金屬材料與熱處理全套ppt課件完整版教程

1、“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材經(jīng)全國職業(yè)教育教材審定委員會審定大連理工大學(xué)出版社金屬材料與熱處理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社主編：王書田“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動化類課程規(guī)劃教材金屬材料與熱處理的課程的性質(zhì)1.金屬材料與熱處理的發(fā)展史2.金屬材料與熱處理課程的性質(zhì)3.金屬材料與熱處理是一門從生產(chǎn)實踐中發(fā)展起來的，而又直接為生產(chǎn)實踐服務(wù)的科學(xué)，是一門密切結(jié)合實際的科學(xué)，同時也是金屬壓力加工、鑄造、焊接等加工工藝的基礎(chǔ)。金屬材料與熱處理課程內(nèi)容緒論熱處理原理及工藝金屬學(xué)知識非鐵合金知識鋼鐵材料知識晶體學(xué)知識課程內(nèi)容學(xué)習(xí)本課程的

2、基本要求1、掌握金屬材料的力學(xué)性能、晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金相圖等金屬學(xué)的基本知識。 2、熟悉金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系和變化規(guī)律。 3、掌握常用金屬材料的牌號、性能及應(yīng)用，初步具有合理選擇金屬材料的技能。 4、了解熱處理的原理，掌握各種熱處理方法的特點、工藝過程及應(yīng)用，初步具有正確選 定一般零件的熱處理方法及確定熱處理工序位置的能力。 5、獲得一定的實驗技能，具有一定的分析問題和解決問題的能力。 課程的學(xué)習(xí)方法1、課前積極預(yù)習(xí)2、課中認(rèn)真聽講 3、課后及時復(fù)習(xí)4、積極實驗實踐5、強(qiáng)化概念記憶金屬材料與熱處理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社主編

3、：王書田“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動化類課程規(guī)劃教材模塊一 金屬的力學(xué)性能 金屬材料獲得廣泛應(yīng)用是由于它們在加工和使用過程中具備各種優(yōu)越的性能。金屬材料的性能指標(biāo)和變化規(guī)律是選擇合適材料的主要依據(jù)。性 能使用性能：力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等 工藝性能：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處 理性能及切削加工性能等。 金屬的物理性能 金屬的物理性能是指金屬在固態(tài)下所表現(xiàn)出的一系列物理現(xiàn)象。物理性能不僅影響材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量，而且對加工工藝，特別是對焊接的工藝性和焊接質(zhì)量有較大影響。 1.密度 密度是單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，密度是金屬材料的特性之一。不同金屬的密度不同。按

4、密度的大小，將金屬分為輕金屬與重金屬兩類。在生產(chǎn)中，常利用金屬的密度來計算毛坯或零件的質(zhì)量。此外密度有 時是選擇材料的依據(jù)。 2.熔點金屬的熔點是指金屬由固態(tài)熔化為液態(tài)時的溫度。純金屬的熔點是固定不變的，合金的熔點取決于它的成分熔點是金屬和合金進(jìn)行冶煉、鑄造、焊接時重要工藝參數(shù)金屬的物理性能 3.導(dǎo)熱性 金屬的導(dǎo)熱性是指在其內(nèi)部或相互接觸的物體之間存在溫差時，熱量從高溫部分到低溫部分或從高溫物體到低溫物體的移動能力，用熱導(dǎo)率表示，單位為W/（mK）。導(dǎo)熱性是金屬材料的重要性能之一，在制定焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時，必須考慮防止金屬材料在加熱和冷卻過程中形成過大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生變形和開裂。4.

5、導(dǎo)電性 金屬傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性，常用電導(dǎo)率表示，單位為S/m。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。工業(yè)上常用電導(dǎo)率高的材料制造電器零件，如電線、電纜、 電器元件等;用電導(dǎo)率低的金屬如鎳鉻合金和鐵鉻鋁合金制造電阻器或電熱元件等。金屬的物理性能 5.熱膨脹性 熱膨脹性是指固態(tài)金屬在溫度變化時熱脹冷縮的能力，在工程上常用線膨脹系數(shù)來表示，符號為 熔焊時，由于熱源對焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件上的溫度分布極不均勻，造成焊件上出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，從而導(dǎo)致不均勻的變形和焊接應(yīng)力，而且被焊材料的 線膨脹系數(shù)越大，引發(fā)的焊接應(yīng)力和變形就越大。6.磁性 金屬能導(dǎo)磁的性能稱為磁性。金屬材料根據(jù)

6、其在磁場中受到的磁化程度不同，可分為鐵磁性材料（如鐵、鈷等）、順磁 性材料（如錳、鉻等）和抗磁性材料（如銅、鋅等）三種。金屬的化學(xué)性能 金屬的化學(xué)性能是指金屬在化學(xué)作用下所表現(xiàn)的性能1.耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧氣、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。提高金屬材料的耐腐蝕性，對于節(jié)約金屬材料和延長金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)意義2.抗氧化性 金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴(yán)重。這不僅造成材料過量的損耗，也會形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍制造一種保護(hù)氣氛，避免金屬材料的氧化。金屬的

7、化學(xué)性能 3.化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定 性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設(shè)備（如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)等）上 的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。 金屬的工藝性能 工藝性能是指機(jī)器零件或工具在加工過程中，金屬材料所表現(xiàn)出來的適應(yīng)能力。金屬的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。1鑄造性能材料適于鑄造加工的性能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的指標(biāo)有流動性、收縮性和偏析等。凡是流動性好、收縮性小以及偏析傾向小的金屬材料，其鑄造性能良好，容易造成優(yōu)良的鑄件。常用鋼鐵材料中鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能

8、，而鋼的鑄造性能低于鑄鐵。2.鍛造性能材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要與材料的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，則鍛造性能越好。金屬的工藝性能 3.焊接性能焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對于碳鋼和低合金鋼，焊接性能主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，其中碳的影響最大。例如低碳鋼具有良好的焊接性，高碳鋼、鑄鐵的焊接性差。4.切削加工性能材料接受切削加工的難易程度稱為切削加工性能。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導(dǎo)熱性和變形強(qiáng)化等。5.熱處理工藝性是材料接受熱

9、處理的能力。包括淬硬性、淬透性、淬火變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性、氧化脫碳傾向等強(qiáng)度與塑性 金屬材料的室溫拉伸試驗金屬材料室溫拉伸試驗是應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗方法之一。試驗是在試樣兩端緩慢施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，直至拉斷為止。拉伸試驗按照GB/T228-2010進(jìn)行拉伸曲線強(qiáng)度與塑性 低碳退火鋼拉伸曲線分析第1階段：彈性變形階段（oa） 在此階段中應(yīng)力-延伸率成直線關(guān)系，加力時產(chǎn)生變形，卸力后變形能完全恢復(fù)拉伸曲線oa階段的斜率(R/e)為試驗材料的彈性模量（E）。彈性模量表示金屬材料對彈性變形的抵抗能力，也叫材料的剛度。 第2階段：滯彈性變形階段

