金屬材料與熱處理課題二課件

1、金屬材料與熱處理課題二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)習(xí)情境一金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境二純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)情境三合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)習(xí)目標(biāo)了解晶體的基本概念；掌握金屬晶體最常見的三種晶格結(jié)構(gòu)；了解晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響以及細(xì)化晶粒的措施；了解常用合金的結(jié)晶規(guī)律和結(jié)晶相圖。課題二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金的成分決定了合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，而合金的組織結(jié)構(gòu)又決定了合金的性能。本課題通過對典型金屬材料成分、溫度與組織間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，揭示出金屬材料成分、溫度與組織之間的變化規(guī)律，從而為金屬材料的選用和加工提供理論依據(jù)。 相關(guān)知識課題二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶固態(tài)物質(zhì)的性能與原子在空間的排列情況有著密切的

2、關(guān)系。固態(tài)物質(zhì)按原子排列的特點(diǎn)可分為晶體與非晶體兩大類。凡原子按一定規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)，稱為晶體，如金剛石、石墨和一切金屬及合金等。晶體具有如下一些特點(diǎn)。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體與非晶體學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。（2）晶體具有一定的熔點(diǎn)，如純鐵的熔點(diǎn)為1 535 ，純銅的熔點(diǎn)為1 083 。（3）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體呈各向異性。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)在自然界中，有些物質(zhì)如塑料、玻璃、瀝青等是非晶體。非晶體的原子呈不規(guī)則雜亂無章的排列形式，在各個(gè)方向上的原子聚集密度大致相同，表現(xiàn)在性能上呈各向同性。非晶體無固定

3、的熔點(diǎn)。晶體和非晶體的對比見表2-1。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 二、 晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶格、晶胞和晶格常數(shù)1.晶體內(nèi)部的原子是按一定的幾何規(guī)律排列的。如果把金屬中的原子近似地看成是剛性的小球，則金屬晶體就是剛性小球按一定的幾何規(guī)律堆積而成的，如圖2-1所示。圖2-1 晶體中的原子排列情況為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律，可以人為地將原子簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再用假想的線將它們連接起來，這樣就形成了一個(gè)能反映原子排列規(guī)律的空間格架，如圖2-2（a）所示。這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何圖形稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格。由圖2-2（a）可見，晶格是由許多形狀、大小相同的幾何單元重復(fù)堆積

4、而成的。其中能夠完整地反映晶體特征的最小幾何單元稱為晶胞，如圖2-2（b）所示。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-2 晶格和晶胞示意圖學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞的大小和形狀以晶胞的棱邊長度a、b、c及棱邊夾角、來表示，如圖2-3所示。晶胞的棱邊長度又稱為晶格常數(shù)，其單位用埃（A）來表示（1 A=1010m）。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c、棱邊夾角=90時(shí)，該晶胞稱為簡單立方晶胞。圖2-3 晶胞及晶格常數(shù)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)在金屬晶體中，由原子構(gòu)成的面稱為晶面，如圖2-4所示。通過兩個(gè)或兩個(gè)以上原子中心的直線可代表晶格空間的一定方向，稱為晶向。為方便研究，對不同位向的晶

5、面或晶向采用一定的符號來表示。表示晶面的符號稱為晶面指數(shù)，表示晶向的符號稱為晶向指數(shù)。圖2-4中標(biāo)注的（100）、（110）、（111）為立方晶格中某些晶面的晶面指數(shù)。圖2-5中所標(biāo)注的100、001、111等為立方晶格中某些晶向的晶向指數(shù)。晶面和晶向2.學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-4 立方晶格中不同方向的晶面與晶面指數(shù)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-5 立方晶格中不同方向的晶向與晶向指數(shù)不同的金屬具有不同的晶格類型。研究表明，工業(yè)上使用的幾十種金屬元素中，除少數(shù)具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)都具有比較簡單的晶格結(jié)構(gòu)。其中最常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種類型，即體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶

6、格，它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表2-2。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 三、常見金屬晶格類型學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)由表2-2中的晶胞示意圖可以看出，體心立方晶格的晶胞每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的原子與相鄰的7個(gè)晶胞共有，加上晶胞中心的1個(gè)原子，故每個(gè)晶胞的原子數(shù)為n=81/8+1=2（個(gè)）。同理，面心立方晶格每個(gè)晶胞的原子數(shù)為n=81/8+61/2=4（個(gè)），密排六方晶格每個(gè)晶胞的原子數(shù)為n=121/6+21/2+3=6（個(gè)）。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)把晶格中的原子看成剛性小球，使其一個(gè)緊靠一個(gè)地排列著，原子之間仍會有空隙存在，不同的晶格類型其空隙大小是不一樣的。為了對晶體中原子排列的緊密程

