金属学与热处理.doc

第一章金属 ：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度升高而增加。金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。各向异性：不同方向测量其性能时，表现出或大或小的差异。空间点阵：由阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。晶胞：从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称晶胞。晶格常数或点阵常数：晶胞的棱边长度一般称为晶格常数。配位数：晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。致密度：原子排列的紧密程度，可用原子所占体积与晶胞体积之比表示。晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称晶面。晶向：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称晶向族。以表示。多晶体：凡由两颗以上晶粒所组成的晶体称多晶体。多晶型转变或同素异构转变：当外部条件改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体机构转变。晶体缺陷：在实际应用的金属材料中，总不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域。晶体缺陷几何特征：点缺陷 空位 间隙原子 置换原子 线缺陷 位错 面缺陷 晶界、亚晶界 空位：在某一温度瞬间，总有一些原子具有足够高的能量，克服周围原子的约束，脱离原来的平衡位置迁移到别处，于是在原位置上出现空结点。空位是一种热平衡缺陷，间隙原子也是一种热平衡缺陷。位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排牌现象。位错分为刃型位错和螺型位错。刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此位错线称为正刃型位错，反之，则称为负刃型位错。位错可理解为晶体已滑移区和未滑移区的边界。刃型位错的重要特征： 1 刃型位错有一额外半原子面。2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变，也有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到正应力，滑移面之下受到拉应力。负刃型位错与此相反。3 位错线与晶体的滑移方向垂直，位错运动方向垂直于位错线。螺型位错 通常用拇指代表螺旋前进方向，而其余四指代表螺旋的旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺型位错，符合左手法则的称为左螺型位错。螺型位错的重要特征：1 螺型位错没有额外半原子面。2 螺型位错是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变。3 位错线与晶体滑移方向平行，位错线运动方向与位错方向垂直。柏氏矢量：有一个量，用它不但能表示位错的性质，而且可以表示晶格畸变的大小和方向，从而使人们在研究位错时能够摆脱位错区域内原子排列具体细节的约束，这个量叫柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量与位错线相垂直，螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。晶体滑移量的大小即柏氏矢量b，滑移方向即柏氏矢量方向。位错密度：把单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度。晶界：晶粒结构相同但位向不同的晶粒之间的界面位晶界。层错：在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷。层错能：把产生单位体面积层错所需的能量称为层错能。内吸附：由于晶界能的存在，当金属中存在有能降低晶界能的异类原子时，这些原子就向晶界偏聚，这种现象称为内吸附。反内吸附：凡是提高晶界能的原子，将会在晶粒内部偏聚，称为反内吸附。第二章过冷度：金属理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。相变潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。短程有序：在液体中的微小范围，存在着紧密接触规则排列的原子集团。长程有序：在晶体中大范围内的原子有序排列。结构起伏或相起伏：不断变化着的短程有序原子集团。均匀形核：若液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核。非均匀形核：新相优先于出现于液相中的某些区域。过冷度越大，则临界晶核半径越小。形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，需要对形核做功，这个功称为形核功。能量起伏：微区域内暂时偏离平衡能量的现象。过冷度、相起伏、能量起伏是形核的基础。临界形核功与过冷度的平方成成反比，过冷度越大，临界形核功显著降低，从而使结晶过程易于进行。形核率：单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。形核率受两个方面的控制：一方面，随着过冷度的增加，临界形核半径和形核功随之减小，易于形核，形核率增加。