第二章 材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第2章材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.2晶體結(jié)構(gòu)理論2.3晶體缺陷理論2.4純金屬結(jié)晶2.5合金的結(jié)晶與相圖2.6鐵碳合金相圖

晶體

——材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。非晶體：蜂蠟、玻璃等晶體：金剛石、NaCl、冰等

非晶體

——原子無規(guī)則堆積液體●晶體與非晶體2.2晶體結(jié)構(gòu)理論晶體與非晶體的根本區(qū)別不在外形，關(guān)鍵是內(nèi)部的原子（或離子、分子）的排列情況。晶體與非晶體的特點(diǎn)：晶體：固定的熔點(diǎn)在不同方向上具有不同的性能（各向異性）非晶體：沒有固定的熔點(diǎn)各向同性●晶體學(xué)基本概念晶體的結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）在空間的具體排列1.晶格金屬晶體離子晶體分子晶體根據(jù)結(jié)合鍵類型的不同共價(jià)晶體原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型晶格—通過質(zhì)點(diǎn)的中心劃出許多空間直線形成的空間格架2.晶胞—能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c

1.體心立方結(jié)構(gòu)

2.面心立方結(jié)構(gòu)

3.密排六方結(jié)構(gòu)●金屬晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格金屬原子位于立方晶胞的八個(gè)角上和立方體的體心如：-Fe、W、Gr、Mo等1.體心立方晶格體心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===902.晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)3.原子半徑：晶胞中原子最密排的方向上相鄰兩原子之間平衡距離的一半4.致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積2

4

r3/3XYZabc2r2raa21.晶格尺寸：晶胞的大小2.面心立方晶格-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc43.密排六方晶格C（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.742.3晶體缺陷理論實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的偏離單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致

的晶體（理想晶體）。如單晶Si半導(dǎo)體。多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。晶粒（單晶體）晶體缺陷類型（1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、置換原子（2）線缺陷：位錯(cuò)（3）面缺陷：晶界與亞晶界晶體缺陷在實(shí)際金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，不可避免的或多或少的存在一些原子偏離規(guī)則排列的區(qū)域1.點(diǎn)缺陷如果間隙原子是其它元素就稱為異類原子（雜質(zhì)原子）空位間隙原子2.線缺陷

—刃型位錯(cuò)與螺旋位錯(cuò)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)3.面缺陷晶粒（單晶體）晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。晶體液體結(jié)晶結(jié)晶：

液體-->晶體凝固：

液體-->固體（晶體或非晶體）液態(tài)固態(tài)氣態(tài)長程無序短程有序一、純金屬的結(jié)晶條件二、純金屬的結(jié)晶過程三、晶粒大小及控制四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

2.4純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶條件熱分析法：把純金屬置于坩鍋內(nèi)加熱成均勻熔體，而后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測定溫度變化，直至結(jié)晶完畢后冷卻到室溫。

冷卻曲線tTTmTn}

T過冷度

T=T0-Tn平衡結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度

T越大－Tn越低過冷度的大小與金屬的本性和純度的不同以及冷卻速度有關(guān)2.冷卻速度愈大，過冷度ΔT愈大。1.同一種金屬，純度越高，過冷度ΔT愈大。注意：若極其緩慢的進(jìn)行冷卻，過冷度ΔT幾乎接近于零，但是不管冷卻速度有多慢，都無法在理論結(jié)晶溫度進(jìn)行結(jié)晶。實(shí)際金屬總是在過冷條件下結(jié)晶，由熱力學(xué)條件決定自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種能量較高的狀態(tài)趨向于能量較低的狀態(tài)，能量最低的狀態(tài)最穩(wěn)定。固、液處于動(dòng)平衡高于Tm，液態(tài)比固態(tài)自由能低，金屬處于液態(tài)更穩(wěn)定低于Tm，金屬處于固態(tài)更穩(wěn)定二、純金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核長大的過程液體尺寸大的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，成為結(jié)晶核心晶核按各自方向吸收液體中的金屬原子而變大1.形核過程兩種形核方式

