金属工艺学 第三章 金属的晶体结构与结晶.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,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,*,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,*,纯金属的晶体结构,2.,金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。,本节重点：,常见的晶格类型,1.,三种常见的金属的晶格类型：,体心立方,面心立方,密排六方,是,基本概念,凝固：,一般非晶体由液态向固态转变的过程。,结晶：,由液态金属转变为固态晶体的过程。,晶体：,原子排列时有序的，原子在三维空间做规则,的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和,凝固点，性能趋向各向异性。,非晶体,:,原子排列杂乱无章呈无序状态，没 有一,定的熔点和凝固点，性能趋向 各向同性。,(2)晶格、,晶胞,用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为,晶格,。,在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为,晶胞,。,基本概念,二、常见金属的晶体结构,1、体心立方晶格,体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。,这类金属塑性较好,3.1,纯,金属的晶体,结构,2、面心立方晶格,面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和,-Fe等。,这类金属的塑性通常优于具有体心立方晶格的金属,3.1,纯,金属的,晶体,结构,3、密排六方晶格,密排六方晶格如图所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、-钛和-铬等。,这类金属较脆,3.1,纯,金属的,晶体,结构,课堂思考,常见的金属原子组成固态物质时有哪几种排列方式？,纯,金 属 的 结 晶,纯金属的冷却曲线（理想状态）,C,T,L,a,b,S,0,a,：,结晶开始点,b,：结晶终了点,纯,金 属 的 结 晶,纯金属的冷却曲线（实际）,C,L,T0,T1,S,0,T0,：理论结晶温度,T1,：实际结晶温度,T=T0-T1,（过冷度）,纯,金 属 的 结 晶,一纯金属的结晶过程：,原子团,形核,晶核长大,小晶粒,晶粒（外形不规则的小晶体）,二、金属的结晶过程,3.2 纯金属的结晶,晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。,纯金属结晶过程,形核：,自身晶核、外来晶核,晶界,晶粒间的分界面；,单晶体,结晶方位完全一致的的晶体,多晶体,由多晶粒组成的晶体结构,三金属的同素异构转变,1538c,1394c,912c,室温,-Fe,-Fe,-Fe,体心立方,面心立方,体心立方,金属的同素异构转变的慨念：,金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。,金属的同素异构转变的意义：,可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。,金属的同素异构转变,同素异构转变,金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）等。,四.金属晶体的缺陷：,点缺陷,晶体空格、间隙原子,线缺陷,位错,面缺陷,晶界,点缺陷,晶格空位和间隙原子,在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为,空位,。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为,间隙原子,。,由于空位和间隙原子的存在,，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻,增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡,浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的,热处理过程极为重要。,线缺陷,位错,晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为,位错,。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。,3,面缺陷,面缺陷是指三维空间的一个方向上尺寸很小的晶体缺陷。,.细晶粒组织的力学性能,细化晶粒的方法,增加冷却速度，增大过冷度；,增加外来晶核(变质处理),;,采用机械、超声波振动、电磁搅拌等(附加振动)；,晶粒粗细对材料力学性能的影响,晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。,用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化它是强化金属材料的基本途径之一,2、细化晶粒的方法,（1）,增加过冷度,增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。,3.2 纯金属的结晶,形核率,N,、长大速度,G,与过冷度,T,的关系,（2）,变质处理,变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。,（3）,振动处理,金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。,3.2 纯金属的结晶,课堂思考,第.题,作业：第题,合 金 的晶体 结 构,合金、组元、相；,固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；,金属化合物；,固溶强化的概念。