第2章材料組織.ppt

1、第2章 工程材料的組織結(jié)構(gòu),2.1,2. 2,2. 3,純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介,合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,學(xué)習(xí)目的: 通過本章的學(xué)習(xí)，了解常用材料的組織結(jié)構(gòu)，理解和掌握鐵碳合金相圖的內(nèi)容與應(yīng)用。,本章重點內(nèi)容:1.金屬的結(jié)晶條件、規(guī)律及控制 2.鐵碳合金的基本組織 3.鐵碳合金相圖的內(nèi)容與意義與應(yīng)用,2.1.1,2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,晶體：材料的原子(離子、分子)在三維空間呈規(guī)則 的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、金屬等。 非晶體：材料的原子(離子、分子)在三維空間無規(guī) 則排列的物體。如松香、石蠟、玻璃等。,晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式。,晶格假設(shè)

2、通過原子結(jié)點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。,晶胞能反映晶格特征的最小組成單元。,晶格常數(shù)晶胞的三個棱邊的長度a,b,c。,第2章,金屬的晶體結(jié)構(gòu),純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1.基本概念,2.1,1,2 常見的金屬晶體結(jié)構(gòu),（1） 體心立方晶格,有：鉬(Mo)、鎢、釩、鉻、鈮、-Fe等。,（2）面心立方晶格,（3）密排六方晶胞,有：鋁、銅、鎳、金、銀、-Fe等。,有：鎂、鎘(Cd)、鋅、鈹(Be)等。,2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),第2章,2,2.1.2實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),1.多晶體結(jié)構(gòu),晶粒,晶界,位向,各向同性,2.1.2,實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),3,第2章,2.1.2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),

3、2.實際金屬中的晶體缺陷,(1)點缺陷三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。, 空位, 空位, 間隙原子, 間隙原子,(2)線缺陷二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。, 刃型位錯, 螺型位錯, 刃型位錯,(3)面缺陷二維尺度很大而第 三維尺度很小的缺陷。, 晶界, 亞晶界,晶界,4,第2章, 金屬晶體缺陷的影響 ？,點缺陷-造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強度增加, 密度發(fā)生變化。,線缺陷-形成位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，金屬強度很高，位錯密度越大，金屬強度也會提高。,面缺陷-晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高。,金屬塑性變形的能力越大，塑性越好。,2.1.2

4、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),第2章,5,2.1.3純金屬的結(jié)晶,第2章,6,液態(tài)L固態(tài)S S可以是非晶體。,一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子 規(guī)則排列狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程。,一LS晶態(tài),SS晶態(tài),（1） 冷卻曲線與過冷度,液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度時間曲線,一次結(jié)晶,二次結(jié)晶,凝固,結(jié)晶,2.1.3,純金屬的結(jié)晶,1.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律,過冷度理論結(jié)晶溫度 和實際結(jié)晶溫 度之差。,T = T0T1,冷卻速度越快，過冷度越大,過冷液態(tài)金屬的實際結(jié)晶 溫度總是低于理論結(jié)晶 溫度的現(xiàn)象。,2.1.3 純金屬的結(jié)晶,第2章,7,只有當(dāng)液體的過冷度達到一定的大小，結(jié)晶過程才能 開始進行過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。,

5、(2)結(jié)晶的一般過程,2.1.3純金屬的結(jié)晶,第2章,8,形核自發(fā)形核 非自發(fā)形核,長大,樹枝狀長大,結(jié)晶過程,2.1.3 純金屬的結(jié)晶,第2章,9,平面長大,2.1.3 純金屬的結(jié)晶,第2章,10,(1)晶粒度,單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度(或直徑)。,(3)過冷度對形核一長大的影響,過冷度T提高，N提高、G提高 過冷T太高，N降低、G降低,(2)晶粒大小對力學(xué)性能的影響,晶粒越細，金屬的強度、硬度 越高，塑性、韌性越好,1.金屬結(jié)晶后的晶粒大小,2.1.3 純金屬的結(jié)晶,第2章,11,(4)晶粒大小的控制,提高過冷度,變質(zhì)處理,在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶 核的核心

