第二章金屬學(xué)基礎(chǔ)知識

1、課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號3授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的要求1了解晶體結(jié)構(gòu)的缺陷；2掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念。重點與難點重點：掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念； 難點：對晶格類型的理解。課程導(dǎo)入設(shè)計材料的不同，性能也不同？教法設(shè)計講授教學(xué)法作業(yè)與思考P31課后記事 第二章 金屬學(xué)基礎(chǔ)知識第一節(jié) 金屬晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體與非晶體1. 固態(tài)物質(zhì)的分類 一切物質(zhì)都是由原子組成的，根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類。2. 晶體的特征晶體是指其組成微粒(原子、離子或分子)呈規(guī)則排列的物質(zhì)，如圖2-1晶體具有固定熔

2、點、幾何外形和各向異性特征，諸如金剛石、石墨及一般固態(tài)金屬材料等均是晶體。3. 非晶體的特征非晶體是指其組成微粒無規(guī)則堆積在一起的物質(zhì)，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。非晶體沒有固定的熔點，而且性能無方向性。二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 (一)晶格 把晶體內(nèi)部原子近似地視為剛性質(zhì)點，用一些假想的直線將各質(zhì)點中心連接起來，形成一個空間格子。這種抽象地用于描述原子在晶體中排列形式的空間幾何格子稱為晶格，如圖2-1（b）。 (二)晶胞組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞，如圖2-1（a）。(三)常見的金屬晶格類型 1體心立方晶格，如圖2-2。 體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的八個頂角和中心各有一個原子

3、，每個晶胞實有原子數(shù)是2個。具有這種晶格的金屬有鎢(W)、鉬(o)、鉻(r)、釩()、鐵(Fe)等。 2面心立方晶格，如圖2-3。 面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是4個。具有這種晶格的金屬有金(u)、銀(Ag)、鋁(l)、銅(u)、鎳(Ni)、鐵(e)等。 3密排六方晶格，如圖2-4。 密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的十二個頂角和上下底面中心各有一個原子，另外在上下面之間還有三個原子，因此，每個晶胞實有原子數(shù)是6個。具有此種晶格的金屬有鎂( Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鈦(-Ti)等。三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)1. 單晶體

4、如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，稱這塊晶體為單晶體。2. 多晶體由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖2-5。多晶體材料內(nèi)部以晶界分開的、晶體學(xué)位向相同的晶體稱為晶粒。將任何兩個晶體學(xué)位向不同的晶粒隔開的內(nèi)界面稱為晶界。在晶界上原子的排列不象晶粒內(nèi)部那樣有規(guī)則性，這種原子排列不規(guī)則的部位稱為晶體缺陷。3.晶體缺陷分為以下三種： (一)點缺陷，如圖2-6點缺陷是晶體中呈點狀的缺陷，最常見的缺陷是晶格空位和間隙原子。原子空缺的位置稱為空位。存在于晶格間隙位置的原子稱為間隙原子。 (二)線缺陷，如圖2-7線缺陷是指晶體內(nèi)部某一平面上沿一方向呈線狀分布的缺陷，主要是指各種類型的位

5、錯。位錯是指晶格中一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。由于位錯存在，造成金屬晶格畸變，并對金屬的性能，如強度、塑性、疲勞及原子擴散、相變過程等產(chǎn)生重要影響。 (三)面缺陷，如圖2-8面缺陷是指晶體內(nèi)部呈面狀分布的缺陷，通常是指晶界。在晶界處由于原子呈不規(guī)則排列，使晶格處于畸變狀態(tài)，它在常溫下對金屬的塑性變形起阻礙作用，從而使金屬材料的強度和硬度有所提高。課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號4授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶目的要求1了解晶體結(jié)構(gòu)的缺陷；2掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念。重點與難點重點：掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念；

