第2章金属及合金的结构与结晶课件.ppt

1、机械工程材料与热加工工艺机械工程材料与热加工工艺 第二章第二章 金属及合金的结构与结晶金属及合金的结构与结晶1 1 金属的结构与结晶金属的结构与结晶 2 2 合金的结构与相图合金的结构与相图第一节第一节 金属的结构与结晶金属的结构与结晶一、金属键与金属的特性一、金属键与金属的特性金属的定义（传统）：金属的定义（传统）：-是具有良好的是具有良好的导电性、导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。的物质。金属是具有金属是具有正的电阻温度系数正的电阻温度系数的物质的物质,通常具有良好的导电性、导通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽热性、延展性

2、、高的密度和高的光泽金属键：金属键：l金属原子的外层电子少，金属原子的外层电子少，容易失去，成为自由电子。容易失去，成为自由电子。l多个金属原子在一起时，多个金属原子在一起时，自由电子为整个金属所共自由电子为整个金属所共有，在金属内部运动，形有，在金属内部运动，形成电子气。成电子气。l原子依靠正离子与共有原子依靠正离子与共有自由电子的静电作用而结自由电子的静电作用而结合的方式称为金属键。合的方式称为金属键。二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构1.1.晶体的概念晶体的概念固体物质按原子排列的特征分为固体物质按原子排列的特征分为:晶体晶体:结构有序、物理性质各向异性、有固定的熔点结构有序、物理性质

3、各向异性、有固定的熔点非晶体非晶体:结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定熔结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定熔点点晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点结点。由结。由结点形成的空间点的阵列称点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表晶格原子排列规律的最小几何单元晶格常数晶格常数：晶胞各晶胞各边的尺寸边的尺寸a、b、c，棱间夹角棱间夹角、2、常见的金属晶格、常见的金属晶格体心立方晶格体心立方晶格bcc面心

4、立方晶格面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al密排六方晶格密排六方晶格hcp 原子半径：原子半径：晶胞中原子密度晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的最大方向上相邻原子间距的一半。一半。l晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包一个晶胞内所包含的原子数目。含的原子数目。l配位数：配位数：晶格中与任一原子等晶格中与任一原子等距离最近的原子数目。距离最近的原子数目。l致密度：致密度：晶胞中原子本身所占晶胞中原子本身所占的体积百分数。的体积百分数。3、晶胞中的原子数、配位数、致密度、晶胞中的原子数、配位数、致密度配位数和致密度可以用来说明哪些问题？配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶

5、体中原子排列的紧密程度。答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。子排列越紧密。晶格类型晶格类型晶胞中原子晶胞中原子数数n配位数配位数致密度致密度k金属举例金属举例体心立方bcc280.68-Fe、Cr、W面心立方fcc4120.74-Fe、Cu、Al密排立方hcp6120.74Mg、Zn单晶体单晶体多晶体多晶体多晶体多晶体三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷1 1、单晶体、多晶体、单晶体、多晶体单晶体单晶体：晶粒示意图晶粒示意图 晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。

6、实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线、三类，即点、线、面缺陷。面缺陷。2 2、实际金属的晶体缺陷、实际金属的晶体缺陷1)1)点缺陷点缺陷 指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。a a.空位：空位：晶格中某些缺排原子的空结点。晶格中某些缺排原子的空结点。b b.间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金可以是基体金属原子，也可以是外来原子属原子，也可以是外来原子c.c.置换原子：异类原子占据结点置换原子：异类原子占据结点 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使

7、晶格发生扭曲，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶晶格畸变格畸变。从而使强度、硬度、电阻增大。从而使强度、硬度、电阻增大空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子 点缺陷的存在将加速金属的扩散过程点缺陷的存在将加速金属的扩散过程，因而凡与扩散，因而凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形与断裂等有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形与断裂等都与空位与间隙原子的存在和运动有关。都与空位与间隙原子的存在和运动有关。空位、间隙原子的数目随着温度升高而急剧增多。空位、间隙原子的数目随着温度升高而急剧增多。这种缺陷在晶体中所占比例很小，万分之一的数量级。这种

8、缺陷在晶体中所占比例很小，万分之一的数量级。2 2）线缺陷）线缺陷位错位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。种有规律的错排现象。刃型位错刃型位错：是指二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较是指二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。大的缺陷。位错密度：位错密度：实际晶体中单位体积中所包含的位错线总长度实际晶体中单位体积中所包含的位错线总长度螺型位错：螺型位错：退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、位错的存在以及位错密度

