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1、会计学1第二第二(d r)金属学基础金属学基础第一页，共44页。课前案例分析课前案例分析不同不同(b tn)的金属具有不同的金属具有不同(b tn)的性能，如钢、铸铁和陶瓷，为什么？的性能，如钢、铸铁和陶瓷，为什么？你怎样(znyng)认为“结构决定性能”金属的内部结构与性能金属的内部结构与性能(xngnng)的关系？的关系？减速器减速器第1页/共44页第二页，共44页。第二章第二章 金属学基础金属学基础(jch)(jch)第一节第一节 金属金属(jnsh)(jnsh)的晶体结的晶体结构构 Crystal Structure of MetalsCrystal Structure of Meta
2、ls结构结构(jigu)：物质内部原子的在空间的分布：物质内部原子的在空间的分布和排列情况。和排列情况。一、晶体与非晶体（一、晶体与非晶体（crystal and non-crystal）固态物质的存在形式：固态物质的存在形式：晶体和非晶体晶体和非晶体。晶体晶体（crystal）：原子（离子、分子）在三维原子（离子、分子）在三维空间作有空间作有规则的周期性重复排列规则的周期性重复排列所构成的物体。所构成的物体。第2页/共44页第三页，共44页。非晶体（非晶体（non-crystal）：原子在三维空间）：原子在三维空间呈无序排列呈无序排列(pili)的固体，如普通玻璃、的固体，如普通玻璃、石蜡等
3、。石蜡等。区别区别(qbi)：晶体具有固定的熔点，各向异性（晶体具有固定的熔点，各向异性（anisotropy）。）。非晶体无固定的熔点，各向同性（非晶体无固定的熔点，各向同性（isotropy）。）。注意：晶体注意：晶体(jngt)和非晶体和非晶体(jngt)在一定在一定条件下可以互相转化。条件下可以互相转化。二、晶体结构的基本概念二、晶体结构的基本概念（basic concept of crystal structure）晶格晶格（crystal lattice）：用假想的几何线条把抽象成为一个点的各原子中心连接起来而形成的几何空间格架几何空间格架。第3页/共44页第四页，共44页。晶胞晶
4、胞(jn bo)(Unite cells)：从晶格中选取一个能够完全：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何反映晶格特征的、最小的几何单元。单元。晶格常数晶格常数(chngsh)(lattice constant)：晶胞：晶胞中各棱边的长度中各棱边的长度a、b、c 和棱边夹角。和棱边夹角。第4页/共44页第五页，共44页。三、典型三、典型(dinxng)金属的晶体结构金属的晶体结构（crystal structure of the metal）常见常见(chn(chn jin)jin)金属的金属的晶体结构晶体结构1.体心(t xn)立方晶格（body-centered cubic
5、bcc）体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格第5页/共44页第六页，共44页。2.2.面心立方面心立方(lfng)(lfng)晶格（晶格（face-centered face-centered cubic fcccubic fcc）3.3.密排六方晶格密排六方晶格(jn)(jn)（Hexagonal Closed-Packed hcpHexagonal Closed-Packed hcp）第6页/共44页第七页，共44页。晶格类型晶格类型体心立方晶格体心立方晶格 bcc面心立方晶格面心立方晶格fcc密排六方晶密排六方晶格格hcp晶胞结构晶胞结构性能性能塑性较
6、好塑性较好塑性优于体心立塑性优于体心立方晶格的金属方晶格的金属脆性较大脆性较大晶胞内原子数晶胞内原子数原子半径原子半径致密度致密度 0.68 0.74 0.74典型金属典型金属-Fe、钼钼(Mo);钨钨(W);钒钒(V)-Fe、金金(Au);银银(Ag);Cu 等等Mg、Zn、镉镉(Cd)等等第7页/共44页第八页，共44页。四、金属四、金属(jnsh)的同素异构转变的同素异构转变 （allotropic transformation of metal）现象：加热时铁丝伸长，到现象：加热时铁丝伸长，到912开始收缩。若冷却开始收缩。若冷却(lngqu)时从时从1000 到到912 出现伸长现象
7、。出现伸长现象。铁铁丝丝加加热热实实验验示示意意图图铁丝铁丝标尺标尺支架支架第8页/共44页第九页，共44页。举例举例(j l)定义：同一种元素定义：同一种元素(yun s)在固态下由于温度变化而在固态下由于温度变化而发生晶体结构的变化。如铁、铬、锡（典故）、钴、发生晶体结构的变化。如铁、铬、锡（典故）、钴、钛等。钛等。1394153410006008001200温温度度时间时间16001500500700900110013001400912-Fe-Fe-Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变(zhunbin)第9页/共44页第十页，共44页。性能变化：当晶体结构改变时，金属性能变化：当晶体
