北京科技大学_金属学_讲义完成版.doc

一、金属与合金的晶体结构1.    原子间的键合1)金属键, 2)离子键, 3)共价键2晶体学基础1）空间点阵， 2）晶系与布喇菲点阵， 3）晶向指数与晶面指数3金属的晶体结构1）典型的金属晶体结构，2）原子的堆垛方式，3）晶体结构中的间隙，4）晶体缺陷4合金相结构1）置换固溶体，2）间隙固溶体，3）影响固溶体溶解度的主要因素4）中间相5晶体缺陷1）点缺陷, 2)晶体缺陷的基本类型和特征, 3)面缺陷二、金属与合金的凝固1金属凝固的热力学条件2形核1）均匀形核，2）非均匀形核3晶体生长1）液-固界面的微观结构，2）金属与合金凝固时的生长形态，3）成分过冷4凝固宏观组织与缺陷三、金属与合金中的扩散1扩散机制2扩散第一定律3扩散第二定律4影响扩散的主要因素四、二元相图1合金的相平衡条件2相律3相图的热力学基础4二元相图的类型与分析五、金属与合金的塑性变形1单晶体的塑性变形1）滑移，2）临界分切应力,3）孪生，4）纽折2多晶体的塑性变形1）多晶体塑性变形的特点，2）晶界的影响，3.塑性变形对组织与性能的影响1）屈服现象,2)应力-应变曲线与加工硬化现象,3)形变织构等六、回复和再结晶1回复和再结晶的基本概念2冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化3再结晶动力学4影响再结晶的主要因素5晶粒正常长大和二次再结晶七、铁碳相图与铁碳合金1铁碳相图2铁碳合金3铁碳合金在缓慢冷却时组织转变八、固态相变1固态相变的基本特点 2固态相变的分类3扩散型相变         1）合金脱溶，2）共析转变，3）调幅分解4非扩散型相变复习方法的话大家还是根据自己的习惯有所不同。重要的是坚持。我个人有一些看法希望与大家分享。刚开始看，很难把握重点，看的太细，会浪费时间。而且，第一遍看完之后，往往都是只有一个大概的轮廓，细节部分是很难记住的。所以第一边看要抓大放小，把握大致脉络。短时间对专业课容有一个全局的把握，以利于第二遍的深入阅读。这就算达到了目标。再看的时候，每g kV s6p!L+M-qY看完一节或一章，对主要容进行概括。尤其是把重要的知识点用简练的语言概括出来，列成条目以利于以后把握重点，节约时间。一定要相信，手过一遍，胜过口过十遍。做笔记能加深我们对知识的理解和记忆。再以后做题时每遇到问题回来看自己总结的笔记，并且把做题时重要的类型题的解法归纳到笔记中。坚持下去。做到点线面的复习，这样下来专业课不拿高分都难了。二：知识梳理第一章：金属与合金的晶体结构1)金属键, 2)离子键, 3)共价键考点：金属键（2001年，2004年，2007年）简述什么是金属键？5分剖析：金属中自由电子和原子核之间靠静电作用产生的键合力。 晶体学基础 10分1) 空间点阵（2008年）在空间中由几何阵点周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，在三维空间规则排列的阵列成为空间点阵，简称点阵。5分2) 晶系与布喇菲点阵（2007年，2004年）考点：7中晶系的点阵参数，14种布喇菲点阵，晶体结构与布喇菲点阵的区别。剖析：布喇菲点阵中每个阵点周围环境相同，法国数学家布喇菲经过推倒只可能有14种，也可表诉为除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置构成的点阵。难点：空间点阵与晶体结构的区别 晶向指数与晶面指数（2008，2007，2006，2005，2004，2003，2002） 画出fcc中（110）晶面原子的排列情况，在体心立方中画出一个最密排方向并说明晶向指数，再画出过该方向的两个不同的低指数晶面，写出对应的晶面指数，这两个面与其平行的密排方向构成什么关系？20分金属的晶体结构（年年考）20分1）典型的金属晶体结构 fcc，bcc，hcp，年年考重中之重，考察晶胞中的原子数，点阵常数与原子半径，配位数和致密度，要烂熟于胸。