另一方面，形核过程有迁移扩散过程，但是增加过冷度，就势必降低原子的扩散能力，造成形核困难，形核率减少。有效形核温度：在到达一定的过冷度之前，液态金属中基本不形核，一旦到达临界过冷度时，形核率急剧增加，相应的温度称为有效形核温度。金属玻璃：如果能使液态金属急剧降温，获得极大过冷度，以至没有形核就降温到原子难以扩散的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称非晶态金属，又称金属玻璃。金属结晶形核的要点：1 液态金属的结晶必须在过冷条件下进行，过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rk，前者提供形核驱动力，后者是形核的热力学条件。2 rk值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。过冷度越大，则rk值越小，形核率越大，但形核率有一极大值。如果表面能越大，形核所需的过冷度也应越大，凡是能降低表面能的办法都能促进形核。3 均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏。4 晶核形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。5 在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核方式进行。光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑平整的，液固两相截然分开，界面上的固相原子都位于固相晶体结构所规定的位置，形成平整的原子平面，通常为固相的密排晶面。在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，所以又称为小平面界面。粗糙界面：从原子尺度观察，这种界面高低不平，并存着几个原子间厚度的过渡层。在过渡层中，液相与固相犬牙交错分布，由于过渡层很薄，在光学显微镜下，这类界面是平直的，又称非小平面界面。晶体长大机制：1 二维晶核长大机制 螺位错长大机制 连续长大机制正温度梯度：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。负温度梯度：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。晶体长大的要点：1 具有粗糙界面的金属，其长大机制为连续长大，长大速度大，所需过冷度小。 2 具有光滑界面的金属化合物、半金属或非金属等，其长大机制可能有两种方式，其一为二维晶核长大方式，其二为螺型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需的过冷度较大。 3 晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关。在正温度梯度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状，粗糙界面的形态为平行于Tm等温面的平直界面，呈平面长大方式，在负温度梯度下长大，一般金属和半金属的界面都呈树枝状，只有那些杰克逊因子值较高的物质仍然保持着光滑界面状态。晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。细化晶粒的方法：1 控制过冷度 形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均随之增加，但形核率的增长率大于长大速度的增长率。 增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。措施：1 采用金属型或石墨型代替砂型，局部加冷铁，采用水冷铸型。2 降低浇注温度和浇注速度，使铸型温度不至于升高太快，延长凝固时间，晶核数目增多，获得细小晶粒。 2 变质处理 在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。 3 振动、搅拌 对即将凝固的金属进行振动和搅拌，一方面，是输入能量使晶核提前形成，另一方面，是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加。铸锭三晶区的形成：1 表层细晶区 当高温的液态金属被浇注到铸型中时，液体金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大的过冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表层形成一层厚度较薄，晶粒很细的等轴晶区。 2 柱状晶区 表层晶区形成后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难以形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行，由于散热方向垂直于模壁，因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长形成柱状晶区。 3 中心等轴晶区 当柱状晶区长大到一定程度，由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出，使结晶前沿的温度梯度消失，导致柱状晶长大停止，当心部全部冷却到实际结晶温度以下时，以杂质和被冲下的晶枝碎块为结晶核心均匀长大，形成粗大的等轴晶区。