《金屬學(xué)》教學(xué)大綱

一、編制依據(jù)：“教學(xué)大綱”編寫參考提綱

二、本課程的性質(zhì)、地位與任務(wù)

金屬材料與工程專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課；使學(xué)生獲得有關(guān)金屬學(xué)，熱處理

基本理論、材料強(qiáng)化，宏觀力學(xué)性能和成分，微觀組織關(guān)系的知識(shí)；掌握常用鋼

鐵材料成分、組織、熱處理及主要用途；培養(yǎng)學(xué)以致用的能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)課

程打下良好基礎(chǔ)。

三、本課程與其他課程的相互關(guān)系

該課應(yīng)在學(xué)完金屬工藝學(xué)、力學(xué)、物理化學(xué)等課的基礎(chǔ)上進(jìn)行講授及學(xué)習(xí)。

學(xué)生在學(xué)習(xí)前，應(yīng)對(duì)鋼鐵廠的生產(chǎn)有初步認(rèn)識(shí)。本課程的目的在于為后繼有關(guān)專

業(yè)課程的學(xué)習(xí)及在今后有關(guān)專業(yè)工作中學(xué)習(xí)有關(guān)金屬學(xué)方面的基本概念、基本理

論及基本實(shí)驗(yàn)技能，以達(dá)到提高分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。

四、本課程的基本要求

通過(guò)課堂講授，習(xí)題課，課外作皿，實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)

生的自學(xué)能力，動(dòng)手能力，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。

五、課程講授內(nèi)容、重點(diǎn)、深度、廣度

第一章概論部分主要講述金屬學(xué)的研究對(duì)象，方法以及金屬組織結(jié)構(gòu)的基

本輪廓（晶粒、晶界、亞晶、晶體結(jié)構(gòu)）。重點(diǎn)掌握組織、結(jié)構(gòu)的概念。

第二章金屬和合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)。本章主要講述金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)

構(gòu)缺陷，是重點(diǎn)章之一，本章包括了金屬學(xué)中最基本的理論和概念，是學(xué)好該課

程的基礎(chǔ)。三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)及其基本性能，實(shí)際金屬晶體缺陷及其對(duì)性

能的影響為本章之重點(diǎn)。晶體結(jié)構(gòu)缺陷為本章之難點(diǎn)。掌握材料結(jié)構(gòu)的基本概念。

熟悉常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷及其對(duì)材料性能的影響。掌握固溶體與金屬

間化合物這兩種基本相結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別及性能特點(diǎn)；晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的標(biāo)

定。能定性說(shuō)明金屬鍵與金屬主要特性之間的關(guān)系，能區(qū)分晶體與非晶體、單晶

體與多晶體，能熟練地運(yùn)用三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)，建立多型性結(jié)

構(gòu)概念。

第三章金屬的結(jié)晶與組織，主要講述金屬結(jié)晶的基本規(guī)律，即形核和長(zhǎng)大

過(guò)程。本章的重點(diǎn)內(nèi)容是關(guān)于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)生核與長(zhǎng)大的基本概念，過(guò)冷度對(duì)

結(jié)晶過(guò)程的影響規(guī)律和獲得細(xì)晶粒金屬的方法等。難點(diǎn)是結(jié)晶機(jī)理。了解金屬材

料凝固的基本概念。掌握金屬結(jié)晶的基本過(guò)程和規(guī)律。認(rèn)識(shí)過(guò)冷度與結(jié)晶過(guò)程的

密切關(guān)系，掌握過(guò)冷度對(duì)結(jié)晶后所獲得組織的重要影響。熟悉通過(guò)結(jié)晶過(guò)程獲得

細(xì)晶粒金屬的主要途徑，并能應(yīng)用結(jié)晶過(guò)程基本理論說(shuō)明鑄錠組織的形成過(guò)程及

改變鑄錠組織的方法。

第四章二元合金相圖，本章是全書最重要的基礎(chǔ)理論部分之一，介紹相平衡

與相平衡圖的基本概念、相律；二元相圖的基本類型，杠桿應(yīng)律，相律在相圖中

的應(yīng)用；其重點(diǎn)是勻晶、共晶基本相圖，相圖與性能的關(guān)系。弄清楚組元、相、

組織、相組成物、組織組成物等基本概念；掌握勻晶、共晶相圖，并會(huì)分析典型

合金的結(jié)晶過(guò)程，會(huì)用杠桿定律，熟知相圖與性能的關(guān)系，為講述鐵碳相圖打下

基礎(chǔ)。

第五章金屬及合金中的擴(kuò)散，主要討論擴(kuò)散的宏觀定律，分析擴(kuò)散的微觀

機(jī)理，給出固態(tài)擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)際應(yīng)用。掌握擴(kuò)散的宏觀定律，理解擴(kuò)散的

微觀機(jī)理，知道擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)際應(yīng)用。

第六章金屬及合金的形變，講述單晶體金屬塑性變形的主要方式一滑移變

形的主要特點(diǎn)與本質(zhì)；滑移過(guò)程的位錯(cuò)機(jī)制；金屬在塑性變形后組織與性能的變

化規(guī)律、加工硬化。難點(diǎn)在于內(nèi)容較抽象，故在理解金屬滑移機(jī)理、加工硬化、

位錯(cuò)理論等時(shí)，應(yīng)注意把塑性變形的宏觀現(xiàn)象與微觀過(guò)程聯(lián)系起來(lái)加深認(rèn)識(shí)。掌

握金屬塑性變形的主要形式與機(jī)制；塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響;冷加工、

加工硬化的概念等。

第七章回復(fù)與再結(jié)晶，主要講述金屬或合金形變后在加熱過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)

及性能的變化，即回復(fù)，再結(jié)晶及再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程。難點(diǎn)是回復(fù)機(jī)理。

掌握變形金屬在加熱過(guò)程中微觀組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律，清楚回復(fù)及再結(jié)晶對(duì)

金屬組織與性能的影響，明確熱加工的概念。

第八章鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織，本章也是重點(diǎn)章之一。講述

Fe—Fe3c相圖和典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程。本章難點(diǎn)是組織和相的關(guān)系與區(qū)別，

初生相和次生相的異同；鐵碳相圖中包晶、共析轉(zhuǎn)變；杠桿定律的應(yīng)用等。掌握

鐵碳合金的基本相和組織，建立合金成分一組織一性能一用途之間的關(guān)系；能默

繪Fe—Fe3c相圖，掌握其點(diǎn)、線、區(qū)的物理意義等。牢固地掌握鐵碳相圖會(huì)分

析鐵碳合金緩冷過(guò)程中的組織變化，能應(yīng)用杠桿定律計(jì)算合金的組織組成物和褶

組成物的相對(duì)量。

第九章碳鋼主要講述碳鋼中主要的元素對(duì)組織性能的影響；非金屬夾雜

物的來(lái)源、分類及影響；碳鋼的分類及用途。掌握碳鋼中主要的元素對(duì)組織性能

的影響，熟悉碳鋼的分類及用途。

第十章鑄鐵介紹鑄鐵組織的形成，鑄鐵中的石墨化及影響因素，常用的

普通鑄鐵。重點(diǎn)是灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的組織、性能和應(yīng)用實(shí)例。難點(diǎn)是石墨化

過(guò)程對(duì)鑄鐵組織和性能的影響。理解鑄鐵石墨化的過(guò)程及對(duì)鑄鐵的組織和性能的

影響；熟悉各種鑄鐵的牌號(hào)、成分、組織與性能特點(diǎn)；熟記各類鑄鐵的主要用途。

第十一章鋼的熱處理原理和工藝，主要講述鋼的熱處理原理。本章的重點(diǎn)是鋼在

加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。特別是結(jié)合鐵碳相圖選擇鋼的加熱溫度、運(yùn)用C曲線

確定過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的組織和性能特征。難點(diǎn)是相變?cè)?。特別是淬火和回火過(guò)

程的組織轉(zhuǎn)變、淬透性的概念、組織形態(tài)等。掌握鋼的熱處理基本原理，結(jié)合C

曲線，分析過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。

六、課程設(shè)計(jì)或作業(yè)

本課程不含課程設(shè)計(jì)。

七、習(xí)題課或課堂討論

金屬學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的課程，概念很抽象，在鐵碳相圖一章后安排一次

習(xí)題課或課堂討論，使學(xué)生明白課程中極為重要的抽象的兩個(gè)概念相與組織的關(guān)

