《工程材料与金属热加工》 课件 项目2 金属的结构与结晶

项目2金属的结构与结晶

纯金属的结晶纯金属的晶体结构二元合金相图学习目标与技能要求1.掌握晶体的晶格、晶胞、晶格常数、晶界等概念的含义。2.掌握纯金属的晶体结构、同素异构转变等内客，深入、微观地认识金属的本质。3.掌握晶体缺陷的种类、特征及对晶体结构和性能的影响。4.掌握合金的相结构，了解固溶体和金属化合物在合金组织中的作用。5.了解结晶基本过程及晶粒大小的控制。6.掌握二元合金相图的建立、物理意义。7.掌握均晶相图、杠杆定律、枝晶偏析、共晶相图、共析相图以及典型合金的结晶过程。8.掌握合金性能与相图的关系。2案例导入物质是由原子构成的。根据原子在物质内部排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。纯金属和合金在固态下通常都是晶体。金属是由原子组成的，原子堆而成的不仅仅是金属的“外表”，更像人类的基因组一样决定了金属的“性格”差异。活性炭、石墨和全刚石都是由碳元素构成的，可谓“一奶同胞”。但三者所表现出的宏观性能却截然不同，主要原因就在子它们内部的碳原子排列方式不同。金刚石，不导电，但硬度极高，能做割玻璃刀；石墨，能导电，但硬度低，还有润滑作用等；活性炭和木炭一样具有疏松多孔的结构，有吸附作用。3材料晶体——原子排列长程有序，有周期非晶体——原子排列短程有序，无周期ZnS型石英玻璃(非晶体)石英晶体(晶体)熔点一定性能呈各向异性

§2.1纯金属的晶体结构

晶胞常数：a、b、c、α、β、γ晶格常数：a、b、c简单立方晶胞：a＝b＝cα＝β＝γ＝90℃晶体晶格（空间点阵）晶胞一、晶体的描述纯金属的晶体结构结点晶面、晶面指数、晶面族:致密度：晶向、晶向指数、晶向族:配位数：纯金属的晶体结构有关晶格的基本概念二、金属中常见的晶格类型体心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）纯金属的晶体结构金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti三、晶体的各向异性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc纯金属的晶体结构结论：同一晶格内不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格类型、同一名称晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（晶向）对应一晶面族（晶向族），其面间距（原子排列紧密程度）不同∴单晶体具有各向异性单晶Fe的弹性模量：E＜111＞=290000MN/m2E＜100＞=135000MN/m2E

=210000MN/m2

Fe的弹性模量：纯金属的晶体结构晶体缺陷的概念晶体缺陷的产生单晶体和多晶体单晶体多晶体实际金属材料是由许多粒状单晶体组成的——晶粒晶粒大小（d：平均直径）——晶粒尺寸每一晶粒内部晶格位相基本一致每个晶粒有许多亚晶粒组成实际金属性能是各晶粒性能平均值（各向同性）实际金属结构及晶体缺陷晶体缺陷的分类点缺陷空位及间隙原子置换原子特征：①本身尺寸很小，但晶格畸变可波及很远②空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中线缺陷（位错）刃型位错螺型位错电子显微镜下观察到的位错线（50,000X）特征：①在位错线方向尺寸大②位错线周围产生晶格畸变位错密度（ρ）：cm/cm3

一般金属中ρ=104～1012cm/cm3晶体缺陷的分类面缺陷——晶界、亚晶界亚晶界（位错墙模型）晶界特征：①属面接触②产生晶格畸变晶体缺陷的分类晶体缺陷对材料性能的影响使实际金属的强度远远小于理想金属晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高对实际金属来说，晶体缺陷越多(尤其位错)，强度、硬度越高，塑性、韧性越低滑移的实质：位错在切应力作用下运动的结果晶体缺陷对塑性变形的影响……必须具有金属特性合金冶炼、烧结、喷涂…合金化方法组成合金最基本的独立物质组元给定组元配制出的一系列合金合金系合金中具有相同成分、结构、聚集状态，并以界面相互隔开的均匀的组成部分合金相（相）金相显微组织金相磨面在显微镜下观察到的构造情况

§2.2合金的晶体结构有关合金的基本概念

①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质

②保有溶剂的晶格结构

③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化④产生晶格畸变特征

合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相概念合金的相结构1、固溶体固溶体的分类：置换固溶体间隙固溶体

