課題二 金屬與合金結(jié)構(gòu)及鐵碳合金相圖

課題二金屬與合金結(jié)構(gòu)及鐵碳合金相圖汽車工程系王黎明一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶課題二金屬與合金結(jié)構(gòu)及鐵碳合金相圖1、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)

典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)是最簡單的晶體結(jié)構(gòu)。由于金屬鍵的性質(zhì)，使典型金屬的晶體具有高對稱性，高密度的特點(diǎn)。[晶格]：把原子看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，然后用假想的線條將這些結(jié)點(diǎn)連結(jié)起來，便構(gòu)成了一個(gè)有規(guī)律性的空間格架稱晶格

[晶胞]：晶格中能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱晶胞。晶胞中各棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數(shù)。

由于晶體中原子重復(fù)排列的規(guī)律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。體心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣密排六方點(diǎn)陣常見金屬晶體的結(jié)構(gòu)面心立方（A1）face-centredcubiclattice→fcc體心立方（A2）body-centredcubiclattice→bcc密排六方（A3）hexagonalclose-packedlattice→hcp面心立方（face-centeredcubic，fcc）面心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

屬于面心立方的金屬有：γ-Fe（溫度在912~1394℃的鐵）、鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）、鎳（Ni）等。

體心立方（body-centeredcubic，bcc）體心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

具有體心立方晶格的金屬有：α-Fe（溫度低于912℃的鐵）、鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）、β-Ti（溫度在883~1668℃的鈦）等。

密排六方（hexagonalclose-packed，hcp）具有密排六方晶格的金屬有：鎂（Mg）、鋅（Zn）、α-Ti（溫度低于883℃的鈦）、鎘（Cd）、鈹（Be）等。

體心立方面心立方密排六方1.晶胞中原子數(shù)每個(gè)晶胞所含有的原子數(shù)（N）可用下式計(jì)算：N=Ni+Nf/2+Nr/mNi,Nf,Nr分別表示位于晶胞內(nèi)部，面心和角頂上的原子數(shù)，m為晶胞類型參數(shù)，立方晶系m=8，六方晶系m=6.體心立方面心立方密排六方2.原子半徑與點(diǎn)陣常數(shù)的關(guān)系

晶胞中棱邊長度a,b,c稱為點(diǎn)陣常數(shù)。如把原子看作半徑為r的剛性球，則可據(jù)幾何關(guān)系求出點(diǎn)陣常數(shù)與r之間的關(guān)系。3、實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）多晶體結(jié)構(gòu)（2）晶體缺陷在實(shí)際金屬晶體中，存在原子不規(guī)則排列的局部區(qū)域，這些區(qū)域稱為晶體缺陷。缺陷的幾何形態(tài)，晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。三種晶體缺陷都會(huì)造成晶格畸變，使變形抗力增大，從而提高材料的強(qiáng)度、硬度。

點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）：晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位；某個(gè)晶格間隙擠進(jìn)了原子，稱為間隙原子。

空位與間隙原子周圍的晶格偏離了理想晶格，即發(fā)生了“晶格疇變”，點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，點(diǎn)缺陷是動(dòng)態(tài)變化著的，它是造成金屬中物質(zhì)擴(kuò)散的原因。點(diǎn)缺陷造成的晶格疇變線缺陷（刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)）：它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，這種錯(cuò)排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以分別形成螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)。

在位錯(cuò)周圍，由于原子的錯(cuò)排使晶格發(fā)生了畸變，使金屬的強(qiáng)度提高，但塑性和韌性下降。實(shí)際晶體中往往含有大量位錯(cuò)，生產(chǎn)中還可通過冷變形后使金屬位錯(cuò)增多，能有效地提高金屬強(qiáng)度。

刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)

刃型位錯(cuò)

面缺陷（晶界、亞晶界）：面缺陷包括晶界和亞晶界。晶界是晶粒與晶粒之間的界面，另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，亞晶粒的交界稱為亞晶界。晶界處的原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上。晶粒之間位向差較大（大于10°～15°）的晶界，稱為大角度晶界；亞晶粒之間位向差較小。亞晶界是小角度晶界。面缺陷同樣使晶格產(chǎn)生疇變，能提高金屬材料的強(qiáng)度。細(xì)化晶?？稍黾泳Ы绲臄?shù)量，是強(qiáng)化金屬的有效手段，同時(shí)，細(xì)晶粒的金屬塑性和韌性也得到改善。面缺陷（3）純金屬的結(jié)晶液態(tài)金屬變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程——結(jié)晶。①過冷現(xiàn)象

過冷：金屬在理論結(jié)晶溫度以下仍未開始結(jié)晶，仍然保持液體。過冷度：理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差。

