qyf质检员培训教案之金属材料与热处理

教学内容

第一节纯金属的结构与结晶

本节重点：金属的同素异构转变。

本节难点：对晶格、晶胞、过冷度概念的理解。

本节了解：结晶的概念及过冷度的含义。

一金属的晶体结构

金属在固态之下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结构有关。因此，在学习金属学时，首先要从晶体结构开始。

（一）基本概念

1 晶体固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体是指其原子（离子）在空间做有规则排列的物质。非晶体则相反，其原子是杂乱无章地堆砌在一起的。自然界当中除少数物质（如普通玻璃、松香、赛璐珞等）外，包括所有金属在内的绝大多数物质，在固态之下都是晶体。

晶体具有固定的熔点和各向异性，如，铜的熔点为1084.5℃，单晶体铜在不同方向上的抗拉强度可以在14～35公斤力/毫米2，范围内变化。再以石墨为例，简述晶体的各向异性。

2 晶格是晶体中的原子在空间做有规则排列的简单模型。为了便于描述原子的排列方式，人为地将每个原子看成是一个几何点，并用假想的线把各点连接起来，使之成为一个空间格架。这种表示原子在晶体中排列方式的空间格架，叫做晶格。

在黑板上画简图示意说明。

3 晶胞由于晶体中原子排列具有周期重复性，因此，可从晶格中选取一个具有代表性的最小几何单元来说明晶体中原子的排列规律和特点，这个最小的几何单元成为晶胞。

（二）三种常见的金属晶体结构

1 体心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和中心各有一个原子

的晶格，成为立方体晶格。如：

α-Fe δ-Fe W Mo V等。

画简图示意讲解。

2 面心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和六个面的中心各有

一个原子的晶格，成为面心立方晶格。如：γ-Fe Ni Cu Al等。

3 密排六方晶格。

（不做详细讲述）

二金属的结晶

（一）结晶金属从液体状态转变为固体状态的过程叫做金属的结晶。

（二）过冷度实验表明，金属的实际结晶温度T

1

总是低于理论结晶温度（平

衡结晶温度）T

0,这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条件，T

1

与T

之间的差

值叫做过冷度，即△T＝T

0－T

1

。过冷度不是恒定的，它与冷却速度有关，冷却

越快，过冷度就越大。

（三）结晶过程

1晶核的形成

2 晶核的长大

做简单介绍

三金属的同素异构转变

有些金属，如Fe Co Ti Mn Sn等，在结晶之后冷却时，还会发生晶体结构的变化，从一种晶格转变成另一种晶格。金属在固体下的这种晶格转变成为同素异构转变。有同素异构转变所得到的不同晶格的晶体成为同素异构体。

Fe在结晶以后具有体心立方晶格，成为δ-Fe；冷却到1394℃时，δ-Fe 转变为面心立方的γ-Fe；继续冷却到912℃时，γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe.。铁的同素异构转变具有十分重要的意义，正是由于铁能够发生同素异构转变，才有可能对刚和铸铁进行热处理，从而达到改变其组织和性能的目的。

同素异构转变是原子的重新排列，形成另一种晶格的过程，实质上也是一种结晶过程。为了与液体结晶相区别，通常把它成为重结晶。

画简图示意进行讲解。

第二节合金的结构与结晶

本节主要了解合金概念和特点。知道什么是铁素体、珠光体、奥氏体、渗碳体。了解工业纯铁、钢、白口铸铁的碳含量。

一合金

由一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或非金属）组成的具有金属特性的物质成为合金。例如，碳钢和铸铁是主要由铁和碳组成的合金。普通黄铜是由铜和锌组成的合金。与组成它的纯金属相比，合金具有更高的硬度、强度等机械性能外，有的还具有强磁性、耐蚀性等特殊的物理性能和化学性能。因此，工业上使用的金属材料绝大多数是合金。

二合金的相结构

1 固溶体当液态合金凝固后，组员之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶有其它元素原子的相，这种相称之为固溶体。固溶体中含量较多的元素叫溶剂，含量较少的元素叫溶质。固溶体的晶格与溶剂元素晶格相同。

2 固溶体的性能

（1）固溶体的强度和硬度较其溶剂金属的高。这是因为溶质原子的溶入，将使溶剂原子的晶格常数发生变化，晶格产生畸变，导致位错移动困难，塑性变形抗力增加，从而使溶剂的强度和硬度提高，这种现象称为固溶强化。

（2）当溶质浓度适当时，固溶体不仅具有较溶剂金属为高的强度和硬度，而且能保持良好的塑性和韧性。

（3）与纯金属相比，固溶体具有较高的电阻，而且电阻值与温度变化的关系不大。

3 金属化合物

金属化合物一般具有较复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。当它在合金中出现时，通常能提高合金的硬度、强度和耐磨性，但会降低塑性。金属化合物对金属的强化作用往往比固溶体强大，并随类型、数量、形态、大小和分布而改变。

它可使合金的组织和性能在很大范围内变动，这正是合金可以通过热处理改变其性能的原因之一。

三铁碳合金的基本组织

1 铁素体代号F 碳在Fe中的间隙固溶体。

2 奥氏体代号A 碳在Fe中的间隙固溶体。

3 渗碳体代号Fe

C 铁与碳的化合物。

3

4 珠光体代号P 共析转变形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。

5 莱氏体代号Ld 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的机械混合物。

四铁碳合金碳含量

1 工业纯铁＜0.0218％

2 钢 0.0218～2.11％

3 白口铸铁 2.11～6.69％

第三节马氏体型转变

重点：马氏体的形态、性能。

难点：马氏体的形成及结构

当奥氏体快速过冷到Ms点以下温度时，将发生马氏体转变，形成马氏体。这种操作在热处理上称之为淬火。马氏体是淬火钢的基本组织。钢件淬火可以大幅度地提高钢的强度、硬度，而降低塑性、韧性，这与淬火得到马氏体组织密切相关。

一马氏体的组织形态

1 板条马氏体主要在低碳钢、马氏体实效和不锈钢淬火组织中存在。板条马氏体的组织特征是以细长的条状马氏体作为组织单元。

2 片状马氏体片状马氏体的立体形态为双凸透镜状。在光镜下观察时，片状马氏体呈针状或竹叶状。相邻的马氏体片互不平行，而成一定角度（60℃或100℃）.马氏体片的尺寸相差悬殊。最先形成的马氏体片常横贯整个奥氏体晶粒，其尺寸较大。随后形成的马氏体片，只能在已被分割的奥氏体中形成，故尺寸较小