6、 難點：對晶格類型的理解。課程導(dǎo)入設(shè)計材料的不同，性能也不同？教法設(shè)計講授教學(xué)法作業(yè)與思考P31課后記事 第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶 一、冷卻曲線與過冷度1純金屬冷卻曲線。將純金屬熔化，然后以緩慢的速度冷卻，在冷卻過程中，每隔一定時間測定一次溫度，最后將測量結(jié)果繪制在溫度時間坐標上，即可得到純金屬冷卻曲線，如圖2-9（a）。2. 理論結(jié)晶溫度純金屬的冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是純金屬的理論結(jié)晶溫度(T0)。3. 實際結(jié)晶溫度非純金屬在結(jié)晶過程中，從液態(tài)必須冷卻到理論結(jié)晶溫度 (T0)以下才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過冷，如圖2-9（b）。理論結(jié)晶溫度T0和實際結(jié)晶溫度T1之差T，

7、稱為過冷度。 過冷度并不是恒定值試驗指出：金屬結(jié)晶時的過冷度并不是一個恒定值，而是與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實際結(jié)晶溫度也就越低。 金屬結(jié)晶必須在一定的過冷度下進行，過冷是金屬結(jié)晶的必要條件，但不是充分條件。金屬要進行結(jié)晶，還要滿足動力學(xué)條件，如必須有原子的移動和擴散等。二、金屬的結(jié)晶過程 實驗證明：液態(tài)金屬在達到結(jié)晶溫度時，首先形成一些極細小的微晶體，稱為晶核。隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大。與此同時，又有新的晶核形成、長大，直至液態(tài)金屬全部凝固，如圖2-10。 三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小1晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響 一般情況下，晶粒越細小，金屬的強度、硬度愈高

8、，塑性、韌性愈好，如表2-1。2細化晶粒的方法(1)加快液態(tài)金屬的冷卻速度，如降低澆注溫度。 (2)變質(zhì)處理。在澆注前，將少量固體材料加入熔融金屬液中，促進金屬液形核，以改善其組織和性能的方法。加入的少量固體材料可起晶核的作用，從而達到細化晶粒的效果。(3)采用機械振動、超聲波振動和電磁振動等，可使生長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)增多，從而細化晶粒。課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號5授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變目的要求1了解晶體結(jié)構(gòu)的缺陷；2掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念。重點與難點重點：掌握晶體與非晶體的有關(guān)概念； 難點：對晶

9、格類型的理解。課程導(dǎo)入設(shè)計材料的不同，性能也不同？教法設(shè)計講授教學(xué)法作業(yè)與思考P31課后記事 第三節(jié) 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱同素異晶轉(zhuǎn)變，如鐵、錳、鈦等，在結(jié)晶成固態(tài)后繼續(xù)冷卻時晶格類型還會發(fā)生變化，如圖2-11。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵的一個重要特性，它是鋼鐵能夠進行熱處理的理論依據(jù)，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的（猶如隊列變換隊形一樣)，這一過程有如下特點： (1)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程來完成，新晶核優(yōu)先在原晶界處生成； (2)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有過冷(或過熱)現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)變時具有較大的過冷度；

10、(3)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進行的，它與液體結(jié)晶相比具有不同之處；(4)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時常伴有金屬的體積變化等。小結(jié)與作業(yè)課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號6授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第四節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu)目的要求1了解組元的概念；2掌握合金晶體的有關(guān)概念。重點與難點重點：合金的晶體結(jié)構(gòu)、固溶體、鐵碳合金基本組織難點：對組織、相、固溶體的理解課程導(dǎo)入設(shè)計合金材料的不同，性能也不同？教法設(shè)計講授教學(xué)法舉例說明相的含義，如糖水、鹽水、過飽和狀態(tài)的鹽水等作業(yè)與思考P31課后記事 第四節(jié) 合金的

11、晶體結(jié)構(gòu) 一、基本概念 1合金合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料。2組元 組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的元素，但有時也可將穩(wěn)定的化合物作為組元。 3合金系 由若干給定組元按不同比例配制而成的一系列化學(xué)成分不同的合金，稱為合金系。 4相 在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的物質(zhì)部分叫相。 5組織 用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況叫組織。二、合金的晶體結(jié)構(gòu) 根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化