——自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。2.晶核長大過程兩種長大方式——

平面生長與樹枝狀生長。平面生長樹枝狀生長三、細(xì)化金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8級（p111)。細(xì)晶強(qiáng)化——晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象比較：細(xì)晶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性↑ 固溶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓（1）提高過冷度形核率N、長大速度G

與過冷度

T

的關(guān)系

TG，NGN細(xì)化晶粒的措施（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fcc770鐵磁性一、合金相結(jié)構(gòu)二、二元合金相圖2.5合金的結(jié)晶與相圖1．勻晶相圖2．共晶相圖3．共析相圖一、合金相結(jié)構(gòu)1.合金的基本概念合金

通過熔煉，燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)，稱為合金。組元

組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。

相在金屬或合金中，凡成分相同、聚集狀態(tài)相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，稱之為相。組織

在金屬和合金中，在顯微鏡下能觀察到的微觀形貌、圖象稱為組織，它是由單相物質(zhì)或多相物質(zhì)組合成的，具有一定形態(tài)特征的聚合體。固溶體

2.合金中的相結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的合金間隙固溶體

溶質(zhì)原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體，間隙固溶體仍保持著溶劑金屬的晶格類型。置換固溶體

溶質(zhì)原子代替溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。按溶質(zhì)原子在金屬溶劑晶格中的位置分類兩種類型的固溶體

置換固溶體

間隙固溶體2.合金中的相結(jié)構(gòu)無限固溶體

當(dāng)兩組元在固態(tài)無限溶解時(shí)，所形成的固溶體有限固溶體

當(dāng)兩組元在固態(tài)部分溶解時(shí)，所形成的固溶體按溶質(zhì)原子在金屬溶劑中的溶解度分類：固溶體的性能無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時(shí)，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。固溶強(qiáng)化：由于外來原子（溶質(zhì)原子）溶入基體中形成固溶體而使其強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。細(xì)晶強(qiáng)化——晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象金屬化合物

若新相的晶格結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種具有金屬特性的新物質(zhì)，稱金屬化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。二、二元合金相圖1.相圖的意義及相關(guān)概念1.合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。2.相圖用來表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織。2.二元合金狀態(tài)圖的建立熱分析法測定合金狀態(tài)圖：以Cu-Ni合金相圖測定為例(1)配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ

25%Cu+75%Ni；Ⅴ：純Ni。(2)測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點(diǎn)；(4)將圖中具有相同含義的臨界點(diǎn)連接起來，即得到Cu-Ni合金相圖。(3)將各臨界點(diǎn)繪在溫度—合金成分坐標(biāo)圖上；3.勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱二元?jiǎng)蚓鄨D。以Cu-Ni合金為例進(jìn)行分析。相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

純銅熔點(diǎn)純鎳熔點(diǎn)液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)結(jié)晶時(shí)由液相結(jié)晶出單相的固溶體的結(jié)晶過程，稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：1.結(jié)晶過程也包括形核和晶核長大兩個(gè)過程。2.勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。勻晶合金的結(jié)晶過程abcdT,CtL

L

L勻晶轉(zhuǎn)變

L

冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

4.共晶相圖PbSnSn%T,C鉛-錫合金共晶相圖液相線L固相線

+

L

+

L

+

固溶線

固溶線兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成共晶組織的二元系相圖共晶轉(zhuǎn)變分析PbSnT,CL

+

L

+

L

+

共晶反應(yīng)線表示從c點(diǎn)到e點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)表示d點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。dLd

c

+

e共晶反應(yīng)要點(diǎn)PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183ced共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。X1合金結(jié)晶過程分析cefgX1T,CtL

L

LL+

冷卻曲線

+

Ⅱ

Ⅱ1234{PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedX1合金結(jié)晶特點(diǎn)T,CtL

