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1、金属材料及热处理,第一章 金属的晶体结构和结晶,1,章节课件,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,章节课件,3,1669, 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. Bragg and W. L. Bragg
2、* 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,章节课件,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,章节课件,金属材料与热处理： 是一门研究金属材料的成分
3、、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,章节课件,金属与非金属的比较,6,章节课件,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,章节课件,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
4、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,章节课件,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,章节课件,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
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,章节课件,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,章节课件,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
6、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,章节课件,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,章节课件,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,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-
7、8cm,14,章节课件,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。,.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-Fe、Cr、W、V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。,15,章节课件,（1）体心立方晶格 bcc,-Fe、W、V、Mo 等,16,章节课件,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 -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,章节课件,（2）面心立方晶格 fcc,-Fe、Cu、Ni、Al、
8、Au、Ag 等,18,章节课件,.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g 、n 、d 、e等。 这类金属塑性较差。,密排六方球体模型及其晶胞,19,章节课件,（3）密排六方晶格 hcp,C（石墨）、Mg、Zn 等,20,章节课件,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。,L,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,
9、1538 ,1394 ,912 ,体心,面心,体心,Fe,21,章节课件,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,章节课件,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,章节课件,(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
10、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,章节课件,(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,章节课件,(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,章节课件,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
11、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,章节课件,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,章节课件,热 分 析 法,纯金属的冷却曲线与过冷度,差热分析法原理,29,章节课件,纯金属结晶时的冷却
12、曲线,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 ）,30,章节课件,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,章节课件,晶核的长大方式树枝状,32,章节课件,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,33,章节课件,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
13、内晶核长大的线速度）,34,章节课件,细化晶粒的途径,1）提高冷却速度，增加过冷度,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,常用于大铸件，实际效果较好,35,章节课件,4.金属的铸锭组织,1)表面细等轴晶层力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。2)柱状晶区比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。3)中心粗等轴晶区的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能降低,36,章节课件,谢谢大家！,37,章节课件,