第2章 材料的组织结构

1、第第2 2章章 材料材料的组织结构的组织结构不同的金属材料具有不同的不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，力学性能，即使同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也不在不同的条件下其力学性能也不同。金属力学性能的这种差异，同。金属力学性能的这种差异，由其由其内部构造内部构造决定。决定。2.12.1金属的晶体结构金属的晶体结构n 2.1.1 2.1.1 金属的金属的理想晶体结构理想晶体结构 n（一）晶体与非晶体（一）晶体与非晶体 一切物质都均由原子组成。根据原子一切物质都均由原子组成。根据原子在物质内部聚集状态的不同，可将物质分在物质内部聚集状态的不同，可将物质分为晶体与非晶体两大

2、类。为晶体与非晶体两大类。 晶体晶体：内部的原子是按一定规律排列，：内部的原子是按一定规律排列，具有固定的熔点、规律的几何外形和各向具有固定的熔点、规律的几何外形和各向异性的特点。异性的特点。 非晶体非晶体：内部的原子排列无规律，没：内部的原子排列无规律，没有固定的熔点，各向同性。有固定的熔点，各向同性。第第2章章 材料的组织结构材料的组织结构（二）晶体结构的基本知识（二）晶体结构的基本知识 1 1、晶格、晶胞和晶晶格、晶胞和晶格常数格常数 在讨论晶体结构时，在讨论晶体结构时，假设晶体里的原子（或离假设晶体里的原子（或离子）是一些静止不动的小子）是一些静止不动的小球。各种晶体结构就可以球。各种

3、晶体结构就可以看成是这些小球按一定的看成是这些小球按一定的几何方式紧密排列堆积而几何方式紧密排列堆积而成。成。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构 1 1、晶格、晶胞和晶格常数、晶格、晶胞和晶格常数n（1 1） 晶格晶格 描述原子在晶体中描述原子在晶体中排列规律的三维空间几排列规律的三维空间几何点阵。何点阵。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构（2 2）晶胞）晶胞 晶格中能够代表晶格中能够代表晶格特征的最小几何晶格特征的最小几何单元。单元。晶胞在空间的重晶胞在空间的重复排列构成整个晶格。复排列构成整个晶格。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结

4、构金属的理想晶体结构（3 3）晶格参数与晶格常数）晶格参数与晶格常数 晶格参数晶格参数：描：描述晶胞大小与形状述晶胞大小与形状的几何参数的几何参数。包括包括晶胞的三个棱边长晶胞的三个棱边长度度a a、b b、c c和三棱边和三棱边夹角夹角、。 晶格常数晶格常数：晶：晶胞的三个棱边长度。胞的三个棱边长度。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构2 2、晶面和晶向晶面和晶向 晶面晶面：金属晶体中，金属晶体中，由一系列原由一系列原子构成的平子构成的平面面。 晶面族晶面族2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构2 2、晶面和晶向晶面和晶向晶向晶向：通过两个：通过

5、两个或两个以上原子中心或两个以上原子中心的直线，代表晶格空的直线，代表晶格空间的一定方向。间的一定方向。 原子排列的疏密原子排列的疏密程度的不同，原子间程度的不同，原子间结合力不同，从而在结合力不同，从而在不同的晶面和晶向上不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，显示出不同的性能，是晶体是晶体各向异性各向异性的原的原因。因。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构晶向族晶向族2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构（三）金属晶格的常见类型（三）金属晶格的常见类型晶体描述了金属晶体内部的排晶体描述了金属晶体内部的排列规律，金属晶体结构的主要差别列规律，金属晶体

6、结构的主要差别在于在于晶格形式晶格形式及及晶格常数晶格常数的不同。的不同。 2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构（三）金属晶格的常见类型（三）金属晶格的常见类型 （1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 晶胞是一个立方体，在晶胞的中心和每个顶角各有晶胞是一个立方体，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。一个原子。 2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构 每个体心立方晶格的原子数为：每个体心立方晶格的原子数为： （1/81/8）8+1=28+1=2个。个。 塑性较好。塑性较好。（三）金属晶格的常见类型（三）金属晶格的常见类型n（2 2）面心立方晶格）面心立