12、合物及機械混合物三種類型。 (一)固溶體合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一種原子而形成的晶體相，稱為固溶體。 1置換固溶體溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子占據(jù)溶劑晶格部分結(jié)點位置時，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。按溶質(zhì)溶解度不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。溶解度主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)。實踐證明，大多數(shù)合金只能有限固溶，且溶解度隨著溫度的升高而增加。只有兩組元晶格類型相同，原子半徑相差很小時，才可以無限互溶，形成無限固溶體。 2間隙固溶體 溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)溶劑結(jié)點位置，而嵌入各結(jié)點之間的間隙內(nèi)時，所形成的晶體相，稱為間隙固溶體。 由于溶劑晶格的間

13、隙有限，所以，間隙固溶體只能有限溶解溶質(zhì)原子，同時只有在溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑的比值小于0.59時，才能形成間隙固溶體。間隙固溶體的溶解度與溫度、溶質(zhì)與溶劑原子半徑比值以及溶劑晶格類型等有關(guān)。通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 實踐證明：只要適當控制固溶體中溶質(zhì)的含量，就能在顯著提高金屬材料強度的同時仍然使其保持較高的塑性和韌性。(二)金屬化合物金屬化合物是指合金中各組元間原子按一定整數(shù)比結(jié)合而形成的晶體相。金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，熔點高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能顯著地提高合金的強度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性也會明顯地

14、降低。(三)機械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。在機械混合物中各組成相仍保持著它原有晶格類型和性能，而整個機械混合物的性能介于各組成相性能之間，與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。在金屬材料中使用的合金材料絕大多數(shù)是機械混合物這種組織狀態(tài)。三、合金的結(jié)晶特點 合金結(jié)晶過程同純金屬一樣，仍為晶核形成和晶核長大兩個過程。合金與純金屬結(jié)晶的不同之處，如圖2-13。 (1)純金屬結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個臨界點。而合金則絕大多數(shù)是在一個溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶，結(jié)晶的開始溫度與終止溫度不相同，有兩個或兩個以上臨界點。 (2)合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的

15、化學(xué)成分（即濃度）有變化，當結(jié)晶終止后，整個晶體的平均化學(xué)成分與原合金的化學(xué)成分相同。 (3)合金結(jié)晶后不是單相，一般有三種情況：單相固溶體；單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械混合物(如共晶體)；結(jié)晶開始形成單相固溶體(或單相化合物)，剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物(如共晶體)。 （4）由一定成分的液體合金中同時結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程稱為共晶轉(zhuǎn)變(或稱共晶反應(yīng))，其結(jié)晶產(chǎn)物稱為共晶體。實驗證明：共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進行的。（5）在固態(tài)下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程，稱為共析轉(zhuǎn)變(或稱共析反應(yīng))。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變一樣，也是在恒溫條件下進行的。課 時 授 課 計 劃課 程金

16、屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號7授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第五節(jié) 鐵碳合金的基本組織目的要求 1.了解鐵碳合金的基本組織特征和性能2.掌握常用組織的機械特性;重點與難點重點：掌握常用組織的機械特性;難點：鐵碳合金的基本組織特征和性能課程導(dǎo)入設(shè)計不同的金屬為什么具有不同的特性教法設(shè)計講授教學(xué)法作業(yè)與思考P31課后記事 第五節(jié) 鐵碳合金的基本組織鐵和碳的合金稱為鐵碳合金，如鋼和鑄鐵都是鐵碳合金。鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。一、鐵素體(F)，如圖2-14，如圖2-15鐵素體是指-Fe或其內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素所形成的晶體點陣為體心立

