教學課題第2章工程材料的組織結構.ppt課件

1、教學課題：教學課題： 第第2 2章章 工程資料的組織構造工程資料的組織構造 p 1.純金屬的晶體構造與結晶p 常見金屬晶體構造p 實踐金屬晶體構造p 純金屬的結晶p 2.合金的晶體構造與結晶p 合金的相構造p 合金相圖的建立p 鐵碳合金相圖 經(jīng)過本章的學習，了解常用資料的組織構造，了解和掌握鐵碳合金相圖的內(nèi)容與運用。1.金屬的結晶條件、規(guī)金屬的結晶條件、規(guī)律及控制律及控制2.鐵碳合金的根本組織鐵碳合金的根本組織3.鐵碳合金相圖的內(nèi)容、鐵碳合金相圖的內(nèi)容、意義與運用意義與運用2.1.1 金屬的晶體構造金屬的晶體構造 o晶體晶體 資料的原子離子、分子在三維空間呈規(guī)那么的周期性陳列的物體。如金剛石、

2、水晶、氯化鈉、金屬等。 o非晶體非晶體 資料的原子離子、分子在三維空間無規(guī)那么陳列的物體。如松香、玻璃等。 2.1.1 金屬的晶體構造金屬的晶體構造 o晶體構造晶體構造 晶體中原子離子或分子規(guī)那么陳列的方式。 o晶格晶格 假設經(jīng)過原子離子結點的中心劃出許多空間直線所構成的空間格架。 o晶胞晶胞 能反映晶格特征的最小組成單元 。o晶格常數(shù)晶格常數(shù) 晶胞的三個棱邊的長度a,b,c 及三條棱邊夾角,。一、常見金屬晶體構造一、常見金屬晶體構造o體心立方晶格體心立方晶格 常見的BCC金屬有：鉬Mo、鎢W、釩V、鉻、鈮、-Fe等。 晶胞原子數(shù)是指在一個晶胞中所含的原子數(shù)目。為1/88+1=2個；原子半徑B

3、CC為：r=3/4a；致密度BCC為4/3r32=0.68；配位數(shù)是指晶格中與任一原子最臨近且等間隔的原子數(shù)目。BCC為8個；空隙半徑BCC有兩種空隙半徑，四面體空隙半徑0.29r，八面體空隙半徑0.15r 。 一、常見金屬晶體構造一、常見金屬晶體構造o面心立方晶格面心立方晶格 常見的面心立方晶格金屬有：鋁、銅、鎳、金、銀、-Fe等。 晶胞原子數(shù)FCC為4個。原子半徑FCC為2/4a；致密度FCC為74 ；配位數(shù)12個 ；空隙半徑四面體空隙半徑0.225r；八面體空隙半徑0.414r 。 一、常見金屬晶體構造一、常見金屬晶體構造o密排六方晶格密排六方晶格 常見的密排六方晶格金屬有：鎂、鎘Cd、

4、鋅、鈹Be等。 晶胞原子數(shù)HCP為6個。原子半徑HCP為1/2a；致密度HCP為74；配位數(shù)12個；空隙半徑四面體空隙半徑0.225r ，八面體空隙半徑0.414r。 二、實踐金屬晶體構造二、實踐金屬晶體構造o多晶體構造多晶體構造二、實踐金屬晶體構造二、實踐金屬晶體構造o實踐金屬晶體中的缺陷實踐金屬晶體中的缺陷 空位空位 間隙原子間隙原子 刃型位錯刃型位錯 1. 1.點缺陷點缺陷 三維尺度上都很小，不超越幾個三維尺度上都很小，不超越幾個原子直徑的缺陷。原子直徑的缺陷。 空位；間隙原子空位；間隙原子 2. 2.線缺陷線缺陷 二維尺度很小而第三維尺度很大二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。的缺陷。

5、 刃型位錯；螺型位錯刃型位錯；螺型位錯 3. 3.面缺陷面缺陷 二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。 晶界；亞晶界晶界；亞晶界二、實踐金屬晶體構造二、實踐金屬晶體構造o實踐金屬晶體中的缺陷對資料性能的影響實踐金屬晶體中的缺陷對資料性能的影響 1. 1.點缺陷點缺陷 呵斥部分晶格畸變呵斥部分晶格畸變, ,使金屬的電阻率使金屬的電阻率; ;屈服強度添加屈服強度添加, , 密度發(fā)生變密度發(fā)生變化。化。 2. 2.線缺陷線缺陷 構成位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，金屬強度很構成位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，金屬強度很高，位錯密度越大，金屬強度也

