金属材料的结构与结晶.pptx

第一节金属材料的结构第一节金属材料的结构一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1.1.晶体晶体（物质）：（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。原子在空间有秩序排列的物质。例：食盐、金属、金刚石等。例：食盐、金属、金刚石等。特点：固定的形状、熔点及各向异性。特点：固定的形状、熔点及各向异性。2.2.非晶体非晶体（物质）：（物质）：原子无序排列的物质。原子无序排列的物质。例：玻璃、塑料、沥青、松香等。例：玻璃、塑料、沥青、松香等。特点：无固定的形状、熔点及各向同性。特点：无固定的形状、熔点及各向同性。第1页/共101页 二、晶体结构的概念二、晶体结构的概念实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a2-1a）。）。图图2-12-1简单立方晶格与晶胞示意图简单立方晶格与晶胞示意图（一）晶格与晶胞（一）晶格与晶胞第2页/共101页1.1.晶格晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。晶体中原子作周期性规则排列，可在晶格内取一个代晶体中原子作周期性规则排列，可在晶格内取一个代表晶格特征的，由最少数目原子构成的最小结构单元表晶格特征的，由最少数目原子构成的最小结构单元表示晶格，称为晶胞（图表示晶格，称为晶胞（图2-1c2-1c）。）。2.2.晶胞晶胞：反映晶格特征的最小单元。反映晶格特征的最小单元。晶胞能反映晶格特征，晶格性质的研究，可转化为晶胞能反映晶格特征，晶格性质的研究，可转化为研究晶胞性质的问题。研究晶胞性质的问题。为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来，几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架（图形成一个空间几何格架（图2-1b2-1b）。第3页/共101页（三）晶面和晶向（三）晶面和晶向晶体中通过原子中心的平面，称为晶体中通过原子中心的平面，称为晶面晶面。通过原子中心的直线，代表一定的方向，称为通过原子中心的直线，代表一定的方向，称为晶向。晶向。（二）（二）晶格参数晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角晶胞棱边的长度和棱边夹角、。（图（图2-1c2-1c）棱边长度单位棱边长度单位 ，1=101=10-10-10mm当三个晶格参数当三个晶格参数a a=b b=c c，三个轴间夹角，三个轴间夹角=9090时，称为简单立方晶格。时，称为简单立方晶格。第4页/共101页立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向第5页/共101页在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。有各向异性的原因。三、金属的三种典型的晶体结构及其特性参数三、金属的三种典型的晶体结构及其特性参数金属中常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方金属中常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。晶格和密排六方晶格三种。第6页/共101页1.1.体心立方晶格体心立方晶格 ：晶胞为立方体，在立方体的八个：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和晶胞中心各排列一个原子。角上和晶胞中心各排列一个原子。（图（图2-42-4）图图2-4 2-4 体心立方晶格的晶包示意图体心立方晶格的晶包示意图体心立方晶胞中的原子数为体心立方晶胞中的原子数为1+81/8=21+81/8=2个。个。第7页/共101页体心立方晶格类型的金属有室温下的体心立方晶格类型的金属有室温下的FeFe、CrCr、WW、MoMo、V V、NbNb等。等。晶胞中原子占有的体积与晶胞体积的比值称为晶晶胞中原子占有的体积与晶胞体积的比值称为晶格的致密度。格的致密度。体心立方晶格的致密度为体心立方晶格的致密度为0.680.68，表明在体心立方，表明在体心立方晶格中有晶格中有68%68%的体积被原子所占有，其余为空隙。的体积被原子所占有，其余为空隙。第8页/共101页2.2.面心立方晶格面心立方晶格：晶胞为立方体，在立方体的八个：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和六个面中心各排列一个原子。角上和六个面中心各排列一个原子。（图（图2-52-5）面心立方晶胞中的原子数为面心立方晶胞中的原子数为1/88+1/26=4 1/88+1/26=4 个。个。属于面心立方晶格类型的金属有属于面心立方晶格类型的金属有CuCu、AlAl、NiNi、AgAg、Pb Pb、FeFe（91213949121394的铁）的铁）等。致密度等。致密度0.740.74。图图2-52-5第9页/共101页3.3.密排六方晶格密排六方晶格：晶包是六方体，在柱体的每个角：晶包是六方体，在柱体的每个角上和上下底面中心均排列一个原子，晶胞中间还排上和上下底面中心均排列一个原子，晶胞中间还排列三个原子。（图列三个原子。（图2-62-6）密排六方晶胞中的原子数为密排六方晶胞中的原子数为1/612+3+1/22=6 1/612+3+1/22=6 个。个。密排六方晶格的金属有密排六方晶格的金属有MgMg、ZnZn、BeBe等。致密度等。致密度0.740.74。图图2-62-6第10页/共101页三种典型晶体结构的晶格特性参数如表三种典型晶体结构的晶格特性参数如表2-12-1所示。