影响固溶体类型、溶解度的因素

晶格类型

原子尺寸

电化学性（电负性）

电子浓度（价电子数与原子数的比值）固溶体的形成对金属性能的影响

固溶强化：关于固溶强化概念：

合金组元之间通过化合作用所形成的一种相对稳定的相分类：

金属化合物——具有金属性质，直接对合金性能产生影响非金属化合物——脆性大，一般为杂质

特征：

①可以用化学式（AmBn）表示，但不一定遵守化合价规律正常价化合物：Mg2Si

Mg2Pb电子价化合物：CuZn

Cu5Zn8

CuZn3间隙化合物：WC

VC

Fe3C

Cr23C6

Fe3C2、化合物VC合金的相结构

②一定程度上具有金属的性质

③晶格结构完全不同于任一组元

④熔点高、硬而脆特征：

①可以用化学式（AmBn）表示，但不一定遵守化合价规律对合金性能的影响：

弥散分布片状分布网状分布σ、H有一定的δ(ψ)、akH

σ、δ(ψ)、akσ、H

δ(ψ)、ak弥散强化2、化合物凝固的概念:

液体-->固体（晶体或非晶体）结晶的概念:液体-->晶体结晶的过冷现象

§2.2纯金属的结晶当T=T0

时，FL=FS，两相平衡当T>T0

时，FL<FS，液相稳定当T<T0

时，FL>FS，固相稳定过冷度：

T=T0-Tn结晶的必要条件：

必须有过冷度！影响过冷度的因素实际结晶温度Tn：

V冷Tn

T

纯度Tn

T

§2.2纯金属的结晶晶体液体结晶条件适宜

T长大

晶核晶粒结晶的一般过程晶胚

枝晶长大（实际金属）平面长大（小体积液体）晶体生长方式树枝状晶体形貌形核率（N）长大速度（G）孕育期（τ）——金属液体达到结晶温度后实际结晶前需要等待的时间N、G越大，结晶越快结晶温度越低，

T

越大，

τ

越短与结晶有关的概念晶粒度的概念晶粒大小对性能的影响——表示晶粒大小程度的物理量评定标准：100×与标准图比较（…，-1，0，）1

～

8

（9，10，…）d（晶粒度）晶界多，强度硬度晶粒多，塑性韧性细晶强化结晶后晶粒的大小细晶强化增加过冷度进行变质处理（孕育处理）增加液体的流动结晶时细化晶粒的方法采用冷却能力强的铸模提高液体金属的过冷能力增加形核率降低长大速度增压浇注机械搅拌超声波振动1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒——成分、温度、压力——用图解的方法表示合金的状态（相）与成分、温度之间的关系——结晶或相变过程中，各相成分及相对重量不再改变时所达到的一种动态平衡

§2.3二元合金相图平衡相图有关相图的基本概念相平衡相图（状态图）影响合金中组织形态的因素建立合金系测定冷却曲线，找出相变临界点将各相变点对应在成分—温度坐标图上，并连接具有相同意义的点相图的建立（热分析法）相图的建立过程——用图解的方法表示合金的状态（相）与成分、温度之间的关系相图（状态图）相图的建立过程相图的建立（热分析法）建立合金系测量合金的冷却曲线连接临界点匀晶相图相图分析特点合金的结晶过程(绘制冷却曲线)实例：Cu-Ni,Fe-Cr,Ag-Au,Cr-Mo,W-Mo——L、α两相均能无限互溶ABLαL+α132

T/℃液相线固相线k典型二元合金相图匀晶相图的结晶过程CuNi确定合金冷却过程中L、α的成分杠杆定律——确定L、α的相对重量ABLα13223444液相成分沿液相线变化固相成分沿固相线变化典型二元合金相图设：m=1晶内偏析典型二元合金相图ABLα13223444消除方法：扩散退火平衡结晶的匀晶合金组织Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织

共晶相图特点共晶反应共晶体——液相无限互溶、固相有限互溶；E点发生共晶反应BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β温度wSn（%）α

：以Pb为溶剂、Sn为溶质的固溶体β：以Sn为溶剂、Pb为溶质的固溶体典型二元合金相图恒温

共晶相图相图分析BCDFEA