第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)

1、第二章第二章 金屬材料結(jié)構(gòu)金屬材料結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是指組成固體相的原子、離子或分子固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是指組成固體相的原子、離子或分子等粒子在空間的排列方式。按粒子排列是否有序等粒子在空間的排列方式。按粒子排列是否有序, ,固體固體材料可分為材料可分為晶態(tài)晶態(tài)( (定型態(tài)定型態(tài)) )和非晶態(tài)和非晶態(tài)( (無(wú)定型態(tài)無(wú)定型態(tài)) )兩大類兩大類。一、晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)1 1、晶體、晶格和晶胞、晶體、晶格和晶胞晶體晶體：指微粒呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)：指微粒呈規(guī)則排列的固體物質(zhì) 常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性、常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性、有固定

2、的熔點(diǎn)。有固定的熔點(diǎn)。非晶體非晶體：指微粒呈無(wú)規(guī)則排列的固體物質(zhì)指微粒呈無(wú)規(guī)則排列的固體物質(zhì)金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1 1）晶格：）晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架，稱為晶格維空間格架，稱為晶格。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間的陣列稱由結(jié)點(diǎn)形成的空間的陣列稱空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣。2 2）晶胞：）晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元. .3 3）晶胞的描述）晶胞的描述 晶體學(xué)參數(shù)：晶體學(xué)參數(shù)：a,b,c,晶格常

3、數(shù)：晶格常數(shù)：a,b,c立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜2.2.同素異晶現(xiàn)象同素異晶現(xiàn)象同素異晶現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。同素異晶現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。所形成的具有不同結(jié)構(gòu)的晶體稱所形成的具有不同結(jié)構(gòu)的晶體稱同素異晶體同素異晶體。在一定。在一定條件下條件下, ,同素異晶體可以相互轉(zhuǎn)變同素異晶體可以相互轉(zhuǎn)變, ,稱稱同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變。在具有同素異晶現(xiàn)象的固體中在具有同素異晶現(xiàn)象的固體中, ,最典型的例子是鐵最典型的例子是鐵, ,其其同素異晶轉(zhuǎn)變過(guò)程將在后面介紹。同素異晶轉(zhuǎn)變過(guò)程將在后面介紹。第二節(jié)第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

4、1）體心立方晶胞）體心立方晶胞BCC Body Centered Cube 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a a( (a a= =b b= =c c) )ar43 原子半徑：原子半徑：原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2 2配位數(shù)：配位數(shù)： 8 8致密度：致密度：0.680.68常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe-Fe、CrCr、 W W、MoMo、V V、NbNb等等一、常見(jiàn)金屬晶體的結(jié)構(gòu)一、常見(jiàn)金屬晶體的結(jié)構(gòu)2）面心立方晶胞）面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a aa42r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4 4配位數(shù)：配位數(shù)： 1212致密度：致密度：0.740.74

5、常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe-Fe、NiNi、AlAl、 CuCu、PbPb等等3)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)底面邊長(zhǎng) a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.633ar21 ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6 6配位數(shù)：配位數(shù)： 1212致密度：致密度：0.740.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬：MgMg、ZnZn、 BeBe、CdCd等等l1、合金、合金 合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、 強(qiáng)磁性、耐蝕性等。l2、組元

6、、組元 合金系：若干給定組元，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)定化合物。l3、相、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(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)相的變化。n純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。n合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。l5、組織、組織n合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀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(gòu)成的材料具有不同的性能。n同一種鋼經(jīng)過(guò)不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。n45鋼經(jīng)過(guò)不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體

7、、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。6、合金的相結(jié)構(gòu)、合金的相結(jié)構(gòu)l固溶體固溶體 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。l固溶體的性能固溶體的性能 固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。 這種通過(guò)形成固溶體使金這種通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。重要途徑之一。固溶強(qiáng)化的原因：固溶強(qiáng)化的原因： 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

8、晶格發(fā)生畸變，晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻變，晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)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，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。金的強(qiáng)度和硬度。l金屬化合物金屬化合物l金屬化合物的性能金屬化合物的性能當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將顯著提布在固溶體基體上時(shí)，將顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性(此此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化)。l機(jī)械混合物機(jī)械混合物二、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 理想晶體理想晶體+ +晶體缺陷晶體缺陷實(shí)際晶體實(shí)際晶體 實(shí)際