所示。各种金属因其晶格结构不同，而具有不同的性能。各种金属因其晶格结构不同，而具有不同的性能。同一晶格类型的金属，因其晶格参数不同，而存同一晶格类型的金属，因其晶格参数不同，而存在性能上的差异，又因晶格类型相同而具有一些在性能上的差异，又因晶格类型相同而具有一些相近的性能。相近的性能。如：体心立方晶格的金属一般具有较好的塑性，如：体心立方晶格的金属一般具有较好的塑性，密排六方晶格的金属一般较脆，面心立方晶格密排六方晶格的金属一般较脆，面心立方晶格的金属的塑性一般优于体心立方等。的金属的塑性一般优于体心立方等。第11页/共101页四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构（一）单晶体与多晶体（一）单晶体与多晶体1.1.单晶体单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。：一块金属内部的晶格位向完全一致。金属单晶体只能靠特殊方法制得，具有各向异性。金属单晶体只能靠特殊方法制得，具有各向异性。2.2.多晶体多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体每个小晶粒都相当于一个单晶体 。3.3.晶界晶界:晶粒与晶粒之间的界面。（图晶粒与晶粒之间的界面。（图2-72-7）多晶体由于各晶粒方位不同，晶体的性能在各个多晶体由于各晶粒方位不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，宏观显示出各向同性，亦方向相互补充和抵消，宏观显示出各向同性，亦称为称为“伪无向性伪无向性”。第12页/共101页 图图2-82-8晶格点缺陷示意图晶格点缺陷示意图图图2-72-7多晶体示意图多晶体示意图（二）晶体缺陷（二）晶体缺陷1 1点缺陷点缺陷：空位和间隙原子。（图：空位和间隙原子。（图2-82-8）空位和间隙原子使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。空位和间隙原子使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。和电阻增加。第13页/共101页2.2.位错（线缺陷）位错（线缺陷）:晶体中一列或数列原子发生有晶体中一列或数列原子发生有规律错排的现象。最常见的就是刃型位错。规律错排的现象。最常见的就是刃型位错。刃位错示意图刃位错示意图三维图三维图平面图平面图在平面在平面ABCDABCD上方，多出半个原子面上方，多出半个原子面EFGH,EFGH,如同如同刀刃插入晶体，称为刃位错。刀刃插入晶体，称为刃位错。第14页/共101页螺型位错第15页/共101页在位错附近区域，晶格发生的畸变。在位错附近区域，晶格发生的畸变。位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形通过位错运动来实现的。料的塑性变形通过位错运动来实现的。3.3.晶界和亚晶界（面缺陷）晶界和亚晶界（面缺陷）实际金属是一个多晶体结构。实际金属是一个多晶体结构。晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的界面称为界面称为晶界晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子。晶界处的原子排列不规则，原子处于不稳定状态。处于不稳定状态。一个晶粒内部，有更细小的晶块，其晶格位向差一个晶粒内部，有更细小的晶块，其晶格位向差很小，通常小于很小，通常小于2233，这些小晶块称为这些小晶块称为亚晶粒亚晶粒。第16页/共101页亚晶粒之间的界面称为亚晶粒之间的界面称为亚晶界亚晶界。亚晶界原子排列也不。亚晶界原子排列也不规则。规则。晶界过渡结构示意图晶界过渡结构示意图亚晶界示意图亚晶界示意图晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。第17页/共101页五、合金的晶体结构五、合金的晶体结构1.1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。金属元素组成的具有金属性质的物质。例例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。2.2.组元：组成合金的最基本的独立物质。组元：组成合金的最基本的独立物质。例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非金属或稳定的金属化合物。金属或稳定的金属化合物。（一）合金的基本概念（一）合金的基本概念第18页/共101页3.3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的均匀组成部分。分开的均匀组成部分。3535钢的显微组织钢的显微组织例：例：3535钢的显微组钢的显微组织中白色部分具有织中白色部分具有相同的化学成分和相同的化学成分和晶格结构。并与黑晶格结构。并与黑色部分以界面分开。色部分以界面分开。c c=0.03%=0.03%的铁，的铁，体心立方结构。体心立方结构。白色部分是一相。白色部分是一相。第19页/共101页一般把固态下的相称为一般把固态下的相称为固相固相，而液体状态称为，而液体状态称为液相液相。合金的结构比纯金属复杂，可形成固溶体、金属化合金的结构比纯金属复杂，可形成固溶体、金属化合物和混合物。合物和混合物。1.1.固溶体固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。一种相在一定条件下可以转变成为另一种相，叫做一种相在一定条件下可以转变成为另一种相，叫做相变相变，例如金属结晶，是液相变为固相的一种相变。