第二章 金属的材料的组织结构1.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 金属材料的组织结构,金属的晶体结构,纯金属的结构,金属的同素异构转变,合金的相结构,合金相图,一、金属的晶体结构,基本概念,纯金属的晶体结构,合金的晶体结构,1,、基本概念,晶体,：,由许多金属原子,/,离子在空间按一定几何形式规则地紧密排列。（周期性）,对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。,晶体（,金刚石、,NaCl,、冰,）,非晶体,（,蜂蜡、玻璃,）,液体,晶体特性,固定熔点；各向异性,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,晶体和非晶体的熔化曲线,X,Y,Z,原子（离子）的刚球模型,原子中心位置,晶体结构,晶胞,点阵（晶格）模型,晶格,将原子抽象为一个几何结点，并用直线联接中心，所构成的一个空间格架。,晶胞,晶格中能反映晶格特征的最小的几何单元,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数,a,，,b,，,c,晶格常数,晶面,:,通过原子中心的平面,晶向,：通过原子中心的直线所指的方向,X,Y,Z,a,b,c,X,Y,Z,a,b,c,2,、纯金属的晶体结构,金属键,决定特性,大量自由电子良好导电导热性,电子云与离子间引力高强度和良好塑性,紧密的金属键排列紧密的高对称晶格,三种常见的金属晶体结构,体心立方晶格,bcc,面心立方晶格,fcc,密排六方晶格,hcp,（,1,）体心立方晶格,bcc,如,-Fe,、,W,、,V,、,Mo,等,晶格常数：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：,0.68,致密度,=,Va,/,Vc,，,其中,Vc,:,晶胞体积,a,3,Va,:,原子总体积,2,4,r,3,/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,（,2,）面心立方晶格,fcc,如,-Fe,、,Cu,、,Ni,、,Al,、,Au,、,Ag,等,晶格常数,：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数,：,原子半径：,致密度：,0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,（,3,）,密排六方,晶格,hcp,如,C,（,石墨）、,Mg,、,Zn,等,晶格常数,底面边长,a,底面间距,c,侧面间角,120,侧面与底面夹角,90,晶胞原子数：,6,原子半径：,a/2,致密度：,0.74,3,、实际金属的晶体结构,单晶体,原子排列相同，晶格位向一致,多晶体,多晶粒和多晶界,晶粒,（单晶体）,晶粒,晶体中包含的具有不规则颗粒外形的小晶体,晶界,晶粒界面，不同的位向过渡区,晶体缺陷类型,点缺陷：空位、间隙原子、异类原子,线缺陷：位错,面缺陷：晶界与亚晶界,间隙原子是其它元素则称为,异类原子（杂质原子）,空位,间隙原子,（,1,）点缺陷,（,2,）线缺陷,刃位错与螺位错,刃位错,刃位错,螺旋位错,（,3,）面缺陷,晶界,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变，,晶粒越细，则晶界越多，,强度和塑性越高。,二、纯金属的结晶,结晶,结晶条件（结晶温度）,结晶过程（形核与长大）,晶粒细化,结晶：,液体,-,晶体,凝固,：,液体,-,固体（晶体 或 非晶体）,晶体,液体,结晶,冷却曲线,热分析法,t,T,T,0,T,n,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T=,T,0,-,T,n,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,（,克服界面能）,冷却速度越大，则过冷度越大。,结晶过程,形核,和,晶核长大,的过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,（,1,）形核过程,自发形核,由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核,是依附于外来杂质上生成的晶核。,（,2,）长大过程,平面生长,与,树枝状生长,平面生长示意图,细化铸态金属晶粒的措施,晶粒度,表示晶粒大小，分,8,级,。,晶粒度,1,2,3,4,5,6,7,8,单位面积晶粒数,（个,/mm,2,）,16,32,64,128,256,512,1024,2048,晶粒平均直径,（,m,）,250,177,125,88,62,44,31,22,细晶强化,晶粒细化使金属机械性能提高的现象,细晶强化,强度、硬度、塑性、韧性,细化晶粒的措施,（,1,）提高过冷度,形核率,N,、,长大速度,G,与 过冷度,T,的关系,（,2,）变质处理,在液体金属中加入变质剂,(,孕育剂,),，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,作用,：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大,（,3,）振动结晶,作用,：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,三、金属的同素异构转变,同素异构性,一种金属具有两种或两种以上的晶格结构,同素异构转变,金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。,重结晶特点,：,晶界形核，,T,大，内应力大,纯铁的同素异构转变,-Fe,，,bcc -Fe,，,fcc,-Fe,，,bcc,1394,C,912,C,-Fe,，,fcc,-Fe,，,bcc,912,C,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-Fe，bcc,-Fe，bcc,-Fe,，,fcc,Cooling curve,770,铁磁性,四、合金的相结构,基本概念,固溶体,化合物,1,、基本概念,合金,两种以上元素组合成的、具有金属特性的物质。