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1、第二章金属与合金的组织结构第二章金属与合金的组织结构和二元金相图和二元金相图要求：要求：了解金属的晶体结构了解金属的晶体结构理解纯金属的结晶过程理解纯金属的结晶过程掌握纯铁的同素异构转变掌握纯铁的同素异构转变难点、重点：难点、重点：相图分析相图分析2.12.1关于组织结构的一般概述关于组织结构的一般概述不同的金属与合金具有不同的性能。例如不同的金属与合金具有不同的性能。例如纯铝很软，而钢却很硬。产生这些性能差别的纯铝很软，而钢却很硬。产生这些性能差别的主要原因是由于材料内部有不同的组织和结构。主要原因是由于材料内部有不同的组织和结构。研究金属与合金的内部组织结构以及它们与成研究金属与合金的内部
2、组织结构以及它们与成分、温度、加工方法等因素的相互关系，对于分、温度、加工方法等因素的相互关系，对于掌握金属与合金的性能及应用是非常重要的。掌握金属与合金的性能及应用是非常重要的。一、关于材料中组织结构的一般含义一、关于材料中组织结构的一般含义从从工工程程材材料料的的角角度度看看，材材料料的的化化学学成成分分和和内内部部组组织织结结构构是是认认识识和和研研究究材材料料的的理理论论基基础础；而而材材料料的的性性能能是是材材料料化化学学成成分分和和内内部部组组织织结结构构的的外外在在表表现现，是是我我们们选选择择材材料料的的重重要要依依据据。同同时时，材材料料的的使使用用性性能能又又把把材材料料的
3、的加加工工和和服服役役条条件件相相结结合合。因因此此，综综合合考考虑虑工工程程材材料料的的各各种种行行为为，是是材材料料科科学学和和材材料料工工程程、机机械械设设计计和和机机械械制造共同追求的最终目标。制造共同追求的最终目标。“结结构构”指指的的是是材材料料在在某某一一特特定定条条件件下下内内部部组组织织在在几几何何学学上上的的构构造造或或化化学学的的分分布布。对对工工程程材材料料的的影影响响来来说说，小小至原子量级，大至宏观组织，结构都起着重要的作用。至原子量级，大至宏观组织，结构都起着重要的作用。1.1.原子结构：原子结构：原子通常认为是物质的基本组成粒子。原子通常认为是物质的基本组成粒子
4、。2.2.分分子子结结构构：一一些些小小的的原原子子团团在在空空间间的的排排列列所所形形成成的的不不同结构。同结构。3.3.晶体结构：晶体结构：原子在空间呈规则而重复的排列。原子在空间呈规则而重复的排列。4.4.显显微微组组织织：工工程程材材料料内内部部组组织织的的物物理理形形象象。是是化化学学元元素在固态下以各种不同形式结合而形成的。素在固态下以各种不同形式结合而形成的。5.5.宏宏观观组组织织：与与显显微微组组织织相相似似，也也是是内内部部组组织织的的形形貌貌，但但一一般般不不用用显显微微镜镜而而是是借借助助放放大大镜镜或或肉肉眼眼来来观观察察与与分分析析的组织形貌，属于尺寸较大的组织结构
5、。的组织形貌，属于尺寸较大的组织结构。二、材料中组织结构与性能间的关系二、材料中组织结构与性能间的关系一一定定化化学学成成分分的的工工程程材材料料，要要改改变变原原子子核核内内部部的的结结构构一一般般是是比比较较困困维维的的，但但固固态态下下原原子子的的电电子子构构型型却却随随着着外外界界条条件件的的变变化化而而明明显显地地在在变变化化，特特别别是是最最外外层层的的电电子子。这这些些电电子子及及与与这这有有关关的的电电子子结结构构对对材材料料的的机机械械和和物物理理性性能能有有很很大大的的影影响响。例例如如在在固固体体中中，相相邻邻原原子子外外层层电电子子之之间间相相互互作作用可以使原子键合在
6、一起。用可以使原子键合在一起。（P18）一、晶体学基本知识一、晶体学基本知识晶晶体体：凡凡原原子子作作有有序序、有有规规则则排排列列的的称称为为晶晶体体。绝绝大大多数金属和合金都属于晶体。多数金属和合金都属于晶体。非非晶晶体体：原原子子是是无无规规则则堆堆积积状状态态。如如：普普通通玻玻璃璃、松松香、树脂等。香、树脂等。晶晶体体有有固固定定的的熔熔点点，且且在在不不同同方方向向上上性性能能不不同同，即即具具有有各向异性。各向异性。非非晶晶体体无无固固定定的的熔熔点点，各各个个方方向向上上原原子子聚聚集集密密度度大大致致相同，表现出相同，表现出各向同性。各向同性。2.2.晶格、晶胞、晶格常数晶格
