工程材料的組織結構培訓課件

教學課題：

第2章工程材料的組織結構

1.純金屬的晶體結構與結晶■常見金屬晶體結構■實際金屬晶體結構■純金屬的結晶2.合金的晶體結構與結晶■合金的相結構■合金相圖的建立■鐵碳合金相圖本章重點內容學習目的

通過本章的學習，了解常用材料的組織結構，理解和掌握鐵碳合金相圖的內容與應用。1.金屬的結晶條件、規(guī)律及控制2.鐵碳合金的基本組織3.鐵碳合金相圖的內容、意義與應用2.1.1金屬的晶體結構

晶體材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、氯化鈉、金屬等。非晶體材料的原子（離子、分子）在三維空間無規(guī)則排列的物體。如松香、玻璃等。2.1.1金屬的晶體結構

晶體結構晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。晶格假設通過原子（離子）結點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶胞能反映晶格特征的最小組成單元。晶格常數(shù)晶胞的三個棱邊的長度a,b,c及三條棱邊夾角α,β,γ。一、常見金屬晶體結構體心立方晶格常見的BCC金屬有：鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鉻、鈮、α-Fe等。晶胞原子數(shù)—是指在一個晶胞中所含的原子數(shù)目。為1/8×8+1=2個；原子半徑—BCC為：r=√3/4a；致密度—BCC為4/3πr3×2=0.68；配位數(shù)—是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。BCC為8個；空隙半徑—BCC有兩種空隙半徑，四面體空隙半徑0.29r，八面體空隙半徑0.15r。一、常見金屬晶體結構面心立方晶格常見的面心立方晶格金屬有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。晶胞原子數(shù)—FCC為4個。原子半徑—FCC為√2/4a；致密度—FCC為74％；配位數(shù)—12個；空隙半徑—四面體空隙半徑0.225r；八面體空隙半徑0.414r。一、常見金屬晶體結構密排六方晶格常見的密排六方晶格金屬有：鎂、鎘（Cd）、鋅、鈹（Be）等。晶胞原子數(shù)—HCP為6個。原子半徑—HCP為1/2a；致密度—HCP為74％；配位數(shù)—12個；空隙半徑—四面體空隙半徑0.225r，八面體空隙半徑0.414r。二、實際金屬晶體結構多晶體結構二、實際金屬晶體結構實際金屬晶體中的缺陷①空位②間隙原子①刃型位錯1.點缺陷三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。①空位；②間隙原子2.線缺陷二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。①刃型位錯；②螺型位錯3.面缺陷二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。

