[工学]金属材料与热处理课件.ppt

第一章金属的晶体结构与结晶 金属的特性和金属键 晶体与非晶体 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一 实际晶体中晶体缺陷普遍存在 对金属的许多性质 尤其是力学性能有着重大的影响 纯金属结晶过程 晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用 凝固时细化晶粒的途径和方法 金属 金属键结合 具有正的电阻温度系数 导电性和导热性 延展性和金属光泽 固体 晶体和非晶体 绝大多数金属与合金都是晶体 晶体 原子在空间呈有规则的周期性重复排列 金属原子间的键合特点 金属键 共有价电子 电子云 键无方向性和饱和性 晶体与非晶体最本质的区别在于 1 晶体的原子 离子 分子等质点是规则排列 而非晶体中这些质点是无规则堆积在一起的 天然晶体的外形对称性 2 晶体具有明显 固定的熔点 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 3 晶体有各向异性 金属是晶体 晶体学理论研究金属的内部结构 一 晶体学简介1晶体结构模型理想晶体中 原子规则排列 原子在空间周期性地重复 每个原子具有相同的环境 假设 原子为固定不动的刚性小球 2 晶格 空间点阵 晶胞将原子 离子等抽象为几何的点 空间点阵 几何点 原子 在空间排列的阵列 晶格 几何点 原子 排列的空间格架 晶胞 晶格中体积最小 对称性最高的平行六面体 是能代表原子排列形式特征的最小几何单元 点阵参数 点阵常数a b c 棱间夹角 P 晶胞在三维空间的重复排列 构成点阵 布拉菲在1948年根据 每个阵点环境相同 的要求 用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种 称为布拉菲点阵 分属7个晶系 二 金属晶体典型结构 三种典型晶体结构 体心立方 面心立方 密排六方 晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目 配位数是指在晶体结构中 与任一原子最近邻且等距离的原子数 致密度是指晶胞中原子所占体积分数 即K nv V 式中 n为晶胞所含原子数 v 为单个原子体积 V为晶胞体积 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半 体心立方晶格参数 Cr V Mo W和 Fe等30多种 1 2金属晶体典型结构 体心立方晶格参数 1 2金属晶体典型结构 体心立方晶格参数 1 2金属晶体典型结构 bcc晶体结构特征分析 1 点阵参数a b c 90 2 晶胞中原子数 1 8 1 8 23 原子半径r 3 4a4 8配位数越大 原子排列越紧密 5 致密度 晶胞中所含原子占体积的总和 晶胞体积 n V原子 V晶胞 面心立方晶格参数 Al Cu Ni和 Fe等约20种 1 2金属晶体典型结构 面心立方晶格参数 1 2金属晶体典型结构 面心立方晶格参数 1 2金属晶体典型结构 a fcc晶体结构特征 1点阵参数 a b c 2晶胞原子数 N 3 1 43原子半径r 2a 44配位数 125致密度 nv V 4 3 r3 4 a3 0 74 Fe 912 1394 Cu Ni Al Ag等 三 密排六方结构金属有 Zn Mg Be Ti Co等晶体结构特征 1 点阵参数 a1 a2 a3 a 1 2 3 1200平面轴X1 X2 X3和Z轴的夹角 9OOZ轴的单位长度 c 一般用a c两个量来度量 2 晶胞原子数N Ni Nf 2 Nc 6 3 2 2 12 6 63 原子半径 当c a 1 633时 三层原子紧挨着 此时d a r a 2 4 配位数 125 致密度 0 74 Z X1 X2 X3 金属中常见的三种晶体结构特征小结 P5 四 晶向指数和晶面指数晶向 在晶体点阵中 由阵点组成的任一直线 代表着晶体空间内的一个方向 称为晶向 晶面 在晶体点阵中 由阵点所组成的任一平面 代表着晶体的原子平面 称为晶面 1晶向指数晶向指数 用数字符号定量地表示晶向 这种数字符号称为晶向指数 晶向指数的标定方法 1 确定坐标系 对立方晶系选用三轴直角坐标系 X Y Z轴互相垂直 以晶格常数a b c作为三个轴的单位长度 2 以晶向上的任一原子作为坐标原点 找出该晶向上另一原子的坐标值 并化为最小整数 