金屬學(xué)第一次課

1、1第1頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理2什 么 是 “金屬學(xué)”學(xué)習(xí)“金屬學(xué)與熱處理” 有什么用？什 么 是 “熱處理”？第2頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理3什 么 是 “金屬學(xué)” ？ 研究金屬及其合金的組成、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,以及在各種條件下的變化規(guī)律,為有效地使用金屬材料和為發(fā)展具有特定性能的金屬材料而服務(wù)的一門應(yīng)用科學(xué)。 它是從冶金學(xué)的一個(gè)分支金相學(xué)直接演變而來的。 金屬學(xué)一詞,在中國(guó)始見于50年代初,是從俄文“”翻譯過來的科學(xué)內(nèi)容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相

2、當(dāng)。1、金屬學(xué)的概念：答：第3頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理4二、金屬學(xué)的發(fā)展過程19世紀(jì)，冶金學(xué)在生產(chǎn)力蓬勃發(fā)展的推動(dòng)下也得到了重視 1863年英國(guó)人索比(H.C.Sorby)發(fā)明了金相技術(shù)，為研究合金中的相組成和顯微組織提供了有力工具。1868年俄國(guó)人切爾諾夫(.) 觀察到鋼必須加熱到超過某個(gè)臨界溫度才能淬火硬化，揭示了相變的存在和作用。1887年法國(guó)人奧斯蒙(F.Osmond)利用差熱分析方法系統(tǒng)地研究了鋼的相變。1899年英國(guó)人羅伯茨奧斯汀(W.Roberts-Austen)指出鋼在臨界溫度以上的相是固溶體，并繪制出第一張鐵碳相圖。1900年德

3、國(guó)人巴基烏斯-洛茲本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在此基礎(chǔ)上應(yīng)用吉布斯(J.W.Gibbs)相律修訂了鐵碳相圖。相圖的出現(xiàn),是金屬學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑。 第4頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理5二、金屬學(xué)的發(fā)展過程 1930年美國(guó)人貝茵(E.C.Bain)和達(dá)文波特(E.S.Davenport) 研究鋼中奧氏體在不同恒溫條件下的轉(zhuǎn)變過程及其產(chǎn)物，創(chuàng)造了S曲線，后來改稱C曲線(見過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖)，闡明了鋼的熱處理的一般原理。 X射線衍射的應(yīng)用搞清楚了分析各種合金相結(jié)構(gòu)包括馬氏體的結(jié)構(gòu)及其與碳含量的關(guān)系、金屬冷加工形變及其在退火過程中的擇優(yōu)取向

4、 、鋁銅合金的時(shí)效硬化機(jī)理 ； 1934年位錯(cuò)理論的提出，不但成功地指出了材料實(shí)際強(qiáng)度和理論強(qiáng)度相差千百倍的原因，而且正確地說明了金屬的形變和加工硬化現(xiàn)象。 電子顯微鏡的應(yīng)用以及薄膜透射技術(shù)的成功及衍襯理論的建立，對(duì)金屬的微觀結(jié)構(gòu)如位錯(cuò)的存在和運(yùn)動(dòng)等研究，提供了有力的工具，從而使金屬學(xué)中很多關(guān)鍵問題得以澄清； 第5頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理6三、金屬學(xué)研究?jī)?nèi)容 金屬學(xué)是以金屬電子論、晶體學(xué)及合金熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，依靠物理、化學(xué)的微觀和宏觀檢測(cè)技術(shù)來研究金屬及其合金的。聯(lián)系成分、處理過程對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律。聯(lián)系

5、金屬材料的使用，研究材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和斷裂行為；研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等；研究金屬的強(qiáng)化原理。 第6頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理7什 么 是 “熱處理”？1、熱處理的概念： 對(duì)固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的加工方法。 金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。 為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、

6、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。答：第7頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理8二、熱處理的發(fā)展過程： 在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。 公元前770至前222年，中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。 公元前六世紀(jì)，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。 隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)

7、現(xiàn)淬冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。 第8頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理9二、熱處理的發(fā)展過程： 1863年，英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變，鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。 18501880年，對(duì)于應(yīng)用各種氣體（諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等）進(jìn)行保護(hù)加熱曾有一系列專利。 18891890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。 二十世紀(jì)以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)

8、的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。第9頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理10學(xué)習(xí)“金屬學(xué)與熱處理” 有什么用？很 有 用 ！答：第10頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理11材料成型與控制專業(yè)課程之：教材說明： 教材是重要的參考書之一，不是的學(xué)習(xí)的唯一參考書； 教材是我們學(xué)習(xí)的重要工具，不是學(xué)習(xí)對(duì)象。我們要學(xué)的是什么？是金屬學(xué)是熱處理是這門技術(shù)！所以第11頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四12金屬學(xué)與熱處理第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二章 純金屬的結(jié)晶第三章 二元合金的相圖與結(jié)晶第四章 鐵碳合

