第2章金属材料组织和性能的控制1优秀课件.ppt

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1、第2章金属材料组织和性能的控制1第1页，本讲稿共30页第2 2章 金属材料组织和性能的控制 内容提要：本章介本章介绍金属材料金属材料组织和性能的影响因素及其控和性能的影响因素及其控制方法。制方法。重点重点阐明明铁碳相碳相图、铁碳合金平衡碳合金平衡结晶晶过程、程、铁碳合金的成分碳合金的成分-组织-性能关系。重点性能关系。重点阐明明钢的的热处理原理和理原理和热处理工理工艺。简要要阐述述纯金属的金属的结晶、金属的塑性加工、晶、金属的塑性加工、钢的合金化。一般介的合金化。一般介绍表面技表面技术。第2页，本讲稿共30页学习目标：本章是工程材料本章是工程材料课程的重点章。程的重点章。着重掌握：着重掌握：铁

2、碳相碳相图，铁碳合金的平衡碳合金的平衡结晶晶过程，程，铁碳合金的成分碳合金的成分-组织-性能关系。性能关系。过冷奥氏体的冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用的淬透性、淬硬性。常用热处理等理等热处理工理工艺。合金元素。合金元素对钢的的热处理、理、钢的机械性能的机械性能的影响。的影响。熟悉熟悉纯金属、合金的金属、合金的结晶，金属的塑性加工、晶，金属的塑性加工、再再结晶晶对金属金属组织和性能的影响和性能的影响规律。律。表面技表面技术部分作一般了解。部分作一般了解。第3页，本讲稿共30页2.12.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 2.1.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 金属材料要经过液态和固态

3、的加工过程。金属材料要经过液态和固态的加工过程。钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。理等工艺过程。金属金属浇注、冷却后，注、冷却后，液液态金属金属转变为固固态金金属，属，获得一定形状的得一定形状的铸锭或或铸件。件。冶炼注锭冶炼注锭第4页，本讲稿共30页液液态金属中金属原子作不金属中金属原子作不规则运运动。在小范。在小范围内，原子会出内，原子会出现规则排列，称排列，称短程有序短程有序。短程有序的原子集短程有序的原子集团是不是不稳定的，瞬定的，瞬时出出现瞬瞬时消失。消失。液态金属结构液态金属结构通常的固通常的固态金属属于晶体金属属于

4、晶体材料，金属原子材料，金属原子规则排列，叫排列，叫长程有序程有序。固态金属结构固态金属结构 金属从液态到固体晶态的转变称为金属从液态到固体晶态的转变称为一次一次结晶结晶。简称。简称金属结晶金属结晶。第5页，本讲稿共30页 一、纯金属结晶的条件纯金属（纯铜）的冷却曲线纯金属（纯铜）的冷却曲线 冷却速度越大冷却速度越大,则开始结晶温度则开始结晶温度越低越低,过冷度也就越大。过冷度也就越大。dede段段 正在结晶，恒温结晶。正在结晶，恒温结晶。液态原子无序状态转变为有序状液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持温度不态时放出结晶潜热，保持温度不变。变。纯铜的冷却曲的冷却曲线中中T T0

5、0为纯铜的熔点的熔点(理理论结晶温度晶温度),),T Tn n为开始开始结晶温度。晶温度。bcbc段段 温度低于理论结晶温度温度低于理论结晶温度,称为称为过冷过冷现象现象。理论结晶温度理论结晶温度T T0 0与开始结晶温度与开始结晶温度T Tn n之差叫做之差叫做过冷度过冷度，用，用T T 表示：表示：T=TT=T0 0-T-Tn n 第6页，本讲稿共30页自自发转变的能量条件：的能量条件：自然界的一切自自然界的一切自发转变过程，程，总是由一种是由一种较高能量状高能量状态趋向于能量最低的向于能量最低的稳定状定状态。在一定温度条件下，只有引起体系自由能在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能（