从性能角度出发，外层细等轴晶区很薄，对铸锭机械性能影响不大，柱状晶粒由于彼此相妨碍，树枝的分枝较少，结晶后显微缩孔少，组织致密，但是柱状晶方向一致，使铸件的性能有方向性，柱状晶粒交界处容易聚集杂质而形成弱面，压力加工则易沿脆弱面开裂，粗大等轴晶长大时彼此交叉，不存在脆弱面，但树枝状晶体发达，分枝较多，因而显微缩孔多，结晶后组织不致密，但显微缩孔一般均未氧化，铸锭热压力加工时显微缩孔一般可焊合。铸锭组织的控制：1 铸型的冷却能力 铸型及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生成。常采用导热性好与热容量大的铸型材料，增大铸型的厚度及降低铸型温度，以增大柱状晶区。 2 浇注温度与浇注速度 柱状晶的长度随浇注温度的提高而增加，当浇注温度达到一定值时，可以获得完全的柱状晶区。这是由于浇注温度或者浇注速度的提高，均将使温度梯度增大，因而有利于柱状晶区的发展。 3 熔化温度 熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物溶解得越多，非均匀形核数目减少，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶的发展。定向凝固技术：通过单向散热使整个铸件获得全部柱状晶的技术称为定向凝固技术。第三章相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。组织：一般系指用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内部所具有的微观组织特征和形貌图像。固溶体：合金组元之间以不同比例相互混合后形成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。这种组元称为溶剂，其他组员即为溶质。 对固溶度的影响因数：1 原子尺寸因素 组元间的原子半径r越接近，则固溶体的固溶度越大，r越大，固溶体固溶度越小，有利于大量固溶的原子尺寸条件是r不大于15%。 2 电负性因数 元素的电负性定义为元素的原子获得或吸引电子的相对倾向。若两元素在元素周期表中的位置相距越远，电负性差值越大，则越不利于形成固溶体，而易于形成金属化合物。若两元素间的电负性差值越小，则形成的置换固溶体的固溶度越大。 3 电子浓度因素 合金的电子浓度是指合金晶体结构中的价电子总数与原子总数之比，溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制，固溶体的电子浓度有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，要形成另外的新相。 4 晶体结构因素 溶质与溶剂的晶体结构相同，是置换固溶体形成无限固溶体的必要条件。 有序固溶体、超点阵、超结构：具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排列起来，即有短程有序转变为长程有序，这样的固溶体称为有序固溶体，或称为超结构、超结构。固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑形、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。电子化合物：由IB族或过渡族金属元素与IIB、IIIA、IVA族金属元素形成的金属化合物，它不遵守原子价规律，而是按照一定电子浓度的比值形成的化合物。 间隙相、间隙化合物：根据非金属元素（以X表示）与金属元素（以M表示）的原子半径的比值，当rx/rm0.59时，形成具有简单结构的化合物，称为间隙相，当rx/rm0.59时，则形成具有复杂晶体结构的化合物，称为间隙化合物。匀晶相图：两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶相图。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。Cu-Ni、Fe-Ni 异分结晶或选择结晶：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化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。同分结晶：纯金属结晶时，所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，称为同分结晶。不平衡结晶：偏离平衡结晶条件的结晶称为不平衡结晶。晶内偏析或枝晶偏析：合金以树枝状结晶是，枝干和枝间的化学成分不同。先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，在晶粒内部存在浓度差别，这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。平衡分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值。区域提纯：如果在提纯时不是将金属棒全部熔化，而是将圆棒分小段进行熔化和凝固，也就是使金属棒从一端向另一端地进行局部熔化，凝固过程也随之顺序的进行。由于固溶体是选择结晶，先结晶的晶体将杂质排入熔化部分的液体中，如此当熔区走过一遍后，圆棒中的杂质就富集于另一端，重复多次，即可达到目的，这种方法就是区域提纯。共晶转变或共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相转变的过程，称为共晶转变或共晶反应。二次结晶：由固溶体中析出另一个相的过程称为脱溶过程，也即过饱和固溶体的分解过程，也称之为二次结晶。