演示文稿材料第二章

（優(yōu)選）材料第二章目前一頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)§2.1關(guān)于組織結(jié)構(gòu)的一般概述不同的金屬與合金具有不同的性能。例如純鋁很軟，而鋼卻很硬。產(chǎn)生這些性能差別的主要原因是由于材料內(nèi)部有不同的組織和結(jié)構(gòu)。研究金屬與合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及它們與成分、溫度、加工方法等因素的相互關(guān)系，對(duì)于掌握金屬與合金的性能及應(yīng)用是非常重要的。目前二頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)

一、關(guān)于材料中組織結(jié)構(gòu)的一般含義

從工程材料的角度看，材料的化學(xué)成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)和研究材料的理論基礎(chǔ)；而材料的性能是材料化學(xué)成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，是我們選擇材料的重要依據(jù)。同時(shí)，材料的使用性能又把材料的加工和服役條件相結(jié)合。因此，綜合考慮工程材料的各種行為，是材料科學(xué)和材料工程、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造共同追求的最終目標(biāo)。目前三頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)“結(jié)構(gòu)”指的是材料在某一特定條件下內(nèi)部組織在幾何學(xué)上的構(gòu)造或化學(xué)的分布。對(duì)工程材料的影響來說，小至原子量級(jí)，大至宏觀組織，結(jié)構(gòu)都起著重要的作用。1.原子結(jié)構(gòu)：原子通常認(rèn)為是物質(zhì)的基本組成粒子。2.分子結(jié)構(gòu)：一些小的原子團(tuán)在空間的排列所形成的不同結(jié)構(gòu)。3.晶體結(jié)構(gòu)：原子在空間呈規(guī)則而重復(fù)的排列。4.顯微組織：工程材料內(nèi)部組織的物理形象。是化學(xué)元素在固態(tài)下以各種不同形式結(jié)合而形成的。5.宏觀組織：與顯微組織相似，也是內(nèi)部組織的形貌，但一般不用顯微鏡而是借助放大鏡或肉眼來觀察與分析的組織形貌，屬于尺寸較大的組織結(jié)構(gòu)。目前四頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)二、材料中組織結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系

一定化學(xué)成分的工程材料，要改變?cè)雍藘?nèi)部的結(jié)構(gòu)一般是比較困維的，但固態(tài)下原子的電子構(gòu)型卻隨著外界條件的變化而明顯地在變化，特別是最外層的電子。這些電子及與這有關(guān)的電子結(jié)構(gòu)對(duì)材料的機(jī)械和物理性能有很大的影響。例如在固體中，相鄰原子外層電子之間相互作用可以使原子鍵合在一起。（P18）目前五頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)§2.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體學(xué)基本知識(shí)1.晶體與非晶體晶體：凡原子作有序、有規(guī)則排列的稱為晶體。絕大多數(shù)金屬和合金都屬于晶體。非晶體：原子是無(wú)規(guī)則堆積狀態(tài)。如：普通玻璃、松香、樹脂等。晶體有固定的熔點(diǎn)，且在不同方向上性能不同，即具有各向異性。非晶體無(wú)固定的熔點(diǎn)，各個(gè)方向上原子聚集密度大致相同，表現(xiàn)出各向同性。目前六頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2.晶格、晶胞、晶格常數(shù)（如圖2－1所示）目前七頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)二、金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶格有各種不同的形式，最常見的有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三種。目前八頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)1.體心立方晶格

（如圖2－2所示）晶格類型晶格特征具有相應(yīng)晶格

的金屬性能特點(diǎn)體心立方晶格晶胞為一個(gè)立方體，立方體的每一個(gè)頂點(diǎn)和中心各有一個(gè)原子，一個(gè)晶胞含2個(gè)原子，致密度為0.68鉻、鎢、釩、鉬以及在912oC以下存在的α－Fe等具有相當(dāng)高的強(qiáng)度目前九頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2.面心立方晶格（如圖2－3所示）晶格類型晶格特征具有相應(yīng)晶格的金屬性能特點(diǎn)面心立方晶格在晶胞的八個(gè)角上各有一個(gè)原子，構(gòu)成立方體。在立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子。一個(gè)晶胞有4個(gè)原子，致密度為0.74鋁、銅、鎳、以及912oC以上而低于1394oC的γ-Fe等具有很好的塑性