6、即能够对外作功的那部分能量）降低的外作功的那部分能量）降低的过程程才能自才能自发进行。行。第7页，本讲稿共30页液态金属结晶条件：液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必须液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度低于理论结晶温度T T0 0，要有一定的过冷度，要有一定的过冷度T T，使，使金属在液态和固态之间存在自由能差金属在液态和固态之间存在自由能差F F 。液态金属结晶的动力：液态金属结晶的动力：F F 液液态金属和固金属和固态金属自由能金属自由能-温度关系曲温度关系曲线交点交点对应的温度的温度T T0 0即即为理理论结晶温度。晶温度。第8页，本讲稿共30页 二、纯金属的结晶过程包括两个基

7、本包括两个基本过程：程：形核、形核、长大大第9页，本讲稿共30页 1.形核形核液液态金属内部生成一些极小的晶体作金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。晶的核心。生成的核心叫做晶核。(1)自自发形核形核(2)非自非自发形核形核老师提示老师提示 实际金属结晶时，以实际金属结晶时，以非自发形核非自发形核为主。晶为主。晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。加是金属结晶的阻力。第10页，本讲稿共30页2.晶体的晶体的长大大晶体的晶体的长大有两种方式大有两种方式:(1)平面平面长大大冷却速度冷却速度较慢慢时，晶体表面向前平行推移，晶体

8、表面向前平行推移长大。大。不同晶面的垂直方向上的不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的大速度不同。沿密排面的垂直方向上的垂直方向上的长大速度最慢。大速度最慢。晶体晶体获得表面得表面为密排面密排面的的规则形状。形状。平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体平面长大平面长大第11页，本讲稿共30页(2)树枝状枝状长大大冷却速度冷却速度较快快时，晶体的棱角和棱，晶体的棱角和棱边的散的散热快，快，长大大较快，成快，成为晶枝。晶枝。优先形成的晶枝称一次晶先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶，在一次晶轴增增长时，在，在侧面生出新的晶枝，即二次晶面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生。其后又生成三次晶

9、成三次晶轴、四次晶、四次晶轴。结晶后得到具有晶后得到具有树枝枝状的晶体。状的晶体。树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体实际金属结晶时，晶体多以实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。树枝状长大方式长大。树枝状长大树枝状长大第12页，本讲稿共30页2.1.2 2.1.2 同素异构转变同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构。许多金属在固态下只有一种晶体结构。如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。心立方晶格。钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形

10、有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。式。如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形式会发生变化。式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为种晶格的现象，称为同素异构转变同素异构转变。第13页，本讲稿共30页纯铁的同素异构的同素异构转变:液态纯铁在液态纯铁在15381538结晶结晶为体心立方晶格的为体心立方晶格的-FeFe。冷却到冷却到13941394时发生时发生同素异构转变同素异构转变,成为面心立成为面心立方晶格的方晶格的-Fe-Fe。冷却到冷却到912912

11、时又发生时又发生一次同素异构转变一次同素异构转变,成为体成为体心立方晶格的心立方晶格的-FeFe。第14页，本讲稿共30页 同素异晶体：同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体种金属的晶体。-Fe-Fe、-Fe-Fe、-Fe-Fe都是纯铁都是纯铁的同素异晶的同素异晶体。体。金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为过程称为二次结晶二次结晶或或重结晶重结晶。金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。第15页，本讲稿共30页同素异构转变特点同素异构转变特点 同素异构转变时也有过冷现象

12、，放出潜同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体也有热，有固定的转变温度。新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。形核和长大两个过程。导致金属体积发生变化，产生较大内应导致金属体积发生变化，产生较大内应力。例如力。例如-Fe-Fe转变为转变为-Fe-Fe时，铁的体积会膨时，铁的体积会膨胀约胀约1 1。可引起钢淬火时产生应力，严重时会。可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。导致工件变形和开裂。适当提高冷却速度，可以细化同素异构适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。转变后的晶粒，提高金属的机械性能。第16页，本讲稿共30页 老

13、师提示：老师提示：重点内容重点内容 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。2.1.3 2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施第17页，本讲稿共30页晶粒度晶粒度 晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越度号越大晶粒越细。大晶粒越细。晶粒度晶粒度12345678单位面位面积晶粒数晶粒数（个（个mm2)16326412825651210242048晶粒平均晶粒平均直径直径(mm)0.

