金屬材料與熱處理 教學課件 ppt 作者 王貴斗

1、電 子 教 案,前言緒論第一單元 金屬材料的性能第二單元 金屬的晶體結構與結晶第三單元 二元合金的相結構與結晶第四單元 鐵碳合金第五單元 鋼的熱處理 第六單元 金屬的塑性變形與再結晶 第七單元 低合金鋼與合金鋼 第八單元 鑄鐵 第九單元 非鐵金屬及合金,目錄,前言,本書主要講授常用金屬材料的分類、成分、結構與結晶、熱處理、力學性能以及應用等方面的基本知識，全書以金屬材料的性能及改性為核心，以金

2、屬材料的性能與成分、組織結構、加工工藝（熱處理）之間的關系為主線，重點培養(yǎng)學生合理選用金屬材料、正確使用金屬材料的能力，以充分發(fā)揮金屬材料潛力，提高零（構）件的質量，延長產(chǎn)品壽命。,返回,緒論,材料發(fā)展的歷史變遷,一、金屬材料的分類及其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位,,,金屬材料分類：,非鐵金屬（或有色金屬）,鋼鐵（或黑色金屬）,金屬材料的性能與與成分、組織結構、加工工藝之間的關系,二、金屬材料的性能與化學成分、組織結構、熱處理之間的關系,三、金屬

3、材料的發(fā)展及材料科學的形成,金屬是人類較早開發(fā)利用的材料,商周時代中國進入青銅器發(fā)展的鼎盛時期春秋時期，我國已總結出了青銅冶鑄規(guī)律：《周禮.考工記》“金有六齊”,,,司母戊大方鼎,越王勾踐青銅劍,公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，淬火工藝得到迅速發(fā)展。 明清時期，中國古代工匠采用了許多熱處理技。明代宋應星的《天工開物》對采用預冷淬火技術制銼的記載：“以已健劃成縱斜文理，劃時斜向入，則方成焰。劃后燒紅，退微冷，入水健?！?

4、 新中國成立后，我國金屬材料及熱處理取得了快速發(fā)展。 進入21世紀后，金屬材料及熱處理的科研、生產(chǎn)進入新的發(fā)展時期 。,四、課程的性質、任務、特點和學習方法,1、金屬材料及熱處理是高等職業(yè)院校機械類專業(yè)重要的技術基礎課。 2、本課程的任務是以金屬材料的性能為核心，以培養(yǎng)學生的能力為目標，以金屬材料及熱處理技術的應用為出發(fā)點，介紹金屬材料的性能與成分、組織結構、加工工藝之間的關系，介紹常用金屬材料及應用等基本知識。

5、 3、本課程既有一定的理論性，又有較強的應用性，各種概念、名詞術語眾多。 4、在理論學習外，要注意密切聯(lián)系生產(chǎn)和生活實際，運用如雜志、互聯(lián)網(wǎng)等各種學習方式，廣泛涉獵，勤動手，認真做好各項實驗，認真完成各項作業(yè) 。,返回,第一單元 金屬材料的性能,綜合知識模塊一 金屬的物理性能與化學性能 綜合知識模塊二 金屬的力學性能綜合知識模塊三 金屬的工藝性能,綜合知識模塊一 金屬的物理性能與化學性能,能力知識點1 金屬的物理性能

6、金屬的物理性能：表示的是金屬固有的一些屬性，如密度、熔點、熱膨脹性、磁性、導電性與導熱性等。能力知識點2 金屬的化學性能金屬的化學性能：是指金屬在室溫或高溫時抵抗各種化學介質作用所表現(xiàn)出來的性能，包括耐蝕性、抗氧化性和化學穩(wěn)定性等。,能力知識點1 金屬的物理性能密度熔點熱膨脹性磁性導熱性導電性,一、密度 定義： 單位體積材料的質量稱為材料的密度。 對于運動構件，材料的

7、密度越小，消耗的能量越少，效率越高。 一般將密度小于4.5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于4.5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。,返回,二、熔點 定義： 熔點是指材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點。,熔化金屬,返回,三、熱膨脹性 定義： 材料在加熱時單位長度的材料在溫度升高一度時的伸長量。 對于特別精密的儀

8、器要考慮選擇熱膨脹系數(shù)低的材料。 在材料的加工過程中更要考慮材料的熱膨脹現(xiàn)象，如果表面和內部熱膨脹不一致，就會產(chǎn)生內應力，當這種內應力超過材料的屈服強度時，材料就會發(fā)生塑性變形，當內應力超過了材料的抗拉強度時，材料就會發(fā)生破壞。,返回,不同材料的磁滯回線,磁滯回線,鐵磁性材料：在外加磁場中，能強烈被磁化的金屬材料，如鐵、鈷、鎳等。順磁性材料：在外加磁場中呈現(xiàn)十分微弱的磁性的金屬材料，如錳、鉻、鉬等?？勾判圆牧希?/p>

