《金属材料与热处理》项目2金属的晶体结构与结晶

主讲人：金属材料与热处理金属材料的基本性能1金属的晶体结构与结晶2铁碳合金相图3钢的热处理4目录contents钢5铸铁6非铁金属及其合金7金属的晶体结构与结晶02金属在结晶时由于浇注、熔化、冷却等条件的差异，可能会获得不同的内部组织，进而导致金属的使用性能和工艺性能发生改变。因此，在工业生产中需要严格控制金属的结晶过程。本项目主要介绍金属的晶体结构与结晶、合金的晶体结构与结晶，以及金属的塑性变形与再结晶。通过本项目的学习，学生应能对二元合金相图进行分析和使用，并能利用塑性变形知识解决实际生产中的问题。项目导读【知识目标】掌握金属的晶体结构及晶体缺陷。掌握金属的结晶过程及晶粒大小对金属力学性能的影响。

掌握合金的晶体结构与结晶。掌握金属材料的塑性变形与再结晶。项目目标【技能目标】能利用金相显微镜观察晶体缺陷。能分析二元合金相图。能利用金属变形规律解决实际生产问题。项目目标能分析金属的结晶过程。【素质目标】养成脚踏实地、认真负责的工作作风。践行服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。培养追求真理、实事求是、勇于探究、积极实践的科学精神。

项目导航认识金属的晶体结构掌握纯金属的结晶掌握合金的晶体结构与结晶掌握金属的塑性变形与再结晶一二三四点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务一：认识金属的晶体结构任务引入半导体材料是指常温下导电性介于导体与绝缘体之间的材料，它的导电性取决于禁带宽度、参与导电的载流子数目及载流子迁移率，而这些因素均受晶体缺陷的影响。因此，可利用晶体缺陷改善半导体的性能。任务引入晶体缺陷不仅会影响金属材料的导电性，还会影响金属材料的强度、塑性、韧性等性能。合理地利用晶体缺陷，将大大改善金属材料的各种性能，这对材料的发展有着重要的意义。那么，如何观察晶体缺陷呢？任务引入知识与技能要求任务内容认识金属的晶体结构学习程度识记理解应用学习任务晶体与非晶体●

金属的晶体结构及类型

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实际晶体结构与晶体缺陷●实训任务用金相显微镜观察晶体缺陷

●自我勉励

一、晶体与非晶体物质由液态变为固态的过程称为结晶。固态物质晶体非晶体根据内部原子排列特征的不同1．晶体一、晶体与非晶体指内部组成（原子、离子或分子）在三维空间中呈规则排列的物质晶体有规则的几何形状和固定的熔点在不同方向上具有不同的性能，因此表现出各向异性为什么晶体与非晶体的性质不同1．晶体一、晶体与非晶体常见的晶体石墨金刚石固态金属2．非晶体一、晶体与非晶体指内部组成（原子、离子或分子）在三维空间中呈无规则排列的物质非晶体没有规则的几何形状和固定的熔点原子的聚集密度大致相同，因此表现出各向同性2．非晶体一、晶体与非晶体常见的非晶体松香普通玻璃沥青2．非晶体一、晶体与非晶体丹尼尔•谢德曼凭借其“在准晶体领域内的发现”而获得了2011年度诺贝尔化学奖。其实，在最初阶段，谢德曼自己也觉得难以置信，而且该发现在当时是极具争议性的。但他用锲而不舍的努力让科学家们开始重新考虑他们对于物质本质的认识。最终，谢德曼验证了自然界中是有准晶体存在的猜想，并因此获得了该项殊荣。这种特殊的物质既不是晶体又不是非晶体，因此称为准晶体。准晶体的结构与晶体的结构相似，呈规则排列，但没有周期性，没有晶格结构。准晶体的发现颠覆了人类200多年来对物质状态的认识。知识链接二、金属的晶体结构及类型晶体内部组成（原子、离子或分子）在不断运动着，为便于理论研究，通常把它们看成是固定在某个位置的刚性小球。因此，可用不同刚性小球紧密堆积的模型来表示晶体结构。在实际研究中，为了更好地描述晶体内部原子排列的几何形状和规律，需要引入晶格和晶胞的概念。晶体二、金属的晶体结构及类型1．晶格将晶体内部的每个原子假想为一个质点，用直线将每个质点连接起来，形成一个空间几何框架。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何框架称为晶格。晶格二、金属的晶体结构及类型2．晶胞

