材料科学基础-课件

材料科学基础-课件第一页，共152页。前言科学技术的进步为人类创造了巨大的物质财富和精神财富。能源、信息和材料是现代科学技术进步的三大支柱产业，其中材料是科学技术发展的基础。材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学的发展与人类社会的进步和发展密切相关，是人类文明进程的一种标志。可以说，没有先进材料的生产及应用，就没有先进的工业、农业、国防和科学技术的发展。当今社会，科学技术发展日新月异，传统材料性能与应用不断拓展、各种功能性材料不断涌现，人类已步入先进材料发展与应用的新时代。本书由张代东、吴润主编。书中第1章由东北大学秦皇岛分校李明亚编写，第0章、2章、第9章由太原科技大学张代东编写，第3章、第4章由武汉科技大学吴志芳编写，第5章、第8章由辽宁工程技术大学任鑫编写，第6章、第7章由东北大学秦皇岛分校王晓强编写，第10章由武汉科技大学吴润编写，全书由张代东统稿。本书在编写过程中得到了北京大学出版社及童君鑫编辑的大力支持和热情指导，得到了太原科技大学材料科学与工程学院，尤其是材料教研室、实验室很多老师的关怀与协助，在此一并表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中缺点与不妥之处必然存在，恳请读者批评指正。第一页第二页，共152页。绪论材料是一类物质，是人类用以制造生产和生活所需物品或产品的物质。材料的种类繁多，用途广泛，一般按材料的物理化学性能将其分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料（有人将它们称之为固体材料的四大家族）。在所有应用材料中，金属材料，尤其是钢铁，在机械制造业中应用最为广泛，各种机械设备、交通运输工具、航空航天器械、水利水电设施、仪器仪表产品、国防武器设备等所用材料中，金属材料占主导（约90%以上）地位。金属材料来源丰富，品种极多。从元素周期表看，在自然界已知所存在94种化学元素中金属元素占了72种（人造元素除外），像铝、铁、钙、钠、钾、镁、铜等金属元素在地壳中含量较大，通过冶炼等手段可获得它们的单质固体材料（称作纯金属如纯铜、纯铁、纯铝等）或以它们为主体的不同成分的固体材料（称作合金如青铜、合金钢、硬铝等）。金属材料之所以能够对人类文明发挥重要的作用，一方面是由于其本身具有比其它材料优良的使用性能和加工工艺性能，可通过各种加工手段制成各种形状、尺寸、粗糙度和不同性能要求的零件和工具，以满足社会生产和生活的各种需要；另一方面，是它那始终蕴藏着在性能方面以及数量和质量方面的巨大潜在能力，可供随时挖掘，因而能够随着日益增长的名目繁多的要求，而不断地更新和发展。第二页第三页，共152页。第三页第四页，共152页。金属材料的使用性能包括力学性能和物理化学性能。金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性等。金属材料的物理化学性能主要包括密度、导电性、导热性、膨胀系数、抗氧化性、耐腐蚀性等。金属材料的加工工艺性能主要有切削加工工艺性能、铸造加工工艺性能、锻造加工工艺性能、焊接加工工艺性能和热处理加工工艺性能等。第四页第五页，共152页。第1章金属的晶体结构

【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识金属键熟悉原子间结合键类型及特点，重点掌握金属键结合特点和金属特性元素及其原子结构，键合方式，原子结合特性，金属键与金属特性金属晶体学基础熟悉布拉菲点阵模型，掌握典型金属晶体的表征方法空间点阵、晶胞、晶格常数，14种布拉菲点阵，晶面指数、晶向指数，典型金属晶体结构、间隙金属晶体缺陷了解实际金属晶体与理想晶体的区别，掌握三种缺陷类型和特征单晶体、多晶体，点缺陷类型、平衡浓度，位错类型、密度、柏氏矢量，晶界、孪晶界、亚晶界、相界、表面、界面能第五页第六页，共152页。1.1金属键与金属特性

