金属工艺学第二章金属的晶体结构

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1、第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学第二章 金属的晶体结构1第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学第二章 金属的晶体结构本章重点：纯金属的晶格类型及晶体缺陷；细化晶粒的措施；合金的晶体结构；二元匀晶相图分析本章难点： 铸锭组织；二元匀晶相图分析2第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学本节重点晶格类型晶体缺陷第一节 纯金属的晶体结构 细化晶粒的措施本节难点铸锭组织3第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学晶体与晶格晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组织第一节 纯金属的晶体结构 主要内容4第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子 。晶胞：代

2、表晶格的原子排列规律的最小几何单位 。一、晶体与晶格1、晶体与晶格5第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学1）体心立方晶格 2、典型的晶格类型：重点内容动画演示6第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学体心立方晶格 a）晶胞形状立方体。b）原子分布结点、中心。c）晶胞 包含2个原子。d）致密度0.68属于这类金属晶格的有： -Fe、Cr、V、W、Mo等。 7第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学2）面心立方晶格 动画演示8第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学面心立方晶格 a）晶胞形状立方体。b）原子分布结点、各面中心。c）晶胞包含4个原子。d）致密度0.74属于这类金属的有：r -Fe

3、、Al、Cu、Ni等。9第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学3）密排六方晶格 动画演示10第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学密排六方晶格 a）晶胞形状六棱柱体。 b）原子分布结点、上下面中心，体中心有三个。 c）晶胞包含6个原子。 d）致密度0.74。属于这类金属的有：Mg、Zn、Ti等。11第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学1、多晶体结构：二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上使用的金属属于多晶体。2、金相组织：组织是指用肉眼或在显微镜下所观察到的 图象。包括晶粒或组成相的形状、尺寸、分 布及相互之间的组合状态。金相组织是在显微镜下所观察到的图象。12第二章 金属的晶体结构金

4、 属 工 艺 学3、晶体缺陷：重点内容 局部原子排列的不完整区域。 二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷根据缺陷的几何形状，分为:点缺陷线缺陷面缺陷13第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学1）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化， 如强度的提高等。晶格空位、间隙原子和置换原子。14第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学2）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。理想晶体刃型位错15第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学位错与力学性能16第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学3）面缺陷：晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度 愈高。

5、主要指晶界和亚晶界晶界 亚晶界17第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、 间隙原子、 置换原子强度、硬度提高， 固溶强化等线缺陷位错加工硬化等面缺陷晶界、亚晶界易腐蚀， 细晶强化18第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学三、金属的结晶与铸锭组织铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒的措施纯金属的结晶过程金属的同素异构转变单晶体与非晶态合金的制取19第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学1、纯金属的结晶过程不断形核晶核不断长大同时进行的基本过程。液态金属形核晶核长大完全结晶20第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学金属的结晶21第二章 金属的

6、晶体结构金 属 工 艺 学2、冷却曲线与过冷度CL T0 Tn S0 T0：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度 T=T0Tn（过冷度）实际上CT0LabS0a：结晶开始点 b：结晶终了点理论上T为什么会出现 水平台阶？22第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学金属冷却曲线的解释：TnT0，液、固态平衡，自由能变化为零，不能自发结晶。 T 时，液态与固态的自由能之差大于零，结晶进行。 T 越大，自由能差越大，结晶推动力越大，晶体生长速 度越大。 原因：自发转变（等温等压下）的方向，能量减少。过冷是金属结晶的必要条件。23第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学3、影响晶核尺寸的因素 重点内容1）

7、晶粒粗细对材料力学性能的影响一般来说，晶粒愈细力学性能越好，即强度和硬度愈高， 同时塑性和韧性愈好。 （细晶强化）晶粒平均直径mm抗拉强度/Pa屈服点/Pa伸长率/%9.7016.5x1074.0x10728.87.0018.0x1073.8x10730.62.5021.1x1074.4x10739.50.2026.3x1075.7x10748.80.1626.4x1076.5x10750.7晶粒大小对纯铁力学性能的影响24第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学 增大过冷度：增加冷却速度； 2）细化晶粒的方法： 变质处理： 振动： 搅拌在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化 粒和改善组织的

