
课后习题：
1-4 体心立方，若h+k+l=偶数，则d=
√?2+k2+l2，否则，d=
2√?2+k2+l2
1-5 面心立方晶体若h、k、l 均为奇数或均为偶数，则d=
222
；否则，d=
2√?2+k2+l2
。
1-15
第二章纯金属的结晶
第一节金属结晶的现象
1、1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。
2、结晶过程是（形核）与（长大）的过程
第二节金属结晶的热力学条件
1、如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，
液相金属和固相金属的自由能之差，是结晶的驱动力，阻力：表面能增加
2、（过冷度越大）是结晶的热力学条件
第三节金属结晶的结构条件
1、这种不断变化着的短程有序原子集团称为（结构起伏），或称为相起伏
第四节晶核的形成
1、两种形核方式：一种是（均匀形核）、二是（非均匀形核）。
若液相中各个区域出现新的相晶核的几率都是相等的，
反之，2、晶胚半径与ΔG的关系
3、临界晶核半径r K
最大晶胚尺寸r max 和临界晶核半径r K 随过冷度的变化
第五节 晶核长大
1、两条曲线的交点所对应的过冷度 就是临界过冷度
2、形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的（2/3），还有（1/3）的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核做功，故称 为（形核功）。
3、这种微区内暂时偏离平衡能量的现象即为（能量起伏）。
4、过冷液相中的相起伏和能量起伏是形核的基础
5、临界形核功与过冷度的平方成反比。
6、N = N 1? N 2
N 1为受形核功影响的形核率因子，N 2为守原子扩散能力影响的形核率因子，形核率N 则是以上两者的综合。
7、由于N 主要受到形核功的控制，而形核功 与过冷度的平方成反比，过冷度越大，则形核功越小，因而形核率增加，故N 随过冷度的增加，即温度的降低而增大。N 主要取决于原子的扩散能力，温度越高（过冷度越小），则原子的扩散能力越大，因而N 越大。
这是因为温度较高、过冷度较小时，原子有足够高的扩散能量，此时的形核率主要受形核功的影响，但当过冷度很大（超过极大值后）时，原子的扩散能力转而起主导作用。
8、凹面上形成的晶核体积最小，平面上次之，凸面上最大。
△T
△T K r
K
r
max
9、凹曲面的形核效能最高，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面居中，凸曲
面的效能最低。
10、决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是（晶核的界面结构）和（界面前沿液体中的
温度梯度）。
11、在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，又称为小平面界面
12、在光学显微镜下，粗糙界面是平直的，又称为非小平面界面。
13、在粗糙界面上的所有位置都是生长位置，所以液相原子可以连续地向界面添加，界面的
性质永远不会改变，称为（连续）长大或均匀长大。
14、正温度梯度是指液相中的温度随至界面距离的增加而（提高）的温度分布状况。
结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而（减小）。
15、负温度梯度是指液相中的温度随至界面距离的增加而（降低）的温度分布状况。
过冷度随至界面距离的增加而（增大）。
16、具有粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下长大时，固液界面始终近似地保持平面，
这种长大方式称为平面长大方式。
具有粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长时，一般的金属结晶时，均以树状生长方式长大。
具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，仍有可能长成规则的几何外形。
17、晶粒度取决于形核率N和长大速度G之比，比值N/G越大，晶粒越细小
18、为了细化铸锭和焊缝区的晶粒，采用一下几种方法：
1、控制过冷度，增加过冷度的方法主要是提高液态金
属的冷却速度
2、变质处理，变质处理是在浇注前往液态金属中加入
形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。
3、振动、搅动，一方面是依靠从外面输入能量促使晶
核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核
数目增加。
金属结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系
第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷
1、纯金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成，即外表层的（细晶区）、中间的（柱状晶
区）和心部的（等轴晶区）。
第三章二元合金的相结构与结晶
成的具有金属特制的物质。
第一节合金中的相
3.
