第二章-1金属材料的组织结构

汽车应用材料,第二章金属材料,汽车应用材料第二章,本章导入,1.金属材料是现代汽车制造业应用最为广泛的材料。金属材料分为黑色金属（钢铁材料）和有色金属。汽车上各种结构零件，钢铁材料约占80%。2.汽车工程材料不断向轻量化发展，各种新的汽车工程材料相继被推出并应用于汽车工业之中。3.本章重点介绍金属材料特别是钢铁材料的性能、结构、牌号及在汽车上的应用。,材料科学简介,教学目标,1.能力目标能够识别汽车上使用的碳钢、合金钢、铸铁零件；能根据零件工作要求合理选用碳钢、合金钢、铸铁用于制造汽车零件；能够描述有色金属的性能和应用场合，能够正确选择这些材料制造汽车零件。,汽车应用材料第二章,教学目标,2.知识目标掌握碳钢、合金钢、铸铁的性能、分类、牌号及在汽车上的应用；了解铜合金、铝合金、钛合金等有色金属性能、分类、牌号及在汽车上的应用；了解汽车结构上金属材料的应用。,汽车应用材料第二章,教学内容,金属材料的组织结构与结晶金属材料的组织性能控制常用金属材料及其应用金属材料在汽车上的应用*,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,材料按照原子（离子或分子）在三维空间排列方式的不同，可分为晶体与非晶体两大类。,第一节金属材料的组织结构与结晶,晶体材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。,非晶体原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,常用固态金属基本上都属于晶体，大部分非金属如氯化钠、天然金刚石、水晶等属晶体；而常用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属非晶体。,汽车应用材料第二章,纯金属是指仅由一种金属元素组成的金属。汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。,一、纯金属的晶体结构与结晶,汽车应用材料第二章,（一）纯金属的晶体结构晶体中原子（离子或分子）的空间排列方式称为晶体结构。为了便于描述晶体结构，通常将每一个原子抽象为一个点，再把这些点用假想的直线连接起来，构成空间格架，称为晶格。,汽车应用材料第二章,原子（离子）的刚球模型,晶体结构,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。,晶格与晶胞晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。,汽车应用材料第二章,晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角、（轴间夹角）。晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-8cm。通常数值在2.55.0A之间。简单立方晶格a=b=c,=各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。,汽车应用材料第二章,1.常见晶格类型1)体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示,属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和-Fe(温度小于912纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,2)面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和-Fe等（温度在1394912纯铁)。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,3)密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,2.实际的金属晶体结构在理想状态下，金属的晶体结构是原子排列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称为单晶体。单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性,汽车应用材料第二章,单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,晶界,汽车应用材料第二章,晶界：晶粒之间的接触面。由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第一章,在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。,（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界,晶体缺陷类型,晶体缺陷,汽车应用材料第二章,(1)点缺陷晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率增大，强度、硬度提高等。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,(2)线缺陷线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响。,汽车应用材料第一章,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,3、面缺陷面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,1纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程基本是在恒定的温度下进行的，其结晶过程的冷却曲线如图所示。,(二)金属的结晶过程,汽车应用材料第二章,T0为纯金属的凝（熔）点，又称为理论结晶温度。当液态金属缓慢冷却到T0时，纯金属开始发生结晶。在实际生产中，液态金属的冷却速度速度相对较快，其实际开始结晶的温度Tn略低于T0。液态金属在冷却到理论结晶温度T0以下还未结晶的现象，称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用T表示，即T=TnT0，过冷度T与冷却速度是密切相关的，冷却速度越大，T越大，冷却速度越小，T越小。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形成与核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取加快冷却速度、变质处理、振动等几种方法。,汽车应用材料第二章,2金属铸锭的结构金属结晶时，由于表面和中心的结晶条件不同，铸件的结构是不均匀的。从铸锭的剖面来看，明显地分为三个各具特征的晶区：表面细晶粒区、柱状晶粒区和中心粗大等轴晶粒区。