1、 2.1 纯金属的晶体结构与结晶纯金属的晶体结构与结晶 第二章第二章 工程材料的组织结构工程材料的组织结构2.1.1 2.1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶晶 体体 固定熔点，各向异性固定熔点，各向异性 如：金刚石、石墨等如：金刚石、石墨等 非晶体非晶体 无固定熔点，各向同性无固定熔点，各向同性 如：松香、沥青等如：松香、沥青等非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰冰 等。等。液体液体原子中心位置原子中心位置 晶体结构晶体结构1 1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶胞晶胞晶格晶格结点结点晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c
2、 2 2 常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构（1 1）体心立方晶格体心立方晶格bccbcc（2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc（3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc-Fe-Fe、W W、V V、Mo Mo 等等体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 致密度致密度=Va/VcVa/Vc，其中其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a3a3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r3/3r3/3XYZabc2r2raa致密度：致密度：0.68（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfc
3、c-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcpC C（石墨）、石墨）、MgMg、ZnZn 等等晶格常数晶格常数:底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 致密度：致密度：0 0.74.742.1.2 2.1.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构多晶体多晶体：由许多位向不同的：由许多位向不同的晶粒晶粒构成的晶体
4、。构成的晶体。晶粒晶粒1 1 多晶体结构多晶体结构晶界晶界2 2 晶体缺陷类型晶体缺陷类型（1 1）点缺陷：晶格空位）点缺陷：晶格空位 间隙原子间隙原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错-刃型位错刃型位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界（1 1）点缺陷）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子异类原子（杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子空位运动空位运动（2 2）线缺陷）线缺陷 刃位错刃位错刃位错刃位错 刃位错刃位错 位错密度位错密度（3 3）面缺陷）面缺陷过度区过度区亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变；面缺陷引起晶格畸变
5、；晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，原子排列不规则，产生晶格畸变界，原子排列不规则，产生晶格畸变2.1.1 纯金属的结晶纯金属的结晶结晶：液体液体-晶体晶体凝固：液体液体-固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）晶体液体液体结晶结晶1 金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律2 （1）冷却曲线与过冷度）冷却曲线与过冷度3 冷却曲线：热分析实验测绘冷却曲线：热分析实验测绘4 理论结晶温度理论结晶温度 T5 过冷度过冷度 T0冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度
6、开始结晶温度 TT=T0 -Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。（2）结晶的一般过程）结晶的一般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形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程自发晶核自发晶核:由液体金属内部原子聚集尺寸超过由液体金属内部原子聚集尺寸超过 临界晶核尺寸后形成的结晶核心。临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发晶核非自发晶核:是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中，自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中，非自发晶核比自发晶核更重要
7、，起优先和主导作非自发晶核比自发晶核更重要，起优先和主导作用。用。两种长大方式 平面生长平面生长 与 树枝状生长树枝状生长。平面生长树枝状生长2 金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小（1）晶粒大小对金属力学性能的影响）晶粒大小对金属力学性能的影响（2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制形核率形核率N：单位时间内在单位体积中产生的晶核数；：单位时间内在单位体积中产生的晶核数；长大率长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。：单位时间内晶核长大的线速度。T越大，形核率越大，形核率N、长大率、长大率G越大。越大。细化晶粒：细化晶粒：1 提高冷却速度；提高冷却速度；2 变质处理；变质处理；3 附加振动。附
8、加振动。2.2 2.2 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶2.2.1 合金的相结构合金的相结构 合金基本概念合金基本概念 合金合金 组元组元 合金系合金系 相相 组织组织 组织和相的关系组织和相的关系 合金的相结构合金的相结构 固溶体固溶体 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 固溶体的性能固溶体的性能 金属化合物（中间相）金属化合物（中间相）常见金属化合物：正常价化合物常见金属化合物：正常价化合物 电子化合物电子化合物 间隙化合物间隙化合物 弥散强化弥散强化ZXY间隙原子间隙原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ2.2.2 合金的结晶合金的结晶1 二元
9、合金相图二元合金相图 相图相图（平衡图、状态图）：（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区匀晶相图匀晶相图匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程abcdT,CtL L L匀晶转
10、变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。不平衡结晶不平衡结晶-枝晶偏析枝晶偏析 成份偏析成份偏析可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 +L+L+固溶线固溶线 固溶线固溶线共晶相图共晶相图共晶转变分析共晶转变分析PbSnT,CL +L+L+共晶反应线共晶反
