材料与成形技术.ppt

封面,目 录,1.1 概述 1.1.1 金属材料的发展 1.1.2 非金属材料及复合材 料的发展 1.1.3 新材料的发展趋势1.2 固体材料的性能1.3 金属的结构 1.3.1 金属的晶体结构 1.3.2 实际金属的晶体结构1.4 金属的结晶 1.4.1 纯金属的冷却曲线和 过冷现象 1.4.2 金属的同素异构性 1.4.3 金属铸锭的组织1.5 二元合金 1.5.1 二元合金的相结构 1.5.2 二元合金相图,1.5.3 相图与性能的关系1.6 铁碳合金 1.6.1 铁碳合金的基本相 和基本组织 1.6.2 铁碳合金相图1.7 碳钢 1.7.1 碳钢的分类 1.7.2 碳钢的牌号1.8 铸铁 1.8.1 铸铁的分类及特性 1.8.2 铸铁的石墨化过程 1.8.3 铸铁的牌号与性能1.9 钢的热处理 1.9.1 钢在加热时的组织转变 1.9.2 钢在非平衡冷却时的转变 1.9.3 钢的常用热处理工艺 1.9.4 钢的形变热处理,1.9.5 钢的表面淬火 1.9.6 钢的化学热处理1.10 钢中的合金元素 1.10.1 合金元素在钢中的 分布 1.10.2 合金元素在钢中的 作用1.11 合金钢 1.11.1 合金结构钢 1.11.2 合金工具钢 1.11.3 特殊性能钢1.12 非铁金属材料 1.12.1 铝及铝合金 1.12.2 铜及铜合金 1.12.3 镁合金 1.12.4 钛合金 1.12.5 轴承合金,第1章 工程材料,材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一，对生产力的发展有深远的影响。历史上曾把当时使用的材料，当作历史发展的里程碑，如“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一。周朝是青铜器的极盛时期，到春秋战国时代，已普遍应用铁器。直到19世纪中叶，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的工程材料。科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。人类早在6 000年以前就发明了金属冶炼，公元前4000年，古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5 000年以前，就用含镍7.5的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。,1,1.1 概述,1.1.1 金属材料的发展,1.1.2 非金属材料及复合材料的发展,铸铁的发展经历了5 000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2006年，全世界的钢产量由2.1亿吨增加到12.39亿吨。而我国2006年钢产量达到4.19亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量一倍，跃居全球钢产量首位。在黑色金属发展的同时，非铁金属也得到发展。人类自1866年发明电解铝以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属。1910年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求。,非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进入到20世纪后，更是取得了重大的进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今发展最快，其产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代，有机合成材料每年以14的速度增长，而金属材料年增长率仅为4。1970年世界高分子材料为4 000万吨，其中3 000万吨为塑料；橡胶为5 000万吨，这已超过天然橡胶的产量；合成纤维400万吨。20世纪90年代，塑料产量已逾亿吨，按体积计，已超过钢铁产量。2005年我国塑料产量达到2 198.55万吨。,2,1.1.3 新材料的发展趋势,陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要用材。航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展对材料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料的研究和应用引起了人们的重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。,随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。图1-1为材料比强度随时间的进展的示意图，该图表明今日先进材料强度比早期材料增长50倍。,图1-1 材料比强度随时间的进展,3,1.2 固体材料的性能,4,新材料主要在以下几方面获得发展：1.先进复合材料 由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料。2.光电子信息材料 光电子信息材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。3.低维材料 指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。4.新型金属材料 如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。,固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。,1.强度和塑性,图1-2 载荷的形式,材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。,5,材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。,图1-3a为低碳钢拉伸试验测得的应力应变图。试验时将材料做成如图1-3b标准试样，试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力，以(单位：Pa)表示。可按下式计算：,6,(1-1),1)弹性和弹性模量 试样加载后应力不超过e，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。