第二 金属学基础课件.pptx

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1、教学目的：为了后续课程的开展，简要介绍金属的晶体结构、结晶和合金的结构、相图。重点：掌握金属的晶体结构及同素异构转变；金属回复和再结晶组织和性能的变化；金属的结晶过程及合金的结构。难点：金属的结晶过程。课堂练习：练习题,不同的金属具有不同的性能，如钢、铸铁和陶瓷，为什么？,你怎样认为“结构决定性能”,金属的内部结构与性能的关系？,减速器,第二章 金属学基础,第一节 金属的晶体结构 Crystal Structure of Metals,结构：物质内部原子的在空间的分布和排列情况。,一、晶体与非晶体（crystal and non-crystal）,固态物质的存在形式：晶体和非晶体。,晶体（cr

2、ystal）：原子（离子、分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列所构成的物体。,非晶体（non-crystal）：原子在三维空间呈无序排列的固体，如普通玻璃、石蜡等。,区别：晶体具有固定的熔点，各向异性（anisotropy）。非晶体无固定的熔点，各向同性（isotropy）。,注意：晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。,二、晶体结构的基本概念（basic concept of crystal structure）,晶格（crystal lattice）：用假想的几何线条把抽象成为一个点的各原子中心连接起来而形成的几何空间格架。,晶胞(Unite cells)：从晶格中选取一个能够完全反映

3、晶格特征的、最小的几何单元。,晶格常数(lattice constant)：晶胞中各棱边的长度a、b、c 和棱边夹角。,三、典型金属的晶体结构（crystal structure of the metal）,常见金属的晶体结构,1.体心立方晶格（body-centered cubic bcc）,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,2.面心立方晶格（face-centered cubic fcc）,3.密排六方晶格（Hexagonal Closed-Packed hcp）,四、金属的同素异构转变（allotropic transformation of metal）,现象：加热时铁丝伸长，

4、到912开始收缩。若冷却时从1000 到912 出现伸长现象。,举例,定义：同一种元素在固态下由于温度变化而发生晶体结构的变化。如铁、铬、锡（典故）、钴、钛等。,1394,1534,912,-Fe,-Fe,-Fe,纯铁的同素异构转变,性能变化：当晶体结构改变时，金属的性能发生突变。这就是钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能的原因之一。,五、实际金属的晶体结构（crystal structure of metal）,单晶体：原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在。各向异性。,多晶体：由许多不同位向的单晶体组成。各向同性,实际的晶体结构：,第二节 纯金属的结晶

5、(crystallization of pure metal),凝固(solidification)：液体-固体（晶体或非晶体）结晶(crystallization)：液体-晶体,液态金属结构,固态金属结构,一、金属结晶的基本规律(basic law of metal crystallization),1.冷却曲线与过冷现象,冷却曲线(cooling curve)：通过热分析的方法，测得液体金属在结晶时的温度-时间曲线。,纯金属结晶时的冷却曲线,过冷度T（degree of supercooling）：理论结晶温度与实际结晶温度的差值。即T0-Tn=T。过冷是结晶的必要条件！,影响过冷度的因素

6、：金属种类不同，过冷度不同；金属的纯度越高，过冷度越大。对于同一种金属而言，过冷度的大小主要取决于冷却速度。冷却速度越大，过冷度越大。,过冷现象(supercooling phenomena)：金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。,2.结晶的一般过程,结晶,形核方式,自发形核（均质形核）,非自发形核（非均质形核）,注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的，但非自发形核常起优先和主导作用。,晶体的生长方式,实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。,二、金属结晶后的晶粒大小（grain size after metal crystallization）,一般来说，在常温

7、下工作的金属，晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。,两组大小不同的鸡蛋受力情况,举例,结果：小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎。,F,F,金属结晶后晶粒大小取决于形核率N晶核形成数目（m3.s）和长大率G（m/s）的比值。,工业上常用细化晶粒方法：,（1）增加过冷度,晶粒细小,冷速过快 变形、开裂,只适用于小铸件，简单件,（2）变质处理(inoculation),在液体金属中加入变质剂，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。常用于大铸件。,（3）振动或搅拌,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,变质剂的作用：作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。,第三节

8、金属的塑性变形（Plasticity Deformation of Metals）,金属在外力作用下将产生变形（Deformation）,其变形过程包括：,弹性变形：指除去外力后，物体完全恢复原状的变形。,塑性变形：指作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。,一、塑性变形的实质（Substance of Plasticity Deformation of Metals）,1.单晶体的塑性变形,主要方式,滑移变形（Sliding Deformation）,单晶体的塑性变形过程：,理论上，整体刚性滑移滑移困难；实际上，位错移动滑移容易。滑移变形实质：晶体的一部分相对另一部分

