金属工艺学第二章金属的晶体结构课件

1第二章金属的晶体结构本章重点：

纯金属的晶格类型及晶体缺陷；细化晶粒的措施；合金的晶体结构；二元匀晶相图分析本章难点：铸锭组织；二元匀晶相图分析1第二章金属的晶体结构本章重点：本章难点：2本节重点晶格类型晶体缺陷

第一节纯金属的晶体结构

细化晶粒的措施本节难点铸锭组织2本节重点晶格类型晶体缺陷第一节纯金属的晶体结构3晶体与晶格

晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组织

第一节纯金属的晶体结构主要内容3晶体与晶格晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组4晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子。晶胞：代表晶格的原子排列规律的最小几何单位。一、晶体与晶格1、晶体与晶格4晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子。一、晶体与晶格51）体心立方晶格

2、典型的晶格类型：重点内容动画演示52、典型的晶格类型：重点内容动画演示6体心立方晶格

a）晶胞形状－－立方体。

b）原子分布－－结点、中心。

c）晶胞－－－－包含2个原子。

d）致密度－－－0.68

属于这类金属晶格的有：α-Fe、Cr、V、W、Mo等。6a）晶胞形状－－立方体。属于这类金属晶格的72）面心立方晶格

动画演示7动画演示8面心立方晶格

a）晶胞形状－－－立方体。

b）原子分布－－－结点、各面中心。

c）晶胞－－－－－包含4个原子。

d）致密度－－－－0.74

属于这类金属的有：r-Fe、Al、Cu、Ni等。8a）晶胞形状－－－立方体。属于这类金属的有：r-Fe93）密排六方晶格

动画演示9动画演示10密排六方晶格

a）晶胞形状－－六棱柱体。b）原子分布－－结点、上下面中心，体中心有三个。c）晶胞－－－－包含6个原子。d）致密度－－－0.74。属于这类金属的有：Mg、Zn、α－Ti等。10a）晶胞形状－－六棱柱体。属于这类金属的有：Mg、Zn、111、多晶体结构：

二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上使用的金属属于多晶体。2、金相组织：

组织是指用肉眼或在显微镜下所观察到的图象。包括晶粒或组成相的形状、尺寸、分布及相互之间的组合状态。

金相组织是在显微镜下所观察到的图象。111、多晶体结构：二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上123、晶体缺陷：重点内容

局部原子排列的不完整区域。

二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷

根据缺陷的几何形状，分为:

点缺陷线缺陷面缺陷123、晶体缺陷：重点内容二、晶体结构、金相组织与晶体缺131）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化，如强度的提高等。晶格空位、间隙原子和置换原子。131）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化，晶格空位、间隙142）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移

而造成。理想晶体刃型位错142）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部15位错与力学性能15位错与力学性能163）面缺陷：

晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度愈高。主要指晶界和亚晶界晶界亚晶界163）面缺陷：晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大17缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、间隙原子、置换原子强度、硬度提高，固溶强化等线缺陷位错加工硬化等面缺陷晶界、亚晶界易腐蚀，细晶强化17缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、强度18三、金属的结晶与铸锭组织

铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒的措施纯金属的结晶过程金属的同素异构转变单晶体与非晶态合金的制取18三、金属的结晶与铸锭组织铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒191、纯金属的结晶过程不断形核＋晶核不断长大同时进行的基本过程。液态金属形核晶核长大完全结晶191、纯金属的结晶过程不断形核＋晶核不断长大同时进行的基本20金属的结晶20金属的结晶21

2、冷却曲线与过冷度ºCLT0TnS0T0：理论结晶温度Tn：实际结晶温度ΔT=T0—Tn（过冷度）实际上ºCT0LabS0a：结晶开始点b：结晶终了点理论上}T为什么会出现水平台阶？212、冷却曲线与过冷度ºCLT0TnS0T0：理论结22金属冷却曲线的解释：Tn＝T0，液、固态平衡，自由能变化为零，不能自发结晶。△T时，液态与固态的自由能之差大于零，结晶进行。△T越大，自由能差越大，结晶推动力越大，晶体生长速度越大。

