金属学及热处理PPT课件

金属学和热处理，第一章金属的分类第二章金属材料的机械性能第三章金属的结晶结构第四章液态金属的结晶和铸锭组织第五章合金的相和合金相图第六章金属的塑性变形和再结晶第七章热处理的理论和基础，根据金属密度将金属分为重金属和轻金属的列表。重金属的密度大于4.5g/cm3，轻金属的密度小于4.5g/cm3。冶金工业将金属分为黑色金属和有色金属。黑色金属有三种：铁、锰和铬。它们或其合金表面通常有灰色黑色氧化物，这种金属称为黑色金属。除铁、锰、铬以外的其他金属称为有色金属。有色金属还可分为9类：重金属：铜、铅、锌等；轻金属：铝、镁等；轻质稀有金属：锂、铍等；耐火稀有金属：钨、钛、钒等；稀释金属：镓、锗等；稀土金属：钪、钇和镧；放射性金属：镭、锕等；贵金属：金、银、铂等；碱金属：钾、钠等。第一章金属的分类，第二章金属材料的机械性能，金属材料的机械性能：强度、塑料、硬度、韧性、疲劳和蠕变等。表示金属材料在特定条件下抵抗其他外力的能力。业界常用的硬度指标：布氏硬度(HB)是450材料洛氏硬度(HRA，HRB，HRC，HRD)维氏硬度(HV)肖氏硬度(HS)，第三章金属的晶体结构，金属和非金属的各种特性和原子结构，晶体包是晶格内完全表示晶格特性的最小单位。钨、钼、-铁等，铝、铜、镍、金、r-铁等，锌、镁、铍等，纯金属的显微组织(多晶体图)，工业纯铁，高低倍组织，TC 110 结晶在特定温度条件下，金属从短距离(从液体状态转变为晶体状态)转变为长期顺序(从液体状态转变为晶体状态)，液态金属的结晶在很大程度上通过两个过程小晶体核(称为生核)生成和晶体核生长。 晶界是随着不同方向的颗粒生长而相互接触形成的边界。核生成：自发生核(均匀核)和非自发生核晶体核生长，金属锭内部主要缺陷：收缩、松散、气孔、非金属夹杂物和氧化膜。Ti、Fe等一些金属在固体状态下随着温度和压力条件的变化，晶体结构发生变化，这种变化称为金属的同种异构变形。第五章合金的相和合金相图，两种或多种金属(或非金属)熔合，具有金属特性的物质成为合金。合金的化学成分不同，合金的相组成和组织也不同，因此合金特性不同。固体合金有两个主要的结晶阶段：固溶体和金属化合物。固溶体是一(或多个)组元素均匀溶解在另一组元素中的晶相。交替式雇佣体(代位求偿制)和间隙雇佣体。杠杆定律是用于寻找某种成分的合金在某种温度下的二平衡相含量的定律。第6章金属的塑性变形和再结晶，塑料是金属材料的重要特性，通过熔炼、铸造，可以通过塑料加工方法获得具有特定形状、尺寸和机械特性的截面梁、板材、管道或线材、零件毛坯或零件。塑料处理包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。金属的塑料加工，金属的塑料变形，金属经受塑料加工时产生塑料变形，宏观上改变材料的形状和大小；金属的组织结构发生了微观变化。金属的塑性变形也会对材料的特性产生重要影响，是金属材料的重要强化手段。当外力作用于金属时(例如金属的塑性变形、张力)，金属内的原子间距变大，如果这种变化在弹性范围内，当外力移除时，原子可以恢复到原来的状态；当外力较大时，如果达到塑胶阶段，并移除外力后，某些变更无法还原，则金属会发生塑胶变形。作为一种极限，当外力增大到一定程度时，原子间的结合力破裂，金属就会断裂。单晶的塑性变形、单晶的塑性变形的基本方法有两种。滑动和孪生子，滑动是指晶体在剪切应力的作用下，晶体的一部分沿特定晶面(滑动面)上的特定方向(滑动方向)相对于其他部分滑动。首先，滑动，滑动只能发生在剪切应力效果中，其他金属产生滑动的最小剪切应力(称为滑动临界剪切应力)的大小不同。钨、钼、铁的滑动临界剪切应力大于铜、铝。一，滑，电位每次移出晶体时都会产生原子间距的变形量，因此晶体的总变形量必须是这个方向原子间距的整数倍。滑移总是沿着晶体中原子密度最高的晶面(密集的船面)和上面密度最高的晶面(密集的船面之间，密集的排泄方向之间的间距最大，结合力最弱)进行。因此，滑动面是晶体的密集行面，滑动方向是该面的密集行方向。滑动系统、滑动曲面和滑动方向构成了滑动系统。体心立方晶格，(110)面和111的决定方向构成了滑动系统。滑移系统越多，金属发生滑移的可能性就越大，塑性越好。滑动系统，滑动方向对滑动的作用比滑动面大，因此面心立方晶格金属的塑性比体心立方晶格金属好。