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★金属的定义:金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。★金属原子的结构特点:其最外层的电子(价电子)数很少,一般为1~2个,不超过3个。★结合力:①金属键:共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性②离子键:得失价电子→正负离子③共价键:共有电子对→键有饱和性④范德瓦尔键:一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分子键。★金属的键能:键能高,熔点、强度、模量也越高;原子半径热膨胀系数小★晶带轴:平行于或者相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带,而该直线叫做晶带轴。多晶型转变: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,称之为多晶型转变,又称为同素异构转变(重结晶,二次结晶)第二章:凝固:金属由液态转变为固态的过程。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。宏观现象:过冷热力学条件:微观过程:形核和长大影响金属结晶过冷度的因素:答:①金属的本性②金属的纯度③冷却速度;④铸造模具所用材料形核方式:均匀形核,非均匀形核液固界面的微观结构:具有粗糙界面(杰克逊因子2):垂直方式长大;光滑界面(杰克逊因子5)、台阶长大:二维晶核、螺型位错;正温度梯度:平面状界面、负温度梯度:树枝状第三章:二元相图:匀晶相图:固溶体合金,适于变形成形选择性结晶规律:不平衡结晶:成分偏析成分过冷:正温度梯度下可能长成树枝晶共晶相图:适于铸造成形伪共晶:由非共晶成分的合金所得到的共晶组织离异共晶:共晶体中的一相依附于先析出相生长,使共晶组织特征消失包晶相图:铸锭三晶区的形成过程表层细晶区:当高温液态金属倒入铸模后,靠近模壁一层的液体产生较大的过冷,结晶先从铸模壁开始,并且模壁可以作为非均匀形核的基底,因此,在此薄层中会形成大量的晶核,同时向各个方向生长,形成了表面细晶区。柱状晶区:在表层细晶区形成的同时,铸模温度迅速升高,液态金属冷却速度减慢,结晶前沿沿模壁方向过冷度迅速减小,,只有垂直模壁方向上得散热最快,因而,晶体沿垂直与模壁方向生长而形成柱状晶。中心等轴晶区:随着柱状晶的生长,中心部位的液体温度分布逐渐趋于平缓,各向的散热速度趋于一致,从而晶核长大成等轴晶。第四章分析碳铁碳合金(钢、铁)的平衡结晶过程,画出组织示意图。相:铁素体、奥氏体、渗碳体(共晶渗碳体、一次渗碳体,二次渗碳体、共析渗碳体)液相组织:铁素体奥氏体珠光体莱氏体计算相组成与组织组成物相对含量。mmTTLGΔΔ=第三章1.什么是成分过冷?画图说明成分过冷是如何形成的?(以固相中无扩散,液相中只有扩散而无对流搅拌的情况为例说明)并说明成分过冷对晶体长大方式及铸锭组织的影响。答:成分过冷:实质是液相成分变化引起过冷状况发生变化。异分结晶必然导致溶质在液、固相中的浓度变化,而固溶体的平衡结晶温度则随合金成分的不同而变化,进而引起过冷状况变化。假设液态金属中仅扩散,即扩散不能充分进行。由图(a)结晶的固相成分总是低于平衡成分Co,故将溶质排到界面前沿,由于不能充分扩散,便在界面处产生溶质浓度梯度薄层。结合图(c)(d),固溶体平衡结晶温度随溶质浓度的变化而变化。将实际温度分布(b)与平衡结晶温度分布(e)叠加,便在固液界面前一定范围的液相中出现了过冷区域。平衡结晶温度与实际结晶温度之差为过冷度,这个过冷度是由于液相中成分变化引起的,故称为成分过冷。2.成分过冷对晶体长大方式的影响:随着成分过冷的增大,固溶体晶体由平面状向胞状、树枝状的形态发展3.成分过冷对铸锭组织的影响:固溶体合金的铸锭组织也是由表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区组成。当溶质含量固定时,随着G的增加成分过冷区下降,铸锭组织由等轴晶向柱状晶发展;当G固定时,随着浓度的增加,成分过冷区增大,铸锭组织由柱状晶向等轴晶过度,有利于等轴晶形成。(注:液相中的温度梯度G越小,成长速度R和溶质的浓度Co越大,则有利于形成成分过冷。)