9、的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。,2.多晶体的塑性变形,工业中实际使用的金属大多是多晶体。多晶体的塑性变形分两个方面：,晶内变形晶粒内部的滑移变形，以它为主。晶间变形晶粒间的移动和转动。,组织和性能的变化：强度、硬度提高，塑性、韧性下降；伴随有残余应力产生。,二、金属的冷变形和加工硬化,冷变形:指在再结晶温度以下进行的塑性变形。包括冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等。,加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度和硬度，塑韧性的现象。,三、回复和再结晶,1.回复（Recovery）,定义：将冷变形后的金属加热至一定温度后，使原子恢复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象。T回=（0.25-0.3）

10、T熔,组织和性能的变化：显微组织没有明显变化，故力学性能变化不大；但内应力明显下降，消除了部分加工硬化。,2.再结晶（Recry stallization）,定义：当加热温度较高时，金属原子开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，从而完全消除加工硬化的现象。,纯金属的再结晶温度为:T再0.4T熔合金的再结晶温度为:T再（0.40.9）T熔,组织和性能的变化：再结晶过程后，组织发生变化，加工硬化消除。金属强度和硬度下降，而塑韧性提高。,第四节 合金的结构,一、合金的基本概念,合金：由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜等。,组元：组成合金最基本的、独立

11、的物质。如黄铜 Cu-Zn。,合金系：有两个或两个以上的组元按不同配比，配制出一系列不同成分、不同性能的合金。,相：成分相同，结构相同，与其他部分有界面分开的部分。,组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。它是相的集合。,二、合金的相结构,定义：指合金中相的晶体结构。,分类,固溶体 金属化合物,1.固溶体,定义：指溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。,分类,固溶体动画,特征：总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质；保有溶剂的晶格结构；产生晶格畸变。,固溶体的形成对金属性能的影响：通过溶质原子的溶入形成固溶体以提高合金强度和硬度的现象，这种现象称为固溶强化。,

12、2.金属化合物,定义：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。,特征：一定程度上具有金属的性质；晶格结构完全不同于任一组元；性能：熔点高，硬而脆。,例如 Fe与CFe3C(渗碳体),对合金性能的影响：适当的金属化合物时，可提高合金强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。所以，金属化合物是各类合金钢、硬质合金和有色金属合金的重要强化相。,3.机械混合物,定义：指由两种固溶体或固溶体和金属化合物所组成的混合物。,特征：各相保持自己的晶格类型和性能特点。强度、硬度适中，目前钢铁材料中大部分都是这种组织。,第四节 合金相图,定义：相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系

13、的图解。也称为平衡图或状态图。,一、相图的建立,如：CuNi合金,二元合金相图是通过热分析实验法建立的。,动画,第一步：先测定不同成分合金的冷却曲线；第二步：确定冷却曲线上的结晶转变温度，然后把这些 点标注在坐标图上；第三步：把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该 合金的相图。,二、匀晶相图,定义：当两组元在液态和固态均无限互溶的相图。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。,1.相图分析（以Cu-Ni为例）,特点：匀晶转变,Cu,Ni,0,100,温度,A,B,1083,1453,L,L+,WNi%,结晶过程分析：,1,2,L,L+,2.合金结晶过程分析,（1）平衡结晶过程,定义

14、：指合金在结晶过程中冷却速度无限缓慢，原子扩散能够充分进行结晶过程。,（2）不平衡结晶过程,定义：实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的，原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。,出现的现象：晶内偏析（又称枝晶偏析）,对合金性能的影响：恶化合金的性能。,处理办法：均匀化退火或扩散退火。,三、共晶相图,定义：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图。如Pb-Sn、Al-Si等相图。,1.相图分析,Pb-Sn合金相图,特征：共晶反应,四、共析相图,定义：一定成分的固相在恒温下生成另外两个与母相成分不同的固相的转变称为共析转变，发

15、生共析转变的相图。,特征：共析反应,本章小结,体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格,结晶条件过冷度,过冷细化变质处理振动或搅拌,固态相变同素异构转变,晶粒细化,晶体结构,结 晶,纯金属,金属的塑性变形与再结晶,回复再结晶,合金的结构,固溶体,金属化合物,机械混合物,间隙固溶体,置换固溶体,合金相图,匀晶相图,共晶相图,共析相图,合金,第二章 练习题,1.常见金属晶晶体结构有、和。,2.实际金属的结晶温度总是低于 结晶温度，这种现象称为过冷现象，一般情况下金属的冷却速度越快，过冷度越，结晶后的晶粒越，金属的强度越，塑性和韧性越。,3.合金相结构主要有 和。一般 作为基体相；作为强化相。,4.何为加工硬化？,5.高温下的铁冷却过程中，在1394由-Fe转变为-Fe时，其体积会（）。A、膨胀 B、缩小 C、不变 6.同素异构转变改变金属的（）。A、晶体形状 B、晶格类型 C、组织成分7.固溶体的晶体结构与 相同。A、溶剂；B、溶质；C、其它晶型 8.工业中获得细小晶粒的方法有（）（）（）。,