金属材料的晶体结构与结晶课件.pptx
,金属材料的晶体结构与结晶,工程材料及成形工艺基础,目 录,1.1 纯金属的晶体结构与结晶,物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固体物质可分为晶体与非晶体两类。晶体内部的原子按一定几何形状作有规则的周期性排列，如金刚石、石墨、固态金属与合金等。非晶体内部的原子无规则地排列在一起，如松香、沥青与玻璃等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。,非晶体,晶体,1.1.1 纯金属的晶体结构,1.晶体结构的基本知识,图2-1 晶体结构示意图,1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三大类。,1）体心立方晶格 bodycentered cubic lattice,特点：b 较好。如：912 Fe, Cr, Mo, V等。,含有2个原子体积组成。,2）面心立方晶格 facecentered cubic lattice,特点： 较好。如： 912 Fe ,Cu, Al 等金属。,含有4个原子体积组成。,3）密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice,特点：硬度高、脆性大。如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属。,a=bc,1）单晶体和多晶体 晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，如图2-5（a）所示。单晶体材料具有独特的化学、光学和电学性能，因此，在半导体、磁性材料和高温合金材料等方面得到了广泛的应用。 多晶体是由许多位向不同、外形不规则的小晶体构成的，如图2-5（b）所示。这些形状各异的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的交界称为晶界。,图2-5 单晶体和多晶体,3.金属的实际晶体结构,2）晶体缺陷 在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：（1）点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。,图2-6 点缺陷示意图,（2）线缺陷。线缺陷是指在晶体中呈线状分布（在一个方向上尺寸很大，另两个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的线缺陷是线位错。线位错包括刃型位错和螺型位错两种。刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其示意图如图2-7所示，是指在晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排。某原子面在晶体内部中断，中断处的边缘就是一个刃型位错，刃口处的原子列称为刃型位错线。金属中存在大量的位错，在外力作用下会产生运动、堆积和缠结使位错附近区域产生晶格畸变，阻碍晶体变形，导致金属强度升高。,图2-7 刃型位错示意图,（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。 晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为510个原子间距。晶界区域的晶粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性和韧性。,图2-8 面缺陷示意图,1.1.2 纯金属的结晶,1.结晶过程 金属的结晶过程可用冷却曲线描述。如图2-9所示为纯金属的冷却曲线，它表明了熔融金属经缓慢冷却所表现出的温度随时间的变化规律。,图2-9 纯金属的冷却曲线,如图2-10所示，描述了液态金属的结晶全过程，包括形核和长大两个过程。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属完全凝固。,图2-10 液态金属的结晶过程示意图,1.金属结晶后的晶粒大小1）晶粒大小对金属力学性能的影响 在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好；反之，则力学性能越差。因此，生产实践中总是希望使金属及其合金具有较细的晶粒组织。 高温下工作的材料晶粒过大和过小都不好，一般情况下，细晶粒在高温时易蠕变、易腐蚀；而粗晶粒则正好相反。但是，在有些情况下希望晶粒越大越好，如制造电动机和变压器的硅钢片。,2）晶粒大小的控制 晶粒的大小主要取决于形核速率N（简称为形核率）和长大速率G（简称为长大率）。形核率N是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数。长大率G是指单位时间内晶核长大的线速度。 凡是促进形核率，抑制长大率的因素，都能细化晶粒。生产中为了细化晶粒，提高金属的力学性能，常采用以下方法：,1.2 合金的晶体结构与结晶,合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。 合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。,1.1.1 合金的晶体结构,1.固溶体 合金结晶时，若组元相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。固溶体按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占位置的不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。,1）置换固溶体 置换固溶体是指溶质原子占据了溶剂原子晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，如图2-11所示。