热处理基础知识-金相力学--新

1第一章金属学基础第一节金属与合金的晶体结构物质按照其状态分为三种：固体、液体、气体。固体按照其内部原子的排列形式可分为晶体和非晶体。晶体：原子在三维空间中有规则作周期重复排列的物质。非晶体：原子在三维空间中无规则排列的物质。晶体的性能特点是：固定的熔点、规则的外形、各向异性。金属是晶体。金属的特点是：有光泽、导电、具有正的电阻温度系数（随着温度的升高，其电阻升高）一、纯金属的晶体结构1、金属原子间的结合金属原子聚集在一起主要是靠金属键结合的。金属中的原子或正离子能够规则地、紧密地排列在一起的原因是：原子之间的结合能（原子之间的排斥能与原子间的吸引能的代数和）。原子在平衡位置时，结合能最低，此时的原子也最为稳定，原子间就必须保持一定的平衡距离。这就是原子趋于规则排列的主要原因。2、金属学基础常见的几个基本概念①点阵（阵点）：为便于研究，往往把构成晶体的实际质点的大小忽略掉，看成是纯粹的几何点。②空间点阵：把阵点有规则的周期性重复排列所构成的空间几何图形。③晶格：把点阵用直线连接起来形成的空间格子。④晶胞：能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶胞的大小和形状常用晶胞的棱边长度（晶格常数）a、b、c及棱边间的夹角α、β、γ表示。⑤晶面：由一系列原子所组成的平面。⑥晶向：任意两个原子之间连线所指的方向。⑦晶向指数、晶面指数（略）其值不同，说明其原子密度不同，原子间的结合力就不同，导致不同方向上的力学性能不同，即：金属具有各向异性。23、纯金属的晶体结构布拉菲点阵（布拉菲格子）见图1-2工业上使用的金属元素中，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最为常见的晶体结构有以下三种：①体心立方晶格：见图1-6所示。具有体心立方晶格的金属有：α－Fe、δ-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。晶胞中的原子数为2，配位数为8，致密度为0.68。②面心立方晶格：见图1-7所示。具有面心立方晶格的金属有：γ－Fe、β－Co、Ni、Al、Ag等。晶胞中的原子数为4，配位数为12，致密度为0.74。③密排六方晶格：见图1-8所示。具有密排六方晶格的金属有：Zn、Mg、Be、α－Ti、Cd、α－Co等。晶胞中的原子数为6，配位数为12，致密度为0.74。二、合金的晶体结构合金：在金属的基体上有目的地加入金属或非金属，经熔合后具有金属特性的物质。如：黄铜就是由铜和锌、碳钢就是铁和碳组成的合金。组元：组成合金最基本的、独立的物质。一般的说：组元就是组成合金的元素或是稳定的化合物。例如：黄铜的组元是铜和锌、碳钢的组元是铁和渗碳体（Fe3C）。合金系：由不同的比例的组元组成的一系列合金称为合金系。相：合金中结构、成分、性能相同，并以界面分开的组成部分。由一种固相组成的合金叫单相合金，由几种不同的相组成的合金成为多相合金。组织：用肉眼或借助于放大镜、显微镜看到的金属表面的情景。相结构（相的晶体结构）：1、固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相其相结构与组成合金的某一组元相同，这种固相称为固溶体。溶剂……、溶质……固溶体的分类：按照溶质在溶剂中的位置不同可分为间隙固溶体和置换固溶体。按照溶质在溶剂中的溶解度分为有限固溶体和无限固溶体。溶质原子溶入溶剂之后，将使溶剂的晶格常数改变，并使晶格发生畸变，导致合金的强度、硬度升高，这种现象称为固溶强化。通过形成固溶体可以使合金的强度、硬度比纯金属高。2、金属化合物3合金的组元之间发生相互作用而形成的一种新相，又叫中间相。其晶格类型和性能均不同于任何一组元。因为在这些化合物中，除了有离子键、共价键外，金属键也参与作用，使它们具有一定的金属性质，所以称为金属化合物。金属化合物又分为：正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物等。性能：硬而脆。在合金中还有一类化合物，其不具有金属的性质，这类化合物是在冶炼过程中带入的杂质，是不希望在合金中存在的物质，所以称为非金属夹杂物。合金的组织可能是单一的固溶体，也可能是固溶体和（一种或几种）金属化合物组成的机械混合物。