10、（ab） 這階段中應(yīng)力-延伸率出現(xiàn)了非直線關(guān)系，當(dāng)力加到b點時卸除力，變形仍可回到原點強(qiáng)度與塑性 第3階段：微塑性應(yīng)變階段（bc） 當(dāng)應(yīng)力超過b點后，隨著應(yīng)力的增加，試樣在彈性變形的同時開始發(fā)生微量塑性變形第4階段：屈服階段（cde）。當(dāng)應(yīng)力加到c點時，突然產(chǎn)生塑性變形，在曲線上出現(xiàn)力不同程度下降，而試樣塑性變形急劇增加，稱為材料的屈服。強(qiáng)度與塑性 第5階段：塑性應(yīng)變強(qiáng)化階段（ef）屈服結(jié)束后，試樣在塑性變形下產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化，從e點開始應(yīng)力不斷上升第6階段：縮頸變形階段（fg）力施加到f點，試樣產(chǎn)生不均勻的塑性變形，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面積急劇減少，結(jié)果就形成了所謂“縮頸”

11、現(xiàn)象。到g點時，試樣發(fā)生斷裂。過程可分為彈性變形階段、滯彈性變形階段、微塑性應(yīng)變階段、屈服階段、塑性應(yīng)變強(qiáng)化階段和縮頸變形階段。強(qiáng)度與塑性 強(qiáng)度和強(qiáng)度指標(biāo)1.強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，是重要的力學(xué)性能指標(biāo)。2.抗拉強(qiáng)度抗力強(qiáng)度是試樣在屈服階段之后的最大應(yīng)力，當(dāng)材料無明顯屈服時，是試驗期間的最大應(yīng)力，用Rm(舊標(biāo)準(zhǔn)中用b)表示。強(qiáng)度與塑性 3.屈服強(qiáng)度由拉伸曲線可知，當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點為屈服強(qiáng)度，應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度為試樣發(fā)生屈服而力首次下降的最高應(yīng)力，用ReH（舊標(biāo)準(zhǔn)用su）表示；而下屈服強(qiáng)度是在屈服

12、期間不計初始瞬時效應(yīng)時的最低應(yīng)力，用ReL（舊標(biāo)準(zhǔn)用sl）表示。屈服現(xiàn)象是材料在拉伸時開始塑性變形的一個標(biāo)志。屈服強(qiáng)度可以理解為金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力值，其實質(zhì)是金屬材料對初始塑性變形的抗力。對于在拉伸試驗時無明顯的屈服現(xiàn)象的材料，一般用規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP0.2（舊標(biāo)準(zhǔn)用0.2）表示，并稱為條件屈服強(qiáng)度。RP0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2時的應(yīng)力。在生產(chǎn)實際中，絕大部分工程構(gòu)件和機(jī)器零件在其服役過程中都處于彈性變形狀態(tài)，不允許有明顯的塑性變形產(chǎn)生。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)工程構(gòu)件和機(jī)器零件選材和設(shè)計的依據(jù)。強(qiáng)度與塑性 四、塑性和塑性指標(biāo)1.塑性

13、：是金屬材料在外力作用下，斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。 2.斷后伸長率：3.斷面收縮率：硬度 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是金屬材料在靜載荷作用下抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。它在一定程度上反映了材料的綜合力學(xué)性能。硬度值的大小不僅取決材料本身的性能，而且還取決于測量方法和條件。用不同的方法測定的硬度值具有不同的意義。 與拉伸試驗相比，硬度試驗簡單，操作迅速方便，又可直接在零件上或工具上進(jìn)行試驗 而不破壞工件。在產(chǎn)品設(shè)計圖樣的技術(shù)條件中，硬度是一項主要技術(shù)指標(biāo)。硬度的測量方法較多，主要有壓入法、彈跳法和刻痕法三大類。在機(jī)械制造過程中，常用的測量硬度方法 是壓入法，它是用一

14、定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測金屬表面，根據(jù)被壓入程度來測定其硬度值。生產(chǎn)中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗方法硬度 布氏硬度試驗原理：布氏硬度試驗是在一定的試驗力F作用下，將一定直徑D的硬質(zhì)合金球壓頭壓入到被測金屬表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量被測材料表面留下壓痕的平均直徑d，根據(jù)d計算出壓痕面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均試驗力，以此作為被測金屬材料的布氏硬度值。 布氏硬度實驗原理示意圖硬度 布氏硬度的計算公式為：式中 HBW布氏硬度; F試驗力大?。?N）; D硬質(zhì)合金球直徑（ mm）; d壓痕平均直徑（ mm）; 布氏硬度的單位為N/mm2或kgf/mm

15、2（現(xiàn)已廢棄），習(xí)慣上布氏硬度是不標(biāo)單位的。布氏硬度實際測試時，硬度值不用計算，而是用刻度放大鏡量出壓痕直徑d，再根據(jù)d的大小，從專門的硬度表中查出相應(yīng)的布氏硬度值。 硬度 布氏硬度試驗規(guī)范 GB/T 2312012標(biāo)準(zhǔn)，布氏硬度表示方法為:布氏硬度值+硬度符號+試驗條件。布氏硬度用符號HBW表示。如200HBW10/1000/30 表示用10 mm直徑的硬質(zhì)合金球壓頭，在1000 kgf（9.807 kN）的試驗力作用下，保持30 s（持續(xù)時間為1015 s時，可以不標(biāo)出），測定的布氏硬度值為200。 試驗力的選定應(yīng)保證壓痕直徑在（0.240.6）D之間，試驗力與硬質(zhì)合金球壓頭之間的比率0.