,图2-11 置换固溶体晶格结构示意图,2）间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图2-12所示。一般情况下，当溶质原子半径与溶剂原子半径之比小于0.59时，容易形成间隙固溶体；当两者原子半径大小相差不大时，容易形成置换固溶体。间隙固溶体中，溶质原子在溶剂晶格间隙中的分布往往是无序的，故形成无序固溶体。另外，由于溶剂晶格中间隙的尺寸和数量是一定的，因而间隙固溶体只能是有限固溶体，而且其溶解度也不可能很大。,图2-12 间隙固溶体晶格结构示意图,虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的大小和性质不同，溶质原子的溶入必然导致溶剂晶格的畸变，如图2-13所示。对于置换固溶体，溶质原子较大时，引起溶剂晶格正畸变；溶质原子较小时，引起溶剂晶格负畸变，见图2-13（a）。对于间隙固溶体，溶剂晶格总是产生正畸变，见图2-13（b）。显然，溶质原子大小差别越大，溶剂中溶入的溶质原子越多，所形成的固溶体的晶格畸变就越严重。,图2-13 固溶体中的晶格畸变,1.金属化合物 根据金属化合物的形成条件及结构特点，可将其分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种类型。,（1）间隙相。间隙相是非金属原子处于晶格的间隙之中形成与其本身晶格类型不同的一种新结构。例如，钒为体心立方晶格，但它与碳组成碳化钒（VC）时，钒原子却构成面心立方晶格，碳原子占据晶格的所有六面体间隙位置，如图2-14（a）所示。 （2）间隙化合物。间隙化合物的晶体结构很复杂，有的一个晶胞中就含有几十到上百个原子。Fe3C是钢中的一种基本相，也是重要的间隙化合物，称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格，如图2-14（b）所示。,图2-14 间隙相和间隙化合物的晶体结构,1.二元匀晶相图1）二元匀晶相图的分析 二元匀晶相图是指两组元在液态和固态情况下均无限互溶的二元合金相图。从液相结晶出单相固溶体的结晶过程称为匀晶转变。,图2-15 Cu-Ni二元匀晶相图,1.1.2 合金的结晶,2）合金的平衡结晶过程 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。以图2-15中含wNi=60%（Ni的质量分数为60%）的Cu-Ni合金为例，分析这类合金的平衡结晶过程及结晶后的显微组织。作该合金的成分垂线（即合金线）与液相线和固相线分别交于1（温度t1）点和2（温度t2）点。在1点以上的合金为液相L，当缓慢冷却至1点时，开始从液态合金中结晶出浓度为1的固溶体。随着温度的降低，固溶体沿着固相线由G1点改变至G2点，同样，液相成分将由L1点沿液相线改变至L2点。当缓慢冷却到2点时，合金线与固相线相遇。结晶结束，此时固溶体的成分2就是原合金的成分。其他成分合金的结晶过程也与此完全类似。固溶体合金平衡结晶后的显微组织与纯金属类似，是由多面体的固溶体晶粒所组成的。,3）质量分数计算 在二元匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分是一定的，两相的质量比也是一定的，可以根据杠杆定律来计算。,图2-16 杠杆定律的证明和力学比喻,4）非平衡结晶过程 固溶体结晶过程中液相和固相的成分是不断变化的，在平衡结晶条件下，原子的扩散在液相、固相之间进行得非常充分，因而形成成分均匀的固溶体。但在实际铸造过程中，合金的结晶非常快，原子的扩散特别是固相中的扩散往往来不及充分进行，结果使得先结晶的固溶体含Ni多，后结晶的固溶体含Ni少，这样一个晶粒内部出现先形成的心部含Ni多，后形成的外层含Ni少。这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，一般又称为枝晶偏析。晶内偏析会导致合金的塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，还会给热加工带来困难。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温，并进行长时间保温，使原子充分扩散，来获得成分均匀的固溶体，这种处理称为扩散退火。,1.二元共晶相图1）二元共晶相图的分析 二元共晶相图是指两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的二元合金相图。此二元合金在缓慢冷却到某个温度时会发生同时结晶，析出两种成分不同的固相，这一过程称为共晶转变。Pb-Sb、Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si、Zn-Sn等二元合金相图都属于二元共晶相图。,图2-17 Pb-Sn二元共晶相图,2）二元共晶合金的结晶过程 根据二元共晶相图，二元共晶合金可以分为：C点以左和D点以右成分的合金称为边际（端部）固溶体合金（即固溶体和固溶体合金），E点成分的合金称为共晶合金，C、E之间成分的合金称为亚共晶合金，E、D之间成分的合金称为过共晶合金。,图2-18 边际固溶体合金的冷却曲线及结晶过程,（1）边际固溶体合金的结晶。边际固溶体合金的冷却曲线及结晶过程如图2-18所示。,（2）共晶合金的结晶。共晶合金的冷却曲线及结晶过程如图2-19所示。,图2-19 共晶合金的冷却曲线及结晶过程,共晶点温度t1以上合金处于液相状态。当冷却至共晶点温度t1时，合金发生共晶转变，即由液相同时结晶出和两种固相。共晶转变完成后，两相的质量分数可由杠杆定律计算，即,共晶结晶完成后继续缓冷，共晶体中的和两相成分分别沿CF和DG变化，并从和两相中分别析出和两相。由于和两相常与共晶转变时形成的和两相连在一起，显微镜下很难分辨，因而合金室温平衡组织为+ 。 Pb-Sn二元合金的共晶组织如图2-20所示，图中黑色为相，白色为相，两相呈片层状交替分布。