金属材料组织与性能的控制2
金属材料组织和性能的关系
金属材料组织和性能的关系力学性能是金属材料在承受外来载荷时所表达出来的性能，下面是的一篇探究金属材料组织和性能关系的，欢迎阅读查看。
金属材料一般是指纯金属和具有金属特征的合金材料。
金属材料大致可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要就是指钢铁产品，众所周知这也是目前我国工业化生产过程中最普遍和重要的金属材料。
相比黑色金属，有色金属在我国因其含量较少且加工难度相对而言比较大，使用范围就有所局限，所以它只会用于特殊零件的生产。
金属材料种类众多，性能各异，由此看来，在机械加工的过程中要根据实际需要选择适宜的金属材料和加工工艺，就需要我们尽可能多地掌握金属材料的组织和性能及两者之间的关系。
使用性能，顾名思义就是金属材料在应用过程中所展现出来的性能，主要包含力学性能、物理性能和化学性能，使用性能直接决定了金属材料的应用环境和使用寿命。
1.1金属材料组织与力学性能之间的关系力学性能是金属材料在承受外来载荷时所表达出来的性能。
就拿最常接触的铁碳合金来说它有5种根本组织，分别为铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
铁素体强度和硬度低，塑性和韧性好;奥氏体塑性好，适合压力加工，强度和硬度比较高;渗碳体是铁和碳所组成的金属化合物，硬度高、脆性大;珠光体是铁素体和渗碳体组成的其力学性能介于两者之间;莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的，其硬度高、塑性差。
可见不同的材料组织在性能上会有明显差异，碳含量低，它的强度和硬度就低，可是其塑性和韧性却相反。
随着碳含量的增加，材料组织中珠光体的量变多，也就使得钢的强度和硬度增加，当然塑性和韧性就会有所降低。
总的来说，不管是通过上述方法还是采用冷拉拔或热处理等方法改变金属材料的组织，都会使得原材料展现出与之前完全不同的性能。
1.2金属材料组织与物理性能之间的关系不同的金属材料是有其使用范围的，它会在不同的条件下表现出不同的物理性能，比方钢在1538。
C时会由固体状态向液体状态转变。
导热性是金属材料重要的物理性能，金属材料导热性比非金属好，金属中导热性最好的莫过于银，但在实际生产中我们会选择性价比更高的铜或铝来做原材料。
工程材料第二版习题解答
第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。
塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。
疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。
σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。
bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。
sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。
HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。
（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。
5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。
（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。
利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。
（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。
2 共价键和分子键，共价键，分子键。
3 强。
4 强。
（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。
金属材料的微观组织与性能演变分析
金属材料的微观组织与性能演变分析金属材料是现代工业中使用最广泛的一类材料之一，其应用范围广泛，涉及到机械、电子、航空、交通、建筑等多个领域。
金属材料的性能是取决于其微观组织的，因此，对于金属材料的微观组织与性能演变的分析至关重要。
一、金属材料的微观组织金属材料的微观组织包括晶体结构、晶粒大小、晶粒形状、晶界及缺陷等。
其中，晶体结构是金属材料微观组织的最基本组成部分。
