第2章金属及合金的结构与结晶课件

《机械工程材料与热加工工艺》第二章金属及合金的结构与结晶§1金属的结构与结晶§2合金的结构与相图《机械工程材料与热加工工艺》第二章金属及合金的结构与结第一节金属的结构与结晶一、金属键与金属的特性金属的定义（传统）：--是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽金属键：金属原子的外层电子少，容易失去，成为自由电子。多个金属原子在一起时，自由电子为整个金属所共有，在金属内部运动，形成电子气。原子依靠正离子与共有自由电子的静电作用而结合的方式称为金属键。第一节金属的结构与结晶一、金属键与金属的特性金属的定义（二、金属的晶体结构1.晶体的概念固体物质按原子排列的特征分为:晶体:结构有序、物理性质各向异性、有固定的熔点非晶体:结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定熔点

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（原子中心）称结点。由结点形成的空间点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晶格常数：晶胞各边的尺寸

a、b、c，棱间夹角

、

、

二、金属的晶体结构1.晶体的概念固体物质按原子排列的特征分为2、常见的金属晶格体心立方晶格bcc面心立方晶格fccα-Fe、Cr、W、Mo

γ-Fe、Cu、Ni、AlZn、Mg密排六方晶格hcp2、常见的金属晶格体心立方晶格bcc面心立方晶格fccα-F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。晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。配位数：晶格中与任一原子等距离最近的原子数目。致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。3、晶胞中的原子数、配位数、致密度配位数和致密度可以用来说明哪些问题？

答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。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。晶胞原晶格类型晶胞中原子数n配位数致密度k金属举例体心立方bcc280.68α-Fe、Cr、W面心立方fcc4120.74γ-Fe、Cu、Al密排立方hcp6120.74Mg、Zn晶格类型晶胞中原子数n配位数致密度k金属举例体心立方280.单晶体多晶体多晶体由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，具有各向同性，每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒位向差约30°-40°，形成晶界；晶粒内部区域之间位向差为10’-20’，形成亚晶粒三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷1、单晶体、多晶体单晶体：晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，具有各向异性，只有采用特殊的方法才能得到单晶体。晶粒示意图单晶体多晶体多晶体由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，具有各向同晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。2、实际金属的晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。2、实际金属的晶体缺陷1)点缺陷指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子c.置换原子：异类原子占据结点1)点缺陷指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。a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。从而使强度、硬度、电阻增大空位间隙原子小置换原子大置换原子

点缺陷的存在将加速金属的扩散过程，因而凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形与断裂等都与空位与间隙原子的存在和运动有关。空位、间隙原子的数目随着温度升高而急剧增多。这种缺陷在晶体中所占比例很小，万分之一的数量级。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2）线缺陷位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。刃型位错：是指二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。2）线缺陷位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规位错密度：实际晶体中单位体积中所包含的位错线总长度螺型位错：退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关；加工硬化由于位错密度的增加所致。位错密度：实际晶体中单位体积中所包含的位错线总长度螺型位错：3)面缺陷----二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，通常是指晶界和亚晶界。3)面缺陷----二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，通常是晶界的特点：①

原子排列不规则。②

熔点低。③

耐蚀性差。④

易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤

阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥晶格结构改变（相变）的优先发生（形核）部位

显微组织的显示晶界的特点：显微组织的显示四金属的结晶1、金属结晶的概念

金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。结晶：液体-->晶体凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）晶体液体结晶四金属的结晶1、金属结晶的概念金属自液态经冷却转变为固态过冷是结晶的必要条件。ΔT=T0–T1过冷度：冷速越快，过冷度越大.To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)过冷是结晶的必要条件。ΔT=T0–T1过冷度：冷速2、结晶过程

液态金属结晶是由形核和长大两个基本过程来实现。2、结晶过程液态金属结晶是由形核和长大两个基本过程来实现。(1)形核1）自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。但需要很大的过冷度，如：纯铜结晶ΔT=236℃

２)非自发形核——晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核，所需过冷度为20℃

。

(1)形核1）自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下树枝状晶体长大过程

顶角和棱边处散热条件优于其它部位

树枝状晶体长大过程

金属的树枝晶顶角和棱边处散热条件优于其它部位

（2）晶核的长大树枝状晶体长大过程顶角和棱边处散热条件优于其它部位树枝状形核率N：单位时间内在单位体积液体中形成的晶核数目。长大率G：单位时间界面向前推进的距离。金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。N/G值越大，结晶后的晶粒越细。例：纯铁的晶粒d：70μm减至1.6μm

σb：184MPa增至270MPa

δ：30.6%增至50.7%3、晶粒大小对金属力学性能的影响及细化晶

粒的方法形核率N：单位时间内在单位体积液体中形成的晶核数目。长大率G细化晶粒的途径:1）提高冷却速度V冷△TN/G晶粒细小2）变质处理起外来晶核的作用或机械阻碍作用3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。细化晶粒的途径:1）提高冷却速度V冷△TN/G晶粒细小2）变4、金属铸锭的组织---宏观组织4、金属铸锭的组织第2章金属及合金的结构与结晶课件§2合金的结构与相图一、合金的基本概念合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。钢、铸铁等组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。一般是元素，有时也可以是稳定的化合物。有二元、三元合金等。相：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组成部分。一般分固相与液相，合金中的固相分为固溶体和金属化合物两类。显微组织：显微镜下相的形态、数量、大小和分布形貌。晶向或者相不同，抛光面受腐蚀程度不同。§2合金的结构与相图一、合金的基本概念合金：由两种或两种二、固相结构(固溶体和金属化合物)定义：溶质原子溶入溶剂晶格中形成的合金相，并不改变溶剂的晶格类型；固溶体的成分不固定。⑴固溶体按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。按溶质原子分布分无序固溶体和有序固溶体。按溶解度分有限固溶体和无限固溶体。二、固相结构(固溶体和金属化合物)定义：溶质原子溶入溶剂Cu-Ni置换固溶体①置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。置换固溶的形成和溶解度取决于：a.原子外层电子结构（电化学、负电性）相近；

