（中職）機(jī)械工程材料第二章 金屬材料的結(jié)構(gòu)教學(xué)課件

1、（中職）機(jī)械工程材料第二章 金屬材料的結(jié)構(gòu)ppt課件教學(xué)目標(biāo)： 1、明確金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶格類型及純金屬的結(jié)晶過(guò)程。 2、掌握金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程。 3、掌握鐵碳合金中的基本相、組織，會(huì)分析鐵碳合金相圖的化 學(xué)成分、組織性能的關(guān)系。機(jī)械工程材料第二章 金屬材料的結(jié)構(gòu) 一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 1、晶體與非晶體 （1）概念：原子按一定次序有規(guī)律排列的物質(zhì)稱為晶體；如：所有金屬與合金、冰、結(jié)晶鹽、水晶、天然金剛石、石墨等。原子雜亂無(wú)章地堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。如：玻璃、松香、石蠟、瀝青等。 （2）特點(diǎn)： 晶 體 1）有熔點(diǎn)，2）各向異性。如：金屬、食鹽、金剛石等。 非晶體 1）無(wú)熔點(diǎn)，2）各向

2、同性。如：玻璃、松香、瀝青等。 機(jī)械工程材料專題一 金屬材料的結(jié)構(gòu) 機(jī)械工程材料 2、晶格與晶胞 （1）晶格：為了形象地表示晶體中原子排列規(guī)律，可將原子簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)，用假想的線將這些點(diǎn)用線連接起來(lái)，構(gòu)成有明顯規(guī)律性的空間各架。這種表示晶體中原子排列形成的空間格子稱為晶格，如圖2-1所示。 （3）晶格常數(shù)：表示晶胞幾何形狀大小，即：a 、b 、c，且 a = b = c 相互垂直。 （2）晶胞：組成晶格最基本的幾何單元,如圖2-2所示。 圖2-1 晶體內(nèi)部原子排列晶面結(jié)點(diǎn) 機(jī)械工程材料形成的原因：各原子之間相互吸引力與排斥力相平衡結(jié)果。abc原子圖2-2 晶胞示意圖3、晶面與晶向 （1）晶面 在

3、晶體中由一系列原子組成的平面，稱為晶面。如圖2-3所示。為簡(jiǎn)單立方晶格的晶面。 （2）晶向 通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向，如圖2-4所示。 機(jī)械工程材料abcyzxcba 圖2-3 晶胞的晶格常數(shù)和晶軸 圖2-4 晶格中的某些晶面和晶向 間夾角的表示方法 由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同。 二、常見(jiàn)的晶格類型 機(jī)械工程材料 1、體心立方晶格 如圖2-5所示。 特點(diǎn)：b 較好。如:912 Fe、Cr、 Mo、 V 等金屬。 2、面心立方晶格如圖2-6所示。 特點(diǎn)： b 較好。如：912 Fe 、Cu、Al 等金屬。圖2-5 體心立

4、方晶格含有2 個(gè)原子體積組成。含有4 個(gè)原子體積組成。圖2-6 面心立方晶格 機(jī)械工程材料abc圖2-7 密排六方晶格 如圖2-7所示。它的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的每個(gè)頂點(diǎn)和中心各有一個(gè)原子。具有體心立方晶格的金屬包括：-Fe 、W、Mo、 特點(diǎn)：硬度高、脆性大。如：鋅(Zn) , 鎂(Mg), 鎘(Cd)等金屬。a=bc3、密排六方晶格Zn、 Mg、 Cd 等。三、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 圖2-8 工業(yè)純鐵的顯微組織晶界晶粒1、多晶體結(jié)構(gòu) 由多個(gè)單晶粒組成的晶體為多晶體，通常鋼鐵材料晶粒尺寸為 0.10.001mm。 顯微組織：在顯微鏡下觀察工業(yè)純鐵的顯微組織，如圖2-8所示。 （1）點(diǎn)缺陷

5、 晶格畸變的存在，使金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，晶體性能發(fā)生變化，如強(qiáng)度、硬度增加，如圖2-9所示。2、晶格缺陷 機(jī)械工程材料 機(jī)械工程材料 （2）線缺陷 晶體缺陷呈線狀分布，線缺陷主要是指位錯(cuò)。最常見(jiàn)的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)，如圖2-10所示。圖2-9 點(diǎn)缺陷示意圖圖2-10 刃型位錯(cuò)線缺陷圖2-11 晶界示意圖 （3）面缺陷 晶體缺陷呈面狀分布，一般指的是晶界和亞晶界，如圖2-11所示。實(shí)際金屬材料是多晶體的結(jié)構(gòu)。四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 在固態(tài)下隨溫度發(fā)生變化，其晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 冷卻曲線：用冷卻曲線表示出此現(xiàn)象，如圖2-12所示。實(shí)質(zhì)是：原子排列不同，結(jié)構(gòu)不同，金屬體積發(fā)生改變的結(jié)果

6、。 液態(tài)純鐵在1538進(jìn)行結(jié)晶，得到體心立方晶格的Fe，繼續(xù)冷卻到1394時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦腇e，再冷卻到912時(shí)又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的Fe，如再繼續(xù)冷卻到室溫，晶格的類型不再發(fā)生變化。這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)化，如圖2-13所示。 機(jī)械工程材料 機(jī)械工程材料圖2-12 冷卻曲線O溫度時(shí)結(jié)晶過(guò)程Fe 體心立方晶格Fe 面心立方晶格Fe 體心立方晶格13940CFeFe9120CFe(體心立方晶格) (面心立方晶格) (體心立方晶格) 圖2-13 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)化圖 五、 合金的結(jié)晶 機(jī)械工程材料成分變化：Cu由100%0%、Ni由

