金属材料与制造工艺精选文档.ppt

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1、金属材料与制造工艺本讲稿第一页，共三十一页绪绪 论论u金属的性能金属的性能有很大的差异有很大的差异,主要原因是材料内部的组织结构不同主要原因是材料内部的组织结构不同所致：所致：相同组元相同组元、不同成分（钢与铸铁、低碳钢与高碳钢）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）相同成分而不同状态（室温下与加热到桔红色时）u了解金属内部组织结构了解金属内部组织结构,对合理选材及制定加工工艺是十对合理选材及制定加工工艺是十分必要的。分必要的。本讲稿第二页，共三十一页第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶第三节第三节 金属的同

2、素异构转变金属的同素异构转变第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构第五节第五节 合金的结晶合金的结晶学习目标学习目标学习目标学习目标 认识常见金属的晶体结构特征认识常见金属的晶体结构特征 了解结晶的过程和现象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准确理解和认识同素异构转变现象学习重点学习重点学习重点学习重点 金属的晶体结构金属的晶体结构、同素异构转变同素异构转变学习难点学习难点学习难点学习难点 金属的结晶及状态图的建立金属的结晶及状态图的建立本讲稿第三页，共三十一页一、晶体与非晶体区别一、晶体与非晶体区别u晶体晶体:有固定的熔点。有固定的熔点。内部原子在空间作有规则的排列。内

3、部原子在空间作有规则的排列。（食盐（食盐、金刚石等金刚石等,纯金属及合金）纯金属及合金）u非晶体非晶体:内部原子杂乱无章地不规则的堆积。内部原子杂乱无章地不规则的堆积。（玻璃、沥青等）（玻璃、沥青等）注注:常用固态金属都是晶体。常用固态金属都是晶体。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构本讲稿第四页，共三十一页二、晶体结构的基本知识二、晶体结构的基本知识u晶体结构晶体结构:指晶体中原子排列的方式。指晶体中原子排列的方式。u晶格晶格:描述原子再晶体中排列形式的空间几何格子。描述原子再晶体中排列形式的空间几何格子。u晶胞晶胞:组成组成晶格的最小几何单元。晶格的最小几何单元。第一节第一节 金属的

4、晶体结构金属的晶体结构本讲稿第五页，共三十一页常见金属晶格类型常见金属晶格类型晶格类型晶格类型体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方晶胞空间形态晶胞空间形态 立方体立方体 立方体立方体正六方柱体正六方柱体原子空间位置原子空间位置八个顶角及中八个顶角及中心各心各1 1个个八个顶角及六个平八个顶角及六个平面中心各面中心各1 1个个1212个顶角及上个顶角及上、下面中下面中心各心各1,1,柱体中心柱体中心3 3个个典型金属典型金属Cr、W、-FeAu、Ag、Al、-FeZn、Mg、Be第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、晶体结构的基本知识二、晶体结构的基本知识本讲稿第六页，共三十

5、一页第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构常见金属晶格类型常见金属晶格类型二、晶体结构的基本知识二、晶体结构的基本知识晶格类型晶格类型体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方晶胞空间形态晶胞空间形态 立方体立方体 立方体立方体正六方柱体正六方柱体原子空间位置原子空间位置八个顶角及中八个顶角及中心各心各1 1个个八个顶角及六个平八个顶角及六个平面中心各面中心各1 1个个1212个顶角及上个顶角及上、下面中下面中心各心各1,1,柱体中心柱体中心3 3个个典型金属典型金属Cr、W、-FeAu、Ag、Al、-FeZn、Mg、Be本讲稿第七页，共三十一页第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体

6、结构三、金属的实际晶体结构三、金属的实际晶体结构u晶粒晶粒:晶体学上位向相同的晶体。晶体学上位向相同的晶体。u晶界晶界:两晶粒之间的交界。两晶粒之间的交界。u单晶体单晶体:晶格的位向一致。晶格的位向一致。u多晶体多晶体:由许多晶粒组成的晶体。由许多晶粒组成的晶体。注注:实际使用金属材料几乎都是多晶体。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。用特定方法也可获得单晶体。(低温低温、高压下获得单晶硅高压下获得单晶硅)本讲稿第八页，共三十一页特点特点:三维空间尺寸都很小的晶体缺陷。三维空间尺寸都很小的晶体缺陷。类型类型:空位、间隙原子、置换原子。空位、间隙原子、置换原子。应用应用:解

