材料組織課件

第2章工程材料的組織結(jié)構(gòu)2.12.22.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第2章工程材料的組織結(jié)構(gòu)2.12.22.3純金屬的晶1學(xué)習(xí)目的:

通過本章的學(xué)習(xí)，了解常用材料的組織結(jié)構(gòu)，理解和掌握鐵碳合金相圖的內(nèi)容與應(yīng)用。本章重點(diǎn)內(nèi)容:1.金屬的結(jié)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(nèi)容與意義與應(yīng)用學(xué)習(xí)目的:本章重點(diǎn)內(nèi)容:1.金屬的結(jié)晶條件、規(guī)律及控制22.1.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體：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、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、石蠟、玻璃等。晶體結(jié)構(gòu)—晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式。

晶格—假設(shè)通過原子結(jié)點(diǎn)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。第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.基本概念2.112.1.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體：材料的原子(離32常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)

（1）體心立方晶格有：鉬(Mo)、鎢、釩、鉻、鈮、α-Fe等。（2）面心立方晶格（3）密排六方晶胞有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。有：鎂、鎘(Cd)、鋅、鈹(Be)等。2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第2章22常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格有：鉬(Mo)、42.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶界位向各向同性2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)3第2章2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶界位向各向同52.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.實(shí)際金屬中的晶體缺陷(1)點(diǎn)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①空位②間隙原子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①刃型位錯(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

晶界4第2章2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.實(shí)際金屬中的晶體缺陷(1)6※金屬晶體缺陷的影響？

點(diǎn)缺陷--造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強(qiáng)度增加,密度發(fā)生變化。

線缺陷--形成位錯對金屬的機(jī)械性能影響很大，位錯極少時，金屬強(qiáng)度很高，位錯密度越大，金屬強(qiáng)度也會提高。

面缺陷--晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強(qiáng)度越高。金屬塑性變形的能力越大，塑性越好。2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第2章5※金屬晶體缺陷的影響？點(diǎn)缺陷--造成局部晶格畸變,使金72.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章6液態(tài)L→固態(tài)S

S可以是非晶體。一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程。一L→S晶態(tài)S→S晶態(tài)（1）冷卻曲線與過冷度液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度——時間曲線一次結(jié)晶二次結(jié)晶凝固結(jié)晶2.1.3純金屬的結(jié)晶1.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律2.1.3純金屬的結(jié)晶8過冷度——理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差。

ΔT=

T0－T1

冷卻速度越快，過冷度越大過冷—液態(tài)金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章7只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，結(jié)晶過程才能開始進(jìn)行—過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。過冷度——理論結(jié)晶溫度ΔT=T0－T1冷卻速度越快，9(2)結(jié)晶的一般過程2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章8(2)結(jié)晶的一般過程2.1.3純金屬的結(jié)晶10①形核——自發(fā)形核非自發(fā)形核②長大樹枝狀長大結(jié)晶過程2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章9平面長大①形核——自發(fā)形核②長大樹枝狀長大112.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章10(1)晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度(或直徑)。(3)過冷度對形核一長大的影響過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷ΔT太高，N降低、G降低(2)晶粒大小對力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好1.金屬結(jié)晶后的晶粒大小2.1.3純金屬的結(jié)晶122.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章11(4)晶粒大小的控制①提高過冷度②變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。③振動、攪拌等2.1.3純金屬的結(jié)晶13

2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶12合金的相結(jié)構(gòu)2.22.2.11.基本概念合金

組元合金系相組織第2章2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶14(1)合金

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

普通黃銅：Cu+Zn

45鋼:

鐵碳合金

2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章13合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。(1)合金2.2.1合金15(2)組元

組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。組成合金的獨(dú)立的，最基本的單元2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章14(3)合金系

若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金(2)組元組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)16(4)相在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會出現(xiàn)相的變化。純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。固態(tài)白銅(銅與鎳二元合金)是單相的。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章15(4)相在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。17(5)組織合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章16(5)組織合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種18(1)固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。固溶體溶劑+溶質(zhì)一種固相能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)17第2章2.合金的相結(jié)構(gòu)(1)固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一19①固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。溶解度：指溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章18①固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶20間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。間隙固溶體置換固溶體2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章19

溶質(zhì)與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達(dá)100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。置換21間隙

固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0．59方可。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變越大。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章20間隙

固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0．59方可。直22置換固溶體無限固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體。兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑和電化學(xué)特性接近，則容易形成置換固溶體。無限固溶體形成條件兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對差(rA—rB)\rA小于8%左右時。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章21置換固溶體無限固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限23第2章22碳在α－Fe中的間隙固溶體第2章22碳在α－Fe中的間隙固溶體24銅