16、102 F/D2，應(yīng)根據(jù)材料和硬度值選擇，優(yōu)點是試樣上壓痕面積較大，能較好地反映材料的平均硬度值，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，重復(fù)性好。缺點是測試麻煩，壓痕較大，對材料表面的損傷也較大，不適合測量成品件及薄件材料。布氏硬度適用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)過退火、正火或調(diào)質(zhì)處理的鋼材，更合適于軟金屬，如鋁、鉛、錫等硬度 布氏硬度試驗過程布氏硬度試驗一般在1035的室溫下進(jìn)行。將被測試樣放置在樣品臺中央，順時針平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)手輪，使樣品臺緩慢上升，試樣與壓頭緊密接觸，直至手輪與螺母產(chǎn)生相對滑動，停止轉(zhuǎn)動手輪。此時按下“開始”鍵，試驗開始自動進(jìn)行，自此 自動完成以下過程:試驗力加載，試驗力完全加上后開始按設(shè)定的保持時間保持該試

17、驗力，時間到后即開始卸載，完成卸載后恢復(fù)初始狀態(tài)。逆時針旋轉(zhuǎn)手輪，樣品臺下降，取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑，并取下試樣，從專門的硬度表中查出相應(yīng)的硬度值。硬度 洛氏硬度試驗原理：洛氏硬度試驗是采用頂角為120的金剛石圓錐 體或一定直徑的鋼球為壓頭，以規(guī)定的試驗力將其壓入試樣表面。試驗時，先加初始試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時間后，卸除主試驗力，在保留初始試驗力的情況下，以殘余壓痕深度計算硬度值，為了保證壓頭與試樣表面接觸良好，試驗時先加初始試驗力F1，在試樣表面壓入深度為h1，并以此作為測量的標(biāo)準(zhǔn)。然后加上主試驗力F2，總試驗力F=F1+F2，此時壓頭壓

18、入深度為h2。經(jīng)規(guī)定的保持時間，卸去主試驗力F2，仍保留初始試驗力F1，試樣彈性變形的恢復(fù)使壓頭略微上升一段距離至h3，此時壓頭受主試驗力F2作用壓入的深度為h（h=h3-h1）。 洛氏硬度試驗原理示意圖硬度 洛氏硬度值以殘余壓痕深度h確定，殘余壓痕深度h越大，硬度越低;反之則硬度越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越高的概念，一般用一個常數(shù)k減去殘余壓痕深度h作為硬度值，并以0.002 mm的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。硬度 計算公式如下： 式中 HR洛氏硬度; k常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時k=100，用鋼球作壓頭時k=130; h殘余壓痕深度（

19、mm）。 洛氏硬度試驗時，一般均由硬度計的指示器上直接讀出硬度值。硬度 洛氏硬度試驗規(guī)范 GB/T 2302012標(biāo)準(zhǔn)。為了能用同一硬度計測量從軟到硬或不同薄厚試樣的材料硬度，需要采用由不同的壓頭和載荷組成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9種洛氏硬度標(biāo)尺，此外還有6種表面洛氏硬度，共15種，其中洛氏硬度C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。洛氏硬度不標(biāo)單位，是一個無量綱的力學(xué)性能指標(biāo)表示方法：硬度值+硬度符號例如，50HRC表示用C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。洛氏硬度各標(biāo)尺之間沒有對應(yīng)關(guān)系，洛氏硬度C標(biāo)尺的測量范圍一般為2070HRC，主要用于測量淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、高硬度鑄鐵等。洛氏硬度試驗方法是目前應(yīng)用最廣泛

20、的硬度測試方法，它的優(yōu)點是測試迅速簡便，壓痕較小，可用于測量成品件;同時由于壓痕較小，測得的硬度不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此， 在測試金屬的洛氏硬度時，需要選取不同部位測定三次，取其平均值作為該材料的洛氏硬度值。 硬度 洛氏硬度試驗過程1、試樣：試樣表面應(yīng)盡可能是平面，不應(yīng)有氧化皮及其他污物，一般表面粗糙度 Ra1.6m。 2、試驗設(shè)備：符合國家標(biāo)準(zhǔn)的洛氏硬度計。金剛石圓錐壓頭錐角為120，頂部曲率半徑為0.2 mm，硬質(zhì)合金球壓頭的直徑為1.5875 mm或3.175 mm硬度 3、試驗過程：洛氏硬度試驗是在1035的室溫下進(jìn)行的，先將試樣放置在洛氏硬度計的載物臺上，選好測試位置，順時針旋轉(zhuǎn)

21、手輪，加初始試驗力，使壓頭與試樣緊密接觸，直到小指針對準(zhǔn)表盤上的小紅點為止。然后將表盤上的大指針對零（HRB、HRC對B -C;HRA對0）。調(diào)好后，輕輕推動手柄加主試驗力，在大指針停止轉(zhuǎn)動34s后拉回手柄，卸除主試驗力，此時大指針回轉(zhuǎn)若干格后停止，從表盤上讀出大指針?biāo)傅挠捕戎担℉RA、HRC讀外圈黑數(shù)字，HRB讀內(nèi)圈紅數(shù)字），并記錄下來。最后逆時針旋轉(zhuǎn)手輪，使壓頭與試樣分開，調(diào)換試樣位置再次測量，共需測四次，取后三次測量結(jié)果的平均值作為試樣的洛氏硬度值。硬度 維氏硬度試驗原理：維氏硬度是將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的正棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，通

22、過測量試樣表面壓痕兩對角線長度，用其平均值計算硬度值，壓痕單位表面積所承受的平均壓力為維氏硬度值，用符號HV 表示維氏硬度實驗原理圖硬度維氏硬度計算公式: 式中 HV維氏硬度，不標(biāo)單位; F試驗力（ N）; d壓痕兩對角線長度平均值（mm）。在實際測試時，維氏硬度值不用計算，而是用測微計測出壓痕兩對角線的長度，計算出平均值后，再根據(jù)d的大小查表，即可求出所測硬度值。硬度 維氏硬度試驗規(guī)范 GB/T 4340.2-2012 維氏硬度的表示方法：維氏硬度值+硬度符號+試驗條件 若試驗力的保持時間為10-15 s時，可以不標(biāo)出。如640HV30/20表示在30 kgf（294.2 N）試驗力作用下，

23、保持20s測得的維氏硬度值為640。硬度 維氏硬度的優(yōu)點：是試驗載荷小，壓痕較淺，適用范圍寬，測試范圍為53000HV，可以測定從極軟到極硬的各種金屬材料，尤其適于測量零件表面淬火層及化學(xué)熱處理的表面層等。同時維氏硬度只用一種標(biāo)尺，材料的硬度可以直接通過維氏硬度值比較大小，既不存在布氏硬度試驗力 F與球體直徑D之間關(guān)系的約束，也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題。維氏硬度的缺點：是對試樣表面要求高，壓痕對角線長度測量比較麻煩，不適于大批測試。硬度維氏硬度試驗過程1、試樣 試樣表面應(yīng)平坦光滑，無氧化皮及污物。試樣或試驗層的最小厚度應(yīng)滿足試驗要求，試驗后，試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡

