1、1、 三种常见金属晶格及其特点（P12）相关概念：（1） 致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比（2） 空隙半径：在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（3） 配位数：晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目关于密排面与密排方向见课本 P17P18，表格见 P18。体心立方晶格：密排面1 1 0,密排方向面心立方晶格：密排面1 1 1,密排方向关于滑移系见课本。滑移面 滑移方向 滑移系体心立方晶格 110 6 212面心立方晶格 111 4 3 12密排六方晶格 0111 1 _1032、金属结晶过程、动力及影响结晶过程的主要因素，细化晶粒的措施金属结晶过程（69）：包括两个基
2、本过程 晶格常数 晶胞原子数原子半径 致密度 空隙半径 配位数 代表性金属体心立方晶格（胞）（B.C.C晶格）a=b=c, 902 体对角线的一半， 34ra原 子68% 0.29rr四 面 体 空 隙 原 子 15八 面 体 空 隙 原 子 8 Mo、W、V、 -Fe( 2 个 3 个 3 个 滑移系 62 = 12 43 = 12 13 = 3 滑移特点： P100（1）滑移只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。（2）滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对
3、滑动,而是通过位错的运动来实现的。（3）由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。 （4）滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。如体心立方晶格中，（110）面和111 晶向即组成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。2.
4、 孪生 P101在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。体心立方晶格金属（如铁）在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等, 则比较容易发生孪生。多晶体的塑性变形 P102再结晶 P105变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩张能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶体通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。特点：变形金属进行再
5、结晶后，金属的强度、硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。塑性变形对金属组织结构的影响 P102（1）纤维组织形成 （2）亚结构形成 （3）形变织构产生 塑性变形对金属性能的影响 P103（1）形变强化 金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。（2）产生各向异性 由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属的性能产生各向异性。（3）物理、化学性能变化 塑性变形可影响金属的物理、化学
6、性能。如使电阻增大, 耐腐蚀性降低。 （4）产生残余内应力 由于金属在发生塑性变形时, 金属内部变形不均匀, 位错、空位等晶体缺陷增多， 金属内部会产生残余内应力。即外力去除后，金属内部会残留下来应力。残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。齿轮等零件，如表面通过喷丸处理，可产生较大的残余压应力，则可提高疲劳强度。4、掌握铁碳相图，熟悉相图中各种相的本质、特点（课本 86 页） 铁碳合金的组元（Fe，Fe3C） 铁碳合金的相Fe-Fe3C 相图中存在五种相。(1) 液相 L：液相 L 是铁与碳的液溶体。(2) 相（高温铁素体）：是碳在 -Fe 中的间隙固溶体。 （区别于
7、间隙相，间隙化合物） 。呈体心立方晶格，在 1394以上存在，在 1495时溶碳量最大，为 0.09%。(3) 相（铁素体）：用符号 F 或 表示，是碳在 -Fe 中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为 0.0008%，600 时为 0.0057%，在 727（共析点）时溶碳量最，为 0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。(4) 相（奥氏体）：用符号 A 或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在 1148 时溶碳量最大，达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑
8、性变形。(5) Fe3C 相（渗碳体）：Fe3C 相是一个化合物相, 其晶体结构和性能已于前述, 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 （Fe3C 是 Fe 与 C 的一种具有复杂结构的间隙化合物 , 通常称为渗碳体, 用 Cm 表示。 ） 相图中重要的点和线5、分析典型铁碳合金的结晶过程，画出室温平衡组织示意图，标出各组织组成物，计算各组成相及组织组成物的质量分数。(P90)(1)工业纯铁 ()0.218%wC液相 L 相（高温铁素体） A（ 相，奥氏体） A 冷却 从 A 中析出F（ 相，铁素体） A 全部转变为 F F 冷却 F 晶界析
9、出少量 3IeC室温平衡组织：F（白色块状）+ （小白片状）3IeC（2）共析钢 ()0.7%wC液相 L A A 冷却 A 共析生成 P（珠光体）室温平衡组织：层片状 P组织组成物：P组成相：F， 3e6.907()1%8wF32eC（3） 亚共析钢 0.218%()0.7液相 L 从 L 中结晶出 相 包晶反应生成 L 中结晶出 A A 冷却0.17AA 中析出 F A 共析成 P，F 不变室温平衡组织：F（白色块状）+P（层片状）组织组成物：F，P （设 = %）()wCx0.217()()FP若忽略 F 中的碳质量分数，则 。P 和 F 密度相近，钢中 P0.7wC和 F 的质量分数可
10、以近似用 P 和 F 的相对面积分数来估算。组成相：F， （设 = %）3eC()x6.9()10%xwF3()eC（4） 过共析钢 0.7%()2.液相 L 从 L 中结晶出 A A 冷却 从 A 中析出 （呈网状分布在 A 晶3IFeC界上） A 共析成 P， 不变3IFeC室温平衡组织： +P， 呈网状分布在层片状 P 周围I3I组织组成物： P， （设 = %）3Ie()wx30.7169IFC3()()IPe组成相：F， 3e（5） 共晶白口铸铁 ()4.%wC液相 L 高温莱氏体 Le（A+ ） Le 中的 A 析出 A 共析成3Fe3IFeCP Le 转变为 （低温莱氏体）e室温
