金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)

第一章金屬學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬和合金在固態(tài)時(shí)，通常就是那種原子在三維空間中有規(guī)則作周期重復(fù)排列的物質(zhì)，就是說，在金屬和合金中，原子的排列都是有規(guī)律(guīlǜ)的。一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）金屬原子間的結(jié)合金屬原子聚集在一起主要是靠金屬鍵結(jié)合。共五十一頁(二)理想晶體1．晶體與非晶體a.晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。非晶體：材料的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”。b.區(qū)別(a)是否具有周期性、對(duì)稱性(b)是否長(zhǎng)程有序(c)是否有確定的熔點(diǎn)(d)是否各向異性晶體和非晶體在一定(yīdìng)條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

2．晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。由于組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不同，排列的規(guī)律也不一樣，所以就存在各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)共五十一頁

3.理想(lǐxiǎng)晶體的晶體學(xué)抽象空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）

晶胞的描述晶體學(xué)參數(shù)(cānshù)：a,b,c,α,β,γ晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度a,b,c及棱邊間的夾角α,β,γ共五十一頁（1）晶格：金屬學(xué)中把晶體的原子假設(shè)成是固定不動(dòng)的剛性小球，用假想的線條將各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個(gè)空間的格子。(2)晶胞：能夠反映晶格特征的、最小的幾何單元。

(3)晶格常數(shù)：晶體學(xué)上，以棱邊長(zhǎng)度(chángdù)a、b、c和棱面夾角α、β、γ來表示晶胞的形狀和大小。其中棱邊長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)。單位為埃（1埃=10-8cm)

共五十一頁a)體心(tǐxīn)立方晶胞(BCC)晶胞(jīnɡbāo)原子數(shù)：是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。8*1/8+1=2典型金屬：α-Fe、Cr、Mo、W、V等共五十一頁b)面心立方(lìfāng)晶胞原子數(shù)：8*1/8+6

*1/2=4典型(diǎnxíng)金屬：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag等共五十一頁c)密排六方晶系原子數(shù)：1/6*12+1/2*2+3=6典型(diǎnxíng)金屬M(fèi)g、Zn、Be、Cd等共五十一頁原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距(xiāngjù)最近的兩個(gè)原子間距的一半。體心立方晶胞：r=配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱密排系數(shù)。致密度=晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積*100%共五十一頁d)BCC、FCC、HCP晶胞的重要(zhòngyào)參數(shù)晶胞晶體學(xué)參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度BCCa=b=c,a

=b=g

=90o

2

8

68%FCCa=b=c,a

=b=g

=90o

4

12

74%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a

=b

=90o,g=120o

a/2

6

1274%共五十一頁(三)實(shí)際金屬中的晶體缺陷理想晶體+晶體缺陷——實(shí)際晶體實(shí)際晶體——單晶體和多晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致

各自異性多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成各自同性

1．晶體缺陷：實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分(bùfen)

a點(diǎn)缺陷——晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位和間隙原子共五十一頁空位:晶格結(jié)點(diǎn)(jiédiǎn)處無原子

置換原子:

晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)

間隙原子:原子占據(jù)晶格間隙

共五十一頁b線缺陷(quēxiàn)（位錯(cuò)(刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)）——二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排共五十一頁共五十一頁C.面缺陷——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域（晶界、亞晶界、相界、表面等）

晶界-晶體結(jié)構(gòu)相同位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒的晶界。亞晶界—在晶粒內(nèi)部可以觀察到直徑在10-100um大小的晶塊，這些晶塊之間的內(nèi)界面就稱為亞晶粒間界，簡(jiǎn)稱亞晶界。細(xì)晶強(qiáng)化：晶界、亞晶界處的原子也會(huì)偏離平衡位置引起晶格畸變，使金屬材料的強(qiáng)度和硬度得以提高，這種靠增加晶界或亞晶界強(qiáng)化材料(cáiliào)的方式叫細(xì)晶強(qiáng)化。共五十一頁二.合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬(jīnshǔ)材料大多是合金—由兩種或兩種以上的金屬(jīnshǔ)構(gòu)成合金，并具有金屬(jīnshǔ)特征組元：構(gòu)成合金的元素相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體，有置換固溶體，間隙固溶體。固溶強(qiáng)化(qiánghuà):由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯(cuò)遠(yuǎn)動(dòng)阻力上升→金屬塑性變形困難→強(qiáng)度、硬度升高。共五十一頁2、金屬間化合物金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物一中間相。金屬化合物的晶格類型與組成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。金屬間化合物常見有以下三種類型正常價(jià)化合物組成正常價(jià)化合物的元素是按原子價(jià)規(guī)律結(jié)合的，因而其成分固定(gùdìng)不變。通常由金屬性強(qiáng)的元素和非金屬或類金屬形成這種化合物。如Mg2Si，Mg2Sn等。電子化合物按照一定的電子濃度形成一定晶體結(jié)構(gòu)的化合物。如CuZn（體心立方）Cu5Zn8（復(fù)雜立方）CuZn3（密排六方）間隙化合物一般由原子直徑較大的過渡族金屬和原子直徑較小的非金屬元素所組成。如：具有簡(jiǎn)單晶格的間隙相VCWCTiC具有復(fù)雜晶格的間隙化合物Fe3C，Cr23C6，Cr7C3

