航空工程材料课件 07 合金相结构及金属的结晶

2-2合金相结构及金属的结晶课前回顾1.什么是晶体？晶体和非晶体有什么区别？2.金属晶体有哪些常见的晶格类型？每种晶格类型对应的金属有哪些？3.晶体缺陷如何分类？对材料的力学性能有何影响？创新精神创新精神是一个国家和民族发展的不竭动力，也是一个现代人应该具备的素质。创新精神是一种勇于抛弃旧思想旧事物、创立新思想新事物的精神。知识目标1.理解合金的基本概念、固溶体和金属间化合物等合金相结构；2.掌握金属结晶的过程和掌握晶粒大小对金属材料力学性能的影响。3.掌握金属的同素异构转变。能力目标掌握工业生产中采用的细化晶粒方法。教学目标素质目标1.具有劳模精神与创新思维；2.具有风险意识。一、合金的相结构1.基本概念（1）合金定义：两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。合金可能只含有一种金属元素，如钢（钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁合金的统称）。合金一般是混合物，但是合金可以是纯净物，例如金属间化合物。一、合金的相结构1.基本概念（2）组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般地说，就是组成合金的元素。由两个组元组成的合金就称为二元合金，由三个组元组成的合金就称为三元合金。（3）相具有相同物理和化学性能并与其他部分以界面分开的一种物质部分称为相。相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。固态合金中有两种基本相：固溶体和金属间化合物。一、合金的相结构1.基本概念（4）组织通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称为显微组织。合金组织：一种相或多种；纯金属组织：一般由一种相组成。一、合金的相结构2.固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相就称为固溶体。这种组元称为溶剂，其它组元即为溶质。以Al-Mg合金为例

Al为面心立方结构，Mg为密排六方结构。少量的Mg加入到Al中后，Mg没有按密排六方结构排列，而是溶入Al中，形成了Al基固溶体，呈面心立方结构排列。Al为溶剂原子，Mg为溶质原子。置换固溶体一、合金的相结构2.固溶体（1）固溶体的常见分类间隙固溶体置换固溶体置换固溶体反之，若不能满足上述条件，则溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。例如，铜和锡、铅和锌等都形成有限固溶体。一、合金的相结构2.固溶体（1）固溶体的常见分类一般来说，晶格类型相同、原子直径差别越小、在周期表中位置越靠近，则溶解度越大，甚至在任何比例下均能互溶形成无限固溶体。置换固溶体置换固溶体反之，若不能满足上述条件，则溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。例如，铜和锡、铅和锌等都形成有限固溶体。一、合金的相结构2.固溶体（1）固溶体的常见分类一般来说，晶格类型相同、原子直径差别越小、在周期表中位置越靠近，则溶解度越大，甚至在任何比例下均能互溶形成无限固溶体。间隙固溶体溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是以间隙原子的形式存在，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。

形成间隙固溶体的条件是溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大。一般来说，当溶质与溶剂原子半径的比值小于或等于0.59时，才能形成间隙固溶体。一般过渡族元素（溶剂）与尺寸较小的碳、氮、氢、硼、氧等元素易形成间隙固溶体。一、合金的相结构2.固溶体（1）固溶体的常见分类间隙固溶体

在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解了。这个限度称为溶解度或固溶度。有限固溶体：具有一定溶解度的固溶体。无限固溶体：溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体,间隙固溶体不可能形成无限固溶体。能形成无限固溶体的合金：Cu-Ni,Ag-Cu,Ti-Zr等合金。一、合金的相结构2.固溶体（2）按固溶度分类有序固溶体：溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布的固溶体。它既可以是置换式的有序，也可以是间隙式的有序。一、合金的相结构2.固溶体（3）按溶质原子在固溶体内分布是否有规则无序固溶体：溶质原子统计地或随机地分布于溶剂的晶格中，无论它是占据溶剂原子位置，还是在溶剂原子的间隙中，均看不出分布的规律性，这样的固溶体称为无序固溶体。一、合金的相结构2.固溶体（3）按溶质原子在固溶体内分布是否有规则一、合金的相结构2.固溶体（4）固溶强化

由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格产生畸变（如图所示），变形抗力增大，使合金的强度、硬度升高。一、合金的相结构2.固溶体（4）固溶强化

晶格畸变使金属变形的阻力增加，使强度、硬度提高，这种现象叫固溶强化。因形成固溶体使合金强度、硬度升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。例如，低合金高强度结构钢就是利用锰、硅等元素强化铁素体，而使钢材力学性能得到较大提高。一、合金的相结构2.固溶体（4）固溶强化金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元。一、合金的相结构3.金属间化合物金属化合物正常价化合物电子化合物间隙化合物这类金属化合物通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的元素组成。MgS、MnS、Mg2Si等，其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。一、合金的相结构3.金属间化合物（1）正常价化合物这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物。电子浓度为化合物中总价电子数与总原子数之间的比值。他们不遵守化合价规律，但满足一定的电子浓度，虽然电子化合物可用化学式表示，但实际成分可在一定的范围变动，可溶解一定量的固溶体。一、合金的相结构3.金属间化合物（2）电子化合物在电子化合物中，当电子浓度为3/2时，形成体心立方晶格的电子化合物，称为β相。当电子浓度为21/13时，形成复杂立方晶格的电子化合物，称为γ相。当电子浓度为7/4时，形成密排六方晶格的电子化合物，称为ε相。一、合金的相结构3.金属间化合物（2）电子化合物Cu-Zn合金CuZnCu5Zn8CuZn3β相γ相ε相课堂练习：一、合金的相结构3.金属间化合物（3）间隙化合物

