《材料與凝固》課件

材料與凝固本課件旨在深入探討材料的凝固過程，從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能。課程目標(biāo)材料基礎(chǔ)知識了解材料的分類、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用凝固過程原理掌握金屬凝固過程的熱力學(xué)基礎(chǔ)和微觀組織控制金屬材料加工學(xué)習(xí)鑄造、鍛造、熱處理等加工工藝及應(yīng)用材料性能優(yōu)化掌握材料性能改善和失效分析方法什么是材料？金屬堅固耐用，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電子等領(lǐng)域。木材可再生資源，用于建造房屋、家具和紙張。塑料合成材料，具有輕便、耐腐蝕等優(yōu)點。材料的主要組成1化學(xué)元素材料由各種化學(xué)元素組成，例如鐵、鋁、銅、碳等。2化合物不同元素通過化學(xué)鍵結(jié)合形成化合物，例如氧化物、碳化物、氮化物等。3混合物材料也可以是多種元素或化合物的混合物，例如合金、陶瓷等。金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)主要由其原子排列方式?jīng)Q定，包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)。常見的金屬材料都具有晶體結(jié)構(gòu)，即原子以規(guī)則的排列方式在空間中形成晶格。晶體結(jié)構(gòu)對金屬材料的性能影響巨大，如強度、硬度、塑性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬材料中原子以規(guī)則的方式排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)包括面心立方(FCC)、體心立方(BCC)和密排六方(HCP)。晶體結(jié)構(gòu)決定了金屬材料的許多物理和機械性能，例如強度、延展性、硬度和熔點。晶粒結(jié)構(gòu)多晶體材料是由許多大小、形狀不規(guī)則的晶粒組成的，這些晶粒之間存在著晶界。晶界是晶粒之間的過渡區(qū)域，其原子排列不規(guī)則，具有較高的能量和活性。晶粒大小對材料的性能有重要影響。一般來說，晶粒越細，材料的強度、硬度、韌性等機械性能越好，但塑性、延展性等性能會下降。晶格缺陷點缺陷點缺陷是晶格中原子排列的局部偏差，例如空位和間隙原子。線缺陷線缺陷是晶格中原子排列的一維偏差，例如位錯。面缺陷面缺陷是晶格中原子排列的二維偏差，例如晶界和孿晶界。擴散機制1原子遷移原子在晶格中移動，從一個位置到另一個位置2空位機制原子通過空位移動，形成空位和填補空位3間隙機制原子通過間隙位置移動，形成間隙原子擴散機制是原子在固體材料中遷移的過程。這對于材料的許多性質(zhì)，例如熱處理和金屬合金的形成至關(guān)重要。擴散通常發(fā)生通過原子遷移，原子從一個位置到另一個位置。原子遷移可以通過空位機制或間隙機制發(fā)生。液相凝固概述從液態(tài)到固態(tài)液相凝固是指金屬或合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶過程凝固過程中，金屬原子會逐漸排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)?？刂埔蛩啬踢^程受溫度、冷卻速率、成分等因素影響。凝固過程的熱力學(xué)基礎(chǔ)自由能變化凝固過程涉及液相向固相的轉(zhuǎn)變，伴隨自由能的降低。過冷度液相在低于熔點溫度下才開始凝固，該溫度差稱為過冷度。形核與長大凝固過程包含形核和晶體長大兩個階段，形核是形成新的晶核，長大是晶核不斷長大。純金屬的凝固1晶核形成液態(tài)金屬中出現(xiàn)固態(tài)晶體2晶體生長晶核逐漸長大，形成固態(tài)金屬3凝固完成整個液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)合金的凝固1液相線合金完全液態(tài)時的溫度。2固相線合金完全固態(tài)時的溫度。3凝固區(qū)間液相線和固相線之間的溫度范圍。4初生相在凝固過程中首先析出的固相。5共晶相在凝固過程中同時析出的兩種或多種固相。共晶體系的凝固成分均勻共晶體系在凝固過程中，液相中的金屬原子以均勻的速度排列成晶體結(jié)構(gòu)。溫度一致共晶體系在凝固過程中，液相的溫度保持恒定，直到所有液相完全凝固。晶體形狀共晶體系的固態(tài)組織通常呈層狀或片狀，由兩種或多種金屬的晶體相互交織而成。