金属工艺学 第三章 金属的晶体结构与结晶

金属工艺学第三章金属的晶体结构与结晶第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六基本概念

凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。非晶体:

原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六(2)晶格、晶胞

用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。基本概念第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六二、常见金属的晶体结构

1、体心立方晶格

体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。这类金属塑性较好．3.1纯金属的晶体结构

第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六2、面心立方晶格

面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe等。这类金属的塑性通常优于具有体心立方晶格的金属．3.1纯金属的晶体结构第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3、密排六方晶格

密排六方晶格如图所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和β-铬等。这类金属较脆．3.1纯金属的晶体结构第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六课堂思考常见的金属原子组成固态物质时有哪几种排列方式？第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六３－２纯金属的结晶纯金属的冷却曲线（理想状态）ºCTº

L

ab

S0a：结晶开始点b：结晶终了点第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六３－２纯金属的结晶纯金属的冷却曲线（实际）ºC

LT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六３－２纯金属的结晶一．纯金属的结晶过程：

原子团

形核

晶核长大

小晶粒

晶粒（外形不规则的小晶体）第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六二、金属的结晶过程3.2纯金属的结晶晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。纯金属结晶过程第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六形核：自身晶核、外来晶核晶界—晶粒间的分界面；单晶体—结晶方位完全一致的的晶体多晶体—由多晶粒组成的晶体结构第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六三．金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念：

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。

金属的同素异构转变的意义：

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六金属的同素异构转变同素异构转变金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）等。第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六四.金属晶体的缺陷：点缺陷——晶体空格、间隙原子线缺陷——位错面缺陷——晶界第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

１．点缺陷——晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。由于空位和间隙原子的存在

，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六２．线缺陷——位错

晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3．面缺陷面缺陷是指三维空间的一个方向上尺寸很小的晶体缺陷。

第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六４.细晶粒组织的力学性能细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核(变质处理);采用机械、超声波振动、电磁搅拌等(附加振动)；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。

用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化．它是强化金属材料的基本途径之一．第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六2、细化晶粒的方法

（1）增加过冷度

增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。

3.2纯金属的结晶形核率N、长大速度G与过冷度T

的关系第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六（2）变质处理

变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。（3）振动处理金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。

3.2纯金属的结晶第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六课堂思考Ｐ３４第３.４题．作业：第２题．第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六３－３

合金的晶体结构合金、组元、相；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；金属化合物；固溶强化的概念。本节要点：了解金属及合金的晶体结构和结晶。第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3－３合金的晶体结构——概念合金：由两种或两种以上的化学元素(至少一种是金属元素)所组成的具有金属特性的物质．组元：组成合金的基本元素。相：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：单一的液单一的固相；液相、固相两相共存；问题：水、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3.３合金的晶体结构一、基本概念1、合金

是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。2、组元

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。例：碳钢是铁和碳组成的合金。例：铜和锌就是黄铜的组元。第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3－3合金的晶体结构--概念一.固溶体:1.间隙固溶体:2.置换固溶体:3.有限固溶体:4无限固溶体:二.金属化合物:三.第二相强化:第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3－3合金的晶体结构固溶体:在固态下一种元素(或化合物)的晶格内溶解了另一种元素的原子,形成固溶体.前者为溶剂,后者为溶质.两者的晶格类型相同,固溶体是合金的一种基本结构.有限固溶体:只能有限溶解溶质.无限固溶体:可以按任何比例配制,都能互相溶解.第二相强化:使金属化合物分布在固溶体的基体上,合金的强度,硬度会明显提高.这种以金属化合物作为相强化金属材料的方法.第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六1.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。第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六2.间隙固溶体

溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限溶解溶质原子。3.３合金的晶体结构第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六二.固溶体的性能

由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。3.３合金的晶体结构一.金属化合物

:

A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六金属化合物的特点：

金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高，硬度高，而脆性大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。3.4合金的晶体结构Fe3C的晶体结构第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六第四节二元合金相图一．二元金相图的建立二．匀晶相图三．共晶相图四．具有共析反应的相图五．合金力学性能与相图的关系第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六相图进行材料研究，金相分析，制定热、铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具。了解合金系中不同成分和温度下的相的种类、相的成分及相的相对含量。了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律。即表示在平衡条件下合金组织与成分、温度之间关系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图了解由相图可作用相图的第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六（一）二元合金相图的建立