,本节要点：,了解金属及合金的晶体结构和结晶。,3,合金的晶体结构,概念,合金：,由,两种或两种以上,的化学元素(至少一种是金属元素)所组成的具有金属特性的物质,组元：,组成合金的基本元素。,相：,凡是成分相同、结构相同并与其他部,分有界面分开的均匀组成部分。,例如：单一的液,单一的固相；,液相、固相两相共存；,问题：,水、油混装在一个瓶子里，是几个相？,将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？,3.,合金的晶体结构,一、基本概念,1、合金,是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。,2、组元,组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。,例：碳钢是铁和碳组成的合金。,例：,铜和锌就是黄铜的组元。,3,3,合金的晶体结构-概念,一.固溶体:,1.间隙固溶体:,2.置换固溶体:,3.有限固溶体:,4无限固溶体:,二.金属化合物:,三.第二相强化:,3,3,合金的晶体结构,固溶体,:在固态下一种元素(或化合物)的晶格内溶解了另一种元素的原子,形成固溶体.前者为溶剂,后者为溶质.两者的晶格类型相同,固溶体是合金的一种基本结构.,有限固溶体:,只能有限溶解溶质.,无限固溶体:,可以按任何比例配制,都能互相溶解.,第二相强化,:使金属化合物分布在固溶体的基体上,合金的强度,硬度会明显提高.这种以金属化合物作为相强化金属材料的方法.,1.,置 换 固 溶 体,溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。,形成置换固,溶体时，溶质原,子在溶剂晶格中,的溶解度主要取,决于两者的晶格,类型、原子直径,及它们在周期表,中的位置。,2.,间隙固溶体,溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。,由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是,有限,溶解溶质原子。,3.,合金的晶体结构,二.,固溶体的性能,由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为,固溶强化,。它是强化金属材料的重要途径之一。,3.,合金的晶体结构,一.金属化合物,:,A,、,B,两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是,A,组元的结构，也不是,B,组元的结构，而是自身的一种独立的结构。,金属化合物的特点：,金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高，硬度高，而脆性大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为,弥散强化,。,因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。,3.4 合金的晶体结构,Fe,3,C的晶体结构,第四,节,二元合金相图,一,二元,金相图,的建立,二,匀,晶相图,三,共,晶相图,四,具有共析反应的相图,五合金力学性能与相图的关系,相 图,进行材料研究，金相分析，制定热、铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具。,了解合金系中不同成分和温度下的相的种类、相的成分及相的相对含量。,了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律。,即表示在平衡条件下合金,组织,与,成分,、,温度,之间关,系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图,了解,由,相,图,可,作用,相,图,的,（一）二元合金相图的建立 （以Cu-Ni二元合金为例）,无限缓冷下测各合金的冷却曲线,标注在温度成分坐标中,连接各相变点,1、建立相图的思路：,合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用,热分析法,（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻,法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界,温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。,2、具体步骤：,选组元，配合,金系，熔化,确定各合金的相变温度,确定相,Cu-Ni合金相图的建立,L,如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu,六组合金。,（L+,）,.,相图分析,L,+,L,两线：,液相线、固相线,三区：,液相、液相+固相、固相,A,二.,匀晶相图,.合金结,晶,过程,的分析,二班,二元匀晶相图,：,指两组元在液态和固态,均无限互溶时的二元合金相图。,匀晶转变,：,在一定温度范围内由液相结,晶出单相的固溶体的结晶过程。,具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、,Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。,、合金的平衡结晶过程,L,+,L,1,2,时间,温度,L,L,平衡结晶过程分析,t1,t2,所谓,平衡结晶过程,是指合金从液态无限缓慢冷却、,原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达,到相平衡条件的一种结晶过程。,平衡结晶：,在结晶过程中，原子的扩散在固,相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变,的速度，最终形成成分均匀的固溶体。