材料成形基础3-组织结构

2023/2/51第二章金属材料的组织结构§2-2铁碳合金相图§2-1金属材料的晶体结构与结晶2023/2/52

物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。C60§2.1.1金属的晶体结构一、晶体概念

二、三种常见的金属晶格*二、立方晶系晶面、晶向指数四、晶体的各向异性2023/2/53一、晶体概念1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2023/2/542、晶格与晶胞⑴晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵(晶格)2023/2/55⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2023/2/56⑷晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。2023/2/57⑸原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。*⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。*⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。2023/2/58*二、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。⑴晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：2023/2/59①

确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。2023/2/510例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、

0,化为最小整数加圆括弧得（320）例三.画出（112）晶面

取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距2023/2/511⑵

晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：2023/2/512①

确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。2023/2/513例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]2023/2/514⑶

晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw>表示。2023/2/515立方晶系常见的晶面为：2023/2/516{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY2023/2/517立方晶系常见的晶向为：2023/2/518<111>[111][111][111][111]XZY2023/2/519说明：①

在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]2023/2/520三、三种常见的金属晶格1、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。2023/2/521⑴

体心立方晶格2023/2/522体心立方晶格2023/2/523体心立方晶格的参数2023/2/524体心立方晶格原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：2023/2/525⑵面心立方晶格2023/2/526面心立方晶格2023/2/527面心立方晶格的参数2023/2/528

a42r=：原子半径原子个数：4配位数：

12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格2023/2/529⑶密排六方晶格2023/2/530密排六方晶格的参数*2023/2/531**2023/2/532a21r=：原子半径原子个数：6配位数：

12致密度：0.74常见金属：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格2023/2/5332023/2/534⑷三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线32023/2/535三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格2023/2/536体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面2023/2/537四、晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，这叫晶体的各向异性。2023/2/538§2.1.2

实际金属晶体中的晶体缺陷变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图一、多晶体结构单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。2023/2/539沿晶断口铅锭宏观组织2023/2/540晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图2023/2/541二、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。2023/2/542①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子2023/2/543a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙2023/2/544c.

置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。2023/2/545空位和间隙原子引起的晶格畸变2023/2/546②线缺陷—晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上已滑移区与未滑移区的交界线称作位错。刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。2023/2/547位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

2023/2/548电子显微镜下的位错观察2023/2/549③面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。亚晶粒是晶粒内部的尺寸很小,位向差也很小(10’~2

)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。晶界示意图亚晶界示意图亚晶组织2023/2/550晶界的特点：①

原子排列不规则。②

熔点低。③

耐蚀性差。④

易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤

阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥

是相变的优先形核部位

显微组织的显示2023/2/551一、结晶的概念物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶§2.1.3纯金属的结晶2023/2/552纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。自由能（Ｆ）：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量。理论结晶温度（Ｔ0）：结晶速度与溶解速度相等时所对应的温度(Ｆ液=Ｆ晶）。结晶驱动力△Ｆ＝Ｆ液－Ｆ晶2023/2/553冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度

T=T0

–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。2023/2/554二、结晶时晶核的形成和成长过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核（自发晶核）。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核（外来晶核）。非均匀形核更为普遍。2023/2/5563、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。实际金属结晶主要以树枝状长大.因晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。树枝状长大的实际观察2023/2/558树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶2023/2/559二、结晶时晶核的形成和成长过程结晶过程：晶核的形成和成长（晶核分自发晶核与外来晶核）。成长方式：枝晶成长。2023/2/560缺陷的形成：在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的嵌镶块、亚晶界、位错等。三、影响晶核的形成和成长速率的因素过冷度影响因素液体中的不熔杂质表面细晶粒层四、金属铸锭的组织柱状晶粒层中心等轴晶粒层细晶组织机械性能较粗晶好。2023/2/5612023/2/562在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。2023/2/563⑴表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。2023/2/564⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。2023/2/565⑶中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。2023/2/566铸造时细化晶粒的主要方法1、增加冷却速度:

例如：由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。2、变质处理:

例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)3、物理方法:

振动、搅拌等67金属的同素异构转变同素异构转变----固态金属由一种晶格转变为另一种晶格的变化过程。Fe、Co、Mn、Ti等金属结晶以后，在继续冷却时，随着温度等外界条件的改变，晶体结构还会发生变化。-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜§2.2.1固态合金的相结构相:是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织:是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金一、固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固

相称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体①

置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织②

间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金

属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。③

固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物④

固溶体的性能随溶质含