或者从座标原点引一条平行于待测晶向的直线 3 uvw 晶向族 同一种晶体结构中空间位向不同 但原子排列情况相同的一系列晶向 100 010 001 100 010 001 110 101 011 110 101 011 2晶面指数 用数字符号定量地表示晶面 晶面指数标定方法 1 以晶胞的三条互相垂直的棱边为座标轴X Y Z 坐标原点0应位于待定晶面之外 2 以晶格常数为单位求出待定晶面在各轴上的截距 3 取各截距的倒数 最小整数化 hkl 晶面族 晶面指数的数字相同 但排列顺序不同的一系列晶面 原子排列完全相同 用 hkl 表示 如在立方晶系中 100 晶面族包括 100 010 001 100 010 001 111 晶面族包括 111 111 111 111 111 111 111 111 晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面 不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的 下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面 晶向上的原子排列方式和紧密程度 五 晶体的同素异构转变 多晶型性转变 金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象称之为同素异构转变 温度 压力 如Fe晶体 室温 912 体心立方 Fe 912 1394 面心立方 Fe 1394 熔点1538 体心立方 Fe Fe Mn Ti Co等少数金属具有同素异构转变 性能随之变化 六 晶体的各向异性不同晶面和晶向上原子密度不同 原子间距离不同 结合力不同 晶体在不同方向上的力学 物理和化学性能有所差异 各向异性 Fe单晶体 密排方向 111 的弹性模量E 290 000MN m2 而非密排方向100的E 135 000MN m2 七 多晶体的伪各向同性如Fe 不同方向上E均为210000MN m2左右 原因 实际材料为多晶体 各单晶粒分布的方向不同 各向异性相互抵消 而呈现无向性 伪各向异性 2晶体缺陷 原子的不规则排列产生晶体缺陷 晶体缺陷在材料组织控制 如扩散 相变 和性能控制 如材料强化 中具有重要作用 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷 如空位 间隙原子 异类原子等 线缺陷 在两个方向上尺寸很小 而另一个方向上尺寸较大的缺陷 主要是位错 面缺陷 在一个方向上尺寸很小 在另外两个方向上尺寸较大的缺陷 如晶界 相界 表面等 理想晶体 是指晶体中原子严格地成 完全规则和完整的排列 在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体 如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体 实际晶体 多晶体 晶体缺陷晶体缺陷 是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域 按其几何尺寸特征 可分为点缺陷 线缺陷和面缺陷三类 3 1点缺陷 一 点缺陷的类型 1 空位 肖脱基空位 离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面 弗兰克尔空位 离位原子进入晶体间隙 2 间隙原子 位于晶体点阵间隙的原子 3 置换原子 位于晶体点阵位置的异类原子 二 线缺陷位错 两维尺寸很小 一维尺寸大的原子不规则排列 一列或若干列原子有规律的错排现象 刃型位错 1 有一额外半原子面 2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道 螺型位错 混合位错 2位错密度和金属材料强度的关系 1 位错在晶体中存在形态位错网络 密度高时互相缠绕 形成位错缠结 2 位错密度单位体积包含的位错总长度 L V退火软化金属中 1010 1012m 2冷变形金属中 1015 1016m 2 3 金属强度和位错的关系金属铁须晶 直径1 6 m 13400MPa 退火工业纯铁 300MPa 强化处理合金钢 2000MPa 三面缺陷两维尺寸很大 第三向尺寸很小类型 晶体表面 晶界 亚晶界 层错 相界晶界 小角度晶界 相邻晶粒的位向差小于10 的晶界 