第四章4.试述铁碳合金平衡组织中铁素体和渗碳体的形态、特征和数量对合金组织和性能的影响。答:从奥氏体中析出的铁素体一般呈块状,而经共析反应生成的珠光体中的铁素体,由于同渗碳体要相互制约,呈交替层片状。而渗碳体由于生成的条件不同,使其形态变得十分复杂。当w(C)=0.0218%时,三次渗碳体从铁素体中析出,沿晶界呈小片状分布。共析渗碳体是经共析反应生成的,与铁素体呈交替层片状,而从奥氏体中析出的二次渗碳体,则以网络状分布于奥氏体的晶界。共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的,在莱氏体中为连续的基体,比较粗大,有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液相中直接形成的,呈规则的长条状。随含碳量的增加,铁碳合金的组织变化顺序为铁素体是软韧相,渗碳体是强硬相。随含碳量增加,渗碳体逐渐增多,铁素体逐渐减少,合金硬度升高,塑性、韧性下降;强度先上升,当w(C)=1%时强度达到最大值,之后随含碳量增加,强度逐渐减小,这是因为w(C)1%时,脆性的二次渗碳体于晶界形成连续的网络,使钢的脆性大大增加。进行拉伸试验时容易沿二次渗碳体处产生早期裂纹并发展至断裂,使强度下降。因此,为了保证工业上使用的铁碳合金具有适当的塑性和韧性,合金中渗碳体相的数量不应过多。第六章5.多晶体塑性变形特点?答:1.不同时性:只有处在有利位向(取向因子最大)的晶粒的滑移系才能首先开动2.不均匀性:每个晶粒的变形量各不相同,而且由于晶界的强度高于晶内,使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。3.协调性:多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算,每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。注:由协调性可知,滑移系较多的体心、面心立方通过多滑移表现出良好的塑性,而密排六方金属滑移系少,晶粒间协调性差,故塑性变形能力低。6.试用多晶体塑性变形过程说明纯金属晶粒越细、强度越高、塑性越好的原因?1993、1997答:室温变形时,由于晶界强度高于晶内,所以晶粒越细,单位体积内所含晶界越多,强化效果越好。由Hall-Petch公式,σs=σ0+Kd(-1/2),晶粒直径d越小,σs就越高,这就是细晶强化。多晶体的每个晶粒都处在其他晶粒的包围之中,变形不是孤立的,要求临近的晶粒相互配合,协调已经发生塑性变形的晶粒的形状的改变。塑变一开始就必须是多系滑移。晶粒越细小,变形协调性越好,塑性也就越好。此外,晶粒越细小,位错塞积引起的应力集中越不严重,可以减缓裂纹的萌生,曲折的晶界不利于裂纹的扩展,有利于强度和塑性的提高。7.塑性变形对金属组织结构与性能的影响?1996、2006答:组织结构:1.形成纤维组织2.形成变形织构3.亚结构的细化:随着变形量的增加,位错交织缠结,在晶粒内形成胞状亚结构,叫形变胞4.点阵畸变严重:金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷(空位、间隙原子、位错等),使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置,而造成的晶格畸变。性能:1.各向异性:形成了显微组织和变形织构。2.形变强化:变形过程中位错密度升高,导致形变胞的不断形成和细化,对位错的滑移产生巨大的阻碍作用,使金属的变形抗力显著升高。3.使金属耐腐蚀性下降。8.塑性变形后的金属随着加热温度的升高和时间的延长,可能会发生组织性能变化规律(说明冷变形金属在加热过程中各阶段组织与性能的变化。)答:回复:①性能变化不大:强度下降较少,塑性、韧性有所提高;②组织无明显变化,晶粒仍保持纤维状或扁平状。再结晶:①性能变化:性能恢复到冷变形前状态;②组织变化:碎化的、拉长的或压扁的晶粒变成均匀细小的等轴晶粒③结构变化:晶格扭曲畸变消失,内应力消失。晶粒长大:发生二次再结晶:①晶粒变得特别粗大②性能恶化。9.再结晶温度:经过大量变形(70%)的金属在约1h的时间保温时间内,能够完成再结晶(再结晶体积分数95%)的最低加热温度。10.再结晶的温度及影响因素?