机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶ppt课件

2,TW,第二章金属晶体机构与结晶,2.1晶体结构2.2结晶2.3铁碳合金相图,金属的晶体结构,2-1,金属的性能主要是由金属内部组织结构决定的。因此，了解金属内部结构及其对金属性能的影响、对选用和加工金属材料有重要的意义。,金属的晶体结构,2-1,一、纯金属的晶体结构1.晶体结构的基本知识（1）晶体与非晶体晶体的原子是按一定的几何形状作有规律的重复排列，如金刚石、石墨、冰、固态金属与合金等，晶体有固定熔点。非晶体的原子是无规律杂乱地堆积在一起，如玻璃、沥青、松香等，非晶体没有固定的熔点。,金属的晶体结构,2-1,（2）晶格与晶胞用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶格。晶格中直线的交点称为结点。,晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞。,金属的晶体结构,2-1,晶向,晶格中由原子所组成的任一直线，代表晶体空间的一个方向。,金属的晶体结构,2-1,晶面,晶格中各方位上的原子组成的平面。,金属的晶体结构,2-1,2.常见的晶格类型（1）体心立方晶格,体心立方晶格的晶包为一个立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体中心有一个原子。,属于这种晶格类型的金属有Cr、W、Mo、V、-Fe等。,金属的晶体结构,2-1,体心立方晶格,晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2致密度：68%常见金属：、铬、钨、钼、钒等,金属的晶体结构,2-1,（2）面心立方晶格,面心立方晶格的晶包也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。,属于这种晶格类型的金属有Al、Cu、Ni、Pb、Au、Ag、-Fe等。,金属的晶体结构,2-1,面心立方晶格,晶格常数：a(a=b=c)原子半径：24a原子个数：4致密度：74%常见金属：、铬、钨、钼、钒等,-Fe,金属的晶体结构,2-1,（3）密排六方晶格,密排六方晶格的晶包是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下面中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。,属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、-Ti等。,金属的晶体结构,2-1,密排六立方晶格,晶格常数：底边长a，高c原子半径：原子个数：6致密度：74%常见金属：、镁、锌、铍等,金属的晶体结构,2-1,3.多晶体结构,晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体称为单晶体。,晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。,由许多小晶体组成的晶体称为多晶体。,晶格排列方向基本相同的小晶体称为晶粒。,金属的晶体结构,2-1,4.纯金属的实际晶体结构,晶体缺陷：晶体中原子规律排列受到破坏的区域，称为晶体缺陷。,（1）点缺陷呈点状分布的缺陷，常见的有晶格空位、间隙原子、置换原子。,金属的晶体结构,2-1,点缺陷造成晶格畸变，使金属强度、硬度、电阻率增加，塑性、韧性下降。,金属的晶体结构,2-1,（2）线缺陷呈线状分布的缺陷，主要是各种位错。,晶面上下两部分晶体间产生原子错排现象，称为位错。位错密度增加，能提高金属强度。,金属的晶体结构,2-1,（3）面缺陷呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。,晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。,金属的晶体结构,2-1,二、合金的晶体结构,1.合金的基本概念,合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。,组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合金中的Mg2Si。,合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。,相:合金中结构相同、成分、性能均匀的组成部分（和其他部分以界面分开）。,金属的晶体结构,2-1,2.合金的基本相,合金中的相按结构可分为：固溶体、金属化合物。,（1）固溶体固溶体是指合金中两组元在固态下相互溶解而形成的均匀固相。溶剂是组成固溶体的两个组元中，能够保持其原有晶格类型的组元；溶质是失去原有晶格类型的组元。特征：固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型。,金属的晶体结构,2-1,1）置换固溶体,溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶体。,置换固溶体,金属的晶体结构,2-1,2）间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然造成溶剂晶格的畸变。,组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间隙。影响因素：原子半径和溶剂结构。溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体（间隙有限）。,金属的晶体结构,2-1,（2）金属化合物,合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。,1.正常价化合物：如Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,Cu2Se等。,2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。如Cu3Al,CuZn3,Cu5Zn8等。,3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。,金属的结晶,2-2,物质从液态到固态的转变过程称为凝固。材料的凝固分为两种类型：1.晶体，我们称之为结晶；2.非晶体，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。结晶是由一种相(液相)转变为另一种相(固相)的过程，即是相变过程。,金属的结晶,2-2,一、冷却曲线和过冷度结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度(T)，即T=T0T1。