9、金第五章 三元合金相圖第六章 金屬及合金的塑性變形與斷裂第七章 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶第八章 擴(kuò)散第九章 鋼的熱處理原理第十章 鋼的熱處理工藝第十一章 工業(yè)用鋼第十二章 鑄鐵第十三章 有色金屬及合金課程簡(jiǎn)介：目錄：金屬學(xué)熱處理工程材料第12頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四13金屬學(xué)與熱處理課程簡(jiǎn)介：1、課程性質(zhì) : 材料成型與控制專業(yè)的一門主干專業(yè)技術(shù)課，是 一門實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的課程。2、課程要求： 掌握金屬材料的化學(xué)成分、組織、性能三者之間的關(guān)系及一般規(guī)律的基本知識(shí)；初步具有正確應(yīng)用熱處理原理進(jìn)行金屬材料熱處理強(qiáng)化和性能測(cè)試的能力；熟悉工業(yè)中常用工程材料的牌號(hào)

10、、成分、性能和用途，初步具有正確選材、設(shè)計(jì)和改進(jìn)工藝的能力。 第13頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理14第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 金屬第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第14頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四15金屬學(xué)與熱處理第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本要求： 1、了解金屬的特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，金屬鍵,金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)。2、掌握晶向及晶面指數(shù)，晶體的各向異性。3、掌握金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。4、了解多晶體結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu),晶體的缺陷。重點(diǎn)：常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)，晶體的缺陷。 難點(diǎn)：金屬鍵、晶體的亞

11、結(jié)構(gòu)第15頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理16第一節(jié) 金 屬 金屬的概念一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、金屬鍵三、結(jié)合力和結(jié)合能第16頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四17金屬學(xué)與熱處理什么是“金屬”？第一節(jié) 金 屬* 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；* 金屬光澤；* 良好的延展性(塑性)；* 不透明金屬的性質(zhì)：銻鈰鐠但是金屬的定義：金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。t=0 (1+T)（某些純金屬在絕對(duì)零度附近的超導(dǎo)電性）第17頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四18金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、最外

12、層電子數(shù)量少；2、過渡族元素在次外層電子未填滿的情況下，最外層就先填充了電子。第18頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四19金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬二、金屬鍵結(jié)合鍵強(qiáng), 具飽和性較高硬度結(jié)合鍵極強(qiáng)、方向性很高硬度、無塑性離子鍵：同一分子的不同部位或不同分子上的正負(fù)電荷基團(tuán)之間所形成的化學(xué)鍵。 共價(jià)鍵：原子間通過共享電子所形成的化學(xué)鍵。第19頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四20金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬二、金屬鍵金屬鍵： 由自由電子及排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力組合而成 的化學(xué)鍵。特點(diǎn)：1、電子為整個(gè)原子基體所共有；2、沒有飽和性和

13、方向性解釋固態(tài)金屬的特性第20頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四21金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬三、結(jié)合力和結(jié)合能1）當(dāng)兩原子間距離達(dá)到一定值的時(shí)候，發(fā)生作用力；2）吸引力是長(zhǎng)程力，排斥力是短程力；3）存在一平衡位置，此時(shí)結(jié)合力為零；4、）最大結(jié)合力對(duì)應(yīng)著金屬的理論抗拉強(qiáng)度；5）不同的金屬，原子的最大結(jié)合力也不同；1、結(jié)合力第21頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四22金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬三、結(jié)合力和結(jié)合能1）結(jié)合能最低，原子的勢(shì)能最低，也就最穩(wěn)定；2）原子有力圖回到低能狀態(tài)，恢復(fù)到平衡位置的傾向；3）EAB(原子間的結(jié)合能或鍵能)決定了金

14、屬的熔點(diǎn)和線膨脹系數(shù)；4）離子和原則在各自的平衡位置上以其平衡位置為中心做微弱的熱振動(dòng)；1、結(jié)合能第22頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四23金屬學(xué)與熱處理第一節(jié) 金 屬小結(jié)：金屬的定義一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、金屬鍵金屬鍵的特點(diǎn)，用金屬鍵來解釋固態(tài)金屬的一些特性。三、結(jié)合力和結(jié)合能第23頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理24第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體的概念一、晶體的特性二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)四、晶向指數(shù)與晶面指數(shù)五、晶體的各項(xiàng)異性六、多晶型性第24頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期