基本上由位错构成 大角度晶界 相邻晶粒的位向差大于10 的晶界 原子排列比较混乱 结构比较复杂 亚晶界 晶粒内部位向差小于1 的亚结构 也称为亚晶粒 亚晶之间的界面 称为亚晶界 通常由位错构成 亚晶界 相界 不同结构的晶粒之间的界面界面结构类型 共格界面 半共格 非共格 3金属的结晶与铸锭本章学习要点 形核条件 结晶过程及结晶的微观机理 影响铸造中晶粒大小的因素及控制 结晶后的组织特征 一金属结晶现象1热力学条件热力学 系统转变的方向和限度 转变的可能性热力学第二定律 在等温等压条件下 物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变 G G 转变后 G 转变前 0只有存在 T时 才能保证 G 0 使L S 存在过冷度 T的原因 2 金属结晶的宏观现象1 过冷现象2 结晶潜热 Lm Gv Lm T Tm 二结晶的过程结晶的过程 形核与长大1形核 形核方式有两种 均匀形核 即新相晶核在母相内自发地形成 非均匀形核 即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行 但均匀形核的基本规律十分重要 它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础 而且也是研究固态相变的基础 1 均匀形核 均匀形核 均质形核 是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程 均匀形核的能量和结构条件在过冷的液态金属中 晶胚形成的同时 体系自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加 假设单位体积自由能的下降为 Gv Gv 0 比表面能为 晶胚假设为球体 其半径为r 则晶胚形成时体系自由能的变化为 G 4 r3 Gv 3 4 r2 当rrc时 晶胚的长大使系统自由能降低 这样的晶胚称为临界晶核 rc为临界晶核半径 可见 过冷度 T越大 rc越小 即形核的机率增加 形成临界晶核需要的能量称为临界晶核形核功 Gc 即上式表明 形成临界晶核时液 固相之间的自由能差只能供给所需要的表面能的三分之二 另外的三分之一则需由液体中的能量起伏来提供 金属形核三个条件 1 过冷度 T 2 结构起伏 3 能量起伏 经研究发现在略高于熔点时 液态金属的结构具有以下特点 是近程有序远程无序结构 见右图 存在着能量起伏和结构起伏 2 非均匀形核 假定固相晶胚 以球冠状形成于基底B的平面上 如图5 9所示 设固相晶核表面的曲率半径为r 晶核与基体面的接触角为 球冠底圆半径为R 在 0 之间 2 3cos cos3 恒小于1即非均匀形核功很小 在很小的 T下即可形核 而且 角越小 润湿越好 则越易生核 总之 非均匀形核比均匀生核容易 3 形核率 N cm 3s 1 单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目 意义 N越大 结晶后获得的晶粒越细小 材料的强度高 韧性也好 控制因素 N N1 N2N1 受形核功影响的因子 T N1 N2 受扩散控制的因子 T N2 实际生产中过冷度均匀形核 自发形核 核来源于结构起伏过冷度 T 0 2Tm非均匀形核 非自发形核 核来源于金属溶液中的第二相杂质粒子 形核功下降故其过冷度 T 0 02Tm 2晶核的长大 枝晶生长 方式 常见 三 晶粒大小及控制 1 晶粒大小对材料性能的影响常温下 金属的晶粒越细小 强度和硬度越高 塑性和韧性也越好 2 铸造中控制晶粒大小每个晶核长成一个晶粒 形核率越大 长大速度越小 则单位体积中的晶粒数目越多 晶粒越细小 凡促进形核 抑制长大的因素 都能细化晶粒 在工业上常用的方法有 增加过冷度 T变质处理振动 搅动 机械方法 电磁波搅拌 趋声波搅拌等 四金属铸锭的组织与缺陷1 铸锭三晶区 一 表层细晶区形成原因 1 过冷度 T大 2 模壁作为非均匀形核的位置 二 柱状晶区形成原因 1 细晶区形成后 模壁温度升高 结晶前沿过冷度 T逐渐减小 不易形成新的晶核 而已形成的细晶区中某些晶粒可以长大 2 垂直于模壁方向散热最快 晶体沿相反方向择优生长成柱状晶 三 中心等轴粗晶区形成原因 1 液体温度全部降到结晶温度以下 可同时形核 2 杂质集中与此 降低了液体的熔点 满足了结晶对过冷度的要求 3 散热失去了方向性 各方向长大速度相差不大 