金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬等金属。铁的塑性高于锌、镁和其他金属。其次，位错滑移机制，滑移是剪切应力下晶体内部位置误差移动的结果。滑动不是通过沿滑动面整体相对滑动，而是通过电位的运动来实现的。在剪切应力下，额外的半圆面从晶体向另一侧移动，如果宝座从左向右移动错误，晶体就会滑动。当因电位的移动而滑动时：1，仅电位线附近的小数原子移动；原子的运动小于原子间距。因此，通过电位实现滑差所需的力较少。金属的塑性变形由滑动执行，滑动由电位的移动执行。因此，只要阻碍电位的移动，就能阻碍滑移的进行，提高塑性变形的阻力，提高强度。金属材料常用的五种强化手段(溶液强化、加工硬化、颗粒精细化、分散强化、老化强化)通过此机制实现。第三，孪晶，在剪切应力下，晶体的一部分相对于其他部分沿特定晶面(双同面)和晶体方向(双同面)剪切的变形过程称为孪晶。切线，置换的这一部分称为双胞胎。孪晶形成未变形的晶体原子分布和对称性。双胞胎需要比滑差大得多的临界剪切应力。双胞胎只有在滑移困难的情况下才会发生。体芯立方晶格金属(如铁)只有在室温或冲击下才会产生双胞胎。滑移系密度低的六角形晶格金属(镁、锌、镉等)对孪晶的发生比较容易。篮组织、孪晶、4、多晶塑性变形，工程中使用的金属大部分是多晶的。多晶的每个粒子变形的方式与单晶相同。但是，由于在多晶材质中，粒子位置不同，晶界很多，因此变形更加复杂。多晶的每个粒子位置不一致。某些压铸模与最大剪应力方向(即，粒子位于软位置方向)附近的滑动面和滑动方向与最大剪应力方向(即，压铸模位于硬位置方向)有很大的差异。发生滑动时，软位以晶粒开始。随着晶界壁垒的逐渐堆积，其他粒子会滑动。因此，在多晶变形时，粒子按布局变形，变形分布在整个材质中。第二个需要关注的问题是晶界的影响。晶界是原子不规则排列的地方，对位置错误的移动有妨碍作用，电位要通过晶界，必须对外部施加更大的力，因此在晶界中，其强度高于晶体。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，对错误位置的干扰作用越大，金属的强度越高。晶界与强度关系的一个经验公式(Hall-Petch公式):=0 kd-1/2，有小晶粒的材料不仅强度高，塑料、韧性也高，其他强化方法无法达到。颗粒越细，金属的变形就越分散，应力集中减少，裂纹的形成和开发推迟，在金属断裂之前可能会发生更大的塑性变形，从而提高金属的塑性。微细颗粒金属强度高，塑性好，破坏需要更多的工作，所以韧性好。我们通常将材料的组织细化以提高性能的方法称为细颗粒增强或颗粒细化，细颗粒增强是金属的强大强化手段。多晶中每个粒子的位置不统一，每个粒子按布局顺序进行，而不是同时开始滑动。在多晶中，晶界的原子排列不规则，阻碍电位的运动，增加应变阻力。塑性变形对金属组织和性能的影响，塑性变形对金属组织结构的影响残余内应力，1，加工硬化，金属塑性变形，随着变形度的增加，金属的强度和硬度显着增加，塑性和韧性显着降低，这种现象有时称为加工硬化，有时称为变形强化或冷硬化。2，加工硬化图，3，加工硬化的原因，金属的塑性变形，位错密度增加，位错之间的相互作用加强，相互纠缠，位错运动阻力增加引起的塑性变形阻力增加。相反，晶粒细化会提高强度。等轴组织，三态组织，电位网络，4，加工硬化的重要性，金属强化的重要方法；加工硬化是金属冷冲压成型的保证。提高使用过程中零部件的安全性。强化手段、加工硬化是金属材料的5种强化手段之一；生产时可以通过冷轧、冷拉拔等提高钢板或钢丝的强度。特别是对不通过纯金属和热处理强化的材料，冷变形加工是强化它们的主要手段。零部件的安全性提高，零部件使用过程中应力集中和过载现象经常是不可避免的。在这种情况下，金属可以加工硬化，因此，如果塑料变形较小，零件超载部分提高屈服强度，与施加的应力保持平衡，则变形不会继续，从而在一定程度上提高了零部件的安全性。加工硬化的不利影响，加工硬化在塑性变形过程中，金属的变形阻力逐渐增大，失去了继续变形的能力。为了消除加工硬化，消除金属再变形的能力，必须退火中间，从而增加生产成本，延长生产周期。金属塑性变形时其他特性的变化，电导率降低(电阻增加)，感应磁减少；化学活性增加，电极电位增加。耐蚀性下降。第二，塑性变形对金属组织的影响，冷变形纤维组织形成子结构的微观变形组织生成，冷变形纤维组织，金属塑性变形后模具变形，沿变形方向拉长或粉碎。