材料的组织结构PPT课件

精品课件 1 第2章材料的组织结构 2 1金属的晶体结构 2 1 1金属的理想晶体结构 1 晶体与非晶体 晶体的特点 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列 具有一定的熔点 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 精品课件 2 非晶体的特点是 原子在三维空间呈不规则的排列 没有固定熔点 随着温度的升高将逐渐变软 最终变为有明显流动性的液体 如塑料 玻璃 沥青等 各方向上的原子聚集密度大致相同 即具有各向同性 2 1金属的晶体结构 2 晶格与晶胞 精品课件 3 常见金属的晶格类型 体心立方晶格 每个晶胞原子数n 8 1 8 1 2 个 属于体心立方晶格类型的金属有 Fe 912 以下的纯铁 铬 钼 钨等 2 1金属的晶体结构 精品课件 4 面心立方晶格 每个晶胞中的原子数为n 8 1 8 6 1 2 4 个 属于面心立方晶格类型的金属有 Fe 1394 912 的钝铁 铝 铜 银等 密排六方晶格 密排六方晶胞中的原子数n 12 1 6 2 1 2 3 6 个 2 1金属的晶体结构 精品课件 5 2 1 2金属的实际晶体结构 单晶体与多晶体 单晶体 原子排列得非常整齐 晶格位向完全一致 且无任何缺陷存在 多晶体 由许多位向不同的单晶体 晶粒 组成 且其内部还存在着多种晶体缺陷 2 1金属的晶体结构 精品课件 6 金属的晶体缺陷 点缺陷 空位和间隙原子 线缺陷 位错线 2 1金属的晶体结构 使晶体结构的规律性破坏 晶格歪扭 发生畸变 刃型位错 精品课件 7 面缺陷 晶界 2 1金属的晶体结构 晶界 位向不同 相邻晶粒之间的过渡层 由空位 间隙原子 位错堆积起来面层状晶体缺陷 也是各种杂质原子聚集的场所 不稳定区 作用 提高金属强度 降低耐腐蚀性能 钛合金中的位错线 位错密度很低或者很高时 晶体的强度比较高 精品课件 8 2 1 3金属材料的结构特点 合金 两种或以上金属元素 或金属与非金属元素组成的 具有金属特性的物质 二元合金 三元合金 组元 组成合金最基本的独立物质 可以是金属 非金属元素和稳定的化合物 如 Fe C Fe3C 合金系 相同组元 但成分 比例 不同的合金 一 基本概念 精品课件 9 相 合金中具有相同化学成分 相同晶体结构和相同物理化学性能 并与该系统的其余部分以界面相互隔开的均匀组成部分 相中可有多个晶粒 一个晶粒中只有一个相 硅铝合金 白色基底上分布着黑色针状物 显微组织 观察到的相及晶粒的形态 大小 分布等组成情况 合金中指由一个单相或两个以上的相按一定比例组成的机械混合物 如共析体 共晶体等 精品课件 10 二 合金相结构 固溶体 化合物 1 固溶体 溶质组元溶入溶剂晶格中 形成均匀晶体 保持溶剂元素的晶体结构 置换固溶体 溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子 间隙固溶体 溶质原子和溶剂原子直径相差较大 溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上 固溶体性能 与基体金属相比 强度硬度增加 固溶强化 塑性韧性降低 精品课件 11 2 金属化合物 两组元A B组成合金时 除形成固溶体外 还可能相互作用形成新相 化合物 如AmBn 性能 高熔点 高硬度及耐磨性 弥散强化 但很脆 精品课件 12 2 2非金属材料的结构 2 2 1陶瓷材料结构特点 1 陶瓷材料的键合类型离子键 AL2O3 MgO共价键 金刚石 SiC混合键 氧化锰晶体离子键84 共价键16 2 陶瓷材料的组织 晶体相 玻璃相 气相 2 2 2高分子材料 精品课件 13 2 3金属的结晶与细晶强化 凝固 物质由液态转变为固态的过程结晶 液态转变为晶体物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变 因而结晶过程是相变过程 精品课件 14 玻璃制品 水晶 精品课件 15 一 冷却曲线与过冷1 冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线 水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的 纯金属的冷却曲线 精品课件 16 2 过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0 平衡结晶温度 在该温度下 液体和晶体处于动平衡状态 过冷度 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下T1才能进行 两者之差 T T0 T1 冷速越快 过冷度越大 纯金属的冷却曲线 冷速极慢时 二者趋于一致 精品课件 17 二 结晶过程 1 结晶的基本过程晶核的形成 晶核的长大 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团 