第二章 材料的结构与结晶

第2章材料的结构与结晶2.2晶体结构理论2.3晶体缺陷理论2.4纯金属结晶2.5合金的结晶与相图2.6铁碳合金相图

晶体

——材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体：蜂蜡、玻璃等晶体：金刚石、NaCl、冰等

非晶体

——原子无规则堆积液体●晶体与非晶体2.2晶体结构理论晶体与非晶体的根本区别不在外形，关键是内部的原子（或离子、分子）的排列情况。晶体与非晶体的特点：晶体：固定的熔点在不同方向上具有不同的性能（各向异性）非晶体：没有固定的熔点各向同性●晶体学基本概念晶体的结构：晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列1.晶格金属晶体离子晶体分子晶体根据结合键类型的不同共价晶体原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶胞点阵（晶格）模型晶格—通过质点的中心划出许多空间直线形成的空间格架2.晶胞—能够完全反映晶格特征的最小的几何单元晶胞XYZabc晶格常数a，b，c

1.体心立方结构

2.面心立方结构

3.密排六方结构●金属晶体结构1.体心立方晶格金属原子位于立方晶胞的八个角上和立方体的体心如：-Fe、W、Gr、Mo等1.体心立方晶格体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===902.晶胞原子数：一个晶胞内的原子数3.原子半径：晶胞中原子最密排的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半4.致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积2

4

r3/3XYZabc2r2raa21.晶格尺寸：晶胞的大小2.面心立方晶格-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc43.密排六方晶格C（石墨）、Mg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.742.3晶体缺陷理论实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致

的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷在实际金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，不可避免的或多或少的存在一些原子偏离规则排列的区域1.点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子2.线缺陷

—刃型位错与螺旋位错刃型位错刃型位错螺旋位错3.面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。晶体液体结晶结晶：

液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）液态固态气态长程无序短程有序一、纯金属的结晶条件二、纯金属的结晶过程三、晶粒大小及控制四、同素异构转变

2.4纯金属的结晶一、纯金属的结晶条件热分析法：把纯金属置于坩锅内加热成均匀熔体，而后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化，直至结晶完毕后冷却到室温。

冷却曲线tTTmTn}

T过冷度

T=T0-Tn平衡结晶温度实际结晶温度

T越大－Tn越低过冷度的大小与金属的本性和纯度的不同以及冷却速度有关2.冷却速度愈大，过冷度ΔT愈大。1.同一种金属，纯度越高，过冷度ΔT愈大。注意：若极其缓慢的进行冷却，过冷度ΔT几乎接近于零，但是不管冷却速度有多慢，都无法在理论结晶温度进行结晶。实际金属总是在过冷条件下结晶，由热力学条件决定自然界的一切自发转变过程，总是由一种能量较高的状态趋向于能量较低的状态，能量最低的状态最稳定。固、液处于动平衡高于Tm，液态比固态自由能低，金属处于液态更稳定低于Tm，金属处于固态更稳定二、纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程液体尺寸大的原子集团变得稳定，成为结晶核心晶核按各自方向吸收液体中的金属原子而变大1.形核过程两种形核方式

——自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。2.晶核长大过程两种长大方式——

平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长三、细化金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓（1）提高过冷度形核率N、长大速度G

与过冷度

T

的关系

TG，NGN细化晶粒的措施（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。四、同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fcc770铁磁性一、合金相结构二、二元合金相图2.5合金的结晶与相图1．匀晶相图2．共晶相图3．共析相图一、合金相结构1.合金的基本概念合金

通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。

相在金属或合金中，凡成分相同、聚集状态相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称之为相。组织

在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体。固溶体

2.合金中的相结构溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金间隙固溶体

溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。置换固溶体

溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置分类两种类型的固溶体

置换固溶体

间隙固溶体2.合金中的相结构无限固溶体

当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体有限固溶体

当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体按溶质原子在金属溶剂中的溶解度分类：固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。固溶强化：由于外来原子（溶质原子）溶入基体中形成固溶体而使其强度、硬度升高的现象。细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象金属化合物

若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种具有金属特性的新物质，称金属化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）。金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。二、二元合金相图1.相图的意义及相关概念1.合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。2.相图用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。2.二元合金状态图的建立热分析法测定合金状态图：以Cu-Ni合金相图测定为例(1)配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ

25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。(2)测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；(4)将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。(3)将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；3.匀晶相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区结晶时由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程，称为匀晶转变匀晶转变的特点：1.结晶过程也包括形核和晶核长大两个过程。2.匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。匀晶合金的结晶过程abcdT,CtL

L

L匀晶转变

L

冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

4.共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线

+

L

+

L

+

固溶线

固溶线两组元在液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共晶转变形成共晶组织的二元系相图共晶转变分析PbSnT,CL

