重大金属学与热处理(考研)

大家好，重庆大学考研专业课829金属学及热处理主要参考崔忠圻主编《金属学及热处理》，机械工业出版社出版。从这期开始我们就将从每个章节的具体知识点做起，开始系统复习，请大家紧跟这个提纲的同时，抓住课本，并做一些练习以提高能力。 第一章：金属的晶体结构 §1—1 晶体的基本知识 一、晶体与非晶体 1、晶体 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。 有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为1083℃，铝为660℃）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。 2、非晶体及其特性 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。  二、晶格、晶胞和晶格常数 1、晶格（图）

假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。 2、晶胞(图） 最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。 3、 晶格常数 如图，α、β、γ，a、b、c为晶格常数。  晶体中原子排列示意图（教材P5） 晶胞选取应满足下列条件： (1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性； (2)平行六面体内相等的棱和角数目最多； (3)当棱间呈直角时，直角数目应最多； (4)满足上述条件，晶胞体积应最小。 §1—2 金属的晶体结构 一、金属的特性和金属键 1、  特性 良好的导电性、导热性、塑性，具有金属光泽，不透明，正的电阻温度系数。 2、  原因 这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。 3、金属键 当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。 金属特性的金属键理论解释 (1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示出良好的导电性。 (2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。 (3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。 ⑷当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。

⑸自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。 二、金属中常见的晶格 1、体心立方晶格(图)

a=b=c α=β=γ=90° 晶胞中实际原子数为: 具有体心立方晶格的金属有：α-Fe、Cr、W、Mo、V等。 2、 面心立方晶格(图) a=b=c α=β=γ=90°

晶胞中原子数为： 具有面心立方晶格的金属有：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。 3、 密排六方晶格(图) a=b≠ c α=β=90° γ=120 °

密排六方晶格中原子数为： 具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。 三、晶体结构的致密度（计算） 致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 1、 体心立方的致密度 2、面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，均为0.74。 致密度数值越大，则原子排列越紧密 四、配位数的概念 配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。  体心立方：8；面心立方：12；密排六方：12 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。 五、晶面与晶向 在晶体中，由一系列原子所构成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。  不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的力学性能和理化性能。 表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。 

1、晶面指数求法 ①  设坐标 ②  求截距 ③  取倒数 ④  化整数 ⑤  列括号

2、 晶向指数求法 ①  设坐标 ②  求坐标值 ③  化整数 ④  列括号 §1—3 实际金属的晶体结构 一、多晶体和亚组织 ㈠  概念 1、单晶体—把晶体看成是由原子按一定的几何规律作周期性排列而成的，即晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间的位向都不同。 2、晶粒—外形不规则的小晶体。 3、晶界—晶粒与晶粒之间的界面。 4、多晶体—实际上由许多晶粒组成的晶体。 5、显微组织或金相组织—晶粒尺寸很小，如：钢铁材料的晶粒一般在10-1～10-3mm左右，故只有在金相显微镜下才能观察到这种金属组织。 ㈡  晶体的各向异性 当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态下的单晶体时，该晶体必然具有各向异性的特征，但实际金属是多晶体，表现各向同性。 亚组织——在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称亚组织。 亚晶界——两相邻亚组织间的边界。 二、晶体的缺陷 实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。  晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷 1、点缺陷（图） 空位和间隙原子：位于点阵上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，就可以脱离其原来的平衡位置，而迁移到别处，结果，在原来的位置的上的出现了空结点，称为空位。 形成空位的同时，产生了间隙原子，这种不占有正常的晶格位置而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。 点缺陷的产生使其产生了晶格畸变，晶格畸变将晶体性能发生改变，如强度，硬度和电阻增加。 2、线缺陷-位错（图） 位错-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。 ① 刀刃位错——在晶体的某一水平面上，多出一个垂直原子面ABCD，这个多原子面像刀刃一样切入晶体，使晶体上、下两部分的原子发生了错排现象。

② 螺旋位错-原子平面被畸变成了螺旋面。

③位错密度：

V-晶体的体积

S-体积为V的晶体中位错线的总长度。 3、 面缺陷 ⑴ 晶界：多晶体中两个相邻晶粒间的位向差大多在30°～40°，原子排列成无规则的过渡层。

⑵ 亚晶界：是由一系列刃型位错所形成的小角晶界。亚组织越细，金属的屈服强度越高。

第二章  纯金属的结晶 一、纯金属的冷却曲线和过冷现象 1、  通过热分析法测定冷却曲线 2、 冷却曲线分析 纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。 3、 过冷现象 金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。 过冷度△T= T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。 同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。 二、固液界面前沿液体中的温度梯度 1、正温度梯度(图） 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，其结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而减小。  2、负温度梯度（图） 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，也就是说，过冷度随至界面距离的增加而增大。  三、纯金属的结晶过程 结晶的过程是不断形核和长大的过程。 1、 形核 液体中存在着许多类似于晶体的小集团，当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 2、 长大 晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液—固界面向液体中推移的过程。 晶体长大的方式： ⑴ 平面状长大 解释：正温度梯度下，界面上局部微小区域有偶尔冒出而伸入到过冷度较小的L中时，它的长大会减慢，甚至停止，周围部分会赶上，冒出部分消失，L∕S界面始终保持平面状。 ⑵ 树枝状长大