,纯金属结晶时的冷却曲线,孕育期,冷速越大，过冷度越大,金属的结晶,2-2,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,结晶过程:晶核形成和晶核长大两个基本过程。,金属的结晶,2-2,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。,金属的结晶,2-2,晶核的形成方式自发晶核:晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成。非自发晶核:晶核依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形成。自发晶核和非自发晶核同时存在，但非自发晶核起优先、主导作用,金属的结晶,2-2,晶核的长大方式树枝状,（1）均匀长大：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行。（2）树枝形式长大：实际冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，由于晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。,金属的结晶,2-2,晶粒度实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,金属的结晶,2-2,影响晶粒度的因素（1）结晶过程中的形核速度N（形核率）（2）长大速度G（长大率）细化晶粒的方法1.促进形核率N2.抑制长大率G,金属的结晶,2-2,（1）提高冷却速度（增大过冷度）：不同过冷度T对形核率N和成长率G的影响不同。过冷度等于零时，结晶没有发生。（2）变质处理:在液态金属浇注前加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌：使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。,工业上控制晶粒大小的方法,金属的结晶,2-2,Al-Si合金组织,金属的结晶,2-2,金属铸锭,金属的结晶,2-2,金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的基础坯材。在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。,金属的结晶,2-2,1、表层细晶区接触金属模壁的液态金属层被激冷，大的过冷度使形核率很大，同时金属模壁还能促进非自发晶核的产生。,特点:组织致密、均匀，力学性能好，很薄，对性能影响不大但若采取强制水冷等措施，扩大增厚表层细晶粒区，对改善提高金属性能有积极意义。,金属的结晶,2-2,2、柱状晶粒区模壁温度逐渐升高，使金属液的冷却速度逐渐降低，过冷度减小，形核率降低，由于垂直模壁方向散热较快，晶粒沿此方向长大较快，形成垂直于模壁向内部金属液生长的柱状晶粒区。,特点：1、柱状晶粒的力学性能有方向性。2、承受单向载荷的机械零件，如汽轮机叶片，采用定向结晶以获得方向性强的柱状晶粒区，提高使用性能,金属的结晶,2-2,3、中心等轴晶粒区剩余金属液的散热冷却已无明显的方向性，趋于均匀冷却，同时液态金属中的杂质也集聚到这最后结晶的中心部分，在不大的过冷度下最后形成晶粒粗大的等轴晶粒区。,特点：力学性能无方向性，组织疏松，易生成杂质、气孔、微缩孔等缺陷，影响力学性能。,金属的结晶,2-2,铸锭的缺陷：缩孔、疏松、气孔、偏析。,缩松,硫在钢锭中偏析的模拟结果,金属的结晶,2-2,二、合金的结晶,合金结晶同纯金属一样也遵循形核、长大的规律。但合金的成分中包含有两个以上的组元，并且同一合金系中各合金的比例成分不同，所以合金在结晶过程中其组织的形成及变化规律要比纯金属复杂得多。为了研究合金的性能与其成分、组织的关系，就必须借助于合金相图这一重要工具。,铁碳合金相图,2-3,合金相图又称状态图（平衡图），是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。作用：1.通过相图可了解合金系中不同成分的合金，在不同温度下的组织状态，在什么温度发生结晶和相变，存在几个相，每个相的成分是多少等。2.在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。,铁碳合金相图,2-3,根据组元数,一般分为二元相图、三元相图。,铁碳合金相图,2-3,同素异构转变有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这种现象称为同素异构转变。锡，四方结构的白锡在13下转变为金刚石立方结构的灰锡。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即固态相变。除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。,铁碳合金相图,2-3,固态转变的特点固态转变又称二次结晶或重结晶，它有着与结晶不同的特点：形核在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。因为这些部位与新相结构相近，或者原子扩散容易。因固态下扩散困难，所以过冷倾向大。固态相变组织通常要比结晶组织细。固态转变伴随体积变化，易产生内应力，使材料发生变形、开裂。,铁碳合金相图,2-3,1.纯铁的的同素异构转变,-Fe、-Fe、-Fe都是铁的同素异构体。,铁碳合金相图,2-3,由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%2.11%的称钢含碳量为2.11%6.69%的称铸铁。Fe、C为组元，称为黑色金属。Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn、Si、P、S、N、O等元素，这些元素称为杂质。,铁碳合金相图,2-3,铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。,铁碳合金相图,2-3,2.铁碳合金的基本相,（1）铁素体（F）,铁中溶入碳元素构成的固溶体，保持铁的体心立方晶格。（晶界曲折）,铁素体,铁碳合金相图,2-3,定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：体心立方晶格bcc最大溶解度：0.0218%（727）性能：Rm(b)=180270MPaReL(s)=100170MPaHBW=5080A()=30%50%Z()=70%80%K(ak)=128160J/cm2,铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性、韧性好。,铁素体（F或）,铁碳合金相图,2-3,（2）奥氏体（A）,铁中溶入碳元素构成的固溶体，保持铁的面心立方晶格。