长成等轴晶 由于过冷度 T不大 晶粒较粗大 等轴晶和柱状晶体性能比较 2铸锭组织的控制一般有三个晶区 凝固条件复杂 在某些情况下只有柱状晶区 而有的只有等轴晶区 一 影响柱状晶生长的因素 1 铸锭模的冷却能力柱状晶的长大速度与己凝固固相的温度梯度和液相的温度梯度有关 固相的温度梯度越大 或液相的温度梯度越小 则柱状晶的长大速度便越大 铸锭模及刚结晶的固体的导热能力越大 越有利于柱状晶的生长 对尺寸较大的铸件 若增加金属铸模的厚度 提高铸模的冷却能力 都会增加柱状晶 但对尺寸较小的铸件 若铸模冷却能力很大 反而促进等轴晶的发展 增加形核率 如在小连铸小截面钢坯时 采用水冷结晶器 就可使连铸锭全部获得细小的等轴晶粒 2 浇注温度与浇注速度提高浇注温度和浇注速度 使温度梯度增大 有利于柱状晶发展 3 熔化温度熔化温度越高 液态金属过热度越大 非金属夹杂物溶解越多 非均匀形核数目减少 从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性 有利于柱状晶区的发展 3铸锭缺陷常见的缺陷有缩孔 气孔及夹杂物等 一 缩孔大多数金属液态密度要小于固态 因此结晶时要发生体积收缩 缩孔分为集中缩孔和分散缩孔 缩松 两类 1 集中缩孔2 分散缩孔 二 气孔 气泡 铸锭中的主要气体是氢 其次是氮和氧 在铸锭 件 凝固过程中析出的气泡来不及上浮 就会留在铸锭 件 中 给材料的性能造成不利影响 三 夹杂物钢锭 件 中的夹杂物根据来源分为两类 外来夹杂物 如在浇注过程中混入的耐火材料等 内生夹杂物 如氧化物夹杂 硫化物夹杂 氮化物夹杂等 夹杂物的存在 对铸锭 件 的性能产生不良影响 1金属的塑性变形 一金属变形的方式及研究方法1方式 弹性变形塑性变形断裂 2研究方法 载荷 变形曲线 工程应力 应变曲线 真应力 真应变曲线 成形 失效 研究手段 真应力 真应变曲线与工程应力 工程应变曲线差别 第二章金属的塑性变形与再结晶 动画3常见的各种外载荷 17 动画3常见的各种外载荷 17 19 动画4低碳钢的应力应变图 3工程应力应变曲线 低碳钢应力应变曲线 典型性 分析变形过程 强度 塑性指标的意义 e s 1 b 二单晶体的塑性变形 从单晶体到多晶体的塑性变形塑性变形方式 滑移 孪生 F 3 动画1单晶体正应力拉伸 1 塑性变形金属在外力作用下 内部产生应力和应变 当应力小于屈服强度时 内部只发生弹性应变 当应力超过屈服强度时 迫使组成金属的晶粒内部产生滑移或孪晶 同时晶粒间也产生滑移和转动 因而形成了宏观的塑性变形 1 弹性变形及破断当金属受外力作用时 外力可分为正应力和切应力 正应力使金属产生弹性变形或破断 见动画1 2 单晶体塑性变形 实验表明 晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形 室温下 单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的 滑移是指在切应力作用下 晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面作整体滑动 动画2为单晶体在切应力作用下的滑移变形过程 4 动画2单晶体在切应力作用下的滑移变形 孪生是指在切应力作用下 晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动 使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称 单晶体在切应力 作用下的孪生变形过程见动画3 动画3孪生变形 3 孪生 5 一 滑移及相关概念 滑移 晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相对的平行滑动 滑动的距离为原子间距的整数倍 这种变形方式称为 滑移带 滑移线 高锰钢中的滑移带 X500 2滑移特点 发生在最密排晶面 滑移方向为最密排晶向 弹性伸长 弹性歪扭 断裂 塑性变形 滑移 只在切应力下发生 存在临界分切应力 F k的影响因素 取决于金属本性 与外力无关 取向无关 s的影响因素 与 k有关 与取向有关 滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍 滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致 