金屬材料與制造工藝

金屬材料與制造工藝第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四緒論金屬的性能有很大的差異,主要原因是材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)不同所致：

相同組元、不同成分（鋼與鑄鐵、低碳鋼與高碳鋼）

相同成分而不同狀態(tài)（室溫下與加熱到桔紅色時(shí)）了解金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),對合理選材及制定加工工藝是十分必要的。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第五節(jié)合金的結(jié)晶學(xué)習(xí)目標(biāo)

認(rèn)識常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)特征

了解結(jié)晶的過程和現(xiàn)象

準(zhǔn)確理解和認(rèn)識同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象學(xué)習(xí)重點(diǎn)

金屬的晶體結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)難點(diǎn)

金屬的結(jié)晶及狀態(tài)圖的建立第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、晶體與非晶體區(qū)別晶體:有固定的熔點(diǎn)。

內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列。

（食鹽、金剛石等,純金屬及合金）非晶體:內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積。

（玻璃、瀝青等）

注:常用固態(tài)金屬都是晶體。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶體結(jié)構(gòu):指晶體中原子排列的方式。晶格:描述原子再晶體中排列形式的空間幾何格子。晶胞:組成晶格的最小幾何單元。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四常見金屬晶格類型晶格類型體心立方面心立方密排六方晶胞空間形態(tài)立方體立方體正六方柱體原子空間位置八個(gè)頂角及中心各1個(gè)八個(gè)頂角及六個(gè)平面中心各1個(gè)12個(gè)頂角及上、下面中心各1,柱體中心3個(gè)典型金屬Cr、W、α-FeAu、Ag、Al、γ-FeZn、Mg、Be第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)常見金屬晶格類型二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶格類型體心立方面心立方密排六方晶胞空間形態(tài)立方體立方體正六方柱體原子空間位置八個(gè)頂角及中心各1個(gè)八個(gè)頂角及六個(gè)平面中心各1個(gè)12個(gè)頂角及上、下面中心各1,柱體中心3個(gè)典型金屬Cr、W、α-FeAu、Ag、Al、γ-FeZn、Mg、Be第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶粒:晶體學(xué)上位向相同的晶體。晶界:兩晶粒之間的交界。單晶體:晶格的位向一致。多晶體:由許多晶粒組成的晶體。

注:實(shí)際使用金屬材料幾乎都是多晶體。

用特定方法也可獲得單晶體。(低溫、高壓下獲得單晶硅)第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四特點(diǎn):三維空間尺寸都很小的晶體缺陷。類型:空位、間隙原子、置換原子。應(yīng)用:解釋合金的強(qiáng)度高于純金屬，熱處理。四、實(shí)際金屬的晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四特點(diǎn):三維空間的兩個(gè)方向尺寸很小的晶體缺陷。類型:刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)。應(yīng)用:解釋實(shí)際金屬的強(qiáng)度、硬度高于理論推算值。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實(shí)際金屬的晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四特點(diǎn)：三維空間的兩個(gè)方向尺寸較大的晶體缺陷。類型：晶界。應(yīng)用：冷變形強(qiáng)化(冷做硬化)：強(qiáng)化金屬的重要手段。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實(shí)際金屬的晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)純金屬的結(jié)晶一、冷卻曲線與過冷度二、金屬的結(jié)晶過程三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能影響結(jié)晶:晶體由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。掌握結(jié)晶的基本規(guī)律是非常必要的。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四(a)以極緩慢速度冷卻(b)實(shí)際冷卻條件下冷卻純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線T0﹍理論結(jié)晶溫度Tn﹍實(shí)際結(jié)晶溫度

一、冷卻曲線與過冷度冷卻曲線:采用熱分析法制作溫度-時(shí)間曲線。過冷度:

△T=T0-Tn金屬結(jié)晶的必要條件:必須在一定的過冷度下進(jìn)行。第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、金屬的結(jié)晶過程形成晶核:當(dāng)達(dá)到結(jié)晶溫度時(shí),形成些極細(xì)小微晶體。晶核長大:隨著時(shí)間的推移,已形成的晶核不斷長大。

注:形成晶核和晶核長大這兩個(gè)過程同時(shí)交替進(jìn)行的。純金屬結(jié)晶過程示意圖第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四三、結(jié)晶后的晶粒大小對金屬力學(xué)性能影響對金屬力學(xué)性能影響:晶粒愈細(xì)小,材料力學(xué)性能愈好。影響晶粒大小的因素:形核率和晶核長大速度。細(xì)化晶粒的方法增加過冷度:冷卻速度越大,△T越大,金屬實(shí)際結(jié)晶溫度越低。變質(zhì)處理:形成非自發(fā)晶核。(鋼液中加入Al、V、B等)機(jī)械振動:超聲波振動、電磁振動、攪拌。(冰激凌生產(chǎn))