9、晶體實(shí)際晶體單晶體和多晶體單晶體和多晶體 單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶體多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，：由許多位向各不相同的單晶體塊組成， 各向異性各向異性 1 1晶體缺陷晶體缺陷：實(shí)際晶體中存實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分和規(guī)則性的部分 a. a. 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷晶格結(jié)點(diǎn)處晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化的變化 空位空位 晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子 置換原子置換原子 晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù) 間隙原子間隙原子 原

10、子占據(jù)晶格間隙原子占據(jù)晶格間隙 空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱稱晶格畸變晶格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。下降。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)b.線缺陷線缺陷(位錯(cuò)位錯(cuò))二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排 位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱

11、作位錯(cuò)位錯(cuò)。有有刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)兩種類型。兩種類型。c. c. 面缺陷面缺陷 一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。分為分為晶界、亞晶界、表面等。晶界、亞晶界、表面等。晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為5 51010個(gè)個(gè)原子間距，位向差一般為原子間距，位向差一般為20204040。位向差很小（位向差很?。? 12 2 ) )的小晶塊為的小晶塊為亞晶粒亞晶粒。亞晶粒。亞晶粒 之間的交界面稱之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。 第三節(jié)第三節(jié) 純金屬的結(jié)晶純

12、金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程二、細(xì)化晶粒的方法二、細(xì)化晶粒的方法霧凇霧凇一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程（一）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線（一）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線 1.1.結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力 F0F0 （不是過(guò)冷度（不是過(guò)冷度TT） 自然界的自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是自然界的自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是F0F0 體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能UU，其中可以對(duì)外，其中可以對(duì)外 做功或向外釋放的能量叫自由能做功或向外釋放的能量叫自由能FF，F(xiàn)=U-TSF=U-TS（熵）（熵） a.a.當(dāng)溫度當(dāng)溫度TTTT0 0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sFFsFL L, ,

13、液相穩(wěn)定液相穩(wěn)定 b.b.當(dāng)溫度當(dāng)溫度TTTT0 0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sFFsFL L, , 固相穩(wěn)定固相穩(wěn)定 c.c.當(dāng)溫度當(dāng)溫度T=TT=T0 0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)s=FFs=FL L, , 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) T T0 0：理論結(jié)晶溫度（：理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)熔點(diǎn)或或平衡結(jié)晶溫度）平衡結(jié)晶溫度） 在該溫度下在該溫度下, , 液體和晶體處于液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)動(dòng)平衡狀態(tài)2.2.冷卻曲線冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T T1 1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出曲線上水

14、平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。結(jié)晶潛熱引起的。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線（二）結(jié)晶的（二）結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)過(guò)冷冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差 T稱稱過(guò)冷過(guò)冷度度。 T= T0 T1過(guò)冷度大小與冷卻速過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，度有關(guān)，冷速越大，冷速越大， 過(guò)冷度越大過(guò)冷度越大。（三）結(jié)晶的基本過(guò)程（三）結(jié)晶的基本過(guò)程結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。兩個(gè)基本過(guò)程組成。 1、形核、形核 液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小

15、原子團(tuán)，它們液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們 時(shí)聚時(shí)散，稱為時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯晶坯。在。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核晶核。 晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界觸后形成晶界。2、晶核的形成方式晶核的形成方式形核有兩種方式形核有兩種方式，即，即均勻形核均勻形

16、核和和非均勻形核非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核。非均勻形核更為普遍非均勻形核更為普遍。3 3、晶核的長(zhǎng)大方式、晶核的長(zhǎng)大方式 晶核的長(zhǎng)大方式有兩種晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即，即 平面長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大和和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好，這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成生長(zhǎng)快，先形成一次軸一次軸，一次軸又，一次軸又會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生二次軸二次軸，樹(shù)枝間最后

17、被填充。，樹(shù)枝間最后被填充。平面長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶 表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度可用晶粒的晶粒度可用晶粒的 平均面積或平均直徑表示。平均面積或平均直徑表示。 工業(yè)生產(chǎn)上采用工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過(guò)。通過(guò)100100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。二、細(xì)化晶粒的方法二、細(xì)化晶粒的方法 1.晶粒度晶粒度2.2.