24、，從而保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。表面粗糙度 Ra0.4m;小載荷維氏硬度試樣粗糙度 Ra0.2m。 2、試驗設(shè)備 維氏硬度計。3、試驗過程 試驗溫度為10-35的室溫。先對試樣進(jìn)行加載，載荷保持規(guī)定時間后卸除載荷。用測微目鏡測讀壓痕對角線長度，查表得到試樣的維氏硬度值。沖擊韌性 沖擊載荷在很短時間內(nèi)作用在金屬材料上的載荷稱為沖擊載荷。沖床的沖頭、錘鍛桿、風(fēng)動工具、錘子等，它們都是利用沖擊載荷工作的;而在其他很多情況下，則要盡量避免受到?jīng)_擊載荷的作用，沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于:沖擊載荷加載時間短，加載速率高，應(yīng)力集中，使金 屬材料的變脆傾向增大。因此沖擊載荷對材料的破壞效應(yīng)大于靜載荷。 沖擊

25、韌性 沖擊韌性金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，或者說在斷裂前變形吸收能量的能力叫沖擊韌性，它是金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。金屬材料的沖擊韌性隨加載速度的提高、溫度的降低、應(yīng)力集中程度的加劇而下降。沖擊韌性試驗，就是綜合應(yīng)用較高沖擊速度和缺口試樣的應(yīng)力集中，來測定金屬從變形到斷裂 所消耗的沖擊能量的大小，即韌性的高低。 沖擊韌性 沖擊試驗 工程上常用一次擺錘沖擊試驗來測定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測定試樣在沖擊載荷作用下被折斷而消耗的沖擊吸收能量 K，單位為J（焦耳）。一次擺錘沖擊試驗應(yīng)按金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法（GB/T 2292007）進(jìn)行。 沖擊試樣 標(biāo)準(zhǔn)中沖擊試樣有U形缺口和

26、V形缺口兩種類型。沖擊韌性 一次擺錘沖擊試驗一次擺錘沖擊試驗原理如圖1-5所示，試驗時，將標(biāo)準(zhǔn)試樣置于試驗機(jī)支座上（缺口背向擺 錘沖擊方向），然后把質(zhì)量為m的擺錘抬升到一定高度H1，然后釋放擺錘，沖斷試樣，擺錘沖斷試樣后由于慣性繼續(xù)運動到 H2。沖擊過程中如果忽略各種能量損失（空氣阻力及摩擦等），擺錘的位能損失 mgH1-mgH2= mg（H1-H2）就是沖斷試樣所需要的能量，即試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收能量，用 K表示，并用字母V和U表示缺口的幾何形狀，用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑。例如： KV2表示V形缺口試樣在2mm擺錘刀 刃下的沖擊吸收能量。KU8表示U形缺口試樣在8m

27、m擺錘刀刃下的沖擊吸收能量。 一次擺錘沖擊試驗原理沖擊韌性 沖擊吸收能量越大，材料的韌性越好，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，而將沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料，脆性材料斷裂前無明顯塑性變形，韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形。 對于同一種材料，隨著溫度的降低，韌性材料可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，使韌性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧系臏囟确Q為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度決定了金屬材料的使用溫度。 一次擺錘沖擊試驗測定的沖擊吸收能量 K是一個由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計計算，但是一個重要參考。沖擊韌性 小能量多次沖擊試驗 在工程實際中，承受沖擊

28、載荷的機(jī)件，除了彈殼、裝甲板、石油射孔槍等外，很少因為一次大能量沖擊而遭到破壞，絕大多數(shù)是在小能量多次沖擊作用下而破壞的，如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模的沖頭等。在小能量多次沖擊條件下，材料的破壞是由于多次沖擊損傷積累，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的結(jié)果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。小能量多次沖擊的脆斷主要取決于材料的強(qiáng)度，塑性、韌性處于次要地位。例如，高強(qiáng)度球墨鑄鐵的沖擊吸收能量很 低，但大量用于制造發(fā)動機(jī)中的重要零件曲軸，原因是發(fā)動機(jī)曲軸工作時承受的是小能量多次沖擊，球墨鑄鐵的強(qiáng)度保證了材料的抗破壞能力。因此，對于金屬材料進(jìn)行小能量多次沖擊試驗和研究具有很重要的實用意義。疲勞變動載荷和循環(huán)應(yīng)力變動載荷

29、是指大小、甚至方向隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動應(yīng)力。變動應(yīng)力分為規(guī)則周期變動應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動應(yīng)力。 生產(chǎn)中工件正常工作時其變動應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，循環(huán)應(yīng)力中大小和方向都隨時間發(fā)生 周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力，大小變化而方向不變的循環(huán)應(yīng)力稱為重復(fù)循環(huán)應(yīng)力。 疲勞金屬疲勞金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突 然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂是金屬零件或構(gòu)件在交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力長期作用下由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計在失效的機(jī)械零件或構(gòu)件中，大約有80%以上屬于疲勞破壞。疲勞斷裂與靜載荷和沖擊載荷斷裂相比，具有以

30、下特點: 疲勞是低應(yīng)力斷裂：斷裂應(yīng)力常低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化：應(yīng)力高則壽命短，應(yīng)力低則壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時， 壽命可達(dá)無限長。 疲勞是脆性斷裂：由于疲勞的斷裂應(yīng)力比屈服強(qiáng)度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前，均沒有明顯的塑性變形，它是在長期累積損傷過程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時突然發(fā)生的。由于斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，故疲勞斷裂危險性極大。疲勞疲勞曲線疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。疲勞曲線表明，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值max越大，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)周次越小;反之

31、，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值max越小，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)周次越大。當(dāng)應(yīng)力低于某值時，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，用r表示。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下測定的，對稱彎曲疲勞極限記作-1疲勞曲線疲勞不發(fā)生斷裂的最高應(yīng)力稱為疲勞極限。而對于非鐵金屬、高強(qiáng)度鋼和腐蝕性介質(zhì)作用下的鋼鐵材料，它們的疲勞曲線上沒有水平部分。這類材料的疲勞極限定義為規(guī)定循環(huán)周次不發(fā)生疲勞斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為條件疲勞極限，記作r（N）。一般規(guī)定高強(qiáng)度鋼、部分非鐵金屬的規(guī)定循環(huán)周次取1108，腐蝕性介質(zhì)作用下的鋼鐵材料的規(guī)定循環(huán)周次取1106，鈦合金的規(guī)定循