7、、晶胞、晶格常数（如图21所示）二、金属中常见的晶体结构二、金属中常见的晶体结构金金属属的的晶晶格格有有各各种种不不同同的的形形式式，最最常常见见的的有有体体心心立立方方晶晶格格、面面心心立立方方晶格晶格和和密排六方晶格密排六方晶格三种。三种。（如图22所示）晶格晶格类型类型晶格特征晶格特征具有相应晶格具有相应晶格的金属的金属性能特点性能特点体心立体心立方方晶格晶格晶胞为一个立方体，立晶胞为一个立方体，立方体的每一个顶点和中方体的每一个顶点和中心各有一个原子，一个心各有一个原子，一个晶胞含晶胞含2 2个原子，致密个原子，致密度为度为0.680.68铬、钨、钒、钼铬、钨、钒、钼以及以及在在912
8、912C C以下存在以下存在的的FeFe等等具有相当具有相当高的强度高的强度2.2.面心立方晶格面心立方晶格（如图23所示）晶格晶格类型类型晶格特征晶格特征具有相应晶格具有相应晶格的金属的金属性能性能特点特点面面 心心立立 方方 晶晶 格格在晶胞的八个角上各有一在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各立方体的六个面的中心各有一个原子。一个晶胞有有一个原子。一个晶胞有4 4个原子，致密度为个原子，致密度为0.740.74铝铝、铜铜、镍镍、以以及及912912C C以以上上而而 低低 于于 13941394C C的的-Fe-Fe等等具有很具有很好的塑
9、好的塑性性3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格 晶格类型晶格类型晶格特征晶格特征具有相应晶格的具有相应晶格的金属金属性能特点性能特点密排六方密排六方晶格晶格在晶胞的十二个角上各有一个原在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子。一个晶胞有三个原子。一个晶胞有6 6个原子，个原子，致密度为致密度为0.740.74铍、锌、和铍、锌、和钛钛材料较脆材料较脆3 3金属晶体的缺陷金属晶体的缺陷（1 1）单晶体与多晶体概念）单晶体与多晶体概念 ：金属结晶后金属结晶后（2 2）晶体中的缺陷）晶体中的缺陷
10、：（晶体中原子完全为规则排列时，称为（晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体理想晶体）一、纯金属的结晶一、纯金属的结晶 1.1.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度 ( (如图如图2 25 5所示所示) )理论结晶温度：理论结晶温度：曲线上出现的温曲线上出现的温度水平线段对应的温度值。用度水平线段对应的温度值。用t to o表示。表示。过冷：过冷：金属的实际结晶温度低于金属的实际结晶温度低于其理论结晶温度，这种现象称为其理论结晶温度，这种现象称为过冷过冷。理论结晶温度理论结晶温度toto与实际结晶温度与实际结晶温度t1t1之差之差t=t0 t=t0 t1t1）称为称为过冷度过冷度。过冷度过冷度的
11、大小与冷却速度有关。的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，则过冷度越大。冷却速度越快，则过冷度越大。注：注：实际金属总是在过冷情况下实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件. . 2.2. 纯金属结晶过程（纯金属结晶过程（如图如图2 26 6所示）所示）解释：解释：纯纯金金属属结结晶晶时时，首首先先在在液液态态金金属属中中形形成成细细小小晶晶体体称称晶晶核核，它它不不断断吸吸附附周周围围原原子子而而长长大大。同同时时在在液液态态金金属属中中又又会会产产生生新新的的晶晶核核，直直到到全全部部液液态态金金属属结结晶晶完完毕毕，最