，例如金属结晶，是液相变为固相的一种相变。（二）合金的组织结构（二）合金的组织结构第20页/共101页固溶体：以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶固溶体：以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相成为固溶体。体结构、晶格常数稍有变化的固相成为固溶体。固溶体中，含量较多的组元称为固溶体中，含量较多的组元称为溶剂溶剂；含量较少；含量较少的组元称为的组元称为溶质溶质。例：例：3535钢的显微组织中，白色部分是钢的显微组织中，白色部分是C C溶于铁形溶于铁形成的固溶体。其中铁是溶剂，碳为溶质。成的固溶体。其中铁是溶剂，碳为溶质。（1 1）间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙所）间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙所 形成的固溶体。（图形成的固溶体。（图2-122-12）第21页/共101页只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时才能形成间隙固溶体。才能形成间隙固溶体。例：例：FeFe和和C C形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。图图2-122-12（）（）图图2-122-12（）（）第22页/共101页（2 2）置换固溶体：溶质原子占据晶格结点位置而形）置换固溶体：溶质原子占据晶格结点位置而形成的固溶体。成的固溶体。（图（图2-122-12b b）两组元原子尺寸相近时，易形成置换固溶体。可形两组元原子尺寸相近时，易形成置换固溶体。可形成有限固溶体和无限固溶体。成有限固溶体和无限固溶体。例：例：CrCr和和NiNi等合金元素溶入铁中形成的固溶体为置等合金元素溶入铁中形成的固溶体为置换固溶体。换固溶体。（3 3）固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使）固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使 强度、硬度提高的现象。强度、硬度提高的现象。第23页/共101页固溶强化的机理：溶质溶入导致晶格畸变固溶强化的机理：溶质溶入导致晶格畸变，使变形，使变形困难，从而使强度和硬度提高。这是钢比纯铁强度困难，从而使强度和硬度提高。这是钢比纯铁强度和硬度高的原因之一。和硬度高的原因之一。2.2.金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的 具有金属性质的一种新相，具有金属性质的一种新相，其晶格类型不同于合金其晶格类型不同于合金 中的任意组元。中的任意组元。例：例：FeFe3 3C C晶体结构与晶体结构与FeFe和和C C均不相同，是均不相同，是FeFe和和C C形成的一种具有金属特性的化合物。形成的一种具有金属特性的化合物。第24页/共101页金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。硬而脆。合金中的金属化合物，常能提高合金合金中的金属化合物，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁金属的重要组成相。金属的重要组成相。3.3.机械混合物：机械混合物：纯金属、固溶体或化合物，按一纯金属、固溶体或化合物，按一 定重量比例组成的均匀物质。定重量比例组成的均匀物质。例：例：3535钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与FeFe3 3C C组成的机械混合物。组成的机械混合物。第25页/共101页35 35 钢的显微组织钢的显微组织机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的平均值。平均值。机械混合物机械混合物P P第26页/共101页将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色基体是基体是FeFe与与C C形成的固溶体，形成的固溶体，含碳含碳0.0218%0.0218%体体心立方晶格（称为铁素体心立方晶格（称为铁素体F F），），黑色条纹为黑色条纹为 渗渗碳体（碳体（FeFe3 3C C）。）。黑色部分是黑色部分是F F与与FeFe3 3C C形成的机械混合物，称为形成的机械混合物，称为珠光体（珠光体（P P）组织。）组织。组织：用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观组织：用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察到的材料内部的形态结构。察到的材料内部的形态结构。组织可以是多相（如组织可以是多相（如P P组织），也可以是单相组织），也可以是单相（如（如F F组织），分别称为单向组织和多相组织。组织），分别称为单向组织和多相组织。第27页/共101页小结1.1.晶体晶体（物质）：（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。原子在空间有秩序排列的物质。具有固定的形状、熔点及各向异性。具有固定的形状、熔点及各向异性。2.2.非晶体非晶体（物质）：（物质）：原子无序排列的物质。原子无序排列的物质。无固定的形状、熔点及各向同性。无固定的形状、熔点及各向同性。1.1.晶格晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。2.2.晶胞晶胞：反映晶格特征的最小单元。