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1、 课前案例分析课前案例分析不同的金属具有不同的性能，如钢、铸铁和陶瓷，为什么？你怎样认为“结构决定性能”金属的内部结构与性能的关系？减速器减速器第1页/共44页第二章第二章 金属学基础金属学基础第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 Crystal Structure of Metals结构：结构：物质内部原子的在空间的分布和排列情况空间的分布和排列情况。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）在原子（离子、分子）在三维空间作有三维空间作
2、有规则的周期性重复排列规则的周期性重复排列所构成所构成的物体。的物体。第2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呈无序排列无序排列的固体，如普通玻璃、石蜡等的固体，如普通玻璃、石蜡等。区别区别：晶体具有固定的熔点具有固定的熔点，各向异性（各向异性（anisotropy）。非晶体无固定的熔点无固定的熔点，各向同性（各向同性（isotropy）。注意注意：晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。晶体和非晶体在一定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（
3、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页晶胞晶胞(Unite cells)：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、晶格特征的、最小的几何单元最小的几何单元。晶格常数晶格常数(lattice constant)：晶胞中各棱边的长度a、b、c 和棱边夹角。第4页/共44页三、典型金属的晶体结构三、典型金属的晶体结构（crystal structure of the metal）常见金属的常见金属的晶体结构晶体结构1.体心立方晶格体心立方晶格（body-centered cubic bcc）体心立方晶格
4、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2.2.面心立方晶格面心立方晶格（face-centered cubic fcc）3.3.密排六方晶格密排六方晶格（Hexagonal Closed-Packed hcp）第6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密排六方晶格密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞结构性能性能塑性较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);
5、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页四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变 （allotropic transformation of metal）现象现象：加热时铁丝伸长，到912开始收缩收缩。若冷却时从1000 到到912 出现伸长伸长现象。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页举例举例定义定义：同一种元素在固态下由于温度变化而发生晶体同一种元素在固态下由于温度变化而发生晶体结构的变化。如铁、铬、锡（结构的变化。如铁、铬、锡（典故典故）、钴、钛等。）、钴、钛等。13941
6、53410006008001200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第9页/共44页性能变化性能变化：当当晶体结构改变晶体结构改变时，金属的时，金属的性能性能发生发生突变突变。这就是钢铁材料之所以能通过热处理来改变。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。性能的原因之一。五、实际金属的晶体结构五、实际金属的晶体结构 （crystal structure of metal）单晶体：单晶体：原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一
7、致，且无任何缺陷存在位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在。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/共44页实际的晶体结构：实际的晶体结构：空位空位空位晶界亚晶界ABCD第11页/共44页第二节 纯金属的结晶(crystallization of pure metal)p凝固凝固(solidification)：液体液体-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-晶体晶体液态金属结构液态金属结构固态金属结构固态金属结构第12页/共44页一、金属结晶的基本规律一、金属结
8、晶的基本规律 (basic law of metal crystallization)1.冷却曲线与过冷现象冷却曲线与过冷现象冷却曲线冷却曲线(cooling curve)：通过热分析的方法通过热分析的方法，测得液，测得液体金属在结晶时的温度体金属在结晶时的温度-时间曲线。时间曲线。第13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结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线第14页/共44页过冷度过冷度T（degree of supercooling）：理论结晶温度与实际结晶温度的差值。即即T0-Tn=T。过冷是结晶的必过冷是结晶的必要
9、条件！要条件！影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：金属金属种类种类不同，过冷度不同；不同，过冷度不同；金属的金属的纯度纯度越高，过冷度越大。越高，过冷度越大。对于同一种金属而言，过冷度的大小主要取决于对于同一种金属而言，过冷度的大小主要取决于冷却速冷却速度度。冷却速度越大，过冷度越大。冷却速度越大，过冷度越大。过冷现象过冷现象(supercooling phenomena)：金属的实际结晶实际结晶温度温度Tn低于理论结晶温度理论结晶温度T0T0的现象。第15页/共44页液态金属形核晶核长大完全结晶2.2.结晶的一般过程结晶的一般过程晶体晶体液体液体结晶结晶第16页/共44页形核方式形核方式自发
10、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注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是同同时进行时进行的，但的，但非自发形核常起优先和主导作用非自发形核常起优先和主导作用。第17页/共44页晶体的生长方式晶体的生长方式实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。二、金属结晶后的晶粒大小 （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，晶粒越细晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。
11、小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。第18页/共44页两组大小不同的鸡蛋受力情况两组大小不同的鸡蛋受力情况举例举例结果结果：小鸡蛋不易碎，小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎。大鸡蛋容易碎。FF第19页/共44页 金属结晶后晶粒大小取决金属结晶后晶粒大小取决于于形核率形核率N晶核形成数目晶核形成数目（m3.s）和和长大率长大率G（m/s）的比值。的比值。工业上常用细化晶粒方法工业上常用细化晶粒方法：（1 1）增加过冷度）增加过冷度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44页（2 2）变质处理）变质处理(inocu
12、lation)在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂，以细化晶粒和改善以细化晶粒和改善组织的工艺措施。组织的工艺措施。常用于大铸件。常用于大铸件。（3 3）振动或搅拌）振动或搅拌 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。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硅钢片变压器硅钢片第21页/共44页第三节 金属的塑性变形（Plasticity Deformation of Metals
