模块二　金属学的基本知识

第一篇金属材料及热加工基础模块二金属学的基本知识课题一金属的晶体结构任务1建立晶体结构的模型任务说明◎通过金属晶体结构物理模型的建立，明确金属晶体结构的描述方法。技能点◎通过完成本任务，明确科学研究的一种基本方法——建立模型，使复杂问题简捷、清晰、具有可表述性。知识点◎非晶体、晶体、晶格、晶胞、晶面和晶向等概念。◎晶体与非晶体的比较与转化。一、任务实施物质都是由原子（或分子）组成的，原子（或分子）的排列方式和空间分布称为结构。（一）任务引入试说明如何建立晶体结构的模型，以便简捷、清晰地表述金属的内部结构。（二）分析及解决问题1．晶体与非晶体（1）晶体凡是内部原子或分子在三维空间内按照一定几何规律做周期性的重复排列的物质称为晶体。（2）非晶体凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体。2．晶体模型的构建及其相关概念（1）晶格用来表示原子在晶体中排列规律的空间格架就称为结晶格子，简称晶格。（2）非晶体凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体。2．晶体模型的构建及其相关概念（1）晶格用来表示原子在晶体中排列规律的空间格架就称为结晶格子，简称晶格。（2）晶胞根据晶体中原子排列规律性和周期性的特点，为便于讨论，通常从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，以表示晶格中原子排列的规律性，这个最小几何单元就称为晶胞，如图2-2b所示。通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，称为晶轴。常以晶胞棱边的长度a、b、c和棱边之间的夹角α、β、γ六个参数作为晶格参数，表示晶胞的几何形状和大小，如图2-3所示为晶格参数表示法。（3）晶面和晶向1）晶面。在晶格中由一系列原子中心所构成的平面称为晶面。如图2-4所示为立方晶格中的一些晶面。2）晶向。通过任意两个原子中心并指示出方向的直线称为晶向。晶向可代表晶格空间排列的一定方向，如图2-5所示为立方晶格中的几个晶向。二、知识链接（一）晶体与非晶体的比较1．晶体与非晶体的根本区别在于其内部的原子排列是否有规则。2．晶体物质有固定的熔点，当温度升高时，固态晶体将在一定温度下转变为液态。而非晶体物质没有固定的熔点，随着温度升高，固态非晶体物质将逐渐变软，最终变为有显著流动性的液体。3．晶体表现的是的各向异性。而非晶体表现出各向同性。（二）晶体与非晶体的转化晶体和非晶体虽然有上述区别，但在一定条件下也是可以相互转化的。如非晶态玻璃在高温下长时间加热后可以变为晶态玻璃，即钢化玻璃。而有些金属如从液态快速冷却，也可以制成非晶态金属。同晶态金属相比，非晶态金属有很高的强度和韧性等。任务2认识金属的晶体结构任务说明◎分析三种典型的理想晶体结构，了解实际金属的晶体结构及其对金属性能的影响。技能点◎了解金属的晶体结构及其对金属性能的影响。知识点◎体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子排列规律。◎单晶体、多晶体、晶粒、晶界、晶体缺陷的概念。◎金属的晶体结构对金属性能的影响。一、任务实施不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，在不同的条件下其性能也是不同的。金属性能的这些差异实质上是其晶体结构的差异造成的。（一）任务引入试说明金属晶体结构的差异并分析其内在规律。（二）分析及解决问题1．金属的典型晶格类型（1）体心立方晶格1）原子排列规律。晶胞是一个立方体。2）常见金属。α-Fe（铁）、Cr（铬）、Mo（钼）、W（钨）、V（钒）等。（2）面心立方晶格1）原子排列规律。晶胞也是一个立方体，如图2-7所示。这种晶格也只用一个晶格常数a表示即可。在面心立方晶胞的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。2）常见金属。属于这类晶格的金属有γ-Fe（铁）、Ni（镍）、Al（铝）、Cu（铜）、Pb（铅）、Au（金）等。（3）密排六方晶格1）原子排列规律。晶胞是一个正六棱柱体。。正六棱柱体是由六个长方形的侧面和与侧面相垂直的两个正六边形的底面构成的，因此，需要用两个晶格常数来表示，即用正六棱柱体底面的边长a和柱体的高度c来表示。2）常见金属。属于这类晶格的金属有Mg（镁）、Zn（锌）、Cd（镉）、Be（铍）等。2．实际金属的晶体结构（1）单晶体和多晶体1）单晶体。内部的晶格位向（即原子排列的方向）基本一致的晶体称为单晶体。2）多晶体。由许多晶格位向不同的小单晶体组成的晶体称为多晶体，这些位向不同的小单晶体称为晶粒。，如图2-9所示为多晶体示意图。晶粒的外形呈多面体颗粒状，相邻晶粒之间的界面称为晶界。（2）晶体缺陷实际金属晶体中出现的各种不规则原子排列的现象称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。任务3认识合金的晶体结构任务说明◎分析合金的晶体结构及其性能特点。技能点◎掌握合金的晶体结构及其性能特点。知识点◎合金、组元、相、组织等基本概念。◎合金的晶体结构及其性能特点。一、任务实施纯金属虽然得到一定的应用，但它的强度、硬度一般都较低，而且价格较高，在使用上受到很大的限制。所以工业生产中应用最广泛的是各种合金。（一）任务引入什么是合金？与合金相关的基本概念有哪些？合金的晶体结构和性能有哪些特点？（二）分析及解决问题1．基本概念（1）合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素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物质称为组元。（3）合金系当组元不变，而组元比例发生变化时，可以得到一系列不同成分的合金，称为合金系。（4）相合金中化学成分、结构及性能相同的均匀部分称为相，不同的相之间有明显的界面。（5）组织合金的组织是指合金中不同种类、形状、大小、数量和分布方式的相，相互组合而成的综合体，组织是通过金相分析的方法观察到的。2．合金的相（1）固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。1）置换固溶体。溶质原子代替部分溶剂原子，占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体2）间隙固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。（2）金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用分子式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，其性能特点是熔点较高、硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。以金属化合物作为强化相强化金属材料的方法称为第二相强化。课题二纯金属的结晶任务分析纯金属的结晶过程任务说明◎通过纯金属结晶过程的分析，了解金属的结晶过程及规律，明确金属的晶粒大小对力学性能的影响，掌握生产中细化晶粒的方法。技能点◎晶粒大小对力学性能的影响及细化晶粒的方法。知识点◎纯金属的结晶过程。◎晶粒大小的控制方法。◎金属的同素异构转变。一、任务实施（一）任务引入分析纯金属的结晶过程和规律以及生产中晶粒大小的控制方法。1．纯金属的冷却曲线及过冷度（二）分析及解决问题由图可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断向外散失，温度不断下降。当液态金属冷却到理论结晶温度T0时并不开始凝固，而是冷却到T0以下某一温度Tn

