第2章 工程材料学基础

工程材料与机械制造基础第2章工程材料学基础本章目录01工程材料的组织结构•金属的晶体结构

•实际金属的晶体结构

•金属的结晶过程02铁碳合金•铁碳合金的基本组织

•铁碳合金相图分析与应用03金属的同素异晶转变•同素异晶转变的定义

•铁的同素异晶转变过程

•同素异晶转变的工程意义CONTENTS2.1金属的晶体结构晶体(Crystal)原子呈有序、有规则的几何排列。

物理特性：具有固定熔点，表现出各向异性。非晶体(Amorphous)原子呈无序、无规则的堆积状态。

物理特性：没有固定熔点，表现出各向同性。体心立方晶格(BCC)典型金属：α-Fe、Cr、W

特点：原子排列不够紧密，配位数为8。面心立方晶格(FCC)典型金属：γ-Fe、Al、Cu、Ag

特点：原子排列最紧密，配位数为12。密排六方晶格(HCP)典型金属：Mg、Zn、Cd、Ti

特点：原子排列紧密，配位数为12。2.1实际金属的晶体结构▍单晶体与多晶体●单晶体：内部原子排列规则，晶格位向完全一致。自然界罕见（如单晶硅、宝石），具有各向异性。●多晶体：由许多大小不一、位向不同的小晶体（晶粒）通过晶界结合而成。工业用钢铁、铜、铝等金属均为此类。点缺陷Point包括晶格空位、间隙原子和置换原子。虽只涉及一个或几个原子范围，但破坏了原子平衡，引起局部晶格畸变，能提高金属的屈服强度。线缺陷Line主要形式是“位错”，即在一维方向上尺寸较大。位错的存在是金属产生塑性变形的主要原因，位错密度增加，金属强度显著升高。面缺陷Surface-晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒之间的过渡区域。它能有效阻碍位错运动，从而显著提高金属的强度和硬度。工业上通过“细化晶粒”增加晶界面积，是提高金属综合力学性能的重要手段。2.1金属的结晶过程▍过冷现象与过冷度过冷(Supercooling)：金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。这是金属结晶的必要条件。过冷度(ΔT)：理论结晶温度与实际开始结晶温度之差。规律：冷却速度越快，过冷度越大。结晶总规律：所有金属结晶都遵循“形核与长大”的基本规律。这一微观过程直接决定了金属材料的内部组织结构与宏观性能。形核Nucleation在液态金属中，短程有序的原子集团聚集，形成稳定、微小的晶体核心（晶核），这是结晶的第一步。长大Growth已形成的晶核不断吸收周围液态金属中的原子，并向空间扩展，通常以树枝状的方式“生长”变大。2.1晶粒大小的控制晶粒的大小（晶粒度）对金属的性能有决定性影响。研究表明：晶粒越细小，金属的综合力学性能越好，表现为强度、塑性和韧性同步提升。01控制过冷度提高液态金属的冷却速度，增大结晶时的过冷度，使晶核的形核率远大于晶核的长大率，从而获得细小的晶粒。02变质处理在液态金属中加入少量的某种元素或化合物（形核剂），人为增加大量非均匀形核的核心，从而细化晶粒。03振动、搅拌在金属结晶过程中，施加机械振动、超声波振动或电磁搅拌等外力，破碎正在生长的树枝状晶体，增加可作为晶核的碎晶数量，达到细化晶粒的目的。2.2铁碳合金的基本组织铁素体(F)碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。其塑性和韧性良好，但强度与硬度较低，在工业中常作为软相存在。奥氏体(A)碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。通常在高温下存在，具有极好的塑性，是锻造、轧制等热加工工艺的理想状态。渗碳体(Fe3C)一种具有复杂晶格的铁碳金属化合物。其硬度极高，而塑性和韧性极差，表现为硬而脆的特性，是钢中的强化相。珠光体(P)铁素体与渗碳体呈片层相间交替排列的机械混合物。它兼具两者的优点，具有较高的强度和适中的硬度，同时塑性和韧性也较好，是一种综合力学性能优良的组织。莱氏体(Ld)奥氏体与渗碳体在特定温度下形成的共晶混合物。在室温下则转变为珠光体和渗碳体的混合物，整体表现为硬度高、脆性大，塑性极差，主要存在于高碳铸铁中。2.2铁碳合金相图关键特征点(KeyPoints)●C点(共晶点)：1148°C/4.3%C，此温度下液相直接共晶转变为珠光体与渗碳体的机械混合物。●S点(共析点)：727°C/0.77%C，此温度下奥氏体发生共析转变，形成铁素体和渗碳体层片状混合物。●E点：碳在面心立方晶格γ-Fe中的最大溶解度点(2.11%C)，是钢与铸铁的理论分界点。五大基本单相区(SinglePhase