金属材料的组织结构晶胞

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1、第二章 工程材料结构 金属材料的组织结构,教学内容：金属的结晶过程，结晶规律，纯金属的晶体结构，合金 的组织，铁碳合金平衡状态图。重点、难点：有关金属学的基本概念，铁碳合金平衡状态图及其分析。,教学目的与要求:了解金属结晶过程及其规律。 了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影响。 掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 掌握合金的成分、组织与性能的关系。 能利用铁碳相图定性地分析铁碳合金成分、组织、性能间的关系。 能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过程。,一、金属结晶的有关概念 (一)晶体的概念 晶体：是指原子（离子分子）在三维空间呈有规则的周期性重复排列的物质。特

2、点：各向异性具有规则的外形具有固定的熔点,第一节 金属的结晶,（二）金属结晶时的过冷现象,1、理论结晶温度 2、过冷现象实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。,液态和固态自由能随温度变化的示意图以 及纯金属的冷却曲线,二、金属结晶的过程,金属的结晶过程分为三个方面进行表述：,1.液态固态；,2.原子由液态下的无序状态固态下的有序状态；,3.原子由液态下的高速运动固态下原子的低速运动。,金属结晶过程示意图,1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生；4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核,金属结晶过程,金属结晶过程,(一)形核方式,金属结晶时，由于结晶条件不同，可

3、能出现两种不同的形核方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核。 1. 自发形核 当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。 2. 非自发形核 在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为非自发形核。,(二)过冷度对形核和晶核长大的影响,过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为 在结晶过程中有两个因素同时在起作用： 一是晶体与液体的自由能差（F），是晶核形成和长大的驱动力； 二是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长大的必须条件。 如图24、25所示。,三、晶粒大

4、小的控制,(一)晶粒度对金属性能的影响常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。(二)决定晶粒度的因素晶粒度取决于N/G，其值越大，晶粒越细小。,(三)细化晶粒方法及原理 1. 控制过冷度随着过冷度的增大，形核率比长大速度增加得更为剧烈。 2. 变质处理在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗粒），促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶粒。 3. 搅动振动（机械、超声波）向液体中输入额外能量以提供形核功，促进晶核形成；可使结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。,一、晶格、晶胞、晶体常数 晶体结构：晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶

5、体结构。 晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。,第二节 纯金属的晶体结构,晶体的排列,晶格的截取,晶体和晶格的示意图,晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞，晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即可反映该晶体结构(晶格)的特点。 晶格常数：晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、这六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: 110-10 m710-10 m。晶胞和晶格常数示意图,二、常用金属的晶体结构,(一)体心立方晶格体

6、心立方晶胞原子如何排列 体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。 具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe, 912 )等。大多具有较高的强度和韧性。,体心立方晶胞,晶胞 - 体心立方体,体心立方晶胞特征：,（1）晶格常数 a=b=c, =90（2）晶胞原子数 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。,(二)面心立方晶格面心立方晶胞原子如何排列 金属原子分布

7、在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、- 铁( -Fe, 912 1394 )等。大都具有较高的塑性。,面心立方晶胞,面心立方晶格,面心立方晶胞的特征：,（1）晶格常数 a=b=c，=90 （2）晶胞原子数 (个) 1/8*8+1/2*6=4,(三)密排六方晶格密排六方晶胞原子如何排列 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上，在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。大多具有较大的脆性，塑性

8、差。,密排六方晶胞,密排六方晶格,密排六方晶胞的特征：,（1）晶格常数 （a=bc，=90，= 120 ）用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。（2）晶胞原子数1/6*12+1/2*2+3=6,三、金属的同素异晶转变,同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。,L,一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。,Fe、Sn、Ti、Mn,温度,时间,1538 ,1394 ,912 ,体心,面心,体心,Fe,铁的同素异晶转变,研究同素异晶转变的意义：,1）热处理2）内应