反映晶格特征的最小单元。一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞第28页/共101页3.3.晶格参数晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角晶胞棱边的长度和棱边夹角、。4.4.三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。面心立方晶格类型的金属有面心立方晶格类型的金属有CuCu、AlAl、NiNi等，具有良等，具有良好的塑性；好的塑性；密排六方晶格的金属有密排六方晶格的金属有 MgMg、ZnZn、BeBe等等塑性差；体心立方晶格类型的金属有室温下的塑性差；体心立方晶格类型的金属有室温下的FeFe、CrCr、WW、MoMo等，塑性介于二者之间。等，塑性介于二者之间。第29页/共101页1.1.单晶体单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。：一块金属内部的晶格位向完全一致。2.2.多晶体多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体每个小晶粒都相当于一个单晶体 。3.3.晶界晶界:晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。4.4.晶体缺陷晶体缺陷（1 1）点缺陷）点缺陷：空位和间隙原子。：空位和间隙原子。（2 2）线缺陷：主要是位错。）线缺陷：主要是位错。（3 3）面缺陷：晶界和亚晶界。）面缺陷：晶界和亚晶界。三、实际金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构第30页/共101页晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。四、合金的晶体结构四、合金的晶体结构 1.1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。金属元素组成的具有金属性质的物质。2.2.组元：组成合金的最基本的独立物质。组元：组成合金的最基本的独立物质。3.3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的各组成部分。开的各组成部分。第31页/共101页4.4.固溶体固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。（1 1）间隙固溶体；）间隙固溶体；（2 2）置换固溶体。）置换固溶体。固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使强度、固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使强度、硬度提高的现象。硬度提高的现象。5.5.金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的 具有金属性质的一种新相，具有金属性质的一种新相，其晶格类型不同于合金其晶格类型不同于合金 中的任意组元。中的任意组元。金属化合物一般具有熔点高，硬而脆的特点。常能金属化合物一般具有熔点高，硬而脆的特点。常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。第32页/共101页 6.6.机械混合物：机械混合物：纯金属、固溶体或化合物，按一纯金属、固溶体或化合物，按一定重量比例组成的均匀物质。定重量比例组成的均匀物质。用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察具有一定用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察具有一定的形态。的形态。重点：重点：1.1.三种典型的金属晶体结构及晶格参数。三种典型的金属晶体结构及晶格参数。2.2.合金、组元、相、固溶体、金属化合物、机械混合金、组元、相、固溶体、金属化合物、机械混合物的概念。合物的概念。第33页/共101页作业P41 思考题2-1，2-2第34页/共101页 第二节金属材料的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果通过物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果通过凝固形成晶体结构，则称为结晶。凝固形成晶体结构，则称为结晶。一、纯金属的冷却曲线和过冷度一、纯金属的冷却曲线和过冷度1.1.冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。纯金属结晶是在温度不变条件下进行的。温度不变的原因是结晶时放出了结晶潜纯金属结晶是在温度不变条件下进行的。温度不变的原因是结晶时放出了结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量。热，补偿了此时向环境散发的热量。第35页/共101页热分析装置示意图热分析装置示意图纯金属冷却曲线纯金属冷却曲线电炉电炉坩锅坩锅金属液金属液热电偶热电偶第36页/共101页 2.2.平衡结晶温度平衡结晶温度T T0 0（理论结晶温度）（理论结晶温度）液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平 衡结晶温度。衡结晶温度。平衡结晶温度（凝固点）与加热时平衡结晶温度（凝固点）与加热时 的溶化温度（熔点）是同一温度。的溶化温度（熔点）是同一温度。3.3.过冷度过冷度 实际结晶温度实际结晶温度T T1 1与平衡结晶温度与平衡结晶温度T T0 0的差值的差值TT。