工藝技術_金屬材料與熱加工工藝培訓課程

材料及熱加工工藝 第二章金屬及合金的結構與結晶 1金屬的結構與結晶 2合金的結構與相圖 第一節(jié)金屬的結構與結晶 一 金屬鍵與金屬的特性 金屬的定義 傳統(tǒng) 是具有良好的導電性 導熱性 延展性 塑性 和金屬光澤的物質 二 金屬的晶體結構 1 晶體的概念 固體物質按原子排列的特征分為 晶體 1 結構有序 2 物理性質表現(xiàn)為各向異性 3 有固定的熔點非晶體 1 結構無序 2 物理性質表現(xiàn)為各向同性 3 沒有固定熔點 2 晶格與晶胞 晶格 用假想的直線將原子中心連接起來所形成 的三維空間格架 直線的交點 原子中心 稱結點 由結點形成的空間點的陣列稱空間點陣 晶胞 能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元 晶格常數(shù) 晶胞各邊的尺寸a b c 各棱間的夾角用 表示 原子半徑 晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半 晶胞原子數(shù) 一個晶胞內所包含的原子數(shù)目 配位數(shù) 晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目 致密度 晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù) 2 常見的金屬晶格 體心立方晶格bcc 面心立方晶格fcc Fe Cr W Mo Fe Cu Ni Al Zn Mg 密排六方晶格hcp 體心立方晶格的參數(shù) 面心立方晶格的參數(shù) 密排六方晶格的參數(shù) 三 金屬的實際晶體結構與晶體缺陷 1 單晶體 多晶體 單晶體 晶體內部的晶格位向 即原子排列的方向 完全一致 具有各向異性 只有采用特殊的方法才能得到單晶體 晶粒示意圖 1 點缺陷 是指三維尺寸都很小 不超過幾個原子直徑的缺陷 晶體中的點缺陷1 2 空位 3 4 間隙原子 5 6 置換原子 晶格的不完整部位稱晶體缺陷 實際金屬中存在著大量的晶體缺陷 按形狀可分三類 即點 線 面缺陷 2 實際金屬的晶體缺陷 a 空位 晶格中某些缺排原子的空結點 b 間隙原子 擠進晶格間隙中的原子 可以是基體金屬原子 也可以是外來原子 c 置換原子 取代原來原子位置的外來原子稱置換原子 點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài) 使晶格發(fā)生扭曲 位錯 晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象 是指二維方向上尺寸較小 在另一維方面上尺寸較大的缺陷 螺型位錯示意圖 3 面缺陷 二維尺寸很大而第三維尺寸很小的缺陷 通常是指晶界和亞晶界 晶界的特點 原子排列不規(guī)則 熔點低 耐蝕性差 易產(chǎn)生內吸附 外來原子易在晶界偏聚 阻礙位錯運動 是強化部位 因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒 相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示 四金屬的結晶 1 金屬結晶的概念 金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)的過程 結晶 液體 晶體 凝固 液體 固體 晶體或非晶體 結晶 純金屬結晶時的冷卻曲線 結晶潛熱的釋放維持溫度不變 即出現(xiàn)平臺 2 結晶過程 液態(tài)金屬結晶是由形核和長大兩個基本過程來實現(xiàn) 1 晶核的形成 1 自發(fā)形核 依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由其內部自發(fā)長出結晶核心 但需要很大的過冷度 如 純銅結晶 T 236 非自發(fā)形核 晶核依附金屬液體中未溶的固態(tài)雜質表面而形成晶核 所需過冷度為20 晶核長大的實質就是原子由液體向固體表面的轉移 2 晶核的長大 頂角和棱邊處散熱條件優(yōu)于其它部位 金屬的樹枝晶 頂角和棱邊處散熱條件優(yōu)于其它部位 3 晶粒大小對金屬力學性能的影響及細化晶粒的方法 形核率N 單位時間內在單位液體體積中形成的晶核數(shù)目 長大率G 單位時間界面向前推進的距離 金屬結晶后晶粒愈細 強度 硬度愈高 塑性 韌性也愈好 N G值越大 結晶后的晶粒越細 例 純鐵的晶粒d 70 m減至1 6 m b 184MPa增至270MPa 30 6 增至50 7 細化晶粒的途徑 1 提高冷卻速度 晶粒細小 2 變質處理起外來晶核的作用或機械阻礙作用 3 機械振動 超聲波振動 電磁攪拌等 4 金屬鑄錠的組織 2合金的結構與相圖 一 合金的基本概念 合金 由兩種或兩種以上的金屬 或金屬與非金屬 經(jīng)熔煉 燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質 鋼 鑄鐵等組元 組成合金最基本的 獨立的物質 簡稱為元 可以是元素 也可以是穩(wěn)定的化合物 有二元 