9、能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的金屬材料，如銅、金、銀、鉛、鋅等。,四、磁性 定義： 金屬在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能稱為磁性。,軟磁性材料,硬磁性材料,半硬磁性材料,返回,在寒冷的冬季，用手去摸鐵和木頭，感覺一樣嗎？,五、導熱性 材料的導熱性用熱導率λ表示。材料的的熱導率越大，說明導熱性越好一般來說，金屬越純，其導熱能力越強，金屬的導熱能力以銀為最好，銅、鋁次

10、之。 金屬與合金的熱導率遠高于非金屬材料。導熱性是金屬材料的重要性能之一。導熱性好的材料其散熱性也好，可用來制造熱交換器等傳熱設備的零部件。在制定各類熱加工工藝時，也必須考慮材料的導熱性，以防止材料在加熱或冷卻過程中，由于表面和內部產(chǎn)生溫差，膨脹不同形成過大的內應力，引起材料變形或開裂。,返回,六、導電性 材料的導電性一般用電阻率ρ表示。通常金屬的電阻率隨溫度升高而增加，而非金屬材料則與此相反。,返回,高

11、分子材料一般都是絕緣體，但有的高分子復合材料也有良好的導電性。陶瓷材料雖然也是良好的絕緣體，但某些特殊成分的陶瓷卻是有一定導電性的半導體。,能力知識點2 金屬的化學性能,耐蝕性抗氧化性化學穩(wěn)定性,,一、耐蝕性 定義： 金屬在常溫下抵抗氧、水及其他化學介質腐蝕破壞作用的能力稱為耐蝕性。金屬的耐蝕性是一個重要的性能指標，尤其對在腐蝕介質（如酸、堿、鹽、有毒氣體等）中工作的零件，其腐蝕現(xiàn)象比在空氣中更為嚴重。

12、 在選擇材料制造零件時，應特別注意金屬的耐蝕性，要選用耐蝕性良好的金屬或合金制造。,二、抗氧化性 定義： 金屬在加熱時抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。 隨溫度升高，金屬的抗氧化性降低，例如鋼材在鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴重。,三、化學穩(wěn)定性 定義： 化學穩(wěn)定性是金屬的耐蝕性與抗氧化性的總稱。 金屬在高溫下的化學穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫下工作的設備（如鍋爐

13、、加熱設備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等）部件，需要選擇熱穩(wěn)定性好的耐熱鋼等材料制造。,綜合知識模塊二 金屬的力學性能,能力知識點1 強度、剛度及彈性能力知識點2 塑性能力知識點3 硬度能力知識點4 韌度能力知識點5 疲勞,能力知識點1 強度、剛度及彈性,一、拉伸曲線與應力應變曲線,,拉伸試樣,萬能試驗機,1.拉伸曲線,退火低碳鋼的拉伸曲線,,式中 F——試樣所承受的載荷(N)； S0——試樣的原始橫截面

14、積(㎜2)。,應力：試樣單位面積上承受的載荷， 即：,應變：試樣單位長度的伸長量，即：,,式中 ΔL——試樣標距長度的伸長量； L0——試樣的原始標距長度。,退火低碳鋼的應力-應變曲線,2.應力-應變曲線,二、剛度和彈性 1.彈性模量 定義: 材料在彈性范圍內，應力與應變的比值稱為彈性模量，即：,,E標志著材料抵抗彈性變形的能力。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。,2.彈性極限

15、 定義: 材料在不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應力值稱為彈性極限,即：,,式中 Fe——試樣在不產(chǎn)生塑性變形時所承受的最大應力值； S0——試樣的原始標橫截面積。,三、強度 定義: 強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。,1.屈服強度屈服強度是指拉伸試驗過程中，力不增加試樣仍然能繼續(xù)伸長時的應力，用σs表示：

16、 式中 Fs——試樣發(fā)生屈服時的載荷，即屈服載荷（N）； S0——試樣的原始橫截面積（mm2）。,,屈服強度的定義,脆性材料的屈服：試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣標 距長度的0.2%時的應力，用符號σ0.2表示。,,,應用：σs和σ0.2常作為零件選材和設計的依據(jù)。,式中 F0.2——試樣標距發(fā)生0.2%殘余伸長時的載荷（N）； S0——試樣的原始橫截面積（mm2）。,

17、規(guī)定殘余伸長強度,2.抗拉強度:抗拉強度是指材料在斷裂前所承受的最大應力,又稱強度極限,用σb表示，即 式中 Fb——試樣拉斷前承受的最大載荷（N）； S0——試樣的原始橫截面積（mm2）。,,,應用：脆性材料制作機械零件和工程構件時的選材和設計的依據(jù)。,抗拉強度的定義,能力知識點2 塑性,,金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。,（一） 定義,（二）衡量指標,伸長率：試

