第二节 金属学及热处理基本知识
第二节金属学及热处理基本知识
一、金属晶体结构的一般知识
众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。
第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。
我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。
(一)晶体的特点
对于晶体，大家并不生疏。食盐、水结成的冰，都是晶体。一般的固态金属及合金也都是晶体。并非所有固态物质都是晶体。如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。
晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。
由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。
(二)典型的金属晶体结构
金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。
图1—4 典型的金属晶体结构
(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格
铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。纯铁的这种特性非常重要，是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。
二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识
(一)合金的组织
两种或两种以上的元素(其中至少一种是金属元素)，组合成的金属，叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：
(1)固溶体固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体；如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中，称为间隙固溶体，见图1—5所示。
图1—5 固溶体示意图
(a)置换固溶体；(b)间隙固溶体
两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。
(2)化合物两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。
(3)机械混合物固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和压力加工性能则较差。
(二)钢中常见的显微组织
(1)铁素体(F)：铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于α-铁中的固溶体。α-铁为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时为0．02％，室温时仅0．006％。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的性能。
(2)渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。
(3)珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0．8％左右，只有温度低于723℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。
(4)奥氏体(A) 奥氏体是碳和其它合金元素在γ-铁中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在。当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是没有磁性。
(5)马氏体(M) 马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。
(6)魏氏组织魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。
(二)铁—碳合金平衡状态图
钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于2．11％的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系，见图1—6。图上纵座标表示温度，横座标表示铁碳合金中碳的百分含量。例如，在横座标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为6．67％，全部为渗碳体(Fe3C)。
图1—6 Fe-C平衡状态图
图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁在1535℃凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为1147℃。当含碳量大于4．3％以后，随含碳量的增加，凝固点增高。
AHJEF线为固相线。在AHJEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相(液相和固相)共存。
GS线表示含碳量低于0．8％的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。
ECF水平线，1147℃，为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。
PSK水平线，723℃，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。
为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。
正点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1147℃，含碳量为2．11％。
S点为共析点，温度为723℃，含碳量为0．8％。S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体+珠光体；S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体+珠光体。
C点为共晶点，温度为1147℃，含碳量为4．3％。C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。含碳量在2．11％～4．3％之间的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体+珠光体+渗碳体；含碳量在4．3％～6．67％之间的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体+渗碳体。
莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性硬而脆。
现以含碳0．2％的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS(A3)线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK(A1)线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从A1下降至室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，见图1—7。
图1—7 低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图
Fe—C合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。
三、钢的热处理
将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。
常用的热处理工艺方法有以下几种：
(一)淬火
将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到A1(对过共析钢)或A3(对亚共析钢)以上30～70℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或油冷)，使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。
淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。
