第三章第三節(jié)

1、金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)3 33 3金屬的組成與結(jié)構(gòu)金屬的組成與結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)教學(xué)目的與要求: 1.了解金屬結(jié)晶過程及其規(guī)律。 2.了解常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)及同素異構(gòu)對金屬性能的影 響。 3.掌握合金的基本相與基本組織及其對合金性能的影響。 4.掌握合金的成分、組織與性能的關(guān)系。 5.能利用鐵碳相圖定性地分析鐵碳合金成分、組織、性 能間的關(guān)系。 6.能夠分析平衡狀態(tài)下典型成份鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變過 程。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容： 金屬的結(jié)晶過程，結(jié)晶規(guī)律，純金屬的晶體結(jié)構(gòu)，合金 的組織，鐵碳合金平衡狀態(tài)圖。重點(diǎn)、難點(diǎn)： 有關(guān)金屬學(xué)的基本概念

2、， 鐵碳合金平衡狀態(tài)圖及其分析。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)本章主要閱讀文獻(xiàn)： 1、周鳳云主編. 工程材料及應(yīng)用. 武漢：華中科技大 學(xué)出版社，2002。 2、于永泗主編.機(jī)械工程材料. 大連：大連理工大學(xué) 出版社，2003。 3、盧秉恒主編. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，1999 。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)一、金屬結(jié)晶的有關(guān)概念(一)晶體的概念晶體：是指原子（離子分子）在三維空間呈有規(guī)則的周期性 重復(fù)排列的物質(zhì)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：各向異性 具有規(guī)則的外形 具有固定的熔點(diǎn)3.3.1 金屬的結(jié)晶金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)（二）金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象1、理論結(jié)

3、晶溫度2、過冷現(xiàn)象 實際結(jié)晶過程只有在理論結(jié)晶溫度以下才能進(jìn)行的現(xiàn)象叫過冷現(xiàn)象。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)液態(tài)和固態(tài)自由能隨溫度變化的示意圖以及純金屬的冷卻曲線金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)二、金屬結(jié)晶的過程 金屬的結(jié)晶過程分為三個方面進(jìn)行表述：1.1.液態(tài)液態(tài)固態(tài)；固態(tài)；2.原子由液態(tài)下的無序狀態(tài)固態(tài)下的有序狀態(tài)；3.原子由液態(tài)下的高速運(yùn)動固態(tài)下原子的低速運(yùn)動。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬結(jié)晶過程示意圖1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核長大和新的晶核產(chǎn)生； 4、晶核長大； 5、所有液態(tài)形成晶核 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)(一)形核方式 金屬結(jié)晶時，由于

4、結(jié)晶條件不同，可能出現(xiàn)兩種不同的形核方式：一種是自發(fā)形核，另一種是非自發(fā)形核一種是自發(fā)形核，另一種是非自發(fā)形核。1. 自發(fā)形核 當(dāng)液態(tài)金屬很純凈時，在足夠大的過冷度之下，金屬晶核將從液相中直接形成，這種形核方式稱為自發(fā)形核。2. 非自發(fā)形核 在實際液態(tài)金屬中，往往存在一些微小的固體微粒，晶核就優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體表面而形成，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)(二)過冷度對形核和晶核長大的影響 過冷度對于晶核形成率和成長速率的影響，主要是因為在結(jié)晶過程中有兩個因素同時在起作用：兩個因素同時在起作用：一是晶體與液體的自由能差（F），是晶核形成和長大的驅(qū)動力；二是

5、液體中原子遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)（D），是晶核形成和長大的必須條件。如圖24、25所示。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)三、晶粒大小的控制(一)晶粒度晶粒度對金屬性能的影響 常溫下，晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，則強(qiáng)度和硬度越常溫下，晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，則強(qiáng)度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好高，同時塑性和韌性也越好，即綜合機(jī)械性能好。 高溫下，高溫下，晶粒應(yīng)適當(dāng)粗化，其性能較好。因為高溫下原子沿晶界的擴(kuò)散比晶內(nèi)快，晶界對變形的阻力大大減弱所致。 (二)決定晶粒度的因素 晶粒度取決于N/G，其值越大，晶粒越細(xì)小。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)(三)細(xì)