11、应线表示从表示从c点到点到e点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLd c+e共晶反应要点共晶反应要点PbSnT,CL +L+L+183ced 共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶
12、线范围的合金都要经历共晶转变。标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图密度偏析密度偏析-比重偏析比重偏析 密度相差较大密度相差较大 只能采用控制成分或在凝固时采只能采用控制成分或在凝固时采取措施，如增加冷却速度或搅拌来消取措施，如增加冷却速度或搅拌来消除或减轻，除或减轻，热处理对其不起作用。热处理对其不起作用。2 相图与性能的关系相图与性能的关系1）合金的力学性能与相图的关系）合金的力学性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度固溶体中溶质浓度 强度、硬度强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。2）合金的工艺性能与相图
13、的关系合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。则流动性好，不易形成分散缩孔。锻造、轧制性能锻造、轧制性能单相固溶体合金，单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。不易开裂。2.3铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶 铁碳合金铁碳合金-钢铁材料钢铁材料2.3.1 纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变 金属在固态下，随着温度的变化，晶格金属在固态下，随着温度的变化，晶格由一种类型转变为另一种类型的转变过程。由一种类型转变为另一
14、种类型的转变过程。重结晶过程重结晶过程2.3.2 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相1 铁素体铁素体 符号符号 F 间隙固溶体间隙固溶体 体心立方结构体心立方结构 显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。2 奥氏体奥氏体 符号符号 A 间隙固溶体间隙固溶体 面心立方结构面心立方结构 显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。3 渗碳体渗碳体 符号符号 Fe C 间隙化合物间隙化合物 显微组织：片状、网状、球状等。显微组织：片状、网状、球状等。珠光体珠光体 高温莱氏体高温莱氏体 低温莱氏体低温莱氏体32.3.3 铁碳合金相图
15、铁碳合金相图1 1铁碳相图铁碳相图(Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图相图)(1)(1)Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的组元相图的组元 Fe Fe FeFe、-Fe(bcc)-Fe(bcc)和和-Fe(fcc)-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。强度、硬度低，韧性、塑性好。FeFe3 3 C C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)(2)Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的相相图的相 FeFe3 3 C C（Cem Cem，Cm Cm，渗碳体）渗碳体）复杂晶体结构复杂晶体结构 液相液相 L L 相相 （高温铁素体（高温铁素体 ）
16、FeFe（C C）固溶体固溶体 相（相（A A，奥氏体）奥氏体）-Fe-Fe（C C）固溶体固溶体 相相 （F F，铁素体）铁素体）-Fe-Fe（C C）固溶体固溶体(3)(3)相图中重要的点和线相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线 PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2 2铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C 合金分类合金分类工业纯铁工业纯铁 C%0.0218%C%0.0218%钢
17、钢 0.0218%0.0218%C%2.11%C%2.11%亚共析钢亚共析钢 0.77%0.77%共析钢共析钢 0.77%0.77%过共析钢过共析钢 0.77%0.77%白口铸铁白口铸铁 2.11%2.11%C%C%6.69%6.69%亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3%4.3%共晶白口铁共晶白口铁 4.3%4.3%过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3%4.3%类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种几种常见常见碳钢碳钢(1)(1)工业纯铁工业纯铁 (C%0.0218%)C%0.0
18、218%)结晶过程结晶过程(2)(2)共析钢共析钢(C%=0.77%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:层片状层片状 P P (F F +共析共析 FeFe3 3C C )500500珠光体珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。(3)(3)亚共析钢亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:F F +P P，500500(4)(4)过共析钢过共析钢(C%=1.2%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:P P +FeFe3C CII 4 40000(5)(5)共晶白口铁共晶白口铁(C%C%=4.3%4.3%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:（低温）（低温）莱
19、氏体莱氏体 LeLe （P P +FeFe3C CII+共晶共晶 FeFe3C C）,5 50000莱氏体莱氏体 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆()亚共晶白口铁亚共晶白口铁(C%C%=3%3%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:LeLe+P P +FeFe3C CII 2 20000()过共晶白口铁过共晶白口铁(C%C%=3%3%)结晶过程结晶过程室温组织室温组织:LeLe+FeFe3C CI 5 50000标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图3 3铁碳合金的铁碳合金的成分成分-组织组织-性能关系性能关系含碳量与相的相对量关系含碳量与相的相对量关系：C C%F%F%，FeFe3
20、3C C%含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（图（a a）和（和（b b）含碳量与性能关系含碳量与性能关系HBHB：取决于相及相对量取决于相及相对量强度：强度：C%=0.9%C%=0.9%时最大时最大塑性、韧性：随塑性、韧性：随C%C%而而4 4铁碳相图的应用铁碳相图的应用钢铁选材钢铁选材：相图相图性能性能用途用途局限性局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度确定锻造温度制定热处理工艺制定热处理工艺2.4 非金属材料的结构简介 高分子材料的结构高分子材料的结构 陶瓷的组织结构陶瓷的组织结构 晶体相晶体相 玻璃相玻璃相 气气 相相
