金属学与热处理课件(20201020071852)

属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe
3、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体， 但在立方体的每个面上还各有一个原子。
属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等
大家六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方 面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。
§2-2金属的力学性能
学习目的：★ 理解金属材料性能（工艺性能、使用 性能）的概念、分类。
★掌握强度的概念及其种类、应力的概念及符号。 ★★掌握拉伸试验的测定方法；力——伸长曲线的几
个阶段；屈服点的概念。 教学重点与难点 1、理解力——伸长曲线是教学重点； 2、强度、塑性是教学难点。
教学过程：
复习
3、纯铁的同素异构转变：
1394℃
912℃
δ-Fe → γ- Fe → α – Fe
体心
面心
体心
4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。
其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：∵属固 态相变 ，∴ 转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转 变中有体积的变化，会产生较大内应力。
金属材料与热处理(全)
第一章：金属的结构与结晶
§1-1金属的晶体结构
★学习目的：了解金属的晶体结构。 ★重点：有关金属结构的基本概念： 晶面、晶向、 晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见 的类型。 ★难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。
§2-1金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
1、晶体：所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 （晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的 相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）原子在空间呈规则排列的固体 物质称为“晶体”。

金属学与热处理
本课程将介绍金属学基础、金属热力学、金属相变、金属缺陷与强化、金属 热处理以及金属表面处理，让您掌握金属材料与加工的基本知识。
第一章 金属学基础
1
金属的组成
金属是由原子或离子通过共用自由电子结合而成，是导热、导电、延展、可塑性 极强的物质。
2
金属的晶体结构
金属是具有整齐排列、具有规律性的晶体结构。晶格是六面体密排结构。
3
金属的晶界和位错
晶界是晶体内部不同晶粒相交界面。位错是晶粒中原子或离子排列存在的缺陷。
第二章 金属热力学
热力学第一定律
能量可以从一种形式转换成 另一种形式，但能量总量不 变。
热力学第二定律
热量不会自己从低温转移到 高温物体，只有在做功或吸 收外界热量的情况下才可以。
热力学第三定律
在温度绝对零度的情况下， 能量变为零。
2 热处理设备
有固体加热炉、电阻炉、气体加热炉、水加热炉等。
3 热处理工艺控制
包括加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度等控制参数。
第六章 金属表面处理
金属表面处理方法
包括化学处理、机械加工、电 化学处理、热处理、电镀等多 种方法。
金属表面处理工艺流程
表面清洁、表面活化、表面处 理、表面涂装等环节组成。
产生于晶体生长、切割、变形等过程中。
包括薄亚晶带、位错、蠕变加工硬化带。
3
面缺陷
是金属晶体的缺陷，其形状是哑铃、孔
强化机理
4
等。表现为晶界、裂纹等。
金属材料经过不同的加工或处理过程， 可以获得不同的强度、硬度、延展性等
性能。
第五章 金属的热处理
1 热处理工艺
是在一定的加热、保温和冷却条件下，对金属材料进行组织和性能控制的工艺。

举例说明
电子器件中的微型线圈需要采用真空 热处理来确保其导电性能和稳定性； 而医疗器械中常用的钛合金则需要通 过特殊的化学热处理来提高其耐腐蚀 性和生物相容性。
05
热处理设备与工艺控 制
热处理设备的分类与选择
热处理设备的分类
根据加热方式、用途和特点，热处理设备可分为多种类型，如电炉、燃气炉、 真空炉、感应炉等。
举例说明
飞机发动机中的涡轮叶片需要采用特 殊的热处理工艺来提高其高温强度和 抗疲劳性能；而医疗器械中常用的钛 合金则需要通过精细的热处理来确保 其生物相容性和力学性能。
功能金属材料的热处理
总结词
详细描述
功能金属材料具有特殊的物理和化学 性能，其热处理工艺对材料的性能具 有重要影响。
功能金属材料的热处理主要包括真空 热处理、化学热处理和磁场热处理等 工艺。这些工艺能够改变金属的表面 组织结构和化学成分，从而赋予材料 特殊的物理和化学性能。例如，磁性 材料需要进行磁场热处理来提高其磁 导率和磁感应强度；而超导材料则需 要通过真空热处理和化学热处理来确 保其超导性能。
气氛控制
对于某些热处理工艺，如渗碳、 渗氮等，需要控制炉内的气氛， 包括气体组成、压力和流量等， 以确保工件表面的质量。
热处理过程中的环境保护
减少能源消耗
采用先进的热处理技术和设备，提高能源利用率 ，减少能源浪费。
降低污染物排放
通过改进工艺和设备，降低热处理过程中产生的 有害物质排放，如废气、废水和固体废弃物等。
热处理过程中的相变
相变概念
金属在加热和冷却过程中发生的组织结构变 化，包括晶体结构的变化和相的分离。
相变机理
固态相变、液态相变和气态相变等。
相变类型
共析转变、包晶转变、固溶体脱溶等。

