金属材料及热处理-第一章

金属材料及热处理第一章金属的晶体结构和结晶1编辑课件回顾上一章节内容在过去两千年中的很长一段时间，中国是世界上最大和最先进的国家，直到18世纪末，中国的国内生产总值约占全球25%，1820年为33%。中国的人均收入在12世纪前一直领先于西欧，在18世纪前一直领先于世界平均水平。后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，1949年GDP仅占世界5%。2编辑课件31669,N.Steno,晶面角守恒定律1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）微观组织理论大发展合金相图、X射线，位错理论3编辑课件Reaumur(1722)Hill(1748)在放大镜下观察出晶粒Sorbit发现并描述了细珠光体Young(1807)提出材料弹性模量概念Barlow(1826)关于材料强度的测定Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得出的第一条S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的科学研究4编辑课件金属材料与热处理：

是一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。5编辑课件金属与非金属的比较金属非金属1．常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体2．一般密度比较大一般密度比较小3．有金属光泽大多没有金属光泽4．大多是热及电的良导体,电阻通常随着温度的增高而增大大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小5．大多具有展性和延性大多不具有展性和延性6．固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体7．蒸气分子大多是单原子的蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子的6编辑课件1、金属光泽当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光(全反射),绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色，因为它们较易吸收某一些频率的光。金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。许多金属在光的照射下能放出电子(光电效应)。另一些在加热到高温时能放出电子(热电现象)。7编辑课件2、金属的导电性和导热性大多数金属有良好的导电性和导热性。常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下：Ag银，Cu铜，Au金，Al铝，Zn锌，Pt铂，Sn锡，Fe铁，Pb铅，Hg汞。8编辑课件3、超导电性金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。1911年H.K.Onnes发现汞冷到低于4.2K时，其电阻突然消失,导电性差不多是无限大,这种性质称为超导电性。具有超导性质的物体称为超导体。超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度(T0)。超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。9编辑课件金属的物理性质

4、金属的延展性：可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径为1/5000mm，可以压成薄片，例如最薄的金箔，可达1/10000mm厚。

5、金属的密度：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。

6、金属的硬度：一般较大，它们之间有很大差别。有的坚硬,如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾等。10编辑课件7、金属的熔点金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。11编辑课件8、金属玻璃(非晶态金属)将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快,高温时金属原子的无序状态被“冻结”,不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构的物质,故称为金属玻璃。金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非金属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。12编辑课件9、金属的内聚力所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力,也就是金属键的强度，即核和自由电子间的引力。金属的内聚力可以用它的升华热衡量。金属键的强度（用升华热度量）主要决定于

(1)原子的大小，随原子半径增大升华热减小；(2)价电子数增加，升华热随之增加。13编辑课件1.晶体的基本概念

原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶格—原子排列形成的空间格子晶胞—组成晶格的最基本单元晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。Fe原子直径约为：1.24*10^-8cm14编辑课件

常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。１.体心立方晶格

体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一个原子。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、W、V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。15编辑课件（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等16编辑课件2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子。属于这类晶格的金属有

γ-Fe、Cu、Al、Ni等。它们都具有较好的塑性。面心立方球体模型及其晶胞17编辑课件（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等18编辑课件３.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子。属于这类晶格的金属有Ｍg、Ｚn、Ｃd、Ｂe等。这类金属塑性较差。密排六方球体模型及其晶胞

19编辑课件（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn

等20编辑课件金属的同素异构转变同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538℃1394℃912℃

同素异构转变是钢铁材料性能呈多种多样，用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。Fe、Sn锡、Ti钛、Mn锰温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心Fe21编辑课件金属的实际晶体结构与晶体缺陷1.单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体.每个小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称晶界。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。22编辑课件2、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：

点缺陷线缺陷面缺陷23编辑课件

(1)点缺陷——晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑如:合金化24编辑课件(2)线缺陷——位错

晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。25编辑课件(3)面缺陷——晶界、亚晶界

晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。

晶粒细→晶界面积大→强度高如:晶粒细化26编辑课件1.晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性,使晶格产生畸变,晶格能量增加,因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一种不稳定状态,它们在外界条件(温度外力等)变化时会首先发生变化,从而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的强度,一般情况下,强度随晶体缺陷的增加而增加,可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度.点缺陷→合金化增加缺陷的办法线缺陷→增加塑性变形(如加工硬化)面缺陷→晶粒细化晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷≠金属缺点27编辑课件金属的结晶凝固

物质由液态转变成固态的过程。结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常,金属的凝固过程属于结晶过程。例如：北方冬天窗花28编辑课件热分析法纯金属的冷却曲线与过冷度

差热分析法原理29编辑课件To时间温度实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)纯金属结晶时的冷却曲线T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度

过冷：实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象过冷度∆T=T0-T1

（冷速↑→∆T↑）理论冷却曲线30编辑课件2.金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。结晶过程是晶核不断形成和长大的过程晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大31编辑课件晶核的长大方式—树枝状32编辑课件金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶33编辑课件3.晶粒大小对金属力学性能的影响

晶粒越细→塑性、韧性越好；强度、硬度越高

金属结晶后晶粒大小取决于形核率N（单位时间、单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大率G（单位时间内晶核长大的线速度）NG晶粒越细34编辑课件细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度V冷△TN晶粒细小2）进行变质处理3）附加振动：机械振动超声波振动电磁搅拌等。*对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快→变形、开裂,因此只适用于小铸件，简单件常用于大铸