晶胞二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构金属材料中常见的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构1）体心立方晶格

体心立方晶格二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构1）体心立方晶格具有体心立方晶格的金属𝛼−𝐹𝑒钨（𝑊）钼（𝑀o）铬（𝐶r）钒（𝑉）铌（𝑁b）通常具有较高的强度和韧性二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构2）面心立方晶格

面心立方晶格二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构具有面心立方晶格的金属𝛾−𝐹𝑒铝（𝐴𝑙）铜（𝐶u）镍（Ni）金（𝐴u）银（𝐴g）通常具有较高的塑性2）面心立方晶格二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构3）密排立方晶格

密排立方晶格二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构具有密排六方晶格的金属𝛼−𝑇i镁（𝑀g）锌（𝑍n）铍（𝐵e）镉（𝐶d）通常脆性较大、塑性较差3）密排立方晶格晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度表示，它是晶胞中原子所占体积与该晶胞总体积之比。例如，体心立方晶格的致密度为0.68，表示体心立方晶格总体积的68%被原子占据，32%为剩余体积；面心立方晶格的致密度为0.74，密排立方晶格的致密度为0.74。致密度越大，原子排列的紧密程度越大。知识链接二、金属的晶体结构及类型3．常见的金属晶体结构三、实际晶体结构与晶体缺陷1．实际晶体结构1）单晶体原子排列规律相同、晶格位向一致的晶体称为单晶体，如图所示。实际上，天然形成的单晶体很少，自然界中天然形成的单晶体有金刚石和水晶。单晶体三、实际晶体结构与晶体缺陷1．实际晶体结构2）多晶体由排列方式相同但位向不同的多个小晶体组成的晶体称为多晶体，如图2-7（b）所示。实际中，大部分金属属于多晶体，如碳钢、黄铜、铸铁等。相邻晶粒的界面多晶体中外形不规则、呈颗粒状的小晶体多晶体三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷由于结晶或其他加工条件的影响，金属内部原子的排列特征会受到干扰，这种现象称为晶体缺陷。晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷根据几何特征的不同三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷点缺陷是指在三维空间中尺寸很小（不超过几个原子直径）的晶体缺陷。常见的点缺陷有间隙原子、晶格空位和置换原子，如图所示。1）点缺陷点缺陷三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷1）点缺陷间隙原子个别能量较高的原子摆脱晶体的控制，排列在晶格的间隙位置晶格空位晶体中本该由原子占据的位置没有被占据置换原子晶体中的某些原子被替换成其他原子三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷1）点缺陷在点缺陷附近，由于原子的排列特征发生变化，致使周围原子发生靠拢或撑开的现象称为晶格畸变。晶格畸变会使材料的组织结构和性能发生改变，如强度升高、电阻增大、体积变化等。三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷2）线缺陷线缺陷是指在三维空间中呈线状分布的一种晶体缺陷，主要表现为各种类型的位错。晶体中的原子平面发生了规则的错动刃型位错螺型位错位错三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷2）线缺陷刃型位错是最基本的一种位错，它是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。冷塑性变形就是通过增大晶体中的刃型位错，来提高金属强度的。刃型位错三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷2）线缺陷螺型位错是指晶体的某一部分相对于其余部分发生滑动，原子平面沿轴线盘旋上升的现象。螺型位错三、实际晶体结构与晶体缺陷2．晶体缺陷3）面缺陷面缺陷是指在二维空间中呈面状分布的一种晶体缺陷，主要表现为晶界结构和亚晶界结构。多晶体内部存在很多尺寸较小的晶块，这些小晶块称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。晶界结构亚晶界结构课堂小结金属的晶体结构晶体与非晶体晶体非晶体金属的晶体结构与类型晶格晶胞常见的金属晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格实际晶体结构与晶体缺陷实际晶体结构单晶体多晶体晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷课堂检测1.体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格的原子个数分别为多少？2.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？对金属的力学性能有什么影响？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务二：认识金属的晶体结构任务引入生活中的结晶现象无处不在。图中为茶卡盐湖景区内的大型户外盐雕群，它是利用盐结晶的产物制作而成的。盐雕群是茶卡盐湖一道瑰丽的风景线，并创造了“最大户外盐雕艺术群”的世界记录。这些盐雕以盐湖原盐和卤水为原料，经过创新和独特的艺术手法，展现出了迷人的艺术奇观，实现了天然盐晶和雕塑技术的完美结合。金属的结晶与原盐的形成有相同之处吗？任务引入知识与技能要求任务内容掌握纯金属的结晶学习程度识记理解应用学习任务金属的冷却曲线●

