金相檢驗(yàn)基礎(chǔ).ppt

1、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(shuō)，在金屬和合金中，原子的排列都是有規(guī)律的。 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。,(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(wú)規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過(guò)冷液體”或“無(wú)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條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

2、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),3.理想晶體的晶體學(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)：a,b,c, 晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度a,b,c及棱邊間的夾角,（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(lái)，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a、b、c和棱面夾角 、來(lái)表示晶胞

3、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),a)體心立方晶胞(BCC),晶胞原子數(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：-Fe、Cr、Mo、W、V等,b)面心立方晶胞,原子數(shù)：8 * 1/8+6 *1/2=4,典型金屬：-Fe、Al、Cu、Au、Ag等,c)密排六方晶系,原子數(shù)：1/6 *12+1/2 *2+3=6,典型金屬M(fèi)g、Zn、Be、Cd等,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

4、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%,d)BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù),(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 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,空位 :晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)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,b 線缺陷（位錯(cuò)(刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)）二維尺度很小，另一維

5、尺度很大的原子錯(cuò)排,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)化材料的方式叫細(xì)晶強(qiáng)化。,二.合金的晶體結(jié)構(gòu) 金屬材料大多是合金由兩種或兩種以上的金屬構(gòu)成合金，并具有金屬特征 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

6、。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(guò)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: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(méi)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。,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(jiàn)有以下三種類型 正常價(jià)化合物 組成正常價(jià)化

7、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(guò)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,第二節(jié) 純金屬及合金的結(jié)晶

8、,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(guò)程 LS，凝固后的固態(tài)金屬一般是晶體。凝固的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的相變過(guò)程。 結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)）過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。 一次結(jié)晶：LS晶態(tài) 二次結(jié)晶：SS晶態(tài) 2.結(jié)晶過(guò)程 Tm：理論結(jié)晶溫度金屬的熔點(diǎn) Tn：實(shí)際結(jié)晶溫度 過(guò)冷度：T=Tm-Tn, T，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。,a.形核自發(fā)形核、非自發(fā)形核,b.長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大、樹枝狀長(zhǎng)大,3.結(jié)晶動(dòng)力學(xué),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(guò)冷度對(duì)形核一長(zhǎng)大的

9、影響：過(guò)冷度T N形核速率提高、長(zhǎng)大線速度G 提高 過(guò)冷度T太高，D降低N降低、G降低 (3)控制晶粒度的因素 提高過(guò)冷度 過(guò)冷度 T ，N，GN/G增大，細(xì)化 變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。 振動(dòng)，攪拌等,二、合金的凝固,（一 ）相圖-根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(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(wú)限互溶),（3）相圖分析 兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)； 兩線：L, S相線

10、； 三區(qū)：L, , L+。,2.二元共晶相圖及合金凝固,（1） 共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定成分 固相的轉(zhuǎn)變。Eutectic Reaction （2） 共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。 （液態(tài)無(wú)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）,（4）共晶組織的形成 （1）共晶體的形成 成分互惠交替形核 片間搭橋促進(jìn)生長(zhǎng) 兩相交替分布 （共晶組織）,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。Peritectic Reaction 包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。 1 相圖分析 點(diǎn)、線、區(qū)。,3.二元

11、包晶相圖及合金凝固,4. 鑄錠組織及其控制,1 鑄錠組織 （1）鑄錠三區(qū) 表層細(xì)晶區(qū)(強(qiáng)過(guò)冷,非均勻形核) 柱狀晶區(qū)(純金屬:過(guò)冷度減小,形核困難,沿散熱方向生長(zhǎng); 合金:成分過(guò)冷,一次軸發(fā)達(dá),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(guò)冷、熔體對(duì)流導(dǎo) 致細(xì)晶漂移或枝晶破 碎。）,4.鑄錠組織及其控制,1 鑄錠組織 （2）組織控制 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。,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,4.鑄錠組織及其控制

12、,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. 正偏析: k01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.,第三節(jié)Fe-C(Fe-Fe3C)相圖,一、Fe-Fe3C相圖的組元 1Fe組元 -Fe(bcc) -1394-Fe(fcc)-912- a-Fe(bcc) (同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變) -Fe最大溶碳0.09、-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 2Fe3C ( 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

13、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(kāi)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，也可以是兩相或者多相混合物。,三、Fe-Fe3C相圖中的相 1液相L 2相 高溫鐵素體 （C固溶到 -Fe中固溶體相） 3相 鐵素體F （C固溶到 -Fe中相） 強(qiáng)度、硬度低、塑性好 （室溫：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%） 4相、A奧氏體 （C固溶到-Fe中相） 強(qiáng)度低，易塑性變形 5Fe3C 熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零,四、相圖分析 1三條水平線和三個(gè)重

14、要點(diǎn) （1）包晶轉(zhuǎn)變線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53% LB+H-AJ 即 L0.53+ 0.09- 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+Fe3CP（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-低溫萊氏體 Le 2液固相線 液相線ACD 固相線AECF 3溶

15、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%,Fe3CII PQ線 碳在F中的固溶線，727攝氏度,0.0218%0.0008%室溫，F(xiàn)e3CIII 4GS線,1.工業(yè)純鐵0.0218 2.共析鋼：含碳量0.77% 3.亞共析鋼：含碳量0.0218-0.77% 4.過(guò)共析鋼：含碳量0.77-2.11% 5.共晶白口：含碳量:4.3% 6.亞共晶白口：含碳量2.11-4.3% 7.過(guò)共晶白口：含碳量4.3-6.69%,五.鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織,1工業(yè)純鐵（C%0.0218%）,L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII 相組成物：F+Fe3C C

16、%0.0008% F C%0.0008% 相相對(duì)量 F%= Fe3C%= 組織組成物：F和Fe3CIII,工業(yè)純鐵,2.亞共析鋼 0.0218%C%0.77%,L-L+A-A-A+F-A+P+F-P+F 相組成物：F+Fe3C 組織組成物：P+F,3共析鋼結(jié)晶,L-L+A-A-A+P-P 相組成物：F和Fe3C 組織組成物 ： P,4。過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程,L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CII,相組成物：F，F(xiàn)e3C F%= Fe3C%= 組織組成物：P，F(xiàn)e3CII 組織相對(duì)量： Fe3CII%= P%=,5.共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程,相組成物：F，F(xiàn)e3C F%= Fe3C%= 組織組成物：Ld,亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程,相組成物：F，F(xiàn)e3C 組織組成物：P，Ld，F(xiàn)e3CII,過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程,標(biāo)注組織的鐵碳相圖,二、Fe-C合金的成分-組織-性能關(guān)系,1.含碳量相對(duì)量 C%F%，F(xiàn)e3C% 2含碳量