1.键合方式金属键离子键共价键分子键氢键不同键合的结合特性第六页第七页，共152页。2.金属特性延展性导电性正的电阻温度系数导热性金属光泽第七页第八页，共152页。1.2金属晶体学基础1.空间点阵空间点阵和晶胞14种布拉菲点阵晶系名称点阵常数间的关系和特点实例三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90oK2CrO7单斜晶系a≠b≠c，α=γ=90o≠ββ-S，CaSO4·H2O正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90oα-S，Fe3C六方晶系a1=a2=a3≠c，α=β=90o，γ=120oZn，Cd，Mg菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90oAs，Sb，Bi四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90oβ-Sn，TiO2立方晶系a=b=c，α=β=γ=90oFe，Cr，Au，Ag，Cu第八页第九页，共152页。2.晶向指数与晶面指数晶向指数晶面指数六方晶系的晶向指数与晶面指数晶带与晶带定理晶面间距晶面夹角第九页第十页，共152页。3.典型金属晶体结构三种典型的金属晶体结构

晶体中原子的堆垛方式晶体结构中的间隙

第十页第十一页，共152页。1.3实际金属晶体结构1.单晶体与多晶体单晶体多晶体晶体的各向异性第十一页第十二页，共152页。2.点缺陷点缺陷的类型点缺陷的平衡浓度点缺陷对金属性能的影响第十二页第十三页，共152页。3.线缺陷位错的类型位错密度柏氏矢量位错的易动性位错对材料性能的影响第十三页第十四页，共152页。4.面缺陷晶界与亚晶界孪晶界相界表面孪晶面非共格孪晶面第十四页第十五页，共152页。第2章金属的结晶【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识结晶基本概念理解结晶与凝固之间的关系；掌握过冷度、自由能、结构起伏的概念；理解冷却曲线和自由能变化曲线结晶概念；结构起伏、能量起伏；热力学定律晶核形成规律比较均匀形核与非均匀形核的变化规律；计算临界形核半径和临界形核功，了解影响形核率的主要因素；吉布斯自由能，系统能量变化；均匀形核、非均匀形核；形核功、形核率；影响形核率的主要因素晶核长大规律理解固液界面微观结构，了解晶核长大机制，掌握金属晶核长大主要特征和控制晶粒大小的主要因素光滑界面、粗糙界面；垂直长大、平面长大、缺陷长大；正温度梯度、负温度梯度；树枝状生长；晶粒大小的控制金属铸锭组了解三晶区形成特点和性能特点，掌握控制三晶区的方法；了解铸锭常见缺陷和形成原因表面细晶区、柱状晶区、等轴状晶区；缩孔、疏松、气孔及夹杂物结晶理论的应用熟悉定向凝固和急冷凝固技术；了解柱状晶、单晶、微晶、非晶、准晶的形成及基本特征定向凝固技术：柱状晶、单晶技术；急冷凝固技术：微晶和纳米晶、非晶、准晶技术第十五页第十六页，共152页。2.1结晶的基本概念1.晶核形成与晶核长大第十六页第十七页，共152页。2.结晶的条件过冷度自由能结构起伏第十七页第十八页，共152页。2.2晶核形成规律

1.均匀形核形核时的能量变化临界形核半径和临界形核功形核率第十八页第十九页，共152页。2.非均匀形核临界形核半径和形核功形核率第十九页第二十页，共152页。2.3晶核长大规律1.液固界面的微观结构光滑界面粗糙界面第二十页第二十一页，共152页。2.晶核长大机制垂直长大机制

