金属材料及热处理第一章

金属材料及热处理金属材料及热处理第一章第一章金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶回顾上一章节内容回顾上一章节内容 在过去两千年中的很长一段时间，中国是世在过去两千年中的很长一段时间，中国是世界上最大和最先进的国家，直到界上最大和最先进的国家，直到1818世纪末，中国世纪末，中国的国内生产总值约占全球的国内生产总值约占全球25%25%，18201820年为年为33%33%。中国的人均收入在中国的人均收入在1212世纪前一直领先于西欧，世纪前一直领先于西欧，在在1818世纪前一直领先于世界平均水平。世纪前一直领先于世界平均水平。后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，19491949年年GDPGDP仅占世界仅占世界5%5%。31669,N.Steno,1669,N.Steno,晶面角守恒定律晶面角守恒定律 1885,A.Bravais1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说晶体空间点阵学说 1912,M.Laue1912,M.Laue*,晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射 1915,W.H.Bragg and W.L.Bragg1915,W.H.Bragg and W.L.Bragg*X X射线晶体结构分析方法射线晶体结构分析方法 电子显微镜（电子显微镜（SEMSEM、TEMTEM）扫描探针显微术扫描探针显微术*（STMSTM、AFMAFM）微观组织理论大发展微观组织理论大发展合金相图、合金相图、X X射线，位错理论射线，位错理论Reaumur(1722)Hill(1748)Reaumur(1722)Hill(1748)在放大镜下观察出晶粒在放大镜下观察出晶粒SorbitSorbit 发现并描述了细珠光体发现并描述了细珠光体Young(1807)Young(1807)提出材料弹性模量概念提出材料弹性模量概念Barlow(1826)Barlow(1826)关于材料强度的测定关于材料强度的测定Tehernoff(1861)Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告发表了钢临界点的实验报告Wshery(1860-1870)Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得出的第一条得出的第一条S S-N N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的科学研究科学研究 金属材料与热处理：金属材料与热处理：是一门研究金属材料的是一门研究金属材料的成分成分、组织组织、热处理热处理与金属材料性能之与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。间的关系和变化规律的学科。金属与非金属的比较金属与非金属的比较金属金属非金属非金属1 1常温时，除了汞是液体外，常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有些是常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体气体，有些是固体2 2一般密度比较大一般密度比较大一般密度比较小一般密度比较小3 3有金属光泽有金属光泽大多没有金属光泽大多没有金属光泽4 4大多是热及电的良导体大多是热及电的良导体,电阻电阻通常随着温度的增高而增大通常随着温度的增高而增大大多不是热和电的良导体，电阻通大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小常随温度的增高而减小5 5大多具有展性和延性大多具有展性和延性大多不具有展性和延性大多不具有展性和延性6 6固体金属大多属金属晶体固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体固体大多属分子型晶体7 7蒸气分子大多是单原子的蒸气分子大多是单原子的蒸气（或气体）分子大多是双原子蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子的或多原子的1 1、金属光泽、金属光泽 当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光的光,然后很快放出各种频率的光然后很快放出各种频率的光(全反射全反射),),绝大多数金属绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。呈现钢灰色以至银白色光泽。金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色，因为它们较易吸收某一些频率的光。铅是灰蓝色，因为它们较易吸收某一些频率的光。金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属一般都呈暗灰色或黑色属一般都呈暗灰色或黑色(漫散射漫散射)。许多金属在光的照射下能放出电子许多金属在光的照射下能放出电子(光电效应光电效应)。另一。另一些在加热到高温时能放出电子些在加热到高温时能放出电子(热电现象热电现象)。2 2、金属的导电性和导热性、金属的导电性和导热性大多数金属有良好的导电性和导热性。大多数金属有良好的导电性和导热性。常见金属的导电和导热能力由大到小的顺常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下：序排列如下：AgAg银银，CuCu铜，铜，AuAu金，金，AlAl铝，铝，ZnZn锌，锌，PtPt铂，铂，SnSn锡，锡，FeFe铁，铁，PbPb铅，铅，HgHg汞。汞。3 3、超导电性、超导电性金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。19111911年年H.K.OnnesH.K.Onnes发现汞冷到低于发现汞冷到低于4.2K4.2K时，其电时，其电阻突然消失阻突然消失,导电性差不多是无限大导电性差不多是无限大,这种性质称为这种性质称为超导电性超导电性。具有超导性质的物体称为。具有超导性质的物体称为超导体超导体。超导体电阻突然消失时的温度称为超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度临界温度(T T0 0)。