金屬材料與熱處理 教學PPT課件,金屬材料與熱處理,教學PPT課件,金屬材料,熱處理,教學,PPT,課件 金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項目二項目二 金屬的晶體結構與結晶金屬的晶體結構與結晶項目導入項目導入通過學習金屬的性能，我們知道不同的金屬材料具有不同的力學性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其力學性能也是不同的，金屬力學性能的這些差異，從本質上來說，是由其內(nèi)部組織結構所決定的，研究金屬材料的內(nèi)部結構及其變化規(guī)律，是了解金屬材料性能，正確選用材料，合理確定金屬材料成型加工方法的基礎。01目錄CONTENT金屬晶體的堆積方式金屬晶體的堆積方式純金屬的結晶純金屬的結晶合金的相結構合金的相結構020403純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變CONTENT任務 一金屬晶體的堆積方式金屬晶體的堆積方式物質是由原子組成的，在物質的內(nèi)部，原子的堆積方式不同，其性能也不同，根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質可分為晶體和非晶體兩類。學習目標學習目標會識別晶體結構。知道金屬晶格的缺陷對材料性能的影響。任務描述任務描述晶體的概念和特點。金屬晶格常見類型。金屬晶格的缺陷。一、晶體與非晶體 在自然界中除了一些少數(shù)的物質（如普通玻璃、松香等）以外，包括金屬在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。1.晶體 晶體是指在物質的內(nèi)部，凡原子在空間呈有序、有規(guī)則排列的稱為晶體。如:金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金等均屬晶體。晶體的特點:（1）原子在三維空間呈有規(guī)律的周期性重復排列。（2）晶體具有固定的熔點。（3）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，在不同的方向上具有不同的性能，呈各向異性。一、晶體與非晶體2.非晶體 在物質的內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀況的稱為非晶體。如:普通玻璃、石蠟、松香、樹脂、瀝青等都是常見的非晶體。非晶體沒有固定的熔點，呈各向同性。二、晶體結構的概念1.晶格 晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的，為了便于理解，把原子看成是一個小球，則金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律地堆積而成的物體。為了描述晶體的結構，我們把構成晶體的原子簡化成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就構成了有明顯規(guī)律性的空間格架。這種用來描述原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架，稱為晶格。二、晶體結構的概念2.晶胞 由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，晶胞是由許多形狀、大小相同的最小幾何單元重復堆積而成的，能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。晶胞 的大小及幾何形狀用晶胞的三條棱邊長度 a、b、c和三條棱邊之間的夾角、六個參數(shù)來描述，其中晶胞的各棱邊長為 a、b、c，稱為晶格常數(shù)。當晶格常數(shù) a=b=c，棱邊交角=90時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。三、金屬晶格的類型金屬的晶格類型很多，但絕大多數(shù)（85%）金屬屬于以下三種晶格:1.體心立方晶格 它的晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體的中心。屬于這種晶格類型的金屬有鉻、釩、鎢、鉬及-Fe等。2.面心立方晶格 它的晶胞也是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體六個面的中心。屬于這種晶格類型的金屬有鋁、銅、鉛及-Fe等。3.密排六方晶格 它的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角及上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內(nèi)，如圖2 15所示。屬于這種晶格類型的金屬有鎂、鋅、鈹?shù)取Ｈ?、金屬晶格的類型四、金屬的實際晶體結構在實際使用的金屬材料中，由于加進了其他類型的原子及材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來有規(guī)律排列的原子堆積方式受到干擾，不像理想晶體那樣規(guī)則。晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象稱為晶體缺陷。常見的晶體缺陷有以下幾種。1.空位、間隙原子和置換原子 如果晶格上應該有原子的地方?jīng)]有原子，在那里就會出現(xiàn)“空洞”，這種原子堆積上的缺陷叫“空位”。