（本科）金屬工藝學(xué)基礎(chǔ)（上）第3章 金屬材料的結(jié)構(gòu)ppt課件（全）

1、金屬工藝學(xué)基礎(chǔ)（上）第3章 金屬材料的結(jié)構(gòu) 第3章 金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作人：陳妙婷一. 固體材料的結(jié)構(gòu) 固體材料的結(jié)構(gòu)是指組成固體相的原子、離子或分子等粒子在空間的排列方式。按粒子排列是否有序，固體材料可分為晶態(tài)(定型態(tài))和非晶態(tài)(無(wú)定型態(tài))兩大類。1、晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體：其組成粒子在三維空間做有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。晶格：為了便于研究晶體結(jié)構(gòu)，假設(shè)通過粒子中心劃出許多空間直線，這些直線則形成空間格架，稱為晶格。晶胞：晶格的最小幾何組成單元。1）晶體、晶格和晶胞同素異構(gòu)現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。所形成的具有不同結(jié)構(gòu)的晶體稱同素異構(gòu)體。在一定條件下，同素異構(gòu)體可以相互轉(zhuǎn)變，稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)

2、變。在具有同素異構(gòu)現(xiàn)象的固體中，最典型的例子是鐵。2）同素異構(gòu)現(xiàn)象2、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶體：內(nèi)部原子在空間雜亂無(wú)規(guī)則地排列的物質(zhì)稱為非晶體或無(wú)定型體。由于粒子排列狀態(tài)與液態(tài)相似，故稱“被凍結(jié)的液體。例：玻璃、瀝青、松香、石蠟和許多有機(jī)高分子化合物等.非晶體物質(zhì)沒有固定的熔點(diǎn)，而且性能無(wú)方向性，即各向同性。二. 金屬晶體結(jié)構(gòu) 三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)：面心立方結(jié)構(gòu) 如：-Fe, -Co, Ni, Ag等體心立方結(jié)構(gòu) 如：-Fe, V, Cr, W等密排六方結(jié)構(gòu) 如：Mg, Zn, - Co等晶胞為立方體，原子分布在立方體的各個(gè)結(jié)點(diǎn)及六個(gè)棱面中心。這類晶格金屬往往有很好的塑性。1、常見金屬晶體的結(jié)構(gòu)1）面

3、心立方結(jié)構(gòu)2）體心立方結(jié)構(gòu)晶胞為立方體，原子分布在立方體各個(gè)結(jié)點(diǎn)和立方體中心。這類晶格一般具有較高的熔點(diǎn)、相當(dāng)大的強(qiáng)度和良好的塑性。3）密排六方結(jié)構(gòu)晶胞為六方柱體，柱體高度與邊長(zhǎng)不相等。原子除分布在六方柱體的各結(jié)點(diǎn)及上下兩個(gè)正六方底面中心。并在六方柱體縱向中心面上還分布三個(gè)原子，此三原子與分布在上下底面上的原子相切。這類晶格金屬具有一定強(qiáng)度，但塑性較差。單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體。在單晶體中所有晶胞均呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。多晶體：工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的金屬材料是由許多外形不規(guī)則的晶粒所組成，所以是多晶體。晶界：這些晶粒內(nèi)仍保持整齊的晶胞堆積，各晶粒之間的界面稱為晶界。2、實(shí)際金屬的

4、結(jié)構(gòu)三. 純金屬的結(jié)晶 1、純金屬的結(jié)晶過程1）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線結(jié)晶：金屬由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的過程。冷卻曲線: 熱分析法做出的時(shí)間溫度關(guān)系； 開始時(shí)為液體狀態(tài)，溫度隨時(shí)間下降； 之后出現(xiàn)水平線，這是由于液體金屬進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，內(nèi)部放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了它向環(huán)境散失的熱量，從而使溫度保持不變； 隨后溫度又隨時(shí)間下降。過冷度：T = T0Tn T 0, 結(jié)晶的必要條件2）結(jié)晶的過冷現(xiàn)象結(jié)晶過程：晶核形成和晶核長(zhǎng)大。3）結(jié)晶的基本過程增加過冷度2、細(xì)化晶粒的方法緩冷、急冷后晶粒大小示意圖在液態(tài)金屬中加入某些物質(zhì)這些物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)也可作為結(jié)晶時(shí)的晶核，相當(dāng)于增加了晶核數(shù)，故使晶粒得到細(xì)化。這種處理過程

