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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,教學(xué)課題：第,2,章 工程材料的組織結(jié)構(gòu),1.,純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,常見金屬晶體結(jié)構(gòu),實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu),純金屬的結(jié)晶,2.,合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,合金的相結(jié)構(gòu),合金相圖的建立,鐵碳合金相圖,本章重點(diǎn)內(nèi)容,學(xué)習(xí)目的,通過本章的學(xué)習(xí)，,了解常用材料的組織結(jié)構(gòu)，理解和掌握鐵碳合金相圖的內(nèi)容與應(yīng)用。,1.,金屬的結(jié)晶條件、規(guī)律及控制,2.,鐵碳合金的基本組織,3.,鐵碳合金相圖的內(nèi)容、意義與應(yīng)用,2.1.1,金屬的晶體結(jié)構(gòu),

2、晶體,材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、氯化鈉、金屬等。,非晶體,材料的原子（離子、分子）在三維空間無規(guī)則排列的物體。如松香、玻璃等。,2.1.1,金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu),晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。,晶格,假設(shè)通過原子（離子）結(jié)點(diǎn)的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。,晶胞,能反映晶格特征的最小組成單元。,晶格常數(shù),晶胞的三個(gè)棱邊的長度,a,b,c,及三條棱邊夾角,。,一、常見金屬晶體結(jié)構(gòu),體心立方晶格,常見的,BCC,金屬有：鉬（,Mo,）、鎢（,W,）、釩（,V,）、鉻、鈮、,-Fe,等。,晶胞原子數(shù),是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)

3、目。為,1/8,8+1=2,個(gè)；原子半徑,BCC,為：,r=3/4a,；致密度,BCC,為,4/3r,3,2=0.68,；配位數(shù),是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。,BCC,為,8,個(gè)；空隙半徑,BCC,有兩種空隙半徑，四面體空隙半徑,0.29r,，八面體空隙半徑,0.15r,。,一、常見金屬晶體結(jié)構(gòu),面心立方晶格,常見的面心立方晶格金屬有：鋁、銅、鎳、金、銀、,-Fe,等。,晶胞原子數(shù),FCC,為,4,個(gè)。原子半徑,FCC,為,2/4a,；致密度,FCC,為,74,；配位數(shù),12,個(gè)；空隙半徑,四面體空隙半徑,0.225r,；八面體空隙半徑,0.414r,。,一、常見金屬晶體結(jié)構(gòu)

4、,密排六方晶格,常見的密排六方晶格金屬有：鎂、鎘（,Cd,）、鋅、鈹（,Be,）等。,晶胞原子數(shù),HCP,為,6,個(gè)。原子半徑,HCP,為,1/2a,；致密度,HCP,為,74,；配位數(shù),12,個(gè)；空隙半徑,四面體空隙半徑,0.225r,，八面體空隙半徑,0.414r,。,二、實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu),多晶體結(jié)構(gòu),二、實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu),實(shí)際金屬晶體中的缺陷,空位,間隙原子,刃型位錯(cuò),1.,點(diǎn)缺陷,三維尺度上都很小，不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。,空位；間隙原子,2.,線缺陷,二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。,刃型位錯(cuò)；螺型位錯(cuò),3.,面缺陷,二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。,晶界；亞晶界,二、實(shí)際

5、金屬晶體結(jié)構(gòu),實(shí)際金屬晶體中的缺陷對(duì)材料性能的影響,1.,點(diǎn)缺陷,造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率,;,屈服強(qiáng)度增加,密度發(fā)生變化。,2.,線缺陷,形成位錯(cuò)對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很大，位錯(cuò)極少時(shí)，金屬強(qiáng)度很高，位錯(cuò)密度越大，金屬強(qiáng)度也會(huì)提高。,3.,面缺陷,晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強(qiáng)度越高，金屬塑變的能力越大，塑性越好。,2.1.2,純金屬的結(jié)晶,凝固,液態(tài),L,固態(tài),S,S,可以是非晶體。,結(jié)晶,一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子 規(guī)則排列狀態(tài),(,晶態(tài),),的轉(zhuǎn)變過程。一次結(jié)晶：,LS,晶態(tài) 二次結(jié)晶：,SS,晶態(tài),一、純金屬冷卻曲線分析,過冷：純金屬實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度，