L

LL+

冷卻曲線

+

Ⅱ

Ⅱ1.沒有共晶反應(yīng)過程，而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成單相

固相。2.要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，室溫組織組成物為+Ⅱ組織組成物組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。X2合金結(jié)晶過程分析

（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL

(+)共晶體冷卻曲線(+)PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedX3合金結(jié)晶過程分析

（亞共晶合金）X3T,CtLL+

(+)+

+

Ⅱ12(+)+

PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedL+(+)+

標(biāo)注了組織組成物的相圖5.共析相圖共析轉(zhuǎn)變：

(+)共析體ABT,C

+

+

+

cedL

+

L2.6鐵碳合金相圖1純鐵和鐵碳合金中的相2鐵碳合金相圖分析3鐵碳合金成分、組織與性能的關(guān)系及應(yīng)用純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fcc770鐵磁性§1純鐵和鐵碳合金中的相一、純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵含雜質(zhì)：0.1％～0.2％碳含量很低，硬度和強(qiáng)度很低，工程上應(yīng)用很少。常用鐵碳合金

碳在中形成的間隙固溶體，面心立方晶格。用A或

表示。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%。強(qiáng)度低、塑性好。

碳在中形成的間隙固溶體，體心立方晶格。用F

或

表示。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。性能與純鐵相似。二、鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)1.鐵素體2.奧氏體3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用形成的具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，分子式Fe3C。含碳6.69%，F(xiàn)e3C硬度高、強(qiáng)度低、脆性大，塑性幾乎為零。一、相圖分析§2鐵碳合金相圖分析1.相圖上重要的點(diǎn)、線、區(qū)液相線—ABCD固相線—AHJECFD五個(gè)單相區(qū)：

L－液相區(qū)－高溫鐵素體相區(qū)－奧氏體相區(qū)－鐵素體相區(qū)Fe3C－滲碳體相區(qū)七個(gè)兩相區(qū):L+

、L+

、L+Fe3C、

+

、

+Fe3C、

+

、

+Fe3C（1）HJB：包晶線轉(zhuǎn)變線

LB+δH?

J

2.三個(gè)重要恒溫轉(zhuǎn)變?nèi)龡l重要的水平線：HJB線、ECF線、PSK線共晶產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體，用Le表示。為蜂窩狀，以Fe3C為基，性能硬而脆。（2）ECF：共晶轉(zhuǎn)變線

LC?

E+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布,起強(qiáng)化作用，強(qiáng)度和硬度高，但塑性差。（3）PSK：共析轉(zhuǎn)變線

S?FP+Fe3C3.三條重要的特征線ES—碳在

-Fe中的溶解度曲線（固溶線）。又稱Acm線PQ—碳在

-Fe中的固溶線。GS—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線§2鐵碳合金相圖分析一、鐵碳合金按其含碳量及室溫組織分類

①純鐵

:wc

<0.0218%

②鋼亞共析鋼:wc=

0.0218~0.77%共析鋼:wc=0.77%過共析鋼:wc=

0.77~2.11%③白口鑄鐵

亞共晶白口鐵:wc=

2.11~4.3%共晶白口鐵:wc=

4.3%過共晶白口鐵:wc=

4.3~6.69%典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖

圖5-2二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析1.含碳0.01%的工業(yè)純鐵

2.含碳0.77%的共析鋼（合金②）

3.含碳0.40%的亞共析鋼（合金③）

4.含碳1.2%的過共析鋼（合金④）

5.含碳4.3%的共晶白口鐵(合金⑤）

6.含碳3.0%的亞共晶白口鐵(合金⑥）7.含碳5.0%的過共晶白口鐵（合金⑦）

1.含碳0.01%的工業(yè)純鐵

圖5-3工業(yè)純鐵結(jié)晶過程2.0.77%共析鋼結(jié)晶過程

圖5-5共析鋼結(jié)晶過程示意圖

3.亞共析鋼結(jié)晶過程

圖5-7亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖4.1.2%C的過共析鋼的結(jié)晶過程