晶界：
小角度晶界─相邻晶粒的位向差小于10°的晶 界。基本上由位错构成。
大角度晶界─相邻晶粒的位向差大于10°的晶 界。原子排列比较混乱，结构比较复杂。
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亚晶界： 晶粒内部位向差小于 1° 的亚结构，也称为亚晶
粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。
亚晶界
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相界：不同结构的晶粒之间的界面 界面结构类型: 共格界面, 半共格, 非共格
同晶向上的原子排列方式和排列 紧密程度是不一样的。下页的两 个表给出了体心立方晶格和面心 立方晶格中各主要晶面、晶向上 的原子排列方式和紧密程度。
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五、晶体的 同素异构转变(多晶型性转变) 金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现
象称之为同素异构转变。（温度、压力）
α-Fe单晶体，密排方向 [111] 的弹性模量 E=290,000MN/m2，而非密排方向100的 E=135,000MN/m2。
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七、多晶体的伪各向同性 如Fe，不同方向上E均为210000MN/m2左右。 原因：实际材料为多晶体，各单晶粒分布的方向
不同，各向异性相互抵消，而呈现无向性。 ——伪各向异性。
如 Fe晶体，室温～912℃，体心立方，α- Fe，
912 ℃～1394 ℃，面心立方，γ-Fe， 1394 ℃ ～熔点1538 ℃ ，体心立方，δ-Fe。 Fe, Mn, Ti , Co 等少数金属具有同素异构转变。 性能随之变化。
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六、晶体的各向异性
不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子间距离 不同， 结合力不同－－晶体在不同方向上的力学、 物理和化学性能有所差异－－各向异性。

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绪论
（三）材料科学与工程的内涵
材料科学的三个重要属性：
多学科交叉---它是物理学、化学、冶金学、金属学、 陶瓷、高分子化学以及计算科学相互融合和交叉的结果。
与实际使用结合非常紧密---发展材料科学的目的在 于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料， 同时降低材料成本和减少污染等。
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绪论
（六）金属学及热处理的发展概况
十九世纪后期的实验技术阶段
十九世纪后期，随着光学显微镜在金属微观组 织分析中的应用，人们发现钢经加热和冷却后， 其内部发生组织变化，同时伴随着硬度的变化。 为了纪念英国科学家Robert Austen对建立Fe-C 相图所做出的贡献，将钢在高温时呈现的相命名 为奥氏体；为了纪念德国冶金学家Adolph Martens在利用光学显微镜观察钢的内部组织方 面 所 做 的 先 驱 工 作 ，第将26淬页/共火37页后 得 到 的 相 命 名 为 马
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绪论
（二）材料的发展与人类的进步
金属材料的近代发展历程： • 二十世纪初铜和铝开始大量应用，二十世纪中
叶镁和钛开始工业应用。
• 金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主 体地位。
产量，亿吨
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年份
绪论
（二）材料的发展与人类的进步
其它材料的近代发展历程： • 二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问
4.钟体力学结构设计合理。 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实 无华，天人合一，是中华民族精 神的象征,中华民族的骄傲。
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沧州铁狮铸造于公元953年。
铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米， 重约40吨

.
r0 rc
25
D G =3 4r3D G v+4r2s
r
=
rc
时，将
rc
= 2s
DGv
= 2sTm
DHf DT
代入DＧ表达式，
得DＧ的极大值为：
DGc
=34rc3
DGv +4rc2
s=1[4( 2s )2s]
3 DGv
=13[4rc2s]=136DH s3T2f m .2
1 DT2
>0
26
DGc
C. 形核功
右图中，当rc<r <r0时， r↑，DG，但DG＞ ０。说明体系自由能 仍大于零，即晶核表 面能大于体积自由能， 形核阻力大于驱动力。
.
r0 rc
24
部需的自成在 分要部由的这 为对分能表个 形形，的面半 核核需下能径 功作要降不范 。功另来能围
，外补完内 故供偿全， 称给，由晶 不，不体核 足即足积形
能差DGv为：
DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm
可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力， 不能凝固。
因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结 晶的热力学条件。这就说明了.为什么必须过冷的根本原因1。0Biblioteka 2.2、金属结晶的结构条件
核易于进行。
.
27
形核功从何而来？
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量 起伏，也即液态金属不同区域内的自由能也并 不相同，因此形核功可通过体系的能量起伏来 提供。
当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上， 将释放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。