6、，以細化晶粒和改善組織。,振動、攪拌等,2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,12,合金的相結(jié)構(gòu),2.2,2.2.1,1.基本概念,合金 組元 合金系 相 組織,第2章,(1)合金,由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 普通黃銅：Cu+Zn 45鋼: 鐵碳合金,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,13,合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達到的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、 強磁性、耐蝕性等。,(2)組元,組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。,組成合金的獨立的，最基本的單元,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,

7、14,(3)合金系,若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金,(4)相,在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。 鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會出現(xiàn)相的變化。 純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。 固態(tài)白銅(銅與鎳二元合金)是單相的。 合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。,在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,15,(5)組織,合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。 不同組織具有不同的性能。 由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。 同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同

8、的組織，從而獲得不同的性能。 45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。,組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,16,(1)固溶體,合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。,固溶體,溶劑,+,溶質(zhì),一種固相,能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。,失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),17,第2章,2.合金的相結(jié)構(gòu),固溶體的分類,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將

9、固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。,溶解度：指溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,18,間隙固溶體,溶質(zhì)原子進入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。,置換固溶體,溶質(zhì)原子占據(jù)在溶劑晶格的某些結(jié)點上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。,間隙固溶體,置換固溶體,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,19,溶質(zhì)與溶劑以任 何比例都能互溶， 固溶度達100， 則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。,間隙固溶體,溶質(zhì)原子與溶劑

10、原子直徑之比應(yīng)小于059方可。,直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。,過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C 、N、H、B等易形成間隙固溶體。,溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。,溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變越大。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,20,置換固溶體,無限固溶體一定是置換固溶體。,置換固溶體也可以是有限固溶體。,兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑和電化學(xué)特性接近，則容易形成置換固溶體。,無限固溶體形成條件,兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同是必要條件。,溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對差(rArB)rA小于8%左右時。,2.2.

11、1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,21,第2章,22,碳在 Fe中的間隙固溶體,銅和金形成的置換固溶體,第2章,23,固溶體的性能,固溶體與純金屬相比強度、硬度升高。,這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。,它是強化金屬材料的重要途徑之一。,固溶體的強度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。,固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,24,固溶強化的原因,由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強度和硬度。,2.2.1合金的

12、相結(jié)構(gòu),第2章,25,(2)金屬化合物,它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。,金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點高，硬而脆。 合金中出現(xiàn)金屬化合物時，常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。,根據(jù)合金中金屬化合物相結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和特點，可大致劃分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,26,a,第2 章,27,當(dāng)金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性(此現(xiàn)象稱為彌散強化)。因此，金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質(zhì)合金及有色金屬的重要組成相及強化相。而性能除固溶強

13、化影響外，還取決于金屬化合物的種類和數(shù)量。,彌散強化,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,28,機械混合物,工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因為化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構(gòu)成的機械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。,2.2.1合金的相結(jié)構(gòu),第2章,29,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,30,合金相圖,相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金系中各種合金狀態(tài)、組 織與溫度、成分之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平 衡圖或狀態(tài)圖。,合金

14、的結(jié)晶,2.2.2 合金的結(jié)晶,1. 鐵碳合金相圖的表示方法,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,31,橫坐標表示合金成分即碳的質(zhì)量分數(shù),縱坐標表示溫度,2.鐵碳合金相圖的建立,3.Fe-Fe3C相圖的意義,（1）純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,32,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,33,(2)鐵碳合金的基本相,鐵素體(F),奧氏體 (A),滲碳體(Fe3C),室溫時的性能與純鐵相似，強度、 硬度低，塑性和韌性好。,具有一定的強度和硬度，塑性也很好。,硬度很高（約1000HV），塑性、 韌性幾乎為零，極脆。,鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）組成的珠光體(P)、 奧氏體與滲碳體（A