晶体结构的类型有多种，包括体心立方结构、面心立方结构和简单立方结构等。
这些结构的不同会对金属材料的性能产生影响。
晶粒大小是指金属材料中晶粒的尺寸大小。
晶粒的大小会影响金属材料的塑性和韧性。
一般来说，晶粒大小越小，金属材料的韧性会越好。
晶粒形状也会对金属材料的性能产生影响。
例如，方形晶粒的金属材料在某些方面具有更好的韧性和延展性。
晶界是晶体之间的边界。
晶界的存在会对金属材料的性能产生影响。
如果晶界包含太多的缺陷，金属材料的塑性和韧性就会降低。
另一方面，晶界也可以增加金属材料的硬度和强度。
缺陷是指金属材料中的缺陷和错误，例如裂缝、夹杂和脆断等。
这些缺陷会影响金属材料的塑性和韧性，并降低其强度和硬度。
二、金属材料的性能演变金属材料的性能演变是指在使用过程中，由于外部应力和环境变化，金属材料的微观组织和性能发生变化的过程。
性能演变的过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素。
塑性变形是金属材料在外部力作用下的一种变形方式。
在工程应用中，金属材料的塑性变形是一种非常重要的变形方式。
塑性变形过程中，金属材料的晶粒会发生滑移和屈曲。
这些变化会导致晶界的移动和位错的形成，并影响晶界的性质。
疲劳变形是金属材料在反复加载下的变形过程。
在疲劳变形过程中，金属材料的组织会发生微观级别的变化，从而导致金属材料的性能发生变化。
一般来说，疲劳变形会导致金属材料的硬度和强度降低，同时增加塑性和韧性。
蠕变是金属材料在长时间高温和高应力下的变形过程。
在蠕变过程中，金属材料的微观组织会发生相当大的变化，最终导致金属材料形状的失真和破坏。
热处理工艺对于金属材料组织与性能的影响
热处理工艺对于金属材料组织与性能的影响随着工业发展的步伐，金属材料作为工业生产的基础材料，在各个领域中发挥着不可替代的作用。
而热处理工艺作为提高材料性能的一种重要方法，也越来越受到人们的关注。
本文将对于热处理工艺对于金属材料组织与性能的影响进行探讨。
一、热处理工艺对于金属材料组织的影响热处理工艺可以通过控制温度和时间的方式，使金属材料在高温状态下经历一系列相变和组织变化，从而改变其原有的组织结构。
具体而言，热处理工艺对于金属材料组织的影响主要表现在以下几个方面。
1. 晶粒尺寸的变化晶粒尺寸是金属材料组织结构中的重要参数，它可以直接影响到材料的物理和力学性质。
热处理工艺可以通过晶界的特性改变晶体尺寸，从而控制晶粒的尺寸。
例如，高温下快速冷却可以促进晶粒的细化，而长时间保温则有利于晶粒的长大。
2. 组织结构的变化金属材料的组织结构除了晶粒尺寸外，还包括晶界分布、相的含量和分布等多个方面。
热处理工艺可以通过控制温度和时间的方式，使材料经历相应的相变和组织变化，从而得到不同的组织结构。
例如，热处理可以促进晶界的清晰化，在不同的温度下调节相的比例，从而得到具有不同性质的材料。
3. 残余应力的消除在金属加工过程中，会产生大量的残余应力，这些应力会对材料的物理和力学性质产生影响。
热处理工艺可以通过改变材料的组织结构，促进残余应力的释放和消除，从而提高材料的性能和寿命。
二、热处理工艺对于金属材料性能的影响热处理工艺可以通过改变材料的组织结构，从而影响材料的物理和力学性质。
具体而言，热处理工艺对于金属材料性能的影响主要表现在以下几个方面。
1. 强度和硬度热处理可以使金属材料得到更为细致和均匀的组织结构，从而提高其硬度和强度。
例如，通过快速冷却可以促进晶粒细化，增强材料的塑性和韧性，同时也可以提高材料的屈服强度和硬度。
2. 韧性和延展性金属材料的韧性和延展性与其晶界分布和相的含量有很大关系，热处理可以通过调节晶界的特性和改变相的比例，从而提高材料的韧性和延展性。
第3次课 2-1金属材料组织与结构2-2高分子材料的结构与性能
2．实际金属的晶体缺陷
由于结晶条件、压力加下、原子热运动等原因，在实际晶体巾还存在着大量的缺陷。这些缺陷对金属的性能将发生显著的影响。我们把实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。晶体缺陷按其几何形态可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。
高分子材料有许多金属材料所不具备的优点，近几十年来，高分子材料不仅在品种上，而且在数量上都有突飞猛进的发展。现在，高分子材料不但在人们日常生活、国民经济各行业中得到广泛应用，而且在人造血管、人造皮肤及大容量、高速度信息传播等高新技术领域也正发挥着越来越大的作用。
和金属材料一样，要想学习高分子材料的性能，我们首先必须了解它们的内部结构。
课题序号
.3.