8、结构改变时，金属(jnsh)(jnsh)的性能发生突变。这就是钢铁材料之所以能通的性能发生突变。这就是钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能的原因之一。过热处理来改变性能的原因之一。五、实际五、实际(shj)金属的晶体结构金属的晶体结构 （crystal structure of metal）单晶体：原子排列得非常整齐，晶格位向（原子单晶体：原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向列的方位和方向(fngxing)）完全一致，且无）完全一致，且无任何缺陷存在。任何缺陷存在。各向异性。各向异性。多晶体：多晶体：由许多不同位向的单晶体组成。由许多不同位向的单晶体组成。各向同性各向同性第10页/
9、共44页第十一页，共44页。实际实际(shj)的晶体结构：的晶体结构：空位空位空位空位晶界晶界亚晶界亚晶界ABCD第11页/共44页第十二页，共44页。第二节第二节第二节第二节 纯金属纯金属纯金属纯金属(jnsh(jnsh)的结晶的结晶的结晶的结晶(crystallization of pure metal)(crystallization of pure metal)p凝固凝固(solidification)：液体：液体(yt)-固体（晶体或非晶体）固体（晶体或非晶体）p结晶结晶(crystallization)：液体：液体(yt)-晶体晶体液态液态(yti)金属结构金属结构固态金属结构固态
10、金属结构第12页/共44页第十三页，共44页。一、金属一、金属(jnsh)结晶的基本规律结晶的基本规律 (basic law of metal crystallization)1.冷却曲线冷却曲线(qxin)与过冷现象与过冷现象冷却曲线冷却曲线(cooling curve)：通过：通过(tnggu)热分析的热分析的方法方法，测得液体金属在结晶时的温度，测得液体金属在结晶时的温度-时间曲线。时间曲线。第13页/共44页第十四页，共44页。To时间时间温温度度理论冷却曲理论冷却曲线线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台纯金属纯金属(jnsh)结晶时的结晶时的冷却曲线冷却曲线第14页/共44
11、页第十五页，共44页。过冷度过冷度T（degree of supercooling）：理论结）：理论结晶晶(jijng)温度与实际结晶温度与实际结晶(jijng)温度的差值温度的差值。即。即T0-Tn=T。过冷是结晶。过冷是结晶(jijng)的必要条的必要条件！件！影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：金属金属(jnsh)种类不同，过冷度不同；种类不同，过冷度不同；金属金属(jnsh)的纯度越高，过冷度越大。的纯度越高，过冷度越大。对于同一种金属对于同一种金属(jnsh)而言，过冷度的大小主要取决而言，过冷度的大小主要取决于冷却速度。于冷却速度。冷却速度越大，过冷度越大。冷却速度越大，过冷度越大
12、。过冷现象过冷现象(supercooling phenomena)：金属的实际：金属的实际(shj)结晶温度结晶温度Tn低于理论结晶温度低于理论结晶温度T0的现象。的现象。第15页/共44页第十六页，共44页。液态金属形核晶核长大完全结晶2.2.结晶结晶(jijng)(jijng)的一般的一般过程过程晶体晶体液体液体结晶结晶(jijng)第16页/共44页第十七页，共44页。形核方式形核方式(fngsh)自发形核（均质形核）自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）非自发形核（非均质形核）注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时(tngsh)进
13、行的，但非自发形核常起优先和主导作用。进行的，但非自发形核常起优先和主导作用。第17页/共44页第十八页，共44页。晶体晶体(jngt)(jngt)的生的生长方式长方式实际金属结晶时，晶体实际金属结晶时，晶体(jngt)多以树枝状长大方式多以树枝状长大方式长大。长大。二、金属(jnsh)结晶后的晶粒大小 （grain size after metal crystallization）一般来说，在常温下工作的金属，一般来说，在常温下工作的金属，晶粒越细小，晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。其强度、硬度、塑性、韧性越高。第18页/共44页第十九页，共44页。两组大小不同两组大小不同(b t
14、n)的鸡蛋受力的鸡蛋受力情况情况举例举例(j l)结果结果(ji gu)(ji gu)：小鸡：小鸡蛋不易碎，蛋不易碎，大鸡蛋容易碎。大鸡蛋容易碎。FF第19页/共44页第二十页，共44页。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晶核形成数目晶核形成数目(shm)（m3.s）和长大率和长大率G（m/s）的比值。）的比值。工业上常用工业上常用(chn yn)细化晶粒方法：细化晶粒方法：（1 1）增加）增加(zngji)(zngji)过冷度过冷度V V冷冷TTN N晶粒细小晶粒细小冷速过快冷速过快 变形、开裂变形、开裂,只适用于小铸件，简单件只适用于小铸件，简单件第20页/共4
