材料的结构与凝固

1、3.1 材料的结合方式材料的结合方式 3.2 金属材料的结构特点金属材料的结构特点 3.3 非金属材料的结构特点（自学）非金属材料的结构特点（自学） 3.4 材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 3.5 铁碳合金相图铁碳合金相图第第3 3章章 材料的结构与凝固材料的结构与凝固1.了解材料的晶体结构与非晶体结构的结构特点；了解材料的晶体结构与非晶体结构的结构特点；2.了解金属的结晶过程与非金属的形成特点；了解金属的结晶过程与非金属的形成特点；3.重点掌握铁碳相图及其应用，掌握铁碳合金成分、重点掌握铁碳相图及其应用，掌握铁碳合金成分、组织、性能、用途之间的关系及变化规律组织、性能、用途之间的关系及变化

2、规律。 学习目标学习目标 3.1 材料的结合方式材料的结合方式1.材料都具有一定的性能且性能之间又有差异2.金属材料性能差异的来源： （1）化学成分：对应于冶金学研究 （2）组织结构：其改变又源于不同的加工处理工艺 所以以上两点是改善和发展金属材料性能的两个途径 3.金属和合金在固体下通常都是晶体 ，要了解金属及合金的内部结构，必须学习晶体的结构。4.本节内容包括：晶体中原子的结合方式即结合键，重点学习晶体结构的特点及差异等。 3.1.1 结合键结合键通常把材料的液态和固态称为凝聚态。通常把材料的液态和固态称为凝聚态。在凝聚状态下，原子间的距离十分接近，便产生了原子间在凝聚状态下，原子间的距离

3、十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形成键。材料的许的作用力，使原子结合在一起，或者说形成键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱分成两大类：根据结合力的强弱分成两大类：一次键一次键结合力较强，包括结合力较强，包括离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键 。二次键二次键结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。1.1.离子键离子键 当两种电负性相差大的原子当两种电负性相差大的原子( (如碱金属元素与卤族元素的如碱金属元素与卤族元素的原子原子) )相互靠近时，电负性小的原子失去电子

4、成为正离子相互靠近时，电负性小的原子失去电子成为正离子，电负性大的原子获得电子而成为负离子。两种离子由，电负性大的原子获得电子而成为负离子。两种离子由静电引力而结合在一起形成静电引力而结合在一起形成离子键离子键。NaClNaCl结构就是一种离子键的结合。结构就是一种离子键的结合。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键结合。离大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键结合。离子键有较强的结合力，因此离子化合物或离子晶体具子键有较强的结合力，因此离子化合物或离子晶体具有较高的熔点、沸点和硬度，热膨胀系数小，但相对脆有较高的熔点、沸点和硬度，热膨胀系数小，但相对脆性较大。性较大。2.2.共价键共价键

5、两个相同的原子或性质相差不大的原子互相靠近，电子两个相同的原子或性质相差不大的原子互相靠近，电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成成共价键共价键。如金刚石、如金刚石、SiCSiC等结构即具有这种键型。等结构即具有这种键型。共价键属于强键，原子间结合牢固，因此，靠共价键结共价键属于强键，原子间结合牢固，因此，靠共价键结合的共价晶体往往熔点和硬度很高。合的共价晶体往往熔点和硬度很高。3.3.金属键金属键由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称金属键金属键。根据金属键的结合特点可以

6、解释金属晶体的一般性能。根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。良好的导电性；良好的导热性；具有很好的变形能力；良好的导电性；良好的导热性；具有很好的变形能力；金属不透明；使金属具有光泽。金属不透明；使金属具有光泽。4.4.范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键 当不易失去或获得电子的原子、分子靠近时，由于各自当不易失去或获得电子的原子、分子靠近时，由于各自内部电子不均匀分布产生较弱的静电引力，称为范德华内部电子不均匀分布产生较弱的静电引力，称为范德华力，由这种力作用而相互结合的方式称为力，由这种力作用而相互结合的方式称为分子键或范德分子键或范德华键华键。由于分子键不是通过改变原子电子结构而形成的，