12、最后后形形成成许许许许多多多多外外表表不不规规则则、大大小小不不等等的的小小晶晶体体。因因此此，液液态态金金属属的的结结晶过程包括晶核的晶过程包括晶核的形成形成和晶核的和晶核的长大。长大。两个基本环节，两个基本环节，1.1.晶核的形成：晶核的形成：当当液液态态金金属属温温度度下下降降到到接接近近结结晶晶温温度度时时，某某些些局局部部会会有有一一些些原原子子规规则则地地排排列列起起来来，形形成成极极细细小小的的晶晶体体，这这些些小小晶晶体体很很不不稳稳定定，遇遇到到热热流流和和振振动动就就会会立立即即消消失失，时时聚聚时时散散，此此起起彼彼伏伏，当当低低于于理理论论结结晶晶温温度度时时，稍稍大大
13、一一点点的的细细小小晶晶体体，有有了了较较好好的的稳稳定定性性，就就可可能能进进一一步步长长大大成成为为结结晶核心，称为晶核。晶核心，称为晶核。2.2.晶晶核核的的长长大大：即即液液态态金金属属中中的的原原子子向向晶晶核核表表面面转转移移的的过过程程。一一般般来来说说由由，由由于于形形核核时时晶晶体体中中的的顶顶角角、棱棱边边散散热热条条件件优优于于其其它它部部位位而而生生长长得得较较快快较较大大，在在长长出出一一次次晶晶轴轴后后，又又在在一一次次晶晶轴轴上上长长出出二二次次晶晶轴轴，如如此此不不断断长长出出与与分分枝枝下下去去，直直到到液液态态金金属属全全部部消消失失，最最后后形形成成一一个
14、个象象树树枝枝的晶体，简称枝晶。的晶体，简称枝晶。在在常常温温下下的的细细晶晶粒粒金金属属比比粗粗晶晶粒粒金金属属具具有有较较高高的的强度、硬度、塑性和韧性。强度、硬度、塑性和韧性。1 1）金属的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界金属的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界处的晶格排列位向极不一致，犬牙交错，相互处的晶格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合，从而加强了金属的结合力，提高了金属咬合，从而加强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。的力学性能。2 2）晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。度有关。生产中细化晶粒的方法有：生产中细化晶粒的方法有： 二、金属
15、的同素异晶转变二、金属的同素异晶转变（P21P21）固态金属在一定温度下由一固态金属在一定温度下由一种晶体结构转变成另一种晶体结种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为构的过程，称为同素异晶同素异晶转变。转变。它是一种固态下的结晶，因此，它是一种固态下的结晶，因此，结晶时有较大的过冷度、应力与结晶时有较大的过冷度、应力与变形。变形。（通常又将金属的同素异构转变（通常又将金属的同素异构转变称为二次结晶或重结晶）称为二次结晶或重结晶）从工业纯铁冷却曲线可以看出晶体结构与温度的变化差系：从工业纯铁冷却曲线可以看出晶体结构与温度的变化差系：2 24 4合金的结晶与二元合金相图合金的结晶与二元合金相图
16、一、合金的相结构一、合金的相结构按按组组成成合合金金相相的的原原子子排排列列方方式式不不同同，可可把把合合金金相相分分成成固固溶溶体体和和金金属属化化合物合物两大类。两大类。：是是合合金金在在固固态态下下，组组元元间间仍仍能能互互相相溶溶解解而而形形成成的的均均匀匀相相。称称为为固固溶溶体。体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，固体溶剂可分为：据的位置，固体溶剂可分为： 间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子位于溶剂溶质原子位于溶剂晶格的间隙处。晶格的间隙处。如图29a所示置换固溶体：置换固溶体：溶质原子代替部分溶质原子代替部分溶剂原子而占溶剂原子而占据了溶剂晶格的一
