金属热处理原理及工艺总结 整理版.doc

金属热处理是金属加工的重要环节，它涉及到金属材料的内部结构改变，以改善材料的力学性能、耐腐蚀性以及加工性。热处理主要包括以下几个关键步骤：加热、保温、冷却，这些步骤会影响金属中的晶体缺陷，进而影响金属的性能。 1. 晶体缺陷对金属性能的影响： - 点缺陷（如空位、间隙原子）会使金属的强度增加，因为它们导致晶格畸变，增加了原子间的相互作用力。同时，点缺陷的存在会增加电阻，减少电子的自由移动，导致导电性下降，也会降低金属的抗腐蚀性能。 - 线缺陷（如位错）同样引起晶格畸变，增强金属的强度。位错运动是金属塑性变形的基础，但过多的位错可能导致材料脆化。 - 面缺陷（如晶界）阻碍位错运动，增加了塑性变形的阻力，从而提高强度。同时，晶界增多会增加金属的韧性，因为它提供了一个位错可以重新排列的路径，减少裂纹扩展的可能性。 2. 单晶体与多晶体的各向异性： - 单晶体由于其内部原子排列的有序性，使得其性能在不同方向上有所不同，即表现为各向异性。例如，某些方向上的强度、导电性和热膨胀系数可能不同。 - 多晶体由许多不同取向的单晶体（晶粒）组成，这些晶粒的特性在宏观上平均化，使得多晶体在一般情况下表现出各向同性的特性，即在各个方向上的力学性能相对均衡。 3. 过冷度与冷却速度的关系及其对金属结晶的影响： - 过冷度是实际结晶温度与理论结晶温度之差，冷却速度越快，过冷度越大。 - 过大的过冷度可以增加形核率（N）和长大速度（G），促使金属形成更细小的晶粒，因为更大的过冷度提供了更大的结晶驱动力。 - 然而，过冷度过大并不总是有利于细化晶粒，因为当冷却速度过快时，原子扩散受阻，形核和长大过程受限，可能导致晶粒过大或者结晶困难。 4. 金属结晶的基本规律： - 形核与核长大是金属结晶过程的核心。形核是指新的晶粒在母相中开始形成，核长大是指新形成的晶粒边界向周围母相扩展。 - 影响形核率和核长大的因素包括过冷度、外来杂质、振动和搅拌等。过冷度越大，形核率和长大率增加，但有一个最优的过冷度，超过这个值，反而会抑制结晶。 5. 控制晶粒大小的措施： - 变质处理：在金属液态阶段添加难熔固态颗粒，增加非自发晶核，提高形核率，细化晶粒。 - 钢模铸造和砂模中加冷铁：通过快速冷却来限制晶粒的生长，从而细化晶粒。 - 机械振动和搅拌：促进均匀形核，减少晶粒尺寸的不均匀性。 6. 加工硬化的原因与影响： - 加工硬化是由于金属在塑性变形过程中晶粒破碎、位错密度增加，导致后续变形阻力增大，表现为强度和硬度提升，塑性和韧性下降。 - 加工硬化有利有弊：一方面可以利用硬化提高材料强度，如冷拔钢丝；另一方面，硬化也可能使材料难以继续加工，如冷轧钢板。 7. 冷加工与热加工的划分： - 主要依据是再结晶温度，低于此温度的为冷加工，产生加工硬化；高于此温度的为热加工，硬化可以通过再结晶消除。 8. 热加工的优势： - 提高致密度：热加工可以焊合气孔，减少孔隙。 - 细化晶粒：破碎枝晶和柱状晶，改善材料的力学性能。 - 形成纤维组织：利于提高材料在特定方向上的强度和韧性。 9. 细晶粒钢的性能优势： - 细晶粒增加晶界面积，提高了对位错运动的阻碍，增强了强度。 - 同时，细晶粒分布更均匀，使得塑性变形更为均匀，减少应力集中，提高韧性和延展性。 10. 冷塑性变形后的组织与性能变化： - 晶粒沿变形方向拉长，产生各向异性。 - 晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化。 - 织构现象的产生，导致材料性能在不同方向上的差异。 - 内部可能存在变形不均匀，可能导致微观应力和内部结构的不一致性，影响最终性能。 以上是金属热处理原理及工艺的基本知识，这些理解对于金属加工、材料科学和工程实践至关重要。