在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。
(二)回火
淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。回火温度在A1以下。按回火温度的不同可分为低温回火(150～250℃)、中温回火(350～450℃)、高温回火(500～650℃)。低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。
钢在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质。调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。
(三)正火
将钢加热到A3或A cm以上50～70℃，保温后，在空气中冷却，称为正火。许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及组织不均匀等。
(四)退火
将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。
退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。
焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。消除应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般采用600～650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。亦称焊后热处理。
金属材料及热处理讲义
主讲：河北理工大学冶金系
冯运莉
绪论
一、学习本课程的目的
通过学习获得有关金属材料及热处理的基本知识，了解常用金属材料的成分及热处理对其组织和性能的影响，具备正确选择金属材料及热处理工艺的能力，为后续专业课程的学习打下一定的基础。
二、本课程的内容
有金属学、热处理、金属材料三方面组成。
三、本课程的基本要求
了解金属及合金的组织结构、结晶过程及二元相图的基本理论，为进一步学习热处理和金属材料打下基础；了解金属材料的热处理基本原理和工艺以及热处理工艺在零件加工过程中的作用，掌握钢—热处理—组织—性能之间的关系，为合理选用热处理工艺打下必要的基础；掌握常用的铁碳合金、合金钢、有色金属及合金等金属材料的成分、组织、性能和用途的基本知识；了解金相样品的制备和进行宏观及微观分析的方法，借助说明书具有阅读金相图片的初步能力。
四、金属材料的性能
指使用性能和加工性能。金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能，它包括材料的物理、化学和机械性能。金属材料在冷、热加工过程中所表现的性能称为加工工艺性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能，热处理性能、切削加工性能等。
五、先修课程：物理化学、材料力学、金属工艺学
六、参考书目及期刊
参考书目：
? 郑明新编：《工程材料》，清华大学出版社1991年
? 陈贻瑞，王健编：《基础材料与新材料》，天津大学出版社1993年。
? 刘永铨编：《钢的热处理》，冶金工业出版社1986年。
期刊：
金属热处理、国外金属热处理、材料科学与工程、材料导报、材料工程、材料开发与应用、材料科学与工艺。
第一章金属的结构与结晶
金属及合金在固态时通常都是晶体，它们的许多特性都与其结晶状态有关。要了解金属材料内部的微观构造，就必须首先掌握其晶体构造情况，包括晶体中原子是如何相互作用和结合起来的，原子的聚集状态和分布规律，各种晶体的特点和彼此之间的差异等等。所以在学习金属学这门课程时，也必须首先掌握好晶体结构方面的知识，作为进一步学习其它内容的重要基础。
本章重点讲金属的晶体结构、金属的晶体缺陷和金属的结晶与铸锭三方面的内容。
第一节金属的晶体结构
一、晶体的概念
二、三种常见的金属晶格
三、三种典型晶格的致密度及晶面和晶向的分析
四、晶体的各向异性
一、晶体的概念
固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体。我们在自然界中看到的许多物体如天然金刚石、结晶盐、水晶等都是晶体，而气体和液体都是非晶体。区别晶体和非晶体应从其内部的原子排列情况来确定。下面介绍晶体和非晶体的概念。
1. 晶体:是指其原子在空间呈有规则的周期性重复排列的物体。
2. 非晶体:是指其原子在空间呈无规则排列的物体。
下图为一种最简单的晶体结构—简单立方晶体
晶体之所以具有这种规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。
为便于分析各种晶体中的原子排列规律或形式，我们常以通过各原子中心的一些假想联线把它们在三维空间里的几何排列形式描绘出来。
3. 晶格：各联线的交点称为结点，在结点上的小圆圈（或黑点）表示各原子中心的位置，我们把这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格（或点阵）。
4. 晶胞：组成晶格的这种最基本的几何单元即组成晶体点阵的最小的平行六面体，叫做晶胞。晶胞的各边尺寸a、b、c叫晶格常数，其大小常以A（埃）为计量单位（1A=1×10-8cm）；晶胞各边之间的相互夹角常分别用α、β及γ表示。
如图所示的晶胞，晶格常数a=b=c，α=β=γ=90°，这种晶胞叫做简单立方晶胞。
具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。简单立方晶格只能在非金属晶体中看到，在金属中则看不到。
二、三种常见的金属晶格
（一）体心立方晶格
（二）面心立方晶格
（三）密排六方晶格
（一）体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞（见下图）是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的中心还有一个原子。
因其晶格常数a=b=c，通常只用常数a表示。由图可见，这种晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密相接触排列着的，则立方体对角线的长度为31/2a，由该对角线长度31/2a上所分布的原子数目（共2个），可计算出其原子半径的尺寸
r= 31/2a /4。
在体心立方晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有，实际上每个体心立方晶胞中仅包含有：1/8×8+1=2个原子。
属于这种晶格的金属有铁（＜912℃，α-Fe)、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（w）、钒（V）等。
（二）面心立方晶格
? 面心立方晶格的晶胞见下图也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每一面的中心还各有一个原子。
? 在面心立方晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，其原子半径的尺寸为r=21/2a/4。
? 因每一面心位置上的原于是同时属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中包含有：1/8×8＋1/2×6=4个原子。
? 属于这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）等。
（三）密排六方晶格
? 密排六方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，它不仅由12个原子所构成的简单六方体的上下两个六方面的中心还各有一个原子，而且在两个六方面之间还有三个原子。
? 密排六方晶格的晶格常数比值c/a≈1.633。
? 属于这种晶格的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。
? 在密排六方晶胞中，因上下两个面的对角线上各原子彼此相互接触排列着，对角线长度为2a（2个原子），则原子半径为a /2。
? 六方体每个角上的原子属相邻六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子同时为两个晶胞所共有，再加上晶胞内的三个原子，所以晶胞中的原子数为：1/6×6 ×2+1/2 ×2 +3=6个原子。
三、三种典型晶格的致密度及晶面和晶向的分析
（一）晶格的致密度
（二）晶面及晶向指数
（三）晶面及晶向的原子密度
（一）晶格的致密度
/V，