变形严重的话，模具会变成细条(增加的话)，金属的内含物也会增加，形成纤维组织。由于子结构的精细化、大塑性变形对金属的增加和相互作用，大电位堆积在局部区域，形成相互纠缠、分布不均的现象，将粒子从多个比特分化为稍有不同的小晶体块，从而在粒子内生成子结构(子粒子)。、子结构图、变形组织生成、金属塑性变形到最大值(70%以上)时，粒子会旋转，因此每个粒子的位置方向相互配合，形成特殊的理想方向，这种有序的结构称为变形组织。变形编织一般分为两种。一个是每个粒子的特定结晶方向与绘图方向平行，这叫丝绸编织。例如，当高度变冷时，低碳钢平行于张力方向。另一个是每个粒子的特定晶面和晶面与轧制方向平行，这称为板组织，低碳钢的板组织为001。变形组织、耳、残余内应力、金属的塑性变形、金属内部变形不均、位错、空位等晶体缺陷的增加，导致金属内部残余内应力。也就是说，当外力移除时，金属内部仍有应力。残余内应力降低了金属的耐蚀性，在严重的情况下，可能会使零件变形或开裂。表面经过喷丸处理，产生较大残余压缩应力的零件(例如齿轮)可能会增加疲劳强度。残余内应力，第一残余应力(I):整个物体不均匀变形产生的宏观内应力。第二类残余应力(ii):非均匀粒子变形产生的微内部应力。第三类残余应力(iii):位错、空位等引起的晶格畸变内部应力。80%到90%。去除残余内应力，金属塑性变形后的残余内应力可以通过应力消除退火来消除；拉伸成型的黄铜皮在280 下进行应力退火，以防止变形和应力腐蚀。可以有意控制残余内应力的利用，生产时残余内应力的分布，以与工作应力相反的方向提高工件的机械性能。右图是钢板弹簧的示例。金属塑性变形后，组织结构和性能发生了很大变化。加热变形金属后，金属的组织结构和性能会再次发生变化。加热温度升高时，变形金属的恢复、再结晶和粒子生长过程将依次发生。第三节冷变形金属的微观结构和性能变化，第一，响应：冷变形金属的微观结构在低温加热时保持不变，但物理、机械性能部分返回冷变形之前的工艺。1，微结构变化(图)恢复阶段：组织仍呈纤维型，没有可见变化；2、性能变化(1)机械性能(示意图)恢复阶段：强度，硬度稍低，塑性略高。(2)物理性能阻力：在恢复阶段，阻力可以大大减少。耐蚀性：内部应力减少提高了应力腐蚀性。3，恢复内部应力变化阶段：删除第一类内部应力的大部分或全部，部分删除第二类和第三类内部应力。再结晶阶段：可以完全消除内部应力。4，响应退火的应用应力去除退火：降低应力(保持加工硬化效果)，防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。冷螺旋弹簧的定型，黄铜壳体的应力消除等。1、组织和性能变化变形金属再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大幅提高，消除加工硬化现象，此时内部应力全部消失，物理、化学特性基本恢复到变形前的水平。重新确定生成的新粒子的晶格类型与变形前和变形后的晶格类型相同。第二，再结晶冷变形金属加热到适当温度时，变形组织内未变形的新等角模具逐渐取代变形模具，完全消除变形强化效果的过程。3，再结晶温度变形后金属再结晶温度为温度范围，而不是恒定温度。再结晶温度通常表示最低再结晶温度(t材料)，通常表示为最大变形(70%以上)的冷塑性变形金属，这是加热1小时后可以完全再结晶的最低温度。最低再结晶温度与金属的熔点有关。t形灰=(0.35 0.4) t形熔点的温度单位为绝对温度(k)。3，再结晶温度最低再结晶温度与预变形度有关：金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预变形度。预变形程度越大，金属的结晶缺陷越多，组织越不稳定，最低再结晶温度也越低。预变形达到一定大小时，金属的最小再结晶温度达到一定稳定值。金属的熔点：熔点越高，最小再结晶温度越高。杂质和合金元素：杂质和合金元素，尤其是熔点元素，会干扰原子扩散和晶界移动，显着提高最低再结晶温度。高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80 ，工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到290 。加热速度和隔热时间：再结