金屬學(xué)基本概念及固態(tài)相變概論課件

1、第一章 金屬學(xué)基本概念 及固態(tài)相變概論一 金屬學(xué)基本概念二 二元合金相圖三 金屬固態(tài)相變概論金屬 具有不透明、金屬光澤、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性并且其導(dǎo)電能力隨溫度的增高而減小，富有延展性等特性的物質(zhì)。金屬內(nèi)部原子具有規(guī)律性排列的固體。原子尺度的結(jié)構(gòu) 主價鍵：離子鍵，共價鍵，金屬鍵 次價鍵：范德瓦爾斯鍵（分子鍵）一、基本概念晶體：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體，即晶體是具有格子構(gòu)造的固體。晶格：為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，把構(gòu)成晶體的原子當(dāng)成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了所表示的格架式空間結(jié)構(gòu)。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格；排有結(jié)構(gòu)粒子的這些點

2、叫做晶格的結(jié)點。晶胞：由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)的最小單元，這個最小單元就叫作晶胞。晶體按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為七大晶系和14種晶格類型。其中常見的有體心立方、面心立方、密排六方等晶體結(jié)構(gòu)。實際上理想的晶體結(jié)構(gòu)是不存在的，事實上，晶體都總是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、間隙離子、取代離子、位錯等缺陷。表1-1 布拉菲點陣的結(jié)構(gòu)特征（table1-1 the structural feature of Bravais lattice ）FCC-Fe, Al, Cu, Ag, Au, NiBCCCr, -Fe, W, Mo, V, -TiHCPMg,

3、Zn, Cd, -Ti, -Co晶向指數(shù)的確定：將坐標(biāo)原點選在OP的任一結(jié)點O點，把OP的另一結(jié)點P的坐標(biāo)經(jīng)等比例化簡后按X、Y、Z坐標(biāo)軸的順序?qū)懺诜嚼ㄌ?內(nèi)，則uvw即為OP的晶向指數(shù)。晶向： 點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，位于一條直線上的結(jié)點構(gòu)成一個晶向。晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結(jié)點平面稱為晶面，即結(jié)晶多面體上的平面。晶面指數(shù)：結(jié)晶學(xué)中經(jīng)常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。數(shù)字hkl是晶面在三個坐標(biāo)軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶體缺陷分四類： 點缺陷： 只在某些位置發(fā)生，只影響鄰近幾個原子。 例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等。線缺陷： 集中表

4、現(xiàn)形式是位錯，刃型位錯和螺型位錯，可被 電鏡觀察到。 面缺陷： 晶界和亞晶界，可被光學(xué)顯微鏡觀察到。 體缺陷：如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質(zhì)。相：指金屬或合金中化學(xué)成分相同、晶格結(jié)構(gòu)相同，或原子聚集狀態(tài)相同，并與其他部分之間有明確界面的獨立均勻組成部分。組織：組織是指用肉眼可直接觀察的，或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辨的材料內(nèi)部微觀形貌圖像。 固溶體：固溶體是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。 固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間

5、隙或結(jié)點，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強(qiáng)度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。 金屬化合物： 合金組元件發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。 機(jī)械混合物 機(jī)械混合物 由純金屬、固溶體、金屬化合物這些合金的基本相按照固定比例構(gòu)成的組織稱為機(jī)械混合物。 鐵素體 碳在-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。 奧氏體晶體結(jié)構(gòu)奧氏體碳在-Fe（面心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。 滲碳體：碳 和 鐵 形成的穩(wěn)定化合物 Fe3C珠光體顯微組織珠光體鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物 （Fe+Fe3C 含碳0.77%） 萊氏體 滲碳體和奧氏體組成的機(jī)械混合物（含碳4.3%）。二、二 元 合 金