14、2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.022晶粒度晶粒度表表 一般情况下一般情况下,晶粒越小晶粒越小,金属的强度、塑金属的强度、塑性和韧性越好。使晶粒细化性和韧性越好。使晶粒细化,提高金属机械提高金属机械性能的方法称为性能的方法称为细晶强化细晶强化。第18页，本讲稿共30页细化铸态金属晶粒措施细化铸态金属晶粒措施 1.1.增大金属的过冷度增大金属的过冷度 成核速率成核速率N N：单位时间单位体积形成的晶核数单位时间单位体积形成的晶核数,个个/m/m3 3s s 长大速度长大速度G G ：单单位时间晶体长大的长度位时间晶体长大的长度,m/s,m/s 成核速率成核速

15、率N 大大,结晶后晶粒多晶后晶粒多,晶粒晶粒细小小;长大速度大速度G 快快,晶粒粗。晶粒粗。成核速率、长大速度成核速率、长大速度与过冷度的关系与过冷度的关系 实际工程中，过冷度常处于曲实际工程中，过冷度常处于曲线的左边部分。线的左边部分。随着过冷度的增大，成核速率随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，成核速率增大和长大速度都增大，成核速率增大更快，比值更快，比值N N/G G也增大也增大,晶粒细化。晶粒细化。第19页，本讲稿共30页增大增大过冷度的主要方法：冷度的主要方法：提高液提高液态金属的冷却速度。金属的冷却速度。采用冷却能力采用冷却能力较强的模子。的模子。采用金属型采用金属型铸模模

16、,比采用砂型比采用砂型铸模模获得的得的铸件晶件晶粒要粒要细小。小。超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。稳态结构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。第20页，本讲稿共30页 2.2.变质处理变质处理 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法叫和改善组织的方法叫变质处理变质处理。变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大

17、。变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。如：如：铝合金液体中加入钛、锆，铝合金液体中加入钛、锆，钢水中加入钛、钒、铝，钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。都可使晶粒细化。第21页，本讲稿共30页 3.3.振动振动 在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法，在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法，破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。心，获得细小的晶粒。4.4.电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中

18、，由于电磁感应现象，液态金属翻滚，冲断正在由于电磁感应现象，液态金属翻滚，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，细结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，细化晶粒。化晶粒。第22页，本讲稿共30页2.1.4 2.1.4 铸锭的结构铸锭的结构 一、铸锭结构铸锭铸锭分为三个各具特征的晶区。分为三个各具特征的晶区。(1)细等轴晶区；细等轴晶区；(2)柱状晶区；柱状晶区；(3)粗等轴晶区粗等轴晶区铸锭结构铸锭结构 1.1.细等轴晶区细等轴晶区 锭模温度低，导热快，锭模温度低，导热快，外层液体金属过冷度大，生外层液体金属过冷度大，生成晶核多。成晶核多。模壁能起非自发晶核的模壁能起非自发晶核的作用。

19、作用。铸锭铸锭表层形成一层晶表层形成一层晶粒细小的细晶区。粒细小的细晶区。2.2.柱状晶区柱状晶区 细晶形成，锭模温度升高，细晶形成，锭模温度升高，冷却速度降低，液体金属过冷冷却速度降低，液体金属过冷度减小，生核速率降低。散热度减小，生核速率降低。散热具有方向性，晶粒朝与散热方具有方向性，晶粒朝与散热方向的反方向平行长大，形成柱向的反方向平行长大，形成柱状晶区。状晶区。3.3.粗等轴晶区粗等轴晶区 中心中心冷却速度慢，过冷度冷却速度慢，过冷度小。散热失去方向性。柱状晶上小。散热失去方向性。柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块成为晶被冲下的二次晶枝的碎块成为晶核，各个方向均匀长大，形成粗核，各个方向均

