第二章、金属学基础知识资料

1、课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号3授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第一节 金属的晶体结构目 的 要 求1 了解晶体结构的缺陷；2 .掌握晶体与非晶体的有关概念。重点 与难点重点：掌握晶体与非晶体的有关概念； 难点：对晶格类型的理解。课程导入设计材料的不同，性能也不同？教法设计讲授教学法作业 与思考P31课后 记 事第二章 金属学基础知识第 一 节 金 属 晶 体 结 构一、晶体与非晶体1. 固 态物 质 的 分 类 一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶 体与非晶体两类。2. 晶 体 的 特 征 晶 体 是 指 其 组 成 微 粒 （ 原 子

2、 、离 子 或 分 子 ） 呈 规 则 排 列 的 物 质 ，如 图 2-1 晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及 一般固态金属材料等均是晶体。3. 非 晶 体 的 特 征非 晶 体 是 指 其 组 成 微 粒 无 规 则 堆 积 在 一 起 的 物质 ，如 玻 璃 、沥 青 、石 蜡、 松 香 等都 是 非 晶 体 。 非 晶 体 没 有 固 定 的 熔 点 ， 而 且 性 能 无方 向 性 。二 、 晶 体 结 构 的 基 本 知识（ 一 ） 晶 格把 晶 体 内 部 原 子 近 似 地 视 为 刚 性 质 点 ，用 一 些 假 想 的 直 线 将 各 质 点 中

3、心 连 接 起 来， 形 成 一 个 空 间 格 子 。 这 种 抽 象 地用 于 描 述 原 子 在 晶 体 中 排 列 形 式 的 空 间 几 何 格 子 称 为 晶 格 ， 如 图 2-1 （ b） 。（ 二 ） 晶 胞组 成 晶 格 的最 小 几 何 单 元 称 为 晶 胞 ， 如 图 2-1 （ a） 。（ 三 ） 常 见 的 金 属 晶 格 类 型1 体 心 立 方 晶 格 ， 如 图 2-2 。体 心立 方 晶 格 的 晶 胞 是 立 方 体 ， 立 方 体 的 八 个 顶 角 和 中 心 各 有 一 个 原 子 ， 每个晶胞实有原子数是2个。具有这种晶格的金属有钨（W）、钼（M

4、 o）、铬（C r）、钒（V ）、a 铁（a - Fe）等。2 面 心 立 方 晶 格 ， 如 图 2-3 。面 心立 方 晶 格 的 晶 胞 也 是 立 方体 ，立方 体 的 八 个 顶 角 和 六 个 面 的 中 心 各 有 一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。具有这种晶格的金属有金（A u）、银 （Ag）、铝（A l）、铜（C u）、镍（Ni） 、丫铁（丫 一 F e）等。3 密 排 六 方 晶 格 ， 如 图 2-4 。密 排六 方 晶 格 的 晶 胞 是 六 方 柱体 ，在六 方 柱 体 的 十 二 个 顶 角 和 上 下 底 面 中 心 各 有 一 个 原 子 ， 另 外 在 上

5、下 面之 间 还 有 三 个 原 子 ， 因 此 ， 每 个 晶 胞 实 有 原 子数是6个。具有此种晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be） a钛（a -Ti）等三、 金属的实际晶体结构1. 单晶体 如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体 为 单晶 体。2. 多晶体 由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。 多晶体材料内部以晶界分开的、 晶体学位向相同的晶体称为晶粒。 将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的内界面称为晶界。 在晶界上原子的排列不象晶粒内部那样有规则性， 这种原子排列不规 则的部位称为晶体缺陷。3. 晶体缺陷分为以下三种：（一）点缺陷， 如图

6、 2-6? 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷， 最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。? 原子空缺的位置称为空位。? 存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。（二）线缺陷， 如图 2-7? 线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷，主要是指各 种类型的 位错。? 位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 由于位错存在， 造成金属晶格畸变， 并对金属的性能， 如强度、 塑性、 疲劳及原子扩散、 相变过程等产生重要影响。（三）面缺陷， 如图 2-8? 面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷， 通常是指晶界。 在晶界处由于原子呈不规则排列， 使晶格处于畸变状态， 它在常温下对金 属的塑

7、性变形起阻碍作用， 从而使金属材料的强度和硬度有所提高。课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号4授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第二节 纯金属的结晶目 的 要 求1 了解晶体结构的缺陷；2.掌握晶体与非晶体的有关概念。重点 与难点重点：掌握晶体与非晶体的有关概念； 难点：对晶格类型的理解。课程导入设计材料的不同，性能也不同？教法设计讲授教学法作业 与思考P31课后 记 事第 二 节 纯 金属 的 结 晶一、冷却曲线与过冷度 1纯 金属冷却 曲线。将纯金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测 定一次温度，最后将测量结果绘制在温度时间坐标上，即可得到纯金属

