《材料第二章》PPT课件

第二章金属与合金的组织结构和二元金相图,要求：了解金属的晶体结构理解纯金属的结晶过程掌握纯铁的同素异构转变难点、重点：相图分析,2.1关于组织结构的一般概述,不同的金属与合金具有不同的性能。例如纯铝很软，而钢却很硬。产生这些性能差别的主要原因是由于材料内部有不同的组织和结构。研究金属与合金的内部组织结构以及它们与成分、温度、加工方法等因素的相互关系，对于掌握金属与合金的性能及应用是非常重要的。,一、关于材料中组织结构的一般含义,从工程材料的角度看，材料的化学成分和内部组织结构是认识和研究材料的理论基础；而材料的性能是材料化学成分和内部组织结构的外在表现，是我们选择材料的重要依据。同时，材料的使用性能又把材料的加工和服役条件相结合。因此，综合考虑工程材料的各种行为，是材料科学和材料工程、机械设计和机械制造共同追求的最终目标。,“结构”指的是材料在某一特定条件下内部组织在几何学上的构造或化学的分布。对工程材料的影响来说，小至原子量级，大至宏观组织，结构都起着重要的作用。1.原子结构：原子通常认为是物质的基本组成粒子。2.分子结构：一些小的原子团在空间的排列所形成的不同结构。3.晶体结构：原子在空间呈规则而重复的排列。4.显微组织：工程材料内部组织的物理形象。是化学元素在固态下以各种不同形式结合而形成的。5.宏观组织：与显微组织相似，也是内部组织的形貌，但一般不用显微镜而是借助放大镜或肉眼来观察与分析的组织形貌，属于尺寸较大的组织结构。,二、材料中组织结构与性能间的关系一定化学成分的工程材料，要改变原子核内部的结构一般是比较困维的，但固态下原子的电子构型却随着外界条件的变化而明显地在变化，特别是最外层的电子。这些电子及与这有关的电子结构对材料的机械和物理性能有很大的影响。例如在固体中，相邻原子外层电子之间相互作用可以使原子键合在一起。（P18）,2.2金属的晶体结构,一、晶体学基本知识1.晶体与非晶体晶体：凡原子作有序、有规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金都属于晶体。非晶体：原子是无规则堆积状态。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体有固定的熔点，且在不同方向上性能不同，即具有各向异性。非晶体无固定的熔点，各个方向上原子聚集密度大致相同，表现出各向同性。,2.晶格、晶胞、晶格常数（如图21所示）,二、金属中常见的晶体结构金属的晶格有各种不同的形式，最常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。,1.体心立方晶格（如图22所示）,2.面心立方晶格（如图23所示）,3.密排六方晶格,3金属晶体的缺陷（1）单晶体与多晶体概念：,金属结晶后,（2）晶体中的缺陷：（晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体）,2.3金属的结晶与同素异晶转变,一、纯金属的结晶,1.冷却曲线与过冷度(如图25所示)理论结晶温度：曲线上出现的温度水平线段对应的温度值。用to表示。过冷：金属的实际结晶温度低于其理论结晶温度，这种现象称为过冷。理论结晶温度to与实际结晶温度t1之差t=t0t1）称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，则过冷度越大。注：实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件.,2.纯金属结晶过程（如图26所示）解释：纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小晶体称晶核，它不断吸附周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许多多外表不规则、大小不等的小晶体。因此，液态金属的结晶过程包括晶核的形成和晶核的长大。两个基本环节，,1.晶核的形成：当液态金属温度下降到接近结晶温度时，某些局部会有一些原子规则地排列起来，形成极细小的晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏，当低于理论结晶温度时，稍大一点的细小晶体，有了较好的稳定性，就可能进一步长大成为结晶核心，称为晶核。,2.晶核的长大：即液态金属中的原子向晶核表面转移的过程。一般来说由，由于形核时晶体中的顶角、棱边散热条件优于其它部位而生长得较快较大，在长出一次晶轴后，又在一次晶轴上长出二次晶轴，如此不断长出与分枝下去，直到液态金属全部消失，最后形成一个象树枝的晶体，简称枝晶。,3.结晶的晶粒大小在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。1）金属的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界处的晶格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合，从而加强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。2）晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。,生产中细化晶粒的方法有：,二、金属的同素异晶转变（P21）固态金属在一定温度下由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为同素异晶转变。它是一种固态下的结晶，因此，结晶时有较大的过冷度、应力与变形。（通常又将金属的同素异构转变称为二次结晶或重结晶）从工业纯铁冷却曲线可以看出晶体结构与温度的变化差系：,24合金的结晶与二元合金相图,一、合金的相结构,按组成合金相的原子排列方式不同，可把合金相分成固溶体和金属化合物两大类。1.固溶体：是合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，固体溶剂可分为：间隙固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的间隙处。如图29a所示置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂原子而占据了溶剂晶格的一些结点位置。（如图29b所示）注：固溶强化：由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象。,2金属化合物：是合金各组元之间相互作用，按照一定的整数比化合生成的一种新的具有金属特性的物质。它通常具有复杂的晶体结构，溶点较高，硬度高，脆性大的特点。常见的金属化物有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三大类。前两种是非铁合金（有色金属）中重要的强化相，而后者是钢中重要强化相。,按间隙化合物的晶体结构复杂程度不同，可将它划分成为类：1)具有简单晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（r质）与溶剂原子半径（r剂）之比r质/r剂0.059时，形成具有简单的晶体结构的间隙化合物，又称间隙相。2)具有复杂晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（r质）与溶剂原子半径（r剂）之比r质/r剂0.059时，形成有复杂的晶体结构的间隙化合物。,3.合金的结构：合金结构是由金相组成，即可以是固溶体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的结构是固溶体与金属化合物的复合组织。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布，以及调整固溶体与金属化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变合金的性能，以满足机械工程的实际需要。,铁碳合金相图就是分析研究合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。它对于正确选择和使用材料，制定合理的铸造、锻造、焊接及热处理工艺具有指导性作用。一、铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据碳的质量分数不同，碳可以溶解在铁中形成固溶液体，也可以与铁形成化合物。,2.5铁碳合金相图,根据铁与碳组元相互作用的不同，铁碳合金的基本组织有：1）铁素体（F）碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。2）奥氏体（A）碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。3）渗碳体（Fe3C）铁与碳形成具有复杂晶体结构的间隙化合物。4）珠光体（P）由铁素体（软）和渗碳体（硬）复相组成的混合物。5）莱氏体（Ld或Ld）发生共晶转变所形成的奥氏体和碳化物（或渗碳体）所组成的共晶,1、相图分析,（1）FeFe3C相图中的特征点,（2）铁碳合金相图分析相图中的AC和CD线为液相线，AE和ECF线为固相线。相图中有四个单相区：液相区（L）、奥氏体区（A）、铁素体区（F）、渗碳体区（Fe3c）。1）ES线它是碳在奥氏体中溶解度曲线。2）PQ线它是碳在铁素体中的溶解曲线。3）GS线它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为A3线。4）PSK线共析线，即加热时珠光体或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度。（A）,(2)铁碳合金的分类按其碳的质量分数和显微组织的不同，铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。,白口铸铁,注：碳的质量分数低于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁，性能与铁素体接近。碳的质量分数大于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。,1共析钢的结晶过程分析（图217）,2）亚共析钢的结晶过程分析（图218）,3）过共析钢的结晶过程分析（图221）,4）共晶白口铸铁结晶过程分析（图222）,5）亚共晶白口铸铁结晶过程分析（图223）,6）过共晶白口铸铁结晶过程分析（图224）,三、铁碳