7、度進(jìn)行定量比較，通常采用晶體結(jié)構(gòu)的致密度來表示。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-6 體心立方晶格致密度計(jì)算學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。如體心立方晶胞中含有2個(gè)原子，這兩個(gè)原子的體積為2（4/3）r3，其中r為原子半徑。由圖2-6可見，故體心立方晶格的致密度為這表明體心立方晶格中68的體積被原子所占用，其余32則為晶胞內(nèi)的間隙體積。同理，可求出面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均為0.74。在晶體中，致密度越大，原子排列就越緊密。所以，當(dāng)鐵在冷卻時(shí)，由晶格致密度較大（0.74）的面心立方晶格-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裰旅芏容^?。?.68）的體心立方晶格-Fe，就

8、會發(fā)生體積膨脹而引起內(nèi)應(yīng)力和變形，這也是鋼鐵材料淬火急冷能使其強(qiáng)度、硬度提高的原因。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 四、 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷單晶體與多晶體1.如果晶體內(nèi)部的晶格方位（即原子排列的方向）完全一致，則這種晶體稱為單晶體。在工業(yè)生產(chǎn)中，只有采用特殊方法才能獲得單晶體，如半導(dǎo)體元件（單晶硅和單晶鍺）、磁性材料、高溫合金材料等。實(shí)際使用的工業(yè)金屬材料即使體積很小，其內(nèi)部仍包含了許多顆粒狀小晶體（晶粒）。每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格方位都是基本一致的，而各個(gè)小晶體之間彼此的方位卻是不同的，如圖2-7所示。由于其中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒，通常稱為晶粒。晶粒

9、與晶粒之間的界面稱為晶界。這種實(shí)際上由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般金屬材料都是多晶體。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-7 多晶體示意圖由于多晶體中每個(gè)晶粒的位向不一樣，各個(gè)晶粒的各向異性被彼此抵消。因而金屬材料的外部性能表現(xiàn)為在各個(gè)方向是一致的，即各向同性。晶體中的原子完全為規(guī)則排列的晶體稱為理想晶體。實(shí)際上，由于受多種因素的影響，金屬內(nèi)部總是存在著大量缺陷。晶體缺陷的存在對金屬的性能有很大的影響。根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)，晶體缺陷可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中的缺陷2.學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是晶體中呈點(diǎn)狀的缺陷，即在三維空間上的尺

10、寸都很小的缺陷。常見的點(diǎn)缺陷是空位和間隙原子，如圖2-8所示。在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)往往未被原子占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。與此同時(shí)，又有可能在個(gè)別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子，這種不占有正常晶格位置而處于晶格空隙中的原子稱為間隙原子。在空位和間隙原子附近，由于原子間作用力的平衡被破壞，使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開，因此，晶格發(fā)生歪曲（也稱為晶格畸變），使金屬的強(qiáng)度、硬度提高。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-8 空位和間隙原子學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)線缺陷是指在三維空間的一個(gè)方向上尺寸很大、其余兩個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。晶體中的線缺陷通常是指各種類型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)就是在晶體中某處有一列或

11、若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排有許多類型，其中比較簡單的一種形式就是刃型位錯(cuò)。2）線缺陷簡單立方晶格晶體中的刃型位錯(cuò)如圖2-9所示，從圖中可以看出，ABCD晶面上沿處像刀刃一樣多插入了一層原子面EFGH，使上下層原子不能對準(zhǔn)，產(chǎn)生錯(cuò)排，因而稱刃型位錯(cuò)。多余原子面的底邊EF線稱為位錯(cuò)線。在位錯(cuò)線附近晶格發(fā)生畸變，形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)。在ABCD晶面以上一定范圍內(nèi)的原子受到壓應(yīng)力；相反，在ABCD晶面以下一定范圍內(nèi)的原子受到拉應(yīng)力。離EF線越遠(yuǎn)，晶格畸變越小。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-9 刃型位錯(cuò)示意圖學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)常把晶體上半部多出一層原

