第一章金相检验基础

1、 第一章第一章 金属学基础金属学基础 第一节第一节 金属和合金的晶体结构金属和合金的晶体结构 金属和合金在固态时，通常就是那种原子在金属和合金在固态时，通常就是那种原子在三维空间中有规则作周期重复排列的物质，三维空间中有规则作周期重复排列的物质，就是说，在金属和合金中，原子的排列都是就是说，在金属和合金中，原子的排列都是有规律的。有规律的。 一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 （一）金属原子间的结合（一）金属原子间的结合 金属原子聚集在一起主要是靠金属键结合。金属原子聚集在一起主要是靠金属键结合。 ( (二二) )理想晶体理想晶体 1 1晶体与非晶体晶体与非晶体 a. a. 晶体晶体：材

2、料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。期性排列。 非晶体非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。 b. b. 区别区别 (a)(a)是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性 (b)(b)是否长程有序是否长程有序 (c)(c)是否有确定的熔点是否有确定的熔点 (d)(d)是否各向异性是否各向异性 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。 2 2晶体结构的描述晶体结构的描述 晶

3、体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。 由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也不一样，所以就由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也不一样，所以就存在各种各样的晶体结构存在各种各样的晶体结构 3.3.理想晶体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象 空间规则排列的原子空间规则排列的原子刚球模型刚球模型晶格（刚球抽象为晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小晶胞（具有周期性最小组成单元）组成单元） 晶胞的描述晶胞的描述晶体学参数：晶体学参数：a,b,c,a,b,c,晶格常数：晶胞晶格常数：晶胞的棱边

4、长度的棱边长度a,b,ca,b,c及棱边间及棱边间的夹角的夹角,（1）晶格：金属学中把晶体的原子假设成是固定不动的刚性小球，用假想的线条将各原子的中心连接起来，构成一 个空间的格子。 (2)晶胞：能够反映晶格特征的、最小的几何单元。 (3)晶格常数：晶体学上，以棱边长度a、b、c和棱面夹角 、来表示晶胞的形状和大小。其中棱边长 度称为晶格常数。单位为埃（1埃=10-8cm) a)体心立方晶胞体心立方晶胞(BCC)晶胞原子数晶胞原子数：是指：是指在一个晶胞中所含在一个晶胞中所含的原子数目。的原子数目。8 8* *1/8+1=21/8+1=2n典型金属：典型金属：-Fe、Cr、Mo、W、V等等b)

5、b)面心立方晶胞面心立方晶胞原子数：原子数：8 * * 1/8+6 1/8+6 * *1/2=41/2=4n典型金属：典型金属：-Fe、Al、Cu、Au、Ag等等c)密排六方晶系密排六方晶系原子数：原子数：1/6 * *12+1/2 12+1/2 * *2+3=62+3=6n典型金属典型金属Mg、Zn、Be、Cd等等 原子半径原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：晶胞：r=r= 配位数：配位数：是指晶格中与任

6、一原子最邻近且等是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。距离的原子数目。 致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。百分数，也称密排系数。 致密度致密度= =晶胞中原子所占有的体积晶胞中原子所占有的体积/ /晶胞的体晶胞的体积积* *100%100%a43 d)BCCd)BCC、FCCFCC、HCPHCP晶胞的重要参数晶胞的重要参数晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数原子原子半径半径晶胞原晶胞原子数子数配位数配位数致密度致密度BCCa=b=c, a=b=c, a a =b b =g g =90=90o o 2 8 68%FCC a=b=c

7、,a=b=c,a a =b b =g g =90=90o o 4 12 74%HCP a=bc ,c/a=1.a=bc ,c/a=1.633, 633, a a =b b =90=90o o, ,g g =120 =120o o a/2 a/2 6 12 74%a43 ( (三三) )实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷 理想晶体理想晶体+晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致单晶体：内部晶格位向完全一致 各自异性各自异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成 各自同性各自同性

