金屬材料與制造工藝

1、金屬材料與制造工藝第1頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三緒 論金屬的性能有很大的差異,主要原因是材料內部的組織結構不同所致： 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）了解金屬內部組織結構,對合理選材及制定加工工藝是十分必要的。第2頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第一節(jié) 金屬的晶體結構第二節(jié) 純金屬的結晶第三節(jié) 金屬的同素異構轉變第四節(jié) 合金的晶體結構第五節(jié) 合金的結晶學習目標 認識常見金屬的晶體結構特征 了解結晶的過程和現(xiàn)象 準確理解和認識同素異構轉變現(xiàn)象學習重點 金屬的晶體結構、同素異構轉變

2、學習難點 金屬的結晶及狀態(tài)圖的建立第3頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三一、晶體與非晶體區(qū)別晶體:有固定的熔點。 內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) 金屬的晶體結構第4頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三二、晶體結構的基本知識晶體結構: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) 金屬的晶體結構第5頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三常見金屬晶格

3、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頂角及中心各1個八個頂角及六個平面中心各1個12個頂角及上、下面中心各1,柱體中心3個典型金屬Cr、W、-FeAu、Ag、Al、-FeZn、Mg、Be第一節(jié) 金屬的晶體結構二、晶體結構的基本知識第6頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第一節(jié) 金屬的晶體結構常見金屬晶格類型二、晶體結構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頂角及中心各1個八個頂角及六個平面中心各1個12個頂角及上、下面中心各1,柱體中心3個典型金屬Cr、W、-F

4、eAu、Ag、Al、-FeZn、Mg、Be第7頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第一節(jié) 金屬的晶體結構三、金屬的實際晶體結構晶粒:晶體學上位向相同的晶體。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，2022年，5月20日，22點10分，星期三特點: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。 應用:解釋合金的強度高于純金屬，熱處理。四、實際金屬的晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷第一節(jié) 金屬的晶體結構第9頁，共31頁

5、，2022年，5月20日，22點10分，星期三特點:三維空間的兩個方向尺寸很小的晶體缺陷。類型:刃型位錯、螺型位錯。應用:解釋實際金屬的強度、硬度高于理論推算值。第一節(jié) 金屬的晶體結構四、實際金屬的晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷第10頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三特點：三維空間的兩個方向尺寸較大的晶體缺陷。類型：晶界。應用：冷變形強化(冷做硬化)：強化金屬的重要手段。第一節(jié) 金屬的晶體結構四、實際金屬的晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷第11頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第二節(jié) 純金屬的結晶一、冷卻曲線與過冷度二、金屬的結晶過程三、晶粒大小對金屬力學

6、性能影響結晶:晶體由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。掌握結晶的基本規(guī)律是非常必要的。第12頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三(a)以極緩慢速度冷卻 (b)實際冷卻條件下冷卻 純金屬結晶時的冷卻曲線T0理論結晶溫度Tn實際結晶溫度 一、冷卻曲線與過冷度冷卻曲線:采用熱分析法制作溫度-時間曲線。過冷度: T=T0-Tn 金屬結晶的必要條件:必須在一定的過冷度下進行。第二節(jié) 純金屬的結晶第13頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三二、金屬的結晶過程形成晶核:當達到結晶溫度時,形成些極細小微晶體。晶核長大:隨著時間的推移,已形成的晶核不斷長大。 注:形成晶核和晶核長大

7、這兩個過程同時交替進行的。純金屬結晶過程示意圖第二節(jié) 純金屬的結晶第14頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三三、結晶后的晶粒大小對金屬力學性能影響對金屬力學性能影響:晶粒愈細小,材料力學性能愈好。影響晶粒大小的因素:形核率和晶核長大速度。細化晶粒的方法增加過冷度:冷卻速度越大,T越大,金屬實際結晶溫度越低。變質處理:形成非自發(fā)晶核。(鋼液中加入Al、V、B等)機械振動:超聲波振動、電磁振動、攪拌。(冰激凌生產) 第二節(jié) 純金屬的結晶第15頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第三節(jié) 金屬的同素異構轉變現(xiàn)象:鋼鐵在室溫時,具有較高強度和硬度而塑性較差;當