17、方的固溶體，用符號F(或)表示。-Fe的溶碳量很小，在727時溶碳量最大（WC=0.0218%），隨著溫度的下降其溶碳量逐漸減少。 鐵素體在770（居里點）有磁性轉(zhuǎn)變，在770以下具有鐵磁性，在770以上則失去鐵磁性。 二、奧氏體(A)，如圖2-16，如圖2-17奧氏體是指-Fe內(nèi)固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點陣為面心立方的固溶體，常用符號A(或)表示。奧氏體溶碳能力較大，在1148時溶碳量最大（WC=2.11%），隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727時的溶碳量為WC=0.77%。穩(wěn)定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當鐵碳合金緩冷到727時，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷慕M織。奧氏

18、體是非鐵磁性相。 三、滲碳體(Fe3C)，如圖2-16滲碳體是指晶體點陣為正交點陣、化學(xué)成分近似于Fe3C的一種間隙式化合物。滲碳體的碳的質(zhì)量分數(shù)是6.69%，熔點為1227，其分子式為Fe3C，以符號Cm表示。滲碳體不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有磁性轉(zhuǎn)變，在230以下具有弱鐵磁性，而在230以上則失去磁性。 滲碳體是碳在鐵碳合金中的主要存在形式，是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨，這一過程對于鑄鐵的生產(chǎn)具有重要意義。四、珠光體(P)，如圖2-19珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的，其立體形狀為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相組織。珠光體是鐵素體(軟)和

19、滲碳體(硬)組成的機械混合物。常用符號“P”表示。在珠光體中，鐵素體和滲碳體仍保持各自原有晶格類型。珠光體中碳的質(zhì)量分數(shù)平均為0.77%。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強度和塑性，硬度適中，是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。 五、萊氏體(Ld)萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體，萊氏體碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3%。WC2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148時，將同時從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，即萊氏體用符號Ld表示。由于奧氏體在727時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以，在室溫時萊氏體由珠光體和滲碳體所組成。為了區(qū)別起見，將727以

20、上的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld )，在727以下的萊氏體稱為低溫萊氏體（Ld），或稱變態(tài)萊氏體。小結(jié)與作業(yè)課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號8授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第六節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖目的要求1.了解FeFe3C狀態(tài)圖的各個相區(qū)與組織2.掌握狀態(tài)圖中關(guān)鍵點、關(guān)鍵線、關(guān)鍵區(qū)。重點與難點重點：掌握狀態(tài)圖中關(guān)鍵點、關(guān)鍵線、關(guān)鍵區(qū)；難點：鐵碳合金組織對性能的影響。課程導(dǎo)入設(shè)計教法設(shè)計利用掛圖等教具。作業(yè)與思考P31課后記事 第六節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖 一、鐵碳合金狀態(tài)圖在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同化學(xué)成分的合金，在不同溫度下所具有的組織狀態(tài)的一

21、種圖形叫合金狀態(tài)圖，如圖220。 (一)鐵碳合金狀態(tài)圖中的特性點 鐵碳合金狀態(tài)圖中主要特性點的溫度、碳的質(zhì)量分數(shù)及其含義見表22。 (二)主要特性線 1液相線ACD 在此線以上鐵碳合金處于液體狀態(tài)(L)，冷卻下來時碳的質(zhì)量分數(shù)小于4.3%的鐵碳合金在AC線開始結(jié)晶出奧氏體(A)；碳的質(zhì)量分數(shù)大于4.3%的鐵碳合金在CD線時開始結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳體，用Fe3C表示。 2固相線AECF 在此線以下鐵碳合金均呈固體狀態(tài)。 3共晶線ECFECF線是一條水平(恒溫)線，稱為共晶線。在此線以上液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式為：L4.3 1148 A2.11 Fe3C6.69 共晶轉(zhuǎn)變形成了奧氏體與滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體(Ld)。碳的質(zhì)量分數(shù)在2.11%6.69%的鐵碳合金中均會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 4. 共析線PSK PSK線也是一條水平(恒溫)線，稱為共析線，通稱A1線。在此線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式為：A0.77 727 F0.0218 Fe3C6.69 共析轉(zhuǎn)