e为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。图中Op为直线，表示应力()与应变()成正比。P点是保持这种正比关系的最高点，p称为比列极限。p与e在数值上很接近，应用时两者常取同一数值。,图1-3 低碳钢拉伸应力应变图,2)塑性,7,Op的斜率E(E=)称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。工程上把弹性模量E称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。,弹性模量E主要取决于材料的化学成分、合金化、热处理，冷热加工对它的影响很小。室温时钢的弹性模量E 在190 00022 000 MPa之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。,载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率和断面收缩率表示。,(1-2),式中:l试样拉断后对接的标距长度，mm；l0试样原标距长度，mm。,(1-3),3)强度,8,式中 S0试样原始横截面积，mm2。S 试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2)。、愈大，表示材料的塑性愈好。伸长率的值随试样原始长度增加而减小。所以，同一材料的短试样(l05d0，d0为试样原标距直径)比长试样(l010d0)的伸长率大20左右。用短试样和长试样测得的伸长率分别用5和10表示。金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不至于突然断裂，提高零件使用的可靠性。,在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。当材料承受拉力时，强度主要是指屈服强度s和抗拉强度b。(1)屈服强度s 如图1-3所示，在s点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。s即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB 2281987要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2时的应力（记为p0.2），作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用0.2表示。,2.硬度,9,（1-4）,式中:F0.2试样产生0.2塑性变形时的外力。零件在工作时一般不允许发生塑性变形。所以，屈服强度是零件设计时的主要参数。（2）抗拉强度 抗拉强度为图1-3所示的b值，是试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂。s与b的比值称为屈强比，其值一般在0.650.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的s与b均有很大的影响。,硬度是指金属材料表面抵抗其它硬物体压入的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度值和抗拉强度等其它力学性能指标之间存在一定关系，故在零件图上，对力学性能的技术要求往往是标注硬度值。,表1-1 常用硬度指标测试方法和适用范围,10,生产中也常以硬度作为检验材料性能是否合格的主要依据，并以材料硬度作为制定零件加工工艺的主要参考。测定硬度最常用的方法是压入法，工程上常用的硬度指标是布氏、洛氏和维氏硬度。硬度测定的方法和适用范围见表1-1。由于各种硬度试验的条件不同，因此，相互间没有换算公式。但根据试验结果，可获得大致的换算关系如下：HBW10 HRC；HBWHV。,3.冲击韧度,11,评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度aK。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB 229-1984制成带U形缺口的标准试样，将具有质量G（单位：kg）的摆锤举至高度为H（单位：m），使之自由落下（图1-4），将试样冲断后，摆锤升至高度h（单位：m）。如试样断口处的截面积为S（单位：cm2）。则冲击韧性aK（单位：J/cm2)的值为：,图1-4 摆锤冲击试验 图1-5 材料的冲击韧度值温度关系曲线,4.疲劳强度,12,aK=,(1-5),式中：S试样缺口处的原始截面积，cm2。材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。第二次世界大战中，美国建造了约5 000艘全焊接“自由轮”。其中在1942年至1946年间发生破断的船舶达1 000艘，1946年至1956年之间有200艘发生严重折断事故。1943年1月美国的一艘T-2y油船停泊在装货码头时断裂成两半。当时计算的甲板应力水平仅为70 MPa，远远低于船板钢的强度极限。1945年1948年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验，得知材料的冲击韧度值随温度的降低而减小（图1-5），当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为“冷脆”。该温度范围称为“冷脆转变温度范围”。其数值愈低，表示材料的低温冲击性能愈好。这对于在低温下工作的零件具有重要的意义。,许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。,图1-6 疲劳曲线,13,金属材料所受的最大交变应力max 愈大，则断裂前所经受的循环次数N（疲劳寿命）愈少，最大交变应力max与循环周次N构成的曲线，称为疲劳曲线，如图1-6所示。当最大交变应力max低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示循环次数N可以达到无穷大，而试样仍不发生疲劳断裂，该交变应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用-1表示。一般规定钢材的循环次数N为107，非铁金属为108。零件的疲劳失效过程分为三个阶段：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂。产生疲劳断裂的原因，是由于材料内部的缺陷、加工过程中形成的刀痕、尺寸突变导致的应力集中等。材料的强度愈高，疲劳强度也愈高。当工件表面留存残余压应力时，材料表面疲劳极限提高。