《金属材料工程》课件.pptVIP

金属材料工程导论金属材料工程是现代工业发展的基石，其重要性不言而喻。本课程旨在帮助学生掌握金属材料的基础理论、性能特点及工程应用，培养学生分析和解决金属材料工程问题的能力。金属材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域扮演着不可替代的角色。随着材料科学的不断发展，从早期的经验探索到现代的精确设计，金属材料的研究已形成了一套完整的理论体系和应用技术。

金属材料的基本概念金属的原子结构金属原子的外层电子易于失去，形成带正电的金属离子和自由电子。这些自由电子在金属晶格中自由移动，形成电子气，是金属导电性和热导率高的根本原因。晶体结构特征金属通常以晶体形式存在，其原子按照特定的几何排列方式有序排列。金属晶体具有周期性、方向性和对称性的特点，这决定了金属的各向异性和各种物理性能。金属键的形成机制

金属晶体结构简单立方结构原子位于立方体的八个顶点，配位数为6，空间利用率较低，仅为52%。在纯金属中很少见，但在某些合金中可以观察到。体心立方结构(BCC)原子位于立方体的八个顶点和体心位置，配位数为8，空间利用率为68%。典型金属包括铁(α相)、钨、钼、铬等。面心立方结构(FCC)原子位于立方体的八个顶点和六个面心位置，配位数为12，空间利用率高达74%。铜、铝、镍、铅和γ-Fe都属于这种结构。六方密堆积结构(HCP)由两个交错的六方层组成，配位数为12，空间利用率也为74%。镁、钛、锌和锆等金属采用这种结构。

晶体缺陷分析点缺陷点缺陷是零维的晶体缺陷，主要包括：空位：晶格点上缺少原子间隙原子：原子占据了晶格间隙位置替代原子：其他元素原子替代了主元素原子点缺陷对金属的扩散、电导率、热导率和辐照损伤等性能有显著影响。线缺陷（位错）位错是一维的晶体缺陷，主要类型有：刃型位错：晶体内的多余半晶面螺型位错：滑移面被剪切形成的螺旋台阶混合位错：同时具有刃型和螺型特征位错是金属塑性变形的微观机制，也影响金属的强度和硬度。面缺陷和体缺陷面缺陷是二维的晶体缺陷，包括：晶界：两个取向不同晶粒的分界面孪晶界：晶体取向发生镜面对称的界面层错：密排面堆垛顺序的局部变化体缺陷是三维缺陷，如微孔洞、夹杂物和第二相粒子等，严重影响材料的力学性能。

金属的塑性变形位错形成在外力作用下，金属晶体内产生剪切应力，当应力达到临界值时，晶体中开始形成位错，这是塑性变形的起始点。位错运动位错沿着特定晶面（滑移面）和方向（滑移方向）移动，形成滑移带。位错每移动一步，就使晶体发生一个原子间距的永久变形。滑移系统激活金属的滑移系统通常是密排面和密排方向的组合。FCC金属有12个滑移系统，BCC有48个，HCP仅有3个，这解释了不同晶体结构金属塑性的差异。宏观变形随着位错运动的累积，金属发生宏观塑性变形。同时，位错密度增加，位错之间相互交互，形成位错纠结，导致加工硬化现象。

金属的强化机制相变强化利用相变产生强化相提高强度细晶强化减小晶粒尺寸，增加晶界面积位错强化提高位错密度，阻碍位错运动固溶强化引入溶质原子，产生晶格畸变固溶强化是通过向基体金属中添加溶质原子，产生晶格畸变，阻碍位错运动而实现的。溶质原子与基体原子的尺寸差异越大，强化效果越明显。位错强化主要通过冷加工增加材料中位错密度，位错之间相互纠缠，阻碍位错运动，从而提高材料强度。细晶强化则基于Hall-Petch关系，即材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比。相变强化是利用热处理或合金化促使材料中析出第二相粒子，这些粒子有效阻碍位错运动，是最有效的强化机制之一，如铝合金的时效强化。

金属的热处理基础加热过程通过控制加热速率、保温温度和时间，使金属内部组织发生期望的变化。在加热阶段，原子获得足够的热能，促进相变、再结晶或析出等过程。加热温度的选择取决于金属的成分和所需的组织变化。保温阶段在目标温度下保持一定时间，确保组织转变充分完成。保温时间的长短取决于工件尺寸、合金成分和所需组织变化的程度。保温不足会导致组织不均匀，而过长保温可能导致晶粒过度生长。冷却过程通过控制冷却速率，实现所需的微观组织。冷却介质包括空气、油、水或盐浴等，不同的冷却速率会产生不同的组织，进而影响材料的性能。快速冷却可以得到马氏体组织，而缓慢冷却则有利于平衡相的形成。

退火过程回复阶段在较低温度下，位错重排和部分消除，内应力减小，但晶粒形状和尺寸基本不变。此阶段原子活动度较低，主要发生点缺陷消除和位错重排，物理性能部分恢复。再结晶阶段随着温度升高，在变形区域形成新的应变自由晶核，并逐渐长大吞并周围变形组织。再结晶温度通常在金属熔点的0.4倍左右。这一阶段形成新的等轴晶粒，硬度显著下降，塑性恢复。晶粒生长阶段在更高温度或更长时间下，小晶粒被大晶粒吞并，平均晶粒尺寸增大。晶粒生长遵循能量最小化原则，曲率大的晶界向曲率中心移动。过度晶粒生长会导致机械性能下降。

淬火处理奥氏