金屬工藝學 第三章 金屬的晶體結構與結晶

金屬工藝學第三章金屬的晶體結構與結晶第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六基本概念

凝固：一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)轉變的過程。結晶：由液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程。晶體：原子排列時有序的，原子在三維空間做規(guī)則的、周期性的、重復排列。有一定的熔點和凝固點，性能趨向各向異性。非晶體:

原子排列雜亂無章呈無序狀態(tài)，沒有一定的熔點和凝固點，性能趨向各向同性。第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六(2)晶格、晶胞

用于描述原子在晶體中排列規(guī)則的三維空間幾何點陣稱為晶格。在晶格中就存在一個能夠代表晶格特征的最小幾何單元，稱之為晶胞?；靖拍畹谌摚擦彭?，編輯于2023年，星期六二、常見金屬的晶體結構

1、體心立方晶格

體心立方晶胞如圖所示。在晶胞的八個角上各有一個金屬原子，構成立方體。在立方體的中心還有一個原子，所以叫作體心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鉻、釩、鎢、鉬和α-鐵等。這類金屬塑性較好．3.1純金屬的晶體結構

第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、面心立方晶格

面心立方晶格如圖所示。在晶胞的八個角上各有一個原子，構成立方體。在立方體的六個面的中心各有一個原子，所以叫做面心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛和γ-Fe等。這類金屬的塑性通常優(yōu)于具有體心立方晶格的金屬．3.1純金屬的晶體結構第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3、密排六方晶格

密排六方晶格如圖所示。在晶胞的十二個角上各有一個原子，構成六方柱體。上下底面中心各有一個原子。晶胞內部還有三個原子，所以叫做密排六方晶格。屬于這類晶格金屬有鈹、鎂、鋅、α-鈦和β-鉻等。這類金屬較脆．3.1純金屬的晶體結構第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六課堂思考常見的金屬原子組成固態(tài)物質時有哪幾種排列方式？第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六３－２純金屬的結晶純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）oCTo

L

ab

S0a：結晶開始點b：結晶終了點第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六３－２純金屬的結晶純金屬的冷卻曲線（實際）oC

LT0T1S0T0：理論結晶溫度T1：實際結晶溫度ΔT=T0--T1（過冷度）第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六３－２純金屬的結晶一．純金屬的結晶過程：

原子團

形核

晶核長大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六二、金屬的結晶過程3.2純金屬的結晶晶核的形成和晶核的長大，這兩個步驟是同時進的。純金屬結晶過程第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六形核：自身晶核、外來晶核晶界—晶粒間的分界面；單晶體—結晶方位完全一致的的晶體多晶體—由多晶粒組成的晶體結構第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六三．金屬的同素異構轉變1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方金屬的同素異構轉變的慨念：

金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結構發(fā)生變化的現象。

金屬的同素異構轉變的意義：

可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性能的目的。第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六金屬的同素異構轉變同素異構轉變金屬在固態(tài)下由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的轉變過程稱為同素異構轉變或同素異晶轉變。如鐵（Fe）、鈷（Co）、鈦（Ti）、錫（Sn）等。第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六四.金屬晶體的缺陷：點缺陷——晶體空格、間隙原子線缺陷——位錯面缺陷——晶界第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

１．點缺陷——晶格空位和間隙原子在實際晶體結構中，晶格的某些結點，往往未被原子所占據，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。由于空位和間隙原子的存在

，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度和電阻增加。晶體中空位和間隙原子處于不斷地運動和變化之中，在一定溫度下，晶體內存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六２．線缺陷——位錯

晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3．面缺陷面缺陷是指三維空間的一個方向上尺寸很小的晶體缺陷。

第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六４.細晶粒組織的力學性能細化晶粒的方法增加冷卻速度，增大過冷度；增加外來晶核(變質處理);采用機械、超聲波振動、電磁攪拌等(附加振動)；晶粒粗細對材料力學性能的影響晶粒越細，強度越高，塑性和韌性也越好。

用細化晶粒強化金屬的方法稱為細晶強化．它是強化金屬材料的基本途徑之一．第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、細化晶粒的方法

（1）增加過冷度

增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻轉變速度。

3.2純金屬的結晶形核率N、長大速度G與過冷度T

的關系第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六（2）變質處理

變質處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的難熔的物質（變質劑），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒顯著細化。（3）振動處理金屬結晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，既可使正在生長的枝晶熔斷成碎晶而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。

3.2純金屬的結晶第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六課堂思考Ｐ３４第３.４題．作業(yè)：第２題．第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六３－３

合金的晶體結構合金、組元、相；固溶體：置換固溶體、間隙固溶體；金屬化合物；固溶強化的概念。本節(jié)要點：了解金屬及合金的晶體結構和結晶。第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3－３合金的晶體結構——概念合金：由兩種或兩種以上的化學元素(至少一種是金屬元素)所組成的具有金屬特性的物質．組元：組成合金的基本元素。相：凡是成分相同、結構相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。例如：單一的液單一的固相；液相、固相兩相共存；問題：水、油混裝在一個瓶子里，是幾個相？將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個相？第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3.３合金的晶體結構一、基本概念1、合金

