工程材料的組織結(jié)構(gòu)培訓(xùn)資料.ppt

2 .1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,第二章 工程材料的組織結(jié)構(gòu),2.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶 體 固定熔點(diǎn)，各向異性 如：金剛石、石墨等 非晶體 無固定熔點(diǎn)，各向同性 如：松香、瀝青等, 晶體結(jié)構(gòu),1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念,晶格,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常數(shù) a，b，c,2 常見的金屬晶體結(jié)構(gòu),（1）體心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp,（1）體心立方晶格 bcc,-Fe、W、V、Mo 等,體心立方晶胞,晶格常數(shù)：a=b=c； =90,致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞體積a3 Va:原子總體積24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,致密度：0.68,（2）面心立方晶格 fcc,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,面心立方晶胞,晶格常數(shù)：a=b=c； =90,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,（3）密排六方晶格 hcp,C（石墨）、Mg、Zn 等,晶格常數(shù): 底面邊長a 底面間距c 側(cè)面間角120 側(cè)面與底面夾角90,致密度：0.74,2.1.2 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。,1 多晶體結(jié)構(gòu),晶界,2 晶體缺陷類型,（1）點(diǎn)缺陷：晶格空位 間隙原子 （2）線缺陷：位錯(cuò)-刃型位錯(cuò) （3）面缺陷：晶界與亞晶界,（1）點(diǎn)缺陷,如果間隙原子是其它元素就稱為 異類原子 （雜質(zhì)原子）,空位,間隙原子,空位運(yùn)動(dòng),（2）線缺陷 刃位錯(cuò),刃位錯(cuò),刃位錯(cuò),位錯(cuò)密度,（3）面缺陷,過度區(qū),亞晶界,亞晶界,面缺陷引起晶格畸變； 晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。,亞晶界是由一系列刃型位錯(cuò)構(gòu)成的角度特別小的晶界，原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生晶格畸變,2.1.1 純金屬的結(jié)晶,結(jié)晶： 液體 晶體,凝固： 液體 固體（晶體 或 非晶體）,結(jié)晶,金屬結(jié)晶的基本規(guī)律 （1）冷卻曲線與過冷度 冷卻曲線：熱分析實(shí)驗(yàn)測繪 理論結(jié)晶溫度 T 過冷度 T,0,冷卻曲線,T0,Tn,理論結(jié)晶溫度,開始結(jié)晶溫度,T,T= T0 - Tn,純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）,冷卻速度越大，則過冷度越大。,（2）結(jié)晶的一般過程,液態(tài)金屬,形核,晶核長大,完全結(jié)晶,形核和晶核長大的過程,自發(fā)晶核: 由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過 臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。 非自發(fā)晶核: 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。 自發(fā)晶核和非自發(fā)晶核同時(shí)存在于金屬液中，非自發(fā)晶核比自發(fā)晶核更重要，起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。,兩種長大方式 平面生長 與 樹枝狀生長。,平面生長,樹枝狀 生長,2 金屬結(jié)晶后的晶粒大小,（1）晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響 （2）晶粒大小的控制 形核率N：單位時(shí)間內(nèi)在單位體積中產(chǎn)生的晶核數(shù)；長大率G：單位時(shí)間內(nèi)晶核長大的線速度。,T越大，形核率N、長大率G越大。,細(xì)化晶粒： 1 提高冷卻速度； 2 變質(zhì)處理； 3 附加振動(dòng)。,2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2.2.1 合金的相結(jié)構(gòu) 合金基本概念 合金 組元 合金系 相 組織 組織和相的關(guān)系,合金的相結(jié)構(gòu) 固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體的性能 金屬化合物（中間相） 常見金屬化合物：正常價(jià)化合物 電子化合物 間隙化合物,彌散強(qiáng)化,2.2.2 合金的結(jié)晶,二元合金相圖,相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）：平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。,銅-鎳合金勻晶相圖,1083,1455,L,L+ ,純銅熔點(diǎn),純鎳熔點(diǎn),液相線,固相線,液相區(qū),固相區(qū),液固兩相區(qū),勻晶相圖,勻晶合金的結(jié)晶過程,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,勻晶轉(zhuǎn)變 L ,冷卻曲線,勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。