《金属材料及热处理》培训教案.docx

1、金属材料及热处理培训教案金属材料及热处理适用专业：材料成型与控制工程（本科）授课教师：唐明华角度晶界的主要差别是具有高的晶界能，并随两晶粒位向差的增大而增高，但位向差大于一定值后.晶界 能为一定值与位向差无关，见P12页图L24o2）小角度晶界：主要是指亚晶界,见图1.23.它的原子结构模型研究的比较清楚，主要由位钳构以。2.亚晶界亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差0 一股为几十分到几度。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倒晶界和扭转晶界。1） 对称倾侧晶界：如图1.20.图1.19,将一单晶体的XOZ面两侧的晶体绕X轴相对旋转0/2角， 则形成的界面为对称倾侧晶

2、界c它是由刃型位错垂直排列成的位错墙组成.西亚晶粒之间的位向差虽然很 小，但仍然造成了原子错排.故为而缺陷。2） 扭转晶界：如图1.21,1.22,将一单晶体的XOY面上卜晶体绕Z轴旋转。角，则形成扭转晶界。 它是由相互交叉的螺型位错网络组成，它也造成原子错推所以是面缺陷.小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能低.并随位向差的增大而增大：1.4纯金属结晶的基本概念物质由液态f固态的过程称为凝固，由于液态金属凝固后一股都为晶体,所以液态金属固态金属的过 程也称为结晶。由金工实习大家知道绝大多数金属材料都是经过冶炼后浇铸成形，即它的原始组织为铸态 组织。了解金属结晶过程.对于了解传件组织的形成，以

3、及对它锻造性能和零件的最终使用性能的影响, 都是作常必要的。而且掌握纯金属的结晶规律,对于理解合金的结晶过程和其固态相变也有很大的带助。一.液态金属的结构经研咒发现在略高于熔点时.液态金属的结构具有以下特点:1） 是近程有.序远程无序结构，见图1.25：2） 存在着能虽起伏和结构起伏。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。它是将金属放入州堪中，加热靖化后切断电 源,用热电偶测虽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,见图1.26.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1. 过冷现象实际结晶温度T总是低于理论结晶温度Tm的现象

4、，称为过冷现象，它们的温度差称为过冷度，用八 ，表示，NT = Tm T,纯金属结品时的大小与其本性,纯度和冷却速度等有关。实验发现液态金属 的纯度低小，冷却速度慢.小.反之相反。2. 结晶过程伴随潜热释放由纯金属的冷却曲线可以看出它是在恒温下结品.即随时间的延长液态金属的温度不降低.这是因为 在结晶时液态金属放出结晶潜热,补偿了液态金属向外界散失的热量，从而维持在恒温下结品.当结品结 束时其温度随时间的延长继续降低。三.金属结晶的微观基本过程由于金属是不透明的,所以无法宜接观察到其结品的微观过程，但通过对透明有机物结品过程的观察, 发现金届结晶的微观过程，就是原子由液态的短程有序逐渐向固态的

5、仁程彳了序转变的过程。当液态金属过冷到其7以下时.它的尺寸最大的短程有序的原于集团，通过结晶潜热的释放排列成 氏程有序的小晶体.该小晶体称为晶核，该过程称为形核。品核一旦形成就可不断地长大，同时其它尺寸 较大的短程有序的原子集团又可形成新的晶核.因此纯金属的结品过程是晶核不断的形成和於大的交替氓 度进行的过程“共示意图见P13页图1.27.所以结晶后为多晶体，如在结晶时控制好只让一个晶核形成和K大就可得到垂晶体金属结晶的热力学条件由热力学第二定津可知，物质遵循能量最小原理，即物质总是自发地向若能量降低的方向转化。图 1.2X给出了在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关系曲线，都是单调减上凸

6、曲线，并且两者斜率 不同，由热力学表达式% = _S可知液相的斜率大于固相.因为液态时原子排列的混乱程转度大，S液 SA|两曲线交点的温度为金属的理论结晶温度即胳点。这时液、固两相的自由能相等.液、固两相处于 动态K衡状态.两相可以长期共存“当T=Tm时.GqG固.两相共存：当TTm时.GqG冏，金 属陪化成液体：当TTm时，G iftXJ |A|.金属结晶成固lfQAG=G固液 FeAk Cu CuZn3 CuSn. CiuAl等。(2) 电子化合物的分类电子化合物根据其电子浓度(C电产一价电子数与原于数之比)的不同可分为三类:ar 21复杂立方结构3 、. ， Cu5ZnK C iuf=1