4.相是组织的基本组成部分。
第二节合金的相结构
1.其晶体结构与组成合金的某一组元的
2.若两元素间的电负性差值越小，则形成的置换固溶体的固溶度越大。
3.（原子尺寸因素）、（电负性因素）、（电子浓度因素）和（晶体结构因素）是影响固溶体固溶度大小的四个主要因素。固溶体的固溶度除与以上因素有关外，还与（温度）有关，温度越高，固溶度越大。
4.（1）正常价化合物：由电负性相差较大的元素组成
（2）电子化合物：按照一定电子浓度的比值形成的化合物
（3）间隙相和间隙化合物：
<1>间隙相都具有简单的晶体结构相具有极高的熔点和硬度，它们是硬质合金的重要相组成。
<2>间隙化合物一般具有复杂的晶体结构
第三节二元合金相图的建立
第四节匀晶相图及溶固体的结晶
1、两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶相图。
2、固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称为选择结晶。
3、平衡分配系数k0定义：在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值，即：K0=Cα/C L 式中Cα和C L 为固相和液相的平衡浓度。
4、当k0 < 1时，k0值越小，则液相线和固相线之间的水平距离越大；当k0 > 1时，k0值越大，则液相线和固相线之间的水平距离也越大。k0值的大小，实际反映了溶质组元重新分配的强弱程度。
5、固溶体合金不平衡结晶，先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多。，在晶粒的内部存在着浓度差别，这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，称为
7、在固液界面前沿一定范围内的液相，其实际温度仪与平衡结晶温度，，出现了一个过冷区域，过冷度为平衡结晶温度与实际温度之差，这个过冷度是由于界面前沿液相中的成分差别
的平衡结晶曲线正好相切。
第五节共晶相图及其合金的结晶
1
2、在平衡结晶条件下，只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织。但在不平衡结晶条
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，这种非共晶成
第六节包晶相图及其合金的结晶
1
2
第七节其他类型的二元合金相图
第八节二元相图的分析和使用
1、成分间隔与温度间隔越大，则合金的流动性越差。
第四章铁碳合金
碳钢和铸铁都是铁碳合金。
第一节铁碳和金的组元及基本相
⒈（铁素体）是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。
⒉（奥氏体）是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。
⒊（渗碳体）是铁与碳形成的间隙化合物Fe3C。
第二节Fe-Fe3C相图分析
⒈共析转变的产物称为（珠光体）。
⒉珠光体组织中片层排列方向相同的领域叫做一个（珠光体领域）或（珠光体团）。
第三节铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
⒈在恒温下发生共晶转变形成（莱氏体）（Ld）。
第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
铁碳合金的成分与组织的关系
⒈铁碳相图成分影响流动性
○1刚液的流动性随含碳量的增加而提高
○2浇注温度越高，流动性越好
○3当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好
○4亚共晶铸铁随含碳量的增加，流动性随之提高，过共晶铸铁随含碳量的增加，流动性变差。第五节钢种的杂质元素及钢锭组织
⒈硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，这种现象称（热脆），出现Fe+FeS共晶。
⒉磷具有很强的固溶强化作用，它是钢的强度，硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，成为（冷脆）。
⒊如果将含氮量较高的钢从高温急速冷却下来（淬火）时，就会的到氮在α-Fe中的过饱和固溶体，将此钢材在室温下长期放置或稍加热时，氮就逐渐以氮化铁的形式从铁素体中析出，使刚的强度硬化升高，塑性韧性下降，使钢材变脆，这种现象叫做（淬火时效）。
⒋含有氮的低碳钢材经冷塑性变形后，性能也将随时间而变化，随强度硬度升高，塑性韧性下降，这种现象称为（应变时效）。
第六章金属及合金的塑性变形
⒈力学性能强化机制：
○1形变强化；○2细晶强化；○3固溶强化；○4形成第二相（弥散强化、沉淀强化）。
第一节金属的变形特性
第二节单晶体的塑性变形
⒈在常温和低温下金属塑性变形主要通过（滑移）方式进行，此外，还有（孪生）等其他方式。
为滑移面，晶体在滑移面上的滑动方向称为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向
⒊滑移系数目：
○1体心立方结构：6*2=12；○2面心立方结构：4*3=12；○3密排六方结构：1*3=3。
⒋滑移面总是（原子排列最密）的晶面，而滑移方向也总是（原子排列最密）的晶向。
⒌临界分切应力为τK=σs cosφcosλ
临界分切应力τk数值大小取决于金属的近体结构，纯度，加工状态，试验温度与加载速度，当条件一定时，各种晶体的临界分切应力各有定值，而与外力的大小，方向及作用方式无关。单晶体的屈服极限σs则随外力与滑移面和滑移方向之间的取向关系变化，即当取向因子发生改变时，σs也随之改变。
⒍在滑移过程中，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也在旋转。
⒎晶体的滑移是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。