7、方晶格 晶格属于立方晶系，在晶胞的晶格属于立方晶系，在晶胞的8 8个顶角和个顶角和6 6个面的中心个面的中心各有一个原子。各有一个原子。 2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构n 每个面心立方晶格的原子数为：每个面心立方晶格的原子数为： （1/81/8）8+8+（1/21/2）6=46=4个。个。塑性优于体心立方晶格的金属。塑性优于体心立方晶格的金属。（三）金属晶格的常见类型（三）金属晶格的常见类型n（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 晶格属于六方棱柱体，在六晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的棱柱晶胞的1212个项角上各有一个个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个

8、原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。原子，晶胞内部有三个原子。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构n 每个密排六方晶胞原子数为每个密排六方晶胞原子数为: :（1/61/6）12+12+（1/21/2）2+32+36 6个个 较脆较脆（三）金属晶格的常见类型（三）金属晶格的常见类型金属的晶格类型不同，性能必金属的晶格类型不同，性能必然存在差异。即使晶格类型相同，然存在差异。即使晶格类型相同，由于各元素的原子大小和原子间距由于各元素的原子大小和原子间距的不同；金属的晶格类型和晶格常的不同；金属的晶格类型和晶格常数发生改变时，金属的性能也会发数发生改变时，金

9、属的性能也会发生相应的变化。生相应的变化。2.1.1 2.1.1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构2.1.22.1.2、金属的实际晶体结构、金属的实际晶体结构1.点缺陷点缺陷 （零维缺陷）：空位，间隙原子，杂质（置换）（零维缺陷）：空位，间隙原子，杂质（置换）原子原子 2.线缺陷（一维缺陷）：位错线缺陷（一维缺陷）：位错 3.面缺陷（二维缺陷）：晶界，亚晶界，层错，孪晶界面缺陷（二维缺陷）：晶界，亚晶界，层错，孪晶界2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构2.1.22.1.2、金属的、金属的实际晶体结构实际晶体结构n（一）、点缺陷（一）、点缺陷 空空位和间隙原子位和间隙

10、原子以某个点为中心、在它的以某个点为中心、在它的周围造成原子排列不规则，周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变的晶体缺陷产生晶格畸变的晶体缺陷。 1 1、间隙原子间隙原子：在晶格的：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体；间隙处出现多余原子的晶体；间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位置换原子置换原子2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构n2 2、晶格空位晶格空位：在晶格的：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体；结点处出现缺少原子的晶体；n3 3、置换原子置换原子：在晶格的：在晶格的结点处出现原子直径不同的结点处出现原子直径不同的异类原子。异类原子。（二）、线缺陷（二）、线缺陷位错位错 晶

11、体中某一列或晶体中某一列或若干列原子发生了有若干列原子发生了有规律的错排现象。规律的错排现象。应力场应力场2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构特点特点：受力后沿某：受力后沿某些晶面移动，导致金属些晶面移动，导致金属变形，互相作用，使位变形，互相作用，使位错错 的阻力增大，金属强的阻力增大，金属强度提高。度提高。（三）面缺陷（三）面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 晶界晶界：不同位向的两：不同位向的两晶粒之间的过渡层。晶粒之间的过渡层。 亚晶亚晶：晶粒内部尺寸：晶粒内部尺寸很小、位向差很小的小很小、位向差很小的小晶块。晶块。 亚晶界亚晶界：亚晶之间：亚晶之间的界面。的界面。

12、面缺陷面缺陷：晶界和亚晶：晶界和亚晶界。界。 亚晶界亚晶界晶界晶界亚晶界亚晶界晶界晶界2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构晶体缺陷可提高金属晶体缺陷可提高金属强度，但降低其耐腐蚀强度，但降低其耐腐蚀性能。性能。晶界和亚晶界晶界和亚晶界位位错错2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n（一）、基本概念（一）、基本概念n1 1、合金合金：两种或两种以上的金属元：两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的新金属。属性质的新金属。n 、组元