15、四25金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體的概念 原子（離子、分子等）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。 通常固態(tài)金屬與合金都是晶體 大部分陶瓷、少數(shù)高分子材料。 原子（離子、分子等）在三維空間無規(guī)則排列的物質(zhì)稱為非晶體 玻璃、多數(shù)高分子材料等第25頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四26金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的特征1、晶態(tài)是熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)，而非晶態(tài)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)。理論上固態(tài)物體均應(yīng)形成晶態(tài)，但當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件不具備時(shí)，可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。 長(zhǎng)時(shí)間保溫 玻璃 “晶態(tài)玻璃” 金屬極快速凝固 “金屬玻璃” 第26頁，共44頁，2022

16、年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四27金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的特征3、晶體具有明顯、固定的熔點(diǎn)，伴有體積與性能的突變。4、 晶體有各向異性， 非晶體則各向同性2、晶體中原子等質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則排列的，非晶體中質(zhì)點(diǎn)是無規(guī)則堆積在一起的 二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖 a 晶態(tài)b 非晶態(tài)第27頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四28金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣 原子（離子、分子等）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。規(guī)則不同，晶體結(jié)構(gòu)則不同晶體中原子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式陣點(diǎn)空間點(diǎn)陣晶格第28頁，共44頁，2022

17、年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四29金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣 原子（離子、分子等）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。晶胞：晶格中能夠放映晶體特征的最?。ㄆ叫辛骟w）的幾何單元。XYZabc晶格常數(shù)：晶胞的菱邊a、b、c軸間夾角：晶胞的菱間夾角第29頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四30金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣千千萬萬晶體空間點(diǎn)陣只有14種類型（布拉菲點(diǎn)陣）7個(gè)晶系第30頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四金屬學(xué)與熱處理31晶系晶胞參數(shù)關(guān)系點(diǎn)陣名稱陣點(diǎn)坐標(biāo)三

18、斜 (triclinic)abc 90o簡(jiǎn)單三斜0,0,0單斜(monoclinic)abc =90o簡(jiǎn)單單斜底心單斜0,0,00,0,0 1/2,1/2 ,0斜方（正交）(orthorhombic)abc =90o簡(jiǎn)單斜方體心斜方底心斜方面心斜方0,0,00,0,0 1/2,1/2 ,1/20,0,0 1/2,1/2 ,00,0,0 1/2,1/2,0 1/2,0,1/20,1/2 ,1/2四方（正方）(tetragonal)a=bc =90o簡(jiǎn)單四方體心四方0,0,00,0,0 1/2,1/2,1/2立方(cubic)a=b=c =90o簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方0,0,00,0,0 1/2

19、,1/2 ,1/20,0,0 1/2,1/2 ,0 1/2,0,1/2 0,1/2 ,1/2三方（菱方）(rhombohedral)a=b=c =90o簡(jiǎn)單三方0,0,0六方(hexagonal)a=b=dc (a=bc) =90o=120o簡(jiǎn)單六方0,0,0布拉菲點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)特征第31頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四32金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣千千萬萬晶體空間點(diǎn)陣只有14種類型（布拉菲點(diǎn)陣）7個(gè)晶系三種類型：體心立方、面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)-Fe、W、V、Mo-Fe、Cu、Al、Au、Ag 等C（石墨）、Mg、Zn 等第32頁

20、，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四33金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣1、體心立方bcc晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑r：致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3致密度：0.682（配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一個(gè)原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目）第33頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四34金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣2、面心立方fccXYZabc密排方向晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：4原子半徑r：致密度：0.74第34頁，

21、共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四35金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣3、密排六方hcp晶格常數(shù):底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子:6原子半徑r：a/2致密度：0.74第35頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四36金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體中的原子堆棧方式及間隙最緊密堆積原理：1、晶體中的原則堆棧方式 晶體中各離子間的相互結(jié)合，可以看作是球體的堆積。球體堆積的密度越大，系統(tǒng)的勢(shì)能越低，晶體越穩(wěn)定。即球體最緊密堆積原理。適用于：典型的離子晶體和金屬晶體。第36頁，共44頁，2

22、022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四37金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體中的原子堆棧方式及間隙1、晶體中的原原子堆棧方式質(zhì)點(diǎn)堆積方式： 根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的大小不同，球體最緊密堆積方式分為等徑球和不等徑球兩種情況。 在平面上每個(gè)球與6個(gè)球相接觸，形成第一層（球心位置標(biāo)記為A）等徑球最緊密堆積： 每3個(gè)彼此相接觸的球體之間形成1個(gè)弧線三角形空隙,每個(gè)球周圍有6個(gè)弧線三角形空隙。 六個(gè)空隙是不同，分兩種形式第37頁，共44頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)23分，星期四38金屬學(xué)與熱處理第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體中的原子堆棧方式及間隙等徑球最緊密堆積：一種： 放上原子后，該原子與A層原子原子