系與區(qū)別。在鋼的熱處理原理后安排一次課堂討論，使學(xué)生對(duì)基本理論不但掌握

而且要能運(yùn)用理論來(lái)解釋實(shí)用材料的有關(guān)問(wèn)題，以達(dá)到提高分析問(wèn)題及解決問(wèn)題

的能力。

八、習(xí)題

第一章概論部分安排1-2題，通過(guò)習(xí)題牢固掌握組織、結(jié)構(gòu)的概念。第二

章金屬和合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)安排16—18題，使學(xué)生熟悉常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)；掌

握固溶體與金屬間化合物這兩種基本相結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別及性能特點(diǎn)；能熟練地運(yùn)

用三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)，熟練地標(biāo)定晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。第三

章金屬的結(jié)晶與組織安排14—16題，掌握金屬結(jié)晶的基本過(guò)程和規(guī)律；掌握過(guò)

冷度對(duì)結(jié)晶后所獲得組織的重要影響。熟悉通過(guò)結(jié)晶過(guò)程獲得細(xì)晶粒金屬的主要

途徑，并能應(yīng)用結(jié)晶過(guò)程基本理論說(shuō)明鑄錠組織的形成過(guò)程及改變鑄錠組織的方

法。第四章二元合金相圖安排12—14題，使學(xué)生弄清楚組元、相、組織、相組

成物、組織組成物等基本概念；掌握勻晶、共晶相圖，并會(huì)分析典型合金的結(jié)晶

過(guò)程，會(huì)用杠桿定律。第五章金屬及合金中的擴(kuò)散安排5—6題，目的掌握擴(kuò)散

的宏觀定律，理解擴(kuò)散的微觀機(jī)理，知道擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)際應(yīng)用。第六章金

屬及合金的形變安排12—14題，使學(xué)生掌握金屬塑性變形的主要形式與機(jī)制；

塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響；冷加工、加工硬化的概等。第七章回復(fù)

與再結(jié)晶安排14—16題，目的是掌握變形金屬在加熱過(guò)程中微觀組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

的基本規(guī)律，清楚回復(fù)及再結(jié)晶對(duì)金屬組織與性能的影響，明確熱加工的概念。

第八章鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織安排12—14題，使學(xué)生掌握鐵碳合金

的基本相和組織，建立合金成分一組織一性能一用途之間的關(guān)系；會(huì)分析鐵碳合

金緩冷過(guò)程中的組織變化，能應(yīng)用杠桿定律計(jì)算合金的組織組成物和相組成物的

相對(duì)量。第九章碳鋼安排2—3題，目的是掌握碳鋼中主要的元素對(duì)組織性能的

影響，熟悉碳鋼的分類及用途。第十章鑄鐵后安排4—6題，理解鑄鐵石墨化的

過(guò)程及對(duì)鑄鐵的組織和性能的影響；熟悉各種鑄鐵的牌號(hào)、成分、組織與性能特

點(diǎn)。第十一章鋼的熱處理原理安排16-18題，掌握鋼的熱處理基本原理，結(jié)合

C曲線，分析過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能；鋼中常見組織的特征及金相形

態(tài)。

九、實(shí)驗(yàn)

本課程安排4次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一、金相樣品的制備和顯微組織的顯露

教學(xué)要求：

1、學(xué)習(xí)金相樣品制備及顯露顯微組織的方法，

2,建立顯微組織的概念，為講述第二章金屬和合金的結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)二、金相顯微鏡的使用及鐵碳合金平衡組織的觀察

教學(xué)要求：

1,觀察和識(shí)別鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織特征。

2、了解鐵碳合金成分（含碳量）對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響，從而加深理解成分、

組織、性能之間的相互關(guān)系。

3、熟悉金相顯微鏡的使用。

實(shí)驗(yàn)三、金屬鑄錠組織的觀察

教學(xué)要求：

1、觀察金屬鑄錠的三個(gè)晶區(qū)的形態(tài)。

2、分析澆注條件（鋼錠模的厚薄、錠模的材料，錠模的溫度，液體金屬的過(guò)熱

度）對(duì)三個(gè)晶區(qū)的影響。

實(shí)驗(yàn)四、碳鋼熱處理后的顯微組織的觀察

教學(xué)要求：

1、觀察碳鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織。

2,了解熱處理工藝對(duì)鋼組織和性能的影響。

3、熟悉碳鋼幾種典型熱處理組織（M、T、S、M回，T回、S回等）的形態(tài)及特征。

十、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)或?qū)嵙?xí)內(nèi)容

本課程不安排現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)或?qū)嵙?xí)。

H—、學(xué)時(shí)分配

第一章概論1學(xué)時(shí)

§1-1金屬材料的一般特性

§1-2決定金屬材料性能的基本因素

§1-3金屬學(xué)的研究對(duì)象、方法和目的

第二章金屬和合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)16學(xué)時(shí)

§2—1金屬與合金

§2-2金屬的典型結(jié)構(gòu)模型

§2-3晶體學(xué)簡(jiǎn)介

§2—4金屬和合金中原子間的結(jié)合

§2-5合金的晶體結(jié)構(gòu)類型

§2-6固溶體

§2-7結(jié)構(gòu)缺陷

第三章金屬的結(jié)晶與組織7學(xué)時(shí)

§3-1金屬結(jié)晶的現(xiàn)象

§3-2金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件

§3-3金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件

§3-4晶核的形成

§3-5晶核長(zhǎng)大

§3-6金屬鑄錠的組織與缺陷

第四章二元合金相圖10學(xué)時(shí)

§4-1二元合金相圖的建立

§4-2勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶

§4-3共晶相圖及其合金的結(jié)晶

§4-4包晶相圖及其合金的結(jié)晶

§4-5其它類型的二元合金相圖

§4-6二元相圖的分析和使用

第五章金屬及合金中的擴(kuò)散8學(xué)時(shí)

§5-1概述

§5-2擴(kuò)散定律

§5-3影響擴(kuò)散的因素

第六章金屬及合金的形變10學(xué)時(shí)

§6-1金屬的變形特性

§6-2單晶體的塑性變形

§6-3多晶體的塑性變形

§6-4合金的塑性變形

§6-5塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

第七章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶8學(xué)時(shí)

§7-1形變金屬與合金在退火過(guò)程中的變化

§7-2回復(fù)

§7-3再結(jié)晶

§7-4晶粒長(zhǎng)大

§7-5金屬的熱加工

第八章鐵碳相鹵和鐵碳合金緩冷后的組織6學(xué)時(shí)

§8-1鐵碳合金的組元及基本相

§8-2Fe-Fe3c相圖分析

§8-3鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織

§8-4含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響

課堂討論1學(xué)時(shí)

第九章碳鋼2學(xué)時(shí)

§9-1碳和雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼顯微組織和性能的影響

§9-2鋼中的非金屬夾雜物

§9-3碳鋼的分類和用途

第十章鑄鐵3學(xué)時(shí)

§10-1概述

§10-2灰口鑄鐵

§10-3可鍛鑄鐵

§10-4球墨鑄鐵

第十一章鋼的熱處理原理和工藝7學(xué)時(shí)

§11-1概述

§H-2鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

§11-3鋼冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

§H-4回火轉(zhuǎn)變及性能

§H-5鋼的退火

§11-6鋼的正火

§11-7鋼的淬火

§H-8鋼的回火

課堂討論1學(xué)時(shí)

概論

一、金屬材料

1.定義：凡由金屬元素或以金屬元素為主而形成的，并具有一般金屬特性的材料

稱為金屬材料。

2純金屬與合金

純5屬：基本上由一種金屬元素組成的材料或物質(zhì)。

雜質(zhì)：無(wú)益的、偶爾混入的或難于凈除而存留下來(lái)的元素。（合金也含）

合金：將兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它

方法形成具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。

合金元素：有益的、有意的加入或存留在某一金屬材料中的一定數(shù)量的元素。

二、金屬材料的一般性能

1.工藝性能：在冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能，在于能不能保證生產(chǎn)和制作

的問(wèn)題。如鑄造性、鍛造性、焊接性、沖壓性能、切削性及熱處理性能等。

2.使用性能：在使用條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能，在于保證能不能應(yīng)用的問(wèn)題。

（1）機(jī)械性能：材料受不同外力時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的特性，叫材料的力學(xué)性能又稱