6、為什么？,冷卻速度越快，過冷度越大。,冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)，為什么？,出現(xiàn),“,平臺(tái),”,是由于純金屬結(jié)晶時(shí)會(huì)放出,“,結(jié)晶潛熱,”,，抵消外界對(duì)它的冷卻作用。當(dāng)結(jié)晶結(jié)束后，沒有,“,結(jié)晶潛熱,”,放出，純金屬將會(huì)以原來的冷卻速度繼續(xù)冷卻下來。,只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，結(jié)晶過程才能開始進(jìn)行,過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。,過冷度,T,=,T,0,T,1,二、純金屬結(jié)晶過程,形核,自發(fā)形核,非自發(fā)形核,長大,平面長大,樹枝狀長大,三、晶粒尺寸的控制,晶粒大小如何衡量？,為什么要對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行控制？,影響晶粒尺寸的因素有哪些？,如何控制晶粒的尺寸？,三、晶粒尺寸的控制,晶粒度,單位面積上的晶粒

7、數(shù)目或晶粒的平均線長度,(,或直徑,),。,晶粒大小對(duì)材料性能的影響（細(xì)晶強(qiáng)化）,晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。,影響晶粒度的因素,過冷度,T,提高，,N,提高、,G,提高 過冷,T,太高，,N,降低、,G,降低,三、晶粒尺寸的控制,晶粒大小的控制,變質(zhì)處理,在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。,提高過冷度,附加振動(dòng)、攪拌等。,2.2.1,合金的相結(jié)構(gòu),基本概念,合金的相結(jié)構(gòu),相圖的建立,一、基本概念,合金,由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有,金屬特性,的物質(zhì)。普通黃銅：,Cu+Zn,45,鋼,:,鐵碳合金,合金除

8、具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。,一、基本概念,組元,組成合金的獨(dú)立的，最基本的單元。,合金系：,若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金,組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。,一、基本概念,相,在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。,在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。,鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會(huì)出現(xiàn)相的變化。,純,鐵,是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。,固態(tài)白銅,(,銅與鎳二元合金,),是單相的。,合金中有兩類基本相：固溶體和

9、金屬化合物。,一、基本概念,組織,組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。,合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。,不同組織具有不同的性能。,由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。,同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。,45,鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。,二、合金的相結(jié)構(gòu),固溶體,在一種金屬元素的晶格中，溶入另一種或多種元素所形成的相；在固溶體中保持其原晶體結(jié)構(gòu)的組元（元素）,溶劑，其余的元素（組元）,溶質(zhì)。,按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同，可將固溶體分兩類：置換固溶體

10、和間隙固溶體。,二、合金的相結(jié)構(gòu),固溶體,在一種金屬元素的晶格中，溶入另一種或多種元素所形成的相；在固溶體中保持其原晶體結(jié)構(gòu)的組元（元素）,溶劑，其余的元素（組元）,溶質(zhì)。,按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同，可將固溶體分兩類：置換固溶體和間隙固溶體。,固溶體的性能,固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。,這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為,固溶強(qiáng)化,。,它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。,固溶強(qiáng)化的原因：,由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬滑移變形變得更

11、加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。,二、合金的相結(jié)構(gòu),金屬化合物,它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。,金屬化合物的性能,金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬間化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。金屬間化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及許多有色金屬的重要組成相。,當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性,(,此現(xiàn)象稱為,彌散強(qiáng)化,),。,二、合金的相結(jié)構(gòu),機(jī)械混合物,工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因?yàn)榛衔锕倘挥泻芨叩挠捕龋嘈蕴?/p>

12、大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強(qiáng)度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物,(,一種或幾種,),所構(gòu)成的機(jī)械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。,三、合金相圖的建立,熱分析法建立相圖,以,Cu,Ni,合金相圖測定為例，說明熱分析法的應(yīng)用及步驟：配制不同成分的合金試樣，如,純銅；,75%Cu+25%Ni,；,50%Cu+50%Ni,；,25%Cu+75%Ni,；,純,Ni,。測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點(diǎn)；將各臨界點(diǎn)繪在溫度,合金成分坐標(biāo)圖上；將圖中具有相同含義的臨界點(diǎn)連接起來，即得到,Cu,、,Ni,合金相圖。,

