金属学与热处理知识总结

空间点阵和晶体点阵    为便于了解晶体中原子排列的规律性，通常将实体晶体结构简化为完整无缺的理想晶体。若将其中每个院子抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点组成的规整的阵列，称为空间点阵，抽象出来的几何点称为阵点或结点。由此构成的空间排列，称为晶体点阵；与此相应，上述空间点阵称为晶格。热过冷    纯金属在凝固时，其理论凝固温度(Tm)不变，当液态金属中的实际温度低于Tm时，就引起过冷，这种过冷称为热过冷。成分过冷     在固液界面前沿一定范围内的液相，其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个过冷区域，过冷度为平衡结晶温度与实际温度之差，这个过冷度是由于界面前沿液相中的成分差别引起的，称为成分过冷。成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。动态过冷度     当界面温度Ti<Tm，熔化速率<凝固速率时，晶核才能长大，这时的过冷度称为动态过冷度。即只有液固界面取得动态过冷度，才能使晶核长大。结构起伏     液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。能量起伏     液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低。均匀形核    液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，是液态金属绝对纯净、无任何杂质，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接生核的理想过程。临界半径：非均匀形核    液态金属中总是存在一些微小的固相杂质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，需要的过冷度较小。临界半径：    非均匀形核的临界球冠半径与均匀形核的临界半径是相等的。晶核长大的微观结构    光滑界面和粗糙界面。晶粒大小的控制    控制过冷度；变质处理；振动、搅动。表面细晶区的形成    当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。柱状晶区的形成    在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。中心等轴晶的形成    内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。固溶体与金属化合物的区别     固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。固溶体相对来说塑韧性好，硬度较低，金属化合物硬而脆。影响置换固溶体溶解度的因素    原子尺寸因素；电负性因素；电子浓度因素；晶体结构因素。相律    相律 F=C-P+2，压力为常数时，F=C-P+1。F为平衡系统的自由度数，C为平衡系统的组元数，P为平衡系统的相数。他的含义是：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，它的自由度数等于系统的组元数和相数之差加上2。杠杆定律  L=rb/ab ×100%成分起伏    液相中总会有某些微小体积可能偏离液相的平均成分，这些微小体积的成分、大小和位置都是在不断地变化着，这就是成分起伏。枝晶偏析    固溶体合金不平衡结晶的结果，使先后从液相中结晶出的固相成分不同，再加上冷速较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀。先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差别，这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，称为晶内偏析，又称枝晶偏析。宏观偏析      在材料宏观范围内出现的成分不均匀偏析。铁素体与奥氏体    铁素体是溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，常用符号F或表示。奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或表示。碳溶于体心立方晶格-Fe中的间隙固溶体，称为铁素体，以表示。奥氏体塑性很好，具有顺磁性。工业纯铁    含铁量为C=99.8%99.9%，塑性和韧性很好，但其强度很低。之前发过的铁-碳相图，你还记得吗？渗碳体     Fe3C，含碳量为C=6.69%，可用Cm表示，具有很高的硬度，但塑性差，低温下具有一定的铁磁性。单相区5个相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：液相区(L)ABCD以上区域固溶体区AHNA奥氏体区()NJESGN铁素体区()GPQ(Fe3C)DFK直线以左渗碳体区两相区7个7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：L+AHJBAL+BJECBL+Fe3CDCFD+HNJH+GPSG+ Fe3CESKFCE+ Fe3CPQLKSP+ Fe3C三相区3个包晶线水平线HJB(L+)共晶线水平线ECF(L+Fe3C)共析线水平线PSK(+ Fe3C)Fe-Fe3C相图中的特性点包晶转变发生在1495（水平线HJB），反应式为：LB+HJ式中：L0.53含碳量为0.53%的液相；0.09含碳量为0.09%的固溶体；0.17含碳量为0.17%的固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在0.090.53%之间的合金冷却到1495时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。共晶转变    发生在1148（水平线ECF），反应式为：LCE+Fe3C共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。共析转变    发生727（水平线PSK），反应式为：SP+Fe3C共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。 Fe-Fe3C相图中的特性线含义    ES线（Acm线）：是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148时，可以溶解2.11%的碳。而在727时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148冷到727的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。    PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200仅可以溶解7×10-7%C。所以铁碳合金由727冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。    GS线（A3线）是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。 纯铁、钢、白口铁    1.纯铁含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3CIII的析出。    2.钢含碳量0.0218%2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。根据室温组织的不同，钢又可以分为：    亚共析钢：含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。45钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变L0.45L0.53+，包晶转变L0.53+0.45，同素异晶转变0.45+0.77，共析转变0.77(+Fe3C)。室温下45钢的组织为：铁素体+珠光体P（+Fe3C）。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。组织组成物=49.5%，P=50.5%，相组成物=94.3%，Fe3C =5.7%。    共析钢：从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L（奥氏体），共析转变(+Fe3C)（珠光体P），中析出三次渗碳体(Fe3CIII)。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3CIII），共析钢只有一种组织（忽略Fe3CIII），即珠光体P，珠光体由和Fe3C两个相组成。应用杠杆定律可以计算出和Fe3C两个相的相对量。    过共析钢：在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变0.77(+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(+Fe3C)+Fe3CII。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3CII的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3CII网）或相应的热处理后才能使用。    碳对钢性能的影响：碳钢的组成相只有铁素体和渗碳体两种，组织组成物有先共析铁素体、珠光体和二次渗碳体三种。由于铁素体硬度低、塑性好，渗碳体硬度非常高、塑性为0。所以，由铁素体和渗碳体均匀混合的珠光体具有良好的综合性能，即具有良好的强度和硬度,同时也具有较好的塑性和韧性。对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降，只有硬度增高。    3.白口铁含碳量2.11%6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为：    亚共晶白口铁：冷却过程中组织转变与共晶白口铁类似，只是在共晶转变之前，液相中先结晶出奥氏体。到达1148时，剩余的液相成份为4.3%C，再往下面，液相的转变就与共晶白口铁一样了。先结晶出来的奥氏体和共晶奥氏体一样，在以后的冷却过程中依次析出二次渗碳体（难以明显看出）和进行共析转变。室温下亚共晶白口铁的平衡组织为：P+Fe3CII+Ld。    共晶白口铁：在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织），在1148到727之间，莱氏体中的奥氏体将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727时的含碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变，将全