機(jī)械工程材料 課件 第2章 金屬組織結(jié)構(gòu)

《工程材料》第2章金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織

第2章金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織§1、純金屬的結(jié)構(gòu)與組織一、純金屬的結(jié)構(gòu)組織顯微鏡下的組成情況結(jié)構(gòu)內(nèi)部微粒（原子）排列情況（相對(duì)較宏觀）（微觀)晶體內(nèi)部原子有規(guī)律、重復(fù)排列的物體晶格表示原子排列規(guī)律的空間格子。晶胞晶格中的最小單元。金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復(fù)晶格晶體模型晶格晶胞1、理想金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復(fù)晶格(同方位)單晶體三種常見(jiàn)晶格：體心立方面心立方密排六方晶格常數(shù)

晶胞棱邊長(zhǎng)度：?致密度

原子排列密集程度

體心0.68面心、密排0.74理想金屬性能：各向異性、高強(qiáng)度、耐熱耐蝕

理想金屬2、實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)律晶胞重復(fù)晶格(不同方位)多晶體三種常見(jiàn)晶體缺陷：晶粒晶界點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷間隙原子、空位

位錯(cuò)

(直線.曲線.螺旋線)位錯(cuò)密度ρ位錯(cuò)作用:ρ少時(shí),力→ρ運(yùn)動(dòng)→變形→Re降低ρ多時(shí),力→ρ運(yùn)動(dòng)受阻→難變形→Re提高強(qiáng)化金屬實(shí)際金屬ρRe晶界晶界原子排列點(diǎn)缺陷刃型位錯(cuò)實(shí)際金屬中晶體缺陷對(duì)性能影響：晶格缺陷→晶格畸變→Re提高（晶格常數(shù)變）實(shí)際金屬性能：各向同性、低強(qiáng)度、耐熱耐蝕性差（多晶）（ρ運(yùn)動(dòng)）（晶界）二、純金屬的組織結(jié)晶形成

1.結(jié)晶定義高溫液體

固態(tài)晶體結(jié)晶

熔化

T0

T0—

平衡結(jié)晶溫度熔點(diǎn)

2.結(jié)晶條件T結(jié)<T0

ΔT＝T0－T結(jié)（過(guò)冷度）

過(guò)冷度與冷速有關(guān)：V冷越大，T結(jié)越低，ΔT越大

但ΔT太大就得到非晶合金化強(qiáng)化（點(diǎn)缺陷）.塑變強(qiáng)化（線缺陷）.細(xì)晶強(qiáng)化（面缺陷）3.結(jié)晶過(guò)程高溫液體→形成晶核→晶核長(zhǎng)大→多晶體形核率N長(zhǎng)大速率GN越大，G越小，晶粒會(huì)越細(xì)小4.結(jié)晶過(guò)程影響因素1）冷卻速度V冷V冷越大——ΔT增大——N增大、G增大(但G增大速度小于N)——晶粒細(xì)——Rm升高

快冷技術(shù)：

微晶（μm）：

納米晶體（nm）：

非晶：高強(qiáng)、硬、耐蝕、導(dǎo)磁

金屬型鑄造，V冷大，零件性能好于砂型鑄造2）雜質(zhì)加入雜質(zhì)元素（本身為硬質(zhì)點(diǎn)或形成硬質(zhì)點(diǎn)）——

N增大——晶粒細(xì)——Rm升高

變質(zhì)處理

3）振動(dòng)或攪拌電磁振動(dòng)，超聲振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械攪拌

厚大金屬組織分析厚大金屬組織5.純金屬的結(jié)晶組織工業(yè)純鐵組織組織缺陷晶粒粗大、氣孔、縮孔、夾雜

組織缺陷對(duì)性能影響：各方面性能下降

改善組織缺陷方法：鍛、軋、熱處理

§2、合金的組織與結(jié)構(gòu)合金金屬←金屬或非金屬Cu←Zn,Fe←C

成分各元素含量Cu70％，Zn30％組元基本物質(zhì).元素或穩(wěn)定化合物鐵碳合金.Fe和Fe3C合金系一定組成元素，成分不同的一系列合金鐵碳合金系、銅鋅合金系等相元素作用形成一定成分、一定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)（顯微鏡下可見(jiàn)，有界面）Fe3CF組織與相的關(guān)系:組織由相構(gòu)成包括相的種類、相的分布一、合金的結(jié)構(gòu)合金中各元素原子排列情況原子排列形成各種相1.合金中的相固溶體不同元素的原子相互溶解形成的固體