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,合金：合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是铁和碳组成的合金。,二、合金的晶体结构及结晶,汽车应用材料第二章,组元：组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如Fe3C、Al2O3、CaO等。合金按组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。,汽车应用材料第二章,合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。,汽车应用材料第二章,相：合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在则称为两相。,汽车应用材料第二章,组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。,汽车应用材料第二章,合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种。,（一）合金的晶体结构,1.固溶体2.化合物3.机械混合物,汽车应用材料第二章,1.固溶体固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体叫做固溶体。,汽车应用材料第二章,根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。如图所示。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。,汽车应用材料第二章,固溶强化,形成固溶体使金属强度和硬度提高,而塑性下降的现象.,正常晶格,晶格畸变,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,2.金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。,汽车应用材料第一章,3.机械混合物当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。,汽车应用材料第二章,表示平衡条件下给定合金系中的合金的成份、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。相图（状态图）是以温度为纵坐标，以成份为横坐标，表明不同成份合金的结晶过程的简明图形。,（二）合金的结晶,1匀晶相图2共晶相图3共析相图,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,1均晶相图:两组元液态下相互溶解，固态下形成无限固溶体的合金状态图，称作匀晶状态图。具有这类状态图的合金系有Cu-Ni、Fe-Ni、Cr-Mo、Au-Ag等。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,2共晶相图:在一定温度下，从液相中同时结晶出两种不同固相的转变，称作共晶转变。具有共晶转变的二元合金有PbSn，PbSb，AlSi等。二元合金系中，两组元在液态下完全互溶，在固态下只能形成有限固溶体和化合物，有共晶转变的状态图，称为共晶状态图。,汽车应用材料第一章,汽车应用材料第二章,3共析转变单相固溶体冷却到某一温度发生析出两个成分、结构与母相都不同的新的固相的转变，这种转变称为共析转变。,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第一章,共析转变的特点：共析转变是固态转变，原子扩散比液态困难得多，需要较大的过冷度，转变温度较低。由于共析转变过冷度大，形核率高，共析组织比共晶体更为细密。共析转变前后晶体结构不同，转变时引起容积变化，产生较大的内应力。,汽车应用材料第一章,碳钢和铸铁是现代汽车工业极为重要的金属材料，实际上，它们都属于以铁和碳两个组元组成的合金，称为铁碳合金。反映平衡条件下铁碳合金的组织随含碳量和温度变化的一般规律的相图称为铁碳相图（或铁碳状态图、Fe-Fe3C相图）。,三、铁碳相图及铁碳合金平衡组织,汽车应用材料第一章,1铁碳相图(Fe-Fe3C相图),(1)Fe-Fe3C相图的组元,FeFe、-Fe(bcc)和-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。,Fe3C熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2)Fe-Fe3C相图的相,Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）复杂晶体结构,液相L,相（高温铁素体）Fe（C）固溶体,相（A，奥氏体）-Fe（C）固溶体,相（F，铁素体）-Fe（C）固溶体,汽车应用材料第二章,(3)相图中重要的点和线,液相线ABCD,固相线AHJECF,包晶线HJB，包晶点J,共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld,共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,P,ES线：C在A中的固溶线,PQ线：C在F中的固溶线,汽车应用材料第二章,Fe-C合金分类,工业纯铁C%0.0218%,钢0.0218%C%2.11%,亚共析钢0.77%共析钢0.77%过共析钢0.77%,白口铸铁2.11%C%6.69%,亚共晶白口铁4.3%共晶白口铁4.3%过共晶白口铁4.3%,3铁碳合金的平衡结晶过程,汽车应用材料第二章,几种常见碳钢,汽车应用材料第二章,(1)工业纯铁(C%0.0218%)结晶过程,室温组织F+Fe3C(微量)500,汽车应用材料第一章,(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程,室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500,P中各相的相对量：Fe3C%=(0.77xF)/(6.69xF)0.77/6.69=12%F%112%=88%,珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。,汽车应用材料第一章,(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程,室温组织:F+P，500,各组织组成物的相对量：P%=(0.40.0218)/(0.770.0218)51%F%151%=49%,各相的相对量：Fe3C%0.4/6.69=6%F%16%=94%,汽车应用材料第二章,(4)过共析钢(C%=1.2%)结晶过程,室温组织:P+Fe3CII400,各组织组成物的相对量：Fe3CII%=(1.20.77)/(6.690.77)7%P%17%=93%,各相的相对量：Fe3CII%1.2/6.69=