金属的结晶过程

●

晶粒大小及其控制●实训任务

●自我勉励

一、金属的冷却曲线金属在达到一定温度时才会进行结晶，通常采用热分析法测定其结晶温度。在金属缓慢冷却的过程中，每隔一段时间测定一次温度，并根据每次测定的温度和时间绘制曲线，该曲线称为冷却曲线。液态金属随着时间的推移，温度逐渐下降，当冷却到某一温度时，温度趋于平缓，此时的结晶温度是金属的理论结晶温度，冷却曲线为理想冷却曲线。理想冷却曲线一、金属的冷却曲线

实际冷却曲线

一、金属的冷却曲线金属的过冷度并不是一个恒定的值，而是与金属的实际冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。不同冷却速度的冷却曲线不同。实际冷却曲线二、金属的结晶过程实验表明，金属的结晶过程是晶体在液体中从无到有（晶核的形成）、从小变大（晶核的长大）的过程。1．晶核的形成

金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核的形成方式自发形核将纯净的液态金属快速冷却，在足够大的过冷度下，液态金属内部的原子自发长出晶核的过程称为自发形核。非自发形核实际液态金属中存在一些杂质，原子依附于液态金属中的各种固态杂质微粒形成晶核的过程称为非自发形核。根据金属结晶条件的不同1．晶核的形成一般情况下，自发形核和非自发形核是同时存在的。在金属材料中，非自发形核处于主导地位。提示二、金属的结晶过程2．晶核的长大晶核形成以后会不断吸收液态金属中的原子而长大，晶核长大的方式主要是树枝状生长方式。当过冷度较大且液态金属中存在未溶化的微粒时，金属晶核会以树枝状生长方式长大。树枝状生长方式二、金属的结晶过程2．晶核的长大树枝状生长方式在晶核生长的初期，晶粒始终保持晶体规则的几何外形。但在其继续生长的过程中，由于晶核的尖角处散热条件优于其他部位，生长速度较快，会形成晶体的主干，称为一次晶轴。在晶轴不断长大的过程中，一次晶轴的棱边又会产生二次晶轴、三次晶轴、四次晶轴……如此不断生长和发展下去，最终形成了树枝状晶体，简称枝晶。三、晶粒大小及其控制1．晶粒大小对力学性能的影响金属结晶后会形成由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒大小不同，对金属力学性能的影响也不同。晶粒越小，金属的强度和硬度越高，塑性和韧性越好，不会由于应力集中而断裂。影响晶粒大小的主要因素因此，在生产实践中，可通过细化晶粒，达到提高金属力学性能的目的。三、晶粒大小及其控制2．晶粒大小的控制金属在结晶时，形核率越大，长大率越小，结晶后的晶粒数目就越多。因此，若要细化晶粒，则必须控制形核率和长大率。生产中为控制晶粒大小，获得细小的晶粒组织，常采用增大过冷度、变质处理、附加振动等方法。金属结晶后的晶粒数目取决于

指单位时间内单位体积液体金属的晶核数

指单位时间内晶核生长的线速度三、晶粒大小及其控制2．晶粒大小的控制1）增大过冷度

三、晶粒大小及其控制2．晶粒大小的控制1）增大过冷度工业生产中常通过降低铸型的温度、降低涂料层的厚度、采用散热较快的金属或水冷铸型等方法增大过冷度。由于过冷度较大会使铸件产生裂纹，因此这些方法仅适用于小件或薄件的铸型。三、晶粒大小及其控制2．晶粒大小的控制2）变质处理变质处理是指在液态金属中加入某些变质剂，从而增加非自发晶核的数量或抑制晶核长大的速度，以达到细化晶粒的目的。