第二節(jié)純金屬的結(jié)晶第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象:鋼鐵在室溫時(shí),具有較高強(qiáng)度和硬度而塑性較差;當(dāng)熱到桔紅色時(shí),塑性變好而硬度下降。研究:大多數(shù)的金屬在固態(tài)下的晶格類型不會發(fā)生變形。但象鐵、錳、鈦等少數(shù)金屬材料在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻時(shí)晶格類型還會發(fā)生變化。

第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1、研究（以純鐵的結(jié)晶為例）2、定義金屬在固態(tài)下，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是由一種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固態(tài)。也是由晶核形成和晶核長大兩個(gè)基本過程來完成。轉(zhuǎn)變時(shí)也有過冷(過熱)現(xiàn)象,具有較大過冷度。轉(zhuǎn)變過程中常伴有金屬體積的變化。三、鋼鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵的一個(gè)重要特征。是鋼鐵進(jìn)行熱處理、鍛造等的理論依據(jù)。第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四純金屬使用局限性:性能較差,價(jià)格昂貴等。合金優(yōu)越性

改變成分:獲得特定的物理、化學(xué)性能。(不銹鋼)

調(diào)整組織:提高工藝性能和使用性能。(熱處理)

更經(jīng)濟(jì):大多數(shù)合金比純金屬力學(xué)性能好、價(jià)格低。

第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、基本概念合金:由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元:是組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元。合金系:若干組元按不同比例配制而成的一系列成分不同的合金。相:在一個(gè)合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能、與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的部分。組織:用金相觀察方法,看到金屬及合金內(nèi)部組成關(guān)系的構(gòu)造情況。第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、合金的晶體結(jié)構(gòu)(固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物)1、固溶體合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑,仍保持溶劑晶格。分類:置換固溶體(無限和有限兩種)、間隙固溶體。應(yīng)用:固溶強(qiáng)化﹍基體金屬(溶劑)的強(qiáng)度、硬度升高。第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)(a)溶質(zhì)小于溶劑原子(b)溶質(zhì)大于溶劑原子形成置換固溶體時(shí)晶格的畸變(a)置換固溶體(b)間隙固溶體固溶體的兩種類型第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的晶體結(jié)構(gòu)(固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物)2、金屬化合物可用分子式表示。(Fe3C、CuZn)在合金中是一相。特點(diǎn)：硬而脆。3、機(jī)械混合物是多相組織，各相均保持各自的晶格類型。性能介于各組成相之間，與組成各相的多少有關(guān)。大多數(shù)工程材料都是機(jī)械混合物的組織狀態(tài)。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的晶體結(jié)構(gòu)(固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物)1、固溶體固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。

2、金屬化合物可用分子式表示。(Fe3C)在合金中是一相。特點(diǎn)：硬而脆。3、機(jī)械混合物是多相組織,各相均保持各自的晶格類型。性能介于各組成相之間。大多數(shù)工程材料都是機(jī)械混合物的組織狀態(tài)。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶仍是由形核和長大兩過程交替進(jìn)行完成的。合金的結(jié)晶過程比純金屬要復(fù)雜的多。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、合金相圖的建立

①在△T≌0條件下,采用熱分析法。圖一圖二圖三圖四合金的組別1234合金成分/﹪（質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu10060400Ni04060100結(jié)晶開始溫度/℃1083129513681452結(jié)晶終止溫度/℃1083118512381452第五節(jié)合金的結(jié)晶第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖第五節(jié)合金的結(jié)晶一、合金相圖的建立②將T-t圖上相變點(diǎn)投影到T-wMe﹪圖上,將意義相同點(diǎn)連成線。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四Cu-Ni二元合金相圖第五節(jié)合金的結(jié)晶一、合金相圖的建立

③相圖組成:二線(固相、液相)、三區(qū)(L、L＋α、α)第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四Cu：100﹪Cu：60﹪Cu：40﹪Cu：0﹪Ni：0﹪Ni：40﹪Ni：60﹪Ni：100﹪第五節(jié)合金的結(jié)晶二、合金結(jié)晶與純金屬結(jié)晶的不同之處①純金屬結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行(一個(gè)臨界點(diǎn)),絕大多數(shù)合金是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶(有兩個(gè)結(jié)晶點(diǎn))。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)合金的結(jié)晶二、合金結(jié)晶與純金屬接近的不同之處②合金結(jié)晶過程中,局部范圍內(nèi)化學(xué)成分(濃度)是變化的,但結(jié)晶結(jié)束后整體化學(xué)成分不變。第29頁