模塊二　金屬學的基本知識

第一篇金屬材料及熱加工基礎模塊二金屬學的基本知識課題一金屬的晶體結構任務1建立晶體結構的模型任務說明◎通過金屬晶體結構物理模型的建立，明確金屬晶體結構的描述方法。技能點◎通過完成本任務，明確科學研究的一種基本方法——建立模型，使復雜問題簡捷、清晰、具有可表述性。知識點◎非晶體、晶體、晶格、晶胞、晶面和晶向等概念?！蚓w與非晶體的比較與轉化。一、任務實施物質都是由原子（或分子）組成的，原子（或分子）的排列方式和空間分布稱為結構。（一）任務引入試說明如何建立晶體結構的模型，以便簡捷、清晰地表述金屬的內部結構。（二）分析及解決問題1．晶體與非晶體（1）晶體凡是內部原子或分子在三維空間內按照一定幾何規(guī)律做周期性的重復排列的物質稱為晶體。（2）非晶體凡是內部原子或分子呈無規(guī)則堆積的物質稱為非晶體。2．晶體模型的構建及其相關概念（1）晶格用來表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架就稱為結晶格子，簡稱晶格。（2）非晶體凡是內部原子或分子呈無規(guī)則堆積的物質稱為非晶體。2．晶體模型的構建及其相關概念（1）晶格用來表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架就稱為結晶格子，簡稱晶格。（2）晶胞根據晶體中原子排列規(guī)律性和周期性的特點，為便于討論，通常從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元，以表示晶格中原子排列的規(guī)律性，這個最小幾何單元就稱為晶胞，如圖2-2b所示。通常取晶胞角上某一結點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，稱為晶軸。常以晶胞棱邊的長度a、b、c和棱邊之間的夾角α、β、γ六個參數(shù)作為晶格參數(shù)，表示晶胞的幾何形狀和大小，如圖2-3所示為晶格參數(shù)表示法。（3）晶面和晶向1）晶面。在晶格中由一系列原子中心所構成的平面稱為晶面。如圖2-4所示為立方晶格中的一些晶面。2）晶向。通過任意兩個原子中心并指示出方向的直線稱為晶向。晶向可代表晶格空間排列的一定方向，如圖2-5所示為立方晶格中的幾個晶向。二、知識鏈接（一）晶體與非晶體的比較1．晶體與非晶體的根本區(qū)別在于其內部的原子排列是否有規(guī)則。2．晶體物質有固定的熔點，當溫度升高時，固態(tài)晶體將在一定溫度下轉變?yōu)橐簯B(tài)。而非晶體物質沒有固定的熔點，隨著溫度升高，固態(tài)非晶體物質將逐漸變軟，最終變?yōu)橛酗@著流動性的液體。3．晶體表現(xiàn)的是的各向異性。而非晶體表現(xiàn)出各向同性。（二）晶體與非晶體的轉化晶體和非晶體雖然有上述區(qū)別，但在一定條件下也是可以相互轉化的。如非晶態(tài)玻璃在高溫下長時間加熱后可以變?yōu)榫B(tài)玻璃，即鋼化玻璃。而有些金屬如從液態(tài)快速冷卻，也可以制成非晶態(tài)金屬。同晶態(tài)金屬相比，非晶態(tài)金屬有很高的強度和韌性等。任務2認識金屬的晶體結構任務說明◎分析三種典型的理想晶體結構，了解實際金屬的晶體結構及其對金屬性能的影響。技能點◎了解金屬的晶體結構及其對金屬性能的影響。知識點◎體心立方、面心立方、密排六方晶格的原子排列規(guī)律?！騿尉w、多晶體、晶粒、晶界、晶體缺陷的概念?！蚪饘俚木w結構對金屬性能的影響。一、任務實施不同的金屬材料具有不同的性能，即使是同一種金屬材料，在不同的條件下其性能也是不同的。金屬性能的這些差異實質上是其晶體結構的差異造成的。（一）任務引入試說明金屬晶體結構的差異并分析其內在規(guī)律。（二）分析及解決問題1．金屬的典型晶格類型（1）體心立方晶格1）原子排列規(guī)律。晶胞是一個立方體。2）常見金屬。α-Fe（鐵）、Cr（鉻）、Mo（鉬）、W（鎢）、V（釩）等。（2）面心立方晶格1）原子排列規(guī)律。晶胞也是一個立方體，如圖2-7所示。這種晶格也只用一個晶格常數(shù)a表示即可。在面心立方晶胞的八個頂角和六個面的中心各有一個原子。2）常見金屬。