1. 晶格的致密度：指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。K=nV
1
为一个原子原子的体积， V为晶胞的体积。
其中n为一个晶胞所包含的原子数，V
1
例如：在体心立方晶格中，每个晶胞含有两个原子，原子半径r= 31/2a /4，晶胞体积为a3，所以体心立方晶格的致密度为：2×4/3πr3/a3=2 ×4/3π（ 31/2a /4）3/ a3=0.68，即晶格中有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。同样可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均为0.74，而简单立方晶格的致密度仅为0.52。
2. 配位数：指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。配位数越大，原子排列也就越紧密。在体心立方晶格中，以立方体中心的原子来看，与其最近邻等距离的原子数有8个，所以体心立方晶格的配位数为8。
（二）晶面及晶向指数
1. 晶面：晶体中各种方位上的原子面叫晶面
2. 晶向：任意两个原子之间的连线所指的方向叫晶向。
为便于分析，给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面和晶向的这种符号分别叫晶面指数和晶向指数。
3. 确定晶面指数的方法
（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；
（2）将所得三截距之值变为倒数；
（3）将三个倒数按比例
化为最小整数，即为晶面指数。表示为（hkl）。
例：求下图带影线的晶面指数
（1）取它与OX、OY、OZ三坐标轴的截距：1、2、∞
（2）三截距的倒数为：1、1/2、0
（3）化为最小整数后的晶面指数为：（210）
立方晶格中的三种重要晶面如右下图所示
注意：
? 所谓晶面指数，并不是指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。另外，在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的位向不同，但各晶面中的原子排列相同时，如（100）、（010）及（001）等，这时若无必要予以区别，则可把这些晶面统用｛100｝一种晶面指数来表示，换句话说，即（hkl）这类符号系指某一确定位向的晶面指数，而｛hkl｝则可指所有那些位向不同而原子排列相同的晶面指数。
4. 晶向指数的确定方法
（1）以晶胞的三个棱边为坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位；
（2）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
（3）求出该直线上任意一点的三个坐标值；
（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数，其一般形式为[uvw]。
? 如欲求右图中AB的晶向指数，可通过与其平行的OP直线上的任意一点的坐标化简而求出为[110]。
? 右图所示的以[100]、[110]及[111〕晶向为在立方晶格中最具有意义的三种晶向。
? 与晶面指数的表示方法相类似，如[100]、[010]、[001]等具有相同原子排列的晶向，若无必要区分时，可笼统用＜100＞这种符号来表示。
? 在立方晶格中，凡指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。
（三）晶面及晶向的原子密度
? 晶面的原子密度：指其单位面积中的原子数；
? 晶向原子密度：指其单位长度上的原子数；
? 在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。
四、晶体的各向异性
? 晶体的各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同，叫晶体的各向异性。晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。
? 晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻率、磁导率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得性能优异的产品。如制作变压器用的硅钢片，因它在不同晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的〈100〉晶向平行于轧制方向，从而得到优异的磁导率。
第二节金属的实际结构和晶体缺陷
一、多晶体结构
二、晶格缺陷
一、多晶体结构
如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致时，我们称这块晶体为“单晶体”。
1. 单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体叫单晶体。
但在工业金属材料中，除非专门制作，则都不是这样，而那怕是在一块很小的金属中也包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。
2. 多晶体：金属材料通常是由许多位向不同的小晶体所组成，称为多晶体。
3. 晶粒：把外形不规则的颗粒状小晶体叫做晶粒。
4. 晶界：晶粒与晶粒之间的界面叫晶粒间界或简称晶界。
显然，晶界处的原子排列，为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。
晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在10-1～10-3mm左右，故必须在显微镜下才能看见。
5. 显微组织：在显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布叫做显微组织。如左下图为纯铁显微组织。
纯铁显微组织
亚晶
在每个晶粒的内部，实际上也不是那么理想，即每个晶粒内部的晶格位向在不同区域上还有微小的差别，一般仅10～20′左右，最多达1～2°，这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域叫做“亚晶”或“嵌镶块”。如图。
二、晶格缺陷
随着科学技术的发展，人们不仅看到了晶粒中的亚晶，而且还进一步发现金属中存在大量的各种各样的晶格缺陷。这些晶格缺陷按其几何形式的特点可分为如下三类：
（一）点缺陷
（二）线缺陷
（三）面缺陷
（一）点缺陷
最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。
如图，当晶格中某些原子由于某种原因（如热振动的偶然偏差等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙时便会造成这些点缺陷。由于这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变。
（二）线缺陷
1. 线缺陷即晶格中的“位错线”，或简称“位错”。其特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小，而第三个方向上的却很大，甚者可以贯穿整个晶体。
2. 位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果，晶体滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
右图为因该晶体的右上部分相对于右下部分的局部滑移所造成的最简单的一种位错，由于右上部分的局部滑移，结果在晶格的上半部中挤出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘便为位错线，这种位错线叫做“刃型位错”。沿位错线的周围，晶格发生了畸变。
3. 刃型位错：晶体因滑移而出现的多余半原子面，相当于插入晶体并终止于滑移面的刀刃，故称为刃位错。通常将多余半原子面位于滑移面上部的刃位错定为正刃位错，用符号⊥表示；反之，为负刃位错。
金属晶体中的位错线往往大量存在，相互连结呈网状分布。位错线的密度通常在104～1012cm／cm3范围内。
（三）面缺陷
面缺陷：其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小，而其余两个方向上的尺寸则很大。如晶界、亚晶界和相界等。
这两种晶格缺陷，都是因晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的；但在小角度位向差的亚晶界情况下，则可把它看成是一种位错线的堆积或称“位错壁”。
