金屬工藝學(xué) 第三章

1、金屬工藝學(xué) 第三章1第1頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三第三章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1.晶體與非晶體概念：原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的 固體物質(zhì)稱晶體；非晶體則反之。特點：晶體有熔點；具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。 非晶體無熔點；各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。2第2頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三二、晶格與晶胞晶格：表示晶體中原子排列形成的空間格子。晶胞：組成晶格最基本的幾何單元。ab晶 胞 示意圖原子3. 晶格常數(shù)a ,b , ca=b=c且互垂直表示晶胞幾何形狀大小晶體

2、中的原子排列晶面結(jié)點形成的原因：各原子之間相互吸引力與排斥力相平衡結(jié)果。c3第3頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三 形狀 正方體 原子位置8個頂點和立方體的中心各一個原子。 晶胞實有原子數(shù) 2個原子(81/8+1) 。 （5）具有體心立方晶格的金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V等1.體心立方晶格 原子排列特征 體心立方晶格的晶胞如圖所示。 三、常見的晶格類型4第4頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三2.面心立方晶格 原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如圖所示。 形狀 立方體 原子位置8個頂點和六個面的中心各一個原子。 晶胞實有原子數(shù) 4個原子(81/8+6

3、1/2)。 （5）具有面心立方晶格的金屬-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等。 5第5頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三3.密排六方晶格 原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如圖所示。 形狀 六方柱體 原子位置兩個底面、12個頂點和柱體內(nèi)部3個原子。 晶胞實有原子數(shù) 6個原子(121/6+21/2+3) 。 （5）具有密排六方晶格的金屬Mg、Zn等。 6第6頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三四、 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）、多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶界多晶體 示意圖由多個單晶粒組成的晶體為多晶體晶粒、晶界 顯微組織：在顯微鏡下觀察到其形態(tài)、大小、分布不同的組成物。（二）

4、、晶格缺陷1、點缺陷：在長、寬、高方向尺寸都有很小變化的一種晶體缺陷。間隙原子晶格空位7第7頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三2、線缺陷 ：在晶格中呈線狀分布的缺陷。3、面缺陷：呈面狀分布的缺陷。線 缺 陷面缺陷8第8頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三第二節(jié) 純 金 屬 的 結(jié) 晶一、結(jié)晶的概念1、結(jié)晶 由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶體的過程?；蛘呙枋鰹椋涸佑刹灰?guī)則排列到有規(guī)則排列過程?；蛘呙枋鰹椋壕w結(jié)構(gòu)形成的過程。如水冰2、冷卻曲線與過冷現(xiàn)象TT0T1時間O冷卻曲線平臺：結(jié)晶過程時間。是結(jié)晶時放出的熱（潛熱）造成的。 T0理論結(jié)晶溫度T1實際結(jié)晶溫度T0T

5、1= T 過冷度過冷是結(jié)晶的必要條件！9第9頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三結(jié)論：冷卻速度T 實際結(jié)晶溫度二、純金屬的結(jié)晶過程過程：不斷形核和晶核不斷長大的過程。三、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響1、晶粒越細小，力學(xué)性能越高。10第10頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三2、細化晶粒方法：（1）提高冷卻速度，增加T。（2）孕育處理（變質(zhì)處理）。（3）附加振動或攪拌。11第11頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵絲加熱實驗示意圖鐵絲標(biāo)尺支架現(xiàn)象：加熱時鐵絲伸長，到912開始收縮。若冷卻時從1000 到912 出

6、現(xiàn)伸長現(xiàn)象。概念：金屬在固態(tài)下隨溫度發(fā)生變化，其晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象-同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。冷卻曲線：用冷卻曲線表示出此現(xiàn)象。實質(zhì)是：原子排列不同，結(jié)構(gòu)不同，金屬體積發(fā)生改變12第12頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三冷卻曲線：溫度時間liquid結(jié)晶過程Fe 體心立方晶格Fe 面心立方晶格Fe體心立方晶格轉(zhuǎn)變式： Fe Fe Fe1394 體心 面心 體心9121538 13第13頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三第三節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu) 組織: 是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。 合金：

7、一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。 相: 是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。組元: 組成合金的最基本獨立單元。14第14頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三 純金屬合金結(jié)晶過程：液固兩相共存結(jié)晶過程：液固兩相共存 熔點以上：液相 熔點以上：液相 結(jié)晶完畢：單一固相 結(jié)晶完畢：組元發(fā)生相互作用 化合物組元彼此均勻溶解 固溶體固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。15第15頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三一、固溶體（一）定義：合金在固態(tài)下