二维长大机制晶体缺陷长大机制第二十一页第二十二页，共152页。3.晶体生长的形态正温度梯度条件下生长的界面形态负温度梯度条件下生长的界面形态第二十二页第二十三页，共152页。4.晶体长大速度晶体长大速度与界面微观结构、生长方式等多种因素有关。一般光滑界面比粗糙界面的长大速度要慢得多，光滑界面以二维长大方式生长时长大速度最小，光滑界面以螺型位错等缺陷台阶长大方式生长时次之，粗糙界面以垂直长大方式生长时速度最快。大多数金属晶体具有粗糙界面并以枝晶方式长大，具有高的长大速度。第二十三页第二十四页，共152页。5.晶粒大小的控制第二十四页第二十五页，共152页。2.4金属铸锭的组织与缺陷。1.铸锭组织表层细晶粒区柱状晶粒区中心等轴状晶粒区第二十五页第二十六页，共152页。2.铸锭组织的控制第二十六页第二十七页，共152页。3.铸锭中的缺陷缩孔疏松气孔夹杂物第二十七页第二十八页，共152页。2.5结晶理论的拓展与应用1.定向凝固技术柱状晶技术单晶技术第二十八页第二十九页，共152页。2.急冷凝固技术微晶和纳米晶金属非晶态金属准晶态金属第二十九页第三十页，共152页。第3章合金相结构与二元合金相图【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识合金相结构理解合金相结构基本概念，掌握置换固溶体和间隙固溶体主要特点；掌握金属化合物的形成条件与性能特征合金系、组元、相、相结构；合金固溶体类型、溶解度、电负性、电子浓度；中间相二元合金相图建立掌握溶质分配和成分过冷理论；熟悉二元合金相图测定方法，理解相律及应用相律分析相图，掌握二元相图杠杆定律合金的溶质分配；成分过冷条件；热分析法建立二元合金相图；相律，杠杆定律常见二元合金相图了解二元相图基本类型，着重熟悉二元匀晶、共晶、包晶相图形态特征，掌握二元合金平衡和非平衡结晶分析；注重成分偏析概念的学习二元匀晶相图；二元共晶相图；二元包晶相图；其它二元合金相图；平衡结晶、非平衡结晶、伪共晶，成分偏析合金相图与性能了解相图形态与性能之间的基本关系，注重相图在材料加工工艺中的应用合金相的力学性能和物理性能；不同合金的加工工艺性能第三十页第三十一页，共152页。3.1合金相结构1.基本概念组元组成合金最基本的、独立的物质合金系由给定的组元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金相和相结构合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分第三十一页第三十二页，共152页。2.合金固溶体及类型分类置换固溶体间隙固溶体第三十二页第三十三页，共152页。3.金属化合物（中间相）正常价化合物电子化合物原子尺寸因素化合物间隙相间隙化合物拓扑密堆相（（第三十三页第三十四页，共152页。表格表3-2钢中常见的间隙相间隙相的化学式钢中的间隙相结构类型M4XFe4N、Mn4N面心立方M2XTi2H、Zr2H、Fe2N、Cr2N、V2N、Mn2C、W2C、Mo2C密排六方MXTaC、TiC、ZrC、VC、ZrN、VN、TiN、CrN、ZrH、TiH面心立方TaH、NbH体心立方WC、MoN简单六方MX2TiH2、ThH2、ZnH2面心立方表3-3钢中常见碳化物的硬度及熔点类型间隙相间隙化合物NbCW2CWCMo2CTaCTiCZrCVCCr23C6Fe3C熔点/℃3770±125313028672960±504150±14034103805302315771227硬度HV2050-1730148015502850284020101650≈800图3-6拓扑密堆相中的配位多面体第三十四页第三十五页，共152页。3.2液态合金固化（二元合金的凝固理论）1.合金凝固时溶质的分配液体中溶质完全混合的情况液体中溶质仅借扩散而混合的情况液体中溶质部分混合的情况区域熔炼第三十五页第三十六页，共152页。2.成分过冷概念临界条件影响因素晶体生长形状铸锭组织第三十六页第三十七页，共152页。3.3二元合金相图的建立1.相图的测定方法①首先配制一系列不同成分的同一合金系。②将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。③根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。