通过上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度便愈高。
第三节金属的结晶与铸锭
一、结晶的概念
1. 结晶：一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为“结晶”。
凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”，高于此温度便发生熔化，低于此温度才能进行结晶；在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。
而一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。
为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢?
这是因为它们的液体与晶体二者之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。
例如，两个不同温度的物体相接触时，具有较高温度的物体便会把它多余的热能传至低温物体，直至二者的温度相同，即达到二者的能量平衡为止。
2. 自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量叫做自由能（F）。
同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如上图
因此便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度（T
）。低于理论结晶温度
时，由于液相的自由能（F
液
）高于固相晶体的自由能
（F
晶
），液体向晶体的转变伴随着能量降低，因而有可能发生结晶。
3. 驱动力：要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，即液体与晶体间
的自由能差（ΔF= F
液- F
晶
）是液态金属结晶的驱动力。
4. 过冷度：实际结晶温度（T
1）与理论结晶温度（T
）之间的温度差叫过冷度（Δ
T=T
0-T
1
）。
金属液体的冷却速度愈大，过冷度便愈大，而过冷度愈大，自由能差ΔF便愈大，即所具结晶驱动力愈大，结晶倾向愈大。
由于结晶时总伴有一定的能量释放，即所谓“结晶潜热”，利用这一热效应，便可以进行实际结晶温度的测定，这种测定结晶温度的方法叫“热分析法”。
将欲测定的金属首先加热熔化，而后以缓慢的速度进行冷却；冷速愈慢，测得的实际结晶温度便愈接近于理论结晶温度。冷却时，将温度随时间变化的曲线记录下来，便可得到如图示意的“冷却曲线”。
冷却曲线出现水平台阶的温度即为实际的结晶温度。
水平台阶的出现是因为结晶时的潜热析出补偿了金属向环境散热引起的温度下降。
必须指出，在水平台阶出现之前，还经常会出现一个较大的过冷现象，为结晶的发生提供足够的推动力；而一旦结晶开始，放出潜热，便会使其温度回升到水平台阶的温度。
二、结晶时晶核的形成和成长过程
金属的结晶是一个晶核的形成和成长的过程。
液体从高温冷却到结晶温度的过程中，其结构就已经开始向晶体状态发生逐渐的过渡，即随时都在不断地产生许多类似晶体中原子排列的小集团，其特点是不仅尺寸较小、大小不一，而且极不稳定、时聚时散。
(完整版)《金属学与热处理》复习题参考答案
《金属学与热处理》复习题 绪论 基本概念： 1.工艺性能:金属材料适应实际加工工艺的能力。（分类） 2.使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。（分类） 3.组织：用肉眼，或不同放大倍数的放大镜和显微镜所观察到的金属材料内部的情景。 宏观组织：用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的组织。 （金属内部的各种宏观缺陷） 显微组织：用100-2000倍的显微镜所观察到的组织。 （各个组成相的种类、形状、尺寸、相对数量和分布，是决定性能的主要因素）4：结构：晶体中原子的排列方式。 第一章 基本概念： 1.金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度升高而增加。 2.金属键；金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的键。 3.晶体：原子（离子）按一定规律周期性地重复排列的物质。 4.晶体特性：(原子)规则排列；确定的熔点；各向异性；规则几何外形。 5.晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。 6.配位数:晶格中任一原子周围与其最近邻且等距的原子数目。
7.晶面族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶面称为晶面族。 8.晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族。 9.多晶型性：当外部条件（如温度和压强）改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。又称为同素异构转变。 10.晶体缺陷：实际晶体中原子排列偏离理想结构的现象。 11.空位：晶格结点上的原子由于热振动脱离了结点位置，在原来的位置上形成的空结点。 12.位错：晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。 13.柏氏矢量：在实际晶体中沿逆时针方向环绕位错线作一个闭合回路。在完整晶体中以同样的方向和步数作相同的回路，由回路的终点向起点引一矢量，该矢量即为这条位错线的柏氏矢量。 14.晶粒：晶体中存在的内部晶格位向完全一致，而相互之间位向不相同的小晶体。 15.各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能有所差异。 16.伪各向同性：由于多晶体中各个晶粒的位向不同，所以不表示出单晶体的各向异性。 17.小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 18.大角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 基础知识： 1.三种典型金属结构的晶体学特点。（点阵常数，原子半径，晶胞内原子数，配位数，致密度，间隙种类及大小）
《金属学与热处理》试题库
《金属学与热处理》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分）
2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐蚀？如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀？ 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？ 5、什么是交滑移?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？ 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？ 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？ 8、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？ 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？ 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的？如何消除？ 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？ 14、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ-Fe相区进行会有什么结果？ 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 19、位错密度有哪几种表征方式？ 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征？（12分） 23、加工硬化的原因？（6分） 24、柏氏矢量的意义？（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象？（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式？（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么？（9分） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分） 30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分）
