金屬材料的組織結(jié)構(gòu)

1、第二篇 金屬的組織結(jié)構(gòu),教學目的與要求: 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,教學內(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、難點： 有關(guān)金屬學的基本概念， 鐵碳合金平衡狀態(tài)圖及其分析,本章主要閱讀文獻,1、周鳳云主編. 工程材料及應用. 武漢：華中科技大 學出版社，2002。

2、2、于永泗主編.機械工程材料. 大連：大連理工大學 出版社，2003。 3、盧秉恒主編. 機械制造技術(shù)基礎. 北京：機械工 業(yè)出版社，1999,一、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 重復排列的物質(zhì)。 特點：各向異性 具有規(guī)則的外形 具有固定的熔點,第一節(jié) 金屬的結(jié)晶,二）金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象,1、理論結(jié)晶溫度 2、過冷現(xiàn)象 實際結(jié)晶過程只有在理論結(jié)晶溫度以下才能進行的現(xiàn)象叫過冷現(xiàn)象,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,二、金屬結(jié)晶的過程,金屬的結(jié)晶過程分為三個方面進行表述,1.液態(tài)固態(tài),2.原子由液態(tài)下的無序狀態(tài)固態(tài)

3、下的有序狀態(tài),3.原子由液態(tài)下的高速運動固態(tài)下原子的低速運動,金屬結(jié)晶過程示意圖,1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核長大和新的晶核產(chǎn)生； 4、晶核長大； 5、所有液態(tài)形成晶核,一)形核方式,金屬結(jié)晶時，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 當液態(tài)金屬很純凈時，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,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

4、的影響，主要是因為 在結(jié)晶過程中有兩個因素同時在起作用： 一是晶體與液體的自由能差（F），是晶核形成和長大的驅(qū)動力； 二是液體中原子遷移能力或擴散系數(shù)（D），是晶核形成和長大的必須條件。 如圖24、25所示,三、晶粒大小的控制,一)晶粒度對金屬性能的影響 常溫下，晶粒越細小，晶界面積越大，則強度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好，即綜合機械性能好。 高溫下，晶粒應適當粗化，其性能較好。因為高溫下原子沿晶界的擴散比晶內(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 晶粒度取決于N/G，其值越大，晶粒越細小,三)細化晶粒方法及原理 1. 控制過冷度 V實增大，Tn降低，T增大，為結(jié)晶過程

5、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、細顆粒），促進形核，以增加晶核數(shù)目或抑制晶粒長大，從而細化晶粒。 3. 機械振動法（如攪動）超聲波振動法等,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。這種格架稱為晶格。晶格的結(jié)點為金屬原子(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),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。 晶格常

6、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,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,八個原子處于立方體的角上，一個原子處于立方體的中心, 角上八個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。大多具有較高的強度和韌性,體心立方晶胞,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) 在體心立方晶胞中, 每個

7、角上的原子在晶格中同時屬于8個相鄰的晶胞,因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為1/8, 而中心的那個原子則完全屬于這個晶胞。所以一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為 2個,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角上和六個面的中心。面中心的原子與該面四個角上的原子緊靠。 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,面心立方晶胞,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) 1/8*8+1/2*6=4,三)密排六方晶格 密排六方晶胞原子如何排

8、列 十二個金屬原子分布在六方體的十二個角上，在上下底面的中心各分布一個原子, 上下底面之間均勻分布三個原子。 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,密排六方晶胞,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, 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=6,三、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,L,一種金屬能以幾種晶格類

9、型存在的性質(zhì) 稱為同素異晶性,Fe、Sn、Ti、Mn,溫度,時間,1538,1394,912,體心,面心,體心,Fe,研究同素異晶轉(zhuǎn)變的意義,1）熱處理 2）內(nèi)應力,第三節(jié) 合金的組織,返 回,返 回,返 回,返 回,晶格畸變示意圖,固溶強化概念： 晶格畸變導致金屬塑性變形阻力增大，從而使其強度和硬度提高，這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 固溶強化機理： 溶質(zhì)原子溶入晶格畸變位錯運動阻力上升金屬塑性變形困難強度、硬度升高,一、鐵碳合金中的基本相與基本組織,鐵碳合金中的基本相中有: 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,一）基本相

10、,二）基本組織,五種基本組織的關(guān)系,C,F,A,Fe3C,P,Ld,Ld,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：溫度； （2）橫坐標：成分； （3）圖中的每一條相變線； （4）每一相變線組成的相區(qū),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,1538,1394,912,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,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,1148,1538,727,P,L,A,F,3、鐵碳相圖中的特性點及意義,912,C,6.69,F,A純鐵的熔點,DFe3C的熔點,EC

11、在-Fe中的最大溶解度點。1148 2.11%C 鋼和鐵的分界點,Ld,C共晶點，1148 4.3%C,共晶點發(fā)生共晶反應的點,共晶反應 在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結(jié)晶出一定成分的兩個固相的反應,共晶反應的產(chǎn)物共晶體機械混合物,G 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點。 912,P C在-Fe中的最大溶解度點。727 0.02%C,S 共析點。 727 0.77,共析點 發(fā)生共析反應的點,共析反應在一定的溫度下，由一定成分的固相同時結(jié)晶出一定成分的另外兩個固相的反應,共析反應的產(chǎn)物 共析體 機械混合物,4、鐵碳相圖中的特性線及意義,AECF線固相線,ACD線液相線,AEA析出終了線 ECF共晶線 1

12、148,AC析出A CD析出 Fe3C,A,L,Fe3C,L,F,A,A,A+Ld,Ld + Fe3C,ES線 C在-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3C,GS線 溶解度曲線 AF,GP線 F析出終了線,PSK線 共析線 727,PQ線 碳在-Fe中的溶解度曲線,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,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,1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

13、生鐵,鐵 碳 合 金 平 衡 狀 態(tài) 圖,四、鐵碳合金的化學成分、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)量分數(shù)為6.69%C時); Fe3C的量則逐漸增多, 由0%按直線關(guān)系變至100%。 在室溫下, 碳含量不同時, 不僅F和Fe3C的質(zhì)量分數(shù)變化, 而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也在變化,合金含碳量 組 織 小于0.0218% 組織全部為F 等于0.77%C 組織全部為P 等于4.3%C 組織全部為Ld 等于6.69%C 組織全部為Fe3C 在上述碳含量之間, 則為相應組織組成物的混合組織,隨碳含量增大, 組織按下列順序變化,五、鐵碳合金狀態(tài)圖的應用,1. 在鋼鐵材料選用方面的