18、樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。,斷面收縮率：試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。,伸長率（ δ ）,,式中 LU——試樣拉斷后標距的長度(mm)； L0——試樣的原始標距(mm)。,,,,斷面收縮率（Ψ）,,式中 SU——試樣拉斷后斷裂處的最小橫截面積； S0——試樣的原始橫截面積（mm2）。,超塑狀態(tài)通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件

19、下，最大伸長率可高達1000%~2000% ，個別的可達6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領域被中應用。,,硬度原理,1、定義：硬度就是材料的軟硬程度，指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。2、壓痕硬度：是指在規(guī)定的靜態(tài)試驗力下將壓頭壓入材料表面，用壓痕深度或壓痕表面面積來評定的硬度。布氏硬度、洛氏硬度

20、和維氏硬度都屬于壓痕硬度。3、硬度分類 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 維氏硬度 HV,,,能力知識點3 硬度,,,,,,,,鋁,鋼,壓痕硬度原理圖,一、布氏硬度,布氏硬度試驗是指用一定直徑的 球體（鋼球或硬質合金球）以相應的試驗力壓入式樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的表面壓痕直徑計算

21、硬度的一種壓痕硬度試驗。,,布氏硬度試驗原理圖,布氏硬度試驗,原理表示方法壓頭選擇優(yōu)缺點,1. 原理,,,,使用剛球壓頭時布氏硬度值用符號HBS表示；使用硬度合金壓頭時用符號HBW表示。 在實際測試時，不必用公式計算，一般用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直 徑d，然后根據(jù) d大小查表，即可求出所測的硬度值。,測量比較軟的材料。測量范圍 HBS<450、HBW<650的金屬材料。,3. 優(yōu)缺點,2. 應用,壓痕大，測量準

22、確，但不能測量成品件。,二、洛氏硬度試驗,原理試驗條件和應用優(yōu)缺點,1. 原理,2. 應用范圍,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,常用洛氏硬度標度的試驗范圍,優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測量成品件 及高硬度 的材料。,3. 優(yōu)缺點,缺點：壓痕小，測量不準確， 需多次測量。,2.沖擊試樣,能力知識點4 韌性,,1.定義 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而

23、不破壞的能力。,一、沖擊試驗方法與原理,計算公式,3.試驗原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（A k ）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。,試驗過程,沖擊韌度（a k）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。,,二、低溫脆性,,圖1-13 沖擊吸收功-溫度曲線示意圖,三、沖擊試驗的用途1.評定材料的低溫脆性情況，可以測定材料的韌脆轉變溫度。 2.評定材料的冶金質量和熱加工產(chǎn)品質量。通過測定AK和對試樣斷口分析，能揭示材料的內部缺陷

24、，如氣泡、夾渣、偏析等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等熱加工缺陷。這些缺陷使材料的沖擊吸收功明顯下降，因此，目前用沖擊試驗來檢驗冶煉、熱處理及各種熱加工工藝和產(chǎn)品的質量。,能力知識點5 疲勞,一、疲勞現(xiàn)象,1.定義 疲勞斷裂是指在循環(huán)載荷的作用下，零件（或構件）經(jīng)過較長時間工作或多次應力循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象。,交變應力與重復應力示意圖,2.循環(huán)應力,,,1）疲勞斷裂是一種低應力脆斷，斷裂應力低于材料的屈服強度，甚至低于材料的彈性極

25、限；2）斷裂前，零件沒有明顯的塑性變形，即使伸長率δ和斷面收縮率Ψ很高的塑性材料也是如此；3 ）疲勞斷裂對材料的表面和內部缺陷非常敏感，疲勞裂紋常在表面缺口（如螺紋、刀痕、油孔等）、脫碳層）夾渣物、碳化物及孔洞等處形成；4 ）實驗數(shù)據(jù)分散性較大（手冊上的數(shù)據(jù)是統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。,3.疲勞斷裂的特點,4.疲勞斷口,疲勞斷口示意圖,疲勞源多位于零件的表面，疲勞裂紋擴展區(qū)具有海灘狀條紋，稱為貝紋線。瞬時斷裂區(qū)形貌與材料的塑性有關，塑性材料呈纖

26、維狀，脆性材料則呈結晶狀。,1— 疲勞源 2— 疲勞裂紋擴展區(qū) 3— 瞬時斷裂區(qū),二、疲勞強度,,疲勞曲線示意圖 1— 一般鋼鐵材料 2— 有色金屬、高強度鋼等,三、提高疲勞強度的途徑,1.合理的選擇材料。2.零件設計時形狀、尺寸合理。盡量避免尖角、缺口和截面突變。3.降低零件表面粗糙度，提高表面加工質量。4.采用各種表面強化處理。,