7、 + 1 2(3)电子化合物的特点主要受电子浓度因素控制,不遵守化合价焜律，晶体结构与两组元不同.但取决I电子浓度，具有 高的培点和硬度，但塑性较低，多产生有色金属中.与固溶体配合适当可起到强化作用。三.间隙相和间隙化合数间隙相和间隙化合物一般是在间隙固溶体中间隙溶质原子.含量超过其极限溶解度后所形成的金风何 化合物。它主要可分为具有简单结构的间隙相和具有夏杂结构的间隙化合物。1.间隙相结构的金属化合物.如VC. TiC、WC等。2)间隙相的特点主要受原子尺寸因素控制.晶体结构简单见P22页图2.6(a),但与原两组元不同，一般金属原子占据 晶格结点位置构成面心立方.体心立方、密抖六方.简单六

8、方结构，非金属原子有规则地占据晶格间隙.共化学成分可用简单分子式MX. M2X. MX, MX?表示(金属与非金属原子成一定比例)，但成分可在-定的范围内变化(以间隙相为基,形成缺位固溶体而造成，它具有极高的陪点和硬度，但脆性较大.稳 定性高.不易溶解和分解)，当其量和分布合理时.可有效提高金属材料的热强性、红硬性和耐磨性等.是高合金钢和硬质合金的戒要组成相。2.间隙化合物1) 间隙化合物：是非金属原子与过渡族金属原子半径比大于0.59 0.59) nj.形成的具有复杂结构的金属化合物。金属与碳形成的间隙化合物有MY、M7C3. M6C. M23G,型等.如Fc3C. Cg、CryCy. Fc

9、4W2C 等。2) 间隙化合物的特点主要受原子尺寸因素控制，晶体结构块朵见图2.6(b).但与原两组元不同.具有一定的成分范围(可 看作以间隙化合物为基的固溶体).具有高的培点和硬度。是合金钢中的主要强化相，但其培点、硬度和 稳定性比间隙相小.见表2.1.比较容易溶解和分解。如EsC渗碳体可形成(Fe. CrhC (Fe. Mn) jC. Fe3(C. N), FeC、B)合金渗碳体：(Cr、Feg、(Cr, Fe. Mo. W)23(C B等.以上我们讨论了合金的相结构.知道它主要有固溶体和金属间化合物两大类相结构.但在工业上实 际使用的合金，主要是由固溶体与固溶体或固溶体与金属间化合物组成

10、的机械混合物。该混合物的性能主 要取决组成它的合金相本身的性能，以及它们的形状、大小、数量和分布情况。要了解这些问厩就必须 搞清楚合金的结晶过程，而合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料.2.2二元合金相图的建立一二元相图表示方法1. 相相图是表示合金系中各合金在平衡状态（在极缓慢冷却条件下，备相成分和相质量比不再随时间变化） 下,在不同温度时.合金具有的状态和组成相关系的图解，所以也称它为合金状态图或平衡图。我们知道纯金属的结晶过程,可以用热分析法通过删定它的冷却曲线来研咒.它的结晶过程只需用 一个坐标轴就能反映，如纯铜的冷却曲线如右图，对于二元合金的结晶过程,同样也可以用热分析法.通过删定它的冷却曲线来研咒。所不同的是二元 合金由两个组元组成它的成分是可以变化的，所以它必须用两个坐标轴表示（合金结金是在常压下进行, 没有压力变化），见P22页图2.7。纵坐标表示温度，横坐标表示成分（浓度）.由A. R两组元组成的合金系.A点表示合金含 1（）（）%A、0%B,由纯A组元构成：B点表示合金含100%B. （）%A，由纯B组元构成。2. 表象点相图中能表示合金成分、温度的任何点都称为表象点.如图27中，C点表示合金含70%A, 30%B： D点表示合金含40% A. 60%B： E点表示合金含5.