哈工大金屬學(xué)補(bǔ)習(xí)班課件8

1、金屬學(xué)與熱處理金屬學(xué)與熱處理 任課教師：耿洪濱 教授 空間材料與環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室考試要求熟悉常用術(shù)語和基本概念熟悉常用術(shù)語和基本概念 牢固建立材料的性能決定于材料牢固建立材料的性能決定于材料的組織、結(jié)構(gòu)這一概念的組織、結(jié)構(gòu)這一概念 掌握金屬材料主要熱加工工藝原掌握金屬材料主要熱加工工藝原理理, 并能制定常規(guī)熱處理工藝。并能制定常規(guī)熱處理工藝。 選擇題判斷題間答題綜合題選擇題判斷題間答題綜合題 題型材料的結(jié)構(gòu)、組織與性能含義結(jié)構(gòu)組織構(gòu)成材料的基本質(zhì)點(diǎn)(離子、原子或分子等)是如何結(jié)合與排列的，它表明材料的構(gòu)成方式。指借助于顯微鏡所觀察到的材料微觀組成與形貌-通常稱為顯微組織。性能使使用用性性能能工工

2、藝藝性性能能 指在服役條件下，能保證安全可靠工作所必備的性能。力學(xué)性能力學(xué)性能 物理性能物理性能 化學(xué)性能化學(xué)性能 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞 熔點(diǎn)、密度以及電、磁、光和熱 耐腐蝕和抗老化 性能使使用用性性能能工工藝藝性性能能 鑄造鑄造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流動(dòng)性指材料的可加工性 。熱處理熱處理 粉末冶金粉末冶金 機(jī)械加工機(jī)械加工 性能使使用用性性能能工工藝藝性性能能 鑄造鑄造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流動(dòng)性鍛、拉、擠、軋、彎 ；延展性 ；變形抗力、變形開裂傾向熱處理熱處理 粉末冶金粉末冶金 機(jī)械加工機(jī)械加工 性能使使用用性性能能工工藝藝性性能能 鑄造鑄造 塑性加工

3、塑性加工焊接焊接 液固；流動(dòng)性鍛、拉、擠、軋、彎 ；延展性 ；變形抗力、變形開裂傾向可焊性 熱處理熱處理 粉末冶金粉末冶金 機(jī)械加工機(jī)械加工 性能使使用用性性能能工工藝藝性性能能 鑄造鑄造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流動(dòng)性鍛、拉、擠、軋、彎 ；延展性 ；變形抗力、變形開裂傾向可焊性 熱處理熱處理 粉末冶金粉末冶金 機(jī)械加工機(jī)械加工 熱誘發(fā)組織轉(zhuǎn)變； 經(jīng)壓制、燒結(jié)成固體 切削加工材料的分類結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料 功能材料功能材料 強(qiáng)調(diào)利用材料的力強(qiáng)調(diào)利用材料的力學(xué)性能來滿足工程學(xué)性能來滿足工程結(jié)構(gòu)上的需要結(jié)構(gòu)上的需要 強(qiáng)調(diào)材料具有光、強(qiáng)調(diào)材料具有光、電、磁、熱等特殊電、磁、熱等特殊的物理性能的物

4、理性能 性能特點(diǎn)和用途 材料的分類金屬材料金屬材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 材料中原子之間的鍵合特點(diǎn) 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì), 通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和高的光澤 材料的分類金屬材料金屬材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 材料中原子之間的鍵合特點(diǎn) 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 金屬和非金屬元素間的化合物。具有很高的強(qiáng)度和硬度，較低的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，延性、成型性及耐沖擊性都很差。極好的耐高溫和耐腐蝕特性,還有一些獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)。 材料的分類金屬材料金屬材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 材料中原子之間的鍵合特點(diǎn) 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分

5、子材料 非金屬原子共有電子而構(gòu)成大分子材料稱為高分子材料。每個(gè)大分子由許多結(jié)構(gòu)相同的單元相互連接而成，因此高分子材料又稱為聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性、絕緣性和低密度等優(yōu)良性能。 材料的分類金屬材料金屬材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 材料中原子之間的鍵合特點(diǎn) 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料組成的，其性能是它的組成材料所不具備的。復(fù)合材料可能具有非同尋常的剛度、強(qiáng)度、高溫性能和耐蝕性。 熱加工工藝鍛造鑄造焊接熱處理熱加工工藝鍛造鑄造焊接熱處理第一章熱加工工藝鍛造鑄造焊接熱處理第二、三、四、五章熱加工工藝鍛造鑄造焊接熱處理第六章熱加工工藝鍛造

6、鑄造焊接熱處理第七、八、九章第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)1.3 合金相結(jié)構(gòu)1.4 金屬晶體缺陷1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬的定義金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì), 通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和高的光澤1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)原子結(jié)構(gòu)理論原子 (10-8cm)原子核(10-12cm)電子(10-13cm)(9.110-28g)質(zhì)子中子(10-8cm,1836倍)(10-8cm,1838倍)example1-1 calculate the number of atoms in 100g of silver.(the a

7、tomic mass of silver is 107.868g/mol. avogadros number is 6.02x1023/mol)1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其最外層的電子數(shù)很少，一般為12個(gè)，不超過3個(gè)。價(jià)電子1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)當(dāng)原子靠近到一定程度時(shí)，原子間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力。結(jié)合力外層電子作用形式穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu) 接受或釋放額外電子接受或釋放額外電子 共有電子共有電子 1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵共有價(jià)電子電子云鍵無方向性和飽和性性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 1)良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性；良好的導(dǎo)電性及