,材料的疲劳强度与其抗拉强度之间存在一定的经验关系，如碳钢-10.43b，合金钢-10.35b12MPa。因此在其他条件相同的情况下，材料的疲劳强度随抗拉强度的提高而增加。,5.断裂韧度,14,一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。如图1-7所示，材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子K（单位：Nmm-2/3）来描述。,K=,(1-6),随或 a 增大，K亦增大。当K增大到某一临界值时，使裂纹尖端的应力场大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致材料发生断裂。这个应力强度因子K的临界值，称为材料的断裂韧度，用KC表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。它是材料本身的特性，与材料的成分、热处理及加工工艺等有关。,图1-7 张开型裂纹及其尖端应力场示意图,6.金属的高温力学性能,15,材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度S、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。,蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。在911恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？这里部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。,视频1 世界贸易中心大楼倒塌,纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411m，单个塔楼的重量约5万吨，美国凭借高强度的建筑钢材，和高水平的结构设计技术建成了这个庞然大物。事实证明纽约世界贸易中心大楼的建筑钢材和结构设计都是过得硬的，大楼不仅经历了近30年的风雨依然完好，甚至这次飞机的巨大撞击也未能使之立即倾倒。,从911事件看高温蠕变,撞击大楼的波音757飞机起飞重量104 t，波音767飞机起飞重量156 t，它们的飞行速度大约是每小时1 000 km。从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大，但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1 m，但无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35 t燃油，波音767飞机可载51 t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它们的满满一飞机油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材，而它上部楼层约数千吨到上万吨的重量自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时的重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。北京时间9月11日晚20:45 第一架飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。由于这种波音757飞机所载燃油较少，加上撞击位置较高，上层压力较小，所以大火烧了很久，直到北京时间9月11日晚22:28，大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。,16,1.3 金属的结构,固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。1.3.1 金属的晶体结构,17,图1-8 晶体中原子排列示意图,1.晶体和金属的特性 原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”，如图1-8a所示。晶体具有固定的熔点。金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正离子按一定规则排列并在固定位置上,作热振动，自由电子在各正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。,2.晶格、晶胞和晶格常数,18,金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。,为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为“晶格”，如图1-8b所示。晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”，如图1-8c所示。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以(埃)为单位(1=110-8 cm)。晶胞各边之间的夹角以、表示，如图1-8c所示。,3.晶向与晶面,19,1)立方晶系的晶向指数 在晶体中，任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。通常采用晶向指数来确定晶向在晶体中的位向（图1-9）。确定立方晶系的晶向指数方法如下：(1)选定晶胞的某一点阵为原点，以晶胞的3条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；(2)过原点作一有向线平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指数uvw，如果方向相反，则它们的晶向指数的数值相同，但符号相反；(3)取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，uvw即为晶向指数。例如，当坐标值x=1，y=2,z=1/3时，其晶向指数为361。,图1-9 立方晶系的一些晶向指数,图1-10 立方晶系中一些主要晶面的晶面指数,20,2)立方晶系的晶面指数 晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标轴的截距来决定。