本质 位错的运动 位错运动 由于位错运动只是少量原子的微量移动 因而其所需的临界切应力远远小于刚性滑移 这也就是塑性变形在外力远未达到理论临界切应力时就已大量发生的原因所在 近代塑性理论研究与实践证明 晶体内的滑移或孪生不是晶体两部分之间的整体刚性滑动或转动 而是通过位错运动来实现的 位错是晶体内部的一种线缺陷 是局部晶体内某一列或若干列原子发生错排而造成的晶格扭曲现象 如动画4所示 动画4位错运动 6 伴随晶体的转动和旋转 滑移面转向与外力平行方向 滑移方向旋向最大切应力方向 3滑移系及滑移系数的实际意义 1 各晶体结构的滑移系体心立方 b c c 面心立方 f c c 滑移面 110 110 011 101 110 011 101 滑移方向 111 滑移系数 6 2 12 滑移面 111 111 111 111 111 滑移方向 110 滑移系数 4 3 12 2 滑移系数目的实际意义 判断塑性变形能力滑移系数目愈多 塑性愈好 滑移系数相同时 滑移方向多者塑性较好 塑性变形的能力 f c c b c c h c p 二 孪生晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 孪生面 产生一定角度的切变 三多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形特点 单个晶粒与单晶体一致 各晶粒的变形具不同时性 分批 逐次 原因 取向不同 变形具不均匀性 晶粒内部与边界 晶粒之间 多晶体变形抗 阻 力 单晶体 晶界阻碍位错运动 位向差 晶粒之间须协调 意义 晶界强化 2塑性变形对金属组织和性能的影响 一塑性变形对组织结构影响1晶粒变形 等轴状 拉长纤维组织 带状组织 性能各向异性 2亚结构的细化铸态d 10 2cm 塑变后d 10 4 10 6cm原因 位错受阻后塞积 缠结 亚晶界 晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块 变形中的晶粒碎化 晶格较完整的亚晶块 严重畸变区 3产生形变织构 定义 金属塑性变形到很大程度 70 时 晶粒发生转动 各晶粒的位向趋于一致 这种有序化的结构 织构造成性能各向异性 变形不均匀 产品产生 制耳 现象 二塑性变形对金属性能的影响 1加工硬化定义 随变形度增大 金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象 原因 位错增殖理论 意义 1 强化手段 形变强化 2 有利于塑性变形均匀进行 3 有利于金属构件的工作安全性不利 再变形难 解决办法 冷加工之间的再结晶退火 s 位错 退火态 106 108cm 2 理论强度值 金属须 加工硬化态 1011 1012cm 2 2产生残余应力 第一类内应力 宏观内应力工件不同部位 第二类内应力 微观内应力晶粒之间或内部不同区域 第三类内应力 点阵畸变 位错 空位 1 变形 9 10 应力集中 裂纹 残余应力消除方法 去应力退火残余应力的应用 喷丸处理 提高表面强度 拉 s 压 压 拉 S 3性能出现方向性 形变织构 70 4其它性能的影响物理 电阻 导电 导磁性 化学 化学活性 耐蚀性 消除 去应力退火 3金属及合金的回复与再结晶 一形变金属与合金在加热过程中的变化1 组织转变的原因 T Ac1 相变驱动力 体积自由能 T Ac1 形变储存能 晶格畸变能80 90 形变后的不稳定组织 2组织与性能的变化根据组织变化不同 分为三个阶段 回复再结晶晶粒长大 组织变化 加热温度 内应力 晶粒度 性能变化 强度 塑性 二回复 1定义 冷变形后的金属在加热温度不高时 其光学组织未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程 2特点 加热T低 T回 0 25 0 3 T熔 显微组织无明显变化 晶粒内部亚结构发生变化 点缺陷 位错密度 异号位错的合并 同号位错的规整化 形成回复亚晶 多边形化 仍保留高位错密度 性能变化 HB 略 略 R 原因 晶格畸变 内应力 力性变化不大 理 化性能变化较大 加工硬化基本保持 3 回复的应用去应力退火目的 保持强硬度水平 消除内应力 恢复物 化性能 钢件 250 300 一 再结晶定义及特点1定义 冷变形金属在低于固态相变温度的较高温度下 通过新晶核的形成与长大 