材料的结构与凝固

1、第 3 章 材料的结构与凝固2022/8/291工程材料与材料成型基础晶体与非晶体晶体 原子规则排列的集合体 固定的熔点 各向异性：不同方向的性能不同非晶体 原子无规则堆积的集合体 无固定熔点 各向同性晶格：把晶体中原子看成几何点，用平行直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元2022/8/292工程材料与材料成型基础晶面和晶向晶面：晶格中各方位的原子面晶向：任意两个原子连线所指的方向晶格常数：晶胞的棱边长度金属键使原子趋于紧密排列，得到为数不多的高度对称的几种简单晶格，常见的3种2022/8/293工程材料与材料成型基础体心立方晶格晶胞中的原子数：2最近原子间距

2、体心与顶角之间： a 3 / 2原子半径：r = a 3 / 4致密度：68%常见金属有 -Fe, Cr, W, Mo, V, Nb2022/8/294工程材料与材料成型基础面心立方晶格晶胞中的原子数：4最近原子间距 面心与顶角之间： a 2 / 2原子半径：r = a 2 / 4致密度：74%常见金属有 -Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag, Pb2022/8/295工程材料与材料成型基础密排六方晶格晶胞中的原子数：6最近原子间距 相邻顶角之间： a原子半径：r = a / 2致密度：74%常见金属有 Mg, Zn, Cd, Be2022/8/296工程材料与材料成型基础晶界：晶粒

3、之间的界面实际金属的结构单晶体：各部分位向完全一致的晶体由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同原子间结合力不同力学性能不同单晶体表现为各向异性多晶体：许多位向不同的 单晶体的聚合体晶粒：多晶体中外形不规则的 小晶体2022/8/297工程材料与材料成型基础多晶体的伪各向同性伪各向同性：总体上各向性能基本相同，但各晶粒内部 仍然是各向异性 多晶体中的各晶粒位向不同，一般在总体上不显示出各向异性，似乎是各向同性，即伪各向同性2022/8/298工程材料与材料成型基础晶体缺陷 晶体中原子偏离原来平衡位置晶体缺陷导致晶格畸变强度，硬度，电阻点缺陷导致晶格畸变强度，硬度 空位和间隙原子2022/8/299

4、工程材料与材料成型基础线缺陷 位错位错 整排原子有规律错排 增加或减小位错密度，可以提高强度位错密度b 晶须加工硬化2022/8/2910工程材料与材料成型基础面缺陷 晶界晶界处晶格畸变强度高原子能量高熔点低，易腐蚀，原子扩散快晶粒细晶界面积大强度高亚晶界：晶粒内小位向差的晶块边界1-2O 亚晶粒亚结构2022/8/2911工程材料与材料成型基础合金相的基本概念合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。组元：组成合金的基本物质二元合金：由两种组元组成的合金相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分 单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以

5、上固相组成的合金组织：相的聚合体（形态） （单相组织，多相组织）相变：一定条件下，一种相可以变为另一种相2022/8/2912工程材料与材料成型基础合金相结构合金在固态下的相结构 固溶体和金属化合物 （2类）固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相 保持原晶体结构的元素 溶剂 失去原晶体结构的元素 溶质 浓度，溶解度有限固溶体：溶解度有一定限度 有限互溶无限固溶体：溶解度无一定限度 无限互溶2022/8/2913工程材料与材料成型基础固溶体的分类置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中2022/8/2914工程材料与材料成型基础固溶体的力学性

6、能溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高 固溶强化固溶体的力学性能比纯金属更高2022/8/2915工程材料与材料成型基础金属化合物特征： 有金属性质 晶体结构不同于任何组元 成分固定或小有变化， 有一定成分比例，可用分子式表示性能： 硬，脆，熔点高当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的 强度 ，硬度 ，耐磨性 弥散强化 （第二相强化）2022/8/2916工程材料与材料成型基础合金的结构与性能 有异质原子溶入，导致晶格畸变 固溶强化 可能出现多相组织 如果金属化合物有合理分布、 大小、数量、形态 弥散强化调整合金性能的途径： 改善固溶体溶解度 改变化合物形状、数量、大小、

7、分布合金的力学性能一般优于纯金属2022/8/2917工程材料与材料成型基础材料的凝固纯金属的结晶： 液态 固态 （原子无规则排列） （原子有规则排列） T0平衡结晶温度 = 熔点热分析法放出的结晶潜热 = 散失的热量2022/8/2918工程材料与材料成型基础过冷现象过冷：实际结晶温度 T1 总是低于平衡结晶温度 T0 的现象 （理论）过冷度 T = T0 - T1 冷速 T 结晶的必要条件：过冷（结晶的动力）2022/8/2919工程材料与材料成型基础结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程结晶过程液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散形核晶核长大不断生成新晶核长大相碰晶粒多晶体2

8、022/8/2920工程材料与材料成型基础结晶时细化晶粒的主要方式1 提高冷速（提高过冷度） 对大铸件或厚薄差别大的铸件 冷速过快 变形、开裂只适用于小铸件，简单件2 变质处理 常用于大铸件，实际效果较好振动搅拌 2022/8/2921工程材料与材料成型基础二元合金相图相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关系的图形。 （又称状态图，平衡图）相图的建立2022/8/2922工程材料与材料成型基础匀晶相图上临界点：上相变点 L1下临界点：下相变点1两相区L +单相区 L单相区液相线固相线结晶过程：t1 : L1 1t2 : L2 2t3 : L3 3固溶体合金结晶的特点： 在一定温度

9、范围内结晶； 已结晶的固相成分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。2022/8/2923工程材料与材料成型基础共晶相图溶解度曲线最大溶解度点共晶线共晶点共晶合金亚共晶合金共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶2022/8/2924工程材料与材料成型基础共晶转变 恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相 L + 转变产物：共晶体（共晶组织） 两固相的机械混合物2022/8/2925工程材料与材料成型基础包晶相图包晶转变：恒温下，一个固相与液相作用生成另一个固相 L + 2022/8/2926工程材料与材料成型基础与共晶转变比较：同：恒温转变，同

10、时生成两个 成分、结构不同的固相异：共析 母相是固相，在固态转变 共晶 母相是液相，在液态转变共析相图L 共析转变：恒温下，一个固相中同时析出两种成分、结构不同的固相。 +转变产物：共析组织（共析体） 机械混合物2022/8/2927工程材料与材料成型基础纯铁的结晶过程-Fe-Fe-Fe 固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象 同素异构转变 2022/8/2928工程材料与材料成型基础铁碳合金的基本相铁素体 F：碳在-Fe中的间隙固溶体 体心立方，b, HB, , k,铁磁性奥氏体 A：碳在-Fe中的间隙固溶体 面心立方，HB, , 顺磁性渗碳体 Fe3C : Fe与C的间隙化合物 复

11、杂晶格，硬而脆，几乎无塑性， 230以下铁磁性高温铁素体 ：碳在-Fe中的间隙固溶体 体心立方，顺磁性2022/8/2929工程材料与材料成型基础铁碳合金相图2022/8/2930工程材料与材料成型基础铁碳合金相图分析相区：5个单相区，7个两相区，3条三相水平线三个主要转变：LCAE + Fe3C1148莱氏体Ld莱氏体 Ld：A与 Fe3C 的机械混合物成分：4.3%C性能：硬而脆形态：点状、短条状A 分布于Fe3C基体上1 共晶转变2022/8/2931工程材料与材料成型基础共析转变和包晶转变2 共析转变ASFP + Fe3C727珠光体 P珠光体 P：F与 Fe3C 的机械混合物成分：0.77%C性能：适中，介于 F 和