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1、金属材料及热处理-第一章第一页，本课件共有37页回顾上一章节内容回顾上一章节内容 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，直到界上最大和最先进的国家，直到1818世纪末，中国世纪末，中国的国内生产总值约占全球的国内生产总值约占全球25%25%，18201820年为年为33%33%。中国的人均收入在中国的人均收入在1212世纪前一直领先于西欧，世纪前一直领先于西欧，在在1818世纪前一直领先于世界平均水平。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，后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，19491949年年GDP
2、GDP仅占世界仅占世界5%5%。第二页，本课件共有37页3第三页，本课件共有37页第四页，本课件共有37页金属材料与热处理：金属材料与热处理：是一门研究金属材料的是一门研究金属材料的成分成分、组组织织、热处理热处理与金属材料性能之间的与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。关系和变化规律的学科。第五页，本课件共有37页金属与非金属的比较金属与非金属的比较金属金属非金属非金属1 1常温时，除了汞是液体外，其常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有些是气常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体体，有些是固体2 2一般密度比较大一般密度比较大一般密度比
3、较小一般密度比较小3 3有金属光泽有金属光泽大多没有金属光泽大多没有金属光泽4 4大多是热及电的良导体大多是热及电的良导体,电阻通电阻通常随着温度的增高而增大常随着温度的增高而增大大多不是热和电的良导体，电阻通常大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小随温度的增高而减小5 5大多具有展性和延性大多具有展性和延性大多不具有展性和延性大多不具有展性和延性6 6固体金属大多属金属晶体固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体固体大多属分子型晶体7 7蒸气分子大多是单原子的蒸气分子大多是单原子的蒸气（或气体）分子大多是双原子或蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子的多原子的第六页，本课件共有
4、37页1 1、金属光泽、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,然然后很快放出各种频率的光后很快放出各种频率的光(全反射全反射),),绝大多数金属呈现钢灰色以至绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。银白色光泽。金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，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。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般都呈暗灰色或黑色(
5、漫散射漫散射)。许多金属在光的照射下能放出电子许多金属在光的照射下能放出电子(光电效应光电效应)。另一。另一些在加热到高温时能放出电子些在加热到高温时能放出电子(热电现象热电现象)。第七页，本课件共有37页2 2、金属的导电性和导热性、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。大多数金属有良好的导电性和导热性。常见金属的导电和导热能力由大到小的顺常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下：序排列如下：AgAg银银，CuCu铜，铜，AuAu金，金，AlAl铝，铝，ZnZn锌，锌，PtPt铂，铂，SnSn锡，锡，FeFe铁，铁，PbPb铅，铅，HgHg汞。汞。第八页，本课件共有37
6、页3 3、超导电性、超导电性金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。19111911年年H.K.OnnesH.K.Onnes发现汞冷到低于发现汞冷到低于4.2K4.2K时，其电阻时，其电阻突然消失突然消失,导电性差不多是无限大导电性差不多是无限大,这种性质称为这种性质称为超导电超导电性性。具有超导性质的物体称为。具有超导性质的物体称为超导体超导体。超导体电阻突然消失时的温度称为超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度临界温度(T T0 0)。超。超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。有任何损失。第
7、九页，本课件共有37页金属的物理性质金属的物理性质4 4、金属的延展性、金属的延展性：可以抽成细丝。例如最细的：可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径为白金丝直径为1/5000mm1/5000mm，可以压成薄片，例如，可以压成薄片，例如最薄的金箔，可达最薄的金箔，可达1/10000mm1/10000mm厚。厚。5 5、金属的密度、金属的密度：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。重。6 6、金属的硬度、金属的硬度：一般较大，它们之间有很大差别。：一般较大，它们之间有很大差别。有的坚硬有的坚硬,如铬、钨等；有些软如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾等。可用小刀切割如钠
8、、钾等。第十页，本课件共有37页7 7、金属的熔点、金属的熔点金属的熔点一般较高，但高低差别较大。金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓铯和镓。汞。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。化。第十一页，本课件共有37页8 8、金属玻璃、金属玻璃(非晶态金非晶态金属属)将某些金属熔融后将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快,高高温时金属原子的无序状态被温时金属原子的无序状态被“冻结冻结”,”,不能形成密堆积结构，得到不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似
