大連交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)

PAGE1PAGE4材料科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)概念晶體：原子、離子或分子在三維空間有規(guī)則周期性重復(fù)排列的構(gòu)成的物質(zhì)。單晶體：由一個(gè)晶粒構(gòu)成的晶體；晶體的晶格取向完全一致的晶體。多晶體：凡是由兩個(gè)以上晶粒所組成的晶體稱為多晶體。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（多晶型轉(zhuǎn)變）：當(dāng)外部條件改變時(shí)，晶體由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。位錯(cuò)：晶體中一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排而形成的線缺陷。柏氏矢量：用以表示位錯(cuò)晶格畸變的大小和方向的矢量。晶界：晶格結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。相界：具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。結(jié)晶：液體通過(guò)凝固轉(zhuǎn)變成晶體的過(guò)程。再結(jié)晶：冷變形金屬加熱到一定程度后，原來(lái)的變形組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o(wú)畸變的等軸晶粒的過(guò)程。重結(jié)晶：固態(tài)下的相變結(jié)晶過(guò)程。二次再結(jié)晶：經(jīng)過(guò)嚴(yán)重冷變形的某些金屬再結(jié)晶之后，繼續(xù)保溫或提高加熱溫度時(shí)出現(xiàn)的少數(shù)晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。過(guò)冷度：理論凝固溫度與實(shí)際凝固溫度之差，稱為過(guò)冷度。均勻形核：液相中各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)新晶核的幾率都是相同的，這種形核方式為均勻形核。非均勻形核：新晶核優(yōu)先出現(xiàn)于液相的某些區(qū)域，這種形核方式為非均勻形核。變質(zhì)處理：在澆鑄前向液態(tài)金屬中加入形核劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒的方法。調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝。合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，晶熔煉或燒結(jié)、或用其他方法形成的具有金屬特性的物質(zhì)。相：合金中具有同一聚集狀態(tài)，結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以界面相互分開(kāi)的組成部分。固溶體：晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同的合金相。金屬化合物：晶體結(jié)構(gòu)和性能與各組元的晶體結(jié)構(gòu)和性能都不相同的合金相。相圖：表示合金系中的狀態(tài)與溫度、成分間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖解。晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。偽共晶：非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱偽共晶。離異共晶：共晶兩相分離的現(xiàn)象。鐵素體：碳在-Fe中形成的間隙固溶體。奧氏體：碳在-Fe中形成的間隙固溶體。珠光體：鐵碳合金共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。萊氏體：鐵碳合金共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物?；疲壕w的一部分沿著一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)?；葡担阂粋€(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來(lái)組成一個(gè)滑移系。多晶體中的晶界大都屬于大角度晶界，亞晶界為小角度晶界。相界的結(jié)構(gòu)有三類：共格相界、半共格相界和非共格相界。非共格界面的界面能最高，半共格界面的界面能次之，共格界面的界面能最低。晶界的特性：①晶界的平直化和晶界的運(yùn)動(dòng)降低晶界能，導(dǎo)致晶粒的長(zhǎng)大；②對(duì)塑性變形起阻礙作用，使金屬?gòu)?qiáng)化；③晶界上的原子擴(kuò)散較快；④新相晶核優(yōu)先在晶界上形成；⑤晶界的熔點(diǎn)較晶粒內(nèi)部低；⑥晶界易于腐蝕和氧化；⑦雜質(zhì)易在晶界處偏聚。