授课日期
2010年月日
授课班级
Z0924
授课形式
讲授
授课时数
2
授课章节
名称
-2-1金属材料组织与结构2-2高分子材料的结构与性能-
教学目标
1、了解金属材料的组织结构与作用；
2、了解高分子材料组织与性能；
教学重点
金属材料的组织结构与作用
教学难点
高分子材料的组织
教具学具
挂图三张
课后作业
P47 1、2、3、4、10、13
（2）形态
大分子链呈现不同的几何形状。主要有线型、支化型和体型三类，
（3）空间构型
大分子链空间构型是指大分子链原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。
2．大分子链的构象及柔性
聚合物大分子链也在不停地运动，这种运动是由单键内旋转引起的。这种由于单键内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。
金属材料组织和性能的控制
熔化前不分解; 也不发生其它化学反应
如:MgSi合金能形成稳定化合物Mg2Si MgSi合金相图属于含有稳定化合物的相图
把稳定化合物看成独
立的组元; 相图分成几
个简单相图
MgSi相图可分为
MgMg2Si和Mg2SiSi 两个相图分析
含有稳定化合物的相图
2 2 2 合金的性能与相图的关系
合金的性能取决于它的成分和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温 时的平衡组织 因此; 具有平衡组织的合金的性能与相 图之间存在着一定的对应关系
图中的每一点表示 一定成分的合金在一 定温度时的稳定相状 态
铜镍二元合金相图
2 2 1 二元合金的结晶
一 发生匀晶反应的合金的结晶
1 结晶过程
匀晶反应： L→α固溶体
CuNi FeCr AuAg合金具有匀晶相图
●单相区
La相a1：c 液线相为;液C相u和线N; 该i形
成线的以液上溶合体金;处于液相;
几种碳钢的钢号和碳质量分数
类型 钢号 碳质量分数 /%
亚共析钢
20
45
60
0 20 0 45 0 60
共析钢 T8 0 80
过共析钢 T10 T12 1 00 1 20
2 FeFe3C相图中重要的线
●水平线HNB :包晶反应线 发生●水包平晶线反E应CF :共晶反应线 发 生●共水晶平反线应PSK :共析反应线 发生共析反应 亦称A1线
●GS线 A中开始析出F临界温度线; 称A3线 ●ES线 碳在A中的固溶线;叫Acm线 从A中析出 Fe●3PCQ;叫线二次是渗碳碳在体F中Fe固3C溶II线亦是是AF中中开开始始析析出出FFee33CCIIIII的
在两相区;温度一定时; 两相的质量符合杠杆
工程材料2.1纯金属的结晶(清华出版社-朱张校编)
绝大多数纯金属 (如铜,铝,银 如铜, 等)的冷却曲线 纯铜的冷却曲线
t
液体金属在结晶时的温度-时间曲线——冷却曲线 液体金属在结晶时的温度-时间曲线 温度 曲线 冷却曲线
5
(1) ab—液态逐渐冷却 ) (2) bc—温度低于理论结晶温度 )
过冷现象
过冷度
T = T0 Tn
t
(3)cd—正在结晶 )
固态相变 形核和长大 过冷度较大
钛,锡,钴,锰等金属也存在 同素异构转变. 同素异构转变.
17
第一节
纯金属的结晶
一,纯金属的结晶 二,同素异构转变 三,细化铸态金属晶粒的措施 四,铸锭的结构 五,单晶的制取
18
三,细化铸态金属晶粒的措施
1,晶粒度 ,
晶粒度表示晶粒的 晶粒度表示晶粒的 大小, 大小,可用晶粒的平 均面积或平均直径来 表示. 表示. 晶粒度号越大晶粒 晶粒度号越大晶粒 越大 越细
28
第二节 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2.2.2 合金的性能与相图的关系 2.2.3 铁碳合金的结晶 铁碳合金相图课堂讨论
29
温度, 纯金属:冷却曲线,状态(相)—温度,时间 温度 合金:相图,状态( 温度, 合金:相图,状态(相)—温度,成分 温度 相图(状态图, 相图(状态图,平衡 图):表示合金系中合 金的状态与温度,成分 金的状态与温度, 温度 间的关系的图解. 间的关系的图解. 图中的每一点表示一 定成分的合金在一定 温度时的稳定相状态
7
为什么金属结晶时一定要有过冷度(存在过冷现象)? 为什么金属结晶时一定要有过冷度(存在过冷现象) 热力学第二定律表明,在等温等压的条件下, 热力学第二定律表明,在等温等压的条件下,物质系统 是自发地从自由能高的状态向自由能较低的状态转变. 是自发地从自由能高的状态向自由能较低的状态转变. 相的自由能随温度的升高而降低 dG=dG=-SdT+VdP 结晶为等压过程, 结晶为等压过程,即dP=0
第二章 4.5.6.7金属的结构和结晶
包晶转变： 铂-银合金包晶相图
Ld + c e
T,C
T,C
L
f
Pt
L+
e
L
d L+
c
L+ L+
+
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
1）相图分析 单相区：L, ,β
L L+ L+ +
二相区：L+, L+, +
三相区：L++ （水平
线PDC）
(+ )
冷却曲线 t
X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金） T,C
T,C L L+(+ )+
183
L+
c
L
d
1
L+
e
2
L+
(+ )+
+
Pb X3
(+ )+ + Ⅱ
Sn
t
标注了组织组成物的相图
2.5包晶相图
两组元液态无限互溶，固态有限互溶，并发生包晶 转变；这样的合金系相图称为包晶相图。
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
共晶点 表示d点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。
+ Ld c