圖5-9過共析鋼的結(jié)晶過程鐵碳合金組織特征圖(a)0.01%C鐵素體500×(c).0.77%C珠光體

500×(b)0.45%C鐵素體+珠光體

500×d).1.2%C

鐵素體+二次滲碳體

500×圖5-115.共晶白口鐵的結(jié)晶過程

圖5-12共晶白口鐵的結(jié)晶過程示意圖6.亞共晶白口鐵結(jié)晶過程

圖5-14亞共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖

7.過共晶白口鐵結(jié)晶過程

圖5-16過共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖三、碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響1.含碳量對平衡組織的影響

圖5-18含碳量對平衡組織的影響示意圖

從圖中可以看出,鐵碳合金隨含碳量增高，其組織發(fā)生如下變化：（沿F晶界分布的基片）→共析滲碳體（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→（沿A晶界呈網(wǎng)狀分布）→共晶滲碳體（為萊氏體的基體）→（分布在萊氏體上的粗大狀）。

2.含碳量對鐵碳合金機(jī)械性能的影響圖5-19含碳量對鐵碳合金機(jī)械性能的影響

隨著含碳量的增加，強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，由于網(wǎng)狀二次滲碳體的出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降。為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)乃苄?、韌性，其含碳一般不超過1.3～1.4%。含碳量大于2.11%的鐵碳合金，即白口鑄鐵，由于其組織中存在大量的滲碳體，具有很高的硬度和脆性，難以切削加工，除少數(shù)耐磨件外很少應(yīng)用。

四、相圖的實(shí)際應(yīng)用

1.為選材提供成分依據(jù)

低碳鋼（0.10~0.25%C）:適用于要求塑性，韌性好的零件，如建筑結(jié)構(gòu)和容器等。中碳鋼（0.25~0.60%C）:適用于要求強(qiáng)度、塑性、韌性都較好的零件，如軸等。高碳鋼（0.6~1.3%C）:適用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如工具等。

白口鑄鐵具有很高的硬度和脆性，應(yīng)用很少，但因其具有很高的抗磨損能力，可應(yīng)用于少數(shù)需要耐磨而不受沖擊的零件，如：拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等。

2.為制定熱加工工藝提供依據(jù)

對鑄造：確定鑄造溫度；根據(jù)相圖上液相線和固相線間距離估計(jì)鑄造性能的好壞.

對于鍛造：確定鍛造溫度。

對焊接：根據(jù)相圖來分析碳鋼焊縫組織，并用適當(dāng)熱處理方法來減輕或消除組織不均勻性。

對熱處理：相圖更為重要，這在下面一章中詳細(xì)介紹?！?碳鋼

一、鋼中常存雜質(zhì)元素對鋼的性能的影響

Mn、Si:它們大部分溶于鐵素體中，強(qiáng)化鐵素體；一部分Mn能溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，這都使鋼的強(qiáng)度提高，同時(shí)Mn還能與S化合成MnS，減輕S的有害作用。

S:S不溶于鐵，而以FeS形式存在，F(xiàn)eS會與Fe形成低熔點(diǎn)共晶體，并分布于奧氏體的晶界上，當(dāng)鋼材在熱加工時(shí)，會沿著FeS-Fe共晶體邊界開裂，鋼材變得極脆，產(chǎn)生熱脆性。

P:P使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆，產(chǎn)生“冷脆”。

二、碳鋼的分類、編號和用途

1.碳鋼的分類

(1)按含碳量分類低碳鋼:wc=0.01~0.25%

中碳鋼:wc=0.25~0.6%

高碳鋼:wc=0.6~1.3%

(2)按質(zhì)量分類普通碳素鋼:ws≤0.055%wp≤0.045%

優(yōu)質(zhì)碳素鋼:ws、wp

≤0.035~0.040%

高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼:ws

≤0.02~0.03%