12、子面的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號“”表示；把晶體下半部多出一層原子面的位錯(cuò)稱為負(fù)刃型位錯(cuò)，用符號“”表示，見圖2-9（b）。晶體中位錯(cuò)的多少可以用單位體積中包括的位錯(cuò)線的總長度表示，稱為位錯(cuò)密度，用表示。學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)面缺陷是指在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大，在第三個(gè)方向上的尺寸很小而呈面狀的缺陷，這類缺陷主要指晶界與亞晶界。（1）晶界。多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間的位向不同，所以晶界處實(shí)際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層，該過渡層的原子排列是不規(guī)則的，如圖2-10所示。晶界處原子的不規(guī)則排列使晶格處于歪扭畸變狀態(tài)，因而在常溫下會對金屬塑性變形起阻礙作用。從宏觀上來

13、看，晶界處表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和硬度，晶粒越細(xì)小，晶界就越多，它對塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度也就越高。3）面缺陷學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖2-10 晶界的過渡結(jié)構(gòu)示意圖學(xué)習(xí)情境一 金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)組成的小角度晶界，如圖2-11所示。由于亞晶界處原子排列也是不規(guī)則的，使晶格產(chǎn)生了畸變，因此，亞晶界的作用效果與晶界相似，對金屬強(qiáng)度也有著重要影響。亞晶界越多，金屬強(qiáng)度就越高。圖2-11 亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大多數(shù)的金屬制件都是經(jīng)過熔化、冶煉、澆注而獲得的，這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶。金屬結(jié)晶形成的鑄件組織將直

14、接影響金屬的性能。研究金屬結(jié)晶的目的是掌握金屬結(jié)晶的基本規(guī)律，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，獲得理想的金屬組織和性能。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶利用圖2-12所示的裝置將純金屬加熱到熔化狀態(tài)，然后緩慢冷卻，在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間記錄下金屬液體的溫度，直到結(jié)晶完畢為止。這樣可得到一系列時(shí)間與溫度相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)標(biāo)在時(shí)間溫度坐標(biāo)圖中，然后畫出一條溫度與時(shí)間的相關(guān)曲線，這條曲線稱為純金屬的冷卻曲線，如圖2-13所示。這種繪制金屬冷卻曲線的方法稱為熱分析法。 一、 純金屬的冷卻曲線與過冷度學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶 圖2-12 熱分析法裝置1熱電偶；2液態(tài)金屬；3坩堝；4電爐圖2-

15、13 熱分析法繪制純金屬冷卻曲線從圖2-13可以看出，液態(tài)金屬隨著冷卻時(shí)間的增長，溫度不斷下降，但當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，隨著冷卻時(shí)間的增長其溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)一段水平線段，這段水平線段所對應(yīng)的溫度就是純金屬進(jìn)行結(jié)晶的溫度。出現(xiàn)水平線段的原因是金屬結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了其向外界散失的熱量。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶如圖2-14所示，金屬在無限緩慢冷卻條件下（即平衡條件下）所測得的結(jié)晶溫度tm稱為理論結(jié)晶溫度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)冷卻速度是相當(dāng)快的，金屬總是要在理論結(jié)晶溫度tm以下的某一溫度t1才開始進(jìn)行結(jié)晶。溫度t1稱為實(shí)際結(jié)晶溫度。實(shí)際結(jié)晶溫度t1低于理論結(jié)晶溫度

16、tm的現(xiàn)象稱為過冷。而tm與t1之差t稱為過冷度，即t=tmt1。過冷度并不是一個(gè)恒定值，液態(tài)金屬的冷卻速度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度t1就越低，即過冷度t就越大。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶圖2-14 純金屬的冷卻曲線實(shí)際上，金屬總是在過冷情況下進(jìn)行結(jié)晶的，所以過冷是金屬結(jié)晶的一個(gè)必要條件。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶在液態(tài)金屬中，原子的活動能力很強(qiáng)，作不規(guī)則運(yùn)動。隨著液態(tài)金屬溫度的不斷下降，金屬原子的活動能力隨之減弱，原子間的吸引作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)達(dá)到結(jié)晶溫度時(shí)，首先在液體的某些區(qū)域形成一些極細(xì)小的微晶體，稱為晶核。隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長大，同時(shí)又有新的晶核形成、長大，直

