第二-金属学基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,教学目的：,1,课前案例分析,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,课前案例分析不同的金属具有不同的性能，如钢、铸铁和陶瓷，为,2,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,（,crystal,）,：,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。,第二章 金属学基础第一节 金属的晶体结构结构：物质内部原子,3,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,。,非晶体（non- crystal）：原子在三维空间呈无序排列,4,晶胞,(Unite cells),：,从晶格中选取一个能够完全反映,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。,晶胞(Unite cells)：从晶格中选取一个能够完全反映,5,三、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,三、典型金属的晶体结构常见金属的晶体结构1.体心立方晶格（b,6,2.,面心立方晶格,（,face-centered cubic,fcc,）,3.,密排六方晶格,（,Hexagonal Closed-Packed,hcp,）,2.面心立方晶格（face-centered cubic f,7,晶格类型,体心立方晶格,bcc,面心立方晶格,fcc,密排六方晶格,hcp,晶胞结构,性能,塑性较好,塑性优于体心立方晶格的金属,脆性较大,晶胞内原子数,原子半径,致密度,0.68,0.74,0.74,典型金属,-Fe,、,钼,( Mo ) ;,钨,( W ) ;,钒,( V ),-Fe,、,金,( Au ) ;,银,( Ag ) ; Cu,等,Mg,、,Zn,、,镉,( Cd ),等,晶格类型体心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格晶胞结构性能塑,8,四、金属的同素异构转变,（,allotropic transformation of metal,）,现象,：,加热时铁丝伸长，到,912,开始,收缩,。若冷却时从,1000,到,912 ,出现,伸长,现象。,铁丝加热实验示意图,铁丝,标尺,支架,四、金属的同素异构转变现象：加热时铁丝伸长，到912开始收,9,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。,1394,1534,1000,600,800,1200,温度,时间,1600,1500,500,700,900,1100,1300,1400,912,-Fe,-Fe,-Fe,纯铁的同素异构转变,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,10,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,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,11,实际的晶体结构：,空位,空位,晶界,亚晶界,A,B,C,D,实际的晶体结构：空位空位晶界亚晶界ABCD,12,第二节 纯金属的结晶,(,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,第二节 纯金属的结晶(crystallization of,13,一、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。,一、金属结晶的基本规律1.冷却曲线与过冷现象冷却曲线(coo,14,To,时间,温度,理论冷却曲,线,实际冷却曲线,Tn,结晶平台,纯金属结晶时的冷却曲线,To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台纯金属结晶时,15,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：,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。,过冷度T（degree of supercooling ）,16,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,2.,结晶的一般过程,晶体,液体,结晶,液态金属形核晶核长大完全结晶2.结晶的一般过程晶体液体结晶,17,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,。,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,18,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，在常温下工作的金属，,晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。,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。,19,两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,两组大小不同的鸡蛋受力情况举例结果：小鸡蛋不易碎，FF,20,金属结晶后晶粒大小取决于,形核率,N,晶核形成数目（,m,3,.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,V,冷,T,N,晶粒细小,冷速过快 变形、开裂,只适用于小铸件，简单件,金属结晶后晶粒大小取决于形核率N晶核形成数目,21,（,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。,电机硅钢片,变压器硅钢片,（2）变质处理(inoculation) ,22,第三节 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,第三节 金属的塑性变形（Plasticity Deform,23,主要方式,滑移变形,（,Sliding Deformation,）,单晶体的塑性变形过程：,主要方式滑移变形（ Sliding Deformation,24,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的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。,理论上，整体刚性滑移滑移困难；,25,2.,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。,2.多晶体的塑性变形 工业中实际使用的金属大多,26,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,）,组织和性能的变化 ：强度、硬度提高，塑性、韧性下降；伴随有残,27,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,）,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,（,0.4,0.9,）,T,熔,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,28,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。,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。,29,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。,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,30,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。,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,31,分类,按溶质位置,置换固溶体,间隙固溶体,按溶解度,有限固溶体,无限固溶体,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。,分类按溶质位置置换固溶体间隙固溶体按溶解度有限固溶体无限固溶,32,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,。,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,。,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,33,例如,Fe,与,CFe,3,C(,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。,例如 Fe与CFe3C(渗碳体)对合金性能的影响： 适当的,34,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。,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,35,二、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,+,W,Ni,%,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,36,A,B,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,：,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。,AB结晶过程分析：12LL+2.合金结晶过程分析（1）平,37,（,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。,（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,38,三、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,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,39,四、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，发生共析转变的相图。,特征：,共析反应,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,40,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,本章小结体心立方晶格结晶条件过冷度 过冷细化固态相变同素,41,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,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,42,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？,第二章 练习题1. 常见金属晶晶体结构有 、,43,5,.,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（）（）（）。,5.高温下的铁冷却过程中，在1394由-Fe转变为-F,44,