27、表面強化提高疲勞強度示意圖,,,四、其他疲勞形式,1.低周疲勞1）定義 零件（或構件）在循環(huán)載荷作用下，產(chǎn)生疲勞破壞時應力（或應變）的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。應力（或應變）的循環(huán)次數(shù)小于次105次產(chǎn)生的疲勞破壞，稱為低周疲勞。,2）特點 提高低周疲勞壽命，在滿足強度要求的情況下，提高材料的塑性。表面強化對提高低周疲勞壽命并不明顯。,一種預應力鏈環(huán)鉤 根據(jù)鏈環(huán)鉤的受力特點，進行結構優(yōu)化設計，使鏈環(huán)鉤與提升機料斗裝配后在其內側產(chǎn)

28、生預應力，能抵消工作時所產(chǎn)生的部分拉應力，不但能滿足使用要求，大大延長疲勞壽命，而且基本不增加成本。（專利號：CN94247937.8）,2.熱疲勞 1）定義 零件工作時溫度循環(huán)變化而產(chǎn)生熱應力循環(huán)變化，造成的疲勞破壞稱為熱疲勞。,2）提高熱疲勞的途徑：提高材料的塑韌性和高溫強度；降低材料的線膨脹系數(shù)；提高材料的導熱性；盡量避免零件工作時的應力集中等。,汽車四缸壓鑄模,3.沖擊疲勞1）定義 沖擊疲勞是指小能量多次沖擊（一般大于1

29、05次）導致的斷裂。2）提高熱疲勞的途徑：沖擊能量低時，提高材料的強度，可使沖擊疲勞抗力明顯提高；沖擊能量較大時，沖擊疲勞抗力主要決定與材料的塑性和韌性。,某鍛錘錘桿用40Cr鋼淬火+高溫回火，使用中常發(fā)生早期疲勞斷裂；后來改用淬火+中溫回火。提高了強度，降低了塑性和韌性，結果錘桿壽命明顯延長。這是為什么呢？,4.接觸疲勞 1）定義 接觸疲勞（也稱疲勞磨損）是指滾動軸承、齒輪及鋼軌等零件的接觸表面在交變壓應力長期作用下，引起零件表面

30、疲勞剝落現(xiàn)象。,2）提高接觸疲勞強度的途徑：盡可能減少材料中的非金屬夾雜物；獲得適當?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕?，適當?shù)膹娀瘜由疃龋皇贡砻鎻娀瘜又械幕衔镄螒B(tài)、大小、數(shù)量分布合理；提高表面加工質量并保持良好的潤滑狀態(tài)。,綜合知識模塊三：金屬的工藝性能,能力知識點1 鑄造性能,能力知識點2 鍛造性能,能力知識點3 焊接性能,能力知識點4 切削加工性能,能力知識點1 鑄造性能,金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力稱為鑄造性

31、能。鑄造性能包括流動性、收縮性、吸氣性和偏析傾向等。在金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。,能力知識點2 鍛造性能,金屬的鍛造性能是指金屬材料在壓力加工時獲得優(yōu)質零件的難易程度，又稱可鍛性。鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性變形能力和變形抗力有關。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能就越好。如黃銅和鋁合金在室溫下就有良好的鍛造性能。非合金鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好；而鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵等幾乎不能鍛造。,焊接性能是指金屬在限定的施工條件下

32、被焊成按規(guī)定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。焊接性能好的金屬能獲得沒有裂紋、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有一定的力學性能。低碳鋼具有良好的焊接性能，高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能較差。,能力知識點3 焊接性能,切削加工性能是指金屬在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬對使用的刀具磨損量小，可以選用較大的切削用量，加工表面也較光潔，反之較差。在保證零件使用要求的條件下，應盡可能選擇切削加工性能好的材料。,能力知識點4

33、 切削加工性能,,,,,,,,,,,思考題,回目錄,第二單元 金屬的晶體結構與結晶,綜合知識模塊一 金屬的晶體結構綜合知識模塊二 純金屬的結晶綜合知識模塊三 金屬的同素異構轉變,綜合知識模塊一 金屬的晶體結構,能力知識點1 晶體與非晶體能力知識點2 金屬的典型晶體結構能力知識點3 金屬的實際晶體結構,能力知識點1 晶體與非晶體,一、晶體與非晶體,1) 晶體 原子在三維空間有規(guī)則的周期性重復排列的物體。

34、2）非晶體 原子在空間無規(guī)則排列的物體。,3）特點 晶體具有一定的凝固點和熔點，而非晶體沒有；晶體具有各向異性，非晶體各向同性等 。晶體和非晶體在一定條件下可以互相轉化。,,晶體中原子排列模型,非晶體中原子排列模型,二、晶格、晶胞和晶格常數(shù),1.晶格,,,,晶格的抽象模型,描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格。,,晶胞模型,2.晶胞,空間點陣中能代表原子排列規(guī)律的最小的幾何單元，是構成空間點陣的最基本單元。,3.晶格常數(shù),晶格常