+

L

+

L

+

共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLd

c

+

e共晶反应要点PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtL

L

LL+

冷却曲线

+

Ⅱ

Ⅱ1234{PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedX1合金结晶特点T,CtL

L

LL+

冷却曲线

+

Ⅱ

Ⅱ1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相

固相。2.要经过脱溶反应，室温组织组成物为+Ⅱ组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析

（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL

(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedX3合金结晶过程分析

（亚共晶合金）X3T,CtLL+

(+)+

+

Ⅱ12(+)+

PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedL+(+)+

标注了组织组成物的相图5.共析相图共析转变：

(+)共析体ABT,C

+

+

+

cedL

+

L2.6铁碳合金相图1纯铁和铁碳合金中的相2铁碳合金相图分析3铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fcc770铁磁性§1纯铁和铁碳合金中的相一、纯铁及其同素异构转变工业纯铁含杂质：0.1％～0.2％碳含量很低，硬度和强度很低，工程上应用很少。常用铁碳合金

碳在中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。用A或

表示。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。强度低、塑性好。

碳在中形成的间隙固溶体，体心立方晶格。用F

或

表示。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。性能与纯铁相似。二、铁碳合金的相结构1.铁素体2.奥氏体3.渗碳体

渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，分子式Fe3C。含碳6.69%，Fe3C硬度高、强度低、脆性大，塑性几乎为零。一、相图分析§2铁碳合金相图分析1.相图上重要的点、线、区液相线—ABCD固相线—AHJECFD五个单相区：

L－液相区－高温铁素体相区－奥氏体相区－铁素体相区Fe3C－渗碳体相区七个两相区:L+

、L+

、L+Fe3C、

+

、

+Fe3C、

+

、

+Fe3C（1）HJB：包晶线转变线

LB+δH⇄

J

2.三个重要恒温转变三条重要的水平线：HJB线、ECF线、PSK线共晶产物是

与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。（2）ECF：共晶转变线

LC⇄

E+Fe3C共析转变的产物是

与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,起强化作用，强度和硬度高，但塑性差。（3）PSK：共析转变线

S⇄FP+Fe3C3.三条重要的特征线ES—碳在

-Fe中的溶解度曲线（固溶线）。又称Acm线PQ—碳在

-Fe中的固溶线。GS—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3线§2铁碳合金相图分析一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类

①纯铁

:wc

<0.0218%

②钢亚共析钢:wc=

0.0218~0.77%共析钢:wc=0.77%过共析钢:wc=

0.77~2.11%③白口铸铁

亚共晶白口铁:wc=

2.11~4.3%共晶白口铁:wc=

4.3%过共晶白口铁:wc=

4.3~6.69%典型铁碳合金结晶过程图

图5-2二、典型铁碳合金结晶过程分析1.含碳0.01%的工业纯铁

2.含碳0.77%的共析钢（合金②）

3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③）

4.含碳1.2%的过共析钢（合金④）

5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤）

6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥）7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）

1.含碳0.01%的工业纯铁

图5-3工业纯铁结晶过程2.0.77%共析钢结晶过程

图5-5共析钢结晶过程示意图

3.亚共析钢结晶过程

图5-7亚共析钢结晶过程示意图4.1.2%C的过共析钢的结晶过程

图5-9过共析钢的结晶过程铁碳合金组织特征图(a)0.01%C铁素体500×(c).0.77%C珠光体

500×(b)0.45%C铁素体+珠光体

500×d).1.2%C

铁素体+二次渗碳体

500×图5-115.共晶白口铁的结晶过程

图5-12共晶白口铁的结晶过程示意图6.亚共晶白口铁结晶过程

图5-14亚共晶白口铁结晶过程示意图

7.过共晶白口铁结晶过程

图5-16过共晶白口铁结晶过程示意图三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响1.含碳量对平衡组织的影响

图5-18含碳量对平衡组织的影响示意图

从图中可以看出,铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：（沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状）→（沿A晶界呈网状分布）→共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→（分布在莱氏体上的粗大状）。

2.含碳量对铁碳合金机械性能的影响图5-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响

随着含碳量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量大于1.0%时，由于网状二次渗碳体的出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适当的塑性、韧性，其含碳一般不超过1.3～1.4%。含碳量大于2.11%的铁碳合金，即白口铸铁，由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工，除少数耐磨件外很少应用。

四、相图的实际应用

1.为选材提供成分依据

低碳钢（0.10~0.25%C）:适用于要求塑性，韧性好的零件，如建筑结构和容器等。中碳钢（0.25~0.60%C）:适用于要求强度、塑性、韧性都较好的零件，如轴等。高碳钢（0.6~1.3%C）:适用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如工具等。

白口铸铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。

2.为制定热加工工艺提供依据

对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.

对于锻造：确定锻造温度。

对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。

对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。§3碳钢

一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响

Mn、Si:它们大部分溶于铁素体中，强化铁素体；一部分Mn能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，同时Mn还能与S化合成MnS，减轻S的有害作用。

S:S不溶于铁，而以FeS形式存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶体，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在热加工时，会沿着FeS-Fe共晶体边界开裂，钢材变得极脆，产生热脆性。

P:P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，产生“冷脆”。

二、碳钢的分类、编号和用途

1.碳钢的分类

(1)按含碳量分类低碳钢:wc=0.01~0.25%

中碳钢:wc=0.25~0.6%

高碳钢:wc=0.6~1.3%

(2)按质量分类普通碳素钢:ws≤0.055%wp≤0.045%

优质碳素钢:ws、wp

≤0.035~0.040%

高级优质碳素钢:ws

≤0.02~0.03%