11、平衡组织： （P+ + ） ，由黑色条状或粒状 P 和白色 基3I3 3e体组成组织组成物： L组成相：F， 3eC（6） 亚共晶白口铸铁 2.1%()4.3w液相 L L 中结晶出初生 A L 发生共晶转变为 Le A 析出 A 共析3IFeC成 P Le 转变为 e室温平衡组织：P+ + ，网状 分布在粗大块状 P 的周围， 由3IFCe3IFCL条状或粒状 P 和 基体组成组织组成物：P， ，3IeL组成相：F， C（7） 过共晶白口铸铁 4.%()6.9w室温平衡组织： （长条状）+3IFeCLe6、过冷 A 的转变：P、S、T、B、M 的本质、形态、性能特点、形成条件本质 形态 性能
12、特点 形成条件P（113）粗层片状 强度较小A1-650，等温或连续转变。属于过冷奥氏体的高温转变S（113）较细层片状 有较高的强度A1 点以下 650-700，等温或连续转变。属于过冷奥氏体的高温转变T（113）渗碳体与铁素体的机械混合物细层片状 有很高的强度A1 点以下 600-550，等温或连续转变。属于过冷奥氏体的高温转变B（114）渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物上贝氏体：呈羽毛状下贝氏体：黑色针状上贝氏体：塑性变形抗力较低；强度和韧性都较差。下贝氏体：硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。550 350 ：上贝350 Ms：下贝过冷奥氏体等温转变，连续转变仅亚共析
13、钢M（117）碳在 -Fe中的过饱和固溶体板条马氏体：平行排列的细板条针状马氏体：竹叶状或凸透镜状硬度很高，马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。转变温度在 Ms Mf之间，等温或连续转变，低温转变过程7.过冷 A 转变为 M 的一些规律：影响 M 的硬度、M 的形态残余 A 量等的因素。M 的形态：P119 （P118 图 2-73）M 的形态有板条状和针状两种，决定于奥氏体的碳的质量分数。碳质量分数在 0.25%以下时，为板条 M（低碳 M） 。在显微镜下为一束束平行排列的细板条。也称位错 M。碳质量分数大于 1.0%时，为针状 M（高碳马氏体） 。光学显微镜中呈凸透镜状，高倍透
14、射电镜分析显示，针状马氏体内有大量孪晶，也称孪晶 M碳质量分数在 0.251.0%之间时，为板条 M 和针状 M 的混合组织。M 的硬度：P119 （图见 P120 图 2-77）M 的硬度很高，碳质量分数越高，M 的硬度越高。残余 A 量：P117 (图见 P118 图 2-74)马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与 MS、M f 的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则 MS、M f 越低，残余 A 含量越高。只在碳质量分数少于 0.6%时, 残余 A 可忽略。8、退火、正火、淬火、回火的工艺和应用（课本 121 页130 页） ，表面热处理（130 页132 页）及化
15、学热处理工艺和应用（ 132 页137 页） 。一、退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却） ，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。 完全退火工艺：完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至 Ac3 以上 20 30 , 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却 ), 以获得接近平衡组织的热处理工艺。组织：亚共析钢经完全退火后的组织为 F+P。 （完全退火一般用于亚共析钢。过共析钢加热到 Accm 以上慢冷时二次渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的韧性大大下降，
16、并可能在以后的热处理中引起裂纹） 。应用：通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。 等温退火工艺：等温退火是将钢件加热到高于 Ac3(或 Ac1)的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。应用：等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织; 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。 球化退火工艺：球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。一般采用随炉加热，加热温度
17、略高于 Ac1，球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却，在通过 Ar1 温度范围时，应足够缓慢。组织：主要用于共析钢和过共析钢。过共析钢球化退火组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。 应用：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎） ，以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。 扩散退火工艺：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下 100 200 ）的温度，长时间保温（10 h15 h） ，并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。组织：应用：减少钢锭、铸件或锻
18、坯的化学成分和组织不均匀性，扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。 去应力退火工艺：将钢件加热至低于 Ac1 的某一温度( 一般为 500 650 ) ，保温后随炉冷却。组织：不引起组织变化。应用：为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力。 （这种处理可以消除约 50%80% 的内应力 , 不引起组织变化。 ） 还有再结晶退火（ 105 页），铸铁中用到高温退火二、正火工艺：钢加热到 Ac3(对于亚共析钢 )、Ac1(对于共析钢)、Accm(对于过共析钢)以上30 50 , 保温后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理。 组织： 亚共析钢为
19、：F+S；共析钢为： S；过共析钢为： S+Fe3CII应用： （1）作为最终热处理细化晶粒，均匀组织，亚共析钢中珠光体量增多并细化，提高钢的强度、硬度和韧性。用于不重要的零件。（2）作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前正火，消除魏氏组织和带状组织，均匀、细化组织。对于过共析钢减少二次渗碳体量，不形成连续网状，为球化退火作组织准备。（3）改善切削加工性能适当提高低碳钢或低碳合金的硬度，改善切削加工性能。三、淬火（淬火，回火加热温度不同，情况不同，详见实验报告 43 页。合金钢温度不同）工艺：将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为 Ac3 以上 30 50 ；共析钢和过共析钢为
