重庆大学材料科学与工程专业课考研资料——金属学与热处理(共47页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上重大考研材料学院829金属学及热处理复习指导(1) 大家好,重庆大学考研专业课829金属学及热处理主要参考崔忠圻主编金属学及热处理,机械工业出版社出版。第一轮复习,时间在3月-5月:主要针对课本知识,整理知识点,理解难点,同时以课后练习作为巩固。这一轮复习属于基本功阶段,因此,2013年的考生们应该根据自己的实际情况,多花时间在这一阶段,所谓磨刀不误砍柴工,只有基础知识打牢了,在接下来的几轮复习中才能如鱼得水。但是有的同学沉不住气,不能静下心来细细琢磨各个知识点,在这里,笔者给的建议是,每当静不下心来复习时,同学们千万不要丢开课本,出去放松去了,因为长此以往,一旦今后
2、心情不好时,就很容易有放弃的念头。下面我把考试的基本同时又是重难点的内容列出提纲,供大家复习参考、对照课本进行掌握。第一章; 金属的晶体结构一基本内容:金属键、位错、晶体的概念;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; 晶格类型晶胞中的原子数配位数致密度体心立方 2 8 68% 面心立方 4 1274%二重要内容:1晶体、位错的概念位错: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;晶体:材料在固态下原子或分子在空间呈有序排列;2面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度;八面体、四面体间隙。3晶向指数、晶
3、面指数的标定晶面指数求法:建立坐标求截距取倒数化整加()晶面指数作法:建立坐标求截距取倒数连线、画剖面线晶向指数求法:定原点建坐标求坐标化最小整数加【 】晶向指数作法:定原点建坐标以hkl 中最大数字作为字母,化为小于或等于1的分数第二章;纯金属的结晶一基本内容: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。二重点内容1.过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差;2.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。3.过冷度与液态金属结晶的关系(看书参考):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
4、看,没有过冷度结晶没有驱动力。第三章;二元合金的相结构与结晶一基本内容: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。二重点内容:1.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。2.偏析:合金中成分的不均匀分布。3.杠杠定律及运用,组织组成物(概念)及相组成物(概念)的计算。第四章;铁碳合金一基本内容:铁碳合金的组元和基本相,铁碳相图,铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织。二重点内容1.铁素体和奥氏体铁素体:碳在aFe中的固溶体奥氏体:碳在rFe中的固溶体2
5、.铁碳相图(会画) 包晶反应(温度、成分) 共晶,共析3.钢的含碳量对平衡组织及结晶过程的影响例:含碳0.4%碳钢的结晶过程经过匀晶转变,包晶转变,匀晶转变,单相冷却,同素异晶转变,共析转变等;其室温组织相对量为:铁素体%=(0.8%0.4%)/0.8%=50% 珠光体%=150%=50%相组成与组织组成的区别。4.典型钢在相图上的位置。例10钢,40钢,60钢,T12钢第五章;三元合金相图(不考)第六章;金属及合金的塑性变形与断裂一基本内容:固溶体强化机理与强化规律,第二相得强化机理,单晶体塑性变形的方式,滑移的本质,金属塑性变形后的组织和性能。二重点内容1.金属塑性变形后的组织与性能:显微
6、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,出现形变组织、性能,材料的强度、硬度升高;塑性,韧性的下降,线密度增加。导电系数和电阻温度系数下降,防腐蚀能力降低等。2冷变形会使金属材料内部形成哪些内应力?这些内应力是如何形成的?他们的作用范围有多大?三种内应力:(1)第一类内应力(宏观内应力),由于不同部位变形不均匀造成,作用范围大;(2)第二类内应力(微观内应力),由于不同晶粒之间不均匀形核,作用范围在几个晶粒之间;(3)第三类内应力(晶格畸变),由于晶体缺陷大量增加造成,作用范围在原子尺度;3冷变形对金属材料的性能有何影响?第七章;金属