20、匀长大，形成粗大等轴晶区。大等轴晶区。第23页，本讲稿共30页 二、铸锭晶粒形状的影响因素 柱状晶柱状晶 由外往里顺序结晶，较致密。由外往里顺序结晶，较致密。二个垂直柱状晶的接触面常有非金属夹杂或低二个垂直柱状晶的接触面常有非金属夹杂或低熔点杂质成为弱面，在热轧、锻造时容易开裂。熔点杂质成为弱面，在热轧、锻造时容易开裂。铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶；铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶；熔点低、不含易熔杂质、塑性较好的金属，熔点低、不含易熔杂质、塑性较好的金属，即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热轧、热锻。即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热轧、热锻。铝、铜及其合金，希望铸锭得到柱状晶结构。铝、铜

21、及其合金，希望铸锭得到柱状晶结构。柱状晶性能：柱状晶性能：柱状晶性能具有明显的方向性。柱状晶性能具有明显的方向性。沿柱状晶晶轴方向的强度较高。沿柱状晶晶轴方向的强度较高。主要受单向载荷的机器零件，如汽轮机叶片主要受单向载荷的机器零件，如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。等，柱状晶结构是非常理想的。第24页，本讲稿共30页 柱状晶的柱状晶的获得：得：金属加金属加热温度高，冷却速度大，温度高，冷却速度大，铸造温度造温度高和高和浇注速度大等，有利于在注速度大等，有利于在铸锭或或铸件的截件的截面上保持面上保持较大的温度梯度，大的温度梯度，获得得较发达的柱状达的柱状晶。晶。结晶晶时单向散向散热，有利

22、于柱状晶的生成。，有利于柱状晶的生成。采用定向结晶获得柱状采用定向结晶获得柱状晶结构。晶结构。如：生产细长柱状晶的如：生产细长柱状晶的铝镍钴永磁合金。铝镍钴永磁合金。第25页，本讲稿共30页 等轴晶等轴晶 没有弱面，晶枝彼此嵌入，结合较牢，性没有弱面，晶枝彼此嵌入，结合较牢，性能均匀，无方向性，是一般情况下的金属特能均匀，无方向性，是一般情况下的金属特别是钢铁铸件所要求的结构。别是钢铁铸件所要求的结构。铸造温度低，冷却速度小等，有利于截面温铸造温度低，冷却速度小等，有利于截面温度的均匀性，促进等轴晶的形成。度的均匀性，促进等轴晶的形成。用机械振动、电磁搅拌等方法，可破坏柱状晶用机械振动、电磁搅

23、拌等方法，可破坏柱状晶的形成，有利于等轴晶的形成。的形成，有利于等轴晶的形成。若冷却速度很快，可全部获得细小的等轴若冷却速度很快，可全部获得细小的等轴晶。晶。砂型铸造往往得到较粗的等轴晶。砂型铸造往往得到较粗的等轴晶。第26页，本讲稿共30页2.1.5 2.1.5 单晶的制取单晶的制取单晶是电子元件和激光元件的重要原料。单晶是电子元件和激光元件的重要原料。喷气气发动机叶片开始机叶片开始应用金属用金属单晶。晶。根据根据结晶理晶理论，制，制备单晶的基本要求是液晶的基本要求是液体体结晶晶时只有一个晶核，要只有一个晶核，要严格防止另外形核。格防止另外形核。第27页，本讲稿共30页单晶制取方法晶制取方法1.尖端形核法制取尖端形核法制取单晶晶第28页，本讲稿共30页2.垂直提拉法制取垂直提拉法制取单晶晶单晶硅的制取单晶硅的制取 第29页，本讲稿共30页本节小结本节小结金属金属结晶条件：晶条件：要有一定的要有一定的过冷度，冷度，金属金属结晶推晶推动力：力：固固态金属和液金属和液态金属之金属之间的的自由能差。自由能差。金属金属结晶晶过程：程：形核、形核、长大大细化化铸态金属晶粒措施：金属晶粒措施：增大增大过冷度、冷度、变质处理、理、振动、电磁搅拌振动、电磁搅拌第30页，本讲稿共30页