⒏晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀地切变，并与未变形部分的晶体以孪生界为分界面构成了镜面堆成的位向关系。通常把
第三节多晶体的塑性变形
⒈多晶体变形的特点：
○1不同时性；○2相互协调性；○3不均匀性
⒊霍尔--配奇公式：σs=σ0+Kd-?。
⒋在多晶体中，屈服强度是与滑移从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒密切相关的，而这种转移是否发生，主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中，能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源也开动起来，从而进行协调的多滑移。
⒌应力集中τ与晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中也最大，激发相邻晶粒发生塑性变形的机会比小晶粒要大得多。这就是为什么晶粒越细，屈服强度越高的主要原因。第四节合金的塑性变形
2、合金元素形成固溶体时其固溶度强化的规律如下：（出选择题，与固溶度相对比）
⑴在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大。
⑵溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，因而强化效果越大。
⑶形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素。当两者的质量分数相同时，前者的强化效果比后者大10~100倍。
⑷溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化作用越大。
3、第二相的存在引起的强化称为（第二相强化）。
4、弥散强化：位错绕过第二相粒子。
沉淀强化：位错切过第二相粒子。
第五节塑性变形对金属组织和性能的影响
1、宏观内应力：整个物体范围内处于平衡的力。
2、微观内应力：晶粒或亚晶粒范围内处于平衡的力。
3、点阵畸变：产生大量的位错和空位；它使金属的硬度、强度升高，而塑性和耐腐蚀能力下降。
第六节金属的断裂
第七章金属及合金的回复与再结晶
第一节形变金属与合金在退火过程中的变化
1、金属与合金在塑性变形是所消耗的功，绝大部分转变为热而散发掉，只有一小部分能量以弹性应变和增加金属中晶体缺陷（空位和位错等）的形式储存起来。晶体缺陷所储存的能
量又叫（畸变能），（畸变能）的降低是这一转变过程的驱动力。
第二节回复
1、回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
2、回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了他们的数量和组态的过程。在低温恢复时，主要涉及到空位的运动；在较高温度回复时，主要涉及到位错的运动。
第三节再结晶
1、冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平，这个过程
2、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在以下经验关系：T再≈δT m，T再和T m均以热力学温度表示，对于工业纯金属来说，经大变形并通过1h退火的δ值为0.4。
3、金属的冷变形度对再结晶晶粒大小的影响：当变形度很小时，金属材料的晶粒仍保持原状，这是由于变形度小，畸变能很小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小没有变化。当变形度达到某一数值时，再结晶后的晶粒变得特别粗大。当变形度超过临界变形度后，则变形度越大，晶粒越细小。当变形度相当大时，结晶晶粒又会出现重新粗化的现象。
第四节晶粒长大
1、晶粒长大过程：再结晶阶段刚刚结束时，得到的是无畸变的等轴的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大。
2、从整体来看，晶体长大的驱动力是（晶粒长大前后总的界面能差）。
3、晶粒稳定形状条件：○1所有的晶界均为直线；○2晶界间的夹角均为120°。
4、影响晶粒长大的因素：
①温度：温度越高，晶粒长大速度就越快。
②杂质及合金元素：吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低了界面移动的驱动力，使晶界不易移动。
③第二相质点：第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。
④相邻晶粒的位向差：大角晶界的界面能大，界面移动的驱动力大，晶界移动速度快。
第五节金属的热加工
从金属学的角度来看，所谓热加工是指在（再结晶温度以上）的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。
第八章扩散
第一节概述
1、固态金属扩散的条件
○1扩散要有驱动力：化学位梯度、温度梯度、应力梯度、表面自由能差、电场和磁场的作用○2扩散原子要固熔：例：由于铅不能固溶于铁，因此钢在铅浴中加热，获得光亮清洁的表面，而不用担心铅层粘附钢材表面的危险。相反，当需要在钢板表面粘附一层铅，以起防蚀作用时，就必须在熔融铅中加入少量能固溶于铁中的锡才行，铅锡合金中锡扩散到铁中以后就形成粘接牢靠的镀层。（结合题8.8）
○3温度足够高
○4时间足够长
第二节扩散定律
1、菲克第一定律
J=?D dC
dx D为扩散系数(dC
dx
)体积浓度梯度
2、菲克第二定律
?C ?t =D
e2C
ex2
3、使枝晶中心成分偏析的振幅降低到1%所需的退火时间t为：
t=0.467λ2 D
第三节影响扩散的因素
1、扩散系数D
D=D0exp(-Q/RT)
后记：
