《材料的凝固與結(jié)晶》課件

材料的凝固與結(jié)晶本課程將探討材料的凝固與結(jié)晶過程，從基本原理到實際應(yīng)用，幫助您理解固體材料的形成和性質(zhì)。課程概述凝固與結(jié)晶介紹材料凝固過程中的基本原理和現(xiàn)象，探討不同材料凝固過程的特點和影響因素。材料組織深入分析凝固過程中形成的組織結(jié)構(gòu)，包括晶粒尺寸、形貌和分布，以及其對材料性能的影響。熱處理工藝闡述熱處理工藝的原理和應(yīng)用，包括淬火、回火、退火等工藝對材料性能的影響，以及在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。材料的分類金屬材料金屬材料是指以金屬元素為主體的材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和強度。非金屬材料非金屬材料是指以非金屬元素為主體的材料，例如塑料、陶瓷、橡膠、玻璃等。復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或多種不同材料組合而成，以發(fā)揮各自的優(yōu)點，例如玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料等。原子的結(jié)構(gòu)原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于質(zhì)子和中子，帶負(fù)電荷，在原子核外以一定的軌道運行。原子的種類由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定。不同種類原子的核外電子排布不同，決定了它們的化學(xué)性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子或離子的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)決定了材料的許多物理和化學(xué)性質(zhì)，例如強度、硬度、熔點和電導(dǎo)率。常見的晶體結(jié)構(gòu)包括：簡單立方結(jié)構(gòu)(SC)體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)六方密堆積結(jié)構(gòu)(HCP)晶體缺陷點缺陷空位和間隙原子是常見的點缺陷，它們會影響材料的機械性能和電性能。線缺陷位錯是一種常見的線缺陷，它會影響材料的強度、塑性、和韌性。面缺陷晶界和孿晶是常見的表面缺陷，它們會影響材料的強度、塑性、和韌性。溶質(zhì)在固體中的分布1固溶體溶質(zhì)原子均勻分布在溶劑晶格中，形成固溶體。2間隙固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的間隙位置。3置換固溶體溶質(zhì)原子取代溶劑晶格中的部分原子。凝固過程的基本規(guī)律1過冷度液體金屬必須過冷至低于其熔點才能發(fā)生凝固。2形核凝固過程首先需要形成固態(tài)晶核。3晶粒長大晶核長大形成固態(tài)金屬，最終形成多晶體組織。純金屬的凝固1過冷熔體必須過冷到低于凝固點才能開始結(jié)晶2形核熔體中出現(xiàn)新的固相微小顆粒3長大形核后的晶體長大并相互連接純金屬凝固是一個由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。純金屬在凝固過程中會經(jīng)歷過冷、形核和長大三個階段。合金的凝固成分影響合金的凝固過程受多種因素影響，其中成分是關(guān)鍵因素。相變合金凝固過程中，不同成分的物質(zhì)會發(fā)生相變，形成不同的固態(tài)相。晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)會影響其性能，如強度、韌性和抗腐蝕性等。冷卻速率冷卻速率也會影響合金的組織結(jié)構(gòu)和性能。冶金組織晶粒金屬材料中，原子以規(guī)則的排列方式形成晶體，稱為晶粒。晶界相鄰晶粒之間的界面，稱為晶界。相具有相同化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，稱為相。組織金屬材料中各種相的形態(tài)、尺寸和分布，稱為組織。擴散與相變1擴散物質(zhì)在熱力學(xué)勢梯度作用下，原子或分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的過程。2相變物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)的過程，通常伴隨著結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化。3相變類型常見的相變類型包括固相變、液相變和氣相變。金屬的晶粒生長1晶粒長大高溫下晶粒長大2晶界遷移晶界向低能方向移動3驅(qū)動力晶界能降低相圖與相變相圖是表示不同溫度和壓力下物質(zhì)相態(tài)變化的圖表，它能幫助我們理解不同材料的相變過程。相變是指物質(zhì)在溫度、壓力等條件改變時，其物理狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的過程，例如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。