①晶界；②亞晶界二、實際金屬晶體結構實際金屬晶體中的缺陷對材料性能的影響1.點缺陷造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強度增加,密度發(fā)生變化。2.線缺陷形成位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，金屬強度很高，位錯密度越大，金屬強度也會提高。3.面缺陷晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，金屬塑變的能力越大，塑性越好。2.1.2純純金屬的的結晶凝固液態(tài)L→→固態(tài)SS可以以是非晶晶體。結晶一種原子子排列狀狀態(tài)過渡渡為另一一種原子子規(guī)則則排列狀狀態(tài)(晶晶態(tài))的的轉變過過程。一一次結晶晶：L→→S晶態(tài)態(tài)二二次結結晶：S→S晶晶態(tài)一、純金金屬冷卻卻曲線分分析過冷：純純金屬實實際結晶晶溫度總總是低于于理論結結晶溫度度，為什什么？冷卻速度度越快，，過冷度度越大。。冷卻曲線線上出現(xiàn)現(xiàn)平臺，，為什么么？出現(xiàn)“平平臺”是是由于純純金屬結結晶時會會放出““結晶潛潛熱”，，抵消外外界對它它的冷卻卻作用。。當結晶晶結束后后，沒有有“結晶晶潛熱””放出，，純金屬屬將會以以原來的的冷卻速速度繼續(xù)續(xù)冷卻下下來。只有當液液體的過過冷度達達到一定定的大小小，結晶晶過程才才能開始始進行——過冷是金金屬結晶晶的必要要條件。。過冷度ΔΔT=T0－T1二、純金金屬結晶晶過程形核①自發(fā)形核②非自發(fā)形核長大①平面長大②樹枝狀長大三、晶粒粒尺寸的的控制晶粒大小小如何衡衡量？為什么要要對晶粒粒尺寸進進行控制制？影響晶粒粒尺寸的的因素有有哪些？？如何控制制晶粒的的尺寸？？三、晶粒粒尺寸的的控制晶粒度單位面積積上的晶晶粒數(shù)目目或晶粒粒的平均均線長度度(或直直徑)。。晶粒大小小對材料料性能的的影響（（細晶強強化）晶粒越細細，金屬屬的強度度、硬度度越高，，塑性、、韌性越越好。影響晶粒粒度的因因素過冷度ΔΔT提高高，N提提高、G提高過過冷冷ΔT太太高，N降低、、G降低低三、晶粒粒尺寸的的控制晶粒大小小的控制制②變質處處理在液態(tài)金金屬中加加入孕育育劑或變變質劑作作為非自自發(fā)晶核核的核心心，以細細化晶粒粒和改善善組織。。①提高過過冷度③附加振動動、攪拌拌等。2.2.1合合金的相相結構基本概念念合金的相相結構相圖的建建立一、基本本概念合金由兩種或或兩種以以上的金金屬元素素或金屬屬元素和和非金屬屬元素組組成的具具有金屬特性性的物質。。普普通黃銅銅：Cu+Zn45鋼:鐵鐵碳合金金合金除具具備純金金屬的基基本特性性外，還還可以擁擁有純金金屬所不不能達到到的一系系列機械械特性與與理化特特性,如如高強度度、高硬硬度、高高耐磨性性、強強磁性、、耐蝕性性等。一、基本本概念組元組成合金金的獨立立的，最最基本的的單元。。合金系：：若干給定定組元，，以不同同配比，，配制出出的一系系列不同同成分、、不同性性能的合合金組元可以以是金屬屬、非金金屬或穩(wěn)穩(wěn)定化合合物。一、基本本概念相在物質中中，凡是是成分相相同，結結構相同同并與其其他部分分以界面面分開的的均勻組組成部分分，稱為為相。在固態(tài)下下，物質質可以是是單相的的，也可可以是多多相的。。鐵在同素異異構轉變過過程中，會會出現(xiàn)相的的變化。純鐵是單相相的，而鋼鋼一般是雙雙相或是多多相的。