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1、教学课题：教学课题： 第第2 2章章 工程材料的组织结构工程材料的组织结构 p 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p 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 通过本章的学习，通过本章的学习，了了解常用材料的组织结构，解常用材料的组织结构，理解和掌握铁碳合金相理解和掌握铁碳合金相图的内容与应用。图的内容与应用。1.金属的结晶条件、规金属的结晶条件、规律及控制律及控制2.铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织3.铁碳合金相图的内容、铁碳合金相图的内容、意义与应用意义与应用2.1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构 o晶体晶体 材料
2、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。 o非晶体非晶体 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 金属的晶体结构金属的晶体结构 o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。 o晶格晶格 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。 o晶胞晶胞 能反映晶格特征的最小组成单元 。o晶格常数晶格常数 晶胞的三个棱边的长度a,b,c 及三条棱边夹角,。一、常见金属晶体结构一、常见金属晶体结构o体心立方晶格体心立方晶格 常见的BCC金属有：钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、铬、铌、
3、-Fe等。 晶胞原子数是指在一个晶胞中所含的原子数目。为1/88+1=2个；原子半径BCC为：r=3/4a；致密度BCC为4/3r32=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、常见金属晶体结构一、常见金属晶体结构o面心立方晶格面心立方晶格 常见的面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、金、银、-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
4、一、常见金属晶体结构o密排六方晶格密排六方晶格 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、实际金属晶体结构二、实际金属晶体结构o多晶体结构多晶体结构二、实际金属晶体结构二、实际金属晶体结构o实际金属晶体中的缺陷实际金属晶体中的缺陷 空位空位 间隙原子间隙原子 刃型位错刃型位错 1.1.点缺陷点缺陷 三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。 空位；间隙原子 2.2.线缺陷线缺陷 二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。 刃
5、型位错；螺型位错 3.3.面缺陷面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。 晶界；亚晶界二、实际金属晶体结构二、实际金属晶体结构o实际金属晶体中的缺陷对材料性能的影响实际金属晶体中的缺陷对材料性能的影响 1.1.点缺陷点缺陷 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。 2.2.线缺陷线缺陷 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。 3.3.面缺陷面缺陷 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 纯金属的结晶纯金属的结晶 o凝固凝固 液态L固态S S可以是非晶体。o结晶结晶 一
6、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：LS晶态 二次结晶：SS晶态 一、纯金属冷却曲线分析一、纯金属冷却曲线分析 o过冷：纯金属实际结晶温度总是过冷：纯金属实际结晶温度总是低于理论结晶温度，为什么？低于理论结晶温度，为什么？冷却速度越快，过冷度越大。o冷却曲线上出现平台，为什么？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。 o只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开始
7、进行始进行过冷是金属结晶的必要条件。过冷是金属结晶的必要条件。过冷度T = T0T1二、纯金属结晶过程二、纯金属结晶过程 o形核形核自发形核非自发形核o长大长大平面长大树枝状长大三、晶粒尺寸的控制三、晶粒尺寸的控制 o晶粒大小如何衡量？晶粒大小如何衡量？o为什么要对晶粒尺寸进行控制？为什么要对晶粒尺寸进行控制？o影响晶粒尺寸的因素有哪些？影响晶粒尺寸的因素有哪些？o如何控制晶粒的尺寸？如何控制晶粒的尺寸？三、晶粒尺寸的控制三、晶粒尺寸的控制 o晶粒度晶粒度 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)。o晶粒大小对材料性能的影响（细晶强化）晶粒大小对材料性能的影响（细晶强化） 晶粒越细，金
8、属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。o影响晶粒度的因素影响晶粒度的因素 过冷度T提高，N提高、G提高 过冷T太高，N降低、G降低三、晶粒尺寸的控制三、晶粒尺寸的控制o晶粒大小的控制晶粒大小的控制 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。 提高过冷度 附加振动、搅拌等。 2.2.1 2.2.1 合金的相结构合金的相结构 p 基本概念p 合金的相结构p 相图的建立一、基本概念一、基本概念 o合金合金 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
9、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、基本概念一、基本概念 o组元组元 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。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。一、基本概念一、基本概念 o相相 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。n在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。n铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。n纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。n固态白铜(铜与镍二元合金)是单相的。n合金中有
10、两类基本相：固溶体和金属化合物。一、基本概念一、基本概念 o组织组织 组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。n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。n不同组织具有不同的性能。n由不同组织构成的材料具有不同的性能。n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。n45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、合金的相结构二、合金的相结构 o固溶体固溶体 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
11、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、合金的相结构二、合金的相结构 o固溶体固溶体 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。o固溶体的性能固溶体的性能 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这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象属强度和硬度提高的现象称为称为固溶强化固溶强化。它是强化金属
12、材料的它是强化金属材料的重要途径之一。重要途径之一。固溶强化的原因：固溶强化的原因： 由于溶质原子由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸的溶入，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，从而提高合难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。金的强度和硬度。二、合金的相结构二、合金的相结构 o金属化合物金属化合物 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。o金属化合物的性能金属化合物的性能 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
13、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、硬度和耐磨性高合金的强度、硬度和耐磨性(此此现象称为现象称为弥散强化弥散强化)。二、合金的相结构二、合金的相结构 o机械混合物机械混合物 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