CFeCuZn溶質(zhì)、溶劑、溶解度置換固溶體

溶質(zhì)在晶格結(jié)點(diǎn)

Δr小，溶解度大

間隙固溶體

溶質(zhì)在晶格間隙

Δr大，溶解度小

固溶體Rm、HBW高于其純金屬（溶質(zhì)進(jìn)入使晶格畸變）——固溶強(qiáng)化固溶體性能：塑性好

作為基體相。用α、β、γ、δ表示化合物不同元素原子相互化合形成

如：Fe3C

電子化合物金屬+金屬CuZn,CuZn3正常價(jià)化合物金屬+非金屬M(fèi)g2Si間隙化合物金屬+小非Fe3C化合物結(jié)構(gòu)晶格一般較復(fù)雜

化合物性能硬、脆作為硬化相兩種相比較成分結(jié)構(gòu)形態(tài)性能作用固溶體化合物各元素含量溶劑晶格晶粒塑性好基體相各元素含量復(fù)雜晶格不規(guī)則硬脆強(qiáng)化相2.合金的結(jié)構(gòu)元素原子排列→相（各元素原子按一定規(guī)律排列）1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB二、二元合金的組織1.相圖一定合金系,成分、溫度、狀態(tài)三者平衡關(guān)系圖.概念用途1.判斷一定成分合金，在一定T下，相的種類

2.分析結(jié)晶過(guò)程，判斷最終的組織如：20％Ni合金，在1200℃，相為L(zhǎng)+α如：20％Ni合金最終組織為α2.二元合金基本相圖及結(jié)晶分析1）勻晶相圖

勻晶反應(yīng)：

Lα相圖分析：區(qū)（液、固、液＋固）線（液相線、固相線）點(diǎn)（Cu熔點(diǎn)、Ni熔點(diǎn)）

1100℃T℃LαCuNi→Ni%1455℃L+αAB結(jié)晶分析：組織如：20％Ni合金最終組織為αΔT在ΔT結(jié)晶溫度范圍，一定T，L、α

重量用杠桿定律計(jì)算杠桿定律

QLQαX1KX2QL(K-X1)=Qα(X2-K)杠桿定律適用于任何兩相區(qū)2）共晶相圖

共晶反應(yīng)：

L（α+β）相圖分析：區(qū)（三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)雙相區(qū)）線（液相線、固相線、共晶線、溶解度線）點(diǎn)（熔點(diǎn)、溶質(zhì)含量點(diǎn)、共晶點(diǎn)）

結(jié)晶分析：組織SnPbcdeafgb→Sn%LLL+αα

α+ββL+βT0（α+β）——共晶組織、共晶產(chǎn)物、共晶體α.β均勻分布,(α+β)為

機(jī)械混合物，性能遠(yuǎn)高于α.β的平均值共晶動(dòng)畫SnPbcdeafgb→Sn%LLL+αα

α+ββL+β共晶合金?

組織為（α+β）?亞共晶合金??

??組織為α

+（α+β）過(guò)共晶合金???

組織為β

+（α+β）???結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程SnPbcdeafgb→Sn%LLL+αα

α+ββL+β1組織為（α+β）溫度??12組織為α+（α+β）溫度SnPbcdeafgb→Sn%LLL+αα

α+ββL+β3）共析相圖

BAcdeafgb→B%γγ

+αα

α+ββγ

+βLL+

γ共析反應(yīng)：

γ（α+β）T0（α+β）——共析組織、共析產(chǎn)物、共析體α.β均勻分布,(α+β)為

機(jī)械混合物，性能遠(yuǎn)高于α.β的平均值相圖分析：區(qū)（單相區(qū)、雙相區(qū)）線（共析線、溶解度線）點(diǎn)（溶質(zhì)含量點(diǎn)、共析點(diǎn)）

結(jié)晶分析：組織共析合金?