7、因而由于分子键不是通过改变原子电子结构而形成的，因而分子键很弱。靠分子键的作用而形成的物质具有低熔点分子键很弱。靠分子键的作用而形成的物质具有低熔点、低沸点、低硬度等性能特点。、低沸点、低硬度等性能特点。 5.5.氢键氢键氢键是一种特殊的分子间作用力，由于氢原子结构的特氢键是一种特殊的分子间作用力，由于氢原子结构的特殊性，当它和电负性大的原子结合后，电子强烈偏移，殊性，当它和电负性大的原子结合后，电子强烈偏移，因而又能和另一个电负性大的原子产生静电引力形成氢因而又能和另一个电负性大的原子产生静电引力形成氢键。氢键与分子键能量差不多，大约是共价键的十分之键。氢键与分子键能量差不多，大约是共价键的

8、十分之一。一。一般工程材料的键合类型一般工程材料的键合类型金属材料的结合键主要是金属键，也有共价键和离子键金属材料的结合键主要是金属键，也有共价键和离子键( (如某些金属间化合物如某些金属间化合物) )。陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但子键为主，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。脆性较大。高分子材料又称聚合物，它的结合键是共价键和分子键高分子材料又称聚合物，它的结合键是共价键和分子键。由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也。由于高分子材料的分子很大，所以分子间的

9、作用力也很大。因而也具有一定的力学性能很大。因而也具有一定的力学性能 晶体晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。 非晶体非晶体 原子无规则堆积，也称为原子无规则堆积，也称为 “ “过冷液体过冷液体” ” 。液体液体3.1.2 3.1.2 晶体与非晶体晶体与非晶体晶体的特点： 晶体排列有规则的、周期的长程有序晶体排列有规则的、周期的长程有序晶体晶体非晶体非晶体 晶体有确定的熔点晶体有确定的熔点熔点熔点晶体晶体非晶

10、体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线晶体熔化时具有固定熔点（熔点是晶体向非晶体晶体熔化时具有固定熔点（熔点是晶体向非晶体转变的临界温度），而非晶体没有固定熔点，存转变的临界温度），而非晶体没有固定熔点，存在一个软化温度范围。在一个软化温度范围。 各向异性各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ晶体具有规则的几何外形和各向异性的特性，在不同的方向晶体具有规则的几何外形和各向异性的特性，在不同的方向上测量其性能上测量其性能(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等如导电性、导热性、热膨胀性、弹性

11、和强度等)时，表现出或大或小的差异；非晶体却为各向同性，在不同时，表现出或大或小的差异；非晶体却为各向同性，在不同方向上的性能则是一样的，不因方向而异。方向上的性能则是一样的，不因方向而异。 3.2 3.2 金属材料的结构特点金属材料的结构特点3.2.1 3.2.1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念 3.2.2 3.2.2 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构 3.2.3 3.2.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 3.2.4 3.2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构原子（离子）原子（离子）的刚球模型的刚球模型原子中心位置原子中心位置 晶体结构：晶体结构：晶体晶体中原子（离子

12、或分子中原子（离子或分子）规则排列的方式）规则排列的方式. . 3.2.1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型晶格晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。 晶胞晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 晶格常数晶格常数晶胞的三个棱边晶胞的三个棱边的长度的长度a,b,c选取晶胞的原则是：选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角的数目应

13、最多；在满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。 3.2.2 3.2.2 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构（1 1）体心立方晶格体心立方晶格bccbcc（2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc（3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc - -FeFe、W W、V V、MoMo 等等晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 （2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfcc - -FeFe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、AgAg 等等晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c； =

14、 = = = =90=90 （3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcpC C（石墨）、石墨）、MgMg、ZnZn 等等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 3.2.3 3.2.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际金属晶体结构与理想结构的偏离实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。的晶体（理想晶体）。 如：金刚石、水晶、单晶如：金刚石、水晶、单晶SiSi半导体。半导体。多晶体多晶体：由许多位向不同的：由许多位向不同的晶粒晶