晶面指数的一般表示形式为(h k l)，其确定步骤如下：(1)建立坐标：选晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点（以免出,现零截距），以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；(2)取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号()内，即为该晶面的晶面指数。与晶向指数相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指数。指数值相同而符号相反的两个晶面，如(100)与()，则平行地分布在原点两边。图1-10所示为立方晶系中一些主要晶面的晶面指数。,4.常见的晶格类型,根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵，称作布喇菲空间点阵（图1-101）。由于金属键结合力较强，使金属原子具有趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。,图1-10_1 布喇菲空间点阵,21,1)体心立方晶格,22,体心立方晶格的晶胞如图1-11a所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体的中心还有一个原子，其晶格常数a=b=c，棱边夹角=90。晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有18个原子，中心的原子为该晶胞独有，如图1-12b所示，故晶胞中实际原子数为81/8+1=2 个。属于这类晶格的金属有：-Fe、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、钨(W)等。,图1-11 体心立方晶胞,2)面心立方晶格,23,面心立方晶格的晶胞如图1-12a所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有18个原子，中心面上的原子为二个晶胞共有，如图1-12b所示，故晶胞中实际原子数为81/8+61/2=4 个。属于这类晶格的金属有：-Fe、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)、金(Au)等。,图1-12 面心立方晶胞,3)密排六方晶格,24,密排六方晶格的晶胞如图1-13a所示，是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，如图1-13b所示，故晶胞中实际原子数为121/6+21/2+3=6 个。属于这类晶格的金属有：镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。,图1-13 密排六方晶胞,5.晶体结构的致密度,25,由于把金属看成是刚性小球，所以即使是一个紧挨一个地排列，原子间仍会有空隙存在。晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。体心立方晶胞中含有2个原子，这2个原子的体积为2(43)r3，式中r为原子半径，如图1-14所示，原子半径与晶格常数 a 的关系为r=(4)a，晶胞体积为a3，故体心立方晶格的致密度为,这表明在体心立方晶格中，有68的体积被原子所占有，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均为0.74。显然，致密度数值愈大，原子排列就愈紧密。所以，当纯铁由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。,图1-14 体心立方晶胞 原子半径计算,1.3.2 实际金属的晶体结构,26,1.多晶体与亚结构 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如图1-15所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同，如图1-16所示。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。由于晶界是相邻两晶粒不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。,图1-15 单晶体 图1-16 实际金属晶体,27,钢铁材料的晶粒的尺寸一般为10-110-3 mm，所以必须在显微镜下才能观察到。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布情况，称为“显微组织”。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小(12)的小晶块，称为“亚晶粒”，亚晶粒的边界称为“亚晶界”，如图1-16_2 所示。,图1-16_2 晶界和亚晶界,2.晶格缺陷,28,实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等的影响，使原子的排列规则受到破坏，因而晶体内部存在大量的晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形状特点，可分为三类。1)点缺陷 点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”。间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子(图1-17a)；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换(图1-17b)；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位(图1-17c)。由于晶格点缺陷的存在，使点缺陷周围的晶格发生靠拢或撑开的现象，从而造成晶格畸变。空位和间隙原子总是处在不停地运动和变化之中，空位和间隙原子不停地运动，是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理和化学热处理过程都是极为重要的。,图1-17 点缺陷示意图,2)线缺陷,29,线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”，如图1-18所示，好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“”表示；多出的一列原子位于晶体的下部称为“负刃型位错”，用符号“”表示。