三、晶粒大小及其控制2．晶粒大小的控制2）附加振动在液态金属结晶的时候，采用机械振动、超声波振动或电磁振动等措施，可使枝晶破碎细化。破碎的枝晶可起到新晶核的作用，从而增加了晶核数量，达到细化晶粒的目的。课堂小结纯金属的结晶金属的冷却曲线金属的结晶过程晶核的形成晶核的长大晶粒大小及其控制晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小的控制增大过冷度变质处理附加振动课堂检测1.晶粒大小对金属的力学性能有什么影响？2.生产中为控制晶粒大小，获得细小的晶粒组织，常采用什么方法？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务三：掌握合金的晶体结构与结晶任务引入生活中会用到很多由合金加工而成的物品，如铸铁水龙头、合金门把手、铸铁锅等，如图所示。由于不同物品的性能要求不同，因此其所用材料的成分不同，加工要求也不同。例如，铸造不同的铁碳合金物品时，根据所选材料含碳量的不同，应采用不同的浇注温度、冷却速度等工艺参数，这些工艺参数可通过分析合金相图来确定。那么合金相图是如何应用在合金铸造上的呢？任务引入知识与技能要求任务内容掌握合金的晶体结构与结晶学习程度识记理解应用学习任务合金的基本概念●

合金的晶体结构与结晶

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二元合金相图●二元匀晶相图和二元共晶相图●实训任务绘制Sn-Bi二元合金相图

●自我勉励一、合金的基本概念纯金属具有良好的导电性和导热性，但成本较高，提炼困难，无法满足实际生产对金属材料多品种和高性能的要求。因此，在工业生产中使用最多的金属材料是合金，如黄铜、合金钢、铸铁等。与纯金属相比，合金具有特殊的物理和化学性能，且在力学性能上表现得更突出。1．合金一、合金的基本概念合金是指由两种及两种以上金属元素组成，或者由金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的材料。例如，黄铜是由铜与锌两种元素组合而成的；不同比例的碳和铁分别构成了碳钢和铸铁。2．组元组元是指构成合金的最基本、最独立的物质。合金二元合金三元合金多元合金等根据组元数量的不同组元纯元素稳定的化合物3．相一、合金的基本概念相是指合金中化学成分相同、结构相同并与其他成分以界面分开的均匀组成部分。相合金由成分和结构都相同的晶粒组成，各晶粒虽以界面分开，但属于同一种相合金由成分和结构都不同的晶粒组成，各晶粒属于不同的相在一定条件下，金属或合金的一种相转变为另一种相的过程，称为相变。金属在结晶时由液相转变为固相的过程就是一种相变。4．组织一、合金的基本概念组织是由一种或多种形态、分布都不同的相组成的综合体。头脑风暴：水和冰的化学成分相同，物理性质却不同，这是为什么呢？组织宏观组织或低倍组织用肉眼或放大镜能看到的组织显微组织或高倍组织用金相显微镜能看到的组织组织单相组织由一种相构成的组织多相组织由多种相构成的组织二、合金的晶体结构与结晶合金的相固溶体金属化合物根据合金中各组元间相互作用的不同1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶溶质原子溶于溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金称为固溶体。固溶体固溶体中含量较大的物质称为溶剂，其他含量较小的物质称为溶质。固溶体的晶格与溶剂的晶格相同，溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶1）固溶体的分类固溶体置换固溶体间隙固溶体根据溶质原子在溶剂中所占位置的不同1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶1）固溶体的分类（1）置换固溶体置换固溶体是指溶质原子占据晶格中原子的位置而形成的固溶体。在置换固溶体中，溶质在固溶体中的溶解度取决于两者原子半径的差别及在周期表中的位置。置换固溶体当两原子在元素周期表中的位置接近且半径相差不大时，一般情况下两者可按任意比例混合，所形成的置换固溶体称为无限置换固溶体，如铜和镍；反之，则称为有限置换固溶体，如铜和锌。1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶1）固溶体的分类（2）间隙固溶体间隙固溶体是指溶质原子占据晶格中原子的间隙位置而形成的固溶体。由于固溶体中的间隙位置是有限的，因此间隙固溶体属于有限置换固溶体。从元素性质上看，形成间隙固溶体的溶质元素大多是原子半径很小的元素，如氢、氧、碳等。间隙固溶体1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶2）固溶体的性能溶质原子溶于溶剂晶格后，会引起固溶体晶格畸变。融入的溶质原子越多，畸变现象越严重，位错移动时的阻力越大，合金的强度和硬度提高得越多。这种通过溶入溶质原子，使合金材料力学性能提高的方法称为固溶强化。固溶体晶格畸变1．固溶体二、合金的晶体结构与结晶2）固溶体的性能实践表明，合理控制固溶体中的溶质含量，不仅可提高合金材料的强度和硬度，还可使合金材料保持较好的韧性。港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥，拥有世界上最长的海底沉管隧道。这些世界之最，离不开“中国智造”，离不开新材料的应用。港珠澳大桥中使用了耐候钢，该材料当时是首次在国内跨海大桥工程中使用。耐候钢是在普碳钢中加入了铜、镍等耐腐蚀元素而得到的，其原理即为固溶强化。知识链接2．金属化合物二、合金的晶体结构与结晶合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的物质，称为金属化合物。金属化合物

