《材料科学基础：金属学与热处理》教学课件.pptVIP

材料科学基础：金属学与热处理材料科学是工程技术领域的重要基础学科，而金属学与热处理则是材料科学中的核心内容。本课程将系统介绍金属材料的结构、性能、加工方法及热处理工艺，帮助学生建立材料科学的基本理论框架，培养解决材料工程实际问题的能力。通过本课程的学习，学生将掌握金属晶体结构、相变原理、合金系统及热处理工艺等知识，为后续专业课程和实际工作奠定坚实基础。

课程概述课程目标本课程旨在使学生掌握金属材料的基本理论和热处理工艺，培养分析金属材料结构与性能关系的能力，为将来从事材料研发、生产和质量控制等工作打下基础。学习内容课程内容包括金属晶体结构、纯金属结晶、二元合金相图、铁碳合金、塑性变形与再结晶、扩散与相变原理、钢的热处理基础与工艺、合金钢、铸铁以及有色金属等。考核方式考核包括平时成绩（30%）和期末考试（70%）。平时成绩由出勤率、课堂表现和作业完成情况组成。期末考试主要考查学生对基本概念、原理及其应用的掌握程度。

第一章：金属的晶体结构晶体结构基础金属是由大量金属原子按照一定规律排列而成的晶体。金属原子之间通过金属键结合，形成了金属晶体的基本结构。金属晶体具有周期性、方向性和对称性等基本特征。金属的晶体结构直接决定了金属的物理和力学性能，是理解金属材料行为的基础。空间点阵和晶体点阵空间点阵是描述晶体结构的数学模型，是由无数个点按照一定规律在三维空间中分布而成的。每个点都具有相同的环境，称为格点。晶体点阵是实际晶体中原子排列的真实结构，是由原子按照一定规律排列形成的。空间点阵与晶体点阵的关系可通过基元细胞和晶胞来描述。

金属的常见晶体结构1体心立方结构（BCC）体心立方结构的单元晶胞是立方体，在立方体的八个顶点和体心各有一个原子。每个原子被八个最近邻原子包围，配位数为8。α-Fe（铁素体）、钨、钼、铬等金属具有BCC结构。BCC结构的空间利用率约为68%，具有较好的延展性。2面心立方结构（FCC）面心立方结构的单元晶胞是立方体，在立方体的八个顶点和六个面心各有一个原子。每个原子被十二个最近邻原子包围，配位数为12。铜、铝、镍、γ-Fe（奥氏体）等金属具有FCC结构。FCC结构的空间利用率约为74%，是最为紧密的结构之一。3密排六方结构（HCP）密排六方结构的单元晶胞是正六方柱体，在六方体的顶点、底面中心和柱体内部特定位置有原子。每个原子被十二个最近邻原子包围，配位数为12。镁、锌、钛等金属具有HCP结构。HCP结构的空间利用率约为74%，与FCC结构相同。

晶向和晶面米勒指数米勒指数是表示晶体中晶向和晶面的标准方法，由三个整数组成，通常写为[uvw]（晶向）或(hkl)（晶面）。米勒指数的引入使晶体学的研究更加系统化和标准化。计算米勒指数时，首先确定坐标原点，然后求出晶面截距在三个坐标轴上的倒数，最后将这些数值化为最简整数比。晶向和晶面的表示方法晶向用方向余弦的整数比表示，用方括号[uvw]表示。晶向族用尖括号uvw表示，包括所有等效的晶向。例如，100表示[100]、[010]、[001]、[-100]、[0-10]和[00-1]晶向。晶面用截距倒数的整数比表示，用圆括号(hkl)表示。晶面族用花括号{hkl}表示，包括所有等效的晶面。例如，{100}表示(100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)和(00-1)晶面。

金属的同素异构1什么是同素异构同素异构是指同一种元素在不同条件下（如温度、压力）可以形成不同晶体结构的现象。这种结构变化通常伴随着物理性质的显著变化，在材料加工和热处理中具有重要意义。2α-Fe和γ-Fe的结构差异纯铁在912℃以下为α-Fe（铁素体），具有体心立方（BCC）结构；在912-1394℃之间为γ-Fe（奥氏体），具有面心立方（FCC）结构；在1394-1538℃之间又变为δ-Fe，具有体心立方结构。这些不同的同素异构体具有不同的原子排列和性质。3同素异构对性能的影响不同结构的铁具有不同的性能特点：α-Fe具有铁磁性，硬度较低，塑性较好；γ-Fe为顺磁性，且碳的溶解度较大（最高可达2.11%），这是钢热处理的理论基础；δ-Fe也是顺磁性，但在工程应用中较少涉及。

第二章：纯金属的结晶液态金属的特点液态金属中原子排列无序，具有短程有序性。随着温度降低，原子热运动减弱，为结晶创造了条件。液态金属需要一定程度的过冷才能克服形核能垒，开始结晶过程。形核过程形核是结晶的第一阶段，可分为均匀形核和非均匀形核。在实际冷却过程中，液态金属中的杂质颗粒、容器壁等可作为形核的异质核心，降低形核所需的能量，使非均匀形核成为主要形核方式。长大过程晶核形成后，液态金属中的原子不断向晶核表面扩散并附着，使晶体逐渐长大。晶体的长大方向与冷却条件密切相关，在优先生长方向上生长速度更快，形成树枝状晶体（枝晶）。

结