第二章-金屬材料的組織結(jié)構(gòu)1

第二章

金屬材料的組織結(jié)構(gòu)材料的性能原子結(jié)構(gòu)原子間的結(jié)合鍵原子的排列方式(結(jié)構(gòu))晶體：原子沿三維空間呈周期性重復(fù)排列的物質(zhì)。非晶體：原子在三維空間呈紊亂、無(wú)序排列的物質(zhì)。晶體：各向異性有固定的熔點(diǎn)非晶體：各向同性沒(méi)有固定的熔點(diǎn)

一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（一）晶體的基本概念

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

及結(jié)晶1.晶格與晶胞晶格：描述晶體排列規(guī)律的空間格架晶胞：代表原子排列特征的最基本的幾何單元2、晶系點(diǎn)陣常數(shù)平行六面體的三個(gè)棱長(zhǎng)a、b、c和及其夾角α、β、γ，可決定平行六面體尺寸和形狀，這六個(gè)量亦稱為點(diǎn)陣常數(shù)。按點(diǎn)陣常數(shù)對(duì)晶體的分類。

1.體心立方晶格（bcc晶格）⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°⑶原子半徑（二）常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu)（晶格類型）

體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格

晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。

⑴原子排列特征致密度（K）是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù).(4)晶胞中原子數(shù)和致密度0.68晶胞中原子數(shù)2(6)常見(jiàn)金屬Cr、Mo、W、V、α-Fe(5)空隙半徑r四=0.29r原r八=0.15r原

2.面心立方晶格（fcc晶格）

⑴原子排列特征

⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°⑶原子半徑(4)晶胞中原子數(shù)4致密度0.74(6)常見(jiàn)金屬Al、Cu、Ni等(5)空隙半徑r四=0.225r原r八=0.414r原⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。

⑵晶格常數(shù)⑶原子半徑(4)晶胞中原子數(shù)4致密度0.74(6)常見(jiàn)金屬M(fèi)g、Zn、Ti等

3.密排六方晶格（hcp晶格）(5)空隙半徑r四=0.225r原r八=0.414r原(三)晶面、晶向晶面：在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。晶向：任意兩個(gè)原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。晶體的各向異性金屬單晶體不同方向上性能不同，這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。

由多晶粒構(gòu)成的晶體稱為多晶體。多晶體偽各向同性。

實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為以下三種：

顯微組織（四）金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷一塊晶體內(nèi)部晶格位向完全一致，稱該晶體為單晶體?？瘴婚g隙原子1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過(guò)幾個(gè)原子直徑的缺陷⑴空位⑵間隙原子⑶置換原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生了扭曲—晶格畸變，使材料強(qiáng)度提高。線缺陷是指二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)位錯(cuò)：指晶體中一部分晶體相對(duì)另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。

2.線缺陷位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

位錯(cuò)密度可用單位體積中位錯(cuò)線總長(zhǎng)度來(lái)表示，即ρ=L/V形變強(qiáng)化：冷塑性變形使晶體中位錯(cuò)缺陷大量增加，金屬材料強(qiáng)度大幅度提高，這種方法稱形變強(qiáng)化。指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷

晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。

亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。通過(guò)細(xì)化晶粒，使晶界和亞晶界的數(shù)量增加，從而提高材料強(qiáng)度、塑性和韌性的方法。細(xì)晶強(qiáng)化：

3.面缺陷冷卻速度越大，開(kāi)始結(jié)晶溫度越低，過(guò)冷度越大。

二、純金屬的結(jié)晶結(jié)晶金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過(guò)程（一）金屬結(jié)晶的溫度過(guò)冷度理論結(jié)晶溫度T0與開(kāi)始結(jié)晶溫度Tn之差ΔT=T0—Tn（二）金屬的結(jié)晶過(guò)程形核和長(zhǎng)大1、晶核的形成1）自發(fā)形核從液態(tài)金屬中自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心的過(guò)程自發(fā)形核。2）非自發(fā)形核依附于雜質(zhì)而生成晶核的過(guò)程叫做非自發(fā)形核。1）平面長(zhǎng)大圖2-5金屬結(jié)晶示意圖2、晶體的長(zhǎng)大

2）樹(shù)枝狀長(zhǎng)大（三）晶粒細(xì)化的方法

晶粒度：晶粒的大小稱為晶粒度形核率：是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。長(zhǎng)大速率:是指單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的線長(zhǎng)度。1.控制過(guò)冷度（過(guò)冷細(xì)化法）2.變質(zhì)處理變質(zhì)劑3.振動(dòng)、攪拌σs=