,图1-18 刃型位错示意图,3)面缺陷,30,面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如图1-18_2所示。如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，晶界和亚晶界处原子不规则排列，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，使晶界表现出与晶粒内部不同的性能。如晶界易被腐蚀；晶界的熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。,图1-18_2 面缺陷示意图,1.4 金属的结晶,31,原子从一种聚集状态转变成另一种规则排列的过程，称为“结晶”，结晶可以是液态金属转变成固态金属；或固态金属转变成固态金属，即固态金属的相变。金属的结晶一般在过冷的条件下进行；结晶的过程是由形成晶核和晶核长大两个阶段组成。,1.4.1 纯金属的冷却曲线和过冷现象,纯金属都有一个固定的熔点或结晶温度。金属的结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在坩埚中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据，并将其绘成如图1-19所示的纯金属冷却曲线。温度Tm为纯金属的晶体与液体平衡共存的温度，称为理论结晶温度。显然在Tm温,1纯金属的冷却曲线,图1-19 金属结晶的冷却曲线示意图,度纯金属的结晶速度与熔化速度相等。所以，只有进一步冷却使金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm时，结晶才能进行，如图1-19曲线b所示。实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象，称为过冷，其差值称为过冷度T，即T=TmTn。过冷度不是恒定值，其大小取决于液态金属的冷却速度、金属的性质和纯度。同一液态金属，冷却速度愈大，过冷度也愈大。,2.纯金属的结晶过程,32,图1-20表示纯金属的结晶过程。液态金属中存在有序排列的原子小集团，随液态金属原子的热运动，这些原子小集团时聚时散，当温度低于理论结晶温度时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶核”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向以不同的速度长大，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最快，生成晶体的主干，又称一次晶轴，如图1-21中的。在晶体主干长大的过程中，又不断生出了分枝，如图1-21中的、，其形态如同树枝，故称为“枝晶”，如图1-21所示。如果在结晶的过程中，有足够的液体金属填满各枝晶间的空隙，则凝固后，枝晶就不会显露出来。因此，往往是在金属的表面上才可以显示出它的外形，如图1-22所示。,图1-21 枝晶示意图 图 1-22 锑锭表面的树枝状晶体,图1-20 纯金属结晶过程示意图,视频2 金属的结晶,33,3.金属结晶后晶粒的大小,34,金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，其晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。单位时间、单位体积内形成的晶核数称为“形核率”，用符号N表示；单位时间内晶核长大的平均线速度称为“长大速度”，用符号G表示。形核率N愈高，晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。铸造生产中，常用以下方法细化液态金属结晶的晶粒。,1)增加过冷度 图1-23是实际测得的液态金属结晶时过冷度T 与形核率N、长大速度G的关系。由图可见，随过冷度的增加，形核率和长大速度均增加。当过冷度较大时，形核率比长大速度增长得快，并当达到一定的过冷度T时，各自达到一个最大值。在连续冷却过程中，冷却速度愈大，则过冷度愈大，形核率愈高，而长大速度相对较小，液态金属凝固后得到细小晶粒；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒粗大。,图1-23 过冷度T与形核率N、长大速度G的关系,2)变质处理,35,虽然增大冷却速度能细化晶粒，但对于大型铸件，不容易获得较大的过冷度，且易产生较大的应力集中而造成裂纹的产生，所以在实际生产中常采用变质处理来细化晶粒。,浇注时，向液态金属中加入一些高熔点、难溶解的金属或合金，当其晶体结构与液态金属的晶体结构相似时，使形核率大大提高，获得均匀细小的晶粒。这种方法称为“变质处理”，加入的物质称为“变质剂”。,3)附加振动 金属结晶时，对液态金属附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使液态金属在铸模中运动，造成大原子团破碎成小原子团；枝晶断裂，使已生长的晶粒因破碎而细化，而且破碎的枝晶尖端又形成新的晶核。这两种结果都增加了形核率，故附加振动也能细化晶粒。对于固态金属，可以用热处理或压力加工的方法细化晶粒。,1.4.2 金属的同素异构性,36,液态金属结晶后获得具有一定晶格结构的晶体。高温状态下的晶体在冷却过程中，晶格结构发生改变的现象，称为“同素异构转变”，又称为“重结晶”。一种金属具有两种或两种以上的晶体结构，称为“同素异构性”。如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性。铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，如图1-24所示。其转变过程如下：,-Fe-Fe-Fe,体心立方 面心立方 体心立方,金属的同素异构转变同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶基本规律。固态下原子扩散比液态下困难得多，致使同素异构转变具有较大的过冷度。同时，晶格结构的改变，致密度的改变和晶体体积的改变，使金属材料内部产生内应力，这种内应力称为“相变应力”。,图1-24 纯铁的冷却曲线,1.4.3 金属铸锭的组织,37,液态金属结晶后形成的晶体称为“铸态晶”。在实际生产中，液态金属是在铸锭模中结晶的，铸锭的结晶属于大体积结晶，其特点是过冷度小，整个截面存在明显的温度梯度，结晶是从表面至中心逐步进行，不是整个截面同时均匀结晶，所以，结晶后的组织粗细不均匀，形状也不同。将铸锭剖开可以看到三个不同的晶区，如图1-25所示。