工藝技術(shù)_金屬材料與熱加工工藝培訓(xùn)課程

材料及熱加工工藝 第二章金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 2合金的結(jié)構(gòu)與相圖 第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 一 金屬鍵與金屬的特性 金屬的定義 傳統(tǒng) 是具有良好的導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性 延展性 塑性 和金屬光澤的物質(zhì) 二 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1 晶體的概念 固體物質(zhì)按原子排列的特征分為 晶體 1 結(jié)構(gòu)有序 2 物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性 3 有固定的熔點(diǎn)非晶體 1 結(jié)構(gòu)無(wú)序 2 物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性 3 沒(méi)有固定熔點(diǎn) 2 晶格與晶胞 晶格 用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成 的三維空間格架 直線的交點(diǎn) 原子中心 稱結(jié)點(diǎn) 由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣 晶胞 能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元 晶格常數(shù) 晶胞各邊的尺寸a b c 各棱間的夾角用 表示 原子半徑 晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半 晶胞原子數(shù) 一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目 配位數(shù) 晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目 致密度 晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù) 2 常見(jiàn)的金屬晶格 體心立方晶格bcc 面心立方晶格fcc Fe Cr W Mo Fe Cu Ni Al Zn Mg 密排六方晶格hcp 體心立方晶格的參數(shù) 面心立方晶格的參數(shù) 密排六方晶格的參數(shù) 三 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷 1 單晶體 多晶體 單晶體 晶體內(nèi)部的晶格位向 即原子排列的方向 完全一致 具有各向異性 只有采用特殊的方法才能得到單晶體 晶粒示意圖 1 點(diǎn)缺陷 是指三維尺寸都很小 不超過(guò)幾個(gè)原子直徑的缺陷 晶體中的點(diǎn)缺陷1 2 空位 3 4 間隙原子 5 6 置換原子 晶格的不完整部位稱晶體缺陷 實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷 按形狀可分三類 即點(diǎn) 線 面缺陷 2 實(shí)際金屬的晶體缺陷 a 空位 晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn) b 間隙原子 擠進(jìn)晶格間隙中的原子 可以是基體金屬原子 也可以是外來(lái)原子 c 置換原子 取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱置換原子 點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài) 使晶格發(fā)生扭曲 位錯(cuò) 晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象 是指二維方向上尺寸較小 在另一維方面上尺寸較大的缺陷 螺型位錯(cuò)示意圖 3 面缺陷 二維尺寸很大而第三維尺寸很小的缺陷 通常是指晶界和亞晶界 晶界的特點(diǎn) 原子排列不規(guī)則 熔點(diǎn)低 耐蝕性差 易產(chǎn)生內(nèi)吸附 外來(lái)原子易在晶界偏聚 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 是強(qiáng)化部位 因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒 相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示 四金屬的結(jié)晶 1 金屬結(jié)晶的概念 金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)的過(guò)程 結(jié)晶 液體 晶體 凝固 液體 固體 晶體或非晶體 結(jié)晶 純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線 結(jié)晶潛熱的釋放維持溫度不變 即出現(xiàn)平臺(tái) 2 結(jié)晶過(guò)程 液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn) 1 晶核的形成 1 自發(fā)形核 依靠液態(tài)金屬本身在一定過(guò)冷度下由其內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心 但需要很大的過(guò)冷度 如 純銅結(jié)晶 T 236 非自發(fā)形核 晶核依附金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)表面而形成晶核 所需過(guò)冷度為20 晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移 2 晶核的長(zhǎng)大 頂角和棱邊處散熱條件優(yōu)于其它部位 金屬的樹(shù)枝晶 頂角和棱邊處散熱條件優(yōu)于其它部位 3 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響及細(xì)化晶粒的方法 形核率N 單位時(shí)間內(nèi)在單位液體體積中形成的晶核數(shù)目 長(zhǎng)大率G 單位時(shí)間界面向前推進(jìn)的距離 金屬結(jié)晶后晶粒愈細(xì) 強(qiáng)度 硬度愈高 塑性 韌性也愈好 N G值越大 結(jié)晶后的晶粒越細(xì) 例 純鐵的晶粒d 70 m減至1 6 m b 184MPa增至270MPa 30 6 增至50 7 細(xì)化晶粒的途徑 1 提高冷卻速度 晶粒細(xì)小 2 變質(zhì)處理起外來(lái)晶核的作用或機(jī)械阻礙作用 3 機(jī)械振動(dòng) 超聲波振動(dòng) 電磁攪拌等 4 金屬鑄錠的組織 2合金的結(jié)構(gòu)與相圖 一 合金的基本概念 合金 由兩種或兩種以上的金屬 或金屬與非金屬 經(jīng)熔煉 燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì) 鋼 鑄鐵等組元 組成合金最基本的 獨(dú)立的物質(zhì) 簡(jiǎn)稱為元 可以是元素 也可以是穩(wěn)定的化合物 有二元 三元合金等 所謂相是指金屬或合金中凡成分相同 結(jié)構(gòu)相同 并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分 顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài) 數(shù)量 大小和分布的組合 固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類 二 固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu) 固溶體和金屬化合物 定義 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中形成的合金相 并不改變?nèi)軇┑木Ц耦愋?固溶體的成分不固定 固溶體是合金的重要組成相 實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金 按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體 固溶體 置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體 溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的稱無(wú)序固溶體 呈有序分布的稱有序固溶體 黃銅置換固溶體組織 無(wú)限固溶須滿足三個(gè)條件 a 原子外層電子結(jié)構(gòu)相近 電化學(xué) 負(fù)電性 b 原子半徑相差不大 c 晶格類型相同 晶體結(jié)構(gòu) Cu與Ni 29 28 2 55 2 44 均為fcc結(jié)構(gòu) 故Cu與Ni形成無(wú)限置換固溶體 間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體 形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素 如C N B等 而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素 形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì) r劑 0 59 間隙固溶體都是無(wú)序固溶體 固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加 固溶體的強(qiáng)度 硬度增加 塑性 韌性下降 固溶強(qiáng)化 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用 2 金屬化合物 合金中的兩組元相互作用而形成的一種新相 它的晶體結(jié)構(gòu) 性能 熔點(diǎn)與兩組元都不同 并具有金屬特征 這種相稱為金屬化合物 如 Fe C Fe3C 1 正常價(jià)化合物Mg2Si 2 電子化合物 3 間隙化合物 根據(jù)形成條件 金屬化合物都是硬而脆 不能作基體相 Fe3C的晶體結(jié)構(gòu) 三 二元合金相圖 相圖是表明平衡結(jié)晶條件下 即極緩慢加熱或冷卻條件下 合金成分 溫度和相 或組織 之間的關(guān)系圖形 是選材 制定工藝的依據(jù) 一 相圖的建立 1 配制不同成分的合金 2 測(cè)定每種合金的冷卻曲線 找出每種合金的臨界點(diǎn) 即冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn) 3 將具有相同意義的臨界點(diǎn)標(biāo)注在溫度 成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上 4 把具有相同意義的臨界點(diǎn)連成曲線即可 純金屬的結(jié)晶過(guò)程是在恒溫下進(jìn)行的 在結(jié)晶的過(guò)程中只有液相和固相數(shù)量的變化 合金的結(jié)晶通常是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的 在結(jié)晶的過(guò)程中 不但有固相和液相數(shù)量變化 而且各相的成分也在變化 Cu Ni合金相圖的建立過(guò)程 1 勻晶相圖Cu NiAu Ag 二 二元合金相圖的基本類型 特點(diǎn) 兩組元在液態(tài) 固態(tài)均能夠完全無(wú)限互溶 形成單一均勻無(wú)限固溶體 1 相圖分析 組元 Cu Ni相 L A B點(diǎn) 熔點(diǎn)線 固 液相線相區(qū) L L 以Cu Ni合金相圖中Ni含量為40 的合金為例 2 合金的結(jié)晶過(guò)程 3 杠桿定律處于兩相區(qū)的合金 由相圖可知兩平衡相的成分 還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量 現(xiàn)以Cu Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律 確定兩平衡相的成分 劃線求橫坐標(biāo) 確定兩平衡相的相對(duì)重量 根據(jù)杠桿定律求解 設(shè)合金的重量為1 液相重量為QL 固相重量為Q 則QL Q 1QLx1 Q x2 x解方程組得 應(yīng)用 距某相區(qū)遠(yuǎn)的那一段線段長(zhǎng)與直線全長(zhǎng)的比就等于某相的相對(duì)重量 4 枝晶 晶內(nèi) 偏析 形成原因 冷卻速度快 固溶體的化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散均勻 定義 在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析 影響合金的力學(xué) 耐蝕 加工等性能 Cu Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織 平衡組織 含Ni30 的固溶體 枝晶偏析組織 由Cu Ni合金的結(jié)晶過(guò)程可知 先結(jié)晶出的含鎳量高 不易被腐蝕 呈亮白色 后結(jié)晶出的含銅量高 易被腐蝕 呈黑色 生產(chǎn)中用 擴(kuò)散退火 均勻化退火 加以消除 2 共晶相圖Pb SnAl Si 特點(diǎn) 液態(tài)無(wú)限互溶 固態(tài)不能無(wú)限互溶 一定成分的液相在一定溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同成分固相的過(guò)程 相圖分析 合金的結(jié)晶過(guò)程 合金的結(jié)晶過(guò)程 合金的結(jié)晶過(guò)程 Pb 過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金相似 不同的是一次相為 二次相為 室溫組織為 合金的結(jié)晶過(guò)程 合金的相組分與組織組分 組織組成物在相圖上的標(biāo)注 在一定溫度下 由一個(gè)液相