④将上述数据引入以温度（℃）为纵轴、成分（质量百分比为单位）为横轴的坐标平面中。⑤连接意义相同的点，作出相应的曲线，标明各区域所存在的相。便得到合金系相图。第三十七页第三十八页，共152页。2.相律利用相律确定系统中可能共存的最多平衡相数利用相律解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别第三十八页第三十九页，共152页。3.二元相图杠杆定律第三十九页第四十页，共152页。3.4二元匀晶相图1.相图分析第四十页第四十一页，共152页。2.平衡结晶过程第四十一页第四十二页，共152页。3.非平衡结晶第四十二页第四十三页，共152页。3.5二元共晶相图1.相图分析第四十三页第四十四页，共152页。2.平衡结晶过程含二次相析出合金共晶合金亚共晶合金过共晶合金第四十四页第四十五页，共152页。3.非平衡结晶伪共晶离异共晶第四十五页第四十六页，共152页。3.6二元包晶相图1.相图分析第四十六页第四十七页，共152页。2.平衡结晶过程包晶点合金亚包晶合金过包晶合金第四十七页第四十八页，共152页。3.非平衡结晶过程包晶偏析区域偏析和比重偏析第四十八页第四十九页，共152页。3.7其它类型的二元合金相图1.具有共晶型恒温转变的其它相图共析转变偏晶转变熔晶转变第四十九页第五十页，共152页。2.具有包晶型恒温转变的其它相图包析转变合晶转变第五十页第五十一页，共152页。3.具有中间相形成的二元合金两组元形成稳定化合物的相图两组元形成不稳定化合物的相图第五十一页第五十二页，共152页。3.8二元合金相图与二元合金性能的关系1.合金相的力学性能与物理性能第五十二页第五十三页，共152页。2.二元合金的加工工艺性能根据相图判断合金的铸造性能根据相图分析合金热处理的可能性根据相图判断合金的塑性加工性能第五十三页第五十四页，共152页。3.9二元相图热力学初步1.合金自由能概念固溶体的自由能-成分曲线多相平衡的公切线原理混合物的自由能和杠杆法则第五十四页第五十五页，共152页。2.二元合金的几何规律从自由能-成分曲线推测相图二元合金相图的一些几何规律第五十五页第五十六页，共152页。第4章铁碳合金相图【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识铁碳合金组元性质熟悉铁和碳元素性质，掌握铁的同素异晶转变铁、碳、渗碳体；δ-Fe、γ-Fe、α-Fe；铁素体、奥氏体Fe—Fe3C典型合金平衡结晶过程熟悉Fe—Fe3C相图各点线面的物理意义，掌握相图中的基本反应，注重典型合金平衡结晶过程分析和杠杆定律的应用Fe—Fe3C相图分析：线、区物理意义，平衡反应；典型合金平衡结晶过程：工业纯铁、钢、白口铸铁Fe—Fe3C相图的应用掌握以相组成物和组织组成物标示的Fe—Fe3C相图，熟悉其在生产中的基本应用组织组成物标示的Fe—Fe3C相图，含碳量与材料力学性能，相图在选材、工艺制定中的应用碳钢掌握碳钢编号原则和分类钢中常存杂质元素，碳钢分类，常用碳钢第五十六页第五十七页，共152页。3.1铁碳合金组元性质1.铁和碳元素FeC第五十七页第五十八页，共152页。2.铁碳合金组元纯铁及其性能特点铁的同素异晶转变铁素体和奥氏体Fe3C及其性能特点第五十八页第五十九页，共152页。3.2Fe—Fe3C相图分析1.相图中的点、线、区及其意义符号温度/℃C（%）说明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成份C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120转变温度（A3）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69渗碳体的成分N13940转变温度（A4）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）Q6000.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度第五十九页第六十页，共152页。2.包晶转变（水平线HJB）第六十页第六十一页，共152页。3.共晶转变线（水平线ECF）第六十一页第六十二页，共152页。4.共析转变（水平线PSK）第六十二页第六十三页，共152页。5.三条重要的特性曲线