20、 Ac1 以上 30 50 ） ，保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织。常用的淬火方法有单介质淬火，双介质淬火，分级淬火和等温淬火等。组织：1 共析钢：油冷：屈氏体+马氏体+残余奥氏体。水冷：马氏体+残余奥氏体2 亚共析钢：（奥氏体中碳质量分数低于 0.6%，残余奥氏体可忽略。 ）油冷：屈氏体+马氏体， （铁素体，上贝氏体，少）水冷：马氏体。3 过共析钢：油冷：屈氏体+马氏体+残余奥氏体。水冷：马氏体+残余奥氏体应用：四、回火钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到 Ac1 以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 低温回火工艺：回火温度
21、为 150 250 。组织：亚共析钢：回火马氏体(回火 M)。过共析钢：回火马氏体碳化物残余奥氏体。共析钢：回火马氏体+残余奥氏体应用：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为 58 HRC64 HRC)和高耐磨性。主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。 中温回火工艺：回火温度为 350 500 组织：共析钢：回火屈氏体，亚共析钢：回火屈氏体，过共析钢：回火屈氏体+二次渗碳体应用：回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为 35 HRC45 HRC。主要用于处理各类弹簧。 高温回火工艺：回火温度为 500 650 组织：共
22、析钢，亚共析钢：回火索氏体，过共析钢：回火索氏体+二次渗碳体应用：回火索氏体综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25 HRC35 HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。广泛用于各种重要的机器结构件，是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等。也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。五、表面热处理仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。 感应加热表面热处理工艺：感应线圈中通以交流电，把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度
23、快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行 180 200 低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。也常采用自回火，在工件冷却到 200C 左右停止喷水，利用工件内部余热达到回火目的。组织：表面得到细隐晶马氏体。应用：表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如 45、40Cr、40MnB 钢等。这类刚经预先热处理（正火火调质）后表面淬火，心部保持较高的综合机械性能，表面保持较高硬度和耐磨性。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。高碳钢表面淬火用于受较小冲击和交变载荷的工具，量具等。 火焰加热表面淬火工艺：火焰加热表
24、面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。应用：火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。六、化学热处理（内容较多，见课本 132 页）化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。 渗碳 氮化 碳氮共渗9、合金元素对钢的淬透性、回火过程的影响（P144）淬透性：（1）除 外，几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推
25、迟珠光体类型组织oC的转变，使 C 曲线右移，提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B（微量 B 就能明显提高淬透性，但作用不稳定）（2）除 Co、Al 外，多数合金元素都使 和 点下降，使淬火后钢中残余奥氏体sMf量增多，钢的硬度和疲劳抗力下降。作用大小次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。（3）合金元素影响马氏体的形态，Ni、Cr、Mn、Mo、Co 有增大片状马氏体的倾向。回火转变：（1） 提高回火稳定性：推迟马氏体的分解和参与奥氏体的转变；提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。主要元素：V、Si、Mo 、W、Ni、Co（2） 产
26、生二次硬化（Mo、W、V 质量分数较高的高合金钢）：回火时，硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度（约 400）后反而开始增大，并在另一更高温度（一般为 550左右）达到峰值a. 沉淀硬化：回火温度低于 450时，钢中析出渗碳体；在 450以上渗碳体溶解，钢种开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物 、 、 等，使硬度重新升高，2oMCWV而在 550左右沉淀硬化过程完成时，硬度出现峰值。（V、Mo、W、Cr、 、 ）*iNoCb. 回火冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火引起（Mn、Mo、W、Cr、Ni、V）*oC（*：仅在高含量并有其它合金元素存在时，由于能生成弥散分布的金属间化合物
27、才有效）（3）增大回火脆性第一类回火脆性（低温回火脆性，250400）：由相变机制决定，无法避开第二类回火脆性（高温回火脆性，450600，可逆）：主要与某些杂质元素以及合金元素（、）本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，可防止发生。a. 回火后快冷（油冷） ，抑制杂质元素在晶界偏聚b. 加入适当 或 （合金调质钢即加入了防止第oM()0.5%,()1owW二类回火脆性的元素 ，详见.3,()0.8%1.2w） ，强烈阻碍和延迟杂质元素等往晶界的扩散偏聚10、按下列格式总结下列钢种钢种 应用 碳质量分数 合金元素作用 热处理 组织 性能 调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢、高速钢（W18Cr4V） 、刃具钢、不锈钢（2Cr13,4Cr13,1Cr18Ni9Ti）见工程材料习题与辅导18 页表 1-111.掌握各类铸铁的显微组织及用途灰铸铁：P207 显微组织 P208