金属化合物具有不同于任一组元的复杂结构，其熔点高，硬而脆。合金中含有金属化合物时，合金的强度、硬度会提高，而塑性、韧性会变差，这种现象称为弥散强化。三、二元合金相图合金相图又称合金平衡图或合金状态图，它表示在平衡状态下，合金的组成相随温度和成分变化的规律。利用合金相图可了解不同成分的合金在任意温度下的组织状态，其发生结晶和相变的温度，以及不同温度下的相成分和相的相对量。在生产实践中，合金相图是铸造、锻压、焊接、热处理等重要工艺的基础。1．二元合金相图的建立三、二元合金相图由两个组元构成的合金相图称为二元合金相图，该相图可通过热分析法得到。用热分析法测定Cu-Ni二元合金相图的基本步骤如下。1．二元合金相图的建立三、二元合金相图（1）配制若干不同成分的Cu-Ni合金。配置的份数越多，相图越精确。（2）用热分析法分别测出各组合金的冷却曲线。Cu-Ni合金的冷却曲线1．二元合金相图的建立三、二元合金相图（3）确定各冷却曲线的相变点（结晶开始和结晶终了温度）的位置，并将各相变点标记在对应的成分曲线上。（4）用平滑的曲线连接各相变点，即可获得Cu-Ni二元合金相图。其中，纵坐标表示温度，横坐标表示成分。Cu-Ni二元合金相图2．二元合金相图的分析三、二元合金相图Cu-Ni二元合金相图液相线以上的区域为液相区（L）

上面的曲线称为液相线，表示各成分合金在冷却过程中结晶开始的温度。下面的曲线称为固相线，表示各成分合金在冷却过程中结晶终了的温度。1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图合金的两组元在液态和固态下均能无限互溶的相图称为二元匀晶相图，它是最基础的二元合金相图。Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、Fe-Cr、W-Mo等的二元合金相图都属于二元匀晶相图，现以Cu-Ni二元合金相图为例，对二元匀晶相图及结晶过程进行分析。1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图

1）合金的平衡结晶过程Cu-Ni二元合金相图及结晶过程A点为Cu的熔点（1083℃）B点为Ni的熔点（1452℃）1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图

1）合金的平衡结晶过程Cu-Ni二元合金相图及结晶过程A点为Cu的熔点（1083℃）B点为Ni的熔点（1452℃）1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图