13、组元：组成合金最基本、能独立：组成合金最基本、能独立存在的物质（可以是化学元素也可以是稳存在的物质（可以是化学元素也可以是稳定的化合物）。定的化合物）。 n3 3、合金系合金系 ：有相同组元而成分比：有相同组元而成分比例不同的一系列合金。例不同的一系列合金。 n4 4、相相 ：在合金中，：在合金中，化学成分一致化学成分一致、物理状态相同物理状态相同，与其他部分有明显界面的，与其他部分有明显界面的部分。部分。 2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n 、显微组织和组织组成物、显微组织和组织组成物 组织组织：由单相或多相组成的具有一：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物。定

14、形态的聚合物。 显微组织显微组织：显微镜下看到的相和晶：显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和配置状态。粒的形态、大小和配置状态。 组织组成物组织组成物：构成显微组织的独立：构成显微组织的独立部分，它可以是单相或多相混合物。部分，它可以是单相或多相混合物。2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点通常所指的组织通常所指的组织： n（1 1）基本结构是纯金属，或是化合物等；）基本结构是纯金属，或是化合物等； n（2 2）晶粒是粗的，还是细的；）晶粒是粗的，还是细的； n（3 3）第二相分布，是在晶界还是在晶内；）第二相分布，是在晶界还是在晶内； n（4 4）第二相形状，是片状、粒

15、状、网状）第二相形状，是片状、粒状、网状等；等； n（5 5）第二相分散度，是大还是小。）第二相分散度，是大还是小。2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点 1 1 、固溶体、固溶体 固溶体固溶体：一种组元均匀的溶解在：一种组元均匀的溶解在另一组元中而形成的晶体相。另一组元中而形成的晶体相。固溶体是单相，晶格类型与溶剂固溶体是单相，晶格类型与溶剂相同。相同。溶剂溶剂：晶格保持不变的组元。：晶格保持不变的组元。溶质溶质：晶格消失的组元。：晶格消失的组元。2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n（1 1）置换固溶体）置换固溶体当溶质原子代替了当溶质原子代替

16、了溶剂晶格的某些结点原溶剂晶格的某些结点原子而形成的固溶体子而形成的固溶体。 n形成无限固溶体的形成无限固溶体的条件条件：两组元具有相同：两组元具有相同的晶格，原子直径相差的晶格，原子直径相差很小。很小。 2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n（2 2）间隙固溶体）间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格溶质原子分布在溶剂晶格间隙处而形成的晶体相。间隙处而形成的晶体相。形成条件形成条件：两组元直径相：两组元直径相差较大。差较大。由于两组元原子大小和性由于两组元原子大小和性能上的差别，导致晶格发生畸能上的差别，导致晶格发生畸变、歪扭，使晶体的位错运动变、歪扭，使晶体的位错运动阻力

17、增大，合金塑性变形抗力阻力增大，合金塑性变形抗力增大，由此强化了合金。增大，由此强化了合金。固溶强化固溶强化：因形成固溶体：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高，而引起合金强度、硬度升高，但塑性和韧性下降的现象。但塑性和韧性下降的现象。2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n 2 2、金属化合物、金属化合物 合金中各组元原子按一定整数比结合金中各组元原子按一定整数比结合而形成的晶体相。合而形成的晶体相。 金属化合物是单相，可看成是一个金属化合物是单相，可看成是一个组元。组元。第二相（弥散）强化：第二相（弥散）强化：在合金中，在合金中，金属化合物若以细小的粒状均习分布在金属

18、化合物若以细小的粒状均习分布在固溶体相的基体上使合金的强度、硬度固溶体相的基体上使合金的强度、硬度进一步提高的现象。进一步提高的现象。2.1.3 2.1.3 金属材料的结构金属材料的结构特点特点n 3 3、机械混合物、机械混合物 两种以上的相紧密混合而成的独两种以上的相紧密混合而成的独立整体。立整体。机械混合物的性能取决于各组成机械混合物的性能取决于各组成相的性能、数量、形状、大小与分布相的性能、数量、形状、大小与分布等。等。2.2 2.2 非金属材料的结构非金属材料的结构n2.2.1 2.2.1 陶瓷材料结构特点陶瓷材料结构特点 1 1、键合类型键合类型（离子键和共价键）（离子键和共价键）

