1、金属材料的组织结构金属材料的组织结构教学目的与要求: 1.了解金属结晶过程及其规律。 2.了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影 响。 3.掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 4.掌握合金的成分、组织与性能的关系。 5.能利用铁碳相图定性地分析铁碳合金成分、组织、性 能间的关系。 6.能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过 程。金属材料的组织结构金属材料的组织结构教学内容： 金属的结晶过程，结晶规律，纯金属的晶体结构，合金 的组织，铁碳合金平衡状态图。重点、难点： 有关金属学的基本概念， 铁碳合金平衡状态图及其分析。金属材料的组织结构金属材料的组织结构本章主要阅读
2、文献： 1、周凤云主编. 工程材料及应用. 武汉：华中科技大 学出版社，2002。 2、于永泗主编.机械工程材料. 大连：大连理工大学 出版社，2003。 3、卢秉恒主编. 机械制造技术基础. 北京：机械工 业出版社，1999 。金属材料的组织结构金属材料的组织结构一、金属结晶的有关概念(一)晶体的概念晶体：是指原子（离子分子）在三维空间呈有规则的周期性 重复排列的物质。特点：特点：各向异性 具有规则的外形 具有固定的熔点第一节 金属的结晶金属材料的组织结构金属材料的组织结构（二）金属结晶时的过冷现象1、理论结晶温度2、过冷现象 实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。金属
3、材料的组织结构金属材料的组织结构液态和固态自由能随温度变化的示意图以及纯金属的冷却曲线金属材料的组织结构金属材料的组织结构二、金属结晶的过程 金属的结晶过程分为三个方面进行表述：1.1.液态液态固态；固态；2.原子由液态下的无序状态固态下的有序状态；3.原子由液态下的高速运动固态下原子的低速运动。金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属结晶过程示意图1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生； 4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核 金属材料的组织结构金属材料的组织结构(一)形核方式 金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核一种是自
4、发形核，另一种是非自发形核。1. 自发形核 当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。2. 非自发形核 在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为非自发形核。 金属材料的组织结构金属材料的组织结构(二)过冷度对形核和晶核长大的影响 过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为在结晶过程中有两个因素同时在起作用：两个因素同时在起作用：一是晶体与液体的自由能差（F），是晶核形成和长大的驱动力；二是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长大的必须条件。如图24、25所示。
5、 金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构三、晶粒大小的控制(一)晶粒度晶粒度对金属性能的影响 常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。 高温下，高温下，晶粒应适当粗化，其性能较好。因为高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。 (二)决定晶粒度的因素 晶粒度取决于N/G，其值越大，晶粒越细小。金属材料的组织结构金属材料的组织结构(三)细化晶粒方法及原理 1. 控制过冷度 V实增大，Tn降低，T增大，为结晶过程提供了更多
6、的能量 。2. 变质处理 在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗粒）变质剂（粉末状、细颗粒），促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶粒。 3. 机械振动法（如搅动）超声波振动法等。金属材料的组织结构金属材料的组织结构一、晶格、晶胞、晶体常数晶体结构： 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。 晶格： 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。 晶体和晶格的示意图第二节 纯金属的晶体结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构晶胞： 能反映该晶格特征
7、的最小组成单元称为晶胞，晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即可反映该晶体结构(晶格)的特点。晶格常数： 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、这六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: 110-10 m710-10 m。晶胞和晶格常数示意图金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构二、常用金属的晶体结构(一)体心立方晶格 体心立方晶胞原子如何排列体心立方晶胞原子如何排列 体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。 具有体心立方晶格的
8、金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe, 912 )等。大多具有较高的强度和韧性。金属材料的组织结构金属材料的组织结构体心立方晶胞金属材料的组织结构金属材料的组织结构体心立方晶胞特征： （1）晶格常数 a=b=c, =90 （2）晶胞原子数 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。 金属材料的组织结构金属材料的组织结构(二)面心立方晶格 面心立方晶胞原子如何排列面心立方晶胞原子如何排列 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中
9、心的原子与该面四个角上的原子紧靠。 具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、- 铁( -Fe, 912 1394 )等。大都具有较高的塑性。 金属材料的组织结构金属材料的组织结构面心立方晶胞金属材料的组织结构金属材料的组织结构面心立方晶胞的特征：（1）晶格常数 a=b=c，=90 （2）晶胞原子数 (个) 1/8*8+1/2*6=4 金属材料的组织结构金属材料的组织结构(三)密排六方晶格 密排六方晶胞原子如何排列密排六方晶胞原子如何排列 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上，在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。 具有这种晶格
10、的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。 金属材料的组织结构金属材料的组织结构密排六方晶胞金属材料的组织结构金属材料的组织结构密排六方晶胞的特征：（1）晶格常数 （a=bc，=90，= 120 ） 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。 （2）晶胞原子数 1/6*12+1/2*2+3=6 金属材料的组织结构金属材料的组织结构三、金属的同素异晶转变FeFeFe同素异晶转变同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另
