《材料的凝固与结晶》课件

材料的凝固与结晶本课程将探讨材料的凝固与结晶过程，从基本原理到实际应用，帮助您理解固体材料的形成和性质。课程概述凝固与结晶介绍材料凝固过程中的基本原理和现象，探讨不同材料凝固过程的特点和影响因素。材料组织深入分析凝固过程中形成的组织结构，包括晶粒尺寸、形貌和分布，以及其对材料性能的影响。热处理工艺阐述热处理工艺的原理和应用，包括淬火、回火、退火等工艺对材料性能的影响，以及在实际生产中的应用。材料的分类金属材料金属材料是指以金属元素为主体的材料，具有良好的导电性、导热性、延展性和强度。非金属材料非金属材料是指以非金属元素为主体的材料，例如塑料、陶瓷、橡胶、玻璃等。复合材料复合材料是指由两种或多种不同材料组合而成，以发挥各自的优点，例如玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等。原子的结构原子是构成物质的基本单元，由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核由质子和中子构成，质子带正电，中子不带电。电子的质量远小于质子和中子，带负电荷，在原子核外以一定的轨道运行。原子的种类由原子核中的质子数决定。不同种类原子的核外电子排布不同，决定了它们的化学性质。晶体结构晶体结构是指晶体中原子或离子的排列方式。晶体结构决定了材料的许多物理和化学性质，例如强度、硬度、熔点和电导率。常见的晶体结构包括：简单立方结构(SC)体心立方结构(BCC)面心立方结构(FCC)六方密堆积结构(HCP)晶体缺陷点缺陷空位和间隙原子是常见的点缺陷，它们会影响材料的机械性能和电性能。线缺陷位错是一种常见的线缺陷，它会影响材料的强度、塑性、和韧性。面缺陷晶界和孪晶是常见的表面缺陷，它们会影响材料的强度、塑性、和韧性。溶质在固体中的分布1固溶体溶质原子均匀分布在溶剂晶格中，形成固溶体。2间隙固溶体溶质原子占据溶剂晶格的间隙位置。3置换固溶体溶质原子取代溶剂晶格中的部分原子。凝固过程的基本规律1过冷度液体金属必须过冷至低于其熔点才能发生凝固。2形核凝固过程首先需要形成固态晶核。3晶粒长大晶核长大形成固态金属，最终形成多晶体组织。纯金属的凝固1过冷熔体必须过冷到低于凝固点才能开始结晶2形核熔体中出现新的固相微小颗粒3长大形核后的晶体长大并相互连接纯金属凝固是一个由液态转变为固态的过程。纯金属在凝固过程中会经历过冷、形核和长大三个阶段。合金的凝固成分影响合金的凝固过程受多种因素影响，其中成分是关键因素。相变合金凝固过程中，不同成分的物质会发生相变，形成不同的固态相。晶体结构合金的晶体结构会影响其性能，如强度、韧性和抗腐蚀性等。冷却速率冷却速率也会影响合金的组织结构和性能。冶金组织晶粒金属材料中，原子以规则的排列方式形成晶体，称为晶粒。晶界相邻晶粒之间的界面，称为晶界。相具有相同化学成分和晶体结构的区域，称为相。组织金属材料中各种相的形态、尺寸和分布，称为组织。扩散与相变1扩散物质在热力学势梯度作用下，原子或分子从高浓度区域向低浓度区域迁移的过程。2相变物质从一种相态转变为另一种相态的过程，通常伴随着结构和性质的变化。3相变类型常见的相变类型包括固相变、液相变和气相变。金属的晶粒生长1晶粒长大高温下晶粒长大2晶界迁移晶界向低能方向移动3驱动力晶界能降低相图与相变相图是表示不同温度和压力下物质相态变化的图表，它能帮助我们理解不同材料的相变过程。相变是指物质在温度、压力等条件改变时，其物理状态和化学性质发生变化的过程，例如固态、液态和气态之间的转换。