《机械制造基础》课件ppt版 作者徐年富 项目五 铁碳合金1

项目五铁碳合金【项目描述】通过本项目知识点的学习，了解金属晶体结构，了解常用铁碳合金材料，掌握常用铁碳合金牌号、用途、含义，合理选择材料，通过观察判断材料性能。【知识目标】1）掌握金属的结构与结晶基本知识。2）掌握铁碳合金的基本组织，并能熟练运用铁碳合金相图。3）掌握碳素钢的基本知识。4）了解金属的变形和再结晶基本知识。5）了解铸铁及其性能。【技能目标】1）掌握常用测量工具的使用方法，如金相显微镜等。2）能正确使用常用测量工具进行零件金相组织的测定，判断组织性能。3）学会观察铁碳合金的常见金相组织。项目引入：泰坦尼克号材料要求任务一了解金属的结构与结晶金属：是指具有金属光泽、良好导电性、导热性、一定强度和塑性的物质；具有金属特性的元素称为金属元素；金属材料：在所有应用材料中，凡是由金属元素或是以金属元素为主而形成的、具有一定金属特性的材料通称为金属材料。一、纯金属的晶体结构1、晶体与非晶体晶体－材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体－材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。区别(a)、是否具有周期性、对称性(b)、是否长程有序(c)、是否有确定的熔点(d)、是否各向异性2、晶体的结构描述Ａ.理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续，无边界·严格按周期性规划排列。是完整的、无缺陷·原子在其平衡位置静止不动晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。Ｂ.理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格(crystallattice)（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞(unitcell)（具有周期性最小组成单元，or能完全反映晶格特征的最小几何单元)。晶体晶格晶胞3、晶胞的描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c晶格常数(latticeconstant)

cXZYOαβγba布拉菲空间点阵晶胞晶向(crystaldirection):

在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数:

用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。确定方法:设置坐标;求投影坐标;取最小整数。晶面(crystalface):

在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。晶面指数(indicesofcrystallographic

plane):

用密勒(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。确定方法:设置坐标;求截距;取倒数。4、典型的金属晶体类型：典型的金属晶体类型

属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等

属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。

属于此类结构的金属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。体心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。1+8×1/8=2

原子半径：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，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：r=(a)1/3/4配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。8致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积×100%。68%（1）体心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube

晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%（2）面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%（3）密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o

2868%FCCa=b=c,a=b=g=90o

41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/261274%密排面与密排方向

{110},(111){111},(110)底面,底面上任意相邻原子的连线二、金属的实际金属结构理想晶体+晶体缺陷——实际晶体实际晶体——单晶体和多晶体1、单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致——各自异性多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成——各自同性2、实际金属的晶体缺陷(crystaldefect)

实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。

a、点缺陷b、线缺陷（位错）c、面缺陷（1）点缺陷(pointdefect)

——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位(vacancy)

：

晶格结点处无原子置换原子(gapatom)

：

晶格结点处为其它原子占据

间隙原子(substitutionalatom)

：

原子占据晶格间隙间隙原子、置换原子示意图晶格畸变：固溶体随着溶质原子的溶入而发生晶格畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。（2）线缺陷(linedefect)

－位错(dislocation)

：

——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排刃型位错(screwdislocation)

螺型位错(bladedislocation)（3）面缺陷(surface-defect)

——

一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域晶界(grainboundary):晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界(sub-boundary):相邻晶粒位向很小(一般1～2°)的小角度晶界。表面（surface）等

区域：大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界晶界处的主要特征：原子排列不规则，对金属的塑性变形有阻碍作用晶界处原子能量较高，因此熔点较低晶界处容易满足固态相变所需能量起伏，形核率高晶界处有较多空位，原子沿晶界扩散速度快晶界处电阻较高，且易被腐蚀三、合金的晶体结构1、基本概念：合金：一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，通过熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质称为合金。组元：组成合金的独立的最基本的物质叫做组元，简称为元。相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。组织：用肉眼或显微镜的观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。2、固溶体组成合金的组元在液态时能够相互溶解形成均匀的单相液体，凝固后仍能相互溶解形成均匀的单相固体，这种单相固体称为固溶体。固溶体实质是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。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂；晶格消失的组元称为溶质。①固溶体的分类溶质原子的位置置换固溶体晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近间隙固溶体原子半径较小溶解度有限固溶体——无限固溶体——分布有序度有序固溶体——无序固溶体——②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，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。空位引起的晶格畸变置换原子引起的晶格畸变3、金属化合物

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。特点：熔点、硬度高、脆性大。4、机械混合物单一固溶体：强度、硬度较低单一化合物：硬而脆机械混合物——不是一种单一相四、金属材料的组织组织的概念：是指用金相观察的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。“组织结构”组织的决定因素：主要取决于它的化学成分和工艺过程。组织与性能的关系：金属材料的性能是由金属内部组织结构所决定。五、纯金属的结晶过程及铁的同素异构转变结晶与凝固的区别：凝固：L→S

S可以是非晶物质由液态转变成固态的过程。结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程or物质中的原子由近程有序列向长程有序排列的过程。 一次结晶：L→S晶态 二次结晶：S→S晶态

近程有序 长程有序1、纯金属的结晶过程过冷现象(supercooling)过冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=Tm–Tn过冷是结晶的必要条件。Why?TmTn时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线结晶平台(是由结晶潜热导致)结晶热力学理论简介：自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能≤0体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能结晶驱动力——ΔG≤0a

当温度Tn>Tm时，Fs>FL,液相稳定b

当温度Tn<Tm时，Fs<FL,固相稳定c

当温度Tn=Tm时，Fs=FL,平衡状态Tm：理论结晶温度Tn：实际结晶温度可见，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，ΔGv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。实验证明：纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷

(Undercooled)的条件下才能结晶。过冷度：△T=Tm-Tn,→

△F用来克服界面能

结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度结晶过程：a.形核：自发形核、非自发形核b.长大：平面长大、树枝状长大密集面非密集面树枝状长大平面长大晶粒尺寸控制：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。形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。过冷度对形核一长大的影响：过冷度△T提高，N提高、G提高过冷度△

T太高，D降低——N降低、G降低细化晶粒的方法：①提高过冷度过冷度△

T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化②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，以细化晶粒和改善组织。③振动，搅拌等结晶的一般规律