7、释合金的强度高于纯金属，热处理。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四、实际金属的晶体缺陷u点缺陷点缺陷u线缺陷线缺陷u面缺陷面缺陷第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构本讲稿第九页，共三十一页特点特点:三维空间的两个方向尺寸很小的晶体缺陷。三维空间的两个方向尺寸很小的晶体缺陷。类型类型:刃型位错、螺型位错。刃型位错、螺型位错。应用应用:解释实际金属的强度、硬度高于理论推算值。解释实际金属的强度、硬度高于理论推算值。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构四、实际金属的晶体缺陷四、实际金属的晶体缺陷u点缺陷点缺陷u线缺陷线缺陷u面缺陷面缺陷本讲稿第十页，共三十一页特点

8、：三维空间的两个方向尺寸较大的晶体缺陷。特点：三维空间的两个方向尺寸较大的晶体缺陷。类型：晶界。类型：晶界。应用：冷变形强化应用：冷变形强化(冷做硬化冷做硬化)：强化金属的重要手段。：强化金属的重要手段。第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构四、实际金属的晶体缺陷四、实际金属的晶体缺陷u点缺陷点缺陷u线缺陷线缺陷u面缺陷面缺陷本讲稿第十一页，共三十一页第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、冷却曲线与过冷度一、冷却曲线与过冷度二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程三、晶粒大小对金属力学性能影响三、晶粒大小对金属力学性能影响u结晶结晶:晶体由液态转变为固态的过程。晶体由液态转变为固态的过程。

9、u掌握结晶的基本规律是非常必要的。掌握结晶的基本规律是非常必要的。本讲稿第十二页，共三十一页(a)(a)以极缓慢速度冷却以极缓慢速度冷却 (b)(b)实际冷却条件下冷却实际冷却条件下冷却 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线T0理论结晶温度理论结晶温度Tn实际结晶温度实际结晶温度 一、冷却曲线与过冷度一、冷却曲线与过冷度u冷却曲线冷却曲线:采用热分析法制作温度采用热分析法制作温度-时间曲线。时间曲线。u过冷度过冷度:T=TT=T0 0-T-Tn n 金属结晶的必要条件金属结晶的必要条件:必须在一定的过冷度下进行。必须在一定的过冷度下进行。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶本讲稿第十

10、三页，共三十一页二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程u形成晶核形成晶核:当达到结晶温度时当达到结晶温度时,形成些极细小微晶体。形成些极细小微晶体。u晶核长大晶核长大:随着时间的推移随着时间的推移,已形成的晶核不断长大。已形成的晶核不断长大。注注:形成晶核和晶核长大这两个过程同时交替进行的。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纯金属结晶过程示意图第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶本讲稿第十四页，共三十一页三、结晶后的晶粒大小对金属力学性能影响三、结晶后的晶粒大小对金属力学性能影响u对金属力学性能影响对金属力学性能影响:晶粒愈细小晶粒愈细小,材料力学性能愈好。材料力

11、学性能愈好。u影响晶粒大小的因素影响晶粒大小的因素:形核率和晶核长大速度。形核率和晶核长大速度。u细化晶粒的方法细化晶粒的方法 增加过冷度增加过冷度:冷却速度越大冷却速度越大,T,T越大越大,金属实际结晶温度越低。金属实际结晶温度越低。变质处理变质处理:形成非自发晶核。形成非自发晶核。(钢液中加入钢液中加入AlAl、V V、B B等等)机械振动机械振动:超声波振动超声波振动、电磁振动电磁振动、搅拌。搅拌。(冰激凌生产冰激凌生产)第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶本讲稿第十五页，共三十一页第三节第三节 金属的同素异构转变金属的同素异构转变u现象现象:钢铁在室温时钢铁在室温时,具有较高强度和硬

