金屬材料及熱處理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理第1頁(yè)/共37頁(yè)31669, N. Steno, 1669, N. Steno, 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 1885, A. Bravais, 晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō) 1912, M. Laue1912, M. Laue* *, , 晶體的晶體的X X射線衍射射線衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg* * *X X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法 電子顯微鏡（電子顯微鏡（SEMSEM、TEMTEM

2、）掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)* * * *（STMSTM、AFMAFM）微觀組織理論大發(fā)展微觀組織理論大發(fā)展合金相圖、合金相圖、X X射線，位錯(cuò)理論射線，位錯(cuò)理論第2頁(yè)/共37頁(yè)Reaumur (1722) Hill (1748) Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大鏡下觀察出晶粒在放大鏡下觀察出晶粒Sorbit Sorbit 發(fā)現(xiàn)并描述了細(xì)珠光體發(fā)現(xiàn)并描述了細(xì)珠光體Young(1807)Young(1807)提出材料彈性模量概念提出材料彈性模量概念Barlow(1826)Barlow(1826)關(guān)于材料強(qiáng)度的測(cè)定關(guān)于材料強(qiáng)度的測(cè)定Tehernoff(1861)Teh

3、ernoff(1861)發(fā)表了鋼臨界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告發(fā)表了鋼臨界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告Wshery(1860-1870)Wshery(1860-1870)關(guān)于拉伸、扭轉(zhuǎn)、變曲應(yīng)力的工作及關(guān)于拉伸、扭轉(zhuǎn)、變曲應(yīng)力的工作及得出的第一條得出的第一條S S- -N N曲線，開(kāi)辟了材料、組織與性能間關(guān)系的曲線，開(kāi)辟了材料、組織與性能間關(guān)系的科學(xué)研究科學(xué)研究第3頁(yè)/共37頁(yè)第4頁(yè)/共37頁(yè)金屬金屬非金屬非金屬1 1常溫時(shí)，除了汞是液體外，常溫時(shí)，除了汞是液體外，其它金屬都是固體其它金屬都是固體常溫時(shí)，除了溴是液體外，有些是常溫時(shí)，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體氣體，有些是固體2 2一般密度比較大一般密度比較大一

4、般密度比較小一般密度比較小3 3有金屬光澤有金屬光澤大多沒(méi)有金屬光澤大多沒(méi)有金屬光澤4 4大多是熱及電的良導(dǎo)體大多是熱及電的良導(dǎo)體, ,電阻電阻通常隨著溫度的增高而增大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常隨溫度的增高而減小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固體金屬大多屬金屬晶體固體金屬大多屬金屬晶體固體大多屬分子型晶體固體大多屬分子型晶體7 7蒸氣分子大多是單原子的蒸氣分子大多是單原子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的或多原子的第5頁(yè)

5、/共37頁(yè)第6頁(yè)/共37頁(yè)第7頁(yè)/共37頁(yè)第8頁(yè)/共37頁(yè)4 4、金屬的延展性、金屬的延展性：可以抽成細(xì)絲。例如最細(xì)：可以抽成細(xì)絲。例如最細(xì)的白金絲直徑為的白金絲直徑為1/5000mm1/5000mm，可以壓成薄片，例，可以壓成薄片，例如最薄的金箔，可達(dá)如最薄的金箔，可達(dá)1/10000mm1/10000mm厚。厚。5 5、金屬的密度、金屬的密度：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵等比水重。等比水重。6 6、金屬的硬度、金屬的硬度：一般較大，它們之間有很大：一般較大，它們之間有很大差別。有的堅(jiān)硬差別。有的堅(jiān)硬, ,如鉻、鎢等；有些軟如鉻、鎢等；有些軟, ,可用小刀切可用小刀切割如

6、鈉、鉀等。割如鈉、鉀等。第9頁(yè)/共37頁(yè)第10頁(yè)/共37頁(yè)第11頁(yè)/共37頁(yè)第12頁(yè)/共37頁(yè)原子作無(wú)序排列原子作無(wú)序排列；沒(méi)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：晶體：非晶體：非晶體：原子作有序排列原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。Fe原子直徑約原子直徑約為：為：1.24*10-8cm第13頁(yè)/共37頁(yè)第14頁(yè)/共37頁(yè) -Fe-Fe、W W、V V、Mo Mo 等等第15頁(yè)/共37頁(yè)面心立方球體模型及其晶胞面心立方球體模型及其晶胞第16頁(yè)/共37頁(yè) -Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等