15、4页第二十一页，共44页。（2 2）变质处理）变质处理(inoculation)在液体金属在液体金属(jnsh)中加入变质剂，以细化晶粒和中加入变质剂，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。常用于大铸件。改善组织的工艺措施。常用于大铸件。（3 3）振动）振动(zhndng)(zhndng)或搅或搅拌拌 机械振动、超声振动，或电磁机械振动、超声振动，或电磁(dinc)搅拌搅拌等。等。振动的作用：振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。变质剂的作用：变质剂的作用：作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。电机硅钢片电机硅钢片变压器
16、硅钢片变压器硅钢片第21页/共44页第二十二页，共44页。第三节第三节第三节第三节 金属金属金属金属(jnsh(jnsh)的塑性变形的塑性变形的塑性变形的塑性变形（Plasticity Deformation of MetalsPlasticity Deformation of Metals）金属在外力作用金属在外力作用(wi l zu yn)下将产生变形下将产生变形（Deformation）,其变形过程包括：其变形过程包括：弹性弹性(tnxng)变形：指除去外力后，物体完全恢复变形：指除去外力后，物体完全恢复原状的变形。原状的变形。塑性变形塑性变形：指作用在物体上的外力取消后，物体的变形不不
17、完全恢复完全恢复而产生的永久变形。一、塑性变形的实质一、塑性变形的实质（Substance of Plasticity Deformation of Metals）1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形第22页/共44页第二十三页，共44页。主要主要(zhyo)方式方式滑移滑移(hu y)变形（变形（Sliding Deformation）单晶体的塑性变形过程单晶体的塑性变形过程(guchng)：第23页/共44页第二十四页，共44页。理论上，整体理论上，整体(zhngt)刚性滑移刚性滑移滑移困难；滑移困难；实际上，位错移动实际上，位错移动滑移容易。滑移容易。滑移变形实质：晶体的一部分相对另一部
18、分的移动是位错滑移变形实质：晶体的一部分相对另一部分的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。在切应力作用下沿滑移面的运动。第24页/共44页第二十五页，共44页。2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 工业中实际使用的金属工业中实际使用的金属(jnsh)大多是多晶体。多晶大多是多晶体。多晶体的塑性变形分两个方面：体的塑性变形分两个方面：晶内变形晶内变形晶粒内部的滑移晶粒内部的滑移(hu y)变形，以它为主。变形，以它为主。晶间变形晶间变形晶粒间的移动和转动。晶粒间的移动和转动。第25页/共44页第二十六页，共44页。组织和性能的变化组织和性能的变化：强度、硬度提高，塑性、韧性：强度、硬度提高，
19、塑性、韧性下降；伴随下降；伴随(bn su)有残余应力产生。有残余应力产生。二、金属二、金属(jnsh)的冷变形和加工硬化的冷变形和加工硬化冷变形冷变形:指在再结晶温度以下指在再结晶温度以下(yxi)进行的塑性变形。进行的塑性变形。包括冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等包括冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等。加工硬化加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度和硬度：随着塑性变形的增加，金属的强度和硬度，塑韧性，塑韧性的现象。的现象。三、回复和再结晶三、回复和再结晶1.回复回复（Recovery）第26页/共44页第二十七页，共44页。定义：将冷变形后的金属加热至一定温度后，使原子恢定义：将冷变形后的金属加热至一定温
20、度后，使原子恢复复(huf)到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象。到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象。T回回=（0.25-0.3）T熔熔组织和性能的变化：显微组织没有明显变化，故力学性组织和性能的变化：显微组织没有明显变化，故力学性能变化不大；但内应力明显下降能变化不大；但内应力明显下降(xijing)，消除了部，消除了部分加工硬化。分加工硬化。2.再结晶再结晶（Recry stallization）定义：当加热温度定义：当加热温度(wnd)较高时，金属原子开始以某些较高时，金属原子开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，从而完全消除加工碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，从而完全消除加工
