金屬材料及熱處理-第一章

金屬材料及熱處理第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶1編輯課件回顧上一章節(jié)內(nèi)容在過去兩千年中的很長一段時(shí)間，中國是世界上最大和最先進(jìn)的國家，直到18世紀(jì)末，中國的國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全球25%，1820年為33%。中國的人均收入在12世紀(jì)前一直領(lǐng)先于西歐，在18世紀(jì)前一直領(lǐng)先于世界平均水平。后來，它錯(cuò)過了工業(yè)革命，經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)停滯，1949年GDP僅占世界5%。2編輯課件31669,N.Steno,晶面角守恒定律1885,A.Bravais,晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)***（STM、AFM）微觀組織理論大發(fā)展合金相圖、X射線，位錯(cuò)理論3編輯課件Reaumur(1722)Hill(1748)在放大鏡下觀察出晶粒Sorbit發(fā)現(xiàn)并描述了細(xì)珠光體Young(1807)提出材料彈性模量概念Barlow(1826)關(guān)于材料強(qiáng)度的測定Tehernoff(1861)發(fā)表了鋼臨界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告Wshery(1860-1870)關(guān)于拉伸、扭轉(zhuǎn)、變曲應(yīng)力的工作及得出的第一條S-N曲線，開辟了材料、組織與性能間關(guān)系的科學(xué)研究4編輯課件金屬材料與熱處理：

是一門研究金屬材料的成分、組織、熱處理與金屬材料性能之間的關(guān)系和變化規(guī)律的學(xué)科。5編輯課件金屬與非金屬的比較金屬非金屬1．常溫時(shí)，除了汞是液體外，其它金屬都是固體常溫時(shí)，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體2．一般密度比較大一般密度比較小3．有金屬光澤大多沒有金屬光澤4．大多是熱及電的良導(dǎo)體,電阻通常隨著溫度的增高而增大大多不是熱和電的良導(dǎo)體，電阻通常隨溫度的增高而減小5．大多具有展性和延性大多不具有展性和延性6．固體金屬大多屬金屬晶體固體大多屬分子型晶體7．蒸氣分子大多是單原子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的6編輯課件1、金屬光澤當(dāng)光線投射到金屬表面上時(shí)，自由電子吸收所有頻率的光,然后很快放出各種頻率的光(全反射),絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色以至銀白色光澤。金顯黃色，銅顯赤紅色，鉍為淡紅色，銫為淡黃色，鉛是灰藍(lán)色，因?yàn)樗鼈冚^易吸收某一些頻率的光。金屬光澤只有在其為晶體時(shí)才能表現(xiàn)出來，粉末狀金屬一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。許多金屬在光的照射下能放出電子(光電效應(yīng))。另一些在加熱到高溫時(shí)能放出電子(熱電現(xiàn)象)。7編輯課件2、金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性大多數(shù)金屬有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。常見金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力由大到小的順序排列如下：Ag銀，Cu銅，Au金，Al鋁，Zn鋅，Pt鉑，Sn錫，F(xiàn)e鐵，Pb鉛，Hg汞。8編輯課件3、超導(dǎo)電性金屬材料的電阻通常隨溫度的降低而減小。1911年H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)汞冷到低于4.2K時(shí)，其電阻突然消失,導(dǎo)電性差不多是無限大,這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)性質(zhì)的物體稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻突然消失時(shí)的溫度稱為臨界溫度(T0)。超導(dǎo)體的電阻為零，也就是電流在超導(dǎo)體中通過時(shí)沒有任何損失。9編輯課件金屬的物理性質(zhì)

4、金屬的延展性：可以抽成細(xì)絲。例如最細(xì)的白金絲直徑為1/5000mm，可以壓成薄片，例如最薄的金箔，可達(dá)1/10000mm厚。

5、金屬的密度：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵等比水重。

6、金屬的硬度：一般較大，它們之間有很大差別。有的堅(jiān)硬,如鉻、鎢等；有些軟,可用小刀切割如鈉、鉀等。10編輯課件7、金屬的熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)一般較高，但高低差別較大。最難熔的是鎢，最易熔的是汞、銫和鎵。汞在常溫下是液體，銫和鎵在手上受熱就能熔化。11編輯課件8、金屬玻璃(非晶態(tài)金屬)將某些金屬熔融后,以極快的速度淬冷。由于冷卻速度極快,高溫時(shí)金屬原子的無序狀態(tài)被“凍結(jié)”,不能形成密堆積結(jié)構(gòu)，得到與玻璃類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì),故稱為金屬玻璃。金屬玻璃同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的磁學(xué)性能，因此它有許多重要的用途。典型的金屬玻璃有兩大類：一類是過渡金屬與某些非金屬形成的合金；另一類是過渡金屬間組成的合金。12編輯課件9、金屬的內(nèi)聚力所謂內(nèi)聚力就是物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力,也就是金屬鍵的強(qiáng)度，即核和自由電子間的引力。金屬的內(nèi)聚力可以用它的升華熱衡量。金屬鍵的強(qiáng)度（用升華熱度量）主要決定于

