本次课内容 1.1金属材料的结构与组织 1.2.3金属材料的理化性能 1.1.2合金的晶体结构★ 物理性能 组元、相、合金、固溶体、 化学性能 金属化合物 113金属材料的组织★ 组织及其影响因素 12金属材料的性能 1.21金属材料的工艺性能 铸造、锻造、焊接性能 切削加工、热处理工艺性能 1.2:2金属材料的机械性能★ 强度、塑性、硬度、韧性 疲劳强度、断裂韧性
本次课内容 1.2 金属材料的性能 1.2.1 金属材料的工艺性能 铸造、锻造、焊接性能 切削加工、热处理工艺性能 1.2.2 金属材料的机械性能 强度、塑性、硬度、韧性 疲劳强度、断裂韧性 1.2.3 金属材料的理化性能 物理性能 化学性能 1.1 金属材料的结构与组织 1.1.2 合金的晶体结构 组元、相、合金、固溶体、 金属化合物 1.1.3 金属材料的组织 组织及其影响因素
Water 1.1.2合金的晶体结构 vapor Water Alcohol 合金(alloy) 一种金 Solution 通过熔 成的具 (b Salt 组元(component)) 组成合 Saturated brine 01 Wate Excess salt Water 二元合金 由两个 (c) (d) (binary component alloy) Figure 10-1 Illustration of phases and solubility:(a)The three forms of water-gas,liquid,and are each a phase.(b)Water and alcohol have unlimited solubility.(c)Salt and water havemitedsoty (d)iland water have vtualyuy. 相(phase) 合金中具有一定化学成分和一定晶体结 构的均匀组成部分。如液相、固相、 相、Y相 固溶体(solid solutions) 2金属化合物(intermetallic compounds)
合金(alloy) 组元(component) 二元合金 (binary component alloy) 相(phase) 一种金属元素同另一种或几种元素， 通过熔化或其它方法结合在一起所形 成的具有金属特性的物质。 组成合金的独立的、最基本的单元。 由两个组元组成的合金。 合金中具有一定化学成分和一定晶体结 构的均匀组成部分。如液相、固相、 相、 相 2 金属化合物(intermetallic compounds) 1 固溶体(solid solutions) 1.1.2 合金的晶体结构 P21
1.1.2合金的晶体结构 1固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均 ● 固溶体 匀的、且结构和组元之一相同的固相。 (solid solutions) 表示为A(B),Cu(Zn) 溶剂 (solvent,host) ● 溶质 (solute,guest) 纯晶体中的 异类原子？ 固溶体分类 纯晶体中的 间隙原子？ H65锌黄铜棒
固溶体 (solid solutions) 溶剂 (solvent, host) 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均 匀的、且结构和组元之一相同的固相。 表示为A（B），Cu（Zn） 与固溶体晶格相同的组元。A 溶质 (solute, guest) 与固溶体晶格不同的组元。B 1 固溶体 1.1.2 合金的晶体结构 P22 按溶质原子在溶剂晶格中的位置 置换~ 间隙~ 按溶质原子在溶剂中的溶解度 有限~ 无限~ 溶质原子在固溶体中分布是否有规律 有序~ 无序~ 固溶体分类 纯晶体中的 异类原子？ 纯晶体中的 间隙原子？ H65锌黄铜棒
Figure 10-7 40.,000 The effects of several alloying elements on the yield strength of copper. Nickel and zinc atoms are about the same size as but beryllium 0 re much 30.000 opper ng both ● erence and ing element Ne solution 20,000 Xe 10,000 0 10 20 30 Percent alloying element
固溶体随着溶质原子的溶入而晶格发生畸变，增大了位 错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而提高 了合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度 和硬度提高的现象叫固溶强化。 固溶强化(solid solution strengthening) 1 固溶体 1.1.2 合金的晶体结构 P22 抗拉强度 硬度 断面收缩率 纯铜 220MPa 40HB 70% 含1%镍的铜固溶体 390MPa 70HB 50%
1.1.2合金的晶体结构 23 ○2金属化合物 金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和 (intermetallic compounds) 特性完全不同于任一组元的新相。 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 熔点高、硬度大、脆性大，使金属的 金属化合物的特点 强度和硬度提高，塑性和韧性下降。 正常价化合物 金属化合物的分类 电子化合物 间隙化合物
金属化合物 (intermetallic compounds) 金属化合物的特点 合金组元相互作用形成的晶格类型和 特性完全不同于任一组元的新相。 金属化合物的分类 熔点高、硬度大、脆性大，使金属的 强度和硬度提高，塑性和韧性下降。 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物 2 金属化合物 1.1.2 合金的晶体结构 P23