機(jī)械性能。

（2）物理性能：包括密度、熔點(diǎn)、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電磁性等。

（3）化學(xué)性能：主要指常溫或高溫下工作時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力。

三、決定金屬材料性能的一般因素

包括成分、組織、結(jié)構(gòu)。

L成分：組成金屬材料的成分不同，性能不同；

2.組織：指用肉眼或借助于各種不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬材料的內(nèi)

部情景，如晶粒的大小、形狀、種類以及各種晶粒之間的相對(duì)數(shù)量和相對(duì)分布。

a）組織的分類：根據(jù)放大倍數(shù)的不同將組織分為三類：

低倍組織或宏觀組織：用肉眼或幾十倍的放大鏡所觀察到的組織。

高倍組織或顯微組織：用放大100—2000倍的顯微鏡所觀察到的組織。

電鏡顯微組織或精細(xì)組織：用放大幾千倍到幾十萬(wàn)倍電子顯微鏡所觀察到的組

織。

具有等軸晶區(qū)和沒(méi)有等軸晶區(qū)的鑄錠低倍組織

珠光體在不同放大倍數(shù)F的組織

b）有關(guān)組織的幾個(gè)基本概念

晶粒：組織的基本組成單位。

晶界：晶粒之間的界面。

亞晶粒：晶粒中的晶粒。

亞晶界：亞晶粒之間的界面。

3.結(jié)構(gòu)：指原子集合體中各原子的具體組合狀態(tài)。

金剛石與石墨的結(jié)構(gòu)

對(duì)組織結(jié)構(gòu)不敏感的性能：當(dāng)化學(xué)成分給定時(shí)，金屬材料的某些性能對(duì)結(jié)構(gòu)的變

化，特別是對(duì)組織的變化很不敏感，以致從應(yīng)用角度，可忽略不記，這類性能為

對(duì)組織結(jié)構(gòu)不敏感性能。如密度、彈性摸量、熔點(diǎn)、比熱、電阻等。

對(duì)組織結(jié)構(gòu)敏感的性能：如機(jī)械性能。

四、金屬學(xué)的研究對(duì)象、方法和目的

L研究對(duì)象:金屬學(xué)是關(guān)于金屬材料的科學(xué)，中心內(nèi)容是研究金屬和合金的成分、

結(jié)構(gòu)、組織和性能，以及它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。

2.方法：可分為實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：分析成分、測(cè)定結(jié)構(gòu)、觀察和鑒別組織。測(cè)試性能以及從動(dòng)力學(xué)方面

分析結(jié)構(gòu)和組織的形成和變化。

理論研究：熱力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)以及電子理論在金屬學(xué)中的應(yīng)用。

熱力學(xué)分析法：用于研究合金系中相的形成和相平衡的條件以及條件變化時(shí)相變

的方向、限度和驅(qū)動(dòng)力。

分子動(dòng)力學(xué)分析法：用于研究金屬和合金中各種轉(zhuǎn)變過(guò)程中的速度和機(jī)理方面的

問(wèn)題。

電子理論：可使有關(guān)結(jié)構(gòu)和性能方面的研究更深化一步。

3.目的：利用成分、結(jié)構(gòu)、組織和性能之間關(guān)系和規(guī)律來(lái)指導(dǎo)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)

踐，以便更充分有效地發(fā)揮現(xiàn)有金屬材料的潛力，并進(jìn)而創(chuàng)制新的金屬材料

五、小結(jié)

一、金屬材料的定義

二、金屬材料的一般性能掌握機(jī)械性能

三、決定金屬材料性能的一般因素

掌握組織、結(jié)構(gòu)

四、金屬學(xué)的研究對(duì)象、方法和目的

第二章：金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)

一、復(fù)習(xí)思考題二、習(xí)題

一、復(fù)習(xí)思考題

1.概念：晶胞、單晶體、多晶體、晶粒、刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、固溶體、金屬間化合物

2.空間點(diǎn)陣與晶體點(diǎn)陣有何區(qū)別？試舉例說(shuō)明。

3.晶體中的位錯(cuò)屬于哪種缺陷？

4.在體心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分別是什么？在面心立方晶格中原子密度

最大的晶面和晶向分別是什么？

5.晶體與非晶體最根本的區(qū)別是什么？

6.晶體中的缺陷類型有哪幾種？舉例說(shuō)明。

7.已知面心立方晶格的晶格常數(shù)為a,試求出(100)、(110)和(111)晶面的面間距，并

指出面間距最大的晶面。

8.體心立方晶格的晶格常數(shù)為a,試求出(100).(110)和(111)晶面的面間距，并指出

面間距最大的面。

9.在晶體中有一平面環(huán)狀位錯(cuò)線，請(qǐng)問(wèn)此位錯(cuò)環(huán)能否各部分都是刃型位錯(cuò)？或各部分都是

螺型位錯(cuò)？為什么？

10.在一個(gè)簡(jiǎn)單立方的二維晶體中，畫出一個(gè)正刃型位錯(cuò)和一個(gè)負(fù)刃型位錯(cuò)，并

(1)用柏氏回路求出正、負(fù)刃型位錯(cuò)的柏氏矢量；

(2)若將正、負(fù)刃型位錯(cuò)反向時(shí)，其柏氏矢量是否也隨之反向；

(3)具體寫出該柏氏矢量的大小和方向；

(4)求出此兩位錯(cuò)的柏氏矢量和。

二、習(xí)題

1.說(shuō)明間隙固溶體和間隙化合物的異同點(diǎn)。

2.常見的金屬化合物有哪兒類？它們各有何特點(diǎn)？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等

是哪種類型的化合物？

3.碳可以溶入鐵中而形成間隙固溶體，試分析是a-Fe還是Y-Fe能溶入較多的碳，為什么？

4.作圖表示出立方晶系的(123)、(112)、(421)晶面和［210］、［111］、［346］晶向。

5.試計(jì)算體心立方晶格的｛100｝、｛110｝、｛111｝晶面的原子面密度和vl00>、<110>><111>

晶向的原子線密度，并指出其中最密面和最密方向。

6.固溶體和化合物在結(jié)構(gòu)、性能方面有什么差異？

7.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排列和晶格常數(shù)各有什么特點(diǎn)？a-Fe、Y

-Fe,AkCu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？

8.已知a-Fe的晶格常數(shù)a=2.87X10-l0m,Y-Fe的晶格常數(shù)a=3.64X10lom,試求出a-Fe

和Y-Fe的原子半徑和致密度。

9.在立方晶系的一個(gè)晶胞中畫出(111)和(112)晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。

10.求下列晶面的晶面間距，并指出晶面間距最大的晶面：

(1)已知室溫下a-Fe的點(diǎn)陣常數(shù)為0.286nm,分別求出(100),(110),(123)

的晶面間距。

(2)已知916℃時(shí)y-Fe的點(diǎn)陣常數(shù)為0.365nm,分別求出(100),(111),

(112)的晶面間距。

三、基本概念

組織，相，位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)，金屬鍵，固溶體，金屬化合物，晶

胞，空間點(diǎn)陣，配位數(shù)，晶帶，晶格，界面能，表面能

第三章純金屬的結(jié)晶

一、復(fù)習(xí)思考題

指出下列各題錯(cuò)誤之處，并更正

1.在任何溫度下，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶胚

2.在任何過(guò)冷度下，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶核。

3.所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補(bǔ)償表面自由能增加時(shí)的晶胚大小。

4.在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能成核，但是只要有足夠的能

量起伏提供形核功，還是可以成核。

5.為生產(chǎn)一批厚薄懸殊的砂型鑄件，且要求均勻的晶粒度，則只要在工藝上采取加形核劑

就可以滿足。

6.非均勻成核總是比均勻成核容易，因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為結(jié)晶核心，不像后者那樣形

成界面，而引起自由能的增加。

7.在研究某金屬細(xì)化晶粒工藝時(shí)，主要尋找那些熔點(diǎn)低，且與該金屬晶格常數(shù)相近的形核

劑，其形核的催化效能最高。

8.純金屬生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一個(gè)一個(gè)地沿著固相面

的垂直方向連接上去。

9.無(wú)論溫度分布如何，常用純金屬生長(zhǎng)都是呈樹枝狀界面。

10.人們是無(wú)法觀察到極純金屬的樹枝狀生長(zhǎng)過(guò)程,所以樹枝狀的生長(zhǎng)形態(tài)僅僅是一種推理。

11.純金屬結(jié)晶呈垂直方式生長(zhǎng)時(shí)，其界面時(shí)而光滑，時(shí)而粗糙，交替生長(zhǎng)。

12.從宏觀上觀察，若液/固界面是平直的稱為光滑界面結(jié)構(gòu)，若是呈金屬鋸齒形的稱為粗

糙界面結(jié)構(gòu)。

13.實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí).，形核率隨著過(guò)冷度的增加而增加，超過(guò)某一值后，出現(xiàn)相反的變化。