（以Cu-Ni二元合金为例）无限缓冷下测各合金的冷却曲线标注在温度—成分坐标中连接各相变点1、建立相图的思路：合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用热分析法（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。2、具体步骤：选组元，配合金系，熔化确定各合金的相变温度确定相第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六Cu-Ni合金相图的建立L如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu六组合金。（L+）第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六１.相图分析L+L两线：液相线、固相线三区：液相、液相+固相、固相A二.匀晶相图第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六２.合金结晶过程的分析二班

二元匀晶相图：指两组元在液态和固态均无限互溶时的二元合金相图。

匀晶转变：在一定温度范围内由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程。具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六３、合金的平衡结晶过程L+L12时间温度LL平衡结晶过程分析t1t2所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达到相平衡条件的一种结晶过程。第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六平衡结晶：在结晶过程中，原子的扩散在固相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变的速度，最终形成成分均匀的固溶体。L+Lt1t2t3t1t3t2第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

成份偏析：合金结晶较快，原子的扩散来不及充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀。后结晶出来的，含A元素少先结晶出来的，含A元素多４、成份偏析第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六１、相图分析共晶反应：合金在冷却到某一温度时，由一定成分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相，这就是共晶反应（L）。反应产物是两个固相的混合物，称为共晶组织或共晶体。二元共晶相图：两组元在液态下无限互溶，冷却时发生共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图。1）基本概念三．共晶相图根据相律，在二元合金中，固态下最多能同时出现两种相。这类合金包括二元共晶（或共析）合金。第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六2）相与组织相组织在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。气相、液相、固相。铁碳合金中的相、

相、相等。合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。组织可以由一种相组成，也可由多种相组成。亚共晶组织、共晶组织过共晶组织。铁碳合金中的珠光体P、铁素体F、奥氏体A等。X射线衍射分析金相显微镜、电镜等概念例子检测第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六3）共晶相图的一般特征三班LLL++A+BL+BL+AABB%TL+ABB%T第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六PbSnWSn(%)TL183327.5231.9BA1997.5ＥＦGＳL+L++4）相图分析（以Pb-Sn相图为例）P52图3-111点：共晶点4种线：共晶线固溶体脱溶线液相线和固相线6个区：L、、L+、L+、+61.9Ｃ共晶反应：L61.91997.5第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9EL+L+（+）+Ⅱ+Ⅱ+（+）L+Ⅱ+（+）+Ⅱ具组织成份的Pb-Sn合金相图1班第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六２.共晶过程分析１）共晶成份的合金；２）亚共晶成份的合金；３）过共晶成份的合金；４）无共晶反应的合金．第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9EL+L+（+）+Ⅱ+Ⅱ+（+）L+Ⅱ+（+）+Ⅱ具组织成份的Pb-Sn合金相图第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六四．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份和晶体结构完全不同的新固相的转变过程，称为共析反应．第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六四．具有共析反应的相图2班PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9E具有共晶反应的Pb-Sn合金相图第四十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元及溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶质的溶入量越多，合金的强度、硬度越高（即产生了固溶强化），同时电阻增大，电导率越低。当合金通过共晶或共析转变形成两相混合物特别是两相机械混合物，合金的力学性能主要取决于其组织的细密程度，组织越细密，则强度、硬度越高五．合金相图与合金性能之间的关系第五十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六思考题1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？2为什么晶粒越细小其力学性能越好？3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？第五十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六1.5铁碳合金本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接中的应用；本节难点：铁碳合金状态图的理解；铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。第五十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六1.5.1铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。第五十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六两种反应：1148℃1、共晶反应

一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)第五十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六2、共析反应一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A2.11%c

727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c第五十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

1.5.2铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm第五十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

铁碳合金相图中主要特性点的含义

特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义ACDEGPSQ

1538114812271148912727727

室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度第五十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期六相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。第五十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期六典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：

含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁

含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%—0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；第五十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

1.5.3铁碳合金状态图分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C转变第六十页，共六十九页，编辑于2023年，星期六

A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析第六十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期六过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析第六十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期六L’d—变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析第六十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期六钢碳素钢碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广)碳素工具钢(T8等)合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢

耐磨钢其它量具钢模具钢刃具钢轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢低合金结构钢（<1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6工业用钢分类及选材第六十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期六热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线T℃其它热处理形变真空激光1.7钢的热处理第六十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期六1.7.1退火和正火退火：

将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。目的：降低