σi+kyd（-1/2）金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

第二節(jié)、合金的晶體結(jié)構(gòu)

及結(jié)晶

（一）固溶體合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素相互熔合而成，具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本獨(dú)立單元（元素或化合物）叫做組元。相：是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并以界面相互分開(kāi)的、均勻的組成部分。組織：是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。一、固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)固溶體和金屬化合物合金的組元通過(guò)溶解形成一種成分及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑另一組元為溶質(zhì)。

1.固溶體的分類

置換固溶體與間隙固溶體有限固溶體與無(wú)限固溶體溶解度:溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的最高含量有限固溶體晶格類型、原子半徑差及在元素中的位置無(wú)限固溶體2.固溶體的性能固溶強(qiáng)化通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象晶格畸變

（二）金屬化合物

合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物，或稱中間相。組元間電負(fù)性相差較大，且形成的化合物嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律，此類化合物稱為正常價(jià)化合物。此類化合物的熔點(diǎn)和硬度較高，塑性較差，在許多有色金屬中作為重要的強(qiáng)化相。

其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)一般較高，硬度高，脆性大。金屬化合物是許多合金的重要組成相（常作為強(qiáng)化相）。

1.正常價(jià)化合物例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。

2.電子化合物組元間形成化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物中價(jià)電子數(shù)于原子數(shù)之比），則此類化合物稱為電子化合物。例如:CuZn、Cu5Zn8、CuZn3、Cu3Al、FeAl

3.間隙化合物

由過(guò)渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物稱為間隙化合物。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)及硬度，非常穩(wěn)定。鋼中常見(jiàn)間隙化合物的硬度及熔點(diǎn)類型簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物化學(xué)式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點(diǎn)/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227

⑵復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。

⑴簡(jiǎn)單間隙相當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱為簡(jiǎn)單間隙相。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。如：TiC、WC、MoN、V2N等均屬于這類化合物。二、二元合金相圖用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系。（一）勻晶相圖二元合金在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶所形成的相圖。點(diǎn)：A、B線：Al1B線為液相線Aa1B為固相線。區(qū)：有兩個(gè)單相區(qū)一個(gè)雙相區(qū)（L+α相區(qū)）。枝晶偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均現(xiàn)象杠桿定律QLQαDD（二）共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，并且發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所構(gòu)成的相圖。點(diǎn)：A、B、C、E、D、F、G線：液相線:AEB固相線:ACEDB溶解度曲線:CF:Sn在Pb溶解度曲線NG:Pb在Sn中的溶解度曲線區(qū)：三個(gè)單相區(qū)（L、α、β）三個(gè)兩相區(qū)（L+α、L+β、α+β）一條的三相共存線（水平線CED）

L+α+β共晶合金組織的形態(tài)D3.合金Ⅱ（共晶合金）結(jié)晶過(guò)程D

（三）包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

Pt—Ag合金相圖

（四）共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶

由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相，此兩相混合物稱為共析體。共析產(chǎn)物比共晶產(chǎn)物細(xì)密得多。

（五）含有穩(wěn)定化合物的二元相圖在某些二元合金中常形成一種或幾種穩(wěn)定化合物。這些化合物具有一定的化學(xué)成分、固定的熔點(diǎn)，且熔化前不分解，也不發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)。

點(diǎn)：A、G、P、S、E、C、D線：ACD、AECF、ECF、PSK、GS、ES、PQ、GP

第三節(jié)、鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及相圖一、鐵碳相圖

A:純Fe的熔點(diǎn)N:同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)G:同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)5、滲碳體相：Fe3C，WC6.69%1、液相L4、鐵素體：α相，F(xiàn)碳溶于α—Fe中的間隙固溶體相:3、奧氏體：γ相，A碳溶于γ—Fe中的間隙固溶體2、高溫鐵素體：δ相碳溶于δ—Fe中的間隙固溶體