組織為（α+β）亞共析合金??

組織為α+（α+β）過(guò)共析合金???

組織為β

+（α+β）BAcdeafgb→B%γγ+αα

α+ββγ+β??????3.二元合金組織及性能

α（α+β）α

+（α+β）塑性好高于α、β平均介于α、（α+β）之間

§3、鐵碳合金的組織與結(jié)構(gòu)一、鐵碳合金的結(jié)構(gòu)鐵碳合金中各相的結(jié)構(gòu)Fe、C作用形成各種相1.Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe體心立方912

C-Fe面心立方1394oC-Fe體心立方同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特征：（1）溫度恒定（2）體積突變Fe、C作用：C、-FeC、-Fe鐵素體F奧氏體AC＋Fe化合形成滲碳體Fe3C溶解形成溶解形成2.鐵碳合金中的三種基本相FA3、鐵碳合金中的五種基本組織鐵碳合金的組織均由五種基本組織構(gòu)成，如：PF

P

Fe3C20鋼組織F+PT12鋼組織P＋Fe3C二、鐵碳合金相圖1.相圖組成共析相圖共晶相圖勻晶相圖LAL(A+Fe3C)A(F+Fe3C)LLdAP1148℃727℃Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡(jiǎn)化的Fe--Fe3C相圖2.相圖分析一系：Fe－C合金系或Fe--Fe3C合金系二元：

Fe、Fe3C三區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)L、F、A、Fe3C

雙相區(qū)三相區(qū)PSK、ECF、四相：

L、F、A、Fe3C五線：液相線ACD

固相線AECF

三相線PSK、ECF

溶解度線PQ、ES

先共析線GSFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡(jiǎn)化的Fe--Fe3C相圖0.020.772.114.33.鐵碳合金分類工業(yè)純鐵<

P碳鋼P(yáng)－E白口鐵E－F共析鋼S亞共析鋼P(yáng)－S過(guò)共析鋼S－E共晶白口鐵C亞共晶白口鐵E－C過(guò)共晶白口鐵C－F0.02Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+

Fe3CF+Fe3CL+AL+

Fe3CF+A6.691148℃727℃0.772.114.3三、鐵碳合金組織用鐵碳相圖進(jìn)行結(jié)晶過(guò)程分析Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃1.工業(yè)純鐵

LL+A

A

A＋F

F

F＋Fe3CIII

最后組織：F工業(yè)純鐵組織Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃2.共析鋼

LL+A

A

P動(dòng)畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃3.亞共析鋼LL+A

A

A＋F

P＋F動(dòng)畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃4.過(guò)共析鋼LL+A

A

A＋Fe3CII

P＋

Fe3CII

動(dòng)畫Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃5.共晶白口鐵L

Ld

L′d

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃6.亞共晶白口鐵L

L＋A

Ld＋

A

Ld＋

A＋Fe3CII

L′d＋P＋

Fe3CII

Fe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃7.過(guò)共晶白口鐵L

L＋Fe3CI

Ld＋Fe3CI

L′d＋

Fe3CI

過(guò)總結(jié)：鐵碳合金組織1、工業(yè)純鐵：F

F2、共析鋼：P3、亞共析鋼：F

＋P

FP4、過(guò)共析鋼：P

＋

Fe3CII

P

PFe3CII5、共晶白口鐵L′d

L′d6、亞共晶白口鐵L′d＋P＋Fe3CIIL′dPFe3CII7、過(guò)共晶白口鐵L′d＋

Fe3CI

L′dFe3CIFe3CC%T℃ACDEFGPSKQFeLAFA+Fe3CP＋

Fe3CIIL+AL+Fe3CF+A6.691148℃727℃簡(jiǎn)化的Fe--Fe3C相圖PF+PFL′dL′d＋P＋

Fe3CII

L′d＋

Fe3CI亞共析鋼組織組成物（P＋F）的定量計(jì)算1).C＝0.2％的鋼QF＝(0.77-0.2)/0.77×100％＝74％QP＝1－74％＝26％2).