11、一种晶格类型的过程。结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538 1394 912 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。Fe、Sn、Ti、Mn温度时间1538 1394 912 体心面心体心FeFeFeFe金属材料的组织结构金属材料的组织结构研究同素异晶转变的意义：1）热处理2）内应力金属材料的组织结构金属材料的组织结构第三节 合金的组织金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构返返 回回金属材料的组织结构金属材料的组织结构返返 回回金属材料的组织结构金属材料的组织结构返返 回回金属材料的组织结构金属
12、材料的组织结构返返 回回金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构晶格畸变示意图 金属材料的组织结构金属材料的组织结构 固溶强化概念：固溶强化概念： 晶格畸变导致金属塑性变形阻力增大，从而使其强度和硬度提高，这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化机理：固溶强化机理： 溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构金属材料的组织结构一、铁碳合金中的基本相与基本组织一、铁碳合金中的基本相与基本组织 铁碳合金中的基本相中有:l 铁素体（F）l 奥氏体(A)l
13、 渗碳体(Fe3C)第四节 铁碳合金及其平衡状态图金属材料的组织结构金属材料的组织结构（一）基本相0.00060.0008%金属材料的组织结构金属材料的组织结构（二）基本组织（二）基本组织Ld金属材料的组织结构金属材料的组织结构五种基本组织的关系C溶入溶入-Fe溶入溶入-FeFAFe3C与与Fe化化合合P混混合合LdLd混混合合混合混合金属材料的组织结构金属材料的组织结构二、铁碳合金平衡状态图二、铁碳合金平衡状态图1、相图（状态图）2、相图的组成（1）纵坐标：温度；（2）横坐标：成分；（3）图中的每一条相变线；（4）每一相变线组成的相区。金属材料的组织结构金属材料的组织结构 表示合金系的成分、
14、温度、组织、状态之间关系的图表。 状态图温度时间1538 1394 912 体心面心体心1538 1394 912 温度成分状态图的作用是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。 金属材料的组织结构金属材料的组织结构AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.02C%C%114114881538 1538 727727P PL LAF F3 3、铁碳相图中的特性点及意义、铁碳相图中的特性点及意义温度912912CFe3C6.696.69FA纯铁的熔点。DFe3C的熔点。 EC在-Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。L Ld d金
15、属材料的组织结构金属材料的组织结构C共晶点，1148 4.3%C 共晶点发生共晶反应的点。 共晶反应 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物共晶体机械混合物 L（4.3%C） A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）1148Ld G 纯铁的同素异晶转变点。 912 P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.02%C 金属材料的组织结构金属材料的组织结构 S 共析点。 727 0.77% 共析点 发生共析反应的点。 共析反应在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相另外两个固相的反应。 共析反应的产物 共析体 机械
16、混合物 A A（0.77%C0.77%C） F F（0.002%C 0.002%C ）+ Fe+ Fe3 3C C（6.69%C 6.69%C ）727727P P金属材料的组织结构金属材料的组织结构4 4、铁碳相图中的特性线及意义、铁碳相图中的特性线及意义AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.02C%C%114114881538 1538 L Ld d727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.696.69FAECFAECF线固相线 ACDACD线液相线AEAEA A析出终了线ECFECF共晶线 1148ACAC析出A ACDCD析出 Fe
17、Fe3 3C CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LdLd + Fe3C金属材料的组织结构金属材料的组织结构ES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CGS线 溶解度曲线 AF GP线 F析出终了线。PSK线 共析线 727PQ线 碳在-Fe中的溶解度曲线。金属材料的组织结构金属材料的组织结构5. 铁碳合金图各相区的组织（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C金属材料的组织结构金属材料的组织结构三、典型铁碳合金的组织转变三、典型铁碳合金的组织转变 工业纯铁、钢和生铁的分类、成
18、分及室温组织如表所示 金属材料的组织结构金属材料的组织结构2 23 31 1LAAL+P1 1LAAL+A+P+F4 43 32 2F4 41 1LL+A+P+Fe3C2 23 3AAFe3C1 1L2 2LdLd1 1LA+L+LdP+Fe3C+LdA+Ld +3 32 2AFe3C3 31 1L2 2L+ Fe3CFe3C+Fe3C+LdLd1钢2 2生铁生铁 共析钢: 亚共析钢: 过共析钢: 共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁:金属材料的组织结构金属材料的组织结构铁碳合金平衡状态图 金属材料的组织结构金属材料的组织结构四、铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系四、铁碳合金的化学成分、组织
19、和性能的关系 按照铁碳相图, 铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成。随碳含量的增加, F的量逐渐变少, 由100%按直线关系变至0%(碳质量分数为6.69%C时); Fe3C的量则逐渐增多, 由0%按直线关系变至100%。 在室温下, 碳含量不同时, 不仅F和Fe3C的质量分数变化, 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。金属材料的组织结构金属材料的组织结构 合金含碳量 组 织 小于0.0218% 组织全部为F 等于0.77%C 组织全部为P 等于4.3%C 组织全部为Ld 等于6.69%C 组织全部为Fe3C在上述碳含量之间, 则为相应组织组成物的混合组织。 金属材料的组织结
20、构金属材料的组织结构随碳含量增大, 组织按下列顺序变化：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+ LdLdLd+Fe3CIFe3C金属材料的组织结构金属材料的组织结构五、铁碳合金状态图的应用五、铁碳合金状态图的应用1. 在钢铁材料选用方面的应用； 2. 在铸造工艺方面的应用； 3. 在热锻、热轧工艺方面的应用；4. 在热处理工艺方面的应用。金属材料的组织结构金属材料的组织结构本章小结：本章小结： 本章的主要讲述了金属的结晶过程、结晶规律、纯金属的晶体结构以及合金的组织、铁碳合金平衡状态图等知识。其中要求了解金属结晶过程及其规律；了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影响；掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响以及合金的成分、组织与性能的关系。铁碳合金平衡状态图及其分析要求重点掌握。