35、數(shù),三個棱邊的長度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。,一、體心立方晶格,能力知識點2 金屬的典型晶體結構,,體心晶格示意圖,二、面心立方晶格,面心立方晶格示意圖,,三、密排六方晶格,密排六方晶格示意圖,,一、多晶體 1）多晶體 整塊金屬材料由著許多位向不同的小晶塊構成。,能力能力知識點3 金屬的實際晶體結構,2）晶粒 多晶體中每個外形不規(guī)則的小晶體稱為晶粒。,3）晶界 晶粒與晶粒間的界面就是晶界。,4）多晶體各向同性。

36、,,,金屬的多晶體結構示意圖,純鐵的顯微組織,二、晶體的缺陷,晶體缺陷 晶體中原子偏離規(guī)則排列的不完整現(xiàn)象稱為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬材料的性能產(chǎn)生重大影響。,1.點缺陷,點缺陷是指晶體在三維方向上尺寸都很小(原子尺寸范圍內)的缺陷。常見的點缺陷有空位、間隙原子、置換原子。,,點缺陷 a）空位 b）間隙原子 c）置換原

37、子,2.線缺陷 線缺陷是指二維尺度很小，而第三維尺度很大的缺陷，也稱為位錯。位錯分為兩類，即刃型位錯和螺型位錯。,,刃型位錯示意圖,3.面缺陷 面缺陷是指晶體的二維尺度很大，而另一維方向上的尺寸很小的缺陷。,,面缺陷 a)晶界 b) 亞晶界,綜合知識模塊二 純金屬的結

38、晶,能力知識點1 金屬結晶的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象,能力知識點3 細化晶粒的方法,能力知識點4 鑄錠及焊縫的結晶,能力知識點2 晶粒大小對金屬力學性能的影響,能力知識點1 金屬結晶的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象,結晶 金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為金屬的結晶 。金屬結晶后形成的 組織影響金屬材料的性能。,一、冷卻曲線和過冷現(xiàn)象,,純金屬的冷卻曲線,1）冷卻曲線,2）過冷現(xiàn)象,3）過冷度 ΔT＝Tm-Tn,4）結晶時的冷

39、卻速度越大，過冷度就越大,二、純金屬的結晶過程,1.晶核的生成,2.晶核的長大,,純金屬的結晶過程,能力知識點2 晶粒大小對金屬力學性能的影響,結晶后的金屬是由許多晶粒組成的多晶體。金屬晶粒的大小可用單位體積內晶粒的數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶粒越小。,能力知識點3 細化晶粒的方法,1.增加過冷度2.變質處理,形核率N和長大速率G與過冷度ΔT的關系,,3.附加振動或攪拌,能力知識點4 鑄錠及焊縫的結晶,一、鑄錠的結晶與組織,純金

40、屬鑄錠的宏觀組織通常由三個晶區(qū)所組成，即表層的細晶區(qū)，中間的柱狀晶區(qū)和心部的等軸晶區(qū),,鑄錠組織示意圖,1－細晶區(qū) 2－柱狀晶區(qū)3－中心等軸晶區(qū),二、焊縫的結晶與組織,熔化焊焊縫邊緣，晶粒開始生長的熔合線附近，平面晶得到生長，隨著遠離熔化邊界，結晶形態(tài)向胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶和等軸樹枝晶發(fā)展。,綜合知識模塊三 金屬的同素異構轉變,能力知識點1 同素異構 能力知識點2 純鐵的同素異構轉變,能力知識點1 同素

41、異構,大多數(shù)金屬在結晶后的冷卻過程中，其晶體結構不再發(fā)生變化。但某些金屬如鐵、鈦、鈷等在結晶后晶格類型會隨溫度的變化而發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構轉變。由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體，稱為同素異構體。在常溫下的同素異構體一般用希臘字母α表示，較高溫度下的同素異構體依次用β、γ、δ表示。,能力知識點2 純鐵的同素異構轉變,純鐵的同素異構轉變,居里點 居里點

42、或居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里點溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里點溫度時,該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。19世紀末，著名物理家居里在自己的實驗室里發(fā)現(xiàn)磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。后來，人們把這個溫度叫“居里點”。770℃是鐵的居里點。,綜合訓練,一、名詞解釋1.晶體 2.晶格 3.晶胞 4.結晶 5.

