《工程材料與金屬熱加工》 課件 項(xiàng)目2 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

項(xiàng)目2金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

純金屬的結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二元合金相圖學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求1.掌握晶體的晶格、晶胞、晶格常數(shù)、晶界等概念的含義。2.掌握純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等內(nèi)客，深入、微觀地認(rèn)識(shí)金屬的本質(zhì)。3.掌握晶體缺陷的種類、特征及對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和性能的影響。4.掌握合金的相結(jié)構(gòu)，了解固溶體和金屬化合物在合金組織中的作用。5.了解結(jié)晶基本過程及晶粒大小的控制。6.掌握二元合金相圖的建立、物理意義。7.掌握均晶相圖、杠桿定律、枝晶偏析、共晶相圖、共析相圖以及典型合金的結(jié)晶過程。8.掌握合金性能與相圖的關(guān)系。2案例導(dǎo)入物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部排列方式不同，可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。純金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體。金屬是由原子組成的，原子堆而成的不僅僅是金屬的“外表”，更像人類的基因組一樣決定了金屬的“性格”差異。活性炭、石墨和全剛石都是由碳元素構(gòu)成的，可謂“一奶同胞”。但三者所表現(xiàn)出的宏觀性能卻截然不同，主要原因就在子它們內(nèi)部的碳原子排列方式不同。金剛石，不導(dǎo)電，但硬度極高，能做割玻璃刀；石墨，能導(dǎo)電，但硬度低，還有潤(rùn)滑作用等；活性炭和木炭一樣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有吸附作用。3材料晶體——原子排列長(zhǎng)程有序，有周期非晶體——原子排列短程有序，無周期ZnS型石英玻璃(非晶體)石英晶體(晶體)熔點(diǎn)一定性能呈各向異性

§2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶胞常數(shù)：a、b、c、α、β、γ晶格常數(shù)：a、b、c簡(jiǎn)單立方晶胞：a＝b＝cα＝β＝γ＝90℃晶體晶格（空間點(diǎn)陣）晶胞一、晶體的描述純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)晶面、晶面指數(shù)、晶面族:致密度：晶向、晶向指數(shù)、晶向族:配位數(shù)：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)晶格的基本概念二、金屬中常見的晶格類型體心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬中常見晶格類型的基本參數(shù)晶格類型體心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度配位數(shù)典型金屬a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti三、晶體的各向異性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)論：同一晶格內(nèi)不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格類型、同一名稱晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（晶向）對(duì)應(yīng)一晶面族（晶向族），其面間距（原子排列緊密程度）不同∴單晶體具有各向異性單晶Fe的彈性模量：E＜111＞=290000MN/m2E＜100＞=135000MN/m2E

=210000MN/m2

Fe的彈性模量：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷的概念晶體缺陷的產(chǎn)生單晶體和多晶體單晶體多晶體實(shí)際金屬材料是由許多粒狀單晶體組成的——晶粒晶粒大?。╠：平均直徑）——晶粒尺寸每一晶粒內(nèi)部晶格位相基本一致每個(gè)晶粒有許多亞晶粒組成實(shí)際金屬性能是各晶粒性能平均值（各向同性）實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)及晶體缺陷晶體缺陷的分類點(diǎn)缺陷空位及間隙原子置換原子特征：①本身尺寸很小，但晶格畸變可波及很遠(yuǎn)②空位和間隙原子均處于不斷的運(yùn)動(dòng)和變化之中線缺陷（位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)電子顯微鏡下觀察到的位錯(cuò)線（50,000X）特征：①在位錯(cuò)線方向尺寸大②位錯(cuò)線周圍產(chǎn)生晶格畸變位錯(cuò)密度（ρ）：cm/cm3

一般金屬中ρ=104～1012cm/cm3晶體缺陷的分類面缺陷——晶界、亞晶界亞晶界（位錯(cuò)墻模型）晶界特征：①屬面接觸②產(chǎn)生晶格畸變晶體缺陷的分類晶體缺陷對(duì)材料性能的影響使實(shí)際金屬的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想金屬晶界處位錯(cuò)密度高，使其局部強(qiáng)度、硬度提高對(duì)實(shí)際金屬來說，晶體缺陷越多(尤其位錯(cuò))，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越低滑移的實(shí)質(zhì)：位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果晶體缺陷對(duì)塑性變形的影響……必須具有金屬特性合金冶煉、燒結(jié)、噴涂…合金化方法組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)組元給定組元配制出的一系列合金合金系合金中具有相同成分、結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)，并以界面相互隔開的均勻的組成部分合金相（相）金相顯微組織金相磨面在顯微鏡下觀察到的構(gòu)造情況

§2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)合金的基本概念

①總是以一種金屬元素為溶劑，另一種或多種元素為溶質(zhì)

②保有溶劑的晶格結(jié)構(gòu)

③成分可在一定范圍內(nèi)變化，性能隨成分的變化而變化④產(chǎn)生晶格畸變特征

合金組元在固態(tài)能相互溶解所形成的一種均勻的相概念合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體固溶體的分類：置換固溶體間隙固溶體