第二节纯金属及合金的结晶一、纯金属的结晶凝固——由液态到固态的过程称为凝固。结晶——如果凝固后的固体是晶体，则这种凝固称为结晶。金属的凝固过程就是结晶过程。因结晶后所形成的组织将直接影响到金属的加工性能和使用性能，因此研究结晶过程是十分必要的。冷却曲线：温度和时间的关系曲线。见图1-10过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，用△T来表示。冷却速度越大，实际结晶温度越低，则过冷度越大。以后提到过冷度越大说明其冷却速度越大。平台出现的原因是：结晶潜热补偿了向周围环境的散热。1、纯金属的结晶过程见下图4液态金属过冷至实际结晶温度时，经过一段时间（孕育期）晶核不断长大，与此同时又产生了第二批晶核，晶核不断长大，液态金属不断减少，晶核不断长大，直至各个晶体相互接触，液态金属消耗完毕，结晶过程也就结束。由一个晶核长大而成的晶体称之为单晶体（位向不同，呈现各向异性）；如果由多个晶核长大而成的晶体称为多晶体（呈现各向同性）。2、晶核的形成均匀形核（均质形核、自发形核）——晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外来表面的影响，这种形核方式称为均质形核。非均匀形核（异质形核、非自发形核）——依附于液相中的杂质或外来表面形核。3、晶核的长大每一个稳定的晶核出现以后，晶体马上进行长大。因固－液界面的微观结构不同，其接纳液相中迁移过来的原子能力也不同，导致晶体长大机制也不同。长大的机制有三种:二维长大机制：原子在光滑的界面上形成具有一个原子厚度并具有一定宽度的大平面原子集团才能使晶粒长大，便形成一个二维晶核。二维晶核的四周有螺型位错长大机制：垂直长大机制：液相原子连续的垂直的向界面添加原子。4、晶体缺陷点缺陷：空位、间隙原子。见图1-12线缺陷：各种类型的位错（刃型位错、螺型位错）见图1-13、1-14面缺陷：主要是晶界、亚晶界、相界。1-15二、合金的凝固1、相图相图：表示合金系中的组织、温度、成分之间关系的一种图解。通过相图可以确定同一合金系中不同成分的合金在不同温度下相的状态（组织）。相图的建立：介绍纯金属的相图（以纯铁为例）二元合金相图的建立（以铜镍合金为例、液相线、固相线）见图1-16杠杆定律：见图1-17%100abrbL5%100abar2、固溶体合金的结晶过程①匀晶转变两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶的二元合金相图叫匀晶相图。这类合金结晶时，都从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。见图1-18、1-19图1-18中合金Ⅰ的结晶过程：t1时，合金处于液态（液相）=t1时，合金开始从液相中结晶出固相。t1～t2时，液相逐渐减少，固相α逐渐增加；液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。组织为：L+α＝t2时，结晶完毕。组织为：αt2时，组织不变，为：α室温下合金Ⅰ的组织为：α②共晶转变见图1-20两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶发生共晶转变，并形成共晶组织，这种二元合金相图叫匀晶相图。点、线、区的意义共晶点（E点）：E点成分的液相在此温度下，将同时结晶出M点成分的α和N点成分的β两个固相，形成两个固相的混合物，其转变式为：LE→αM＋βN。得到的α和β两个固相的混合物称为共晶组织，这种转变称为共晶转变。共晶线MEN：在这一水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相将发生共晶转变。共晶温度：E点所对应的温度共晶合金：化学成分对应于共晶点的合金。成分位于共晶点左边的合金称为亚共晶合金；成分位于共晶点右边的合金称为过共晶合金。不同合金的结晶过程：共晶合金的结晶过程：tE时：为液相＝tE时：将发生共晶转变，其转变式为：LE→αM＋βN。直至液相消失，得到共晶组织。α和β两个固相的含量可用杠杆定律求出：α相的含量：%100MNEN6β相的含量:%100MNMEtE时：α和β两个固相的化学成分都要发生变化，α的成分沿MF变化，β相的成分沿NG变化。