18、決定晶粒度的因素決定晶粒度的因素 晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度。 單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。 單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度過(guò)冷度對(duì)過(guò)冷度對(duì)N、G的影響的影響叫叫長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。過(guò)冷度過(guò)冷度TT提高，提高，N N提高、提高、G G提高提高過(guò)冷度過(guò)冷度TT太高，太高，D D降低降低N N降低、降低、G G降低

19、降低所以，過(guò)冷度所以，過(guò)冷度 T T，NN，GGN/GN/G增大，細(xì)化增大，細(xì)化3.3.細(xì)化晶粒的方法細(xì)化晶粒的方法提高過(guò)冷度提高過(guò)冷度變質(zhì)處理變質(zhì)處理又又稱孕育處理稱孕育處理。 即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而 細(xì)化晶粒的方法。細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫所加入的非均勻形核物質(zhì)叫 變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或（或稱孕育劑稱孕育劑）。）。振動(dòng)，攪拌等振動(dòng)，攪拌等 對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可 靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可，另一方面也可 使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使

20、晶核數(shù)目顯著增加使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、金屬的同素異?gòu)轉(zhuǎn)變 一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu), ,稱為同素異稱為同素異構(gòu)性。構(gòu)性。金屬在固態(tài)時(shí)隨著溫度的改變金屬在固態(tài)時(shí)隨著溫度的改變, ,而改變其晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)而改變其晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變, ,又稱為重結(jié)晶。又稱為重結(jié)晶。它同樣遵循著形成它同樣遵循著形成晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶基本規(guī)律。晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶基本規(guī)律。 如圖所示如圖所示，純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的冷卻曲線。，純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的冷卻曲線。在在1538153813941394時(shí)時(shí),

21、 ,鐵為體心立方晶格鐵為體心立方晶格, ,稱為稱為鐵；鐵；在在13901390 912912時(shí)時(shí), ,鐵為面心立方晶格鐵為面心立方晶格, ,稱為稱為鐵；鐵；在在912912以下以下時(shí)時(shí), ,鐵為體心立方晶格鐵為體心立方晶格, ,稱為稱為鐵。鐵。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)有體積的鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)有體積的變化。變化。鐵轉(zhuǎn)變成鐵轉(zhuǎn)變成鐵時(shí)體積鐵時(shí)體積縮小縮小, ,反之體積增大。反之體積增大。晶體體積的改變晶體體積的改變, ,使金屬材料使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力, ,這種內(nèi)應(yīng)力這種內(nèi)應(yīng)力稱為稱為相變應(yīng)力相變應(yīng)力。鐵在鐵在770770產(chǎn)生磁性轉(zhuǎn)變產(chǎn)生磁性轉(zhuǎn)變, ,但但晶格結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。晶格結(jié)構(gòu)沒(méi)有

22、改變。770770以以上鐵失去磁性。上鐵失去磁性。純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉(zhuǎn)變l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡成分是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。有界面分開(kāi)的均勻組成部分。l顯微組織顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。的組合。l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金金屬化合物屬化合物兩類。兩類。1 1、固溶體、固溶體組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與

23、組元組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體之一相同的固相稱為固溶體A A（B B）。）。A A：溶劑：溶劑 B B：溶質(zhì)：溶質(zhì)分類分類a.a.按溶質(zhì)原子的位置分按溶質(zhì)原子的位置分置換固溶體置換固溶體 其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶質(zhì)原子點(diǎn)陣位置的其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶質(zhì)原子點(diǎn)陣位置的 固溶體。固溶體。晶格類型相同晶格類型相同, ,原子半徑相差原子半徑相差 不大不大, ,電化學(xué)性質(zhì)相近電化學(xué)性質(zhì)相近. .間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子位于溶劑原子點(diǎn)陣的間隙位溶質(zhì)原子位于溶劑原子點(diǎn)陣的間隙位 置中的固溶體，置中的固溶體， 原子半徑較小。原子半徑較小。b.b.按溶解度分按溶解度分

