材料的結(jié)構(gòu)與凝固

1、第 3 章 材料的結(jié)構(gòu)與凝固2022/8/291工程材料與材料成型基礎(chǔ)晶體與非晶體晶體 原子規(guī)則排列的集合體 固定的熔點(diǎn) 各向異性：不同方向的性能不同非晶體 原子無規(guī)則堆積的集合體 無固定熔點(diǎn) 各向同性晶格：把晶體中原子看成幾何點(diǎn)，用平行直線連接后得到的三維格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列規(guī)律的最小單元2022/8/292工程材料與材料成型基礎(chǔ)晶面和晶向晶面：晶格中各方位的原子面晶向：任意兩個(gè)原子連線所指的方向晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度金屬鍵使原子趨于緊密排列，得到為數(shù)不多的高度對(duì)稱的幾種簡單晶格，常見的3種2022/8/293工程材料與材料成型基礎(chǔ)體心立方晶格晶胞中的原子數(shù)：2最近原子間距

2、體心與頂角之間： a 3 / 2原子半徑：r = a 3 / 4致密度：68%常見金屬有 -Fe, Cr, W, Mo, V, Nb2022/8/294工程材料與材料成型基礎(chǔ)面心立方晶格晶胞中的原子數(shù)：4最近原子間距 面心與頂角之間： a 2 / 2原子半徑：r = a 2 / 4致密度：74%常見金屬有 -Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag, Pb2022/8/295工程材料與材料成型基礎(chǔ)密排六方晶格晶胞中的原子數(shù)：6最近原子間距 相鄰頂角之間： a原子半徑：r = a / 2致密度：74%常見金屬有 Mg, Zn, Cd, Be2022/8/296工程材料與材料成型基礎(chǔ)晶界：晶粒

3、之間的界面實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)單晶體：各部分位向完全一致的晶體由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同原子間結(jié)合力不同力學(xué)性能不同單晶體表現(xiàn)為各向異性多晶體：許多位向不同的 單晶體的聚合體晶粒：多晶體中外形不規(guī)則的 小晶體2022/8/297工程材料與材料成型基礎(chǔ)多晶體的偽各向同性偽各向同性：總體上各向性能基本相同，但各晶粒內(nèi)部 仍然是各向異性 多晶體中的各晶粒位向不同，一般在總體上不顯示出各向異性，似乎是各向同性，即偽各向同性2022/8/298工程材料與材料成型基礎(chǔ)晶體缺陷 晶體中原子偏離原來平衡位置晶體缺陷導(dǎo)致晶格畸變強(qiáng)度，硬度，電阻點(diǎn)缺陷導(dǎo)致晶格畸變強(qiáng)度，硬度 空位和間隙原子2022/8/299

4、工程材料與材料成型基礎(chǔ)線缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò) 整排原子有規(guī)律錯(cuò)排 增加或減小位錯(cuò)密度，可以提高強(qiáng)度位錯(cuò)密度b 晶須加工硬化2022/8/2910工程材料與材料成型基礎(chǔ)面缺陷 晶界晶界處晶格畸變強(qiáng)度高原子能量高熔點(diǎn)低，易腐蝕，原子擴(kuò)散快晶粒細(xì)晶界面積大強(qiáng)度高亞晶界：晶粒內(nèi)小位向差的晶塊邊界1-2O 亞晶粒亞結(jié)構(gòu)2022/8/2911工程材料與材料成型基礎(chǔ)合金相的基本概念合金：由兩種或兩種以上金屬，或金屬與非金屬組成，具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。組元：組成合金的基本物質(zhì)二元合金：由兩種組元組成的合金相：結(jié)構(gòu)相同，成分相近，與其它部分有界面分開的部分 單相合金：固態(tài)下由一個(gè)固相組成的合金 多相合金：固態(tài)下由兩個(gè)以

5、上固相組成的合金組織：相的聚合體（形態(tài)） （單相組織，多相組織）相變：一定條件下，一種相可以變?yōu)榱硪环N相2022/8/2912工程材料與材料成型基礎(chǔ)合金相結(jié)構(gòu)合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu) 固溶體和金屬化合物 （2類）固溶體：一種元素的原子溶入另一種元素中形成的合金相 保持原晶體結(jié)構(gòu)的元素 溶劑 失去原晶體結(jié)構(gòu)的元素 溶質(zhì) 濃度，溶解度有限固溶體：溶解度有一定限度 有限互溶無限固溶體：溶解度無一定限度 無限互溶2022/8/2913工程材料與材料成型基礎(chǔ)固溶體的分類置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格的間隙中2022/8/2914工程材料與材料成型基礎(chǔ)固溶體的力學(xué)性

6、能溶質(zhì)溶入固溶體，導(dǎo)致晶格畸變，引起強(qiáng)度和硬度升高 固溶強(qiáng)化固溶體的力學(xué)性能比純金屬更高2022/8/2915工程材料與材料成型基礎(chǔ)金屬化合物特征： 有金屬性質(zhì) 晶體結(jié)構(gòu)不同于任何組元 成分固定或小有變化， 有一定成分比例，可用分子式表示性能： 硬，脆，熔點(diǎn)高當(dāng)金屬化合物以細(xì)小顆粒均布于固溶體上，可使合金的 強(qiáng)度 ，硬度 ，耐磨性 彌散強(qiáng)化 （第二相強(qiáng)化）2022/8/2916工程材料與材料成型基礎(chǔ)合金的結(jié)構(gòu)與性能 有異質(zhì)原子溶入，導(dǎo)致晶格畸變 固溶強(qiáng)化 可能出現(xiàn)多相組織 如果金屬化合物有合理分布、 大小、數(shù)量、形態(tài) 彌散強(qiáng)化調(diào)整合金性能的途徑： 改善固溶體溶解度 改變化合物形狀、數(shù)量、大小、