8、冷 却 曲 线 ， 如 图 2-9 ( a ) 。2. 理论结晶温度纯金属 的冷却曲线上出现水平线段， 这个水平线段所对应的温度就是纯金 属 的 理 论 结 晶 温 度 (T 0) 。3. 实际结晶温度非纯金属在结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度(T。)以下才开始 结晶 ， 这种现象称为过冷 ， 如图 2-9 (b)。 理论结晶温度To和实际结晶温度Ti之差 T，称为过冷度。 过冷度并不是恒定值试验指出：金属 结晶时 的过冷度并不是一个恒定值， 而是与冷却 速度有 关， 冷却 速度越大， 过冷度就越大， 金属 的实 际结 晶温度也就越低。金属结晶 必须在一定的过冷度下 进行，过 冷是金

9、属结晶的必要条件，但不 是充分条件。 金属要进行结晶 ， 还要满足动力学条件， 如必须有原子的移动和 扩散等。二、金属的结晶过程实 验证明：液态金属在达到 结晶 温度时， 首先形成一些极细小的微晶 体， 称为晶核。 随着时间 的推移， 已形成的晶核不断长大。 与此同时 ， 又有新的晶 核形成、长大， 直至液态金属 全部凝固， 如图 2-10 。三、金属 结晶 后的晶 粒大小1晶 粒大小对金属力学性能的影响一 般情况下 ， 晶粒越细小， 金属 的强度、硬度愈高， 塑性、韧性愈好， 如 表 2-1 。2细 化晶 粒的 方法(1) 加快液态金 属的冷 却速度， 如降低浇注温度 。(2) 变质处理。在

10、 浇注前，将 少量固体材料加入熔融金属 液中，促 进金属 液 形核， 以改善其组织和 性能的方法。 加入的少量固体材料可起晶 核的作用， 从 而达到细化晶 粒的效果。(3) 采用机械振动、超声波振动和电磁振动等， 可使生长中的枝晶破碎， 使 晶 核数增多， 从而细化晶 粒。课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号5授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第三节金属的同素异构转变目 的 要 求1 了解晶体结构的缺陷；2.掌握晶体与非晶体的有关概念。重点 与难点重点：掌握晶体与非晶体的有关概念； 难点：对晶格类型的理解。课程导入设计材料的不同，性能也不同？教法设计讲授教学法作业 与思考

11、P31课后 记 事第三节 金属的同素异 构转 变金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转 变或称同素异晶转变，如铁、锰、钛等，在结晶成固态后继续冷却时晶格类型 还会发生变化，如图 2-11 。同素异构转变是钢铁的一个重要特性，它 是钢铁能够进行热处理的理论依 据，同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的(犹如队列变换队形一样)， 这一过程有如下特点：(1) 同素异构 转变是由 晶核的 形成和晶 核的长大两个基本过程来完成 ，新 晶核优先在原晶界处生成；(2) 同素异构转变时有过冷( 或过热)现象，并且转变时具有较大的过冷度；(3) 同素异构 转变过程 中，有 相变潜 热

12、产生，在冷却 曲线上出现水平线段， 但这种转变是在固态下进行的，它与液体结晶相比具有不同之处；(4) 同 素异构转 变时常伴有金属 的体积变化等。小结与作业课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号6授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第四节合金的晶体结构目 的 要 求1. 了解组元的概念；2 .掌握合金晶体的有关概念。重点 与难点重点：合金的晶体结构、固溶体、铁碳 合金基本组织难点：对组织、相、固溶体的理解课程导入设计合金材料的不同，性能也不同？教法设计讲授教学法举例说明相的含义，如糖水、盐水、过饱 和状态的盐水等作业 与思考P31课 后 记 事第 四 节 合 金 的 晶 体

13、结 构一、基本概念1合金合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材 料。2组元组 成 合 金 最 基 本 的 、独 立 的 物 质 称 为 组 元 。一 般 来 说 ，组 元 就 是 组 成 合 金 的元素，但有时也可将稳定的化合物作为组元。3 合 金 系由 若干 给 定 组 元 按 不 同 比 例 配制 而 成 的 一 系 列 化 学 成 分 不 同 的 合 金 ，称 为 合金系。4相在 一个 合 金 系 统 中 具 有 相 同 的物 理 性 能 和 化 学 性 能 ，并 与 该 系 统 的 其 余 部 分以界面分开的物质部分叫相。5 组 织用 金 相 观 察 方 法 ，