超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。没有任何损失。金属的物理性质金属的物理性质4 4、金属的延展性、金属的延展性：可以抽成细丝。例如最细：可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径为的白金丝直径为1/5000mm1/5000mm，可以压成薄片，例，可以压成薄片，例如最薄的金箔，可达如最薄的金箔，可达1/10000mm1/10000mm厚。厚。5 5、金属的密度、金属的密度：锂、钠、钾比水轻，锇、铁：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。等比水重。6 6、金属的硬度、金属的硬度：一般较大，它们之间有很大：一般较大，它们之间有很大差别。有的坚硬差别。有的坚硬,如铬、钨等；有些软如铬、钨等；有些软,可用小刀切可用小刀切割如钠、钾等。割如钠、钾等。7 7、金属的熔点、金属的熔点金属的熔点一般较高，但高低差别较大。金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓铯和镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。能熔化。8 8、金属玻璃、金属玻璃(非晶态金非晶态金属属)将某些金属熔融后将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。由于冷却速以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快度极快,高温时金属原子的无序状态被高温时金属原子的无序状态被“冻结冻结”,不能形成不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构的物质密堆积结构，得到与玻璃类似结构的物质,故称为金属玻故称为金属玻璃。璃。金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性和金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非金典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非金属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。9 9、金属的内聚力、金属的内聚力所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力,也就是金属键的强度，即核和自由电子间的引力。也就是金属键的强度，即核和自由电子间的引力。金属的内聚力可以用它的升华热衡量。金属的内聚力可以用它的升华热衡量。金属键的强度（用升华热度量）主要决定于金属键的强度（用升华热度量）主要决定于 (1)(1)原子的大小，随原子半径增大升华热减小；原子的大小，随原子半径增大升华热减小；(2)(2)价电子数增加，升华热随之增加。价电子数增加，升华热随之增加。1.晶体的基本概念晶体的基本概念原子作无序排列原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶格原子排列形成的空间格子晶胞组成晶格的最基本单元晶体：晶体：非晶体：非晶体：原子作有序排列原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。Fe原子直径约为：原子直径约为：1.24*10-8cm 常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。晶格和密排六方晶格等三种类型。.体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是一个体心立方的晶格是一个立方体立方体，其中心和八个角上各有，其中心和八个角上各有一个原子。一个原子。属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它们等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。都具有较好的塑性和较大的强度。（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc-Fe-Fe、W W、V V、MoMo 等等2.面心立方晶格 面心立方晶格的面心立方晶格的晶胞也是一个晶胞也是一个立方体立方体，其六个面中心和八个角其六个面中心和八个角上各有一个原子。属于上各有一个原子。属于这类晶格的金属有这类晶格的金属有 -Fe-Fe、CuCu、AlAl、NiNi等。等。它们都具有较好的它们都具有较好的塑性。塑性。面心立方球体模型及其晶胞面心立方球体模型及其晶胞（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfcc-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、AgAg 等等.密排六方晶格 密排六方晶格的晶密排六方晶格的晶胞是一个胞是一个六方柱体六方柱体，其上，其上下底面的中心和十二个角下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原方柱体的中间还有三个原子。属于这类晶格的金属子。属于这类晶格的金属有有g g、n n、d d、e e等。等。这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。密排六方球体模型及其晶胞密排六方球体模型及其晶胞（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcpC C（石墨）、（石墨）、MgMg、ZnZn 等等金属的同素异构转变金属的同素异构转变FeFeFe同素异晶转变同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538 1394 912 同素异构转变同素异构转变是钢铁材料性能呈多种多样，用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。Fe、Sn锡、Ti钛、Mn锰温度时间1538 1394 912 体心面心体心FeFeFeFe金属的实际晶体结构与晶体缺陷金属的实际晶体结构与晶体缺陷1.1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶晶格位向完全一致的晶体叫做体叫做单晶体。