金屬材料與熱處理課件

1、第一章第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 金屬的特性和金屬鍵；晶體與非晶體；金屬的特性和金屬鍵；晶體與非晶體； 金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一；金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一； 實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響；是力學(xué)性能有著重大的影響； 純金屬結(jié)晶過程；純金屬結(jié)晶過程； 晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)化晶粒的途徑和方法?；Я５耐緩胶头椒ā金屬金屬 金屬鍵結(jié)合。v具有正的電阻溫度系數(shù)、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱

2、性、延展性和金屬光澤。v固體: 晶體和非晶體。v絕大多數(shù)金屬與合金都是晶體。v晶體：原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵共有價(jià)電子電子云鍵無方向性和飽和性 晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別在于：（1）晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點(diǎn)是 規(guī)則排列，而非晶體中這些質(zhì)點(diǎn)是無規(guī)則堆積在一起的。 天然晶體的外形對稱性。 （2）晶體具有明顯、固定的熔點(diǎn)熔點(diǎn)。如鐵的熔點(diǎn)為1538 ，銅的熔點(diǎn)為1083 。 （3）晶體有各向異性。 金屬是晶體，晶體學(xué)理論研究金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 液體液體非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。一、一、 晶體學(xué)簡介晶體學(xué)簡介 1 晶體結(jié)構(gòu)模型 理想晶體中，原子規(guī)則排列，原子在空

3、間周期性地重復(fù)，每個(gè)原子具有相同的環(huán)境。 假設(shè)：原子為固定不動(dòng)的剛性小球。a 原子堆垛模型2、晶格、空間點(diǎn)陣、晶胞、晶格、空間點(diǎn)陣、晶胞 將原子、離子等抽象為幾何的點(diǎn)。空間點(diǎn)陣：幾何點(diǎn)(原子)在空間排列的陣列。晶 格：幾何點(diǎn)(原子)排列的空間格架。晶 胞：晶格中體積最小，對稱性最高的平行六面體。是能代表原子排列形式特征的最小幾何單元。點(diǎn)陣參數(shù)：點(diǎn)陣常數(shù) a, b, c； 棱間夾角 ,。P晶胞在三維空間的重復(fù)排列，構(gòu)成點(diǎn)陣。c 晶格 a ab bc c zxyd 晶胞布拉菲在1948年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，稱為布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系。二、 金

4、屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶系 軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)配位數(shù) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即K = n v/ V K = n v/ V 。式中，。式中，n n為為晶胞所含原子數(shù)、晶胞所含原子數(shù)、vv為單個(gè)

5、原子體積、為單個(gè)原子體積、V V為晶胞體積。為晶胞體積。 原子半徑原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。一半。 體心立方晶格參數(shù)Cr、V、Mo、W和-Fe等30多種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)B A CDEFGHaaa2aAEFCa2a3abcc 晶體結(jié)構(gòu)特征分析： 1、點(diǎn)陣參數(shù)a=b=c =90 2、晶胞中原子數(shù)=1+81/8=2 3、原子半徑 r = 3 /4 a 4、8 配位數(shù)越大，原子排列越緊密。 5、致密度=晶胞中所含原子

6、占體積的總和/晶胞體積 = nV原子/V晶胞面心立方晶格參數(shù)Al、Cu、Ni和-Fe等約20種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)afcc 晶體結(jié)構(gòu)特征： 1 點(diǎn)陣參數(shù)：a=b=c = = 2 晶胞原子數(shù)： N=3+1=4 3 原子半徑 r=2a/4 4 配位數(shù)= 12 5 致密度= nv/V=(43r3/4)/a3=0.74 Fe(9121394)、Cu、Ni、Al、Ag 等 (三三)密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu) 金屬有：Zn、Mg、Be、-Ti、-Co等 晶體結(jié)構(gòu)特征： 1、點(diǎn)陣參數(shù)：a1=a2=a3=a，1=2=3=120

7、0 平面軸X1、X2、X3和Z軸的夾角=9OO Z軸的單位長度=c，一般用a、c兩個(gè)量來度量。 2、晶胞原子數(shù) N=Ni+Nf/2+Nc/6=3+2/2+12/6=6 3、原子半徑：當(dāng)c/a=1.633時(shí)，三層原子緊挨著， 此時(shí) d=a，r=a/2。 4、配位數(shù)=12 5、致密度=0.74 ZX1X2X3結(jié)構(gòu)類型 晶胞原子數(shù)晶格常數(shù) 原子半徑配位數(shù)致密度體心立方體心立方 2 a3a/4 8 0.68面心立方面心立方 4 a2a/4 12 0.74密排六方密排六方 6 a，c a/2 12 0.74 金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)（金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)（P5）四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

8、四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶向晶向在晶體點(diǎn)陣中，由陣點(diǎn)組成的任一直線，代表著晶體空間內(nèi)的一個(gè)方向，稱為晶向。 晶面晶面在晶體點(diǎn)陣中，由陣點(diǎn)所組成的任一平面，代表著晶體的原子平面，稱為晶面。 1 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 晶向指數(shù)用數(shù)字符號定量地表示晶向，這種數(shù)字符號稱為晶向指數(shù)。 晶向指數(shù)的標(biāo)定方法：晶向指數(shù)的標(biāo)定方法： (1) 確定坐標(biāo)系，對立方晶系選用三軸直角坐確定坐標(biāo)系，對立方晶系選用三軸直角坐標(biāo)系，標(biāo)系，X、Y、Z 軸互相垂直，以晶格常數(shù)軸互相垂直，以晶格常數(shù)a、b、c 作為三個(gè)軸的單位長度。作為三個(gè)軸的單位長度。 (2)以晶向上的任一原子作為坐標(biāo)原點(diǎn)，找出以晶向上的任一原子作為坐標(biāo)原點(diǎn)，找出該