12、度而塑性较差具有较高强度和硬度而塑性较差;当热到桔红当热到桔红色时色时,塑性变好而硬度下降。塑性变好而硬度下降。u研究研究: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。生变化。本讲稿第十六页，共三十一页纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变第三节第三节 金属的同素异构转变金属的同素异构转变一、同素异构转变一、同素异构转变1 1、研究、研究（以纯铁的结晶为例）（以纯铁的结晶为例）2 2、定义、定义 金属在固态下，由一种晶格金属在固态

13、下，由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程。转变为另一种晶格的转变过程。本讲稿第十七页，共三十一页二、金属同素异构转变特点二、金属同素异构转变特点u是由一种固态转变为另一种固态。是由一种固态转变为另一种固态。u也是由晶核形成和晶核长大两个基本过程来完成。也是由晶核形成和晶核长大两个基本过程来完成。u转变时也有过冷转变时也有过冷(过热过热)现象现象,具有较大过冷度。具有较大过冷度。u转变过程中常伴有金属体积的变化。转变过程中常伴有金属体积的变化。三、钢铁同素异构转变三、钢铁同素异构转变u同素异构转变是钢铁的一个重要特征。同素异构转变是钢铁的一个重要特征。u是钢铁进行热处理是钢铁进行热处理、锻造等的

14、理论依据。锻造等的理论依据。第三节第三节 金属的同素异构转变金属的同素异构转变本讲稿第十八页，共三十一页u纯金属使用局限性纯金属使用局限性:性能较差性能较差,价格昂贵等。价格昂贵等。u合金优越性合金优越性 改变成分改变成分:获得特定的物理、化学性能。获得特定的物理、化学性能。(不锈钢不锈钢)调整组织调整组织:提高工艺性能和使用性能。提高工艺性能和使用性能。(热处理热处理)更经济更经济:大多数合金比纯金属力学性能好大多数合金比纯金属力学性能好、价格低。价格低。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构本讲稿第十九页，共三十一页一、基本概念一、基本概念u合合金金:由由两两种种或或两两种种以以上上的

15、的金金属属元元素素或或金金属属元元素素和和非非金金属属元素结合而成的具有金属特性的物质。元素结合而成的具有金属特性的物质。u组元组元:是组成合金的最基本的是组成合金的最基本的、独立的单元。独立的单元。u合金系合金系:若干组元按不同比例配制而成的一系列成分不同若干组元按不同比例配制而成的一系列成分不同的合金。的合金。u相相:在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能、与该系与该系统的其余部分以界面分开的部分。统的其余部分以界面分开的部分。u组织组织:用金相观察方法用金相观察方法,看到金属及合金内部组成关系的构造情况。看到金属及合金内部组成关系的构造情

16、况。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构本讲稿第二十页，共三十一页二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构(固溶体固溶体、金属化合物金属化合物、机械混合物机械混合物)1 1、固溶体、固溶体u合金在固态下溶质原子溶入溶剂合金在固态下溶质原子溶入溶剂,仍保持溶剂晶格。仍保持溶剂晶格。u分类分类:置换固溶体置换固溶体(无限和有限两种无限和有限两种)、间隙固溶体。间隙固溶体。u应用应用:固溶强化基体金属固溶强化基体金属(溶剂溶剂)的强度、硬度升高。的强度、硬度升高。第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构(a)(a)溶质小于溶剂原子溶质小于溶剂原子 (b)(b)溶质大于溶剂原子溶质大于溶剂原子 形

17、成置换固溶体时晶格的畸变形成置换固溶体时晶格的畸变(a)a)置换固溶体置换固溶体 (b)(b)间隙固溶体间隙固溶体 固溶体的两种类型固溶体的两种类型本讲稿第二十一页，共三十一页第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构(固溶体固溶体、金属化合物金属化合物、机械混合物机械混合物)2 2、金属化合物、金属化合物u可用分子式表示。可用分子式表示。(Fe(Fe3 3C C、CuZn)CuZn)u在合金中是一相。在合金中是一相。u特点：硬而脆。特点：硬而脆。3 3、机械混合物、机械混合物u是多相组织，各相均保持各自的晶格类型。是多相组织，各相均保持各自的晶格类型。u性