它们时聚时散 称为晶坯 在T0以下 经一段时间后 即孕育期 一些大尺寸的晶坯将会长大 称为晶核 精品课件 18 晶核形成后便向各方向生长 同时又有新的晶核产生 晶核不断形成 不断长大 直到液体完全消失 每个晶核最终长成一个晶粒 两晶粒接触后形成晶界 精品课件 19 2 晶核的形成方式两种方式 均匀形核 非均匀形核由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核 非均匀形核更为普遍 精品课件 20 3 晶核的长大方式晶核的长大方式 均匀长大 树枝状长大 晶核由规则外形逐渐长出棱角 棱角处散热条件优于其它部位而优先长大 枝晶 树枝状长大 精品课件 21 树枝状结晶 精品课件 22 实际金属结晶主要以树枝状长大 且晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会产生二次轴 树枝间最后被填充 精品课件 23 2 3金属的结晶与细晶强化 三 细晶强化 金属的强度 塑性和韧性都随晶粒的细化而提高称为细晶强化 1 增加冷却速度增大过冷度 使晶核生成速度大于晶粒长大速度 使晶粒细化 2 变质处理在液态金属中加少量变质剂 孕育剂 作为人工晶核 3 机械振动 超声波振动 电磁振动 精品课件 24 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体 实际冷速较快 先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素 如Cu Ni合金中的Ni 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素 如Cu Ni合金中的Cu 固相中的原子来不及扩散 偏析 四 枝晶偏析 精品课件 25 Cu Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织 平衡组织 枝晶偏析组织 精品课件 26 枝晶偏析 冷速越大 液固相线间距越大 枝晶偏析越严重 枝晶偏析会影响合金的力学 耐蚀 加工等性能 生产上常将铸件加热到固相线以下100 200 长时间保温 以使原子充分扩散 成分均匀 消除枝晶偏析 这种热处理工艺称作扩散退火 精品课件 27 铁的同素异构转变 2 4材料的同素异构转变 同素异构转变 某些金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象 二次结晶 纯铁的同素异构转变 精品课件 28 2 5铁碳合金相图 2 5 1二元合金相图 用图解的方法表示合金状态与温度和成分之间的关系 合金相图 平衡图 Cu Ni合金 白铜 为例 配置不同成分的Cu Ni 一 二元相图的建立 精品课件 29 相图都是通过实验得到的最常用的是热分析法 精品课件 30 二元相图的建立步骤为 1 配制不同成分的合金 测出各合金的冷却曲线 找出曲线上的临界点 停歇点或转折点 2 将临界点标在温度 成分坐标中的成分垂线上 3 将垂线上相同意义的点连接 并标上相应的数字和字母 精品课件 31 结晶开始点的连线叫液相线 结晶终了点的连线叫固相线 精品课件 32 二 二元相图的基本类型与分析 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图 1 二元匀晶相图 36班 精品课件 33 由两条线构成 液相线 固相线液相区L固溶体区 两相区 L 精品课件 34 2 二元共晶相图 两组元在液态下完全互溶 在固态下有限互溶 并发生共晶反应的相图称作共晶相图 共晶反应 合金溶液中 在恒温 共晶温度 下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相 LE c d Pb Sn相图 精品课件 35 相图分析 相 有L 三种相 是溶质Sn在Pb中的固溶体 是溶质Pb在Sn中的固溶体 相区 三个单相区 L 三个两相区 L L 一个三相线 CED 25班 精品课件 36 固溶线 溶解度点的连线CF Sn在Pb中的固溶线 DG Pb在Sn中的 固溶体的溶解度随温度降低而下降 液固相线 液相线AEB 固相线ACEDB A B分别为Pb Sn的熔点 精品课件 37 共晶线 水平线CED叫做共晶线 在共晶线对应的温度下 183 E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体 形成这两个相的机械混合物 LE C D 其它点 精品课件 38 共晶反应的产物 即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织 发生共晶反应的温度称共晶温度 共晶点 代表共晶温度和共晶成分的点 精品课件 39 具有共晶成分的合金称共晶合金 亚共晶合金 过共晶合金 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应 增L减 L中Sn增加 精品课件 40 铁碳合金中的珠光体转变 S P Fe3C