43、變質處理 6.同素異構轉變 7.細晶強化二、填空題1.晶體與非晶體的根本區(qū)別在于­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­。2.金屬晶格的

44、基本類型有、、三種。3.實際金屬的晶體缺陷有、、三類。4.500℃的鐵具有晶格。5.金屬結晶的必要條件是，即金屬的實際結晶結晶溫度總理論結晶溫度。6.金屬的晶粒愈細小，其強度、硬度，塑性、韌性。,三、是非題1.純鐵在780℃時為面心立方晶格的γ-Fe。2.實際金屬的晶體結構不僅是多晶體，而且還存在著多種缺陷。3.純金屬的結晶過程是一個恒溫過程。4.金屬的實際結晶溫度是不變的。四、簡答題1

45、.常見的金屬晶格類型有幾種？2.什么是過冷現(xiàn)象和過冷度？過冷度與冷卻速度有何關系？3.金屬結晶時如何獲得細小的晶粒？4.何為金屬的同素異構轉變？畫出純鐵的結晶冷卻曲線和晶體結構變化圖。,第三單元 二元合金的相結構與結晶,綜合知識模塊一 二元合金的晶體結構 綜合知識模塊二 二元合金相圖 綜合知識模塊三 二元勻晶相圖 綜合知識模塊四 二元共晶相圖綜合知識模塊圖間的關系五 合金性能與相,綜合知識模塊一 二

46、元合金的晶體結構,能力知識點1 合金的基本概念 能力知識點2 合金的相結構,能力知識點1 合金的基本概念,一、合金,1)定義 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。2）例如，黃銅是由銅和鋅兩種元素組成的合金。,二、組元 1)定義 組成合金的最基本的、獨立的物質叫做組元。 2）組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。 3）根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可

47、以分為二元合金、三元合金和多元合金等。,,三、合金系 1)定義 由給定組元，可以配制出不同比例的一系列合金，這一系列合金就構成一個合金系。2）合金系可以分為二元系、三元系和多元系等。,,,,四、相 1)定義 合金中，具有同一化學成分且結構相同的均勻部分叫做相。2）合金中相與相之間有明顯的界面。,五、組織 1)定義合金相的綜合狀態(tài)。2）合金的組織決定合金的性能。,能力知識點2 合金的相結構,,合金的相結構是指合金中的晶

48、體結構。由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。,一、 固溶體1)定義 合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相。2） 保留住晶格結構的組元稱為溶劑，晶格結構消失的組元稱為溶質。,（一）固溶體的分類 1．間隙固溶體 1)定義 溶質原子處于溶劑晶格各結點間的空隙中，這種形式的固溶體稱為間隙固溶體。2）溶質原子與溶劑原子直徑的 比值d質／d劑<0.59 。3）間隙固溶體為有限固

49、溶體。,,間隙固溶體結構示意圖,2．置換固溶體 1)定義 溶質原子代替一部分溶劑原子，而占據(jù)著溶劑晶格中的某些結點位置，這種形式的固溶體稱為置換固溶體。 2）溶解度取決于兩者原子直徑的差別、它們在周期表中位置和晶格類型。,,3）可形成無限固溶體。,置換固溶體結構示意圖,（二）固溶體的性能 1．固溶體與晶格發(fā)生畸變,固溶體中的晶格畸變示意圖 a）間隙固溶體 b）置換固

50、溶體,,2．固溶強化 1)定義 通過溶入溶質元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。 2）固溶強化是提高金屬材料力學性能的重要途徑之一。 3）綜合力學性能要求較高的結構材料，都是以固溶體為基體的合金。,,二、 金屬化合物,,,金屬化合物的晶格類型與組成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學分子式表示。,,Fe3C的晶格形式,,（一）金屬化合物的分類,1 .正常價化合物,2. 電子化合物

51、,3. 間隙化合物,VC的晶格形式,,間隙化合物和間隙固溶體是一樣的相嗎？,（二）金屬化合物的性能,,1 金屬化合物的熔點一般較高，性能硬而脆。2 當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。3 金屬化合物在合金中常作為強化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。,綜合知識模塊二 二元合金相圖,能力知識點1 二元合金相圖的表示方法,,,能力知識點2

52、 二元合金相圖的測定方法,,合金相圖 表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相(或組織狀態(tài))和溫度、成分之間關系的圖解。合金相圖又稱合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。,合金相圖是研究合金的組織形成和變化規(guī)律的有效工具；是制訂冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據(jù)。,能力知識點1 二元合金相圖的表示方法,,,,純銅的冷卻曲線及相圖,能力知識點2 二元合金相圖的測定方法,合金相圖都是用實驗方法測定的。1．配制一系列成分不同的合金2

53、．用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線,,３．找出圖中各冷卻曲線上的相變點,4．將各個合金的相變點 分別標注在相圖坐標上,５．連接各相同意義 的相變點,,用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖,目前，通過實驗已測定了許多二元合金相圖，其形式大多比較復雜，然而，復雜的相圖可以看成是由若干基本的簡單相圖所組成的。,綜合知識模塊三 二元勻晶相圖,凡是在二元合金系中，兩組元在液態(tài)和固態(tài)下以任何比例均可相互溶解，即在