和

金

形

成

的

置

換

固

溶

體第2章23銅

和

金

形

成

的

置

換

固

溶

體第2章2325②固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章24②固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成26固溶強(qiáng)化的原因

由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章25固溶強(qiáng)化的原因由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體27(2)金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。根據(jù)合金中金屬化合物相結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和特點(diǎn)，可大致劃分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章26(2)金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格28a第2章27a第2章2729當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性(此現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化)。因此，金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質(zhì)合金及有色金屬的重要組成相及強(qiáng)化相。而性能除固溶強(qiáng)化影響外，還取決于金屬化合物的種類和數(shù)量。彌散強(qiáng)化2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章28當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時30機(jī)械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因?yàn)榛衔锕倘挥泻芨叩挠捕?，但脆性太大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強(qiáng)度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構(gòu)成的機(jī)械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章29機(jī)械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的312.2.2合金的結(jié)晶

第2章30合金相圖

相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金系中各種合金狀態(tài)、組織與溫度、成分之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。合金的結(jié)晶2.2.2合金的結(jié)晶2.2.2合金的結(jié)晶321.鐵碳合金相圖的表示方法2.2.2合金的結(jié)晶

第2章31橫坐標(biāo)表示合金成分即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)縱坐標(biāo)表示溫度2.鐵碳合金相圖的建立

3.Fe-Fe3C相圖的意義

（1）純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

1.鐵碳合金相圖的表示方法2.2.2合金的結(jié)晶332.2.2合金的結(jié)晶

第2章322.2.2合金的結(jié)晶342.2.2合金的結(jié)晶

第2章33(2)鐵碳合金的基本相①鐵素體(F)—

②奧氏體

(A)—③滲碳體(Fe3C)—室溫時的性能與純鐵相似，強(qiáng)度、硬度低，塑性和韌性好。

具有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好。

硬度很高（約1000HV），塑性、韌性幾乎為零，極脆。

鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）組成的珠光體(P)、奧氏體與滲碳體（A+Fe3C）組成的高溫萊氏體(Ld)珠光體與滲碳體（P+Fe3C）組成的低溫萊氏體(Ld)三種復(fù)相組織碳溶于α-Fe中的間隙固溶體碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體鐵與碳形成的金屬化合物2.2.2合金的結(jié)晶352.2.2合金的結(jié)晶

第2章34(3)相圖中的特性點(diǎn)、線的意義、相區(qū)相的組成及各區(qū)域的組織特性點(diǎn)A、C、D、E、G、P、S、Q特性線ACD

AECFECF

PSK

GSGP

ESPQ

相區(qū)相的組成L、A、F、L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C在恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種一定成分固相的轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變:共析轉(zhuǎn)變:在恒溫下，由一定成分的固相同時析出兩種一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。

2.2.2合金的結(jié)晶36各區(qū)域的組織2.2.2合金的結(jié)晶

第2章35各區(qū)域的組織2.2.2合金的結(jié)晶372.2.2合金的結(jié)晶

第2章362.2.2合金的結(jié)晶382.2.2合金的結(jié)晶

第2章372.2.2合金的結(jié)晶392.2.2合金的結(jié)晶

第2章38(4)典型合金的冷卻過程及其組織①鐵碳合金的分類

●工業(yè)純鐵

wc≤0.0218%，室溫組織：鐵素體和三次滲碳體；

●非合金鋼0.0218%<wc≤2.11%，根據(jù)室溫組織不同，又可以分為：亞共析鋼0.0218%<wc<0.77%，室溫組織：鐵素體和珠光體；共析鋼wc=0.77%，室溫組織：珠光體；過共析鋼0.77%<wc≤2.11%，室溫組織：珠光體和二次滲碳體。

●白口鑄鐵2.11%<wc<6.69%，根據(jù)室溫組織不同，又可以分為：亞共晶白口鑄鐵2.11%<wc<4.3%，室溫組織：珠光體、低溫萊氏體和二次滲碳體；共晶白口鑄鐵wc=4.3%，室溫組織：低溫萊氏體；過共晶白口鑄鐵：4.3%<wc<6.69%，室溫組織：滲碳體和低溫萊氏體

2.2.2合金的結(jié)晶402.2.2合金的結(jié)晶

第2章39②典型合金的冷卻過程分析共析鋼的冷卻過程分析過wc=0.77%的點(diǎn)作一條垂直于橫軸的垂線(合金線)Ⅰ，與相圖分別交于1、2、3(S0點(diǎn)溫度，以這三點(diǎn)溫度為界，分析其冷卻過程。

1點(diǎn)以上:液相(L);