三元合金等 所謂相是指金屬或合金中凡成分相同 結構相同 并與其它部分有界面分開的均勻組成部分 顯微組織實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài) 數(shù)量 大小和分布的組合 固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類 二 固態(tài)合金中的相結構 固溶體和金屬化合物 定義 溶質原子溶入溶劑晶格中形成的合金相 并不改變溶劑的晶格類型 固溶體的成分不固定 固溶體是合金的重要組成相 實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金 按溶質原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體 固溶體 置換固溶體溶質原子占據(jù)溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體 溶質原子呈無序分布的稱無序固溶體 呈有序分布的稱有序固溶體 黃銅置換固溶體組織 無限固溶須滿足三個條件 a 原子外層電子結構相近 電化學 負電性 b 原子半徑相差不大 c 晶格類型相同 晶體結構 Cu與Ni 29 28 2 55 2 44 均為fcc結構 故Cu與Ni形成無限置換固溶體 間隙固溶體溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體 形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金 屬元素 如C N B等 而溶劑元素一般是過渡族元素 形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質 r劑 0 59 間隙固溶體都是無序固溶體 固溶體的性能隨溶質含量增加 固溶體的強度 硬度增加 塑性 韌性下降 固溶強化 產(chǎn)生固溶強化的原因是溶質原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用 2 金屬化合物 合金中的兩組元相互作用而形成的一種新相 它的晶體結構 性能 熔點與兩組元都不同 并具有金屬特征 這種相稱為金屬化合物 如 Fe C Fe3C 1 正常價化合物Mg2Si 2 電子化合物 3 間隙化合物 根據(jù)形成條件 金屬化合物都是硬而脆 不能作基體相 Fe3C的晶體結構 三 二元合金相圖 相圖是表明平衡結晶條件下 即極緩慢加熱或冷卻條件下 合金成分 溫度和相 或組織 之間的關系圖形 是選材 制定工藝的依據(jù) 一 相圖的建立 1 配制不同成分的合金 2 測定每種合金的冷卻曲線 找出每種合金的臨界點 即冷卻曲線上的轉折點 3 將具有相同意義的臨界點標注在溫度 成分坐標圖中相應的合金線上 4 把具有相同意義的臨界點連成曲線即可 純金屬的結晶過程是在恒溫下進行的 在結晶的過程中只有液相和固相數(shù)量的變化 合金的結晶通常是在一定的溫度范圍內進行的 在結晶的過程中 不但有固相和液相數(shù)量變化 而且各相的成分也在變化 Cu Ni合金相圖的建立過程 1 勻晶相圖Cu NiAu Ag 二 二元合金相圖的基本類型 特點 兩組元在液態(tài) 固態(tài)均能夠完全無限互溶 形成單一均勻無限固溶體 1 相圖分析 組元 Cu Ni相 L A B點 熔點線 固 液相線相區(qū) L L 以Cu Ni合金相圖中Ni含量為40 的合金為例 2 合金的結晶過程 3 杠桿定律處于兩相區(qū)的合金 由相圖可知兩平衡相的成分 還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量 現(xiàn)以Cu Ni合金為例推導杠桿定律 確定兩平衡相的成分 劃線求橫坐標 確定兩平衡相的相對重量 根據(jù)杠桿定律求解 設合金的重量為1 液相重量為QL 固相重量為Q 則QL Q 1QLx1 Q x2 x解方程組得 應用 距某相區(qū)遠的那一段線段長與直線全長的比就等于某相的相對重量 4 枝晶 晶內 偏析 形成原因 冷卻速度快 固溶體的化學成分來不及擴散均勻 定義 在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析 影響合金的力學 耐蝕 加工等性能 Cu Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織 平衡組織 含Ni30 的固溶體 枝晶偏析組織 由Cu Ni合金的結晶過程可知 先結晶出的含鎳量高 不易被腐蝕 呈亮白色 后結晶出的含銅量高 易被腐蝕 呈黑色 生產(chǎn)中用 擴散退火 均勻化退火 加以消除 2 共晶相圖Pb SnAl Si 特點 液態(tài)無限互溶 固態(tài)不能無限互溶 一定成分的液相在一定溫度下同時結晶出兩個不同成分固相的過程 相圖分析 合金的結晶過程 合金的結晶過程 合金的結晶過程 Pb 過共晶合金的結晶過程與亞共晶合金相似 不同的是一次相為 二次相為 室溫組織為 合金的結晶過程 合金的相組分與組織組分 組織組成物在相圖上的標注 在一定溫度下 由一個液相