7、及合金的回复与再结晶一基本内容:回复、再结晶的概念,变形金属加热时显微组织的变化,性能的变化。影响再结晶的主要因素性能的变化规律。二重点内容1塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化:显微组织经过回复、再结晶,晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成稳定尺寸的等轴晶粒。第八章;扩散(不考)第九章;钢的热处理原理一基本内容:冷却时转变产物(P、B、M)的特征,性能特点,热处理的概念,等温,连续C-曲线。二重点内容:1、转变产物(P、M、B)的特征、性能特点:片状P体,片层间距越小,强度越高,塑性,韧性也越好;粒状P体,Fe3C颗粒越细小,分布越均匀,合金的强度越高,第二相的数量越多,对塑
8、性的危害越大,片状与粒状相比,片状强度高,塑性、韧性差;上贝氏体为羽毛状,亚结构为位错,韧性差;下贝氏体为黑针状或竹叶状,亚结构为位错,位错度高于上贝氏体,综合机械性能好;低碳马氏体为马条状,亚结构为位错具有良好的综合机械性能;高碳马氏体为片状,亚结构为孪晶。强度硬度高,塑性韧性差。第十章;钢的热处理工艺一基本内容:淬透性、淬硬性、热应力、组织应力、回火脆性、回火稳定性。二重点内容1淬透性及影响因素:是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。例:合金元素的影响,Cr的作用2回火脆性:钢在一定的温度范围内回火时,其冲击韧性显著下降。这种脆化现象叫做钢的回火性。3球化退火工艺(与完全退火区别)球化退
9、火是使钢中碳化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上2030摄氏度,保温一段时间,然后缓慢冷却,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成。例:Fe-C共析图,T10钢制造的锉刀,采用球化退火,920度退火,正确吗?会出现什么问题?第十一章 工业用钢一基本内容:材料强化方法,钢的分类和牌号,典型零件的材料、成分、热处理工艺及组织。二重点内容:1材料强化方法:2典型零件的材料、成分、热处理工艺及组织例:齿轮:20CrMnTi,渗碳钢,C%=0.2%,Cr%1.5%,Mn%1.5%,预备热处理是正火,最终热处理是渗碳后淬火加低温回火,其最终组织为表层是回火马氏体,心部是托氏体。
10、连杆:40Cr,调质钢,C%=0.4%,Cr%1.5%,预备热处理是退火,最终热处理是淬火加高温回火,其最终组织是回火索氏体。弹簧:65Mn,弹簧钢,C%=0.65%,Mn%1.5%,预备热处理是退火,最终热处理是淬火加中温回火,其最终组织是回火托氏体。滚动轴承:GCr15,滚动轴承钢,C%=1.0%,Cr%=1.5%,预备热处理是球化退火,最终热处理是淬火加中温回火,其最终组织是回火索氏体。车刀:W18Cr4V,高速钢,W%=17.518.5%,Cr%=3.54.5%,V%1.0%,Cr%=11.512.5%,Mo%、V%1.5%,预备热处理是球化退火,最终热处理是淬火加低温回火,其最终组织
11、是回火马氏体。机床床身:HT250,灰口铸铁,浇注后不进行热处理。(注:为什么选铸铁)请坚持一下此刻打盹,你将做梦;而此刻学习,你将圆梦。(责任编辑:文彦考研)第一章 :金属的晶体结构11 晶体的基本知识一、晶体与非晶体1、晶体内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。有固定的熔点(如铁为1538,铜为1083,铝为660);一般具有规则的外形;在不同的方向上具有不同的性能,即表现出晶体的各向异性。2、非晶体及其特性内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反,没有固定的熔点;表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。二、 晶格、晶胞和晶格常数1、晶格(图)假
12、设原子为刚性小球,利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架,这种抽象的,用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。2、晶胞(图)最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。3、晶格常数如图,;,a、b、c为晶格常数。晶体中原子排列示意图(教材P5)晶胞选取应满足下列条件:(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性; (2)平行六面体内相等的棱和角数目最多; (3)当棱间呈直角时,直角数目应最多; (4)满足上述条件,晶胞体积应最小。12 金属的晶体结构一、金属的特性和金属键1、特性良好的导电性、导热性、塑性,具有金属光泽,不透明,正的电阻温度系数。2、原因这主要是与金属原子的内部结构以
