金屬材料的組織結(jié)構(gòu)

1、金屬材料的組織結(jié)構(gòu)第1頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三教學(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。第2頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三教學(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， 鐵碳合

2、金平衡狀態(tài)圖及其分析。第3頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三本章主要閱讀文獻(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 。第4頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三一、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)：各向異性 具有規(guī)則的外形 具有固定的熔點(diǎn)第一節(jié) 金屬的結(jié)晶第5頁，共60頁，2022年，5月20日

3、，22點(diǎn)17分，星期三（二）金屬結(jié)晶時(shí)的過冷現(xiàn)象1、理論結(jié)晶溫度2、過冷現(xiàn)象 實(shí)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。第6頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三液態(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第7頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三二、金屬結(jié)晶的過程金屬的結(jié)晶過程分為三個(gè)方面進(jìn)行表述：1.液態(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(dòng)固態(tài)下原子的低速運(yùn)動(dòng)。第8頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三金屬結(jié)晶過程示意圖1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核長大和新

4、的晶核產(chǎn)生； 4、晶核長大； 5、所有液態(tài)形成晶核 第9頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三(一)形核方式金屬結(jié)晶時(shí)，由于結(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。1. 自發(fā)形核當(dāng)液態(tài)金屬很純凈時(shí)，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(shí)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。 第10頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三(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

5、響，主要是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過程中有兩個(gè)因素同時(shí)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(dòng)力；二是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。 第11頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第12頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三三、晶粒大小的控制(一)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)度和硬度越高，同時(shí)塑性和韌性也越好，即綜合機(jī)械性能好。 高溫下，晶粒應(yīng)適當(dāng)粗化，其性能較好。因?yàn)楦邷叵略友鼐Ы绲臄U(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

6、度取決于N/G，其值越大，晶粒越細(xì)小。第13頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三(三)細(xì)化晶粒方法及原理 1. 控制過冷度 V實(shí)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），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(dòng)法（如攪動(dòng)）超聲波振動(dòng)法等。第14頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三一、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

7、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第二節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第15頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第16頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三晶胞： 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(gè)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)示意圖第17頁，共60頁，2022年，5

8、月20日，22點(diǎn)17分，星期三第18頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三二、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 體心立方晶格的晶胞中,八個(gè)原子處于立方體的角上，一個(gè)原子處于立方體的中心, 角上八個(gè)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。第19頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三體心立方晶胞第20頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三體心立方晶胞特征： （1）晶格常數(shù) a=b=c, =90 （2）晶胞原子數(shù) 在體

9、心立方晶胞中, 每個(gè)角上的原子在晶格中同時(shí)屬于8個(gè)相鄰的晶胞,因而每個(gè)角上的原子屬于一個(gè)晶胞僅為1/8, 而中心的那個(gè)原子則完全屬于這個(gè)晶胞。所以一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為 2個(gè)。 第21頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三(二)面心立方晶格 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(gè)角上和六個(gè)面的中心。面中心的原子與該面四個(gè)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。 第22頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三面心立方

10、晶胞第23頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三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(gè)) 1/8*8+1/2*6=4 第24頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三(三)密排六方晶格 密排六方晶胞原子如何排列 十二個(gè)金屬原子分布在六方體的十二個(gè)角上，在上下底面的中心各分布一個(gè)原子, 上下底面之間均勻分布三個(gè)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。 第25頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三密排六方晶胞第26頁，共60頁，2022年

11、，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三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 第27頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三三、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變在固態(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。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(shí)間1538 1394 912 體心面心體

12、心Fe第28頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三研究同素異晶轉(zhuǎn)變的意義：1）熱處理2）內(nèi)應(yīng)力第29頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第三節(jié) 合金的組織第30頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第31頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第32頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三返 回第33頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三返 回第34頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三返 回第35頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三返

13、 回第36頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第37頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三晶格畸變示意圖 第38頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三固溶強(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)化機(jī)理：溶質(zhì)原子溶入晶格畸變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升金屬塑性變形困難強(qiáng)度、硬度升高。第39頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三第40頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三一、鐵碳合金中的基本相與基本組織鐵碳合金中的基

14、本相中有:鐵素體（F）奧氏體(A)滲碳體(Fe3C)第四節(jié) 鐵碳合金及其平衡狀態(tài)圖第41頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三（一）基本相0.00060.0008%第42頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三（二）基本組織Ld第43頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三五種基本組織的關(guān)系C溶入-Fe溶入-FeFAFe3C與Fe化合P混合LdLd混合混合第44頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三二、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）圖中的每一條相變線；（

15、4）每一相變線組成的相區(qū)。第45頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三 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(shí)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。 第46頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三AESPQGKD4.32.110.770.02C%11481538 727PLAF3、鐵碳相圖中的特性點(diǎn)及意義溫度912CFe3C6.69FA純鐵的熔點(diǎn)。DFe3C的熔點(diǎn)。 EC在-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1148 2.11%C 鋼和鐵

16、的分界點(diǎn)。Ld第47頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三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(shí)結(jié)晶出一定成分的兩個(gè)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 第48頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三 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，由一定成分的固相同時(shí)結(jié)晶出

17、一定成分的另外兩個(gè)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（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.69%C ）727P第49頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三4、鐵碳相圖中的特性線及意義AESPQGKD4.32.110.770.02C%11481538 Ld727PLAF溫度912CFe3C6.69FAECF線固相線 ACD線液相線AEA析出終了線ECF共晶線 1148AC析出ACD析出 Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LdLd + Fe3C第50頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三ES線 C在-Fe中

18、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。第51頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三5. 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第52頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三三、典型鐵碳合金的組織轉(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 第53頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三231LAAL+P

19、1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LdLd1LA+L+LdP+Fe3C+LdA+Ld +32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+LdLd1鋼2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:第54頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三鐵碳合金平衡狀態(tài)圖 第55頁，共60頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)17分，星期三四、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。隨碳含量的增加, F的量逐漸變少, 由100%按直線關(guān)系變至0%(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%C時(shí)); F