金属学与热处理基础知识

金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。

固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。

常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。

第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。

而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。

常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。

我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。

(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。

食盐、水结成的冰，都是晶体。

一般的固态金属及合金也都是晶体。

并非所有固态物质都是晶体。

如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。

晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。

在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。

而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。

由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。

(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。

金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。

体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。

图1—4 典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格 (b)面心立方晶格铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。

这种晶格的转变，称为同素异晶转变。

纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。

金属学与热处理复习资料一、名词解释1、晶体：原子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、晶界：晶粒和晶粒之间的界面。

6、单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。

7、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。

8、组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

9、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。

10、固熔体：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。

11、结晶：纯金属或合金由液体转变为固态的过程。

12、重结晶：金属从一种固体晶态改变了晶体结构转变为另一种固体晶态的过程。

13、过冷度：理论结晶温度（T0）和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差。

14、铁素体：碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体。

15、渗碳体：是铁与碳形成的质量分数为6.69%的金属化合物。

16、奥氏体：碳溶解于γ-Fe中形成的间隙固溶体。

17、珠光体：是由铁素体与渗碳体组成的机械化合物。

18、莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物为莱氏体。

19、同素异构转变：一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。

20、实际晶粒度：某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢冷却后的组织和性能。

21、马氏体：碳在α-Fe 中的过饱和间隙固溶体，具有很大的晶格畸变，强度很高。

22、贝氏体：渗碳体分布在含碳过饱和的铁素体基体上或的两相混合物。

根据形貌不同又可分为上贝氏体和下贝氏体。

23、淬透性：淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。

24、淬硬性：淬硬性是指钢在理想的淬火条件下，获得马氏体所能达到的最高硬度。

25、调质处理：淬火后高温回火的热处理工艺组合。

第一章金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。

但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。

金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。

1、金属的原子结构及原子的结合方式（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，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。

因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。

当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。

因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。

强度高。

由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。

（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。

这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。

贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。

（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。

结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。

第四章金属材料的基础知识和热处理的基本知识1、钢的分类：|（1）-碳钢:含碳量低于2%的铁碳合金;-合金钢:在钢中特意加入一种或几种其它合金元素组成的钢;-生铁:含碳量高于2%的铁碳合金.,可通过铸造方法制造零件,所以又称铸铁.（2）按化学成分分类：碳钢-低碳钢:含碳量小于0.25%;-中碳钢:含碳量为0.25~0.55%;-高碳钢:含碳量大于0.55%.合金钢-低合金钢:合金元素总含量小于3.5%;-中合金钢:合金元素总含量 3.5~10%;-高合金钢:合金元素总含量大于10%;2、洛氏硬度与布氏硬度值近似关系：HRC≈1/10HB3、热处理及其常用工艺方法热处理的定义-利用钢在固态下的组织转变,通过加热和冷却获得不同组织结构,从而得到所需性能的工艺方法统称热处理.常用热处理工艺方法：退火-将钢加热到一定温度,保温一段时间,然后随炉一起缓慢冷却下来,以期得到接近平衡状态组织的一种热处理方法.4、完全退火:AC3以上30~50℃,用于消除钢的某些组织缺陷和应力,改善切削加工性能;等温退火:加热到AC3,以上30~50℃,较快的冷却到略低于Ar1的温度,并在此温度下等温到奥氏体全部分解为止,然后出炉空冷.适用于亚共析钢、共析钢，尤其广泛用于合金钢的退火。

优点是周期短，组织和硬度均匀。

5、正火-正火和退火加热方法相似，只是冷却速度比退火稍快（空冷），得到的是细片状珠光体（索氏体），强度、硬度比退火的高，与退火相比，工艺周期短，设备利用率高。

主要用于低碳钢获得满意的机械性能和切削性能、过共析工具钢消除网状渗碳体、中碳钢代替退火或作为淬火前的预先热处理。

6、淬火-将钢加热到AC1以上30~50℃(共析钢、过共析钢）或AC3以上30~50℃（亚共析钢），保温一段时间，然后快冷得到高硬度的马氏体组织的工艺方法。

用以提高工件的耐磨性。

7、回火-将淬火后的工件加热到A1以下某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式冷却（炉冷、空冷、油冷、水冷等）-目的：1）降低淬火工件的脆性，消除内应力（热应力和组织应力），使淬火组织趋于稳定，同时也使工件尺寸趋于稳定；2）获得所需的硬度和综合机械性能。

金属热处理基础入门必须了解的二十个知识点1、什么是热处理将固态金属或合金采取适当方式进行加热，保温一定的时间，以一定的冷却速度冷却以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