特點(diǎn)：熔點(diǎn)、硬度高、脆性大。3、機(jī)械混合物單一固溶體：強(qiáng)度、硬度較低單一化合物：硬而脆機(jī)械混合物——不是一種單一相共五十一頁第二節(jié)純金屬及合金(héjīn)的結(jié)晶1．結(jié)晶與凝固的區(qū)別凝固：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程L→S

，凝固后的固態(tài)金屬一般是晶體。凝固的過程是一個(gè)復(fù)雜的相變過程。結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。一次結(jié)晶：L→S晶態(tài)二次結(jié)晶：S→S晶態(tài)2.結(jié)晶過程Tm：理論結(jié)晶溫度—金屬的熔點(diǎn)(róngdiǎn)Tn：實(shí)際結(jié)晶溫度過冷度：?T=Tm-Tn,?T↑，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。共五十一頁a.形核——自發(fā)(zìfā)形核、非自發(fā)(zìfā)形核b.長(zhǎng)大(chánɡdà)——平面長(zhǎng)大(chánɡdà)、樹枝狀長(zhǎng)大(chánɡdà)共五十一頁3.結(jié)晶(jiéjīng)動(dòng)力學(xué)共五十一頁4、晶粒尺寸的控制(1)晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長(zhǎng)度（或直徑）表示。形核速度大，長(zhǎng)大速率慢，晶?？倲?shù)目多，晶粒細(xì)小。(2)過冷度對(duì)形核一長(zhǎng)大的影響：過冷度?T↑N形核速率提高、長(zhǎng)大線速度G提高過冷度?T太高，D降低——N降低、G降低(3)控制晶粒度的因素①提高過冷度過冷度?T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，細(xì)化②變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育(yùnyù)劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。③振動(dòng)，攪拌等共五十一頁二、合金(héjīn)的凝固

（一）相圖---根據(jù)相圖可確定不同成分(chéngfèn)的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對(duì)量、成分(chéngfèn)及溫度變化時(shí)可能發(fā)生的變化。

1勻晶相同及其分析（1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。（2）勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。(兩組元在液態(tài)和固態(tài)都無限互溶)

（3）相圖分析兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。共五十一頁2.二元共晶相圖(xiānɡtú)及合金凝固

（1）共晶轉(zhuǎn)變：由一定(yīdìng)成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定(yīdìng)成分固相的轉(zhuǎn)變。EutecticReaction（2）共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。（3）共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）共五十一頁（4）共晶組織的形成（1）共晶體的形成成分(chéngfèn)互惠－交替形核片間搭橋－促進(jìn)生長(zhǎng)

兩相交替分布（共晶組織）共五十一頁

包晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)特定成分的固相和液相生成另一個(gè)特點(diǎn)成分固相的轉(zhuǎn)變。PeritecticReaction包晶相圖(xiānɡtú)：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖(xiānɡtú)。1相圖分析點(diǎn)、線、區(qū)。3.二元包晶相圖(xiānɡtú)及合金凝固共五十一頁4.

鑄錠組織(zǔzhī)及其控制

1鑄錠組織（1）鑄錠三區(qū)

表層細(xì)晶區(qū)(強(qiáng)過冷,非均勻形核)

柱狀晶區(qū)(純金屬:過冷度減小,形核困難,沿散熱方向生長(zhǎng);

合金:成分過冷,一次軸發(fā)達(dá)(fādá),沿散熱方向生長(zhǎng).)

中心等軸晶區(qū)(均勻散熱、液相區(qū)成分過冷、熔體對(duì)流導(dǎo)致細(xì)晶漂移或枝晶破碎。）

共五十一頁4.鑄錠組織(zǔzhī)及其控制

1鑄錠組織（2）組織控制(kòngzhì)受澆鑄溫度、冷卻速度、化學(xué)成分、變質(zhì)處理、機(jī)械振動(dòng)與攪拌等因素影響。

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E共五十一頁4.鑄錠組織(zǔzhī)及其控制

2鑄錠缺陷

（1）微觀偏析（2）宏觀偏析:整個(gè)鑄錠范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象(xiànxiàng).

