《工程材料及成形技术基础》课件 第2章 金属的晶体结构与合金相图

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第二章金属的晶体结构与合金相图了解晶体学基础知识；掌握纯金属和合金的结晶特点和二元合金相图；重点掌握铁碳合金状态图的内容及应用。第一节金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构晶体原子或分子按一定的几何规律作周期性地重复排列非晶体无序排列（普通的玻璃、石蜡、松香等）1、晶体与非晶体——固态物质按其原子（或分子）的聚集状态分为两类。晶体结构的硅钢材料Crystalstructureofsiliconmaterial非晶合金材料Amorphousalloy准晶材料quasicrystalmaterial食盐晶体第一节金属的晶体结构与结晶食盐晶体结构松香玻璃单晶硅和多晶硅结构硅片原子排列情况比较第一节金属的晶体结构与结晶熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体海波的熔化非晶体石蜡的熔化性能的区别晶体有固定熔点（Fe-1538℃、Cu-1083℃)，在不同方向上具有不同的性能，表现为晶体的各向异性。非晶体无固定熔点，随温度升高，固态非晶体逐渐变软，后变为有显著流动性液体。表现为各向同性。（各方向原子聚集密度大致相同）第一节金属的晶体结构与结晶晶体与非晶体在一定条件下可互相转化

例如：玻璃长时间高温加热可变为晶态玻璃，金属从液态急冷（冷却速度＞107℃/s）可获非晶态金属玻璃（液态金属）。金属的特性晶体分为金属晶体和非金属晶体，除二者的共同特征外，金属晶体还具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。金属晶体与非金属晶体的根本区别：金属具有正的电阻温度系数（电阻随温度的升高而增大）。第一节金属的晶体结构与结晶非晶态合金的特点和应用高强度高硬度高断裂韧性高冲击断裂能高疲劳强度高耐磨性高弹性能高抗腐蚀性能第一节金属的晶体结构与结晶2、晶格、晶胞和晶格常数晶格晶胞晶格常数抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶格中能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。晶胞的棱边的长度（a、b、c）。通常以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小。第一节金属的晶体结构与结晶晶格与晶胞简单立方晶格与晶胞示意图a）晶体中原子排列b）晶格c）晶胞及晶格参数第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个α-Fe、Cr、W、V晶格种类1)体心立方晶格第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个γ-Fe、Cu、Al、Ag、Ni2)面心立方晶格第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个Mg、Zn3)密排六方晶格第一节金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构与结晶3、晶面、晶向、晶面指数、晶向指数和晶格致密度晶面金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面。晶向通过两个以上原子的直线，表示某一原子列的空间位向。晶面指数表示晶面的符号(h，k，l)。晶向指数表示晶面的符号(h，k，l)。晶格致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。体心立方晶格致密度为：0.68面心立方晶格致密度为：0.74密排六方晶格致密度为：0.74第一节金属的晶体结构与结晶晶面指数的确定方法1)设坐标2)求截距3)取倒数4)化整数5)列括号晶向指数的确定方法1)设坐标2)求坐标值3)化整数4)列括号第一节金属的晶体结构与结晶4、金属的实际晶体结构1)单晶体和多晶体晶粒：实际的金属中包含许多颗粒状的小晶体，每个晶体内部的晶格位向一致，而各个小晶体彼此间位向都不同。(许多取向相同的晶胞组成晶粒)晶界：晶粒与晶粒之间的界面。单晶体：晶粒内部的晶格位向完全一致的晶体。(所有的晶胞取向完全一致的晶体)多晶体：由许多晶粒组成的晶体。(由取向不同的晶粒组成的晶体)第一节金属的晶体结构与结晶多晶体示意图单晶体示意图纯铁显微组织第一节金属的晶体结构与结晶2)晶体缺陷及其与性能之间的关系晶体缺陷：由于种种原因，在晶体内部某些局部区域，原子的规则排列往往受到干扰而破坏。（1）点缺陷：空位、间隙原子和置换原子影响：产生晶格畸变，提高强度、硬度和电阻。空位置换原子间隙原子第一节金属的晶体结构与结晶（2）线缺陷：位错位错：晶体中，某一列或若干列原子发生有规则的错排现象。(刃型位错和螺型位错)位错密度ρ：单位体积内位错线长度。刃型位错螺型位错注：位错线的密度以及位错的运动，对金属性能、塑性变形及组织转变有显著影响。已知γ-Fe的晶格常数（a=3.63A）大于α-Fe的晶格常（a=2.89A），为什么γ-Fe冷却到912℃转变为α-Fe时，体积反而增大?思考题二、金属的结晶第一节金属的晶体结构与结晶结晶：金属由液态转变为固态金属晶体的过程。纯金属结晶的特点：恒温、过冷现象。1、冷却曲线与过冷度冷却曲线用热分析法测定，是描述金属结晶过程的曲线。热分析装置示意图纯金属冷却曲线的绘制1—电炉