6、會提高。高，位錯密度越大，金屬強度也會提高。 3. 3.面缺陷面缺陷 晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，金屬塑變的才晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，金屬塑變的才干越大，塑性越好。干越大，塑性越好。 2.1.2 純金屬的結晶純金屬的結晶 o凝固凝固 液態(tài)L固態(tài)S S可以是非晶體。o結晶結晶 一種原子陳列形狀過渡為另一種原子 規(guī)那么陳列形狀(晶態(tài))的轉變過程。 一次結晶：LS晶態(tài) 二次結晶：SS晶態(tài) 一、純金屬冷卻曲線分析一、純金屬冷卻曲線分析 o過冷：純金屬實踐結晶溫度總是過冷：純金屬實踐結晶溫度總是低于實際結晶溫度，為什么？低于實際結晶溫度，為什么？冷卻速度越快，過冷度越大。

7、o冷卻曲線上出現(xiàn)平臺，為什么？冷卻曲線上出現(xiàn)平臺，為什么？ 出現(xiàn)“平臺是由于純金屬結晶時會放出“結晶潛熱，抵消外界對它的冷卻作用。當結晶終了后，沒有“結晶潛熱放出，純金屬將會以原來的冷卻速度繼續(xù)冷卻下來。 o只需當液體的過冷度到達一定的大小，結晶過程才干開只需當液體的過冷度到達一定的大小，結晶過程才干開場進展場進展過冷是金屬結晶的必要條件。過冷是金屬結晶的必要條件。過冷度T = T0T1二、純金屬結晶過程二、純金屬結晶過程 o形核形核自發(fā)形核非自發(fā)形核o長大長大平面長大樹枝狀長大三、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為什么要對晶粒尺寸進展控制？為什么要對

8、晶粒尺寸進展控制？o影響晶粒尺寸的要素有哪些？影響晶粒尺寸的要素有哪些？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 單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度(或直徑)。o晶粒大小對資料性能的影響細晶強化晶粒大小對資料性能的影響細晶強化 晶粒越細，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。o影響晶粒度的要素影響晶粒度的要素 過冷度T提高，N提高、G提高 過冷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 蛻變處置 在液態(tài)金屬中參與孕育劑或蛻變劑作為非自發(fā)晶核的中心，以細化晶粒和改善組織。 提高過冷度 附加振動

9、、攪拌等。 2.2.1 2.2.1 合金的相構造合金的相構造 p 根本概念p 合金的相構造p 相圖的建立一、根本概念一、根本概念 o合金合金 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 普通黃銅：Cu+Zn 45鋼: 鐵碳合金 合金除具備純金屬的根本特性外，還可以擁有純金屬所不能到達的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、 強磁性、耐蝕性等。一、根本概念一、根本概念 o組元組元 組成合金的獨立的，最根本的單元。 合金系：假設干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)

10、定化合物。一、根本概念一、根本概念 o相相 在物質(zhì)中，凡是成分一樣，構造一樣并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。n在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。n鐵在同素異構轉變過程中，會出現(xiàn)相的變化。n純鐵是單相的，而鋼普通是雙相或是多相的。n固態(tài)白銅(銅與鎳二元合金)是單相的。n合金中有兩類根本相：固溶體和金屬化合物。一、根本概念一、根本概念 o組織組織 組織是指用肉眼或顯微鏡等所察看到的資料的微觀形貌。n合金的組織是由數(shù)量、大小、外形和分布方式不同的各種相所組成的。n不同組織具有不同的性能。n由不同組織構成的資料具有不同的性能。n同一種鋼經(jīng)過不同的熱處置可以獲得不同的組織，從而獲

11、得不同的性能。n45鋼經(jīng)過不同的熱處置可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。二、合金的相構造二、合金的相構造 o固溶體固溶體 在一種金屬元素的晶格中，溶入另一種或多種元素所構成的相；在固溶體中堅持其原晶體構造的組元元素溶劑，其他的元素組元溶質(zhì)。 按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同，可將固溶體分兩類：置換固溶體和間隙固溶體。二、合金的相構造二、合金的相構造 o固溶體固溶體 在一種金屬元素的晶格中，溶入另一種或多種元素所構成的相；在固溶體中堅持其原晶體構造的組元元素溶劑，其他的元素組元溶質(zhì)。 按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同，可將固溶體分兩類：置換固溶體和間隙固