5、稱為變質(zhì)處理。鋼中加釩，鑄鐵中加硅(這又稱孕育處理)、鋁液中加鈉鹽。振動(dòng)可使枝晶尖端破碎而增加新的結(jié)晶核心；補(bǔ)充形核所需的能量，提高形核率。 bcc fcc bcc 3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變四. 合金的晶體結(jié)構(gòu) 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)。如碳鋼和鑄鐵是FeC合金；黃銅是CuZn合金等。組元：組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。相：材料中聚集狀態(tài)相同，化學(xué)成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有明顯界面的均勻組成部分。絕大多數(shù)實(shí)用金屬材料是合金是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子（溶

6、質(zhì)原子）所形成的均勻固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。1、固溶體在合金系中，組元間發(fā)生相互作用，除彼此形成固溶體外，還可能形成一種具有金屬性質(zhì)的新相，即為金屬化合物。金屬化合物具有它自己獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而與各組元的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，一般可以用分子式來大致表示其組成。2、金屬化合物當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定質(zhì)量比，以混合方式存在的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)械混合物可是純金屬、固溶體或化合物各自的混合物，也可是它們之間的混合物。機(jī)械混合物不是單相組織，其性能介于各組成相性能之間，且隨組成相的形狀、大小、數(shù)量及分布而變3、機(jī)械混合物五. 勻晶相圖 相圖：表示多元

7、材料體系中溫度、成分與材料結(jié)構(gòu)的平衡圖（又稱為平衡圖、狀態(tài)圖）。勻晶相圖：兩組元不但在液態(tài)無(wú)限互溶，而且在固態(tài)下也無(wú)限互溶的二元合金系所形成的相圖。主要有Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni等。勻晶轉(zhuǎn)變：合金在結(jié)晶時(shí)都是從液相結(jié)晶出固溶體，固態(tài)下呈單相固溶體。配制一系列不同成分的合金 ，分別作冷卻曲線將各T-t曲線上、下各臨界點(diǎn)投影到T-C坐標(biāo)系中 連接同類型的臨界點(diǎn)熱分析法、金相法、膨脹法、磁性法、電阻法、X射線結(jié)構(gòu)分析法等。1、相圖的建立上面的一條曲線為液相線；下面的一條曲線為固相線。3個(gè)相區(qū)：液相線以上為單相液相區(qū)L，固相線以下為單相固相區(qū)，二者之間為液、固兩相共存區(qū)(L+)。

8、2、相圖分析Cu-Ni合金勻晶相圖當(dāng)溫度高于T1時(shí)，合金為液相L；當(dāng)溫度降到T1(與液相線相交的溫度)以下時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出口固溶體。隨著溫度的繼續(xù)下降，從液相不斷析出固溶體，液相成分沿液相線變化，固相成分則沿固相線變化。在T1-T3溫度區(qū)間，合金呈L+兩相共存。當(dāng)溫度下降到T3時(shí)，液相消失，結(jié)晶完畢，最后得到與合金成分相同的固溶體。3、合金的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni合金勻晶相圖平衡結(jié)晶：合金在極其緩慢的冷卻條件下進(jìn)行結(jié)晶的過程。平衡組織：在此條件下得到的組織。確定兩平衡相的成分要想確定含Ni=20%的合金I在冷卻到T溫度時(shí)兩個(gè)平衡相的成分，可通過T做一水平線arb，它與液相線的交點(diǎn)a對(duì)應(yīng)的

9、成分CL即為此時(shí)液相的成分；它與固相線的交點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的成分Ca即為已結(jié)晶的固相的成分。4、杠桿定律杠桿定律的證明 在某一溫度下處于平衡狀態(tài)的兩相的成分和相對(duì)質(zhì)量可用杠桿定律確定。只適用于兩相區(qū)。因?yàn)閷?duì)單相區(qū)無(wú)需計(jì)算，而對(duì)三相區(qū)又無(wú)法確定。確定兩個(gè)平衡相的相對(duì)質(zhì)量設(shè)合金I的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為WL，固相的質(zhì)量為W，則有：WL+W=1且 WLCI+WCa=1C由以上兩式可以得出：杠桿定律的證明 兩相的相對(duì)質(zhì)量：5、枝晶偏析不平衡結(jié)晶：由于冷卻速度快，原子的擴(kuò)散過程落后于結(jié)晶過程，合金成分的均勻化來不及進(jìn)行，因此每一溫度下的固相平均成分將要偏離相圖上固相線所示的平衡成分不平衡組織：不平衡結(jié)晶所得到