1.GS线GS线又称为A3线，它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线。2.ES线ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出次生渗碳体，通常称为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示,也叫Acm线。3.PQ线PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示第六十三页第六十四页，共152页。4.3Fe—Fe3C相图典型合金平衡结晶过程

1.工业纯铁第六十四页第六十五页，共152页。2.钢共析钢亚共析钢过共析钢第六十五页第六十六页，共152页。3.白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁第六十六页第六十七页，共152页。4.4Fe—Fe3C相图的应用1.以组织组成物标示的Fe—Fe3C相图含碳量对平衡组织的影响含碳量对力学性能的影响第六十七页第六十八页，共152页。2.Fe—Fe3C相图在选材上的应用铁碳合金相图总结了合金组织及性能随成分的变化规律，这样就便于根据工件的工作环境和性能要求来选择材料。当然为了进一步提高钢的性能，还需要有相应的合理工艺与之相配合。白口铸铁具有很高的硬度和脆性，抗磨损能力也很好，可用来制造需要耐磨而不受冲击载荷的工件。如拨丝模、球磨机的铁球等。另外，白口铸铁也是可锻铸铁的原料。第六十八页第六十九页，共152页。3.Fe—Fe3C相图在制定加工工艺上的应用

Fe-Fe3C相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律，即组织随温度变化的规律，这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据。第六十九页第七十页，共152页。4.5碳钢1.钢中常存的杂质元素硅锰硫磷其它（氮、氢、氧、夹杂物）第七十页第七十一页，共152页。2.碳钢的分类按钢的含碳量分类（低碳钢、中碳钢、高碳钢）按钢的用途分类（碳素结构钢、碳素工具钢）按钢的质量分类（普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢、特级优质碳素钢）第七十一页第七十二页，共152页。3.常用碳钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢与合金结构钢碳素工具钢第七十二页第七十三页，共152页。第5章三元合金相图【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识三元相图表示方法熟悉相图成分三角形和特定点线意义，了解相图建立过程和热力学规律，掌握定量法则成分三角形，特定点和直线；相图建立，定量法则，热力学概论典型三元合金相图熟悉匀晶、共晶相图的立体形态，掌握掌握其截面图和投影图，会在投影图中应用定量法则三元匀晶相图：空间模型、平衡结晶、截面图、投影图；三元共晶相图：相图分析、截面图、投影图；三元相图总结：单相平衡、两相平衡、三相平衡、四相平衡三元相图应用实例着重根据相平衡原则分析实际三元相图相存在Fe-C-Si三元相图截面；Fe-C-Cr三元相图截面第七十三页第七十四页，共152页。5.1三元合金相图表示方法1.三元合金相图的成分表示方法成分（浓度）三角形等边浓度三角形中具有特定意义的点和线第七十四页第七十五页，共152页。2.三元合金相图的建立对照二元相图，对于二元系相图上的曲线，在三元相图上扩展为曲面；二元相图中的相区（二维），在三元相图中成为一空间区域。第七十五页第七十六页，共152页。3.三元相图定量法则直线法则和杠杆定律

重心法则第七十六页第七十七页，共152页。4.三元相图热力学概述自由能-成分曲线公切面定律三元系三相平衡与共轭三角形三元系四相平衡与四相平衡平面第七十七页第七十八页，共152页。5.2三元匀晶相图

1.相图的空间模型第七十八页第七十九页，共152页。2.固溶体合金的平衡结晶过程

第七十九页第八十页，共152页。2.截面图分析等温截面

变温截面第八十页第八十一页，共152页。2.投影图

第八十一页第八十二页，共152页。5.3三元共晶相图1.组元在固态完全不溶的共晶相图相图分析等温截面变温截面投影图结晶分析第八十二页第八十三页，共152页。表5-1平衡结晶后的室温组织组成物成分范围结晶顺序和室温组织组成物①区初晶A+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）②区初晶B+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）③区初晶B+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）④区初晶C+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）⑤区初晶C+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）⑥区初晶A+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）E1E线二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）E2E线二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）E3E线二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）AE线初晶A+三元共晶（A+B+C）BE线初晶B+三元共晶（A+B+C）CE线初晶C+三元共晶（A+B+C）E点三元共晶（A+B+C）第八十三页第八十四页，共152页。2.组元在固态有限互溶的共晶相图相图分析等温截面变温截面投影图结晶分析