是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質。2、組元

組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元，簡稱為元。一般來說，組元就是組成合金的元素。例：碳鋼是鐵和碳組成的合金。例：銅和鋅就是黃銅的組元。第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3－3合金的晶體結構--概念一.固溶體:1.間隙固溶體:2.置換固溶體:3.有限固溶體:4無限固溶體:二.金屬化合物:三.第二相強化:第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3－3合金的晶體結構固溶體:在固態(tài)下一種元素(或化合物)的晶格內溶解了另一種元素的原子,形成固溶體.前者為溶劑,后者為溶質.兩者的晶格類型相同,固溶體是合金的一種基本結構.有限固溶體:只能有限溶解溶質.無限固溶體:可以按任何比例配制,都能互相溶解.第二相強化:使金屬化合物分布在固溶體的基體上,合金的強度,硬度會明顯提高.這種以金屬化合物作為相強化金屬材料的方法.第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.置換固溶體

溶質原子置換了部分溶劑晶格結點上某些原子而形成的固溶體。

形成置換固溶體時，溶質原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2.間隙固溶體

溶質原子分布于溶劑的晶格間隙中所形成的固溶體稱為間隙固溶體，如圖所示。由于溶劑晶格的間隙有限，所以間隙固溶體只能是有限溶解溶質原子。3.３合金的晶體結構第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六二.固溶體的性能

由于溶質原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。3.３合金的晶體結構一.金屬化合物

:

A、B兩組元相互溶解后所形成的新的物質既不是A組元的結構，也不是B組元的結構，而是自身的一種獨立的結構。第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六金屬化合物的特點：

金屬化合物具有復雜的晶體結構，熔點較高，硬度高，而脆性大。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現象稱為彌散強化。因此金屬化合物在合金中常作為強化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。3.4合金的晶體結構Fe3C的晶體結構第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)二元合金相圖一．二元金相圖的建立二．勻晶相圖三．共晶相圖四．具有共析反應的相圖五．合金力學性能與相圖的關系第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六相圖進行材料研究，金相分析，制定熱、鑄、鍛、焊等熱加工工藝規(guī)范的重要依據和有效工具。了解合金系中不同成分和溫度下的相的種類、相的成分及相的相對含量。了解合金在加熱和冷卻過程中的轉變并預測其性能的變化規(guī)律。即表示在平衡條件下合金組織與成分、溫度之間關系的圖形。合金相圖又稱合金平衡圖或合金狀態(tài)圖了解由相圖可作用相圖的第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六（一）二元合金相圖的建立

（以Cu-Ni二元合金為例）無限緩冷下測各合金的冷卻曲線標注在溫度—成分坐標中連接各相變點1、建立相圖的思路：合金相變時，伴隨物理、化學性能的變化，可利用熱分析法（或者熱膨脹法、磁性測定法、金相法、電阻法和X射線結構分析法等）精確測定相變臨界點（即臨界溫度），確定不同相存在的溫度和成分區(qū)間，建立相圖。2、具體步驟：選組元，配合金系，熔化確定各合金的相變溫度確定相第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六Cu-Ni合金相圖的建立L如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu六組合金。（L+）第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六１.相圖分析L+L兩線：液相線、固相線三區(qū)：液相、液相+固相、固相A二.勻晶相圖第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六２.合金結晶過程的分析二班

二元勻晶相圖：指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時的二元合金相圖。

勻晶轉變：在一定溫度范圍內由液相結晶出單相的固溶體的結晶過程。具有這類相圖的合金系主要有Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六３、合金的平衡結晶過程L+L12時間溫度LL平衡結晶過程分析t1t2所謂平衡結晶過程是指合金從液態(tài)無限緩慢冷卻、原子擴散非常充分，冷卻過程中每一時刻都能達到相平衡條件的一種結晶過程。第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六平衡結晶：在結晶過程中，原子的擴散在固相、液相及固液相之間非常充分，能跟得上相變的速度，最終形成成分均勻的固溶體。L+Lt1t2t3t1t3t2第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

成份偏析：合金結晶較快，原子的擴散來不及充分進行，結果使先結晶出來的固溶體和后結晶的固溶體成分不均勻。后結晶出來的，含A元素少先結晶出來的，含A元素多４、成份偏析第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六１、相圖分析共晶反應：合金在冷卻到某一溫度時，由一定成分的液相同時結晶出成分不同、結構不同的兩個固相，這就是共晶反應（L）。反應產物是兩個固相的混合物，稱為共晶組織或共晶體。二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)下無限互溶，冷卻時發(fā)生共晶轉變的二元合金相圖叫二元共晶相圖。1）基本概念三．共晶相圖根據相律，在二元合金中，固態(tài)下最多能同時出現兩種相。這類合金包括二元共晶（或共析）合金。第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2）相與組織相組織在金屬或合金中，凡化學成分相同、晶體結構相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。氣相、液相、固相。鐵碳合金中的相、