7、分布合金的力學(xué)性能一般優(yōu)于純金屬2022/8/2917工程材料與材料成型基礎(chǔ)材料的凝固純金屬的結(jié)晶： 液態(tài) 固態(tài) （原子無規(guī)則排列） （原子有規(guī)則排列） T0平衡結(jié)晶溫度 = 熔點(diǎn)熱分析法放出的結(jié)晶潛熱 = 散失的熱量2022/8/2918工程材料與材料成型基礎(chǔ)過冷現(xiàn)象過冷：實(shí)際結(jié)晶溫度 T1 總是低于平衡結(jié)晶溫度 T0 的現(xiàn)象 （理論）過冷度 T = T0 - T1 冷速 T 結(jié)晶的必要條件：過冷（結(jié)晶的動(dòng)力）2022/8/2919工程材料與材料成型基礎(chǔ)結(jié)晶規(guī)律：結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程結(jié)晶過程液體中瞬時(shí)有許多規(guī)則排列的原子團(tuán)，時(shí)聚時(shí)散形核晶核長大不斷生成新晶核長大相碰晶粒多晶體2

8、022/8/2920工程材料與材料成型基礎(chǔ)結(jié)晶時(shí)細(xì)化晶粒的主要方式1 提高冷速（提高過冷度） 對(duì)大鑄件或厚薄差別大的鑄件 冷速過快 變形、開裂只適用于小鑄件，簡單件2 變質(zhì)處理 常用于大鑄件，實(shí)際效果較好振動(dòng)攪拌 2022/8/2921工程材料與材料成型基礎(chǔ)二元合金相圖相圖：表示在平衡狀態(tài)下，合金系的相與溫度、成分之間關(guān)系的圖形。 （又稱狀態(tài)圖，平衡圖）相圖的建立2022/8/2922工程材料與材料成型基礎(chǔ)勻晶相圖上臨界點(diǎn)：上相變點(diǎn) L1下臨界點(diǎn)：下相變點(diǎn)1兩相區(qū)L +單相區(qū) L單相區(qū)液相線固相線結(jié)晶過程：t1 : L1 1t2 : L2 2t3 : L3 3固溶體合金結(jié)晶的特點(diǎn)： 在一定溫度

9、范圍內(nèi)結(jié)晶； 已結(jié)晶的固相成分不斷沿固相線變化，剩余液相不斷沿液相線變化。2022/8/2923工程材料與材料成型基礎(chǔ)共晶相圖溶解度曲線最大溶解度點(diǎn)共晶線共晶點(diǎn)共晶合金亞共晶合金共晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶；勻晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)無限互溶2022/8/2924工程材料與材料成型基礎(chǔ)共晶轉(zhuǎn)變 恒溫下，液相中同時(shí)結(jié)晶出二個(gè)成分、結(jié)構(gòu)不同的固相 L + 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共晶體（共晶組織） 兩固相的機(jī)械混合物2022/8/2925工程材料與材料成型基礎(chǔ)包晶相圖包晶轉(zhuǎn)變：恒溫下，一個(gè)固相與液相作用生成另一個(gè)固相 L + 2022/8/2926工程材料與材料成型基礎(chǔ)與共晶轉(zhuǎn)變比較：同：恒溫轉(zhuǎn)變，同

10、時(shí)生成兩個(gè) 成分、結(jié)構(gòu)不同的固相異：共析 母相是固相，在固態(tài)轉(zhuǎn)變 共晶 母相是液相，在液態(tài)轉(zhuǎn)變共析相圖L 共析轉(zhuǎn)變：恒溫下，一個(gè)固相中同時(shí)析出兩種成分、結(jié)構(gòu)不同的固相。 +轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織（共析體） 機(jī)械混合物2022/8/2927工程材料與材料成型基礎(chǔ)純鐵的結(jié)晶過程-Fe-Fe-Fe 固態(tài)下，一種元素的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 2022/8/2928工程材料與材料成型基礎(chǔ)鐵碳合金的基本相鐵素體 F：碳在-Fe中的間隙固溶體 體心立方，b, HB, , k,鐵磁性奧氏體 A：碳在-Fe中的間隙固溶體 面心立方，HB, , 順磁性滲碳體 Fe3C : Fe與C的間隙化合物 復(fù)

11、雜晶格，硬而脆，幾乎無塑性， 230以下鐵磁性高溫鐵素體 ：碳在-Fe中的間隙固溶體 體心立方，順磁性2022/8/2929工程材料與材料成型基礎(chǔ)鐵碳合金相圖2022/8/2930工程材料與材料成型基礎(chǔ)鐵碳合金相圖分析相區(qū)：5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，3條三相水平線三個(gè)主要轉(zhuǎn)變：LCAE + Fe3C1148萊氏體Ld萊氏體 Ld：A與 Fe3C 的機(jī)械混合物成分：4.3%C性能：硬而脆形態(tài)：點(diǎn)狀、短條狀A(yù) 分布于Fe3C基體上1 共晶轉(zhuǎn)變2022/8/2931工程材料與材料成型基礎(chǔ)共析轉(zhuǎn)變和包晶轉(zhuǎn)變2 共析轉(zhuǎn)變ASFP + Fe3C727珠光體 P珠光體 P：F與 Fe3C 的機(jī)械混合物成分：0.77%C性能：適中，介于 F 和