工程材料及热处理复习提纲

晶体

晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列—长程有序。

非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”—短程有序。

空间点阵：将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。

晶格：用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。

晶胞：为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。

晶向指数：晶胞内任意两原子连线方向称之为晶向，立方晶系的晶向指数用[uvw]来表示，是晶向向量在空间坐标系下的最小简单整数，负值标记在数字上方。

晶面系数：晶胞内，用(hkl)来表示晶面，在直角空间坐标系下，该面在每个坐标轴截距倒数的最小简单整数。

金属晶体结构：

结构参数	体心立方晶格	面心立方晶格	密排六方晶格
晶格常数	a=b=c 90°	a=b=c 90°	底边长a 底边间隔c 侧面角120°
晶胞原子数	2	4	6
原子半径	$\frac{\sqrt{3}}{4}a$	$\frac{\sqrt{2}}{4}a$	$\frac{a}{2}$
致密度	0.68	0.74	0.74
配位数	8	4	12

晶体缺陷

点缺陷是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷，主要有四类：空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。

线缺陷：晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。

面缺陷是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。

合金中的相结构的类型

固溶体：间隙固溶体、置换固溶体。

金属间化合物：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。

纯金属结晶

金属材料的性能：

• 使用性能
  • 机械性能：强度（屈服强度、抗拉强度、断裂强度）、硬度、塑性、韧性等
  • 物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等
  • 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等
• 加工工艺性能
  • 铸造性能：流动性、收缩性等
  • 锻造性能：压力加工成型性等
  • 切削加工性能：车铣刨磨切削量，光洁程度等
  • 焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等
  • 热处理性能：淬透性、回火稳定性等

结晶条件

过冷现象：液态金属必须冷却至理论结晶温度以下某个温度时才开始结晶，这个现象称之为过冷。过冷度 越大，结晶的驱动力越大。

结晶潜热：伴随着液态向固态转变而释放的热量称之为结晶潜热。

结晶时具有小晶体，称为晶核，该过程称之为形核。

结晶过程

结晶时的形核一般认为有两种：均质形核（自发形成的晶核）和异质形核（模壁或者液相中未熔固相质点表面）

晶体的生长在光滑界面以侧向长大机制生长，在粗糙界面以连续垂直长大机制生长。而完全光滑的界面一般以二维晶核机制生长，有缺陷的光滑界面以晶体缺陷生长机制生长。

而在正温度梯度下，晶体按平面状生长，在负温度梯度下，晶体按枝晶生长。晶枝互相垂直，且在三维空间均衡发展，最后得到等轴晶粒。

晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越好。而细化晶粒的途径主要有增大形核率和降低长大速度。过冷度越大，形核率增大，虽然长大速度也增大，但前者效果大于后者，可使晶粒细化。孕育（变质）处理也可以使晶粒细化。

相图

合金：由金属元素与其他元素（金属元素或非金属元素均可）组成的有金属特征的金属材料。

组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。

相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。

组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。

二元合金相图

典型的二元合金相图以纵坐标表示温度，横坐标表示成分（浓度），由一根液相线和固相线组成。相图中任一点都能表示定比例成分的合金在定温度下，称为表象点。从上至下分为液相区、固液两相区和固相区，横坐标两端可以表示组元的纯净物。

杠杆定理：$$\frac{Q_l}{Q_\alpha}=\frac{c-b}{b-a}=\frac{bc}{ab}\qquad Q_l\cdot ab=Q_\alpha \cdot bc$$

均晶相图

匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。

均晶结晶特点：

• 生核与长大：与纯金属一样，也存在生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。
• 变温结晶：固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。
• 两相成分、质量比的确定：杠杆定理。

固溶体结晶时成分是变化的　（固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体，固溶体一般都以枝晶状方式结晶，这种现象称为枝晶偏析。

枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大，容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。

通过对非平衡凝固分析得到如下结论：

• 固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。
• 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。
• 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。

共晶相图

液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。

共晶转变要点：

• 共晶转变在恒温下进行。
• 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。
• 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。
• 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。

共析相图

两组元在液态能够无限互溶，在固态只能有限互溶，并具有共析转变。

包晶相图

液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生包晶转变，这类合金构成的相图称为包晶相图。

一种液相与一种固相反应生成另一种固相的转变过程称为包晶转变。

铁碳相图

纯铁的同素异构转变：

铁碳合金中的 基本相和组织：

• 组元：纯铁、渗碳体
• 基本相：液相（L铁和碳在液相能无限互溶）、高温铁素体（δ碳溶解在δ-Fe中形成的间隙固溶体）、铁素体（α碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体）、奥氏体（γ碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体）、中间相（$Fe_3C$铁和碳形成的间隙化合物，称为渗碳体，是稳定化合物）
• 基本组织：珠光体（P $\alpha +Fe_3C$）、莱氏体（Le/Le' $\gamma +Fe_3C$）