1、本期末复习重点是将汪海斌老师所述期末复习内容整理出来，专供12级焊接三四班复习背诵使用，建议大家在使用本复习重点的同时配合《金属学与热处理》课本复习。
2、本期末复习重点文字录入部分，第一、二章由谢杰同学完成，第三章由于晶波同学完成，第四、六、七、八章由姜玉清、窦恩惠、李磊同学完成，最后由谢杰同学完成插图、修订。瑾向为本复习重点呕心沥血的同学表示衷心的感谢。
3、由于水平有限，复习重点难免有错误和不足之处，恳请各位批评指正。
4、本复习重点指在为同学提供复习的方便，不做其余任何用途。
5、最后预祝大家能够在最后的期末考试取得较好成绩，寒假愉快，新春快乐！
金属学与热处理第二版复习总结 哈工大（威海）14级苏同学 此文档只总结了部分重要概念与影响因素（不包含第八章、第十二章、第十三章） 另外，第十章、十一章的热处理的具体工艺也是重点，此文档没有涉及。 概念 金属最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。 金属键 ?原子共用自由电子形成 ?无饱和性和方向性。 金属晶体 原子排列密度高，能变形，导电，导热。 金属原子特点 ?外层电子少，易失去 ?有自由电子 ?金属离子与自由电子形成键。 ?金属键无方向性 ?有良好的塑性 晶体：各向异性是晶体区别于非晶体的一个重要标志
柏氏矢量的意义及特征 ?反映位错的点阵畸变总量 ?反映晶体的滑移量及方向 ?与位错线有确定的位置关系 ?具有守恒性 相界 共格界面、半共格界面、非共格界面三类。共格界面界面能最低?界面处晶体缺陷集中，原子能量高 ?界面是氧化、腐蚀的优先发生地 ?界面是固态相变的有效形核位置 ?界面原子的扩散速度远高于晶内 ?存在内吸附现象。异类原子可降低界面能时，会向界面偏聚 ?界面阻碍位错运动，组织越细小，强度硬度越高 ?界面能越大，界面迁移速度越大；晶粒长大可以降低界面能。 固溶体结晶的特点 （１）异分结晶：固相成分与液相成分不同，晶体与母相成分不同称为异分结晶（选择结晶）。 （２）固溶体结晶需要在一定的温度范围：每一温度下，结晶出一定数量的固相。温度的降低，固相的数量增加成分分别沿着固相线和液相线变化 非平衡凝固总结： （1）固相平均成分线和液相平均成分线偏离固相线与液相线。 冷却速度越快，偏离越严重
（2）固溶体成分不均匀。 先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶的部分富低熔点组元。 区域偏析、晶内偏析、枝晶偏析 （3）结晶温度。凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。 伪共晶——靠近共晶点附近合金得到全部共晶组织 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征 不平衡共晶——在不该出现共晶的合金里出现共晶组织 孪生变形的特点 （1）切应力作用下发生，临界切应力远大于滑移时。 （2）是一种均匀切变。 （3）孪晶有对称关系。 在一定范围内改变了晶体的取向。 多晶体塑性变形的特点 ?各晶粒变形不同时性 ?晶粒间、晶粒内变形的不均匀性 ?相邻晶粒变形的协调性 ? 配位数：一个原子周围最近邻并且等距离的原子的个数。 致密度——晶胞中原子所占的体积 0.74 12 6 密排六方 0.74 12 4 面心立方 0.68 8 2 体心立方 致密度 配位数 原子数 原子半径 a r 4 3= a r 2 1= a r 4 2=
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 何谓柏氏矢量？ 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 1、名词解释： 过冷现象：结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。在一定压力下,当液体的 温度已低于该压力下液体的凝固点,而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象 结构起伏液态金属中近程有序的原子集团处于瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定 的状态之中，仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。这种不断变化的近 程有序原子集团成为结构起伏。 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。 2、根据结晶的热力学条件解释。为什么金属结晶时一定要有过冷度？冷却速度与过冷度有什么关系？ 答：由热力学第二定律知道，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。液态金属要结晶，其结晶温度一定要低于理论结晶温度Tm，此时的固态金属自由能低于液态金属的自由能，两相自由能之差构成了金属结晶的驱动力。要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，液、固两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快，所以金属结晶必须有过冷度。冷却速度越大，过冷度越大；反之，冷却速度越小，则过冷度越小. 12、常温下晶粒大小对金属性能有何影响？根据凝固理论，试述细化晶粒的方法有哪些？答：金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。 细化晶粒的方法： 1）控制过冷度，在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小；2）变质处理，在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒；3）振动、搅动，对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加. 3、何谓枝晶偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响,如何消除？ 2）答：枝晶偏析：在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，由于固溶体晶体通常是树枝状，枝干，枝间的化学成分不同，所以之为枝晶偏析。形成原因：固溶体合金平衡结晶的结果，使前后从液相中结晶出的固相成分不同，再加上冷却较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀，先结晶的含高熔点组元多，后结晶的含低熔点组元多，再结晶内部存在浓