17、到液態(tài)金屬全部凝固，結(jié)晶過程結(jié)束，如圖2-15所示。因此，結(jié)晶過程就是不斷地形核和晶核不斷長大的過程。 二、 純金屬的結(jié)晶過程學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶圖2-15 金屬結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶結(jié)晶后的金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒大小可以用單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶粒越小。為測量方便，常以單位截面上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示晶粒大小。實(shí)驗(yàn)證明，常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強(qiáng)度、塑性和韌性。這是因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，塑性變形越可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形就越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中度越?。欢揖ЯＴ郊?xì)，晶界就越多，晶粒與晶粒間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會就越多，彼此連接

18、就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好。晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響見表2-3。 三、 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶由表2-3可見，細(xì)化晶粒對提高常溫下金屬的力學(xué)性能有很大作用，是使金屬材料強(qiáng)度、塑性提高的有效途徑。（1）增加過冷度。如圖2-16所示，形核率和長大速度都隨過冷度t增長而增大，但在很大的范圍內(nèi)形核率比晶核長大速度增長更快，因此，增加過冷度總能使晶粒更細(xì)。如在鑄造生產(chǎn)中，用金屬型比用砂型冷得快，能得到晶粒細(xì)化的鑄件。但這種方法只適用于中、小型鑄件，大型鑄件則需要用其他方法使晶粒細(xì)化。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶圖2-16 形核率和長大速度與過冷度的關(guān)

19、系示意圖學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶（2）變質(zhì)處理。澆注前在液態(tài)金屬中加入一些能促進(jìn)形核或抑制晶核長大的物質(zhì)（又稱變質(zhì)劑或孕育劑），使金屬晶粒細(xì)化，如在鋼中加入鈦、硼、鋁等，在鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣等，都能起到細(xì)化晶粒的作用。（3）振動處理。在結(jié)晶時(shí)，對液態(tài)金屬加以機(jī)械振動、超聲波振動和電磁振動等，使生長中的枝晶破碎，增加晶核數(shù)目，從而有效細(xì)化晶粒。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶大多數(shù)金屬的晶格類型是固定不變的，但有些金屬（如鐵、鈷、鈦、錫、錳等）在固態(tài)下，其晶格類型會隨溫度的升高或降低而發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的具有不同

20、晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。 四、 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵是典型的具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬。純鐵的冷卻曲線如圖2-17所示，它表示了純鐵的結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。液態(tài)純鐵在1 535 時(shí)結(jié)晶成為具有體心立方晶格的-Fe；繼續(xù)冷卻到1 394 時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe；再繼續(xù)冷卻到912 時(shí)又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，面心立方晶格的-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe。再繼續(xù)冷卻，晶格的類型不再變化。學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二 純金屬的結(jié)晶圖2-17 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變冷卻曲線學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶由于純金屬的強(qiáng)度、硬度一般都較低，而且冶煉困難

21、、價(jià)格較高，因此，在工業(yè)中一般都使用合金。人們還可以通過改變合金的化學(xué)成分的比例、組織結(jié)構(gòu)得到所需要的力學(xué)性能和特殊性能，如耐熱性、耐蝕性、導(dǎo)磁性等。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 一、 合金的基本概念合金1.合金是指兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素熔合在一起形成的、具有金屬特性的物質(zhì)，如黃銅是銅和鋅組成的合金，鋼和生鐵是以鐵和碳為主的合金。在實(shí)際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)合金是通過熔化、精煉和澆注制成的，只有少數(shù)合金是在固態(tài)下通過制粉、混合、壓制成形、燒結(jié)等工序制成的。組成合金最基本的并能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組元可以是金屬元素、非金屬元素或穩(wěn)定的化合物。根據(jù)合金中組元數(shù)目的多少，

22、合金可分為二元合金、三元合金和多元合金，如普通黃銅是由銅和鋅兩個(gè)組元組成的二元合金，硬鋁是由鋁、銅和鎂組成的三元合金。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶組元2.學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金系3.由給定組元可以配制成一系列不同合金，組成一個(gè)系統(tǒng)，稱為合金系。兩個(gè)組元的稱為二元系；三個(gè)組元的稱為三元系；純金屬只有一個(gè)組元，稱為單元系。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶相4.金屬或合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)均相同的組成部分稱為相。相與相之間有明顯界面。液態(tài)合金通常都是單相液體。合金在固態(tài)下由一個(gè)固相組成時(shí)稱為單相合金，由兩個(gè)或兩個(gè)以上固相組成時(shí)稱為多相合金，如鋼在固態(tài)下就是由鐵素體和滲碳體兩相組成