在在T T0 0液体与晶体共存液体与晶体共存永远不能完成结晶，实际结永远不能完成结晶，实际结晶温度晶温度T T1 1总是低于平衡结晶温度总是低于平衡结晶温度T T0 0 。T=TT=T0 0-T-T1 1冷速越高实际结晶温度就越低，过冷度也就越大。冷速越高实际结晶温度就越低，过冷度也就越大。第37页/共101页二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程晶核形成及晶核长大的过程。晶核形成及晶核长大的过程。形核：形核：原子自发聚集并按晶体规律排列，形成微小原子自发聚集并按晶体规律排列，形成微小而稳定的固体质点。而稳定的固体质点。晶核长大：晶核长大：液体中的原子在晶核聚集，晶核向着液体中的原子在晶核聚集，晶核向着不同位向按树枝生长方式长大；当成长的枝晶与不同位向按树枝生长方式长大；当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶接触时，晶体就向着未凝固的部相邻晶体的枝晶接触时，晶体就向着未凝固的部位生长；直到枝晶间液体全部消失，每一枝晶成位生长；直到枝晶间液体全部消失，每一枝晶成长为一个晶粒。长为一个晶粒。第38页/共101页纯金纯金属结属结晶过晶过程示程示意图意图第39页/共101页三、晶粒大小对金属力学性能的影响三、晶粒大小对金属力学性能的影响 2.2.晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。1.1.晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平均晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平均直径来表示。（表直径来表示。（表-2-2晶粒度）晶粒度）晶粒越细，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒越细，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现象；同时，晶粒越细，晶界就越多越曲折，越不利象；同时，晶粒越细，晶界就越多越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形。表现出较高的塑性和韧性。性变形。表现出较高的塑性和韧性。第40页/共101页 3.3.细化晶粒的方法细化晶粒的方法（）增大过冷度（）增大过冷度 过冷度增大，形核率迅速增加，而晶粒生长速度增过冷度增大，形核率迅速增加，而晶粒生长速度增加较少，从而导致晶粒细化。加较少，从而导致晶粒细化。在生产中增大冷却速度，降低浇注温度，都可以细在生产中增大冷却速度，降低浇注温度，都可以细化晶粒，但只能用于小型和薄壁零件。化晶粒，但只能用于小型和薄壁零件。第41页/共101页（）（）变质处理变质处理 （孕育处理）（孕育处理）浇注前在液态金属中加入少量的变质剂，促使形浇注前在液态金属中加入少量的变质剂，促使形成大量非自发晶核，提高形核率，使晶粒细化。成大量非自发晶核，提高形核率，使晶粒细化。例：铸铁中加入硅铁、硅钙等；在钢中加入例：铸铁中加入硅铁、硅钙等；在钢中加入AlAl、TiTi、V V和和B B等可细化晶粒。等可细化晶粒。（）（）附加振动附加振动 ：在金属结晶时，对液态金属附在金属结晶时，对液态金属附加机械振动、加机械振动、超声波振动和电磁波振动等，超声波振动和电磁波振动等，使枝使枝晶破碎，晶核数量增大，也能使晶粒细化。晶破碎，晶核数量增大，也能使晶粒细化。第42页/共101页L -Fe -Fe -FeL -Fe -Fe -Fe91291213941394四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变1.1.纯铁的结晶过程纯铁的结晶过程（1 1）纯铁的结晶过程）纯铁的结晶过程液态纯铁冷到液态纯铁冷到15381538变成变成-Fe,-Fe,继续冷至继续冷至13941394变为变为-Fe,-Fe,再再冷至冷至912912变为变为-Fe-Fe。15381538第43页/共101页 -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe-Fe-Fe 和和-Fe-Fe 均为体心立方晶格，但晶格参数不均为体心立方晶格，但晶格参数不 同，同，-Fe-Fe为面心立方晶格。为面心立方晶格。2.2.纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁在固态下发生的晶格转变。纯铁在固态下发生的晶格转变。91291213941394纯铁的同素异构转变，是钢铁能够进行热处理的纯铁的同素异构转变，是钢铁能够进行热处理的重要依据。重要依据。第44页/共101页纯铁的磁性转变点（居里点）为纯铁的磁性转变点（居里点）为770770。在。在770770温度以下纯铁具有铁磁性，在该以上则失去铁磁温度以下纯铁具有铁磁性，在该以上则失去铁磁性。磁性转变时不发生晶格转变。性。磁性转变时不发生晶格转变。3.3.金属的同素异构转变金属的同素异构转变金属在固态下发生的晶格转变。金属在固态下发生的晶格转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锰等。以具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为同素不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为同素异构晶体。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在异构晶体。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母的温度，由低温到高温依次用希腊字母、等表示。