原因：

自发转变（等温等压下）的方向，能量减少。过冷是金属结晶的必要条件。22金属冷却曲线的解释：Tn＝T0，液、固态平衡，自由能变233、影响晶核尺寸的因素

重点内容1）晶粒粗细对材料力学性能的影响一般来说，晶粒愈细力学性能越好，即强度和硬度愈高，同时塑性和韧性愈好。（细晶强化）晶粒平均直径／mm抗拉强度/Pa屈服点/Pa伸长率/%9.7016.5x1074.0x10728.87.0018.0x1073.8x10730.62.5021.1x1074.4x10739.50.2026.3x1075.7x10748.80.1626.4x1076.5x10750.7晶粒大小对纯铁力学性能的影响233、影响晶核尺寸的因素重点内容1）晶粒粗细对材料力24增大过冷度：增加冷却速度；2）细化晶粒的方法：变质处理：振动：搅拌在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化粒和改善组织的工艺措施。形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？24增大过冷度：增加冷却速度；2）细化晶粒的方法：变质处理255、铸锭组织中心等轴晶粒区

表层细晶粒区过冷度大＋模壁的人工晶核作用柱状晶粒层

模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。255、铸锭组织中心等轴晶粒区表层细晶粒区柱状晶粒层266、金属的同素异构转变概念：

温度变化－－晶格类型变化。意义：利用热处理，改善材料性能。266、金属的同素异构转变概念：温度变化－－晶格类型变化。271538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方271538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Fe28

第二节合金的晶体结构

重点：

合金的晶体结构

难点：

相的概念28

第二节合金的晶体结构重点：29主要内容合金中的相固溶体金属化合物29主要内容合金中的相固溶体金属化合物30一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属性质的物质。组元：组成合金的基本元素。相：金属或合金中，凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液相；单一的固相；液相、固相两相共存；相组织性能构成决定30一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金31二、固溶体

组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀的物质，是“固态溶液”。

按溶质原子所处的位置分为：

置换固溶体：间隙固溶体：

例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。31二、固溶体组成合金的组元，在固态时相互溶解32固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加，溶剂晶格产生畸变，使金属强度、硬度升高的现象。

例如：纯铁与钢32固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加33

指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性能不同于任一组元的物质。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。三、金属化合物33指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性34

第三节二元合金的相图

重点：二元匀晶相图分析

枝晶偏析

难点：

二元匀晶、共晶相图分析34

第三节二元合金的相图

重点：二元匀晶相图分析35二元合金相图二元匀晶相图二元共晶相图35二元合金相图36

凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合金的相图，是学习二元合金相图的基础。

二元匀晶相图的建立

二元匀晶相图分析一、二元匀晶相图：36凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合金的相图，是学习37配置各种成分的合金；1.相图的建立（Cu-Ni合金为例）37配置各种成分的合金；1.相图的建立（Cu-Ni合金为例38

测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；

建立坐标系，把临界点分别标注在成分垂线上；

光滑曲线连接，填写数字、字母和相或组织名称。相图建立的演示38测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；392.二元匀晶相图分析二点：纯铜、镍的熔点二线：液相线、固相线

三区：单相的液相区（L）；单相的固溶体区（ɑ）；液相和固相共存的两相区（L＋ɑ）392.二元匀晶相图分析404041合金的结晶过程(以wNi=40％的合金为例)高温液态单相固溶体液相线开始结晶出α组织，液相的成分沿液相线变化，α的成分沿固相线变化。缓慢冷却液相减少α组织增多固相线全部结晶出α组织，液相消失41合金的结晶过程(以wNi=40％的合金为例)高温液态单相42

危害：晶粒性能不一致，影响合金的力学性能、耐蚀性、加工工艺性。

措施：即扩散退火的方法来消除或改善。3.枝晶偏析(晶内偏析):指晶体内部化学成分不均匀的现象。原因：在实际生产中，一般冷却速度较快，晶粒中心部与表层的成分不均匀。42危害：晶粒性能不一致，影响合金的力学3.枝晶偏析(晶434.杠杆定律：只适用于两相区用来确定某合金在某温度下液、固两相的百分含量。

QL·ac=Qα·cb434.杠杆定律：只适用于两相区用来确定某合金在某温度下液、44二、二元共晶相图（p28)共晶反应：在恒温下，一定成分的液相同时结晶出两个新固相(成分一定)的转变过程。二元共晶相图：凡是在液态下能无限互溶，在固态下有限互溶，发生共晶反应的二元合金相图。

二元共晶相图形成二元共晶相图分析44二、二元共晶相图（p28)共晶反应：在恒温下，一定成分的45α－以A组元为溶剂的固溶体；共晶相图两个匀晶相图重叠抽象1.二元共晶相图的形成β－以B组元为溶剂的固溶体；

