金属工艺学第二章金属的晶体结构课件.pptx

1第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构本章重点：本章重点：纯金属的晶格类型及晶体缺陷；纯金属的晶格类型及晶体缺陷；细化晶粒的措施；细化晶粒的措施；合金的晶体结构；合金的晶体结构；二元匀晶相图分析二元匀晶相图分析本章难点：本章难点：铸锭组织；铸锭组织；二元匀晶相图分析二元匀晶相图分析2本节重点本节重点晶格类型晶格类型晶体缺陷晶体缺陷 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 细化晶粒的措施细化晶粒的措施本节难点本节难点铸锭组织铸锭组织3晶体与晶格晶体与晶格 晶体结构、金相组织与晶体缺陷晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组织金属的结晶与铸锭组织 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 主要内容主要内容4晶格：晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子原子看作点，用直线连接成的空间格子。晶胞：晶胞：代表晶格的原子排列规律的最小几何单位代表晶格的原子排列规律的最小几何单位。一、晶体与晶格一、晶体与晶格1 1、晶体与晶格、晶体与晶格51 1）体心立方晶格）体心立方晶格 2 2、典型的晶格类型：、典型的晶格类型：重点内容重点内容动画演示动画演示6体心立方晶格体心立方晶格 a a）晶胞形状立方体。）晶胞形状立方体。b b）原子分布结点、中心。）原子分布结点、中心。c c）晶胞）晶胞 包含包含2 2个原子。个原子。d d）致密度）致密度0.680.68 属于这类金属晶格的有：属于这类金属晶格的有：-Fe-Fe、CrCr、V V、WW、MoMo等。等。72 2）面心立方晶格）面心立方晶格 动画演示动画演示8面心立方晶格面心立方晶格 a a）晶胞形状立方体。）晶胞形状立方体。b b）原子分布结点、各面中心。）原子分布结点、各面中心。c c）晶胞包含）晶胞包含4 4个原子。个原子。d d）致密度）致密度0.740.74 属于这类金属的有：属于这类金属的有：r-Fer-Fe、AlAl、CuCu、NiNi等。等。93 3）密排六方晶格）密排六方晶格 动画演示动画演示10密排六方晶格密排六方晶格 a a）晶胞形状六棱柱体。）晶胞形状六棱柱体。b b）原子分布结点、上下面中心，体中心有三个。）原子分布结点、上下面中心，体中心有三个。c c）晶胞包含）晶胞包含6 6个原子。个原子。d d）致密度）致密度0.740.74。属于这类金属的有：属于这类金属的有：MgMg、ZnZn、TiTi等。等。111 1、多晶体结构：、多晶体结构：二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上使用的金属属于工业上使用的金属属于多晶体多晶体。2 2、金相组织：、金相组织：组织是指用组织是指用肉眼肉眼或在或在显微镜显微镜下所观察到的下所观察到的图象。包括图象。包括晶粒或组成相的形状、尺寸、分晶粒或组成相的形状、尺寸、分布及相互之间的组合状态布及相互之间的组合状态。金相组织金相组织是在是在显微镜显微镜下所观察到的下所观察到的图象。图象。123 3、晶体缺陷：、晶体缺陷：重点内容重点内容 局部原子排列的不完整区域。局部原子排列的不完整区域。二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷 根据缺陷的根据缺陷的几何形状几何形状，分为，分为:点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷131 1）点缺陷：）点缺陷：晶格扭曲晶格扭曲点缺陷点缺陷带来性能的变化，带来性能的变化，如强度的提高等。如强度的提高等。晶格空位、间隙原子和置换原子。晶格空位、间隙原子和置换原子。142 2）线缺陷：）线缺陷：刃型位错是刃型位错是最简单的最简单的位错。位错。即位错：即位错：是晶格中是晶格中一部分晶体一部分晶体相对于相对于另一部分晶体另一部分晶体的的局部滑移局部滑移 而造成。而造成。理想晶体理想晶体刃型位错刃型位错15位错与力学性能位错与力学性能163 3）面缺陷：）面缺陷：晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度愈高。愈高。主要指主要指晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界晶界 亚晶界亚晶界17缺陷特征对比缺陷特征对比缺陷类别缺陷类别分类分类对材料性能的影响对材料性能的影响点缺陷点缺陷空位、空位、间隙原子、间隙原子、置换原子置换原子强度、硬度提高，强度、硬度提高，固溶强化等固溶强化等线缺陷线缺陷位错位错加工硬化等加工硬化等面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界易腐蚀，易腐蚀，细晶强化细晶强化18三、金属的结晶与铸锭组织三、金属的结晶与铸锭组织 铸锭组织铸锭组织冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度细化晶粒的措施细化晶粒的措施纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程金属的同素异构转变金属的同素异构转变单晶体与非晶态合金的制取单晶体与非晶态合金的制取191 1、纯金属的结晶过程、纯金属的结晶过程不断形核晶核不断长大同时进行的基本过程。