金属工艺学第三章精选文档.ppt

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1、金属工艺学 第三章1本讲稿第一页，共三十二页第三章 金属的晶体结构与结晶第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构一、晶体结构的一、晶体结构的基本概念基本概念1.晶体晶体与与非晶体非晶体概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的 固体物质固体物质称称晶体晶体；非晶体非晶体则反之。则反之。特点：特点：晶体晶体有熔点；有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。金刚石，金属等。非晶体非晶体无熔点；无熔点；各向同性。如：玻璃，松各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。香，沥青等。2本讲稿第二页，共三十二页二、晶格与晶胞二

2、、晶格与晶胞晶格：晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：晶胞：组成晶格最基本的几何单元。组成晶格最基本的几何单元。ab晶晶 胞胞 示意图示意图原子原子3.晶格常数晶格常数a,b,ca=b=c且互垂直且互垂直表示晶胞几何形状大小晶胞几何形状大小晶体中的原子排列晶体中的原子排列晶面晶面结点结点形成的原因形成的原因：各原子之间各原子之间相互吸引力相互吸引力与排斥力相与排斥力相平衡结果。平衡结果。c3本讲稿第三页，共三十二页 形状形状 正方体正方体 原子位置原子位置8 8个顶点和立方体的中心各一个原子。个顶点和立方体的中心各一个原子。晶胞实有原子数晶胞实有原子

3、数 2 2个原子个原子(81/8+1)。（5）具有体心立方晶格的金属：）具有体心立方晶格的金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等等1.1.体心立方晶格体心立方晶格 原子排列特征原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。体心立方晶格的晶胞如图所示。三、常见的三、常见的晶格类型晶格类型4本讲稿第四页，共三十二页2.2.面心立方晶格面心立方晶格 原子排列特征原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。面心立方晶格的晶胞如图所示。形状形状 立方体立方体 原子位置原子位置8 8个顶点和六个面的中心各一个原子。个顶点和六个面的中心各一个原子。晶胞实有原子数晶胞实有原子数 4 4个原子个原子(8(81/8+61/

4、2)。（5）具有面心立方晶格的金属）具有面心立方晶格的金属-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等。等。5本讲稿第五页，共三十二页3.3.密排六方晶格密排六方晶格 原子排列特征原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。密排六方晶格的晶胞如图所示。形状形状 六方柱体六方柱体 原子位置原子位置两个底面、两个底面、1212个顶点和柱体内部个顶点和柱体内部3 3个原子。个原子。晶胞实有原子数晶胞实有原子数 6 6个原子个原子(121/6+21/2+3)。（5）具有密排六方晶格的金属）具有密排六方晶格的金属Mg、Zn等。等。6本讲稿第六页，共三十二页四、四、实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构（一）、（一）、多

5、晶体结构多晶体结构晶粒晶粒晶界晶界多晶体多晶体 示意图示意图由多个单晶粒组成的晶体为由多个单晶粒组成的晶体为多晶体多晶体晶粒、晶界晶粒、晶界 显微组织显微组织：在显微镜下观察：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同的组到其形态、大小、分布不同的组成物。成物。（二）、（二）、晶格缺陷晶格缺陷1、点缺陷点缺陷：在长、宽、高：在长、宽、高方向尺寸都有很小变化的一方向尺寸都有很小变化的一种晶体缺陷。种晶体缺陷。间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位7本讲稿第七页，共三十二页2、线缺陷线缺陷：在晶格中：在晶格中呈线状分布的缺陷。呈线状分布的缺陷。3、面缺陷面缺陷：呈面状：呈面状分布的缺陷。分布的缺陷。线线 缺

6、缺 陷陷面缺陷面缺陷8本讲稿第八页，共三十二页第二节第二节 纯纯 金金 属属 的的 结结 晶晶一、结晶的概念一、结晶的概念1、结晶结晶 由液态转变为固体晶体的过程。由液态转变为固体晶体的过程。或者描述为：或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程。原子由不规则排列到有规则排列过程。或者描述为：晶体结构形成的过程。或者描述为：晶体结构形成的过程。如水如水冰冰2、冷却曲线与过冷现象冷却曲线与过冷现象TT0T1时间时间O冷却曲线冷却曲线平台：平台：结晶过程时间结晶过程时间。是结晶时。是结晶时放出的热（潜热）造成的。放出的热（潜热）造成的。T0理论结晶温度理论结晶温度T1实际结晶温度实际结晶温度T0

