《工程材料及成形工艺基础》课件项目2金属的结构与组织

§2.1纯金属的晶体结构§2.2金属的结晶和同素异构转变§2.3合金及其组织§2.4铁碳合金相图§2.5铁碳合金相图的应用

项目2金属的结构与组织技能目标1.了解金相显微试样制备原理，初步掌握金相显微试样的制备方法。2.能应用铁碳合金相图，分析不同含碳量的铁碳合金在不同温度下的组织，能观察判断典型铁碳合金的显微金相组织。3.能应用铁碳合金相图分析铁碳合金在不同温度、不同含碳量时的性能特点和工艺性能。思政目标

1.以金相试样的制备为切入点，引导学生重视实操，培养严谨求实的工作作风和一丝不苟的工匠精神。2.理解组织决定性能，树立内因和外因的辩证关系，引导学生养成自律习惯。概述1.材料都具有一定的性能且性能之间又有差异2.金属材料性能差异的来源：（1）化学成分：对应于冶金学研究（2）组织结构：其改变又源于不同的加工处理工艺所以以上两点是改善和发展金属材料性能的两个途径3.金属和合金在固体下通常都是晶体，要了解金属及合金的内部结构，必须学习晶体的结构。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”。非晶体

(蜂蜡、玻璃等)晶体(金刚石、NaCl、冰等)液体2.1.1晶体与非晶体2.1纯金属的晶体结构晶体的特点：

1.晶体排列有规则的、周期的长程有序晶体非晶体

2.有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体熔化时具有固定熔点（熔点是晶体向非晶体转变的临界温度），而非晶体没有固定熔点，存在一个软化温度范围。3.各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ晶体具有各向异性的特性,非晶体却为各向同性。原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。

2.1.2晶体结构晶胞点阵（晶格）模型晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。

晶胞XYZabc晶格常数a，b，c

晶格常数—晶胞的三个棱边

的长度a，b，c2.1.3常见金属晶格类型1.体心立方晶格bcc

2.面心立方晶格fcc

3.密排六方晶格hcp1.体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等晶格常数：a=b=c；===902.面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常数：a=b=c；===903.密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常数：底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角902.1.4金属实际晶体结构实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如：金刚石、水晶、单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）多晶体示意图单晶体与多晶体的性能差异：

单晶体：各向异性

多晶体：不具备各向异性特点

金属材料一般不具有各向异性

自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。

液体-->固体（晶体或非晶体）结晶：物质从液体转变为晶体时的凝固过程。

液体-->晶体2.2.1金属的结晶2.2金属的结晶与同素异构转变熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的凝固曲线第一类凝固反应（结晶转变）：水、液体金属或合金等第二类凝固反应（玻璃质转变）：玻璃、聚乙醇、沥青、松香1.金属的结晶熔点时间温度纯金属的冷却曲线（热分析曲线）液态固态利用热分析装置，先将结晶材料（如金属）放入坩埚加热熔化成液体，然后插入热电偶以测量温度，然液态金属缓慢而均匀的冷却，并用记录仪将冷却过程中的温度和时间记录下来，获得的温度-时间曲线如图所示，这一曲线叫做冷却曲线（热分析曲线），这种试验方法叫做热分析法。冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}

T过冷度

T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象称为过冷。2.过冷度金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度↑，则过冷度↑，即实际结晶温度↓。

不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶，即对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程就不能进行。2.金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程3.晶粒的大小对性能的影响晶粒度——表示晶粒大小，分8级。晶粒度12345678。单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。细化晶粒的措施：(1).提高过冷度(2).变质处理(3).振动结晶（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度

T的关系

TG，NGN过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷ΔT太高，N降低、G降低（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。1.纯铁的同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。-Fe(bcc)-Fe(fcc)-Fe(bcc)1394C912C2.2.2金属的同素异构转变

金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格形式转变为另一种晶格形式的现象，称为金属的同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。2．金属同素异构转变的特点

金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象，又称重结晶。与液态金属的结晶相比，相同点：都有一定的转变温度，转变时有过冷现象；

放出和吸收潜热；

形核和长大。不同点：同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界

处形核；转变需要更大的过冷度；晶格变化伴随着金属

体积的变化；转变时会产生较大的内应力。

组元组成合金的独立的，最基本的单元称组元组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金属元素C、N、B、O等；也可以是化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。材料可以由单一组元组成，如纯金属、Al2O3晶体等，也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷材料。2.3.1合金的基本知识2.3合金及其组织合金

是指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。由两个组元组成的合金称为二元合金。三个组元组成的合金称为三元合金。由三个以上组元组成的合金称为多元合金。由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金系。合金举例：碳钢（carbonsteel）：是铁与碳所组成的合金。白铜：主要是铜与镍所组成的合金。黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。