不断形核晶核不断长大同时进行的基本过程。液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶20金属的结晶金属的结晶21 2 2、冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度C LT0TnS0T0T0：理论结晶温度：理论结晶温度TnTn：实际结晶温度：实际结晶温度 T=T0TnT=T0Tn（过冷度）（过冷度）实际上实际上CT0 L ab S0a：结晶开始点结晶开始点 b：结晶终了点：结晶终了点理论上理论上 T为什么会出现为什么会出现水平台阶？水平台阶？22金属冷却曲线的解释：金属冷却曲线的解释：Tn TnT T0 0，液、固态平衡，自由能变化液、固态平衡，自由能变化为零，不能自发结晶。为零，不能自发结晶。T T 时，时，液态与固态的自由能之差液态与固态的自由能之差大于零，结晶进行。大于零，结晶进行。T T 越大，越大，自由能差越大，结晶推动力越大，自由能差越大，结晶推动力越大，晶体生长速晶体生长速 度越大。度越大。原因：原因：自发转变（等温等压下）的方向，自发转变（等温等压下）的方向，能量减少能量减少。过冷是金属结晶的必要条件。过冷是金属结晶的必要条件。233 3、影响晶核尺寸的因素、影响晶核尺寸的因素 重点内容重点内容1）晶粒粗细对材料力学性能的影响）晶粒粗细对材料力学性能的影响一般来说，晶粒愈细力学性能越好，一般来说，晶粒愈细力学性能越好，即强度和硬度愈高，即强度和硬度愈高，同时塑性和韧性愈好。同时塑性和韧性愈好。（细晶强化）（细晶强化）晶粒平均直径晶粒平均直径mm抗拉强度抗拉强度/Pa屈服点屈服点/Pa伸长率伸长率/%9.7016.5x1074.0 x10728.87.0018.0 x1073.8x10730.62.5021.1x1074.4x10739.50.2026.3x1075.7x10748.80.1626.4x1076.5x10750.7晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响24增大过冷度：增加冷却速度；增大过冷度：增加冷却速度；2 2）细化晶粒的方法：）细化晶粒的方法：变质处理：变质处理：振动：振动：搅拌搅拌在液体金属中加入变质剂在液体金属中加入变质剂(孕育剂孕育剂)，以细化，以细化粒和改善组织的工艺措施。粒和改善组织的工艺措施。形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？粒是粗还是细？255 5、铸锭组织、铸锭组织中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区 表层细晶粒区表层细晶粒区 过冷度大过冷度大 模壁的人工晶核作用模壁的人工晶核作用柱状晶粒层柱状晶粒层 模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。266 6、金属的同素异构转变、金属的同素异构转变概念：概念：温度变化晶格类型变化。温度变化晶格类型变化。意义：意义：利用热处理，改善材料性能。利用热处理，改善材料性能。271538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方28第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构 重点：重点：合金的晶体结构合金的晶体结构 难点：难点：相的概念相的概念29主要内容主要内容合金中的相合金中的相固溶体固溶体 金属化合物金属化合物 30一、合金中的相一、合金中的相合金：合金：由由两种或两种以上两种或两种以上的金属与金属元素或金属与非金属的金属与金属元素或金属与非金属 元素组成的具有元素组成的具有金属性质金属性质的物质。的物质。组元：组元：组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。相：相：金属或合金中，金属或合金中，凡是凡是成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其他并与其他 部分部分有界面分开有界面分开的均匀组成部分。的均匀组成部分。例如：单一的液相；例如：单一的液相；单一的固相；单一的固相；液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；相相 组织组织 性能性能构成决定31二、固溶体二、固溶体 组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀单一均匀的物质的物质，是是“固态溶液固态溶液”。按溶质原子所处的位置分为：按溶质原子所处的位置分为：置换固溶体：置换固溶体：间隙固溶体：间隙固溶体：例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成所形成的铁素体、奥氏体。