9、晶向上另一原子的坐標(biāo)值，并化為最小整數(shù)。該晶向上另一原子的坐標(biāo)值，并化為最小整數(shù)。(或者從座標(biāo)原點(diǎn)引一條平行于待測晶向的直線或者從座標(biāo)原點(diǎn)引一條平行于待測晶向的直線 ) (3) u v w 晶向族 同一種晶體結(jié)構(gòu)中空間位向不同，但原子排列情況相同的一系列晶向。 ：100、010、001、100、010 001。 ：110、101、011、110、101、011 2 晶面指數(shù)晶面指數(shù)用數(shù)字符號定量地表示晶面晶面指數(shù)標(biāo)定方法 (1)以晶胞的三條互相垂直的棱邊為座標(biāo)軸X、Y、Z，坐標(biāo)原點(diǎn)0應(yīng)位于待定晶面之外。 (2)以晶格常數(shù)為單位求出待定晶面在各軸上的截距。 (3)取各截距的倒數(shù)，最小整數(shù)化， (

10、 h k l ) 晶面族晶面族晶面指數(shù)的數(shù)字相同，但排列順序不同的一系列晶面。原子排列完全相同。用 h k l 表示。 如在立方晶系中： 100晶面族包括(100)、(010)、(001)、 (100)、(010)、(001)。 111晶面族包括(111)、(111)、(111)、(111)、 (111)、(111)、(111). (111)晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下頁的兩緊密程度是不一樣的。下頁的兩個(gè)表給出了體心立方晶格和面心個(gè)表給出了體心立方晶格

11、和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。的原子排列方式和緊密程度。五、晶體的五、晶體的 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(多晶型性轉(zhuǎn)變多晶型性轉(zhuǎn)變) 金屬由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的金屬由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱之為現(xiàn)象稱之為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。（溫度、壓力）。（溫度、壓力） 如如 Fe晶體，晶體，室溫室溫912，體心立方，體心立方，- Fe， 912 1394 ，面心立方，面心立方，-Fe， 1394 熔點(diǎn)熔點(diǎn)1538 ，體心立方，體心立方，- -Fe。 Fe, Mn, Ti , Co 等少數(shù)金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。等少數(shù)金

12、屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。性能隨之變化。性能隨之變化。 六、晶體的各向異性 不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子間距離不同， 結(jié)合力不同晶體在不同方向上的力學(xué)、物理和化學(xué)性能有所差異各向異性。 -Fe單晶體，密排方向 111 的彈性模量E=290,000MN/m2，而非密排方向100的E=135,000MN/m2。七、多晶體的偽各向同性七、多晶體的偽各向同性 如如Fe，不同方向上，不同方向上E均為均為210000MN/m2左右。左右。 原因：實(shí)際材料為多晶體，各單晶粒分布的方原因：實(shí)際材料為多晶體，各單晶粒分布的方向不同，各向異性相互抵消，而呈現(xiàn)無向性。向不同，各向異性相互抵消，而呈現(xiàn)無向性。 偽各

13、向異性。偽各向異性。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體） 2 晶體缺陷晶體缺陷 原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。p 理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。p 實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：多晶體+

14、晶體缺陷p 晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。3.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷一、一、 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。二、線缺陷二、線缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò)：兩維尺寸很?。簝删S尺寸很小，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列 一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)： (1)有一額外半原子

15、面；有一額外半原子面； (2)位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道。位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道。螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)2 位錯(cuò)密度和金屬材料強(qiáng)度的關(guān)系位錯(cuò)密度和金屬材料強(qiáng)度的關(guān)系(1)位錯(cuò)在晶體中存在形態(tài) 位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，密度高時(shí)互相纏繞，形成位錯(cuò)纏結(jié)。(2)位錯(cuò)密度 單位體積包含的位錯(cuò)總長度= L / V 退火軟化金屬中=1010 1012 m - 2 冷變形金屬中= 1015 1016 m - 2。300MPa 2000MPa13400MPa(3)金屬強(qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系 金屬鐵須晶(直徑1.6m)： 13400MPa， 退火工業(yè)純鐵： 300MPa， 強(qiáng)化處理合金鋼

16、： 2000MPa。三三 面缺陷面缺陷 兩兩維尺寸很維尺寸很大大, ,第三向第三向尺寸很尺寸很小小 類型類型 ： 晶體表面、晶界、亞晶界、層錯(cuò)、相界晶體表面、晶界、亞晶界、層錯(cuò)、相界 晶界：晶界： 小角度晶界小角度晶界相鄰晶粒的位向差小于相鄰晶粒的位向差小于10的晶的晶 界?；旧嫌晌诲e(cuò)構(gòu)成。界。基本上由位錯(cuò)構(gòu)成。 大角度晶界大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位向差大于10的晶的晶 界。原子排列比較混亂，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。界。原子排列比較混亂，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 亞晶界：亞晶界： 晶粒內(nèi)部位向差小于晶粒內(nèi)部位向差小于 1 的亞結(jié)構(gòu)，也稱為亞晶的亞結(jié)構(gòu)，也稱為亞晶粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。通

17、常由位錯(cuò)構(gòu)成。粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。通常由位錯(cuò)構(gòu)成。亞晶界亞晶界 相界相界：不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面：不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面 界面結(jié)構(gòu)類型界面結(jié)構(gòu)類型: 共格界面共格界面, 半共格半共格, 非共格非共格 3 金屬的結(jié)晶與鑄錠 本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 形核條件形核條件 結(jié)晶過程及結(jié)晶的微觀機(jī)理結(jié)晶過程及結(jié)晶的微觀機(jī)理 影響鑄造中晶粒大小的因素及控制影響鑄造中晶粒大小的因素及控制 結(jié)晶后的組織特征結(jié)晶后的組織特征液體 固體（晶體 或 非晶體）- 液體 晶體 - 晶體晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶一一 金屬結(jié)晶現(xiàn)象金屬結(jié)晶現(xiàn)象1 熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件 熱力學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度轉(zhuǎn)變的可能性

18、熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 G = G(轉(zhuǎn)變后轉(zhuǎn)變后) G(轉(zhuǎn)變前轉(zhuǎn)變前) 0 只有存在只有存在T 時(shí)，時(shí)，才才 能能 保保 證證G 0， 使使 LS 存在過冷度存在過冷度T的的原因原因。2.金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 1.過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 2.結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱(Lm)Gv=LmT/Tm二二 結(jié)晶的過程結(jié)晶的過程 結(jié)晶的過程：形核與長大形核與長大 1 形核：形核：形核方式有兩種：均勻形核，即新相晶核在母相內(nèi)自發(fā)地形成；非均勻形核，即新相晶核在母相與外來夾雜的相界面處優(yōu)先形成。工程實(shí)際中材料的凝固主要以非均勻形核方式進(jìn)