,图1-25 钢锭组织的示意图1细晶粒层；2柱状晶晶粒层；3等轴晶粒层,1.5 二元合金,38,由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金。组成合金最基本、最独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。由两种组元组成的合金称为二元合金。液态合金结晶时，合金组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀组成部分。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性，可分为固溶体和金属化合物两类。,1.5.1 二元合金的相结构,1.固溶体 合金在固态下，组元间互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元称为固溶体的溶剂，其它组元称为固溶体的溶质。溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。,1）间隙固溶体,39,溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图1-26_1所示。间隙固溶体是由一些原子半径小于1 的非金属元素，如H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，而且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此，间隙固溶体只能是有限固溶体。,溶质原子溶入固溶体中的量，称为固溶体的浓度。在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度，称为溶质原子在固溶体的溶解度。间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小，溶解度愈大。溶剂晶格类型不同，具有的间隙大小不同，溶解度也不同。,图1-26_1 间隙固溶体结构示意图,2)置换固溶体,40,溶质原子溶入溶剂晶格，并占据溶剂原子的某些晶格结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图1-26_2所示。置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称为有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这称为无限互溶，形成无限置换固溶体。形成无限置换固溶体必须满足：溶质与溶剂晶格类型相同；溶质原子与溶剂原子直径相近；溶质原子与溶剂原子电负性相接近。,图1-26_2 置换固溶体结构示意图,此外，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度还与温度有关，温度愈高，溶解度愈大。3)固溶体的性能 当溶质原子溶入溶剂晶格，使溶剂晶格发生畸变，导致固溶体强度、硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象，称为固溶强化。如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性，所以，成分得当的固溶体合金具有很好的综合力学性能。溶剂晶格畸变亦使其电阻增大，所以，高电阻合金都是固溶体合金。单相固溶体在电解质中不会像多相固溶体那样构成微电池，故单相固溶体合金的耐蚀性较高。,2.金属化合物,41,合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶格结构与合金的另一组元相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定的金属特性，则新相是合金组元相互作用形成的一种新物质金属化合物。Fe3C是铁碳合金中最重要的具有复杂结构的间隙化合物，碳原子直径与铁原子直径之比为0.61。Fe3C又称渗碳体，具有复杂斜方晶格。Fe3C中Fe原子可以部分地被其它金属原子置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等，称为合金渗碳体。金属化合物一般具有复杂晶体结构。它熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。如间隙相TiC的熔点为3 410，硬度2 850 HV；WC的熔点为2 876，硬度为1 730 HV；Fe3C的熔点为1 227，硬度为860 HV。金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性明显提高，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，它是合金的重要组成相。,1.5.2 二元合金相图,42,合金存在的状态由合金的成分、温度和压力三个因素确定。由于合金的熔炼、加工处理通常在常压下进行，所以，合金存在的状态可由合金的成分和温度两个因素确定。合金的成分或温度改变，合金中所存在的相及相的相对量也发生改变，合金的组织和性能也发生改变。合金相图是表示在平衡状态下，合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。所谓平衡，是指在一定的条件下合金系中参与相变过程的各相成分和相对质量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。分析 合金在结晶过程中的变化规律，可以知道相的形状、大小和分布状况，即组织状态，预测合金的性能。由两组元组成的合金系构成的相图，称为二元合金相图，又称为二元合金平衡相图或二元合金状态图。,1.二元合金相图的确定,43,(1)配制几组成分不同的Cu-Ni合金，如图1-27a所示。(2)用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图1-27a所示。(3)找出图中各冷却曲线上的相变点，即冷却曲线上的转折点，a点和b点。(4)将a点和b点标在以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将所有a点和b点分别连接起来，即得Cu-Ni合金相图，如图1-27b所示。,由图1-27a可见，纯铜和纯镍的冷却曲线上都有一个水平线段，表明纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。其他四个合金结晶开始后，由于放出结晶潜热，使温度下降变慢，冷却曲线变得平缓；结晶终了后，不再放出结晶潜热，温度下降变