金属学与热处理知识点总结
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 a 4 38 68% 面心立方 4 a 4 212 74% 密排六方 6 a 2 112 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 r A a 4 2a 4 3 2 a 间隙半径 r B () 4 2 3a -()42 2 a -()43 5a -()43 2a -()42 6a -()21 2a - 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
金属学与热处理考试题
姓名: 班级: 学号: 遵 守 考 试 纪 律 注 意 行 为 规 范 哈尔滨工业大学（威海） 2012/2013 学年秋季学期 金属学及热处理A 试题卷（A ）参考答案 考试形式（开、闭卷）： 闭卷 答题时间： 120 （分钟） 本卷面成绩占课程成绩 80 % 一、名词解释（每题2分，共40分） 1. 固溶体：一种或多种溶质原子溶入主组元(溶剂组元)的晶格中且仍保持溶剂组元晶格类型的一类固态物质。 2. 晶胞：晶格最小的空间单位。一般为晶格中对称性最高、体积最小的某种平行六面体。 3. 结构起伏：熔体中原子的热运动和相互作用力导致的原子团分布不均匀现象。 4. 枝晶偏析：合金以树枝状凝固时，枝晶干中心部位与枝晶间的溶质浓度明显不同的成分不均匀现象。 5. 珠光体：奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。 6. 滑移：晶体相邻部分在切应力作用下沿一定晶体学平面和方向的相对移动。是金属晶体塑性变形的主要方式。 7. 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。 8. 回复：经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所发生的某些亚结构和性能的变化过程。
9. 惯析面：固态相变时新相往往沿母相的一定晶面优先形成，该晶面被称为惯析面。 10. 球化退火：将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于Ar1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。 11. 时效强化：合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体。在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效强化。 12. 离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶相数量较多，共晶相数量很少，共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大，另外一个相单独分布于晶界处，使得共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。 13. 三次渗碳体：从铁素体F中析出的渗碳体叫三次渗碳体 14. 超塑性：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。 15. 淬透性：表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）深度。它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一。 16. 中温回火：回火温度范围为350-500摄氏度，回火后的组织为回火屈氏体 17. 刚度：机械零件或构件抵抗弹性变形的能力。 18. 调质：淬火加高温回火的综合热处理工艺。 19. 软位向：滑移时临界分切应力中取向因子取极大值对应的屈服强度最低叫软位向。 20. 下贝氏体：当过冷奥氏体的温度下降到350至230℃范围时，所形成的产物叫下贝氏体，是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。
大学金属学热处理期末试题
重庆大学 学期考试试卷 课程名称：金属学及热处理课程代码： 主要班级：教学班号： 本卷为 A 卷，共 2 页，考试方式：闭卷，考试时间：120 分钟 一、填空题（15分） 1、在BCC和FCC晶格中，单位晶胞内的原子数分别为和，其致密度分别为和。 2、金属的结晶过程是的过程。控制结晶后晶粒大小的方法有、和。 3、冷变形金属在加热时组织与性能的变化，随加热温度不同，大致分为、 和三个阶段。 4、1Crl8Ni9Ti钢中Ti的作用是，而20CrMnTi 钢中Ti的作用是。 5、碳在白口铸铁中主要以形式存在，而在灰口铸铁中主要以形式存在。 二、名词解释（10分） 1、合金； 2、共晶转变； 3、枝晶偏析； 4、伪共晶； 5、回复； 三、选择题（12分） 1、工程上使用的金属材料一般都呈( )。 A．各向异性；B．各向同性；C．伪各向异性；D．伪各向同性。 2、固溶体的晶体结构( )。 A．与溶剂的相同；B．与溶质的相同；
C．与溶剂、溶质的都不相同；D．是两组元各自结构的混合。 3、多晶体金属的晶粒越细，则其( )。 A．强度越高，塑性越好B．强度越高，塑性越差 C．强度越低，塑性越好D．强度越低，塑性越差 4、调质处理后可获得综合力学性能好的组织是( ) A．回火马氏体B．回火托氏体 C．回火索氏体D．索氏体 5、过共析钢正火的目的是( )。 A．调整硬度，改善切削加工性B．细化晶粒，为淬火作组织准备 C消除网状二次渗碳体D．防止淬火变形与开裂 6、对于可热处理强化的铝合金，其热处理方法为( )。 A．淬火＋低温回火B．完全退火 C．水韧处理D．固溶＋时效 四、判断题（5分） 1、金属铸件可通过再结晶退火来细化晶粒。( ) 2、亚共析钢加热至Ac1和Ac3之间将获得奥氏体＋铁素体二相组织，在此区间，奥氏体的含碳量总是大于钢的含碳量。( ) 3、化学热处理既改变工件表面的化学成分，又改变其表面组织。( ) 4、所有合金元素均使Ms、Mf点下降。( ) 5、可锻铸铁可在高温下进行锻造加工。( ) 五、问答题（36分） 1、什么叫临界晶核?它的物理意义及与过冷度的定量关系如何?（8分） 2、试比较45钢、T 8钢、T12钢的硬度、强度和塑性有何不同?（9分） 3、试述奥氏体的形成过程及控制奥氏体晶粒的方法。（9分）
金属学及热处理习题参考答案(1-9章)
第一章金属及合金的晶体结构 一、名词解释: 1 ?晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。 2?非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。 3 ?晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4?晶胞：构成晶格的最基本单元。 5. 单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。 6?多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。 7?晶界：晶粒和晶粒之间的界面。 8. 合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。 9. 组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 10. 相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。 11. 组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。 12. 固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相 、填空题: 1 .晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。 2?常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。 3?实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 4?根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 5?置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。 6 ?合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。 7. 同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光—泽，正的电阻温度系数。 8. 金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。 9. 位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的 10. 在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、(210)> (201)、