32、環(huán)周次取1107。疲勞斷裂一般是從工件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷處發(fā)生的，或者是從二者結(jié)合處發(fā)生的。金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有工作條件、表面狀態(tài)、材料本質(zhì)及內(nèi)應(yīng)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀、降低零件表面粗糙度以及采取各種表面強(qiáng)化的方法，都能提高零件的疲勞極限。耐磨性磨損金屬摩擦表面存在相對運動，表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為磨損。磨損通常是有害的，它損傷零件表面，影響機(jī)械設(shè)備性能，并使設(shè)備使用壽命縮短。但磨損也并非全部都是有害的，工程上常利用磨損的原理來減小零件表面的粗糙度，如磨削、 研磨、拋光和跑合等。 磨損過程通常是一個漸進(jìn)的過程，大致可分為

33、三個階段。第一階段是跑合（磨合）磨損階段，在這一階段中，磨損速度由快變慢，而后逐漸減小到一個穩(wěn)定值。第二階段為穩(wěn)定磨損階段，這個階段磨損緩慢，零件以平穩(wěn)而緩慢的磨損進(jìn)入正常工作階段，這個階段的長短即代表零件使用壽命的長短。第三階段，即劇烈磨損階段，此階段的特征是磨損速度急劇增大。耐磨性金屬的耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨損的性能，通常用磨損量的倒數(shù)來表征金屬的耐磨性。磨損量就是在規(guī)定條件下，經(jīng)過規(guī)定時間的磨損后，樣品表面的損耗程度。磨損量越小，耐磨性越好，材料的磨損抗力越大。提高耐磨性的措施 選用互溶性小的材料配對;提高零件表面硬度;控制摩擦滑動速度和接觸應(yīng)力;降低摩擦副表面粗糙度和摩擦表面溫度，

34、改善潤滑狀態(tài)等。金屬材料與熱處理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社主編：王書田“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動化類課程規(guī)劃教材模塊二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)一提到晶體，很多人會想到具有漂亮的外觀、規(guī)則的平面的礦物、綺麗的雪花。晶體雪花 鹽 冰糖 寶石問題提出日常生活中，我們常常能夠看到有規(guī)則外形的固體，冬天在寒冷的玻璃窗上面結(jié)成的冰花、奇妙的雪花；吃的食鹽和冰糖；各種各樣的寶石、玉石、水晶等等，它們都是晶體，這些都是大家熟悉的東西，但是誰會想到炒菜的鐵鍋或者是金屬窗戶以及路上跑的汽車金屬外殼等等也是晶體呢？盡管想不到，但是它們確實是晶體。晶體

35、的基本概念物質(zhì)是由原子、原子團(tuán)、分子和分子團(tuán)這些物質(zhì)微粒構(gòu)成的。根據(jù)物質(zhì)微粒在三維空間排列方式的不同，物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類。自然界的絕大多數(shù)物質(zhì)在固態(tài)下都為晶體，只有少數(shù)為非晶體。晶體是指組成物質(zhì)的微粒在三維空間做有規(guī)則、周期性排列形成的物體。金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體。非晶體是指組成物質(zhì)的微粒在三維空間做無規(guī)則、隨機(jī)性排列形成的物體。晶體的基本概念晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別只是物質(zhì)微粒的排列方式不同，不涉及物質(zhì)的化學(xué)成分和物質(zhì)狀態(tài)，因此，同樣成分的物質(zhì)可以有晶體和非晶體兩種狀態(tài)。此外，如果物質(zhì)的微粒在三維空間做有規(guī)則、周期性排列形成的是液體狀態(tài)，那么這個就是所謂的液晶。 特點：晶體具有

36、規(guī)則的幾何形狀，有一定的熔點，具有各向異性；非晶體則沒有規(guī)則的幾何形狀，沒有固定的熔點，具有各向同性。晶體的基本概念晶格：由于金屬大都是以原子狀態(tài)存在為了便于反映物質(zhì)在固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，可以把晶體中的原子近似地看作一個直徑一定的剛性小球，這樣就可以把晶體結(jié)構(gòu)看成是由剛性小球按一定的幾何形狀有規(guī)律排列而成的。為了更清楚地表示晶體中原子的排列規(guī)律，可以將原子簡化為一個質(zhì)點，并且用假想的線條將各個原子的中心連接起來，這樣就形成了一個能夠抽象的、用于反映原子排列規(guī)律的空間格架，稱為晶格，晶體中原子堆積模型晶格抽象模型示意圖晶體的基本概念晶胞：晶體中原子的排列具有周期性特點，可以從中選取一個能夠完全反映

37、晶格特征的最小的幾何單元來分析晶體中原子的排列規(guī)律，這個能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元稱為晶胞，如圖所示。金屬晶體可以看作是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在三維空間重復(fù)堆積而成的。晶胞示意圖晶體的基本概念晶格常數(shù)：晶胞的大小和形狀通常用晶胞的棱邊長度a、b、c及棱邊夾角、來表示，晶胞的棱邊長度稱為晶格常數(shù)。晶體的基本概念晶面：在晶格中，通過原子中心所構(gòu)成的不同方位上的原子面稱為晶面，晶面指數(shù)：晶面可以用稱為密勒指數(shù)的一些參數(shù)來表示。表示晶面的參數(shù)稱為晶面指數(shù)。立體晶格中某些常用的晶面及晶面指數(shù)晶體的基本概念晶面指數(shù)標(biāo)定方法：設(shè)坐標(biāo)。在晶格中，沿晶胞的互相垂直的三條棱邊設(shè)參考坐標(biāo)軸 X、

38、Y、Z，坐標(biāo)原點O應(yīng)位于待定晶面之外，以免出現(xiàn)零截距。求截距。以晶胞的棱邊長度（晶格常數(shù)）為度量單位，確定待定晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。如圖中待定晶面在 X、Y、Z軸上的截距分別為1、2、。取倒數(shù)。上述截距的倒數(shù)分別為1/1、1/2、1/?；麛?shù)。將上述三個倒數(shù)化為最小的簡單整數(shù)，上述三個倒數(shù)的最小簡單整數(shù)為2、1、0。列括號。將所得各整數(shù)依次列入圓括號（ ）內(nèi)，便得晶面指數(shù)。因此（210）即為圖中待定晶面的晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般表示形式為（ hkl）。如果所求晶面在坐標(biāo)軸上的截距為負(fù)值，則在相應(yīng)的指數(shù)上加一橫線。晶面與晶面指數(shù)示意圖晶體的基本概念晶向：通過原子中心所構(gòu)成的不同方向上的原子列稱