21、硬化的现象。硬化的现象。纯金属纯金属的再结晶温度为的再结晶温度为:T再再0.4T熔熔合金合金的再结晶温度为的再结晶温度为:T再再（0.40.9）T熔熔第27页/共44页第二十八页，共44页。组织和性能的变化组织和性能的变化(binhu)：再结晶过程后，：再结晶过程后，组织发生变化组织发生变化(binhu)，加工硬化消除。金属，加工硬化消除。金属强度和硬度下降，而塑韧性提高。强度和硬度下降，而塑韧性提高。第28页/共44页第二十九页，共44页。第四节第四节 合金合金(hjn)的结构的结构一、合金一、合金(hjn)的基本概念的基本概念合金：由两种或两种以上金属合金：由两种或两种以上金属(jnsh)
22、元素或者金元素或者金属属(jnsh)元素与非金属元素与非金属(jnsh)元素组成的具有元素组成的具有金属金属(jnsh)特性的物质。如黄铜等。特性的物质。如黄铜等。组元组元：组成合金最基本的、独立的物质最基本的、独立的物质。如黄铜黄铜 Cu-Zn。合金系合金系：有两个或两个以上两个或两个以上的组元按不同配比不同配比，配制出一系列不同成分、不同性能不同成分、不同性能的合金。相相：成分相同，结构相同成分相同，结构相同，与其他部分有界面分开界面分开的部分。第29页/共44页第三十页，共44页。组织：指用肉眼组织：指用肉眼(ruyn)或显微镜所观察到的材料的或显微镜所观察到的材料的微观形貌微观形貌。它
23、是相的集合。它是相的集合。二、合金二、合金(hjn)的相结构的相结构定义定义(dngy)：指合金中相的晶体结：指合金中相的晶体结构。构。分类分类固溶体固溶体 金属化合物金属化合物1.1.固溶体固溶体定义：定义：指溶质原子溶入固态溶剂溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂晶格类型保持溶剂晶格类型而形成的相。第30页/共44页第三十一页，共44页。分类分类(fn li)按溶质位置置换固溶体间隙固溶体按溶解度有限固溶体无限固溶体特征：特征：总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质(rngzh)；保有溶剂的晶格结构；保有溶剂的晶格结构；产生晶格畸变。
24、产生晶格畸变。第31页/共44页第三十二页，共44页。固溶体的形成对金属性能的影响：通过溶质原子固溶体的形成对金属性能的影响：通过溶质原子(yunz)的溶入形成固溶体以提高合金强度和硬度的的溶入形成固溶体以提高合金强度和硬度的现象，这种现象称为固溶强化。现象，这种现象称为固溶强化。2.2.金属金属(jnsh)(jnsh)化合物化合物定义：是合金中各组元间发生相互作用而形成定义：是合金中各组元间发生相互作用而形成(xngchng)(xngchng)的具有金属特性的一种新相。的具有金属特性的一种新相。特征：特征：一定程度上具有金属的性质金属的性质；晶格结构完全不同于不同于任一组元；性能：熔点高，硬
25、而脆熔点高，硬而脆。第32页/共44页第三十三页，共44页。例如例如(lr)Fe与与CFe3C(渗碳体渗碳体)对合金性能的影响：对合金性能的影响：适当的金属化合物时，可提高合金适当的金属化合物时，可提高合金强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性(rn xn)(rn xn)会降低。会降低。所以，金属化合物是各类合金钢、硬质合金和有色金属合所以，金属化合物是各类合金钢、硬质合金和有色金属合金的重要强化相。金的重要强化相。3.3.机械机械(jxi)(jxi)混合物混合物定义：定义：指由两种固溶体或固溶体和金属化合物所组成的混合物。特征特征：各相保持自己的晶格类型和性能特点各
26、相保持自己的晶格类型和性能特点。强度、硬度适中，目前钢铁材料中大部分都是这种组织。第33页/共44页第三十四页，共44页。第四节第四节第四节第四节 合金合金合金合金(hjn)(hjn)相图相图相图相图定义：相图定义：相图(xin t)(xin t)是利用图解方法表示合金的状态与是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系的图解。也称为平衡图或状态图。温度、成分间的关系的图解。也称为平衡图或状态图。一、相图一、相图(xin t)的建立的建立如：如：CuNi合金合金二元合金相图是通过二元合金相图是通过热分析实验法热分析实验法建立的。建立的。第一步第一步：先测定不同成分合金的冷却曲线；：先测定不
27、同成分合金的冷却曲线；第二步第二步：确定冷却曲线上的结晶转变温度，然后把这些：确定冷却曲线上的结晶转变温度，然后把这些 点标注在坐标图上；点标注在坐标图上；第三步第三步：把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该：把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该 合金的相图。合金的相图。第34页/共44页第三十五页，共44页。二、匀晶相图二、匀晶相图(xin t)定义：当两组元在液态和固态均无限互溶定义：当两组元在液态和固态均无限互溶(h rn)的相图。的相图。如如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。等。1.1.相图相图(xin t)(xin t)分析（以分析（以Cu-NiCu-Ni为例为例