答:①金属冷变形量越大,再结晶温度越低;②金属纯度越高再结晶温度越低③金属的原始晶粒尺寸越细,再结晶温度越低④加热时间和加热速度:延长退火加热保温时间,可降低再结晶温度;提高加热速度,会使再结晶温度升高。11.影响再结晶晶粒大小的因素?答:1、变形程度2、原始晶粒尺寸3、杂质与合金元素4、变形温度5、再结晶退火温度12.临界变形度及其在工业生产中的意义(临界变形度对金属再结晶后组织和性能的影响)答:①当变形量很小时,由于储存能很小,不足以引起再结晶,故晶粒度不改变②当变形量达到某一数值(2%—10%)时,再结晶的晶粒特别粗大,这样的变形度称为临界变形度③随变形量增加,储存能增大,导致再结晶形核率和长大速度都增加,但形核率增加得更快,使再结晶后晶粒变细④当变形度达到一定程度后,再结晶晶粒大小基本保持不变⑤当变形量大于70%以后,金属内部产生织构,再结晶晶粒容易长大。故生产中应避免在临界变形度范围内进行加工,以免再结晶晶粒粗大。13.热加工(在再结晶温度以上进行塑性变形)对金属组织与性能的影响?1994、2004、2005答:1.改善铸锭和钢坯的组织:通过热加工可以使钢的组织缺陷得到明显改善,使材料性能明显提高。a.焊合气孔和疏松,增加致密度;b.打碎粗大晶粒及粗大夹杂物,使之均匀分布;c.消除部分偏析,使化学成分较均匀。2.形成纤维组织:在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展,在宏观工件上勾画出一个个线条,这种组织也称为纤维组织。金属中纤维组织的形成使其机械性能呈现出各向异性,沿着流线方向比垂直于流线方向具有较高的机械性能。在制定热加工工艺时,必须合理控制流线方向的分布情况,尽量使流线方向与应力方向一致。3.形成带状组织:复相合金中的各个相,在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布,这种组织称为带状组织。带状组织使金属材料的机械性能产生方向性,特别是横向的塑性韧性明显降低,使材料的切削性能恶化。4.晶粒大小:正常的热加工可以使晶粒细化、均匀,以提高材料的性能。但晶粒能否细化取决于变形量、热加工温度、尤其是终锻(轧)温度及锻(轧)后冷却等因素。增大变形量,有利于获得细晶粒,但要避免在临界变形度范围内加工;变形量不要过大(90%),变形温度不要太高,否则引起二次再结晶,造成晶粒异常粗大;合理控制终锻(轧)温度。14.优质冷拔钢丝1100°C断裂的原因?答:冷拔钢丝由于有加工硬化,故其强度较高,承载能力较强,当其被红热的鄂板加热的时候,当温度上升到再结晶温度以上,会发生再结晶,使得强度下降,不能承受鄂板重量,故会发生断裂。区分以下几个概念:结晶:金属从液相转变为晶体的过程(有相变)重结晶:从奥氏体转变为珠光体的过程(有相变)再结晶:当冷变形金属的加热温度高于回复温度时,在变形组织的基体上产生无畸变的晶核,并迅速长大成等轴晶粒,逐渐取代全部变形组织的过程。(不是相变过程,因为没有新的组织结构产生,在相变重结晶温度以下)二次再结晶:晶粒长大时,加热超过一定温度或保温时间过长,少数晶粒吞并周围其它小晶粒急剧长大,它的尺寸很大,而其他晶粒仍细小,最后小晶粒被大晶粒吞并,整个金属的晶粒都变得十分粗大,超过原始晶粒尺寸的上千倍,这种晶粒长大称为异常晶粒长大或二次再结晶。铝的再结晶温度为150°C滑移:晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动的结果,这种变形方式称为滑移。滑移面:原子排列最紧密的晶面;滑移方向:原子排列最密的晶向。滑移系=一个滑移面+此面上的一个滑移方向其他条件相同时,面心立方结构滑移系数目最多,滑移面上原子密排程度最大,变形协调性最好,故塑性最好,密排六方结构滑移系数目太少,变形协调性最差,故塑性最差。第七章15.常温下晶粒度对金属性能有何影响?答:晶粒越细,金属强度硬度越高,塑性韧性越好。16.试总结细化晶粒的工艺方法有哪些?答:1.铸造工艺方法:①增加过冷度(仅适用于小型铸件);②变质处理:促进大量非均匀形核;③震动搅拌:外界输入能量,提供形核功;打碎枝晶,增加形核数目。2.变形方法:塑性变形可通过再结晶细化晶粒3.热处理方法:如果有相变,可采用热处理细化晶粒。
本文标题:金属学与热处理资料总结试用期末复习考研哈尔滨工业大学(哈工大)重庆大学(重大)
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