第2章 金属材料组织和性能的控制ppt课件.ppt

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1、“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件第2章第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。重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结晶过程、铁碳合金的成分-组织-性能关系。重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。简要阐述纯金属的结晶、金属的塑性加工、钢的合金化。一般介绍表面技术。学习目标：本章是工程材料课程的重点章。着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热

2、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。2.1 纯金属的结晶2.1.1纯金属的结晶金属材料要经过液态和固态的加工过程。钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。金属浇注、冷却后，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。冶炼注锭液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称短程有序。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。液态金属结构通常的固态金属属于晶体材料，金属原子

3、规则排列，叫长程有序。固态金属结构金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。简称金属结晶。一、纯金属结晶的条件纯金属（纯铜）的冷却曲线冷却速度越大,则开始结晶温度越低,过冷度也就越大。●de段正在结晶，恒温结晶。液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持温度不变。纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度),Tn为开始结晶温度。●bc段温度低于理论结晶温度,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自发转变的能量条件：自然界的一切自发转变过程，总是

4、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。液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT，使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF。液态金属结晶的动力：ΔF液态金属和固态金属自由能-温度关系曲线交点对应的温度T0即为理论结晶温度。二、纯金属的结晶过程包括两个基本过程：形核、长大1.形核液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。(1)自发形核(2)非自发形核老

5、师提示实际金属结晶时，以非自发形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。2.晶体的长大晶体的长大有两种方式:(1)平面长大冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长大。不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢。晶体获得表面为密排面的规则形状。平面长大的规则形状晶体平面长大(2)树枝状长大冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得

6、到具有树枝状的晶体。树枝状长大的树枝状晶体实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。树枝状长大2.1.2同素异构转变●许多金属在固态下只有一种晶体结构。如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。●有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。纯铁的同素异构转变:●液态纯铁在1538℃结晶为体心立方晶格的δ-Fe。●冷却到13

7、94℃时发生同素异构转变,成为面心立方晶格的γ-Fe。●冷却到912℃时又发生一次同素异构转变,成为体心立方晶格的α-Fe。同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异晶体。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。金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。同素异构转变特点●同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。●导致金属体积发生变化，产生较大内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，

8、铁的体积会膨胀约1％。可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。●适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。☆老师提示：重点内容金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。2.1.3细化铸态金属晶粒的措施晶粒度晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个／mm2)16326