8、熱到桔紅色時,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)金屬材料在結晶后繼續(xù)冷卻時晶格類型還會發(fā)生變化。 第16頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三純鐵的同素異構轉變第三節(jié) 金屬的同素異構轉變一、同素異構轉變1、研究（以純鐵的結晶為例）2、定義 金屬在固態(tài)下，由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的轉變過程。第17頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三二、金屬同素異構轉變特點是由一種固態(tài)轉變?yōu)榱硪环N固態(tài)。也是由晶核形成和晶核長大兩個基本過程來完成。轉變時也有過冷(過熱)現(xiàn)象,具有較大過冷度。轉變過程中常伴有金屬體積的

9、變化。三、鋼鐵同素異構轉變同素異構轉變是鋼鐵的一個重要特征。是鋼鐵進行熱處理、鍛造等的理論依據(jù)。第三節(jié) 金屬的同素異構轉變第18頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三純金屬使用局限性:性能較差,價格昂貴等。合金優(yōu)越性 改變成分:獲得特定的物理、化學性能。(不銹鋼) 調整組織:提高工藝性能和使用性能。(熱處理) 更經濟:大多數(shù)合金比純金屬力學性能好、價格低。 第四節(jié) 合金的晶體結構第19頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三一、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合而成的具有金屬特性的物質。組元:是組成合金的最基本的、獨立的單元

10、。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:在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學性能、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,看到金屬及合金內部組成關系的構造情況。第四節(jié) 合金的晶體結構第20頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三二、合金的晶體結構(固溶體、金屬化合物、機械混合物)1、固溶體合金在固態(tài)下溶質原子溶入溶劑,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。應用:固溶強化基體金屬(溶劑)的強度、硬度升高。第四節(jié) 合金的晶體結構(a)溶質小于溶劑原子 (b)溶質大于溶劑原子 形成置換固溶體時晶格的畸變 (a

11、)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，2022年，5月20日，22點10分，星期三第四節(jié) 合金的晶體結構二、合金的晶體結構(固溶體、金屬化合物、機械混合物)2、金屬化合物可用分子式表示。(Fe3C、CuZn)在合金中是一相。特點：硬而脆。3、機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。大多數(shù)工程材料都是機械混合物的組織狀態(tài)。第22頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第四節(jié) 合金的晶體結構二、合金的晶體結構(固溶體、金屬化合物、機械混合物)1、固溶體固態(tài)下溶質原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。 2、金

12、屬化合物可用分子式表示。(Fe3C)在合金中是一相。特點：硬而脆。3、機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)工程材料都是機械混合物的組織狀態(tài)。第23頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第五節(jié) 合金的結晶合金的結晶仍是由形核和長大兩過程交替進行完成的。合金的結晶過程比純金屬要復雜的多。第24頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三一、合金相圖的建立 在T0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/（質量分數(shù))Cu10060400Ni04060100結晶開始溫度/10831295136814

13、52結晶終止溫度/1083118512381452第五節(jié) 合金的結晶第25頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三 用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖第五節(jié) 合金的結晶一、合金相圖的建立將T-t圖上相變點投影到T-wMe圖上,將意義相同點連成線。第26頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三Cu-Ni二元合金相圖第五節(jié) 合金的結晶一、合金相圖的建立 相圖組成:二線(固相、液相)、三區(qū)(L、L、)第27頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三Cu：100 Cu：60 Cu：40 Cu：0 Ni：0 Ni：40 Ni：60 Ni：100第五節(jié) 合金的結晶二、合金結晶與純金屬結晶的不同之處純金屬結晶在恒溫下進行(一個臨界點),絕大多數(shù)合金 是在一個溫度范圍內進行結晶(有兩個結晶點)。第28頁，共31頁，2022年，5月20日，22點10分，星期三第五節(jié) 合金的結晶二、合金結晶與純金屬接近的不同之處合金結晶過程中,局部范圍內化學成分(濃度)是變化的, 但結晶結束后整體化學成分不變。第29頁，共31頁，2022年