平衡二元合金相圖銅鎳合金相圖銅鎳合金相圖展示了不同溫度和成分下合金的相平衡狀態(tài)，有助于理解合金的微觀結(jié)構(gòu)、性能變化以及熱處理工藝。鉛錫合金相圖鉛錫合金相圖是常用的教學(xué)案例，它清晰地展示了固溶體、共晶反應(yīng)、共析反應(yīng)等相變過程，以及相應(yīng)溫度下合金的組織結(jié)構(gòu)。非平衡二元合金相圖非平衡凝固是指凝固過程在非平衡條件下進行，例如冷卻速度過快或合金成分不均勻等。非平衡相圖反映了合金在非平衡條件下的相變過程和組織變化。非平衡相圖的主要特點是：液相線和固相線不再重合，而是存在一定的間隙，稱為過冷度。非平衡相圖中可能存在一些在平衡相圖中沒有的相，稱為亞穩(wěn)相。非平衡相圖的形狀和位置會受到冷卻速度、成分波動、溫度梯度等因素的影響。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金相變規(guī)律的重要工具。它以溫度和碳含量為坐標(biāo)軸，將不同溫度和碳含量下的平衡相組成的區(qū)域用不同顏色或符號標(biāo)注，展示了不同相之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系。鐵碳合金相圖對于理解鋼材的熱處理和性能具有重要意義。通過相圖，可以預(yù)測不同溫度下合金的相組成、組織和性能，為鋼材的熱處理工藝設(shè)計和材料選擇提供理論依據(jù)。鐵碳合金的相變奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變奧氏體在緩慢冷卻過程中，會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變奧氏體在快速冷卻過程中，會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體。珠光體向滲碳體的轉(zhuǎn)變珠光體在高溫下長時間保溫，會發(fā)生滲碳體轉(zhuǎn)變，形成滲碳體。鐵碳合金的組織珠光體鐵素體和滲碳體的層狀混合物，機械性能較好。萊氏體鐵素體和滲碳體的細(xì)小混合物，硬度和強度較高。索氏體鐵素體和滲碳體的混合物，硬度和強度介于珠光體和萊氏體之間。熱處理基礎(chǔ)熱處理目的改變材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高材料的性能。如提高材料的強度、硬度、韌性、耐腐蝕性等。熱處理過程通過加熱、保溫和冷卻來改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而改變材料的性能。加熱和冷卻的速度、溫度和時間都會影響材料的性能。熱處理類型常用的熱處理類型包括退火、正火、淬火、回火、表面處理等。鋼的熱處理工藝1淬火提高硬度和強度2回火降低硬度，提高韌性3正火細(xì)化晶粒，提高機械性能4退火軟化金屬，便于加工鋁合金的熱處理1固溶處理提高合金強度和塑性2時效處理析出強化3人工時效控制析出4自然時效自然析出單相金屬材料的再結(jié)晶1形變冷加工過程中，金屬材料的晶粒發(fā)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯.2恢復(fù)在低于再結(jié)晶溫度下加熱，位錯部分消失，強度和硬度略有下降，塑性略有提高.3再結(jié)晶在一定溫度下加熱，發(fā)生晶粒長大，新的無畸變的晶粒取代了變形晶粒，金屬材料的強度和硬度下降，塑性提高.合金的再結(jié)晶結(jié)晶核形成在冷變形金屬中，由于應(yīng)力集中，晶界和亞晶界附近形成新的晶核。晶粒長大新形成的晶核長大，并逐漸取代周圍的變形組織。組織細(xì)化最終形成新的、細(xì)小的晶粒，從而改善材料的力學(xué)性能。材料的性能與組織的關(guān)系材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了它的宏觀性能。晶粒尺寸、晶界、相分布等影響材料的強度、硬度、塑性等。組織控制是提升材料性能的關(guān)鍵，通過熱處理等方法改善微觀結(jié)構(gòu)。材料的應(yīng)用實例材料的應(yīng)用無處不在，從我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C、汽車到高精尖的航空航天器材，都離不開材料的支撐。例如，鋁合金由于其輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、建筑等領(lǐng)域?？偨Y(jié)與展望1晶體結(jié)構(gòu)影響材料的物理和機械性能的關(guān)鍵因素。2凝固過程決定了材料最終的微觀結(jié)構(gòu)，影響其強度、韌性和其他性能。3熱處理通過控制加熱和冷卻工藝，改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其性能。課后習(xí)題本課程將提供豐富的習(xí)題，幫助您鞏固所學(xué)知識，并提升解決實際問題的能力。習(xí)題涵蓋了從基本概念到實際應(yīng)用的各個方面，包括：1