降低汽车零部件的制造成本， 提高生产效率
提高汽车零部件的耐磨性、 耐腐蚀性和疲劳强度
提高汽车零部件的尺寸精度 和形状精度，保证其装配精
度和性能稳定性
热处理在航空航天工业的应用
提高材料强度和韧性
改善加工性能和焊接性能
改善疲劳性能和耐磨性
提高零件的尺寸稳定性和可靠性
提高耐腐蚀性和抗氧化性
延长零件的使用寿命和维护周期
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金属学及热处理PPT课 件
汇报人：
目录
01 02 03 04 05 06
添加目录项标题 金属学基础
金属的热处理原理 金属的热处理工艺 金属热处理的应用 金属热处理的未来发展
01
添加目录项标题
02
金属学基础
金属材料的分类
按照化学成分分类：铁、铜、铝、锌等 按照组织结构分类：单相、多相、复合等 按照性能分类：高强度、高韧性、耐腐蚀等 按照用途分类：建筑、汽车、航空、电子等
热处理工艺：包括加热速度、保温时间、冷却速度等
热处理效果：影响金属的力学性能、物理性能和化学性能
热处理的分类
退火：将金属加热到一定温度，保温一定时间 后冷却，以消除内应力，降低硬度，提高塑性 和韧性
正火：将金属加热到一定温度，保温一定时间后 冷却，以细化晶粒，提高硬度和强度
淬火：将金属加热到一定温度，保温一定时间后 快速冷却，以获得高硬度和高耐磨性
热处理与环境保护的结合
绿色热处理技术：采用环保材料和工艺，减少污染排放 节能减排：优化热处理工艺，降低能耗，减少碳排放 循环利用：回收利用废热、废气、废液等，实现资源循环利用 环保法规：遵守环保法规，确保热处理过程符合环保要求
热处理在智能制造领域的应用前景

教学内容 ---- 实验教学
实验一：金属的力学性能实验 实验二：铁碳合金平衡组织观察 实验三：钢的退火与正火 实验四：钢的淬火与回火
五、教材、学时安排与考核办法
教 材 : 金属学与热处理 丁建生 主 编 机械工业出版社
参考书：金属学与热处理原理 崔忠圻 主编 机械工业出版社
理论授课学时: 48学时 实验学时: 8学时 练习学时：8学时 考核办法：期末考试（开卷）70%+实验10%+平时
碳钎维合成奔驰公2019款 国产机战机改用复合材料
在材料的生产和使用方面我们
的祖先有过辉煌的成就。商周时 代青铜冶炼已达到相当大的规模， 能够铸造出875kg的司母戊鼎， 是商王朝晚期王室的青铜祭器。 它是世界青铜文化中最大的一件 青铜器。
到春秋战国时期已达到技术顶峰。著名的越王剑其 制造水平令今人惊讶! 到汉朝又发明了炒钢法，这是一 种古老的炼钢法。直到世界工业革命之前，我国的材料 生产和应用一直处于世界领先地位。
按物质结构分有：金属材料，无机非金属材料，有 机高分子材料，复合材料等；
按用途分有结构材料，功能材料等。
本教材主要涉及的是机械工程材料，并按物质结构 及用途进行简明阐述。在机械工程材料中金属材料目 前仍是最主要的材料。尤其是钢铁材料在机械工程中 仍占首要地位。本书重点阐述的内容仍放在钢铁材料 方面。
（考勤+作业+问答）20%
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课题二 材料的拉伸性能
1.1 前言 1、拉伸性能:
通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变 硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力 学性能。
2、拉伸性能的作用、用途：
a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要 依据之一。

03
含银量
WAg =42.4%~66.3%
的Pt-Ag合金
汇 报 人 ： XXX
L
L1
L2
t2
L3
t3
α3
t1
L+α
α1
α2
α
1100
1050
Cu
30
Ni
01
由图当合金自高温缓慢冷至t1温度时，开始从
液相中结晶出α固溶体，根据平衡相成分的确
定 方 法 ， 可 知 液 相 成 分 为t1L1, 固 相 成 分 为 α1, 此
时的相平衡关系是L1
α1 运用杠杆定律
，可以求出α1的含量为零，说明在温度t1时，
当合金1自液态缓慢冷却到与液相线相交的1点时，开
始从液相中结晶出a相。在继续冷却的过程中，a相的
数量不断增多，液相的数量不断减少，a相和液相的
成分分别沿固相线AP和液相线AC变化。当温度降低
到tD(1186℃) 时，合金中a相的成分达到P点，液相
的成分达到C点，在温度tD时，液相L和固相a发生包
晶转变:Lc +ap
汇 报 人 ： XXX
匀晶相图的定义及特征 共晶相图的定义及特征 包晶相图的定义及特征
两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也 无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为 匀晶相图。
匀晶转变
结晶时从液相结晶出单相的固溶体
以铜镍合金为例，上面是液相线， 液固两相并存区L+α
结晶刚刚开始，实际固相尚未形成
02
wNi（%）
当温度缓冷至t2温度时，便有一定数量的α固溶体结晶出来，此时的固相成分为α2，液相成分为L2，合金的相平衡
关系是: L2 t1 α2 为了达到这种平衡，除了在t2温度直接从液相中结晶出的 α2外，原有的α;相也必须改变为与