23、的。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金是由一種或多種相集合在一起組成的。合金中相的綜合體稱為合金組織。在液態(tài)時(shí)，大多數(shù)合金的組元都能相互溶解，形成一個(gè)均勻的液相。在結(jié)晶時(shí)，由于各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金中可能出現(xiàn)固溶體、金屬化合物或機(jī)械混合物。 二、 合金的組織學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金中一個(gè)組元溶解其他組元，或組元間互相溶解而形成的均勻固相稱為固溶體。實(shí)質(zhì)上，固溶體是在一種金屬的晶格中溶入一些其他合金元素而形成的。晶格保留下來的稱為溶劑，晶格消失的稱為溶質(zhì)，固溶體的結(jié)構(gòu)保持溶劑金屬的晶格類型。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處的位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。固溶

24、體1.溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-18（a）所示。由于溶劑晶格的空隙尺寸很小，故能夠形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是一些原子半徑小于1 A的非金屬元素，如碳、氮、硼等。由于溶劑晶格的空隙有限，所以間隙固溶體能溶解的溶質(zhì)原子數(shù)量也是有限的。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1）間隙固溶體學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2）置換固溶體溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格中某些結(jié)點(diǎn)位置上的溶劑原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-18（b）所示。圖2-18 固溶體結(jié)構(gòu)示意圖學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶固溶體中，溶質(zhì)的含量即固溶體的濃度用質(zhì)量百

25、分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)來表示。無論是間隙固溶體還是置換固溶體，由于溶質(zhì)原子的溶入都將使溶劑晶格發(fā)生畸變，如圖2-19所示。晶格畸變使變形抗力增大，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高。這種通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-19 形成固溶體時(shí)的晶格畸變實(shí)踐證明，只要適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的含量，就能在顯著提高金屬材料強(qiáng)度的同時(shí)仍使其保持較高的塑性和韌性。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬化合物是指合金中各組元間按一定比例結(jié)合形成一種具有金屬特性的晶體相。金屬化合物的組成一般可用化學(xué)分子式來表示，如鐵碳合

26、金中的滲碳體就是鐵和碳組成的化合物。金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。合金中含有金屬化合物后，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性顯著提高，而塑性和韌性則降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。金屬化合物2.學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶純金屬、固溶體、金屬化合物都是組成合金的基本相，由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機(jī)械混合物。在機(jī)械混合物中，各組成相仍保持著其原有晶格類型和性能，而整個(gè)機(jī)械混合物的性能介于各組成相性能之間，與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)中使用的合金材料大多數(shù)是機(jī)械混合物的組織狀態(tài)。機(jī)械混合物3

27、.學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金的內(nèi)部組織構(gòu)造遠(yuǎn)比純金屬復(fù)雜，同是一個(gè)合金系，合金的組織構(gòu)造隨成分的不同而發(fā)生變化。如溶質(zhì)含量少時(shí)，可以是單相固溶體，溶質(zhì)含量超過溶解度時(shí)則變?yōu)槎嘞嗷旌衔?。另一方面，同一成分的合金，其組織構(gòu)造隨溫度的不同而變化。若要全面了解合金的組織隨成分、溫度變化的規(guī)律，就必須取不同成分的合金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察分析其在加熱、冷卻過程中內(nèi)部組織構(gòu)造的變化，繪制成圖，稱為合金相圖。合金相圖是全面表示合金的組織隨成分、溫度變化規(guī)律的圖，是研究與選用合金的重要理論工具，對于金屬的加工及熱處理也具有重要的指導(dǎo)意義。三、 合金的結(jié)晶過程學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶現(xiàn)以Cu-Ni合金

28、為例，說明用熱分析法實(shí)驗(yàn)測定二元合金相圖的過程。（1）首先配制一系列不同成分含量的Cu-Ni合金，見表2-4。二元合金相圖的測定1.學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（2）用熱分析法畫出所配制的各合金的冷卻曲線，如圖2-20（a）所示。（3）找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)（相變點(diǎn)），把各臨界點(diǎn)標(biāo)注到溫度成分坐標(biāo)系中相應(yīng)的位置上，并將相應(yīng)溫度填入表2-4中。（4）將各相同意義的臨界點(diǎn)連接起來，如圖2-20（b）所示。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-20 Cu-Ni合金相圖測定（5）填寫各區(qū)域中的狀態(tài)或組織。如Cu-Ni合金相圖中，上面一條線為液相線，其以上區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)，用L表示；下面一條線為固相線