2、热处理的目的是什么通过适当的热处理工艺改变钢的内部组织结构,来控制相变过程中组织转变的程度和转变产物的形态,从而改善钢的性能。

3、热处理的条件是什么必须有固态相变转变的合金才可以进行热处理。

4、热处理的工艺过程是什么（1）加热：临界点+△T值（2）保温（3）冷却：临界点- △T值一定冷却速度5、主要参数有哪些（1）加热温度T（2）保温时间 t（3）冷却速度V，冷却介质决定冷却速度，如：水、盐水、碱水、空气6、按处理阶段及目的可分为哪几种（1）预处理目的是消除偏析、内应力，为最终热处理或后续的加工获得平衡组织。

（2）最终处理作为工件处理的最后工序，获得最终组织。

7、按热处理工艺参数可分为哪几种（1）普通热处理这是生产中最常用的热处理工艺，如退火、正火、淬火、回火等。

这类的热处理一般不会额外的加入其他元素，主要是通过自身组织转变来得到所需要的性能。

（2）化学热处理这类在热处理在齿轮、轴等耐磨件上会经常用到。

工件进行化学热处理时，会在表面一层渗入其他的元素，而对心部的成分不会产生什么影响。

一般渗入什么元素，我们就称为渗×处理，如表面渗C、渗N，C、N共渗等。

（3）表面热处理综合了上述两类热处理的特点，即热处理时不加入其他元素，而且只是针对表面进行的热处理，不影响心部的组织，如表面淬火，但其要求工件的含碳量较高。

8、什么是退火退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。

总之退火组织是接近平衡状态的组织。

9、退火的目的是什么（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

（2）细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。

⾦属学和热处理知识⼤全⾦属的晶体结构（物质是由原⼦组成的）根据原⼦在物质内部的排列⽅式不同，可将物质分为晶体和⾮晶体两⼤类。

凡内部原⼦呈规则排列的物质称为晶体。

所有固态⾦属都是晶体。

凡内部原⼦呈不规则排列的物质称为⾮晶体。

如：玻璃，松⾹，沥青等。

电⼦显微镜观察到晶体内部原⼦各种规则排列，称为⾦属的晶体结构。

晶体内部原⼦的排列⽅式称为晶体结构。

⾦属原⼦是通过正离⼦与⾃由电⼦的相互作⽤⽽结合的，称为⾦属键。

常见纯⾦属的晶体结构有：体⼼⽴⽅晶格、⾯⼼⽴⽅晶格、密排六⽅晶格。

什么是晶格？晶格：⽤假想的直线将原⼦中⼼连接起来所形成的三维空间格架。

直线的交点（原⼦中⼼）称结点。

晶胞：能够完整地反映晶格特征的最⼩⼏何单元。

体⼼⽴⽅晶胞Body Centered Cubic Lattice（BCC）体⼼⽴⽅晶胞中的原⼦数为1/8x8+1=2个，致密度为0.68。

体⼼⽴⽅：Cr铬、W钨、V钒、Cb铌、Ta钽、Mo钼、钢铁（α-Fe、δ-Fe）。

⾯⼼⽴⽅晶胞Face Centered Cubic Lattice（FCC）⾯⼼⽴⽅晶胞中的原⼦数为1/8x8+1/2x6=4个，致密度为0.74。

⾯⼼⽴⽅：Al铝、Cu铜、Au⾦、Pb铅、Ni镍、Pt铂、Ag银、钢铁（γ-Fe）。

密排六⽅晶胞Hexagonal Close Packed Lattice（HCP）密排六⽅晶胞中的原⼦数为1/6x12+1/2x2+3=6个，致密度为0.74。

密排六⽅：Zn锌、Mg镁、Zr锆、Ca钙、Co钴、Mn锰、Ti钛。

冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作⽤下断裂时消耗能量⼤⼩的特性。

体⼼⽴⽅晶格的冲击韧性值会急剧降低，具有脆韧转变温度。

实际使⽤的⾦属是由许多晶粒组成的，⼜叫多晶体。

每⼀晶粒相当于⼀个单晶体，晶粒内的原⼦的排列是相同的，但不同晶粒的原⼦排列的位向是不同的。

晶粒之间的界⾯称为晶界。

⾼温的液态⾦属冷却转变为固态⾦属的过程，是⼀个结晶过程态，即原⼦由不规则态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。