9、力,第三节 合金的组织,返 回,返 回,返 回,返 回,晶格畸变示意图,线缺陷（位错）可视为晶格中一部分晶体相对另一部分的局部滑移而造成的结果,固溶强化概念：晶格畸变导致金属塑性变形阻力增大，从而使其强度和硬度提高，这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化机理： 溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,第四节 铁碳合金及其平衡状态图,补充：金属的同素异晶转变,同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。,L,一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。,Fe、Sn、Ti、Mn,温度

10、,时间,1538 ,1394 ,912 ,体心,面心,体心,Fe,纯铁的冷却曲线,铁的同素异晶转变,研究同素异晶转变的意义：,1）热处理2）内应力,铁碳合金平衡状态图,1、相图（状态图） 2、相图的组成 （1）纵坐标：温度； （2）横坐标：成分； （3）图中的每一条相变线； （4）每一相变线组成的相区。, 表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。,状态图,1538 ,1394 ,912 ,成分,状态图的作用,是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。,二元合金相图的建立,热分析法：1）配制不同成分的合金，2）作出每一成分合金的冷却曲线，找出冷却曲线上的临界点的温度值，3）

11、再将不用成分合金的临界点的温度值标注在坐标系的相应位置上，4）将各种成分线上相同意义的坐标点连接起来，就构成了合金状态图,仅适用于两相平衡相图！,一、铁碳合金中的基本相与基本组织,铁碳合金中的基本相中有: 铁素体（F） 奥氏体(A) 渗碳体(Fe3C),第四节 铁碳合金及其平衡状态图,（一）基本相,（二）基本组织,五种基本组织的关系,C,F,A,Fe3C,P,Ld,Ld,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,1148,1538 ,727,P,L,A,F,铁碳相图中的特性点及意义,912,C,6.69,F,A纯铁的熔点。,DFe3C的熔点。,EC在-Fe中的最大溶

12、解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。,Ld,C共晶点，1148 4.3%C,共晶点发生共晶反应的点。,共晶反应 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。,共晶反应的产物共晶体机械混合物,G 纯铁的同素异晶转变点。 912,P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.02%C,S 共析点。 727 0.77%,共析点 发生共析反应的点。,共析反应在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。,共析反应的产物 共析体 机械混合物,4、铁碳相图中的特性线及意义,AECF线固相线,ACD线液相线,AEA析出终了线 ECF共晶线 1148

13、,AC结晶出A CD结晶出 Fe3C,A,L+,Fe3C,L+,F,+A,A+,A+Ld,Ld + Fe3C,ES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C,GS线 溶解度曲线 AF,GP线 F析出终了线。,PSK线 共析线 727,PQ线 碳在-Fe中的溶解度曲线。,5. 铁碳合金图各相区的组织,（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C,三、典型铁碳合金的组织转变,工业纯铁、钢和生铁的分类、成分及室温组织如表所示,1钢,2生铁,共析钢: 亚共析钢: 过共析钢:,共晶生铁: 亚共晶

14、生铁: 过共晶生铁:,铁 碳 合 金 平 衡 状 态 图,工业纯铁结晶动态示意图,共析钢结晶动态示意图,亚共析钢结晶动态示意图,过共析钢结晶动态示意图,共晶白口铁结晶动态示意图,亚共晶白口铁结晶动态示意图,过共晶白口铁结晶动态示意图,四、铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系,按照铁碳相图, 铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成。随碳含量的增加, F的量逐渐变少, 由100%按直线关系变至0%(碳质量分数为6.69%C时); Fe3C的量则逐渐增多, 由0%按直线关系变至100%。在室温下, 碳含量不同时, 不仅F和Fe3C的质量分数变化, 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。

15、,合金含碳量 组 织小于0.0218% 组织全部为F等于0.77%C 组织全部为P等于4.3%C 组织全部为Ld等于6.69%C 组织全部为Fe3C在上述碳含量之间, 则为相应组织组成物的混合组织。,随碳含量增大, 组织按下列顺序变化：,五、铁碳合金状态图的应用,1. 在钢铁材料选用方面的应用； 2. 在铸造工艺方面的应用； 3. 在热锻、热轧工艺方面的应用； 4. 在热处理工艺方面的应用。,铁碳合金相图的应用,在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢钟。纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,