19、特点特点：熔点高、硬度高、耐腐蚀、塑：熔点高、硬度高、耐腐蚀、塑性差。性差。 n2.2. 组织组织 （1 1）晶体相：化合物或以化合物为基）晶体相：化合物或以化合物为基体的固溶体；体的固溶体； （2 2）玻璃相：结构为离子多面体构成）玻璃相：结构为离子多面体构成的空间网格，呈不规则排列的空间网格，呈不规则排列,30%,30%； 特点特点：熔点低、热稳定性差，使陶瓷：熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，降低高温强在高温下容易产生蠕变，降低高温强度。度。 （3 3）气相：陶瓷组织中的气孔）气相：陶瓷组织中的气孔,5%,5%。2.2.2 2.2.2 高分子材料的结构特点高分子材料的结构特

20、点n主要组分是高分子化合物，以及各种添加剂。主要组分是高分子化合物，以及各种添加剂。n添加剂添加剂：为改善：为改善高分子材料高分子材料的使用性能或成形的使用性能或成形工艺而加入的其它成分。包括工艺而加入的其它成分。包括填料填料、增塑剂增塑剂、固化剂固化剂、稳定剂稳定剂、润滑剂润滑剂、着色剂着色剂、阻燃剂阻燃剂、抗静电剂抗静电剂等。等。n单体单体：可以聚合成大分子链的小分子化合物。：可以聚合成大分子链的小分子化合物。n链节链节：大分子链的重复结构单元。：大分子链的重复结构单元。n聚合度聚合度：一个大分子链中链节的数量。反映其：一个大分子链中链节的数量。反映其长短及相对分子质量的大小。长短及相对分

21、子质量的大小。2.2 2.2 非金属材料的结构非金属材料的结构2.2.2 2.2.2 高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点n1 1、大分子链的形态、大分子链的形态 （1 1）线型结构：由许多链节连成一条长链，支链的存在使线型）线型结构：由许多链节连成一条长链，支链的存在使线型高聚物的性能钝化。高聚物的性能钝化。 （2 2）体型结构：大分子链之间通过支链或化学链连接成一体的）体型结构：大分子链之间通过支链或化学链连接成一体的交联结构，在空中呈网状。特点是耐热性好、尺寸稳定、机械强交联结构，在空中呈网状。特点是耐热性好、尺寸稳定、机械强度好，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反复度

22、好，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反复使用。使用。2.2 2.2 非金属材料的结构非金属材料的结构2.2.2 2.2.2 高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点n2 2、大分子的聚集态结构、大分子的聚集态结构 特点特点：分子间力大，容易：分子间力大，容易聚集为液态和固态，无气态。聚集为液态和固态，无气态。分为无定型（分子排列杂乱不分为无定型（分子排列杂乱不规则）和结晶型（分子排列规规则）和结晶型（分子排列规整有序）。整有序）。 结晶型高聚物结晶型高聚物：由晶区和：由晶区和非晶区组成。结晶度为非晶区组成。结晶度为50508080。 无定型高聚物结构无定型高聚物结构：大分：大分子

23、呈远程无序、近程有序排列。子呈远程无序、近程有序排列。2.2 2.2 非金属材料的结构非金属材料的结构2.2.2 2.2.2 高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点n3 3、高聚物的物理、力学状态、高聚物的物理、力学状态 （1 1）玻璃态：玻璃态： 在温度低于在温度低于T Tg g时高聚物处时高聚物处于玻璃态，于玻璃态，T Tg g称为玻璃化温度。称为玻璃化温度。是塑料的应用状态，是塑料的应用状态， T Tg g越高越越高越好。好。 （2 2）高弹态：高弹态： 是塑料的应用状态，是塑料的应用状态， T Tg g越越低越好。低越好。 （3 3）黏流态：黏流态： 是高聚物成形加工的工艺是高聚物成