8、 1晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分性和规则性的部分 a a 点缺陷点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化的变化空位和间隙原子空位和间隙原子空位空位 :晶格结点晶格结点处无原子处无原子 置换原子置换原子: : 晶格晶格结点处为其它原结点处为其它原子占据子占据 间隙原子间隙原子: :原子原子占据晶格间隙占据晶格间隙 b b 线缺陷（位错线缺陷（位错( (刃位错和螺位错刃位错和螺位错）二维二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排尺度很小，另一维尺度很大的原子错排 C.C.面缺陷面

9、缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域（晶界、一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域（晶界、亚晶界、相界、表面等）亚晶界、相界、表面等） 晶界晶界- -晶体结构相同位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒的晶界。晶体结构相同位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒的晶界。亚晶界亚晶界在晶粒内部可以观察到直径在在晶粒内部可以观察到直径在10-100um10-100um大小的晶块，这些晶块之大小的晶块，这些晶块之间的内界面就称为亚晶粒间界，简称亚晶界。间的内界面就称为亚晶粒间界，简称亚晶界。细晶强化：晶界、亚晶界处的原子也会偏离平衡位置引起晶细晶强化：晶界、亚晶界处的原子也会偏离平衡位置引起晶 格畸变

10、，使金属材料的强度和硬度得以提高，这种靠增加晶格畸变，使金属材料的强度和硬度得以提高，这种靠增加晶界或亚晶界强化材料的方式叫细晶强化。界或亚晶界强化材料的方式叫细晶强化。二二. .合金的晶体结构合金的晶体结构金属材料大多是合金金属材料大多是合金由两种或两种以上的金属构成合金，并具有金属特征由两种或两种以上的金属构成合金，并具有金属特征组元组元：构成合金的元素：构成合金的元素相相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。合金中有两类基本的相结构，固溶体

11、和金属间化合物。1、固溶体、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，有置换固溶体，间隙固溶体。体，有置换固溶体，间隙固溶体。固溶强化固溶强化: :由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。没有明显降低。溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错远动阻力上升位错远动阻力上升金属塑性变形困难金属塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。2 2、金属间化合物、金属间化合物金属间化合

12、物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。又完全不同于任一组元的化合物一中间相。金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。子式表示。金属间化合物常见有以下三种类型金属间化合物常见有以下三种类型正常价化合物正常价化合物 组成正常价化合物的元素是按原子价规组成正常价化合物的元素是按原子价规 律结合的，因而其成分固定不变。通常律结合的，因而其成分固定不变。通常 由金

13、属性强的元素和非金属或类金属形由金属性强的元素和非金属或类金属形 成这种化合物。如成这种化合物。如Mg2Si，Mg2Sn等。等。电子化合物电子化合物 按照一定的电子浓度形成一定晶体结构的按照一定的电子浓度形成一定晶体结构的 化合物。如化合物。如CuZn（体心立方）（体心立方） Cu5Zn8 （复杂立方）（复杂立方）CuZn3（密排六方）（密排六方）间隙化合物间隙化合物 一般由原子直径较大的过渡族金属和原子一般由原子直径较大的过渡族金属和原子 直径较小的非金属元素所组成。直径较小的非金属元素所组成。 如：具有简单晶格的间隙相如：具有简单晶格的间隙相VCWCTiC 具有复杂晶格的间隙化合物具有复杂

14、晶格的间隙化合物Fe3C， Cr23C6，Cr7C3 特点：熔点、硬度高、脆性大。特点：熔点、硬度高、脆性大。3、机械混合物、机械混合物单一固溶体：强度、硬度较低单一固溶体：强度、硬度较低单一化合物：硬而脆单一化合物：硬而脆机械混合物机械混合物不是一种单一相不是一种单一相 第二节第二节 纯金属及合金的结晶纯金属及合金的结晶1结晶与凝固的区别结晶与凝固的区别凝固：金属由液态转变成固态的过程凝固：金属由液态转变成固态的过程 LS ，凝固后的固，凝固后的固态金属一般是晶体。凝固的过程是一个复杂的相变过态金属一般是晶体。凝固的过程是一个复杂的相变过程。程。结晶：一种原子排列状态（晶态）过渡为另一种原子