29、，其以下區(qū)域?yàn)殂~與鎳形成的單相固溶體區(qū)，用表示；液相線和固相線之間區(qū)域?yàn)橐?、固兩相混合區(qū)，用L+表示，這樣就得到完整的Cu-Ni合金相圖。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶根據(jù)合金相圖可以分析合金結(jié)晶過程的特點(diǎn)。合金結(jié)晶過程與純金屬結(jié)晶過程相似，也是經(jīng)過形核和晶核長大的一般過程，但純金屬結(jié)晶過程是在某一溫度下進(jìn)行的，而合金的結(jié)晶一般是在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，并且結(jié)晶過程中各相的成分還不斷發(fā)生變化。通過對不同成分二元合金結(jié)晶過程特點(diǎn)的分析，常見二元合金相圖有勻晶相圖、共晶相圖和共析相圖三種。合金的結(jié)晶2.兩組元在液態(tài)與固態(tài)狀態(tài)下均可彼此無限溶解的合金相圖，稱為勻晶相

30、圖。Cu-Ni合金相圖就屬于二元勻晶相圖，如圖2-21所示。圖中A點(diǎn)1 083 為純銅的熔點(diǎn)，B點(diǎn)1 452 為純鎳的熔點(diǎn)。AB上弧線為合金結(jié)晶開始溫度曲線，即液相線；AB下弧線為合金結(jié)晶終了溫度曲線，即固相線。在液相線以上為液相區(qū)；在固相線以下合金全部形成均勻的固溶體，為固相區(qū)；液相線與固相線之間為液相L和固溶體共存區(qū)域，為兩相區(qū)。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1）勻晶相圖學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-21 Cu-Ni合金相圖圖2-22 CuNi合金的結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Cu-Ni合金結(jié)晶示意圖如圖2-22所示。凡是兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能完全相互溶解的合

31、金，如Cu-Ni合金、Fe-Ni合金、Au-Ag合金等的相圖均屬于這類相圖。具有勻晶相圖性質(zhì)的合金的兩組元是晶格類型相同、原子半徑相近的金屬元素。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2）共晶相圖兩組元在液態(tài)互溶，在固態(tài)有限溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金相圖，稱為共晶相圖。共晶轉(zhuǎn)變是指在一定溫度下，由一定成分的液相合金，同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的過程。具有這類相圖的合金有Pb-Sn合金、Pb-Sb合金、Cu-Ag合金、Al-Si合金和Fe-Fe3C合金等。如圖2-23所示為Pb-Sn合金相圖。A、B分別為鉛和錫的熔點(diǎn)。E點(diǎn)為共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)，E點(diǎn)錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.9%，溫度為183 。圖中AEB為液相線

32、，AMENB為固相線。MF為錫溶于鉛的溶解度線，NG為鉛溶于錫的溶解度線，這兩條曲線又稱固溶線。合金系中有L、和三個(gè)相。相是錫溶于鉛的固溶體，相是鉛溶于錫的固溶體。相線把共晶相圖分成6個(gè)相區(qū)：3個(gè)單相區(qū)L、，3個(gè)兩相區(qū)L+、L+、+。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-23 Pb-Sn合金相圖固相線的直線部分MEN又稱為共晶線，共晶線為L、三相共存區(qū)。下面對不同成分的結(jié)晶過程進(jìn)行分析。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（1）錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于19%時(shí)的Pb-Sn合金。從圖2-23可以看出，錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10的合金由液態(tài)慢冷到點(diǎn)1時(shí)，開始結(jié)晶析出固溶體。隨著溫度的降

33、低，固溶體的數(shù)量不斷增加，而液相數(shù)量不斷減少；固溶體的成分沿AM線變化，液相的成分沿AE線變化。冷卻到與固相線的交點(diǎn)2時(shí)，合金全部結(jié)晶成固溶體。這一過程即前述的勻晶轉(zhuǎn)變過程，錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10的Pb-Sn合金的結(jié)晶過程示意圖如圖2-24所示。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-24 Sn=10%的Pb-Sn合金的結(jié)晶過程示意圖繼續(xù)冷卻時(shí)，在點(diǎn)2和3之間，合金組織不發(fā)生變化，為單相固溶體。當(dāng)冷卻到點(diǎn)3溫度時(shí)，Sn在Pb中的溶解達(dá)到飽和狀態(tài)。溫度再下降時(shí)，過剩的Sn以固溶體的形式從相中析出。為了同從液態(tài)析出的相相區(qū)別，以表示。隨著溫度下降，的量也是增加的。錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10Pb-Sn合金的顯微組

