02第二章-金属材料的基础知识-工程材料

第二章工程材料的基础知识,对材料的认识：宏观；微观。材料结构-微观认识。如：晶体结构,重点掌握,1.有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶体，三种常见的金属晶格。实际晶体的缺陷；2.合金相结构的基本类型：固溶体、化合物及混合物，以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。3.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素；4.二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；5.二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图；,6.杠杆定律及其应用。7.纯铁的同素异构转变；8.铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；9.铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；10.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；铁碳相图的应用。一般要求1.晶格的致密度，晶体的各向异性；2.金属中的扩散。3.复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标,4.形成稳定化合物的相图；5.合金相图与性能的关系；6.各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用；7.白口铁的组织与性能,教学内容,2.1金属的晶体结构和组织,2.2合金的相结构,2.3纯金属的结晶,2.4合金的结晶,2.5铁碳合金相图,2.1金属的晶体结构和组织,1.晶体与非晶体,3.实际金属的晶体结构,4.晶体中的扩散,2.金属的晶体结构,一、晶体与非晶体,1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2.区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性,二、金属的晶体结构1.金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。1）理想晶体实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子刚球模型晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小组成单元）,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.,3）晶胞的描述,晶体学参数：a,b,c,晶格常数：a,b,c,4)晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3c,=90,=120,5）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,2.三种典型的金属晶体晶胞,1）体心立方晶胞BCCBodyCenteredCube,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,b）面心立方晶胞FCCFace-CentereCube,晶格常数：a,原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等,c)密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed,晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633,原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等,（d）BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数,3、立方晶系晶面、晶向表示方法,晶体中各方位上的原子面称晶面各方向上的原子列称晶向1）晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,例一、求截距为1,晶面的指数。截距值取倒数为1,0,0，加圆括弧得（100）,例二、求截距为1，2，3晶面的指数。取倒数为1，1/2，1/3，化为最小整数加圆括弧得(632)例三、画出（221）晶面。,取三指数的倒数1/2，1/2，1，化成最小整数为1,1,2，即为X，Y，Z三坐标轴上的截距。,2）晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1，1.5，2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。例二、已知晶向指数为110，画出该晶向。找出1，1，0坐标点，连接原点与该点的直线即所求晶向。,3）晶面族与晶向族(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。,那些指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。,立方晶系常见的晶面为：,110,立方晶系常见的晶向为：,111,说明：在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。,221,110,4）密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。三种常见晶格的密排面和密排方向为：,三实际金属的晶体结构理想晶体+晶体缺陷实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性1晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分a.点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位晶格结点处无原子置换原子晶格结点处为其它原子占据间隙原子原子占据晶格间隙,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,b.线缺陷(位错)二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属中的位错密度为1041012/cm2。位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从-关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,电子显微镜下的位错,c.面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等,晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。位向差很小（102)的小晶块为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,四、晶体中的扩散1.扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象扩散热激活过程（以克服晶格约束）,2影响扩散的因素：(1)温度原子能量提高（最主要因素）D=Doexp(-Q/RT）Do:扩散系数(cm2/s),Q：扩散激活能Do，Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构温度提高10-15度，D提高一倍。(2)晶体结构致密度小克服的能垒小扩散容易(3)表面及晶体缺陷晶格畸变高能态原子激活能小（体扩散的0.6-0.7）扩散快100-1000倍,2.2合金的相结构,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,Al-Cu两相合金,所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质,分类a.按溶质原子的位置分置换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.间隙固溶体溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，原子半径较小。b.按溶解度分有限固溶体无限固溶体c.按分布有序度分有序固溶体无序固溶体固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,2、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。,正常价化合物符合正常原子价规律。如Mg2Si。电子化合物符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。,间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如:Fe4N、Fe2N、W2C、TiC、VC、TiN等。,具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,2.3金属与合金的结晶1.结晶与凝固的区别2.纯金属的冷却曲线和过冷现象3.纯金属的结晶过程4.金属晶粒的大小与控制,雾凇,一、结晶与凝固的区别凝固：LSS可以是非晶结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程一次结晶：LS晶态二次结晶：SS晶态二、纯金属的冷却曲线和过冷现象1.结晶驱动力F0（不是过冷度T）自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵）,a.当温度TT0时，FsFL,液相稳定b.当温度T-+II相组成物：,组织组成物：,相相对量：,组织相对量：,合金II：（共晶合金）LdgacbeL-L+(ac+e)-ac+e-af+bII+g+aII,室温下：相组成物，；相对量如：,合金III：（亚共晶合金）L-L+a初-L+a初+（ac+e)-a初+（ac+e)-a+II+（a+）,亚共晶合金组织,组织组成物：（+）共晶体（+）%=100%,组织相对量：在共晶温度时：,室温下：a初-+II,室温下：相组成物，相的相对量：,合金IV（过共晶合金）过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为，二次相为。其室温组织为+(+)+。,组织标注相图,3、二元包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析。,1）相图分析单相区：L,二相区：L+,L+,+三相区：L+（水平线PDC）,水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+PD。该反应是液相L包着固相，新相在L与的界面上形核，并向L和两个方向长大的过程。,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,2）合金的结晶过程,合金（包晶成分合金）：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II。合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II+II。合金：匀晶包晶匀晶二次析出。室温组织为+II。,所谓共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:SP+Fe3C。,4、具有共析反应的二元相图,共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。,铁碳合金相图,共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。,另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,5、二元相图的分析步骤,实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图确定相区1、相区接触法则相邻两个相区的相数差为1。2、单相区的确定液相线以上为液相区；,Fe-Fe3C相图,靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；,相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。,3、两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。,4、三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。,常见三相等温水平线上的反应,四、合金性能与相图的关系1、合金的使用性能与相图的关系,溶质元素晶格畸变大强度、硬度，（50%最大）复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HBa*a%+HB*%对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）,2、合金的工艺性能,铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。b.锻造、轧制性能单相固溶体合金单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好,2.5铁碳合金相图,1.铁碳合金的组元和相,2.铁碳合金相图分析,3.典型铁碳合金结晶过程及其组织,5.铁碳相图的应用及局限,铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。,4.含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,一、铁碳合金的组元和相,1、组元：Fe、Fe3C2、相铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F或表示。碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体,奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,渗碳体：即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,二、铁碳合金相图的分析,1、特征点,2、特征线液相线ABCD，固相线AHJECFD三条水平线：HJB：包晶线LB+HJECF：共晶线LCE+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,PSK：共析线SFP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。PSK线又称A1线。,（3）其它相线GS,GP固溶体转变线，GS又称A3线。HN,JN固溶体转变线，,ES碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ碳在-Fe中的固溶线。,3、相区五个单相区：L、Fe3C七个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C,三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线,三、典型合金的平衡结晶过程,铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(0.0008%;FC%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII,3,Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3C。室温下Fe3C的最大量为:,2共析钢C%=0.77%,L-L+A-A-A+P-P相组成物：F和Fe3CF%=,Fe3C%=,组织组成物：P,珠光体,3亚共析钢0.0218%A-A+F-A+P+F-P+F,相组成物：F，Fe3C,45钢金相,F%=,Fe3C%=,亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.02180.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,P%=,F%=,4过共析钢,L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CII,T12钢金相,相组成物：F，F