9、的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关；与位错的移动有关；加工硬化加工硬化由于位错密度的增加所致。由于位错密度的增加所致。3)3)面缺陷面缺陷-二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，通二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，通常是指晶界和亚晶界。常是指晶界和亚晶界。晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则原子排列不规则。熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附，外来，外来原子易在晶界偏聚。原子易在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动，是强，是强化部位，因而实际使用的化部位，因而实际使用的

10、金属力求获得细晶粒。金属力求获得细晶粒。晶格结构改变（晶格结构改变（相变）相变）的优先发生（形核）部位的优先发生（形核）部位 显微组织的显示显微组织的显示四四 金属的结晶金属的结晶1 1、金属结晶的概念、金属结晶的概念 金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。结晶：结晶：液体液体 -晶体晶体凝固：凝固：液体液体 -固体（晶体或非晶体）固体（晶体或非晶体）晶体晶体液体液体结晶结晶过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。T=T0T1过冷度：过冷度：冷速越快，过冷度越大

11、冷速越快，过冷度越大.ToTo时间时间温度温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1T1结晶平台结晶平台(是由是由结晶潜热结晶潜热导致导致)2 2、结晶过程、结晶过程 液态金属结晶是由液态金属结晶是由形核和长大形核和长大两个基本过两个基本过程来实现。程来实现。(1)(1)形核形核1 1）自发形核）自发形核依靠液依靠液态金属本身在一定过冷度态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶下由其内部自发长出结晶核心。但需要很大的过冷核心。但需要很大的过冷度，如：纯铜结晶度，如：纯铜结晶T=T=236236 )非自发形核非自发形核晶核依晶核依附金属液体中未溶的固态附金属液体中未溶的固态杂质

12、表面而形成晶核，所杂质表面而形成晶核，所需过冷度为需过冷度为20 20 。树枝状晶体长大过程树枝状晶体长大过程顶角和棱边处散热条件优于其它部位顶角和棱边处散热条件优于其它部位树枝状晶体长大过程树枝状晶体长大过程 金属的树枝晶金属的树枝晶顶角和棱边处散热条件优于其它部位顶角和棱边处散热条件优于其它部位 （2 2）晶核的长大）晶核的长大v形核率形核率N：单位时间内在单位体积单位时间内在单位体积液体液体中形成中形成的晶核数目。的晶核数目。v长大率长大率G：单位时间界面向前推进的距离单位时间界面向前推进的距离。u金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好

13、。性、韧性也愈好。N/G值越大，结晶后的晶粒越细。值越大，结晶后的晶粒越细。例：纯铁的晶粒例：纯铁的晶粒d：70m减至减至1.6mb：184MPa增至增至270MPa：30.6%增至增至50.7%3 3、晶粒大小对金属力学性能的影响及细化晶、晶粒大小对金属力学性能的影响及细化晶 粒的方法粒的方法NZG单位体积的晶粒数量细化晶粒的途径细化晶粒的途径:v1）提高冷却速度）提高冷却速度V冷冷TN/G晶粒细小晶粒细小v2）变质处理）变质处理起外来晶核的作用或机械阻碍作用起外来晶核的作用或机械阻碍作用v3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。4 4、金属铸锭的组织、金属

14、铸锭的组织-宏观组织宏观组织2 2 合金的结构与相图合金的结构与相图一一 、合金合金的基本概念的基本概念 合金：合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。钢、钢、铸铁等铸铁等 组元：组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。一般组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。一般是元素，有时也可以是稳定的化合物。是元素，有时也可以是稳定的化合物。有二元、三元合金有二元、三元合金等。等。相相：指金属或合金中凡成分相同、：指金属或合金中凡成分相同、结构相同

15、结构相同，并与其它部，并与其它部分有界面分开的组成部分。一般分固相与液相，合金中的分有界面分开的组成部分。一般分固相与液相，合金中的固相分为固相分为固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物两类。两类。显微组织：显微镜下显微组织：显微镜下相的形态、数量、大小和分布形貌相的形态、数量、大小和分布形貌。晶向或者相不同，抛光面受腐蚀程度不同。晶向或者相不同，抛光面受腐蚀程度不同。二、二、固相结构固相结构(固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物)定义：定义：溶质原子溶入溶剂晶格中形成的合金相，溶质原子溶入溶剂晶格中形成的合金相，并不改变溶剂的晶格类型；固溶体的成分不固并不改变溶剂的晶格类型；固溶体的成分不固定