10、的組織。晶內(nèi)偏析：先結(jié)晶的晶粒心部與后結(jié)晶的晶粒表面的成分不同，由于它是在一個(gè)晶粒內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，所以稱之為晶內(nèi)偏析。枝晶偏析：固溶體結(jié)晶通常是以樹枝狀方式長(zhǎng)大的。在快冷條件下，先結(jié)晶出來的樹枝狀晶軸，其高熔點(diǎn)組元的含量較多，而后結(jié)晶的分枝及枝間空隙則含低熔點(diǎn)組元較多，這種樹枝狀晶體中的成分不均勻現(xiàn)象，稱為枝晶偏析。六. 共晶相圖共晶相圖：在二元合金系中，兩組元在液態(tài)下能完全互溶，固態(tài)下只能有限互溶，形成與兩組元成分和結(jié)構(gòu)完全不同的固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所構(gòu)成的相圖稱之為共晶相圖。具有這類相圖的合金有Pb-Sn、PbSb、Ag-Cu、A1一Si、Zn-Sn等。Pb-Sn合金相圖 adb為液

11、相線；acdeb為固相線。相：Pb與Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中的有限固溶體相，Pb溶于Sn中的有限固溶體相。3個(gè)單相區(qū)：L，3個(gè)雙相區(qū)：L+，L+，+三相共存線：L+（水平線cde）共晶點(diǎn)：d Ld=c+e共晶體：共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個(gè)固相的機(jī)械混合物，稱為共晶體。共晶反應(yīng)線：水平線cde七. 合金的結(jié)晶結(jié)晶過程如同純金屬一樣，仍為晶核形成和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)過程；需要一定的過冷度，最后形成多晶粒組成的晶體。1、合金的結(jié)晶過程合金與純金屬結(jié)晶的不同之處如下。純金屬結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行，只有一個(gè)臨界點(diǎn)。而合金則絕大多數(shù)是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分(即濃度)有

12、變化。合金結(jié)晶后其組織一般有三種情況： 單相固溶體； 單相金屬化合物或同時(shí)結(jié)晶出兩相機(jī)械混合物； 結(jié)晶開始形成單相固溶體(或單相化合物)，剩余液體又同時(shí)結(jié)晶出兩相機(jī)械混合物 (共晶體)。2、合金結(jié)晶的冷卻曲線形成單相固溶體的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下仍完全互溶，結(jié)晶后形成單相固溶體。形成單相化合物或共晶體的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下完全不互溶或部分互溶。結(jié)晶后形成單相化合物或共晶體。形成機(jī)械混合物的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下部分互溶，結(jié)晶開始形成單相固溶體后，剩余液體則同時(shí)結(jié)晶出兩相的共晶體。I-形成單相固溶體；-形成單相化合物或同時(shí)結(jié)晶出兩相固溶體；-

13、形成機(jī)械混合物圖 合金結(jié)晶的冷卻曲線第三章思考題參考答案或提示3-1解釋單晶、多晶、晶粒?為什么單晶體呈各向異性，而多晶體不顯示各向異性?答：參見p23 3-2解釋晶體結(jié)構(gòu)及晶格?金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)有幾種?試?yán)L出三種常用金屬的典型晶格。 答：參見p223-3解釋晶面、晶向?答：參見p223-4解釋同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(以鐵為例說明之)?答：參見p253-5晶體和非晶體在性能上有何不同的特點(diǎn)?答：參見p223-6試從金屬的結(jié)晶過程，分析影響晶粒粗細(xì)的因素。為什么鑄鐵斷口的表層晶粒細(xì)小，而心部晶粒粗大?答：參見p243-7解釋枝晶偏析?枝晶偏析對(duì)合金的力學(xué)性能有何影響? 如何消除枝晶偏析？答：參見p293-8解釋合金勻晶相圖？ 答：參見p273-9簡(jiǎn)述合金的結(jié)晶過程。合金與純金屬結(jié)晶的不同之處。答：參見p28復(fù)習(xí)效果自測(cè)(填空題)(1).根據(jù)原子在空間排列的特征不同，固態(tài)物質(zhì)可分為晶態(tài)(定型態(tài))和非晶態(tài)(無(wú)定型態(tài))兩大類 (2).金屬中常見的晶格類型有體心立方晶格、面心立方晶格以及密排六方品格。(3)