1）合金的平衡结晶过程Cu-Ni二元合金相图及结晶过程A点为Cu的熔点（1083℃）B点为Ni的熔点（1452℃）由此可见，液相线和固相线不仅是相区的分界线，也是结晶时两相的成分变化线。1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）枝晶偏析固溶体合金在结晶时，只有缓慢冷却的情况下原子才能充分扩散，固相的成分才会沿着固相线均匀地变化，最终得到成分均匀的固溶体组织。但在实际生产中，由于冷却速度较快，结晶过程中固溶体内部的原子不能充分扩散，因此先结晶的枝晶中含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni），后结晶的枝晶中含有较多的低熔点元素（如Cu-Ni合金中的Cu）。1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）枝晶偏析这种晶粒内成分不均匀的现象称为枝晶偏析（也称晶内偏析）。Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织先结晶的枝干Ni含量大，耐腐蚀，呈白亮色；后结晶的枝间Cu含量大，易浸蚀，呈暗黑色。1．二元匀晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）枝晶偏析枝晶偏析会降低合金的力学性能和工艺性能。在生产中常将合金加热到固相线以下100～200℃并长时间保温，使原子充分扩散，以消除枝晶偏析，达到成分均匀化的目的。这种热处理工艺称为均匀化退火。

经验传承2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图合金的两个组元在液态下能无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶反应的相图称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si和Ag-Cu等的二元合金相图都属于二元共晶相图，现以Pb-Sn合金相图为例，对二元共晶相图及结晶过程进行分析。2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图1）二元共晶相图的分析Pb-Sn二元合金相图A点为Pb的熔点（327℃）B点为Ni的熔点（232℃）

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图1）二元共晶相图的分析Pb-Sn二元合金相图

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图1）二元共晶相图的分析Pb-Sn二元合金相图二元共晶相图中，ACB为液相线，表示合金在该温度以上时将转变为液相；ADCEB为固相线，表示合金在该温度以下时将转变为固相。2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图1）二元共晶相图的分析Pb-Sn二元合金相图

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图1）二元共晶相图的分析Pb-Sn二元合金相图

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程根据成分和结晶过程的不同，Pb-Sn二元合金可分为四种典型合金，其结晶过程如下。（1）非共晶合金——合金ⅠPb-Sn二元合金相图成分在F点和D点之间的合金称为非共晶合金。2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（1）非共晶合金——合金Ⅰ非共晶合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（1）非共晶合金——合金Ⅰ非共晶合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（1）非共晶合金——合金Ⅰ非共晶合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（1）非共晶合金——合金Ⅰ

Pb-Sn二元合金相图非共晶合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（1）非共晶合金——合金Ⅰ

非共晶合金I的显微组织2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（2）共晶合金——合金Ⅱ成分为共晶点C点的合金称为共晶合金。Pb-Sn二元合金相图2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（2）共晶合金——合金Ⅱ

共晶合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（2）共晶合金——合金ⅡPb-Sn二元合金相图共晶合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（2）共晶合金——合金Ⅱ

共晶合金Ⅱ的显微组织2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（3）亚共晶合金——合金Ⅲ成分在C点和D点之间的合金称为亚共晶合金。Pb-Sn二元合金相图2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（3）亚共晶合金——合金Ⅲ

亚共晶合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（3）亚共晶合金——合金ⅢPb-Sn二元合金相图亚共晶合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（3）亚共晶合金——合金Ⅲ

亚共晶合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（3）亚共晶合金——合金ⅢPb-Sn二元合金相图亚共晶合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程

（3）亚共晶合金——合金Ⅲ亚共晶合金Ⅲ的显微组织2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（4）过共晶合金——合金Ⅳ成分在C点和E点之间的合金称为过共晶合金。Pb-Sn二元合金相图2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（4）过共晶合金——合金Ⅳ

过共晶合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图2）典型合金的结晶过程（4）过共晶合金——合金Ⅳ过共晶合金Ⅳ的显微组织