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。
《金属学与热处理》复习题 绪论 基本概念： 1.工艺性能:金属材料适应实际加工工艺的能力。（分类） 2.使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。（分类） 3.组织：用肉眼，或不同放大倍数的放大镜和显微镜所观察到的金属材料内部的情景。 宏观组织：用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的组织。 （金属内部的各种宏观缺陷） 显微组织：用100-2000倍的显微镜所观察到的组织。 （各个组成相的种类、形状、尺寸、相对数量和分布，是决定性能的主要因素）4：结构：晶体中原子的排列方式。 第一章 基本概念： 1.金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度升高而增加。 2.金属键；金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的键。 3.晶体：原子（离子）按一定规律周期性地重复排列的物质。 4.晶体特性：(原子)规则排列；确定的熔点；各向异性；规则几何外形。 5.晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。 6.配位数:晶格中任一原子周围与其最近邻且等距的原子数目。
7.晶面族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶面称为晶面族。 8.晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族。 9.多晶型性：当外部条件（如温度和压强）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。又称为同素异构转变。 10.晶体缺陷：实际晶体中原子排列偏离理想结构的现象。 11.空位：晶格结点上的原子由于热振动脱离了结点位置，在原来的位置上形成的空结点。 12.位错：晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。 13.柏氏矢量：在实际晶体中沿逆时针方向环绕位错线作一个闭合回路。在完整晶体中以同样的方向和步数作相同的回路，由回路的终点向起点引一矢量，该矢量即为这条位错线的柏氏矢量。 14.晶粒：晶体中存在的内部晶格位向完全一致，而相互之间位向不相同的小晶体。 15.各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能有所差异。 16.伪各向同性：由于多晶体中各个晶粒的位向不同，所以不表示出单晶体的各向异性。 17.小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 18.大角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 基础知识： 1.三种典型金属结构的晶体学特点。（点阵常数，原子半径，晶胞内原子数，配位数，致密度，间隙种类及大小）
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。
1、热处理的定义：根据钢件的热处理目的,把钢加热到预定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺。钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。凡是材料体系（金属、无机材料）中有相变发生，总可以采用热处理的方法，来改变组织与性能。 2、Ac1、Ac 3、Accm的意义：对于一个具体钢成分来说，A1、A3、Acm是一个点，而且是无限缓慢加热或冷却时的平衡临界温度。加热时的实际临界温度加注脚字母“C”，用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际临界温度加注脚字母“r”，用Ar1、Ar3、Arcm表示。 3、什么是奥氏体化？奥氏体化的四个过程？是什么类型的相恋？将钢加热到AC1点或AC3点以上，使体心立方的α-Fe铁结构转变为面心立方结构的γ-Fe，这个过程就是奥氏体化过程。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Accm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。共析钢的奥氏体化过程包括以下四个过程：形核；长大；残余渗碳体溶解；奥氏体成分均匀化。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。是扩散型相变。 4、碳钢与合金钢的奥氏体化有什么区别？为什么？在同一奥氏体化温度下，合金元素在奥氏体中扩散系数只有碳的扩散系数的千分之几到万分之几，可见合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。 5奥氏体晶粒的三个概念（初始晶粒、实际晶粒和本质晶粒）？奥氏体的初始晶粒：指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。