7、第17頁(yè)/共37頁(yè)密排六方球體模型及其晶胞密排六方球體模型及其晶胞第18頁(yè)/共37頁(yè)C C（石墨）、（石墨）、MgMg、ZnZn 等等第19頁(yè)/共37頁(yè)FeFeFe同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變?cè)诠虘B(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體在固態(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(guò)程。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(guò)程。L1538 1394 912 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料性能呈多種多樣，用途廣泛，并能通過(guò)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FeFeFeFe第20頁(yè)/共3

8、7頁(yè)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷1.1.單晶體和多晶體單晶體和多晶體晶格位向完全一致的晶晶格位向完全一致的晶體叫做體叫做單晶體。單晶體。工業(yè)上使用的金屬都是工業(yè)上使用的金屬都是由許多小晶體組成的由許多小晶體組成的多多晶體晶體. .每個(gè)小晶體稱為每個(gè)小晶體稱為晶粒晶粒。晶粒與晶粒之間的界面晶粒與晶粒之間的界面稱稱晶界晶界。亞晶粒之間的交界稱為亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。亞晶界。晶粒晶界第21頁(yè)/共37頁(yè)2 2、晶體缺陷、晶體缺陷實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為三種：幾何特征可分為三種： 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷

9、第22頁(yè)/共37頁(yè)點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 導(dǎo)致導(dǎo)致晶格畸變晶格畸變 強(qiáng)強(qiáng)度度，硬度，硬度如如:合金化合金化第23頁(yè)/共37頁(yè)(2)線缺陷線缺陷位錯(cuò)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，稱為為位錯(cuò)位錯(cuò)。位錯(cuò)的主要類型有刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)。位錯(cuò)的主要類型有刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)。第24頁(yè)/共37頁(yè)(3)面缺陷面缺陷晶界、亞晶界晶界、亞晶界 晶界和亞晶界上的原子排列，是從一種位向過(guò)渡到另一晶界和亞晶界上的原子排列，是從一種位向過(guò)渡到另一種位向。在這個(gè)過(guò)渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶格發(fā)生種位向。在這個(gè)過(guò)渡層中的原子排列是不規(guī)則的，晶格發(fā)生畸

10、變；亞晶界實(shí)際是由一系列的刃型位錯(cuò)堆積而成的?；儯粊喚Ы鐚?shí)際是由一系列的刃型位錯(cuò)堆積而成的。 晶粒細(xì)晶粒細(xì)晶界面晶界面積大積大強(qiáng)度高強(qiáng)度高如如:晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化第25頁(yè)/共37頁(yè)1. 晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性晶體缺陷的存在破壞了晶體的完整性,使晶格產(chǎn)生使晶格產(chǎn)生畸變畸變,晶晶格格能量增加能量增加,因而晶格缺陷相對(duì)于完整的晶體來(lái)說(shuō)是處于一因而晶格缺陷相對(duì)于完整的晶體來(lái)說(shuō)是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)種不穩(wěn)定狀態(tài),它們?cè)谕饨鐥l件它們?cè)谕饨鐥l件(溫度外力等溫度外力等)變化時(shí)會(huì)首先變化時(shí)會(huì)首先發(fā)生變化發(fā)生變化,從而引起金屬性能的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晶體缺陷的存在影響

11、金屬的強(qiáng)度強(qiáng)度,一般情況下一般情況下,強(qiáng)度隨晶體強(qiáng)度隨晶體缺陷的增加而增加缺陷的增加而增加,可通過(guò)增加缺陷的辦法可通過(guò)增加缺陷的辦法,提高金屬的強(qiáng)度提高金屬的強(qiáng)度. 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷合金化合金化增加缺陷的辦法增加缺陷的辦法 線缺陷線缺陷增加塑性變形增加塑性變形(如加工硬化如加工硬化) 面缺陷面缺陷晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化晶體缺陷與性能的關(guān)系晶體缺陷與性能的關(guān)系晶體缺陷晶體缺陷金屬缺點(diǎn)金屬缺點(diǎn)第26頁(yè)/共37頁(yè)凝固凝固 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。結(jié)晶結(jié)晶如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)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。則排列的晶