14、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、合金相图的建立三、合金相图的建立 o热分析法建立相图热分析法建立相图 以CuNi合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：配制不同成分的合金试样，如纯铜；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；25%Cu+75%Ni；纯Ni。测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；将各临界点绘在温度合金成分坐标图上；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。 o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
15、立三、合金相图的建立 o热分析法建立相图及分析热分析法建立相图及分析2.2.2 2.2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 p 纯铁的同素异构转变p 铁碳合金的基本相与组织p 铁碳相图的分析与应用一、纯铁的同素异构转变一、纯铁的同素异构转变 o金属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。 o纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe -Fe -Fe 912 1394 二、铁碳合金的基本相与组织二、铁碳合金的基本相与组织 o铁素体铁素体F 铁素体是碳溶解于
16、-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构，用“F”表示。碳在-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。o奥氏体奥氏体A 奥氏体是碳在-Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用“A”表示。碳在-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。 o渗碳体渗碳体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，
17、 渗碳体硬度很高，塑性很差，渗碳体硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织，是钢铁是一个硬而脆的组织，是钢铁中的强化相。中的强化相。 二、铁碳合金的基本相与组织二、铁碳合金的基本相与组织 o珠光体珠光体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。 o高温莱氏体高温莱氏体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。 o低温莱氏体低温莱氏体Ld 高温莱氏体冷却到727以下，将转变为珠光体和
18、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三、铁碳合金相图分析及应用 1.1.特性点特性点符号 温度,碳质量分数(C)%含义A 15380纯铁的熔点C 11484.30共晶点Lc AE+Fe3CD 12276.69Fe3C的熔点E 11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F 11486.69Fe3C的成分G 9120-Fe-Fe同素异构转变点K 7276.69Fe3C的成分P 7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S 7270.77共析点(A1)ASFP+Fe
19、3CQ 6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度2.2.特性线特性线特征线含义ACD液相线AECF固相线GS(又称A3)铁素体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的温度；奥氏体转变为铁素体的开始线ES(又称Acm)二次渗碳体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的温度；碳在奥氏体中的溶解度曲线ECF共晶转变线GP奥氏体转变为铁素体的终了线PQ碳在铁素体中的溶解度线PSK(又称A1)共析转变线3.3.铁碳合金的分类铁碳合金的分类o钢钢亚共析钢 0.0218%Wc0.77% 共析钢 0.77% 过共析钢 0.77%Wc= 2.11% o铸铁铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%Wc4.3% 共
20、晶白口铸铁 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3 %Wc6.69% o工业纯铁工业纯铁 WcWc=0.0218%L+AAP(F+Fe3C)室温时组织组成物室温时组织组成物P P，含量，含量100%100%。相组成物：。相组成物：F+FeF+Fe3 3C C4.4.典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析o合金合金II ：亚共析钢：亚共析钢LL+AAA+FP(F+Fe3C)+F 所以含碳所以含碳0.40%0.40%的亚共析钢的的亚共析钢的室温组织为：室温组织为：F+PF+P；相组成物：；相组成物：F+FeF+Fe3 3C C4.4.典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析o合金合金III ：过共析钢
21、：过共析钢LL+AAA+ Fe3CP(F+Fe3C)+ Fe3C 室温组织为二次渗碳体和珠光室温组织为二次渗碳体和珠光体。体。相组成物：相组成物：F+FeF+Fe3 3C C4.4.典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析o合金合金IV ：共晶白：共晶白口铸铁口铸铁LLd(A+ Fe3C) Ld(A+ Fe3C+Fe3C) Ld(P+ Fe3C+Fe3C)室温组织：室温组织：LdLd。相组成。相组成物：物：F+FeF+Fe3 3C C4.4.典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析o合金合金V ：亚共晶：亚共晶白口铸铁白口铸铁LL+ALd(A+ Fe3C)+A Ld(A+ Fe3C+Fe3C)
22、+ A+ Fe3C Ld(P+ Fe3C+Fe3C)+ P+ Fe3C亚共晶白口铁的室温组织：珠光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渗碳体依附在共晶渗碳体上很难分辨）。分辨）。相组成物：相组成物：F+FeF+Fe3 3C C4.4.典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析o合金合金VI ：过共晶：过共晶白口铸铁白口铸铁LL+ Fe3CILd(A+ Fe3C)+ Fe3CI Ld(A+ Fe3C+Fe3C)+ Fe3CI Ld(P+ Fe3C+Fe3C)+ Fe3CI室温组织为一次渗碳体和莱室温组织为一次渗碳体和莱氏体
23、。氏体。相组成物：相组成物：F+FeF+Fe3 3C Co对组织的影响对组织的影响5.5.碳质量分数对组织和性能的影响碳质量分数对组织和性能的影响o对性能的影响对性能的影响5.5.碳质量分数对组织和性能的影响碳质量分数对组织和性能的影响 wcwc0.9%0.9%0.9%以后，二次渗碳体沿晶界形成以后，二次渗碳体沿晶界形成较完整的网，钢的强度开始明显下降，硬度仍在增高，较完整的网，钢的强度开始明显下降，硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。钢中碳的质量分数一般不超过塑性和韧性继续降低。钢中碳的质量分数一般不超过1.3%1.3%。 wcwc2.11%2.11%的白口铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，的白口
24、铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程上很少直接应用。上很少直接应用。6.6.铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用o在选材方面的应用在选材方面的应用 要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低的钢;承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用碳的质量分数为0.25%0.55%的钢;要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用碳的质量分数大于0.55%的钢;形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧等），应选用白口铸铁。 o在铸造方面的应用在铸造方面的应用 确定合金的浇
25、注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。由相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好、分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。 6.6.铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用o在锻造和焊接方面的应用在锻造和焊接方面的应用 碳钢加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故不能锻造。碳的质量分数增加，钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。碳的质量分数越高，铁碳合金的焊接性越差。 o在热处理方面的应用在热处理方面的应用 存在同素异晶转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同的热处理来改善性能。根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理工艺的加热温度，这将在后面的第3章讲解。