24、 有限固溶體有限固溶體 無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體c.c.按分布有序度分按分布有序度分 有序固溶體有序固溶體 無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。料硬度升高，塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。 溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入晶格畸變晶格畸變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升金金屬塑性變形困難屬塑性變形困難強(qiáng)度、硬度升高。強(qiáng)度、硬度升高。 金屬化合物金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱固相稱金屬化合物金屬化合物。金屬化合物

25、具有金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其組成。其組成。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3C 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物符合正常原子價(jià)規(guī)律。如符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si。 電子化合物電子化合物符合電子濃度規(guī)律。如符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。 電子濃度電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。 間隙化合物間隙化合物由過(guò)渡族元

26、素與由過(guò)渡族元素與C、N、B、H等小原子等小原子半徑的非金屬元素組成。半徑的非金屬元素組成。 間隙相：間隙相：r r非非/r/r金金 0.590.59時(shí)形時(shí)形 成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。的間隙化合物。如如: :FeFe4 4N N、FeFe2 2N N、 W W2 2C C、TiCTiC、VCVC、TiNTiN等。等。Fe3C的晶格的晶格如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。其中其中Fe3C稱稱滲碳體，滲碳體，是鋼中重要組是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格成相，具有復(fù)雜斜方晶格?；衔镆部扇苋肫渌卦?，化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物為基的固溶體。形

27、成以化合物為基的固溶體。3、機(jī)械混合物、機(jī)械混合物當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解,又不形成又不形成化合物化合物,而是按一定質(zhì)量比、以混合方式存在的結(jié)構(gòu)形而是按一定質(zhì)量比、以混合方式存在的結(jié)構(gòu)形式式稱為機(jī)械混合物稱為機(jī)械混合物。機(jī)械混合物中各組元的原子仍按。機(jī)械混合物中各組元的原子仍按各自原來(lái)的晶格類型結(jié)晶成晶體各自原來(lái)的晶格類型結(jié)晶成晶體,在顯微鏡下可以區(qū)別在顯微鏡下可以區(qū)別出各組元的晶粒。出各組元的晶粒。機(jī)械混合物可是純金屬、固溶體或化合物各自的混合物機(jī)械混合物可是純金屬、固溶體或化合物各自的混合物,也可是它們之間的混合物。也可是它們之間的混合物

28、。第五節(jié)第五節(jié) 勻晶相圖勻晶相圖一、二元合金相圖的基本知識(shí)一、二元合金相圖的基本知識(shí) 二、二元合金相圖二元合金相圖 三、合金的結(jié)晶三、合金的結(jié)晶 一、二元合金相圖的基本知識(shí) 1.1.相圖的基本概念相圖的基本概念相圖相圖是用來(lái)表示合金系中各合金結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解。是用來(lái)表示合金系中各合金結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解。又稱又稱狀態(tài)圖狀態(tài)圖或或平衡圖平衡圖。合金系合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。系列不同成分的合金。組元組元是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。物質(zhì)。多數(shù)情況下組

29、元是指組成合金的元素，但對(duì)于既不發(fā)生分解、又多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如Fe-CFe-C合合金中的金中的FeFe3 3C C。相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù)根據(jù)組元數(shù), , 分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖二元相圖三元相圖三元相圖 幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)

30、驗(yàn)得到的，最常用的幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。是熱分析法。2、相圖的建立、相圖的建立：純銅：純銅 ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：純：純Ni 二元相圖的建立：二元相圖的建立： 以以Cu-NiCu-Ni合金合金( (白銅白銅) )為例為例 1 1、配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。2 2、在溫度在溫度- -成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分垂線上。在成分垂線

31、上。3 3、將垂線上相同意義的點(diǎn)連將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。和字母。相圖中，相圖中，結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線叫結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線叫液相線液相線。結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫固相線固相線。3 3、杠桿定律、杠桿定律l當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比。桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比。l現(xiàn)以現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：合金為例推導(dǎo)杠桿定律： 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡相的成分

32、：設(shè)合金成分為設(shè)合金成分為x，過(guò)，過(guò)x做成分垂線。做成分垂線。 在成分垂線相當(dāng)于溫度在成分垂線相當(dāng)于溫度t 的的o點(diǎn)作水平線，其與液固點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和即分別為液相和固相的成分。固相的成分。 確定兩平衡相的相對(duì)確定兩平衡相的相對(duì)重量重量 設(shè)合金設(shè)合金(x)的總重量為的總重量為1，液相液相(x1)重量為重量為QL，固相固相(x2)重量為重量為Q 。 則則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組解方程組得得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相