45α－以A组元为溶剂的固溶体；共晶相图两个匀晶抽象1.二462.二元共晶相图的分析图d：

α、β结晶时，液相成分－－－液相线变化，当温度降低至E点时，

E点的成分同时与M点的α相、N点的β相平衡，

即L，α，β必然三相平衡，且在恒定温度下进行。

即：L→αL→β，直到L消失为止。

此时，全为固相，但通常已结晶出的α、β相发生溶解度的变化。图a、b的分析与二元匀晶相图一致；462.二元共晶相图的分析图d：图a、b的分析与二元匀晶相473）相图构成：

a）匀晶转变：水平线以上；

固溶线：水平线以下；

共晶转变：水平线

b）单相区：L，α，β

两相区：

L+α，L+β,β+α

三相区：

L＋α＋β

c）液相线、固相线

d）共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金473）相图构成：48铅－锡合金的二元共晶相图48铅－锡合金的二元共晶相图49二元共晶相图特点Ｌ状态下无限互溶，Ｓ状态下有限互溶；在结晶过程中，

共晶温度之上－－符合匀晶变化规律；

共晶点－－－－－发生共晶反应；

共晶温度以下－－溶解度变化，析出第二种固态组元；49二元共晶相图特点Ｌ状态下无限互溶，Ｓ状态下有限互溶；50第二章金属的晶体结构本章重点：

纯金属的晶格类型及晶体缺陷；细化晶粒的措施；合金的晶体结构；二元匀晶相图分析本章难点：铸锭组织；二元匀晶相图分析1第二章金属的晶体结构本章重点：本章难点：51本节重点晶格类型晶体缺陷

第一节纯金属的晶体结构

细化晶粒的措施本节难点铸锭组织2本节重点晶格类型晶体缺陷第一节纯金属的晶体结构52晶体与晶格

晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组织

第一节纯金属的晶体结构主要内容3晶体与晶格晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组53晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子。晶胞：代表晶格的原子排列规律的最小几何单位。一、晶体与晶格1、晶体与晶格4晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子。一、晶体与晶格541）体心立方晶格

2、典型的晶格类型：重点内容动画演示52、典型的晶格类型：重点内容动画演示55体心立方晶格

a）晶胞形状－－立方体。

b）原子分布－－结点、中心。

c）晶胞－－－－包含2个原子。

d）致密度－－－0.68

属于这类金属晶格的有：α-Fe、Cr、V、W、Mo等。6a）晶胞形状－－立方体。属于这类金属晶格的562）面心立方晶格

动画演示7动画演示57面心立方晶格

a）晶胞形状－－－立方体。

b）原子分布－－－结点、各面中心。

c）晶胞－－－－－包含4个原子。

d）致密度－－－－0.74

属于这类金属的有：r-Fe、Al、Cu、Ni等。8a）晶胞形状－－－立方体。属于这类金属的有：r-Fe583）密排六方晶格

动画演示9动画演示59密排六方晶格

a）晶胞形状－－六棱柱体。b）原子分布－－结点、上下面中心，体中心有三个。c）晶胞－－－－包含6个原子。d）致密度－－－0.74。属于这类金属的有：Mg、Zn、α－Ti等。10a）晶胞形状－－六棱柱体。属于这类金属的有：Mg、Zn、601、多晶体结构：

二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上使用的金属属于多晶体。2、金相组织：

组织是指用肉眼或在显微镜下所观察到的图象。包括晶粒或组成相的形状、尺寸、分布及相互之间的组合状态。

金相组织是在显微镜下所观察到的图象。111、多晶体结构：二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上613、晶体缺陷：重点内容

局部原子排列的不完整区域。

二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷

根据缺陷的几何形状，分为:

点缺陷线缺陷面缺陷123、晶体缺陷：重点内容二、晶体结构、金相组织与晶体缺621）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化，如强度的提高等。晶格空位、间隙原子和置换原子。131）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化，晶格空位、间隙632）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移

而造成。理想晶体刃型位错142）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部64位错与力学性能15位错与力学性能653）面缺陷：

晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度愈高。主要指晶界和亚晶界晶界亚晶界163）面缺陷：晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大66缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、间隙原子、置换原子强度、硬度提高，固溶强化等线缺陷位错加工硬化等面缺陷晶界、亚晶界易腐蚀，细晶强化17缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、强度67三、金属的结晶与铸锭组织

铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒的措施纯金属的结晶过程金属的同素异构转变单晶体与非晶态合金的制取18三、金属的结晶与铸锭组织铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒681、纯金属的结晶过程不断形核＋晶核不断长大同时进行的基本过程。液态金属形核晶核长大完全结晶191、纯金属的结晶过程不断形核＋晶核不断长大同时进行的基本69金属的结晶20金属的结晶70