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图3）合金的相组分与组织组分

2．二元共晶相图四、二元匀晶相图和二元共晶相图3）合金的相组分与组织组分在进行金相分析时，主要通过组织组分来表示合金的显微组织。在相组分相同的情况下，由于组成相的形态、大小、数量、分布等不同，因此它们在显微组织中将呈现很大的差别，因此合金的性能也会明显不同。实际情况下，常将合金的组织组分填写于相图中。按组织组分填写的Pb-Sn合金相图3．合金力学性能与相图间的关系四、二元匀晶相图和二元共晶相图相图反映了不同成分的合金在室温时的组成相和组织，组成相的相对量和分布会影响合金的性能。图中为合金的力学性能与相图的关系，即强度和硬度在二元匀晶相图和二元共晶相图中随成分变化的规律。合金的力学性能与相图的关系3．合金力学性能与相图间的关系四、二元匀晶相图和二元共晶相图合金的力学性能与相图的关系当合金形成单相固溶体时，其强度和硬度随成分呈曲线变化，合金性能与组元性质及溶质元素的溶入量有关。当溶质和溶剂一定时，溶质的溶入量越多，固态合金晶格畸变就越大，合金的强度和硬度也就越高。3．合金力学性能与相图间的关系四、二元匀晶相图和二元共晶相图合金的力学性能与相图的关系当合金组织为两相机械混合物时，在共晶点处，若形成细小、均匀的共晶组织，其强度和硬度可达最高值，如图中虚线所示。课堂小结合金的晶体结构与结晶合金的基本概念合金组元相组织合金的晶体结构与结晶固溶体固溶体的分类固溶体的性能金属化合物二元合金相图二元合金相图的建立二元合金相图的分析二元匀晶相图和二元共晶相图二元匀晶相图合金的平衡结晶过程枝晶偏析二元共晶相图二元共晶相图的分析典型合金的结晶过程合金的相组分与组织组分合金力学性能与相图间的关系课堂检测1.在生产中常采用什么热处理工艺以消除枝晶偏析？2.与纯金属相比，合金的结晶有什么特点？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务四：掌握金属的塑性变形与再结晶任务引入高锰钢属于奥氏体钢，是专门作为重工业材料的一种防磨钢材，主要应用在煤炭工业和钢铁工业中。高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生微量的塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，其硬度和强度也随之提高，此时就能作为耐磨钢使用。为什么高锰钢会产生加工硬化？还有哪些金属材料会产生加工硬化呢？任务引入知识与技能要求任务内容掌握金属的塑性变形与再结晶学习程度识记理解应用学习任务晶体的塑性变形●

金属塑性变形的加工方法

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塑性变形对金属组织和性能的影响●塑性变形金属在加热时的变化●实训任务认识塑性变形对金属组织和性能的影响