15、粒构成的晶体。构成的晶体。晶粒（单晶粒（单晶体）晶体）多晶体示意图多晶体示意图2.2.晶体缺陷类型晶体缺陷类型（1 1）点缺陷：）点缺陷：在三维空间各方向上的尺寸都很小，在三维空间各方向上的尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，亦称为零尺寸范围约为一个或几个原子尺度，亦称为零维缺陷，维缺陷，如空位、间隙原子、异类原子如空位、间隙原子、异类原子（2 2）线缺陷：）线缺陷：亦称一维缺陷，其特征是在两个方亦称一维缺陷，其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，主主要是各类位错要是各类位错（3 3）面缺陷：）面缺陷：其特征是在空间一个方向上尺寸很

16、其特征是在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，亦称二维缺陷，小，另外两个方向上扩展很大，亦称二维缺陷，如晶界与亚晶界如晶界与亚晶界（1 1）点缺陷）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子当某一原子具有足够大的振动能而当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就能克使振幅增大到一定限度时，就能克服周围原子对它的制约作用，跳离服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。点，称为空位。 在一定条件下，晶体表面上的原子也在一定条

17、件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成可能跑到晶体内部的间隙位置而形成间隙原子。间隙原子。 离开平衡位置的原子有三个去处：离开平衡位置的原子有三个去处：迁移到晶体表面或内表面的正常结点迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，使晶体内部留下空位，称为肖位置上，使晶体内部留下空位，称为肖脱基（脱基（Schottky）空位；）空位；挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗仑克尔（为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；）缺陷；跑到其他空位中，使空位消失或使空跑到其他空位中，使空位消失或使空位移

18、位。位移位。 （2 2）线缺陷）线缺陷 刃型位错刃型位错正刃型位错正刃型位错 负刃型位错负刃型位错 实际上这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示实际上这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位置，便于以后讨论而已。两者的相对位置，便于以后讨论而已。刃型位错示意图刃型位错示意图滑移的位错移动机理滑移的位错移动机理位错密度位错密度 位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度，位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度，其数学表达式为其数学表达式为L/V（cm-2-2）式中式中L为位错线的总长度，为位错线的总长度，V是晶体的体积。是晶体的体积。 试验结果表明，一般经充分退火的多晶

19、体金属中，位错密度约试验结果表明，一般经充分退火的多晶体金属中，位错密度约为为10106 610108 8 cm cm-2-2；但经精心制备和处理的超纯金属单晶体，位；但经精心制备和处理的超纯金属单晶体，位错密度可低于错密度可低于10103 3 cmcm-2-2；而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可；而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可高达高达1010101010101212 cm cm-2-2，即在，即在1cm1cm2 2的金属内，含有千百万公里长的的金属内，含有千百万公里长的位错线。位错线。晶须：是实验室采用一些特殊方法制造出的几乎不含位错晶须：是实验室采用一些特殊方法制造出的几乎不含位错的结

20、构完整的小晶体，其强度接近于理论计算值。的结构完整的小晶体，其强度接近于理论计算值。（3 3）面缺陷）面缺陷晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界晶界晶界同一种相的晶粒与晶粒的边同一种相的晶粒与晶粒的边界称为晶界。界称为晶界。 亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。在晶界上原子的无规则排列，使得晶界的性能与晶内差别很大：晶界原子比晶内原子易于发生化学反应，因而容易被腐蚀；晶界原子近于液态结构，致使晶界熔点低于晶内；异类原子和杂质在晶界上存在时能量低，所以晶界是杂质原子易于聚集的地方；由于晶界处原

21、子排列无规则，金属的塑性变形（滑移）受到阻碍，致使晶界的强度比晶内高。因此，金属晶粒的大小对金属的性能有很大影响。晶界结构示意图晶界结构示意图 金属晶体缺陷的影响金属晶体缺陷的影响 ？ 点缺陷点缺陷-造成局部晶格畸变造成局部晶格畸变,使金属的电阻率使金属的电阻率;屈服强度增加屈服强度增加,密度发生变化。密度发生变化。 线缺陷线缺陷-形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。面缺陷面缺陷-晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，晶界和亚晶界越多，晶粒越细

