机械工程材料（第六版）课件 第二章 金属的晶体结构与结晶

金属的晶体结构与结晶本章围绕金属的晶体结构、结晶规律与铁碳合金相图展开。重点理解结构一组织一性能之间的内在联系。机械工程材料(教学演示大纲)第2章结合教材图示进行教学讲解。

铁碳合金相图本章导语本章结构01金属的晶体结构机械工程材料金属的结晶晶胞

晶格

结晶2.1

金属的晶体结构

多晶体结构

纯金属的实际晶体结构合金的晶体结构本节重在建立“原子排列一结构特征—性能变化”的认识链条。课堂讲解宜结合教材图2-1至图2-11逐步展开。掌握体心立方、面心立方、密排六方三种常见晶格类型。认识多晶体、晶界及晶体缺陷对性能的影响。02为后续学习金属结晶与铁碳合金相图建立结构基础。学习目标本节内容理解晶体、非晶体、晶格、晶胞等基本概念。知识框架与学习目标机械工程材料纯金属的晶体结构教学提示简单立方晶格与晶胞示意图②

非晶体：原子无规则堆积，无固定熔点，通常表现为各向同性；③

晶体结构：原子在晶体中规则排列的方式；

1.晶体与非晶体、晶格与晶胞本页重在区分“真实原子排列”与“抽象几何描述”两层含义。建议结合教材原图讲解长程有序、晶格、晶胞三者关系。晶体：原子按一定几何规律作长距离、周期性重复排列，称为长程有序；晶格：用结点和连线抽象表示原子规则排列的空间几何图形；晶胞的大小与形状通常由晶格常数a、b、c与夹角α、β、γ描述。

教学提示03晶格中的平面称晶面，结点组成的空间方向称晶向。核心概念知识延伸晶胞：构成晶格的最基本几何单元。基本概念建立机械工程材料晶格类型结构特征致密度工程认识体心立方(BCC)原子位于8顶角+体心68%强度较高面心立方(FCC)8顶角+6面心74%塑性较好密排六方(HCP)六方最密堆积74%结构各向性较明显

教学提示

晶格类型与晶格常数变化会引起金属体积及物理、化学、力学性能变化。2.常见晶格类型晶格常数

a=b=c;代表金属：α-Fe、Cr、W、Mo、V

原子排列致密；代表金属：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag六方柱晶胞；代表金属：Mg

、Zn

、Be

、α-Ti04对比归纳机械工程材料体心立方

面心立方

密排六方

晶格类型

结构特征

致密度

工程认识晶界：相邻晶粒之间的界面。由于多晶体由许多位向不同的晶粒组成，其性能可近似看作各晶粒平均性能，因此宏观上常表现为各向同性。3.多晶体结构多晶体：由许多位向不同的小晶体组成，实际金属材料一般均为多晶体。显微镜下观察到的晶粒形态、大小与分布称为显微组织或金相组织。教学提示

本页应强调“单晶体各向异性”与“多晶体宏观各向同性”的区别。

钢铁晶粒一般较小，有色金属晶粒通常较大。05单晶体：晶体内部晶格位向完全一致，具有各向异性。核心内容晶粒尺寸越细小，通常强度、塑性和韧性越高。晶粒、晶界与各向同性工程认识晶粒：位向基本一致、外形不规则的小晶体。机械工程材料4.

纯金属的实际晶体结构置换原子：外来原子取代晶格结点上的原子。

空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成的缺陷。晶体缺陷是实际金属性能区别于理想晶体的重要原因之一。间隙原子：原子不占据正常结点，而出现在晶格间隙中。影响与意义点缺陷类型点缺陷会使周围原子靠拢或撑开，造成晶格畸变。06晶体缺陷

晶格畸变

强化效应晶格畸变会使金属强度、硬度、电阻率增加，而塑性、韧性下降。关键词机械工程材料点缺陷点缺陷示意图最常见的是位错，其中刃型位错是较典型的一种。位错附近原子发生错排并形成晶格畸变，上方附近受压应力、下方附近受拉应力。4.纯金属的实际晶体结构位错的存在及其数量对金属力学性能影响很大，是塑性变形理论的重要基础。ρ