固态完全不溶三元共晶固态有限互溶三元共晶单相区LABCLαβγ两相区L+AL+BL+C—L+αL+βL+γ——A+BB+CC+A—α+ββ+γγ+α三相区L+A+BL+B+CL+C+AA+B+CL+α+βL+β+γL+γ+αα+β+γ四相区L+A+B+CL+α+β+γ第八十四页第八十五页，共152页。三元共晶相图p1234区域液固过程室温组织ⅠL→ααⅡL→α，α→βⅡα+βⅡⅢL→α，α→βⅡ+γⅡα+βⅡ+γⅡⅣL→α，L→α+β，α→βⅡα+（α+β）+βⅡⅤL→α，L→α+β，α→βⅡ+γⅡ，α+（α+β）+βⅡ+γⅡⅥL→α，L→α+β，L→α+β+γ，α→βⅡ+γⅡα+（α+β）+（α+β+γ）+βⅡ+γⅡ第八十五页第八十六页，共152页。5.4三元合金相图总结单相平衡、两相平衡、三相平衡、四相平衡转变类型L→α+β+γL+α→β+γL+α+β→γ转变前的三相平衡四相平衡转变后的三相平衡表5-4三元系中的四相平衡转变第八十六页第八十七页，共152页。相平衡第八十七页第八十八页，共152页。5.5三元合金相图应用实例分析1.Fe-C-Si三元相图的垂直截面2.4%Si合金结晶过程分析4.8%Si合金结晶过程分析第八十八页第八十九页，共152页。2.Fe-C-Cr三元相图的等温截面2Cr13不锈钢（0.2%C,13%Cr）Cr12模具钢（2%C,13%Cr）第八十九页第九十页，共152页。第6章金属的塑性变形【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识金属变形的三个阶段熟悉拉伸的应力-应变曲线，掌握材料力学性能指标及其物理意义材料的应力-应变曲线；弹性变形：广义虎克定律、弹性模量、滞弹性；塑性变形：强度指标、塑性指标；断裂：冲击韧性、断裂韧性单晶体塑性变形了解滑移和孪生的基本概念，掌握滑移基本过程和原理塑性变形方式；滑移的特征，滑移的临界分切应力，滑移的实质；孪生条件多晶体和合金的塑性变形熟悉多晶体和合金的塑性变形过程多晶体塑性变形：晶界的影响、晶粒位向的影响；合金的塑性变形：固溶体溶质的影响、第二相质点的影响塑性变形对组织和性能的影响了解塑性变形过程组织和性能在不同阶段的变化规律，着重掌握加工硬化基本原理纤维组织，加工硬化，变形织构，内应力第九十页第九十一页，共152页。6.1金属变形的三个阶段1.弹性变形应力-应变曲线虎克定律弹性模量滞弹性a）b）c）材料名称E（GPa）G（GPa）ν铝70.326.10.345铜129.848.30.343铁211.481.60.293镁44.717.30.291镍199.576.00.312铌104.937.50.397钽185.769.20.342钛115.743.80.321钨411.0160.60.280钒127.646.70.365第九十一页第九十二页，共152页。2.塑性变形屈服强度

抗拉强度断后伸长率断面收缩率第九十二页第九十三页，共152页。3.断裂断裂方式及特征延性断裂、脆性断裂冲击功（冲击韧性）Ak表示断裂韧性理论断裂强度、格里菲斯(Griffith)断裂理论、奥罗万(Orowan)的修正、裂纹扩展的能量判据、裂纹扩展的基本形式、断裂韧性KC和K1C第九十三页第九十四页，共152页。6.2单晶体的塑性形变

1.塑性变形基本方式滑移孪生第九十四页第九十五页，共152页。2.滑移特征滑移作用力

滑移线和滑移带滑移系滑移时晶体的转动第九十五页第九十六页，共152页。3.滑移的临界分切应力

切应力公式位向因子、软位向、硬位向{<<<<<金属温度纯度（%）滑移面滑移方向临界切应力（MPa）Ag室温99.99{111}<110>0.47Al室温-{111}<110>0.79Cu室温99.9{111}<110>0.98Ni室温99.8{111}<110>5.68Fe室温99.96{110}<111>27.44Nb室温-{110}<111>33.8Ti室温99.99}>13.7Mg室温99.95{0001}>0.81Mg室温99.98{0001}>0.76Mg330℃99.98{0001}>0.64Mg330℃99.98{0001}>3.92第九十六页第九十七页，共152页。4.塑性变形的实质位错运动位错交割位错塞积时效应变位错增殖第九十七页第九十八页，共152页。5.孪生变形孪生条件孪生面、孪生方向第九十八页第九十九页，共152页。6.3多晶体的塑性变形1.晶界对塑性变形的影响第九十九页第一百页，共152页。2.晶粒位向对塑性变形的影响晶粒位向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性。第一百页第一百零一页，共152页。6.4合金的塑性变形1.固溶体中的塑性变形固溶强化屈服现象第一百零一页第一百零二页，共152页。2.第二相存在对塑性变形的影响不可变形颗粒的强化作用可变形颗粒的强化作用第一百零二页第一百零三页，共152页。6.5塑性变形对组织和性能的影响1.纤维组织随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向被拉长晶粒沿材料流变伸展的方向已变成纤维状第一百零三页第一百零四页，共152页。2.加工硬化亚结构变化