,图2-20 Pb-Sn二元合金的共晶组织,（3）亚（过）共晶合金的结晶。成分在C、E之间的Pb-Sn二元合金都属于亚共晶合金，如合金。当合金缓冷时，先结晶出相，记为，然后发生匀晶转变。当温度降至共晶温度时，合金由C点的和E点的液相L组成，此时的液相发生共晶转变直到结晶结束，生成共晶体+ 。当温度降至共晶温度后继续冷却，合金发生二次结晶， 不断析出 ，成分由C变为F。因此，合金室温平衡组织为+ +（ + ）。Pb-Sn二元合金的亚共晶组织如图2-21所示。,图2-21 Pb-Sn二元合金的亚共晶组织,过共晶合金的冷却与结晶过程的分析方法与步骤和亚共晶合金基本相同，只是先析相为，次生相为，合金室温平衡组织为+ +（ + ）。Pb-Sn二元合金的过共晶组织如图2-22所示。,图2-22 Pb-Sn二元合金的过共晶组织,3.二元包晶相图 两组元液态无限互溶，固态有限互溶，冷却时发生包晶转变的二元合金相图称为二元包晶相图。如Pt-Ag、Cd-Hg、Ag-Sn、Sn-Sb等二元合金相图都属于二元包晶相图。 所谓包晶转变是指合金冷却至某一温度，已结晶的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生反应，生成另一种成分的固相的转变过程。,图2-23 Pt-Ag二元包晶相图,当合金通过共晶、包晶转变形成两相混合物，特别是两相机械混合物时，合金的性能往往是两组成相性能的平均值，即性能与成分成线性关系。这种情况下各相的分散度对性能有较大的影响。如共晶成分及接近共晶成分的合金的组成相细小分散，且混合均匀，则其强度、硬度可提高。 铸造性能取决于合金相图中的液相线与固相线之间的水平间隔，间隔越大，合金的铸造性能越差。压力加工性能取决于合金的相数，通常单相固溶体的压力加工性能好，而两相混合物组成的合金，如共晶合金的压力加工性能就比较差。对于切削性能而言，单相固溶体的切削性能不够好，而两相混合物组成的合金切削性能较好。,1.3 铁碳合金相图,1.3.1 金属的同素异构转变 固态下的同素异构转变与液态结晶类似，也是形核与长大交替并存的过程，也会放出结晶潜热。为与液态结晶区别开来，固态下的结晶过程又称为相变重结晶。如图2-24所示为纯铁的同素异构转变冷却曲线。,图2-24 纯铁的同素异构转变冷却曲线,1.3.2 铁碳合金的基本相,1.铁素体 铁素体是碳在 -Fe中的间隙固溶体，用F或表示。铁素体为体心立方晶格结构，溶碳能力极差，在室温下仅有0.000 8%，在727 时，其溶碳能力达到最大，即0.021 8%。因此，铁素体室温时的性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性和韧性好。 铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒，且晶界曲折，如图2-25所示。,图2-25 铁素体的显微组织示意图,1.奥氏体 奥氏体是碳在-Fe中的间隙固溶体，用A或表示。奥氏体的溶碳能力较大，在1 148 时，其溶碳能力可达1.11%。因此，奥氏体强度、硬度不高，但塑性好，故钢材的热加工一般都在奥氏体状态下进行。 奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈明亮的多边形晶粒，但晶界较铁素体平直，如图2-26所示。,图2-26 奥氏体的显微组织示意图,3.渗碳体 渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，用Fe3C表示，属于斜方晶格，其含碳量为6.69%，熔点为1 227 ，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，极脆。渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，所以渗碳体是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大的影响。另外，渗碳体是介稳化合物，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。,1.铁碳合金相图的建立 铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于wC6.69%时的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，而Fe3C可以作为一个独立的组元，因而所研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如图2-27所示。为便于分析和研究，图中左上角部分已简化。,图2-27 简化后的铁碳合金相图及室温组织图,1.3.3 铁碳合金相图分析,1.铁碳合金相图的特征点、特征线和特征相区1）铁碳合金相图的特征点铁碳合金相图的特征点见教材表2-2。2）铁碳合金相图的特征线铁碳合金相图的特征线见教材表2-3。3）铁碳合金相图的特征相区铁碳合金相图的特征相区见教材表2-4。3.含碳量对铁碳合金力学性能的影响 根据铁碳合金中含碳量和室温组织的不同，将铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三种，见教材表2-5。,在锻造方面的应用处于奥氏体状态下的钢，其强度较低，塑性较好，便于锻造。因此，一般把钢加热到高温单相奥氏体区进行压力加工。,在选择材料方面的应用利用铁碳合金成分、组织和性能的变化规律，可以根据零件的要求来选择材料。,在铸造方面的应用在铁碳合金相图中，共晶成分附近的合金结晶温度低，流动性好，分散缩孔少，铸造性能良好，因此，合适的浇注温度一般在液相线以上50100 。,在焊接方面的应用对于钢材而言，含碳量越低，焊接性能越好。因此，低碳钢比高碳钢易于焊接。,在热处理方面的应用可根据铁碳合金相图来确定钢的各种热处理工艺的加热温度。,4.铁碳合金相图的应用,谢谢观看！,工程材料及成形工艺基础,