的铁素体、奥氏体。32固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：固溶强化：随着溶质原子的增加，溶剂晶随着溶质原子的增加，溶剂晶 格产生畸变，使金属强度、硬度格产生畸变，使金属强度、硬度 升高的现象。升高的现象。例如：纯铁与钢例如：纯铁与钢33 指合金组元间指合金组元间发生相互作用发生相互作用而生成的晶而生成的晶格类型和性能格类型和性能不同于不同于任一组元的物质。任一组元的物质。例如：例如：Fe和和C所形成的化合物所形成的化合物Fe3C，就是一种典，就是一种典 型的金属化合物。型的金属化合物。三、金属化合物三、金属化合物34第三节第三节 二元合金的相图二元合金的相图 重点：重点：二元匀晶相图分析二元匀晶相图分析 枝晶偏析枝晶偏析 难点：难点：二元匀晶、共晶相图分析二元匀晶、共晶相图分析35二元合金相图二元合金相图二元匀晶相图二元匀晶相图二元共晶相图二元共晶相图36 凡是在凡是在液态和固态液态和固态都能都能无限互溶无限互溶的二元合的二元合金的相图，金的相图，是学习二元合金相图的基础。是学习二元合金相图的基础。二元匀晶相图的建立二元匀晶相图的建立 二元匀晶相图分析二元匀晶相图分析一、二元匀晶相图：一、二元匀晶相图：37配置各种成分的合金；1.相图的建立（相图的建立（Cu-Ni合金为例合金为例）38n 测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；n 建立坐标系，把临界点分别标注在成分垂线上；n 光滑曲线连接，填写数字、字母和相或组织名称。相图建立的演示相图建立的演示392.2.二元匀晶相图分析二元匀晶相图分析二点：二点：纯铜、镍的熔点纯铜、镍的熔点二线：二线：液相线、固相线液相线、固相线 三区：三区：单相的液相区（单相的液相区（L L）；）；单相的固溶体区（单相的固溶体区（）；）；液相和固相共存的两相区（液相和固相共存的两相区（L L）4041合金的结晶过程合金的结晶过程(以以wNi=40的合金为例的合金为例)高温液态单相固溶体液相线开始结晶出组织，液相的成分沿液相线变化，的成分沿固相线变化。缓慢冷却液相减少组织增多固相线全部结晶出组织，液相消失42 危害：危害：晶粒性能不一致，影响合金的晶粒性能不一致，影响合金的力学力学 性能、耐蚀性、加工工艺性。性能、耐蚀性、加工工艺性。措施措施：即即扩散退火扩散退火的方法来消除或改善。的方法来消除或改善。3.3.枝晶偏析枝晶偏析(晶内偏析晶内偏析):):指晶体内部化学成分不均匀的现象。指晶体内部化学成分不均匀的现象。原因原因：在实际生产中，一般冷却速度较快，在实际生产中，一般冷却速度较快，晶粒中心部与表层的成分不均匀。晶粒中心部与表层的成分不均匀。434.杠杆定律：只适用于两相区用来确定某合金在某温度下液、固两相的百分含量。用来确定某合金在某温度下液、固两相的百分含量。Q QL Lac=Qac=Qcbcb44二、二元共晶相图（二、二元共晶相图（p28)共晶反应：共晶反应：在在恒温恒温下，下，一定成分一定成分的的液相液相同时结晶同时结晶出出 两个新固相两个新固相(成分一定成分一定)的转变过程。的转变过程。二元共晶相图：凡是二元共晶相图：凡是在液态下在液态下能能无限互溶无限互溶，在，在固态固态 下有限互溶，下有限互溶，发生发生共晶反应共晶反应的二元合金的二元合金 相图。相图。二元共晶相图形成二元共晶相图形成二元共晶相图分析二元共晶相图分析 45以以A A组元组元为溶剂的固溶体；为溶剂的固溶体；共晶相图两个匀晶相图重叠抽象抽象1.1.二元共晶相图的形成二元共晶相图的形成以以B B组元为溶剂的固溶体；组元为溶剂的固溶体；462.二元共晶相图的分析图图d d：、结晶时，液相成分液相线变化，结晶时，液相成分液相线变化，当温度降低至当温度降低至E E点点时，时，E E点点的成分同时与的成分同时与MM点点的的 相、相、N N点点的的 相平衡，相平衡，即即L L，必然必然三相平衡三相平衡，且在且在恒定恒定温度下进行。温度下进行。即：即：L L L L ，直到直到L L消失为止。消失为止。此时，全为固相，但通常已结晶出此时，全为固相，但通常已结晶出 的的、相发生溶解度的变化。相发生溶解度的变化。图图a a、b b的分析的分析与二元匀晶相图与二元匀晶相图一致；一致；473 3）相图构成：）相图构成：a a）匀晶转变：匀晶转变：水平线以上；水平线以上；固溶线：固溶线：水平线以下；水平线以下；共晶转变：共晶转变：水平线水平线 b b）单相区：）单相区：L L，两相区：两相区：L+L+，L+,+L+,+三相区：三相区：L L c c）液相线、固相线）液相线、固相线 d d）共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金）共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金48铅锡合金的二元共晶相图49二元共晶相图特点二元共晶相图特点状态下无限互溶，状态下无限互溶，状态下有限互溶；状态下有限互溶；在结晶过程中，在结晶过程中，共晶温度之上共晶温度之上符合符合匀晶变化匀晶变化规律；规律；共晶点共晶点发生发生共晶反应共晶反应；共晶温度以下共晶温度以下溶解度变化溶解度变化，析出第二种析出第二种 固态组元固态组元；