奥氏体实际晶粒：指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。奥氏体的本质晶粒：指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢； 6为什么要研究奥氏体晶粒大小？奥氏体晶粒大小会显著影响冷却转变产物的组织和性能。 7、工厂中对奥氏体晶粒大小的表征方法是什么？本质晶粒度的测试方法？统一采用与标准金相图片比较，来确定晶粒度的级别。生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，只需测出930度左右的实际晶粒度，就可以判断。 8过冷奥氏体：奥氏体冷至临界温度以下，牌热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。 9、钢的共析转变？珠光体组织的三种类型？钢的共析转变：钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织，其反应如下：γ→P(α+Fe3C)结构：FCC、BCC、正交；含碳：0.77%、0.0218%、6.69%珠光体的三种类型：珠光体，索氏体，屈氏体。 10、什么叫钢的C曲线？如何测定？影响C曲线的因素？过冷奥氏体等温转变曲线，也称TTT曲线。因曲线形状象英文字母“C”，故常称C曲线。在过冷奥氏体的转变过程中有组织（相变）转变和性能变化，因此可用金相法、硬度法、膨胀法或磁性法等来测定过冷奥氏体的等温转变过程，其中金相法是最基本的。金相法测定过冷奥氏体等温转变图---C曲线（基本方法），以共析钢为例：①用共析钢制成多组圆片状试样(φ10×1.5)；②取一组试样加热奥氏体化；③迅速转入A1以下一定温度熔盐浴中等温；④各试样停留不同时间后分别淬入盐水中，使未分解的过冷奥氏体变为马氏体；⑤这样在金相显微镜下就可以观察到过冷奥氏体的等温分解过程。钢的成分和热处理条件都会引起C曲线形状和位置的变化1)含碳量的影响2)合金元素的影响3)奥氏体化温度和保温时间的影响 11、什么叫CCT曲线？如何测定？连接冷却曲线上相同性质的转变开始点和终了点，得到钢种的连续冷却转变图称为CCT曲线。与测定C曲线的方法相同，一般也都用膨胀法或金相-硬度法等来测定CCT(Continuous Cooling Transformation)图；在测定时，首先选定一组具有不同冷却速度的方法，然后将欲测试样加热奥氏体化，并以各种冷却速度进行冷却，同时测
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。 二、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。
金属学与热处理期末练习题（含答案） 1、金属的机械性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有____强度_______、_____硬度______、_________塑性__。衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有_______韧性____和____疲劳强度_______。 2、常见的金属晶格类型有___面心立方晶格____ 、___体心立方晶格___ ____和__密棑六方晶格_ ________。 3、常用的回火方法有低温回火、_中温回火__________ 和____高温回火_______ 。 4、工程中常用的特殊性能钢有___不锈钢______、耐热钢_________和耐磨刚。 5、根据铝合金成分和工艺特点，可将铝合金分为__变形铝合金_________和铸造铝合金两大类。 6、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_镇静钢________、半镇静钢_________、特殊镇静钢_________和__沸腾钢_______。 7、铸铁中_________碳以石墨形式析出___________________的过程称为石墨化，影响石墨化的主要因素有_化学成分__________ 和冷却速度。 8、分别填写下列铁碳合金组织符号： 奥氏体A、铁素体F、渗碳体fe3c 、 珠光体P 、高温莱氏体ld 、低温莱氏体ld’。 9、含碳量小于%的钢为低碳钢，含碳量为的钢为中碳钢，含碳量大于% 的钢为高碳钢。 10、三大固体工程材料是指高分子材料、复合材料和陶瓷材料。 二、选择题（每小题1分，共15分） （ b ）1、拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大拉应力称为材料的（）。 A 屈服点 B 抗拉强度 C 弹性极限 D 刚度 （b）2、金属的（）越好，其锻造性能就越好。 A 硬度 B 塑性 C 弹性 D 强度 （ c ）3、根据金属铝的密度，它属于（）。 A 贵金属 B 重金属 C 轻金属 D 稀有金属 （ d ）4、位错是一种（）。
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。 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，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物。间隙化合物：与间隙相相反（比值大于0.59）。 1.4点缺陷：⑴空位⑵间隙原子⑶置换原子。线缺陷：线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。（刃型位错、螺型位错、混合型位错）滑移矢量：表示位错的性质，晶格畸变的大小的物理量（刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直；螺形位错的柏氏矢量与其位错线平行。）。 面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、 小角度晶界、大角度晶界：两相邻晶粒位向差小于或大于10° 相界面的结构有三类：共格界面、半共格界面、非共格界面 习题3 、5做一下 第2章纯金属的结晶 2.1结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。 同素异构转变：金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷是结晶的必要条件。（金属不同过冷度也不同，金属纯度越高过冷度越大。过冷度的速度取决于，冷却速度越大过冷度越大实际洁净无度越低，反之） 金属结晶:孕育—出现晶核—长大—金属单晶体 2.2从液体向固体的转变使自由能下降.液态金属结晶时，结晶过程的推动力是 自由能差降低（△F）是自由能增加，阻力是自身放热