6、相 圖 相圖:相圖就是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。合金在極其緩慢冷卻條件下的結(jié)晶過程，一般可認(rèn)為是平衡結(jié)晶過程。在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分，二元合金相圖可用溫度-成分坐標(biāo)系的平面圖來表示。銅鎳二元合金相圖，銅鎳二元合金相圖，是一種最簡單的基本相圖：。橫坐標(biāo)表示合金成分（溶質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），左右端點分別表示純組元（純金屬）和，其余的為合金系的每一種合金成分，如C點的合金成分為含20,含80。坐標(biāo)平面上的任一點稱為表象點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。 二元合金的杠桿定律因該式與力學(xué)的杠桿定律相同，所以稱為二元合

7、金的杠桿定律。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)，即只能在兩相平衡狀態(tài)下使用。 2、勻晶相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應(yīng)，稱為勻晶系并構(gòu)成勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相圖等。 枝晶偏析示意圖固溶體結(jié)晶時成分是變化的，冷卻時由于原子的擴(kuò)散充分進(jìn)行，形成的是成分均勻的固溶體。如果冷卻較快，原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則形成成分不均勻的固溶體。先結(jié)晶的樹枝晶軸含高熔點組元（Ni）較多，后結(jié)晶的樹枝晶枝干含低熔點組元（Cu）較多。結(jié)果造成在一個晶粒之內(nèi)化學(xué)成分的分布不均,這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析.生產(chǎn)上為了消除其影響，常把合金加熱到高溫（低于固相線100左右），并進(jìn)行長時

8、間保溫，使原子充分?jǐn)U散，獲得成分均勻的固溶體。這種處理稱為擴(kuò)散退火。3、共晶相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應(yīng)的合金系，稱為共晶系并構(gòu)成共晶相圖,如Pb-Sn相圖。d點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度）時，共同結(jié)晶出c點成分的相和e點成分的相。由一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)。所生成的兩相混合物（層片相間）叫共晶體。 4、共析相圖 如圖所示，下半部分為共析相圖，形狀與共晶相圖相似。d點成分（共析成分）的合金（共析合金）從液相經(jīng)勻晶反應(yīng)生成相后，繼續(xù)冷卻到d點溫度（共析溫度）時，發(fā)生共析反應(yīng)，共析反應(yīng)的形式

9、類似于共晶反應(yīng)，而區(qū)別在于它是由一個固相（相）在恒溫下同時析出兩個固相（c點成分的相和e點成分的相），兩相的混合物稱為共析體(層片相間) 。共析反應(yīng)是在固態(tài)下進(jìn)行的，所以共析產(chǎn)物比共晶產(chǎn)物要細(xì)密的多。 5、鐵碳相圖鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。鐵存在著同素異晶轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下有不同的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體，F(xiàn)eFe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。 由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特點不同，因而兩者的溶碳能力也不同。從某種意義上講，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。在鐵碳合金中一

10、共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中，這一點是十分重要的。 鐵碳相圖1.上半部分-共晶轉(zhuǎn)變在1148,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體,用符號Ld表示。2.下半部分-共析轉(zhuǎn)變 在727,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變: 轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體。 水平線ECF為共晶反應(yīng)線. 水平線PSK為共析反應(yīng)線，亦稱A1線. GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線. ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Ac

11、m線. 固態(tài)相變理論是是熱處理的理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。例如，馬氏體相變可使鋼淬火強(qiáng)化；過飽和固溶體分解使合金時效強(qiáng)化等。因此，研究固態(tài)相變有重要的實際意義。本章節(jié)將扼要介紹金屬固態(tài)相變的主要類型、特點以及形核與長大方面的基本知識。三 金屬固態(tài)相變概論相： 體系中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻部分 稱為相，不同相之間有明顯的界面分開。相變： 隨外界條件的變化(溫度)，體系中新相取代 舊相的過程。固態(tài)相變： 固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時， 組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化3.1 金屬固態(tài)相變的主要類型1.按平衡狀態(tài)圖分類 (1)平衡轉(zhuǎn)變： 固態(tài)金屬在緩慢加熱或冷卻時發(fā)生的能獲得符合相圖所示平衡組織的相變。