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe（鐵）、Ni（鎳）、Al（鋁）、Cu（銅）、Pb（鉛）、Au（金）等。（3）密排六方晶格1）原子排列規(guī)律。晶胞是一個正六棱柱體。。正六棱柱體是由六個長方形的側面和與側面相垂直的兩個正六邊形的底面構成的，因此，需要用兩個晶格常數(shù)來表示，即用正六棱柱體底面的邊長a和柱體的高度c來表示。2）常見金屬。屬于這類晶格的金屬有Mg（鎂）、Zn（鋅）、Cd（鎘）、Be（鈹）等。2．實際金屬的晶體結構（1）單晶體和多晶體1）單晶體。內部的晶格位向（即原子排列的方向）基本一致的晶體稱為單晶體。2）多晶體。由許多晶格位向不同的小單晶體組成的晶體稱為多晶體，這些位向不同的小單晶體稱為晶粒。，如圖2-9所示為多晶體示意圖。晶粒的外形呈多面體顆粒狀，相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。（2）晶體缺陷實際金屬晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則原子排列的現(xiàn)象稱為晶體缺陷。根據晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將它們分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。任務3認識合金的晶體結構任務說明◎分析合金的晶體結構及其性能特點。技能點◎掌握合金的晶體結構及其性能特點。知識點◎合金、組元、相、組織等基本概念。◎合金的晶體結構及其性能特點。一、任務實施純金屬雖然得到一定的應用，但它的強度、硬度一般都較低，而且價格較高，在使用上受到很大的限制。所以工業(yè)生產中應用最廣泛的是各種合金。（一）任務引入什么是合金？與合金相關的基本概念有哪些？合金的晶體結構和性能有哪些特點？（二）分析及解決問題1．基本概念（1）合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素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物質稱為組元。（3）合金系當組元不變，而組元比例發(fā)生變化時，可以得到一系列不同成分的合金，稱為合金系。（4）相合金中化學成分、結構及性能相同的均勻部分稱為相，不同的相之間有明顯的界面。（5）組織合金的組織是指合金中不同種類、形狀、大小、數(shù)量和分布方式的相，相互組合而成的綜合體，組織是通過金相分析的方法觀察到的。2．合金的相（1）固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。1）置換固溶體。溶質原子代替部分溶劑原子，占據溶劑晶格中的某些結點位置而形成的固溶體稱為置換固溶體2）間隙固溶體。溶質原子分布于溶劑晶格間隙之中而形成的固溶體稱為間隙固溶體。（2）金屬化合物合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般可用分子式來表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，其性能特點是熔點較高、硬而脆。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。以金屬化合物作為強化相強化金屬材料的方法稱為第二相強化。課題二純金屬的結晶任務分析純金屬的結晶過程任務說明◎通過純金屬結晶過程的分析，了解金屬的結晶過程及規(guī)律，明確金屬的晶粒大小對力學性能的影響，掌握生產中細化晶粒的方法。技能點◎晶粒大小對力學性能的影響及細化晶粒的方法。知識點◎純金屬的結晶過程?！蚓Я４笮〉目刂品椒ā！蚪饘俚耐禺悩嬣D變。一、任務實施（一）任務引入分析純金屬的結晶過程和規(guī)律以及生產中晶粒大小的控制方法。1．純金屬的冷卻曲線及過冷度（二）分析及解決問題由圖可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的延長，它所含的熱量不斷向外散失，溫度不斷下降。當液態(tài)金屬冷卻到理論結晶溫度T0時并不開始凝固，而是冷卻到T0以下某一溫度Tn