24、形加工的工艺状态。较高的刚度和硬度，既状态。较高的刚度和硬度，既韧又硬的皮革态。韧又硬的皮革态。2.2 2.2 非金属材料非金属材料的结构的结构2.2.2 2.2.2 高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点n 4 4、高分子的老化：、高分子的老化：在热、光、化在热、光、化学、生物、辐射作用下其性能和结学、生物、辐射作用下其性能和结构发生变化（硬化、脆化、发软、构发生变化（硬化、脆化、发软、发黏）。实质是大分子链的结构通发黏）。实质是大分子链的结构通过交联和降解发生变化。过交联和降解发生变化。2.2 2.2 非金属材料非金属材料的结构的结构2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强

25、化 结晶结晶：金属从液态变成固态：金属从液态变成固态的过程。的过程。 1.1.结晶过程结晶过程 1 1）晶核的产生；）晶核的产生；2 2）晶核的长大。）晶核的长大。 2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化 1 1）液态金属在冷却过程中，由于热量向外散失，温度不）液态金属在冷却过程中，由于热量向外散失，温度不断下降；断下降；n2 2）当冷却到某一温度时开始结晶，结晶放出的热补偿了）当冷却到某一温度时开始结晶，结晶放出的热补偿了向外散失的热量；向外散失的热量；n3 3）结晶结束，温度重新下降。）结晶结束，温度重新下降。理论结晶温度纯金属纯金属多数合金多数合金实际开始结晶温度实际冷

26、却曲线实际冷却曲线2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化 2.2.结晶温度结晶温度 纯金属由液态转变为固态的纯金属由液态转变为固态的温度。温度。2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化过冷现象过冷现象：金属实：金属实际结晶温度较理论结晶际结晶温度较理论结晶温度低的现象。温度低的现象。过冷度过冷度：理论结晶：理论结晶温度与实际结晶温度之温度与实际结晶温度之差。差。冷却速度越大，过冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温冷度越大，实际结晶温度越低，金属的强度、度越低，金属的强度、硬度越高。硬度越高。1TTTm2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化2.

27、3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化3.3.晶核的形成与细晶强化晶核的形成与细晶强化 自发晶自发晶：由金属自身原子团形成晶核；：由金属自身原子团形成晶核； 非自发非自发晶晶：依服外来固体杂质形成晶核；：依服外来固体杂质形成晶核； 细晶强化：细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高。粒的细化而提高。2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对力学性能的影响2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对力学性能的影响晶粒的大小及其控制晶粒的大小及其控制1

28、. 增加过冷度，增加过冷度，提高形核率提高形核率 2. 变质处理，变质处理，促进非自发形核促进非自发形核 浇注前向金属液体中加入一些促进生浇注前向金属液体中加入一些促进生核或作为晶核的物质使金属晶粒细化的核或作为晶核的物质使金属晶粒细化的方法。方法。3. 振动，振动，打碎枝晶打碎枝晶 金属在结晶时，对液态金属附加振动、金属在结晶时，对液态金属附加振动、超声波振动和电磁振动等措施，使结晶超声波振动和电磁振动等措施，使结晶的金属经振动而破碎，增加生核率，从的金属经振动而破碎，增加生核率，从而使晶粒细化。而使晶粒细化。2.3 2.3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化2.4 2.4 材料材料的

29、同素异构现象的同素异构现象同素异构转同素异构转变变：金属在：金属在固态固态下随着温度的变下随着温度的变化，由一种晶格化，由一种晶格转变为另一种晶转变为另一种晶格的现象。格的现象。 （体心体方晶格）（面心立方晶格）（体心体方晶格）91213941538纯铁的同素异构转变2.4 2.4 材料材料的同素异构现象的同素异构现象金属的同素异构金属的同素异构转变转变遵循液体结晶的遵循液体结晶的一般规律：一般规律：n1 1、恒温转变；、恒温转变；n2 2、转变时有过、转变时有过冷现象；冷现象；n3 3、转变过程由、转变过程由生核生核和长大两个基本和长大两个基本过程组成。过程组成。2.4 2.4 材料材料的同