15、规则结晶：一种原子排列状态（晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。排列状态（晶态）的转变过程。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2.2.结晶过程结晶过程TmTm：理论结晶温度：理论结晶温度金属的熔点金属的熔点TnTn：实际结晶温度：实际结晶温度过冷度：过冷度：T=Tm-Tn, T=Tm-Tn, TT，实际结晶温度越低。，实际结晶温度越低。 a.形核自发形核、非自发形核b.长大平面长大、树枝状长大 3.结晶动力学 4、晶粒尺寸的控制、晶粒尺寸的控制 (1)晶粒度晶粒度 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。单位面积上的晶粒数目或晶粒的

16、平均线长度（或直径）表示。 形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。 (2)过冷度对形核一长大的影响：过冷度过冷度对形核一长大的影响：过冷度T NT N形核速率提高、形核速率提高、长大线速度长大线速度G G 提高提高 过冷度过冷度T T太高，太高，D D降低降低NN降低、降低、G G降低降低 (3)(3)控制晶粒度的因素控制晶粒度的因素 提高过冷度提高过冷度 过冷度过冷度 T T ，NN，GN/GGN/G增大，细化增大，细化 变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核

17、的核心，以细化晶粒和改善组织。以细化晶粒和改善组织。 振动，搅拌等振动，搅拌等第三节、合金的凝固第三节、合金的凝固 （一 ）相图相图-根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。 1 1 匀晶相同及其分析匀晶相同及其分析 （1 1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 （2 2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 ( (两组元在液态和固态都无限互溶两组

18、元在液态和固态都无限互溶) ) （3 3）相图分析）相图分析 两点：纯组元的熔点；两点：纯组元的熔点； 两线：两线：L, SL, S相线；相线； 三区：三区：L, , L+L, , L+。2.二元共晶相图及合金凝固 （1 1） 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分成分 固相的转变。固相的转变。Eutectic Reaction （2 2） 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共 晶反应。晶反应。 （3 3） 共晶

19、组织：共晶转变产物。（是两相混合物）共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）（4 4）共晶组织的形成）共晶组织的形成 （1 1）共晶体的形成）共晶体的形成成分互惠交替形核成分互惠交替形核 片间搭桥促进生长片间搭桥促进生长 两相交替分布两相交替分布 （共晶组织）（共晶组织） 包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。特点成分固相的转变。Peritectic Reaction 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。1 1 相图分析相图分析 点、线、区。点、线、区。 3.二元包晶相图及合金凝固 第四节

20、第四节. 铸锭组织及其控制铸锭组织及其控制 1 1 铸锭组织铸锭组织（1 1）铸锭三区）铸锭三区 表层细晶区表层细晶区( (强过冷强过冷, ,非均匀形核非均匀形核) ) 柱状晶区柱状晶区( (纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散热方向生长沿散热方向生长; ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热方向生长沿散热方向生长. ). ) 中心等轴晶区中心等轴晶区( (均匀散热、液相区成均匀散热、液相区成 分过冷、熔体对流导分过冷、熔体对流导 致细晶漂移或枝晶破致细晶漂移或枝晶破 碎。）碎。） 4.铸锭组织及其控制铸锭组织及其控制 1 1

21、 铸锭组织铸锭组织（2 2）组织控制）组织控制 受浇铸温度、冷却速度、受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、化学成分、变质处理、 机械振动与搅拌等因素机械振动与搅拌等因素 影响。影响。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E4.铸锭组织及其控制铸锭组织及其控制 2 2 铸锭缺陷铸锭缺陷 （1 1）微观偏析）微观偏析 （2 2）宏观偏析）宏观偏析: :整个铸锭范围内的成分不均匀现象整个铸锭范围内的成分不均匀现象. . 正偏析正偏析: k: k0 011的合金铸锭中心溶质含量较高