固態(tài)白銅(銅與鎳二二元合金)是單相的的。合金中有兩兩類基本相相：固溶體體和金屬化化合物。一、基本概概念組織組織是指用用肉眼或顯顯微鏡等所所觀察到的的材料的微微觀形貌。。合金的組織織是由數(shù)量量、大小、、形狀和分分布方式不不同的各種種相所組成成的。不同組織具具有不同的的性能。由不同組織織構成的材材料具有不不同的性能能。同一種鋼經(jīng)經(jīng)過不同的的熱處理可可以獲得不不同的組織織，從而獲獲得不同的的性能。45鋼經(jīng)過過不同的熱熱處理可以以獲得珠光光體、索氏氏體、屈氏氏體、貝氏氏體、馬氏氏體等組織織。并獲得得不同的性性能。二、合金的的相結構固溶體在一種金屬屬元素的晶晶格中，溶溶入另一種種或多種元元素所形成成的相；在在固溶體中中保持其原原晶體結構構的組元（（元素）——溶劑，其其余的元素素（組元））—溶質。。按照溶質原原子在溶劑劑晶格中的的位置不同同，可將固固溶體分兩兩類：置換換固溶體和和間隙固溶溶體。二、合金的的相結構固溶體在一種金屬屬元素的晶晶格中，溶溶入另一種種或多種元元素所形成成的相；在在固溶體中中保持其原原晶體結構構的組元（（元素）——溶劑，其其余的元素素（組元））—溶質。。按照溶質原原子在溶劑劑晶格中的的位置不同同，可將固固溶體分兩兩類：置換換固溶體和和間隙固溶溶體。固溶體的性性能固溶體與純純金屬相比比強度、硬硬度升高。。固溶體的的強度和塑塑性、韌性性之間有較較好的配合合，所以，，其綜合性性能較好，，常作為結結構合金的的基體相。。這種通過形形成固溶體體使金屬強強度和硬度度提高的現(xiàn)現(xiàn)象稱為固溶強化。它是強化金金屬材料的的重要途徑徑之一。固溶強化的的原因：由于溶質原原子的溶入入，使固溶溶體的晶格格發(fā)生畸變變，晶格畸畸變增大位位錯運動的的阻力，使使金屬滑移移變形變得得更加困難難，變形抗抗力增大，，從而提高高合金的強強度和硬度度。二、合金的的相結構金屬化合物物它是合金組組元相互作作用形成的的晶格類型型和特性完完全不同于于任一組元元的新相。。金屬化合物物的性能金屬化合物物一般具有有復雜的晶晶格結構，，熔點高，，硬而脆。。當合金中中出現(xiàn)金屬屬間化合物物時，通常常能提高合合金的強度度、硬度和和耐磨性，，但會降低低塑性和韌韌性。金屬屬間化合物物是各類合合金鋼、硬硬質合金及及許多有色色金屬的重重要組成相相。當金屬化合合物呈細小小顆粒均勻勻分布在固固溶體基體體上時，將將顯著提高高合金的強強度、硬度度和耐磨性性(此現(xiàn)象象稱為彌散強化)。二、合金的的相結構機械混合物物工業(yè)合金中中其組織僅僅由化合物物單相組成成的情況是是不存在的的。因為化化合物固然然有很高的的硬度，但但脆性太大大，無法應應用。固溶溶體組成的的合金，往往往由于強強度、硬度度等不夠高高，使用受受到一定限限制。絕大大多數(shù)的工工業(yè)合金，，其組織均均為固溶體體與少量化化合物(一一種或幾種種)所構成成的機械混混合物。合合金的性能能取決于其其形態(tài)、大大小、數(shù)量量、種類等等。三、合金相相圖的建立立熱分析法建建立相圖以Cu—Ni合金相相圖測定為為例，說明明熱分析法法的應用及及步驟：①①配制不不同成分的的合金試樣樣，如Ⅰ純純銅；Ⅱ75%Cu+25%Ni；ⅢⅢ50%Cu+50%Ni；；Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ純Ni。②②測定各組組試樣合金金的冷卻曲曲線并確定定其相變臨臨界點；③③將各臨臨界點繪在在溫度—合合金成分坐坐標圖上；；

