金属材料与热处理(最全)

精品课程金属材料与热处理绪论1.本课程的性质2.本课程的主要内容3.学习目的与要求绪论1.本课程的性质《工程材料》课程是机械设计制造及自动化专业的一门必修课，是一门重要的技术基础课。计划讲课：26学时，实验：6学时，学分：2个。工程材料主要是指机械、船舶、建筑、化工、交通运输、航空航天等各项工程中经常使用的各类材料。工程材料金属材料非金属材料黑色金属材料：钢和铸铁有色金属材料高分子材料铜及铜合金滑动轴承合金陶瓷材料复合材料铝及铝合金工程材料的分类当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。金属材料的性能使用性能加工工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等铸造性能：流动性、收缩性等锻造性能：压力加工成型性等切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等热处理性能：淬透性、回火稳定性等金属材料具有良好的机械性能，是由它的成分和内部结构与组织所决定的。金属材料的结构是其晶体结构的简称，它指的是构成金属材料的质点（如分子、原子或离子等）的具体组合状态、结合方式和排列情况。金属材料的组织是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌，故也称为显微组织。2.本课程的主要内容本课程共设12章，可分为五个部分：1.金属学部分：1~4章为金属学基础知识，主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律2.热处理部分：5章，主要包括钢的热处理原理与工艺两方面3.金属材料部分：6~8章，这部分主要结合金属学与热处理基本知识4.非金属材料部分：9~11章，这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料5.材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分：第12章，主要介绍材料的常用机械性能指标，和机械零件的失效形式、原因与分析方法本教材按编者安排全书讲课共需36学时，实验4学时。这与我校实际教学计划相差较大，故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩。为了尽量保证课程体系的完整性，我们重点介绍1~8章内容，9~12章内容根据教学进度与时间，只作简单介绍。3.学习目的与要求1.了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。2.了解和掌握各类工程材料的牌号、成分，组织与性能之间的相互关系及其变化规律。3.能正确选择常用工程材料，合理制订其生产工艺流程。第1章金属的结构与结晶1.1基本概念与金属的特征1.2晶体结构1.3实际金属晶体中的晶体缺陷1.4纯金属结晶的基本概念金属的结构与结晶1.1基本概念金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。晶体组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等非晶体组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键，如图所示。金属键金属的特征金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：1）良好的导电、导热性2）正的电阻温度系数3）不透明，有光泽4）具有延展性1.2晶体结构不管是金属晶体还是非金属晶体，其晶体结构如何，与组成晶体的物质质点（可以是原子、分子或离子，也可以是原子群，分子群或离子群的中心）的具体排列方式和规律有关。科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述。晶体结构模型按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为球体模型、晶格模型和晶胞模型。a球体模型b晶格模型c晶胞模型晶系与空间点阵晶系是晶体分类的一种方式，具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系。根据晶胞特征参数的不同，晶体可分为七大晶系：见表1.1，即三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。空间点阵将组成晶体的物质质点，进一步抽象为几何点，这些几何点在三维空间周期性、规则地排列成的阵列，称为空间点阵或布喇菲点阵；而这些几何点称为阵点或结点。表1.1晶系及空间点阵晶系与空间点阵：根据每个阵点具有相同的周围环境（距离、位向），空间点阵只能有14种，它分属上述七个晶系，如右图所示。其中有7种为简单晶胞，7种为复杂晶胞或复合晶胞。同一种空间点阵，可以有无限种实际晶体结构。见图（a），(b)，(c)三种不同的晶体结构都属于（d）这种空间点阵。因此可以说空间点阵是有限的（只能有14种），而晶体结构是无限的可以有很多种。纯金属的三种典型晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为体心立方结构（bcc）、面心立方结构（fcc）和密排六方结构（hcp），如图:a体心立方b面心立方c密排六方1.三种典型晶体结构的形貌体心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有α-Fe,Cr,Mo,W,V等。面心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，每个面的中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，γ-Fe等。密排六方结构它是在六棱柱体晶胞的十二个顶角上各有一个原子，上下顶面中心各有一个原子，在六棱柱中三个相间的三棱柱中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属有Mg,Zn,Cd等。1)单位晶胞原子数即一个晶胞所含的原子数目。2)原子半径是利用晶格常数，算出晶胞中两相切原子间距离的一半。3)配位数是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目，配位数越大，原子排列的越紧密。