为位错密度，l

为位错线总长度，

V

为晶体体积经冷变形后位错密度显著增加，金属强度明显提高。07线缺陷是指在晶体中呈线状分布的一类缺陷。基本概念退火状态下位错密度低，强度较低。位错密度工程认识线缺陷

—

—

位错机械工程材料刃型位错示意图晶粒—亚晶粒一亚结构大角度晶界术语提示小角度晶界晶界：相邻晶粒位向不同，其交界处原子排列不规则，属于不同位向的过渡区。亚晶界：相邻亚晶粒之间的界面，通常由一系列刃型位错组成，位向差较小。4.纯金属的实际晶体结构面缺陷是指在晶体中呈面状分布的一类缺陷，常见的有晶界和亚晶界。面缺陷附近同样存在晶格畸变，会提高金属强度、硬度并降低韧性。面缺陷——晶界与亚晶界核心内容08机械工程材料亚晶界的结构晶界的过渡结构

教学提示

建立“组元一相一组织”三层认识框架。2.1.2合金的晶体结构合金：由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素组成的、具有金属特性的新物质。相：在纯金属或合金中，化学成分、晶体结构和物理性能均相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。组织：用金相观察方法看到的各相晶粒的形态、数量、尺寸和分布方式。09合金系：由给定组元按不同比例配制出的一系列不同成分合金。合金的基本相固溶体金属化合物基本概念组元间相互作用形成、具有独特结构的新相基本概念与基本相组元：组成合金最基本、独立的物质。组元间相互溶解形成的新相机械工程材料

合金概念及组织

固溶强化溶质原子溶入晶格后引起晶格畸变，增大变形抗力，使强度和硬度提高，这一现象称为固溶强化。固溶体是指合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的新相。与固溶体晶格类型相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。按溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可分为置换固溶体与间隙固溶体。2.1.2合金的晶体结构置换固溶体：溶质原子占据部分溶剂结点位置形成，如铜镍合金。间隙固溶体：溶质原子进入晶格间隙形成，多见于C、N、H、B等小原子。

固溶强化是提高合金力学性能的重要途径之一。两类固溶体固溶体与固溶强化固溶体10机械工程材料基本相晶体结构特点典型性能铁素体(F/α)体心立方(BCC)溶碳能力低，塑性好强度低、硬度低、韧性好奥氏体(A/γ)面心立方(FCC)溶碳能力高，塑性好强度较低、塑性韧性好渗碳体(Fe3C)金属化合物含碳量固定，硬而脆硬度高、塑性和韧性极差掌握三种基本相的结构与性能，是后续分析珠光体、莱氏体和铁碳相图的基础。教学提示铁碳合金中，铁与碳在固态下相互作用可形成固溶体和金属化合物。不同基本相的晶格类型、溶碳能力和力学性能差异明显，是理解钢铁组织与性能的基础。2.3.1铁碳合金的基本相图11-1

铁素体显微组织图11-2奥氏体显微组织图11-3渗碳体示意图主要基本相包括：铁素体、奥氏体、渗碳体。2

三种基本相概述

3

渗碳体图示1

核心内容11机械工程材料课堂结论

三种基本相中，铁素体最软，渗碳体最硬，奥氏体塑性最好。铁素体、奥氏体与渗碳体图12-1

铁素体显微组织图12-2奥氏体显微组织图12-3渗碳体形态示意渗碳体

(Fe3C)铁素体

(F/

a)奥氏体

(A/

y)常以片状、网状或颗粒状与其他相共存。是钢铁材料中的重要强化相。属于α-Fe中溶入少量碳形成的固溶体。晶格类型：体心立方。属于γ-Fe中溶入碳形成的固溶体。晶格类型：面心立方。性能：强度、硬度低，塑性和韧性好。性能：塑性、韧性好，适于热加工。性能：硬度极高，但非常脆。显微组织呈明亮多边形晶粒。铁与碳形成的金属化合物。溶碳能力明显高于铁素体。含碳量固定，结构稳定。高温下稳定存在。最大溶碳量很低。12·判断不同含碳量合金在不同温度下的相组成。分析冷却与加热过程中的组织转变规律。

