工程材料及机械制造基础

第二章金属的晶体结构（1）、晶体结构的基本概念：1、金属的晶体结构：金属材料内部的原子排列的规律，决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。2、晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间集合点阵。3、晶胞：晶格中存在能够代表晶格特征的最小集几何单元。4、晶格参数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数，包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角A、B、R，共六个参数。5、晶格常数：决定晶胞大小的三个棱长。（2）、金属中常见的晶格：1、体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排六方晶格（3）、晶格的致密度：1、致密度：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。（4）、晶粒与亚晶粒：1、晶粒：晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称为一个晶粒。2、晶界：晶粒之间原子排列不规则的区域。3、晶粒大小决定因素：出取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。4、“为无向性”（5）、晶体缺陷：1、凡是原子排列不规则的区域都是晶体缺陷。2、点缺陷：以一个点为中心，在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子、置换原子、晶格空位三种。a、正畸变：大直径原子置换引起晶格局部“撑开”现象。b、负畸变：小直径原子置换引起晶格局部“靠拢”现象。c、点缺陷处于不断变化和运动之中，位置随时在变。是原子扩散的一种主要方式，也是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。3、线缺陷：主要是指各种形式的位错。a、位错：晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。b、刃形位错，位错线，正负刃形位错。c、位错密度：单位体积内位错线的长度。塑性变形中，位错密度大幅增加。退火可使位错密度降到最低值，淬火可使位错密度有所增加。d、金属材料受外力作用能够产生宏观塑性变形的实质，主要都是位错在微观上运动结果。4、面缺陷：晶界和亚晶界。a、面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带，其厚度取决于晶格位向差的大小及晶体的纯度。晶格位向差愈小、纯度越高、面缺陷越薄、反之越厚。（6）、合金基本概念：1、合金：一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。2、组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质，简称元。组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都是组员。合金中有几种组元就称之为几元合金。3、合金系：有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4.、相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分隔开来的一个均匀区域。一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒之中只能是同一个相。5、显微组织：在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。6、相组成物：合金显微组织中的基本相。7、组织组成物：由基本相组成的单相组织和共晶体等基本组织。8、基本组织：由一个单独的相构成的单相组织和由两个以上的相按一定比例组成的机械混合物，如：共析体，共晶体等。（7）、合金相结构：1、固溶体：合金结晶成固态时，含量少的组元（溶质）原子分布在含量多的组元（溶剂）晶格中形成一种与溶剂有相同晶格的相，称为固溶体。a、固溶体与溶剂有相同晶格结构。b、固溶体分类：（a）、间隙固溶体、置换固溶体（b）、有序固溶体、无序固溶体（c）、有限固溶体、无限固溶体c、间隙固溶体都是有限固溶体，无限固溶体都是置换固溶体，有序固溶体都是置换固溶体。d、影响固溶体溶解度的主要因素：原子直径因素、负电性因素、电子浓度因素、晶体结构因素、温度因素。