如，,Cu-Zn,Fe-C,等合金,组元,组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，,Fe-C,合金中，,Fe,、,C,均为组元。,相,化学成分、结构相同，且以界面分开的各均匀组成部分。,水（液相）,水,+,冰（双相）,冰（固相）,Fe-C,合金中的相,F,+,Fe,3,C,Fe,3,C,铁素体（,F,）,组织,相的形状、分布、组合状态。,单相组织（,F,）,双相组织（,F+Fe,3,C,）,固溶体,溶质原子溶于溶剂晶格中，保持溶剂晶格的合金相。,化合物,合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。,合金中两类基本相：,2,、固溶体,间隙固溶体、置换固溶体,铁中形成间隙固溶体的有：,H,、,O,、,C,、,B,、,N,；形成置换固溶体的有：,Mn,、,Ni,、,Cr,、,Si,、,Mo,有限固溶体、无限固溶体,Z,X,Y,间隙原子,间隙固溶体,置换固溶体,置换原子,Y,X,Z,固溶强化：,融入,固溶体,中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使,金属强化,的现象称为固溶强化。,正常晶格,晶格畸变,晶格畸变,小原子置换引起的,晶格畸变,间隙原子引起的,晶格畸变,3,、化合物,合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相,正常价化合物,按化合价规律形成，如，,Mg,2,Si,。,间隙化合物,过渡金属,+,小半径非金属元素,电子化合物,按电子浓度规律形成，如，,Cu,3,Al,。,间隙相,如，,WC,、,TiC,、,VC,复杂结构的,间隙化合物,如，,Fe,3,C,、,Cr,23,C,6,化合物性能,：,熔点高、硬度高，脆性大。,五、合金相图,相图：表示由不同组元构成的具有不同比例的合金，在,平衡状态,（即极缓慢加热或冷却条件）下，随,温度,、,成份,发生变化的几何状态图。,制定合金工艺的重要理论依据,1,、二元相图的建立,热,分,析,实,验,法,：纯铜,：,75%Cu+25%Ni ,：,50%Cu+50%Ni,：,25%Cu+75%Ni ,：纯,Ni,2,、匀晶相图,产生,单一固溶体相,的合金相图,两组元在,液态无限互溶，在固态也无限互溶,，冷却时发生匀晶转变的合金系匀晶相图（,L,）。,如,Cu-Ni,，,Fe-Cr,，,Au-Ag,二元匀晶相图,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,铜镍相图,结晶过程,过液相线初生相析出,L,和,成分沿固、液相线变化,过固相线,结晶完毕,与纯金属不同，匀晶合金无恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,成分偏析,冷速过快（,非平衡状态,）先结晶与后结晶的晶粒成分不同（枝干与枝晶）,扩散不均匀,枝晶偏析,对策：扩散退火,杠杆定律,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,1,2,a,c,b,a,1,c,1,T,1,T,2,1.,在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2.,随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律,：,在两相区内，对应每一确定的温度,T,1,，,两相质量的比值是确定的。即,m,L,/m,=b,1,c,1,/a,1,b,1,杠杆定律推论：,在两相区内，对应温度,T,1,时两相在合金,b,中的相对质量各为,m,L,=b,1,c,1,/a,1,c,1,m,=a,1,b,1,/a,1,c,1,=1-,m,L,b,1,3,、共晶相图,Pb,Sn,Sn,%,T,C,铅,-,锡共晶相图,液相线,L,固相线,+,L,+,L,+,固溶线,固溶线,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,共晶反应线,表示从,c,点到,e,点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点,表示,d,点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,该点凝固温度最低,d,液相,L,d,固相,c,+,固相,e,共晶转变在,恒温,下进行,典型合金的结晶过程,合金,：（共晶合金）,Le,L,室温下：,组织组成物：,（,+,）,f,+,II,g,+,II,（+）,相组成物：,，,合金,：（亚共晶合金）,L,f,+,II,L+,c,+,II,+,（,a+,）,（+）,室温下：,组织组成物：,+,II,+,（,a+,）,相组成物：,，,组织标注相图,共析相图,共析转变,：,(+),共析体,A,B,T,C,+,+,+,c,e,d,L,+,L,包晶相图,包晶转变,：,L,d,+,c,e,Pt,Ag,Ag%,T,C,L,+,L,+,L,+,c,e,d,f,g,4,、,合金性能与相图的关系,溶质元素,晶格畸变大,强度、硬度,（,50%,最大）,复相组织区域内，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。,组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）,（,1,）形成单相固溶体,（,2,）形成两相混合物,液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小,合金的流动性好,有利于浇注,所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分,单相固溶体合金,单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好,(2),锻造、轧制性能,(1),铸造性能：,