平衡二元合金相图铜镍合金相图铜镍合金相图展示了不同温度和成分下合金的相平衡状态，有助于理解合金的微观结构、性能变化以及热处理工艺。铅锡合金相图铅锡合金相图是常用的教学案例，它清晰地展示了固溶体、共晶反应、共析反应等相变过程，以及相应温度下合金的组织结构。非平衡二元合金相图非平衡凝固是指凝固过程在非平衡条件下进行，例如冷却速度过快或合金成分不均匀等。非平衡相图反映了合金在非平衡条件下的相变过程和组织变化。非平衡相图的主要特点是：液相线和固相线不再重合，而是存在一定的间隙，称为过冷度。非平衡相图中可能存在一些在平衡相图中没有的相，称为亚稳相。非平衡相图的形状和位置会受到冷却速度、成分波动、温度梯度等因素的影响。铁碳合金相图铁碳合金相图是研究铁碳合金相变规律的重要工具。它以温度和碳含量为坐标轴，将不同温度和碳含量下的平衡相组成的区域用不同颜色或符号标注，展示了不同相之间的转变关系。铁碳合金相图对于理解钢材的热处理和性能具有重要意义。通过相图，可以预测不同温度下合金的相组成、组织和性能，为钢材的热处理工艺设计和材料选择提供理论依据。铁碳合金的相变奥氏体向珠光体的转变奥氏体在缓慢冷却过程中，会发生共析转变，形成珠光体。奥氏体向马氏体的转变奥氏体在快速冷却过程中，会发生马氏体转变，形成马氏体。珠光体向渗碳体的转变珠光体在高温下长时间保温，会发生渗碳体转变，形成渗碳体。铁碳合金的组织珠光体铁素体和渗碳体的层状混合物，机械性能较好。莱氏体铁素体和渗碳体的细小混合物，硬度和强度较高。索氏体铁素体和渗碳体的混合物，硬度和强度介于珠光体和莱氏体之间。热处理基础热处理目的改变材料的内部组织结构，提高材料的性能。如提高材料的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性等。热处理过程通过加热、保温和冷却来改变材料的组织结构，从而改变材料的性能。加热和冷却的速度、温度和时间都会影响材料的性能。热处理类型常用的热处理类型包括退火、正火、淬火、回火、表面处理等。钢的热处理工艺1淬火提高硬度和强度2回火降低硬度，提高韧性3正火细化晶粒，提高机械性能4退火软化金属，便于加工铝合金的热处理1固溶处理提高合金强度和塑性2时效处理析出强化3人工时效控制析出4自然时效自然析出单相金属材料的再结晶1形变冷加工过程中，金属材料的晶粒发生变形，内部产生大量的位错.2恢复在低于再结晶温度下加热，位错部分消失，强度和硬度略有下降，塑性略有提高.3再结晶在一定温度下加热，发生晶粒长大，新的无畸变的晶粒取代了变形晶粒，金属材料的强度和硬度下降，塑性提高.合金的再结晶结晶核形成在冷变形金属中，由于应力集中，晶界和亚晶界附近形成新的晶核。晶粒长大新形成的晶核长大，并逐渐取代周围的变形组织。组织细化最终形成新的、细小的晶粒，从而改善材料的力学性能。材料的性能与组织的关系材料的微观结构决定了它的宏观性能。晶粒尺寸、晶界、相分布等影响材料的强度、硬度、塑性等。组织控制是提升材料性能的关键，通过热处理等方法改善微观结构。材料的应用实例材料的应用无处不在，从我们日常使用的手机、汽车到高精尖的航空航天器材，都离不开材料的支撑。例如，铝合金由于其轻质、高强度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。总结与展望1晶体结构影响材料的物理和机械性能的关键因素。2凝固过程决定了材料最终的微观结构，影响其强度、韧性和其他性能。3热处理通过控制加热和冷却工艺，改变材料的微观结构，优化其性能。课后习题本课程将提供丰富的习题，帮助您巩固所学知识，并提升解决实际问题的能力。习题涵盖了从基本概念到实际应用的各个方面，包括：1