相、相等。合金的相組成及相的數量、形態(tài)、大小、分布特征。組織可以由一種相組成，也可由多種相組成。亞共晶組織、共晶組織過共晶組織。鐵碳合金中的珠光體P、鐵素體F、奧氏體A等。X射線衍射分析金相顯微鏡、電鏡等概念例子檢測第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3）共晶相圖的一般特征三班LLL++A+BL+BL+AABB%TL+ABB%T第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六PbSnWSn(%)TL183327.5231.9BA1997.5ＥＦGＳL+L++4）相圖分析（以Pb-Sn相圖為例）P52圖3-111點：共晶點4種線：共晶線固溶體脫溶線液相線和固相線6個區(qū)：L、、L+、L+、+61.9Ｃ共晶反應：L61.91997.5第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9EL+L+（+）+Ⅱ+Ⅱ+（+）L+Ⅱ+（+）+Ⅱ具組織成份的Pb-Sn合金相圖1班第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六２.共晶過程分析１）共晶成份的合金；２）亞共晶成份的合金；３）過共晶成份的合金；４）無共晶反應的合金．第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9EL+L+（+）+Ⅱ+Ⅱ+（+）L+Ⅱ+（+）+Ⅱ具組織成份的Pb-Sn合金相圖第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六四．具有共析反應的相圖自某種均勻一致的固相中同時析出兩種化學成份和晶體結構完全不同的新固相的轉變過程，稱為共析反應．第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六四．具有共析反應的相圖2班PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9E具有共晶反應的Pb-Sn合金相圖第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六當合金形成單相固溶體時，合金的性能與組元及溶質元素的溶入量有關。對于一定的溶質和溶劑，溶質的溶入量越多，合金的強度、硬度越高（即產生了固溶強化），同時電阻增大，電導率越低。當合金通過共晶或共析轉變形成兩相混合物特別是兩相機械混合物，合金的力學性能主要取決于其組織的細密程度，組織越細密，則強度、硬度越高五．合金相圖與合金性能之間的關系第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六思考題1在純金屬的冷卻曲線上為什么會出現一水平臺階？2為什么晶粒越細小其力學性能越好？3如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶粒是粗還是細？第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.5鐵碳合金本節(jié)重點：鐵碳合金狀態(tài)圖在鑄造、壓力加工、焊接中的應用；本節(jié)難點：鐵碳合金狀態(tài)圖的理解；鐵碳合金由于其資源廣泛、冶煉方便、價格低廉、性能優(yōu)越，在工業(yè)生產中廣泛使用。第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.5.1鐵碳合金的基本組織鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韌性好，強度、硬度低。奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉變所形成的奧氏體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六兩種反應：1148℃1、共晶反應

一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩種成分和結構均不相同的固相的反應。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反應的產物即萊氏體Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、共析反應一定成分的固相在一定的溫度下同時析出兩種成分和結構均不相同的新的固相的反應。A2.11%c

727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反應的產物即珠光體P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

1.5.2鐵碳合金狀態(tài)圖分析滲碳體的熔點共晶點共析線共析點純鐵的熔點共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線碳在奧氏體中的最大溶解度A3線Acm第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

鐵碳合金相圖中主要特性點的含義

特性點的符號溫度t/℃含碳量wc%含義ACDEGPSQ

1538114812271148912727727

室溫04.36.692.1100.020.770.0008純鐵的熔點共晶點滲碳體的熔點碳在奧氏體中的最大溶解度α-Teγ-Te同素異晶轉變點碳在鐵素體中的最大溶解度共析點碳在鐵素體中的溶解度第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六相圖中主要線的含義ACD線—液相線是不同成分鐵碳合金開始結晶的溫度線。AECF線—固相線各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結晶溫度終止線。ECF水平線—共晶線含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時，在1148℃由液態(tài)合金同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共晶反應。PSK水平線—共析線（A1線）含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在727℃同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共析反應。GS線—（A3線）是冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線。ES線—稱Acm線是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六典型合金結晶過程分析鐵碳合金含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；含碳量小于0.02%的鐵碳合金。工業(yè)純鐵鋼生鐵

含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。根據金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間；過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

1.5.3鐵碳合金狀態(tài)圖分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉變第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

A—奧氏體P—珠光體F—鐵素體共析鋼和亞共析鋼的結晶過程分析第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六過共析鋼結晶過程分析共晶生鐵結晶過程分析第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六L’d—變態(tài)萊氏體亞共晶、過共晶生鐵結晶過程分析第六十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六鋼碳素鋼碳素結構鋼（0.38%C)優(yōu)質碳素結構鋼(0.2-0.7%C用途廣)碳素工具鋼(T8等)合金鋼合金結構鋼合金工具鋼特殊性能鋼不銹鋼耐熱鋼

耐磨鋼其它量具鋼模具鋼刃具鋼軸承鋼彈簧鋼調質鋼滲碳鋼低合金結構鋼（<1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6工業(yè)用鋼分類及選材第六十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理滲碳滲氮碳氮共滲加熱保溫冷卻臨界溫度熱處理工藝曲線T℃其它熱處理形變真空激光1.7鋼的熱處理第六十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.7.1退火和正火退火：

將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中緩慢冷卻。目的：降低