34、織如圖2-25所示，其中，黑色的基體為相，白色顆粒為相。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-25 Sn=10%的Pb-Sn合金的顯微組織學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（2）錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.9%的Pb-Sn共晶合金。從圖2-23可以看出，從液態(tài)緩冷到溫度tE（183 ）時(shí)將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即LEM+N。從液體中同時(shí)結(jié)晶出和兩種晶體，這一過程一直進(jìn)行到液相完全消失為止。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶共晶合金的結(jié)晶示意圖如圖2-26所示，當(dāng)合金緩冷到1點(diǎn)（tE）時(shí)，液相LE在此溫度不但要結(jié)晶出M點(diǎn)成分的M晶體，同時(shí)還要結(jié)晶出N點(diǎn)成分的N晶體，而且在恒溫下進(jìn)行，

35、直到結(jié)晶完成，即共晶反應(yīng)。tE為共晶溫度，LE為共晶成分，轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物為（M+N）兩相交錯(cuò)分布的機(jī)械混合物，稱為共晶組織或共晶體。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-26 共晶合金的結(jié)晶示意圖學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶從共晶溫度冷卻到室溫時(shí)，將分別從和相中析出和，它們與共晶的和相混合在一起，在顯微鏡中分辨不出來，通?？闯蓻]有組織變化。圖2-27（a）為Pb-Sn共晶合金的顯微組織照片，黑色的為相，白色的為相。圖2-27 共晶合金的幾種典型組織學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶共晶組織雖然是交錯(cuò)分布的兩相機(jī)械混合物，但其分布形態(tài)（如片狀、樹枝狀、點(diǎn)球狀或針狀等）決定了合金的性能。此外，組織

36、的粗細(xì)（如片間距離的大小）與合金的冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越大，獲得的組織越細(xì)。圖2-27（b）、（c）和（d）為其他幾種典型共晶合金的顯微組織。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（3）亞共晶合金。在圖2-23中，成分位于M點(diǎn)到E點(diǎn)之間的合金，稱為亞共晶合金，如圖中的合金III。當(dāng)緩冷到點(diǎn)1時(shí)，開始從液體結(jié)晶出相，如圖2-28所示。隨著溫度降低，相不斷增加，液相量相對減少，固溶體成分沿AM線變化，液相成分沿AE線變化。Pb-Sn亞共晶合金的顯微組織如圖2-29所示，黑色為初晶晶體，黑白相間分布的為（+）共晶體，晶體內(nèi)的白色顆粒為相。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶圖2-28 Pb-Sn亞共晶合金的

37、結(jié)晶示意圖圖2-29 Pb-Sn亞共晶合金的顯微組織學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（4）過共晶合金。在圖2-23中，成分位于E點(diǎn)和N點(diǎn)之間的合金稱為過共晶合金，如圖中的合金。過共晶合金的結(jié)晶過程與亞共晶合金類似，所不同的僅是先結(jié)晶出固溶體，而從tE繼續(xù)冷卻時(shí)，將從相中析出相。Pb-Sn過共晶合金的顯微組織如圖2-30所示，圖中白色部分為固溶體，黑白相間的為（+）共晶體，晶體內(nèi)的黑色小點(diǎn)為相。圖2-30 Pb-Sn過共晶合金的顯微組織學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶從上述分析可以看出，成分位于M點(diǎn)和N點(diǎn)之間的亞共晶、共晶及過共晶合金，在其緩慢冷卻或緩慢加熱中，凡是與MEN線相交時(shí)，即達(dá)到183 都要發(fā)生共晶反應(yīng)。所以稱MEN為共晶線，tE為共晶溫度，E點(diǎn)為共晶點(diǎn)。學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶在二元合金相圖中，常遇到經(jīng)過高溫勻晶轉(zhuǎn)變所形成的固溶體在冷卻到某一溫度時(shí)又發(fā)生分解而形成兩個(gè)新的固相的現(xiàn)象，這種相圖稱為共析相圖，如圖2-31所示。1）共析相圖圖2-31 合金共析轉(zhuǎn)變相圖學(xué)習(xí)情境三 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（1）共析轉(zhuǎn)變是固態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程中需要原子大量地?cái)U(kuò)