12、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變 平衡脫溶沉淀 AB + LT固溶體純金屬共析相變?nèi)缰楣怏w轉(zhuǎn)變。由一個固相分解為兩個固相的轉(zhuǎn)變。調(diào)幅分解 1+ 2高溫合金單相固溶體在冷卻到某一溫度分解為兩個結(jié)構(gòu)相同 成分不同兩相有序化轉(zhuǎn)變 無序 有序 原子在晶體中相對位置由無序到有序轉(zhuǎn)變，使其電、磁、物理、機(jī)械性能變化。 如：Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。(2)不平衡轉(zhuǎn)變 不平衡轉(zhuǎn)變：固態(tài)金屬在快速加熱和冷卻時，由于平衡相變受到抑制，可能發(fā)生某些不平衡轉(zhuǎn)變而得到在相圖上不能反應(yīng)的不平衡組織。不平衡轉(zhuǎn)變 偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變不平衡脫溶轉(zhuǎn)變(時效)AB + LT + 2

13、. 按原子遷移情況分類（1）擴(kuò)散型相變 溫度足夠高、原子活動能力足夠強(qiáng)、時間足夠長情況下發(fā)生的相變。 特點：相變過程有原子擴(kuò)散，相變速率受原子擴(kuò)散速度控制；新、舊相成分不同；新、舊相比容不同引起體積變化，但宏觀形狀不變。 如：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、脫溶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解、 有序化轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變等（2）非擴(kuò)散型相變 相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子運動是協(xié)調(diào)一致的。原子只作有規(guī)則的遷移以使晶體點陣重組，原子遷移范圍有限不超過一個原子間距。 如：淬火馬氏體相變 特點： 存在均勻切變引起宏觀變形；相變無擴(kuò)散，新、舊相化學(xué)成分相同；新、舊相之間存在一定晶體學(xué)取向關(guān)系；相變速度快。3.按相變

14、方式分類 (1)有核相變 形核-長大方式進(jìn)行相變。 (2)無核相變 條件：可以以成分起伏或能量起伏為開始，直接長大形成新相過程。 如：調(diào)幅分解以成分起伏為開始，進(jìn)行上坡擴(kuò)散，形成兩個成分不同的新相； 馬氏體相變以能量起伏為開始，靠共格切變直接長大形成新相過程。 相變的實質(zhì)：是相結(jié)構(gòu)、成分或有序化程度發(fā)生變化， 相變可以兼有上述相變類型的一種或幾種。 如：馬氏體相變 是非擴(kuò)散相變、 （新舊相成分相同、結(jié)構(gòu)不相同） 珠光體相變 是擴(kuò)散相變、 （新舊相成分不相同、結(jié)構(gòu)不相同） 非平衡相變、無核相變；小結(jié)：3.2 金屬固態(tài)相變主要特點 1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面） (1)共格界面 新、

15、舊相的晶體結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)相同；或有差異但存在一組特定晶體學(xué)平面可使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。 舊相新相特點：界面能小，彈性畸變能大(2)半共格界面 新、舊相之間存在少量位錯，除此之外的晶體結(jié)構(gòu)和點陣常數(shù)均能使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。新、舊相間錯配度=|-|/小0.05 共格關(guān)系大0.050.25 半共格關(guān)系很大0.25 非共格關(guān)系(3)非共格界面 新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關(guān)系不再維持,為非共格界面。特點：界面能大，彈性畸變能小界面能：非共格半共格共格彈性畸變能：非共格半共格0G T2 T3T2T3100% 在一定過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)可用阿弗拉密方程描述：3 n 4n 4等溫轉(zhuǎn)變曲線： 將不同溫度下的S曲線整理在時間-溫度曲線上，可以得到相變的綜合動力學(xué)曲線