金属材料与热处理题库完整.doc
一、填空（每空0.5 分，共 23 分） 1 、200HBW10/3000表示以毫米压头，加载牛顿的试验力，保持秒测得的 硬度值，其值为。 1、洛氏硬度 C 标尺所用压头为，所加总试验力为牛顿，主要用于测的硬度。 2 、金属常见的晶格类型有、、。α -Fe 是晶格，γ -Fe 是 晶格。 2 、与之差称为过冷度，过冷度与有关，越大，过冷度也越大，实际结晶温 度越。 3 、钢中常存元素有、、、，其中、是有益元素，、是有害 元素。 3、表示材料在冲击载荷作用下的力学性能指标有和，它除了可以检验材料的冶炼和热加工质 量外，还可以测材料的温度。 3 、拉伸试验可以测材料的和指标，标准试样分为种，它们的长度分别是和。 4 、疲劳强度是表示材料在载荷作用下的力学性能指标，用表示，对钢铁材料，它是试验循环数达时的应力值。 4 、填出下列力学性能指标的符号： 上屈服强度，下屈服强度，非比例延伸强度，抗拉强度，洛氏硬度 C 标尺，伸长率，断面收缩率，冲击韧度，疲劳强度，断裂韧度。 5 、在金属结晶时，形核方式有和两种，长大方式有和两种。 5 、单晶体的塑性变形方式有和两种，塑性较好的金属在应力的作用下，主要以方式进行变形。 5 、铁碳合金的基本组织有五种，它们分别是，，，，。 ６、调质是和的热处理。 6 、强化金属的基本方法有、、三种。 6 、形变热处理是将与相结合的方法。 ７、根据工艺不同，钢的热处理方法有、、、、。 ９、镇静钢的主要缺陷有、、、、等。 10、大多数合金元素（除Co 外），在钢中均能过冷奥氏体的稳定性，使 C 曲线的位置，提 高了钢的。 11、按化学成分，碳素钢分为、、，它们的含碳量围分别为、、 。 12、合金钢按用途主要分为、、三大类。 13、金属材料抵抗冲击载荷而的能力称为冲击韧性。 14、变质处理是在浇注前向金属液体中加入促进或抑制的物质。 15、冷塑性变形后的金属在加热过程中，结构和将发生变化，其变化过程分为、、三个 阶段。 10、在机械零件中，要求表面具有和性，而心部要求足够和时，应进行表面热处理。 16、经冷变形后的金属再结晶后可获得晶粒，使消除。 17、生产中以划分塑性变形的冷加工和。 18、亚共析钢随含碳量升高，其力学性能变化规律是：、升高，而、降低。 19、常用退火方法有、、、、等。 20、08 钢含碳量， Si 和 Mn 含量，良好，常轧成薄钢板或带钢供应。
金属学与热处理试卷与答案A1
金属学与热处理 一、填空题（30分，每空1分） 1、常见的金属晶体类型有___体心立方晶格、_面心立方_________晶格和密排六方晶格三种。 2、金属的整个结晶过程包括___型核_______、___长大_______两个基本过程组成。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体分为___间隙固溶体_______与__置换固溶体________两种。 4、工程中常用的特殊性能钢有__不锈钢_______、___耐热钢______、耐磨钢。 5、常用的常规热处理方法有__回火________、正火和淬火、_退_火________。 6、随着回火加热温度的升高，钢的__强度________和硬度下降，而____塑性______和韧性提高。 7、根据工作条件不同，磨具钢又可分为__冷作磨具钢________、__热作磨具钢________和塑料磨具用钢等。 8、合金按照用途可分为__合金渗碳体________、_特殊碳化物_________和特殊性能钢三类。 9、合金常见的相图有__匀晶相图________、_共晶相图_________、包晶相图和具有稳定化合物的二元相图。 10、硬质合金是指将一种或多种难熔金属__碳化物________和金属粘结剂，通过__粉末冶金________工艺生产的一类合金材料。 11、铸铁的力学挺能主要取决于__机体组织________的组织和石墨的基体、形态、_____数量_____以及分布状态。 12、根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为__灰口铸铁________、__白口铸铁________和麻口铸铁三类。 13、常用铜合金中，__青铜________是以锌为主加合金元素，__白铜________是以镍为主加合金元素。 14、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有___铁素体_______和___奥氏体_______,属于金属化合物的有___渗碳体_______，属于混合物的有____珠光体______和莱氏体。 二、选择题（30分，每题2分） 1、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是（ C ）
金属学与热处理复习题带答案
一、名词解释（每小题2分，共14分） 1. 结构起伏：短程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样，这种不断变化着的短程有序的原子集团称为结构起伏。 2. 非自发形核：在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，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，这种形核方式就是非自发形核。 3. 相：相是指合金中结构相同、成份和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 4. 柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近偏聚的溶质原子好像形成一个溶质原子“气团”，成为“柯氏气团” 5. 选择结晶：固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相的化学成分不同的结晶称为选择结晶。 6. 形变强化：在塑形变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，随着变形过程的增加，金属的强度、硬度增加，而塑形、韧性下降，这一现象称为形变强化。 7. 晶胞：晶格中能够完全反应晶格特征的最小几何单元。 二、选择题 1.下列元素中能够扩大奥氏体相区的是（ d ）。 A W B Mo C Cr D Ni 2.属于强碳化物形成元素的是（ c ）。 A W，Mo, Cr B Mn, Fe, Ni C Zr, Ti, Nb D Si, Be, Co 3.不能提高钢的淬透性的合金元素是（ a ）。 A Co B Cr C Mo D Mn 4.调质钢中通常加入（ c ）元素来抑制第二类回火脆性。 A Cr B Ni C Mo D V 5. 下列钢种属于高合金钢的是（ d ） A 40Cr B 20CrMnTi C GCr15 D W18Cr4V 6. 选出全是促进石墨化的元素的一组（ b ） A V、Cr、S B Al、Ni、Si C W、Mn、P D Mg、B、Cu 7. 选出适合制作热作模具的材质（ d ） A 20CrMnTi B Cr12 C 2Cr13 D 5CrNiMo 三、填空 1. 铸锭组织的三个典型区域是（表层细晶粒区）、（内部柱状晶区）和（中心等轴晶区）。2．金属热加工与冷加工的界限是再结晶温度）。 3．滚动轴承钢GCr15的最终热处理工艺是（淬火加低温回火）使用状态下的组织是（M+A’+颗粒状碳化物）。
金属学及热处理习题参考答案