14、在 金 属 及 其 合 金 内 部 看 到 的 涉 及 晶 体 或 晶 粒 的 大 小 、方 向、形状、排列状况等组成关系的构造情况叫组织。二、合金的晶体结构根 据合 金 中 各 组 元 间 的 相 互 作用 ，合 金 中 的晶 体 结 构 可分 为 固 溶 体 、金 属 化合物及机械混合物三种类型。（一）固溶体 合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称 为固溶体。1 置 换 固 溶 体 溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格部分结点位置时，所形成的 晶体相，称为置换固溶体。按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。溶解 度主要取决于组元间的晶格类型、原

15、子半径和原子结构。实践证明，大多数合 金 只 能有 限 固 溶 ，且溶 解 度 随着 温 度 的 升高 而 增 加 。只 有 两 组 元晶 格 类 型 相 同， 原子半径相差很小时，才可以无限互溶，形成无限固溶体。2间隙固溶体溶 质原 子 在 溶 剂 晶 格 中 不 占 据溶 剂 结 点 位 置 ，而 嵌 入 各 结 点 之 间 的 间 隙 内 时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。由 于 溶 剂 晶 格 的 间 隙 有 限 ，所 以 ，间 隙 固 溶 体 只 能 有 限 溶 解 溶 质 原 子 ，同 时 只 有在 溶质 原子 与 溶剂 原 子 半径 的比 值 小于 0.59 时，才 能 形成

16、间隙 固溶 体 。 间 隙 固溶 体的 溶解 度 与温 度 、溶 质 与 溶 剂原 子 半径 比 值 以及 溶 剂 晶格 类 型等 有 关。通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强 化。实 践 证 明 ：只 要 适 当 控 制 固 溶 体 中 溶 质 的 含 量 ，就 能 在 显 著 提 高 金 属 材 料 强度的同时仍然使其保持较高的塑性和韧性。（二）金属化合物 金属化合物是指合金中各组元间原子按一定整数比结合而形成的晶体相。 金 属 化合 物具 有 与 其 构成 组元 晶格 截然 不 同的 特 殊 晶格 ，熔 点 高 ，硬而 脆。 合金中出现金属化合物时，通常能显著

17、地提高合金的强度、硬度和耐磨性，但 塑性和韧性也会明显地降低。（三）机械混合物 由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在 机 械混 合物 中各 组 成相 仍 保 持着 它原 有 晶格 类型 和性 能 ，而 整个 机 械混 合 物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能以及相的数量、形状、大 小 和 分布 状况 等密 切 相关 。在 金属 材 料 中使 用 的合 金 材 料绝 大 多 数是 机 械混 合 物这种组织状态。三、合金的结晶特点合 金 结 晶 过 程 同 纯 金 属 一 样 ，仍 为 晶 核 形 成 和 晶 核 长 大 两 个 过 程 。合 金 与 纯 金 属结 晶的 不

18、同 之 处， 如 图 2-13 。（1）纯 金 属结 晶是 在恒 温下 进 行， 只有 一个 临 界 点 。 而 合金 则 绝 大多 数 是 在一个温度范围内进行结晶，结晶的开始温度与终止温度不相同，有两个或两 个以上临界点。（2）合 金 在结 晶过 程中 ，在 局 部范 围内 相的 化 学 成 分 （ 即浓 度 ） 有变 化 ， 当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。（3）合 金 结晶 后不 是单 相， 一 般有 三种 情况 ： 单 相 固 溶 体； 单 相 金属 化 合 物或同时结晶出两相机械混合物（如共晶体）；结晶开始形成单相固溶体（或单 相化合物），剩余液体又同时

19、结晶出两相机械混合物（如共晶体）。（ 4） 由 一定 成分 的液 体合 金 中同 时 结 晶出 两 种 固 相 物 质转 变 过 程称 为 共 晶转变（或称共晶反应），其结晶产物称为共晶体。实验证明：共晶转变是在恒 温下进行的。（5）在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质转变过程，称为 共析转变（或称共析反应）。共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行 的。课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号7授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第五节 铁碳合金的基本组织目 的 要 求1. 了解铁碳合金的基本组织特征和性能2. 掌握常用组织的机械特性；重点 与难点重点：掌握常用组

20、织的机械特性；难点：铁碳合金的基本组织特征和性能课程导入设计不同的金属为什么具有不同的特性教法设计讲授教学法作业 与思考P31课后 记 事第五节 铁碳 合金的基本组织铁和碳的合金称为铁碳合金，如钢和铸铁都是铁碳合金。铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏 体。一 、 铁 素 体 (F) ， 如 图 2-14 ， 如 图 2-15铁素体是指a -Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为 体心立方的固溶体，用符号F(或a )表示。a -Fe的溶碳量很小，在727 C时溶碳量最大(WC=0.0218% ),随着温度的 下降其溶 碳量逐渐减少。铁素体在770 C