14.純金屬在結(jié)晶時(shí).，晶體長(zhǎng)大所需要的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度有時(shí)還比形核所需要的臨界過(guò)冷度大。

二、習(xí)題

1.試比較過(guò)冷度、動(dòng)態(tài)過(guò)冷度及臨界過(guò)冷度的區(qū)別。

2.分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。

3.什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過(guò)冷度的定量關(guān)系如何？

4.試分析單晶體形成的基本條件。

5.已知銅的熔點(diǎn)為1083℃,結(jié)晶潛熱為1.88X109J/m3,液固界面的界面能。為0.144J/m2。

試計(jì)算銅在853℃凝固時(shí)（均勻形核）的臨界晶核半徑？并計(jì)算臨界晶核中有多少個(gè)銅原

子？

6.在液態(tài)中形成一個(gè)半徑為r的球形晶核時(shí)，證明臨界形核功AG-與臨界晶核體積V間的

關(guān)系為AG后V/2AG,

7.簡(jiǎn)述純金屬晶體長(zhǎng)大的機(jī)制及〕書與固/液界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系o

8.設(shè)液體結(jié)晶時(shí)，形成邊長(zhǎng)為a的立方體晶核。已知均勻形核的單位固液界面能。和固液?jiǎn)?/p>

位體積自由能差推導(dǎo)出臨界晶核邊長(zhǎng)a”和臨界晶核形成功AG*。

9.從能量的角度，分析指出結(jié)晶過(guò)程的阻力是什么？動(dòng)力是什么？

10.簡(jiǎn)述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)。

三、討論題

今欲獲得全部為細(xì)等軸晶粒的鑄件，你知道有哪些方法？并請(qǐng)說(shuō)出各種方法的基本原理。

第四章二元合金的結(jié)晶及相圖

一、復(fù)習(xí)思考題

指出下列各題錯(cuò)誤之處，并更正。

1.固溶體晶粒內(nèi)的枝晶偏析，由于主軸與枝間的成分不同，所以整個(gè)晶粒不是

?個(gè)相。

2.固溶體合金無(wú)論平衡或非平衡結(jié)晶過(guò)程中，液/固界面上液相成分沿著液相平

均成分線變化；固相成分沿著固相平均成分線變化。

3.根據(jù)相律計(jì)算，在勻晶相圖中的兩相區(qū)內(nèi)，其自由度為2,即溫度與成分都

可以獨(dú)立改變。

4.在共晶線上利用杠桿定律可以計(jì)算出共晶體的重量百分?jǐn)?shù)，而共晶線屬于三

相區(qū)，所以杠桿定律不僅適用于兩相區(qū)，也適用于三相區(qū)。

5.任何合金在不平衡結(jié)晶時(shí)，總是先結(jié)晶的固溶體晶軸含高熔點(diǎn)組元較多，而

后結(jié)晶的固溶體枝間含低熔點(diǎn)組元較多。

6.固溶體核長(zhǎng)大的過(guò)程，就是液相與固相內(nèi)出現(xiàn)“平衡——不平衡——平衡一

不平衡……”的反復(fù)發(fā)展過(guò)程。

7.當(dāng)固溶體合金液相快速冷卻至液、固兩相區(qū)內(nèi)某一溫度，并保持一定的時(shí)間

后，再緩慢冷至室溫，仍可以獲得平衡狀態(tài)的組織。

8.固溶體合金圓棒順序結(jié)晶過(guò)程中，液/固界面推進(jìn)的速度越快，則棒中宏觀偏

析越嚴(yán)重。

9.平均分配系數(shù)取決于液相線與固相線的水平距離。因此，合金的成分越靠近

勻晶相圖的兩端，就越小。

10.將固溶體合金棒反復(fù)多次“熔化一凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可

以有效地提純金屬。

11.厚薄不均勻的Ni-Cu合金鑄件，結(jié)晶后薄處易形成樹枝狀組織，而厚處易形

成胞狀組織。

12.亞共晶合金的典型平衡組織為初生相+共晶相。

13.在不平衡結(jié)晶條件下，靠近共晶線端點(diǎn)內(nèi)側(cè)的合金比外側(cè)的合金易于形成離

異共晶組織。

14.具有包晶轉(zhuǎn)變的合金，室溫的相組成物為a+B,其中B相均是包晶轉(zhuǎn)變

產(chǎn)物。

15.具有包晶轉(zhuǎn)變合金的室溫組織中，不平衡結(jié)晶狀態(tài)比平衡結(jié)晶狀態(tài)的初生相

總是偏多。

16.純金屬和固溶體的鑄態(tài)組織一樣，都具有等軸晶粒。

二、習(xí)題

1.試比較共晶轉(zhuǎn)變、包晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變與勻晶轉(zhuǎn)變的異同。

2.在正溫度梯度卜，為什么純金屬凝固時(shí)不能成樹枝狀成長(zhǎng)，而固溶體合金卻

能成樹枝狀成長(zhǎng)？

3.有兩個(gè)形狀、尺寸均相同的Cu-Ni合金鑄件，其中一個(gè)鑄件的含鎰量隊(duì)=90篩

另一個(gè)鑄件的％產(chǎn)50%鑄件自然冷卻。問(wèn)凝固后哪一個(gè)鑄件的偏析嚴(yán)重？為什

么？找出消除偏析的措施。

4.何謂成分過(guò)冷？成分過(guò)冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織有何影

響？

三、討論題

1.由于實(shí)際操作中金屬液體的凝固往往很難保證按平衡凝固進(jìn)行，那么，對(duì)于分

別具有勻晶、共晶、包晶相圖的非平衡凝固過(guò)程是如何進(jìn)行的？你認(rèn)為可能會(huì)出

現(xiàn)哪些缺陷？如何防止或克服這些缺陷？

第五章鐵碳相圖及鐵碳合金的結(jié)晶

一、復(fù)習(xí)思考題

指出下列各題錯(cuò)誤之處，并更正：

1.鐵素體與奧氏體的根本區(qū)別在于溶碳量不同，前者少而后者多。

2.727℃是鐵素體與奧氏體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。

3.Fe-Fe3c相圖上的G點(diǎn)是a相與丫相的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。

4.在平衡結(jié)晶條件下，無(wú)論何種成分的碳鋼所形成的奧氏體都是包晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

5.在Fe-Fe3c系合金中，只有過(guò)共析鋼的平衡結(jié)晶組織中才有二次滲碳體存在。

6.在Fe-Fe3c系合金中，只有含碳量低于0.0218%的合金，平衡結(jié)晶的組織中

才有三次滲碳體存在。

7.Fe-Fe3c相圖中的GS線也是碳在奧氏體中的溶解度曲線。

8.凡是碳鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程都具有共析轉(zhuǎn)變，而沒(méi)有共晶轉(zhuǎn)變；相反，對(duì)于鑄

鐵則只有共晶轉(zhuǎn)變而沒(méi)有共析轉(zhuǎn)變。

9.無(wú)論何種成分的碳鋼，隨著含碳量的增加，組織中鐵素體相對(duì)量減少，而珠

光體相對(duì)量不斷增加。

10.在含碳4.3%共晶白口鑄鐵的顯微組織中，白色的基體為Fe3C,其中包括Fe3c

I、Fe3CH、Fe3CIILFe3c共析及Fe3c共晶。

11.圖4-1(a)為過(guò)共析鋼苦味酸鈉浸蝕后的組織，白色為奧氏體晶粒，黑白

網(wǎng)狀晶界為二次滲碳體。

12.圖4T(b)組織為珠光體+鐵素體，從圖中定量關(guān)系可以看出，該鋼屬于60

鋼(含0.6灰)o

13.圖4T(c)為含0.77%C的珠光體組織，圖中顯示滲碳體片密集程度不同，

凡是片層密集處則含碳量偏多，而疏稀處則含碳量偏少。

14.圖4-1(d)為亞共晶白口鑄鐵的室溫組織，其中呈樹枝狀分布的組織為珠

光體，而萊氏體中小黑塊為奧氏體。

15.在觀察亞共晶白口鑄鐵組織時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大塊珠光體周圍的萊氏體中(如圖

