金属学第一次课

1第1页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理2什么是

“金属学”学习“金属学与热处理”

有什么用？？什么是

“热处理”？第2页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理3什么是

“金属学”？研究金属及其合金的组成、组织结构和性能之间的内在联系,以及在各种条件下的变化规律,为有效地使用金属材料和为发展具有特定性能的金属材料而服务的一门应用科学。

它是从冶金学的一个分支──金相学直接演变而来的。金属学一词,在中国始见于50年代初,是从俄文“Металловедение”翻译过来的科学内容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相当。1、金属学的概念：答：第3页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理4二、金属学的发展过程19世纪，冶金学在生产力蓬勃发展的推动下也得到了重视1863年英国人索比(H.C.Sorby)发明了金相技术，为研究合金中的相组成和显微组织提供了有力工具。1868年俄国人切尔诺夫(Д.к.Чернов)观察到钢必须加热到超过某个临界温度才能淬火硬化，揭示了相变的存在和作用。1887年法国人奥斯蒙(F.Osmond)利用差热分析方法系统地研究了钢的相变。1899年英国人罗伯茨－奥斯汀(W.Roberts-Austen)指出钢在临界温度以上的相是固溶体，并绘制出第一张铁碳相图。1900年德国人巴基乌斯-洛兹本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在此基础上应用吉布斯(J.W.Gibbs)相律修订了铁碳相图。相图的出现,是金属学发展的一个里程碑。

第4页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理5二、金属学的发展过程1930年美国人贝茵(E.C.Bain)和达文波特(E.S.Davenport)研究钢中奥氏体在不同恒温条件下的转变过程及其产物，创造了S曲线，后来改称C曲线(见过冷奥氏体转变图)，阐明了钢的热处理的一般原理。X射线衍射的应用搞清楚了分析各种合金相结构包括马氏体的结构及其与碳含量的关系、金属冷加工形变及其在退火过程中的择优取向、铝铜合金的时效硬化机理；1934年位错理论的提出，不但成功地指出了材料实际强度和理论强度相差千百倍的原因，而且正确地说明了金属的形变和加工硬化现象。电子显微镜的应用以及薄膜透射技术的成功及衍衬理论的建立，对金属的微观结构如位错的存在和运动等研究，提供了有力的工具，从而使金属学中很多关键问题得以澄清；

第5页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理6三、金属学研究内容金属学是以金属电子论、晶体学及合金热力学为理论基础，依靠物理、化学的微观和宏观检测技术来研究金属及其合金的。①联系成分、处理过程对金属组织结构和性能的影响，研究合金相结构和组织的形成规律。②联系金属材料的使用，研究材料结构强度和断裂行为；研究金属材料在各种不同使用条件下的特性变化等；研究金属的强化原理。

第6页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理7什么是

“热处理”？1、热处理的概念：对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。答：第7页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理8二、热处理的发展过程：在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理9二、热处理的发展过程：1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。第9页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理10学习“金属学与热处理”

有什么用？很有用！答：第10页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理11材料成型与控制专业课程之：教材说明：教材是重要的参考书之一，不是的学习的唯一参考书；教材是我们学习的重要工具，不是学习对象。我们要学的是什么？是金属学是热处理是这门技术！所以……第11页，共44页，2023年，2月20日，星期四12金属学与热处理第一章金属的晶体结构第二章纯金属的结晶第三章二元合金的相图与结晶第四章铁碳合金第五章三元合金相图第六章金属及合金的塑性变形与断裂第七章金属及合金的回复与再结晶第八章扩散第九章钢的热处理原理第十章钢的热处理工艺第十一章工业用钢第十二章铸铁第十三章有色金属及合金课程简介：目录：金属学热处理工程材料第12页，共44页，2023年，2月20日，星期四13金属学与热处理课程简介：1、课程性质:

