材料成形基礎(chǔ)3-組織結(jié)構(gòu)

2023/2/51第二章金屬材料的組織結(jié)構(gòu)§2-2鐵碳合金相圖§2-1金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2023/2/52

物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C60§2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體概念

二、三種常見的金屬晶格*二、立方晶系晶面、晶向指數(shù)四、晶體的各向異性2023/2/53一、晶體概念1、晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。2023/2/542、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣(晶格)2023/2/55⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。2023/2/56⑷晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜⑶晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。2023/2/57⑸原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。⑹晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。*⑺配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。*⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。2023/2/58*二、立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。⑴晶面指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：2023/2/59①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。②取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。2023/2/510例一.求截距為、1、晶面的指數(shù)截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、晶面的指數(shù)取倒數(shù)為1/2、1/3、

0,化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（112）晶面

取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2,化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距2023/2/511⑵

晶向指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：2023/2/512①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的平行線。②求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。2023/2/513例一、已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。例二、已知晶向指數(shù)為[110],畫出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。[110][234]2023/2/514⑶

晶面族與晶向族(hkl)與[uvw]分別表示的是一組平行的晶向和晶面。指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用{hkl}和<uvw>表示。2023/2/515立方晶系常見的晶面為：2023/2/516{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY2023/2/517立方晶系常見的晶向?yàn)椋?023/2/518<111>[111][111][111][111]XZY2023/2/519說明：①

在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。②遇到負(fù)指數(shù)，“-”號放在該指數(shù)的上方。--③晶向具有方向性，如[110]與[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]2023/2/520三、三種常見的金屬晶格1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。2023/2/521⑴

體心立方晶格2023/2/522體心立方晶格2023/2/523體心立方晶格的參數(shù)2023/2/524體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：2023/2/525⑵面心立方晶格2023/2/526面心立方晶格2023/2/527面心立方晶格的參數(shù)2023/2/528

a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格2023/2/529⑶密排六方晶格2023/2/530密排六方晶格的參數(shù)*2023/2/531**2023/2/532a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格2023/2/5332023/2/534⑷三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對角線32023/2/535三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格2023/2/536體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面2023/2/537四、晶體的各向異性由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶體在不同方向上的性能便有所差異，這叫晶體的各向異性。2023/2/538§2.1.2

實(shí)際金屬晶體中的晶體缺陷變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。2023/2/539沿晶斷口鉛錠宏觀組織2023/2/540晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖2023/2/541二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。2023/2/542①點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子2023/2/543a.

空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b.

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙2023/2/544c.

置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子小置換原子大置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。2023/2/545空位和間隙原子引起的晶格畸變2023/2/546②線缺陷—晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。2023/2/547位錯(cuò)密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2位錯(cuò)對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

2023/2/548電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察2023/2/549③面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。亞晶粒是晶粒內(nèi)部的尺寸很小,位向差也很小(10’~2

)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。晶界示意圖亞晶界示意圖亞晶組織2023/2/550晶界的特點(diǎn)：①

原子排列不規(guī)則。②

熔點(diǎn)低。③

耐蝕性差。④

易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。⑤

阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。⑥

是相變的優(yōu)先形核部位

顯微組織的顯示2023/2/551一、結(jié)晶的概念物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品水晶§2.1.3純金屬的結(jié)晶2023/2/552純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。自由能（Ｆ）：物質(zhì)中能夠自動向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量。理論結(jié)晶溫度（Ｔ0）：結(jié)晶速度與溶解速度相等時(shí)所對應(yīng)的溫度(Ｆ液=Ｆ晶）。結(jié)晶驅(qū)動力△Ｆ＝Ｆ液－Ｆ晶2023/2/553冷卻曲線：金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的.結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。過冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度

T=T0

–T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。2023/2/554二、結(jié)晶時(shí)晶核的形成和成長過程1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個(gè)基本過程組成.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，稱為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。晶核形成后便向各方向生長，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核（自發(fā)晶核）。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核（外來晶核）。非均勻形核更為普遍。2023/2/5563、晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.因晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。樹枝狀長大的實(shí)際觀察2023/2/558樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶2023/2/559二、結(jié)晶時(shí)晶核的形成和成長過程結(jié)晶過程：晶核的形成和成長（晶核分自發(fā)晶核與外來晶核）。成長方式：枝晶成長。2023/2/560缺陷的形成：在枝晶成長過程中，由于液體的流動，枝軸本身的重力作用和彼此間的碰撞，以及雜質(zhì)元素的影響等種種原因，會使某些枝軸發(fā)生偏斜或折斷，以致造成晶粒中的嵌鑲塊、亞晶界、位錯(cuò)等。三、影響晶核的形成和成長速率的因素過冷度影響因素液體中的不熔雜質(zhì)表面細(xì)晶粒層四、金屬鑄錠的組織柱狀晶粒層中心等軸晶粒層細(xì)晶組織機(jī)械性能較粗晶好。2023/2/5612023/2/562在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著直接的影響。2023/2/563⑴表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。2023/2/564⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區(qū)。2023/2/565⑶中心粗等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。2023/2/566鑄造時(shí)細(xì)化晶粒的主要方法1、增加冷卻速度:

例如：由砂型鑄造改為金屬模鑄造，可以提高鑄件的力學(xué)性能。2、變質(zhì)處理:

例如鑄鐵和鋁硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合鹽)3、物理方法:

振動、攪拌等67金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變----固態(tài)金屬由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化過程。Fe、Co、Mn、Ti等金屬結(jié)晶以后，在繼續(xù)冷卻時(shí)，隨著溫度等外界條件的改變，晶體結(jié)構(gòu)還會發(fā)生變化。-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅§2.2.1固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)相:是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織:是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金一、固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固

相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體①

置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織②

間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金

屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。③

固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含