由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程 2特点 加热温度较高 T T再T再 0 4T熔 实际 100 200 显微组织显著变化 等轴无畸变新晶粒 亚结构 位错密度大大降低 性能显著变化 HB 内应力完全消除 三 再结晶及晶粒长大 3影响T再的因素 T熔 T熔 T再 如 Fe 1538 450 Pb Sn 300 200 0 W 3300 1100 1200 原因 原子间结合力强 难扩散 纯度 纯度 杂质 T再 变形程度 变形程度 T再 原因 储存能 驱动力 二 晶粒长大 随T t 晶粒长大1驱动力 界面能2长大方式 大吃小 晶界拉直 120 近六边形 直晶界最稳定 自发过程 120 120 120 三 影响再结晶晶粒度的因素 1 加热温度 T d 原因 原子扩散能力强 晶界易迁移 2 预先变形量 均匀度 10 90 d 2 10 异常长大 90 异常长大原因 驱动力因素形核因素形变织构因素二次再结晶 形变量很大时 90 95 或在较高温度下某些晶粒的异常长大过程 避开临界变形量 2 10 3 合金元素 杂质及第二相质点均阻碍晶界运动 细化 分布愈弥散 细小 量多 细化效果好 四 再结晶退火目的 中间退火 消除加工硬化 冷拔铁铬铝电阻丝生产中 氢气保护再结晶退火 无相变金属的细晶强化 如Al Cu等 冷塑变 再结晶退火 细化的再结晶晶粒 四 金属的热加工 1 热加工与冷加工区别 2 热加工对组织与性能影响a 金属热加工与冷加工的概念热加工 T T在 冷加工 T T在 冷热加工的相对性例 W在1000 非热加工 Sn Pb在室温为热加工 b 热加工对组织 性能的影响 钢材的热锻与热轧1消除铸态组织缺陷 1 气孔 疏松 微裂纹的焊合 宏观组织致密化 2 破碎粗大的铸态晶粒 再结晶过程 晶粒细化 3 减轻枝晶偏析实际热加工温度远高于再结晶温度 成分均匀化 塑韧性 热加工组织优于铸态 2改善第二相 夹杂的分布纤维组织 流线 铸态组织的枝晶偏析 夹杂物分布沿加工方向细碎延伸形成的组织 使流线与力性方向分布合理 3缺陷 存在带状组织与纤维组织带状组织 复相合金中各个相沿热加工方向交替呈带或层状组织 比较纤维组织 区域偏析 成分偏析 夹杂物分布 沿加工方向延伸形成的组织 力性的各向异性 第三章二元合金的相结构与相图组元 组成材料最基本的 独立的物质 简称元 组元可以是纯元素 如金属元素Cu Ni Al Ti Fe等 以及非金属元素C N B O等 也可以是化合物如A1203 SiO2 Zr02 TiC BN Ti02等 材料可由单一组元组成 如纯金属 A1203晶体等 也可以由多种组元组成 如Al Cu Mg金属材料 MgO A1203 SiO2系陶瓷材料 合金 是指由两种或两种以上的金属 或金属与非金属经熔炼或用其他方法制成的具有金属特性的物质 例如 应用最为广泛的铁和碳组成的合金 铜和锌组成的铜合金等 由于合金的强度高以及其他的性能特点 所以在工业上得到广泛地应用 由两个组元组成的合金 称为二元合金 三个组元组成的合金称为三元合金 依此类推 相 合金中具有同一聚集状态 同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分 材料的性能与各组成相的性质 形态 数量直接相关 不同的相具有不同的晶体结构 虽然相的种类极为繁多 但根据相的结构特点可以归纳为两大类 固溶体与中间相 1合金的相结构一 相的分类 一 固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合 量多的称作溶剂 量少的称作溶质 溶质组元加入到溶剂组元的晶格中 而不改变溶剂的晶体结构类型而形成的合金相称之为固溶体 二 金属化合物定义 溶质组元加入到溶剂组元中 改变了溶剂的晶体结构类型 而形成一种新结构的合金相 二合金的相结构 一 固溶体工业上的金属材料 绝大部分是以固溶体为基体的 1 固溶体的分类 按溶质原子在晶格中所占的位置分类 1 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体 2 间隙固溶体 溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体 按固溶度分类 1 有限固溶体 2 无限固溶体 按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类 