教学课题： 第2章 工程材料的组织结构,1.纯金属的晶体结构与结晶 ■ 常见金属晶体结构 ■ 实际金属晶体结构 ■ 纯金属的结晶 2.合金的晶体结构与结晶 ■ 合金的相结构 ■ 合金相图的建立 ■ 铁碳合金相图,,,,,,本章重点内容,学习目的,,通过本章的学习，了解常用材料的组织结构，理解和掌握铁碳合金相图的内容与应用1.金属的结晶条件、规律及控制 2.铁碳合金的基本组织 3.铁碳合金相图的内容、意义与应用,2.1.1 金属的晶体结构,晶体,材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体如金刚石、水晶、氯化钠、金属等非晶体,材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体如松香、玻璃等2.1.1 金属的晶体结构,晶体结构,晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式晶格,假设通过原子（离子）结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架晶胞,能反映晶格特征的最小组成单元 晶格常数,晶胞的三个棱边的长度a,b,c 及三条棱边夹角α,β,γ一、常见金属晶体结构,体心立方晶格,常见的BCC金属有：钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、铬、铌、α-Fe等晶胞原子数—是指在一个晶胞中所含的原子数目。
为1/8×8+1=2个；原子半径—BCC为：r=√3/4a；致密度—BCC为4/3πr3×2=0.68；配位数—是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目BCC为8个；空隙半径—BCC有两种空隙半径，四面体空隙半径0.29r，八面体空隙半径0.15r 一、常见金属晶体结构,面心立方晶格,常见的面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等晶胞原子数—FCC为4个原子半径—FCC为√2/4a；致密度—FCC为74％ ；配位数—12个 ；空隙半径—四面体空隙半径0.225r；八面体空隙半径0.414r 一、常见金属晶体结构,密排六方晶格,常见的密排六方晶格金属有：镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等晶胞原子数—HCP为6个原子半径—HCP为1/2a；致密度—HCP为74％；配位数—12个；空隙半径—四面体空隙半径0.225r ，八面体空隙半径0.414r二、实际金属晶体结构,多晶体结构,二、实际金属晶体结构,实际金属晶体中的缺陷,① 空位,② 间隙原子,① 刃型位错,1.点缺陷 三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷 ①空位；②间隙原子,2.线缺陷 二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。
①刃型位错；②螺型位错,3.面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 ①晶界；②亚晶界,二、实际金属晶体结构,实际金属晶体中的缺陷对材料性能的影响,1.点缺陷 造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加, 密度发生变化2.线缺陷 形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高3.面缺陷 晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力越大，塑性越好2.1.2 纯金属的结晶,凝固,液态L→固态S S可以是非晶体结晶,一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态(晶态)的转变过程 一次结晶：L→S晶态 二次结晶：S→S晶态,一、纯金属冷却曲线分析,,过冷：纯金属实际结晶温度总是低于理论结晶温度，为什么？,冷却速度越快，过冷度越大冷却曲线上出现平台，为什么？,出现“平台”是由于纯金属结晶时会放出“结晶潜热”，抵消外界对它的冷却作用当结晶结束后，没有“结晶潜热”放出，纯金属将会以原来的冷却速度继续冷却下来只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开始进行—过冷是金属结晶的必要条件过冷度ΔT = T0－T1,二、纯金属结晶过程,,三、晶粒尺寸的控制,,晶粒大小如何衡量？ 为什么要对晶粒尺寸进行控制？ 影响晶粒尺寸的因素有哪些？ 如何控制晶粒的尺寸？,三、晶粒尺寸的控制,,晶粒度,单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)。
晶粒大小对材料性能的影响（细晶强化）,晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好影响晶粒度的因素,过冷度ΔT提高，N提高、G提高 过冷ΔT太高，N降低、G降低,三、晶粒尺寸的控制,,晶粒大小的控制,②变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织①提高过冷度,③附加振动、搅拌等2.2.1 合金的相结构,,,基本概念 合金的相结构 相图的建立,一、基本概念,,合金,由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质 普通黄铜：Cu+Zn 45钢: 铁碳合金,合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等一、基本概念,,组元,组成合金的独立的，最基本的单元合金系：若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金,组元可以是金属、非金属或稳定化合物一、基本概念,,相,在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的 铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。
纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的 固态白铜(铜与镍二元合金)是单相的 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物一、基本概念,,组织,组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的 不同组织具有不同的性能 由不同组织构成的材料具有不同的性能 同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能 45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织并获得不同的性能二、合金的相结构,,固溶体,在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体二、合金的相结构,,固溶体,在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体固溶体的性能,固溶体与纯金属相比强度、硬度升高固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。