12、體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。通常通常, ,金屬的凝固過(guò)程屬于結(jié)晶過(guò)程。金屬的凝固過(guò)程屬于結(jié)晶過(guò)程。例如：北方冬例如：北方冬天窗花天窗花第27頁(yè)/共37頁(yè)純金屬的冷卻曲線與過(guò)冷度純金屬的冷卻曲線與過(guò)冷度 差熱分析法原理差熱分析法原理第28頁(yè)/共37頁(yè)To時(shí)間溫度實(shí)際冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(tái)結(jié)晶平臺(tái)(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)純純金金屬屬結(jié)結(jié)晶晶時(shí)時(shí)的的冷冷卻卻曲曲線線T0：理論結(jié)晶溫度：理論結(jié)晶溫度T1：實(shí)際結(jié)晶溫度：實(shí)際結(jié)晶溫度 過(guò)冷過(guò)冷：實(shí)際結(jié)晶溫度：實(shí)際結(jié)晶溫度 T T1 1 總是低于理論結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度 T T0 0 的現(xiàn)象的現(xiàn)象過(guò)冷度過(guò)冷度 T = TT =

13、T0 0 - T - T1 1 （ 冷速冷速 T T ）理論冷卻曲線理論冷卻曲線第29頁(yè)/共37頁(yè)結(jié)晶時(shí)晶體在液體中從無(wú)到有（晶核形成），由小變結(jié)晶時(shí)晶體在液體中從無(wú)到有（晶核形成），由小變大（晶核長(zhǎng)大）的過(guò)程，同時(shí)存在同時(shí)進(jìn)行。大（晶核長(zhǎng)大）的過(guò)程，同時(shí)存在同時(shí)進(jìn)行。結(jié)晶過(guò)程是晶核不斷形成和長(zhǎng)大的過(guò)程結(jié)晶過(guò)程是晶核不斷形成和長(zhǎng)大的過(guò)程晶核長(zhǎng)大過(guò)程是按樹(shù)枝狀骨架方式長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大過(guò)程是按樹(shù)枝狀骨架方式長(zhǎng)大第30頁(yè)/共37頁(yè)第31頁(yè)/共37頁(yè)金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶第32頁(yè)/共37頁(yè)3.晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)晶粒

14、越細(xì)塑性、韌性越好；強(qiáng)度、硬度越高塑性、韌性越好；強(qiáng)度、硬度越高 金屬結(jié)晶后晶粒大小取決金屬結(jié)晶后晶粒大小取決于于形核率形核率N（單位時(shí)間、單（單位時(shí)間、單位體積液態(tài)金屬中生成的位體積液態(tài)金屬中生成的晶核數(shù)目）和晶核數(shù)目）和晶核長(zhǎng)大率晶核長(zhǎng)大率G（單位時(shí)間內(nèi)晶核長(zhǎng)大的（單位時(shí)間內(nèi)晶核長(zhǎng)大的線速度）線速度）NG晶粒越細(xì)晶粒越細(xì)第33頁(yè)/共37頁(yè)1）提高冷卻速度，增加過(guò)冷度）提高冷卻速度，增加過(guò)冷度V V冷冷T TN N晶粒細(xì)晶粒細(xì)小小2）進(jìn)行變質(zhì)處理）進(jìn)行變質(zhì)處理3）附加振動(dòng)：）附加振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng) 超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng) 電磁攪拌等。電磁攪拌等。* *對(duì)大鑄件或厚薄差別大的鑄件冷速過(guò)快對(duì)大鑄件或厚薄差別大的鑄件冷速過(guò)快 變形、開(kāi)變形、開(kāi)裂裂, ,因此只適用于小鑄件，簡(jiǎn)單件因此只適用于小鑄件，簡(jiǎn)單件常用于大鑄件，實(shí)際效果較好常用于大鑄件，實(shí)際效果較好第34頁(yè)/共37頁(yè)1)表面細(xì)等軸晶層表面細(xì)等軸晶層力學(xué)性能雖力學(xué)性能雖好，但由于該層很薄，故對(duì)整好，但由于該層很薄，故對(duì)整個(gè)鑄錠的性能影響不大。個(gè)鑄錠的性能影響不大。2)柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)比較致密，對(duì)于塑比較致密，對(duì)于塑性較好的非鐵金屬，希望得到性較好的非鐵金屬，希望得到較大的柱狀晶區(qū)。另外柱狀晶較大