39、為晶向。晶向指數(shù)：晶向也可以用稱為密勒指數(shù)的一些參數(shù)來表示。表示晶向的參數(shù)稱為晶向指數(shù)。立體晶格中某些常用的晶向及晶向指數(shù)晶體的基本概念晶向指數(shù)的標(biāo)定方法:設(shè)坐標(biāo) 在晶格中設(shè)坐標(biāo)軸 X、Y、Z，坐標(biāo)原點O應(yīng)位于待定晶向的直線上。求坐標(biāo)值 以晶胞的晶格常數(shù)為度量單位，在待定的晶向直線上任選一點，并求出該點在 X、Y、Z軸上的坐標(biāo)值。化整數(shù) 將上述三個坐標(biāo)值按比例化成最小的簡單整數(shù)。列括號 將上述所得的各整數(shù)依次列入方括號內(nèi)，便得晶向指數(shù)。晶向指數(shù)通常以 uvw表示。如果坐標(biāo)值為負(fù)，則在相應(yīng)的指數(shù)上加一橫線。晶體的基本概念各向異性：晶體中不同晶面和晶向上原子排列的緊密程度不同，原子間的結(jié)合力大小也

40、就不同，從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，這就是晶體的各向異性各向異性。晶體的這種特性在力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能上都能體現(xiàn)出來，并且在生產(chǎn)中有所應(yīng)用。 金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種：體心立方晶格(bcc)、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格(hcp)。1.體心立方晶格：體心立方晶格的晶胞是一個立方體，立方體的中心有一個原子，八個頂點各排列著一個原子，其晶格常數(shù) a=b=c屬于這種晶格類型的金屬有鉻(Cr)、鎢(W)、釩 (V)、鐵(-Fe)等。體心立方晶胞示意圖金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)2.面心立方晶格:面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，八個頂點和六個面的中心各排列著

41、一個原子，其晶格常數(shù) a=b=c。屬于這種晶格類型的金屬有鐵( Fe)、鋁(Al)、銅(Cu)、 鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。體心立方晶胞示意圖金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)3.密排六方晶格:密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，十二個頂點和上、下面中心各排列著一個原子，六方柱體的中間還有三個原子屬于這種晶格類型的金屬有鎂(Mg)、鋅 (Zn)、鈹(Be)等。密排六方晶胞示意圖金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)晶格類型不同，原子排列的緊密程度不同。衡量緊密程度的一個參數(shù)是致密度，致密度是指晶胞中原子所占體積與晶胞體積的比值。體心立方晶格的致密度為68%，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度為74%。晶格類型發(fā)生變

42、化，金屬的體積和性能也會發(fā)生相應(yīng)的改變。實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的多晶體結(jié)構(gòu)多晶體是指整塊金屬材料包含著許多小晶體，每個小晶體的晶格位向基本一致，但是各個小晶體之間的位向不同，由許多小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體結(jié)構(gòu)。多晶體中的每個外形不規(guī)則的、呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒。多晶體材料中相鄰晶粒的界面稱為晶界。實際金屬是由許多位向不同的晶粒組成的多晶體，所以測不出像單晶體那樣的各向異性，其性能是位向不同的晶粒的平均性能，所以宏觀表現(xiàn)為各向同性，即在各個不同方向的性能基本一致。金屬材料的組織決定了金屬材料的性能。試驗和理論證明，金屬的晶粒越細(xì)，金屬材料在室溫時的強(qiáng)度、硬度就越高，塑性和韌性也越好。

43、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、實際金屬的晶體缺陷前面提到過的晶體結(jié)構(gòu)類型都是理想狀態(tài)下的，實際的金屬不但大多數(shù)是多晶體，而且這些晶體中還存在很多的缺陷，這些缺陷稱為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。按照幾何特征不同，晶體缺陷可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.點缺陷：點缺陷是指在原子尺寸范圍內(nèi)在長、寬、高三個尺寸方向上尺寸都很小的缺陷。最常見的點缺陷有空位、間隙原子和置換原子空位是指在晶格節(jié)點原子所處的位置上沒有原子，而產(chǎn)生空缺位置間隙原子是指在晶格的間隙位置排列了原子置換原子是指外來原子占據(jù)了晶格節(jié)點位置點缺陷的出現(xiàn)使原子間作用力的平衡遭到破壞

44、，促使缺陷周圍的原子發(fā)生靠攏或撐開， 即產(chǎn)生了晶格畸變。晶格畸變將會引起金屬強(qiáng)度、硬度、電阻等性能的變化。 面心立方晶胞示意圖實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.線缺陷：面缺陷是指晶體中在兩個方向上的尺寸很小，在第三個方向上的尺寸很大，呈線狀分布的缺陷。常見的就是各種類型的位錯。位錯是晶體中有一列或者若干列原子發(fā)生了有規(guī)則的錯排現(xiàn)象。位錯有很多種類型，基本類型有刃型位錯和螺型位錯兩種。刃型位錯的特點是:晶體的某一個晶面的上、下兩部分的原子面產(chǎn)生錯排，好像沿著某方位的晶面插入的一個多余的半排原子面（也可以看作少了半排原子面），但又沒有插到底，猶如插入刀刃一般，所以才稱為刃型位錯，多余原子面的底邊稱為刃型位錯線

45、。螺型位錯是晶體上、下兩部分原子面間相對移動了一個原子間距，出現(xiàn)了一個上、下原子面不吻合的過渡區(qū)。實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中位錯的存在會產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，對金屬的力學(xué)性能會產(chǎn)生很大的影響。位錯的存在影響金屬材料的強(qiáng)度。當(dāng)位錯密度很少時的理想晶體，其強(qiáng)度很高當(dāng)位錯密度為中等時，其強(qiáng)度降低當(dāng)位錯密度為較大時，隨著位錯密度的增加，其強(qiáng)度明顯提高。金屬強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.面缺陷：面缺陷是指晶體中在兩個方向上的尺寸很大，在第三個方向上的尺寸很小，呈面狀分布的缺陷。常見的面缺陷是晶界和亞晶界。晶界是晶粒間具有一定寬度的過渡地帶，其原子排列不規(guī)則，是相鄰晶粒間不同位向的過渡區(qū)。晶界的存

46、在對金屬的性能產(chǎn)生重要影響：晶界提高了強(qiáng)度，晶粒越細(xì)，則晶界越多，金屬材料的強(qiáng)度、硬度越高;晶界處的熔點較低;相變時晶界處往往優(yōu)先形成新相晶界容易腐蝕晶界與亞晶界示意圖實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)亞晶及亞晶界：晶體中的晶粒內(nèi)也存在著許多位向差很小的小晶塊，它們之間相互鑲嵌成一顆晶粒。在這些小晶塊的內(nèi)部原子排列的位向是一致的，這些小晶塊稱為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。亞晶界對金屬性能的影響與晶界相似：亞晶界越多，亞晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度越大。 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬往往存在著各種缺陷，在缺陷處及其附近的晶格處于畸變狀態(tài)，使得金屬材料的各種性能產(chǎn)生變化，可使強(qiáng)度、硬度提高，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率下降，