共晶體系的組織層狀共晶組織共晶合金中兩種固相以平行層狀結(jié)構(gòu)生長桿狀共晶組織共晶合金中兩種固相以桿狀結(jié)構(gòu)生長球狀共晶組織共晶合金中兩種固相以球狀結(jié)構(gòu)生長過共晶體系的凝固1過共晶合金過共晶合金是指其成分超過共晶點，即其中金屬的含量高于共晶點對應(yīng)的成分。2凝固過程過共晶合金在凝固過程中，首先析出的是過量的金屬相，然后形成共晶結(jié)構(gòu)。3組織結(jié)構(gòu)過共晶合金的組織結(jié)構(gòu)主要由過量金屬相和共晶結(jié)構(gòu)組成，且過量金屬相包裹著共晶結(jié)構(gòu)。鑄造工藝概述將熔融金屬澆入模具中，冷卻凝固成型砂型鑄造、金屬型鑄造、消失模鑄造等鑄件加工，去除毛刺，提高尺寸精度鑄件缺陷及其防治常見的鑄件缺陷鑄件缺陷是指在鑄造過程中由于工藝因素或材料因素造成的缺陷。常見的鑄件缺陷包括氣孔、縮孔、裂紋、冷隔、砂眼等。鑄件缺陷的防治措施鑄件缺陷的防治措施主要包括以下幾個方面：選擇合適的工藝參數(shù)，優(yōu)化鑄造工藝，采用合理的材料，加強模具的設(shè)計與制造等。鍛造工藝概述1塑性變形鍛造是在常溫或高溫下，利用錘頭或壓力機對金屬坯料進行打擊或擠壓，使其產(chǎn)生塑性變形。2改善性能鍛造可以提高金屬的強度、韌性、抗疲勞性能等力學(xué)性能。3應(yīng)用廣泛鍛造應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，包括航空、汽車、機械、建筑等。鍛件組織特點鍛造工藝對材料的微觀組織有顯著影響。鍛件內(nèi)部的晶粒更細小，排列更為均勻，且有明顯的纖維組織，其強度、韌性和塑性都有明顯提高。鍛件在使用過程中更容易承受沖擊載荷，不易發(fā)生斷裂。熱處理工藝概述熱處理對金屬材料進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝。冷加工在常溫或低溫下，對金屬材料施加外力使其產(chǎn)生塑性變形，以改變其機械性能的工藝。材料性能通過熱處理和冷加工，可以改變材料的硬度、強度、韌性、塑性和耐腐蝕性等性能。淬火過程及組織加熱將鋼件加熱到奧氏體化溫度，使鋼內(nèi)部組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。保溫在奧氏體化溫度下保溫一段時間，使奧氏體組織充分形成。冷卻將鋼件迅速冷卻到室溫或更低溫度，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體等組織?；鼗疬^程及組織1回火降低硬度，提高韌性2回火組織回火馬氏體、回火索氏體、回火屈氏體3回火溫度低溫回火、中溫回火、高溫回火時效硬化過程1過飽和固溶體合金在淬火后形成過飽和固溶體，其中溶質(zhì)原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)2析出相形成在室溫或稍高于室溫下，溶質(zhì)原子會逐漸從固溶體中析出，形成新的相3強度提高析出相的形成阻礙了位錯的運動，提高了合金的強度和硬度金屬的腐蝕和防護電化學(xué)腐蝕金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物，導(dǎo)致金屬表面損壞?；瘜W(xué)腐蝕金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鹽類，導(dǎo)致金屬表面損壞。防護措施涂層、電鍍、合金化等方法可以有效防止金屬腐蝕。常見金屬材料的應(yīng)用鋼鐵建筑、汽車、機械等領(lǐng)域。鋁航空航天、包裝、電子等領(lǐng)域。銅電氣、建筑、裝飾等領(lǐng)域。鈦航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域。新型材料的發(fā)展趨勢智能材料智能材料能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)，例如形狀記憶合金和自修復(fù)材料。納米材料納米材料具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在電子、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料復(fù)合材料通過結(jié)合不同材料的優(yōu)點，實現(xiàn)性能的提升，例如碳纖維增強塑料。課程小結(jié)金屬材料理解金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用凝固過程掌握凝固過程的熱力學(xué)基礎(chǔ)、凝固過程的