4-29(d)白色部分)含碳量偏高。

二、習(xí)題

1.作含碳0.2%鋼的冷卻曲線，繪制1496℃、1494℃、912℃、750℃、725℃及

20℃下的組織示意圖。

2.厚20mm的共析鋼板在強(qiáng)脫碳性氣體中加熱至930C和780c兩種溫度，并長(zhǎng)

時(shí)間保溫，然后緩慢冷至室溫，試畫出鋼板從表面至心部的組織示意圖，并解釋

之。

3.試說(shuō)明鐵碳合金平衡組織中各類滲碳體的形成條件、存在形式與顯微組織特

征。

4.試?yán)美鋮s曲線分析含碳量0.3%亞共析鋼平衡組織的形成過(guò)程。若已知亞共

析組織中先共析鐵素體含量為90%,試確定該鋼的大致含碳量。

5.試分析在一個(gè)含碳量2.0%的鐵碳合金試樣組織中出現(xiàn)少量萊氏體的原因。

6.(1)畫出鐵碳相圖，標(biāo)出各區(qū)的組織組成物；

(2)分析20號(hào)、45號(hào)、T12、共析鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫組織，并畫出室溫平

衡組織示意圖，標(biāo)出各組織組成物；

(3)根據(jù)杠桿定律，計(jì)算各組織組成物的相對(duì)重量。

三、討論題

冷卻速度對(duì)合金組織有著重要的影響，今要使鋼：①晶粒得到細(xì)化；②產(chǎn)生良好

的時(shí)效強(qiáng)化效果。請(qǐng)問(wèn)從冷卻速度方面，你能想到什么辦法來(lái)達(dá)到以上目的？

四、概念

a-Fe、鐵素體、珠光體、奧氏體、金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、極化鍵、位錯(cuò)、

過(guò)冷度、相律

期中測(cè)驗(yàn)

一、解釋名詞

a-Fe、鐵素體、珠光體、奧氏體

二、填空題

1.一塊純鐵在912c發(fā)生a-Fe-Y-Fe轉(zhuǎn)變時(shí)，體積將。

2.F的晶體結(jié)構(gòu)為；A的晶體結(jié)構(gòu)為o

3.共析成分的鐵碳合金室溫平衡組織是，其組成相

是o

4.用顯微鏡觀察某亞共析鋼，若估算其中的珠光體含量為80%,則此鋼的碳含量

為O

三、是非題

1.鐵素體的本質(zhì)是碳在a-Fe中的間隙相。

1.20鋼比T12鋼的碳含量要高。

2.Fe3a與Fe3c”的形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)均不相同。

3.在退火狀態(tài)(接近平衡組織)，45鋼比20鋼的硬度和強(qiáng)度都高。

4.在鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程中，只有成分為4.3%C的鐵碳合金才能發(fā)生共晶反

應(yīng)。

四、選擇正確答案

1.奧氏體是：a.碳在Y-Fe中的間隙固溶體；b.碳在a-Fe中的間隙固溶體；c.碳

在a-Fe中的有限固溶體。

2.珠光體是一種：a.單相固溶體；b.兩相混合物；c.Fe與C的化合物。

3.T10鋼的含碳量為:a.0.10%；b.1.0%；c.10%。

4.鐵素體的機(jī)械性能特點(diǎn)是：a.強(qiáng)度高、塑性好、硬度低；b.強(qiáng)度低、塑性差、

硬度低；c.強(qiáng)度低、塑性好、硬度低。

五、綜合題

(1)畫出鐵碳相圖，標(biāo)出各區(qū)的組織組成物；

(2)分析20號(hào)、45號(hào)、T12、共析鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫組織，并畫出室溫平

衡組織示意圖，標(biāo)出各組織組成物；

(3)根據(jù)杠桿定律，計(jì)算各組織組成物的相對(duì)重量。

第七、八章金屬的塑性變形及回復(fù)與再結(jié)晶

一、概念

滑移，滑移系，彈性變形，塑性變形，加工硬化，回復(fù)，再結(jié)晶，熱加工，再結(jié)

晶溫度，二次再結(jié)晶

二、簡(jiǎn)述題

1.在再結(jié)晶核心的長(zhǎng)大和再結(jié)晶后的晶粒正常長(zhǎng)大過(guò)程中，晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力

各是什么？晶界移動(dòng)的方向各有什么不同？

2.分別指出金屬的冷變形量、再結(jié)晶溫度及金屬原始晶粒尺寸對(duì)金屬再結(jié)晶后

的晶粒大小有何影響，并說(shuō)明產(chǎn)生這種影響的原因。（P209）

①當(dāng)變形量很小時(shí)，金屬材料的晶粒仍保持原狀，這是由于變形量小，畸變能很

小，不足以引起再結(jié)晶，所以晶粒大小沒(méi)有變化；（2分）

②當(dāng)變形量達(dá)到某一數(shù)值（一般金屬均在2-10%范圍內(nèi)）時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒變

得特別粗大；2分）

③當(dāng)變形超過(guò)臨界變形量后，則晶粒逐漸細(xì)化，變形量越大，晶粒越細(xì)小。（

3.畫圖并敘述形變過(guò)程中位錯(cuò)的增殖機(jī)制。

4.簡(jiǎn)述形變金屬在退火過(guò)程中顯微組織、儲(chǔ)存能及力學(xué)性能的變化。

5.說(shuō)明使多晶體晶粒細(xì)化能使材料的強(qiáng)度提高、塑性增加的原因。

6.什么是形變織構(gòu)？什么是再結(jié)晶織構(gòu)？（p213）

7.冷變形金屬加熱發(fā)生低溫回復(fù)、中溫和高溫回復(fù)時(shí)晶體內(nèi)部發(fā)生了什么變

化？

8.與單晶體的塑性變形相比較，說(shuō)明多晶體塑性變形的特點(diǎn)。

工程上使用的金屬絕大部分是多晶體.。多晶體中每個(gè)晶粒的變形基本方式與單

晶體相同。但由于多晶體材料中，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，因此變

形要復(fù)雜得多。

1.多晶體中，由于晶界上原子排列不很規(guī)則，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使變形抗力增

大。金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度就越大。

2.多晶體中每個(gè)晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大

切應(yīng)力方向（稱晶粒處于軟位向），另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)

力方向相差較大（稱晶粒處于硬位向）。在發(fā)生滑移時(shí)，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位

錯(cuò)在晶界受阻逐漸堆積時(shí)，其它晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時(shí)晶粒分批地逐

步地變形，變形分散在材料各處。晶粒越細(xì)，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集

中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使

金屬的塑性提高。由于細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度較高，塑性較好，所以斷裂時(shí)需要消

耗較大的功，因而韌性也較好。因此細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。

第九章固態(tài)相變

1.什么是相、相變和相圖？

2.簡(jiǎn)述相變的幾種分類方法和種類。

3.試述如何通過(guò)相變改變鋼鐵材料的性能。

4.簡(jiǎn)述固態(tài)相變的主要特征。

5.固態(tài)相變的阻力是哪幾項(xiàng)？

6.金屬固態(tài)相變有哪些主要特征。

7.什么叫固溶體的脫溶？說(shuō)明連續(xù)脫溶和不連續(xù)脫溶在脫溶過(guò)程中母相成分變

化的特點(diǎn)。

8.試說(shuō)明臨界點(diǎn)Ai、A3、Acm與加熱、冷卻過(guò)程中的臨界點(diǎn)之間有何關(guān)系？

第十章熱處理

1.試分析影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素。

2.試說(shuō)明臨界點(diǎn)A】、A3、Acm與加熱、冷卻過(guò)程中的臨界點(diǎn)之間有何關(guān)系？

3.分析影響珠光體轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)因素。

4.試分析粒狀珠光體的形成條件及形成機(jī)制。

5.試述馬氏體相變的主要特征及馬氏體相變的判據(jù)。

6.試述馬氏體具有高強(qiáng)度和高硬度的原因？

7.何謂晶粒，晶粒為什么長(zhǎng)大，細(xì)化奧氏體晶粒的措施有哪些？

8.分析A"Cu合金的時(shí)效過(guò)程，并寫出析出貫序。

9.試分析鋼在連續(xù)加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。

10.試分析奧氏體晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力及晶界阻力。

11.試述鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)和形貌。

第三章純金屬的結(jié)晶

本章簡(jiǎn)介

金屬和合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。通過(guò)凝固而形成晶體的的

過(guò)程稱為結(jié)晶。所有通過(guò)冶煉和鑄造而制得的金屬材料都必經(jīng)歷此重要生產(chǎn)過(guò)