22、，金属强度越高，金属塑性变形的能力越大，塑性越好。金属塑性变形的能力越大，塑性越好。 概念概念 固溶体固溶体 金属化合物金属化合物3.2.4 3.2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构组元组元 组成合金的组成合金的独立的，最基本独立的，最基本的单元称的单元称组元组元组元可以是纯元素，如金属元素组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金属元素等，以及非金属元素C、N、B、O等；也可以等；也可以是化合物是化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。等。1.1.概念概念材料可以由单一组元组成，如纯金属、材料可以由单一组元组成，如纯金属、Al2O3晶体等晶体等，也可以由多种组元组成，

23、如，也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、金属材料、MgO- Al2O3- SiO2系陶瓷材料。系陶瓷材料。合金合金 是指由两种或两种以上的金属、是指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。制成的具有金属特性的物质。 由两个组元组成的合金称为二元合金。由两个组元组成的合金称为二元合金。三个组元组成的合金称为三元合金。三个组元组成的合金称为三元合金。由三个以上组元组成的合金称为多元合金。由三个以上组元组成的合金称为多元合金。由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金系。由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金

24、系。 合金举例合金举例： 碳钢（碳钢（carbon steelcarbon steel）：）：是铁与碳所组成的合金。是铁与碳所组成的合金。 白铜：主要是铜与镍所组成的合金。白铜：主要是铜与镍所组成的合金。 黄铜黄铜(brass)(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。是铜与锌等元素组成的合金。 合金合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如如高强度、高硬度、高耐磨性、高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等。强磁性、耐蚀性等。相相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多

25、相的。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。纯铁纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。是单相的，而钢一般是双相或是多相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。由一种固相组成的合金称为由一种固相组成的合金称为单相合金单相合金。由几种不同固相组成的合金称为由几种不同固相组成的合金称为多相合金多相合金。合金中有两类基本相：合金中有两类基本相：固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物。 在物质中，凡是成分相同，在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为开的均匀组成部分，称为相相。亚共析钢亚共析钢 x40

26、0过共析钢过共析钢 x400组织组织合金的组织是由数量、大小、形状和分合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种布方式不同的各种相相所组成的。所组成的。金属材料性能由组织决定，而组织由化金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。学成分和工艺过程决定。由不同组织构成的材料具有不同的性能由不同组织构成的材料具有不同的性能。只有一种相组成的组织称为只有一种相组成的组织称为单相组织单相组织由两种或两种以上相组成的组织称为由两种或两种以上相组成的组织称为多多相组织相组织组织组织是指用肉眼或显微镜等所观察是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料内部的微观形貌。到的材料内部的微观形貌。2.固

27、溶体固溶体合金中两组元在液态和固态合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，构与组元之一相同的固相，称为称为固溶体固溶体。固溶体固溶体溶剂溶剂+溶质溶质一种固相一种固相能够保持其原有晶格类能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同型并与固溶体晶格相同的组元称为的组元称为溶剂溶剂。失去原有晶格类型的组失去原有晶格类型的组元称为元称为溶质溶质，一般在合，一般在合金中含量较少。金中含量较少。(solid solution)固溶体的分类固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将根据溶质原子在

28、溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：固溶体分为：间隙固溶体间隙固溶体和和置换固溶体置换固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：将固溶体分为：有序固溶体有序固溶体和和无序固溶体无序固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中的根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度溶解度可将固溶体可将固溶体分为：分为：有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体无限固溶体。溶解度：溶解度：指溶质在固溶体中的极限浓度。指溶质在固溶体中的极限浓度。固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ间隙固溶体间隙固溶体溶质原子进

29、入溶剂晶格中的间隙之中溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。形成的固溶体。(interstitial solid solutions)置换固溶体置换固溶体(substitutional solid solution)溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体。而形成的固溶体。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之溶质原子与溶剂原子直径之比应小于比应小于059方可。方可。直径较大的原子所组成的晶格，直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大