結(jié)晶需要過(guò)冷并放出結(jié)晶潛熱。結(jié)晶是相變過(guò)程，由形核和長(zhǎng)大過(guò)程組成。結(jié)晶的條件為：①過(guò)冷（熱力學(xué)條件）；②結(jié)構(gòu)（相）起伏（結(jié)構(gòu)條件）；③能量起伏（形核功、能量條件）④濃度起伏（合金）（成分條件）。實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí)都為非均勻形核。固相雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和形貌對(duì)形核率由一定的影響。金屬及合金結(jié)晶時(shí)，一般以樹(shù)枝晶方式長(zhǎng)大。晶粒的大小對(duì)金屬的性能有很大的影響，控制結(jié)晶晶粒度的常用方法有：①控制過(guò)冷度；②變質(zhì)處理；③振動(dòng)、攪拌。純金屬鑄錠的宏觀組織通常有三個(gè)晶區(qū)組成：表層細(xì)晶區(qū)、中間的柱狀晶區(qū)和中心的等軸晶區(qū)。實(shí)際金屬鑄錠都有一定的組織缺陷。固溶體的分類：按位置：置換固溶體、間隙固溶體、缺位固溶體；按濃度：有限溶體、無(wú)限固溶體；按相對(duì)分布：有序固溶體、無(wú)序固溶體。影響固溶體的因素：電負(fù)性因素、原子尺寸因素、電子濃度和晶體結(jié)構(gòu)。純金屬結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，是同分結(jié)晶；合金是在變溫下進(jìn)行的，是異分結(jié)晶。二元合金的三相平衡反應(yīng)是在恒溫下進(jìn)行的；三元合金的四相平衡反應(yīng)是在恒溫下進(jìn)行的。實(shí)際生產(chǎn)中固溶體結(jié)晶是不平衡結(jié)晶，存在晶內(nèi)偏析和宏觀偏析。常壓下，相律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：f=c-p+2。杠桿定律適用于兩相區(qū)，重心法則適用于三元合金的三相區(qū)。包晶轉(zhuǎn)變的兩個(gè)特點(diǎn)：包晶轉(zhuǎn)變的形成相依附在初晶相上形成、包晶轉(zhuǎn)變的不完全性。根據(jù)相圖可判斷合金的平衡組織和性能（包括工藝性能）。按有無(wú)共晶轉(zhuǎn)變可將鐵碳合金分為碳鋼和鑄鐵兩大類。隨著含碳量的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋篎F+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdLdLd+Fe3CIIFe3C五種形態(tài)的滲碳體：Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、共晶滲碳體和共析滲碳體。隨著含碳量的增加：鐵碳合金的硬度始終是增加的。鋼的強(qiáng)度先增加后降低。塑性和韌性始終是降低的。中碳鋼的切削加工性能好；鑄鐵的鑄造性能比鋼好；高碳鋼的鑄造性能比低碳鋼好。金屬及合金塑性變形的基本方式滑移和孿生。二者都是在切應(yīng)力下進(jìn)行的。臨界分切應(yīng)力的大小主要取決于金屬本身，與晶體的取向和外力無(wú)關(guān)；而屈服強(qiáng)度則與晶體的取向有關(guān)。滑移伴隨著滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移方向的旋轉(zhuǎn)；造成幾何硬化和幾何軟化。多系滑移比單系滑移加工硬化效果大；間隙原子比置換原子的固溶強(qiáng)化效果大?；频臋C(jī)制是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。隨著塑性變形的增加，位錯(cuò)的密度越來(lái)越大。多晶體變形的特點(diǎn)：各晶粒變形的不同時(shí)性、各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性、各晶粒變形的不均勻性。固溶強(qiáng)化的主要原因：晶格畸變、位錯(cuò)釘扎。有冷變形，就有加工硬化；冷變形后，缺陷密度增大。加工硬化的主要原因是位錯(cuò)的相互作用?；貜?fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力都是預(yù)先冷變形所產(chǎn)生的儲(chǔ)存能?；貜?fù)時(shí)顯微組織不變，硬度、強(qiáng)度略有下降，塑性、韌性有所提高，內(nèi)應(yīng)力降低；再結(jié)晶時(shí)顯微組織徹底改組。加工硬化的造成影響消失。對(duì)給定的金屬材料，冷變形程度和退火溫度對(duì)再結(jié)晶退火后的晶粒大小影響最大。熱處理與其它熱加工工藝如鑄造、壓力加工等不同的是：熱處理不改變工件的形狀，只改變其組織，通過(guò)組織的變化來(lái)改變性能。熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理來(lái)強(qiáng)化。熱處理大致分類：1．普通熱處理：退火、正火、淬火和回火2．表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理3．