30、素异构现象的同素异构现象2.4 2.4 材料材料的同素异构现象的同素异构现象同素异构转变，晶核优先在原来晶粒同素异构转变，晶核优先在原来晶粒的晶界处形成，并向旧晶粒中长大，直到的晶界处形成，并向旧晶粒中长大，直到旧晶粒全部消失为止。转变具有较大的过旧晶粒全部消失为止。转变具有较大的过冷度和内应力。冷度和内应力。 同素异构转变是铁的一种重要特性。同素异构转变是铁的一种重要特性。是钢和铁接受各种热处理，改变其组织和是钢和铁接受各种热处理，改变其组织和性能的依据。性能的依据。 控制冷却速度，可以改变同素异构转控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，改变金属的性能。变后的晶粒大小，改变金属的性

31、能。2.4 2.4 材料材料的同素异构现象的同素异构现象2.4.1 2.4.1 同分异构现象同分异构现象化学成分相同而分子结构中原子排化学成分相同而分子结构中原子排列不同的现象。列不同的现象。 同分异构对高分子材料的性能影响同分异构对高分子材料的性能影响很大。很大。2.4 2.4 材料材料的同素异构现象的同素异构现象2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图n2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图 凝固凝固：一切物质从液态到固态的一切物质从液态到固态的转变过程。转变过程。若凝固后形成晶体结构，若凝固后形成晶体结构，该转变过程称为该转变过程称为结晶结晶。合金相图合金相图：在十分缓慢的冷却

32、条在十分缓慢的冷却条件下，合金状态与成分之间关系的图件下，合金状态与成分之间关系的图形。形。( (状态图、平衡图状态图、平衡图) )。2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图n二元合金相图的建立及匀晶二元合金相图的建立及匀晶相图相图 建立合金系的相图最主要是建立合金系的相图最主要是测定各种不同成分合金的测定各种不同成分合金的临界点临界点。测定方法测定方法：磁性分析、膨胀：磁性分析、膨胀分析、电阻测量、分析、电阻测量、X X射线分析及射线分析及热热分析法分析法等。等。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图匀晶相图匀晶相图：两组元组成的：两

33、组元组成的合合金系金系，在液态无限互溶，在固态也，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的相图。能无限互溶，形成固溶体的相图。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图 Cu-NiCu-Ni合金相图建立合金相图建立的具体步骤：的具体步骤： n（1 1）配制配制一系列不一系列不同成分的铜镍合金。同成分的铜镍合金。n（2 2）将上述合金）将上述合金熔熔化化后分别测定它们的后分别测定它们的冷却冷却曲线并找出曲线并找出临界点临界点。n （3 3）将各合金临界）将各合金临界点标在以温度为纵坐标、点标在以温度为纵坐标、以成分为横坐标的坐标系以成分为横坐

34、标的坐标系中。中。 n（4 4）将临界点温度）将临界点温度中，相同物理意义的点中，相同物理意义的点连连接接起来。起来。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图相图分析相图分析 图中图中A A、B B分别为分别为CuCu、NiNi的熔点；两的熔点；两相区的存在，说明该合金相区的存在，说明该合金的结晶是在一定的温度范的结晶是在一定的温度范围内进行的，不同于纯金围内进行的，不同于纯金属。只有满足形成无限置属。只有满足形成无限置换固溶体的两组元才能形换固溶体的两组元才能形成这类相图。成这类相图。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.

35、1 二元合金二元合金相图相图合金结晶过程分析合金结晶过程分析：合金的含量不同，结晶：合金的含量不同，结晶温度不同。温度不同。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图 设设W Wm m和和W Wn n为为t t0 0温度下液相和固相的相对重量，温度下液相和固相的相对重量，则：则：mkknWWnm%100mnknWm%100mnmkWn2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图n（一）共晶相图（一）共晶相图 共晶相图共晶相图：二组元在液态下无限互溶，：二组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶反映

36、的合金在固态下有限溶解并发生共晶反映的合金系形成共晶相图。系形成共晶相图。共晶反应共晶反应：从某种：从某种成分固定成分固定的合金的合金溶溶液液中，在中，在恒温（共晶温度）恒温（共晶温度）下同时下同时结晶结晶出出两种成分和结构都不同的两种成分和结构都不同的固相固相的反应。的反应。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图共晶相图共晶相图合金系分类合金系分类共晶合金共晶合金亚共晶合金亚共晶合金过共晶合金过共晶合金2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图图中图中L L为液相；为液相；为为S Sn n（锡）溶