2）原子的堆垛方式 体心立方：ABABABA或ACACACAC,面心立方：ABCABCABC或ACBACBACB3）晶体结构中的间隙:四面体间隙和八面体间隙画图（2008）20分合金相结构 20分1） 置换固溶体，2）间隙固溶体，3）影响固溶体溶解度的主要因素（2007，2006，2005，2004，2003，2001，2000）所谓固溶体是指溶质原子以原子态溶入金属溶剂的点阵晶格中所组成的单一均匀固体，其特点是保持溶剂的点阵结构类型。置换固VS间隙固溶体？ 影响固溶度的因素有：原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于±15有利于形成大的代为固溶体，当两组元的直径相对差大于41时，有利于形成高的间隙固溶体。：负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小于0.40.5会有较大的溶解度。：电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属中，溶质的原子价越高，溶解度越小：而是相对价效应即高价溶质融入低价溶剂是的高于相反的情况。4）中间相(2006,2004,)合金中组元之间形成的、与纯组元结构均不同的新相，处在相图的中间区域。 晶体缺陷 20分1） 点缺陷：点缺陷的几种基本类型，空位，间隙，杂质，溶质原子等3) 晶体缺陷的基本类型和特征：点缺陷，线缺陷即位错，面缺陷即晶界相界（2007，2006，2005）07：点缺陷和线缺陷为何会发生交互作用？这种交互作用如何影响力学性能？举例说明或画图说明什么是小角度晶界的为错模型？描述大角度晶界有何模型？其含义是什么？ 解析答案：1：点缺陷产生畸变，是局部能量升高，附近有弹性应变场，为错也是如此，但为错周围应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力;点缺陷会聚集到为错上是应变能降低，使系统能量降低，吸附溶质的为错是一种稳定的组态，此时为错被钉扎而难以运动，使强度提高，会产生上下屈服点效应。 2：小角度晶界可看成是由大量的、两侧原子完全对应的好区和一组平行或相互垂直的位错组成，取向差完全是靠为错产生的；晶界能是位错能量的加和。大角度晶界模型有非晶模型、小岛模型、重合位置点阵模型，后者的含义是特殊的打角度晶界一部分原子同属界面两侧点阵，重合点本身构成一超点阵，晶界过其密排面是能量最低。第二章：金属与合金的凝固1金属凝固的热力学条件：G0,对任何一个反应，只有放出能量反应才能发生，金属的凝固和相变同样如此。2形核1）均匀形核，2）非均匀形核均匀形核：指不依靠外来表面，而在晶体部自发形核，过冷度要求比较大。非均匀形核：依靠外来表面或孕育剂形核，过冷度要求较小。3.晶体生长1）液固界面的微观结构， 2）成分过冷如图 液固界面的微观结构2）成分过冷 指凝固时，液固界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷。4凝固宏观组织与缺陷金属铸锭的组织1表层细晶区 2柱状晶区 3中心等轴晶区 各个晶区是如何形成的，都有什么特点？第三章：金属与合金中的扩散1扩散机制：交换机制、间隙机制、空位机制、晶界扩散与表面机制，其中空位机制是置换固溶体中最重要机制。2菲克第一定律：J=-Dd ，它表示了物质从高的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。菲克第一定律描述了一种稳态扩散，即浓度质量不随时间而改变。3菲克第二定律 ，是一种非稳态扩散，某点的质量浓度随时间的改变而改变。4影响扩散的主要因素 1：温度：是影响扩散最主要的因素，温度越高，扩散系数D越大。 2：固溶体类型：置换固溶体激活能大，扩散的慢；间隙固溶体扩散激活能小，扩散的快。 3：晶体结构：低对称性的晶体结构中，存在扩散的各向异性，如六方结构晶体，平行与垂直基面（0001）的扩散系数不同 4：晶体缺陷：界面表面与位错是扩散的快速通道。 5：熔点。同一合金系中，同一温度下熔点高的合金中扩散慢，熔点低的扩散快。第四章：二元相图1合金的相平衡条件与相律：处于平衡状态下的多相（p个相）体系，每个组元（共有c个组元）在各相中的化学势都必须相等。