《机械制造基础 第2版 教学课件 ppt 作者 朱秀琳 6项目六》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造基础 第2版 教学课件 ppt 作者 朱秀琳 6项目六（101页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目六 铁碳合金,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,掌握金属的结构与结晶基本知识； 掌握铁碳合金的基本组织并能熟练运用铁碳相图； 掌握碳素钢的基本知识； 了解金属的变形和再结晶基本知识； 了解铸铁及其热处理；,学习目标,项目六 铁碳合金,一、任务引入,1）晶体( crystal ) 固态金属、食盐等。 物体内部的原子(或分子)在三维空间中, 按一定规律作周期性排列的固体。 晶体物质所具有的性质: 规则的外形、固定的熔点、各向异性等。 另外金属晶体还具有金属光泽、良好的导电导热性和塑性等。,1、晶体结构的基础知识,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2)非晶体( non-
2、crystal ),物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。例如：普通玻璃、松香等。,机械制造基础机械工业出版社,1）晶格(crystal lattice): 用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。,理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规划排列。是完整的、无缺陷 原子在其平衡位置静止不动,项目六 铁碳合金,二、纯金属的晶体结构,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2）晶胞 :能完全反映晶格特征的最小几何单元。,3）晶格常数:,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2. 晶面与晶向,在晶体
3、中由一系列原子组成的平面，称为晶面,通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,3、金属晶体的类型,1）体心立方晶格（BCC） ( body-center cubic lattice ),晶胞特征参数:,a = b = c , = = = 90,晶胞中的原子数: n=81/8+1=2个,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,属于体心立方晶格的金属有:,钠( Na )、钾( K )、铬( Cr )、 铌( Nb )、钼( Mo )、钨( W )、 钒( V )、钽( Ta )和-铁(-Fe )等 。,BCC:12
4、个滑移系6个滑移面（1.5个原子的平面），每个滑移面有2个滑移方向）,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2）面心立方晶格( face-center cubic lattice ),晶胞特征参数:,a = b = c , = = = 90,晶胞中的原子数: n=81/8+61/2=4个,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,属于面心立方晶格的金属有: 金（Au）、 银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）、镍（Ni）、铂（Pt）、 铅（Pb）和-铁 （-Fe）等。,FCC:12个滑移系每个滑移面有3个滑移方向）,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,3）密排六方晶格( CP
5、Hc/a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice ),机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,*晶胞中的原子数: n=121/6+21/2+3 =6个,*晶胞的特征参数:,a = b = c, = = 90, = 120; 3个滑移系：1个滑移面（六方底面），上有3个滑移方向,属于密排六方晶格的金属有： 镁( Mg )、 锌( Zn )、镉( Cd )、 钛( Ti )和铍( Be ) 等 。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,三、金属的实际晶体结构 1、单晶题与多晶体,单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性 多晶体：由许多位向各不
6、相同的单晶体块组成各自同性,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2、晶体缺陷( crystal defect ) 晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。,点缺陷,线缺陷,面缺陷,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,（1）点缺陷( point defect ),晶格空位( vacancy ) 间隙原子( gap atom ) 置换原子( substitutional atom ),机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2. 线缺陷( line defect ) -位错( dislocation ) 二维尺度很小，另一
7、维尺度很大的原子错排,刃型位错(screw dislocation ),机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,刃型位错示意图,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,螺型位错 ( blade dislocation ),机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,3.面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域,晶界( grain boundary ) 晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-boundary ) 相邻晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,晶界与亚晶界结构示意图,机械制造
8、基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,四、合金的晶体结构,1、基本概念 合金 ( alloy )一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，通过熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质称为合金。 组元 ( 元 ) ( element )组成合金的独立的最基本的物质叫做组元，简称元。 合金系( alloy system )由给定组元按不同的比例配制出的一系列成分不同的合金即构成一个合金系。 相 ( phase )指一个合金系统中的这样一种物质部分，它具有相同的物理和化学性能并与该系统的其余部分以界面分开。即合金中具有同一成分、同一聚集状态，并能以界面相互分开的各个均匀组成部分。,机械制造基础机械工
9、业出版社,项目六 铁碳合金,“组织结构”,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。 组织：用肉眼或显微镜的观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2、合金的相结构 固溶体(solid solution ) 合金在由液态结晶为固态时，组元间互相溶解，形成一种在某一组元晶格中包含有其它组元的新相，这种新相称为固溶体。 晶格与固溶体相同的组元称为固溶体的溶剂，其它组元为溶质。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,固溶体的结构特点：,溶剂A +
10、 溶质B = C bcc fcc bcc,例如: Fe + C（碳）= F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心,铁素体的 晶体结构,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,固溶体的主要类型及形成条件,1）置换固溶体 ( substitution solid solution ) * 形成特征: R溶剂 R溶质,例如: Au - Cu,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,置换固溶体（原子半径相近）的分类：,无限固溶体（晶格类型相同、原子半径相近、周期表中位置相近，就有可能）,有限固溶体,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2）间隙固溶体 ( interstitial so
11、lid solution ),* 形成的特征: R溶质 / R溶剂 0.59 一般溶质元素为非金属元素，而溶剂元素多为过渡族金属元素。 例如: Fe - C,结构示意图,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,固溶体的性能,晶格畸变( distortion of lattice ) 影响某些物理性能（如：耐蚀性）。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,固溶强化( solution strength ) 影响机械性能。,由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性却没有明显降低的现象。,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。,机
12、械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,3、金属化合物 ( intermetallic compound ),（1）金属化合物的结构特点,具有原子整数倍关系,溶剂A + 溶质B = C bcc fcc cph,例如: 3Fe + C = Fe3C 体心 六方 复杂结构,是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物中间相。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,（2）金属化合物的主要性能,具有一定程度的金属性质 具有较高的熔点 硬度较高 脆性大 塑性、韧性差,
13、机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,4、机械混合物,单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物不是一种单一相,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,五、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象,凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变,知识点：,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。LS,结晶 ( crystal ) 晶体物质由液态转变成固态或一种固态转变成另一种固态的过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS 晶态,物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。,1. 纯金属
14、的结晶过程,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,结晶的现象与规律,结晶的一般过程：,微小 晶核,长大,晶体,由近程有序排列 向远程有序排列,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,1.纯金属的冷却曲线与过冷度,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,过冷现象与过冷度,过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) T = T0 T1 过冷是金属结晶的必要条件。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：,式中，负号
15、表示由液态转变为固态自由能降低；Lm为熔化潜热; T = Tm-T, 称为过冷度(Undercooling)。,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2、结晶的一般规律,形核 长大,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,二、结晶的一般规律,形核、长大,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,1)晶核的形成,在一定的过冷度下,当有潜热放出时,晶核就形成。 晶核形成的形式: * 自发形核 T = 200 * 非自发形核 T = 20,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2)晶核的长大方式,平面长大(冷却速度小),树枝状长大 (冷却速度较大),机械制造基础机械工业出版
16、社,项目六 铁碳合金,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,三、金属结晶后的晶粒的大小,过冷度的影响,变质剂的影响,影响晶核的形核率和晶体长大率的因素：,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,细化晶粒的途径,提高冷却速度,晶粒细小,变质处理,机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,降低浇注速度,机械制造基础机械工业出版社,项目六 铁碳合金,2、铁的同素异构（晶）现象,纯铁的冷却曲线,金属的晶格类型并非一成不变。某些金属如铁、钛等，凝固后随温度变化还会发生晶格类型的改变，这种现象称为同素异晶转变。具有可逆性。,机械制造基础机械工业出
