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1、第第3 3章章 金属材料金属材料 内容提要： 本章重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结本章重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结 晶过程、铁碳合金的成分晶过程、铁碳合金的成分- -组织组织- -性能关系。重性能关系。重 点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。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、钢的合金化。一简要阐述纯金属的结晶、钢的合金化。一 般介绍表面技术。般介绍表面技术。 3.13.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 3.1.1 3.1.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 金属材料要经过液态和固态的加工过程。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、机加工钢材经过冶
2、炼、注锭、锻造、轧制、机加工 和热处理等工艺过程。和热处理等工艺过程。 金属浇注、冷却金属浇注、冷却 后，液态金属转变为后，液态金属转变为 固态金属，获得一定固态金属，获得一定 形状的铸锭或铸件。形状的铸锭或铸件。 冶炼铸锭冶炼铸锭 液态金属中金属原子作不液态金属中金属原子作不 规则运动。在小范围内，原子规则运动。在小范围内，原子 会出现规则排列，称会出现规则排列，称短程有序短程有序。 短程有序的原子集团是不短程有序的原子集团是不 稳定的，瞬时出现瞬时消失。稳定的，瞬时出现瞬时消失。 液态金属结构液态金属结构 通常的固态金属属于晶通常的固态金属属于晶 体材料，金属原子规则排列，体材料，金属原子
3、规则排列， 叫叫长程有序长程有序。 固态金属结构固态金属结构 金属从液态到固体晶态的转变称为金属从液态到固体晶态的转变称为 一次结晶一次结晶。简称。简称金属结晶金属结晶。 一、纯金属结晶的条件 纯金属（纯铜）的冷却曲线纯金属（纯铜）的冷却曲线 冷却速度越大冷却速度越大, , 则开始结则开始结 晶温度越低晶温度越低, , 过冷度也就越大。过冷度也就越大。 dede段段 正在结晶，恒温结正在结晶，恒温结 晶。液态原子无序状态转变为有晶。液态原子无序状态转变为有 序状态时放出结晶潜热，保持温序状态时放出结晶潜热，保持温 度不变。度不变。 纯铜的冷却曲线中纯铜的冷却曲线中T T0 0为纯铜的熔点为纯铜
4、的熔点( (理论结晶温理论结晶温 度度),), T Tn n为开始结晶温度。为开始结晶温度。 bcbc段段 温度低于理论结晶温度温度低于理论结晶温度, , 称为称为过冷过冷现现 象。理论结晶温度象。理论结晶温度T T0 0与开始结晶温度与开始结晶温度T Tn n之差叫做之差叫做过过 冷度冷度，用，用T T 表示：表示：T =TT =T0 0- - T Tn n 自发转变的能量条件：自发转变的能量条件： 自然界的一切自发转变过程，总是由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一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定 状态。状态。 在一定温度条件下，只有引起体系自在一定温
5、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。低的过程才能自发进行。 液态金属结晶条件：液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必液态金属要结晶，温度必 须低于理论结晶温度须低于理论结晶温度T T0 0，要有一定的过冷度，要有一定的过冷度T T ， 使金属在液态和固态之间存在自由能差使金属在液态和固态之间存在自由能差F F 。 液态金属结晶的动力：液态金属结晶的动力：F F 液态金属和固态金属自由能液态金属和固态金属自由能- -温度关系曲线温度关系曲线 交点对应的温交点对应的温 度度T T0 0即为理论即为理论 结晶温度
6、。结晶温度。 1. 1. 形核形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的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。心。生成的核心叫做晶核。 (1) (1) 自发形核自发形核 (2) (2) 非自发形核非自发形核 老师提示老师提示 实际金属结晶时，以实际金属结晶时，以非自发非自发 形核为主。晶形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体核形成、晶体长大时晶体 表面能的增加是金属结晶的阻力。表面能的增加是金属结晶的阻力。 二、纯金属的结晶过程 2. 2. 晶体的长大晶体的长大 晶体的长大有两种方式晶体的长大有两种方式: : (1)(1)平面长大平面长大 冷却速度较慢时，晶体表
7、面向前平行推移长冷却速度较慢时，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。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晶体获得表面为密排面 的规则形状。的规则形状。 平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体 平面长大平面长大 (2)(2)树枝状长大树枝状长大 冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热冷却速度较快时，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，在侧面生出新的晶次晶轴，在一次晶