目前十頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)3.密排六方晶格

晶格類型晶格特征具有相應(yīng)晶格的金屬性能特點(diǎn)密排六方晶格在晶胞的十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，構(gòu)成六方柱體。上下底面中心各有一個(gè)原子。晶胞內(nèi)部還有三個(gè)原子。一個(gè)晶胞有6個(gè)原子，致密度為0.74

鈹、鋅、和α鈦

材料較脆

目前十一頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)3．金屬晶體的缺陷（1）單晶體與多晶體概念：金屬結(jié)晶后目前十二頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)（2）晶體中的缺陷：（晶體中原子完全為規(guī)則排列時(shí)，稱為理想晶體）目前十三頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)§2.3金屬的結(jié)晶與同素異晶轉(zhuǎn)變一、純金屬的結(jié)晶

目前十四頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)1.冷卻曲線與過冷度(如圖2－5所示)理論結(jié)晶溫度：曲線上出現(xiàn)的溫度水平線段對(duì)應(yīng)的溫度值。用to表示。過冷：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度低于其理論結(jié)晶溫度，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度to與實(shí)際結(jié)晶溫度t1之差Δt=t0–t1）稱為過冷度。過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越快，則過冷度越大。注：實(shí)際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.

目前十五頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2.

純金屬結(jié)晶過程（如圖2－6所示）解釋：

純金屬結(jié)晶時(shí)，首先在液態(tài)金屬中形成細(xì)小晶體稱晶核，它不斷吸附周圍原子而長(zhǎng)大。同時(shí)在液態(tài)金屬中又會(huì)產(chǎn)生新的晶核，直到全部液態(tài)金屬結(jié)晶完畢，最后形成許許多多外表不規(guī)則、大小不等的小晶體。因此，液態(tài)金屬的結(jié)晶過程包括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大。兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，目前十六頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)1.晶核的形成：當(dāng)液態(tài)金屬溫度下降到接近結(jié)晶溫度時(shí)，某些局部會(huì)有一些原子規(guī)則地排列起來，形成極細(xì)小的晶體，這些小晶體很不穩(wěn)定，遇到熱流和振動(dòng)就會(huì)立即消失，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏，當(dāng)?shù)陀诶碚摻Y(jié)晶溫度時(shí)，稍大一點(diǎn)的細(xì)小晶體，有了較好的穩(wěn)定性，就可能進(jìn)一步長(zhǎng)大成為結(jié)晶核心，稱為晶核。目前十七頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2.晶核的長(zhǎng)大：即液態(tài)金屬中的原子向晶核表面轉(zhuǎn)移的過程。一般來說由，由于形核時(shí)晶體中的頂角、棱邊散熱條件優(yōu)于其它部位而生長(zhǎng)得較快較大，在長(zhǎng)出一次晶軸后，又在一次晶軸上長(zhǎng)出二次晶軸，如此不斷長(zhǎng)出與分枝下去，直到液態(tài)金屬全部消失，最后形成一個(gè)象樹枝的晶體，簡(jiǎn)稱枝晶。目前十八頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)3.結(jié)晶的晶粒大小在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。1）金屬的晶粒越細(xì)，則晶界越多。由于晶界處的晶格排列位向極不一致，犬牙交錯(cuò)，相互咬合，從而加強(qiáng)了金屬的結(jié)合力，提高了金屬的力學(xué)性能。2）晶粒的粗細(xì)與晶核的數(shù)目和晶核長(zhǎng)大的速度有關(guān)。目前十九頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法有：