19、行，但均勻形核的基本規(guī)律十分重要，它不僅是研究晶體材料凝固問題的理論基礎(chǔ)，而且也是研究固態(tài)相變的基礎(chǔ)。（1）、均勻形核）、均勻形核 均勻形核（均質(zhì)形核）是指在均勻單一的母相中形成新相結(jié)晶核心的過程。均勻形核的能量和結(jié)構(gòu)條件 在過冷的液態(tài)金屬中，晶胚形成的同時(shí)，體系自由能的變化包括轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的那部分體積引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假設(shè)單位體積自由能的下降為 Gv(Gv0) ，比表面能為，晶胚假設(shè)為球體，其半徑為r ,則晶胚形成時(shí)體系自由能的變化為: G= 4r3Gv/3+4r2 當(dāng) rrc 時(shí)，晶胚的長大使系統(tǒng)自由能降低，這樣的晶胚稱為臨界晶核，rc為臨界晶核半徑。 可見

20、，過冷度 T 越大， rc 越小，即形核的機(jī)率增加。形成臨界晶核需要的能量稱為臨界晶核形核功 Gc,即上式表明，形成臨界晶核時(shí)液、固相之間的自由能差只能供給所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能量起伏來提供。TLTrcmm2AGcc31=金屬形核三個(gè)條件：金屬形核三個(gè)條件： (1).過冷度（過冷度（ T ）(2).結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏(3).能量起伏能量起伏 瞬時(shí) 1瞬時(shí) 2經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點(diǎn)時(shí)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 是近程有序遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)，見右圖； 存在著能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。局部的近程有序局部的近程有序（2）、非均勻形核）、非均勻形核假定固相晶胚以球冠狀形成于基底B

21、的平面上，如圖5-9所示,設(shè)固相晶核表面的曲率半徑為r，晶核與基體面的接觸角為，球冠底圓半徑為R.)4coscos32(3-均非GG 在（0，）之間（2-3cos+cos3 ）恒小于1即非均勻形核功很小，在很小的T下即可形核。而且，角越小，潤濕越好，則 越易生核 。 總之，非均勻形核比均勻生核容易。(3)形核率形核率（N = cm -3 s 1）： 單位時(shí)間單位體積液相中單位時(shí)間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目。所形成的晶核數(shù)目。 意義意義: N 越大，結(jié)晶后獲越大，結(jié)晶后獲得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好。度高，韌性也好。 控制因素控制因素: N = N1 N2

22、N 1 受形核功影響的受形核功影響的因子；（因子；（T N 1） N 2 受擴(kuò)散控制的因受擴(kuò)散控制的因子。（子。（T N 2）實(shí)際生產(chǎn)中過冷度實(shí)際生產(chǎn)中過冷度 均勻形核均勻形核(自發(fā)形核自發(fā)形核)：核來源于結(jié)構(gòu)起伏 過冷度：過冷度：T=0.2Tm 非均勻形核（非自發(fā)形核非均勻形核（非自發(fā)形核）：核來源于金屬溶液中的第二相雜質(zhì)粒子。 形核功下降故其過冷度：形核功下降故其過冷度： T=0.02Tm 2 晶核的長大晶核的長大 “枝晶生長枝晶生長”方式方式常見常見三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制 （1）晶粒大小對材料性能的影響 常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性也越好。 （2）鑄

23、造中控制晶粒大小 每個(gè)晶核長成一個(gè)晶粒，形核率越大，長大速度越小，則單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。 凡促進(jìn)形核，抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。在工業(yè)上常用的方法有： 增加過冷度增加過冷度T 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 振動(dòng)、攪動(dòng)：機(jī)械方法、電磁波攪拌、振動(dòng)、攪動(dòng)：機(jī)械方法、電磁波攪拌、 趨聲波趨聲波攪拌等攪拌等。四四 金屬鑄錠的組織與缺陷金屬鑄錠的組織與缺陷 1、鑄錠三晶區(qū)、鑄錠三晶區(qū)（一）表層細(xì)晶區(qū)（一）表層細(xì)晶區(qū) 形成原因： （1）過冷度T大。 （2）模壁作為非均勻形核的位置。（二）柱狀晶區(qū)二）柱狀晶區(qū) 形成原因： (1) 細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度T逐漸減小，不易形成新的晶

24、核，而已形成的細(xì)晶區(qū)中某些晶粒可以長大。 (2) 垂直于模壁方向散熱最快，晶體沿相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。（三）中心等軸粗晶區(qū)（三）中心等軸粗晶區(qū) 形成原因：形成原因： （1）液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，可同時(shí)形核。 （2）雜質(zhì)集中與此，降低了液體的熔點(diǎn)，滿足了結(jié)晶對過冷度的要求。 （3）散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。 長成等軸晶。 由于過冷度T不大，晶粒較粗大。 等 軸 晶 柱 狀 晶優(yōu)點(diǎn)：無方向性，無明顯弱 面，熱加工性能好。缺點(diǎn)：顯微縮孔多，致密性 差。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密缺點(diǎn)：1、由于結(jié)晶位向一致， 性能有方向性，熱加 工性能差。 2、兩個(gè)不同方向柱狀晶的結(jié)合處，雜質(zhì)多，強(qiáng)度低

25、，稱為弱面，熱軋時(shí)易破斷。等軸晶和柱狀晶體性能比較等軸晶和柱狀晶體性能比較2 鑄錠組織的控制鑄錠組織的控制 一般有三個(gè)晶區(qū)，凝固條件復(fù)雜，在某些情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。（一）影響柱狀晶生長的因素：（一）影響柱狀晶生長的因素： （ 1）鑄錠模的冷卻能力）鑄錠模的冷卻能力 柱狀晶的長大速度與己凝固固相的溫度梯度和液相的溫度梯度有關(guān)，固相的溫度梯度越大，或液相的溫度梯度越小，則柱狀晶的長大速度便越大。 鑄錠模及剛結(jié)晶的固體的導(dǎo)熱能力越大，越有利于柱狀晶的生長。對尺寸較大的鑄件，若增加金屬鑄模的厚度，提高鑄模的冷卻能力，都會增加柱狀晶。但對尺寸較小的鑄件，若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等