在晶格的某些空隙處出現(xiàn)多余的原子或擠入外來原子的現(xiàn)象，叫間隙原子。異類原子占據(jù)晶格的結點位置的現(xiàn)象，稱為置換原子。四、金屬的實際晶體結構2.位錯 晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象叫位錯。可以認為位錯是由于晶體中局部晶體滑移造成的，滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯，金屬中常見的位錯是刃型位錯和螺型位錯。由于位錯的存在，造成金屬晶格畸變，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞及原子擴散、相變過程等產(chǎn)生重要的影響。四、金屬的實際晶體結構3.晶界和亞晶界 實際金屬為多晶體，由大量外形不規(guī)則的小晶體即晶粒組成，每一個晶粒可以為單晶體，所有晶粒的結構完全相同，但彼此的位向不同，位向差為幾度或幾十度。晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。晶界處的原子排列是不規(guī)則的，原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。實驗證明，即使在一顆晶粒內(nèi)部，其晶格位向也不像理想晶體那樣完全一致，而是分隔許多尺寸很小、位向差很小的小晶塊，它們互相嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。亞晶界處的原子排列與晶界相似，也是不規(guī)則的。四、金屬的實際晶體結構任務二純金屬的結晶純金屬的結晶大多數(shù)金屬材料制件都是通過熔化、冶煉和澆注等工序獲得的。金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。由于固態(tài)金屬是晶體。故金屬的凝固過程稱為金屬的結晶，金屬的結晶過程決定了金屬材料的性能。學習目標學習目標會畫純金屬的冷卻曲線。熟悉金屬的結晶過程。任務描述任務描述純金屬的結晶過程。晶粒大小對金屬力學性能的影響，細化晶粒的方法。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度純金屬的結晶是在恒溫下進行的，通常采用熱分析法測量其結晶溫度。將金屬熔化成液體，以緩慢的速度冷卻，每隔一定時間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度時間坐標圖中，獲得純金屬的冷卻曲線。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度由冷卻曲線可見，液體金屬隨著冷卻時間的延長，它所含的熱量不斷向外散失，溫度也不斷下降，當降到a點時，液體金屬開始結晶，由于結晶過程中釋放出來的結晶潛熱，補償了散失在空氣中的熱量，因而溫度并不隨時間的延長而下降，直到 b點結晶終了時才繼續(xù)下降。ab兩點之間的水平線段即為結晶階段，它所對應的溫度就是純金屬的結晶溫度。理論上金屬冷卻的結晶溫度與加熱時熔化溫度二者應在同一溫度，即金屬的理論結晶溫度（T0）。實際上液態(tài)金屬總是冷卻到理論結晶溫度以下才開始結晶，實際結晶溫度（T1）低于理論結晶溫度（T0）這一現(xiàn)象稱為“過冷現(xiàn)象”。理論結晶溫度和實際結晶溫度之差稱為過冷度（T=T0-T1）。過冷度的大小與金屬的本性以及冷卻速度有關，冷卻速度越快，金屬的結晶溫度越低，過冷度T越大。一、純金屬的冷卻曲線與過冷度二、純金屬的結晶過程金屬的結晶過程從微觀的角度看，當液體金屬冷到實際結晶溫度后，開始從液體中形成一些尺寸極小的、原子呈規(guī)則排列的晶體晶核，隨著時間的推移，這種已形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬的其他部位也產(chǎn)生新的晶核，新晶核又不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失，結晶結束。因此，液態(tài)金屬的結晶是形核和晶核長大的基本過程。二、純金屬的結晶過程結晶開始時，液體中的原子或原子集團先后按一定的晶格類型排列成微小的晶核，隨著晶核的長大，逐漸形成了晶體的棱角，由于棱邊和角部的散熱條件優(yōu)于其他部位，又便于原子擴散，因而優(yōu)先成長。晶核的長大先長出干枝，再長出分枝，當成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時，晶體就向著尚未凝固的部位生長，直到枝晶間的金屬液全部凝固為止。最后形成了許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。這些外形不規(guī)則而內(nèi)部原子排列規(guī)則的小晶體稱為晶粒。由于每個晶粒的方位不同，使它們相遇時不能合為一體，這些晶粒與晶粒之間的分界面稱晶界。二、純金屬的結晶過程結晶后，只有一個晶粒的晶體稱為單晶體，單晶體中原子排列位向是完全一 致的，其性能是各向異性。常見的單晶體如單晶硅、單晶石英。單晶硅用于制造半導體器件、太陽能電池等。石英晶體是一種重要的電子材料。如果結晶后的晶體是由許多位向不同的晶粒組成的，則稱多晶體。由于多晶體內(nèi)部晶粒位向互不一致，它們自身的各向異性彼此抵消，故顯示出各向同性，亦稱為“偽各向同性”。三、晶粒大小對金屬力學性能的影響金屬晶粒大小對金屬力學性能有較大的影響，在常溫下工作的金屬，其強度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細化而有所提高的。