合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度

、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。由一种固相组成的合金称为单相合金。由几种不同固相组成的合金称为多相合金。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。亚共析钢x400过共析钢x400组织合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。由不同组织构成的材料具有不同的性能。只有一种相组成的组织称为单相组织。由两种或两种以上相组成的组织称为多相组织。组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料内部的微观形貌。1.固溶体合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同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。固溶体溶剂+溶质一种固相能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为溶剂。失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。2.3.2合金的组织固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：间隙固溶体和置换固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度可将固溶体分为：有限固溶体和无限固溶体。溶解度：指溶质在固溶体中的极限浓度。固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。2.金属化合物它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。第二相强化：以金属化合物作为强化金属材料的方法。3.混合物

两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为混合物。混合物中各组成相仍保持自己的晶格，彼此无交互作用。混合物可以是纯金属、金属化合物、固溶体之间的混合，其性能主要取决于各组成相的性能、质量百分数以及分布状态。混合物是多相组织。铁素体：碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。727℃0.02%C

力学性能：Rm=250MPaHBW=80A=45~50%1.铁素体（F）2.奥氏体（A）奥氏体：

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。1148℃2.11%C、727℃0.77%℃力学性能：Rm=250~350MPaHBW=160~200A=40~45%铁素体的显微组织示意图奥氏体的显微组织示意图2.4.1铁碳合金的组织2.4铁碳合金相图3.渗碳体（Fe3C）渗碳体—是金属化合物。6.67%C1227℃力学性能：Rm=30MPaHBW=800A=0渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其它相共存，如能合理利用，渗碳体是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大的影响，另外，在一定条件下它会发生分解，形成石墨状的自由碳。4.珠光体（P）5.莱氏体（Le）Ld珠光体—是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

727℃0.77%℃力学性能：Rm=750MPaA=25%HBW=180-200良好的综合力学性能（较高强度和一定的塑、韧性）Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状。莱氏体—是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。1148℃4.3%C力学性能：Rm=30MPaA=0HBW=700问题1问题2AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FLd

符号温度（℃）ωC（％）物理意义符号温度（℃）ωC（％）物理意义A15380纯铁熔点G9120α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点C11484.30共晶点S7270.77共析点D12276.69渗碳体熔点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度Q室温0.0008室温下碳在α-Fe中的溶解度2.4.2铁碳合金相图中的特性点、线1.特性点2.特性线AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Ld727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FAECF线—固相线ACD线—液相线AE—A析出终了线ECF—共晶线AC—析出ACD—析出Fe3CAL+Fe3CL+F+AA+Fe3CⅡA+LdLd+

Fe3CES线（Acm）—C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡGS线（A3线）—A←→FGP线—F析出终了线。PSK线（A1）—共析线，727℃PQ线—碳在α-Fe中的溶解度曲线。析出三次Fe3CⅢ（1）单相区：L、F、A、Fe3C（2）两相区：L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C（3）三相区：L+A+Fe3C、A+F+Fe3CF+Fe3C2.4.3典型成分铁碳合金的平衡结晶过程及其组织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%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种

常见

碳钢ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①1231.工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程45L→L+A→A→F+A→F→F+Fe3CⅢ12345F+Fe3CⅢ工业纯铁的金相组织室温组织：F+Fe3CⅢESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A1123231LAAL+P2.共析钢(C%=0.77%)结晶过程②(

F

+

共析

Fe3C

)珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C

和

F

之间。共析钢室温组织为P，组成相为F（88%）和Fe3C（12%）。ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A③11234F+P3.亚共析钢(C%=

0.4%)结晶过程1LAAL+A+P+F432FFPESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A④1234P+Fe3CⅡ4.过共析钢(C%=

1.2%)结晶过程41LL+A+P+Fe3CⅡ23AAFe3CⅡA+Fe3CⅡ网状渗碳体ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A⑤12Ld’5.共晶白口铁(C%=

4.3%)结晶过程1L2LdLd’室温组织:（低温）莱氏体Ld′

（P+Fe3CII+

共晶

Fe3C

）,500×莱氏体Ld′的性能：硬而脆ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+AP+Fe3CⅡ+Ld’⑥1236.亚共晶白口铁(C%=

3%)结晶过程1LA+L+LdP+Fe3CⅡ+Ld’A+Fe3CⅡ42A3A+Fe3CⅡ+Ld+Ld室温组织:Ld′+

P+Fe3CIIESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A⑦1132Fe3CⅠ+Ld’Fe3CⅠ+Ld7.过共晶白口铁(C%=5%)结晶过程31L2L+Fe3CⅠFe3CⅠ+Fe3CⅠ+Ld’Ld室温组织:Ld′+

Fe3CI2.5.1铁碳合金成分、组织、性能之间的关系

2.5铁碳合金相图的应用含碳量与性能关系HBW：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含