特征点：

特征点	含义
A(0-1538)	纯铁的熔点
B(0.53-1495)	包晶转换液相成分
C(4.3-1148)	共晶点
D(6.69-1227)	渗碳体熔点
E(2.11-1148)	碳在γ-Fe中的最大溶解点，共晶转化为奥氏体，钢与铸铁的分界点
F(6.69-1148)	共晶转变时渗碳体的成分
G(0-912)	纯铁的异构转变点
H(0.09-1495)	碳在δ-Fe中的最大溶解点，包晶转化为高温铁素体
J(0.17-1495)	包晶点
K(6.69-727)	共析转变时铁素体的成分点
M(0-770)	纯铁的居里点
N(0-1394)	铁素体的同素异构点
O(0.5-770)	含碳0.5合金的磁性转变点
P(0.0218-727)	碳在α-Fe中的最大溶解点，共析转化为铁素体，工业纯铁和钢的分界点
S(0.77-727)	共析点，析出珠光体
Q(小于0.001-室温)	室温时碳在α-Fe中的溶解度

金属塑性加工

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钢的热处理

热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。

钢在临界温度以上，会获得全部或者部分的奥氏体组织，这一过程称之为完全/部分奥氏体化。奥氏体化的过程可以分为四个部分：奥氏体晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。

奥氏体晶粒度：起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。

影响奥氏体晶粒尺寸的因素：

• 温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显
• 加热速度越快，晶粒细化
• 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻碍作用，使奥氏体晶粒长大倾向减小
• 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外几乎所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大

过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。

过冷奥氏体的转化：

• 珠光体（$A_1$～550℃）：珠光体（P 大于650℃）、索氏体（S 600℃～650℃）和屈氏体（T 550℃～600℃）
• 贝氏体（550℃～$M_s$）：上贝氏体（B上 350℃～550℃）和下贝氏体（B下 230℃～350℃）
• 马氏体（M $M_f$：230℃以下）

钢的退火

完全退火：加热至$A_{c3}$20-30℃以上，保温一段时间后缓慢冷却至室温。完全退火仅适用与共析钢和亚共析钢，且退火时间较长。

等温退火：加热至$A_{c3}$20-30℃以上，保温一段时间后快速冷却至珠光体形成温度保温后出炉空冷，比完全退火更快速，等温温度越高，钢的硬度越低。

球化退火：球化退火是不完全退火，将钢中的渗碳体球化以降低硬度，提高韧性，为之后的切削或者淬火做准备。球化退火基本操作时将工件加热至$A_{c1}$20-30℃以上，保温一段时间后缓慢冷却至室温，又分为一般球化退火、等温球化退火和周期球化退火。主要适用于共析钢和过共析钢。

高温扩散（均匀化）退火：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。

去应力退火：加热至500～650℃保温一段时间后炉冷至200℃后空冷。去应力退火无相变。

钢的正火

将钢加热至$A_{c3}(A_{ccm})$以上30～50℃后保温一段时间后空冷。正火后一般生成索氏体和少量屈氏体。

正火主要用于：

• 普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能。
• 低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工。
• 过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行。

钢的淬火

将钢件加热到$A_{c3}$（亚共析钢）或$A_{c1}$（共析钢和过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体（或下贝氏体）的一种操作。

生产中常用的淬火介质：

-	高温区（650-550℃）	低温区（300-200℃）
理想介质	快	慢
水	慢	快
盐水	快	快
油	慢	慢
碱/硝盐浴	慢	特慢

淬火根据冷却介质分为：单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火。

淬透性：奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示。淬透层越深，表明钢的淬透性越好。

淬硬性：钢淬火获得M的硬度。

淬火后的工件会残留淬火应力。

钢的回火

是将淬火钢加热到临界点$A_{c1}$以下的某一温度，保温后以适当方式（一般空冷）冷却到室温的一种热处理工艺。主要用于降低脆性、稳定组织和工件尺寸、获得要求的机械性能、消除淬火应力。

根据回火的温度分为：

• 低温回火（150℃～250℃）：亚共析钢和共析钢生成回火马氏体和少量残余奥氏体，过共析钢额外含有碳化物。
• 中温会后（350℃～500℃）：回火组织为回火屈氏体。
• 高温回火（500℃～650℃）：又称为调质处理，主要生成回火索氏体。

工业用钢

碳素钢

主要元素C：0.0218-2.11%

有益常存元素Si、Mn：产生固溶强化

有害常存元素：

• P：冷脆
• S：热脆
• O、H、N：强度、塑性、韧性降低

碳素结构钢：含碳量在0.06-0.38%之间；非金属夹杂物和有害元素含量较高。牌号：（屈服强度）-（质量等级），（脱氧方法）。例如：Q-235-A,F

优质碳素钢：含碳量在0.05-0.7%之间；有害元素含量较低。例如：45号钢

碳素工具钢：含碳量较高；S和P的含量严格控制。例如：T8钢

合金钢

牌号：（含碳量万分之一）（元素符号）（元素含量百分之一为单位）······（优质钢A）

牌号特例：

• 滚动轴承钢（GCr15）：G表示滚动轴承，Cr为常加元素，15为千分之十五
• 易切削钢（Y40Mn）：前面加Y表示易切削。

合金元素	常见作用
Cr	提高淬透性，强化铁素体，增加珠光体，对于特殊钢还有耐磨耐腐蚀特性
Mn	强化铁素体，增加珠光体，提高淬透性，降低脆转程度，在耐磨钢中形成奥氏体组织
Ti	细化晶粒，防止晶间腐蚀，弥散强化
Ni	提高淬透性，强化铁素体，形成奥氏体组织
Mo	防止第二类回火脆性，对耐热钢提高再结晶温度
Si	提高屈强比，提高淬透性，提高抗氧化性
W	提高热硬、耐磨性
V	提高热硬、耐磨性、弥散强化