材料成型与控制专业的一门主干专业技术课，是一门实践性、综合性很强的课程。2、课程要求：掌握金属材料的化学成分、组织、性能三者之间的关系及一般规律的基本知识；初步具有正确应用热处理原理进行金属材料热处理强化和性能测试的能力；熟悉工业中常用工程材料的牌号、成分、性能和用途，初步具有正确选材、设计和改进工艺的能力。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理14第一章金属的晶体结构第一节金属

第二节金属的晶体结构

第三节实际金属的晶体结构第14页，共44页，2023年，2月20日，星期四15金属学与热处理第一章金属的晶体结构基本要求：

1、了解金属的特性及结构特点，金属键,金属的晶体结构,晶体结构的基本知识。2、掌握晶向及晶面指数，晶体的各向异性。3、掌握金属的实际晶体结构。4、了解多晶体结构和亚结构,晶体的缺陷。重点：常见金属的晶体结构，实际晶体结构，晶体的缺陷。难点：金属键、晶体的亚结构第15页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理16第一节金属金属的概念一、金属原子的结构特点二、金属键三、结合力和结合能第16页，共44页，2023年，2月20日，星期四17金属学与热处理什么是“金属”？第一节金属*良好的导电性和导热性；*金属光泽；*良好的延展性(塑性)；*不透明金属的性质：锑铈镨但是……金属的定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质。ρt=ρ0(1+αΔT)（某些纯金属在绝对零度附近的超导电性）第17页，共44页，2023年，2月20日，星期四18金属学与热处理第一节金属一、金属原子的结构特点1、最外层电子数量少；2、过渡族元素在次外层电子未填满的情况下，最外层就先填充了电子。第18页，共44页，2023年，2月20日，星期四19金属学与热处理第一节金属二、金属键结合键强,具饱和性——较高硬度结合键极强、方向性——很高硬度、无塑性离子键：同一分子的不同部位或不同分子上的正负电荷基团之间所形成的化学键。共价键：原子间通过共享电子所形成的化学键。第19页，共44页，2023年，2月20日，星期四20金属学与热处理第一节金属二、金属键金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成的化学键。特点：1、电子为整个原子基体所共有；2、没有饱和性和方向性解释固态金属的特性第20页，共44页，2023年，2月20日，星期四21金属学与热处理第一节金属三、结合力和结合能1）当两原子间距离达到一定值的时候，发生作用力；2）吸引力是长程力，排斥力是短程力；3）存在一平衡位置，此时结合力为零；4、）最大结合力对应着金属的理论抗拉强度；5）不同的金属，原子的最大结合力也不同；1、结合力第21页，共44页，2023年，2月20日，星期四22金属学与热处理第一节金属三、结合力和结合能1）结合能最低，原子的势能最低，也就最稳定；2）原子有力图回到低能状态，恢复到平衡位置的倾向；3）EAB(原子间的结合能或键能)决定了金属的熔点和线膨胀系数；4）离子和原则在各自的平衡位置上以其平衡位置为中心做微弱的热振动；1、结合能第22页，共44页，2023年，2月20日，星期四23金属学与热处理第一节金属小结：金属的定义一、金属原子的结构特点二、金属键金属键的特点，用金属键来解释固态金属的一些特性。三、结合力和结合能第23页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理24第二节金属的晶体结构晶体的概念一、晶体的特性二、晶体结构与空间点阵三、3种典型的金属晶体结构四、晶向指数与晶面指数五、晶体的各项异性六、多晶型性第24页，共44页，2023年，2月20日，星期四25金属学与热处理第二节金属的晶体结构晶体的概念原子（离子、分子等）在三维空间有规则地周期性重复排列的物质称为晶体。——通常固态金属与合金都是晶体大部分陶瓷、少数高分子材料。原子（离子、分子等）在三维空间无规则排列的物质称为非晶体——玻璃、多数高分子材料等第25页，共44页，2023年，2月20日，星期四26金属学与热处理第二节金属的晶体结构一、晶体的特征1、晶态是热力学稳定的状态，而非晶态是热力学不稳定的状态。理论上固态物体均应形成晶态，但当动力学条件不具备时，可能转变为非晶态。长时间保温玻璃“晶态玻璃”金属极快速凝固“金属玻璃”第26页，共44页，2023年，2月20日，星期四27金属学与热处理第二节金属的晶体结构一、晶体的特征3、晶体具有明显、固定的熔点，伴有体积与性能的突变。4、晶体有各向异性，非晶体则各向同性2、晶体中原子等质点是规则排列的，非晶体中质点是无规则堆积在一起的二氧化硅结构示意图a晶态b非晶态第27页，共44页，2023年，2月20日，星期四28金属学与热处理第二节金属的晶体结构二、晶体结构与空间点阵原子（离子、分子等）在三维空间有规则地周期性重复排列的物质称为晶体。规则不同，晶体结构则不同晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式阵点空间点阵晶格第28页，共44页，2023年，2月20日，星期四29金属学与热处理第二节金属的晶体结构二、晶体结构与空间点阵原子（离子、分子等）在三维空间有规则地周期性重复排列的物质称为晶体。晶胞：晶格中能够放映晶体特征的最小（平行六面体）的几何单元。XYZabc晶格常数：晶胞的菱边a、b、c轴间夹角：晶胞的菱间夹角αβγ第29页，共44页，2023年，2月20日，星期四30金属学与热处理第二节金属的晶体结构三、3种典型的金属晶体结构点阵千千万万晶体空间点阵只有14种类型（布拉菲点阵）7个晶系第30页，共44页，2023年，2月20日，星期四金属学与热处理31晶系晶胞参数关系点阵名称阵点坐标三斜(triclinic)abc90o简单三斜[0,0,0]单斜(monoclinic)abc==90o简单单斜底心单斜[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,0]斜方（正交）(orthorhombic)abc===90o简单斜方体心斜方底心斜方面心斜方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]四方（正方）(tetragonal)a=bc===90o简单四方体心四方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2]立方(cubic)a=b=c===90o简单立方体心立方面心立方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]三方（菱方）(rhombohedral)a=b=c==90o简单三方[0,0,0]六方(hexagonal)a=b=dc

