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1、2 .1 纯金属的晶体结构与结晶,第二章 工程材料的组织结构,2.1.1 金属的晶体结构 晶 体 固定熔点，各向异性 如：金刚石、石墨等 非晶体 无固定熔点，各向同性 如：松香、沥青等, 晶体结构,1 晶体结构的基本概念,晶格,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,2 常见的金属晶体结构,（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp,（1）体心立方晶格 bcc,-Fe、W、V、Mo 等,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,
2、a,致密度：0.68,（2）面心立方晶格 fcc,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,（3）密排六方晶格 hcp,C（石墨）、Mg、Zn 等,晶格常数: 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90,致密度：0.74,2.1.2 实际金属的晶体结构,多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,1 多晶体结构,晶界,2 晶体缺陷类型,（1）点缺陷：晶格空位 间隙原子 （2）线缺陷：位错-刃型位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界,（1）点缺陷,如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂
3、质原子）,空位,间隙原子,空位运动,（2）线缺陷 刃位错,刃位错,刃位错,位错密度,（3）面缺陷,过度区,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变； 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。,亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，原子排列不规则，产生晶格畸变,2.1.1 纯金属的结晶,结晶： 液体 晶体,凝固： 液体 固体（晶体 或 非晶体）,结晶,金属结晶的基本规律 （1）冷却曲线与过冷度 冷却曲线：热分析实验测绘 理论结晶温度 T 过冷度 T,0,冷却曲线,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,T= T0 - Tn,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）,冷却速度越大
4、，则过冷度越大。,（2）结晶的一般过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核和晶核长大的过程,自发晶核: 由液体金属内部原子聚集尺寸超过 临界晶核尺寸后形成的结晶核心。 非自发晶核: 是依附于外来杂质上生成的晶核。 自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中，非自发晶核比自发晶核更重要，起优先和主导作用。,两种长大方式 平面生长 与 树枝状生长。,平面生长,树枝状 生长,2 金属结晶后的晶粒大小,（1）晶粒大小对金属力学性能的影响 （2）晶粒大小的控制 形核率N：单位时间内在单位体积中产生的晶核数；长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。,T越大，形核率N、长大率G越大。,细化晶粒： 1 提高冷
5、却速度； 2 变质处理； 3 附加振动。,2.2 合金的晶体结构与结晶,2.2.1 合金的相结构 合金基本概念 合金 组元 合金系 相 组织 组织和相的关系,合金的相结构 固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体的性能 金属化合物（中间相） 常见金属化合物：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物,弥散强化,2.2.2 合金的结晶,二元合金相图,相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。,铜-镍合金匀晶相图,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,匀晶相图,匀晶合金的结晶过程,a,b,c,d,T,C,t,L,L,
6、L,匀晶转变 L ,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,不平衡结晶-枝晶偏析 成份偏析 可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。,Pb,Sn,Sn%,T,C,铅-锡合金共晶相图,液相线,L,固相线, + ,L + ,L + ,固溶线,固溶线,共晶相图,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反应线 表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点 表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,Ld c + e,共晶反应要点,共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相
7、中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,标注了组织组成物的相图,密度偏析-比重偏析 密度相差较大 只能采用控制成分或在凝固时采取措施，如增加冷却速度或搅拌来消除或减轻，热处理对其不起作用。,2 相图与性能的关系,1）合金的力学性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度 强度、硬度, 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。,2） 合金的工艺性能与相图的关系, 铸造性能 液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。, 锻造、轧制性能 单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀，
8、 不易开裂。,2.3 铁碳合金的结晶,铁碳合金 -钢铁材料,2.3.1 纯铁的同素异晶转变 金属在固态下，随着温度的变化，晶格由一种类型转变为另一种类型的转变过程。 重结晶过程,2.3.2 铁碳合金的基本相 1 铁素体 符号 F 间隙固溶体 体心立方结构 显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。 2 奥氏体 符号 A 间隙固溶体 面心立方结构 显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。,3 渗碳体 符号 Fe C 间隙化合物 显微组织：片状、网状、球状等。 珠光体 高温莱氏体 低温莱氏体,3,2.3.3 铁碳合金相图,1铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图),(1) Fe-Fe3 C相图的组元, Fe
9、 Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。, Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2) Fe-Fe3 C相图的相, Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体） 复杂晶体结构, 液相 L, 相 （高温铁素体 ） Fe（C）固溶体, 相（A ，奥氏体） -Fe（C）固溶体, 相 （F，铁素体） -Fe（C）固溶体,(3) 相图中重要的点和线,液相线ABCD,固相线AHJECF,包晶线 HJB，包晶点 J,共晶线 ECF，共晶点C L4.3(A2.11+Fe3C) 高温莱氏体,Le或Ld,共析线 PSK，共析点S A0.77(F0.02+Fe3C)
10、珠光体, P,ES线：C在A中的固溶线,PQ线：C在F中的固溶线,2铁碳合金的平衡结晶过程,Fe-C 合金分类,工业纯铁 C % 0.0218 %,钢 0.0218 % C % 2.11 %,亚共析钢 0.77 % 共析钢 0.77 % 过共析钢 0.77 %,白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %,亚共晶白口铁 4.3 % 共晶白口铁 4.3 % 过共晶白口铁 4.3 %,几种 常见 碳钢,(1)工业纯铁 ( C % 0.0218 % )结晶过程,(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程,室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500,珠光体 强度较高，塑
11、性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。,(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程,室温组织: F + P，500,(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程,室温组织: P + Fe3CII 400,(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程,室温组织: （低温）莱氏体 Le （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500,莱氏体 Le的性能：硬而脆,()亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程,室温组织: Le+ P + Fe3CII 200,()过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程,室温组织: Le+ Fe3CI 500,标注了组织组成物的相图,3铁碳合金的 成分-组织-性能关系,含碳量与相的相对量关系： C %F %，Fe3C %,含碳量与组织关系： 图（a）和（b）,含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%而,4铁碳相图的应用,钢铁选材：相图性能用途,局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。,铸件选材和确定浇注温度,确定锻造温度,制定热处理工艺,2.4 非金属材料的结构简介,高分子材料的结构 陶瓷的组织结构 晶体相 玻璃相 气 相,The End,