程，這個(gè)過(guò)程決定了金屬和合金的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)、組織和性能。因此，對(duì)于鑄件來(lái)說(shuō)，

也就基本上決定了它的使用壽命和使用性能；而對(duì)于還需要進(jìn)一步加工的鑄錠來(lái)

說(shuō)，既直接影響它的軋制和鍛壓工藝性能，又間接影響到后步工序所要求的工藝

性能，并且在很大程度上還會(huì)影響到制成品的使用性能。

從生產(chǎn)流程著眼，這一章主要討論鑄造結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)，特別是組織的形成和變

化規(guī)律以及和性能之間的聯(lián)系，以作為分析和解決鑄造生產(chǎn)中有關(guān)質(zhì)量問(wèn)題的理

論基礎(chǔ)。而鑄造質(zhì)量又在一定程度上取決于冶煉質(zhì)量并決定著鍛壓質(zhì)量，是影響

冶金質(zhì)量的重要因素。

從學(xué)科本身來(lái)看，這一章是金屬學(xué)中關(guān)于相變的主要內(nèi)容之一，它既是直接

闡述結(jié)晶過(guò)程的基本規(guī)律，又是為其它相變和組織轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

第一節(jié)液體金屬結(jié)構(gòu)

液體金屬的結(jié)構(gòu)

比較固體與液體的有關(guān)數(shù)據(jù)可知：

(1)液體中原子之間的平均距離比固體中略大。

(2)液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)晶體的配位數(shù)小，通常在811的范圍

內(nèi)，故熔化時(shí)體積略微膨脹，但對(duì)非密排結(jié)構(gòu)的晶體如：Sb,Bi,Ga,Ge等，

則液態(tài)時(shí)配位數(shù)反而增大，故熔化時(shí)體積略為收縮，如表6T所示。

(3)液態(tài)中原子排列混亂度增加。

依據(jù)以上特性提出液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的概念，認(rèn)為液態(tài)金屬的原子不是完全無(wú)序、混

亂的分布，而是在微小區(qū)域內(nèi)存在著有序、規(guī)則的排列。

在圖2-1中示意地說(shuō)明了晶體和液相的原子排列模型。

在液體金屬中，原子排列不像在氣體中那樣的無(wú)次序，但是，它們也不具有

固體晶體規(guī)則排列的特征。在晶體中，原子保持固定的間距，并在長(zhǎng)距離范圍呈

規(guī)則排列(長(zhǎng)程有序)。圖2-1是晶體原子排列模型的示意圖。

在液體金屬中僅能看到所謂的短程有序，原子只在很短的距離內(nèi)保持著有序

的排列。由于原子的強(qiáng)烈熱運(yùn)動(dòng)短程有序在動(dòng)力學(xué)上是不穩(wěn)定的。圖2-1是液體

原子排列模型的示意圖。

圖2—2液體金屬中原子呈

短程有序排列

短程有序的不穩(wěn)定表現(xiàn)為：在一定時(shí)間內(nèi)液體中可能出現(xiàn)一些原子呈規(guī)則排

列的微體積。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，它們就消散。同時(shí)，在液體的另外一些微體積

中又會(huì)形成原子的規(guī)則排列。這一過(guò)程可以不斷重復(fù)進(jìn)行。隨著溫度的下降，短

程有序的程度和微觀體積的尺寸增大。

因此，液態(tài)金屬是由近程有序排列的原子集團(tuán)所組成。這些原子集團(tuán)是不穩(wěn)

定的，瞬時(shí)形成，瞬時(shí)消失，時(shí)聚時(shí)散，與系統(tǒng)的能量起伏相對(duì)應(yīng)。這些原子集

團(tuán)的尺寸也是不同的，形成結(jié)構(gòu)起伏。

由液體金屬的結(jié)構(gòu)說(shuō)明，結(jié)晶過(guò)程實(shí)質(zhì)上是由不穩(wěn)定的具有近程有序排列原

子集團(tuán)的液體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的長(zhǎng)程(遠(yuǎn)程)有序結(jié)構(gòu)的晶體.

第二節(jié)凝固的基本類型及特征

一、凝固的基本類型

結(jié)晶既是物質(zhì)狀態(tài)和相的轉(zhuǎn)變，不言而喻，在結(jié)晶過(guò)程中，必然要發(fā)生結(jié)構(gòu)

的變化，但對(duì)合金來(lái)說(shuō)，同時(shí)還會(huì)發(fā)生化學(xué)成分的變化。根據(jù)這一特點(diǎn)可將凝固

分為兩類：

（1）同分凝固其特點(diǎn)是結(jié)晶出的晶體和母液的化學(xué)成分完全一樣，或者

說(shuō)，在結(jié)晶過(guò)程中只發(fā)生結(jié)構(gòu)的改組而無(wú)化學(xué)成分的變化。純金屬以及成分恰處

于相圖中液相線（或液相面）的最高點(diǎn)或最低的那些合金（包括固溶體和化合物），

及固、液線（或面）重合為一點(diǎn)的合金其結(jié)晶都屬于這一類。

（2）異分凝固其特點(diǎn)是結(jié)晶出的晶體和母液的化學(xué)成分不一樣，或者說(shuō),

在結(jié)晶過(guò)程中，成分和結(jié)構(gòu)同時(shí)都發(fā)生變化，也稱選分結(jié)晶。絕大部分合金，特

別是實(shí)際應(yīng)用合金的結(jié)晶，大多可歸于這一類。這一類結(jié)晶過(guò)程較復(fù)雜，但與實(shí)

際生產(chǎn)關(guān)系甚大。

此外，也可以根據(jù)結(jié)晶后的組織特點(diǎn)，而將結(jié)晶分為以下兩類：

（1）勻晶凝固其特點(diǎn)是結(jié)晶過(guò)程中只產(chǎn)生一種晶粒，結(jié)晶后的組織由單

一的均勻晶粒所組成，即得到單相組織。同分凝固的金屬和合金屬于這一類，但

不少異分結(jié)晶的合金，例如固溶體合金系的結(jié)晶，或只有邊際固溶體的合金其結(jié)

晶也屬于這一類。

（2）非勻晶凝固其特點(diǎn)是結(jié)晶時(shí)由液體中同時(shí)或先后形成兩種或兩種以

上的成分和結(jié)構(gòu)都不相同的晶粒。各種共晶合金系和包晶合金系中絕大部分和金

的結(jié)晶屬于這一類。鑄態(tài)合金的復(fù)相組織大多由此而形成。

二、凝固過(guò)程的宏觀特征

實(shí)驗(yàn)表明，凝固過(guò)程中的宏觀現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：（1）過(guò)冷現(xiàn)象用

圖2-3所示的裝置，將一塊純金屬放入加熱爐內(nèi)的材堪中加熱使之熔化，然后緩

慢冷卻。用記錄儀將冷卻過(guò)程中的溫度與時(shí)間記錄下來(lái)，所獲得的曲線如圖2-4

所示。這種曲線叫做冷卻曲線。上述實(shí)驗(yàn)方法叫做熱分析法。

圖2-3熱分析裝置示意圖圖2-4冷卻曲線

實(shí)驗(yàn)表明，金屬開始凝固的溫度Tn低于其熔點(diǎn)Tm,這種現(xiàn)象叫做過(guò)冷。Tm

與Tn的差值A(chǔ)T叫做過(guò)冷度。不同金屬過(guò)冷傾向不同。同一金屬在不同冷卻條

件下凝固時(shí)過(guò)冷度也不同。冷卻速度越大，過(guò)冷度也越大。過(guò)冷是金屬結(jié)晶時(shí)必

然出現(xiàn)的現(xiàn)象。

(2)凝固過(guò)程中伴隨著潛熱的釋放，這種潛熱稱之為結(jié)晶潛熱。

如圖2-4所示的冷去U曲線中有一段下凹曲線，它的最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度是

Tn。Tn是在該試驗(yàn)條件下開始結(jié)晶的溫度。金屬結(jié)晶時(shí)將放出潛熱。在凝固的

初始階段，放出的潛熱超過(guò)熔體向環(huán)境散失的熱量，因而曲線上升。隨后放熱與

散熱逐漸接近平衡，曲線出現(xiàn)接近水平的線段。后期放熱慢于散熱，曲線緩慢下

降。

三、凝固的微觀基本過(guò)程

結(jié)晶過(guò)程應(yīng)是一個(gè)由生核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程交錯(cuò)重疊組合而成的過(guò)程。對(duì)一個(gè)