为选材、铸造、锻造、焊接和热处理提供依据。相图作用铁碳合金相图表示在平衡条件下，铁碳合金的状态、成分与温度之间的关系。该相图又称

Fe-Fe3C相图，是研究钢和白口铸铁组织转变的重要工具。相图定义学习要求：

先整体认识相图的结构，再逐步理解特性点、特性线及典型合金的冷却过程。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体重点组织含碳量(C,wt.%)横坐标温度(℃)纵坐标2.3.2铁碳合金相图可后续自行插入教材中的相图图片13特性线名称含义ACD液相线其上合金处于液态AECF固相线缓冷到此线全部结晶为固相ECF共晶线发生共晶转变，形成莱氏体PSK共析线发生共析转变，形成珠光体GSA3线奥氏体析出铁素体开始线SEAcm线奥氏体析出二次渗碳体开始线PQ固溶度线α-Fe中碳溶解度变化特性点温度/℃

含义A1538纯铁熔点C1148共晶点D1227渗碳体熔点E1148碳在奥氏体中的最大固溶度G912α-Fe→

γ-Fe转变点S727共析点P727碳在α-Fe中的最大固溶度附近特征点教学提示

特性点和特性线是分析组织转变过程的关键，考试与课堂提问中常作为重点。Fe-Fe3C相图中的特性点与特性线

主要特性点

主要特性线相图局部示意14组织特征与性能珠光体为层片状组织，由铁素体与渗碳体交替组成。组织较细密，强度、硬度高于铁素体，塑性低于铁素体。共析钢性能较均衡，具有一定强度和塑性。图15-2

珠光体显微组织共析转变：A→

P(F+Fe3C)①

高于液相线：全部为液相L。②

冷却结晶：液相逐渐转变为奥氏体A。③

到

727℃:奥氏体发生共析转变。④

转变产物：珠光体P(由铁素体+渗碳体组成)。共析钢的冷却过程与室温组织

共析钢定义冷却过程是分析铁碳相图最典型的钢种。室温组织为珠光体。含碳量约0.77%。15含碳量：

0.0218%～0.77%。冷却时先从奥氏体中析出铁素体，随后剩余奥氏体发生共析转变形成珠光体。随含碳量增加：珠光体增多，铁素体减少。

室温组织：铁素体+珠光体。亚共析钢过共析钢含碳量：0.77%～2.11%。冷却时先从奥氏体中析出二次渗碳体，随后剩余奥氏体发生共析转变形成珠光体。室温组织：珠光体+二次渗碳体。随含碳量增加：二次渗碳体增多，珠光体相对减少。钢种先析出相室温组织性能特点亚共析钢铁素体铁素体+珠光体塑性较好，强度适中过共析钢二次渗碳体珠光体+二次渗碳体硬度高，塑性较差随含碳量升高，钢的硬度总体增大，而塑性、韧性下降。亚共析钢与过共析钢16

钢种

先析出相

室温组织

性能特点组织中含有大量渗碳体，硬度高、脆性大，通常难以切削加工。白口铸铁的含碳量范围约为

2.11%～6.69%。白口铸铁的分类与组织

过共晶白口铸铁

17含碳量变化组织变化性能趋势低碳钢铁素体较多塑性好、强度较低中碳钢珠光体增多强度与塑性较均衡高碳钢渗碳体增多硬度高、塑性差

工程上常将钢的含碳量控制在约1.3%以下，以兼顾强度、塑性和加工性能。强度和硬度总体先升高；当碳含量过高时，因网状渗碳体出现，强度可能下降。

含碳量对铁碳合金组织与性能的影响钢中珠光体随含碳量增加而增多，至共析成分时全部为珠光体。当含碳量继续升高，二次渗碳体开始出现并沿晶界分布。图18-1含碳量对组织和力学性能的影响曲线随含碳量增加，铁素体减少，渗碳体增多。塑性和韧性随含碳量增加而持续下降。变化规律18含碳量对钢组织和力学性能的影响

·

Fe-Fe3C

相图反映的是平衡状态。·实际生产中的加热和冷却速度较快，组织转变可能偏离平衡相图。·其他合金元素也会改变实际相变行为。课堂建议：

将相图知识与后续热处理内容结合理解。·相图可用于