金属学 与热处理

《金属学与热处理》课件绪论一、本课程的性质和内容性质：《金属学与热处理》属金属材料、冶金工程专业的专业基础课。内容：1.金属学理论金属的晶体结构、金属的结晶、合金的相结构与相图、金属及合金的塑性变形理论。2.钢的热处理钢的热处理原理与工艺3.金属材料钢、铸铁、有色金属及合金绪论二、本课程的特征课程的“两线一纲”两线：成分———结构———组织———性能成分———处理工艺———组织———性能———用途纲：第四章铁碳合金三、学完本课程后的要求1.掌握金属学的基本理论，即弄清金属及合金的成分———结构———组织———性能之间的关系；2.掌握金属及合金的塑变理论与热处理理论与工艺及其用途，即弄清金属及合金的成分———处理工艺———组织———性能———用途之间的关系；3.掌握常用金属材料的牌号、用途及其热处理方法；4.具有金相分析的基本能力。绪论四、学习方法前后联系，理论与实践、实验联系。五、主要参考书《金属学与热处理》崔忠圻主编（第1版）六、金属材料及研究手段发展史简介第一章金属与合金的晶体结构【重点】1.金属晶体学的基本概念2.金属中常见的三种晶体结构及特征参数3.晶向及晶面指数的确定4.合金相的结构及性能特征5.晶体缺陷及其对金属材料性能的影响【难点】1.结合力与结合能2.晶体中的间隙【授课方式】讲授【教学内容】知识点1金属原子间的结合知识点2金属的晶体结构知识点3合金相结构知识点4实际金属的晶体结构第一节金属原子间的结合•什么是金属？具有正的电阻温度系数的物质•金属的特性:不透明,具有金属光泽•具有良好的导电性和导热性•具有正的电阻温度系数•具有良好塑性和较高的强度•一、金属原子的结构特点•最外层的电子数少,只有1～2个,一般不超过4个.•例铁的最外层电子数为２Fe261s22s22p63s23p63d64s2•铝的最外层电子数为３Al131s22s22p63s23p1•铜的最外层电子数为１Cu291s22s22p63s23p63d104s1•第一节金属•二、金属键•金属正离子与运动于其间的公有化的自由电子依靠静电作用的结合方式。第一节金属原子间的结合•三、结合力与结合能•金属双原子模型第二节金属的晶体结构•一、晶体的特性晶体与非晶体晶体的概念:其内部粒子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。原子晶体：固态金属（一般情况下）分子晶体：冰离子晶体：NaCl晶体的特性：具有一定的熔点•具有各向异性非晶体：玻璃•非晶态金属第二节金属的晶体结构二、晶体结构与空间点阵晶体结构：晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。阵点：将晶体中的原子或原子群抽象为纯粹的几何点。空间点阵：由阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。晶格：人为地将阵点用直线连接起来形成的空间格子。晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数：描述晶胞大小和形状的参数。14种布拉菲点阵•第二节金属的晶体结构•三、三种典型的金属晶体结构•1、面心立方结构•例:γ-FeAlCu等•2、体心立方结构•例:α-FeWCr等•3、密排六方结构•例:ZnMgBe等4.晶体结构特征参数特征参数原子半径原子数配位数致密度面心立方结构4120.74体心立方结构280.68密排六方结构6120.74a42a43a21第二节金属的晶体结构５、晶体中的原子堆垛方式面心立方结构密排面：ABCABCABC密排六方结构密排面：ABABAB•第二节金属的晶体结构•６、晶体中的间隙•面心立方结构：八面体间隙半径≈0.146α•四面体间隙半径≈0.06α•体心立方结构：•八面体间隙半径≈0.067α•四面体间隙半径≈0.126α•八面体间隙的最大半径为≈0.2077a•四面体间隙的最大半径为≈0.112a•结论：面心立方结构的最大间隙比体心立方结构的最大间隙大。•面心立方结构晶体中的间隙晶体中的间隙•体心立方结构•密排六方结构晶体中的间隙第二节金属的晶体结构•四、晶向指数和晶面指数•1.