9、结构的物质与玻璃类似结构的物质,故称为金属玻璃。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。好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非金属形典型的金属玻璃有两大类：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。成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。第十二页，本课件共有37页9 9、金属的内聚力、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所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力,也也就是金属键的强度，即核和自由电
10、子间的引力。金就是金属键的强度，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。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）主要决定于金属键的强度（用升华热度量）主要决定于 (1)(1)原子的大小，随原子半径增大升华热减小；原子的大小，随原子半径增大升华热减小；(2)(2)价电子数增加，升华热随之增加。价电子数增加，升华热随之增加。第十三页，本课件共有37页1.晶体的基本概念晶体的基本概念原子作无序排列原子作无序排列；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晶体：晶体：非晶体：非晶体：原子作有序排列原子作有序
11、排列；有固定的熔点；各向异性。Fe原子直径约为：原子直径约为：1.24*10-8cm第十四页，本课件共有37页 常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格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。和密排六方晶格等三种类型。.体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是一个体心立方的晶格是一个立方体立方体，其中心和八个角上各有一个，其中心和八个角上各有一个原子。原子。属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它们都具有较等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。好的塑性和较大的强度。第十五页，本课件共有37页（1 1）体心立方晶格
12、）体心立方晶格 bcc bcc-Fe-Fe、W W、V V、Mo Mo 等等第十六页，本课件共有37页2.面心立方晶格 面心立方晶格的晶面心立方晶格的晶胞也是一个胞也是一个立方体立方体，其，其六个面中心和八个角上六个面中心和八个角上各有一个原子。属于这各有一个原子。属于这类晶格的金属有类晶格的金属有 -Fe-Fe、CuCu、AlAl、NiNi等。等。它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。面面心心立立方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第十七页，本课件共有37页（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fcc fcc-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等第十八页
13、，本课件共有37页.密排六方晶格 密排六方晶格的晶密排六方晶格的晶胞是一个胞是一个六方柱体六方柱体，其上，其上下底面的中心和十二个角上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六方柱各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子。属体的中间还有三个原子。属于这类晶格的金属有于这类晶格的金属有g g、n n、d d、e e等。等。这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。密密排排六六方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞第十九页，本课件共有37页（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcp hcpC C（石墨）、（石墨）、MgMg、ZnZn 等等第二十页，本课件共有37页金属的同素异构转变金属的同素异构转
14、变同素异晶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。构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538 1394 912 Fe、Sn锡、Ti钛、Mn锰温度时间1538 1394 912 体心面心体心Fe第二十一页，本课件共有37页金属的实际晶体结构与晶体缺陷金属的实际晶体结构与晶体缺陷1.1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫晶格位向完全一致的晶体叫做做单晶体。单晶体。工业上使用的金属都是由许工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多小晶体组成的多晶体多晶体.每个小晶体称为每个小晶
15、体称为晶粒晶粒。晶粒与晶粒之间的界面晶粒与晶粒之间的界面称称晶界晶界。亚晶粒之间的交界称为亚晶粒之间的交界称为亚亚晶界。晶界。第二十二页，本课件共有37页2 2、晶体缺陷、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：何特征可分为三种：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷第二十三页，本课件共有37页 (1)(1)点缺陷点缺陷晶格空位和间隙原子晶格空位和间隙原子 在在实实际际晶晶体体结结构构中中，晶晶格格的的某某些些结结点点，往往往往未未被被原原子子所所占占据据，这这种种空空着着的的位位置置称称为为空空位位。同同时时又又可可能能在在个个别别空空隙隙