16、。定。固溶体固溶体按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和和间隙间隙固溶体固溶体。按溶质原子分布分按溶质原子分布分无序固溶体和有序固溶体。无序固溶体和有序固溶体。按按溶解度溶解度分分有限固溶体和无限固溶体。有限固溶体和无限固溶体。Cu-NiCu-Ni置换固溶体置换固溶体置换固溶体：置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。点位置所形成的固溶体。置换固溶的形成和溶解度取决于：置换固溶的形成和溶解度取决于：a.a.原子外层电子结构（电化学、负电性）相近；原子外层电子结构（电化学、负电性）相近；-否则容易形成化合物否则容易形成化合

17、物 b.b.原子半径相差不大；原子半径相差不大；-否则容易形成间隙化合物否则容易形成间隙化合物 c.c.晶格类型相同；晶格类型相同；-否则只能有限固溶否则只能有限固溶例：例：CuCu与与NiNi原子序数：原子序数：2929、2828；2.55 2.55 、2.44 2.44；均为均为fccfcc结构。结构。故故CuCu与与NiNi形成无限置换固溶体。形成无限置换固溶体。间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。成的固溶体。l 形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r r质质/r r剂剂0.590.59。溶质元素：原子半径较小的非金

18、属元素，溶质元素：原子半径较小的非金属元素，如如C C、N N、B B等，等，溶剂元素：过渡族元素。溶剂元素：过渡族元素。l 间隙固溶体都是无序有限固溶体。间隙固溶体都是无序有限固溶体。Fe-CFe-C间隙固溶体间隙固溶体固溶体的性能固溶体的性能 随溶质含量增加随溶质含量增加,固溶体的强度固溶体的强度、硬度增加、硬度增加,塑性、韧性下降塑性、韧性下降-固溶强化。固溶强化。产生产生固溶强化固溶强化的原因是溶质原子使的原因是溶质原子使晶格发生畸晶格发生畸变变及阻碍了位错的运动。及阻碍了位错的运动。与纯金属点缺陷特点相同与纯金属点缺陷特点相同2、金属化合物、金属化合物合金中两组元相互作用形成新相，它

19、的晶体结构、合金中两组元相互作用形成新相，它的晶体结构、性能、熔点与两组元都不同，并具有金属特征。这性能、熔点与两组元都不同，并具有金属特征。这种相称为种相称为金属化合物金属化合物。（1）正常价化合物）正常价化合物化学式符合化合价规则，化学成分不变。化学式符合化合价规则，化学成分不变。（2）电子化合物）电子化合物按照一定的电子浓度（价电子数量比原子按照一定的电子浓度（价电子数量比原子数）组成，化学成分一定范围内可变数）组成，化学成分一定范围内可变（3）间隙化合物间隙化合物根据形成条件分为：根据形成条件分为：u金属化合物都是硬而脆，不能作基体相。金属化合物都是硬而脆，不能作基体相。三、三、二元合

20、金相图二元合金相图合金的结晶的描述：合金的结晶的描述：冷却曲线：冷却曲线：特点：特点：1.1.不同成分曲线不同；不同成分曲线不同；2.2.除非纯金属，有结晶温度范围；除非纯金属，有结晶温度范围；3.3.结晶过程中液相与固相结晶过程中液相与固相成分成分发生变化。发生变化。4.4.冷却速度不同，结晶范围发生变化冷却速度不同，结晶范围发生变化相图：相图：描述极缓慢结晶条件下，描述极缓慢结晶条件下，将将不同冷却曲线转折点不同冷却曲线转折点在温度成分坐标中标注并连线得到在温度成分坐标中标注并连线得到。集合所有成分合金冷集合所有成分合金冷却曲线的特点。即：温度范围，相变特征，成分变化等。却曲线的特点。即：

21、温度范围，相变特征，成分变化等。定义：定义：表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条件下）件下）合金成分、温度和相（或组织）合金成分、温度和相（或组织）之间的关系图之间的关系图形。又称状态图或者平衡图形。又称状态图或者平衡图时间时间温度温度9090 707050503030A AB B温度温度（1 1）匀晶相图）匀晶相图特点：固液态特点：固液态两组元均无限固溶。两组元均无限固溶。L L L L L熔点熔点A A熔点熔点B B液相线液相线固相线固相线1）制作与相图分析）制作与相图分析2)2)合金的结晶过程合金的结晶过程(以以含含NiNi量量40%40%的铜