54、固態(tài)下能形成無限固溶體時，其相圖屬勻晶相圖。,,能力知識點１ 相圖分析,能力知識點2 杠桿定律,能力知識點3 合金的結晶過程分析,能力知識點4 枝晶偏析,能力知識點１ 相圖分析,,,Cu-Ni合金相圖及結晶過程分析 a） Cu-Ni合金相圖 b） wNi=40％ (wCu=60％)合金冷卻曲線,,能力知識點2 杠桿定律,杠桿定律是確定兩相區(qū)

55、內兩個組成相(平衡相)以及相的成分和相的相對量的重要法則。,杠桿定律示意圖a)相圖中的杠桿定律 b)杠桿定律的力學比喻,由式(3-1)還可求出合金中液、固兩相的相對量(相的質量分數(shù))的表達式：,阿基米德與杠桿原理,阿基米德與杠桿原理 阿基米德在亞里山大里亞留學的時候，他從埃及農(nóng)民提水用的“沙杜佛”(吊桿)和奴隸們撬石頭用的撬棍

56、，發(fā)現(xiàn)了可以借助一種杠桿來達到省力的目的，而且發(fā)現(xiàn)，手的握點至支點的這一段越長，就越省力氣。由此他提出了這樣一個定理：力臂和力(重量)的關系成反比例。這就是杠桿原理。用我們現(xiàn)在的表達方式就是：重量×重臂=力×力臂。為此，他曾給當時的國王艾希羅寫信說：“我不費吹灰之力，就可以隨便牽動任何重的東西；只要給我一個支點，給我一根足夠長的杠桿，我也可以推動地球?！?,,能力知識點3 合金的結晶過程分析,Cu-Ni合金固溶

57、體的顯微組織(100×),同溶體合金的結晶過程與純金屬不同點是，合金在一定范圍內結晶，隨著溫度降低，固相的量不斷增多，液相的量不斷減少，同時固相的成分不斷沿固相線變化，液相的成分不斷滑液相線變化。,能力知識點4 枝晶偏析,鑄態(tài)Cu-Ni合金枝晶偏析的顯微組織（100×）,在生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經(jīng)長時間保溫，便原子進行充分擴散，以達到成分均勻化的目的，這種熱處理方法稱為均勻化退火。,

58、綜合知識模塊四 二元共晶相圖,能力知識點1 相圖分析能力知識點2 合金的結晶過程分析能力知識點3 合金的相組分與組織成分能力知識點4 比密度偏析,凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)能完全互溶，而在固態(tài)互相有限溶解，并發(fā)生共晶轉變的相圖，稱為共晶相圖,能力知識點1 相圖分析,Pb-Sn合金相圖,DF、EG線分別為Sn溶于Pb和Pb溶于Sn的固態(tài)溶解度曲線，也稱為固溶線。,C點是液相線tAC、tBC與固相線DCE的交點，表示在C

59、點所對應的溫度(tC=183℃)下，成分為C點的液相(LC)將同時結晶出成分為D點的α固溶體(αD)和成分為E點的β固溶體(βE)的混合物，該轉變可用下式表示：,,相界線把共晶相圖分成六個相區(qū)：L、α和β三個單相區(qū)；L十α、L十β和α+β三個兩相區(qū)①。共晶線DCE是L、α、β三相平衡的共存線。,什么是共晶轉變?共晶 轉變有何特點?,能力知識點2 合金的結晶過程分析,合金I的冷卻曲線及結晶過程示意,合金I在室溫時的α與β

60、II的相對量，可以用杠桿定律計算：,1.合金I (F、D點間的合金),wSn<D點成分的Pb-Sn合金顯微組織(200×),合金Ⅱ的冷卻曲線及結晶過程示意圖,2．合金Ⅱ(C點的合金),,3．合金Ⅲ (C、D點間的合金),成分在C點與D點之間的合金，稱為亞共晶合金。,合金Ⅲ的冷卻曲線與結晶過程示意,Pb-Sn共晶合金顯微組織（100×）,所有Pb-Sn亞共晶合金的結晶過程都與合金Ⅲ相似，其顯微組織均由初晶α+次生

61、βII + 共晶體(α+β)組成。所不同的只是合金成分愈接近共晶成分，組織中共晶體(α+β)量愈多，而初晶α量愈少。,,,4．合金Ⅳ(C、E點間的合金) 成分在C點與E點之間的合金稱為過共晶合金。,合金Ⅳ的冷卻曲線及結晶過程示意圖,Pb-Sn過共晶合金顯微組織(100 ×),,能力知識點3 合金的相組分與組織成分,按組織組分填寫的Pb-Sn合金相圖,相組分為α和β，其相對量為：,組織組分為初晶αD和共晶體（αD+βE），