目前二十頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變（P21）＊固態(tài)金屬在一定溫度下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)的過程，稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。它是一種固態(tài)下的結(jié)晶，因此，結(jié)晶時(shí)有較大的過冷度、應(yīng)力與變形。（通常又將金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶）從工業(yè)純鐵冷卻曲線可以看出晶體結(jié)構(gòu)與溫度的變化差系：目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)§2．4合金的結(jié)晶與二元合金相圖一、合金的相結(jié)構(gòu)目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)按組成合金相的原子排列方式不同，可把合金相分成固溶體和金屬化合物兩大類。1.固溶體：是合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相。稱為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，固體溶劑可分為：間隙固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的間隙處。如圖2－9a所示置換固溶體：溶質(zhì)原子代替部分溶劑原子而占據(jù)了溶劑晶格的一些結(jié)點(diǎn)位置。（如圖2－9b所示）＊注：固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2金屬化合物：是合金各組元之間相互作用，按照一定的整數(shù)比化合生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。它通常具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，溶點(diǎn)較高，硬度高，脆性大的特點(diǎn)。常見的金屬化物有正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物三大類。前兩種是非鐵合金（有色金屬）中重要的強(qiáng)化相，而后者是鋼中重要強(qiáng)化相。目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)按間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，可將它劃分成為類：1)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，即當(dāng)溶質(zhì)原子半徑（r質(zhì)）與溶劑原子半徑（r劑）之比r質(zhì)/r劑≤0.059時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，又稱間隙相。2)具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，即當(dāng)溶質(zhì)原子半徑（r質(zhì)）與溶劑原子半徑（r劑）之比r質(zhì)/r劑≥0.059時(shí)，形成有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)3.合金的結(jié)構(gòu)：合金結(jié)構(gòu)是由金相組成，即可以是固溶體，也可以是金屬化合物，但絕大多數(shù)合金的結(jié)構(gòu)是固溶體與金屬化合物的復(fù)合組織。通過調(diào)整固溶體中溶質(zhì)含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布，以及調(diào)整固溶體與金屬化合物的比例，就可以改變其組織，從而改變合金的性能，以滿足機(jī)械工程的實(shí)際需要。目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)鐵碳合金相圖就是分析研究合金在平衡條件下合金的成分、溫度、合金相之間關(guān)系的圖解。它對(duì)于正確選擇和使用材料，制定合理的鑄造、鍛造、焊接及熱處理工藝具有指導(dǎo)性作用。一、鐵碳合金的基本組織與性能鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無(wú)限互溶；在固態(tài)時(shí)根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶液體，也可以與鐵形成化合物?！?.5鐵碳合金相圖目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)根據(jù)鐵與碳組元相互作用的不同，鐵碳合金的基本組織有：1）鐵素體（F）――碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體。2）奧氏體（A）――碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。3）滲碳體（Fe3C）――鐵與碳形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。4）珠光體（P）――由鐵素體（軟）和滲碳體（硬）復(fù)相組成的混合物。5）萊氏體（Ld或Ldˊ）――發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和碳化物（或滲碳體）所組成的共晶目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)1、相圖分析（1）Fe—Fe3C相圖中的特征點(diǎn)

目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)目前三十頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)（2）鐵碳合金相圖分析——相圖中的AC和CD線為液相線，AE和ECF線為固相線。相圖中有四個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)（L）、奧氏體區(qū)（A）、鐵素體區(qū)（F）、滲碳體區(qū)（Fe3c）。1）

ES線它是碳在奧氏體中溶解度曲線。2）

PQ線它是碳在鐵素體中的溶解曲線。3）GS線它是合金冷卻時(shí)自?shī)W氏體中開始析出鐵素體的析出線，通常稱為A3線。4）PSK線…共析線，即加熱時(shí)珠光體或冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度。（A）

目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)(2)鐵碳合金的分類按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金相圖中的合金可分成工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類。白口鑄鐵

注：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.02%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵，性能與鐵素體接近。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價(jià)值。

目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)1共析鋼的結(jié)晶過程分析（圖2－17）目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)2）亞共析鋼的結(jié)晶過程分析（圖2－18）目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)3）過共析鋼的結(jié)晶過程分析（圖2－21）

目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)4）共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析（圖2－22）目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)5）亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析（圖2－23）目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十一頁(yè)\編于二點(diǎn)6）過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析（圖2－24）目前三十九頁(yè)\