其它熱處理：形變熱處理、控制氣氛熱處理、真空熱處理等。鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度要偏離平衡的臨界溫度。如：Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm按固態(tài)相變中生核和成長(zhǎng)特點(diǎn)，將固態(tài)相變分為三類：擴(kuò)散型相變、非擴(kuò)散型相變、半擴(kuò)散型（過(guò)渡型）相變。鋼中對(duì)應(yīng)的分別為：珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變。共析鋼奧氏體形成過(guò)程：奧氏體的形核、奧氏體的長(zhǎng)大、殘余滲碳體的溶解、奧氏體的均勻化。影響奧氏體形成速度的因素：加熱溫度和保溫時(shí)間、原始組織、化學(xué)成分（碳、合金元素）。影響奧氏體晶粒度的因素：加熱溫度和保溫時(shí)間、加熱速度、原始組織、化學(xué)成分（碳、合金元素）。影響過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素：奧氏體成分、奧氏體狀態(tài)（原始組織、奧氏體化條件）、應(yīng)力和塑性變形。亞共析鋼隨奧氏體含碳量增加，C-曲線逐漸右移；過(guò)共析鋼隨含碳量增加，C-曲線逐漸左移；共析鋼C-曲線鼻子最靠右，其過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定。除Co和Al以外的所有合金元素，當(dāng)其溶解到奧氏體中后，都增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C-曲線右移。強(qiáng)碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V、Ti等，不但使C-曲線右移，而且改變C-曲線的形狀。過(guò)冷奧氏體的碳含量影響Ms、Mf點(diǎn)，因而影響馬氏體形態(tài)和殘余奧氏體量。合金元素除Co和Al以外，均使Ms、Mf降低，使殘余奧氏體量增加。共析鋼隨奧氏體化溫度和程度的不同，過(guò)冷奧氏體可形成片狀和粒狀珠光體。前者滲碳體呈片狀，后者呈粒狀。隨過(guò)冷度不同，可得到片間距不同的珠光體、索氏體、屈氏體。鋼中馬氏體的基本形態(tài)：板條（低碳型、位錯(cuò)、立方）馬氏體；片狀（針狀、高碳型、孿晶、正方）馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：無(wú)擴(kuò)散性、共格切變性、慣習(xí)面和位向關(guān)系、溫度范圍。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)要發(fā)生體積膨脹。因此，即使冷到Mf點(diǎn)以下仍然得不到100％的馬氏體。馬氏體機(jī)械性能顯著特點(diǎn)是具有高硬度和高強(qiáng)度。其硬度主要取決于含碳量，合金元素影響不大。馬氏體高強(qiáng)度、高硬度原因主要是：碳原子的固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化。馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)馬氏體具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。孿晶馬氏體具有高的強(qiáng)度，但塑性、韌性很差，即硬而脆。貝氏體的組織形態(tài)：羽毛狀上貝氏體、針狀下貝氏體。上貝氏體性能較差，而下貝氏體強(qiáng)度高，韌性好。淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變：馬氏體中碳原子的偏聚、馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、碳化物的轉(zhuǎn)變、碳化物的聚集長(zhǎng)大和α相再結(jié)晶。回火轉(zhuǎn)變組織：回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、回火（粒狀）珠光體。實(shí)際采用的回火有三種：低溫回火、中溫回火、高溫回火。幾乎所有淬成馬氏體的鋼，都存在低溫回火脆性，故應(yīng)避免在該脆化溫度范圍內(nèi)回火；在鋼中加入鎢、鉬或快冷防止高溫回火脆性。在相同硬度下，二者的抗拉強(qiáng)度相同，但回火索氏體的σs、δ、ψ等性能總是高于索氏體。鋼的正火加熱溫度為Ac3或Accm以上約30～50℃，或者更高。亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上30～50℃；過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上30～50℃。淬透性和淬硬性是兩種不同的概念。應(yīng)掌握的主要內(nèi)容：晶面指數(shù)和晶向指數(shù)標(biāo)注。體心立方、面心立方、密排六方晶胞的畫(huà)法，密排面和密排方向的標(biāo)注。均勻形核的臨界晶核半徑和形核功的推導(dǎo)（結(jié)晶和固態(tài)相變）