从相平衡条件可知，处于平衡状态的多元系中可能存在的相数有一定的限制。这种限制可用吉布斯相律表示为：f=c-p+2f为体系的自由度数，c为体系的组元数，p为相数。对于不含气相的体系，压力一般可认为是常数，因此相律又可写成：f=c-p+1相律给出了平衡状态下体系中存在的相数和组元数与温度、压力之间的关系，对分析和研究相图有重要的指导作用。2相图的热力学基础了解固溶体的成份自由能曲线，如图<0时：曲线为U形，只有一个最小值=0时：曲线也为U形，只有一个最小值>0时：曲线为形，有两个最小值，即固溶体有一定的溶混间隙多相平衡的公切线原理 在二元系中，当两相（例如固相和）平衡时，热力学条件为 ，即两组元分别在两相中的化学势相等。因此，两相平衡时的成分由两相成分自由能曲线的公切线确定。如图杠杆法则：和两相共存时，可用杠杆法则计算两相的相对量，应用杠杆法则时要找准三个点，即两个相点和一个成分点。3二元相图的类型与分析匀晶相图：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变，对应的固液转变图称为匀晶相图。共晶相图：两组元在液态是无限固溶，液相线从两端纯组元向中间凹下，两液相线交点对应的温度称为共晶温度，在该温度下液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这两相的混合物称为共晶组织或共晶体。这种股也转变图称为共晶相图。共晶相图共晶合金的平衡凝固与其组织是考试重点。第五章 金属与合金的塑性变形1 单晶体的塑性变形滑移：当应力超过晶体的弹性极限时，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量的滑移线组成滑移带。临界分切应力：滑移系开动所需要的最小分切应力，它是一个定值，与材料本身性质有关，与外力取向无关。孪生：晶体受力以后，以产生孪晶的方式进行的均匀切变过程叫孪生，切变区与未切变区呈晶面对称的取向。纽折：当晶体不能进行滑移变形，若此时孪生过程也因阻力太大无法进行时，随着外力继续增大，超过某一临界值时晶体会产生适应性的局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域称为扭折带。滑移是单晶体变形的主要方式，孪生和扭折是滑移不能进行时的协调性变形。2多晶体的塑性变形1）多晶体塑性变形的特点：多晶体中，每个晶粒与周围晶粒取向不同，处于有利位相的先滑移，故滑移开始的早晚不同，滑移系的数目也不相同。不同位相晶粒滑移系取向不同，滑移方向也不相同，故滑移不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒。为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合，每个晶粒不只是在取向有利的方向进行，而且必须在几个非有利的滑移系上进行才能使其形状做各种改变。多晶体是否能够塑性变形取决于它是否具备5个以上独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。FCC有12滑移系，BCC有48个滑移系，它们的多晶体有很好的塑性；而FCP只有3个独立滑移系，晶粒间协调性很差，所以其多晶体塑性变形能力低。如2） 晶界的影响：晶界上原子排列不规则，是严重错排区，位错不能通过，形成位错塞积群。即晶界阻碍滑移的进行。由于晶界数量取决于晶粒的大小，因此晶界对多晶体起始塑变抗力的作用可通过晶粒大小直接表达。多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的强度与晶粒平均直径的符合霍尔佩奇公式：第六章 回复和再结晶1回复和再结晶的基本概念回复是指冷变形金属在加热时新的无畸变的晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶完毕之后晶粒的继续长大；2冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化组织变化：随退火温度的升高或时间的延长，出现亚晶的合并并长大，再结晶形核与长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒，然后是晶粒的正常长大性能的变化：形变储存能逐渐被释放，特别是再结晶阶段释放的最显著硬度与强度下降，延伸率上升电阻降低，密度提高在结晶时各种性能的变化都比回复时强烈的多。