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它是强化金属材料的重要途径之一固溶强化的原因： 由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度二、合金的相结构,,金属化合物,它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相金属化合物的性能,金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成相当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性(此现象称为弥散强化)二、合金的相结构,,机械混合物,工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用固溶体组成的合金，往往由于强度、硬度等不够高，使用受到一定限制绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种)所构成的机械混合物合金的性能取决于其形态、大小、数量、种类等三、合金相图的建立,热分析法建立相图,以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤： ①配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ纯Ni。
②测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点； ③将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上； ④将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图相图,相图是表示在平衡状态下合金系中各种合金状态、组织与温度、成分之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图三、合金相图的建立,热分析法建立相图及分析,2.2.2 铁碳合金相图,纯铁的同素异构转变 铁碳合金的基本相与组织 铁碳相图的分析与应用,一、纯铁的同素异构转变,金属的同素异构转变,金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变（同素异晶转变）由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体纯铁的同素异构转变,二、铁碳合金的基本相与组织,铁素体F,铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构，用“F”表示碳在α-Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727℃时为0.0218%，室温时为0.0008%由于铁素体的含碳量低，所以铁素体具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低，性能与纯铁相近奥氏体A,奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用“A”表示碳在γ-Fe中的溶解度较大，727℃时为0.77%，1148℃达到最大溶碳量2.11%。
奥氏体的强度、硬度不高，且具有良好的塑性因此，生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造渗碳体Fe3C,渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，含碳量为6.69%，分子式Fe3C，熔点为1227℃，,渗碳体硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织，是钢铁中的强化相二、铁碳合金的基本相与组织,珠光体P,珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，含碳量0.77%，用“P”表示珠光体强度较高，硬度适中，具有一定的塑性高温莱氏体Ld,高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Ld或（A+Fe3C）表示由于奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存在于727℃以上低温莱氏体Ld’,高温莱氏体冷却到727℃以下，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物（P+Fe3C），称低温莱氏体，用Ld’表示莱氏体含碳量为4.3％由于莱氏体含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即极为硬脆三、铁碳合金相图分析及应用,1.特性点,2.特性线,3.铁碳合金的分类,工业纯铁 Wc=0.0218%,4.典型合金结晶过程分析,合金I：共析钢,L—L’+A—A—P(F+Fe3C),室温时组织组成物P，含量100%相组成物：F+Fe3C,4.典型合金结晶过程分析,合金II ：亚共析钢,L—L’+A—A—A’+F—P(F+Fe3C)+F,所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P；相组成物：F+Fe3C,4.典型合金结晶过程分析,合金III ：过共析钢,L—L’+A—A—A’+ Fe3CⅡ—P(F+Fe3C)+ Fe3CⅡ,室温组织为二次渗碳体和珠光体。
相组成物：F+Fe3C,4.典型合金结晶过程分析,合金IV ：共晶白口铸铁,L—Ld(A+ Fe3C)— Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)— Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C),室温组织：Ld’相组成物：F+Fe3C,4.典型合金结晶过程分析,合金V ：亚共晶白口铸铁,L—L’+A—Ld(A+ Fe3C)+A— Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)+ A’+ Fe3CⅡ— Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)+ P+ Fe3CⅡ,亚共晶白口铁的室温组织：珠光体、二次渗碳体和莱氏体（二次渗碳体依附在共晶渗碳体上很难分辨）相组成物：F+Fe3C,4.典型合金结晶过程分析,合金VI ：过共晶白口铸铁,L—L’+ Fe3CI—Ld(A+ Fe3C)+ Fe3CI— Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)+ Fe3CI— Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)+ Fe3CI,室温组织为一次渗碳体和莱氏体相组成物：F+Fe3C,。