13、及原子间的结合方式有关。3、金属键当大量金属原子结合在一起,构成金属晶体时,金属原子失去外层电子变成正离子;失去的外层电子成为自由电子,为整个金属所共有,构成电子云,金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动;金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡,从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。金属特性的金属键理论解释(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流,从而显示出良好的导电性。(2)随着温度升高,正离子振动的振幅要加大,对自由电子通过的阻碍作用也加大,因而,金属的电阻是随温度的升高而增加的,即具有正的电阻温度系数。(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能,因而
14、使金属具有较好的导热性。当金属发生塑性变形后,正离子与自由离子间所能保持金属键的结合,使金属显示出良好的塑性。自由电子能吸收可见光的能量,故金属具有不透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子,当它重新跳回到原来低能级时,就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来,在宏观上就表示为金属的光泽。二、金属中常见的晶格1、体心立方晶格(图) a=b=c =90 晶胞中实际原子数为: 具有体心立方晶格的金属有:α-Fe、Cr、W、Mo、V等。2、面心立方晶格(图)a=b=c =90晶胞中原子数为: 具有面心立方晶格的金属有:γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。3、密排
15、六方晶格(图)a=b c =90 =120 密排六方晶格中原子数为: 具有密排六方晶格的金属有:Mg、Zn、Be、Cd等。三、晶体结构的致密度(计算)致密度:是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。1、体心立方的致密度 2、面心立方与密排六方的致密度计算同体心立方,均为0.74。致密度数值越大,则原子排列越紧密四、配位数的概念配位数是指晶体结构中,与任一原于最近邻并且等距离的原子数。体心立方:8;面心立方:12;密排六方:12配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。五、晶面与晶向在晶体中,由一系列原子所构成的平面称为晶面,任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。不同的晶面和晶向上原子排列的疏
16、密程度不同,原子间相互作用也就不同,因而不同晶面和晶向就显示不同的力学性能和理化性能。表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。1、晶面指数求法设坐标求截距取倒数化整数列括号2、晶向指数求法设坐标求坐标值化整数列括号13 实际金属的晶体结构一、多晶体和亚组织 概念1、单晶体把晶体看成是由原子按一定的几何规律作周期性排列而成的,即晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体,这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料,即使体积很小,其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体,每个小晶体内部的晶格位向是一致的,而各个小晶体彼此间的位向都不同。2、晶粒;外形不规则的小晶体。3、晶界;晶粒
17、与晶粒之间的界面。4、多晶体实际上由许多晶粒组成的晶体。5、显微组织或金相组织晶粒尺寸很小,如:钢铁材料的晶粒一般在10-110-3mm左右,故只有在金相显微镜下才能观察到这种金属组织。晶体的各向异性当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态下的单晶体时,该晶体必然具有各向异性的特征,但实际金属是多晶体,表现各向同性。亚组织;在实际金属晶体的一个晶粒内部,其晶格也并不象理想晶体那样完全一致,而是存在着许多尺寸更小,位向差也很小的小晶块,它们相互镶嵌成一颗晶粒,这些小晶块称亚组织。亚晶界;两相邻亚组织间的边界。二、晶体的缺陷实际晶体中,原子排列不完整,偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局
18、部存在的晶体缺陷,对金属的性能影响很大。晶体缺陷按尺寸可分为:点缺陷、线缺陷、面缺陷1、点缺陷(图)空位和间隙原子:位于点阵上的原子并非静止的,而是以其平衡位置为中心作热振动,总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用,就可以脱离其原来的平衡位置,而迁移到别处,结果,在原来的位置的上的出现了空结点,称为空位。 形成空位的同时,产生了间隙原子,这种不占有正常的晶格位置而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。点缺陷的产生使其产生了晶格畸变,晶格畸变将晶体性能发生改变,如强度,硬度和电阻增加。2、线缺陷-位错(图)位错-晶体中,某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。刀刃位错;在晶体的