加工硬化现象其它性能变化第一百零四页第一百零五页，共152页。3.变形织构丝织构板织构第一百零五页第一百零六页，共152页。4.变形内应力第一类内应力，又称宏观残余内应力，作用与工件尺度范围内，是由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的平衡内应力。第二类内应力，又称微观残余内应力，作用在晶粒尺度范围内，是金属材料晶粒之间、晶粒内部或亚晶粒之间变形不均匀造成的微观范围内的平衡内应力。第三类内应力，又称点阵畸变内应力，存在于点阵尺度范围内，是因金属材料在形变过程中形成了大量点阵缺陷如位错、亚晶界等晶体缺陷引起晶格畸变造成的平衡内应力。第一百零六页第一百零七页，共152页。第7章回复与再结晶【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识冷塑性变形金属在加热时的转变熟悉冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化特点显微组织变化：回复、再结晶、晶粒长大；性能变化：强度、硬度、电阻、密度、内应力回复阶段了解回复动力学和回复机制回复动力学曲线、激活能；回复机制：低温、中温、高温回复转变再结晶熟悉再结晶动力学，掌握再结晶温度表达方法，掌握临界变形度与再结晶晶粒大小的关系再结晶动力学，形核与核长大过程，影响再结晶的因素；再结晶晶粒大小的控制金属的热塑性变形了解冷、热塑性变形的区别，掌握动态回复与再结晶基本原理，理解超塑性的概念冷、热塑性变形的区别，动态回复与再结晶，热塑性变形对组织和性能的影响，超塑性第一百零七页第一百零八页，共152页。7.1冷塑性变形金属在加热时的转变1.显微组织的变化回复再结晶晶粒长大第一百零八页第一百零九页，共152页。2.性能的变化强度与硬度的变化

电阻率的变化密度的变化内应力的变化储存能的变化第一百零九页第一百一十页，共152页。7.2回复阶段1.回复动力学第一百一十页第一百一十一页，共152页。2.回复机制低温回复中温回复

高温回复第一百一十一页第一百一十二页，共152页。7.3再结晶1.再结晶动力学第一百一十二页第一百一十三页，共152页。2.再结晶晶核的形成与长大再结晶晶核的形成弓出形核机制、亚晶形核机制再结晶晶核的长大第一百一十三页第一百一十四页，共152页。3.影响再结晶的因素凡是影响再结晶的形核率、长大速率和再结晶温度的因素都是影响再结晶的因素。温度变形程度二次再结晶原始晶粒尺寸