26、軸晶的發(fā)展（增加形核率），如在小連鑄小截面鋼坯時(shí)，采用水冷結(jié)晶器，就可使連鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。（2）澆注溫度與澆注速度）澆注溫度與澆注速度 提高澆注溫度和澆注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶發(fā)展。（3）熔化溫度）熔化溫度 熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，非均勻形核數(shù)目減少，從而減少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。3 鑄錠缺陷鑄錠缺陷 常見的缺陷有縮孔、氣孔及夾雜物等。 （一）縮孔一）縮孔 大多數(shù)金屬液態(tài)密度要小于固態(tài)，因此結(jié)晶時(shí)要發(fā)生體積收縮。 縮孔分為集中縮孔和分散縮孔（縮松）兩類。 1、集中縮孔 2、分散縮孔(二二)氣孔氣孔(氣泡氣泡

27、) 鑄錠中的主要?dú)怏w是氫，其次是氮和氧，在鑄錠（件）凝固過程中析出的氣泡來不及上浮，就會留在鑄錠(件)中，給材料的性能造成不利影響。（三）夾雜物（三）夾雜物 鋼錠（件）中的夾雜物根據(jù)來源分為兩類: 外來夾雜物：如在澆注過程中混入的耐火材料等。 內(nèi)生夾雜物：如氧化物夾雜、硫化物夾雜、氮化物夾雜等。夾雜物的存在，對鑄錠（件）的性能產(chǎn)生不良影響。1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 一一 金屬變形的方式及研究方法金屬變形的方式及研究方法1 方式：彈性變形方式：彈性變形 塑性變形塑性變形 斷斷 裂裂 2 研究方法研究方法 載荷載荷變形曲線變形曲線 工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 真應(yīng)力真應(yīng)力真應(yīng)變曲線真

28、應(yīng)變曲線成形成形失效失效研究手段研究手段真應(yīng)力真應(yīng)力真應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力真應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力工程應(yīng)變曲線工程應(yīng)變曲線差別差別第二章第二章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶動(dòng)畫3 常見的各種外載荷17動(dòng)畫3 常見的各種外載荷1719動(dòng)畫4 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖3 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線 -典型性典型性bse 分析變形過程；分析變形過程； 強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的意義；強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的意義；e、s、-1、b；、 二二 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形 從單晶體到多晶體的塑性變形從單晶體到多晶體的塑性變形 塑性變形方式：滑移；孿生塑性變形方式：滑移；

29、孿生 F3動(dòng)畫1 單晶體正應(yīng)力拉伸 1. 塑性變形 金屬在外力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部只發(fā)生彈性應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，迫使組成金屬的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移或?qū)\晶，同時(shí)晶粒間也產(chǎn)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，因而形成了宏觀的塑性變形。 1 1）彈性變形及破斷）彈性變形及破斷 當(dāng)金屬受外力作用時(shí)，外力可分為正應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力使金屬產(chǎn)生彈性變形或破斷,見動(dòng)畫1。2 2）單晶體塑性變形）單晶體塑性變形 實(shí)驗(yàn)表明，晶體只有在切應(yīng)力的作用下才會發(fā)生塑性變形。室溫下，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生進(jìn)行的?；剖侵冈谇袘?yīng)力作用下，晶體的一部分相對于晶體的另一部分沿滑移面作整體滑動(dòng)，動(dòng)畫

30、2為單晶體在切應(yīng)力作用下的滑移變形過程。4動(dòng)畫2 單晶體在切應(yīng)力作用下的滑移變形 孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分原子相對于另一部分原子沿某個(gè)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)，使未轉(zhuǎn)動(dòng)部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分的原子排列呈鏡面對稱。單晶體在切應(yīng)力 作用下的孿生變形過程見動(dòng)畫3。動(dòng)畫3 孿生變形3 3）孿生）孿生5 （一）滑移及相關(guān)概念（一）滑移及相關(guān)概念 滑移：滑移：晶體的一部分晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相沿著一定的晶面和晶向相對另一部分發(fā)生相對的平對另一部分發(fā)生相對的平行滑動(dòng)，滑動(dòng)的距離為原行滑動(dòng)，滑動(dòng)的距離為原子間距的整數(shù)倍。這種變子間距的整數(shù)倍。這種變形方式稱為形方式稱為。滑移帶滑移線高錳鋼中的滑移帶，X5002

31、 滑移特點(diǎn)滑移特點(diǎn) 發(fā)生在發(fā)生在最密排晶面最密排晶面， 滑移方向?yàn)榛品较驗(yàn)樽蠲芘啪蜃蠲芘啪颍粡棌椥孕陨焐扉L長彈性歪扭彈性歪扭斷斷裂裂塑性變形塑性變形（滑移滑移） 只在切應(yīng)力下發(fā)生，存在只在切應(yīng)力下發(fā)生，存在臨界分切應(yīng)力。臨界分切應(yīng)力。F k 的影響因素：的影響因素： 取決于金屬本性，與外力無關(guān)，取向無關(guān)；取決于金屬本性，與外力無關(guān)，取向無關(guān)；s的影響因素：的影響因素： 與與k有關(guān)；有關(guān)； 與取向有關(guān)。與取向有關(guān)。 滑移兩部分相對移動(dòng)的距離是原子間距的滑移兩部分相對移動(dòng)的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致；持一致；(本質(zhì)：位錯(cuò)

32、的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng))位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)只是少量原子的微量移動(dòng)，因而其所需的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性滑移，這也就是塑性變形在外力遠(yuǎn)未達(dá)到理論臨界切應(yīng)力時(shí)就已大量發(fā)生的原因所在。 近代塑性理論研究與實(shí)踐證明，晶體內(nèi)的滑移或?qū)\生不是晶體兩部分之間的整體剛性滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，而是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)是晶體內(nèi)部的一種線缺陷，是局部晶體內(nèi)某一列或若干列原子發(fā)生錯(cuò)排而造成的晶格扭曲現(xiàn)象，如動(dòng)畫4所示。動(dòng)畫4 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)6滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶 伴隨晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，滑移面轉(zhuǎn)向與外伴隨晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，滑移面轉(zhuǎn)向與外力平行方向，滑移方向旋向最大切應(yīng)力方向力平行方向，滑移方