时才开始结晶。在结晶过程中，由于释放结晶潜热而补偿了冷却时散失的热量，使结晶温度并不随时间的延长而下降，在冷却曲线上出现了“平台”。结晶终了后，温度又继续下降。通常把金属在无限缓慢冷却条件下结晶的温度称为理论结晶温度，用T0

表示。从冷却曲线可知，金属的实际结晶温度Tn

总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0

和实际结晶温度Tn

之差（ΔT=T0-Tn

）称为过冷度。2．纯金属的结晶过程3．金属结晶后的晶粒大小（1）晶粒大小对力学性能的影响在常温下，金属的晶粒越细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。（2）晶粒大小的控制1）增加过冷度。能使晶粒细化。2）变质处理。起到细化晶粒的作用。3）振动处理。细化晶粒。二、知识链接（一）金属的同素异构转变金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变特性的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。由于同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为该金属的同素异晶体。由图可见，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。（二）纯铁的同素异构转变课题三铁碳合金的基本组织任务分析铁碳合金的基本组织任务说明◎分析铁碳合金的基本组织，明确铁碳合金基本组织的性能特点。技能点◎掌握铁碳合金的基本组织及其性能特点。知识点◎铁碳合金的基本组织。◎铁碳合金基本组织的性能特点。一、任务实施（一）任务引入分析铁碳合金的基本组织，并说明哪些是单相组织，哪些是两相组织，哪些是固溶体，哪些是金属化合物?（二）分析及解决问题铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。其中铁素体、奥氏体、渗碳体为单相组织，即铁碳合金的基本相；珠光体和莱氏体为两相组织。铁素体、奥氏体为固溶体，渗碳体为金属化合物。二、知识链接（一）铁素体碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示，其模型如图2-17所示。在727℃时，α-Fe中的最大溶碳量仅为0.0218%，随着温度的降低，α-Fe中的溶碳量逐渐减小，在室温时碳的溶解度几乎等于零。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒状，如图2-18所示。（二）奥氏体碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示，其模型如图2-19a所示。由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148℃时溶碳量可达2.11%，随着温度的降低，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳量为0.77%奥氏体的显微组织如图2-19b所示。（三）渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其碳含量为6.69%，分子式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同，如图2-20所示。渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高，塑性极差，断后伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的相。（四）珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物，其显微组织如图2-21所示。在缓慢冷却条件下，珠光体的碳含量为0.77%。由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其性能介于两组成相的性能之间，故珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。（五）莱氏体莱氏体是碳含量为4.3%的铁碳合金，是在1148℃时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以，在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号Ld来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，其显微组织如图2-22所示。课题四铁碳合金相图任务1分析铁碳合金相图任务说明◎分析铁碳合金相图中特性点和特性线的含义及各相区的组织。技能点◎掌握铁碳合金相图中特性点和特性线的含义及各相区的组织。知识点◎铁碳合金相图的概念。◎铁碳合金相图中特性点和特性线的含义及各相区的组织。◎铁碳合金的分类及室温时的组织。一、任务实施（一）任务引入根据铁碳合金相图分析特性点和特性线的含义，并说明各相区的组织及铁碳合金的分类。（二）分析及解决问题1．铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在极其缓慢冷却（或极其缓慢加热）的条件下，不同成分铁碳合金的组织状态随温度变化的图解。碳含量大于6.69%的铁碳合金的脆性很大，没有实用价值，因此，一般所说的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。如图2-23所示为简化后的Fe-Fe3C相图，图中纵坐标表示温度，横坐标表示碳含量（质量分数）。2．铁碳合金相图中特性点和特性线的含义（1）Fe-Fe3C相图中的特性点及其含义见表2-2。（2）Fe-Fe3C相图中的特性线及其含义在Fe-Fe3C相图上，有若干合金状态的分界线，它们是不同成分合金具有相同含义的临界点的连线。几条主要特性线的含义如下：1）ACD线（液相线）。此线以上区域全部为液相，用L来表示。2）AECF线（固相线）。液态合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固相区。3）GS线。此线是冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线（或加热时铁素体转变成奥氏体的终了线），用符号A3