伪共晶：在平衡结晶条件下，只有在共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织。但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，也可能得到全部的共晶组织，这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织成为伪共晶组织。离异共晶：在先共晶相数量较多而共晶相组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，会依附于先共晶相生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。比重偏析：是由组成相与熔液之间密度的差别所引起的一种区域偏析。例子，如对亚共晶合或过共晶合金来说，如果先共晶相与熔液之间的密度相差较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。防止或减轻比重偏析的方法有两种：一是增大冷却速度，使先共晶相来不及上浮或下沉，二是加入第三种元素，凝固时先析出与液体密度相近的新相，构成阻挡先共晶相上浮或下沉的骨架。正偏析：铸件中低熔点元素的含量从先凝固的外层到后凝固内层逐渐增多，高熔点元素的含量则逐渐减少，这种区域偏析称为正偏析。反偏析也称负偏析：与正偏析相反，是低熔点元素富集在铸件先凝固的外层的现象。包晶相图：在一定温度下，有一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称为包晶转变。包晶偏析：这种由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀的现象称为包晶偏析。第四章铁碳合金中的碳存在形式有两种：渗碳体Fe3C和石墨。Fe3C是亚稳相，在一定条件下可以分解为铁和石墨。铁素体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，常用符号F或表示。奥氏体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或表示。铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多，根据测定，奥氏体的最大溶碳量wc=2.11%(于1148)， 而铁素体的最大溶碳量仅为wc=0.0218%（于727）。铁素体：碳溶于体心立方晶格的-Fe中的间隙固溶体，称为铁素体，以表示。渗碳体：是铁与碳形成的间隙化合物。含碳量为6.69%。铁碳相图：HJB包晶转变线，ECF共晶转变线，PSK共析转变线。包晶转变：在1495，wc=0.53%的液相与wc=0.09%铁素体发生包晶反应，形成wc=0.17% 的奥氏体。共晶转变：在1148，wc=4.3%的液相转变为wc=2. 11% 的奥氏体和渗碳体的组成混合物。共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示。凡是含碳量在2.11%到6.69%范围的合金，都要进行共晶转变。共析转变：在727，wc=0.77%的奥氏体转变为wc=0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物。共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。共析温度常用符号A1表示。凡是含碳量wc0.0218的铁碳合金都将发生共析转变。经共析转变形成的珠光体是层片状的，其中铁素体含碳量约为88.7%，渗碳体含碳量约为11.3%。铁素体的体积是渗碳体的8倍。三条重要的特征线：GS线，又称A3线，它是在冷却过称中由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线。 ES线，碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出次生渗碳体，通常称之为二次渗碳体，用Fe3CII表示，因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线，ES线也叫Acm线。 PQ线，碳在铁素体中的溶解度曲线，铁素体中的最大溶碳量，于727时达到最大值，随着温度的降低，铁素体中的溶碳量逐渐减少，因此，当铁素体从727冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，用Fe3CIII表示。工业纯铁wc0.17%，所以包晶转变后，还有液相剩余，剩余的液相继续结晶成奥氏体，当温度降到3点，合金全部转变为奥氏体。单相奥氏体冷却到4点，在晶界析出铁素体，到5点时，发生共析转变，形成珠光体，在5点一下，先共析铁素体和和珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，一般忽略不计，因此，该钢在室温下的组织有先共析铁素体和珠光体所组成。钢中含碳量越高，则组织中珠光体含量越多。 组织组成物：先共析铁素体和珠光体的含量。w=（0.77-0.40）/（0.77-0.0218）49.5%珠光体含量1-49.5%=50.5%相组成物：铁素体含碳量：（6.69-0.40）/(6.69-0.0218)94.3% 渗碳体含碳量1-94.3%5.7%四、过共析钢以wc=1.2%为例。结晶过程：合金在12点按匀晶转变为单相奥氏体，当冷却到3点与ES线相遇时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止，这种先共析渗碳体一般沿着奥氏体晶界呈网状分布。