6、化晶粒方法及原理 1. 控制過冷度 V實增大，Tn降低，T增大，為結(jié)晶過程提供了更多的能量 。2. 變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬中加入一定變質(zhì)劑（粉末狀、細(xì)顆粒）變質(zhì)劑（粉末狀、細(xì)顆粒），促進(jìn)形核，以增加晶核數(shù)目或抑制晶粒長大，從而細(xì)化晶粒。 3. 機(jī)械振動法（如攪動）超聲波振動法等。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)一、晶格、晶胞、晶體常數(shù)晶體結(jié)構(gòu)： 晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。 晶格： 通過金屬原子(離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。這種格架稱為晶格。晶格的結(jié)點(diǎn)為金屬原子(或離子)平衡中心的位置。 晶體和晶格的示意圖3.3.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料

7、的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)晶胞： 能反映該晶格特征的最小組成單元稱為晶胞，晶胞在三維空間的重復(fù)排列構(gòu)成晶格。晶胞的基本特性即可反映該晶體結(jié)構(gòu)(晶格)的特點(diǎn)。晶格常數(shù)： 晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、這六個參數(shù)來描述。其中a、b、c 為晶格常數(shù)。 金屬的晶格常數(shù)一般為: 110-10 m710-10 m。晶胞和晶格常數(shù)示意圖金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)二、常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)(一)體心立方晶格 體心立方晶胞原子如何排列體心立方晶胞原子如何排列 體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立

8、方體的角上，一個原子處于立方體的中心, 角上八個原子與中心原子緊靠。 具有體心立方晶格的金屬有鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、-鐵(-Fe, 912 )等。大多具有較高的強(qiáng)度和韌性。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)體心立方晶胞金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)體心立方晶胞特征： （1）晶格常數(shù) a=b=c, =90 （2）晶胞原子數(shù) 在體心立方晶胞中, 每個角上的原子在晶格中同時屬于8個相鄰的晶胞,因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為1/8, 而中心的那個原子則完全屬于這個晶胞。所以一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為 2個。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)(二)面心立方晶格 面心立方晶胞

9、原子如何排列面心立方晶胞原子如何排列 金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。 具有這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、- 鐵( -Fe, 912 1394 )等。大都具有較高的塑性。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)面心立方晶胞金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)面心立方晶胞的特征：（1）晶格常數(shù) a=b=c，=90 （2）晶胞原子數(shù) (個) 1/8*8+1/2*6=4 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)(三)密排六方晶格 密排六方晶胞原子如何排列密排六方晶胞原子如何排列 十二個金屬原子分布在六方體的十

10、二個角上，在上下底面的中心各分布一個原子, 上下底面之間均勻分布三個原子。 具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。大多具有較大的脆性，塑性差。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)密排六方晶胞金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)密排六方晶胞的特征：（1）晶格常數(shù) （a=bc，=90，= 120 ） 用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表達(dá), 兩相鄰側(cè)面之間的角為120, 側(cè)面與底面之間的夾角為90。 （2）晶胞原子數(shù) 1/6*12+1/2*2+3=6 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)三、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變FeFeFe同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變在固態(tài)下，

11、隨著溫度的變化，金屬的晶體在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。L1538 1394 912 一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì) 稱為同素異晶性。Fe、Sn、Ti、Mn溫度時間1538 1394 912 體心面心體心FeFeFeFe金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)研究同素異晶轉(zhuǎn)變的意義：1）熱處理2）內(nèi)應(yīng)力金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)3.3.3 合金的組織金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)返返 回回金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬

12、材料的組織結(jié)構(gòu)返返 回回金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)返返 回回金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)返返 回回金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)晶格畸變示意圖 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu) 固溶強(qiáng)化概念：固溶強(qiáng)化概念： 晶格畸變導(dǎo)致金屬塑性變形阻力增大，從而使其強(qiáng)度和硬度提高，這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化機(jī)理：固溶強(qiáng)化機(jī)理： 溶質(zhì)原子溶入晶格畸變位錯運(yùn)動阻力上升金屬塑性變形困難強(qiáng)度、硬度升高。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)一、鐵碳合金中的基本相與基本組織