13、相圖,相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金系中各種合金狀態(tài)、組織與溫度、成分之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。,三、合金相圖的建立,熱分析法建立相圖及分析,2.2.2,鐵碳合金相圖,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,鐵碳合金的基本相與組織,鐵碳相圖的分析與應(yīng)用,一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,金屬在固態(tài)下隨溫度的變化，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（同素異晶轉(zhuǎn)變）。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶格的晶體，稱為同素異構(gòu)體。,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,-Fe -Fe -Fe,912,1394,二、鐵碳合金的基本相與組織,鐵素體,F,鐵素體是碳溶解于,-Fe,中形成的間隙固溶體,，呈

14、體心立方結(jié)構(gòu)，用,“,F,”,表示。碳在,-Fe,中的溶解度度很小，最大溶解度在,727,時(shí)為,0.0218%,，室溫時(shí)為,0.0008%,。,由于鐵素體的含碳量低，所以鐵素體具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度和硬度較低，性能與純鐵相近。,奧氏體,A,奧氏體是碳在,-Fe,中形成的間隙固溶體,，呈面心立方結(jié)構(gòu)，用,“,A,”,表示。碳在,-Fe,中的溶解度較大，,727,時(shí)為,0.77%,，,1148,達(dá)到最大溶碳量,2.11%,。,奧氏體的強(qiáng)度、硬度不高，且具有良好的塑性。因此，生產(chǎn)中常將工件加熱到奧氏體狀態(tài)進(jìn)行鍛造。,滲碳體,Fe,3,C,滲碳體是鐵和碳組成的金屬化合物，含碳量為,6.69%,，分

15、子式,Fe,3,C,，熔點(diǎn)為,1227,，,滲碳體硬度很高，塑性很差，伸長率和沖擊韌度幾乎為零，是一個(gè)硬而脆的組織，是鋼鐵中的強(qiáng)化相。,二、鐵碳合金的基本相與組織,珠光體,P,珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，含碳量,0.77%,，用,“,P,”,表示。,珠光體強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。,高溫萊氏體,Ld,高溫萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用,Ld,或（,A+Fe3C,）表示。由于奧氏體屬高溫組織，因此高溫萊氏體僅存在于,727,以上。,低溫萊氏體,Ld,高溫萊氏體冷卻到,727,以下，將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和滲碳體的機(jī)械混合物（,P+Fe3C,），稱低溫萊氏體，用,Ld,表示。,

16、萊氏體含碳量為,4.3,。由于萊氏體含有的滲碳體較多，故性能與滲碳體相近，即極為硬脆。,三、鐵碳合金相圖分析及應(yīng)用,1.,特性點(diǎn),符號(hào),溫度,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),(C,),%,含,義,A,1538,0,純鐵的熔點(diǎn),C,1148,4.30,共晶點(diǎn),L,c,A,E,+,Fe,3,C,D,1227,6.69,Fe,3,C,的熔點(diǎn),E,1148,2.11,碳在,-Fe,中的最大溶解度,F,1148,6.69,Fe,3,C,的成分,G,912,0,-Fe,-Fe,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn),K,727,6.69,Fe,3,C,的成分,P,727,0.0218,碳在,-Fe,中的最大溶解度,S,727,0.77,共析點(diǎn),(,A,1,)A,S,F,P,+Fe,3,C,Q,600,0.0057,600,時(shí)碳在,-Fe,中的溶解度,2.,特性線,特征線,含,義,ACD,液相線,AECF,固相線,GS(,又稱,A,3,),鐵素體完全溶于奧氏體中（或開始從奧氏體中析出）的溫度；奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線,ES(,又稱,A,cm,),二次滲碳體完全溶于奧氏體中（或開始從奧氏體中析出）的溫度；碳在奧氏體中的溶解度曲線,ECF,共晶