然后奥氏体含碳量达到0.77%，发生共析转变，形成珠光体，因此，过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而增加，当含碳量达到2.11%时，二次渗碳体数量达到最大值，其含量可用杠杠定律算出：（2.11-0.77）/(6.69-0.77)22.6%五、共晶白口铁 共晶白口铸铁中含碳量wc=4.3%，液态合金到1点时，发生共晶转变，形成莱氏体，当冷却到1点以下，碳在奥氏体中溶解度下降，因此从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，但由于依附在共晶渗碳体上析出长大，所以难以分辨，当温度下降到727，共晶奥氏体转变为珠光体。最后室温下的组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体形态特征，但组成相发生了改变，因此，常将室温莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体。六、亚共晶白口铁以含碳量wc=3.0%为例，结晶过程：在12点之间按匀晶转变结晶出初晶奥氏体，奥氏体成分沿JE线变化，液相的成分沿BC线变化，当温度达到1148时，发生共晶转变。形成莱氏体，当温度冷却到23点之间，从初晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体，当温度到达727时，发生共析转变，所有的奥氏体均转变为珠光体，由初晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片，难以分辨。计算含量：组织组成物中初晶奥氏体的含量：（4.3-3.0）/(4.3-2.11)59.4% 莱氏体的含量：（3.0-2.11）/(4-2.11)40.6% 从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体含量：（2.11-0.77）/(6.69-0.77)59.4%13.4%七、过共晶白口铁以含碳量wc=5.0%的过共晶白口铁为例，结晶过程：合金在12温度区间从液体中结晶出粗大的先共晶渗碳体，称为一次渗碳体，随着一次渗碳体含量的增多，液相成分沿着DC线变化，当温度达到2点时，发生共晶转变，形成莱氏体，再继续冷却过程中，共晶奥氏体先析出二次渗碳体，然后在727发生共析转变，形成珠光体，因此过共晶白口铸铁室温下的组织为一次渗碳体和低温莱氏体。三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片状分布，共析渗碳体是经共析反应生成的，与铁素体呈交替层片状，而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网络状分布于奥氏体的晶界，共晶渗碳体是与共晶奥氏体同时形成的，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液相中直接形成的，呈规则的长条状。铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相，珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，起了强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑形较差。渗碳体的硬度很高，且极脆，不能使合金的塑形提高，合金的塑形变形主要由铁素体来提供，因此含碳量增加而铁素体减少时，铁碳合金塑形不断降低，当组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，塑形降低到接近于零值。冲击韧度对组织十分敏感，含碳量增加时，脆性的渗碳体增多，当出现网状的二次渗碳体时，韧性急剧下降，总地来看，韧性比塑形下降的趋势要大。硬度是对组织组成物或组成相的形态不十分敏感的性能，它的大小主要决定于组成相的数量和硬度，因此随着含碳量的增加，高硬度的渗碳体增多，低硬度的铁素体减少，铁碳合金的硬度呈直线升高。为了保证工业上使用的铁碳合金具有适当的塑形和韧性，合金中渗碳体相的数量不应过多，对碳素钢及普通低中合金钢而言，其含碳量一般不超过1.3%低碳钢中的铁素体较多，塑形韧性较好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此切削加工性能不好，高碳钢中渗碳体较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑形也比较适中，其切削加工性能较好。可锻性：金属的可锻性是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。钢的可锻性首先与含碳量有关，低碳钢的可锻性较好，随着碳含量的增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的塑形，易于塑形变形，钢加热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的可锻性，因此钢材的始轧或始锻温度一般选在固相线以下100200范围内。终锻温度不能过低，以免钢材因温度过低而塑形变差，导致裂纹，但终锻温度也不能太高，以免奥氏体晶粒粗大，亚共析钢终锻温度控制在略高于GS线，以避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低，过共析钢终锻温度控制在略高于PSK线，以利于打碎网状析出的渗碳体。