机械设计制造1.2.ppt

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1、1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶 1.2.2 纯金属的结晶 1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶 1.2.3 二元合金的结晶,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,1晶格与晶格常数,为了分析晶体内部原子排列的规律，人们将构成晶体的实际质点忽略，而将它们抽象成纯粹的几何点，称之为阵点。这些阵点在三维空间呈周期性规则排列，并且有等同的周围环境的模型称为晶体点阵，也称为晶格。,在晶体点阵中取一单位体积（通常为六面体）作为点阵的最小组成单元，称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c和棱边之间的夹角、来表示。其中，棱边的边

2、长a、b、c称为晶格常数。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,晶体点阵示意图 晶胞示意图,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,2晶格类型,最常见的金属晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。,属于体心立方晶格的金属有铬、钨、钼、钒及Fe（温度在912以下的纯铁）等；属于面心立方晶格的金属有铝、铜、镍及Fe（温度在1394912的纯铁）等；属于密排六方晶格的金属有镁、锌、铍、铬等。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,常见金属晶体的晶胞 a）体心立方；(b)面心立方；

3、(c)密排六方,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,3实际金属结构,在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时将析出新相。实际的金属结构都包含着许多小晶体，每个小晶体都具有不规则的颗粒外形，故称为晶粒；晶粒之间的界面叫做晶界。在实际晶体中，或多或少存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷按几何形状可分为点缺陷（晶格空位、间隙原子和置换原子）、线缺陷（晶体中呈连续现状分部的位错，如刃形位错）和面缺陷（晶界、亚晶界）三类。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,点缺陷示意图 刃型位错结构示意图,1.2 金属和合金的晶体结构与

4、结晶,1.2.1 纯金属的晶体结构与结晶,面缺陷,面缺陷示意图,点、线、面缺陷都将导致周围的晶格发生晶格明显的畸变，从而对金属的力学性能、化学性能产生明显的影响。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,1金属结晶过程,金属溶液在凝固后一般都以晶态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列。形成晶体的过程，称为结晶。结晶形成的组织，直接影响金属内部的组织与性能。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,金属在结晶过程中，其结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在炉中缓慢冷却，在冷却过程中测得温度随时间变化的数据，则得到冷却曲线1。由于结晶时放出潜

5、热，补偿了冷却散失的热量，冷却曲线出现水平台阶，即结晶在恒温下进行。在无限缓慢冷却条件下的平衡结晶温度T0称为理论结晶温度。在实际结晶时，冷却速度不可能无限缓慢，因此实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0。如图中曲线2所示。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,纯金属结晶时的冷却曲线,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,金属结晶后的晶粒越细小，晶界

6、的面积就越大。晶界面积越大晶体缺陷就越多，则对金属力学性能影响越大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好。获得细晶粒的方法通常是增加过冷度、变质处理、附加振动及电磁场控制等。,2铸态晶粒的大小,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,3金属的同素异构转变,某些金属在不同温度和应力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种晶体结构不同的稳定状态的现象，称为同素异构转变。,金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，转变时遵循结晶的一般规律。因此，同素异构转变也可以看作是一种结晶，有时也称为

7、重结晶。通过同素异构转变可以使晶粒得到细化。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,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铁在1394以上时具有体心立方晶格，称为Fe；冷却至1394912之间，转变为面心立方晶格，称为Fe；继续冷却至912以下，又转变为体心立方晶格，称为Fe。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.2 纯金属的结晶,纯金属的结晶,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶,1二元合金的晶体结构,合金是由两种或两种以上的化学元素（其中至少有一种是金属元素）通过熔炼、烧结或其他方法组合而成的具有金属特性的物

8、质。组成合金的元素叫做组元，组元一般指化学元素，稳定化合物也可看成是一组元。由两种组元组成的合金称为二元合金，由三种组元组成的合金称为三元合金。由多种组元组成的合金称为多元合金。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶,2固溶体,溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起结构常数的改变。当两组元在固态无限溶解时所形成的固溶体称为连续固溶体或无限固溶体。当两组元在固态部分溶解时所形成当固溶体称为有限固溶体或端际固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体。,1.2 金属和合金的晶

