金属工艺学 第三章

金属工艺学第三章1第一页，共三十二页，编辑于2023年，星期五第三章金属的晶体结构与结晶第一节纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念1.晶体与非晶体概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质——称晶体；非晶体则反之。特点：晶体——①有熔点；②具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。

非晶体——①无熔点；②各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。2第二页，共三十二页，编辑于2023年，星期五二、晶格与晶胞晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：组成晶格最基本的几何单元。ab晶胞示意图原子3.晶格常数——a,b,ca=b=c且互垂直表示晶胞几何形状大小晶体中的原子排列晶面结点形成的原因：各原子之间相互吸引力与排斥力相平衡结果。c3第三页，共三十二页，编辑于2023年，星期五

⑵形状——正方体⑶原子位置——8个顶点和立方体的中心各一个原子。⑷晶胞实有原子数2个原子(8×1/8+1)

。

（5）具有体心立方晶格的金属：α-Fe、Cr、W、Mo、V等1.体心立方晶格

⑴原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。

三、常见的晶格类型4第四页，共三十二页，编辑于2023年，星期五2.面心立方晶格

⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

⑵形状——立方体⑶原子位置——8个顶点和六个面的中心各一个原子。⑷晶胞实有原子数4个原子(8×1/8+6×1/2)。

（5）具有面心立方晶格的金属γ-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等。

5第五页，共三十二页，编辑于2023年，星期五3.密排六方晶格

⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。

⑵形状——六方柱体⑶原子位置——两个底面、12个顶点和柱体内部3个原子。⑷晶胞实有原子数6个原子(12×1/6+2×1/2+3)

。

（5）具有密排六方晶格的金属Mg、Zn等。

6第六页，共三十二页，编辑于2023年，星期五四、实际金属的晶体结构（一）、多晶体结构晶粒晶界多晶体示意图由多个单晶粒组成的晶体为多晶体晶粒、晶界◆

显微组织：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同的组成物。（二）、晶格缺陷1、点缺陷：在长、宽、高方向尺寸都有很小变化的一种晶体缺陷。间隙原子晶格空位7第七页，共三十二页，编辑于2023年，星期五2、线缺陷：在晶格中呈线状分布的缺陷。3、面缺陷：呈面状分布的缺陷。线缺陷面缺陷8第八页，共三十二页，编辑于2023年，星期五第二节纯金属的结晶一、结晶的概念1、结晶由液态转变为固体晶体的过程。或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程。或者描述为：晶体结构形成的过程。如水——冰2、冷却曲线与过冷现象ΔT℃T0T1时间O冷却曲线★平台：结晶过程时间。是结晶时放出的热（潜热）造成的。★T0——理论结晶温度T1—实际结晶温度T0—T1=

ΔT过冷度过冷是结晶的必要条件！9第九页，共三十二页，编辑于2023年，星期五结论：冷却速度↗——△T↗——实际结晶温度↗二、纯金属的结晶过程过程：不断形核和晶核不断长大的过程。三、晶粒大小对金属力学性能的影响1、晶粒越细小，力学性能越高。10第十页，共三十二页，编辑于2023年，星期五2、细化晶粒方法：（1）提高冷却速度，增加△T。（2）孕育处理（变质处理）。（3）附加振动或搅拌。11第十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期五四、金属的同素异构转变铁丝加热实验示意图铁丝标尺支架现象：加热时铁丝伸长，到912℃开始收缩。若冷却时从1000℃到912℃出现伸长现象。◆概念：金属在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转变的现象-——同素异构转变。◆冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象。实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变12第十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期五冷却曲线：温度℃时间—liquid结晶过程δ—Fe

体心立方晶格γ—Fe

面心立方晶格α—Fe体心立方晶格转变式：δ—Fe

→

γ—Fe→α—Fe1394℃体心面心体心912℃1538℃13第十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期五第三节合金的晶体结构

组织:是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。

合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元:组成合金的最基本独立单元。14第十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期五纯金属合金结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存

熔点以上：液相熔点以上：液相结晶完毕：单一固相

结晶完毕：组元发生相互作用化合物组元彼此均匀溶解固溶体固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。15第十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期五一、固溶体（一）定义：合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体16第十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期五1.置换固溶体

溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。17第十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期五2.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。

形成条件：溶质原子直径很小而溶剂晶格间隙较大,一般

d溶质/d溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。18第十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期五二、金属化合物（一）定义

合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物，或称中间相。（二）性能

熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。固溶强化：溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。3、固溶体的性能19第十九页，共三十二页，编辑于2023年，星期五第四节二元合金相图合金相图：又称为合金平衡图或合金状态图。它表示在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成分之间关系的图。二元合金相图的建立：二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）1、配制一系列不同成分的铜镍合金2、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。3、曲线特点：20第二十页，共三十二页，编辑于2023年，星期五（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）。（3）将各临界点描绘在温度－成分坐标系中得到图（b）。21第二十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期五二、匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时，所构成的相图称为二元匀晶相图。1、相图分析液相线之上为液相区，用L表示液相线与固相线之间是液、固两相，用L+α

固相线下方为固相区，用α表示A点为铜的熔点B点为镍的熔点22第二十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期五以图中K点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出α固溶体；随着温度的下降，α相增多，而L相减少；至2点时，结晶过程结束，L相全部转变为α相2、合金结晶过程分析23第二十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期五三、共晶相图：二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。共晶体：共晶反应的产物是共晶体。共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。24第二十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期五25第二十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期五1、相图分析（1）共晶点C点－－α相＋β相（2）共晶线ECF线－－LC→αE+ΒF(3)固溶体脱溶线

α固溶体或β固溶体随着温度的下降，溶解度也不断的下降。图中ES线表达了α固溶体脱溶的变化规律，FG线表达了β固溶体的变化规律。ES、FG线称为固溶体脱溶线。

α固溶体脱溶产物是β相，称为二次β相（β1）

β固溶体脱溶产物是α相，称为二次α相（α1）恒温26第二十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期五2、结晶过程分析：（1）共晶成分的合金C点成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷却过程中经过C点时发生共晶反应，生成共晶体。LC→αE+ΒF(2)亚共晶成分的合金E、C点之间成分的合金，称为亚共晶合金。如图合金Ⅱ，在冷却过程中经过1点时结晶出α1相；经过2点时，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却α1相还会脱溶出βⅡ相。C室温组织为α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下恒温27第二十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期五(3)过共晶成分的合金C、F点之间成分的合金，称为过共晶合金。如图合金Ⅲ，在冷却过程中经过1点时结晶出β1相；经过2点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却β1相脱溶出αⅡ相，最终组织为β1＋αⅡ＋(α+β)。L→L+β1→β1＋(α+β)→β1＋αⅡ＋(α+β)（4）无共晶反应的合金E点左侧和F点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1点时结晶出α1相,经过2点时全部转变为α1相,经过3点时,开始脱溶出βⅡ相,即

L→L+α1→α1→α1＋βⅡ

同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1相和αⅡ相生成。最终组织为

β1＋αⅡ

。123122以下28第二十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期五四、具有共析反应的相图自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新