18、能介于各组成相之间，与组成各相的多少有关。性能介于各组成相之间，与组成各相的多少有关。u大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。本讲稿第二十二页，共三十一页第四节第四节 合金的晶体结构合金的晶体结构二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构(固溶体固溶体、金属化合物金属化合物、机械混合物机械混合物)1 1、固溶体、固溶体u固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。2 2、金属化合物、金属化合物u可用分子式表示。可用分子式表示。(Fe(Fe3 3C)C)u在合金中是一相。在合金中是一相。u特点：硬而脆。特点：硬而脆。3 3、

19、机械混合物、机械混合物u是多相组织是多相组织,各相均保持各自的晶格类型。各相均保持各自的晶格类型。u性能介于各组成相之间。性能介于各组成相之间。u大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。大多数工程材料都是机械混合物的组织状态。本讲稿第二十三页，共三十一页第五节第五节 合金的结晶合金的结晶u合金的结晶仍是由合金的结晶仍是由形核形核和和长大长大两过程两过程交替进行交替进行完成的。完成的。u合金的结晶过程比纯金属要复杂的多。合金的结晶过程比纯金属要复杂的多。本讲稿第二十四页，共三十一页一、合金相图的建立一、合金相图的建立 在在T0T0条件下条件下,采用热分析法。采用热分析法。图一图一 图二图二 图三

20、图三 图四图四合金的组别合金的组别1234合金成分合金成分/（质量分数（质量分数)Cu10060400Ni04060100结晶开始温度结晶开始温度/1083129513681452结晶终止温度结晶终止温度/1083118512381452第五节第五节 合金的结晶合金的结晶本讲稿第二十五页，共三十一页 用热分析法测定用热分析法测定Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图第五节第五节 合金的结晶合金的结晶一、合金相图的建立一、合金相图的建立将将T-tT-t图上相变点投影到图上相变点投影到T-T-wMeMe图上图上,将意义将意义相同相同点连成线。点连成线。本讲稿第二十六页，共三十一页Cu-NiCu-Ni

21、二元合金相图二元合金相图第五节第五节 合金的结晶合金的结晶一、合金相图的建立一、合金相图的建立 相图组成相图组成:二线二线(固相固相、液相液相)、三区三区(L L、L L、)本讲稿第二十七页，共三十一页CuCu：100 Cu100 Cu：60 Cu60 Cu：40 Cu40 Cu：0 0 NiNi：0 Ni0 Ni：40 Ni40 Ni：60 Ni60 Ni：100100第五节第五节 合金的结晶合金的结晶二、合金结晶与纯金属结晶的不同之处二、合金结晶与纯金属结晶的不同之处纯金属结晶在恒温下进行纯金属结晶在恒温下进行(一个临界点一个临界点),),绝大多数合金绝大多数合金 是在一个温度范围内进行结

22、晶是在一个温度范围内进行结晶(有两个结晶点有两个结晶点)。本讲稿第二十八页，共三十一页第五节第五节 合金的结晶合金的结晶二、合金结晶与纯金属接近的不同之处二、合金结晶与纯金属接近的不同之处合金结晶过程中合金结晶过程中,局部范围内化学成分局部范围内化学成分(浓度浓度)是变化的是变化的,但结晶结束后整体化学成分不变。但结晶结束后整体化学成分不变。本讲稿第二十九页，共三十一页(a)(b)(c)(a)(b)(c)合金结晶的冷却曲线合金结晶的冷却曲线三、合金冷却曲线的三种形式三、合金冷却曲线的三种形式 u形成单相固溶体形成单相固溶体 有两个临界点。有两个临界点。(a)(a)u形成单相化合物形成单相化合物oror共晶体共晶体 有一个临界点。有一个临界点。(b)(b)u形成机械混合物形成机械混合物 有一个临界点。有一个临界点。(c)(c)第五节第五节 合金的结晶合金的结晶本讲稿第三十页，共三十一页本章总结本章总结复习与练习复习与练习 P P3232作业作业3 3 P P32 32 二、三、四二、三、四3 3、5 5 本讲稿第三十一页，共三十一页