37、于（锡）溶于P Pb b（铅）中形成的固（铅）中形成的固溶体；溶体； 为为P Pb b 溶于溶于S Sn n 中形成的固溶体。中形成的固溶体。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图反应产物：两相混合物共晶组织或共晶体。反应产物：两相混合物共晶组织或共晶体。2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图 M M点（点（w wSnSn=19%=19%），），N N点（点（w wP Pb b=2.5%=2.5%），），A A、B B分别为分别为铅铅和和锡锡的熔点，的熔点，F F、G G点分别为点分别为、室温下近似的溶解度室温下近似的溶解度点。点。E E点为共晶点点为共晶点（w wSnSn=61.

38、9%=61.9%）。）。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相图相图 共析反应共析反应：由一：由一种种固相固相在在恒温恒温下同时下同时转变成两种新的固相转变成两种新的固相的反应。的反应。edc2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图 转变温度较低，转变温度较低，原子扩散困难，容易原子扩散困难，容易获得较大的过冷度。获得较大的过冷度。得到的两相共析组织得到的两相共析组织要比共晶组织细小均要比共晶组织细小均匀。匀。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 一、

39、铁碳合金的基本相及一、铁碳合金的基本相及组织组织 铁碳合金在液态是可以无铁碳合金在液态是可以无限互溶，在固态时限互溶，在固态时C C能溶解于能溶解于FeFe的晶格中，形成间隙固溶体。的晶格中，形成间隙固溶体。当含当含C C量超过铁的溶解度时，多量超过铁的溶解度时，多余的余的C C便与便与FeFe形成化合物形成化合物FeFe3 3C C。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相铁素体铁素体渗碳体渗碳体奥氏体奥氏体莱氏体莱氏体珠光体珠光体2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合

40、金相图n（一）铁素体（一）铁素体碳原子固溶到碳原子固溶到FeFe中形成的中形成的间隙固溶体。间隙固溶体。常用常用“F”F”或或“”表示。表示。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图n 因因C C原子半径大于原子半径大于FeFe晶格晶格中的最大空隙半径，所以溶解度极中的最大空隙半径，所以溶解度极低。低。特点特点：n、含碳量很小，其力学性能、含碳量很小，其力学性能与纯铁极为相近。与纯铁极为相近。n、强度和硬度低，而塑性和、强度和硬度低，而塑性和韧性好。韧性好。n、铁素体在、铁素体在770770以下具有以下具有磁磁 。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）奥氏体（二）奥氏体 碳溶于

41、面心立方晶格的碳溶于面心立方晶格的-Fe Fe 中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体。用符用符号号“A”A”或或 “ “”表示。表示。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图因因-Fe-Fe晶格中的最大空隙晶格中的最大空隙半径大于半径大于-Fe-Fe晶格中的最大空晶格中的最大空隙半径，所以溶碳能力比隙半径，所以溶碳能力比-Fe -Fe 高。高。特点特点：n、具有一定强度和硬度，、具有一定强度和硬度，良好的韧性，低的塑性形变抗良好的韧性，低的塑性形变抗力。力。n、易于高温锻压成型。、易于高温锻压成型。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图n（三）（三） 渗碳体渗碳体 铁与碳形成的具有复

42、杂晶铁与碳形成的具有复杂晶格的间隙化合物。格的间隙化合物。 FeFe3 3C C的含碳量为的含碳量为6.696.69，熔点为熔点为12271227。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图n特点特点：n、硬度高；、硬度高；n、脆性大，塑性、冲击、脆性大，塑性、冲击韧性几乎等于零。韧性几乎等于零。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图n（四）珠光体（四）珠光体铁素体和渗碳体均铁素体和渗碳体均匀分布的两相机械混合匀分布的两相机械混合物。物。代号为代号为“P”P”。 它是它是A A在冷却过程在冷却过程中（中（727727的恒温下）的恒温下）发生发生共析转变共析转变得到的产得到的产物，平均含