晶向及晶向指数[uvw]的确定•晶向：在晶体中任意两个原子之间的连线所指的方向。•晶向指数的确定步骤：•1）设空间坐标（坐标原点设在所求晶向上）；•2）求晶向上某一点的空间坐标；•3）将所求空间坐标化为最小整数；•4）将最小整数列入方括号中。第二节金属的晶体结构•2、晶面及晶面指数(hkl)的确定•晶面对面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面。•晶面指数的确定步骤：•1）设空间坐标（坐标原点设在所求晶面外）；•2）求截距；•3）求截距的倒数；•4）将截距的倒数化为最小整数；•5）将最小整数列入圆括号中。第二节金属的晶体结构•晶面指数(hkl)的确定第二节金属的晶体结构•六方晶系晶向指数[uvtw]晶面指数(hkil)的确定第二节金属的晶体结构晶向族uvw与晶面族{hkl}]100[]001[]010[]010[]001[]100[100]110[]101[]011[]101[]110[]011[]110[]011[]101[]011[]101[]110[110]111[]111[]111[]111[]111[]111[]111[]111[111)001()010()100(}100{)110()011()101()011()101()110(}110{)111()111()111()111(}111{第二节金属的晶体结构•五、晶体的各向异性•晶体中各晶向上原子排列的紧密程度不同,各晶向上的性能不同.•伪等向性•单晶体(a)与多晶体(b)第二节金属的晶体结构•六、多晶型性•1、多晶型性:具有两种或几种晶体结构图。•2、同素异晶（构）转变或多晶型转变：•当外部条件（如温度和压强）改变时，•金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。•3、同素异构体：•α-Fe、γ-Fe、δ-Fe互为同素异构体。第三节实际金属的晶体结构•晶体缺陷：晶体中原子排列不规则的区域。•晶体缺陷的分类：•（1）点缺陷：其特征是在三维方向上的尺寸都很小。•（2）线缺陷：其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。•（3）面缺陷：其特征是在一个方向上的尺寸很小。另外两个方向上的尺寸相对很大。•一、点缺陷•常见的有三种：空位、间隙原子、置换原子•1.空位•形成原因：原子的热运动，因此空位浓度取决于温度。第三节实际金属的晶体结构•2.间隙原子•形成原因:原子本身的热运动或合金元素原子以及杂质原子。•3.置换原子:•形成原因:合金元素原子以及杂质原子。第三节实际金属的晶体结构•二、线缺陷：位错•1.刃型位错:正刃型位错和负刃型位错•2.螺型位错:右旋螺型位错和左旋螺型位错•3.位错密度:单位体积中所包含的位错线的总长度。即••VL第三节实际金属的晶体结构•4.位错密度对屈服强度的影响。第三节实际金属的晶体结构•三、面缺陷•晶体表面、晶界、亚晶界、相界。•1.表面能与晶界能•2.内吸附与反内吸附•3.晶界的特征:•低的熔点、易于腐蚀和氧化。•四、晶体缺陷对金属力学性能的影响•晶体缺陷——晶格畸变——提高金属材料的强度和硬度。第三节实际金属的晶体结构第二章纯金属的结晶【重点】1.结晶学理论的基本概念2.金属结晶的过程、条件3.控制晶粒大小的措施4.金属铸锭的组织与缺陷【难点】晶体长大机制【授课方式】讲授【教学内容】知识点1金属结晶的现象知识点2金属结晶的条件知识点3晶核的形成与长大知识点4金属铸锭的组织与缺陷第一节金属结晶的现象•结晶：金属由原子排列不规则的液态转变为原子排列规则的固态晶体的过程。•一、结晶过程的宏观现象•（一）过冷现象•1.热分析装置与冷却曲线第一节金属结晶的现象•2.过冷现象与过冷度•3.影响过冷度的因素:金属的本性和纯度、冷却速度。•金属的本性和纯度一定时,冷却速度越快,过冷度越大,金属的实际结晶温度越低。•（二）结晶潜热•1摩尔物质从一个相转变为另一个相，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。