為了提高金屬的力學性能，必須控制金屬結晶后的晶粒大小，金屬晶粒的大小取決于結晶時的形核率（N單位時間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目）與晶核的長大速度 G。形核率 N 大，而長大速度 G 相對小，則晶粒愈細，即 N 與 G 的比值大則晶粒細。因此，細化晶粒的根本途徑是控制形核率及長大速度。三、晶粒大小對金屬力學性能的影響常用的細化晶粒方法有以下幾種:1.增加過冷度 隨著過冷度的增加，形核率和長大速度都會增加，但形核率增加比長大速度增加要快，所以產(chǎn)生的晶核數(shù)目增加。因此，通過加快冷卻速度，即增加過冷度，可使晶粒細化。這種方法只適用于中、小型鑄件，對于大型鑄件則需要用其他方法使晶粒細化。三、晶粒大小對金屬力學性能的影響2.變質處理 在液態(tài)金屬結晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質點，使結晶時的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒，這種處理方法即為變質處理。如在鋼液中加入鈦、鋁等，鑄鐵中加入硅、鈣等均能起到細化晶粒的作用。3.附加振動 在結晶時、對金屬液體施以機械振動、電磁振動、超聲波振動等方法，可使金屬在結晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核數(shù)目，達到細化晶粒的目的。四、金屬鑄錠的組織影響金屬結晶的因素很多，除了過冷度和未熔雜質兩個重要因素之外，熔化和澆注溫度、冷卻條件等因素也對結晶過程產(chǎn)生一定的影響。下面以鑄錠組織為例。說明冷卻條件對鑄錠結晶過程的影響。金屬鑄錠的結晶雖是大體積液態(tài)金屬結晶，同樣也遵循結晶的基本規(guī)律，但是，結晶是在鑄錠模中進行的。由于冷卻條件不同，鑄錠組織從表面到心部是由三層外形不同的晶粒組成的。四、金屬鑄錠的組織1.細晶區(qū) 由于金屬鑄模的溫度較低，散熱快，當液態(tài)金屬剛注入錠模時，其表層受到模壁的強烈冷卻，造成了很大的過冷度，形核率很高，而且模壁的粗糙表面對形核有一定的促進作用。因此，鑄錠表層獲得了細小的等軸晶粒，組織比較致密。表面細晶區(qū)的組織特點是晶粒細小，組織致密，化學成分均勻，力學性能較好。四、金屬鑄錠的組織2.柱狀晶區(qū) 隨著細晶區(qū)的形成，模壁溫度不斷升高，鑄錠的冷卻速度逐漸減慢。由于結晶潛熱的釋放，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變得困難，因而細晶區(qū)的前沿晶粒繼續(xù)向液體中生長。由于垂直于模壁方向散熱速度最快，故凡是枝晶軸垂直于模壁的晶粒優(yōu)先得到成長，而且這種定向成長也不至于因相互抵觸受到限制，從而形成了柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)的組織特點是組織比較致密，并且彼此定向排列，故呈現(xiàn)各向異性。在柱狀晶的接觸面常存在有金屬夾雜和低熔點雜質而成為脆弱界面，在壓力加工時容易開裂，因此，鑄錠一般不希望得到柱狀晶，生產(chǎn)上常采用振動澆注和變質處理等方法抑制柱狀晶的擴展。但對于鋁、銅等有色金屬，反而希望得到柱狀組織，因為這種組織致密，具有良好力學性能。四、金屬鑄錠的組織3.等軸晶區(qū) 隨著柱晶區(qū)的發(fā)展，模壁溫度繼續(xù)升高，散熱速度越來越慢。散熱的方向性也不明顯，錠模中心的剩余液態(tài)金屬的溫度逐漸趨于均勻，最終幾乎同時達到過冷狀態(tài)。同時由于種種原因，剩余液態(tài)金屬中聚集了一些未熔雜質，以及從柱狀晶上被沖刷下來的枝晶碎塊，漂移到鑄錠中心區(qū)域，它們都可成為剩余液體的晶核，在均勻而緩慢的冷卻條件下長大，最后形成粗大的等軸晶區(qū)。等軸晶區(qū)的組織特點是晶粒粗大，組織疏松，力學性能差。綜上所述，金屬鑄錠的組織是不均勻的，從表面至心部分別為細小的等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和粗大的等軸晶區(qū)，通常外層較薄，其他兩個晶區(qū)較大。在鑄錠中經(jīng)常存在著各種鑄造缺陷，如縮孔、疏松、氣泡和偏析等。任務三純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變大多數(shù)金屬結晶后，其晶格不再發(fā)生變化，但也有少數(shù)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等），在結晶后，繼續(xù)冷卻時晶格類型會發(fā)生變化。學習目標學習目標會畫純鐵的冷卻曲線。知道純鐵的同素異構轉變過程。任務描述任務描述畫純鐵的冷卻曲線。理解純鐵的同素異構轉變過程。一、同素異構轉變金屬在固態(tài)下，隨溫度的變化由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構轉變。具有同素異構轉變的金屬有鐵、錫、鈷、鈦、錳等。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異晶體。同一金屬的同素異晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母、等表示。二、純鐵的同素異構轉變 液態(tài)純鐵在1538 進行結晶，得到具有體心立方晶格的-Fe。