《工程材料與金屬熱加工》 課件 項目2 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

項目2金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

純金屬的結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二元合金相圖學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求1.掌握晶體的晶格、晶胞、晶格常數(shù)、晶界等概念的含義。2.掌握純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等內(nèi)客，深入、微觀地認(rèn)識金屬的本質(zhì)。3.掌握晶體缺陷的種類、特征及對晶體結(jié)構(gòu)和性能的影響。4.掌握合金的相結(jié)構(gòu)，了解固溶體和金屬化合物在合金組織中的作用。5.了解結(jié)晶基本過程及晶粒大小的控制。6.掌握二元合金相圖的建立、物理意義。7.掌握均晶相圖、杠桿定律、枝晶偏析、共晶相圖、共析相圖以及典型合金的結(jié)晶過程。8.掌握合金性能與相圖的關(guān)系。2案例導(dǎo)入物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部排列方式不同，可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。純金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體。金屬是由原子組成的，原子堆而成的不僅僅是金屬的“外表”，更像人類的基因組一樣決定了金屬的“性格”差異?；钚蕴?、石墨和全剛石都是由碳元素構(gòu)成的，可謂“一奶同胞”。但三者所表現(xiàn)出的宏觀性能卻截然不同，主要原因就在子它們內(nèi)部的碳原子排列方式不同。金剛石，不導(dǎo)電，但硬度極高，能做割玻璃刀；石墨，能導(dǎo)電，但硬度低，還有潤滑作用等；活性炭和木炭一樣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有吸附作用。3材料晶體——原子排列長程有序，有周期非晶體——原子排列短程有序，無周期ZnS型石英玻璃(非晶體)石英晶體(晶體)熔點一定性能呈各向異性

§2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶胞常數(shù)：a、b、c、α、β、γ晶格常數(shù)：a、b、c簡單立方晶胞：a＝b＝cα＝β＝γ＝90℃晶體晶格（空間點陣）晶胞一、晶體的描述純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點晶面、晶面指數(shù)、晶面族:致密度：晶向、晶向指數(shù)、晶向族:配位數(shù)：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)晶格的基本概念二、金屬中常見的晶格類型體心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬中常見晶格類型的基本參數(shù)晶格類型體心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度配位數(shù)典型金屬a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti三、晶體的各向異性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)論：同一晶格內(nèi)不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格類型、同一名稱晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（晶向）對應(yīng)一晶面族（晶向族），其面間距（原子排列緊密程度）不同∴單晶體具有各向異性單晶Fe的彈性模量：E＜111＞=290000MN/m2E＜100＞=135000MN/m2E

=210000MN/m2

Fe的彈性模量：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷的概念晶體缺陷的產(chǎn)生單晶體和多晶體單晶體多晶體實際金屬材料是由許多粒狀單晶體組成的——晶粒晶粒大小（d：平均直徑）——晶粒尺寸每一晶粒內(nèi)部晶格位相基本一致每個晶粒有許多亞晶粒組成實際金屬性能是各晶粒性能平均值（各向同性）實際金屬結(jié)構(gòu)及晶體缺陷晶體缺陷的分類點缺陷空位及間隙原子置換原子特征：①本身尺寸很小，但晶格畸變可波及很遠(yuǎn)②空位和間隙原子均處于不斷的運動和變化之中線缺陷（位錯）刃型位錯螺型位錯電子顯微鏡下觀察到的位錯線（50,000X）特征：①在位錯線方向尺寸大②位錯線周圍產(chǎn)生晶格畸變位錯密度（ρ）：cm/cm3

一般金屬中ρ=104～1012cm/cm3晶體缺陷的分類面缺陷——晶界、亞晶界亞晶界（位錯墻模型）晶界特征：①屬面接觸②產(chǎn)生晶格畸變晶體缺陷的分類晶體缺陷對材料性能的影響使實際金屬的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想金屬晶界處位錯密度高，使其局部強度、硬度提高對實際金屬來說，晶體缺陷越多(尤其位錯)，強度、硬度越高，塑性、韌性越低滑移的實質(zhì)：位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果晶體缺陷對塑性變形的影響……必須具有金屬特性合金冶煉、燒結(jié)、噴涂…合金化方法組成合金最基本的獨立物質(zhì)組元給定組元配制出的一系列合金合金系合金中具有相同成分、結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)，并以界面相互隔開的均勻的組成部分合金相（相）金相顯微組織金相磨面在顯微鏡下觀察到的構(gòu)造情況

§2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)合金的基本概念

①總是以一種金屬元素為溶劑，另一種或多種元素為溶質(zhì)

②保有溶劑的晶格結(jié)構(gòu)

③成分可在一定范圍內(nèi)變化，性能隨成分的變化而變化④產(chǎn)生晶格畸變特征

合金組元在固態(tài)能相互溶解所形成的一種均勻的相概念合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體固溶體的分類：置換固溶體間隙固溶體