T=TmTn凝固時(shí)的冷卻曲線：

影響過冷度的因素：◎金屬的性質(zhì)：不同的金屬，過冷度不同；◎液體金屬的純度：純度愈高，過冷度愈大；◎冷卻速度：冷卻速度愈大，過冷度愈大。結(jié)晶潛熱金屬結(jié)晶時(shí)放出的熱量。②金屬結(jié)晶的微觀過程結(jié)晶過程：形核和長大過程。二、合金的結(jié)構(gòu)1、合金的基本概念

①合金是指兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)

②組元組成合金最基本的，獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。

③合金系

由若干給定組元可以按不J刊比例配制成一系列成分不同的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，簡稱合金系。④相指金屬維織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。⑤組織泛指用金相觀察的方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。2、合金結(jié)構(gòu)(1)固溶體固溶體是指合金在固態(tài)下，組元間能互相溶解而形成的均勻相。溶劑的概念溶質(zhì)的概念①置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)部分溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。無限固溶體：例Cu—Ni合金有限固溶體：例cu—zn合金②間隙固溶體溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格間隙處而形成的固溶體。應(yīng)該指出，溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中導(dǎo)致固溶體的晶格畸變使合金強(qiáng)度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為“固溶強(qiáng)化”。2、金屬化合物金屬化合物是指金屬組元間相互作用而生成的具有金屬特性的一種新相。其晶格類型不J刊于它的任一組元；其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬而脆。當(dāng)金屬化合物細(xì)小均勻分布在固溶體上時(shí)，能顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性這種現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。3、機(jī)械混合物由兩相或多相按固定比例構(gòu)成的組織稱為機(jī)械混合物。工業(yè)上使用的大多數(shù)合金屬于機(jī)械混合物，如鋼、生鐵、鋁合金、黃銅、青銅等。

三、鐵碳合金相圖

1、純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

同素異晶轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。純鐵在冷卻時(shí)的相變過程：2、鐵碳合金的基本相鐵素體、奧氏體和滲碳體。（1）鐵素體鐵素體：碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體。用F表示。鐵素體的力學(xué)性能鐵素體顯微組織（2）奧氏體奧氏體：碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體。用A表示。奧氏體的性能。奧氏體的顯微組織。（3）滲碳體滲碳體：鐵與碳相互作用所形成的具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物。用Fe3C表示。滲碳體的性能滲碳體的形態(tài)：以片狀、粒狀或網(wǎng)狀等形式與固溶體相共存。是鋼中主要的強(qiáng)化相3、鐵碳合金相圖的建立鐵碳合金相圖：表示在平衡條件下，不同成分的鐵碳合金、在不同溫度下與組織或狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。（1）Fe-Fe3C相圖分析①Fe-Fe3C相圖中的特性點(diǎn)②Fe-Fe3C相圖中的特性線共晶轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（AE＋Fe3C）稱為萊氏體，用Ld表示。

共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩種不同成分固相的轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（FP＋Fe3C）稱為珠光體。變態(tài)萊氏體、一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體2、鐵碳合金的分類分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵。（1）工業(yè)純鐵wC＜0.0218%的鐵碳合金，其室溫組織：鐵素體。（2）鋼0.0218~2.11%C的鐵碳合金。①.共析鋼成分為0.77%C的鐵碳合金，室溫組織：珠光體；②亞共析鋼成分為0.0218~0.77%C的鐵碳合金，室溫組織：鐵素體+珠光體；③過共析鋼成分為0.77~2.11%C的鐵碳合金，室溫組織：珠光體+二次滲碳體。（3）白口鑄鐵2.11~6.69%C的鐵碳合金①.共晶白口鑄鐵4.3%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)萊氏體；②.亞共晶白口鑄鐵成分為2.11~4.3%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)萊氏體+珠光體+二次滲碳體；③.過共晶白口鑄鐵成分為4.3~6.69%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)萊氏體+一次滲碳體3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（1）共析鋼的結(jié)晶過程及組織

共析轉(zhuǎn)變完成時(shí)，珠光體中鐵素體與滲碳體的相對量合金Ⅰ：共析鋼（2）亞共析鋼的結(jié)晶過程及組織合金Ⅱ：亞共析鋼。室溫組織：鐵素體和珠光體（3）過共析鋼的結(jié)晶過程及組織合金Ⅲ：過共析鋼

室溫組織：珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體（4）共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程及組織合金Ⅳ：共晶白口鑄鐵

室溫組織：珠光體+二次滲碳體+共晶滲碳體，即變態(tài)萊氏體（L’d）（5）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程及組織合金Ⅴ：亞共晶白口鑄鐵

室溫組織：珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體（6）過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程及組織合金Ⅵ：過共晶白口鑄鐵

室溫組織：一次滲碳體+變態(tài)萊氏體第四節(jié)鐵碳合金成分與組織、性能間的關(guān)系一