2—坩埚

3—液态金属

4—热电偶Cu-Ni冷却曲线测定第一节金属的晶体结构与结晶结晶出现恒温的原因？结晶放出的结晶潜热与液态金属向周围散失的热量相等，补偿损失。过冷现象：金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度：△T=T0-T1T0时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台纯金属结晶时的冷却曲线影响过冷度的因素：金属的种类；金属的纯度，纯度越高，过冷度越大。同一金属，过冷度的大小主要取决于冷却速度。冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。过冷是结晶的必要条件！第一节金属的晶体结构与结晶2、结晶过程（形核与长大）晶核：结晶时首先在液态金属中形成的细小的小晶体，是稳定的结晶核心。（1）晶核的形成（自发形核与非自发形核）（2）晶核的长大：液态金属中原子向晶核表面转移。液态金属形核晶核长大完全结晶晶体液体结晶孕育期自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）主要结论：1)结晶过程实质＝形核＋成长（长大），两者相继又并存。2)结晶终了：得多晶粒组织(晶界多)，犬牙交错，晶粒愈细愈好。金属结晶过程示意图第一节金属的晶体结构与结晶实际金属结晶时，晶体多以树枝状枝晶长大方式长大。若冷速极小，纯金属主要以其晶体表面向前平行推移的方式长大，即所谓平面长大。枝晶长大平面长大第一节金属的晶体结构与结晶3、结晶后的晶粒大小——晶粒度晶粒大小常以单位截面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。一般是1-8级，1级最粗(0.25㎜)，8级最细(0.022㎜)，9-12级为超细晶粒。（1）晶粒大小与性能关系：一般来说，在常温下工作的金属，晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。(细晶强化）。两组大小不同的鸡蛋受力情况举例结果：小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎。FF第一节金属的晶体结构与结晶（2）晶粒大小的控制：金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形成数目（m3.s）]和长大率G（m/s）的比值。工业上常用细化晶粒方法：①增加过冷度V冷△TN晶粒细小生产中，可以通过改变铸造条件增大过冷度。如提高铸型导热能力、降低金属液的浇注温度等；冷速过快→变形、开裂，只适用于小铸件，简单件，对大铸件应用困难。第一节金属的晶体结构与结晶②变质处理（又称孕育处理）在液体金属中加入形核剂（又称孕育剂或变质剂），以细化晶粒和改善组织的工艺措施。常用于大铸件，实际效果较好。③机械方法振动或搅拌：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。变质剂的作用：作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。定义第一节金属的晶体结构与结晶三、金属的同素异晶转变温度时间1538℃1394℃912℃