●自我勉励一、晶体的塑性变形塑性是金属的重要特性。由于塑性的存在，金属在热态和冷态下均可进行轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等压力加工最终获得具有一定形状、尺寸和力学性能的各种制品。金属在压力加工时，会产生一定的塑性变形，不仅尺寸大小会发生变化，而且内部组织结构和性能也会发生变化。因此，研究金属的塑性变形方式及变形后的结构性能，对改进加工工艺、提高产品质量具有重要意义。金属的压力加工（a）轧制（b）挤压（c）拉拔（d）锻造（e）冲压一、晶体的塑性变形在学习金属塑性变形之前，应先从晶体层面了解金属塑性变形的实质。1．单晶体的塑性变形在室温下单晶体的塑性变形方式滑移孪生一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生的滑动。发生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移晶体通过位错发生滑移时，并不是整个滑移面的全部原子同时移动，而是位错附近少数原子移动小于一个原子间距的距离，这时所需要的应力比晶体进行整体刚性滑移时小。一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移晶体在滑移时，其相对位移量是原子间距的整数倍，故滑移后的原子结构也处于平衡位置。晶体在滑移的过程中形成很多小台阶，这些小台阶在显微镜下呈现为一些线纹，称为滑移线；滑移线常成组出现，形成滑移带。（1）滑移带和滑移线滑移线和滑移带一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移晶体在滑移时，一个滑移面和其对应的滑移方向构成一个滑移系。晶体中的滑移系越多，滑移的可能性就越大，塑性也就越好。（2）滑移系一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移（2）滑移系晶格示意图滑移面每个滑移面上的滑移方向滑移系体心立方晶格6212面心立方晶格4312密排六方晶格133金属中三种常见晶格的滑移系一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移（2）滑移系面心立方晶格和体心立方晶格同样都有12个滑移系，但面心立方晶格每个滑移面上的滑移方向有3个，原子排列密切，滑移面之间的距离较大，因此塑性比体心立方晶格的好。例如，Au、Ag、Al等塑性较好的金属都属于面心立方晶格。小贴士一、晶体的塑性变形1．单晶体的塑性变形2）孪生孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分产生的剪切变形。产生变形的晶面和晶向分别称为孪晶面和孪晶向。孪生所需要的切应力比滑移的切应力大。孪生一、晶体的塑性变形2．多晶体的塑性变形大多数金属属于多晶体，它的塑性变形方式与单晶体相同。但多晶体中各个晶粒的形状、大小和位向各不相同，因此塑性变形过程较复杂。多晶体发生塑性变形时，相邻晶粒位向不同，首先是处于有利位向的小部分晶粒产生滑移现象，然后是处于不利位向的大多数晶粒进行塑性变形。一、晶体的塑性变形2．多晶体的塑性变形多晶体的原子排列不规则，阻碍了位错运动，必须增加外力才能使塑性变形继续进行。金属的晶粒越细，晶界越多，变形抗力就越大，金属的强度也越大。因此，在工业生产中，常通过细化晶粒的办法，使材料获得较高的综合力学性能。二、金属塑性变形的加工方法金属塑性变形的加工方法热变形加工加热温度高于再结晶温度时的变形加工锡的再结晶温度为-7℃，因此在室温下的变形加工称为热变形加工冷变形加工加热温度低于再结晶温度时的变形加工铜的再结晶温度为433℃，因此在433℃以下的变形加工称为冷变形加工根据金属的再结晶温度划分二、金属塑性变形的加工方法金属的组织和性能变化是单向的，会产生冷变形纤维组织和加工硬化冷变形加工加工后的金属存在残余应力，塑性较差，通常需要再结晶退火才能继续变形适用于截面尺寸较小、加工精度和表面粗糙度要求较高的金属制品二、金属塑性变形的加工方法金属的组织和性能变化是双向的，因回复和再结晶，塑性变形产生的加工硬化会消除，但金属在变形过程中会产生表面氧化现象热变形加工一般用于截面尺寸大、在室温下加工困难的金属制品二、金属塑性变形的加工方法热变形加工对金属组织和性能的影响主要有以下两方面。（1）铸态金属经热变形加工后，原子的活动性提高，微裂纹等缺陷会被压实，金属的致密度提高，使金属的力学性能得到提高。（2）热变形加工会使铸态金属中形成热变形纤维组织。热变形纤维组织可使金属材料的性能具有明显的各向异性，在生产实践中充分利用这一特性，可提高金属的强度。小贴士三、塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形从外观上改变金属外形的同时，也使金属内部的组织结构和性能发生变化。塑性变形冷塑性变形因冷变形加工而产生的变形热塑性变形因热变形加工而产生的变形在此主要介绍冷塑性变形，以下提及的塑性变形均指冷塑性变形。三、塑性变形对金属组织和性能的影响1．塑性变形对金属组织的影响金属经塑性变形后，内部晶粒的形状会发生变化。一般情况下，晶粒沿着变形方向被拉伸。当变形量增大到一定程度时，晶粒变成细条纤维状。纯铁在不同变形程度下的显微组织不同。（a）未变形（b）变形程度小（c）变形程度中等（d）变形程度大纯铁在不同变形程度下的显微组织三、塑性变形对金属组织和性能的影响2．塑性变形对金属性能的影响金属经塑性变形后，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度提高而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。加工硬化在工程技术中有具有重要的意义。（1）加工硬化可提高金属的强度和硬度，如在生产中常采用冷挤压的方法提高铬镍不锈钢和高锰钢的强度。（2）加工硬化有利于金属变形趋向均匀，因为金属变形部分得到强化后，继续变形主要集中在剩余未变形部分。（3）加工硬化可提高金属在使用过程中的安全性。三、塑性变形对金属组织和性能的影响2．塑性变形对金属性能的影响加工硬化也会对工业生产带来不利影响。例如，金属经加工硬化后，塑性降低，若继续变形则会产生断裂。因此，常采用退火再结晶的方法消除加工硬化。头脑风暴：当没有钳子时，我们想弄断一根细铁丝，该怎么做？如果铁丝较粗，又该怎么做？三、塑性变形对金属组织和性能的影响3．塑性变形使金属产生残余应力残余应力是指外力去除后，仍残留在金属内部的应力，它是一种弹性应力。产生残余应力的主要原因是金属内部变形不均匀。残余应力宏观残余应力（第一类内应力）微观残余应力（