33、圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。l因此兩相的相對(duì)重量百分比為：因此兩相的相對(duì)重量百分比為：%)100abao%(100 xxxxQ%)100abob%(100 xxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或oobbxx1x2QLQl上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿杠桿定律定律。即。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。l在杠桿定律中，在杠桿定律中

34、，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。l杠桿定律只適用于兩相區(qū)杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)無(wú)必要使用，三相。單相區(qū)無(wú)必要使用，三相區(qū)不能使用。區(qū)不能使用。l合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的固條件下才能得到成分均勻的固溶體。溶體。但實(shí)際冷速較快，在結(jié)但實(shí)際冷速較快，在結(jié)晶過(guò)程中固相中的原子來(lái)不及晶過(guò)程中固相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素有較多的高熔點(diǎn)元素(如如Cu-Ni合金中的合金中

35、的Ni)，后結(jié)晶的枝晶間后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素含有較多的低熔點(diǎn)元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。4、枝晶偏析枝晶偏析l在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作象稱作枝晶偏析枝晶偏析。l不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。l冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。l枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。l生產(chǎn)上常生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下將鑄件加熱到固相線以下100-2

36、00長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火。通過(guò)擴(kuò)散退火可使原子充分?jǐn)U散，使成分均勻。通過(guò)擴(kuò)散退火可使原子充分?jǐn)U散，使成分均勻。二、二元相圖的基本類型二、二元相圖的基本類型1 1、二元?jiǎng)蚓鄨D、二元?jiǎng)蚓鄨D兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)限互溶，冷卻時(shí)發(fā)兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系勻晶相圖勻晶相圖（LL），如），如Cu-NiCu-Ni，F(xiàn)e-CrFe-Cr，Au-AgAu-Ag。（3 3）勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)）勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn) a.a.形核、長(zhǎng)大形核、長(zhǎng)大 ，樹(shù)枝狀長(zhǎng)大，樹(shù)枝狀長(zhǎng)大

37、 b.b.變溫過(guò)程變溫過(guò)程 c.c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成 分確定、兩相相對(duì)量一定分確定、兩相相對(duì)量一定 d.d.枝晶偏析，冷速快枝晶偏析，冷速快原子原子 擴(kuò)散不充分?jǐn)U散不充分成分不均。成分不均。 擴(kuò)散退火消除。擴(kuò)散退火消除。（1 1）相圖分析）相圖分析：液相線：液相線 固相線固相線 L L a a L+ a L+ a（2 2）勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過(guò)程）勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過(guò)程 LL+aLL+a a a2 2、共晶相圖：、共晶相圖：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的合金系構(gòu)成共晶相圖，的合金系構(gòu)成共晶相圖

38、，Pb-Sn,Al-Si,Ag-CuPb-Sn,Al-Si,Ag-Cu（1 1）相圖分析相圖分析液相線液相線 adbadb固相線固相線 acdebacdeb三個(gè)單相區(qū)三個(gè)單相區(qū)：L L、 （、是有限是有限固溶體）固溶體）共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)：d d 共晶成共晶成分的合金冷卻到此分的合金冷卻到此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度（共晶溫度），共（共晶溫度），共同結(jié)晶出同結(jié)晶出c c、ee 共晶反應(yīng)線：共晶反應(yīng)線：cdecde溶解度線溶解度線：cfcf，egeg T T過(guò)飽和固溶體析出另一相過(guò)飽和固溶體析出另一相脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變組織標(biāo)注相圖：組織標(biāo)注相圖： 所謂所謂共析反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）共析反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）是指在一定溫度下，由一定是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過(guò)程。固相的過(guò)程。共析轉(zhuǎn)共析轉(zhuǎn) 變也是固態(tài)相變。變也是固態(tài)相變。l最常見(jiàn)的共析轉(zhuǎn)變是最常見(jiàn)的共析轉(zhuǎn)變是 鐵碳合金中的珠光體鐵碳合金中的珠光體 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖l共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體共析體（鐵碳合金中的共析體稱（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是珠光體），也是兩相的機(jī)械混合物兩相