,L,+,L,t,1,t,2,t,3,t,1,t,3,t,2,成份,偏析,：,合金结晶较快，原子的扩散来不及,充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固,溶体成分不均匀。,后结晶出来的，含A元素少,先结晶出来的，含A元素多,、,成份,偏析,、相图分析,共晶反应：,合金在冷却到某一温度时，由一定成,分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个,固相，这就是共晶反应,（L,）。,反应产物,是两个固相的混合物，称为,共晶组织,或,共晶体,。,二元共晶相图：,两组元在液态下无限互溶冷却,时发生共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图。,1,）,基本概念,三,共晶相图,根据相律，在二元合金中，固态下最多能同时,出现两种相。这类合金包括,二元共晶,（或共析）,合金。,2,）,相与组织,相,组织,在金属或合金中，,凡化学成分相同、晶体,结构相同并与其它部分,有界面分开的均匀组成,部分。,气相、液相、固相。,铁碳合金中的,相、,相、,相等。,合金的相组成及相,的数量、形态、大小、,分布特征。组织可以由,一种相组成，也可由多,种相组成。,亚共晶组织、共晶组织,过共晶组织。铁碳合金,中的珠光体P、铁素体,F、奥氏体A等。,X射线衍射分析,金相显微镜、电镜等,概念,例子,检测,3,）,共晶相图的一般特征,三班,L,L,L+,+,A+B,L+B,L+A,A,B,B%,T,L+,A,B,B%,T,Pb,Sn,W,Sn,(%),T,L,183,327.5,231.9,B,A,19,97.5,G,L+,L+,+,4,）,相图分析（以Pb-Sn相图为例）,P52图3-11,1点：,共晶点,4种线：,共晶,线,固,溶体脱溶,线,液相,线,和固相线,6个区：,L、,、,L+,、,L+,、,+,61.9,共晶反应：L,61.9,19,97.5,Pb,Sn,WSn(%),T,183,327.5,231.9,B,A,19,97.5,M,N,G,F,61.9,E,L+,L+,（+）,+,+,+（L,+,+（+）,+,具组织成份的,Pb-Sn合金相图,1班,.共晶过程分析,）共晶成份的合金；,）亚共晶成份的合金；,）过共晶成份的合金；,）无共晶反应的合金,Pb,Sn,WSn(%),T,183,327.5,231.9,B,A,19,97.5,M,N,G,F,61.9,E,L+,L+,（+）,+,+,+（+）,L,+,+（+）,+,具组织成份的,Pb-Sn合金相图,四,具有共析反应的相图,自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成份和晶体结构完全不同的新固相的转变过程，称为共析反应,四,具有共析反应的相图2班,Pb,Sn,WSn(%),T,183,327.5,231.9,B,A,19,97.5,M,N,G,F,61.9,E,具有共晶反应的,Pb-Sn合金相图,当合金形成,单相固溶体,时，合金的性能与组元及,溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，,溶质的溶入量越多，合金的强度、硬度越高（即,产生了,固溶强化,），同时电阻增大，电导率越低。,当合金通过共晶或共析转变形成,两相混合,物,特别是两相机械混合物，合金的,力学,性能,主要取决于其组织的细密程度,，,组织越细密，则强度、硬度,越,高,五,合金相图与合金性能之间的关系,思 考 题,1,在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？,2,为什么晶粒越细小其力学性能越好？,3,如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？,1.5,铁碳合金,本节重点：,铁碳合金状态图在铸造、,压力加工、焊接中的应用；,本节难点：,铁碳合金状态图的理解；,铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性 能优越，在工业生产中广泛使用。,1.5.1,铁碳合金的基本组织,铁素体：,碳溶解在,Fe,中的间隙固溶,(F,）。塑性,（,=45-50%,）、韧性好，强度、硬度低。,奥氏体：,碳溶解在,Fe,中的间隙固溶体（,A,）。塑,性好。,渗碳体：,铁与碳形成的金属化合物（,Fe,3,C,）。硬度很,高（,HBW=800,），塑性、韧性几乎为零。,珠光体：,是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体,与渗碳体的共析体（,P,）。,莱氏体：,是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏,体与渗碳体的共晶体（,Ld,）。硬度高，塑性,差。,两种反应：,1148,1,、共晶反应,一定成分的,液相,在一定的温度下同时,结晶,出两种成分和结构均,不相同,的固相的反应。,L,4.3%c,A,2.11%c,+,Fe,3,C,6.69%c,共晶反应的产物即莱氏体,Ld=(A,2.11%c,+Fe,3,C,6.69%c,),2,、共析反应,一定成分的,固相,在一定的温度下同时,析出,两种成分和结构均,不相同,的 新的,固相,的反应。,A,2.11%c,727,F,0.02%c,+,Fe,3,C,6.69%c,共析反应的产物即珠光体,P,F,0.02%c,+Fe,3,C,6.69%c,1.5.2,铁碳合金状态图分析,渗碳体的熔点,共晶点,共析线,共析点,纯铁的熔点,共晶线,ACD,线,液相线,AECF,线,固相线,碳在奥氏体中的最大溶解度,A3,线,Acm,铁碳合金相图中主要特性点的含义,特性点的符号,温度,t/,含碳量,wc%,含义,A,C,D,E,G,P,S,Q,1538,1148,1227,1148,912,727,727,室温,0,4.3,6.69,2.11,0,0.02,0.77,0.0008,纯铁的熔点,共晶点,渗碳体的熔点,碳在奥氏体中的最大溶解度,-Te,-Te,同素异晶转变点,碳在铁素体中的最大溶解度,共析点,碳在铁素体中的溶解度,相图中主要线的含义,ACD,线,液相线,是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。