28、 ）特点：特点：匀晶转变匀晶转变CuNi0100温度温度AB1083 1453LL+WNi%第35页/共44页第三十六页，共44页。AB结晶结晶(jijng)过程分析：过程分析：12LL+2.2.合金合金(hjn)(hjn)结晶过程结晶过程分析分析（1 1）平衡结晶）平衡结晶(jijng)(jijng)过程过程定义定义：指合金在结晶过程中指合金在结晶过程中冷却速度无限缓慢冷却速度无限缓慢，原子扩散能，原子扩散能够充分进行结晶过程。够充分进行结晶过程。第36页/共44页第三十七页，共44页。（2 2）不平衡）不平衡(pnghng)(pnghng)结晶过程结晶过程 定义：实际生产条件下，液态合金的
29、结晶是在较定义：实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行快的冷却速度下进行(jnxng)的，原子得不到的，原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。衡组织。出现出现(chxin)的现象：晶内偏析（又称的现象：晶内偏析（又称枝晶偏析）枝晶偏析）对合金性能的影响：对合金性能的影响：恶化合金的性能。恶化合金的性能。处理办法：处理办法：均匀化退火或扩散退火。均匀化退火或扩散退火。第37页/共44页第三十八页，共44页。三、共晶三、共晶(n jn)相图相图定义：当两组元在液态下完全定义：当两组元在液态下完全(wnqun)互溶，在固
30、态下有互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图。如限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图。如Pb-Sn、Al-Si等相图。等相图。1.1.相图相图(xin t)(xin t)分析分析Pb-Sn合金相图合金相图特征：特征：共晶反应共晶反应第38页/共44页第三十九页，共44页。四、共析相图四、共析相图(xin t)定义：一定成分的固相在恒温定义：一定成分的固相在恒温(hngwn)下生成另外下生成另外两个与母相成分不同的固相的转变称为共析转变，两个与母相成分不同的固相的转变称为共析转变，发生共析转变的相图。发生共析转变的相图。特征特征(tzhng)：共：共析反应析反应第39页/共44页第
31、四十页，共44页。本章本章(bn zhn)小结小结体心体心(t xn)(t xn)立方晶格立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格结晶结晶(jijng)(jijng)条件条件过冷度过冷度 过冷细化过冷细化变质处理变质处理振动或搅拌振动或搅拌固态相变固态相变同素异构转变同素异构转变晶粒细化晶粒细化晶体结构晶体结构结结 晶晶纯金属纯金属金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶回复回复再结晶再结晶第40页/共44页第四十一页，共44页。合金合金(hjn)的结构的结构固溶体固溶体金属金属(jnsh)化合物化合物机械机械(jxi)混合物混合物间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体合
32、金相图合金相图匀晶相图匀晶相图共晶相图共晶相图共析相图共析相图合金合金第41页/共44页第四十二页，共44页。第二章第二章 练习题练习题1.常见常见(chn jin)金属晶晶体结构有金属晶晶体结构有 、和和 。2.实际金属实际金属(jnsh)的结晶温度总是低于的结晶温度总是低于 结晶温度，结晶温度，这种现象称为过冷现象，一般情况下金属这种现象称为过冷现象，一般情况下金属(jnsh)的的冷却速度越快，过冷度越冷却速度越快，过冷度越 ，结晶后的晶粒越，结晶后的晶粒越 ，金，金属属(jnsh)的强度越的强度越 ，塑性和韧性越，塑性和韧性越 。3.合金合金(hjn)相结构主要有相结构主要有 和和 。一
33、般。一般 作为基体相；作为基体相；作为强化相。作为强化相。4.何为加工硬化？何为加工硬化？第42页/共44页第四十三页，共44页。5.5.高温下的铁冷却过程中，在高温下的铁冷却过程中，在13941394由由-Fe-Fe转变为转变为-Fe-Fe时，其体积会（时，其体积会（）。）。A A、膨胀、膨胀 B B、缩小、缩小 C C、不变、不变 6.6.同素异构转变改变金属的（同素异构转变改变金属的（）。）。A A、晶体、晶体(jngt)(jngt)形状形状 B B、晶格类型、晶格类型 C C、组织、组织成分成分7.7.固溶体的晶体固溶体的晶体(jngt)(jngt)结构与结构与 相同。相同。A A、溶剂；、溶剂；B B、溶质；、溶质；C C、其它晶型、其它晶型 8.8.工业中获得细小晶粒的方法有（）（）（）。工业中获得细小晶粒的方法有（）（）（）。第43页/共44页第四十四页，共44页。