-Feγ-Feα-Fe纯铁的同素异构转变770℃无磁性有磁性同素异晶体（Fe、Cr、Ti、Co等）

δ-Fe（体心）→γ–Fe（面心）→α-Fe（体心）

β-Co（面心）→α-Co（密排）转变特征1)有一定转变温度 2)需要过冷3)有潜热产生 4)有形核和长大过程

第二节合金的相结构与合金的状态图合金：通过熔化或其他方法使两种或两种以上的金属或非金属结合在一起所形成具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本、独立的物质。稳定化合物也可作为组元。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。一、概述合金系：给定组元后，可以不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。相：相同化学成分、相同结构，与其他部分有界面分开的部分。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在称为两相。并以界面分开的各个均匀的组成部分。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，两个以上称为多相合金。第二节合金的相结构与合金的状态图组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，即不同相或相的形状、分布及各相之间的组合状态。可分为宏观组织和微观组织。合金的性能一般是由组成合金的各相成分、结构、大小、形态、分布和各相的组合情况——组织来决定的。因此，在研究组织与性能之前，必须先了解合金组织的相结构及其性能。第二节合金的相结构与合金的状态图a铸态Cu-3.0Ni-0.64Si合金微观组织（×200）b显微组织图（×1000）第二节合金的相结构与合金的状态图指合金中相的晶体结构。根据组元间相互作用不同，固态合金相结构分为固溶体和金属化合物。固态下，溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的合金相。相结构1、固溶体按溶质原子分布分间隙固溶体置换固溶体通常溶质原子直径比溶剂原子直径小于0.59，H、C、O、N，例如α-Fe。通常溶质原子直径与溶剂原子直径差别要小，例如不锈钢，铬与镍原子代替部分γ–Fe中铁原子。二、合金的相结构第二节合金的相结构与合金的状态图间隙固溶体置换固溶体第二节合金的相结构与合金的状态图固溶强化溶质原子溶入溶剂晶格造成固溶体的晶格畸变，使塑性变形抗力增大，结果使材料强度、硬度增高。对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。固溶体中的晶格畸变示意图按溶解度不同分有限固溶体无限固溶体（铜和锌、铜和锡）（铜和铬、铜和镍）第二节合金的相结构与合金的状态图2、金属化合物（中间相）表现特点：熔点高、硬度高、脆性大。是重要的强化相。分类简单晶体结构的间隙化合物复杂晶体结构的间隙化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。（晶格类型和性能不同于组元）正常价化合物电子化合物间隙化合物弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的基体相上，使强度、硬度和耐磨性明显提高。第二节合金的相结构与合金的状态图合金的组织：是合金相的组合。可以是固溶体，是金属化合物，或者二者的复合组织（机械混合物）。b）900℃固溶2#合金显微组织图×500抗拉强度:531.03MPaa）铸态2#试样合金微观组织×200抗拉强度:411MPac）2#合金时效后显微组织图×1000抗拉强度:733.17MPa固溶强化弥散强化第二节合金的相结构与合金的状态图合金结晶的特点合金相图平衡状态结晶是在一个温度区间完成的，由于是两种以上组元的相互作用，所以可能形成一种多相组织。在平衡状态下，合金的成分、温度、合金相之间的关系图解。是生产实践中制定各种工艺的重要依据。合金相在一定温度下停留足够长时间，使所存在的各相达到几乎互不转化的状态。第二节合金的相结构与合金的状态图三、合金的结晶与二元合金相图1.配一系列不同制成分合金2.用热分析法得出所配置的各成分合金的冷却曲线3.找出图中各冷却曲线上的相变点4.投影各个相变点到温度-成分坐标上5.连接相同意义的点建立步骤：1、二元合金相图的建立（热分析法）第二节合金的相结构与合金的状态图测定Cu-Ni合金相图a）Cu-Ni合金冷却曲线b）Cu-Ni合金相图6组不同的Cu-Ni合金序号123456合金化学成分100806040200020406080100第二节合金的相结构与合金的状态图2、二元匀晶相图凡在二元合金系中，两组元在液态和固态下均能以任何比例互溶成无限固溶体的相图。（1）结晶过程分析Cu-Ni合金相图及结晶过程分析第二节合金的相结构与合金的状态图（2）杠杆定律

适用于两个平衡相的相对重量的计算。固溶体合金与纯金属结晶的不同点：a.在一个温度区间结晶b.得出无限固溶体合金c.结晶过程中两相成分沿各自线不断变化d.杠杆定律的应用相同点？第二节合金的相结构与合金的状态图（3）枝晶偏析铸态Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织（100×）定义：晶内偏析；结晶后在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。第二节合金的相结构与合金的状态图两组元在液态互溶，但固态下互不溶解或仅部分溶解形成的两种不同固相并发生共晶转变的相图。共晶转变包晶转变(包晶反应过程 )(Pt-Au包晶相图 )3、二元共晶相图第二节合金的相结构与合金的状态图4、合金的性能与相图 a）固溶体合金b）共晶类合金合金性能与相图的关系第二节合金的相结构与合金的状态图1.判断下列情况是否有相变：液态金属结晶；同素异晶转变2.A-B二元合金形成相图如图所示。试问：1）K合金的结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，所以已结晶出来的固溶体的含B量总是高于原液相中的含B量，为什么？2）固溶体合金结晶时，由于结晶过程中的成分是变化的，因此，在平衡态下固溶体合金的成分是否均匀？为什么？3）固溶体合金结晶的一般规律。思考题：第二节合金的相结构与合金的状态图钢铁—现代工业中应用最广的金属材料，铁和碳是其基本组元。Fe-C相图的组成Fe-Fe3C相图第三节铁碳合金相图同素异晶体：