30、。其空隙的尺寸也较大。过渡族元素过渡族元素(溶剂溶剂)与尺寸较小的元素与尺寸较小的元素C 、N、H、B等易形成间隙固溶体。等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小小,所以间隙固溶体都是所以间隙固溶体都是有限固溶体有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。其浓度越大，畸变越大。间隙固溶间隙固溶体都是体都是无无序固镕体序固镕体。置换固溶体置换固溶体无限固溶体和无限固溶体和有序固溶体一定是有序固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体。置换固溶体置换固溶体也可以是也可以是有限固溶体和有限固溶体和无序

31、固溶体。无序固溶体。两组元晶体结构相同，原子半径和电化两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固无限固溶体溶体形形成条件成条件两组元晶体结构相同是必要条件。两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径溶剂原子半径rA与溶质原子半径与溶质原子半径rB的的相对差相对差(rArB)rA小于小于8%左右时。左右时。两元素间的电负性两元素间的电负性相差越小越好。相差越小越好。碳在碳在 FeFe中的中的间隙固溶体间隙固溶体铜和金形成的置换铜和金形成的置换固溶体固溶体固溶体的性能固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。固溶体与纯金属相比强

32、度、硬度升高。这种通过形成固溶体使金这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象属强度和硬度提高的现象称为称为固溶强化固溶强化。它是强化金属材料的它是强化金属材料的重要途径之一。重要途径之一。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相 固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。固溶强化的原因固溶强化的原因 ？ 由于溶质原子的溶入，使固溶由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大体的晶格发生畸变，晶格畸变增大

33、位错运动的阻力，使金属滑移变形位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。而提高合金的强度和硬度。固溶强化固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的小原子置换引起的晶格畸变晶格畸变间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变3.3.金属化合物金属化合物 它是合金组元相互作用形成的晶格类型它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。和特性完全不同于任一组元的新相。n金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高

34、，硬而脆。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。n合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。耐磨性，但会降低塑性和韧性。第二相强化：以金属化合物作为强化金属材料的方法。第二相强化：以金属化合物作为强化金属材料的方法。3.3 非金属材料的结构特点（自学）非金属材料的结构特点（自学）3.4 材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 3.4.1 金属的结晶特点金属的结晶特点 3.4.2 非晶态凝固的特点非晶态凝固的特点自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一

35、定的条件下，它们可以发生互存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。相转变。凝固：凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：结晶：物质从液体转变为晶体时的凝固过程物质从液体转变为晶体时的凝固过程 。3.4.1 金属的结晶特点金属的结晶特点液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）液体液体 - - 晶体晶体1.1.概述概述液体液体晶体结晶结晶一次结晶一次结晶：LS晶态晶态二次结晶二次结晶：SS晶态晶态熔点熔点晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的凝固曲线晶体和非晶体的凝固曲线第一类凝固反应（结晶转变）：第一类凝固

36、反应（结晶转变）：水、液体金属或合金等水、液体金属或合金等第二类凝固反应（玻璃质转变）：第二类凝固反应（玻璃质转变）：玻璃、聚乙醇、沥青、松香玻璃、聚乙醇、沥青、松香 2.金属的结晶金属的结晶 熔点熔点时间时间温温度度纯金属的冷却曲线（热分析曲线）纯金属的冷却曲线（热分析曲线） 液态液态固态固态利用热分析装置，先将结晶材料（如金属）放入坩埚加热熔化成液体，然后插入热电偶以测量温度，然液态金属缓慢而均匀的冷却，并用记录仪将冷却过程中的温度和时间记录下来，获得的温度-时间曲线如图所示，这一曲线叫做冷却曲线（热分析曲线），这种试验方法叫做热分析法。 冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温

37、度 TT= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）液态材料在理论液态材料在理论结晶温度以下仍结晶温度以下仍保持液态的现象保持液态的现象称为称为过冷过冷。 金属不同，过冷度金属不同，过冷度的大小也不同；的大小也不同；金属的纯度越高，金属的纯度越高，则过冷度越大。则过冷度越大。过冷度的大小主要过冷度的大小主要取决于冷却速度，取决于冷却速度，冷却速度冷却速度，则过冷，则过冷度度，即实际结晶温，即实际结晶温度度。 不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶，即对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若结晶，即对于一定的