等表示。第45页/共101页（五）（五）铸锭组织铸锭组织 1.1.组织：表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶组织：表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶 区三个晶区。区三个晶区。11表层细晶区表层细晶区22柱状晶粒区柱状晶粒区33中心等轴晶区中心等轴晶区第46页/共101页模壁附近散热快过冷度大，结晶形核率高，易形模壁附近散热快过冷度大，结晶形核率高，易形成成细晶粒区。细晶粒区。表层细晶粒形成后，冷却速度有所降低，晶核长表层细晶粒形成后，冷却速度有所降低，晶核长大率大于形成率，各晶粒得到较快的成长。因沿大率大于形成率，各晶粒得到较快的成长。因沿着枝晶轴向传热较好，且枝晶生长也不因抵触而着枝晶轴向传热较好，且枝晶生长也不因抵触而受限制，形成受限制，形成柱状晶。柱状晶。柱状晶发展到一定程度，液体温差越来越小，趋柱状晶发展到一定程度，液体温差越来越小，趋于均匀冷却状态，中心液体生核，成长为于均匀冷却状态，中心液体生核，成长为等轴晶。等轴晶。第47页/共101页表面细晶区力学性能好，但对整个铸锭的性能影表面细晶区力学性能好，但对整个铸锭的性能影响不大；响不大；2.2.各结晶区的性能与应用各结晶区的性能与应用对于塑性较好的对于塑性较好的非铁金属非铁金属，希望得到较大的柱状，希望得到较大的柱状晶区，因为柱状晶区比较细密，力学性能较好；晶区，因为柱状晶区比较细密，力学性能较好；钢锭钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因柱状晶呈各一般不希望得到柱状晶组织，因柱状晶呈各向异性，而钢的塑性较差，锻造或轧制时易发生向异性，而钢的塑性较差，锻造或轧制时易发生开裂；开裂；第48页/共101页柱状晶沿其长度方向的强度较高，对于主要承受柱状晶沿其长度方向的强度较高，对于主要承受单向载荷的机械零件（如涡轮叶片），常需获得单向载荷的机械零件（如涡轮叶片），常需获得柱状晶组织。柱状晶组织。中心等轴晶区的性能没有方向性，但该区结晶时中心等轴晶区的性能没有方向性，但该区结晶时形成很多微小的缩孔和缩松，会使力学性能降低。形成很多微小的缩孔和缩松，会使力学性能降低。改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得两层或晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得两层或一个晶区组成的铸锭。一个晶区组成的铸锭。第49页/共101页 第三节铁碳合金相图钢铁是现代工业中广泛使用的合金，其基本组元钢铁是现代工业中广泛使用的合金，其基本组元是铁和碳两个元素，故称铁碳合金。铁碳合金的是铁和碳两个元素，故称铁碳合金。铁碳合金的性能主要取决于其组织。性能主要取决于其组织。一、铁碳合金的相和组织一、铁碳合金的相和组织在铁碳合金中，铁和碳可以形成固溶体、化合物在铁碳合金中，铁和碳可以形成固溶体、化合物或混合物。或混合物。（一）液相（一）液相（L L）铁碳合金在熔点以上形成的均匀液体。铁碳合金在熔点以上形成的均匀液体。第50页/共101页（二）铁素体（二）铁素体（F F）碳溶入碳溶入 FeFe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。.溶解度溶解度室温室温0.0008%0.0008%，727727时最大时最大 0.0218%0.0218%。.性能：性能：碳的溶解度低，铁素体的力学性能几乎碳的溶解度低，铁素体的力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。与纯铁相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。第51页/共101页（三）奥氏体（三）奥氏体（A A）碳溶入碳溶入 FeFe中形成的中形成的 间隙固溶体。间隙固溶体。工业纯铁（工业纯铁（c c 0.02%700700第56页/共101页小结1.1.金属的结晶特点金属的结晶特点（1 1）冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。）冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。（2 2）平衡结晶温度）平衡结晶温度T T0 0（理论结晶温度）（理论结晶温度）液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平衡液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平衡 结晶温度。结晶温度。（3 3）过冷度）过冷度 T=TT=T0 0-T-T1 1 实际结晶温度实际结晶温度T T1 1与平衡结晶温度与平衡结晶温度T T0 0的差值的差值TT。第57页/共101页2.2.结晶的一般过程：晶核形成及晶核长大的过程。结晶的一般过程：晶核形成及晶核长大的过程。3.3.晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制（1 1）晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平）晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平 均直径来表示。均直径来表示。（2 2）晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。）晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。