47、化學(xué)活性增加。金屬材料與熱處理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社主編：王書田“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動化類課程規(guī)劃教材模塊三 純金屬的結(jié)晶課題1 結(jié)晶現(xiàn)象課題2 晶體的形核與長大課題3 結(jié)晶的條件課題4 晶粒大小的控制知識準(zhǔn)備一、熱分析法和冷卻曲線熱分析法裝置及冷卻曲線冷卻曲線T0Tn理論結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度T過冷度T= T0 - Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度Tt二、金屬的結(jié)晶現(xiàn)象1、過冷現(xiàn)象從冷卻曲線可知，純金屬的實際結(jié)晶溫度Tn總是低于理論結(jié)晶溫度T0的，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度T0減去實際結(jié)晶溫度T

48、n的差值T稱為過冷度。過冷度T不是一個恒定值，與金屬含的雜質(zhì)、冷卻速度等元素相關(guān)。金屬純度越高，可達(dá)到的過冷度越大，冷卻速度越快，過冷度也越大。過冷度越大，實際結(jié)晶溫度就越低。2、結(jié)晶潛熱金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)吸收的熱量叫熔化潛熱，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)放出的熱量叫結(jié)晶潛熱。如果結(jié)晶潛熱大于向周圍環(huán)境散失的熱量，溫度會上升如果結(jié)晶潛熱等于向周圍環(huán)境散失的熱量，溫度保持不變?nèi)绻Y(jié)晶潛熱小于向周圍環(huán)境散失的熱量，溫度會持續(xù)下降結(jié)晶潛熱的釋放和散失影響結(jié)晶過程。任務(wù)提出液態(tài)金屬是如何形成固態(tài)晶體的呢？結(jié)晶過程是怎樣進(jìn)行的呢？它的微觀過程又是如何進(jìn)行的呢？課題2晶體的形核與長大技能訓(xùn)練實驗一 鹽類結(jié)晶過程觀察

49、1、觀察透明鹽類的結(jié)晶過程及結(jié)晶后的形態(tài)，對不透明金屬的結(jié)晶過程建立感性認(rèn)識。2、觀察具有枝晶的金相圖片、視頻或金屬實物，理解金屬是樹枝狀形態(tài)結(jié)晶的晶體。任務(wù)分析由鹽類結(jié)晶的實驗可以觀察到，結(jié)晶過程是先形成固態(tài)的小顆粒，然后這個小顆粒開始長大，直至完全長大到互相接觸形成完整的晶體為止，這個過程就揭示了結(jié)晶過程是個形核和長大過程。課題2晶體的形核與長大 在理論結(jié)晶溫度以上，這些短程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時出現(xiàn)，瞬時消失，此起彼伏。這種不斷變化著的短程有序原子集團(tuán)稱為結(jié)構(gòu)起伏，或稱為相起伏。只有在過冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏，才有可能在結(jié)晶時轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，因此這些尺寸較大的相起伏被稱為晶胚

50、。.晶體液體結(jié)晶結(jié)晶： 液體 - 晶體凝固： 液體 - 固體（晶體 或 非晶體）液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核長大的過程一、形核過程金屬結(jié)晶首先需要形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)、一定尺寸的固態(tài)小晶體，這個小晶體稱為晶核，然后液態(tài)里的金屬原子不斷向晶核遷移而長大，最后液體消失，形成完整的晶體。晶核的形成方式有兩種：均質(zhì)形核、異質(zhì)形核 。 1、均質(zhì)形核也稱為自發(fā)形核或均勻形核，這種形核方式是由金屬自身的原子按照一定的晶體結(jié)構(gòu)排列形成的晶核。這個晶核只有達(dá)到一定尺寸才能夠長大為晶體，這個一定尺寸的晶核稱為臨界晶核，也就是說，只有晶胚的尺寸大于臨界晶核，才能夠稱為晶核。晶核一旦形成，就在液體里面形成了

51、額外的固體的表面，增加了能量，能量起伏提供了所需的表面能。一定溫度下，液體的整體平均能量不變，但是，在液體的局部微小體積內(nèi)，能量卻此起彼伏，忽大忽小，這種局部能量起伏不定偏離平均能量的現(xiàn)象就是能量起伏現(xiàn)象。2、異質(zhì)形核也稱為非自發(fā)形核或非均勻形核，這種形核方式是由金屬的原子依附于外來固體的表面，按照一定的晶體結(jié)構(gòu)排列形成的晶核。異質(zhì)形核的臨界晶核尺寸與均質(zhì)形核沒有什么不同，但由于依附于外來固體的表面，因此形核所需的表面能可以減少，因此，同等條件下，異質(zhì)形核比均質(zhì)形核要容易。所需要的過冷度也小。實際金屬的結(jié)晶過程中，均質(zhì)形核和異質(zhì)形核是同時存在的，但主要按異質(zhì)形核的方式進(jìn)行。二、長大過程當(dāng)晶核一

52、旦形成，就馬上開始了長大過程。結(jié)晶過程的進(jìn)行依賴于新晶核的不斷產(chǎn)生，更依賴于已有晶核的不斷長大。晶核的長大過程是液相原子不斷地向固相表面的遷移過程。如果只有一個晶核，最后將長大成為單晶體，如果有多個晶核，則長大成為由許多被稱為晶粒的小單晶體組成的多晶體。晶體的長大有平面長大和樹枝狀長大兩種方式1、平面長大在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體以其表面向前平行推移的方式長大。除了亞金屬Sb、Si等和合金中一些金屬間化合物，平面長大方式在實際金屬結(jié)晶中比較少見2.樹枝狀長大在冷卻速度較大的情況下，特別是存在有雜質(zhì)時，金屬晶體往往以樹枝狀的方式長大。由于液固界面前沿的液體中過冷度較大，晶體優(yōu)先沿過冷度較

53、大方向生長出空間骨架，形同樹干，稱為一次晶軸。在一次晶軸增長和變粗的同時，其上會出現(xiàn)很多凸出尖端，它們長大成為枝干，稱為二次晶軸。對一定的晶體來說，二次晶軸與一次晶軸有確定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。二次晶軸生長到一定程度后，又在它上面長出三次晶軸，如此不斷地成長和分枝，形成如樹枝狀的骨架，稱為樹枝晶。實際金屬結(jié)晶時，一般都以樹枝狀方式長大，得到樹枝晶。每一個枝晶長成為一個晶粒，當(dāng)所有的枝晶都嚴(yán)密地對接起來，液相消失時，就分不出樹枝狀了，只能看到各個晶粒的邊界。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：鐵的冷卻曲線Tt1