由于溶解度的变化，α和β两个固相将分别析出αⅡ和βⅡ，直至室温为止。室温下的组织为：α＋β＋αⅡ＋βⅡ，因次生相与共晶组织中的同类相混合在一起，在显微镜下难以分辨，所以，共晶合金的室温组织一般说成是α＋β。亚共晶合金的结晶过程（以合金Ⅰ为例）：t1时：L＝t1时：开始从液相中结晶出固溶体t1～t2范围内：L＋α,随着温度的不断下降，L的量逐渐减少，其成分沿AE线变化；α相的量逐渐增加，其成分沿AM线变化。这一阶段属于匀晶转变。＝t2时：α相的成分到达M点，液相的成分到达E点。此时，剩余液相将发生共晶转变，转变式为：LE→αM＋βN。t2时：初晶α不断析出βⅡ，共晶组织α和β两个固相将分别析出αⅡ和βⅡ，直至室温为止。室温下的组织为：α初＋βⅡ＋（α＋β＋αⅡ＋βⅡ），因次生相与共晶组织中的同类相混合在一起，在显微镜下难以分辨，所以，亚共晶合金的室温组织一般说成是：α初＋（α＋β）。过共晶合金的结晶过程：与合金Ⅰ相似，只是先结晶的相是β相，而不是α相（略）。③包晶转变两组元在液态时相互之间能无限互溶，在固态下有限互溶并发生包晶转变的二元合金相图叫包晶相图。见图1-21（以Pt-Ag相图为例）包晶转变：在一定温度下，一定成分的固相与一定成分的液相形成另一个一定成分的固相的转变，转变式为（以Pt-Ag相图为例）：Lc＋αp→βD。D为包晶点；D点所对应的温度称为包晶温度；PDC线称为包晶线（成分在PC之间的范围内的合金在此温度下都会发生包晶转变）。三、铸锭的组织与缺陷1、铸锭三个晶区的形成：外层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。见图1-222、铸锭缺陷：缩松、气孔、偏析（显微偏析、区域偏析、比重偏析）7第三节Fe－C（Fe－Fe3C）相图一、相图中的点、线、区的意义因碳在铁中的含量超过溶解度后，剩余的碳可以有两种形式，即：渗碳体（Fe3C）和石墨（G），因此，铁碳合金有两种相图，即Fe－G相图和Fe－C相图（可分为、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC、FeC-C四个相图，一般情况下提到的铁碳相图是指Fe－Fe3C相图）。相图中的基本相：（除去液相外，相图中的基本固相有以下三种）铁素体——碳在α－Fe中形成的间隙固溶体，用F或α表示。碳在δ－Fe中形成的间隙固溶体称为，用δ表示。奥氏体——碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体，用A表示，有资料用γ表示。渗碳体——铁和碳形成的金属化合物，用Fe3C表示，有资料用Cm表示。Fe－Fe3C相图（见图1－23）、相图中各特性点的温度、含碳量及意义见表1－3。线和区（含五个单相区）的意义：线的意义，三条水平线（包晶转变线、共晶转变线、共析转变线）二、相图分析1、包晶转变（水平线HJB）在J点，温度为1495℃恒温下，含碳量为0.35％的液相与含碳量为0.09％的δ铁素体发生包晶反应，形成含碳量为0.17％的奥氏体。其反应式为：LB+δH→AJ进行包晶转变时，奥氏体沿δ相与液相的界面成核，并向δ相和液相两个方向长大，包晶转变终了时，δ相和液相同时耗尽并转变成单一的奥氏体相。此类转变仅发生在含碳量为0.09～0.53％的铁碳合金中。2、共晶转变（水平线ECF）在1148℃恒温下，含碳量为4.3％的液相转变为含碳量2.11％的奥氏体和渗碳体（含碳量为6.69％）。其共晶产物为混合物，称为莱氏体（用Ld表示）。其转变式为：Ld→AE+Fe3C在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体上。因渗碳体脆性大，所以莱氏体的塑性很差，无实用价值。含碳量在2.11～6.69％之间的铁碳合金均发生共晶转变。3、共析转变（水平线PSK）8在727℃恒温下，含碳量为0.77％的奥氏体将发生共析转变，转变成含碳量为0.0218％的铁素体和渗碳体所组成的混合物，其共析产物称为珠光体，用P表示，其反应式为：As→Fp＋Fe3C珠光体呈层片状，较厚的是F,较薄的是Fe3C，F的体积大约是Fe3C的8倍。所有含碳量0.0218％的铁碳合金均发生共析转变。PSK线称为A1线。4、铁碳合金相图中另外三条重要的固态转