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(hào)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(hào)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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。空位間隙原子置換原子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(duì)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：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)平衡狀態(tài)。自由能（Ｆ）：物質(zhì)中能夠自動(dòng)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(duì)應(yīng)的溫度(Ｆ液=Ｆ晶）。結(jié)晶驅(qū)動(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)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(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即均勻長(zhǎng)大和樹枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大.因晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。樹枝狀長(zhǎng)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(zhǎng)過程結(jié)晶過程：晶核的形成和成長(zhǎng)（晶核分自發(fā)晶核與外來晶核）。成長(zhǎng)方式：枝晶成長(zhǎng)。2023/2/560缺陷的形成：在枝晶成長(zhǎng)過程中，由于液體的流動(dòng)，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(huì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)、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(huì)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