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
《金属学与热处理》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分）
2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐蚀？如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀？ 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？ 5、什么是交滑移?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？ 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？ 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？ 8、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？ 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？ 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的？如何消除？ 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？ 14、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ-Fe相区进行会有什么结果？ 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 19、位错密度有哪几种表征方式？ 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征？（12分） 23、加工硬化的原因？（6分） 24、柏氏矢量的意义？（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象？（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式？（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么？（9分） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分） 30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分）
金属学与热处理 一、填空题（30分，每空1分） 1、常见的金属晶体类型有___体心立方晶格、_面心立方_________晶格和密排六方晶格三种。 2、金属的整个结晶过程包括___型核_______、___长大_______两个基本过程组成。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体分为___间隙固溶体_______与__置换固溶体________两种。 4、工程中常用的特殊性能钢有__不锈钢_______、___耐热钢______、耐磨钢。 5、常用的常规热处理方法有__回火________、正火和淬火、_退_火________。 6、随着回火加热温度的升高，钢的__强度________和硬度下降，而____塑性______和韧性提高。 7、根据工作条件不同，磨具钢又可分为__冷作磨具钢________、__热作磨具钢________和塑料磨具用钢等。 8、合金按照用途可分为__合金渗碳体________、_特殊碳化物_________和特殊性能钢三类。 9、合金常见的相图有__匀晶相图________、_共晶相图_________、包晶相图和具有稳定化合物的二元相图。 10、硬质合金是指将一种或多种难熔金属__碳化物________和金属粘结剂，通过__粉末冶金________工艺生产的一类合金材料。 11、铸铁的力学挺能主要取决于__机体组织________的组织和石墨的基体、形态、_____数量_____以及分布状态。 12、根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为__灰口铸铁________、__白口铸铁________和麻口铸铁三类。 13、常用铜合金中，__青铜________是以锌为主加合金元素，__白铜________是以镍为主加合金元素。 14、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有___铁素体_______和___奥氏体_______,属于金属化合物的有___渗碳体_______，属于混合物的有____珠光体______和莱氏体。 二、选择题（30分，每题2分） 1、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是（ C ）