8、，組元間能互相溶解而形成的均勻相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格種所處位置不同分（二）分類：2. 間隙固溶體1. 置換固溶體16第16頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三1. 置 換 固 溶 體 溶質(zhì)原子置換了部分溶劑晶格結(jié)點上某些原子而形成的固溶體。 形成置換固溶體時，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。17第17頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三2. 間 隙 固 溶 體 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。 形成條件：溶質(zhì)原子直徑很小而溶劑晶格間隙較大,一般 d溶質(zhì)/d溶劑0.59時，才能形成間隙固

9、溶體。18第18頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三二、金屬化合物（一）定義 合金組元間發(fā)生相互作用而形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新相即為金屬間化合物，或稱中間相。（二）性能 熔點高，硬度高，脆性大。合金中一般作為強化相存在。固溶強化：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中導(dǎo)致固溶體的晶格畸變而使金屬強度、硬度提高即固溶強化，同時有較好的塑性和韌性。3、固溶體的性能19第19頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三第四節(jié) 二元合金相圖合金相圖：又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。它表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相（或組織狀態(tài)）和溫度、成分之間關(guān)系的圖。二元

10、合金相圖的建立： 二元合金相圖的建立（以銅鎳合金為例）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金2、用熱分析法測出各成分的合金冷卻曲線。3、曲線特點： 20第20頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三（1）A、B兩點是純銅、純鎳都有一個平臺，結(jié)晶在恒溫下進行（一個臨界點）（2）中間的四條曲線都有兩個轉(zhuǎn)折點結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間進行（兩個臨界點）。（3）將各臨界點描繪在溫度成分坐標(biāo)系中得到圖（b）。21第21頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三二、勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時，所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖。1、相圖分析液相線之上為液相區(qū)，用L表示液相線與固相

11、線之間是液、固兩相，用L+ 固相線下方為固相區(qū)，用表示A點為銅的熔點B點為鎳的熔點22第22頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三以圖中K點成分合金為例分析合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點溫度時，開始從液相中結(jié)晶出固溶體；隨著溫度的下降，相增多，而L相減少；至2點時，結(jié)晶過程結(jié)束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄?、合金結(jié)晶過程分析23第23頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三三、共晶相圖：二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶反應(yīng)：是指冷卻時由液相同時結(jié)晶出兩個固相的復(fù)合混合物的反應(yīng)。共晶體：共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是共

12、晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織是共晶組織。24第24頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三25第25頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三1、相圖分析（1）共晶點 C點 相相（2）共晶線 ECF線 LCE+ F ( 3 )固溶體脫溶線 固溶體或固溶體隨著溫度的下降，溶解度也不斷的下降。圖中ES線表達了固溶體脫溶的變化規(guī)律，F(xiàn)G線表達了固溶體的變化規(guī)律。ES、FG線稱為固溶體脫溶線。 固溶體脫溶產(chǎn)物是相，稱為二次相（1） 固溶體脫溶產(chǎn)物是相，稱為二次相（1）恒溫26第26頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三2、結(jié)晶過程分析：（1）共晶成分

13、的合金 C點成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷卻過程中經(jīng)過C點時發(fā)生共晶反應(yīng)，生成共晶體。 LCE+ F(2)亞共晶成分的合金 E、C點之間成分的合金，稱為亞共晶合金。如圖合金，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結(jié)晶出1相；經(jīng)過2點時，剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶體；繼續(xù)冷卻1相還會脫溶出相。C室溫組織為1 (+)。LL+1 1 (+) 1 (+)122以下恒溫27第27頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三(3)過共晶成分的合金 C、F點之間成分的合金，稱為過共晶合金。如圖合金，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結(jié)晶出1相；經(jīng)過2點，剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶體；在繼續(xù)冷卻1相脫溶出相，最終組織為1 (+)。 LL+ 1 1 (+) 1 (+)（4）無共晶反應(yīng)的合金 E點左側(cè)和F點右側(cè)的合金在冷卻過程中不會發(fā)生共晶反應(yīng)。如圖合金冷卻至1點時結(jié)晶出1 相,經(jīng)過2點時全部轉(zhuǎn)變?yōu)? 相,經(jīng)過3點時,開始脫溶出相,即 LL+1 1 1 同理，F(xiàn)點右側(cè)的合金在冷卻過程中也會有1 相和相生成。最終組織為 1 。123122以下28第28頁，共32頁，2022年，5月20日，22點4分，星期三四、具有共析反應(yīng)的相圖自某種均勻一致的固相中同時析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應(yīng)。共析體：共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共析體。共析組織:共析體的顯微組織稱為共析組織。