54、5381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770鐵磁性結(jié)晶必須具備一定條件才能夠進(jìn)行熱力學(xué)條件：有一定的過冷度結(jié)構(gòu)條件：相起伏或結(jié)構(gòu)起伏能量條件：能量起伏形核條件：晶胚尺寸大于臨界晶核課題3 結(jié)晶的條件任務(wù)提出：細(xì)小晶粒的金屬具有更高的力學(xué)性能，晶粒越細(xì)小，晶界就越多，材料的強(qiáng)度、硬度就越高，現(xiàn)在我們也已經(jīng)知道金屬結(jié)晶所具備的條件，那么我們?nèi)绾瓮ㄟ^具體的方法來得到細(xì)小的晶粒呢？任務(wù)分析：任務(wù)提出的問題，實際上就是如何通過理論知識來指導(dǎo)實踐的問題，也就是說，如何利用結(jié)晶知識，控制結(jié)晶條件得到細(xì)小的晶粒，從而在材料不變的條件下獲得更高的力學(xué)性能。課題4 晶粒大小的控制1、影響晶

55、粒大小的因素通過細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化形核率N ：單位時間單位體積液體內(nèi)形成晶核的數(shù)目。形核率越大，單位體積中晶核數(shù)目越多，每個晶核長大的空間越小，因而長成的晶粒越細(xì)小。長大速度G ：液固界面向前移動的速度。長大速度越快，則晶粒越粗大。晶粒的大小取決于形核率和長大速度之比，N/G比值越大，晶粒越細(xì)小，反之則越粗。 隨著T增大，N和G都會增大，但增速不同，N大于G。在一定的T范圍內(nèi)， T越大，N/G值越大，晶粒越細(xì)小。當(dāng)T增大到一定值后，N和G都會下降。凡能促進(jìn)形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒形核率NN G過冷度T長大速度G2、細(xì)化晶粒的方法增大過冷度：增大過冷度的主要方法之一是提

56、高金屬熔液冷卻速度。加入變質(zhì)劑(孕育劑、形核劑)：用以增加異質(zhì)晶核數(shù)量或阻礙晶核長大。在鋁合金中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金，都可使晶粒細(xì)化。振動、攪動：對即將凝固的金屬進(jìn)行振動或攪動，使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的?？梢圆捎脵C(jī)械、超聲波、電磁等方法振動或攪拌來細(xì)化晶粒。相變細(xì)化：利用金屬在固態(tài)下發(fā)生相變的方法來細(xì)化晶粒，因為只要發(fā)生相變，就會有新相晶核的形成與長大過程，控制這個過程，就能夠細(xì)化固態(tài)金屬的晶粒。塑性變形細(xì)化：塑性變形可以迫使原有的晶粒發(fā)生破碎和變形，形成亞結(jié)構(gòu)，從而細(xì)化了晶粒，當(dāng)冷變形金屬在加熱的時候，發(fā)生再結(jié)晶，通過控制

57、再結(jié)晶也可以細(xì)化晶粒。 知識拓展一、鑄錠的結(jié)晶二、焊縫的結(jié)晶一、鑄錠的結(jié)晶在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬是在鑄錠模或鑄型中凝固的，前者得到鑄錠，后者得到鑄件。冶煉后的液態(tài)金屬及其合金，除少數(shù)直接鑄成鑄件外，絕大部分要先鑄成鑄錠，然后再進(jìn)行軋制，制成各種型材。鑄錠的組織和質(zhì)量，不但影響到它的壓力加工性能，還影響到壓力加工后的金屬材料的組織和性能。1、三晶區(qū)的形成鑄錠的宏觀組織分為外表層的細(xì)晶區(qū)、中間的柱狀晶區(qū)和心部的等軸晶區(qū)。1細(xì)晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3等軸晶區(qū)鑄錠三晶區(qū)示意圖表面細(xì)等軸晶區(qū) 液體金屬注入錠模時，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時模壁也能起非自發(fā)晶核的

58、作用。結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)中間柱狀晶區(qū) 細(xì)晶區(qū)形成的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷 卻速度降低，過冷度減小， 生核速率降低，但此時長大 速度受到的影響較小。結(jié)晶時，優(yōu)先長大方向（即一次 晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方 向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。心部粗等軸晶區(qū) 隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻化；散熱逐漸失去方向性，所以在某個時候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大，最后形成一個粗大的等軸晶區(qū)

59、。2、鑄錠結(jié)晶的控制影響鑄錠結(jié)晶的主要是合金的成分、澆注條件等因素，控制這些因素就可以改變?nèi)^(qū)的相對厚度和晶粒大小，甚至于可以得到只有兩個晶區(qū)或一個晶區(qū)組成的鑄錠。提高液體的過熱度、提高澆注溫度、增加鑄錠模冷卻能力、不附加振動和攪拌等措施，均有利于形成柱狀晶。反之，利于形成等軸晶。二、焊縫的結(jié)晶焊接熔池一般比較小，熱容量較小，且周圍被散熱快的冷金屬包圍，因此，焊縫的冷卻速度非?？欤^冷度很大。焊接過程中，焊接熔池隨著焊接熱源的移動而移動，使熔池金屬在動態(tài)下結(jié)晶，同時加上熱源對熔池金屬的攪拌作用，易于獲得致密的、性能較好的結(jié)晶組織。焊接熔池金屬的溫度很高，使得外來雜質(zhì)熔化，減少了熔液異質(zhì)形核的

60、數(shù)目，同時，熔池母材又提供了異質(zhì)形核的基底，故此，焊縫結(jié)晶將直接在母材金屬晶粒上面長大，成為垂直于熔池與母材間熔合線向焊縫中心發(fā)展的柱狀晶。小結(jié)金屬的結(jié)晶包含形核與長大兩個過程。結(jié)晶首先必須得形成晶核，形核方式有均質(zhì)形核和異質(zhì)形核兩類，異質(zhì)形核相對容易一些。純金屬結(jié)晶過程需要滿足過冷度、相起伏、大于臨界晶核和能量起伏這些條件，如果一個條件不滿足，則結(jié)晶過程是不能夠進(jìn)行的。金屬結(jié)晶后的形態(tài)是樹枝晶，當(dāng)所有的枝晶都嚴(yán)密地對接起來，液相消失時，就分不出樹枝狀了，只能看到各個晶粒的邊界。因此，金屬一般是多晶體。金屬晶粒的大小對金屬材料的性能產(chǎn)生重要的影響，可以通過控制形核率和長大速度來控制晶粒大小，具