3再结晶动力学横坐标是再结晶的体积分数，纵坐标是时间。再结晶的体积分数公式为：，再结晶动力学取决于形核率和长大速率的大小。上图为恒温时的动力学曲线，成典型的“”形。4再结晶温度与影响再结晶的主要因素再结晶温度是指经过大变形量的冷变形金属，经过1退火能能完成在结晶（>95）所对应的温度定义为再结晶温度。影响再结晶的主要因素：变形程度的影响：冷变形程度越大，储存能越多，再结晶驱动力也越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。原始晶粒尺寸：其他条件相同时，金属的原始晶粒越细小，变形抗力越大，冷变形后储存的能量越高，再结晶温度也越低。溶质原子：溶质原子倾向于在位错与晶界处偏聚，阻碍位错的滑移与攀移与晶界的迁移第二相粒子：第二相粒子较大时促进再结晶，第二相粒子较小时阻碍再结晶再结晶退火工艺参数：加热温度，加热速度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。5 晶粒正常长大和二次再结晶晶粒长大：再结晶完成以后，大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大的过程，其驱动力是总的界面能的降低。二次再结晶：也称为晶粒的异常长大，是指再结晶完毕以后正常长大过程被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。其驱动力是界面能的降低。第七章、铁碳相图与铁碳合金1铁碳相图铁碳相图是考试重点，每年都会考，考点：画出铁碳相图，只画实线部分即可，实线是冷却，虚线是加热溶解标出图中各点的字母和成分必须和原图一样，不得更改字母标出包晶温度、共晶温度和共析温度以与各相区的相组成会用杠杆法则计算某一点的相含量和组织含量2铁碳合金与其在缓慢冷却时组织转变根据碳含量的增加，铁碳合金有以下组织与转变过程：工业纯铁室温为铁素体：缓慢冷却时组织转变：共析珠光体0.77%C室温组织：铁素体和渗碳体层片交替的混合物，白色薄片是铁素体，黑色薄片是渗碳体缓慢冷却时组织转变：亚共析钢 室温组织是先共析铁素体和珠光体 200倍，白色先共析铁素体，黑色珠光体过共析钢 室温组织是网状二次渗碳体和珠光体 白色是二次渗碳体呈网状分布，其余是珠光体共晶白口铸铁4.3%C 室温组织是珠光体和变态莱氏体 黑色是由共晶奥氏体转变而来的珠光体，白色基体是共晶渗碳体亚共晶白口铸铁 室温组织是黑色树枝状是珠光体，其余为变态莱氏体过共晶白口铸铁 室温组织是一次渗碳体和变态莱氏体 白色条带为一次渗碳体，其余为变态莱氏体要求：能识别不同的图片，并能描述出缓冷时的组织转变示意图。第八章 固态相变1固态相变的基本特点 固态相变与金属的结晶再结晶有着显著的差异，其基本特点是：相变阻力中除了界面能又多了应变能一项，相变阻力增大形核方面：非均匀形核为主，新旧相具有特定的取向关系，相界面常为共格或半共格生长方面具有惯习现象，即新相沿母相的特定晶面析出长大有亚稳相生成，以降低相变阻力2固态相变的分类：扩散型相变和非扩散型相变3扩散型相变 ：扩散过程有的扩散       合金脱溶：当固溶体因温度变化而呈过饱和状态时，其所含的过饱和溶质原子将通过扩散析出新相，脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物往往以亚稳态的过渡相存在。共析转变：随着温度的降低从一相中逐渐脱溶出两相的分解过程称共析转变，如共析珠光体调幅分解：不经过形核阶段的不稳定分解，母相成分的任何涨落都导致系统的自由能的降低，母相经过上坡过赛的形式自动分解为富A和富B的两个亚稳相。4非扩散型相变：扩散过程中不发生原子的扩散，仅依靠切变重排形成亚稳态新相，例如马氏体转变13 / 13