繼續(xù)冷卻到 1394 發(fā)生同素異構轉變，-Fe轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe，再冷卻到912 又發(fā)生同素異構轉變，-Fe轉變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe。如再繼續(xù)冷卻到室溫，晶格類型不再發(fā)生變化。這些轉變可以用下式表示:二、純鐵的同素異構轉變 金屬的同素異構轉變與液態(tài)金屬的結晶過程有許多相似之處:有一定的轉變溫度，轉變時有過冷現(xiàn)象;放出和吸收潛熱;轉變過程也是一個形核和晶核長大的過程同素異構轉變時，新晶格的晶核最容易在晶界處形成，這與晶界處原子活動能力較高，有利于重新改組晶格有關。新晶格的長大，是借助于原晶體中原子逐漸轉移到新晶體的表面上來，新晶體的分界面逐漸向舊晶體遷移的方式進行的，轉變到原晶體全部消失為止。任務四合金的相結構合金的相結構作為工業(yè)用的金屬材料，純金屬的強度、硬度和耐磨性較差，而且品種有限，價格較高，故應用較少，工業(yè)上應用的金屬材料一般都是合金。合金除了具有金屬特性外，還具有優(yōu)良的力學性能、物理、化學性能，這是純金屬所不及的。學習目標學習目標根據(jù)合金的相，會識別合金。了解合金的基本類型。任務描述任務描述合金的含義及基本概念。合金相結構分類及特點。一、基本概念 1.合金 合金是由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。組成合金的元素可以全部是金屬元素，如黃銅（由銅和鋅組成），也可以是金屬元素與非金屬元素，如碳鋼（由鐵和碳組成）。2.組元 組成合金最基本的獨立物質稱為組元，簡稱元。組元可以是金屬元素、非金屬元素或穩(wěn)定的化合物。根據(jù)合金中組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金和多元合金。例如普通的黃銅是由銅和鋅兩個組元組成的二元合金。硬鋁是由鋁、銅和鎂或鋁、銅、錳組成的三元合金。二、合金的晶體結構根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中相的晶體結構可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三種類型。1.固溶體 固溶體是一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。溶入的元素稱為溶質，而基體元素稱為溶劑。固溶體仍然保持溶劑的晶格類型。根據(jù)溶質原子在溶劑晶格中所處位置的不同，固溶體又分為置換固溶體和間隙固溶體。二、合金的晶體結構（1）間隙固溶體 溶質原子分布于溶劑晶格間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。由于溶劑晶格的空隙很小，故能夠形成間隙固溶體的溶質原子通常都是一些原子半徑小于1埃的非金屬元素，如碳、氫等非金屬元素溶入鐵中形成的固溶體即屬于間隙固溶體。由于溶劑晶格的間隙有限，所以間隙固溶體能溶解的溶質原子數(shù)量也是有限的。（2）置換固溶體 溶質原子置換了溶劑晶格節(jié)點上某些原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體。二、合金的晶體結構（3）固溶體的溶解度 固溶體的溶解度是指溶質原子在固溶體中的極限濃度。根據(jù)溶解度的不同，固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。溶解度有一定限度的固溶體稱為有限固溶體，而無限互溶的固溶體稱為無限固溶體。在置換固溶體中，溶質在溶劑中的溶解度主要取決于組成元素的原子半徑、化學元素周期表中的位置及晶格類型等。當兩者原子半徑差別較小，周期表中位置相近、晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。而間隙固溶體由于間隙有限，只能形成有限固溶體。二、合金的晶體結構在固溶體中由于溶質原子的溶入而使溶劑晶格發(fā)生畸變。晶格畸變 阻礙了位錯運動，使晶格間的滑移變得困難，從而提高了合金抵抗塑性變形的能力，使金屬 材料的強度、硬度升高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。它是提高金屬材料力學性能的重要途徑之一。二、合金的晶體結構 2.金屬化合物 合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般用分子式來表示。金屬化合物的晶格類型和性能完全不同于任一組元，它的一般特點是熔點高、硬度高、脆性大。合金中含有金屬化合物后，其強度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性、韌性則下降。它也是合金中的重要組成相。二、合金的晶體結構 3.機械混合物 兩種或兩種以上的相，按一定質量分數(shù)組成的物質稱為機械混合物。混合物的組成部分可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。混合物中各組成相仍保持自己原有的晶格類型和性能。整個機械混合物的性能取決于各組成相的性能，并與各組成相的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布狀況密切相關。絕大多數(shù)合金材料都是機械混合物這種組織狀態(tài)。謝謝