微量溶质原子

第二相颗粒

第一百一十四页第一百一十五页，共152页。4.再结晶晶粒大小的控制临界变形度

再结晶退火温度第一百一十五页第一百一十六页，共152页。7.4金属的热塑性变形1.热、冷塑性变形的区别热、冷塑性变形的区别动态回复和动态再结晶第一百一十六页第一百一十七页，共152页。2.热塑性变形对组织和性能的影响热加工后金属的组织与性能超塑性及其应用与发展材料始锻温度（℃）终锻温度（℃）碳素结构钢及合金结构钢1200~1280750~800碳素工具钢及合金工具钢1150~1180800~850高速钢1090~1150930~950铬不锈钢（1Cr13）1120~1180870~925铬镍不锈钢（1Cr18Ni9Ti）1175~1200870~925纯铝450350纯铜860650第一百一十七页第一百一十八页，共152页。第8章金属的固态扩散【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识扩散概述熟悉扩散的分类方法，理解扩散的微观机制扩散分类：上坡扩散和下坡扩散，自扩散和互扩散，原子扩散和反应扩散，体扩散和短路扩散；扩散微观机制：换位、空位、间隙机制固态扩散定律理解扩散定律各参数的物理意义，掌握第一、而定律及应用扩散第一定律，扩散第二定律，误差函数和高斯函数解扩散系数着重理解扩散系数公式，掌握扩散激活能及其影响因素，掌握温度、成分、晶体结构对扩散的影响原子跳动和扩散系数，扩散激活能，克达尔效应，扩散驱动力，影响扩散因素，反应扩散与应用第一百一十八页第一百一十九页，共152页。8.1扩散概述1.固态扩散的分类根据扩散方向是否与浓度的方向相同进行分类:上坡扩散、下坡扩散根据扩散过程是否发生浓度变化分类：自扩散、互扩散根据扩散过程是否出现新相进行分类：原子扩散、反应扩散根据扩散过程经过的路径进行分类：体扩散、短路扩散第一百一十九页第一百二十页，共152页。2.扩散的微观机制换位机制间隙机制空位机制第一百二十页第一百二十一页，共152页。8.2固态扩散定律1.扩散第一定律菲克（A.Fick）于1855年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为：第一百二十一页第一百二十二页，共152页。2.扩散第二定律系统中的浓度不仅与扩散距离有关，也与扩散时间有关，即。对于这种非稳态扩散可以通过扩散第一定律和物质平衡原理两个方面加以解决第一百二十二页第一百二十三页，共152页。3.扩散第二定律的解及其应用误差函数解高斯函数解第一百二十三页第一百二十四页，共152页。8.3扩散系数及影响扩散的因素1.原子跳动和扩散系数第一百二十四页第一百二十五页，共152页。2.扩散激活能原子的激活几率间隙扩散的激活能空位扩散的激活能扩散激活能的测量第一百二十五页第一百二十六页，共152页。3.柯肯达尔效应与扩散驱动力柯肯达尔效应扩散的驱动力第一百二十六页第一百二十七页，共152页。4.影响扩散的因素温度成分晶体结构短路扩散元素扩散温度/℃105D/cm2d－1元素扩散温度/℃105D/cm2d－1CAlSiNi9251000110090011509601150120012053100864033170651250.8CrMoWMn11501200130012001280133096014005.915～70190～46020～1303.2212.6830不同温度时各元素在铁中的扩散系数第一百二十七页第一百二十八页，共152页。第一百二十八页第一百二十九页，共152页。2.反应扩散与应用反应扩散包括两个过程，一是在渗入元素渗入到基体的表层，但是还未达到基体的溶解度之前的扩散过程；二是当基体的表层达到溶解度以后发生相变而形成新相的过程。第一百二十九页第一百三十页，共152页。第9章金属与合金的固态相变【本章教学要点】知识要点掌握程度相关知识固态相变的分类与特征了解固态相变的分类方法，掌握固态相变的界面特征一级相变、二级相变，扩散型、半扩散型、非扩散型相变，有核相变、无核相变；共格界面、半共界面、非共格界面，界面能、应变能、晶体学位向、晶体缺陷影响固态相变的形核与晶核长大过程比较固态相变与金属结晶形核与晶核长大的异同，掌握非均匀形核形核特点，掌握扩散型、半扩散型和非扩散型相变晶核长大特性均匀形核与非均匀形核，晶界形核、位错形核、空位形核，形核率；扩散型、非扩散型、半扩散型晶核长大，晶核长大的动力学曲线过饱和固溶体的分解转变熟悉过饱和固溶体的固态相变过程，了解调幅分解和脱溶转变基本特点调幅分解；脱溶转变；连续脱溶、不连续脱溶马氏体相变与形状记忆合金了解马氏体的形状记忆效应，理解常见形状记忆合金的形状记忆效应马氏体的可逆转变，热弹性马氏体，马氏体的形状记忆效应，形状记忆合金第一百三十页第一百三十一页，共152页。9.1固态相变的分类与特征1.固态相变的分类按热力学分类:一级相变、二级相变按动力学分类：扩散型相变、半扩散型相变、非扩散型相变按相变方式分类：有核相变、无核相变第一百三十一页第一百三十