33、向旋向最大切應(yīng)力方向；3 滑移系及滑移系數(shù)的實(shí)際意義滑移系及滑移系數(shù)的實(shí)際意義 （1）各晶體結(jié)構(gòu)的滑移系）各晶體結(jié)構(gòu)的滑移系 體心立方體心立方 (b.c.c) 面心立方面心立方 (f.c.c) (110)111滑移面：滑移面：110 (110),(011),(101), (110),(011),(101)滑移方向：滑移方向：111滑移系數(shù)：滑移系數(shù)：62=12(111)110滑移面：滑移面：111 (111),(111),(111), (111);滑移方向：滑移方向：110滑移系數(shù)滑移系數(shù): 43=12 （2）滑移系數(shù)目的實(shí)際意義）滑移系數(shù)目的實(shí)際意義判斷塑性變形能力判斷塑性變形能力 滑移系數(shù)

34、目愈多，塑性愈好；滑移系數(shù)目愈多，塑性愈好； 滑移系數(shù)相同時(shí)，滑移方向多者塑性較好?；葡禂?shù)相同時(shí)，滑移方向多者塑性較好。 塑性變形的能力：塑性變形的能力：f.c.cb.c.ch.c.p（二）孿生晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（孿生面）產(chǎn)生一定角度的切變。三三 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 多晶體塑性變形特點(diǎn)多晶體塑性變形特點(diǎn) 單個(gè)晶粒與單晶體一致；單個(gè)晶粒與單晶體一致； 各晶粒的變形具不同時(shí)性：各晶粒的變形具不同時(shí)性： 分批、逐次。原因：取向不同。分批、逐次。原因：取向不同。 變形具不均勻性變形具不均勻性: 晶粒內(nèi)部與邊界；晶粒之間晶粒內(nèi)部與邊界；晶粒之間晶界晶界 多晶體變形抗

35、多晶體變形抗(阻阻)力力 單晶體單晶體 晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； 位向差位向差晶粒之間須協(xié)調(diào)晶粒之間須協(xié)調(diào) 意義：意義： 晶界強(qiáng)化晶界強(qiáng)化2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 一一 塑性變形對組織結(jié)構(gòu)影響塑性變形對組織結(jié)構(gòu)影響 1 晶粒變形：等軸狀晶粒變形：等軸狀拉長拉長 纖維組織、帶狀組織纖維組織、帶狀組織 性能各向異性性能各向異性 2 亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化 鑄態(tài)鑄態(tài)d = 10-2 cm；塑變后；塑變后d = 10-410-6 cm 原因：位錯(cuò)受阻后塞積、纏結(jié)原因：位錯(cuò)受阻后塞積、纏結(jié)亞晶界亞晶界 晶粒分化為許多位向略有差異的小晶塊晶粒分化為許多

36、位向略有差異的小晶塊 變形中的晶粒碎化變形中的晶粒碎化晶格較晶格較完整的完整的亞晶塊亞晶塊嚴(yán)重畸變區(qū)嚴(yán)重畸變區(qū)3 產(chǎn)生形變織構(gòu)產(chǎn)生形變織構(gòu) 定義：金屬塑性變形到很大程度（定義：金屬塑性變形到很大程度（70%）時(shí)，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的位向趨于一時(shí)，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的位向趨于一致，這種有序化的結(jié)構(gòu)。致，這種有序化的結(jié)構(gòu)。 織構(gòu)造成性能各向異性，變形不均勻，織構(gòu)造成性能各向異性，變形不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)生產(chǎn)品產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。二二 塑性變形對金屬性能的影響塑性變形對金屬性能的影響 1 加工硬化加工硬化 定義：定義： 隨變形度增大，金屬的強(qiáng)硬度隨變形度增大，金屬的強(qiáng)硬度顯著增高而塑韌性明顯下

37、降的現(xiàn)象顯著增高而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象。 原因：位錯(cuò)增殖理論原因：位錯(cuò)增殖理論 。 意義：意義： 1.強(qiáng)化手段強(qiáng)化手段形變強(qiáng)化；形變強(qiáng)化； 2.有利于塑性變形均勻進(jìn)行。有利于塑性變形均勻進(jìn)行。 3. 有利于金屬構(gòu)件的工作安全有利于金屬構(gòu)件的工作安全性性 不利：再變形難；不利：再變形難； 解決辦法：冷加工之間的再解決辦法：冷加工之間的再結(jié)晶退火結(jié)晶退火s 位錯(cuò)位錯(cuò) 退火態(tài)退火態(tài) ( =106108cm-2)理論強(qiáng)度值理論強(qiáng)度值金屬須金屬須 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(=10111012cm-2)2 產(chǎn)生殘余應(yīng)力產(chǎn)生殘余應(yīng)力 第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 工件不同部位工件不同部位 第二類

38、內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力 晶粒之間或內(nèi)部不同區(qū)域晶粒之間或內(nèi)部不同區(qū)域 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變(位錯(cuò)、空位位錯(cuò)、空位) 。1%；變形；變形910%；應(yīng)；應(yīng)力集中，裂紋力集中，裂紋殘余應(yīng)力消除方法：去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力消除方法：去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力的應(yīng)用：噴丸處理殘余應(yīng)力的應(yīng)用：噴丸處理提高表面強(qiáng)度提高表面強(qiáng)度拉拉 s 壓壓壓壓拉拉S3 性能出現(xiàn)方向性性能出現(xiàn)方向性 形變織構(gòu)，形變織構(gòu)，70%4 其它性能的影響其它性能的影響 物理：電阻物理：電阻，導(dǎo)電、導(dǎo)磁性，導(dǎo)電、導(dǎo)磁性 化學(xué)：化學(xué)活性化學(xué)：化學(xué)活性，耐蝕性，耐蝕性 消除：消除： 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 3 金屬及合