④將圖圖中具有相相同含義的的臨界點連連接起來，，即得到Cu、Ni合金相圖圖。相圖相圖是表示示在平衡狀狀態(tài)下合金金系中各種種合金狀態(tài)態(tài)、組織與與溫度、成成分之間關關系的一種種簡明示圖圖，也稱為為平衡圖或或狀態(tài)圖。。三、合金相相圖的建立立熱分析法建建立相圖及及分析2.2.2鐵碳合合金相圖純鐵的同素素異構轉變變鐵碳合金的的基本相與與組織鐵碳相圖的的分析與應應用一、純鐵的的同素異構構轉變金屬的同同素異構構轉變金屬在固固態(tài)下隨隨溫度的的變化，，由一種種晶格變變?yōu)榱硪灰环N晶格格的現(xiàn)象象，稱為為金屬的的同素異異構轉變變（同素素異晶轉轉變）。。由同素素異構轉轉變所得得到的不不同晶格格的晶體體，稱為為同素異異構體。。純鐵的同同素異構構轉變α-Feγ-Feδ-Fe912℃

1394℃

二、鐵碳碳合金的的基本相相與組織織鐵素體F鐵素體是是碳溶解解于α-Fe中中形成的的間隙固固溶體，呈體心心立方結結構，用用“F””表示。。碳在αα-Fe中的溶溶解度度度很小，，最大溶溶解度在在727℃時為為0.0218%，室室溫時為為0.0008%。由于鐵素素體的含含碳量低低，所以以鐵素體體具有良良好的塑塑性和韌韌性，強強度和硬硬度較低低，性能能與純鐵鐵相近。。奧氏體A奧氏體是是碳在γγ-Fe中形成成的間隙隙固溶體體，呈面心心立方結結構，用用“A””表示。。碳在γγ-Fe中的溶溶解度較較大，727℃℃時為0.77%，1148℃達到到最大溶溶碳量2.11%。奧氏體的的強度、、硬度不不高，且且具有良良好的塑塑性。因因此，生生產(chǎn)中常常將工件件加熱到到奧氏體體狀態(tài)進進行鍛造造。滲碳體Fe3C滲碳體是是鐵和碳碳組成的的金屬化化合物，，含碳量量為6.69%，分子子式Fe3C，熔點點為1227℃℃，滲碳體硬硬度很高高，塑性性很差，，伸長率率和沖擊擊韌度幾幾乎為零零，是一一個硬而而脆的組組織，是是鋼鐵中中的強化化相。二、鐵碳碳合金的的基本相相與組織織珠光體P珠光體是是鐵素體體和滲碳碳體的混混合物，，含碳量量0.77%，，用“P”表示示。珠光體強強度較高高，硬度度適中，，具有一一定的塑塑性。高溫萊氏氏體Ld高溫萊氏氏體是由由奧氏體體和滲碳碳體組成成的機械械混合物物，用Ld或（（A+Fe3C）表示示。由于于奧氏體體屬高溫溫組織，，因此高高溫萊氏氏體僅存存在于727℃℃以上。。低溫萊氏氏體Ld’高溫萊氏氏體冷卻卻到727℃以以下，將將轉變?yōu)闉橹楣怏w體和滲碳碳體的機機械混合合物（P+Fe3C）），稱低低溫萊氏氏體，用用Ld’’表示。。萊氏氏體體含含碳碳量量為為4.3％％。。由由于于萊萊氏氏體體含含有有的的滲滲碳碳體體較較多多，，故故性性能能與與滲滲碳碳體體相相近近，，即即極極為為硬硬脆脆。。三、、鐵鐵碳碳合合金金相相圖圖分分析析及及應應用用1.特特性性點點符號溫度,℃碳質量分數(shù)ω(C)%含義A15380純鐵的熔點C11484.30