•二、金属结晶的微观过程•金属结晶的过程是形核（即晶核的不断形成）与长大（即晶核的不断长大）的过程。第一节金属结晶的现象第二节金属结晶的热力学条件•热力学第二定律:在等温等压条件下,物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。•状态的吉普斯自由能定义为：•G=H-TS•其中H为焓，S为熵。•熵的物理意义是表示系统中原子排列混乱程度的参数。SdTdG第二节金属结晶的热力学条件•从图中可看出，只有温度低于理论熔点Tm时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才可能自发地转变为固态金属，因此，金属结晶的热力学条件是固相的自由能低于液相的自由能，且过冷是结晶的必要条件。•液-固两相的自由能差ΔG为结晶的驱动力。单位体积自由能的变化•ΔGV与过冷度ΔT的关系为：•由上式可见：过冷度越大，液、固两相的自由能差越大，即相变的驱动力越大，结晶的速度便越快。TmTHGfV第三节金属结晶的结构条件•金属熔化时的体积增加3％～5％，说明固态金属与液态金属的原子间距相差不大。•液态金属结构示意图和固态金属的结构示意图：•相越伏（结构起伏）：液态金属中时聚时散，此起彼伏的短程有序的原子集团。•相越伏是晶核的胚芽，即晶胚。因此，金属结晶的结构条件是液态金属中的起伏。但只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。第三节金属结晶的结构条件•液态金属中不同尺寸相起伏出现的几率如下：•相rmax•起•出•现•伏•的•几•率•相起伏大小ΔT••最大相起伏尺寸与过冷度的关系如上图。第四节晶核的形成•形核方式:均匀形核(由相起伏晶胚直接生成晶核)•非均匀形核(依靠于固态杂质质点包括型壁上形成晶核)•一、均匀形核•（一）形核时的能量变化和临界晶核半径•在一定过冷度条件下，形成一球状晶胚时系统自由能的总变化为：•ΔG与晶胚半径的关系曲线如右下页图。•图中的rk为临界晶核半径•23434rGrSGVGVVTHTGrfmVk22第四节晶核的形成当rrＫ时，随r的增大系统的自由能升高，故小于r的晶胚熔化；当rrＫ时，随r的增大系统的自由能降低，故小于r的晶胚长大为晶核；当r=rＫ时，随r的增大或减小均使系统的自由能升高，故等于r的晶胚可能消失，也可能长大成为晶核。•临界晶核半径rk与过冷度ΔT成反比，而液体中最大晶胚尺寸rmax随过冷度ΔT的增大而增大。两条曲线的交点所对应的过冷度称为临界过冷度ΔTK。•rkrmax••ΔTKΔT第四节晶核的形成THTGrfmVk22第四节晶核的形成222323131631)2(4)2(34THTSGGGGfmKVVVK•只有当过冷度ΔT≥ΔTK时，液体中最大晶胚尺寸rmax大于或等于临界晶核半径rk时，液体中最大晶胚才有可能长大成为晶核，结晶才能进行。•纯金属结晶时均匀形核的临界过冷度大约为0.2Tm。•（二）形核功•临界形核功ΔGK：•临界形核功ΔGK与过冷度的平方成反比，过冷度增大，临界形核功ΔGK•显著降低，从而使结晶过程易于运行。•形核功由晶核周围的能量起伏提供。第四节晶核的形成•（三）形核率•形核率：指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。•形核率受两个方面因素的控制：•一方面，随过冷度的增大，临界晶核半径和形核功减小，形核率增大；另一方面，随过冷度的增大，原子的扩散迁移能力减弱，使形核率减小。第四节晶核的形成•二、非均匀形核•（一）临界晶核半径和形核功•非均匀形核示意图•非均匀形核的临界晶核半径rk´•临界形核功ΔGK´•式中θ称为润湿角。•非均匀形核的形核功总是小于均匀形核的形核功,故非均匀形核所需过冷度小于均匀形核所需过冷度。THTGrfmLVLk22')4coscos32()4(3132''LKKrG第四节晶核的形成•（二）影响非均匀形核率的因素•1.过冷度•2.固体杂质结构•3.固体杂质形貌•4.过热度•5.其他因素第四节晶核的