17、些结点位置。据了溶剂晶格的一些结点位置。（如图（如图2 29 9b b所示）所示）注：固溶强化注：固溶强化：由于溶质原子：由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象。升高的现象。2 2金金属属化化合合物物：是是合合金金各各组组元元之之间间相相互互作作用用，按照一定的整数比化合生成的一种新的按照一定的整数比化合生成的一种新的具有金具有金属属特特性性的的物物质质。它它通通常常具具有有复复杂杂的的晶晶体体结结构构，溶点较高，硬度高，脆性大的特点。溶点较高，硬度高，脆性大的特点。常常见见的的金金属属化化
18、物物有有正正常常价价化化合合物物、电电子子化化合合物物、间间隙隙化化合合物物三三大大类类。前前两两种种是是非非铁铁合合金金（有有色色金金属属）中中重重要要的的强强化化相相，而而后后者者是是钢钢中中重重要要强强化相。化相。按间隙化合物的晶体结构复杂程度不同，可将按间隙化合物的晶体结构复杂程度不同，可将它划分成为类：它划分成为类：1)1) 具有简单晶体结构的间隙化合物，即当溶具有简单晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（质原子半径（r r质质）与溶剂原子半径）与溶剂原子半径（r r剂剂）之比）之比r r质质/ /r r剂剂0.0590.059时，形成具有简单时，形成具有简单的晶体结构的间隙化合物
19、，又称间隙相。的晶体结构的间隙化合物，又称间隙相。2)2) 具有复杂晶体结构的间隙化合物，即当溶具有复杂晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（质原子半径（r r质质）与溶剂原子半径）与溶剂原子半径（r r剂剂）之比）之比r r质质/ /r r剂剂0.0590.059时，形成有复杂的时，形成有复杂的晶体结构的间隙化合物。晶体结构的间隙化合物。3.3.合金的结构：合金的结构：合金结构是由金相组成，即可合金结构是由金相组成，即可以是固溶体，也可以是金属化合物，但绝大多以是固溶体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的结构是固溶体与金属化合物的复合组数合金的结构是固溶体与金属化合物的复合组织。通过调整
20、固溶体中溶质含量和金属化合物织。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布，以及调整固溶体的数量、大小、形态及分布，以及调整固溶体与金属化合物的比例，就可以改变其组织，从与金属化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变合金的性能，以满足机械工程的实际需而改变合金的性能，以满足机械工程的实际需要。要。铁碳合金相图就是分析研究合金在平衡条件下合金的铁碳合金相图就是分析研究合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。它对于正确选成分、温度、合金相之间关系的图解。它对于正确选择和使用材料，制定合理的铸造、锻造、焊接及热处择和使用材料，制定合理的铸造、锻造、焊接及热处理工艺具
21、有指导性作用。理工艺具有指导性作用。一、铁碳合金的基本组织与性能一、铁碳合金的基本组织与性能铁铁碳碳合合金金在在液液态态时时铁铁和和碳碳可可以以无无限限互互溶溶；在在固固态态时时根根据据碳碳的的质质量量分分数数不不同同，碳碳可可以以溶溶解解在在铁铁中中形形成成固固溶溶液液体，也可以与铁形成化合物。体，也可以与铁形成化合物。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图根根据据铁铁与与碳碳组组元元相相互互作作用用的的不不同同，铁铁碳碳合合金金的的基基本本组组织有：织有：1 1）铁素体（）铁素体（F F）碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。2 2）奥氏体（）奥氏体（A A）碳