(a=bc)==90o=120o简单六方[0,0,0]布拉菲点阵的结构特征第31页，共44页，2023年，2月20日，星期四32金属学与热处理第二节金属的晶体结构三、3种典型的金属晶体结构点阵千千万万晶体空间点阵只有14种类型（布拉菲点阵）7个晶系三种类型：体心立方、面心立方和密排六方结构-Fe、W、V、Mo-Fe、Cu、Al、Au、Ag等C（石墨）、Mg、Zn等第32页，共44页，2023年，2月20日，星期四33金属学与热处理第二节金属的晶体结构三、3种典型的金属晶体结构点阵1、体心立方bcc晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径r：致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3致密度：0.682（配位数：晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目）第33页，共44页，2023年，2月20日，星期四34金属学与热处理第二节金属的晶体结构三、3种典型的金属晶体结构点阵2、面心立方fccXYZabc密排方向晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：4原子半径r：致密度：0.74第34页，共44页，2023年，2月20日，星期四35金属学与热处理第二节金属的晶体结构三、3种典型的金属晶体结构点阵3、密排六方hcp晶格常数:底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子:6原子半径r：a/2致密度：0.74第35页，共44页，2023年，2月20日，星期四36金属学与热处理第二节金属的晶体结构四、晶体中的原子堆栈方式及间隙最紧密堆积原理：1、晶体中的原则堆栈方式晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。即球体最紧密堆积原理。适用于：典型的离子晶体和金属晶体。第36页，共44页，2023年，2月20日，星期四37金属学与热处理第二节金属的晶体结构四、晶体中的原子堆栈方式及间隙1、晶体中的原原子堆栈方式质点堆积方式：根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方式分为等径球和不等径球两种情况。在平面上每个球与6个球相接触，形成第一层（球心位置标记为A）等径球最紧密堆积：每3个彼此相接触的球体之间形成1个弧线三角形空隙,每个球周围有6个弧线三角形空隙。六个空隙是不同，分两种形式第37页，共44页，2023年，2月20日，星期四38金属学与热处理第二节