（3 3）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法 增大过冷度；增大过冷度；变质处理变质处理 ；附加振动附加振动 。第58页/共101页4.4.铸锭组织铸锭组织表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶 区三个晶区。区三个晶区。改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层晶区的相对大小和晶粒的粗细。晶区的相对大小和晶粒的粗细。5.5.纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁在固态下发生的晶格转变。纯铁在固态下发生的晶格转变。-Fe -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe91291213941394同素异构转变，是钢铁进行热处理的重要依据。同素异构转变，是钢铁进行热处理的重要依据。第59页/共101页（1 1）液相）液相L L 6.6.铁碳合金的基本相及其性能铁碳合金的基本相及其性能 （2 2）铁素体）铁素体F F 碳溶入碳溶入 FeFe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。性能：性能：碳的溶解度低，力学性能几乎与纯铁碳的溶解度低，力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。（3 3）奥氏体）奥氏体A A 碳溶入碳溶入 FeFe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。性能：性能：硬度不高，塑性好，易压力加工。硬度不高，塑性好，易压力加工。第60页/共101页（4 4）渗碳体（）渗碳体（FeFe3 3C C）具有复杂晶格的间隙化合物。具有复杂晶格的间隙化合物。性能与作用性能与作用高硬度，高脆性。在钢中起强化作用。高硬度，高脆性。在钢中起强化作用。（5 5）珠光体）珠光体 P P铁素体和渗碳体的混合物。铁素体和渗碳体的混合物。力学性能的性质，大体上是铁素体和渗碳体性能的力学性能的性质，大体上是铁素体和渗碳体性能的平均值，平均值，有较高的强度，适中的硬度，并具有一定有较高的强度，适中的硬度，并具有一定的塑性。的塑性。第61页/共101页（）莱氏体（）莱氏体 莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符高温莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号号L Ld d表示；低温莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混表示；低温莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混合物，用合物，用L Ld d表示。表示。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度高，塑性差。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度高，塑性差。第62页/共101页作业P42 思考题：2-3;2-5第63页/共101页 二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图 铁碳合金相图：平衡条件下，不同成分的铁碳合铁碳合金相图：平衡条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。金的状态或组织随温度变化的图形。碳含量大于碳含量大于6.69%6.69%的铁碳合金无实用价值，所以的铁碳合金无实用价值，所以只需研究只需研究Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。FeFeFeFe3 3C C相图如相图如*图图2-222-22。简化后的相图如简化后的相图如*图图2-232-23。第64页/共101页1.1.主要特性点主要特性点（1 1）A A、D D点点 A A：纯铁熔点：纯铁熔点15381538，c c=0 =0；D D：渗碳体熔点：渗碳体熔点12271227，c c=6.69%=6.69%。（2 2）GG点点 GG：纯铁的同素异构转变点：纯铁的同素异构转变点912912，c c=0 =0。-Fe -Fe-Fe -Fe912912（一）铁碳合金相图分析（一）铁碳合金相图分析第65页/共101页（3 3）E E、P P点点 E E：碳在：碳在 FeFe中的最大溶解度点，中的最大溶解度点，c c=2.11%=2.11%，温度温度11481148；P P：碳在：碳在 FeFe中的最大溶解度点，中的最大溶解度点，c c=0.0218%=0.0218%，温度温度727727。（4 4）QQ点点:室温下碳在室温下碳在 FeFe中的溶解度点，中的溶解度点，c c=0.0008%=0.0008%。（5 5）C C点。点。C C：共晶点，：共晶点，c c=4.3%=4.3%，11481148。第66页/共101页共晶反应：一定成分的液相在一定温度下同时析共晶反应：一定成分的液相在一定温度下同时析出两种固相的反应。出两种固相的反应。在铁碳合金中：在铁碳合金中：11481148含碳含碳4.3%4.3%的液相同时结晶的液相同时结晶c c=2.11%=2.11%的奥氏体和的奥氏体和c c=6.69%=6.69%的渗碳体的反应，的渗碳体的反应，称为共晶反应。称为共晶反应。共晶反应的产物：共晶反应的产物：A A和和FeFe3 3C C共晶共晶组成的机械混