39、金的回復(fù)與再結(jié)晶金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶一一 形變金屬與合金在加熱過程中的變化形變金屬與合金在加熱過程中的變化 1. 組織轉(zhuǎn)變的原因：組織轉(zhuǎn)變的原因： T Ac1 ：相變驅(qū)動(dòng)力（體積自由能）：相變驅(qū)動(dòng)力（體積自由能） TT再再 T再再0.4T熔熔；實(shí)際；實(shí)際: +100200 顯微組織顯著變化顯微組織顯著變化 等軸無畸變新晶粒；等軸無畸變新晶粒； 亞結(jié)構(gòu)：位錯(cuò)密度大大降低；亞結(jié)構(gòu)：位錯(cuò)密度大大降低； 性能顯著變化：性能顯著變化： HB、；、 內(nèi)應(yīng)力完全消除。內(nèi)應(yīng)力完全消除。 三、三、 再結(jié)晶及晶粒長大再結(jié)晶及晶粒長大3 影響影響T再再的因素的因素 T熔熔 ： T熔熔， T再再 如：如：Fe:

40、1538 450; Pb(Sn): 300(200) 0; W: 3300 11001200 原因：原子間結(jié)合力強(qiáng)，難擴(kuò)散原因：原子間結(jié)合力強(qiáng)，難擴(kuò)散 純度：純度純度：純度，雜質(zhì)，雜質(zhì)% ，T再再 變形程度：變形程度： 變形程度變形程度，T再再 原因：原因： 儲存能儲存能，驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力（二）（二） 晶粒長大晶粒長大 隨隨T，t，晶粒長大，晶粒長大 1 驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力： 界面能界面能 2 長大方式：長大方式： “大吃小大吃小”； 晶界拉直晶界拉直: 120，近六邊，近六邊形（直晶界最穩(wěn)定，自發(fā)過程）。形（直晶界最穩(wěn)定，自發(fā)過程）。120120120（三）（三） 影響再結(jié)晶晶粒度的因素影響再結(jié)晶

41、晶粒度的因素（1）加熱溫度：）加熱溫度： T，d 原因：原子擴(kuò)散能力強(qiáng)、原因：原子擴(kuò)散能力強(qiáng)、 晶界易遷移晶界易遷移（2）預(yù)先變形量：均勻）預(yù)先變形量：均勻度度 = 1090%：, d = 210%：異常長大：異常長大 90%：異常長大：異常長大 原因：原因： 驅(qū)動(dòng)力因素驅(qū)動(dòng)力因素 形核因素形核因素 形變織構(gòu)因素形變織構(gòu)因素 二次再結(jié)晶：形變量很大時(shí)二次再結(jié)晶：形變量很大時(shí)(9095%)或在較高溫度下某或在較高溫度下某些晶粒的異常長大過程。些晶粒的異常長大過程。 避開臨界變形量避開臨界變形量 （210%）（3）合金元素、雜質(zhì)及第二相質(zhì)點(diǎn)均阻礙）合金元素、雜質(zhì)及第二相質(zhì)點(diǎn)均阻礙晶界運(yùn)動(dòng)晶界運(yùn)動(dòng)細(xì)

42、化；細(xì)化； 分布愈彌散、細(xì)小、量多分布愈彌散、細(xì)小、量多細(xì)化效果好細(xì)化效果好（四）再結(jié)晶退火（四）再結(jié)晶退火 目的：目的： 中間退火：消除加工硬化；中間退火：消除加工硬化； 冷拔鐵鉻鋁電阻絲生產(chǎn)中：冷拔鐵鉻鋁電阻絲生產(chǎn)中： 氫氣保護(hù)再結(jié)晶退火氫氣保護(hù)再結(jié)晶退火 無相變金屬的細(xì)晶強(qiáng)化（如無相變金屬的細(xì)晶強(qiáng)化（如Al、Cu等）：等）： 冷塑變冷塑變 + 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火細(xì)化的再結(jié)晶晶粒細(xì)化的再結(jié)晶晶粒四、四、 金屬的熱加工金屬的熱加工（1）熱加工與冷加工區(qū)別）熱加工與冷加工區(qū)別（2）熱加工對組織與性能影響）熱加工對組織與性能影響 a. 金屬熱加工與冷加工的概念金屬熱加工與冷加工的概念 熱加工：

43、熱加工：T T在在； 冷加工：冷加工： T T在在； 冷熱加工的相對性冷熱加工的相對性 例：例：W 在在1000非熱加工；非熱加工； Sn、Pb 在室溫為熱加工；在室溫為熱加工； b.熱加工對組織、性能的影響熱加工對組織、性能的影響 鋼材的熱鍛與熱軋鋼材的熱鍛與熱軋1 消除鑄態(tài)組織缺陷：消除鑄態(tài)組織缺陷： （1）氣孔、疏松、微裂紋的焊合；）氣孔、疏松、微裂紋的焊合； 宏觀組織致密化；宏觀組織致密化； （2）破碎粗大的鑄態(tài)晶粒；再結(jié)晶過程）破碎粗大的鑄態(tài)晶粒；再結(jié)晶過程 晶粒細(xì)化；晶粒細(xì)化； （3）減輕枝晶偏析）減輕枝晶偏析 實(shí)際熱加工溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度實(shí)際熱加工溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度 成分均勻

44、化成分均勻化 塑韌性塑韌性，熱加工組織優(yōu)于鑄態(tài)，熱加工組織優(yōu)于鑄態(tài)2 改善第二相、夾雜的分布改善第二相、夾雜的分布 纖維組織（流線）纖維組織（流線） ：鑄態(tài)組織的：鑄態(tài)組織的 枝晶偏析、枝晶偏析、夾雜物分布沿加工方向細(xì)碎延伸形成的組夾雜物分布沿加工方向細(xì)碎延伸形成的組織?？?。 使流線與力性方向分布合理使流線與力性方向分布合理 3 缺陷：存在帶狀組織與纖維組織缺陷：存在帶狀組織與纖維組織 帶狀組織：復(fù)相合金中各個(gè)相沿?zé)峒庸罱M織：復(fù)相合金中各個(gè)相沿?zé)峒庸し较蚪惶娉蕩Щ驅(qū)訝罱M織。方向交替呈帶或?qū)訝罱M織。 比較纖維組織：區(qū)域偏析比較纖維組織：區(qū)域偏析(成分偏析、夾成分偏析、夾雜物分布雜物分布)沿加