晶粒來(lái)說(shuō)，它具有嚴(yán)格區(qū)分的生核和長(zhǎng)大階段，但從整體來(lái)說(shuō)，二者是交織在一

起的，除非是單晶體的結(jié)晶過(guò)程

金屬學(xué)課程金屬及合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)

純金屬的結(jié)晶

二元相圖與結(jié)晶

金屬及合金的形變

回復(fù)與再結(jié)晶

擴(kuò)散

鐵碳相圖

碳鋼

鑄鐵

熱處理原理及工藝本章內(nèi)容液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)

凝固的基本類型及特征

純金屬凝固時(shí)的熱力學(xué)條件

金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

晶體的成長(zhǎng)及形貌

鑄錠的凝固與組織首頁(yè)課程安排課程學(xué)習(xí)參考資料習(xí)題解答考研題庫(kù)在

線測(cè)試課間休息

第四節(jié)金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

一、晶核的形核過(guò)程

金屬凝固時(shí)的形核有兩種方式：一是在金屬液體中依靠自身的結(jié)構(gòu)起伏均勻

自發(fā)地形成核心；二是依靠外來(lái)夾雜所提供的異相界面非自發(fā)不均勻地形核。前

者叫做均勻形核，后者叫做不均勻形核。

（一）、均勻形核

均勻形核是液體結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定的近程排列的原子集團(tuán)（晶坯）在一定條件下

轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的固相晶核的過(guò)程。1.均勻形核的能量條件

一給定體積的液相在Tm以下一定過(guò)冷度下具有吉布斯自由能G1,如其中有

某些液體的近程排列原子集團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的晶核，體積為VS,形成界面ASL,剩

余液相的體積為VL,此時(shí)系統(tǒng)吉布斯自由能為G2,則

(2-11)

(2-12)

式中，為單位體積固、液相的吉布斯自由能，SL為液、固相的界面能。

由(2-11)、(2T2)式可以得到凝固形核時(shí)-，系統(tǒng)吉布斯自由能的變化為:

(2-13)

式中，。

假設(shè)核心為球形，半徑為r,則

(2-14)

當(dāng)液體中有n個(gè)核心，則吉布斯自由能變化為

(2-15)

由(2T5)式看出，當(dāng)r很小時(shí)，第二項(xiàng)起支配作用，AG隨r增大而增大。當(dāng)r

增大至一定數(shù)值后，第一項(xiàng)起支配作用，這時(shí)，4G隨r增大而降低。故AG隨r

變化的曲線為一有極大點(diǎn)的曲線，如圖2-7所示。

圖2-7AG隨r的變化曲線

由圖可見，在片「*處，AG有極大值。在r〈r*時(shí)，隨r增大，系統(tǒng)吉布斯

自由能增加。相反，隨r減小，系統(tǒng)吉布斯自由能降低。故半徑小于r*的原子

集團(tuán)在液相中不能穩(wěn)定存在，只能溶解并消失。半徑小于r*的原子集團(tuán)可稱為

晶胚。

在r>r*時(shí)，隨r增大，AG減少，系統(tǒng)吉布斯自由能下降，故大于r*的原

子集團(tuán)可以穩(wěn)定存在，作為晶核而長(zhǎng)大。r=r*的晶胚叫臨界晶核，r*為晶核臨界

尺寸。

此時(shí)dAG/dr=O,故對(duì)(2-15)式微分，得到：

(2-16)

以(2-10)式代入(2-16)式得到:

(2-17)

以(2-16)式代入(2T5)式，得到相應(yīng)于r*時(shí)的形核功:

(2-18)

即，形核功是表面能項(xiàng)的三分之一，說(shuō)明形成臨界晶核時(shí)所降低的體積吉布斯自

由能只能補(bǔ)償三分之二的表面吉布斯自由能，形核功作為形核時(shí)所需克服的能壘

要依靠系統(tǒng)的能量起伏來(lái)提供。

由上述均勻形核能量條件的分析得出：只有在一定過(guò)冷度下、在高能區(qū)、具

有大于r*的近程排列的原子集團(tuán)才可以形成固相的穩(wěn)定核心，使系統(tǒng)吉布斯自

由能降低，滿足AG〈。的熱力學(xué)條件。

上…頁(yè)卜'一頁(yè)

純金屬的結(jié)晶課程學(xué)習(xí)之

第四節(jié)金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

圖2-8液相中能量的統(tǒng)計(jì)分布

系統(tǒng)（液相）的能量分布有起伏，呈正態(tài)分布形式，如圖2-8所示。能量起伏

包括兩個(gè)含義：一是在瞬時(shí)，各微觀體積的能量不同，二是對(duì)某一微觀體積，在

不同瞬時(shí)，能量分布不同。在具有高能量的微觀地區(qū)生核，可以全部補(bǔ)償表面能,

使AG〈O。

圖2-9不同結(jié)晶溫度下r和AG的關(guān)系

由（2-17）式和（2T8）式可見，隨過(guò)冷度AT增大，臨界晶核半徑r*和臨界形

核功AG*均下降。所以，隨過(guò)冷度增大，會(huì)有更多小尺寸的晶胚具有長(zhǎng)大能力，

而成為晶核。這樣，晶核的數(shù)目將隨過(guò)冷度的增大而急劇地增大。圖2-9所示的

是在不同結(jié)晶溫度下，r和AG的關(guān)系。

2.均勻形核率

形核率定義為單位時(shí)間、單位體積生成固相核心的數(shù)目用I表示，其單位為

m-3/so用R表示）。臨界尺寸r*的晶核處于介穩(wěn)平衡，可溶解，也可長(zhǎng)大。

當(dāng)r>r*,長(zhǎng)大使AG降低，可作為穩(wěn)定核心，在r*的原子集團(tuán)上附加一個(gè)

以上原子即可成為穩(wěn)定核心。因此形核速率取決于兩個(gè)因素：一是單位體積液相

中存在具有r*大小原子集團(tuán)的數(shù)目C*；二是單位時(shí)間轉(zhuǎn)移到一個(gè)晶核上去的原

子數(shù)fO。則形核率：

18foC*

(2-19)單位體積液相中存在具有r*大小原子集團(tuán)的數(shù)目C*與形核功△G*

有關(guān)，有以下關(guān)系

(2-20)

液相原子轉(zhuǎn)移到臨界晶核的速率f0與液固界面上緊鄰固體晶核的液體原子

數(shù)s、一個(gè)液體原子的振動(dòng)頻率V、液體原子轉(zhuǎn)移到臨界晶核的激活能AGA,以

及被固相接受的幾率P等參數(shù)有關(guān)，

f00cvspexp(-△GA/kT)

(2-21)

形核率

(2-22)

考慮到AGA與過(guò)冷度的關(guān)系不大，而AG*則與過(guò)冷度有如下的關(guān)系

故

(2-23)

由（2-23）式可見，隨過(guò)冷度增大，形核率I急劇增加，如圖6-12所示。

由圖可見，在很窄的溫度范圍內(nèi)，形核率由零升至一很高數(shù)值。圖中有一臨

界的過(guò)冷度AT*,在AT*以前實(shí)際不形核，達(dá)到AT*,I急劇增大。

圖2T0形核率與過(guò)冷度的關(guān)系曲線

此臨界過(guò)冷度出現(xiàn)的原因可解釋如下：由（2T7）式可知，臨界晶核尺寸r*

與AT有關(guān)，隨AT增大，r*減小。而均勻形核的臨界晶核來(lái)自液相中近程有序

排列的原子集團(tuán)，在液相中可能出現(xiàn)的尺寸最大的原子集團(tuán)rmax也取決于溫度。

在溫度高、過(guò)冷度小時(shí)，由于原子可動(dòng)性大，只能形成小尺寸的有序原子集團(tuán)。

當(dāng)溫度降低，過(guò)冷度增大時(shí)一，原子可動(dòng)性降低，可以形成較大尺寸的近程有

序排列原子集團(tuán)。r*及rmax與過(guò)冷度關(guān)系綜合如圖2-11所示。

圖2Tlr*及rmax與過(guò)冷度的關(guān)系曲線

由圖可見，兩條曲線在AT*處相交。顯然，當(dāng)△HAT*時(shí)，rmax<r*,即液

相中不存在具有r*大小的原子集團(tuán)，因而不能形核。當(dāng)ATAAT*時(shí)，液相中存

在的rmax可以滿足r*尺寸要求，而發(fā)生均勻形核。AT*即臨界過(guò)冷度，也叫有

效過(guò)冷度。實(shí)驗(yàn)指出，有效過(guò)冷度AT大約等于0.2Tm(K)。

上一頁(yè)下一頁(yè)