第一章金属及合金的晶体结构 一、名词解释： 1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。 3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4．晶胞：构成晶格的最基本单元。 5．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。 6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。 7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。 8．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。 9．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 10．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。 11．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。 12．固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。 二、填空题： 1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。 2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。 3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。 6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。 7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。 8．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。
金属学及热处理试卷AB卷
．在铁碳相图中，共析点对应的含碳量为 A ，温度为 C 。共晶点对应的含碳量为 4.30% ，温度为D 。 A﹑0.77% B﹑2.11% C﹑727℃D﹑1148℃ 2．珠光体： 3．弥散强化： 4．共晶转变： 5．淬透性： 1、热处理：将钢在固态下进行加热、保温，冷却，以改变其组织而得到所需性能的工艺方法。 2、马氏体：C在α－Fe中的过饱和固溶体。 3、实际晶粒度：在某一加热条件下（实际热处理）所得到的实际奥氏体晶粒大小。 三﹑判断题（对的在后面括弧内打√，错的打×）（2分×5） 1．材料的伸长率反映了材料韧性的大小。（）
2．金属都具有同素异晶转变的特性。（） 3．铸铁不能进行热处理。（） 4．大多数合金元素都有助于提高钢的热处理性能。（） 5．零件渗碳后必须淬火，而渗氮后不再淬火（） 图示并说明什么是热过冷。（4分） ΔＴ=T0 - T1 过冷是由液固界面前沿实际温度分布与平衡凝固温度之差，称热过冷。 何谓加工硬化？产生原因是什么？有何利弊？ 冷加工变形后，金属材料强度、硬度升高而塑性下降的现象叫加工硬化。是由于塑变中产生了大量位错等晶体缺陷，相互交互作用，使位错运动阻力增大，变形抗力增加，加工硬化是强化金属材料重要方法，尤其是热处理不能强化材料更重要，使材料在加工中成为可能。但同时变形抗力增加，进一步变形必消耗动力，塑性大幅下降，会导致开裂，有时为继续变形必加中间再结晶退火，增加生产成本。 试画出含碳量为0.45%的铁碳合金金相显微组织示意图 金属学及热处理试卷A 一、填空题（15分） 1、在BCC和FCC晶格中，单位晶胞内的原子数分别为 2 和 4 ，其致密度分别为0.68 和0.74 。 2、金属的结晶过程是形核与长大的过程。控制结晶后晶粒大小的方法有增加过冷度、变质处理和振动与搅拌。 3、冷变形金属在加热时组织与性能的变化，随加热温度不同，大致分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。 4、1Crl8Ni9Ti钢中Ti的作用是防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀，而20CrMnTi钢中Ti的作用是细化晶粒。 5、碳在白口铸铁中主要以Fe3C形式存在，而在灰口铸铁中主要以石墨形式存在。 二、名词解释（10分） 1、合金； 2、共晶转变； 3、枝晶偏析； 4、伪共晶； 5、回复； 1、工程上使用的金属材料一般都呈( A )。 A．各向异性；B．各向同性；C．伪各向异性；D．伪各向同性。 2、固溶体的晶体结构( A )。 A．与溶剂的相同；B．与溶质的相同；C．与溶剂、溶质的都不相同；D．是两组元各自结构的混合。3、多晶体金属的晶粒越细，则其( A )。 A．强度越高，塑性越好B．强度越高，塑性越差C．强度越低，塑性越好D．强度越低，塑性越差4、调质处理后可获得综合力学性能好的组织是( C ) A．回火马氏体B．回火托氏体C．回火索氏体D．索氏体
金属学与热处理试卷及答案(期末练习题)
金属学与热处理期末练习题（含答案） 1、金属的机械性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有____强度_______、_____硬度______、_________塑性__。衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有_______韧性____和____疲劳强度_______。 2、常见的金属晶格类型有___面心立方晶格____ 、___体心立方晶格___ ____和__密棑六方晶格_ ________。 3、常用的回火方法有低温回火、_中温回火__________ 和____高温回火_______ 。 4、工程中常用的特殊性能钢有___不锈钢______、耐热钢_________和耐磨刚。 5、根据铝合金成分和工艺特点，可将铝合金分为__变形铝合金_________和铸造铝合金两大类。 6、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_镇静钢________、半镇静钢_________、特殊镇静钢_________和__沸腾钢_______。 7、铸铁中_________碳以石墨形式析出___________________的过程称为石墨化，影响石墨化的主要因素有_化学成分__________ 和冷却速度。 8、分别填写下列铁碳合金组织符号： 奥氏体A、铁素体F、渗碳体fe3c 、 珠光体P 、高温莱氏体ld 、低温莱氏体ld’。 9、含碳量小于0.25%的钢为低碳钢，含碳量为0.25-0.6%的钢为中碳钢，含碳量大于0.6% 的钢为高碳钢。 10、三大固体工程材料是指高分子材料、复合材料和陶瓷材料。 二、选择题（每小题1分，共15分） （ b ）1、拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大拉应力称为材料的（）。 A 屈服点 B 抗拉强度 C 弹性极限 D 刚度 （b）2、金属的（）越好，其锻造性能就越好。 A 硬度 B 塑性 C 弹性 D 强度 （ c ）3、根据金属铝的密度，它属于（）。 A 贵金属 B 重金属 C 轻金属 D 稀有金属 （ d ）4、位错是一种（）。 A 线缺陷 B 点缺陷 C 面缺陷 D 不确定
(完整word版)复习金属学及热处理题及参考答案学生用
复习题 一、填空题 1、在BCC和FCC晶格中，单位晶胞内的原子数分别为和，其致密度分别 为和。 2、金属的结晶过程是的过程。控制结晶后晶粒大小的方法有、 和。 3、冷变形金属在加热时组织与性能的变化，随加热温度不同，大致分为、 和三个阶段。 4、1Crl8Ni9Ti钢中Ti的作用是，而20CrMnTi钢中Ti的作用 是。 5、碳在白口铸铁中主要以形式存在，而在灰口铸铁中主要以形式存 在。 1、实际金属中存在有、和三类晶体缺陷。 2、为了使金属结晶过程得以进行，必须造成一定的，它是理论结晶温度 与的差值。 3、碳在α—Fe中的间隙固溶体称为，它具有晶体结构．在℃ 时碳的最大溶解度为％。 4、当钢中发生奥氏体向马氏体转变时，原奥氏体中碳含量越高，则Ms点越转 变后的残余奥氏体量就越。 5、除处，其他的合金元素溶人A中均使C曲线向移动，即使钢的临界冷却 速度，淬透性。 二、名词解释 1、合金； 2、共晶转变； 3、枝晶偏析； 4、伪共晶； 5、回复；1、相；2、 热处理；3、置换固溶体； 4、加工硬化； 5、珠光体； 三、选择题 1、工程上使用的金属材料一般都呈 ( )。 A．各向异性； B．各向同性； C．伪各向异性； D．伪各向同性。 2、固溶体的晶体结构 ( )。 A．与溶剂的相同； B．与溶质的相同； C．与溶剂、溶质的都不相同； D．是两组元各自结构的混合。