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，其可锻性很差。锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。它还可以把钢液中的FeO还原成铁，并形成MnO和SiO2。除了脱氧作用，还有除硫作用，形成MnS。锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢的强度和硬度。锰提高强度的原因是它溶于铁素体而引起固溶强化，并使钢材在轧后冷却时得到层片较细、强度较高的珠光体。碳钢中的含硅量一般小于0.5%，硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度，但含量较高时，将使钢的塑形和韧性下降。硫是有害元素，是炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂质，硫只溶于钢液中，在固态铁中几乎不能溶解，而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中。硫最大的危害是引起钢在热加工时开裂，这种现象叫热脆。造成热脆的原因是由于FeS的严重偏析，在晶界富集，其熔化温度很低，而一般热加工温度很高，加热时，FeS熔化，导致钢件开裂。防止热脆的方法是往钢中加入适当的锰，由于锰的与硫的化学亲和力大于铁与硫的亲和力，所以在含锰的钢中，硫便与锰形成MnS，避免形成FeS，MnS熔点1600，高于热加工温度，并在高温下具有一定的塑形，故不会产生热脆。一般工业钢中，含锰量常为含硫量的510倍。磷的影响：一般来说，磷是有害杂质元素，它是有矿石和生铁等炼钢原料带入的，无论在高温和低温，磷在铁中具有较大的溶解度，所以钢中的磷一般都固溶于铁中，磷具有很强的固溶强化作用，使钢的强度和硬度都显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。磷还具有严重的偏析，在-Fe和-Fe中扩散速度很小。很难用热处理方法予以消除。也有一定的优点，由于它降低铁素体的韧性，可以用来提高钢的的切削加工性，它与铜共存，可以显著提高钢的耐大气腐蚀能力。氮的影响：氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造成的，氮在-Fe中的溶解度在591最大，约为0.1%，随着温度的降低，溶解度急剧下降，在室温小于0.001%。如果将含氮较高的钢从高温急速冷却下来，就会得到氮在-Fe中的过饱和固溶体，将此钢材在室温下长期放置或稍加热，氮就以氮化铁形式从铁素体中析出，使钢的强度硬度升高，塑性和韧性下降，使钢材变脆，这种现象叫做淬火时效。另外，含有氮的低碳钢材经冷塑形变形后，性能随着时间变化，强度硬度升高，塑性韧性明显下降，这种现象称为应变时效。解决的方法是往钢中加入足够数量的铝，形成氮化铝，可以减弱和消除这两种在较低温度下发生的时效现象，此外，氮化铝还能阻碍加热时奥氏体晶粒的长大，从而达到细化晶粒的目的。氢的影响：是由锈蚀含水的炉料或含有水蒸气的炉气中吸入的。危害很大，一是引起氢脆，在低于钢材强度极限的应力作用下，经一定时间后，突然断裂，造成灾难性的后果，钢的强度越高，对氢脆的敏感性往往越大。二是，导致钢材内部产生大量细微裂纹（白点），白点使钢材伸长率显著下降，尤其断面收缩率和冲击韧度降低的更多，因此存在白点的钢是不能使用的。第六章e为材料的弹性极限，它表示材料保持完全弹性变形时的最大应力。当应力超过e后，应力与应变之间直线关系被破坏，并出现屈服平台或屈服齿。如果卸载试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残余变形，即塑形变形。说明钢的变形进入弹塑性阶段。s或0.2均表示材料对起始微量塑性变形的抗力。随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。b称为材料的强度极限或抗拉强度，表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。k为材料的条件断裂强度，它表示材料对塑性变形的极限抗力，塑性断裂：产生一定塑性变形后的断裂称为塑性断裂。材料的塑形：指材料在断裂前的塑形变形量。通常用伸长率和断面收缩率来表示。材料的韧性：材料对断裂的抵抗能力。弹性变形的实质：金属晶格在外力作用下产生的弹性畸变。弹性模量E、切变模量G是表征金属材料对弹性变形的抗力。构件的刚度：构件产生弹性变形的难易程度称为构件的刚度。金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，取决于原子间结合力的大小，其数值只与金属的本性、晶体结构、晶格常数等有关，金属材料的合金化、加工过程及热处理对它影响很小。滑移：晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这种变形方式叫滑移。滑移系：一个滑移面和此面得滑移方向结合起来，组成一个滑移系。滑移系表示金属晶体发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向。金属晶体中滑移系越多，该金属塑性也越好。一般说来，滑移面总是原子排列最密的晶面，而滑移方向也总是原子排列最密的方向。这是因为在晶体的原子密度最大的晶面，原子间结合力最强，而面与面之间的距离最大，即密排晶面之间的原子结合力最弱，滑移阻力最小，因而易于滑移，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小。