4)致密度是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，其表达式为K=nv/V；K—致密度；n—单位晶胞原子数，v—每个原子的体积，V—晶胞体积，致密度越大，原子排列越紧密。5)间隙半径指晶格空隙中能容纳的最大球体半径。因为相同尺寸的原子，既使按最紧密方式排也会存在空隙。2.描述金属晶体结构的一些重要参数三种典型晶体结构的重要参数小结晶格类型单位晶胞原子数原子半径配位数致密度间隙半径体心立方2√3/4a80.680.29γ面心立方4√2/4a120.740.41γ密排六方61/2a120.740.41γ1.3金属晶体中晶面和晶向的表示晶面：是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面。晶向:是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线。晶面指数:表示晶面在晶体中方位的符号。晶向指数：表示晶向在晶体中方向的符号。1.晶面指数的确定a建立坐标,找出所求晶面的截距;(坐标原点不可设在所求晶面上)所求晶面与坐标轴平行时,截距为∞;b取晶面与三个坐标轴截距的倒数；c将所得倒数按比例化为最小整数，放入圆括号内，即得所求晶面的晶面指数，一般用（hkl）表示。对于立方晶系由于其对称性高，所以可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶面归为同一个晶面族，用{hkl}表示。如（100），（010），（001）就属于{100}晶面族。而（110），（101），（011），（ī10），（ī01），（0ī1）就属于{110}晶面族。（111），（11ī），（1ī1），（ī11）就属于{111}晶面族。对于非立方晶系由于其对称性较差，所以其晶面指数数字相同，而排列次序不同的晶面不属于同一个晶面族。如在正交晶系中（100），（010），（001）晶面就不属于同一个晶面族{100}，因为其晶格常数a≠b≠c。2.晶向指数的确定a建立坐标,将所求晶向的一端放在坐标原点上(或从坐标原点引一条平行所求晶向的直线)；b求出所求晶向上任意结点的三个坐标值c将所得坐标值按比例化为最小整数，放入方括号内，即得所求晶向的晶向指数一般用[uvw]表示。对于立方晶系由于其对称性高。也可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶向归为一个晶向族，用uvw表示，如晶向[100]，[010]，[001]属于100晶向族。3.金属晶体的各向异性(1)单晶体：由一个晶核所长成的大晶体,它的原子排列方式和位向完全相同,这样的晶体称为单晶体。(2)各向异性：是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象。(3)多晶体：由许多晶核长成的大晶体，因各晶核的原子排列方式相同，而位向不同，因此在各晶核长成的晶粒交界处存在着晶界，所以多晶体由许多晶粒组成.多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体，它具有各向异性。由于各晶粒位向不同，因此它们的各向异性相互抵消，表现为各向同性，多晶体的这种现象称为伪等向性（伪无向性）。非晶体由于原子排列无规则，所以沿各不同方向测得的性能相同，表现为各向同性1.3实际金属晶体中的晶体缺陷(1)理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。(2)实际晶体：多晶体+晶体缺陷(3)晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。点缺陷的概念：是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。点缺陷的类型：主要有四类，即空位间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（大小之分）；复合空位。点缺陷的概念线缺陷线缺陷的概念：是晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。位错：是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。它的类型很多主要有刃型位错，螺型位错和混合型位错等。1.刃型位错2.螺型位错面缺陷：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。面缺陷的类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。晶界：是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。面缺陷根据晶体中各晶粒之间的位向差θ不同，又可将晶界分为大角度晶界（θ10°）和小角度晶界（θ10°）两类。亚晶界：是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差θ一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。对称倾側晶界扭转晶界1.4纯金属结晶的基本概念物质由液态→固态的过程称为凝固,由于液态金属凝固后一般都为晶体,所以液态金属→固态金属的过程也称为结晶。液态金属的结构（1）是近程有序远程无序结构（2）存在着能量起伏和结构起伏液体晶体结晶过程的宏观现象研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线。由该曲线可以看出，液态金属的结晶存在着两个重要的宏观现象。1.4.2.结晶过程的宏观现象•1.结晶过程中存在过冷现象•2.结晶过程中要释放出结晶潜热冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。金属结晶的微观基本过程液态金属形核晶核长大完全结晶结晶是：形核和晶核长大的过程1.4.4.金属结晶的热力学条件•结晶只有在系统自由能ΔG降低的条件下才可以发生•只有存在过冷度ΔT的条件下才可能存在ΔG≤01.5形核和长大两种形核方式——自发形核（均质形核）与非自发形核（异质形核)自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。自发形核难度大，需要的过冷度达0.2Tm非自发形核——是依附于外来杂质上