16、处处出出现现多多余余的的原原子子，这这种种不不占占有有正正常常的的晶晶格格位位置置，而而处处在在晶晶格格空空隙隙之之间间的的原原子子称称为为间间隙隙原子原子。点缺陷点缺陷 导致晶导致晶格畸变格畸变 强度强度，硬度，硬度如如:合金化合金化第二十四页，本课件共有37页(2)线缺陷线缺陷位错位错 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。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。第二十五页，本课件共有37页(3)面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界 晶界和晶界和亚亚晶界上的原子排列，是从一种
17、位向晶界上的原子排列，是从一种位向过过渡到另渡到另一种位向。在一种位向。在这这个个过过渡渡层层中的原子排列是不中的原子排列是不规则规则的，晶格的，晶格发发生生畸畸变变；亚亚晶界晶界实际实际是由一系列的刃型位是由一系列的刃型位错错堆堆积积而成的。而成的。晶粒细晶粒细晶界面积晶界面积大大强度高强度高如如:晶粒细化晶粒细化第二十六页，本课件共有37页1.晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性,使晶格产生使晶格产生畸变畸变,晶格晶格能量能量增加增加,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状态,它们在外界条件它们在外
18、界条件(温度外力等温度外力等)变化时会首先发生变化变化时会首先发生变化,从从而引起金属性能的变化而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的晶体缺陷的存在影响金属的强度强度,一般情况下一般情况下,强度随晶体缺陷强度随晶体缺陷的增加而增加的增加而增加,可通过增加缺陷的办法可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度提高金属的强度.点缺陷点缺陷合金化合金化增加缺陷的办法增加缺陷的办法 线缺陷线缺陷增加塑性变形增加塑性变形(如加工硬化如加工硬化)面缺陷面缺陷晶粒细化晶粒细化晶体缺陷与性能的关系晶体缺陷与性能的关系第二十七页，本课件共有37页金属的结晶金属的结晶凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质
19、由液态转变成固态的过程。结晶结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规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。则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常通常,金属的凝固过程属于结晶过程。金属的凝固过程属于结晶过程。例如：北方冬天例如：北方冬天窗花窗花第二十八页，本课件共有37页热热 分分 析析 法法纯金属的冷却曲线与过冷度纯金属的冷却曲线与过冷度 差热分析法原理差热分析法原理第二十九页，本课件共有37页To时间温度实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)纯纯金金属属结结晶晶时时的的冷冷却却曲曲线线T0：理论结晶温度：理
20、论结晶温度T1：实际结晶温度：实际结晶温度 过冷过冷：实际结晶温度：实际结晶温度 T T1 1 总是低于理论结晶温度总是低于理论结晶温度 T T0 0 的现象的现象过冷度过冷度 T=TT=T0 0-T-T1 1 （冷速冷速 T T ）理论冷却曲线理论冷却曲线第三十页，本课件共有37页2.金属的结晶过程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。（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晶核长大过
21、程是按树枝状骨架方式长大第三十一页，本课件共有37页晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状第三十二页，本课件共有37页金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶第三十三页，本课件共有37页3.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细晶粒越细塑性、韧性越好；强度、硬度越高塑性、韧性越好；强度、硬度越高 金属结晶后晶粒大小取决于金属结晶后晶粒大小取决于形核率形核率N（单位时间、单位（单位时间、单位体积液态金属中生成的晶体积液态金属中生成的晶核数目）和核数目）和晶核长大率晶核长大率G（单位时间内晶核长大的线（单位时间内晶核长大的线速度）速度）NG晶
22、粒越细晶粒越细第三十四页，本课件共有37页细化晶粒的途径细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度）提高冷却速度，增加过冷度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小2）进行变质处理）进行变质处理3）附加振动：）附加振动：机械振动机械振动 超声波振动超声波振动 电磁搅拌等。电磁搅拌等。*对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快 变形、开裂变形、开裂,因因此只适用于小铸件，简单件此只适用于小铸件，简单件常用于大铸件，实际效果较好常用于大铸件，实际效果较好第三十五页，本课件共有37页4.金属的铸锭组织金属的铸锭组织1)表面细等轴晶层表面细等轴晶层力学性能虽力学性能虽好，但由
23、于该层很薄，故对整好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。个铸锭的性能影响不大。2)柱状晶区柱状晶区比较致密，对于塑性比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到较大较好的非铁金属，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，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常采用定向凝固法获得柱状晶组织。织。3)中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区的性能没有方的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形成很多向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能降低组织致使力学性能降低第三十六页，本课件共有37页谢谢大家！谢谢大家！第三十七页，本课件共有37页