正偏析:k0<1的合金鑄錠中心溶質(zhì)含量較高的現(xiàn)象.

反偏析:…….

密度偏析:由于初生相與剩余液體密度差異而導(dǎo)致鑄錠上下部分成分不均勻的現(xiàn)象.

共五十一頁第三節(jié)Fe-C(Fe-Fe3C)相圖(xiānɡtú)

共五十一頁一、Fe-Fe3C相圖的組元

1．Fe組元δ-Fe(bcc)

--1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃---

a-Fe(bcc)(同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變)δ-Fe最大溶碳0.09、γ-Fe最大溶碳2.11、a-Fe最大溶碳0.0218強(qiáng)度低、硬度低、韌性、塑性好2．Fe3C(Cem，Cm）復(fù)雜斜方點(diǎn)陣熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。二、鐵碳合金特性點(diǎn)A、B、C、D、E、G、H、J、K、M、N、P、S相：指系統(tǒng)中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并以界面相互隔開的均勻組成部分。組織組成物：指的是構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分，可以是單相，也可以是兩相或者(huòzhě)多相混合物。共五十一頁三、Fe-Fe3C相圖中的相1．液相L2．δ相高溫鐵素體（C固溶到δ-Fe中固溶體——δ相）3．α相鐵素體F

（C固溶到α-Fe中——α相）強(qiáng)度(qiángdù)、硬度低、塑性好

（室溫：C%=0.0008%,

727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奧氏體

（C固溶到γ-Fe中——γ相）強(qiáng)度低，易塑性變形5．Fe3C熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零共五十一頁四、相圖分析1．三條水平線和三個(gè)重要點(diǎn)（1）包晶轉(zhuǎn)變線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53%LB+δH------AJ

即

L0.53+δ0.09-------A0.17（2）共晶轉(zhuǎn)變線ECF,1148攝氏度，C%=2.11---6.69%L4.3----A2.11+Fe3C（共晶滲碳體）——Le4.3高溫萊氏體Le，Ld（3）共析轉(zhuǎn)變線PSK，727攝氏度，C%=0.0218---6.69%As----FP+Fe3C（共析滲碳體）A0.77----

F0.0218+Fe3C——P（珠光體）珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C和F之間Le----P+Fe3CII+Fe3C共晶------低溫(dīwēn)萊氏體Le’2．液固相線液相線ACD固相線AECF3．溶解度線ES線碳在A中的固溶線，1148攝氏度，2.11%——727攝氏度,0.77%,Fe3CIIPQ線碳在F中的固溶線，727攝氏度,0.0218%——0.0008%室溫，F(xiàn)e3CIII4．GS線共五十一頁1.工業(yè)純鐵<0.02182.共析鋼：含碳量0.77%3.亞共析鋼：含碳量0.0218-0.77%4.過共析鋼：含碳量0.77-2.11%5.共晶(ɡònɡjīnɡ)白口：含碳量:4.3%6.亞共晶白口：含碳量2.11-4.3%7.過共晶白口：含碳量4.3-6.69%五.鐵碳合金的平衡結(jié)晶(jiéjīng)過程及組織共五十一頁1．工業(yè)(gōngyè)純鐵（C%≤0.0218%）共五十一頁

L--->L+A--->A--->A+F--->F+Fe3CIII相組成(zǔchénɡ)物：F+Fe3C

C%>0.0008%

F

C%<0.0008%相相對(duì)量F%=

Fe3C%=組織組成物：F和Fe3CIII共五十一頁工業(yè)(gōngyè)純鐵共五十一頁

2.亞共析鋼0.0218%<C%<0.77%共五十一頁L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F相組成(zǔchénɡ)物：F+Fe3C

組織組成物：P+F

共五十一頁3

共析鋼結(jié)晶(jiéjīng)

共五十一頁

L--->L+A--->A--->A+P--->P相組成(zǔchénɡ)物：F和Fe3C組織組成物：

P

共五十一頁4。過共析鋼結(jié)晶(jiéjīng)過程共五十一頁L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->P+Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3C

F%=

Fe3C%=

組織(zǔzhī)組成物：P，F(xiàn)e3CII組織相對(duì)量：Fe3CII%=

P%=

共五十一頁5.共晶(ɡònɡjīnɡ)白口鑄鐵結(jié)晶過程共五十一頁

相組成(zǔchénɡ)物：F，F(xiàn)e3C

F%=

Fe3C%=

組織組成物：Ld’共五十一頁亞共晶白口(báikǒu)鑄鐵結(jié)晶過程共五十一頁

相組成