面心立方金属密排面111，滑移面共有4个，密排方向为，每个滑移面上有3个滑移方向，因此共有12个滑移系。体心立方金属的滑移面为110，共有6个滑移面，滑移方向为，每个滑移面上有2个滑移方向，因此共有12个滑移系，密排六方金属滑移系有3个，可以看出，面心立方和体心立方金属的塑性较好，而密排六方金属的塑性较差。滑移时在切应力作用下发生的，当分切应力达到一定临界值，滑移才开始，此应力称为临界分切应力，它是使滑移系开动的最小分切应力。当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45时，取向因子具有最大值，此时s具有最小值，金属最容易开始滑移，这种取向称软取向，而外力与滑移面平行或垂直时，取向因子为0，此时s无穷大，晶体在此情况下根本无法滑移，这种取向称为硬取向。如果某一滑移系的取向处于软取向，那么，在拉伸时，随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越远离45，从而是滑移越来越困难，称为几何硬化，与此相反，经滑移和转动后，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越接近45，那么滑移容易进行，称为几何软化。多滑移：两个或更多的滑移系上进行的滑移称为多系滑移，简称多滑移。交滑移：两个或多个相交的滑移面沿一个滑移方向进行滑移。孪生：晶体的一部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分晶体作均匀地切变，这种切变不会改变晶体的点阵内型，但可使变形部分的位向发生变化，与未变形部分的晶体形成镜面对称，这种形成孪晶的过程称为孪生。滑移和孪生的区别：1 滑移过程是渐进的，孪生是突然发生的。 2 孪生的临界分切应力要比滑移的临界分切应力大得多，只有在滑移很难的条件下，晶体才进行孪生变形。 3 滑移时滑移面两边的晶体位向不变，孪生时孪生面两边的晶体成镜面对称。 4 孪生对塑性变形的贡献要比滑移小得多。 5 孪生后，晶体内部产生空隙，易于导致金属的破坏。 6 滑移是一种不均匀切变，孪生是均匀切变。密排六方金属，由于对称性低，滑移系少，在晶体取向不利于滑移，常以孪生方式进行塑性变形。体心立方金属在室温以下以孪生方式进行，面心立方金属对称性高，滑移系多，易滑移，难孪晶。多晶变形的特点：一是各晶粒变形的不同时性，即各晶粒的变形有先有后，不是同时进行的， 二是各晶粒变形的相互协调性，面心立方和体心立方金属的滑移系多，各个晶粒的变形协调得好，因此多晶体金属表现出良好的塑性，而密排六方金属的滑移系少，很难使晶粒的变形彼此协调，所以它们的塑性差，冷加工较困难。 三 多晶体的塑性变形具有不均匀性，各个晶粒的变形是不均匀的，有的晶粒变形量大，有的晶粒变形量较小。细晶强化：晶界越多，即晶粒越细小，则强化效果越显著，这种用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法称为细晶强化。为什么晶粒越细，屈服强度越高：在多晶体中，屈服强度是与滑移从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒密切相关的，这个转移能否发生，主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积所引起的应力集中，晶粒越大，应力集中越大，激发相邻晶粒发生塑性变形的机会比小晶粒大得多，晶粒越小，应力集中小，则需要在较大的外加应力下，才能使相邻晶粒发生塑性变形，这就是为什么晶粒越细，屈服强度越高的主要原因。细化晶粒优点，作用：不但可以提高材料的强度，同时改善材料的塑性和韧性，这是材料的其他强化方法所不能比拟的，细化晶粒的晶粒内部和晶界附近应变相差较小，变形较均匀，相对来说因应力集中引起的开裂机会较少，在断裂之前可以承受较大的变形量，所以可以得到较大的伸长率和断面收缩率。在细晶粒金属中，裂纹不易产生，也不易扩展，在断裂过程中吸收了更多的能量，表现出较高的韧性。固溶强化：由于固溶体中存在着溶质原子，使得合金的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。产生固溶强化原因：一是在固溶体中溶质与溶剂的原子半径差所引起的弹性畸变，与位错之 间产生弹性交互作用，对位错有阻碍作用 二是在位错线偏聚的原子对位错有钉扎作用。柯氏气团：偏聚于位错周围的溶质原子好像形成了一个溶质原子气团。合金元素形成固溶体时其强化作用规律如下：1 在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大。2 溶质原子与溶剂原子尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，强化效果越大。3 形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换溶体的元素，当两者质量分数相同时 ，前者的强化效果比后者大10100倍。4 溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化效果越大。弥散强化：位错绕过第二相粒子：位错遇到坚硬不变形并且比较粗大的第二相粒子，将受到粒子的阻挡而弯曲，随着应力增加，弯曲加剧，形成位错环而被留下，其余部分位错又恢复直线继续前进。这种强化作用与第二相粒子间距成反比，间距越小，强化作用越大。这种第二相粒子是借助粉末冶金的方法加入基体而引起强化作用，这种强化作用方式称弥散强化。位错切过机制：若第二相粒子硬度不太高、尺寸也不大的可变形的第