21、(居里点)有磁性转变,在770 C以下具有铁磁性,在770 C 以上则失去铁磁性 。二 、 奥 氏 体 (A) ， 如 图 2-16 ， 如 图 2-17奥氏体是指丫 -Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立 方的固溶体，常用符号A(或丫)表示。奥氏体溶碳能力较大，在1148 C时溶碳量最大(WC=2.11% ),随着温度下 降溶碳量逐渐减少，在727 C时的溶碳量为WC=0.77%。稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到727 C时，奥 氏 体将发生转变， 转变为 其它 类型的组织 。奥氏 体是 非铁磁性相。三、渗碳体(Fe 3C)，如图2-16渗碳体是指晶体点

22、阵为正交点阵、化学成分近似于FesC的一种间隙式化合 物。渗碳体的碳的质量分数是6.69%，熔点为1227 T，其分子式为FesC,以符 号Cm表示。渗碳体不发生同素异构转变，有磁性转变，在230 C以下具有弱铁磁性， 而在230 C以上则失去磁性。渗碳体是碳在铁碳合金中的 主要存在形 式，是亚稳定的金 属化 合物，在 一 定条件下 ，渗碳体 可分解成 铁和 石墨，这一过程对于铸铁的 生 产具有重要意义。四 、 珠 光 体 (P) ， 如 图 2-19珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为 铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。珠光体是铁素体（软）和渗碳体（硬

23、）组成的机械混合物。常用符号“P”表 示。在珠光体中，铁素体和渗碳体仍保持各自原有晶格类型。 珠光体中碳的质 量分数平均为 0.77% 。 珠光 体的性能介于铁 素体和渗 碳体之间，有一定的强度 和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织。五 、 莱 氏 体 （Ld）莱氏体是 指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的 奥氏 体和碳化物渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为 4.3%。WC 2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1148 C时，将同时从液体中结晶出奥 氏体和渗 碳体的机械混合物， 即莱氏体用 符号 Ld 表示。由于奥氏体在727 C时转变为珠光体，所以，在室温时莱氏体

24、由珠光体和 渗碳体所组成。为了区别起见，将727 T以上的莱氏体称为高温莱氏体（Ld ）, 在727 T以下的莱氏体称为低温莱氏体（L d），或称变态莱氏体。小结与作业课时授课计划课 程金属工艺授课班级任课教师屈道强序号8授课日期编制日期课 型理论节次教具课 题第六节 铁碳合金状态图目 的 要 求1. 了解Fe FesC状态图的各个相区与组织2. 掌握状态图中关键点、关键线、关键区。重点 与难点重点：掌握状态图中关键点、关键线、关键区； 难点：铁碳合金组织对性能的影响。课程导入设计教法设计利用挂图等教具。作业 与思考P31课 后 记 事第 六 节 铁 碳 合 金 状 态 图一、铁碳合金状态图

25、在极缓慢冷却（或加热）条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具 有 的 组织 状 态 的 一 种 图 形 叫 合 金 状 态 图 ， 如图 220 。（一）铁碳合金状态图中的特性点铁 碳合 金 状 态 图 中 主 要 特 性 点的 温 度 、碳 的 质 量 分 数 及 其 含 义 见 表 2 2。（二）主要特性线1 液 相 线 ACD在 此线 以 上 铁 碳 合 金 处 于 液 体状 态 （L） ，冷 却 下 来 时 碳 的 质 量 分 数小 于 4.3%的铁碳合金在AC线开始结晶出奥氏体（A）;碳的质量分数大于4.3%的铁碳 合金在CD线时开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用FesCi表

26、示。2 固 相 线 AECF在此线以下铁碳合金均呈固体状态。3 共 晶 线 ECFECF 线 是 一 条 水 平 （ 恒 温 ） 线 ，称 为 共 晶 线 。在 此 线 以 上 液 态 铁 碳 合 金 将 发 生 共 晶 转变 ， 其 反 应 式 为 ：1148 CA2. 11 Fe3C6. 69L4. 3共 晶 转 变 形 成 了 奥 氏 体 与 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 ，称 为 莱氏 体 （Ld） 。碳 的 质 量分数在2.11%6.69%的铁碳合金中均会发生共晶转变。4. 共 析 线 PSKPSK 线 也 是 一 条 水 平 （ 恒 温 ） 线 ，称 为 共 析 线 ，通 称 A1 线 。在 此 线 上 固 态 奥 氏 体 将发 生 共 析 转 变 ， 其 反 应 式为 ：A0. 77F0. 02