影響固溶體類型、溶解度的因素

晶格類型

原子尺寸

電化學(xué)性（電負(fù)性）

電子濃度（價電子數(shù)與原子數(shù)的比值）固溶體的形成對金屬性能的影響

固溶強化：關(guān)于固溶強化概念：

合金組元之間通過化合作用所形成的一種相對穩(wěn)定的相分類：

金屬化合物——具有金屬性質(zhì)，直接對合金性能產(chǎn)生影響非金屬化合物——脆性大，一般為雜質(zhì)

特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價規(guī)律正常價化合物：Mg2Si

Mg2Pb電子價化合物：CuZn

Cu5Zn8

CuZn3間隙化合物：WC

VC

Fe3C

Cr23C6

Fe3C2、化合物VC合金的相結(jié)構(gòu)

②一定程度上具有金屬的性質(zhì)

③晶格結(jié)構(gòu)完全不同于任一組元

④熔點高、硬而脆特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價規(guī)律對合金性能的影響：

彌散分布片狀分布網(wǎng)狀分布σ、H有一定的δ(ψ)、akH

σ、δ(ψ)、akσ、H

δ(ψ)、ak彌散強化2、化合物凝固的概念:

液體-->固體（晶體或非晶體）結(jié)晶的概念:液體-->晶體結(jié)晶的過冷現(xiàn)象

§2.2純金屬的結(jié)晶當(dāng)T=T0

時，F(xiàn)L=FS，兩相平衡當(dāng)T>T0

時，F(xiàn)L<FS，液相穩(wěn)定當(dāng)T<T0

時，F(xiàn)L>FS，固相穩(wěn)定過冷度：

T=T0-Tn結(jié)晶的必要條件：

必須有過冷度！影響過冷度的因素實際結(jié)晶溫度Tn：

V冷Tn

T

純度Tn

T

§2.2純金屬的結(jié)晶晶體液體結(jié)晶條件適宜

T長大

晶核晶粒結(jié)晶的一般過程晶胚

枝晶長大（實際金屬）平面長大（小體積液體）晶體生長方式樹枝狀晶體形貌形核率（N）長大速度（G）孕育期（τ）——金屬液體達(dá)到結(jié)晶溫度后實際結(jié)晶前需要等待的時間N、G越大，結(jié)晶越快結(jié)晶溫度越低，

T

越大，

τ

越短與結(jié)晶有關(guān)的概念晶粒度的概念晶粒大小對性能的影響——表示晶粒大小程度的物理量評定標(biāo)準(zhǔn)：100×與標(biāo)準(zhǔn)圖比較（…，-1，0，）1

～

8

（9，10，…）d（晶粒度）晶界多，強度硬度晶粒多，塑性韌性細(xì)晶強化結(jié)晶后晶粒的大小細(xì)晶強化增加過冷度進行變質(zhì)處理（孕育處理）增加液體的流動結(jié)晶時細(xì)化晶粒的方法采用冷卻能力強的鑄模提高液體金屬的過冷能力增加形核率降低長大速度增壓澆注機械攪拌超聲波振動1——表面細(xì)晶粒層（激冷層）2——柱狀晶粒層3——中心等軸晶粒——成分、溫度、壓力——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系——結(jié)晶或相變過程中，各相成分及相對重量不再改變時所達(dá)到的一種動態(tài)平衡

§2.3二元合金相圖平衡相圖有關(guān)相圖的基本概念相平衡相圖（狀態(tài)圖）影響合金中組織形態(tài)的因素建立合金系測定冷卻曲線，找出相變臨界點將各相變點對應(yīng)在成分—溫度坐標(biāo)圖上，并連接具有相同意義的點相圖的建立（熱分析法）相圖的建立過程——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系相圖（狀態(tài)圖）相圖的建立過程相圖的建立（熱分析法）建立合金系測量合金的冷卻曲線連接臨界點勻晶相圖相圖分析特點合金的結(jié)晶過程(繪制冷卻曲線)實例：Cu-Ni,Fe-Cr,Ag-Au,Cr-Mo,W-Mo——L、α兩相均能無限互溶ABLαL+α132

T/℃液相線固相線k典型二元合金相圖勻晶相圖的結(jié)晶過程CuNi確定合金冷卻過程中L、α的成分杠桿定律——確定L、α的相對重量ABLα13223444液相成分沿液相線變化固相成分沿固相線變化典型二元合金相圖設(shè)：m=1晶內(nèi)偏析典型二元合金相圖ABLα13223444消除方法：擴散退火平衡結(jié)晶的勻晶合金組織Cu-30%Ni合金的非平衡結(jié)晶組織

共晶相圖特點共晶反應(yīng)共晶體——液相無限互溶、固相有限互溶；E點發(fā)生共晶反應(yīng)BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β溫度wSn（%）α

：以Pb為溶劑、Sn為溶質(zhì)的固溶體β：以Sn為溶劑、Pb為溶質(zhì)的固溶體典型二元合金相圖恒溫

共晶相圖相圖分析BCDFEA