1.1.2合金的晶体结构 ○2金属化合物 正常价化合物 由电负性相差较大的两种原子组成的 严格遵守化合价规律的化合物。 特点：离子键结合，硬度高、脆性大， 可用明确的分子式表示，如ZnS √不遵守化合价规律， 电子化合物 √电子浓度一定，晶体结构一定 特点：主要以金属键结合，具有明显 的金属特性，熔点高、硬度高，是许 化合物的价电子数 与原子数之比。 多有色金属的重要强化相，如CuZn, Cu3AI的电子浓度均为3/2(BCC)
2 金属化合物 1.1.2 合金的晶体结构 P23 正常价化合物 由电负性相差较大的两种原子组成的 严格遵守化合价规律的化合物。 特点：离子键结合，硬度高、脆性大， 可用明确的分子式表示，如ZnS 电子化合物 ✓不遵守化合价规律， ✓电子浓度一定，晶体结构一定 特点：主要以金属键结合，具有明显 的金属特性，熔点高、硬度高，是许 多有色金属的重要强化相，如CuZn, Cu3Al的电子浓度均为3/2(BCC) 化合物的价电子数 与原子数之比
Crack Crack Hard VS. Soft Soft Hard Good Poor Good Poor (a) (c) 50 VS. VS. 0 Good Poor Good Poor (b) (d) Figure 11-1 Considerations for effective dispersion strengthening:(a)The precipitate phase should be hard and discontinuous,(b)the dispersed phase particles should be small and numerous,(c)the dispersed phase particles should be round rather than needlelike,and (d)larger amounts of dispersed phase increase strengthening. 弥散强化★ 金属化合物一般作为强化相弥散分布在合 (dispersion strengthening) 金的基体(matrix)上，以提高合金的强度、 硬度等，这种强化方式叫弥散强化
2 金属化合物 1.1.2 合金的晶体结构 P23 间隙化合物 尺寸大的过渡族金属元素原子占据晶格 的结点位置， H、B、C、N等原子半径 较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶 格的间隙中形成的化合物。分为间隙相 和复杂结构的间隙化合物两种。 当非金属元素原子半径与金属元素原 子半径之比大于0.59时，形成具有复 杂结构的间隙化合物。Fe3C 当非金属元素原子半径与金属元素原 子半径之比小于0.59时，形成具有简 单晶格的间隙化合物。VC 金属化合物一般作为强化相弥散分布在合 金的基体(matrix)上，以提高合金的强度、 硬度等，这种强化方式叫弥散强化。 弥散强化 (dispersion strengthening) 间隙相和间隙固溶体区别？ V VC
1.1.3金属材料的组织 24 ● 组织 用肉眼或显微镜观察到的材料的显微 (microstructure) 形貌。由数量、形态、大小及分布方 式不同的相组成。 组织的决定因素 化学成分 2 工艺过程 组织与性能的关系 金属的性能由其内部的组织结构决定。 MMMMMMMMMMMMMmmmmm (aMC0.01%铁素体》 w州C=.2珠光体十二次漆碳体) 500 c尸1.2%的球化体
组织 (microstructure) 组织的决定因素 组织与性能的关系 金属的性能由其内部的组织结构决定。 用肉眼或显微镜观察到的材料的显微 形貌。由数量、形态、大小及分布方 式不同的相组成。 1 化学成分 2 工艺过程 1.1.3 金属材料的组织 P24 w(c)=1.2%的球化体
1.2金属材料的性能 工艺性能 材料在加工成零件或构件的过程中适 应加工的性能 使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能 机械性能(mechanical properties 物理性能(physical properties) 化学性能(chemical properties)
工艺性能 材料在加工成零件或构件的过程中适 应加工的性能 使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能 机械性能(mechanical properties) 物理性能(physical properties) 化学性能(chemical properties) 1.2 金属材料的性能
1.2.1金属材料的工艺性能 治炼 热锻 钢板 焊接 铸造 铸锭 热轧 钢棒 冷拔 钢管 冷轧 零件 铸件 型材 冷冲 热处理 锻件 机加工 铸造性能：材料铸造成形获得优良铸件的能力。流动性、收缩性、偏析 锻造性能：材料用锻压加工方法成形的适应能力。塑性、变形抗力 ● 焊接性能：材料对焊接加工的适应能力。碳质量分数 机加工性能：用刀具寿命和加工后的表面质量表示。适当硬度、足够脆性 热处理性能：钢的热处理性能主要考虑其淬透性等。合金钢好，碳钢差
冶炼 铸造 铸锭 热轧 铸件 钢板 钢棒 钢管 型材 锻件 焊接 冷拔 冷轧 冷冲 机加工 热锻 零件 热处理 铸造性能：材料铸造成形获得优良铸件的能力。流动性、收缩性、偏析 锻造性能：材料用锻压加工方法成形的适应能力。塑性、变形抗力 焊接性能：材料对焊接加工的适应能力。碳质量分数 机加工性能：用刀具寿命和加工后的表面质量表示。适当硬度、足够脆性 热处理性能：钢的热处理性能主要考虑其淬透性等。合金钢好，碳钢差 1.2.1 金属材料的工艺性能