12、溶體。o固溶體的性能固溶體的性能 固溶體與純金屬相比強度、硬度升高。固溶體的強度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為構造合金的基體相。 這種經(jīng)過構成固溶體使金這種經(jīng)過構成固溶體使金屬強度和硬度提高的景象屬強度和硬度提高的景象稱為固溶強化。稱為固溶強化。它是強化金屬資料的它是強化金屬資料的重要途徑之一。重要途徑之一。固溶強化的緣由：固溶強化的緣由： 由于溶質(zhì)原子由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運動的阻變，晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合難，變形

13、抗力增大，從而提高合金的強度和硬度。金的強度和硬度。二、合金的相構造二、合金的相構造 o金屬化合物金屬化合物 它是合金組元相互作用構成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。o金屬化合物的性能金屬化合物的性能 金屬化合物普通具有復雜的晶格構造，熔點高，硬而脆。當合金中出現(xiàn)金屬間化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。金屬間化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及許多有色金屬的重要組成相。 當金屬化合物呈細小顆粒均勻分當金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性高合金的強度、硬度和耐磨性(此此景象稱為彌散強化景象

14、稱為彌散強化)。二、合金的相構造二、合金的相構造 o機械混合物機械混合物 工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。由于化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，無法運用。固溶體組成的合金，往往由于強度、硬度等不夠高，運用遭到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構成的機械混合物。合金的性能取決于其形狀、大小、數(shù)量、種類等。三、合金相圖的建立三、合金相圖的建立 o熱分析法建立相圖熱分析法建立相圖 以CuNi合金相圖測定為例，闡明熱分析法的運用及步驟：配制不同成分的合金試樣，如純銅；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；25%Cu+75%Ni；純

15、Ni。測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點；將各臨界點繪在溫度合金成分坐標圖上；將圖中具有一樣含義的臨界點銜接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。 o相圖相圖 相圖是表示在平衡形狀下合金系中各種合金形狀、組織與溫度、成分之間關系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或形狀圖。三、合金相圖的建立三、合金相圖的建立 o熱分析法建立相圖及分析熱分析法建立相圖及分析2.2.2 2.2.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 p 純鐵的同素異構轉變p 鐵碳合金的根本相與組織p 鐵碳相圖的分析與運用一、純鐵的同素異構轉變一、純鐵的同素異構轉變 o金屬的同素異構轉變金屬的同素異構轉變 金屬在固態(tài)下隨溫度的變化，由一種晶格變

16、為另一種晶格的景象，稱為金屬的同素異構轉變同素異晶轉變。由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體，稱為同素異構體。 o純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變 -Fe -Fe -Fe 912 4 二、鐵碳合金的根本相與組織二、鐵碳合金的根本相與組織 o鐵素體鐵素體F 鐵素體是碳溶解于-Fe中構成的間隙固溶體，呈體心立方構造，用“F表示。碳在-Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727時為0.0218%，室溫時為0.0008%。由于鐵素體的含碳量低，所以鐵素體具有良好的塑性和韌性，強度和硬度較低，性能與純鐵相近。o奧氏體奧氏體A 奧氏體是碳在-Fe中構成的間隙固溶體，呈面心立方構造，用“A表示。碳在-Fe

17、中的溶解度較大，727時為0.77%，1148到達最大溶碳量2.11%。 奧氏體的強度、硬度不高，且具有良好的塑性。因此，消費中常將工件加熱到奧氏體形狀進展鍛造。 o滲碳體滲碳體Fe3C 滲碳體是鐵和碳組成的金屬化合物，含碳量為6.69%，分子式Fe3C，熔點為1227， 滲碳體硬度很高，塑性很差，滲碳體硬度很高，塑性很差，伸長率和沖擊韌度幾乎為零，伸長率和沖擊韌度幾乎為零，是一個硬而脆的組織，是鋼鐵是一個硬而脆的組織，是鋼鐵中的強化相。中的強化相。 二、鐵碳合金的根本相與組織二、鐵碳合金的根本相與組織 o珠光體珠光體P 珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，含碳量0.77%，用“P表示。 珠光體強

18、度較高，硬度適中，具有一定的塑性。 o高溫萊氏體高溫萊氏體Ld 高溫萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，用Ld或A+Fe3C表示。由于奧氏體屬高溫組織，因此高溫萊氏體僅存在于727以上。 o低溫萊氏體低溫萊氏體Ld 高溫萊氏體冷卻到727以下，將轉變?yōu)橹楣怏w和滲碳體的機械混合物P+Fe3C，稱低溫萊氏體，用Ld表示。 萊氏體含碳量為4.3。由于萊氏體含有的滲碳體較多，故性能與滲碳體相近，即極為硬脆。 三、鐵碳合金相圖分析及運用三、鐵碳合金相圖分析及運用 1.1.特性點特性點符號 溫度, 碳質(zhì)量分數(shù)(C)% 含 義 A 1538 0 純鐵的熔點 C 1148 4.30 共晶點 Lc AE+