1點(diǎn)：從液相中結(jié)晶出奧氏體(A);

2點(diǎn):奧氏體;

2～3點(diǎn)(即S點(diǎn)):奧氏體。

3點(diǎn)(727℃):共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體,稱為珠光體，其共析轉(zhuǎn)變式為:2.2.2合金的結(jié)晶41力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，即強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定塑性

性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。

2.2.2合金的結(jié)晶

第2章40珠光體萊氏體(5)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵碳合金平衡組織和力學(xué)性能的影響①對鐵碳合金平衡組織的影響

F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld'→Ld'→Ld'+Fe3CⅠ②對鐵碳合金力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，即強(qiáng)度性能與滲碳體相似，硬度424.鐵碳合金相圖的應(yīng)用2.2.2合金的結(jié)晶

41第2章(1)在選材方面的應(yīng)用

要求塑性、韌性好的各種型材和建筑用鋼，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋼；承受沖擊載荷，并要求較高強(qiáng)度、塑性和韌性的機(jī)械零件，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.55%的鋼；要求硬度高、耐磨性好的各種工具，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.55%的鋼；形狀復(fù)雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件（如冷軋輥、拉絲模、犁鏵等），應(yīng)選用白口鑄鐵。(2)在鑄造方面的應(yīng)用

純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙結(jié)晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。4.鐵碳合金相圖的應(yīng)用2.2.2合金的結(jié)晶43(3)在鍛造和焊接方面的應(yīng)用

(4)在熱處理方面的應(yīng)用

2.2.2合金的結(jié)晶

第2章42

合金為單相組織時變形抗力小，變形均勻，不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時更是如此，因?yàn)樗麄兌己艽?。單相奧氏體狀態(tài)時，可獲得良好的塑性，易于鍛造成形。白口鑄鐵無論是在低溫還是高溫，組織中均有大量硬而脆的滲碳體，故不能鍛造碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鐵碳合金的焊接性越差。確定各種熱處理工藝的加熱溫度存在同素異晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、固溶度變化的合金才能進(jìn)行熱處理。(3)在鍛造和焊接方面的應(yīng)用(4)在熱處理方面的應(yīng)用2.442.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介

第2章432.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介2.3單體（CH2=CH2）

鏈節(jié)-CH2-CH2-聚合度n高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料高分子化合物是分子量很大的化合物,是由一種或幾種簡單的低分子化合物以共價鍵形式重復(fù)連接而成1.大分子鏈結(jié)構(gòu)

（1）線型結(jié)構(gòu)nCH2=CH2［-CH2-CH2-］n2.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介452.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介

第2章44(2)體型結(jié)構(gòu)

線型結(jié)構(gòu)聚合物具有良好的彈性和塑性，加工成形時，大分子鏈能夠蜷曲收縮、伸直，易于加工，并可反復(fù)使用，在一定溶劑中可溶脹、溶解，加熱時則軟化并熔化。屬于這類結(jié)構(gòu)的高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、未硫化的橡膠及合成纖維等(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖c)

脆性大，彈性和塑性差，但具有較好的耐熱性、難溶性、尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，加工時只能一次成形(即在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成之前進(jìn)行)熱固性塑料、硫化橡膠等是屬于這種類型結(jié)構(gòu)的高分子材料。

2.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介462.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介

第2章452.高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和無定型(非晶態(tài))

2.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介472.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介

第2章462.3.2陶瓷的組織結(jié)構(gòu)1.晶體相

陶瓷的主要組成，一般數(shù)量較大，其結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)和分布，決定陶瓷的主要性能和應(yīng)用。2.玻璃相

將晶體相粘連起來，填充晶體相之間空隙，提高材料致密度；降低燒結(jié)溫度，加快燒結(jié)過程；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶體長大；獲得一定程度的玻璃特性，如透光性等3.氣相

降低了陶瓷的強(qiáng)度，常常是造成裂紋的根源，盡量使其比例降低。一般，普通陶瓷的氣孔率為5%～10%；特種陶瓷的氣孔率在5%以下；金屬陶瓷則要求低于0.5%。2.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介48第2章工程材料的組織結(jié)構(gòu)2.12.22.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第2章工程材料的組織結(jié)構(gòu)2.12.22.3純金屬的晶49學(xué)習(xí)目的:

通過本章的學(xué)習(xí)，了解常用材料的組織結(jié)構(gòu)，理解和掌握鐵碳合金相圖的內(nèi)容與應(yīng)用。本章重點(diǎn)內(nèi)容:1.金屬的結(jié)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(nèi)容與意義與應(yīng)用學(xué)習(xí)目的:本章重點(diǎn)內(nèi)容:1.金屬的結(jié)晶條件、規(guī)律及控制502.1.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體：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、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、石蠟、玻璃等。晶體結(jié)構(gòu)—晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式。