（晶界平直）,奥氏体,铁碳合金相图,2-3,定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：面心立方晶格fcc最大溶解度：2.11%（1148）性能：Rm(b)400MPaHBW=170220A()=40%50%塑性、韧性好，强度、硬度低生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造,奥氏体（A或）,铁碳合金相图,2-3,（3）渗碳体(Fe3C),铁和碳形成的一种具有复杂结构的金属（间隙）化合物。,铁碳合金相图,2-3,定义：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：1000HV，塑性、韧性几乎为零，硬而脆（耐磨性好），强度低Fe3C3Fe+C（石墨）合金渗碳体：（Fe、Me）3C、Fe3（C、N）、Fe3（C、B）,渗碳体（Fe3C）,高温,Fe3C为片状、粒状、网状存在,铁碳合金相图,2-3,（4）珠光体(P),铁素体和渗碳体组成的机械混合物。（层片状）,白色F基体中嵌入黑片状Fe3C（低倍镜下）,铁碳合金相图,2-3,定义：F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：Rm(b)750MPaHBW=180A()20%25%K(ak)=3040J/cm2综合性能好,珠光体（P）,铁碳合金相图,2-3,（5）莱氏体(Ld),奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。定义：A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆（不能直接加工）,铁碳合金相图,2-3,莱氏体(Ld)（一般在铸铁中）,（1）高温莱氏体（Ld）：1148时，含C量为4.3%的合金同时结晶出A与Fe3C。L4.3%CLd（A+Fe3C)共晶反应（2）低温莱氏体（Ld）：A0.77%C产生共析分解成为P体A0.77%CP（F+Fe3C）共析反应室温莱氏体组织：（F+Fe3C+Fe3CI+Fe3CII）,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+Fe3C,6.69,Fe,Fe3C,T,A+Fe3C,F,A+F,F+Fe3C,K,铁碳合金相图,2-3,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,6.69%C,Fe,Fe3C,T,Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,P,Ld,K,(P+Fe3C),P+Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+F,P+Fe3C,(F+Fe3C),A+Fe3C,L+Fe3C,(A+Fe3C),铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间，到7点，从中析出Fe3C。,工业纯铁的结晶过程,铁碳合金相图,2-3,工业纯铁,随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3C。,从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。,铁碳合金相图,2-3,室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）,合金液体在1-2点间转变为，到S点发生共析转变：SP+Fe3C,全部转变为珠光体。,共析钢的结晶过程,wc=0.77%,铁碳合金相图,2-3,共析钢,室温组织:层片状P(F+共析Fe3C),珠光体强度较高，塑性、韧性、硬度介于Fe3C和F之间。,指纹状,铁碳合金相图,2-3,亚共析钢的结晶过程,0.0218%wc0.77%,铁碳合金相图,2-3,室温组织:F+P,亚共析钢,铁碳合金相图,2-3,亚共析钢,铁碳合金相图,2-3,过共析钢的结晶过程在12点转变为A,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3C表示,其沿晶界呈网状分布.,含1.4%C钢的组织,铁碳合金相图,2-3,室温组织:P+Fe3CII,过共析钢,铁碳合金相图,2-3,共晶白口铁的结晶过程合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体Ld莱氏体是共晶A与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.,共晶白口铁,铁碳合金相图,2-3,共晶白口铸铁结晶过程为共晶反应+二次析出反应+共析反应，室温组织为珠光体+渗碳体，是低温莱氏体，用符号“Ld”表示。,室温组织:（低温）莱氏体Ld（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,硬而脆,铁碳合金相图,2-3,亚共晶白口铁的结晶过程,亚共晶白口铁,铁碳合金相图,2-3,亚共晶白口铁,室温组织:Ld+P+Fe3CII,铁碳合金相图,2-3,12点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Ld。,过共晶白口铁的结晶过程,过共晶白口铁,铁碳合金相图,2-3,室温组织:Ld+Fe3CI,过共晶白口铁,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,3、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响（1）含碳量对室温平衡组织的影响,铁碳合金相图,2-3,（2）含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即为珠光体P的性能。0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld,合金太脆.,铁碳合金相图,2-3,（3）含碳量对工艺性能的影响切削性能:中碳钢合适可锻性能:低碳钢好焊接性能:低碳钢好铸造性能:共晶合金好热处理性能:第四章介绍,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,（）选择材料方面的应用,1、要求塑性、韧性好，如：建筑结构、容器，应选用低碳钢（0.100.25%C）；2、要求强度、塑性、韧性好，如：轴，应选用中碳钢（0.250.60%C）；3、要求硬度高、耐磨性好，如：工具，应选用高碳钢（0.61.3%C）。4、白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨的零件，如：拔丝模、轧辊、球磨机的铁球。,应用领域：,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,铁碳合金相图,2-3,合理的确定浇注温度对产品的质量起着重要的作用。浇注温度过高，会使液态金属的吸气量和总收缩量增大，易在铸件中形成气孔，缩孔等缺陷；浇注温度过