15、+Fe3C）組成的高溫萊氏體(Ld) 珠光體與滲碳體（P + Fe3C）組成的低溫萊氏體(Ld),三種復(fù)相組織,碳溶于-Fe中的間隙固溶體,碳溶于-Fe中的間隙固溶體,鐵與碳形成的金屬化合物,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,34,(3)相圖中的特性點、線的意義、 相區(qū)相的組成及各區(qū)域的組織,特性點,A、C、D、E、G、P、S、Q,特性線,ACD,AECF,ECF,PSK,GS,GP,ES,PQ,相區(qū)相的組成,L、A、F、L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C,在恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種一定成分固相的轉(zhuǎn)變。,共晶轉(zhuǎn)變:,共析轉(zhuǎn)變:,在恒溫下，由一定成分的固相同時析

16、出兩種一定成分 的固相的轉(zhuǎn)變。,各區(qū)域的組織,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,35,2.2.2 合金的結(jié)晶,第2章,36,2.2.2 合金的結(jié)晶,第2章,37,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,38,(4)典型合金的冷卻過程及其組織,鐵碳合金的分類,工業(yè)純鐵 wc0.0218%，室溫組織：鐵素體和三次滲碳體； 非合金鋼 0.0218%wc2.11%，根據(jù)室溫組織不同，又可以分為： 亞共析鋼 0.0218%wc0.77%，室溫組織：鐵素體和珠光體； 共析鋼 wc=0.77%，室溫組織：珠光體； 過共析鋼 0.77%wc2.11%，室溫組織：珠光體和二次滲碳體。 白口鑄鐵 2.11%wc6.69%，

17、根據(jù)室溫組織不同，又可以分為： 亞共晶白口鑄鐵 2.11%wc4.3%，室溫組織：珠光體、低溫萊氏體 和 二次滲碳體； 共晶白口鑄鐵 wc=4.3%，室溫組織：低溫萊氏體； 過共晶白口鑄鐵：4.3%wc6.69%，室溫組織：滲碳體和低溫萊氏體,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,39,典型合金的冷卻過程分析,共析鋼的冷卻過程分析 過wc=0.77%的點作一條垂直于橫軸的垂線(合金線)，與相圖分別交于1、2、3(S0點溫度，以這三點溫度為界，分析其冷卻過程。 1點以上:液相(L); 1點：從液相中結(jié)晶出奧氏體(A); 2點:奧氏體; 23點(即S點):奧氏體。 3點(727):共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同

18、時析出鐵素體和滲碳體 , 稱為珠光體，其共析轉(zhuǎn)變式為:,力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，即強度 較高，硬度適中，有一定塑性,性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,40,珠光體,萊氏體,(5)碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳合金平衡組織和力學(xué)性能的影響,對鐵碳合金平衡組織的影響,F+Fe3CF+PPP+Fe3C P+Fe3C+LdLdLd+Fe3C,對鐵碳合金力學(xué)性能的影響,4.鐵碳合金相圖的應(yīng)用,2.2.2合金的結(jié)晶,41,第2 章,(1)在選材方面的應(yīng)用,要求塑性、韌性好的各種型材和建筑用鋼，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分數(shù)低的鋼；承受沖擊載荷，并要求較高強度、塑性和韌性的機械零件，應(yīng)

19、選用碳的質(zhì)量分數(shù)為0.25%0.55%的鋼；要求硬度高、耐磨性好的各種工具，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分數(shù)大于0.55%的鋼；形狀復(fù)雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件（如冷軋輥、拉絲模、犁鏵等），應(yīng)選用白口鑄鐵。,(2)在鑄造方面的應(yīng)用,純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙結(jié)晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。澆注溫度一般在液相線以上50100 。,(3)在鍛造和焊接方面的應(yīng)用,(4)在熱處理方面的應(yīng)用,2.2.2合金的結(jié)晶,第2 章,42,合金為單相組織時變形抗力小，變形均勻，不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時更是如此，因為他們都很脆。單相奧氏體狀態(tài)時，可獲得良好的塑性，易于鍛造成形。白口鑄鐵無論是在低溫還是高溫，組織中均有大量硬而脆的滲碳體，故不能鍛造 碳的質(zhì)量分數(shù)越高，鐵碳合金的焊接性越差。,確定各種熱處理工藝的加熱溫度,存在同素異晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、固溶度變化的合金才能進行熱處理。,2.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介,第2章,43,2.3.1 高分子材料的結(jié)構(gòu),非金屬材料的結(jié)構(gòu)簡介,2.3