间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（铁、铬、钼、钨、钒等）与原子直径较小的非金属元素（氢、碳、氮、硼等）组成。间隙化合物的晶体结构特征是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新的晶格正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。一、合金的相结构3.金属间化合物（3）间隙化合物①间隙相

间隙相是过渡族金属元素与氢、碳、氮、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。其形成条件是：非金属原子半径与金属原子半径的比值应≤0.59。间隙相是具有简单晶格结构的间隙化合物，如VC、WC、TiC等。上图是VC的晶格示意图，其碳原子规则地嵌入由钒原子组成的面心立方晶格的空隙中。一、合金的相结构3.金属间化合物（3）间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物当非金属元素的原子与过渡族金属元素原子的半径比值大于0.59时，所形成的化合物一般具有复杂的晶体结构，如碳钢中的Fe3C（又称渗碳体），合金钢中的Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。

Fe3C是铁碳合金中的一种重要的间隙化合物，其碳原子与铁原子的半径之比为0.63。一、合金的相结构以上是常见的金属化合物三种类型，其熔点一般较高，具有较高硬度，但脆性较大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。工业上用纯金属、固溶体、金属化合物组成合金的基本相，绝大多数合金的组织都是由固溶体和少量金属化合物组成的混合物。组成混合物的各个相仍然保持各自的晶体结构和性能。因此，整个混合物的性能取决于构成它的各个相的性能、数量、形状、大小及分布状况等。二、金属的结晶1.基本概念

金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。在铸造、焊接、液态模锻和金属的半固态成形等方面都存在金属的结晶问题。金属结晶后所得到的组织对金属随后的加工和使用性能影响很大。与合金相比，纯金属的结晶比较简单。二、金属的结晶2.结晶过程的宏观现象

热分析方法——在液态金属冷却结晶过程中，温度与时间的变化关系曲线，从热分析曲线可以看到如下两个宏观特征：（1）过冷现象实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象。过冷度：ΔT=T0-T1

金属纯度越高、冷却速度越快，过冷度越大。二、金属的结晶2.结晶过程的宏观现象（2）结晶潜热1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出和吸收的热量称为相变潜热。金属结晶时，从液相转变为固相放出的热量叫结晶潜热。结晶潜热补偿了散失到环境的热量，保持结晶过程体系温度不变，在冷却曲线上出现平台。结晶时间=tf-tststf结晶开始结晶结束二、金属的结晶3.金属结晶的微观过程纯金属结晶过程示意图液体晶核晶粒长大晶体一个晶核长成的小晶体就是一个晶粒。晶核随机形成，晶粒位向不同，众多晶粒组成一块多晶体。如果只有一个晶核形成并长大，得到一块单晶体。二、金属的结晶3.金属结晶的微观过程液态金属中近程有序的原子集团处于瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的状态中。这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或相起伏。（1）液体液体的特征结构①液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。②液体结构中配位数一般为5~11个，低于固态晶体。③液体原子的自由密堆结构中，主要为四面体间隙。二、金属的结晶3.金属结晶的微观过程将很纯净的金属液体快速冷却，在足够大的过冷条件下，液体会不断产生许多类似晶体中原子排列的小集团，形成结晶核心，即为自发形核。实际金属液体中常常会存在一些杂质或异类原子，结晶时他们优先成为结晶核心，这种方式称为非自发形核。（2）形核液态金属形核自发形核非自发形核二、金属的结晶3.金属结晶的微观过程（3）晶体长大微观过程：原子由液相中扩散到晶体表面，与晶体牢固结合。条件：液相不断地向晶体扩散供应原子，晶体表面不断而牢固地接纳这些原子。影响因素：晶核的界面结构、界面附近的温度分布、结晶潜热的释放和逸散条件。二、金属的结晶3.金属结晶的微观过程（3）晶体长大方式：在散热条件比较优越的棱边和顶角处就会优先长大；

生长方式象树枝一样，先长出枝干，再长出分枝，最后把枝间填满，得到树枝状的晶体枝晶。二、金属的结晶4.晶粒大小的控制晶粒大小对纯铁机械性能的影响晶粒平均直径(mm)抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)延伸率(%)9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.202635748.80.162646550.70.1027811650.0

在常温下，金属的晶粒越小，强度和硬度越高，同时塑性和韧性越好。二、金属的结晶3.晶粒大小的控制（1）晶粒大小对力学性能的影响②晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。①晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；二、金属的结晶4.晶粒大小的控制（2）细晶强化

细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。

有些金属材料不能通过热处理改变晶粒大小，因此通过结晶条件控制晶粒大小十分重要。

晶粒大小取决于形核率N和长大速度G的相对大小。形核率越大，同时长大速度越小，则晶粒越小。二、金属的结晶3.晶粒大小的控制（3）工业生产中采用的细化晶粒方法

提高冷却速度，增大过冷度，增大形核率与长大速度比值（N/G），细化晶粒。一般只适用于小件和薄件，对大件很难实现。①快速冷却实现方法铸型材料、铸型尺寸、冷却条件。二、金属的结晶3.晶粒大小的控制（3）工业生产中采用的细化晶粒方法变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（变质剂），促进形成大量的非自发形核来细化晶粒。②变质处理举例铝合金中加入钛、锆、钒；铸铁中加入硅铁或硅钙合金。将钠盐加入到Al-Si合金中，钠能富集到硅的表面，降低硅的长大速度，使合金细化，称为长大抑制剂。二、金属的结晶3.晶粒大小的控制（3）工业生产中采用的细化晶粒方法对即将凝固的液态金属进行振动和搅拌，一方面依靠外界输入能量使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，使