1 无序固溶体 2 有序固溶体 置换固溶体间隙固溶体 2置换固溶体及影响因素置换固溶体中溶质与溶剂可以有限固溶 也可以无限互溶 如铜与镍可无限互溶 锌在铜中最大溶解度为39 铅几乎不溶解于铜 其溶解度与以下几个因素有关 1 原子尺寸因素原因 当溶质原子进入溶剂晶格后 原子半径的不同引起溶剂晶格的点阵畸变 固溶体能量升高 升高的能量叫畸变能 r rA rB rA r越大 一个溶质原子引起的点阵畸变能也就越大 溶质原子能溶入溶剂中的数量便越少 固溶体的溶解度就愈小 相反 当 r较小时 可获得较大固溶度的固溶体 如果其他条件有利甚至还可以形成无限固溶体 2 晶体结构因素组元间晶体结构相同时 固溶度一般都较大 而且有可能形成无限固溶体 若组元间晶体结构不同 便只能形成有限固溶体 3 电子浓度因素电子浓度指合金晶体中的价电子数与原子数之比C电子 VA 100 w VBw 100VA VB分别为溶剂和溶质的原子价w为固溶体中溶质B的原子百分数 根据能带理论 在一定的金属晶体结构的单位体积中 能容纳的价电子数 自由电子数 是有一定限度的 超过这个限度 会引起能量升高 结构不稳定 面心立方固溶体的极限电子浓度为 1 36 体心立方固溶体极限电子浓度为 1 48 如二价锌在铜中的最大溶解度为38 三价的镓为20 四价的锗为12 五价的砷为7 4 电负性差因素两元素间电负性差越小 则越易形成固溶体 而且所形成的固溶体的溶解度也就越大 随两元素间电负性差增大 固溶度减小 当溶质与溶剂的电负性差很大时 往往形成比较稳定的金属化合物 综上所述 尺寸因素 电负性差 电子浓度及晶体结构是影响固溶体溶解度的四个主要因素 当此四个因素均有利时 有可能形成无限固溶体 这四个因素并非相互独立 其统一理论是金属及合金的电子理论 3间隙固溶体只有原子半径接近于溶剂晶格某些间隙半径的溶质原子 才有可能进入溶剂晶格的间隙中而形成间隙固溶体 这些溶质原子通常都是一些原子半径小于0 1nm的非金属元素 如氢 0 046nm 氧 0 061nm 氮 0 071nm 碳 0 077nm 硼 0 097nm 而溶剂元素则都是过渡族元素 尽管溶质原子的半径很小 但仍较溶剂的晶格间隙大 当它们溶入溶剂晶格的间隙时 都会使溶剂晶格产生畸变 点阵常数增大 畸变能升高 间隙固溶体只能是有限固溶体 它们的溶解度都很小 4固溶体的特点虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型 但由于第二组元的加入 与纯组元相比 结构还是发生了变化 无论是置换固溶体还是间隙固溶体 均能引起固溶体的硬度 强度升高 溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大 溶质原子的浓度越高 其强化效果就越大 这种由于溶质原子的固溶而引起的强化效应 称为固溶强化 二 金属化合物不同元素之间所形成的中间相往往在晶体结构 结合键等方面都不相同 由于中间相具有一定的金属性 所以亦称为金属化合物 1正常价化合物成分固定不变 可用化学式表示 如Mg2Si Mg2Sn MgS MnS等 具有较高的硬度 脆性较大 常作为有色金属的强化相 2电子化合物不遵守原子价规律 而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物 电子浓度不同 化合物的晶格类型也不同 3 尺寸因素化合物过渡族元素和原子半径较小的氢 氮 碳 硼组成 r非 r金0 59时 复杂晶体结构的化合物 间隙化合物 1 间隙相性能特点 极高的熔点和硬度 用途 硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成 2 间隙化合物如钢中的Fe3C Cr23C6 Fe3W3C等 性能特点 很高的熔点和硬度 但不如间隙相用途 钢中的重要强化相 2二元合金相图的建立相图 是描述系统的状态 温度 压力及成分之间关系的一种图解 相律是描述材料在不同条件下相平衡状态所遵循的法规 是理解 分析相图十分重要的理论依据 f c p 2 1 相变 相与相之间的转变 固态相变 固态下相与相之间的转变 相平衡与平衡相 如果系统中 在一定的外界条件下 温度 压力 各相经历很长时间都不互相转化 则各相处于平衡状态 称之为相平衡 这时的相就叫在这种条件下的平衡相 一 二元相图的表示方法在常压下 用直角坐标系 