22、溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。3 3）渗渗碳碳体体（Fe3CFe3C）铁铁与与碳碳形形成成具具有有复复杂杂晶晶体体结结构构的间隙化合物。的间隙化合物。4 4）珠珠光光体体（P P）由由铁铁素素体体（软软）和和渗渗碳碳体体（硬硬）复相组成的混合物。复相组成的混合物。5 5）莱莱氏氏体体（LdLd或或LdLd）发发生生共共晶晶转转变变所所形形成成的的奥奥氏体和碳化物（或渗碳体）所组成的共晶氏体和碳化物（或渗碳体）所组成的共晶1 1、相图分析相图分析（1 1）FeFeFeFe3 3C C相图中的特征点相图中的特征点 （2 2）铁铁碳碳合合金金相相图图分分析析相相图图中
23、中的的ACAC和和CDCD线线为为液液相相线线，AEAE和和ECFECF线线为为固固相相线线。相相图图中中有有四四个个单单相相区区：液液相相区区（L L）、奥奥氏氏体体区区（A A）、铁素体区铁素体区（F F）、）、渗碳体区渗碳体区（Fe3cFe3c）。）。1 1）ESES线线 它是碳在奥氏体中溶解度曲线。它是碳在奥氏体中溶解度曲线。2 2）PQPQ线线 它是碳在铁素体中的溶解曲线。它是碳在铁素体中的溶解曲线。3 3）GSGS线线 它是合金冷却时自奥氏体中开始析它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为出铁素体的析出线，通常称为A3A3线。线。4 4）PSKPSK线线共共析析线线
24、，即即加加热热时时珠珠光光体体或或冷冷却却时时奥氏体向珠光体转变的温度。（奥氏体向珠光体转变的温度。（A A）(2)(2)铁碳合金的分类铁碳合金的分类 按按其其碳碳的的质质量量分分数数和和显显微微组组织织的的不不同同，铁铁碳碳合合金金相相图图中的合金可分成中的合金可分成工业纯铁工业纯铁、钢和白口铸铁钢和白口铸铁三大类。三大类。白口铸铁白口铸铁注：注：碳的质量分数低于碳的质量分数低于0.02%0.02%的铁碳合金称为工业纯铁，性能与铁素体的铁碳合金称为工业纯铁，性能与铁素体接近。接近。碳的质量分数大于碳的质量分数大于6.69%6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。的铁碳合金脆性极大，没有使
25、用价值。1 1共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析（图217）2 2）亚共析钢的结晶过程分析）亚共析钢的结晶过程分析（图218）3 3）过共析钢的结晶过程分析）过共析钢的结晶过程分析（图221） 4 4）共晶白口铸铁结晶过程分析）共晶白口铸铁结晶过程分析（图222）5 5）亚共晶白口铸铁结晶过程分析）亚共晶白口铸铁结晶过程分析（图223）6 6）过共晶白口铸铁结晶过程分析）过共晶白口铸铁结晶过程分析（图224）三、铁碳合金成份、组织与能的关系三、铁碳合金成份、组织与能的关系（1 1）碳的质量分数对平衡组织的影响；碳的质量分数对平衡组织的影响；在在室室温温下下，随随着着碳碳含含量量增增多多，其其组组织织发发生生如下变化如下变化（2 2）碳的质量分数对力学性能的影响；）碳的质量分数对力学性能的影响；（如如图图2 22626所所示示）铁铁碳碳合合金金中中随随着着碳碳含含量量的的增增加加，由由于于渗碳体的相对量增加，渗碳体的相对量增加，而铁素体的相对量在减而铁素体的相对量在减少，使合金的强度、硬少，使合金的强度、硬度升高而塑性、韧性降度升高而塑性、韧性降低。低。（1 1）碳的质量分数对碳的质量分数对工艺性能的影响；工艺性能的影响；即：即：切削加工性、可锻切削加工性、可锻性、铸造性能、可焊性性、铸造性能、可焊性都会随着发生变化。都会随着发生变化。