e、固溶强化：通常把溶入元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。f、强化方法：固溶强化、细晶强化、第二弥散强化、热处理相变强化、加工硬化等。（8）、金属化合物：1、在合金中，当溶质组元的质量分数超过固溶体的溶解度将会产生新相。这一新相可能是以另一组元为溶剂的另一种固溶体。2、金属化合物：具有金属性质的化合物。3、第二相弥散强化：在合金中，金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高的现象。第三章金属的结晶与二元合金相图（1）、铸态组织：1、铸态组织：结晶之后得到的金属材料的显微组织。2、铸态组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。（2）、金属结晶温度与过冷现象：1、液态金属的冷却过程可以用热分析法测出冷却曲线。2、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。金属的结晶都是在达到一定的过冷度后才进行的，这种现象称为过冷现象。3、过冷度大小主要取决于金属液的冷却速度和金属液中杂质的含量。冷却速度越大，金属纯度越高，过冷度越大。4、结晶条件：动力学条件（自由能差或是过冷度）、热力学条件（足够的温度）、结构条件。（3）、金属的结晶：1、过程包括成核和长大，两过程同时进行。2、成核：均匀成核（自由成核）、非均匀成核。a、均匀成核（自发成核）：在均匀的液态母相中自发地形成新晶核的过程。过冷度越大越易自发成核。b、非均匀成核（非自发成核）：凡是依附于母相中某种现成界面而成核的过程。c、均匀成核和非均匀成核在金属结晶中同时存在。3、成核率（N）：单位时间和单位母相体积内所形成的晶核数目，表示了母相在相同条件下长生晶核的能力。成核率越大，结晶后晶体中的晶粒越细小。4、长大线速度（C）：单位时间晶核界面向母相推进的距离。5、晶核长大方式：“生长台阶”形式长大、枝晶形式长大。6、晶粒度：单位截面积内晶粒数目，表示了晶粒的大小。7、细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。8、结晶时冷却速度越大，得到的晶粒越细小。（4）、细化晶粒主要方式：1、提高冷却速度（提高过冷度）。2、变质处理（用于大铸件）。3、振动搅拌。（5）、铸锭铸态组织机缺陷：1、表层细晶区：a、表层组织细密，力学性能好，但是很薄，对整个铸锭性能影响不大。2、柱状晶区：a、柱状晶区有明显的各向异性。b、在铸造工艺上，常采用振动方法来破坏柱状晶区的形成和长大，也常采用变质处理来阻碍柱状晶长大，并促进中心等轴晶区的扩大来减少柱状晶区。c、避免金属液过热浇注也会防止柱状晶区长大。3、中心等轴晶区：a、对钢锭来说，一般是希望等轴晶区越大越好。4、柱状晶区的长度和等轴晶区的尺寸主要取决于浇注温度和合金元素。随浇注温度升高柱状晶长度增加，等轴晶区尺寸增大；合金元素增加可使柱状晶长度减短，等轴晶粒尺寸减小。5、提高浇注温度、加快冷却速度或采用定向冷却散热方法，并较少液体中产生非自发晶核等条件则有利于柱状晶区的形成和扩展。反之，有利于等轴晶区的形成和扩展。（6）、二元合金相图：1、相图是在平衡状态下测画出来的，又称合金的平衡状态图。2、匀晶相图：对于合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只能结晶出单相固溶体组织，这种合金系的相图就是匀晶相图。a、匀晶转变：由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变。b、在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不同的，其变化规律沿着固相线变化，剩余液相化学成分也相应沿着液相线变化。c、晶内偏析：在实际生产中冷却速度较快，原子扩散迁移滞后于结晶，固相化学成分的均匀性得不到保证。这时就会出现在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。以枝晶方式结晶，所以又称枝晶偏析。d、在低于固相线100℃-200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀，消除枝晶偏析。此法称作均匀话退火，又称扩散退火。3、杠杆定律：适用于任何二元相图的任何一个两相区中相的相对质量百分数的计算。4、共晶相图：在二元合金系中，组元在液相时无限互溶，在固相时则优先互溶，并且结晶过程中以共晶转变为主的相图。a、共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定的温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的相图。