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1、铸锭结构
铸锭(件)的宏观组织通常 由三个区组成:
⑴ 细晶等轴区：浇注时，由 于冷模壁产生很大的过冷度及非 均匀形核作用，使表面形成一层 很细的等轴晶粒区。
⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模 壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向 生长而形成柱状晶区。
以液体中存在的固态杂质 为核心形核称非自发形核。
非自发形核比自发形核更 重要。
(2)、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。
均匀长大
树枝状长大
二、同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。同素异构转变属于
纯铁的同素异构转变
相变之一—固态相变。
度 叫长大速度(G)。 N/G比值越大，晶粒越细小. 因此，凡是促进形核、抑制
3、细化铸态金属晶粒的措施
⑴ 增大过冷度： 随过冷 度增加，N/G值增加，晶粒 变细。 ⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非 均匀形核物质叫变质剂（或 称孕育剂）。
⑶粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速 度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部 冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀 形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
2、铸锭晶粒形状的影响因素
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形 成
的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长
行。
液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象称 过冷。 理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度
T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度 有关，冷速越大，过冷度 越大。
2. 纯金属的结晶过程
(1)、晶核的形成
形核有两种方式，即自发 形核和非自发形核。
由液体中排列规则的原子 团形成晶核称自发形核。
非晶态材料的特殊结构导致其具有优异的物理和化学性能。例如 很高的室温强度、硬度和刚度，良好的韧性、耐蚀性。有些成分 的非晶合金（Fe基）具有高导磁性、高磁感、低矫顽力等特性。
2. 微晶合金
晶粒尺寸在μm级的合金成为微晶合金。微晶材料也具有高强度、
硬度和刚度，良好的韧性、耐蚀性等。
3. 纳米级超细微晶
⑶ 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或 搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的 枝晶破碎，使晶核数目显 著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
四、单晶的制取
单晶是电子元件和激光 元件的重要材料。制备 单晶的基本要求是液体 结晶时只存在一个晶核， 要严格防止另外形核。
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次
晶体结构变化，其变化为：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立 方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
三、铸锭结构及其控制
在实际生产中，液态金属被 浇注到锭模中便得到铸锭，而 注入到铸型模具中成型则得到 铸件。 铸锭(件)的组织及其存在的 缺陷对其加工和使用性能有着 直接的影响。
五、快速凝固技术与应用
快速凝固技术是使液态金属以极大的冷速进行冷 却，获得的组织结构和性能都与模铸的同成份合金 有很大变化的金属的技术。方法主要分为三大类， 即模冷技术、雾化技术和表面快熔急冷技术。
单辊法快速凝固
雾化法快速凝固
快速凝固技术可以制造非晶态合金、微晶合金、准晶 合金和纳米超细微晶等材料。 1. 非晶态合金
是指几个原子到几百个原子大小的结晶集团。主要特点是1) 晶界 比例大。2）晶界状态处于大块晶体和纳米微晶之间。
小结
纯金属的结晶条件 结晶过程 同素异构转变 铸锭宏观组织 细化铸态金属晶粒的措施
第二章 金属材料组织与性能的控制
物质由液态转变为固 态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶 态的过ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ称为结晶。
物质由一个相转变为 另一个相的过程称为 相变。因而结晶过程 是相变过程。
玻璃制品 水晶
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的结晶 1. 纯金属结晶的条件 纯金属都有一个理论 结晶温度T0(熔点或平衡 结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡 状态。 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进