13、）金属在外力作用下将产生变形金属在外力作用下将产生变形（Deformation）,其变形过程包括：其变形过程包括：弹性变形弹性变形：指除去外力后，物体完全恢复原状完全恢复原状的变形。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页主要方式主要方式滑移变形滑移变形（Sliding Deformation）单晶体的塑性变形过程：单晶体的塑性变形过程：第23页/共44页理论
14、上，整体刚性滑移理论上，整体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。滑移变形实质滑移变形实质：晶体的一部分相对另一部分的移动是位错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大多是多晶体。多晶工业中实际使用的金属大多是多晶体。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变形，以它为主。晶粒内部的滑移变形，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页组织和性
15、能的变化：强度、硬度提高，塑性、韧性下降；伴随有残余应力产生。二、金属的冷变形和加工硬化二、金属的冷变形和加工硬化冷变形冷变形:指在再结晶温度以下进行的塑性变形指在再结晶温度以下进行的塑性变形。包括冷挤、包括冷挤、冷镦、冷轧、冷拔等冷镦、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页定义定义：将冷变形后的金属加热至一定温度加热至一定温度后，使原子恢复到平衡位置，晶内残余应力大大减小晶内残余应力大大减小的现象。T回回=（0.2
16、5-0.3）T熔熔组织和性能的变化：组织和性能的变化：显微组织没有明显变化，故力学性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，消除了部分加工硬化。能变化不大；但内应力明显下降，消除了部分加工硬化。2.再结晶再结晶（Recry stallization）定义定义：当加热温度较高时，金属原子开始以某些碎晶或杂以某些碎晶或杂质为核心质为核心生长成新的晶粒新的晶粒，从而完全消除加工硬化完全消除加工硬化的现象。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页组织和性能的变化：组织和性能的变化
17、：再结晶过程后，组织发生变化，再结晶过程后，组织发生变化，加工硬化消除。金属强度和硬度下降，而塑韧性提高。加工硬化消除。金属强度和硬度下降，而塑韧性提高。第28页/共44页第四节 合金的结构一、合金的基本概念一、合金的基本概念合金合金：由两种或两种以上两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性金属特性的物质。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
18、他部分有界面分开界面分开的部分。第29页/共44页组织组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。它是相的集合。它是相的集合。二、合金的相结构二、合金的相结构定义：定义：指合金中相的晶体结构。指合金中相的晶体结构。分类分类固溶体 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，并保持溶剂晶格类保持溶剂晶格类型型而形成的相。第30页/共44页分类分类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；保有溶剂的晶格结构；保有溶剂的晶格结构
19、；产生晶格畸变。产生晶格畸变。第31页/共44页固溶体的形成对金属性能的影响固溶体的形成对金属性能的影响：通过溶质原子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固溶强化。2.2.金属化合物金属化合物定义：定义：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金金属特性属特性的一种新相新相。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，硬而脆熔点高，硬而脆。第32页/共44页例如例如 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：适当的金属化合物适当的金属化合物时，可提高合提高合金强度、硬度和耐磨性，但塑性和
20、韧性会降低。金强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。所以，金金属化合物是各类合金钢、硬质合金和有色金属合金的属化合物是各类合金钢、硬质合金和有色金属合金的重要重要强化相强化相。3.3.机械混合物机械混合物定义：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页第四节 合金相图定义：定义：相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分相图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。间的关系的图解。也称为也称为平衡图或状态图平衡图或状态图
21、。一、相图的建立一、相图的建立如：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页二、匀晶相图二、匀晶相图定义：定义：当两组元在液态和固态均无限互溶液态和固态均无限互溶的相图。如Cu-Ni、Au-Ag、
22、Au-Pt、W-Mo等。1.1.相图分析相图分析（以以Cu-Ni为例为例）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AB结晶过程分析：结晶过程分析：12LL+2.2.合金结晶过程分析合金结晶过程分析（1 1）平衡结晶过程）平衡结晶过程定义定义：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，原子扩散能够充分进行结晶过程。散能够充分进行结晶过程。第36页/共44页（2 2）不平衡结晶过程）不平衡结晶过程 定义：定义：实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度
23、下进行的，原子得不到充分扩散，称为冷却速度下进行的，原子得不到充分扩散，称为非平非平衡结晶衡结晶，所得组织称为，所得组织称为非平衡组织非平衡组织。出现的现象：出现的现象：晶内偏析晶内偏析（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页三、共晶相图三、共晶相图定义定义：当两组元在液态下完全互溶液态下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶，并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图。如Pb-Sn、Al-Si等相图。1.1.相图分析相图分析Pb-Sn合金相图合金相图特征：特征：共
24、晶反应共晶反应第38页/共44页四、共析相图四、共析相图定义：定义：一定成分的固相固相在恒温下生成另外两个与母相成分不同的固相不同的固相的转变称为共析转变，发生共析转变的相图。特征：特征：共析反应共析反应第39页/共44页本章小结本章小结体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格结晶条件过冷度 过冷细化变质处理振动或搅拌固态相变同素异构转变晶粒细化晶体结构结结 晶晶纯金属纯金属金属的塑性变形与再结晶回复再结晶第40页/共44页合金的结构合金的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间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体合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
25、合金合金第41页/共44页第二章 练习题1.常见金属晶晶体结构有常见金属晶晶体结构有 、和和 。2.实际金属的结晶温度总是低于实际金属的结晶温度总是低于 结晶温度，这种现结晶温度，这种现象称为过冷现象，一般情况下金属的冷却速度越快，象称为过冷现象，一般情况下金属的冷却速度越快，过冷度越过冷度越 ，结晶后的晶粒越，结晶后的晶粒越 ，金属的强度越，金属的强度越 ，塑性和韧性越塑性和韧性越 。3.合金相结构主要有合金相结构主要有 和和 。一般。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转变转变为为-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、晶体形状、晶体形状 B B、晶格类型、晶格类型 C C、组织成分、组织成分7 7.固溶体的晶体结构与固溶体的晶体结构与 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页感谢您的观看！第44页/共44页