(1)原子的大小，隨原子半徑增大升華熱減??；(2)價(jià)電子數(shù)增加，升華熱隨之增加。13編輯課件1.晶體的基本概念

原子作無序排列；沒有固定的熔點(diǎn)；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶格—原子排列形成的空間格子晶胞—組成晶格的最基本單元晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。Fe原子直徑約為：1.24*10^-8cm14編輯課件

常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類型。１.體心立方晶格

體心立方的晶格是一個(gè)立方體，其中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、W、V等。它們都具有較好的塑性和較大的強(qiáng)度。15編輯課件（1）體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等16編輯課件2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，其六個(gè)面中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有

γ-Fe、Cu、Al、Ni等。它們都具有較好的塑性。面心立方球體模型及其晶胞17編輯課件（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等18編輯課件３.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，其上下底面的中心和十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，且在六方柱體的中間還有三個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有Ｍg、Ｚn、Ｃd、Ｂe等。這類金屬塑性較差。密排六方球體模型及其晶胞

19編輯課件（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn

等20編輯課件金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。L1538℃1394℃912℃

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料性能呈多種多樣，用途廣泛，并能通過各種熱處理進(jìn)一步改善其組織與性能的重要因素。Fe、Sn錫、Ti鈦、Mn錳溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心Fe21編輯課件金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷1.單晶體和多晶體晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。工業(yè)上使用的金屬都是由許多小晶體組成的多晶體.每個(gè)小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱晶界。亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。22編輯課件2、晶體缺陷實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為三種：

點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷23編輯課件

(1)點(diǎn)缺陷——晶格空位和間隙原子在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時(shí)又可能在個(gè)別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。點(diǎn)缺陷→導(dǎo)致晶格畸變→強(qiáng)度↑，硬度↑如:合金化24編輯課件(2)線缺陷——位錯(cuò)

晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，稱為位錯(cuò)。位錯(cuò)的主要類型有刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)。25編輯課件(3)面缺陷——晶界、亞晶界

晶界和亞晶界上的原子排列，是從一種位向過渡到另一種位向。在這個(gè)過渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶格發(fā)生畸變；亞晶界實(shí)際是由一系列的刃型位錯(cuò)堆積而成的。

晶粒細(xì)→晶界面積大→強(qiáng)度高如:晶粒細(xì)化26編輯課件1.晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性,使晶格產(chǎn)生畸變,晶格能量增加,因而晶格缺陷相對(duì)于完整的晶體來說是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài),它們?cè)谕饨鐥l件(溫度外力等)變化時(shí)會(huì)首先發(fā)生變化,從而引起金屬性能的變化.2.晶體缺陷的存在影響金屬的強(qiáng)度,一般情況下,強(qiáng)度隨晶體缺陷的增加而增加,可通過增加缺陷的辦法,提高金屬的強(qiáng)度.點(diǎn)缺陷→合金化增加缺陷的辦法線缺陷→增加塑性變形(如加工硬化)面缺陷→晶粒細(xì)化晶體缺陷與性能的關(guān)系晶體缺陷≠金屬缺點(diǎn)27編輯課件金屬的結(jié)晶凝固

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。通常,金屬的凝固過程屬于結(jié)晶過程。例如：北方冬天窗花28編輯課件熱分析法純金屬的冷卻曲線與過冷度

差熱分析法原理29編輯課件To時(shí)間溫度實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(tái)(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線T0：理論結(jié)晶溫度T1：實(shí)際結(jié)晶溫度

過冷：實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象過冷度?T=T0-T1

（冷速↑→?T↑）理論冷卻曲線30編輯課件2.金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶時(shí)晶體在液體中從無到有（晶核形成），由小變大（晶核長大）的過程，同時(shí)存在同時(shí)進(jìn)行。結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程晶核長大過程是按樹枝狀骨架方式長大31編輯課件晶核的長大方式—樹枝狀32編輯課件金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶33編輯課件3.晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響

晶粒越細(xì)→塑性、韌性越好；強(qiáng)度、硬度越高

金屬結(jié)晶后晶粒大小取決于形核率N（單位時(shí)間、單位體積液態(tài)金屬中生成的晶核數(shù)目）和晶核長大率G（單位時(shí)間內(nèi)晶核長大的線速度）NG晶粒越細(xì)34編輯課件細(xì)化晶粒的途徑1）提高冷卻速度，增加過冷度V冷△TN晶粒細(xì)小2）進(jìn)行變質(zhì)處理3）附加振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)超聲波振動(dòng)電磁攪拌等。*對(duì)大鑄件或厚薄差別大的鑄件冷速過快→變形、開裂,因此只適用于小鑄件，簡單件常用于大鑄