δ-Fe（体心）→γ–Fe（面心）→α-Fe（体心）

β-Co（面心）→α-Co（密排）转变特征：有一定转变温度； 2)需要过冷；3)有潜热产生； 4)有形核和长大过程。

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。1、铁的同素异晶转变纯铁的冷却曲线第三节铁碳合金相图（1）铁素体碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，用“F”表示。α-Fe为912℃以下以体心立方晶格存在的工业纯铁。727℃时溶碳量最大（ωc=0.0218%),随温度降低溶碳量逐渐下降。600℃时（ωc=0.00057%)铁素体强度、硬度不高，但具有良好塑性和韧性。铁素体性能2、铁碳合金的基本相与性能（100×）第三节铁碳合金相图（2）奥氏体碳溶解在γ–Fe中的间隙固溶体，用“A”表示。γ–Fe是面心立方，故溶碳能力也较大。1148℃时溶碳量最大（ωc=2.11%),随温度降低溶碳量逐渐下降。727℃时（ωc=0.77%)存在于727℃以上的高温范围，其硬度较低而塑性较高，易于锻压成形。（800×）第三节铁碳合金相图（3）渗碳体是铁与碳形成的具有复杂晶体结构的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。Fe3C含碳量为ωc=6.69%，熔点很高1227℃。硬度很高，塑性与韧性几乎为零。是钢中的主要强化相，它的形态、大小、数量与分布对钢的性能影响很大。第三节铁碳合金相图（4）珠光体

F与Fe3C组成的机械混合物。用P表示WC=0.77%是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的。其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。第三节铁碳合金相图（5）莱氏体由A（或其转变的产物）与渗碳体组成的混合物。高温莱氏体：由A与渗碳体的组成共晶混和物,用Ld

表示。低温莱氏体：在727℃以下，高温莱氏体中的A，将转变P，形成了P和渗碳体的混合物，用Ld′表示。为蜂窝状。可以看成是在渗碳体的基本上分布着颗粒状的A（或P）。硬而脆，不能进行压力加工。第三节铁碳合金相图目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe-Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无实用价值。（1）铁碳合金状态图中主要点、线、面的意义

ACD—液相线

AECF—固相线

C—共晶点ECF—共晶线PSK—A1线，共析线GS—A3线（F析出）ES—Acm线，C在A中的溶解度曲线S—-共析点3、铁碳合金状态图（简化）第三节铁碳合金相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+

Fe3CⅡ(

F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(

P+Fe3C)Fe-Fe3C相图（2）铁碳合金的分类按Fe-Fe3C相图，铁碳合金分为三种七个类型：工业纯铁(ωc<0.0218%)钢(0.0218%<ωc<2.11%)。其中共析钢(ωc=0.77%),亚共析钢(0.02%<ωc<0.77%)，过共析钢(0.77%<ωc<2.11%)白口铸铁(2.11%<ωc<6.69%)。其中共晶白口铸铁(ωc=4.3%),亚共晶白口铸铁(2.11%<ωc<4.3%),过共晶白口铸铁(4.3%<ωc<6.69%)第三节铁碳合金相图铁碳合金共晶铸铁亚共晶铸铁过共晶铸铁工业纯铁钢生铁共析钢亚共析钢过共析钢（3）典型合金的结晶过程分析几种碳钢的钢号和碳含量第三节铁碳合金相图方法和步骤：（1）在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）（2）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。（3）室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。第三节铁碳合金相图PPAEGSQ1231233’时间温度共析钢ＬPＬ→AA→F+Fe3CA共析钢显微组织 a）（500×）b）（800×）白色基底为F，黑色线条为渗碳体。第三节铁碳合金相图亚共析钢AEGPQSFeLAL+AFF+A

F+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP+F冷却曲线第三节铁碳合金相图亚共析钢显微组织a）wc=0.20%(200×）b）wc=0.40%（250×）c）wc=0.60%（250×）黑色部分为珠光体。第三节铁碳合金相图12344’时间温度LL→AAA→Fe3CIIA→PP+Fe3CII工具钢T8的中子衍射测试结果CSNS-MPI课程思政：过共析钢显微组织（500×）a）4%硝酸酒精侵蚀b）碱性苦味酸钠侵蚀第三节铁碳合金相图共晶白口铸铁CDEFK12ＬＬ→A＋Fe3CＬdA＋Fe3C+Fe3CⅡA→PL’d(P+Fe3C+Fe3CⅡ)温度时间11’22’CDEFK亚共晶白口铸铁123时间温度122’33’A→Fe3CIIL′d+P+Fe3CIILL→AL+A→A+LdA→P共晶白口铸铁显微组织（250×）黑色部分为P，白色基体为渗碳体（二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起难以分辨）亚共晶白口铸铁显微组织（80×）黑色块状或树枝状为初晶A转变成的P，基体为变态莱氏体第三节铁碳合金相图过共晶白口铸铁CDEFK123Ｌd’＋Fe3CⅠ温度时间122’33’ＬＬ→Fe3CⅠＬ→ＬdLd(A→Fe3CII)L’d(A→P)亮白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。过共晶白口铸铁显微组织（250×）第三节铁碳合金相图（4）含碳量与铁碳合金组织与性能的关系

含碳量对平衡组织的影响随碳含量增加，Ｆ减少、渗碳体增多，它