,不平衡結(jié)晶-枝晶偏析 成份偏析 可采用擴(kuò)散退火方法消除枝晶偏析。,Pb,Sn,Sn%,T,C,鉛-錫合金共晶相圖,液相線,L,固相線, + ,L + ,L + ,固溶線,固溶線,共晶相圖,共晶轉(zhuǎn)變分析,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反應(yīng)線 表示從c點(diǎn)到e點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。,c,e,共晶點(diǎn) 表示d點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。,d,Ld c + e,共晶反應(yīng)要點(diǎn),共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。 存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。,標(biāo)注了組織組成物的相圖,密度偏析-比重偏析 密度相差較大 只能采用控制成分或在凝固時(shí)采取措施，如增加冷卻速度或攪拌來消除或減輕，熱處理對其不起作用。,2 相圖與性能的關(guān)系,1）合金的力學(xué)性能與相圖的關(guān)系 固溶體中溶質(zhì)濃度 強(qiáng)度、硬度, 組織組成物的形態(tài)對強(qiáng)度影響很大。組織越細(xì)密，強(qiáng)度越高。,2） 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系, 鑄造性能 液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈?。ㄈ缃咏簿С煞值暮辖穑?，則流動(dòng)性好，不易形成分散縮孔。, 鍛造、軋制性能 單相固溶體合金， 變形抗力小，變形均勻， 不易開裂。,2.3 鐵碳合金的結(jié)晶,鐵碳合金 -鋼鐵材料,2.3.1 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)下，隨著溫度的變化，晶格由一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的轉(zhuǎn)變過程。 重結(jié)晶過程,2.3.2 鐵碳合金的基本相 1 鐵素體 符號 F 間隙固溶體 體心立方結(jié)構(gòu) 顯微組織：呈明亮的多邊形晶粒，晶界曲折。 2 奧氏體 符號 A 間隙固溶體 面心立方結(jié)構(gòu) 顯微組織：呈多邊形，晶界較鐵素體平直。,3 滲碳體 符號 Fe C 間隙化合物 顯微組織：片狀、網(wǎng)狀、球狀等。 珠光體 高溫萊氏體 低溫萊氏體,3,2.3.3 鐵碳合金相圖,1鐵碳相圖 (Fe-Fe3 C相圖),(1) Fe-Fe3 C相圖的組元, Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc) 強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。, Fe3 C 熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。,(2) Fe-Fe3 C相圖的相, Fe3 C （ Cem， Cm，滲碳體） 復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu), 液相 L, 相 （高溫鐵素體 ） Fe（C）固溶體, 相（A ，奧氏體） -Fe（C）固溶體, 相 （F，鐵素體） -Fe（C）固溶體,(3) 相圖中重要的點(diǎn)和線,液相線ABCD,固相線AHJECF,包晶線 HJB，包晶點(diǎn) J,共晶線 ECF，共晶點(diǎn)C L4.3(A2.11+Fe3C) 高溫萊氏體,Le或Ld,共析線 PSK，共析點(diǎn)S A0.77(F0.02+Fe3C) 珠光體, P,ES線：C在A中的固溶線,PQ線：C在F中的固溶線,2鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程,Fe-C 合金分類,工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %,鋼 0.0218 % C % 2.11 %,亞共析鋼 0.77 % 共析鋼 0.77 % 過共析鋼 0.77 %,白口鑄鐵 2.11 % C % 6.69 %,亞共晶白口鐵 4.3 % 共晶白口鐵 4.3 % 過共晶白口鐵 4.3 %,幾種 常見 碳鋼,(1)工業(yè)純鐵 ( C % 0.0218 % )結(jié)晶過程,(2)共析鋼 ( C % = 0.77 % )結(jié)晶過程,室溫組織: 層片狀 P ( F + 共析 Fe3C ) 500,珠光體 強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。,(3)亞共析鋼 ( C % = 0.4 % )結(jié)晶過程,室溫組織: F + P，500,(4)過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結(jié)晶過程,室溫組織: P + Fe3CII 400,(5)共晶白口鐵 ( C % = 4.3 % )結(jié)晶過程,室溫組織: （低溫）萊氏體 Le （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500,萊氏體 Le的性能：硬而脆,()亞共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結(jié)晶過程,室溫組織: Le+ P + Fe3CII 200,()過共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結(jié)晶過程,室溫組織: Le+ Fe3CI 500,標(biāo)注了組織組成物的相圖,3鐵碳合金的 成分-組織-性能關(guān)系,含碳量與相的相對量關(guān)系： C %F %，F(xiàn)e3C %,含碳量與組織關(guān)系： 圖（a）和（