62、其相對量為：,能力知識點4 比密度偏析,Pb-Sb合金中的比密度偏析(100×),在生產(chǎn)中，有時可利用比密度偏析來除去合金中的雜質。,綜合知識模塊五 合金性能與相圖間的關系,能力知識點1 單相固溶體合金能力知識點2 兩相混合物合金,合金的性能一般都取決于合金的化學成分與組織，但某些工藝性能(如鑄造性能)還與合金的結晶特點有關。而合金的化學成分與組織間關系，以及合金的結晶特點都能體現(xiàn)在合金相圖上，因此合金相圖與

63、合金性能間必然存在著一定的聯(lián)系。掌握了相圖與性能的聯(lián)系規(guī)律，就可以大致判斷不同成分合金的性能特點，并可作為選用和配制合金的依據(jù)。,能力知識點1 單相固溶體合金,固溶體合金的強度、硬度和電導率與相圖的關系,固溶體合金的鑄造性能與相圖的關系,勻晶相圖是形成單相固溶體合金的相圖。,能力知識點2 兩相混合物合金,兩相混合物合金的硬度和電導率與相圖的關系,兩相混合物合金的鑄造性能與相圖間的關系,共晶相圖中，結晶后形成兩相

64、組織的合金稱為兩相混合物合金。,固溶體合金的塑性較好，故具有較好壓力加工性能。但切削加工時不易斷屑和排屑，使工件表面粗糙度增加，故切削加工性能較差。 兩相混合物合金的壓力加工性能與合金組織中硬脆的化合物相含量有關，一般兩相混合物合金的壓力加工性能都比固溶體合金差。但只要組織中硬脆相含量不多，其切削加工性能比固溶體合金好。,鑄造合金常選用接近共晶成分的合金，這是為什么?,綜合訓練,1、解釋下列名詞1）合金 2）組元 3）相

65、4）組織 5）固溶體 6）金屬化合物 7）固溶強化 8）相圖2.固溶體與化合物有何區(qū)別？固溶體的類型有哪幾種?3、影響固溶體晶體結構和溶解度的因素有哪些？4、已知A與B在液態(tài)時能無限溶解，在固態(tài)300℃時A溶于B的最大溶解度為30%，室溫下為10%；但B在固態(tài)下不溶于A，在300℃時含有40%B的液態(tài)合金發(fā)生共晶轉變?，F(xiàn)要求：（1）做出A-B相圖；（2）分析20%B、80%B合金的平衡結晶過程，并計算室溫組織中共晶體的

66、相對含量；5、一個二元共晶反應如下： L（75%B）—— （15%B）+ （95%B） （1）求共晶體中 和 的相對含量； （2）一合金的室溫組織中 與（ ）共晶體各占50%，求該合金成分；6、有形狀、尺寸相同的兩個Cu—Ni合金零件，不平衡結晶后，哪個合金的偏析比較嚴重？（一個為90%Ni，一個為50%Ni）7、簡述二元勻晶相圖、共晶相圖與合金的力學性能、工藝性能之間的關系；8、共晶體是一個相

67、嗎？間隙固溶體和間隙相是一樣的相嗎？9、金屬化合物在結構和性能上有哪些特點？10.合金相圖與合金的工藝性能有什么關系？為什么鑄件常采用接近共晶成分的合金？共晶轉變、共析轉變,第四單元 鐵碳合金,鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應用最廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。,鐵-碳合金相圖的組成,Fe-Fe3C相圖,由于鐵碳合金中碳的質量分數(shù)超過5%的鐵碳合金性能很脆，無實用價值，所以在鐵碳合金相圖中只需研究Fe-Fe3C部

68、分，所以鐵碳合金相圖就是 Fe-Fe3C相圖 。,綜合知識模塊一 鐵碳合金的基本相綜合知識模塊二 Fe-Fe3C相圖分析 綜合知識模塊三 典型合金的結晶過程及其組織,綜合知識模塊四 碳素鋼,能力知識點1 鐵素體能力知識點2 奧氏體能力知識點3 滲碳體,綜合知識模塊一 鐵碳合金的基本相,由于鐵與碳之間相互作用不同，鐵碳合金固態(tài)下的相結構也形成固溶體和金屬化合物兩類。屬于固溶體相的有鐵素體與奧氏體，屬于金屬化合物相

69、的有滲碳體。,1.碳溶于α-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號F表示。 2.鐵素體的顯微組織 3.鐵素體在770℃以下具有鐵磁性。4.在727℃時wc=0.0218% 在600℃wc=0.0057% 室溫時溶碳量幾乎等于零5.鐵素體的力學性能與純鐵相近,,能力知識點1 鐵素體,鐵素體的顯微組織（100×）,,,1.碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體稱為奧氏體，以符號A表示。2.在1148℃時wc=2.11%