b、共晶体：同时结晶出来的两种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织。c、共晶转变过程中L、α、β三相可以同时存在。d、二次固溶体：不是直接从液相中结晶出来的固溶体。尽管其化学成分和晶格结构与直接从液相中结晶出来的在同样温度下是完全一样的，但是其形态和分布有所不同，对材料的性能影响也有所不同，故要加以下标Ⅱ以示区别。e、体积质量偏析：由于体积质量的原因而引起的铸件成分偏析的现象。其偏析不是在一个晶粒之内，而是在一个铸件的宏观部位上出现偏析。两组元体积质量差别越大，引起的体积质量偏析越严重。结晶温度区间越大的合金，固液两相共存的时间也越长，得到上浮或下浮的时间也越长，体积质量偏析越严重。冷却速度越慢也会造成同样的后果。f、体积质量偏析一旦产生，用热处理方法也不能消除。尽量选用靠近共晶点成分的合金以减小结晶温度区间；结晶时冷却速度尽量快些，浇注时注意用搅拌以破坏线共晶相的上浮或下浮。5、包晶相图：两组元哎液相时无限互溶而在固相下有限固溶，并在合金结晶时以包晶转变为主的合金相图。a、包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相相互作用产生一种新固相的结晶转变。b、包晶偏析：包晶转变是很慢的，在实际生产中由于冷却速度不可能非常慢，因此也会产生成分的偏析。这种由于包晶转变不能充分完成而产生的化学成分不均匀的现象。c、包晶偏析课以通过扩散退火得到减轻或是消除。（7）、合金相图和性能的关系：1、合金的性能取决于合金的化学成分和它的显微组织。2、固溶体合金的性能主要取决于组元的性质和溶质元素的浓度。3、固溶体合金不适合作铸件使用，而适宜作铸锭然后轧制成材使用。4、共晶合金系的压力加工工艺差，切切削工艺性好，其铸造性能与具体的合金组织中共晶体所占比例有关。共晶体越多铸造工艺性越好，共晶成分的合金铸造工艺性最好。第五章铁碳合金相图及碳素钢（1）、同素异晶转变：1、同素异构转变：金属在结晶成固态之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生转变的现象，又称同素异晶转变。a、同素异晶转变也是通过成核长大的过程来完成原子重新排列的，也是一种结晶过程，也有结晶潜热产生。b、同素异晶转变也被称为重结晶，是一种固态相变。c、因为Fe具有这种同素异晶转变才使得钢也存在多种固体相变，也是钢可以进行各种热处理的基础。（2）、铁碳合金中的相：1、碳在Fe-C合金中存在形式：固溶到铁晶格间隙中的固溶碳、与Fe形成间隙化合物的化合碳、游离在Fe-C合金中的游离碳。2、铁素体：碳原子固溶到α—Fe中形成的间隙固溶体。代号为F或α。（在室温时常作为基体相存在）3、奥氏体：碳原子固溶到γ-Fe中所形成的间隙固溶体。代号为A或γ。（热变形加工所需要的相，一般不存在与室温）4、渗碳体：铁与碳形成的间隙化合物。分子式3FeC。（常作为第二相弥散强化的强化相）5、石墨：Fe-C合金中游离存在的碳。代号为G。6、液相：铁碳合金在液态时。代号L。（3）、基本组织：1、共析转变：在某一恒定温度时，一定成分的固相有重新结晶成两个不同的固相的机械混合物。a、共析体：共析转变产生的机械混合物，铁素体F+渗碳体3FeC。代号为P，命名为珠光体。b、cw=0.77%，T=727℃。2、共晶转变：在某一恒定温度时，一定成分的液相结晶成两个不同的固相的机械混合物。a、共晶体：共晶转变产生的机械混合物，奥氏体A+渗碳体3FeC。代号为dL，命名为高温莱氏体。b、cw=4.3%，T=1148℃。c、在T=727℃。以下高温莱氏体又发生转变，成为低温莱氏体，又称变态莱氏体，P+3FeC，代号为'dL。（4）、渗碳体：1、从液相中直接结晶出来的3FeC称为一次渗碳体，记为3IFeC。2、从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，记为3IIFeC。3、从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体，记为3IIIFeC。4、3IFeC、3IIFeC、3IIIFeC，以及P和dL中的渗碳体，它们本身并无区别，都是有相同的化学成分、晶格结构和性质。只是出处不同并且由此造成其形态、大小以及在合金中的分布等情况有所不同。因此，对合金的性能也有不同影响。（5）、铁碳合金相区：1、单相区有五个：L、δ、A、F、3FeC。2、双相区有七个：δ+L、δ+A、A+L、L+3FeC、A+3FeC、A+F、F+3FeC。3、三相区有三个，三条水平线：L+δ+A（包晶线）、L+A+3FeC（共晶线）、A+