----否则容易形成化合物

b.原子半径相差不大；--否则容易形成间隙化合物c.晶格类型相同；--否则只能有限固溶例：Cu与Ni原子序数：29、28；2.55Å、2.44Å；均为fcc结构。故Cu与Ni形成无限置换固溶体。Cu-Ni置换固溶体①置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结②间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。溶质元素：原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，溶剂元素：过渡族元素。间隙固溶体都是无序有限固溶体。Fe-C间隙固溶体②间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间③固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—--固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及阻碍了位错的运动。与纯金属点缺陷特点相同③固溶体的性能2、金属化合物合金中两组元相互作用形成新相，它的晶体结构、性能、熔点与两组元都不同，并具有金属特征。这种相称为金属化合物。（1）正常价化合物

——化学式符合化合价规则，化学成分不变。（2）电子化合物

——按照一定的电子浓度（价电子数量比原子数）组成，化学成分一定范围内可变（3）间隙化合物根据形成条件分为：金属化合物都是硬而脆，不能作基体相。2、金属化合物合金中两组元相互作用形成新相，它的晶体结构、性三、二元合金相图合金的结晶的描述：冷却曲线：特点：不同成分曲线不同；除非纯金属，有结晶温度范围；结晶过程中液相与固相成分发生变化。冷却速度不同，结晶范围发生变化相图：描述极缓慢结晶条件下，将不同冷却曲线转折点在温度成分坐标中标注并连线得到。集合所有成分合金冷却曲线的特点。即：温度范围，相变特征，成分变化等。定义：表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条件下）合金成分、温度和相（或组织）之间的关系图形。又称状态图或者平衡图三、二元合金相图合金的结晶的描述：时间温度90705030AB温度（1）匀晶相图特点：固液态两组元均无限固溶。LɑLɑ熔点A熔点B液相线固相线1）制作与相图分析时间温度90705030AB温度（1）匀晶相图特点：固液态两2)合金的结晶过程(以含Ni量40%的铜镍合金为例）2)合金的结晶过程(以含Ni量40%的铜镍合金为例）3）杠杆定律用途：求两相区的合金两平衡相的相对重量。过程：液相相对重量为QL固相相对重量为Q

。由QL

+Q

=1

QL

x1+Q

x2=x解方程组得：

QL（

x-x1）=Q

（x2

-x）12

t3）杠杆定律液相相对重量为QL由QL+Q=1124)枝晶（晶内）偏析

形成原因：冷却速度快，固溶体的化学成分来不及扩散均匀。定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。4)枝晶（晶内）偏析形成原因：定义：在一个枝晶范围内或一个Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织：含Ni30%的固溶体枝晶偏析组织先结晶出的含镍量高，不易被腐蚀，呈亮白色；后结晶出的含铜量高，易被腐蚀，呈黑色。生产中用“扩散退火”（均匀化退火）加以消除Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织：含Ni30%（2）共晶相图

Pb-SnAl-Si…特点：液态无限互溶，固态不能无限互溶;一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个不同成分固相的过程。1）相图分析：组元，相，点、线、相区机械混合物（2）共晶相图Pb-SnAl-Si2）合金的结晶过程次生相初生相2）合金的结晶过程次生相初生相

两相重量比——杠杆定理

组织组成物重量比——杠杆定理QSnQPb两相重量比——杠杆定理组织组成物重量比——杠杆定理Q一种液相在恒温下同时结晶出两种不同成分和不同晶体结构的反应叫做共晶反应。所生成的两种固相机械混合物，形成有固定化学成分的基本组织，被统称为共晶体共晶体共晶合金固溶体相互间隔，同时产生，显微镜下具有区别于其他的机械混合物的显著形态，因此和初生相与次生相类似，也是独立的组织组成物。一种液相在恒温下同时结晶出两种不同成分和不同晶体结构的反应叫

两相重量比——杠杆定理

组织组成物重量比——100%QSnQPb两相重量比——杠杆定理组织组成物重量比——100%Q亚共晶合金亚共晶合金

两相重量比——杠杆定理QSnQPb两相重量比——杠杆定理QSnQPb

组织组成物重量比——杠杆定理QeQmQβQα组织组成物重量比——杠杆定理QeQmQβQα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

Ⅱ。室温组织为

Ⅰ+(

+

)+

Ⅱ。过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似,为了便于使用，人们往往把合金的组织组分填写在相图中为了便于使用，人们往往把合金的组织组分填写在相图中在一定温度下，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。（3）包晶相图LC+

D⇄βP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第2章金属及合金的结构与结晶课件第2章金属及合金的结构与结晶课件第2章金属及合金的结构与结晶课件一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）为共析转变（反应），得共析组织。γ