哈工大-金属学与热处理习题及参考解【25页】

3.0 文小白 2023-09-15 266 0 1.68MB 22 页 10文币

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金属学与热处理总结

一、金属的晶体结构

重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四

面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺

序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。

晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度

体心立方 2 8 68%

面心立方 4 12 74%

密排六方 6 12 74%

晶格类型 fcc(A1) bcc(A2) hcp(A3)

间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体

间隙个数 8 4 12 6 12 6

原子半径 rA

间隙半径 rB

晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列

的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。

金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种

结合方式称为金属键。

位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。

位错的柏氏矢量具有的一些特性：

① 用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起

点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。

晶界具有的一些特性：

① 晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子

在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于

发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的

运动，提高材料的强度。

二、纯金属的结晶

重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方

法，铸锭三晶区的形成机制。

基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学

条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。

相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。

变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶

粒的方法。

过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力

学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据可知当过冷度为零时临

界晶核半径 Rk为无穷大，临界形核功（）也为无穷大。临界晶核半径 Rk与临界

形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液

态金属结晶需要过冷度。

细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。

铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，

靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层

中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶

区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生

成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随

着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固

液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液

体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中

作为非自发生核的籽晶。

三、二元合金的相结构与结晶

重点内容：杠杆定律、相律及应用。

基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合

金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。

相律：f = c – p + 1其中，f 为自由度数，c为组元数，p为相数。

伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全

部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。

合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而

成的具有金属特性的物质。

合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构

与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。

四、铁碳合金

重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算。

基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。

钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计

算；五种渗碳体的来源及形态。

奥氏体与铁素体的异同点：

相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。

不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为 0.0218%，奥氏体

最高含碳量为 2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是

由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。

二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。

相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。

不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态

不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强

度，网状降低强度。

成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为F＋P，F

的强度低，塑性、韧性好，与 F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量

减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的

增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降

五、三元合金相图

重点内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中不同区、线的结晶过程、室温组织。

基本内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中任意点的组织并计算其相对量。

三元合金相图的成分表示法；直线法则、杠杆定律、重心法则。

六、金属及合金的塑性变形与断裂

重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能。

基本内容：固溶体强化机理与强化规律、第二相的强化机理。霍尔——配奇关系式；单晶

体塑性变形的方式、滑移的本质。

塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。

滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是

位错的移动。

体心结构的滑移系个数为 12，滑移面：{110}，方向<111>。面心结构的滑移系个数为

12，滑移面：{111}，方向<110>。

金属塑性变形后的组织与性能：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状

或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的

强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力

降低等。

七、金属及合金的回复与再结晶

重点内容：金属的热加工的作用；变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化，储存

能的变化。

基本内容：回复、再结的概念、变形金属加热时储存能的变化。再结晶后的晶粒尺寸；影

响再结晶的主要因素性能的变化规律。

变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化：随温度的升高，金属的硬度和强度下降，

塑性和韧性提高。电阻率不断下降，密度升高。金属的抗腐蚀能力提高，内应力下降。

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摘要：

金属学与热处理总结一、金属的晶体结构重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方2868%面心立方41274%密排六方61274%晶格类型fcc(A1)bcc(A2)hcp(A3)间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体间隙个数84126126原子半径rA间隙半径rB晶胞：在晶格中选取一个能够...

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