“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件第2章第一页，共三十一页。第2章金属材料组织和性能的控制内容提要：本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法。重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结晶过程、铁碳合金的成分-组织-性能关系。重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。简要阐述纯金属的结晶、金属的塑性加工、钢的合金化。一般介绍表面技术。第二页，共三十一页。学习目标：本章是工程材料课程的重点章。着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。表面技术部分作一般了解。第三页，共三十一页。2.1纯金属的结晶2.1.1纯金属的结晶金属材料要经过液态和固态的加工过程。钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。金属浇注、冷却后，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。冶炼注锭第四页，共三十一页。液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称短程有序。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。液态金属结构通常的固态金属属于晶体材料，金属原子规则排列，叫长程有序。固态金属结构金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。简称金属结晶。第五页，共三十一页。一、纯金属结晶的条件纯金属（纯铜）的冷却曲线冷却速度越大,则开始结晶温度越低,过冷度也就越大。●de段正在结晶，恒温结晶。液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持温度不变。纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度),Tn为开始结晶温度。●bc段温度低于理论结晶温度,称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用ΔT表示：ΔT=T0-Tn第六页，共三十一页。自发转变的能量条件：自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。第七页，共三十一页。液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT，使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF。液态金属结晶的动力：ΔF液态金属和固态金属自由能-温度关系曲线交点对应的温度T0即为理论结晶温度。第八页，共三十一页。二、纯金属的结晶过程包括两个基本过程：形核、长大第九页，共三十一页。1.形核液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。(1)自发形核(2)非自发形核老师提示实际金属结晶时，以非自发形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。第十页，共三十一页。2.晶体的长大晶体的长大有两种方式:(1)平面长大冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长大。不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢。晶体获得表面为密排面的规则形状。平面长大的规则形状晶体平面长大第十一页，共三十一页。(2)树枝状长大冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。树枝状长大的树枝状晶体实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。树枝状长大第十二页，共三十一页。2.1.2同素异构转变●许多金属在固态下只有一种晶体结构。如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。●有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。第十三页，共三十一页。纯铁的同素异构转变:●液态纯铁在1538℃结晶为体心立方晶格的δ-Fe。●冷却到1394℃时发生同素异构转变,成为面心立方晶格的γ-Fe。●冷却到912℃时又发生一次同素异...