8、工艺措施。形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶 粒是粗还是细？25第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学5、铸锭组织中心等轴晶粒区 表层细晶粒区过冷度大 模壁的人工晶核作用柱状晶粒层 模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。26第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学6、金属的同素异构转变概念： 温度变化晶格类型变化。 意义： 利用热处理，改善材料性能。27第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学1538c1394c912c室温-Fe -Fe- Fe体心立方面心立方体心立方28第二章 金属的晶体结构金

9、属 工 艺 学第二节 合金的晶体结构重点： 合金的晶体结构难点： 相的概念29第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学主要内容合金中的相固溶体 金属化合物 30第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属性质的物质。组元：组成合金的基本元素。相： 金属或合金中，凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液相；单一的固相；液相、固相两相共存；相 组织 性能构成决定31第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学二、固溶体组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀的物质，是“固态溶液”

10、。 按溶质原子所处的位置分为：置换固溶体： 间隙固溶体：例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成 的铁素体、奥氏体。32第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加，溶剂晶 格产生畸变，使金属强度、硬度升高的现象。例如：纯铁与钢33第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性能不同于任一组元的物质。例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典 型的金属化合物。三、金属化合物34第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学第三节 二元合金的相图重点： 二元匀晶相图分析枝晶偏析难点： 二元匀晶、共晶相图分析35

11、第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学二元合金相图 二元匀晶相图 二元共晶相图36第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合 金的相图，是学习二元合金相图的基础。二元匀晶相图的建立二元匀晶相图分析一、二元匀晶相图：37第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学 配置各种成分的合金；1. 相图的建立（Cu-Ni合金为例 ）38第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学n 测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点； n 建立坐标系，把临界点分别标注在成分垂线上； n 光滑曲线连接，填写数字、字母和相或组织名称。相图建立的演示39第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学2

12、.二元匀晶相图分析 二点：纯铜、镍的熔点 二线：液相线、固相线 三区：单相的液相区（L）；单相的固溶体区（）； 液相和固相共存的两相区（L）40第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学41第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学合金的结晶过程(以wNi=40的合金为例)高温液态单相固溶体液相线开始结晶出组织，液相的 成分沿液相线变化， 的 成分沿固相线变化。缓慢冷却液相减少 组织增多固相线全部结晶出组织 ，液相消失42第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学危害：晶粒性能不一致，影响合金的力学性能、耐蚀性、加工工艺性。措施：即扩散退火的方法来消除或改善。3.枝晶偏析(晶内偏析):指晶体内部化学

13、成分不均匀的现象。原因：在实际生产中，一般冷却速度较快，晶粒中心部与表层的成分不均匀。43第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学4.杠杆定律：只适用于两相区 用来确定某合金在某温度下液、固两相的百分含量。 QLac=Qcb44第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学二、二元共晶相图（p28) 共晶反应：在恒温下，一定成分的液相同时结晶出 两个新固相(成分一定)的转变过程。 二元共晶相图：凡是在液态下能无限互溶，在固态下有限互溶，发生共晶反应的二元合金 相图。 二元共晶相图形成 二元共晶相图分析 45第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学以A组元为溶剂的固溶体；共晶相图两个匀晶 相图重叠抽象

14、1. 二元共晶相图的形成以B组元为溶剂的固溶体； 46第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学2.二元共晶相图的分析图d： 、结晶时，液相成分液相线变化，当温度降低至E点时，E点的成分同时与M点的相、N点的相平衡，即L，必然三相平衡，且在恒定温度下进行。即：L L ， 直到L消失为止。此时，全为固相，但通常已结晶出的、 相发生溶解度的变化。图a、b的分析与二元匀晶相图一致；47第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学3）相图构成：a）匀晶转变：水平线以上；固溶线：水平线以下；共晶转变：水平线b）单相区：L ， ， 两相区： L + ， L+ , + 三相区： Lc）液相线、固相线d）共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金48第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学铅锡合金的二元共晶相图49第二章 金属的晶体结构金 属 工 艺 学二元共晶相图特点 状态下无限互溶， 状态下有限互溶； 在结晶过程中，共晶温度之上符合匀晶变化规律；共晶点发生共晶反应；共晶温度以下溶解度变化，析出第二种 固态组元；50