7、T1=T 过冷度过冷度过冷是结晶的必要条件！过冷是结晶的必要条件！9本讲稿第九页，共三十二页结论结论：冷却速度冷却速度 T 实际结晶温度实际结晶温度 二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程过程：过程：不断形核和晶核不断长大的过程。不断形核和晶核不断长大的过程。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1、晶粒越细小，力学性能越高。、晶粒越细小，力学性能越高。10本讲稿第十页，共三十二页2、细化晶粒方法细化晶粒方法：（1）提高冷却速度，）提高冷却速度，增加增加T。（2）孕育处理（变质处理）孕育处理（变质处理）。（3）附加振动或搅拌附加振动或搅拌。11本讲稿第十一页，共三十

8、二页四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变铁丝加热实验示意图铁丝加热实验示意图铁丝铁丝标尺标尺支架支架现象：现象：加热时加热时铁丝伸长，到铁丝伸长，到912开始开始收缩收缩。若冷却时从若冷却时从1000 到到912 出现伸长现出现伸长现象。象。概念概念：金属在固态下随温度发生变化，其晶格类型发在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转变的现象生转变的现象-同素异构转变。同素异构转变。冷却曲线冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象。用冷却曲线表示出此现象。实质实质是：是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变12本讲稿第十二页，共三十二页冷却曲线：冷却曲线

9、：温度温度时间时间O15381394912Lliquid结晶过程结晶过程Fe 体体心立方晶格心立方晶格Fe 面面心立方晶格心立方晶格Fe体体心立方晶格心立方晶格转变式转变式：Fe Fe Fe1394 体心体心 面心面心 体心体心9121538 13本讲稿第十三页，共三十二页第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构 组织组织:是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。合金：合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而

10、成的具有金属特性的物质。或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。相相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元组元:组成合金的最基本独立单元。组成合金的最基本独立单元。14本讲稿第十四页，共三十二页 纯金属纯金属合金合金结晶过程：结晶过程：液固两相共存液固两相共存结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存 熔点以上：熔点以上：液相液相 熔点以上：液相熔点以上：液相 结晶完毕：结晶完毕：单一固相单一固相 结晶完毕：结晶完毕：组元发生相互作用组元发生相互作用

11、 化合物化合物组元彼此均匀溶解组元彼此均匀溶解 固溶体固溶体固态合金中的相结构可分为固态合金中的相结构可分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两大类。两大类。15本讲稿第十五页，共三十二页一、固溶体一、固溶体（一）定义：（一）定义：合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：（二）分类：2.间隙固溶体间隙固溶体1.置换固溶体置换固溶体16本讲稿第十六页，共三十二页1.1.置置置置 换换换换 固固固固 溶溶溶溶 体体体体 溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原

12、子而形成的固溶体。溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固形成置换固溶体时，溶质原溶体时，溶质原子在溶剂晶格中子在溶剂晶格中的溶解度主要取的溶解度主要取决于决于两者的晶格两者的晶格类型类型、原子直径原子直径及及它们在周期表它们在周期表中的位置。中的位置。17本讲稿第十七页，共三十二页2.2.间间间间 隙隙隙隙 固固固固 溶溶溶溶 体体体体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件：溶质形成条件：溶质原子直径很小而溶剂原子直径很小而溶剂晶格间隙较大晶格间隙较大,一般一般 d d溶质溶质/d d溶剂溶剂0.590.5

13、9时，才能时，才能形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。18本讲稿第十八页，共三十二页二、金属化合物二、金属化合物（一）定义（一）定义 合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且全不同于任一组元且具有金属特性的具有金属特性的新相即为金属间化合新相即为金属间化合物，或称中间相。物，或称中间相。（二）性能（二）性能 熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。w固溶强化：溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体的固溶强化：溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高晶格

14、畸变而使金属强度、硬度提高即固溶强化，即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。同时有较好的塑性和韧性。3、固溶体的性能、固溶体的性能19本讲稿第十九页，共三十二页第四节第四节 二元合金相图二元合金相图合金相图合金相图：又称为合金平衡图或合金状态图。它表示在：又称为合金平衡图或合金状态图。它表示在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成分之间关系的图。分之间关系的图。二元合金相图的建立：二元合金相图的建立：二元合金相图的建立二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）（以铜镍合金为例）1、配制一系列不同成分的铜镍合金、配制一系列不同成分的铜镍合金2、用

15、热分析法测出各成分的合金冷却曲线。、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。3、曲线特点：、曲线特点：20本讲稿第二十页，共三十二页w（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）w（2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行w（两个临界点）。（两个临界点）。w（3）将各临界点描绘在温度成分坐标系中得到图（）将各临界点描绘在温度成分坐标系中得到图（b）。）。21本讲稿第二十一页，共三十二页二、匀晶相图二、匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时，