22、镍合金为例）的铜镍合金为例）3）杠杆定律杠杆定律 用途：求用途：求两相区两相区的合金两平衡相的相对重量。的合金两平衡相的相对重量。过程：过程：液相液相相对相对重量为重量为QL固相固相相对相对重量为重量为Q。由由QL+Q=1QLx1+Q x2=x解方程组得：解方程组得：QL（x-x1）=Q（x2-x）12 t212121;LxxxxQQxxxx4)4)枝晶（晶内）偏析枝晶（晶内）偏析 形成原因：形成原因：冷却速度快，固溶冷却速度快，固溶体的化学成分来不体的化学成分来不及扩散均匀。及扩散均匀。定义：定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏

23、析。不均匀的现象称作枝晶偏析。影响影响合金的力学、合金的力学、耐蚀、加工等性耐蚀、加工等性能。能。Cu-NiCu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织：含平衡组织：含Ni30%Ni30%的固溶体的固溶体枝晶偏析组织枝晶偏析组织先结晶出的含镍量高，不易被腐蚀，呈亮白色；先结晶出的含镍量高，不易被腐蚀，呈亮白色；后结晶出的含铜量高，易被腐蚀，呈黑色。后结晶出的含铜量高，易被腐蚀，呈黑色。生产中用生产中用“扩散退火扩散退火”（均匀化退火）（均匀化退火）加以消除加以消除（2）共晶相图）共晶相图Pb-SnAl-Si特点：特点：液态无限互溶，固态不能无限互溶液态无限互溶，固

24、态不能无限互溶;一一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个不同成分固相的过程。不同成分固相的过程。1）相图分析：）相图分析：组元，相，点、线、相区组元，相，点、线、相区机械混合物机械混合物2）合金的结晶过程）合金的结晶过程次生相次生相初生相初生相II室温组织是：两相重量比两相重量比杠杆定理杠杆定理组织组成物重量比组织组成物重量比杠杆定理杠杆定理Q QSnSnQ QPbPb一种一种液相液相在在恒温恒温下同时下同时结晶出结晶出两种两种不同成分和不同成分和不同晶体结不同晶体结构的反应叫构的反应叫做做共晶反应共晶反应。所生成的两所生成的两种固相机械种固相机械混合物

25、，形混合物，形成有固定化成有固定化学成分的基学成分的基本组织，被本组织，被统称为统称为共晶共晶体体共晶体共晶体共晶合金共晶合金固溶体相互间隔，同时产生，固溶体相互间隔，同时产生，显微镜下具有区别于其他的机显微镜下具有区别于其他的机械混合物的显著形态，因此和械混合物的显著形态，因此和初生相与次生相类似，也是独初生相与次生相类似，也是独立的组织组成物。立的组织组成物。两相重量比两相重量比杠杆定理杠杆定理组织组成物重量比组织组成物重量比100%Q QSnSnQ QPbPb亚共晶合金亚共晶合金II+室温组织是：（）两相重量比两相重量比杠杆定理杠杆定理Q QSnSnQ QPbPb组织组成物组织组成物重量

26、比重量比杠杆定理杠杆定理Q Qe eQ Qm mQ QQ Q()+1memeQQQQQQQ过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似,不同的是一次相为不同的是一次相为,二次相为二次相为。室温组织为室温组织为+(+)+。为了便于使用，人们往往把合金的组织组分填写在相图中为了便于使用，人们往往把合金的组织组分填写在相图中在在一定温度一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称一新固相的反应称包晶转变包晶转变或或包晶反应包晶反应。（3 3）包晶相图）包晶相图L LC C+D D P P一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变一

27、个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）为（反应）为 共析转变（反应），得共析组织。共析转变（反应），得共析组织。sP+K4 4）共析相图）共析相图（5）具有稳定化合物的共晶相图）具有稳定化合物的共晶相图共析相图的特点：共析相图的特点：为固态转变，原子扩散困难，形核需要较大的为固态转变，原子扩散困难，形核需要较大的过冷度；过冷度；得到的共析体比共晶体更细密；得到的共析体比共晶体更细密；转变前后晶体结构不同，引起体积变化，造成转变前后晶体结构不同，引起体积变化，造成内应力。内应力。恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应

28、共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L +共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应分析题：分析题：作业 名词解释 1.变质处理 2.固溶强化 3.枝晶偏析 4.相图 5.非自发形核 简答 1.细化晶粒的作用与途径有哪些？2.合金的基本相图有哪些？请列表说明常见三相等温水平线上的反应类型、图形特征、反应式，并说明之。人有了知识，

29、就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。