横座标表示合金成分 纵座标表示温度 图中任意一点标为表象点 二元相图的成分表示方法 1 成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量 此数量可以用质量分数或摩尔分数表示 如果没有特别说明 通常是指质量分数 两者间可按下式进行换算 以二元系为例 二 相图的建立 时间 温度 温度 成分 热分析法建立Cu Ni相图 固相线 液相线 三 杠杆定律在二元相图的两相区 可以用杠杆定律确定各相的相对含量 証明 设合金的总质量为1液相的质量为WL 固相的质量为W 则 WL W 1另 WL CL W C 1 C由以上两式可以得出 3匀晶相图1定义 两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图 如Cu Ni Ag Au Cr Mo Mo W等合金系2相图分析 3 枝晶偏析现象 枝晶内部化学成分不均匀原因 冷却过程非无限缓慢 扩散不完全 枝晶内部中心区域与边部区域化学成分不均匀 称之为枝晶偏析 4二元共晶相图1定义 两组元在液态无限互溶 在固态时相互有限互溶 发生共晶转变 形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图 例如 Pb Sn Pb Sb Ag Cu Pb Bi等合金系相图都是二元共晶相图 共晶转变式 LE M N Pb Sn Sn T C 液相线 L 固相线 L L 固溶线 固溶线 共晶相图 A B E M N F G 2 共晶相图简介 共晶相图 Pb Sn T C L L L 共晶反应线表示从M点到N点范围的合金 在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应 c e 共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变 LE M N A B E M N F G 共晶转变在恒温下进行 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相 存在一个确定的共晶点 在该点凝固温度最低 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变 共晶转变要点须知 共晶相图 3合金结晶过程 5包晶相图1定义 两组元在液态无限溶解 在固态相互有限溶解 并发生包晶转变的二元合金系相图 Pt Ag Sn Sb Cu Sn Cu Zn系等 包晶转变式 L 3合金结晶过程 共析转变 共析体 A B T C c e d L L 6共析相图 共晶反应 包晶反应 共析反应图型与反应式比较 四相图与合金性能之间的关系 一 机械性能和物理性能 二 铸造性能 铸造性能取决于结晶区间 液固相线之间距离越大 铸造性越差 共晶体铸造性最好其它工艺性能 压力加工性能切削加工性能 1纯铁 铁碳合金铁碳合金 应用最广泛的合金一 铁碳合金中的基本相和基本组织 一 纯铁冷却中晶体结构变化 1538 1394 912 L Fe Fe Febccfccbcc 第四章铁碳合金 二 铁碳合金中的基本相和基本组织 1基本组元 Fe C2基本相 铁素体 C在BCC Fe中的固溶体 奥氏体 C在FCC Fe中的固溶体 渗碳体 Fe3C Fe与C形成的金属化合物 良好塑韧性 钢中基体相 硬 脆 钢中强化相 3组织 Fe C合金成分范围宽 相构成只三个 但性能差别大 原因 相之间具体组合方式不同 或单相或混合相存在 不同组织 不同的组织结构对Fe C合金的机械性能有重要影响 J点 包晶点1495 0 17 CC点 共晶点1148 4 3 CS点 共析点727 0 77 CE点 的最大溶碳量2 11 CP点 的最大溶碳量0 0218 C 1 铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金分类工业纯铁 Wc 0 0218 钢 含碳量Wc 2 11 铸铁 含碳量Wc 2 11 根据组织特征 将铁碳合金分为七种类型 1 工业纯铁Wc 0 0218 2 共析钢Wc 0 77 3 亚共析钢Wc 0 0218 0 77 4 过共析钢Wc 0 77 2 11 5 共晶白口铁Wc 4 3 6 亚共晶白口铁Wc 2 11 4 3 7 过共晶白口铁Wc 4 30 6 69 工业纯铁的室温组织 计算珠光体中铁素体和渗碳体