8、導(dǎo)熱性； 2)正的電阻溫度系數(shù)；正的電阻溫度系數(shù)； 3)良好的強(qiáng)度及塑性；良好的強(qiáng)度及塑性； 4)特有的金屬光澤。特有的金屬光澤。1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵得失價(jià)電子正負(fù)離子高熔點(diǎn)、高硬度、低塑良好的電絕緣體等1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵共有電子對鍵有飽和性 高熔點(diǎn)、高硬度、低塑性電絕緣體等范德瓦爾鍵 1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)形成：形成：一個(gè)分子的正一個(gè)分子的正電荷部位與另一分子電荷部位與另一分子的負(fù)電荷部位間以微的負(fù)電荷部位間以微弱靜電引力相引而結(jié)弱靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為分子鍵。合在一起稱為分子鍵。 特性：特性：分子晶體因分子晶體因其結(jié)合鍵能很

9、低，所其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點(diǎn)很低，硬度以其熔點(diǎn)很低，硬度也低。但其絕緣性良也低。但其絕緣性良好。好。1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合鍵的特性結(jié)合鍵的特性1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合力與結(jié)合能原子間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中的原子趨于規(guī)則排列的重要原因。材料的原子排列非晶態(tài)原子排列短程有序或無序1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)非晶體的特點(diǎn)是：非晶體的特點(diǎn)是：結(jié)結(jié)構(gòu)無序；構(gòu)無序；物理性質(zhì)表物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；現(xiàn)為各向同性；沒有沒有固定的熔點(diǎn)；固定的熔點(diǎn)；熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性小；小；1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶體基元在三維空間

10、呈規(guī)律性排列長程有序單個(gè)的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。 晶體的主要特點(diǎn)是：晶體的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)有序；結(jié)構(gòu)有序；物理物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；有固定的熔點(diǎn)；有固定的熔點(diǎn)；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣是一個(gè)幾何概念，它由一維、二維或三維規(guī)則排列的陣點(diǎn)組成。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)剛球模型用剛球代表空間排列的原子晶格晶格剛球抽象為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架空間格架晶胞晶胞保持點(diǎn)陣幾何特征的基本單元 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)布拉菲在1948年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只

11、有14種，稱為布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶系 軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式= 空間點(diǎn)陣 + 基元 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)配位數(shù) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即k =

12、 n v/ v k = n v/ v 。式中，。式中，n n為為晶胞所含原子數(shù)、晶胞所含原子數(shù)、vv為單個(gè)原子體積、為單個(gè)原子體積、v v為晶胞體積。為晶胞體積。 原子半徑原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。一半。 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方體心立方晶格參數(shù)cr、v、mo、w和-fe等30多種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金

13、屬晶體典型結(jié)構(gòu)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)aaar4324321八面體面心立方晶格參數(shù)al、cu、ni和-fe等約20種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)mg、zn、cd、be等20多種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面

14、、不不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下頁的兩緊密程度是不一樣的。下頁的兩個(gè)表給出了體心立方晶格和面心個(gè)表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。的原子排列方式和緊密程度。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)堆垛方式堆垛方式晶向1.2材料的原子排列1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶向指數(shù)1.2材料的原子排列晶向指數(shù)的確定方法建立以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系。定出該晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)。用末點(diǎn)坐標(biāo)減去始點(diǎn)坐標(biāo)。將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶

15、面及晶面指數(shù)晶面指數(shù)的確定方法在以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。取截距的倒數(shù)。將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號。 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶帶和晶帶軸平行于或者相交于同一直線的一組晶面組成一個(gè)晶帶，而該直線叫做晶帶軸。晶帶與晶帶軸221122112211khkhwhlhlvlklkuuvwlkhlkh)();222111（六方晶系1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)uvtwuvw wwvutuvvvuu)()2(31)2(31晶體的各向異性多晶型轉(zhuǎn)變1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，有些金屬會(huì)由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱為同素

16、異構(gòu)轉(zhuǎn)變bccfccbccfefefe 9121394計(jì)算在912 -fe -fe時(shí)的體積變化率。333)24()24()34(22rrrvvvvvfccfccbcc合金兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)組元 組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。 相 是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分 1.3 合金相結(jié)構(gòu)固溶體中間相(金屬化合物)間隙固溶體置換固溶體相 1.3 合金相結(jié)構(gòu)固溶體1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金的組元通過溶解形合金的組元通過溶解形成一種成分及性能均勻成一種成分

17、及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶相同的固相，稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑，另一組的組元為溶劑，另一組元為溶質(zhì)。元為溶質(zhì)。固溶體的分類固溶體的分類按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。體與間隙固溶體兩種。 間隙固溶體置換固溶體 按溶質(zhì)原子在固體中的溶按溶質(zhì)原子在固體中的溶解度，固溶體可分為有限固溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。體和無限固溶體兩種。 按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)則，固溶體分為有布是否有規(guī)則，

18、固溶體分為有序固溶體和無序固溶體兩種。序固溶體和無序固溶體兩種。 置換固溶體的固溶度晶體結(jié)構(gòu)類型相同固溶體的性能固溶體的性能通過形成固溶體而產(chǎn)生晶格畸變，通過形成固溶體而產(chǎn)生晶格畸變，使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相基體相。 1.3 合金相結(jié)構(gòu)固溶體金屬化合物正常價(jià)化合物電子化合物間隙相間隙化合物符合化合物原子價(jià)規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴(yán)格的化合比，成分固定不變。它的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)分子式的離子化合物晶體結(jié)構(gòu)相同，如分子式具有ab型的正常價(jià)化合物其晶體結(jié)構(gòu)為nacl型，多為離子化合物。正常價(jià)化合物電子化合物間隙相間隙化合物是指按照一定價(jià)電子濃度的比值組成一定晶格類型的化合物。電子化合物的熔點(diǎn)和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。正常價(jià)化合物電子化合物間隙相間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時(shí)，將形成具有簡單晶體結(jié)