43、碳量物，平均含碳量0.77%0.77%。铁素体铁素体+珠光体珠光体2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图n特点特点：n、有较高的强度，、有较高的强度，硬度适中。硬度适中。n、具有一定的塑、具有一定的塑性和足够的韧性。性和足够的韧性。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图n（五）莱氏体（五）莱氏体A A和和FeFe3 3C C呈均匀分呈均匀分布的机械混合物。也称布的机械混合物。也称高温莱氏体，高温莱氏体，用符号用符号LdLd表示。表示。 它是含碳量为它是含碳量为4.3%4.3%的铁碳合金，在的铁碳合金，在11481148时发生时发生共晶转变共晶转变，从液相中同时结晶出从液相中同时结晶

44、出A A和和FeFe3 3C C。珠光体珠光体+二次渗碳体二次渗碳体2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图低温莱氏体低温莱氏体：P P和和FeFe3 3C C的机械混合物。代的机械混合物。代号号LdLd表示。表示。它是在它是在727 727 以以下高温莱氏体中的下高温莱氏体中的A A发生共析转变成发生共析转变成P P而形而形成。是铁碳合金在室温成。是铁碳合金在室温时的另一个基本组织。时的另一个基本组织。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图特点特点：n、硬度高。、硬度高。n、塑性很差。、塑性很差。2.5.2 2.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相

45、图表示在极缓慢冷却（或加热）表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金的情况下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的一种图状态或组织随温度变化的一种图形形。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（一）（一）Fe-FeFe-Fe3 3c c相图的重要点、线、区相图的重要点、线、区2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（一）（一）Fe-FeFe-Fe3 3c c相图的重要点、线、区相图的重要点、线、区2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（一）（一）Fe-Fe3cFe-Fe3c相图的重要点、线、区相图的重要点、线、区、 FeFe3CFeFe3C相图中的相图中的主要相区主要相区

46、ACDACD线以上：线以上：L L相；相；AESG AESG ：A A相；相；AECAEC：A+LA+L相；相；DFC DFC ：FeFe3 3C C1 1+L+L相；相；GSP GSP ：A+FA+F相；相；ESKF ESKF ：FeFe3 3C+AC+A相；相；PSKPSK线以下：线以下：FeFe3 3C+FC+F相。相。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图液相液相奥氏体奥氏体高温铁素体高温铁素体铁素体铁素体7271148渗碳体渗碳体2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析铁碳合金铁碳合金工业纯铁工业纯铁W Wc c0

47、.02%0.02%；钢钢白口铁白口铁过共析钢过共析钢共析钢共析钢亚共析钢亚共析钢亚共晶铁亚共晶铁共晶铁共晶铁过共晶铁过共晶铁0.02wc0.77%Wc0.77%0.77wc2.11%2.11wc4.3%wc4.3%4.3wc6.69%2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析n、共析钢、共析钢合金冷却到合金冷却到S S点时，点时，A A发生共发生共析反应，析出析反应，析出F F和和FeFe3 3C C的机械混合的机械混合物物珠光体珠光体（P P）；）；2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二

48、）典型成分铁碳合金结晶过程分析n、亚共析钢、亚共析钢由由P P和和F F组组成；成；2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析n、过共析钢、过共析钢由由P P和和二次二次FeFe3 3C C组成；组成；2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析n、共晶白口铁、共晶白口铁由由P P和和FeFe3 3C C组成的机械混组成的机械混合物（合物（低温莱氏体低温莱氏体）；）；2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶

49、过程分析n、亚共晶白口铁、亚共晶白口铁由由P P、二次二次FeFe3 3C C和和低温莱氏体低温莱氏体组成。组成。2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析n、过共晶白口铁、过共晶白口铁由由一次一次FeFe3 3C C和和低温莱氏体低温莱氏体组成。组成。2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图三铁碳合金成分、组织、性能三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系之间的关系2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图三铁碳合金成分、组织、性能之间三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系的关系2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图三铁碳合金成三铁碳合金成分、组织、性能分、组织、性能之间的关系之间的关系2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系三铁碳合