单晶体。工业上使用的金属都是工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的由许多小晶体组成的多多晶体晶体.每个小晶体称为每个小晶体称为晶粒晶粒。晶粒与晶粒之间的界面晶粒与晶粒之间的界面称称晶界晶界。亚晶粒之间的交界称为亚晶粒之间的交界称为亚晶界。亚晶界。晶粒晶界2 2、晶体缺陷、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：几何特征可分为三种：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷 (1)(1)点缺陷点缺陷晶格空位和间隙原子晶格空位和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为种空着的位置称为空位空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为为间隙原子间隙原子。点缺陷点缺陷 导致导致晶格畸变晶格畸变 强强度度，硬度，硬度如如:合金化合金化(2)线缺陷线缺陷位错位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为为位错位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。(3)面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界 晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。晶粒细晶粒细晶界面晶界面积大积大强度高强度高如如:晶粒细化晶粒细化1.晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性,使晶格产生使晶格产生畸变畸变,晶晶格格能量增加能量增加,因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一种不稳定状态种不稳定状态,它们在外界条件它们在外界条件(温度外力等温度外力等)变化时会首先变化时会首先发生变化发生变化,从而引起金属性能的变化从而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的晶体缺陷的存在影响金属的强度强度,一般情况下一般情况下,强度随晶体强度随晶体缺陷的增加而增加缺陷的增加而增加,可通过增加缺陷的办法可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度提高金属的强度.点缺陷点缺陷合金化合金化增加缺陷的办法增加缺陷的办法 线缺陷线缺陷增加塑性变形增加塑性变形(如加工硬化如加工硬化)面缺陷面缺陷晶粒细化晶粒细化晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷晶体缺陷金属缺点金属缺点金属的结晶金属的结晶凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。结晶结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常通常,金属的凝固过程属于结晶过程。金属的凝固过程属于结晶过程。例如：北方冬例如：北方冬天窗花天窗花热热 分分 析析 法法纯金属的冷却曲线与过冷度纯金属的冷却曲线与过冷度 差热分析法原理差热分析法原理To时间温度实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)纯纯金金属属结结晶晶时时的的冷冷却却曲曲线线T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1：实际结晶温度：实际结晶温度 过冷过冷：实际结晶温度：实际结晶温度 T T1 1 总是低于理论结晶温度总是低于理论结晶温度 T T0 0 的现象的现象过冷度过冷度 T=TT=T0 0-T-T1 1 （冷速冷速 T T ）理论冷却曲线理论冷却曲线2.金属的结晶过程金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。结晶过程是晶核不断形成和长大的过程结晶过程是晶核不断形成和长大的过程晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶3.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细晶粒越细塑性、韧性越好；强度、硬度越高塑性、韧性越好；强度、硬度越高 金属结晶后晶粒大小取决金属结晶后晶粒大小取决于于形核率形核率N（单位时间、单（单位时间、单位体积液态金属中生成的位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核数目）和晶核长大率晶核长大率G（单位时间内晶核长大的（单位时间内晶核长大的线速度）线速度）NG晶粒越细晶粒越细细化晶粒的途径细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度）提高冷却速度，增加过冷度V V冷冷T TN N晶粒细晶粒细小小2）进行变质处理）进行变质处理3）附加振动：）附加振动：机械振动机械振动 超声波振动超声波振动 电磁搅拌等。电磁搅拌等。*对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快 变形、开变形、开裂裂,因此只适用于小铸件，简单件因此只适用于小铸件，简单件常用于大铸件，实际效果较好常用于大铸件，实际效果较好4.金属的铸锭组织金属的铸锭组织1)表面细等轴晶层表面细等轴晶层力学性能虽力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。个铸锭的性能影响不大。2)柱状晶区柱状晶区比较致密，对于塑比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。法获得柱状晶组织。3)中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区的性能没有的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能这种疏松的组织致使力学性能降低降低谢谢大家！谢谢大家！