第四節(jié)金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

下表列出了一些常見金屬液滴均勻形核時(shí)所需要的過(guò)冷度數(shù)值。

一些常見金屬液滴均勻形核所需要的過(guò)冷度

金屬

熔點(diǎn)

(K)

過(guò)冷度

△T(K)

△T/Tm

金屬

熔點(diǎn)

(K)

過(guò)冷度

AT(K)

AT/Tm

Hg

234.2

58

0.287

Ag

1233.7

227

0.184

Ga

303

76

0.250

Au

1336

230

0.172

Sn

505.7

105

0.208

Cu

1356

236

0.174

Bi

544

90

0.166

Mn

1493

308

0.206

Pb

600.7

80

0.133

Ni

1725

319

0.185

Sb

903

135

0.150

Co

1763

330

0.187

Al

931.7

130

0.140

Fe

1803

295

0.164

Ge

1231.7

227

0.184

Pt

2043

376

0.181

（二）、非均勻形核

實(shí)際生產(chǎn)中，很難實(shí)現(xiàn)均勻形核。這是因?yàn)榇嬖诘哪１诤筒蝗苡谝后w中的夾

雜物（如氧化物、氮化物等）可以作為形核的基底，固相晶核可以依附于這些夾

雜物的界面上形成。其模型如圖2-12所示。圖中SL,Sm,Lm相應(yīng)為固-液、固-

基底、液-基底的比界面能。

圖2-12非均勻形核模型

假設(shè)固相形成球冠形，附著在夾雜基底平面上，固相與基底的接觸角（或浸

潤(rùn)角）為。，界面張力間有以下平衡關(guān)系：

(2-24)

1.非均勻形核的能量條件

非均勻形核時(shí)，系統(tǒng)吉布斯自由能變化為:

AG^h=VSAGv+ASLSL+ASm(Sm-Lm)

(2-25)

式中，VS為固相晶核體積，ASL為晶核與液相間的表面積，ASm為固相與基底間

的界面積，SL,Sm,Lm相應(yīng)為固-液、固-基底、液-基底的比界面能。根據(jù)以上

關(guān)系和(6-24)式的關(guān)系有：

式中，r為球冠形晶核的半徑。

可以得出:

(2-26)

對(duì)(2-26)式微分，令，可以求出:

(2-27)

(2-28)

由上兩式可確定，非均勻形核時(shí)的臨界晶核尺寸與均勻形核臨界晶核尺寸相

同，而非均勻形核的形核功則與接觸角0密切相關(guān)。

(1)當(dāng)固相晶核與基底完全浸潤(rùn)時(shí)，0=0°,AG*非=0。這是一種極端情

況，此時(shí)非均勻形核不需要能量起伏。

(2)當(dāng)部分浸潤(rùn)時(shí)，如。=10°,AG*^=10-4AG*；6=30°,AG*非=0.02

AG*；0=90°，AG*非=0.5AG*。

(3)當(dāng)完全不浸潤(rùn)時(shí)，0=180°,AG*^=AG*O這是又一種極端情況，此

時(shí)基底不起作用，形核為均勻形核。

圖2-13是AG*非/AG*與。角關(guān)系的示意圖。由圖可見，非均勻形核的形核

功低于均勻形核的形核功。

圖2-14是非均勻形核功與均勻形核功對(duì)比的示意圖。

圖2T3AG*非/AG*與9角關(guān)系的示意圖

圖2T4非均勻形核功與均勻形核功對(duì)比的示意圖

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金屬學(xué)課程金屬及合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)

純金屬的結(jié)晶

二元相圖與結(jié)晶

金屬及合金的形變

回復(fù)與再結(jié)晶

擴(kuò)散

鐵碳相圖

碳鋼

鑄鐵

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凝固的基本類型及特征

純金屬凝固時(shí)的熱力學(xué)條件

金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

晶體的成長(zhǎng)及形貌

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第四節(jié)金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程

2.非均勻形核的形核率

與均勻形核類似，非均勻形核的形核率也有如下的關(guān)系:

(2-29)

式中，fl為單位時(shí)間自液相中轉(zhuǎn)移到固相晶核的原子數(shù)，C1為單位體積液

體與非均勻形核部位接觸的原子數(shù)。

由上式可知，非均勻形核的形核率決定于以下因素。

(1)過(guò)冷度

過(guò)冷度愈大，非均勻形核率也愈大，有圖677所示的關(guān)系。

與均勻形核相比，在相同形核功下，非均勻形核需要更小的過(guò)冷度。在相同

過(guò)冷度下，非均勻形核需要更低的形核功。

圖2T5非均勻形核率與過(guò)冷度的關(guān)系

2）外來(lái)夾雜

①夾雜特性由（6-29）式看出非均勻形核率與f（0）有關(guān),f（。）愈小，則I

非愈大。而f（。）決定于cos。，cos。愈大，f（。）愈小。由（6-24）式，在SL,

mL變化不大的情況下，夾雜與固相晶核間的界面張力Sm愈小，則cos9愈大。

Sm與夾雜特性有關(guān)，有兩類夾雜具有低的界面張力Sm,可作為非均勻形核的基

底，提供大的形核率。

第…類是同晶或活性?shī)A雜，夾雜與固相晶體結(jié)構(gòu)相同，界面處原子間距離接近，

錯(cuò)排度（）很小，此類夾雜具有低的界面張力。第二類是非同晶的難熔的活化夾

雜。夾雜本身結(jié)構(gòu)與固相相差很大，但表面有凹孔、微裂縫，此處的原固相金屬

具有低的飽和蒸汽壓、高的熔點(diǎn)，因而在整體金屬熔化后，難熔夾雜的凹孔處包

含有未熔的同晶固相，可作為形核的基底。

②夾雜基底表面的形態(tài)夾雜基底表面形態(tài)不同，形成臨界晶核的體積不

同，如圖6T8所示。在形成具有相同臨界半徑和接觸角。的晶核時(shí)，凹形基底

的夾雜形成臨界晶核的體積最小，形核容易，形核率大。

③夾雜數(shù)量顯然，符合形核條件的夾雜數(shù)量愈多，非均勻形核率亦愈大。

圖2T6夾雜基底表面的形態(tài)對(duì)

形核的影響

(3)液體金屬的過(guò)熱當(dāng)非均勻形核以難熔的外來(lái)夾雜作為形核基底時(shí)一，若液

體溫度過(guò)熱，則可使難熔夾雜熔化或使其表面的活性去除。失去活化夾雜的特性,

減少活性?shī)A雜數(shù)量，使非均勻形核率大大降低。

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純金屬的結(jié)晶課程學(xué)習(xí)之

第五節(jié)晶體的成長(zhǎng)及形貌

一、晶體的成長(zhǎng)

晶體的長(zhǎng)大在微觀上是液體原子轉(zhuǎn)移到固相界面上的過(guò)程，這種原子轉(zhuǎn)移的

微觀長(zhǎng)大方式取決于液-固界面的結(jié)構(gòu)，而液-固界面結(jié)構(gòu)又由界面熱力學(xué)所決

定，穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)應(yīng)該是表面吉布斯自由能最低、熱力學(xué)最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。晶

體本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及晶體界面的曲率等因素是決定晶體成長(zhǎng)的內(nèi)在因素，界面

附近溫度分布狀況以及潛熱的釋放速度和逸散條件則是決定晶體成長(zhǎng)的外在因

素，通常它們是同時(shí)交互起作用的。茲擇要討論如下：

1.固液界面結(jié)構(gòu)（原子尺寸）

根據(jù)熱力學(xué)分析結(jié)果，固液界面結(jié)構(gòu)與參量a有密切關(guān)系。當(dāng)aW2時(shí)，

界面為粗糙型，界面上固相的原子約只占其位置的一半；當(dāng)a>2且與2相差較

大時(shí)，界面為平滑型，具有平整晶面的特征，但可出現(xiàn)小臺(tái)階；當(dāng)a>2但與2

相差不大時(shí);界面為平滑與粗糙的過(guò)渡型。實(shí)驗(yàn)