《材料与凝固》课件

材料与凝固本课件旨在深入探讨材料的凝固过程，从微观结构到宏观性能。课程目标材料基础知识了解材料的分类、结构、性能和应用凝固过程原理掌握金属凝固过程的热力学基础和微观组织控制金属材料加工学习铸造、锻造、热处理等加工工艺及应用材料性能优化掌握材料性能改善和失效分析方法什么是材料？金属坚固耐用，广泛应用于建筑、交通、电子等领域。木材可再生资源，用于建造房屋、家具和纸张。塑料合成材料，具有轻便、耐腐蚀等优点。材料的主要组成1化学元素材料由各种化学元素组成，例如铁、铝、铜、碳等。2化合物不同元素通过化学键结合形成化合物，例如氧化物、碳化物、氮化物等。3混合物材料也可以是多种元素或化合物的混合物，例如合金、陶瓷等。金属材料的结构金属材料的结构主要由其原子排列方式决定，包括晶体结构和非晶体结构。常见的金属材料都具有晶体结构，即原子以规则的排列方式在空间中形成晶格。晶体结构对金属材料的性能影响巨大，如强度、硬度、塑性、导电性和导热性等。金属晶体结构金属材料中原子以规则的方式排列，形成晶体结构。常见的金属晶体结构包括面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和密排六方(HCP)。晶体结构决定了金属材料的许多物理和机械性能，例如强度、延展性、硬度和熔点。晶粒结构多晶体材料是由许多大小、形状不规则的晶粒组成的，这些晶粒之间存在着晶界。晶界是晶粒之间的过渡区域，其原子排列不规则，具有较高的能量和活性。晶粒大小对材料的性能有重要影响。一般来说，晶粒越细，材料的强度、硬度、韧性等机械性能越好，但塑性、延展性等性能会下降。晶格缺陷点缺陷点缺陷是晶格中原子排列的局部偏差，例如空位和间隙原子。线缺陷线缺陷是晶格中原子排列的一维偏差，例如位错。面缺陷面缺陷是晶格中原子排列的二维偏差，例如晶界和孪晶界。扩散机制1原子迁移原子在晶格中移动，从一个位置到另一个位置2空位机制原子通过空位移动，形成空位和填补空位3间隙机制原子通过间隙位置移动，形成间隙原子扩散机制是原子在固体材料中迁移的过程。这对于材料的许多性质，例如热处理和金属合金的形成至关重要。扩散通常发生通过原子迁移，原子从一个位置到另一个位置。原子迁移可以通过空位机制或间隙机制发生。液相凝固概述从液态到固态液相凝固是指金属或合金从液态转变为固态的过程。结晶过程凝固过程中，金属原子会逐渐排列成有序的晶体结构。控制因素凝固过程受温度、冷却速率、成分等因素影响。凝固过程的热力学基础自由能变化凝固过程涉及液相向固相的转变，伴随自由能的降低。过冷度液相在低于熔点温度下才开始凝固，该温度差称为过冷度。形核与长大凝固过程包含形核和晶体长大两个阶段，形核是形成新的晶核，长大是晶核不断长大。纯金属的凝固1晶核形成液态金属中出现固态晶体2晶体生长晶核逐渐长大，形成固态金属3凝固完成整个液态金属转变为固态合金的凝固1液相线合金完全液态时的温度。2固相线合金完全固态时的温度。3凝固区间液相线和固相线之间的温度范围。4初生相在凝固过程中首先析出的固相。5共晶相在凝固过程中同时析出的两种或多种固相。共晶体系的凝固成分均匀共晶体系在凝固过程中，液相中的金属原子以均匀的速度排列成晶体结构。温度一致共晶体系在凝固过程中，液相的温度保持恒定，直到所有液相完全凝固。晶体形状共晶体系的固态组织通常呈层状或片状，由两种或多种金属的晶体相互交织而成。共晶体系的组织层状共晶组织共晶合金中两种固相以平行层状结构生长杆状共晶组织共晶合金中两种固相以杆状结构生长球状共晶组织共晶合金中两种固相以球状结构生长过共晶体系的凝固1过共晶合金过共晶合金是指其成分超过共晶点，即其中金属的含量高于共晶点对应的成分。2凝固过程过共晶合金在凝固过程中，首先析出的是过量的金属相，然后形成共晶结构。3组织结构过共晶合金的组织结构主要由过量金属相和共晶结构组成，且过量金属相包裹着共晶结构。铸造工艺概述将熔融金属浇入模具中，冷却凝固成型砂型铸造、金属型铸造、消失模铸造等铸件加工，去除毛刺，提高尺寸精度铸件缺陷及其防治常见的铸件缺陷铸件缺陷是指在铸造过程中由于工艺因素或材料因素造成的缺陷。常见的铸件缺陷包括气孔、缩孔、裂纹、冷隔、砂眼等。铸件缺陷的防治措施铸件缺陷的防治措施主要包括以下几个方面：选择合适的工艺参数，优化铸造工艺，采用合理的材料，加强模具的设计与制造等。锻造工艺概述1塑性变形锻造是在常温或高温下，利用锤头或压力机对金属坯料进行打击或挤压，使其产生塑性变形。2改善性能锻造可以提高金属的强度、韧性、抗疲劳性能等力学性能。3应用广泛锻造应用于各种工业领域，包括航空、汽车、机械、建筑等。锻件组织特点锻造工艺对材料的微观组织有显著影响。锻件内部的晶粒更细小，排列更为均匀，且有明显的纤维组织，其强度、韧性和塑性都有明显提高。锻件在使用过程中更容易承受冲击载荷，不易发生断裂。热处理工艺概述热处理对金属材料进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构和性能的工艺。冷加工在常温或低温下，对金属材料施加外力使其产生塑性变形，以改变其机械性能的工艺。材料性能通过热处理和冷加工，可以改变材料的硬度、强度、韧性、塑性和耐腐蚀性等性能。淬火过程及组织加热将钢件加热到奥氏体化温度，使钢内部组织全部转变为奥氏体。保温在奥氏体化温度下保温一段时间，使奥氏体组织充分形成。冷却将钢件迅速冷却到室温或更低温度，使奥氏体转变为马氏体等组织。回火过程及组织1回火降低硬度，提高韧性2回火组织回火马氏体、回火索氏体、回火屈氏体3回火温度低温回火、中温回火、高温回火时效硬化过程1过饱和固溶体合金在淬火后形成过饱和固溶体，其中溶质原子处于不稳定状态2析出相形成在室温或稍高于室温下，溶质原子会逐渐从固溶体中析出，形成新的相3强度提高析出相的形成阻碍了位错的运动，提高了合金的强度和硬度金属的腐蚀和防护电化学腐蚀金属与周围介质发生化学反应，形成氧化物，导致金属表面损坏。化学腐蚀金属与周围介质发生化学反应，形成盐类，导致金属表面损坏。防护措施涂层、电镀、合金化等方法可以有效防止金属腐蚀。常见金属材料的应用钢铁建筑、汽车、机械等领域。铝航空航天、包装、电子等领域。铜电气、建筑、装饰等领域。钛航空航天、医疗、化工等领域。新型材料的发展趋势智能材料智能材料能够感知环境变化并做出响应，例如形状记忆合金和自修复材料。纳米材料纳米材料具有独特的物理和化学性质，在电子、生物医药等领域有着广泛应用。复合材料复合材料通过结合不同材料的优点，实现性能的提升，例如碳纤维增强塑料。课程小结金属材料理解金属材料的结构、性能和应用凝固过程掌握凝固过程的热力学基础、凝固过程的