金属材料与制造工艺

金属材料与制造工艺第一页，共三十一页，2022年，8月28日绪论金属的性能有很大的差异,主要原因是材料内部的组织结构不同所致：

相同组元、不同成分（钢与铸铁、低碳钢与高碳钢）

相同成分而不同状态（室温下与加热到桔红色时）了解金属内部组织结构,对合理选材及制定加工工艺是十分必要的。第二页，共三十一页，2022年，8月28日第一节金属的晶体结构第二节纯金属的结晶第三节金属的同素异构转变第四节合金的晶体结构第五节合金的结晶学习目标

认识常见金属的晶体结构特征

了解结晶的过程和现象

准确理解和认识同素异构转变现象学习重点

金属的晶体结构、同素异构转变学习难点

金属的结晶及状态图的建立第三页，共三十一页，2022年，8月28日一、晶体与非晶体区别晶体:有固定的熔点。

内部原子在空间作有规则的排列。

（食盐、金刚石等,纯金属及合金）非晶体:内部原子杂乱无章地不规则的堆积。

（玻璃、沥青等）

注:常用固态金属都是晶体。第一节金属的晶体结构第四页，共三十一页，2022年，8月28日二、晶体结构的基本知识晶体结构:指晶体中原子排列的方式。晶格:描述原子再晶体中排列形式的空间几何格子。晶胞:组成晶格的最小几何单元。第一节金属的晶体结构第五页，共三十一页，2022年，8月28日常见金属晶格类型晶格类型体心立方面心立方密排六方晶胞空间形态立方体立方体正六方柱体原子空间位置八个顶角及中心各1个八个顶角及六个平面中心各1个12个顶角及上、下面中心各1,柱体中心3个典型金属Cr、W、α-FeAu、Ag、Al、γ-FeZn、Mg、Be第一节金属的晶体结构二、晶体结构的基本知识第六页，共三十一页，2022年，8月28日第一节金属的晶体结构常见金属晶格类型二、晶体结构的基本知识晶格类型体心立方面心立方密排六方晶胞空间形态立方体立方体正六方柱体原子空间位置八个顶角及中心各1个八个顶角及六个平面中心各1个12个顶角及上、下面中心各1,柱体中心3个典型金属Cr、W、α-FeAu、Ag、Al、γ-FeZn、Mg、Be第七页，共三十一页，2022年，8月28日第一节金属的晶体结构三、金属的实际晶体结构晶粒:晶体学上位向相同的晶体。晶界:两晶粒之间的交界。单晶体:晶格的位向一致。多晶体:由许多晶粒组成的晶体。

注:实际使用金属材料几乎都是多晶体。

用特定方法也可获得单晶体。(低温、高压下获得单晶硅)第八页，共三十一页，2022年，8月28日特点:三维空间尺寸都很小的晶体缺陷。类型:空位、间隙原子、置换原子。应用:解释合金的强度高于纯金属，热处理。四、实际金属的晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷第一节金属的晶体结构第九页，共三十一页，2022年，8月28日特点:三维空间的两个方向尺寸很小的晶体缺陷。类型:刃型位错、螺型位错。应用:解释实际金属的强度、硬度高于理论推算值。第一节金属的晶体结构四、实际金属的晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷第十页，共三十一页，2022年，8月28日特点：三维空间的两个方向尺寸较大的晶体缺陷。类型：晶界。应用：冷变形强化(冷做硬化)：强化金属的重要手段。第一节金属的晶体结构四、实际金属的晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷第十一页，共三十一页，2022年，8月28日第二节纯金属的结晶一、冷却曲线与过冷度二、金属的结晶过程三、晶粒大小对金属力学性能影响结晶:晶体由液态转变为固态的过程。掌握结晶的基本规律是非常必要的。第十二页，共三十一页，2022年，8月28日(a)以极缓慢速度冷却(b)实际冷却条件下冷却纯金属结晶时的冷却曲线T0﹍理论结晶温度Tn﹍实际结晶温度

一、冷却曲线与过冷度冷却曲线:采用热分析法制作温度-时间曲线。过冷度:

△T=T0-Tn金属结晶的必要条件:必须在一定的过冷度下进行。第二节纯金属的结晶第十三页，共三十一页，2022年，8月28日二、金属的结晶过程形成晶核:当达到结晶温度时,形成些极细小微晶体。晶核长大:随着时间的推移,已形成的晶核不断长大。

注:形成晶核和晶核长大这两个过程同时交替进行的。纯金属结晶过程示意图第二节纯金属的结晶第十四页，共三十一页，2022年，8月28日三、结晶后的晶粒大小对金属力学性能影响对金属力学性能影响:晶粒愈细小,材料力学性能愈好。影响晶粒大小的因素:形核率和晶核长大速度。细化晶粒的方法增加过冷度:冷却速度越大,△T越大,金属实际结晶温度越低。变质处理:形成非自发晶核。(钢液中加入Al、V、B等)机械振动:超声波振动、电磁振动、搅拌。(冰激凌生产)