共晶點Lc

→

AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120

α-Fe→

γ-Fe同素異構轉變點K7276.69Fe3C的成分P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(A1)AS→FP+Fe3CQ6000.0057600℃時碳在α-Fe中的溶解度2.特特性性線線特征線含義ACD液相線AECF固相線GS(又稱A3)鐵素體完全溶于奧氏體中（或開始從奧氏體中析出）的溫度；奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線ES(又稱Acm)二次滲碳體完全溶于奧氏體中（或開始從奧氏體中析出）的溫度；碳在奧氏體中的溶解度曲線ECF共晶轉變線GP奧氏體轉變?yōu)殍F素體的終了線PQ碳在鐵素體中的溶解度線PSK(又稱A1)共析轉變線3.鐵鐵碳碳合合金金的的分分類類鋼亞共析鋼0.0218%<Wc<0.77%共析鋼0.77%過共析鋼0.77%<Wc<=2.11%鑄鐵亞共晶白口鑄鐵2.11%<Wc<4.3%共晶白口鑄鐵4.3%過共晶白口鑄鐵4.3%<Wc<6.69%工業(yè)業(yè)純純鐵鐵Wc<=0.0218%4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金I：：共共析析鋼鋼L——>L’’+A——>A——>P(F+Fe3C)室溫溫時時組組織織組組成成物物P，，含含量量100%。。相相組組成成物物：：F+Fe3C4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金II：亞亞共共析析鋼鋼L——>L’’+A——>A——>A’’+F——>P(F+Fe3C)+F所以以含含碳碳0.40%的的亞亞共共析析鋼鋼的的室室溫溫組組織織為為：：F+P；；相相組組成成物物：：F+Fe3C4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金III：過過共共析析鋼鋼L——>L’’+A——>A——>A’’+Fe3CⅡⅡ——>P(F+Fe3C)+Fe3CⅡⅡ室溫溫組組織織為為二二次次滲滲碳碳體體和和珠珠光光體體。。相組組成成物物：：F+Fe3C4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金IV：共共晶晶白白口口鑄鑄鐵鐵L——>Ld(A+Fe3C)——>Ld(A’’+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)——>Ld’’(P+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)室溫溫組組織織：：Ld’’。。相相組組成成物物：：F+Fe3C4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金V：亞亞共共晶晶白白口口鑄鑄鐵鐵L——>L’’+A——>Ld(A+Fe3C)+A——>Ld(A’’+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)+A’’+Fe3CⅡⅡ——>Ld’’(P+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)+P+Fe3CⅡⅡ亞共共晶晶白白口口鐵鐵的的室室溫溫組組織織：：珠珠光光體體、、二二次次滲滲碳碳體體和和萊萊氏氏體體（（二二次次滲滲碳碳體體依依附附在在共共晶晶滲滲碳碳體體上上很很難難分分辨辨））。。相組組成成物物：：F+Fe3C4.典典型型合合金金結結晶晶過過程程分分析析合金金VI：過過共共晶晶白白口口鑄鑄鐵鐵L——>L’’+Fe3CI——>Ld(A+Fe3C)+Fe3CI——>Ld(A’’+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)+Fe3CI——>Ld’’(P+Fe3CⅡⅡ+Fe3C)+Fe3CI室溫溫組組織織為為一一次次滲滲碳碳體體和和萊萊氏氏體體。。相組組成成物物：：F+Fe3C對組組織織的的影影響響5.碳碳質質量量分分數(shù)數(shù)對對組組織織和和性性能能的的影影響響對性性能能的的影影響響5.碳碳質質量量分分數(shù)數(shù)對對組組織織和和性性能能的的影影響響wc<0.9%時，，隨著著碳的的質量量分數(shù)數(shù)增加加，鋼鋼的強強度和和硬度度直線線上升升，而而塑性性和韌韌性不不斷下下降。。這是是由于于隨碳碳的質質量分分數(shù)的的增加加，鋼鋼中滲滲碳體體量增增多，，鐵素素體量量減少少所造造成的的;當當鋼的的wc>0.9%以以后，，二次次滲碳碳體沿沿晶界界形成成較完完整的的網(wǎng)，，鋼的的強度度開始始明顯顯下降降，硬硬度仍仍在增增高，，塑性性和韌韌性繼繼續(xù)降降低。。鋼中中碳的的質量量分數(shù)數(shù)一般般不超超過1.3%。。wc>2.11%的的白口口鑄鐵鐵，硬硬度高高，塑塑性和和韌性性極差差，既既難以以切削削加工工，又又不能能用鍛鍛壓方方法加加工，，故機機械工工程上上很少少直接接應用用。6.鐵鐵碳合合金相相圖的的應用用在選材材方面面的應應用要求塑塑性、、韌性性好的的各種種型材材和建建筑用用鋼，，應選選用碳碳的質質量分分數(shù)低低的鋼鋼;承承受沖沖擊載載荷，，并要要求較較高強強度、、塑性性和韌韌性的的機械械零件件，應應選用用碳的的質量量分數(shù)數(shù)為0.25%～0.55%的鋼鋼;要要求硬硬度高高、耐耐磨性性好的的各種種工具具，應應選用用碳的的質量量分數(shù)數(shù)大于于0.55%的的鋼;形狀狀復雜