,AECF,线,固相线,各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。,ECF,水平线,共晶线,含碳量为,4.3%,的液态合金冷却到此线时，在,1148,由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。,PSK,水平线,共析线,（,A1,线）含碳量为,0.77%,的奥氏体冷却到此线时，在,727,同时,析出,铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。,GS,线,（,A3,线）,是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。,ES,线,称,Acm,线,是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。,典型合金结晶过程分析,铁碳合金,含碳量为,2.11%,6.69%,的铁碳合金。,共晶生铁：,含碳量为,4.3%;,亚共晶生铁：,含碳量在,2.11%,4.3%,之间；,过共晶生铁：,含碳量在,4.3%,6.69%,之间；,含碳量小于,0.02%,的铁碳合金。,工业纯铁,钢,生铁,含碳量为,0.02%2.11%,的铁碳合金。根据金相 组织的不同，可分为三种。,共析钢：,含碳量为,0.77%;,亚共析钢：,含碳量在,0.02%0.77%,之间；,过共析钢：,含碳量在,0.77%2.11%,之间；,1.5.3,铁碳合金状态图分析,L,L+A,A,A+Fe,3,C,F+A,A+Fe,3,C,+L,d,P+Fe,3,C,+L,d,P+Fe,3,C,P,P+F,L,d,L,d,L+Fe,3,C,L,d,+Fe,3,C,L,d,+Fe,3,C,L,d,P+Fe,3,C,+,Fe,3,C,转变,A,奥氏体,P,珠光体,F,铁素体,共析钢和亚共析钢的结晶过程分析,过共析钢结晶过程分析,共晶生铁结晶过程分析,Ld,变态莱氏体,亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析,钢,碳素钢,碳素结构钢（,0.38%C),优质碳素结构钢,(0.2-0.7%C,用途广,),碳素工具钢,(T8,等,),合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,其它,量具钢,模具钢,刃具钢,轴承钢,弹簧钢,调质钢,渗碳钢,低合金结构钢,（,1.5%C),16Mn,、,20Cr,9Cr2,、,CrWMn,2Cr13,、,1Cr18Ni9,1.6,工业用钢分类及选材,热处理,普通热处理,表面热处理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化学热处理,渗碳,渗氮,碳氮共渗,加热,保温,冷却,临界温度,热处理工艺曲线,T,其它热处理,形变,真空,激光,1.7,钢的热处理,1.7.1,退火和正火,退火：,将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。,目的：,降低硬度，便于机加工。,细化晶粒，提高塑性和韧性。,消除应力。,应用：,铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。,1,、完全退火：,将亚共析钢加热到,Ac3,线以上,3050,，保温后缓慢冷却,.,2,、球化退火,:,将过共析钢加热到,Ac1,线以上,2030,，保温后缓慢冷却,.,3,、低温退火,:,将钢加热到,Ac1,线以下，保温后缓慢冷却,.,再结晶退火：,消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上,150250,），降低硬度，恢复塑性。,应用：,（,1,）取代部分完全退火；,（,2,）用于普通结构件的最终热处理；,（,3,）用于过,共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。,正火,将钢加热到,Ac3,线以上,3050,（亚共析钢）或,Accm,以上,3050,（过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。,1.7.2,淬火和回火,将钢加热到,Ac3,或,Ac1,线以上,3050,，保温后在淬火介质中快速冷却（,Fe,向,aFe,同素异晶转变），以获得马,氏体（,M),组织（碳在,a Fe,中的严重过饱和固溶体）。,马,氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施：,（,1,）严格控制淬火加热温度,温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易 产生裂纹。,（,2,）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬。,（,3,）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法。,回火,将钢重新加热到,Ac1,线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺。,目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。,回火三种形式：,（,1,）低温回火（,150250,），目的是,降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（,5664HRC),和耐磨性。如模具、刃具等。,（,2,）中温回火（,350500,），目的是使钢获得高弹性，,并保持较高硬度（,3550HRC),和一定的韧性。如弹簧、锻模等。,（,3,）高温回火,调质处理（,500650,），硬度,2035HRC,，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。,