13、一、鐵碳合金中的基本相與基本組織 鐵碳合金中的基本相中有:l 鐵素體（F）l 奧氏體(A)l 滲碳體(Fe3C)3.3.4 鐵碳合金及其平衡狀態(tài)圖金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)（一）基本相0.00060.0008%金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)（二）基本組織（二）基本組織Ld金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)五種基本組織的關(guān)系C溶入溶入-Fe溶入溶入-FeFAFe3C與與Fe化化合合P混混合合LdLd混混合合混合混合金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)二、鐵碳合金平衡狀態(tài)圖二、鐵碳合金平衡狀態(tài)圖1、相圖（狀態(tài)圖）2、相圖的組成（1）縱坐標(biāo)：溫度；（2）橫坐標(biāo)：成分；（3）圖中的每

14、一條相變線；（4）每一相變線組成的相區(qū)。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu) 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表。 狀態(tài)圖溫度時間1538 1394 912 體心面心體心1538 1394 912 溫度成分狀態(tài)圖的作用是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.02C%C%114114881538 1538 727727P PL LAF F3 3、鐵碳相圖中的特性點(diǎn)及意義、鐵碳相圖中的特性點(diǎn)及意義溫度912912CFe3C6.696.69FA純鐵的熔點(diǎn)。DFe3

15、C的熔點(diǎn)。 EC在-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1148 2.11%C 鋼和鐵的分界點(diǎn)。L Ld d金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)C共晶點(diǎn)，1148 4.3%C 共晶點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)的點(diǎn)。 共晶反應(yīng) 在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結(jié)晶出一定成分的兩個固相的反應(yīng)。 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物共晶體機(jī)械混合物 L（4.3%C） A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）1148Ld G 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 912 P C在-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。727 0.02%C 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu) S 共析點(diǎn)。 727 0.77% 共析點(diǎn) 發(fā)生共析反應(yīng)的點(diǎn)。 共析反應(yīng)在一定的溫度下，由

16、一定成分的固相同時結(jié)晶出一定成分的另外兩個固相另外兩個固相的反應(yīng)。 共析反應(yīng)的產(chǎn)物 共析體 機(jī)械混合物 A A（0.77%C0.77%C） F F（0.002%C 0.002%C ）+ Fe+ Fe3 3C C（6.69%C 6.69%C ）727727P P金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)4 4、鐵碳相圖中的特性線及意義、鐵碳相圖中的特性線及意義AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.02C%C%114114881538 1538 L Ld d727727P PL LAF F溫度912912CFe3C6.696.69FAECFAECF線固相線 ACDACD

17、線液相線AEAEA A析出終了線ECFECF共晶線 1148ACAC析出A ACDCD析出 FeFe3 3C CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LdLd + Fe3C金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)ES線 C在-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CGS線 溶解度曲線 AF GP線 F析出終了線。PSK線 共析線 727PQ線 碳在-Fe中的溶解度曲線。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)5. 鐵碳合金圖各相區(qū)的組織（1）單相區(qū)：L、F、A、Fe3C （2）兩相區(qū)：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3）三相區(qū)：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬

18、材料的組織結(jié)構(gòu)三、典型鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變?nèi)⒌湫丸F碳合金的組織轉(zhuǎn)變 工業(yè)純鐵、鋼和生鐵的分類、成分及室溫組織如表所示 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)2 23 31 1LAAL+P1 1LAAL+A+P+F4 43 32 2F4 41 1LL+A+P+Fe3C2 23 3AAFe3C1 1L2 2LdLd1 1LA+L+LdP+Fe3C+LdA+Ld +3 32 2AFe3C3 31 1L2 2L+ Fe3CFe3C+Fe3C+LdLd1鋼2 2生鐵生鐵 共析鋼: 亞共析鋼: 過共析鋼: 共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過共晶生鐵:金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)鐵碳合金平衡狀態(tài)圖 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)四、鐵碳合金的化學(xué)成分、組織和性能的關(guān)系四、鐵碳合金的化學(xué)成分、組織和性能的關(guān)系 按照鐵碳相圖, 鐵碳合金在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成。隨碳含量的