時才開始結晶。在結晶過程中，由于釋放結晶潛熱而補償了冷卻時散失的熱量，使結晶溫度并不隨時間的延長而下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了“平臺”。結晶終了后，溫度又繼續(xù)下降。通常把金屬在無限緩慢冷卻條件下結晶的溫度稱為理論結晶溫度，用T0

表示。從冷卻曲線可知，金屬的實際結晶溫度Tn

總是低于理論結晶溫度T0，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。理論結晶溫度T0

和實際結晶溫度Tn

之差（ΔT=T0-Tn

）稱為過冷度。2．純金屬的結晶過程3．金屬結晶后的晶粒大小（1）晶粒大小對力學性能的影響在常溫下，金屬的晶粒越細小，其強度、硬度越高，塑性、韌性越好。（2）晶粒大小的控制1）增加過冷度。能使晶粒細化。2）變質處理。起到細化晶粒的作用。3）振動處理。細化晶粒。二、知識鏈接（一）金屬的同素異構轉變金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構轉變。具有同素異構轉變特性的金屬有鐵、鈷、鈦、錫、錳等。由于同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體稱為該金屬的同素異晶體。由圖可見，液態(tài)純鐵在1538℃進行結晶，得到具有體心立方晶格的δ-Fe，繼續(xù)冷卻到1394℃時發(fā)生同素異構轉變，δ-Fe轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe，再冷卻到912℃時又發(fā)生同素異構轉變，γ-Fe轉變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe。（二）純鐵的同素異構轉變課題三鐵碳合金的基本組織任務分析鐵碳合金的基本組織任務說明◎分析鐵碳合金的基本組織，明確鐵碳合金基本組織的性能特點。技能點◎掌握鐵碳合金的基本組織及其性能特點。知識點◎鐵碳合金的基本組織?！蜩F碳合金基本組織的性能特點。一、任務實施（一）任務引入分析鐵碳合金的基本組織，并說明哪些是單相組織，哪些是兩相組織，哪些是固溶體，哪些是金屬化合物?（二）分析及解決問題鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。其中鐵素體、奧氏體、滲碳體為單相組織，即鐵碳合金的基本相；珠光體和萊氏體為兩相組織。鐵素體、奧氏體為固溶體，滲碳體為金屬化合物。二、知識鏈接（一）鐵素體碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示，其模型如圖2-17所示。在727℃時，α-Fe中的最大溶碳量僅為0.0218%，隨著溫度的降低，α-Fe中的溶碳量逐漸減小，在室溫時碳的溶解度幾乎等于零。鐵素體在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。鐵素體的顯微組織呈明亮的多邊形晶粒狀，如圖2-18所示。（二）奧氏體碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示，其模型如圖2-19a所示。由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的間隙較大，故奧氏體的溶碳能力較強。在1148℃時溶碳量可達2.11%，隨著溫度的降低，溶解度逐漸減小，在727℃時溶碳量為0.77%奧氏體的顯微組織如圖2-19b所示。（三）滲碳體滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，其碳含量為6.69%，分子式為Fe3C。滲碳體具有復雜的斜方晶體結構，與鐵和碳的晶體結構完全不同，如圖2-20所示。滲碳體的熔點為1227℃，硬度很高，塑性極差，斷后伸長率和沖擊韌度幾乎為零，是一個硬而脆的相。（四）珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。它是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形成的混合物，其顯微組織如圖2-21所示。在緩慢冷卻條件下，珠光體的碳含量為0.77%。由于珠光體是由硬的滲碳體和軟的鐵素體組成的混合物，所以其性能介于兩組成相的性能之間，故珠光體的強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。（五）萊氏體萊氏體是碳含量為4.3%的鐵碳合金，是在1148℃時從液相中同時結晶出的奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示。由于奧氏體在727℃時還將轉變?yōu)橹楣怏w，所以，在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物稱為低溫萊氏體，用符號Ld來表示。萊氏體的力學性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，其顯微組織如圖2-22所示。課題四鐵碳合金相圖任務1分析鐵碳合金相圖任務說明◎分析鐵碳合金相圖中特性點和特性線的含義及各相區(qū)的組織。技能點◎掌握鐵碳合金相圖中特性點和特性線的含義及各相區(qū)的組織。知識點◎鐵碳合金相圖的概念?！蜩F碳合金相圖中特性點和特性線的含義及各相區(qū)的組織?！蜩F碳合金的分類及室溫時的組織。一、任務實施（一）任務引入根據鐵碳合金相圖分析特性點和特性線的含義，并說明各相區(qū)的組織及鐵碳合金的分類。（二）分析及解決問題1．鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是表示在極其緩慢冷卻（或極其緩慢加熱）的條件下，不同成分鐵碳合金的組織狀態(tài)隨溫度變化的圖解。碳含量大于6.69%的鐵碳合金的脆性很大，沒有實用價值，因此，一般所說的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。如圖2-23所示為簡化后的Fe-Fe3C相圖，圖中縱坐標表示溫度，橫坐標表示碳含量（質量分數(shù)）。2．鐵碳合金相圖中特性點和特性線的含義（1）Fe-Fe3C相圖中的特性點及其含義見表2-2。（2）Fe-Fe3C相圖中的特性線及其含義在Fe-Fe3C相圖上，有若干合金狀態(tài)的分界線，它們是不同成分合金具有相同含義的臨界點的連線。幾條主要特性線的含義如下：1）ACD線（液相線）。此線以上區(qū)域全部為液相，用L來表示。2）AECF線（固相線）。液態(tài)合金冷卻到此線全部結晶為固態(tài)，此線以下為固相區(qū)。3）GS線。此線是冷卻時從奧氏體中析出鐵素體的開始線（或加熱時鐵素體轉變成奧氏體的終了線），用符號A3

