第2章 金属材料组织和性能的控制

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1、第2章 金属材料组织和性能的控制内容提要：   本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括纯金属的结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术等内容。   纯金属的结晶部分主要介绍纯金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转变，细化铸态金属晶粒的措施。   合金的结晶部分主要介绍发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金的结晶过程。    铁碳合金的结晶部分主要介绍铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。并介绍铁碳合金的成分-组织-性能关系。    金属的塑性加工部分主要介绍金属塑性变形的微观机理

2、、塑性变形对金属组织和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。   钢的热处理部分主要介绍热处理的原理和热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理），以及钢的热处理新技术。 钢的合金化部分主要介绍合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的机械性能、工艺性能的影响。   表面技术部分介绍电刷镀、热喷涂、气相沉积、激光表面改性等新技术。学习目标：   本章是工程材料课程的重点章。着重掌握以下内容：铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程，杠杆定律，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的等温转变（C曲线）

3、、过冷奥氏体的连续冷却转变，钢的淬透性、淬硬性。退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理等热处理工艺。合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。   熟悉纯金属、合金的结晶、金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。   表面技术部分作一般了解。学习建议：   1．本章阐述了金属材料组织与性能的影响因素和规律，是工程材料学的基本理论基础。本章是课程的重点，需要扎扎实实地学习好，掌握金属材料组织与性能的主要影响因素和规律，为后面学习金属材料知识打好基础。   2．本章内容多，按排学习学时应多一些

4、。本章中有一些难点和重点，要着重理解。学习时可以安排几次讨论。   3．若有条件，参观机械厂、热处理厂，以便对金属材料的生产和加工过程有所了解。理论联系实际，学习效果会更好。   4．浏览相关网站，收集材料生产和加工新技术有关资料，拓宽知识面。   5．建议本章学时：8-10学时 2.1金属的结晶   金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态

5、（晶态）的过程均属于结晶过程。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。2.1.1纯金属的结晶   什么是金属的结晶   工程上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制作机器零件的钢材，要经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程。生产上将金属的凝固叫做结晶。 冶炼、注锭液态金属结构固态金属结构　液态金属中，金属原子作不规则运动。但在小范围内，原子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称短程有序。这种短程有序的原子集团是不稳定的，

6、瞬时出现瞬时消失。通常的固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫长程有序。从本质上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金属的结晶。金属从液态过渡到固体晶态的转变称为一次结晶。一.  纯金属结晶的条件                              通过实验，测得液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。绝大多数纯金属（如铜、铝、银等）的冷却曲线如下图所示。   纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(又称理论结晶温度),Tn为开始结晶温度。曲线中abc段为液态金属逐渐冷

7、却,bc段温度低于理论结晶温度,这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度,用ΔT表示。                          ΔT=T0-Tn   冷却速度越大,则开始结晶温度越低,过冷度也就越大。cde段表示金属正在结晶，此时金属液体和金属晶体共存。de段出现一个平台，表示结晶时温度保持不变，为恒温过程。这是由于由液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量，而保持结晶过程温度不变。在非常缓慢冷却的条件下，平台温度与理论结晶温度相差很小。ef段表示金属全部转变为

8、固态晶体后,固态金属逐渐冷却。   自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。   液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线中，两条曲线