19、某一水平面上,多出一个垂直原子面ABCD,这个多原子面像刀刃一样切入晶体,使晶体上、下两部分的原子发生了错排现象。螺旋位错-原子平面被畸变成了螺旋面。位错密度: V-晶体的体积 S-体积为V的晶体中位错线的总长度。3、面缺陷晶界:多晶体中两个相邻晶粒间的位向差大多在3040,原子排列成无规则的过渡层。亚晶界:是由一系列刃型位错所形成的小角晶界。亚组织越细,金属的屈服强度越高。将相本无种,男儿当自强。为了让自己从是一条不起眼的毛毛虫变成美丽的蝴蝶而努力!(责任编辑:文彦考研)第二章 纯金属的结晶 一、纯金属的冷却曲线和过冷现象1、通过热分析法测定冷却曲线2、冷却曲线分析纯金属结晶时,在冷却曲线上
20、出现平台的原因,是由于金属在结晶过程中,释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量,使温度并不随冷却时间的增加而下降,直到金属结晶终了后,已没有结晶潜热补偿散失的热量,故温度又重新下降。3、过冷现象金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度T= T0Tn,过冷是结晶的必要条件。同一金属,结晶时冷却速度越大,过冷度越大,金属的实际结晶温度越低。二、固液界面前沿液体中的温度梯度1、正温度梯度(图)液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况,其结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而减小。2、负温度梯度(图)液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况,也就是说,过冷度随至界面
21、距离的增加而增大。三、纯金属的结晶过程结晶的过程是不断形核和长大的过程。1、形核液体中存在着许多类似于晶体的小集团,当低于理论结晶温度时,这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心,称为晶核。2、长大晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面,使液固界面向液体中推移的过程。晶体长大的方式:平面状长大解释:正温度梯度下,界面上局部微小区域有偶尔冒出而伸入到过冷度较小的L中时,它的长大会减慢,甚至停止,周围部分会赶上,冒出部分消失,LS界面始终保持平面状。树枝状长大解释:负温度梯度下,界面上局部微小区域有偶尔冒出而伸入到L中时,T增加凸出部分生长加快,形成晶轴,同时这些晶轴还可产生二次晶轴形成树枝状形
22、态。四、金属结晶后的晶粒大小概念1、晶粒度;衡量晶粒大小的尺度,常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。2、形核率;指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。3、&长大速度指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。 影响晶粒大小的因素晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。1、形核率的影响形核率越大,晶粒越细。2、长大速率的影响长大速率越小,晶粒越细。细化晶粒的方法1、增加过冷度(图)形核率N,长大速率G都随过冷度T的增加而增大。T越大,NG越大。使单位体积中的晶粒数目越多,故晶粒越细化。2、 变质处理在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂,使结晶时的形核率N增加或降低长
23、大速率G,这种方法称为变质处理。3、 附加振动振动能使液态金属在铸模中运动,造成枝晶破碎,破碎的枝晶尖端又可起晶核作用。四、金属的同素异晶转变1、概念:金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异晶转变。2、同素异晶转变的特点 同素异晶转变遵循结晶的一般规律。 固态下原子扩散困难,同素异晶转变须有较大的过冷度。 由于转变时晶体结构的致密度发生改变,晶体体积发生变化,从而可产生较大的内应力。教材P48图 两种温度分布方式补充习题(请认真做)第一章习题1.某晶体的原子位于正方晶格的节点上,其晶格常数a=bc,c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个
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