2、冷却曲线与过冷度ºCLT0TnS0T0：理论结晶温度Tn：实际结晶温度ΔT=T0—Tn（过冷度）实际上ºCT0LabS0a：结晶开始点b：结晶终了点理论上}T为什么会出现水平台阶？212、冷却曲线与过冷度ºCLT0TnS0T0：理论结71金属冷却曲线的解释：Tn＝T0，液、固态平衡，自由能变化为零，不能自发结晶。△T时，液态与固态的自由能之差大于零，结晶进行。△T越大，自由能差越大，结晶推动力越大，晶体生长速度越大。

原因：

自发转变（等温等压下）的方向，能量减少。过冷是金属结晶的必要条件。22金属冷却曲线的解释：Tn＝T0，液、固态平衡，自由能变723、影响晶核尺寸的因素

重点内容1）晶粒粗细对材料力学性能的影响一般来说，晶粒愈细力学性能越好，即强度和硬度愈高，同时塑性和韧性愈好。（细晶强化）晶粒平均直径／mm抗拉强度/Pa屈服点/Pa伸长率/%9.7016.5x1074.0x10728.87.0018.0x1073.8x10730.62.5021.1x1074.4x10739.50.2026.3x1075.7x10748.80.1626.4x1076.5x10750.7晶粒大小对纯铁力学性能的影响233、影响晶核尺寸的因素重点内容1）晶粒粗细对材料力73增大过冷度：增加冷却速度；2）细化晶粒的方法：变质处理：振动：搅拌在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化粒和改善组织的工艺措施。形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？24增大过冷度：增加冷却速度；2）细化晶粒的方法：变质处理745、铸锭组织中心等轴晶粒区

表层细晶粒区过冷度大＋模壁的人工晶核作用柱状晶粒层

模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。255、铸锭组织中心等轴晶粒区表层细晶粒区柱状晶粒层756、金属的同素异构转变概念：

温度变化－－晶格类型变化。意义：利用热处理，改善材料性能。266、金属的同素异构转变概念：温度变化－－晶格类型变化。761538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方271538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Fe77

第二节合金的晶体结构

重点：

合金的晶体结构

难点：

相的概念28

第二节合金的晶体结构重点：78主要内容合金中的相固溶体金属化合物29主要内容合金中的相固溶体金属化合物79一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属性质的物质。组元：组成合金的基本元素。相：金属或合金中，凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液相；单一的固相；液相、固相两相共存；相组织性能构成决定30一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金80二、固溶体

组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀的物质，是“固态溶液”。

按溶质原子所处的位置分为：

置换固溶体：间隙固溶体：

例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。31二、固溶体组成合金的组元，在固态时相互溶解81固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加，溶剂晶格产生畸变，使金属强度、硬度升高的现象。

例如：纯铁与钢32固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加82

指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性能不同于任一组元的物质。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。三、金属化合物33指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性83

第三节二元合金的相图

重点：二元匀晶相图分析

枝晶偏析

难点：

二元匀晶、共晶相图分析34

第三节二元合金的相图

重点：二元匀晶相图分析84二元合金相图二元匀晶相图二元共晶相图35二元合金相图85

凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合金的相图，是学习二元合金相图的基础。

二元匀晶相图的建立

二元匀晶相图分析一、二元匀晶相图：36凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合金的相图，是学习86配置各种成分的合金；1.相图的建立（Cu-Ni合金为例）37配置各种成分的合金；1.相图的建立（Cu-Ni合金为例87

测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；

建立坐标系，把临界点分别标注在成分垂线上；

光滑曲线连接，填写数字、字母和相或组织名称。相图建立的演示38测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；882.二元匀晶相图分析二点：纯铜、镍的熔点二线：液相线、固相线

三区：单相的液相区（L）；单相的固溶体区（ɑ）；液相和固相共存的两相区（L＋ɑ）392.二元匀晶相图分析894090合金的结晶过程(以wNi=40％的合金为例)高温液态单相固溶体液相线开始结晶出α组织，液相的成分沿液相线变化，α的成分沿固相线变化。缓慢冷却液相减少α组织增多固相线全部结晶出α组织，液相消失41合金的结晶过程(以wNi=40％的合金为例)高温液态单相91

危害：晶粒性能不一致，影响合金的力学性能、耐蚀性、加工工艺性。

措施：即扩散退火的方法来消除或改善。3.枝晶偏析(晶内偏析):指晶体内部化学成分不均匀的现象。原因：在实际生产中，一般冷却速度较快，