鐵碳合金中的相

⑴液相L液相L是鐵與碳的液溶體。⑵δ相δ相又稱高溫鐵素體，是碳在γ—Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。奧氏體中碳的固溶度極大，在1148℃時(shí)碳溶量最大達(dá)2.11%。（3）γ相γ相常稱奧氏體，用符號(hào)A或γ表示，是碳在δ—Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，在1394℃以上存在，在1495℃時(shí)溶碳量最大，為0.09%。奧氏體的強(qiáng)度較低，硬度不高，塑性好，易于塑性變形強(qiáng)度Rm400-800、硬度160-200HB、塑性A11.340-50%滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。（4）α相α相也稱鐵素體，用符號(hào)F或α表示，性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。強(qiáng)度Rm180-230、硬度50-80HB、塑性A11.330-50%、韌性ak160-200是碳在α—Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時(shí)約為0.0008%，600℃時(shí)為0.0057%，在727℃時(shí)碳溶量最大，為0.0218%。⑸滲碳體（Fe3C）相，F(xiàn)e3C相是一個(gè)化合物相，可用Cm表示硬度800HB、塑性A11.30性能特點(diǎn)是硬度高、塑性差。即硬而脆線:1、液相線：ABCD2、固相線：AHJECF3、析出線（溶解度曲線）：JN；ES；PQ；ES4、共析線：PSK5、共晶線：ECF6、終了線：GS7、包晶線：HJB點(diǎn)：A、G、P、S、E、C、D線：ACD、AECF、ECF、PSK、GS、ES、PQ、GP

（二）典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

根據(jù)Fe—Fe3C相圖，鐵碳合金可分為三類：1)工業(yè)純鐵[wc≤0.0218%]

2)鋼[0.0218%<wc≤2.11%3)白口鑄鐵[2.11%<wc<6.69%]

下面對(duì)三種典型碳鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析。

1.共析鋼[wc=0.77%]

共析鋼的室溫組織組成物全部是P，而組成相為F和Fe3C，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

組織珠光體鐵素體和滲碳體呈均勻分布的兩相機(jī)械混合物。0.4%的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程123456

2.亞共析鋼[0.0218%<wc<0.77%]

以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鐵碳合金為例(如右圖）

;含0.4%的亞共析鋼的組織組成物為F和P，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

此種鋼的組成物為F和Fe3C,它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

亞共析鋼的碳含量可由其室溫平衡組織來(lái)估算。若將F中的碳含量忽略不計(jì)，則鋼中的碳含量全部在P中，因此由鋼中P的含量可求出鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

wc

=P%×0.77%40鋼

3.過(guò)共析鋼

以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的鐵碳合金為例

含wc1.2%的過(guò)共析鋼的相組成物為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CⅡ和P，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：T12鋼4．共晶白口鐵（C%=4.3%）L--->L+Ld--->Ld(A+Fe3C共晶)--->Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->Ld′

(P+Fe3CII+Fe3C)

相組成物：F，F(xiàn)e3CF%=Fe3C%=

組織組成物：Ld′LdLdLdLd′萊氏體萊氏體從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體均勻分布的混合物。高溫萊氏體 Ld低溫萊氏體 Ld′

5．亞共晶白口鑄鐵，2.11%<C%<4.3%

相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對(duì)量：F%=

Fe3C%=

組織組成物：P，Ld′，F(xiàn)e3CIILd′LdLdLd6．過(guò)共晶白口鑄鐵相組成物：F%=

Fe3C%=

組織組成物：Ld′，F(xiàn)e3CⅠFe3CⅠ%=

Ld′%=Ld%=

LdLdLdLd′過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織為Fe3CⅠ+Ld′。Fe3CⅠ呈長(zhǎng)條狀。白口鑄鐵的結(jié)晶共晶白口鑄鐵室溫平衡組織為L(zhǎng)d′，由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成，而組成相還是F和Fe3C。亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織為P+Fe3CⅡ+Ld′。白口鑄鐵室溫平衡組織中含有萊氏體（Ld′），硬度高、脆性大，應(yīng)用較少。小結(jié)：標(biāo)注組織的鐵碳相圖F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+Fe3CⅡ+Ld′、Ld′、Ld′+Fe3CⅠ、Fe3C

LdLd′Ld′LdLdLd′1碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響（三）鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系2、鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系1、硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨碳含量的增加，合金的硬度呈直線關(guān)系增大。2、強(qiáng)度對(duì)組織形態(tài)很敏感。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。P的強(qiáng)度比較高，所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。到約wc0.9%時(shí)，F(xiàn)e3CⅡ沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低。3、塑性變形合金的塑性全部由F提供。所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少時(shí)，合金的塑性連續(xù)下降。亞共析鋼合金的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算：硬度≈80×F%+180×P%(HB)強(qiáng)度≈230×F%+770×P%(MPa)延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%)抗拉強(qiáng)度MPa

（Rm）伸長(zhǎng)率(A)硬度（HB)沖擊韌度(αk)J/m2F

180～23030%～50%50～8016×105～20×105Fe3C3008000P77020%1803×105～4×105J/m2

A