45、工方向延伸形成的組織。沿加工方向延伸形成的組織。 力性的各向異性力性的各向異性第三章第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖組元：組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)，簡稱元組元：組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)，簡稱元 。 組元可以是組元可以是純元素純元素，如金屬元素，如金屬元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金屬元素等，以及非金屬元素C、N、B、O等；也可等；也可以是以是化合物化合物如如A1203、SiO2、Zr02、TiC、BN、Ti02等。材料可由單一組元組成，如純金屬、等。材料可由單一組元組成，如純金屬、A1203晶晶體等，也可以由多種組元組成，如體等，也可以由多種組元組成，如

46、Al-Cu-Mg金屬金屬材料、材料、MgO-A1203-SiO2系陶瓷材料。系陶瓷材料。 合金：合金：是指由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非是指由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其他方法制成的具有金屬經(jīng)熔煉或用其他方法制成的具有金屬特性金屬特性的物的物質(zhì)。質(zhì)。例如例如:應(yīng)用最為廣泛的鐵和碳組成的合金、銅和鋅組應(yīng)用最為廣泛的鐵和碳組成的合金、銅和鋅組成的銅合金等。由于合金的強(qiáng)度高以及其他的性能成的銅合金等。由于合金的強(qiáng)度高以及其他的性能特點(diǎn)，所以在工業(yè)上得到廣泛地應(yīng)用。由兩個(gè)組元特點(diǎn)，所以在工業(yè)上得到廣泛地應(yīng)用。由兩個(gè)組元組成的合金，稱為二元合金。三個(gè)組元組成的合金組成的合金，稱為

47、二元合金。三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金，依此類推。稱為三元合金，依此類推。 相：相：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。材料的性能與各組成相的性質(zhì)、形態(tài)、數(shù)量直接材料的性能與各組成相的性質(zhì)、形態(tài)、數(shù)量直接相關(guān)。不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，雖然相的相關(guān)。不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，雖然相的種類極為繁多，但根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以歸納為種類極為繁多，但根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以歸納為兩大類：固溶體與中間相。兩大類：固溶體與中間相。 1 1 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)一、相的分類一、相的分類（一）（

48、一）固溶體固溶體 合金的組元之間以不同的比例相互混合，量多的稱作溶劑，量少的稱作溶質(zhì)。 溶質(zhì)組元加入到溶劑組元的晶格中，溶質(zhì)組元加入到溶劑組元的晶格中，而不改變?nèi)芏桓淖內(nèi)軇┑木w結(jié)構(gòu)類型而形成的合金劑的晶體結(jié)構(gòu)類型而形成的合金相稱之為固溶體。相稱之為固溶體。（二）（二）金屬化合物金屬化合物 定義：溶質(zhì)組元加入到溶劑組元中，改變了溶質(zhì)組元加入到溶劑組元中，改變了溶劑溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型的晶體結(jié)構(gòu)類型，而形成一種，而形成一種新結(jié)構(gòu)的合金相新結(jié)構(gòu)的合金相。二二 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) （一）固溶體固溶體 工業(yè)上的金屬材料，絕大部分是以固溶體為基體的。? 1、固溶體的分類固溶體的分類 * 按溶質(zhì)原子

49、在晶格中所占的位置分類 （1）置換固溶體置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所形成的固溶體。 （2）間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。 * 按固溶度分類 （1）有限固溶體 （2）無限固溶體 * 按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對分布分類 （1）無序固溶體 （2）有序固溶體 置換固溶體 間隙固溶體2 置換固溶體及影響因素置換固溶體及影響因素 置換固溶體中溶質(zhì)與溶劑可以有限固溶，也可以無限互溶，如銅與鎳可無限互溶，鋅在銅中最大溶解度為39%，鉛幾乎不溶解于銅。其溶解度與以下幾個(gè)因素有關(guān)： （1）原子尺寸因素）原子尺寸因素 原因原因：當(dāng)溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格后，原子半徑的不同

50、引起溶劑晶格的點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變，固溶體能量升高，升高的能量叫畸變能畸變能。r=rA-rB/rA.r越大，一個(gè)溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變能也就越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑中的數(shù)量便越少，固溶體的溶解度就愈小；相反，當(dāng)r較小時(shí)，可獲得較大固溶度的固溶體，如果其他條件有利甚至還可以形成無限固溶體。 (2) (2) 晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素 組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。有可能形成無限固溶體。若組元間晶體結(jié)構(gòu)不同，便若組元間晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能形成有限固溶體。只能形成有限固溶體。（3）電子濃度因素）電子濃度因素 電子濃度指合金晶體

51、中的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比 C電子 = VA（100 - w）+VB w / 100 VA、VB分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià) w 為固溶體中溶質(zhì) B 的原子百分?jǐn)?shù)。 根據(jù)能帶理論，在一定的金屬晶體結(jié)構(gòu)的單位體積根據(jù)能帶理論，在一定的金屬晶體結(jié)構(gòu)的單位體積中，能容納的價(jià)電子數(shù)（自由電子數(shù)）是有一定限度的，中，能容納的價(jià)電子數(shù)（自由電子數(shù)）是有一定限度的，超過這個(gè)限度，會引起能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。超過這個(gè)限度，會引起能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 面心立方固溶體的極限電子濃度為1.36； 體心立方固溶體極限電子濃度為1.48。 如二價(jià)鋅在銅中的最大溶解度為二價(jià)鋅在銅中的最大溶解度為38%，三價(jià)的鎵為20%，四價(jià)

52、的鍺為12%，五價(jià)的砷為7%。（4）電負(fù)性差因素電負(fù)性差因素 兩元素間電負(fù)性差越小，則越易形成固溶體，而且兩元素間電負(fù)性差越小，則越易形成固溶體，而且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間間電負(fù)電負(fù)性差增大，固溶度減小，當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的電負(fù)性差很性差增大，固溶度減小，當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的電負(fù)性差很大時(shí)，往往形成比較穩(wěn)定的金屬化合物。大時(shí)，往往形成比較穩(wěn)定的金屬化合物。 綜上所述，綜上所述，尺寸因素，電負(fù)性差、電子濃度及晶體尺寸因素，電負(fù)性差、電子濃度及晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是影響固溶體溶解度的四個(gè)主要因素，當(dāng)此四個(gè)是影響固溶體溶解度的四個(gè)主要因素，當(dāng)此四個(gè)因素均有利時(shí)