晶格—假設(shè)通過原子結(jié)點(diǎn)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。第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.基本概念2.112.1.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體：材料的原子(離512常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)

（1）體心立方晶格有：鉬(Mo)、鎢、釩、鉻、鈮、α-Fe等。（2）面心立方晶格（3）密排六方晶胞有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。有：鎂、鎘(Cd)、鋅、鈹(Be)等。2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第2章22常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格有：鉬(Mo)、522.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶界位向各向同性2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)3第2章2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶界位向各向同532.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.實(shí)際金屬中的晶體缺陷(1)點(diǎn)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①空位②間隙原子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①刃型位錯(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

晶界4第2章2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.實(shí)際金屬中的晶體缺陷(1)54※金屬晶體缺陷的影響？

點(diǎn)缺陷--造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強(qiáng)度增加,密度發(fā)生變化。

線缺陷--形成位錯對金屬的機(jī)械性能影響很大，位錯極少時，金屬強(qiáng)度很高，位錯密度越大，金屬強(qiáng)度也會提高。

面缺陷--晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強(qiáng)度越高。金屬塑性變形的能力越大，塑性越好。2.1.2實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第2章5※金屬晶體缺陷的影響？點(diǎn)缺陷--造成局部晶格畸變,使金552.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章6液態(tài)L→固態(tài)S

S可以是非晶體。一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程。一L→S晶態(tài)S→S晶態(tài)（1）冷卻曲線與過冷度液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度——時間曲線一次結(jié)晶二次結(jié)晶凝固結(jié)晶2.1.3純金屬的結(jié)晶1.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律2.1.3純金屬的結(jié)晶56過冷度——理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差。

ΔT=

T0－T1

冷卻速度越快，過冷度越大過冷—液態(tài)金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章7只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，結(jié)晶過程才能開始進(jìn)行—過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。過冷度——理論結(jié)晶溫度ΔT=T0－T1冷卻速度越快，57(2)結(jié)晶的一般過程2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章8(2)結(jié)晶的一般過程2.1.3純金屬的結(jié)晶58①形核——自發(fā)形核非自發(fā)形核②長大樹枝狀長大結(jié)晶過程2.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章9平面長大①形核——自發(fā)形核②長大樹枝狀長大592.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章10(1)晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度(或直徑)。(3)過冷度對形核一長大的影響過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷ΔT太高，N降低、G降低(2)晶粒大小對力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好1.金屬結(jié)晶后的晶粒大小2.1.3純金屬的結(jié)晶602.1.3純金屬的結(jié)晶

第2章11(4)晶粒大小的控制①提高過冷度②變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。③振動、攪拌等2.1.3純金屬的結(jié)晶61

2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶12合金的相結(jié)構(gòu)2.22.2.11.基本概念合金

組元合金系相組織第2章2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶62(1)合金

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

普通黃銅：Cu+Zn

45鋼:

鐵碳合金

2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章13合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。(1)合金2.2.1合金63(2)組元

組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。組成合金的獨(dú)立的，最基本的單元2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章14(3)合金系

若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金(2)組元組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)64(4)相在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會出現(xiàn)相的變化。純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。固態(tài)白銅(銅與鎳二元合金)是單相的。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章15(4)相在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。65(5)組織合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章16(5)組織合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種66(1)固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。固溶體溶劑+溶質(zhì)一種固相能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)17第2章2.合金的相結(jié)構(gòu)(1)固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一67①固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。溶解度：指溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章18①固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶68間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。間隙固溶體置換固溶體2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章19

溶質(zhì)與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達(dá)100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。置換69間隙

固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0．59方可。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變越大。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章20間隙

固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0．59方可。直70置換固溶體無限固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體。兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑和電化學(xué)特性接近，則容易形成置換固溶體。無限固溶體形成條件兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對差(rA—rB)\rA小于8%左右時。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章21置換固溶體無限固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限71第2章22碳在α－Fe中的間隙固溶體第2章22碳在α－Fe中的間隙固溶體72銅

和

金

形

成

的

置

換

固

溶

體第2章23銅

和

金

形

成

的

置

換

固

溶

體第2章2373②固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章24②固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成74固溶強(qiáng)化的原因