22、的现象的合金铸锭中心溶质含量较高的现象. . 反偏析反偏析: .: . 密度偏析密度偏析: :由于初生相与剩余液体密度差异而导致铸锭上下部分成分由于初生相与剩余液体密度差异而导致铸锭上下部分成分 不均匀的现象不均匀的现象. . 第三节第三节Fe-C(Fe-Fe3C)相图相图一、一、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的组元相图的组元 1 1FeFe组元组元-Fe(bcc)-Fe(bcc) -1394-Fe(fcc)-912-1394-Fe(fcc)-912- a-Fe(bcc) -Fe(bcc) ( (同素异构转变同素异构转变) ) -Fe-Fe最大溶碳最大溶碳0.090.09、-Fe-Fe最

23、大溶碳最大溶碳2.112.11、 a-Fe-Fe最大溶碳最大溶碳0.02180.0218强度低、硬度低、韧性、塑性好强度低、硬度低、韧性、塑性好2 2FeFe3 3C ( CemC ( Cem， CmCm）复杂斜方点阵）复杂斜方点阵熔点高，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。二、铁碳合金特性点二、铁碳合金特性点A A、B B、C C、D D、E E、G G、H H、J J、K K、M M、N N、P P、S S相：指系统中具有相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开以界面相互隔开的均匀组成部分。的均匀

24、组成部分。组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可 以是单相，以是单相，也可以是两相或者多相混合物。也可以是两相或者多相混合物。 三三、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的相相图中的相 1 1液相液相L L 2 2相相 高温铁素体高温铁素体 （C C固溶到固溶到 -Fe -Fe中中固溶体固溶体相）相） 3 3相相 铁素体铁素体F F （C C固溶到固溶到 -Fe-Fe中中相）相） 强度、硬度低、塑性好强度、硬度低、塑性好 （室温：（室温：C%=0.0008%, C%=0.0008%, 727727度：度：C%=0.0218%C%=0.0218

25、%） 4 4相、相、A A奥氏体奥氏体 （C C固溶到固溶到-Fe-Fe中中相）相） 强度低，易塑性变形强度低，易塑性变形 5 5FeFe3 3C 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 四四、相图分析、相图分析1 1三条水平线和三个重要点三条水平线和三个重要点（1 1）包晶转变线）包晶转变线HJBHJB：14951495摄氏度，摄氏度，C%=0.09-0.53%C%=0.09-0.53%LB+H-AJ LB+H-AJ 即即 L L0.530.53+ + 0.090.09- - A A0.170.17（2 2）共晶转变线）共晶转变线ECF,1148ECF,11

26、48摄氏度，摄氏度，C%=2.11-6.69%C%=2.11-6.69% L L4.34.3- - A A2.112.11+Fe+Fe3 3C C（共晶渗碳体）（共晶渗碳体）LeLe4.34.3 高温莱氏体高温莱氏体 LeLe，LdLd（3 3）共析转变线）共析转变线PSKPSK，727727摄氏度，摄氏度，C%=0.0218-6.69%C%=0.0218-6.69%A As s-F-FP P+Fe+Fe3 3C C（共析渗碳体）（共析渗碳体） A A0.77-0.77- F F0.02180.0218+Fe+Fe3 3CPCP（珠光（珠光体）体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于珠光体的

27、强度较高，塑性、韧性和硬度介于FeFe3 3C C和和F F之间之间LeLe- - P+FeP+Fe3 3C CIIII+Fe+Fe3 3C C共晶共晶-低温莱氏体低温莱氏体 LeLe2 2液固相线液固相线液相线液相线ACD ACD 固相线固相线AECF AECF 3 3溶解度线溶解度线ESES线线 碳在碳在A A中的固溶线，中的固溶线，11481148摄氏度，摄氏度，2.11% 7272.11% 727摄氏摄氏度度,0.77%,Fe,0.77%,Fe3 3C CIIIIPQPQ线线 碳在碳在F F中的固溶线，中的固溶线，727727摄氏度摄氏度,0.0218%0.0008%,0.0218%0.0008%室温，室温，FeFe3 3C CIIIIII4 4GSGS线线1.工业纯铁工业纯铁L+A-A-A+F-F+FeL-L+A-A-A+F-F+Fe3 3C CIIIIII相组成物相组成物：F+FeF+Fe3 3C C%0.0008%C C%0.0008% F F C%0.0008%C%0.0008%相相对量相相对量 F%= F%= Fe Fe3 3C%= C%=