收藏!金属学和热处理知识大全

金属学是研究金属材料的结构、性质、性能以及加工方法的学科。金属学的核心是金属的晶体结构和热处理。本文将详细介绍金属的晶体结构、金属键、金属的晶体结构类型、冲击韧度、金属的组织类型、铁碳合金的相图、钢的组织和性能、热处理工艺等重要知识。

金属的晶体结构由规则排列的原子组成，分为晶体和非晶体两大类。晶体内部原子排列规则，非晶体内部原子排列无序。金属的晶体结构是通过电子显微镜观察到的，包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

体心立方晶格是具有2个原子的结构，致密度为0.68，适用于Cr、W、V、Nb、Ta、Mo、Fe等金属。面心立方晶格是具有4个原子的结构，致密度为0.74，适用于Al、Cu、Au、Pb、Ni、Pt、Ag、Fe等金属。密排六方晶格是具有6个原子的结构，致密度为0.74，适用于Zn、Mg、Zr、Ca、Co、Mn、Ti等金属。

冲击韧度是衡量材料抵抗冲击载荷能力的特性。体心立方晶格的冲击韧性值会急剧降低，并具有脆韧转变温度。

实际使用的金属是由多个晶粒组成的多晶体，晶粒之间的界面称为晶界。金属在高温下冷却转变为固态的过程称为结晶，晶核通常附着于固态微粒杂质形成，液体中原子不断向晶核聚集，晶核长大，直至所有晶粒互接触，结晶结束。

金属的晶体结构并非完美无缺，存在各种缺陷，包括点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）和位错。点缺陷破坏原子平衡状态，引起晶格畸变，使金属的屈服点、抗拉强度增高，塑性、韧性下降。位错是晶格中晶体局部滑移，导致金属容易塑性变形，强度降低。

铁碳合金由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素组成。铁碳合金相图表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能及相互关系。工业纯铁（含碳量小于0.0218%）显微组织为F+Fe3CⅢ，奥氏体（A）是碳熔于γ-Fe中形成的固溶体，渗碳体（Fe3C）是铁和碳的金属化合物。珠光体（P）是铁素体（F）与渗碳体（Fe3C）以片层相间排列的机械混合物，莱氏体（Ld）是奥氏体（A）与渗碳体（Fe3C）的混合物。

钢的基本组织包括奥氏体、铁素体、渗碳体。珠光体是铁素体与渗碳体以片层相间排列的机械混合物，过共析钢（含碳量大于0.77%）组织为:P+Fe3C，亚共析钢（含碳量小于0.77%）组织为:F+P。莱氏体在高于1148℃时存在，具有很高的硬度和脆性。

钢的热处理过程包括加热、保温和冷却三个阶段。钢的热处理关键在于冷却速度，冷却速度不同会导致不同组织和性能。钢的加热过程由Ac1、Ac3、Acm等温度标志，冷却过程存在过冷度。钢的组织变化包括加热时奥氏体的形成和冷却时奥氏体的分解。连续冷却和等温冷却是研究奥氏体转变过程的两种方法。

退火、正火、淬火、表面淬火、回火是常用的热处理工艺。退火主要用于均匀组织、消除应力、降低硬度，改善切削加工性能。正火的冷却速度较快，过冷度较大，能提高钢的强度和硬度。淬火通过快速冷却获得马氏体组织，以提高材料的硬度和强度。表面淬火使零件表面层具有更高的硬度和强度。回火降低材料的内应力，改善韧性，稳定尺寸和加工性能。

奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化包括加热、保温和快速冷却，以获得均匀的奥氏体组织。稳定化处理仅适用于含钛或铌的铬镍奥氏体不锈钢，旨在防止晶间腐蚀。

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