53、，有可能形成無限固溶體。這四個(gè)因素因素均有利時(shí)，有可能形成無限固溶體。這四個(gè)因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一理論是金屬及合金的并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一理論是金屬及合金的電子理論。電子理論。 3 間隙固溶體間隙固溶體 只有原子半徑接近于溶劑晶格某些間隙半徑的溶質(zhì)原子，才有可能進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成間隙固溶體。這些溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小于0.1nm0.1nm的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm），硼（0.097nm）。而溶劑元素則都是過渡族元素。盡管溶質(zhì)原子的半徑很小，但仍較溶劑的晶格間隙大，當(dāng)它們?nèi)苋肴軇┚Ц竦拈g隙時(shí)，都會使溶劑晶格

54、產(chǎn)生畸變，點(diǎn)陣常數(shù)增大，畸變能升高。間隙固溶體間隙固溶體只能是有限固溶體，它們的溶解度都很小。只能是有限固溶體，它們的溶解度都很小。 4 固溶體的特點(diǎn)固溶體的特點(diǎn) 雖然固溶體仍保持著溶劑的晶格類型，但由于第二組元的加入，與純組元相比，結(jié)構(gòu)還是發(fā)生了變化, 無論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起均能引起固溶體的硬度、強(qiáng)度升高、溶質(zhì)原子與溶劑原子的固溶體的硬度、強(qiáng)度升高、溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果就越大。就越大。這種由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效強(qiáng)化效應(yīng)，稱為固溶強(qiáng)化。應(yīng)，稱為固溶強(qiáng)化。 (二二)、金屬化合物、金

55、屬化合物 不同元素之間所形成的中間相往往在晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵不同元素之間所形成的中間相往往在晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵等方面都不相同，由于中間相具有一定的金屬性，所以亦等方面都不相同，由于中間相具有一定的金屬性，所以亦稱為金屬化合物。稱為金屬化合物。 1 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物 成分固定不變，可用化學(xué)式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色金屬的強(qiáng)化相常作為有色金屬的強(qiáng)化相。 2 電子化合物電子化合物 不遵守原子價(jià)規(guī)律，而是按一定的電子濃度電子濃度的比值的比值形成的化合物。電子濃度不同，化合物的晶格類型也不同。 3尺寸因素化合物 過渡族元素和原子半徑較小的

56、氫、氮、碳、硼原子半徑較小的氫、氮、碳、硼組成。 r非 / r金 0.59時(shí)，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物，間隙化合間隙化合物物。 (1) 間隙相 性能特點(diǎn)：極高的熔點(diǎn)和硬度極高的熔點(diǎn)和硬度。 用途：硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。 (2) 間隙化合物間隙化合物 如鋼中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能特點(diǎn)：很高的熔點(diǎn)和硬度很高的熔點(diǎn)和硬度，但不如間隙相 用途：鋼中的重要強(qiáng)化相。 2 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 相圖:是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。 相律是描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。 f=c-p

57、+2 1 相相 變：變：相與相之間的轉(zhuǎn)變； 固態(tài)相變固態(tài)相變：固態(tài)下相與相之間的轉(zhuǎn)變； 相平衡與平衡相：相平衡與平衡相：如果系統(tǒng)中，在一定的外界條件下（溫度、壓力），各相經(jīng)歷很長時(shí)間都不互相轉(zhuǎn)化，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡相平衡；這時(shí)的相就叫在這種條件下的平衡相平衡相。一、二元相圖的表示方法一、二元相圖的表示方法 在常壓下，用直角坐標(biāo)系，橫座標(biāo)表示合金成分，縱座標(biāo)表示溫度。圖中任意一點(diǎn)標(biāo)為表象點(diǎn)。二元相圖的成分表示方法（1）成分的表示方法 材料的成分是指材料各組元在材料中所占的數(shù)量。此數(shù)量可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。如果沒有特別說明，通常是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩者間可按下式進(jìn)行換算（以二元系為

58、例）：二、相圖的建立時(shí)間溫度溫度成分熱分析法建立熱分析法建立Cu-Ni相圖相圖固相線固相線液相線液相線三、杠桿定律杠桿定律 在二元相圖的兩相區(qū)，可以用杠桿定律確定各相的相對含量。証明: 設(shè)合金的總質(zhì)量為1 液相的質(zhì)量為 WL ， 固相的質(zhì)量為W 則: WL+ W= 1 另: WL CL+ W C=1 C 由以上兩式可以得出 3 勻晶相圖勻晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的二元合金相圖。二元合金相圖。 如CuNi、AgAu、CrMo、MoW等合金系 2 相圖分析相圖分析 液相線 固相線 CuNi二元相圖 冷卻曲線 點(diǎn)： A ：純Cu理論熔點(diǎn) B ：純N

59、i理論熔點(diǎn) 線： A B: 液相線; A B: 固相線； 區(qū)間： 兩個(gè)單相區(qū)：L 相、相 一個(gè)兩相區(qū)：L+相區(qū)勻晶轉(zhuǎn)變式： L 3.枝晶偏析 現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學(xué)成分不均勻原因：冷卻過程非無限緩慢，擴(kuò)散不完全 枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成分不均勻稱之為枝晶偏析 4 二元共晶相圖二元共晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱為二元共晶相圖。 例如：P bS n、P bS b、A gC u、P bB i 等合金系相圖都是二元共晶相圖。 共晶轉(zhuǎn)變式： LE M+ NPbSnSn%T, C液相線液相線L固相線固相線 + L+ L + 固溶

60、線固溶線 固溶線固溶線共晶相圖ABEMNFG2.共晶相圖簡介共晶相圖PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線表示從表示從M點(diǎn)到點(diǎn)到N點(diǎn)點(diǎn)范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)表示表示E點(diǎn)成分的合點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。LE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183MNE1.共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。2.轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。3.存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。4.成分在共晶線范圍