由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章25固溶強(qiáng)化的原因由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體75(2)金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。根據(jù)合金中金屬化合物相結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和特點(diǎn)，可大致劃分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章26(2)金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格76a第2章27a第2章2777當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性(此現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化)。因此，金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質(zhì)合金及有色金屬的重要組成相及強(qiáng)化相。而性能除固溶強(qiáng)化影響外，還取決于金屬化合物的種類和數(shù)量。彌散強(qiáng)化2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章28當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時78機(jī)械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因?yàn)榛衔锕倘挥泻芨叩挠捕?，但脆性太大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強(qiáng)度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構(gòu)成的機(jī)械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。2.2.1合金的相結(jié)構(gòu)第2章29機(jī)械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的792.2.2合金的結(jié)晶

第2章30合金相圖

相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金系中各種合金狀態(tài)、組織與溫度、成分之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。合金的結(jié)晶2.2.2合金的結(jié)晶2.2.2合金的結(jié)晶801.鐵碳合金相圖的表示方法2.2.2合金的結(jié)晶

第2章31橫坐標(biāo)表示合金成分即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)縱坐標(biāo)表示溫度2.鐵碳合金相圖的建立

3.Fe-Fe3C相圖的意義

（1）純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

1.鐵碳合金相圖的表示方法2.2.2合金的結(jié)晶812.2.2合金的結(jié)晶

第2章322.2.2合金的結(jié)晶822.2.2合金的結(jié)晶

第2章33(2)鐵碳合金的基本相①鐵素體(F)—

②奧氏體

(A)—③滲碳體(Fe3C)—室溫時的性能與純鐵相似，強(qiáng)度、硬度低，塑性和韌性好。

具有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好。

硬度很高（約1000HV），塑性、韌性幾乎為零，極脆。

鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）組成的珠光體(P)、奧氏體與滲碳體（A+Fe3C）組成的高溫萊氏體(Ld)珠光體與滲碳體（P+Fe3C）組成的低溫萊氏體(Ld)三種復(fù)相組織碳溶于α-Fe中的間隙固溶體碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體鐵與碳形成的金屬化合物2.2.2合金的結(jié)晶832.2.2合金的結(jié)晶

第2章34(3)相圖中的特性點(diǎn)、線的意義、相區(qū)相的組成及各區(qū)域的組織特性點(diǎn)A、C、D、E、G、P、S、Q特性線ACD

AECFECF

PSK

GSGP

ESPQ

相區(qū)相的組成L、A、F、L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C在恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種一定成分固相的轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變:共析轉(zhuǎn)變:在恒溫下，由一定成分的固相同時析出兩種一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。

2.2.2合金的結(jié)晶84各區(qū)域的組織2.2.2合金的結(jié)晶

第2章35各區(qū)域的組織2.2.2合金的結(jié)晶852.2.2合金的結(jié)晶

第2章362.2.2合金的結(jié)晶862.2.2合金的結(jié)晶

第2章372.2.2合金的結(jié)晶872.2.2合金的結(jié)晶

第2章38(4)典型合金的冷卻過程及其組織①鐵碳合金的分類

●工業(yè)純鐵

wc≤0.0218%，室溫組織：鐵素體和三次滲碳體；

●非合金鋼0.0218%<wc≤2.11%，根據(jù)室溫組織不同，又可以分為：亞共析鋼0.0218%<wc<0.77%，室溫組織：鐵素體和珠光體；共析鋼wc=0.77%，室溫組織：珠光體；過共析鋼0.77%<wc≤2.11%，室溫組織：珠光體和二次滲碳體。

●白口鑄鐵2.11%<wc<6.69%，根據(jù)室溫組織不同，又可以分為：亞共晶白口鑄鐵2.11%<wc<4.3%，室溫組織：珠光體、低溫萊氏體和二次滲碳體；共晶白口鑄鐵wc=4.3%，室溫組織：低溫萊氏體；過共晶白口鑄鐵：4.3%<wc<6.69%，室溫組織：滲碳體和低溫萊氏體

2.2.2合金的結(jié)晶882.2.2合金的結(jié)晶

第2章39②典型合金的冷卻過程分析共析鋼的冷卻過程分析過wc=0.77%的點(diǎn)作一條垂直于橫軸的垂線(合金線)Ⅰ，與相圖分別交于1、2、3(S0點(diǎn)溫度，以這三點(diǎn)溫度為界，分析其冷卻過程。

1點(diǎn)以上:液相(L);

1點(diǎn)：從液相中結(jié)晶出奧氏體(A);

2點(diǎn):奧氏體;

2～3點(diǎn)(即S點(diǎn)):奧氏體。

3點(diǎn)(727℃):共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體,稱為珠光體，其共析轉(zhuǎn)變式為:2.2.2合金的結(jié)晶89力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，即強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定塑性

性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。

2.2.2合金的結(jié)晶

第2章40珠光體萊