第二节纯金属的结晶第十五页，共三十一页，2022年，8月28日第三节金属的同素异构转变现象:钢铁在室温时,具有较高强度和硬度而塑性较差;当热到桔红色时,塑性变好而硬度下降。研究:大多数的金属在固态下的晶格类型不会发生变形。但象铁、锰、钛等少数金属材料在结晶后继续冷却时晶格类型还会发生变化。

第十六页，共三十一页，2022年，8月28日纯铁的同素异构转变第三节金属的同素异构转变一、同素异构转变1、研究（以纯铁的结晶为例）2、定义金属在固态下，由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程。第十七页，共三十一页，2022年，8月28日二、金属同素异构转变特点是由一种固态转变为另一种固态。也是由晶核形成和晶核长大两个基本过程来完成。转变时也有过冷(过热)现象,具有较大过冷度。转变过程中常伴有金属体积的变化。三、钢铁同素异构转变同素异构转变是钢铁的一个重要特征。是钢铁进行热处理、锻造等的理论依据。第三节金属的同素异构转变第十八页，共三十一页，2022年，8月28日纯金属使用局限性:性能较差,价格昂贵等。合金优越性

改变成分:获得特定的物理、化学性能。(不锈钢)

调整组织:提高工艺性能和使用性能。(热处理)

更经济:大多数合金比纯金属力学性能好、价格低。

第四节合金的晶体结构第十九页，共三十一页，2022年，8月28日一、基本概念合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素结合而成的具有金属特性的物质。组元:是组成合金的最基本的、独立的单元。合金系:若干组元按不同比例配制而成的一系列成分不同的合金。相:在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能、与该系统的其余部分以界面分开的部分。组织:用金相观察方法,看到金属及合金内部组成关系的构造情况。第四节合金的晶体结构第二十页，共三十一页，2022年，8月28日二、合金的晶体结构(固溶体、金属化合物、机械混合物)1、固溶体合金在固态下溶质原子溶入溶剂,仍保持溶剂晶格。分类:置换固溶体(无限和有限两种)、间隙固溶体。应用:固溶强化﹍基体金属(溶剂)的强度、硬度升高。第四节合金的晶体结构(a)溶质小于溶剂原子(b)溶质大于溶剂原子形成置换固溶体时晶格的畸变(a)置换固溶体(b)间隙固溶体固溶体的两种类型第二十一页，共三十一页，2022年，8月28日第四节合金的晶体结构二、合金的晶体结构(固溶体、金属化合物、机械混合物)2、金属化合物可用分子式表示。(Fe3C、CuZn)在合金中是一相。特点：硬而脆。3、机械混合物是多相组织，各相均保持各自的晶格类型。性能介于各组成相之间，与组成各相的多少有关。大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。第二十二页，共三十一页，2022年，8月28日第四节合金的晶体结构二、合金的晶体结构(固溶体、金属化合物、机械混合物)1、固溶体固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。

2、金属化合物可用分子式表示。(Fe3C)在合金中是一相。特点：硬而脆。3、机械混合物是多相组织,各相均保持各自的晶格类型。性能介于各组成相之间。大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。第二十三页，共三十一页，2022年，8月28日第五节合金的结晶合金的结晶仍是由形核和长大两过程交替进行完成的。合金的结晶过程比纯金属要复杂的多。第二十四页，共三十一页，2022年，8月28日一、合金相图的建立

①在△T≌0条件下,采用热分析法。图一图二图三图四合金的组别1234合金成分/﹪（质量分数)Cu10060400Ni04060100结晶开始温度/℃1083129513681452结晶终止温度/℃1083118512381452第五节合金的结晶第二十五页，共三十一页，2022年，8月28日用热分析法测定Cu-Ni合金相图第五节合金的结晶一、合金相图的建立②将T-t图上相变点投影到T-wMe﹪图上,将意义相同点连成线。第二十六页，共三十一页，2022年，8月28日Cu-Ni二元合金相图第五节合金的结晶一、合金相图的建立

③相图组成:二线(固相、液相)、三区(L、L＋α、α)第二十七页，共三十一页，2022年，8月28日Cu：100﹪Cu：60﹪Cu：40﹪Cu：0﹪Ni：0﹪Ni：40﹪Ni：60﹪Ni：100﹪第五节合金的结晶二、合金结晶与纯金属结晶的不同之处①纯金属结晶在恒温下进行(一个临界点),绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶(有两个结晶点)。第二十八页，共三十一页，2022年，8月28日第五节合金的结晶二、合金结晶与纯金属接近的不同之处②合金结晶过程中,局部范围内化学成分(浓度)是变化的,但结晶结束后整体化学成分不变。第