9、体结构与结晶,1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶,固溶体及其晶格畸变,溶质原子溶入溶剂晶格，将使晶格发生畸变从而使合金的强度、硬度上升。这种由于形成固溶体而引起强度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化合金的基本途径之一。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶,3金属化合物,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。若新相的晶格不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质金属化合物。合金中的化合物分布在固溶体相的基体上，将使合金的强度、硬度明显提高，但塑性和韧性有所下降。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

10、，第二相强化也是材料强化的基本途径之一。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.3 二元合金的晶体结构与结晶,金属化合物的晶体结构,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,二元及二元以上的合金，其结晶较纯金属复杂，常常借助相图来分析和研究其结晶过程。相图是合金系（由相同组元组成的不同成分的一系列合金）中各种合金的结晶过程的简明示图。每个合金系都有它自己确定的相图。到目前为止，几乎所有的合金相图都是通过实验建立起来的。建立相图最常用的实验方法是热分析法。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,1二元匀晶相图,如图所示是Cu-Ni合金相图，它

11、是典型的匀晶相图。形成这种相图的条件是组成合金的两组元在液态和固态均能以任何比例互溶，形成无限固溶体。,a、b分别为Cu、Ni的熔点。acb线为液相线，在该线温度以上的合金均为液相L。adb线为固相线，任何成分合金冷却至此线，则全部转变成固相。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,Cu-Ni合金相图及结晶过程示意图,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,2二元共晶相图,两组元合金，液态时无限互溶、固态时只能有限互溶，结晶时发生共晶转变所形成的相图为共晶相图(Eutectic phase diagram)。PbSn合金相图共晶相图的一例。图中

12、A为Pb的熔点，B为Sn的熔点。AEB为液相线，AMENB为固相线，MF线为Sn在Pb中的溶解度曲线或相的固溶线，NG线为Pb在Sn 中的溶解度曲线或相的固溶线。E点为共晶点，MEN线（水平恒温线）为共晶线。Pb-Sn合金系有三个基本相。液相线以上为液相区，合金为均匀液相L；固相线以下有两个单相，即Sn溶于Pb中的固溶体相区和Pb溶于Sn中的固溶体相区。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,PbSn合金相图,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,这种由一定成分的液相在某恒温下，同时结晶出两种成分与结构均不同的固相的转变，称为共晶转变或叫共晶

13、反应。其产物是由两个固相组成的机械混合物，称为共晶组织。,成分为E点（共晶成分）的合金，在缓冷到MEN水平线温度（共晶温度）时，将发生转变，同时结晶出成分为M点的固溶体和成分为N点的固溶体，转变式为：,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,凡成分在M、N点之间的所有液态合金，冷却到共晶温度时，均有共晶反应。把成分位于E点的合金称为共晶合金；位于E点以左M点以右的合金称为亚共晶合金；位于E点以右N点以左的合金称为过共晶合金。M点以左和N点以右的合金为固溶体合金。合金（固溶体合金）、合金（共晶合金）、合金（亚共晶合金）、合金（过共晶合金）的结晶过程如图所示。室温组织分别为

14、：+、（+）、+（+）、+（+）。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,L,L,1,2,3,温度,L,L,+,1,1,温度,+,固溶体合金的结晶过程 共晶合金的结晶过程,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,L,+,时间,1,2,温度,+,2,L,L,+,时间,1,2,温度,+,2,L,亚共晶合金合金的结晶过程 过共晶合金的结晶过程,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,为了便于直观表达合金成分、组成相与组织，常将合金组织直接填写在相同的相应区域内如图所示。二元相图除匀晶相图、共晶相图外，还有包晶相图、共析相图和形成稳定化合物的相图等。相图与合金的使用性能的关系如图所示。相图与合金的铸造性能的关系如图所示。,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,L,L+,L+,+,+(+),+,+(+),+,标注组织的共晶相图,温度,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,强度、硬度,WB%,相图与合金的使用性能关系,1.2 金属和合金的晶体结构与结晶,1.2.4 二元合金的结晶,温度,温度,流动性,缩孔性质,A,A,B,B,流动性,缩孔性质,分散,分散,集中,集中,相图与合金铸造性能关系,