38、金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程就不能进行。过冷度小于这个值，结晶过程就不能进行。结晶潜热结晶潜热一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为随着放出或吸收的热量称为相变潜热相变潜热。金属熔化时从固态转变为液态是吸收热量，金属熔化时从固态转变为液态是吸收热量，而结晶时从液态转变为固态是放出热量，前而结晶时从液态转变为固态是放出热量，前者称为者称为熔化潜热熔化潜热，后者称为，后者称为结晶潜热结晶潜热。 3.3.结晶的一般过程结晶的一般过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核

39、长大的过程的过程（1 1）晶核的形成）晶核的形成两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核：自发形核：新相晶核在母相内自发新相晶核在母相内自发地形成，即晶核由液相中的一些原地形成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。表面的影响。 非自发形核：非自发形核：是依附于外来杂质是依附于外来杂质上生成的晶核。上生成的晶核。 金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。晶粒所组成的多晶体。自发形核非自发形核晶粒晶界（2 2）晶粒的长大）晶粒的长大

40、两种长大方式 平面生长平面生长 与 树枝状生长树枝状生长。平面生长树枝状生长晶粒长大：晶粒长大：就是液相原子移到固相的量比固相原子移到液就是液相原子移到固相的量比固相原子移到液相的量多，只有当有一定的过冷度时，长大才能进行。相的量多，只有当有一定的过冷度时，长大才能进行。 4.晶粒的大小及控制晶粒的大小及控制晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8级级。晶粒度晶粒度12345678单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/ /mmmm2 2）1632641282565121024 2048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化 晶粒细化使

41、金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：比较： 细晶强化细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性 第二相强化第二相强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性 加工强化加工强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性 一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。细化晶粒的措施细化晶粒的措施1.1.提高过冷度提高过冷度2.2.变质处理变质处理3.3.振动结晶振动结晶（1 1）提高过冷度）提高过冷度形核率形核率N 、长大速度长大速度G 与与 过冷度过冷度T

42、的关系的关系TG，NGN过冷度过冷度T提高，提高，N提高、提高、G提高提高过冷过冷T太高，太高，N降低、降低、G降低降低（2 2）变质处理）变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂( (孕育剂孕育剂) )，以细化晶粒和改善组织，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。的工艺措施。变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3 3）振动结晶）振动结晶振动的作用振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。3.4.2 非晶态凝

43、固的特点非晶态凝固的特点影响非晶态凝固的因素主要有下列两个：影响非晶态凝固的因素主要有下列两个：1.熔体的粘度熔体的粘度高粘度的熔体，凝固适宜于形成非晶体。而高粘度的熔体，凝固适宜于形成非晶体。而大多数物质结晶时，液体的粘度是很低的。大多数物质结晶时，液体的粘度是很低的。2.冷却速度冷却速度如果冷却速度很快，晶核不能形成，就会得如果冷却速度很快，晶核不能形成，就会得到非晶体。到非晶体。1.二元相图的表示方法及建立二元相图的表示方法及建立 2.匀晶相图匀晶相图 3.共晶相图共晶相图 4.共析相图共析相图3.4.3 合金的结晶合金的结晶二元合金相图二元合金相图相图相图（平衡图、状态图）（平衡图、状

44、态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 1.二元相图的表示方法及建立二元相图的表示方法及建立成分：wNi=40%，wCu=60% 在成分和温度坐标平面在成分和温度坐标平面上的任意一点称为上的任意一点称为表象表象点点，一个表象点的坐标，一个表象点的坐标值表示一个合金的成分值表示一个合金的成分和温度。如图中的和温度。如图中的 点点表示合金的成分和温度表示合金的成分和温度为为wNi=60%，wCu=40% ，温度为，温