影響固溶體類型、溶解度的因素

晶格類型

原子尺寸

電化學(xué)性（電負(fù)性）

電子濃度（價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值）固溶體的形成對(duì)金屬性能的影響

固溶強(qiáng)化：關(guān)于固溶強(qiáng)化概念：

合金組元之間通過化合作用所形成的一種相對(duì)穩(wěn)定的相分類：

金屬化合物——具有金屬性質(zhì)，直接對(duì)合金性能產(chǎn)生影響非金屬化合物——脆性大，一般為雜質(zhì)

特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價(jià)規(guī)律正常價(jià)化合物：Mg2Si

Mg2Pb電子價(jià)化合物：CuZn

Cu5Zn8

CuZn3間隙化合物：WC

VC

Fe3C

Cr23C6

Fe3C2、化合物VC合金的相結(jié)構(gòu)

②一定程度上具有金屬的性質(zhì)

③晶格結(jié)構(gòu)完全不同于任一組元

④熔點(diǎn)高、硬而脆特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價(jià)規(guī)律對(duì)合金性能的影響：

彌散分布片狀分布網(wǎng)狀分布σ、H有一定的δ(ψ)、akH

σ、δ(ψ)、akσ、H

δ(ψ)、ak彌散強(qiáng)化2、化合物凝固的概念:

液體-->固體（晶體或非晶體）結(jié)晶的概念:液體-->晶體結(jié)晶的過冷現(xiàn)象

§2.2純金屬的結(jié)晶當(dāng)T=T0

時(shí)，F(xiàn)L=FS，兩相平衡當(dāng)T>T0

時(shí)，F(xiàn)L<FS，液相穩(wěn)定當(dāng)T<T0

時(shí)，F(xiàn)L>FS，固相穩(wěn)定過冷度：

T=T0-Tn結(jié)晶的必要條件：

必須有過冷度！影響過冷度的因素實(shí)際結(jié)晶溫度Tn：

V冷Tn

T

純度Tn

T

§2.2純金屬的結(jié)晶晶體液體結(jié)晶條件適宜

T長(zhǎng)大

晶核晶粒結(jié)晶的一般過程晶胚

枝晶長(zhǎng)大（實(shí)際金屬）平面長(zhǎng)大（小體積液體）晶體生長(zhǎng)方式樹枝狀晶體形貌形核率（N）長(zhǎng)大速度（G）孕育期（τ）——金屬液體達(dá)到結(jié)晶溫度后實(shí)際結(jié)晶前需要等待的時(shí)間N、G越大，結(jié)晶越快結(jié)晶溫度越低，

T

越大，

τ

越短與結(jié)晶有關(guān)的概念晶粒度的概念晶粒大小對(duì)性能的影響——表示晶粒大小程度的物理量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：100×與標(biāo)準(zhǔn)圖比較（…，-1，0，）1

～

8

（9，10，…）d（晶粒度）晶界多，強(qiáng)度硬度晶粒多，塑性韌性細(xì)晶強(qiáng)化結(jié)晶后晶粒的大小細(xì)晶強(qiáng)化增加過冷度進(jìn)行變質(zhì)處理（孕育處理）增加液體的流動(dòng)結(jié)晶時(shí)細(xì)化晶粒的方法采用冷卻能力強(qiáng)的鑄模提高液體金屬的過冷能力增加形核率降低長(zhǎng)大速度增壓澆注機(jī)械攪拌超聲波振動(dòng)1——表面細(xì)晶粒層（激冷層）2——柱狀晶粒層3——中心等軸晶?！煞?、溫度、壓力——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系——結(jié)晶或相變過程中，各相成分及相對(duì)重量不再改變時(shí)所達(dá)到的一種動(dòng)態(tài)平衡

§2.3二元合金相圖平衡相圖有關(guān)相圖的基本概念相平衡相圖（狀態(tài)圖）影響合金中組織形態(tài)的因素建立合金系測(cè)定冷卻曲線，找出相變臨界點(diǎn)將各相變點(diǎn)對(duì)應(yīng)在成分—溫度坐標(biāo)圖上，并連接具有相同意義的點(diǎn)相圖的建立（熱分析法）相圖的建立過程——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系相圖（狀態(tài)圖）相圖的建立過程相圖的建立（熱分析法）建立合金系測(cè)量合金的冷卻曲線連接臨界點(diǎn)勻晶相圖相圖分析特點(diǎn)合金的結(jié)晶過程(繪制冷卻曲線)實(shí)例：Cu-Ni,Fe-Cr,Ag-Au,Cr-Mo,W-Mo——L、α兩相均能無限互溶ABLαL+α132

T/℃液相線固相線k典型二元合金相圖勻晶相圖的結(jié)晶過程CuNi確定合金冷卻過程中L、α的成分杠桿定律——確定L、α的相對(duì)重量ABLα13223444液相成分沿液相線變化固相成分沿固相線變化典型二元合金相圖設(shè)：m=1晶內(nèi)偏析典型二元合金相圖ABLα13223444消除方法：擴(kuò)散退火平衡結(jié)晶的勻晶合金組織Cu-30%Ni合金的非平衡結(jié)晶組織

共晶相圖特點(diǎn)共晶反應(yīng)共晶體——液相無限互溶、固相有限互溶；E點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β溫度wSn（%）α

：以Pb為溶劑、Sn為溶質(zhì)的固溶體β：以Sn為溶劑、Pb為溶質(zhì)的固溶體典型二元合金相圖恒溫

共晶相圖相圖分析BCDFEA