7、0%100%描述合金的結(jié)晶過(guò)程用“二元相圖”解釋，如圖2-14所示。 1、二元合金相圖的建立：用熱分析法繪制CuNi相圖。成分為70%Cu+30%Ni 合金“1”點(diǎn)以上為液體， “L”到“1”點(diǎn)開(kāi)始結(jié)晶出固體“”、“1-2”間為兩相區(qū)”L+ ”到“2”點(diǎn)時(shí)全為固體“”，“2”點(diǎn)以下為固體。AB上線為液相線AB下線-固相線。10830100AB1452LL+12圖2-14 CuNi合金二元相圖 機(jī)械工程材料圖2-15 (Cu 70% Ni 30%) 合金結(jié)晶過(guò)程示意圖 由圖2-15所示，當(dāng)合金以極緩慢速度冷至1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相中析出，隨著溫度不斷降低，相不斷增多，而剩余的液相L不斷減少，當(dāng)結(jié)晶終

8、了時(shí)，獲得與原合金成分相同的相固溶體。 2、合金的結(jié)晶過(guò)程 L（L+）ABCuNi12LL+O12L冷卻曲線 機(jī)械工程材料專題二 鐵碳合金相圖 鋼鐵是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，它是研究鋼鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制訂鋼鐵材料的各種熱加工工藝的依據(jù)。 一、 鐵碳合金中的基本相 （1）鐵素體：碳在Fe中所形成的間隙固溶體，用“F”表示。 特點(diǎn)：塑性、韌性好，強(qiáng)度、硬度低。 （2）奧氏體：碳在Fe中的間隙固溶體用“A”表示。 特點(diǎn)：塑性較好，強(qiáng)度較低。 （3）滲碳體：是Fe與C的化合物，用“Fe3C”來(lái)表示。 二、

9、 鐵碳合金中的基本組織 特點(diǎn)：有一定強(qiáng)度、塑性，層片狀。組織如圖2-16所示。 （2）萊氏體：含碳量為4.3的液態(tài)合金，當(dāng)溫度緩慢冷卻 （1）珠光體：是F與Fe3C機(jī)械混合物，用“P”來(lái)表示。 特點(diǎn)：硬度高，很脆，塑性幾乎等于零，在鋼中起強(qiáng)化作用。特點(diǎn)：高硬度、塑性差、脆性很大，是白口鐵的基本組織。 1148 時(shí)，析出A與Fe3C的機(jī)械混合物，即共晶反應(yīng)的產(chǎn)物。稱為高溫萊氏體，用“Ld ”表示。當(dāng)冷卻到727時(shí)由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體，用符號(hào)Ld 表示。 組織如圖2-17所示。 機(jī)械工程材料三、鐵碳合金相圖分析 機(jī)械工程材料圖2-1

10、6 珠光體顯微組織示意圖 圖2-17 萊氏體顯微組織示意圖 在極緩慢加熱（或冷卻）條件下，鐵碳合金成分、溫度與組織或狀態(tài)之間關(guān)系的圖形，相圖的組元為Fe和Fe3C由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分軸從06.69%，如圖2-18所示為簡(jiǎn)化后的Fe-Fe3C相圖。 機(jī)械工程材料圖2-18 簡(jiǎn)化后的Fe-Fe3C相圖工業(yè)純鐵 碳鋼 白口鑄鐵亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵 機(jī)械工程材料1、特性線（1）ACD線 液相線（2）AECF線固相線（其中AE線是碳鋼固線）（3）ECF線共晶轉(zhuǎn)變線 LLd（4）GS線（又稱A3線）（5）ES線（又稱Acm線）（6）

11、PSK線共析轉(zhuǎn)變線 （又稱A1線） 根據(jù)合金在相圖中的位置可分為亞共析、共析和過(guò)共析鋼。2、典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析 鐵碳相圖鋼部分典型合金冷卻曲線，如圖2-19所示。（1）共析鋼冷卻結(jié)晶過(guò)程，如圖2-20所示。 機(jī)械工程材料 LLAP1點(diǎn)以上 12點(diǎn) 23點(diǎn) 3點(diǎn)以下 圖2-20 共析鋼冷卻結(jié)晶過(guò)程中組織變化示意圖LL+AAF+AFPSAGQ圖2-19 Fe-Fe3C相圖鋼部分典型合金冷卻曲線T/ 0t1234 4123 31234 4時(shí)間0 0.4 0.77 1.2 2.11 機(jī)械工程材料 （2）亞共析鋼冷卻曲線，如圖2-21所示。LAF A F P1點(diǎn)以上 1 2點(diǎn) 2 3點(diǎn) 3 4點(diǎn) 4點(diǎn)以下 圖2-21 亞共析鋼冷卻結(jié)晶過(guò)程中組織變化 （3）過(guò)共析鋼冷卻曲線，如圖2-22所示。LAP A Fe3CIIP Fe3CII1點(diǎn)以上 12點(diǎn) 23點(diǎn) 34點(diǎn) 44點(diǎn) 4點(diǎn)以下 圖 2-22 過(guò)共析鋼冷卻結(jié)晶過(guò)程中組織變化A Fe3CII四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用圖2-23 含碳量對(duì)鐵碳合金室溫組織的影響 1、含碳量對(duì)平衡組織的影響 鐵碳合金在室溫的組織都是由F和Fe3C兩相組成，隨著含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，F(xiàn)的量逐漸減小，而Fe3C的量逐漸增加，并且由于形成條件不同，鐵碳合金的組織將按Fe3C的形態(tài)和分布有所變化，如圖2-23 所示。 機(jī)械工程材