金属学与热处理知识点总结金属学是研究金属材料的物理特性、化学特性和力学特性，以及金属原材料的加工工艺的学科。

热处理是指将金属材料通过加热、保温和冷却等工艺过程来改变金属材料的性能，改善金属材料的加工性能。

本文结合实例，从金属学和热处理两个方面对相关知识点进行总结。

一、金属学1、金属的性质金属的性质是由元素的原子结构和组成决定的，因此，金属的物理性质、化学性质和力学性质均受它的原子结构和组成的影响。

金属的主要性质有导电性、导热性、耐腐蚀性等。

它们的性质决定了金属在工业生活中的重要作用。

2、金属的加工工艺金属加工是指采用机械、热处理、电子和化学等不同类型的加工方法，改变金属原材料的形状、性能和结构，以达到使用和生产需要的加工工艺。

常见的金属加工工艺有冲压、锻造、焊接、切削等。

二、热处理1、热处理的种类热处理是指通过加热、保温和冷却等技术，改变金属材料的组织结构，以改善材料性能的一种技术手段。

热处理的分类很多，其中包括：硬化、回火、淬火、正火、调质等。

2、热处理的作用热处理的主要作用是改变金属材料的组织结构，从而改善金属材料的性能。

热处理可以增加材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性，同时热处理还可以改变材料的尺寸、形状和外观等。

热处理是衡量金属材料质量的关键性步骤之一，因此，热处理技术的发展有助于提高金属材料的使用性能。

综上所述，金属学是研究金属材料的物理特性、化学特性和力学特性，及其原材料加工工艺的学科，金属加工工艺可以改变金属原材料的形状、性能和结构，以达到使用和生产需要。

热处理是通过加热、保温、冷却等技术，改变金属材料的组织结构，以改善材料性能的技术手段，可以改变材料的性能、尺寸、形状和外观等。

正确运用金属学和热处理知识，可以有效提高金属材料的使用性能。

第一章：金属的晶体结构1·金属的定义：金属是具有整的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而降低。

2·金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能重要因素。

3·金属键：金属中的原子将它们的价电子贡献出来形成电子云或者电子气金属正离子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来的结合方式。

4·正是由于这种特殊的结合方式使得金属具有了良好的导电导热性已经延展性和金属光泽。

5·金属原子间的吸引力是长程力排斥力是短程力6·结合能是金属原子间排斥力和吸引力的和。

金属原子临近原子越多原子间的结合能越低，整体越稳定。

最稳定的位置是在平衡位置。

动态平衡：原子在平衡位子附近做热振动。

7.金属一般都是晶体：原子在三维空间内做有规则的周期性排列的物质。

8·晶体的性质：具有一定的熔点而且具有各向异性。

9·晶格：将点阵用直线连接起来所形成的空间格子10·晶胞：能完整反映晶格特征的最小几何单元。

11·晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度在xyz上以abc 表示，y-z轴z-x轴x-y轴之间的夹角用αβγ表示12·三种典型的金属晶体结构1，体心立方结构（bcc）：α=β=γ=90; a=b=c.原子半径r=四分之根三a原子数为2配位数为8致密度为0.682, 面心立方结构（fcc）: α=β=γ=90; a=b=c ABC堆垛原子半径r=四分之根二a原子数为4配位数为12致密度为0.743，密排六方结构（hpc）:c/a=1.633ABAB堆垛原子半径为a/2原子数为6配位数为12致密度为0.74。

金属学与热处理基础知识目录1. 金属学与热处理基础知识概述 (3)1.1 金属材料的分类 (4)1.2 金属材料的性能及其影响因素 (4)1.3 热处理的基本概念 (6)2. 金属的热处理原理 (7)2.1 金属在加热过程中的变化 (8)2.2 金属在冷却过程中的变化 (8)2.3 热处理的目的和工艺选择 (9)3. 固态相变原理 (11)3.1 晶体结构与滑移机制 (12)3.2 固态相变的微观机制 (13)3.3 铁碳合金的相图分析 (15)4. 加热和冷却原理 (16)4.1 热传导原理 (17)4.2 热处理过程中的温度控制 (19)4.3 冷却速度对金属性能的影响 (21)5. 热处理基本工艺 (22)5.1 退火工艺 (22)5.2 正火工艺 (24)5.3 淬火与回火工艺 (25)5.4 表面热处理工艺 (27)6. 特殊热处理 (28)6.1 渗碳、渗氮工艺 (29)6.2 高温回火、低温回火工艺 (31)6.3 电子束熔炼和热等静压处理 (32)7. 金属学与热处理的应用 (33)7.1 机械制造业中的应用 (35)7.2 航空航天材料的热处理 (37)7.3 能源和交通运输领域中的应用 (38)8. 热处理设备与材料 (40)8.1 热处理炉及其类型 (41)8.2 热处理材料的选择与加工 (43)8.3 热处理过程中的环境保护措施 (44)9. 金属学与热处理的实验与检测 (45)9.1 金属材料的力学和物理性能测试 (48)9.2 热处理后的金属材料分析 (49)9.3 质量控制和检验方法 (50)10. 金属学与热处理的未来发展趋势 (51)10.1 先进材料的热处理工程化 (53)10.2 智能制造在热处理中的应用 (54)10.3 绿色热处理技术的发展 (55)1. 金属学与热处理基础知识概述金属学与热处理是金属材料科学与工程领域中的核心课程，它们为理解和应用金属材料提供了基础理论和技术支持。