45、度为1100。 是研究合金的是研究合金的成分、温成分、温度、组织、状态度、组织、状态之间之间变变化规律的工具化规律的工具。 二元合金状态图的建立 目前，合金状态图主目前，合金状态图主要是通过实验测定的要是通过实验测定的，且测定合金状态图，且测定合金状态图的方法很多，但应用的方法很多，但应用最多的是热分析法。最多的是热分析法。热分析法热分析法 时间温度结晶开始结晶结束LL+SS以以CuNi合金相图测定为例，说明热分析法合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如纯铜；）配制不同成分的合金试样，如纯铜；70%Cu+30%Ni；50%Cu+50%Ni；合

46、金；合金30%Cu+70%Ni；纯；纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度）将各临界点绘在温度合金成分坐标合金成分坐标图上；图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到来，即得到Cu、Ni合金相图。合金相图。Cu-NiCu-Ni相图相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuNi305070wNi(%)La）冷却曲线 b）相图L+两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为限互

47、溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶匀晶相图相图。具有这类相图二元合金系主要有：具有这类相图二元合金系主要有：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等等。等等。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。 2 2匀晶相图匀晶相图铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区

48、匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程dT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。t1t3t2L1L2L3123Cu-Ni合金枝晶偏析示意图 两组元两组元A A、B B，在液态可无限互溶在液态可无限互溶 固态只能部分互溶固态只能部分互溶 甚至完全不溶。甚至完全不溶。2. 2. 共晶相图共晶相图由一种液相在恒温下同时结晶出两

49、种固相由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。的反应叫共晶反应。生成的两相混合物叫共晶体。生成的两相混合物叫共晶体。简单共晶相图简单共晶相图L LA+BA+BA AB BL+AL+AL+BL+Bw wB B% %两两组元完全不溶组元完全不溶PbSnSn%T, C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 + L + L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线两组元有限互溶两组元有限互溶固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线 B B原子溶入原子溶入A A基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体 A A原子溶入原子溶入B B基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体固溶线固溶线( (固溶度曲线，溶解度

50、曲线固溶度曲线，溶解度曲线) )：反映不同温：反映不同温度时的溶解度变化。度时的溶解度变化。共晶转变分析共晶转变分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到d点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。cd共晶点共晶点表示表示e点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。eL + 相是相是Sn溶于溶于Pb中的固溶体中的固溶体相是相是Pb溶于溶于Sn中的固溶体。中的固溶体。 相图中的CED水平线称为共晶线 E点称为共晶点 E点对应的温度称为共晶

51、温度 成分对应于共晶点的合金称为共晶合金 成分位于共晶点以左，C点以右的合金称为亚共晶合金 成分位于共晶点以右，D点以右的合金称为过共晶合金共晶反应要点共晶反应要点PbSnT, CL + L + L + tcde 共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析合金结晶过程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷

52、却曲线 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183cde由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程,也称为二次结晶。也称为二次结晶。二次结晶形成的相称之为次生相或二次相，次生的二次结晶形成的相称之为次生相或二次相，次生的固溶体以固溶体以表示，表示，以区别于从液体中直接结晶出来的以区别于从液体中直接结晶出来的固溶体（固溶体（）。）。 X1合金结晶特点合金结晶特点T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成而是经过匀晶反应形成单相单相 固相。固相。2.要经过脱溶反应，要经过脱溶

53、反应，室温室温 组织组成物组织组成物为为 + 组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金亚共晶合金）X2T, CtLL+ ( + )+ + 12( + )+ PbSnT, CL + L + L + 183cdeL+( + )+ 成分位于共晶点以左，成分位于共晶点以左，C点以右的合金叫做亚共晶合金。点以右的合金叫做亚共晶合金。在温度在温度tE时，成分为时，成分为E点的液相便发生共晶转变：点的液相便发生共晶转变：共晶转变前形成的共晶转变前形成的固溶体叫做初晶或先共晶相。固溶体叫做初晶或先共晶相。 亚共晶合金的冷却曲线及

54、结晶亚共晶合金的冷却曲线及结晶 X3合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金共晶合金）X3T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线( + )PbSnT, CL + L + L + 183cde共晶转变：共晶转变： 共晶合金共晶合金标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图4. 4. 共析相图共析相图共析转变共析转变： ( + ) 共析体共析体ABT, C + + + cedL + L一定成分的固相，一定成分的固相，在一定温度下分解在一定温度下分解为另外两个一定成为另外两个一定成分固相的转变过程分固相的转变过程，称为，称为共析转变共析转变。 由于共析反应