表示。奧氏體向鐵素體的轉變是鐵發(fā)生同素異構轉變的結果。4）ES線。此線是碳在奧氏體中的飽和溶解度曲線（固溶線），用符號Acm

表示。5）PQ線。此線是碳在鐵素體中的飽和溶解度曲線（固溶線）。6）ECF線（共晶轉變線）。7）PSK線（共析轉變線）Fe-Fe3C相圖中的特性線及其含義見表2-3。（3）鐵碳合金的分類及其室溫組織1）工業(yè)純鐵。碳含量小于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵，其室溫組織是鐵素體。2）鋼。碳含量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金稱為鋼。根據其碳含量及室溫組織的不同，又可分為：①亞共析鋼。0.0218%≤wC<0.77%，室溫組織是鐵素體和珠光體。②共析鋼。wC=0.77%，室溫組織是珠光體。③過共析鋼。0.77%<wC≤2.11%，室溫組織是珠光體和二次滲碳體。3）白口鑄鐵。碳含量為2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據其碳含量及室溫組織的不同，又可分為：①亞共晶白口鑄鐵。2.11%<wC<4.3%，室溫組織是珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體。②共晶白口鑄鐵。wC=4.3%，室溫組織是低溫萊氏體。③過共晶白口鑄鐵。4.3%<wC<6.69%，室溫組織是一次滲碳體和低溫萊氏體。課題四鐵碳合金相圖任務2應用相圖分析鐵碳合金的組織轉變任務說明◎通過對鐵碳合金結晶過程的分析，明確各種鐵碳合金的結晶過程和規(guī)律，能用文字或冷卻曲線表達鐵碳合金的結晶過程。技能點◎運用鐵碳合金相圖分析鐵碳合金的結晶過程。知識點◎鐵碳合金結晶過程的分析。一、任務實施（一）任務引入應用鐵碳合金相圖分析鐵碳合金的結晶過程和組織的變化規(guī)律。（二）分析及解決問題下面以典型的鐵碳合金為例，分析它們的結晶過程及組織轉變，典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置如圖2-24所示。1．共析鋼（wC=0.77%）圖2-24中合金Ⅰ為wC=0.77%的共析鋼，其冷卻曲線及室溫組織示意圖如圖2-25所示。當液態(tài)合金冷卻到與AC線相交的1點時，開始從液相中結晶出奧氏體（A），到2點時液態(tài)合金結晶終了，此時合金全部由奧氏體組成。在2點到3點間，組織不發(fā)生變化。當合金冷卻到3點時奧氏體發(fā)生共析轉變，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體的混合物，即珠光體。溫度再繼續(xù)下降，組織基本上不發(fā)生變化。共析鋼在室溫時的組織是珠光體2．亞共析鋼圖2-24中合金Ⅱ為wC=0.45%的亞共析鋼，其冷卻曲線及室溫組織示意圖如圖2-26所示。液態(tài)合金冷卻到1點時開始結晶出奧氏體，到2點時結晶完畢，2點到3點間為單相奧氏體組織，當冷卻到與GS線相交的3點時，從奧氏體中開始析出鐵素體。隨著溫度下降，析出的鐵素體量增多，剩余的奧氏體量減少，而奧氏體的碳含量沿GS線增加。當溫度降至與PSK線相交的4點時，奧氏體的碳含量達到0.77%，此時剩余奧氏體發(fā)生共析轉變，轉變成珠光體。4點以下至室溫，合金組織基本上不發(fā)生變化。亞共析鋼的室溫組織由珠光體和鐵素體組成。3．過共析鋼圖2-24中合金Ⅲ為wC=1.2%的過共析鋼，其冷卻曲線及室溫組織示意圖如圖2-28所示。液態(tài)合金冷卻到1點時，開始結晶出奧氏體，到2點結晶完畢。2點到3點間為單相奧氏體。當合金冷卻到與ES線相交的3點時，奧氏體中的碳含量達到飽和。繼續(xù)冷卻時，由于碳在奧氏體中的溶解度減小，過剩的碳以滲碳體的形式從奧氏體中析出（二次滲碳體），它沿奧氏體晶界呈網狀分布。再繼續(xù)冷卻，析出的二次滲碳體的數(shù)量增多，剩余奧氏體中的碳含量降低，隨著溫度下降，奧氏體中的碳含量沿ES線變化，當溫度降至與PSK線相交的4點時，剩余奧氏體中的碳含量達到0.77%，于是發(fā)生共析轉變，奧氏體轉變成珠光體。從4點以下至室溫，合金組織基本上不發(fā)生變化。最后得到珠光體和網狀二次滲碳體組織。過共析鋼的顯微組織如圖2-29所示。4．白口鑄鐵圖2-24中合金Ⅳ是共晶白口鑄鐵，合金Ⅴ表示某一成分的亞共晶白口鑄鐵，合金Ⅵ表示某一成分的過共晶白口鑄鐵。同理，根據鐵碳合金相圖可以分析它們的結晶過程和所得的室溫組織。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖2-30所示，亞共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖2-31所示，過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖2-32所示。課題四鐵碳合金相圖任務3鐵碳合金相圖在生產中的應用任務說明◎掌握鐵碳合金的化學成分、組織和性能的關系，明確鐵碳合金相圖在生產中的應用。技能點◎了