8、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、四次晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶 轴。轴。 结晶后得到具有树枝结晶后得到具有树枝 状的晶体。状的晶体。 树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体 实际金属结晶时，晶体多实际金属结晶时，晶体多 以树枝状长大方式长大。以树枝状长大方式长大。 树枝状长大树枝状长大 3.1.2 3.1.2 同素异构转变同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构。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，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。均为面心立方晶格。 钨、钼、钒等金属
9、为体心立方晶格。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有些金属在固态下，存在两种或两种以上 的晶格形式。的晶格形式。 如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶 格形式会发生变化。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，称为变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变同素异构转变。 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变: : 液态纯铁在液态纯铁在15381538结结 晶为体心立方晶格的晶为体心立方晶格的- -FeFe。 冷却到冷却到13941394时发时发
10、 生同素异构转变生同素异构转变, , 成为面成为面 心立方晶格的心立方晶格的- -FeFe。 冷却到冷却到912912时又发时又发 生一次同素异构转变生一次同素异构转变, , 成成 为体心立方晶格的为体心立方晶格的- -FeFe。 同素异晶体：同素异晶体：以不同晶体结构存在的同以不同晶体结构存在的同 一种金属的晶体一种金属的晶体。 - -FeFe、- -FeFe、- -FeFe都是纯铁的同素异都是纯铁的同素异 晶体。晶体。 金属从一种固体晶态转变为另一种固体金属从一种固体晶态转变为另一种固体 晶态的过程称为晶态的过程称为二次结晶二次结晶或或重结晶重结晶。 金属的同素异构转变即是二次结晶或重金属
11、的同素异构转变即是二次结晶或重 结晶。结晶。 同素异构转变特点同素异构转变特点 同素异构转变时也有过冷现象，放出同素异构转变时也有过冷现象，放出 潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体 也有形核和长大两个过程。也有形核和长大两个过程。 导致金属体积发生变化，产生较大内导致金属体积发生变化，产生较大内 应力。例如应力。例如- -FeFe转变为转变为- -FeFe时，铁的体积时，铁的体积 会膨胀约会膨胀约1 1。可引起钢淬火时产生应力，。可引起钢淬火时产生应力， 严重时会导致工件变形和开裂。严重时会导致工件变形和开裂。 适当提高冷却速度，可以细化同素适当提高冷
12、却速度，可以细化同素 异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。 Questions 1 为什么冰，水，气 表现出截然不同的性能？ 2 为什么同样成分的钢强度 相差二、三倍 ？ 片状珠光体片状珠光体 500500X X 粒状珠光体粒状珠光体 500500X X 同样的相，当它们的大小、形态等都不同时，就同样的相，当它们的大小、形态等都不同时，就 会出现不同的组织会出现不同的组织, ,具有不同的性能具有不同的性能 同样化学成分的材料在不同物理化学条件下可以同样化学成分的材料在不同物理化学条件下可以 形成不同的组织结构和性能，我们用形成不同的组织结构和性能，我们用
13、“相图相图”来表来表 征其相的状态，用征其相的状态，用“相变相变”表示其相互转化表示其相互转化. . 相图相图: : 系统中系统中平衡状态下平衡状态下相的状态和温度、压力和相的状态和温度、压力和 成份的综合关系的图解。成份的综合关系的图解。 相变相变: :相的状态随外界和内部条件变化而发生的变化相的状态随外界和内部条件变化而发生的变化 如何用科学语言表征相如何用科学语言表征相: : 相图与相变相图与相变 单单 元元 相相 图图 3.23.2 合金的结晶合金的结晶 合金结晶过程复杂合金结晶过程复杂, , 用合金相图来分析。用合金相图来分析。 相图相图 表明合金系中各种合金相的表明合金系中各种合金
14、相的 平衡条件和相与相之间关系的一种平衡条件和相与相之间关系的一种 简明示图，也称为简明示图，也称为平衡图平衡图或或状态图状态图。 平衡平衡 在一定条件下合金系中参与相在一定条件下合金系中参与相 变的各相的成分和质量分数不再变化。变的各相的成分和质量分数不再变化。 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶 过程，可以认为是平衡的结晶过程。过程，可以认为是平衡的结晶过程。 3.2.1二二 元元 相相 图图 的的 试试 验验 测测 量量 在常压下，二元合金的相状态决定于温度在常压下，二元合金的相状态决定于温度 和成分。二元合金相图用温度和成分。二元合金相图用温度成分坐标系的
15、成分坐标系的 平面图来表示。平面图来表示。 铜镍二元合金相图铜镍二元合金相图 图中的每一点表图中的每一点表 示一定成分的合金在示一定成分的合金在 一定温度时的稳定相一定温度时的稳定相 状态。状态。 3.2.2 3.2.2 二元相图的规律二元相图的规律 相律相律 F = K P + 1 F：自由度、自由度、K：组元数、组元数、P：相数相数 相区接触法则相区接触法则: :相邻相区的相数差为相邻相区的相数差为1, 1,即两个单即两个单 相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区 隔开隔开, ,两个两相区必须以单相区或三相水平线两个两相区必须以单相区或三相水平线
16、隔开隔开. . 三相平衡法则三相平衡法则: : 必定为一水平线必定为一水平线, ,有三个表示平有三个表示平 衡浓度的点衡浓度的点, ,两点在水平线的两端两点在水平线的两端, ,每条水平线每条水平线 必定和三个两相区相邻必定和三个两相区相邻. . L L+ L+ + 3.2.33.2.3 二元合金的结晶二元合金的结晶 一、发生匀晶反应的合金的结晶 1.1. 结晶过程结晶过程 匀晶反应：匀晶反应： LL固溶体固溶体 CuCu- -NiNi、FeFe- -CrCr、AuAu- -AgAg合金具有匀晶相图。合金具有匀晶相图。 Cu-Ni相图相图 aaaa1 1c c 线为线为液相线液相线, , 该线以上合金处于液相该线