19、Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔點 E 1148 2.11 碳在 -Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 -Fe -Fe同素異構轉變點 K 727 6.69 Fe3C的成分 P 727 0.0218 碳在 -Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析點(A1) AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 時碳在 -Fe中的溶解度 2.2.特性線特性線特征線含 義ACD液相線AECF固相線GS(又稱A3)鐵素體完全溶于奧氏體中（或開始從奧氏體中析出）的溫度；奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線ES(又稱Acm)二次滲碳體完全溶于奧氏體中（

20、或開始從奧氏體中析出）的溫度；碳在奧氏體中的溶解度曲線ECF共晶轉變線GP奧氏體轉變?yōu)殍F素體的終了線PQ碳在鐵素體中的溶解度線PSK(又稱A1)共析轉變線3.3.鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類o鋼鋼亞共析鋼 0.0218%Wc0.77% 共析鋼 0.77% 過共析鋼 0.77%Wc= 2.11% o鑄鐵鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 2.11%Wc4.3% 共晶白口鑄鐵 4.3% 過共晶白口鑄鐵 4.3 %Wc6.69% o工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 Wc=0.0218% WcL+AAP(F+Fe3C)室溫時組織組成物室溫時組織組成物P P，含量，含量100%100%。相組成物：。相組成物：F+Fe3CF+Fe3C4

21、.4.典型合金結晶過程分析典型合金結晶過程分析o合金合金II ：亞共析鋼：亞共析鋼LL+AAA+FP(F+Fe3C)+F 所以含碳所以含碳0.40%0.40%的亞共析鋼的的亞共析鋼的室溫組織為：室溫組織為：F+PF+P；相組成物：；相組成物：F+Fe3CF+Fe3C4.4.典型合金結晶過程分析典型合金結晶過程分析o合金合金III ：過共析鋼：過共析鋼LL+AAA+ Fe3CP(F+Fe3C)+ Fe3C 室溫組織為二次滲碳體和珠光室溫組織為二次滲碳體和珠光體。相組成物：體。相組成物：F+Fe3C4.4.典型合金結晶過程分析典型合金結晶過程分析o合金合金IV ：共晶白：共晶白口鑄鐵口鑄鐵LLd(

22、A+ Fe3C) Ld(A+ Fe3C+Fe3C) Ld(P+ Fe3C+Fe3C)室溫組織：室溫組織：LdLd。相組成。相組成物：物：F+Fe3CF+Fe3C4.4.典型合金結晶過程分析典型合金結晶過程分析o合金合金V ：亞共晶：亞共晶白口鑄鐵白口鑄鐵LL+ALd(A+ Fe3C)+A Ld(A+ Fe3C+Fe3C)+ A+ Fe3C Ld(P+ Fe3C+Fe3C)+ P+ Fe3C亞共晶白口鐵的室溫組織：珠光亞共晶白口鐵的室溫組織：珠光體、二次滲碳體和萊氏體二次體、二次滲碳體和萊氏體二次滲碳體依靠在共晶滲碳體上很難滲碳體依靠在共晶滲碳體上很難分辨。相組成物：分辨。相組成物：F+Fe3C

23、4.4.典型合金結晶過程分析典型合金結晶過程分析o合金合金VI ：過共晶：過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵LL+ Fe3CILd(A+ Fe3C)+ Fe3CI Ld(A+ Fe3C+Fe3C)+ Fe3CI Ld(P+ Fe3C+Fe3C)+ Fe3CI室溫組織為一次滲碳體和室溫組織為一次滲碳體和萊氏體。相組成物：萊氏體。相組成物：F+Fe3Co對組織的影響對組織的影響5.5.碳質(zhì)量分數(shù)對組織和性能的影響碳質(zhì)量分數(shù)對組織和性能的影響o對性能的影響對性能的影響5.5.碳質(zhì)量分數(shù)對組織和性能的影響碳質(zhì)量分數(shù)對組織和性能的影響 wc0.9% wc0.9%wc0.9%以后，二次滲碳體沿晶界構成以后，二次滲碳體沿晶界構成較完好的網(wǎng)，鋼的強度開場明顯下降，硬度仍在增高，較完好的網(wǎng)，鋼的強度開場明顯下降，硬度仍在