3、多晶体金属的晶粒越细，则其 ( )。 A．强度越高，塑性越好 B．强度越高，塑性越差 C．强度越低，塑性越好 D．强度越低，塑性越差 4、调质处理后可获得综合力学性能好的组织是 ( ) A．回火马氏体 B．回火托氏体 C．回火索氏体 D．索氏体 5、过共析钢正火的目的是 ( )。 A．调整硬度，改善切削加工性 B．细化晶粒，为淬火作组织准备C消除网状二次渗碳体 D．防止淬火变形与开裂 6、对于可热处理强化的铝合金，其热处理方法为 ( )。 A．淬火＋低温回火 B．完全退火 C．水韧处理 D．固溶＋时效 1、当晶格常数相同时，FCC晶体比BCC晶体 ( )。 A．原子半径大，但致密度小； B．原子半径小，但致密度大； C．原子半径大，但致密度也大； D．原子半径小．但致密度也小。 2、能使单晶体产生塑性变形的应力为( )。 A．正应力 B．切应力 c．原子活动力 D．复合应力 3、钢在淬火后所获得的马氏体组织的粗细主要取决于( ) A．奥氏体的本质晶粒度 B．奥氏体的实际晶粒度 C．奥氏体的起始晶粒度 D．加热前的原始组织 4、过共析钢的正常淬火加热温度是( )。 A．Acm十(30—50℃) B．Ac3十(30—50℃) C．Ac1十(30—50℃) D．Ac1一(30—50℃) 5、制造手工锯条应采用( )。 A．45钢淬火＋低温回火 B．65Mn淬火＋中温回火 C．T12钢淬火＋低温回火 D．9SiCr淬火＋低温回火 6、L Yl2的( )。 A．耐蚀性好 B．铸造性能好 C．时效强化效果好 D．压力加工性好 四、判断题 1、金属铸件可通过再结晶退火来细化晶粒。 ( )
金属学及热处理试题
金属学及热处理试题 1 A、Ms B、Mr C、A 1 2、确定碳钢淬火加热温度的主要依据是（）。 A、C曲线 B、铁碳相图 C、钢的Ms线 3、淬火介质的冷却速度必须（）临界冷却速度。 A、大于 B、小于 C、等于 4、T12钢的淬火加热温度为（）。 A、Ac cm +30-50°C B、Ac 3 +30-50°C C、Ac 1 +30-50°C 5、钢的淬透性主要取决于钢的（）。 A、含硫量 B、临界冷却速度 C、含碳量 D、含硅量 6、钢的热硬性是指钢在高温下保持（ ）的能力。 A、高抗氧化性 B、高强度 C、高硬度和高耐磨性 7、钢的淬硬性主要取决于钢的（）。 A、含硫量 B、含锰量 C、含碳量 D、含硅量 8、一般来说，碳素钢淬火应选择（）作为冷却介质。 A、矿物油 B、20°C自来水 C、20°C的10%食盐水溶液 9、钢在一定条件下淬火后，获得淬硬层深度的能力，称为( ). A、淬硬性 B、淬透性 C、耐磨性 10、钢的回火处理在（）后进行。 A、正火 B、退火 C、淬火 11、调质处理就是（）的热处理。 A、淬火+低温回火 B、淬火+中温回火 C、淬火+高温回火 12、化学热处理与其热处理方法的主要区别是（）。 A、加热温度 B、组织变化 C、改变表面化学成分 13、零件渗碳后一般须经（）处理，才能使表面硬而耐磨。 A、淬火+低温回火 B、正火 C、调质 14、用15钢制造的齿轮，要求齿轮表面硬度高而心部具有良好的韧性，应采用 （）热处理 A、淬火+低温回火 B、表面淬火+低温回火 C、渗碳+淬火+低温回火 15、用65Mn钢做弹簧，淬火后应进行（）； A、低温回火 B、中温回火 C、高温回火 1 2、（）珠光体向奥氏体的转变也是通过形核及晶核长大的过程进行的。 3、（）珠光体、索氏体、托氏体都是片层状的铁素体和渗碳体的混合物， 所以它们的力学性能相同。 4、（）钢在实际加热条件下的临界点分别用Ar 1、Ar 3 、Ar cm 表示。 5、（）在去应力退火过程中，钢的组织不发生变化。 6、（）钢渗碳后无需淬火即有很高的硬度和耐磨性。 7、（）由于正火较退火冷却速度快，过冷度大，转变温度较低， 获得组织细，因此同一种钢，正火要比退火的强度和硬度高。 8、（）含碳量低于0 、 25%的碳钢，可用正火代替退火，以改善切削加工性能。 9、（）钢的含碳量越高，选择淬火加热温度也越高。 10、（）表面淬火的零件常用低碳结构钢制造，经淬火表面获得高硬度。 11、（）淬透性好的钢，淬火后硬度一定很高。 12、（）完全退火不适用于高碳钢。 13、（）淬火钢在回火时，其基本趋势是随着回火温度的升高，钢的强度、 硬度下降，而塑性、韧性提高。 14、（）钢回火的加热温度在A 1 以下，回火过程中无组织变化。 15、（）感应加热表面淬火，淬硬层深度取决于电流频率：频率 越低，淬硬层越低，淬硬层越浅；反之，频率越高，淬硬层越深。三填空 1、钢的热处理是通过钢在固态下的_________、_________和_________三个阶段，使其获得所需组织结构与性能的一种工艺。 2、根据钢含碳量的不同，分为低碳钢含碳量 <_________、中碳钢及高碳钢含碳量 >_________三类。 3、根据铸铁中碳存在的形态，铸铁可分为_____________、_____________、
哈尔滨工业大学 01-03年硕士研究生入学考试试题 金属学与热处理
哈尔滨工业大学2003年硕士研究生入学考试试题考试科目：金属学及热处理 一、（20分）已知面心立方晶格的晶格常数为a，分别计算（100）、（110）和（111）晶面的晶面间距；并求出[100]、[110]和[111]晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是指该晶向上单位长度排列原子的个数）；写出面心立方结构的滑移面和滑移方向，并说明原因。（计算结果保留两位有效数字） 二、（20分）右图为组元在固态下完全不溶的三元共晶合金相图的投影图： 1.作m n变温截面图，分析O1点成分合金的平衡结晶过程。 2.写出O1点成分合金室温下的相组成物，给出各相的相对含量的表达式。 3.写出O1点成分合金室温下的组织组成物，给出各组织组成物的相对含量的表达式 三、（25分）试述冷变形金属在加热时，其组织和性能发生的变化。 四、（20分）什么是离异共晶？举例说明离异共晶产生的原因及对合金性能的影响。 五、（20分）求莱氏体中共晶渗碳体的相对含量是多少？若某铁碳合金平衡组织中含有10%的一次渗碳体，试求该合金的含碳量是多少？（计算结果保留两位有效数字） 六、（20分）叙述板条马氏体和下贝氏体的组织形态，并说明板条马氏体和下贝氏体具有良好强韧性的原因。 七、（25分）T10A钢含碳量约为1.0%，Ac1=730℃，Accm=800℃，Ms=175℃，该合金的原始组织为片状珠光体加网状渗碳体，若用此钢制作冷冲模的冲头，说明需要经过那些热处理工序才能满足零件的性能要求，写出具体热处理工艺名称、加热温度参数、冷却方式以及各工序加热转变完成后和冷却至室温时得到的组织。 哈尔滨工业大学2002年硕士研究生入学考试试题考试科目：金属学及热处理 一、（10分）已知铜单晶的{111}<110>滑移系得临界分切应力为1Mpa。直径为1mm的铜 单晶丝受轴向拉伸，加载方向平行于单晶的[001]方向，若使铜单晶丝不产生明显的塑性变形，求此单晶丝能承受的最大轴向载荷是多少？（计算结果保留3位有效数字）二、（15分）根据组元间固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图（如右图所示），说明O 点成分合金平衡结晶过程，画出冷却曲线示意图，并写出室温下该合金的组织组成物相对含量的表达式。 三、（15分）求珠光体组织中铁素体相的相对含量是多少？若某铁碳合金组织中除有珠光 体外，还有15%的二次渗碳体，试求该合金的含碳量是多少？ 四、（15分）试叙述贝氏体的转变特点，并比较与珠光体和马氏体转变的异同点。 五、（15分）什么是异分结晶？说明如何利用区域熔炼方法提纯金属。提纯效果与什么因 素有关？ 六、（15分）某厂对高锰钢制造的碎矿机颚板经1100℃加热后，用崭新的优质冷拔态钢丝 绳吊挂，由起重吊车运往淬火水槽，行至途中钢丝绳突然发生断裂，试分析钢丝绳发生断裂的主要原因。 七、（15分）用T10A钢（Wc=1.0%，Ac1=730℃，Accm=800℃）制造冷冲模的冲头，试 制订预备热处理工艺（包括工艺名称和具体参数），并说明预备热处理的目的以及加热转变完成和冷至室温后获得何种组织。
金属学与热处理复习总结
晶体结构体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 原子数 2 4 6 原子间距√3 2 a √2 2 a a 配位数8 12 12 致密度0.68 0.74 0.74 四面体间隙半径0.126a 0.06a 0.06a 八面体间隙半径0.067a 0.146a 0.146a 四面体间隙数12 8 8 八面体间隙数 6 4 4 晶向指数[UVW]，晶向族
- 《金属学及热处理》复习习题及答案
- 金属学与热处理第二版--复习总结
- 金属学及热处理试卷A参考答案
- 金属学与热处理知识点总结
- ]金属学及热处理复习资料
- 《金属学及热处理》复习习题及答案
- 金属学及热处理复习
- 金属学与热处理总结复习
- 金属学及热处理试卷AB卷
- 金属学与热处理复习题
- 金属学与热处理期末复习总结
- 金属学与热处理知识点总结
- (完整版)《金属学与热处理》复习题参考答案
- 金属学及热处理复习习题及答案
- 最新金属材料与热处理-考试复习笔记
- 2、《金属学及热处理》第二章复习题
- 2021年湖北工业大学905金属学及热处理考研精品资料之崔忠圻《金属学与热处理》复习题
- 金属学与热处理复习题带答案
- 金属学与热处理复习题
- 华南理工大学金属学与热处理总结(免费版)