16、所构成的相图称为二元匀晶匀晶相图。1、相图分析、相图分析液相线之上为液相线之上为液液相区相区，用，用L表示表示液相线与固相线之液相线与固相线之间是间是液、固两相液、固两相，用用L+固相线下方为固相线下方为固相固相区区，用，用表示表示A点为铜的熔点点为铜的熔点B点为镍的熔点点为镍的熔点22本讲稿第二十二页，共三十二页以图中以图中K点成分合金为例分析点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出点温度时，开始从液相中结晶出固溶体；随固溶体；随着温度的下降，着温度的下降，相增多，而相增多，而L相减少；至相减少；至2点时，结晶过程结束，点时，结晶过程结

17、束，L相全部相全部转变为转变为相相2、合金结晶过程分析、合金结晶过程分析23本讲稿第二十三页，共三十二页w三、共晶相图：三、共晶相图：二元共晶相图：二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相二元共晶相图图。共晶反应共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。混合物的反应。共晶体共晶体：共晶反应的产物是共晶体。：共晶反应的产物是共晶体。共晶组织共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。：共晶体的显微组织是共晶组织。24

18、本讲稿第二十四页，共三十二页25本讲稿第二十五页，共三十二页w1、相图分析、相图分析w（1）共晶点）共晶点 C点点 相相相相w（2）共晶线）共晶线 ECF线线 LCE+Fw (3)固溶体脱溶线固溶体脱溶线 w 固溶体或固溶体或固溶体随着温度的下降，溶解度也不断固溶体随着温度的下降，溶解度也不断的下降。图中的下降。图中ES线表达了线表达了固溶体脱溶的变化规律，固溶体脱溶的变化规律，FG线表达了线表达了固溶体的变化规律。固溶体的变化规律。ES、FG线称为固溶线称为固溶体脱溶线。体脱溶线。w 固溶体脱溶产物是固溶体脱溶产物是相，称为二次相，称为二次相（相（1）w 固溶体脱溶产物是固溶体脱溶产物是相，

19、称为二次相，称为二次相（相（1）恒温恒温26本讲稿第二十六页，共三十二页w2、结晶过程分析：、结晶过程分析：w（1）共晶成分的合金）共晶成分的合金 C点成分的合金是具有点成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷却过程中经过共晶成分的合金。在冷却过程中经过C点时发生点时发生共晶反应，生成共晶体。共晶反应，生成共晶体。w LCE+Fw(2)亚共晶成分的合金亚共晶成分的合金 E、C点之间成分的合金，点之间成分的合金，称为亚共晶合金。如图合金称为亚共晶合金。如图合金，在冷却过程中经，在冷却过程中经过过1点时结晶出点时结晶出1相；经过相；经过2点时，剩余液相发生点时，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却

20、共晶反应生成共晶体；继续冷却1相还会脱溶出相还会脱溶出相。相。C室温组织为室温组织为1(+)。LL+1 1(+)1(+)122以下以下恒温恒温27本讲稿第二十七页，共三十二页w(3)过共晶成分的合金过共晶成分的合金 C、F点之间成分的合金，称为点之间成分的合金，称为过共晶合金。如图合金过共晶合金。如图合金，在冷却过程中经过，在冷却过程中经过1点时结点时结晶出晶出1相；经过相；经过2点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却在继续冷却1相脱溶出相脱溶出相，最终组织为相，最终组织为1(+)。w LL+1 1(+)1(+)w（4）无共晶反应的合金无共晶反应的合

21、金 E点左侧和点左侧和F点右侧的合金在冷却点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金过程中不会发生共晶反应。如图合金冷却至冷却至1点时结晶出点时结晶出1 相相,经过经过2点时全部转变为点时全部转变为1 相相,经过经过3点时点时,开始脱溶开始脱溶出出相相,即即w w LL+1 1 1 同理，同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有点右侧的合金在冷却过程中也会有1 相和相和相生成。最终组相生成。最终组织为织为 1。123122以下以下28本讲稿第二十八页，共三十二页四、具有共析反应的相图四、具有共析反应的相图自某种均匀一致的自某种均匀一致的固相中同时析出两固相中同时析出两种化学成分和晶格种化

22、学成分和晶格结构完全不同的新结构完全不同的新固相的转变过程称固相的转变过程称为为共析反应。共析反应。共析体共析体：共析反：共析反应的产物称为共应的产物称为共析体。析体。共析组织共析组织:共析体共析体的显微组织称为的显微组织称为共析组织。共析组织。29本讲稿第二十九页，共三十二页五、合金力学性能与五、合金力学性能与相图的关系相图的关系1、当合金形成单当合金形成单相固溶体时：相固溶体时：合金的性能与组成元素的性质、溶质元素的溶入量有关。30本讲稿第三十页，共三十二页2、当、当合金形合金形成复相成复相混合物混合物时，力时，力学性能学性能主要取主要取决于决于其其组织的组织的细密程细密程度：度：31本讲稿第三十一页，共三十二页谢谢谢谢32本讲稿第三十二页，共三十二页