本答案非标准答案，仅作参考，祝大家期末取的好成绩！ 金属学与热处理铸造合金及其熔炼考试题纲 1．铁碳相图的二重性及其分析 从热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C相图才是稳定的；从动力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变也是可能的，因此就出现了二重性。 分析：1）稳定平衡的共晶点C’的成分和温度与C点不同 2）稳定平衡的共析点S’的成分和温度与S点不同 2．稳定态和亚稳定态铁碳相图异同点 稳定平衡态的Fe-C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一点； 在共晶温度时，稳定平衡态的奥氏体的含碳量小于亚稳态平衡下奥氏体的含碳量。 3．用铁碳相图分析铸铁碳钢一二次结晶异同点 一次结晶：铁液降至液相线时，有初析石墨和初析奥氏体析出。温度继续下降，熔体中同时析出奥氏体和石墨，铸铁进入共晶凝固阶段。 当钢液温度降低至液相线时，有高温铁素体析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过L+γ区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线温度为止。 二次结晶：铸铁的固态相变即二次结晶。继续冷却，奥氏体中的含碳量沿E’S’线减小，以二次石墨的形式析出。当奥氏体冷却至共析温度以下，并达到一定的过冷度，就开始共析转变。两个固体相α与Fe3C相互协同地从第三个固体相长大（成对长大），形成珠光体。当温度下降至GS和PS线之间的区域是，有先共析铁素体α相析出。随着α相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完了后，钢的组织基本上不在变化。 4．分析球状石墨形成过程 目前已基本肯定，球状石墨可以和奥氏体直接从熔体中析出。 在亚共晶或共晶成分的球墨铸铁中，首批小石墨在远高于平衡共晶转变温度就已成形，这是不平衡条件所造成的，但随着温度的下降，有的小石墨球会重新解体，而有的则能长大成球，随着这一温度的进行，又会出现新的小石墨球，说明石墨球的成核可在一定的温度范围内进行。 某些石墨球能在熔体中单独成长至一定尺寸，然后被奥氏体包围，而有的石墨球则很早的就被奥氏体包围，形成奥氏体外壳。总之，石墨球的长大包括；两个阶段，即：1）在熔体中直接析出核心并长大2）形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳包围下成长。 5．灰铸铁的金相组织及其性能特点 灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成，还有少量非金属夹杂物。 特点：强度性能差；硬度特点，同一硬度时，抗拉强度有一个范围，同一强度时，硬度也有一定的范围；较低的缺口敏感性；良好的减震性；良好的减磨性。 6．流动性的概念及其影响因素
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第4章习题 4-1 分析w C =%、w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲 线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。 解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe(碳的质量分数是%)和Fe 3 C(碳的质量分数是%)，故 (1) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3 C相的相对量分别为 w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe和P，其组织可近似看做和共析转变完时 一样，在共析温度下α-Fe碳的成分是%，P的碳的成分为%，故w C =%的合金在室温时组织中P和α的相对量分别为 (2) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3 C相的相对量分别为 w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe和P，在室温时组织中P和α的相对量为 (3) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3 C相的相对量分别为 w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是P和Fe 3 C，在室温时组织中P的相对量为 4-2 分析w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲 线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。 解：w C =%的铁碳合金在室温平衡相是α-Fe(碳的质量分数是0)和Fe 3 C(碳的质量分数 是%)，故 (1) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3 C相的相对量分别为 因为刚凝固完毕时，初生γ相和Ld中碳的成分分别为%和%，所以刚凝固完毕时初生γ相和Ld的相对量分别为 碳的成分为%的初生γ相从共晶温度冷却到共析温度后，它的成分变为%，在冷却 过程中它析出Fe 3C II ，每份γ相析出Fe 3 C II 的量为 现在初生γ相的量是%，所以到共析温度析出的Fe 3 C相对于整体的相对量为 因为合金中的初生γ相到共析温度析出Fe 3 C，初生γ相的相对量减少%，余下的γ相在共析温度都转变为P，所以P的相对量为 (2) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3 C相的相对量分别为