表示。奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。4）ES线。此线是碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线（固溶线），用符号Acm

表示。5）PQ线。此线是碳在铁素体中的饱和溶解度曲线（固溶线）。6）ECF线（共晶转变线）。7）PSK线（共析转变线）Fe-Fe3C相图中的特性线及其含义见表2-3。（3）铁碳合金的分类及其室温组织1）工业纯铁。碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织是铁素体。2）钢。碳含量为0.0218%～2.11%的铁碳合金称为钢。根据其碳含量及室温组织的不同，又可分为：①亚共析钢。0.0218%≤wC<0.77%，室温组织是铁素体和珠光体。②共析钢。wC=0.77%，室温组织是珠光体。③过共析钢。0.77%<wC≤2.11%，室温组织是珠光体和二次渗碳体。3）白口铸铁。碳含量为2.11%～6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其碳含量及室温组织的不同，又可分为：①亚共晶白口铸铁。2.11%<wC<4.3%，室温组织是珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。②共晶白口铸铁。wC=4.3%，室温组织是低温莱氏体。③过共晶白口铸铁。4.3%<wC<6.69%，室温组织是一次渗碳体和低温莱氏体。课题四铁碳合金相图任务2应用相图分析铁碳合金的组织转变任务说明◎通过对铁碳合金结晶过程的分析，明确各种铁碳合金的结晶过程和规律，能用文字或冷却曲线表达铁碳合金的结晶过程。技能点◎运用铁碳合金相图分析铁碳合金的结晶过程。知识点◎铁碳合金结晶过程的分析。一、任务实施（一）任务引入应用铁碳合金相图分析铁碳合金的结晶过程和组织的变化规律。（二）分析及解决问题下面以典型的铁碳合金为例，分析它们的结晶过程及组织转变，典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置如图2-24所示。1．共析钢（wC=0.77%）图2-24中合金Ⅰ为wC=0.77%的共析钢，其冷却曲线及室温组织示意图如图2-25所示。当液态合金冷却到与AC线相交的1点时，开始从液相中结晶出奥氏体（A），到2点时液态合金结晶终了，此时合金全部由奥氏体组成。在2点到3点间，组织不发生变化。当合金冷却到3点时奥氏体发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。温度再继续下降，组织基本上不发生变化。共析钢在室温时的组织是珠光体2．亚共析钢图2-24中合金Ⅱ为wC=0.45%的亚共析钢，其冷却曲线及室温组织示意图如图2-26所示。液态合金冷却到1点时开始结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，从奥氏体中开始析出铁素体。随着温度下降，析出的铁素体量增多，剩余的奥氏体量减少，而奥氏体的碳含量沿GS线增加。当温度降至与PSK线相交的4点时，奥氏体的碳含量达到0.77%，此时剩余奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。4点以下至室温，合金组织基本上不发生变化。亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成。3．过共析钢图2-24中合金Ⅲ为wC=1.2%的过共析钢，其冷却曲线及室温组织示意图如图2-28所示。液态合金冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点结晶完毕。2点到3点间为单相奥氏体。当合金冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的碳含量达到饱和。继续冷却时，由于碳在奥氏体中的溶解度减小，过剩的碳以渗碳体的形式从奥氏体中析出（二次渗碳体），它沿奥氏体晶界呈网状分布。再继续冷却，析出的二次渗碳体的数量增多，剩余奥氏体中的碳含量降低，随着温度下降，奥氏体中的碳含量沿ES线变化，当温度降至与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中的碳含量达到0.77%，于是发生共析转变，奥氏体转变成珠光体。从4点以下至室温，合金组织基本上不发生变化。最后得到珠光体和网状二次渗碳体组织。过共析钢的显微组织如图2-29所示。4．白口铸铁图2-24中合金Ⅳ是共晶白口铸铁，合金Ⅴ表示某一成分的亚共晶白口铸铁，合金Ⅵ表示某一成分的过共晶白口铸铁。同理，根据铁碳合金相图可以分析它们的结晶过程和所得的室温组织。共晶白口铸铁的显微组织如图2-30所示，亚共晶白口铸铁的显微组织如图2-31所示，过共晶白口铸铁的显微组织如图2-32所示。课题四铁碳合金相图任务3铁碳合金相图在生产中的应用任务说明◎掌握铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系，明确铁碳合金相图在生产中的应用。技能点◎了