55、是在固由于共析反应是在固态下进行的，其原子态下进行的，其原子扩散条件很差，晶核扩散条件很差，晶核成长速度很小，所以成长速度很小，所以共析转变物的组织是共析转变物的组织是比较细密的两相相间比较细密的两相相间的机械混合物。的机械混合物。 3.5 铁碳合金相图铁碳合金相图3.5.1 铁碳合金的基本组元与基本相铁碳合金的基本组元与基本相3.5.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析3.5.3 典型合金的结晶过程及组织典型合金的结晶过程及组织3.5.4 含碳量与铁碳合金组织及性能的关系含碳量与铁碳合金组织及性能的关系3.5.5 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用1 1纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变金

56、属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe(bcc) -Fe(fcc) -Fe(bcc)1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C3.5.1 铁碳合金的基本组元与基本相铁碳合金的基本组元与基本相 -Fe(fcc) -Fe(bcc) 铁的体积会膨胀铁的体积会膨胀12.2.铁碳合金的基本相及其性能铁碳合金的基本相及其性能(1) (1) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的组元相图的组元 Fe Fe -Fe(bcc-Fe(bcc) ) 、-Fe(fcc-Fe(fcc) )和和F

57、e (bcc) Fe (bcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。强度、硬度低，韧性、塑性好。 FeFe3 3 C C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的相相图的相 液相液相 L L 铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体 相相 （高温铁素体（高温铁素体 ） FeFe（C C）固溶体固溶体 相（相（A ，奥氏体）奥氏体）碳（碳（C）溶入溶入-Fe中所形成的中所形成的固溶体。固溶体。 A的最大溶解度的最大溶解度wC2.11（于（于1148）力学性能：力学性能： b b =

58、250 350MPa,= 4045%,HB = = 250 350MPa,= 4045%,HB = 160200160200相相 （F，铁素体）铁素体） 碳（碳（C）溶入溶入-Fe中所形成的中所形成的固溶体。固溶体。F的最大溶解度仅的最大溶解度仅wC0.0218（于（于727），在室温），在室温下下F的溶碳能力就更低了，一般在的溶碳能力就更低了，一般在0.008以下。以下。 力学性能：力学性能： b b = 250MPa = 4550% HB = 80 = 250MPa = 4550% HB = 80Fe3C （Cem， Cm，渗碳体）渗碳体）铁与碳形成的金属化铁与碳形成的金属化合物合物FeF

59、e3 3C C铁碳合金相图铁碳合金相图AESPQGKD4.34.32.112.110.770.770.020.02C%C%114811481538 1538 727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.696.69FLdLd3.5.2 Fe-Fe3.5.2 Fe-Fe3 3C C相相图分析图分析 1. 1. 相图中重要的相图中重要的点和线点和线符号符号温度温度（）C（）（）物理意义物理意义符号符号温度温度（）C（）（）物理意义物理意义A15380纯铁熔点纯铁熔点G9120-Fee-Fe同素异同素异构转变点构转变点C11484.30共晶点共晶点S7270.77共析点共析点D12

60、276.69渗碳体熔点渗碳体熔点P7270.0218碳在碳在-Fe e中的最大溶中的最大溶解度解度E11482.11碳在碳在-Fe中的中的最大溶解度最大溶解度Q室温室温0.0008室温下碳在室温下碳在-Fe e中的中的溶解度溶解度(1)(1)状态图上点的意义状态图上点的意义CC共晶点共晶点，1148 4.3%C1148 4.3%C 共晶点共晶点发生共晶反应的点。发生共晶反应的点。 共晶反应共晶反应 在在一定的温度一定的温度下，由下，由一定成分的液体一定成分的液体同同时时结晶出结晶出一定成分的一定成分的两个固相两个固相的反应的反应。 共晶反应的产物共晶反应的产物共晶体共晶体机械混合物机械混合物