金属工艺第二章晶体结构

null第二章　金属与合金的晶体结构 和二元合金相图第二章　金属与合金的晶体结构 和二元合金相图第一节 纯金属的晶体结构 第二节 金属的结晶与同素异晶转变 第三节 合金的结晶与二元相图 第四节 铁碳合金相图null第一节 纯金属的晶体结构晶体：指原子呈规则排列的物质，如金刚石、石墨和固态金属及合金等。晶体具有固定的熔点、规则的外形、各向异性。 非晶体：原子呈无规则排列的物质，如玻璃、松香、沥青、石蜡等。非晶体没有固定的熔点、规则的外形，各向同性。一、晶体学基本知识1、晶体与非晶体晶态非晶态null晶格：用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。晶格中的每个点叫做结点。 晶胞：从晶格中取出来的、能够完全反映晶格特征的最小几何单元。 晶格常数：用于描述晶胞大小和形状的几何参数称为晶格常数。晶胞的棱边长度以a、b、c来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示；棱边夹角用α、β、γ来表示。图2-1　简单立方晶格与晶胞示意图 a)晶体中原子排列　b)晶格　c)晶胞及晶格参数2、晶格、晶胞与晶格常数null其他概念原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 null体心立方：（BCC） a＝b＝c，α＝β＝γ＝90 α－Fe、W、Mo、 Cr、V等金属为bcc结构 面心立方：（FCC） a＝b＝c，α＝β＝γ＝90℃, γ－Fe、Cu、Al、Ni、 Pb等金属为fcc结构 密排六方：（HCP） 边长为a，高为c，c/a≈1.633, 例如：Zn、Mg、Be等金属为hcp结构 体心立方：（bcc）面心立方：（fcc）密排六方（hcp）二、三种典型的金属晶体结构nullBCCFCCHCPnull1）体心立方晶格BCC （Body Centered Cube ）晶格常数：a(a=b=c) 原子个数：2 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。null2）面心立方晶胞FCC Face-Centere Cube 晶格常数：a 原子个数：4 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、 Cu、Pb等nullIn NaCl, bigger Chlorine atoms pack together in FCC structure, leaving Na to squeeze into the remaining holes.null3)密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed 晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 原子个数：6 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等nullBCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 null课堂作业 1.一个BCC和FCC晶胞有多少个原子? 2. BCC, FCC晶体胞致密度是多少？（列出 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 ）null单晶体：整块金属晶粒取向完全一致，力学性能呈各向异性，体心立方铁： A向：E＝290000Mpa; X轴：E＝135000Mpa; 多晶体：由许多晶取向各不相同的单晶体块组成，所以整体呈各向同性， 各向平均E＝210000Mpa; 理想晶体+晶体缺陷——实际晶体 实际晶体——单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体：，各向异性。 四、金属的实际晶体结构 null1.晶体缺陷的基本概念：（点、线、面缺陷） 晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分  a. 点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化，使晶格发生畸变，性能产生变化，如强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位       晶格结点处无原子 置换原子   晶格结点处为其它原子占据 间隙原子   原子占据晶格间隙 null 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。b.线缺陷：原子的不规则排列在一个方向尺寸很大，其余两个方向的尺寸很小。如位错。 null刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ㅗ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ㅜ”表示。null位错密度：单位体积内所 包含的位错线总长度。  = S/V (cm/cm3或1/cm2) 金属中的位错密度为104~1012 /cm2 。 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从 -  关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。电子显微镜下的位错电子显微镜下的位错nullc. 面缺陷:原子排列不规则区域在空间两个方向上尺寸很大，如晶界 第二节　金属的结晶与同素异晶转变结晶结晶： 液体 --> 晶体凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）第二节　金属的结晶与同素异晶转变一、纯金属的结晶冷却曲线冷却曲线T0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度1.　冷却曲线与过冷度冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。null比如：纯铁的结晶过冷现象和过冷度T0 ： Fe的理论结晶温度=1539℃； Tn ： Fe的实际结晶温度（实际生产时的冷却速度下结晶温度） T’ ： Tn温度下结晶，释放结晶潜热，温度升高形成的平台，极缓慢条件下=1538 ℃ 纯铁的冷却曲线 ΔT=T0-Tn 为过冷度null 结晶热力学 物质自由能F：物质能够对外作功的能量 T0时，F液＝F固（液固共存） Tn时，F液> F固 (液→固) Tn′时，F液< F固 (固→液) 结晶驱动力：自由能差ΔF ΔF＝F液－F固， 过冷度ΔT = T0－Tn越大，ΔF越大，结晶倾向越大 过冷度的热力学解释2. 结晶过程2. 结晶过程形核和晶核长大的过程null结晶过程 形核与长大null两种形核方式两种长大方式平面生长自发形核：以液体中具有临界半径r*的小晶体为核心，长大成一个个晶粒。 外来形核：往溶液中添加高熔点物质，使之成为结晶核心，细化晶粒。例如：往钢水中添加Al，脱氧的同时产生Al2O3核心；往灰口铁溶液中加入硅铁或硅钙铁合金，可以细化灰口铁晶粒，称为孕育铸铁或变质铸铁。树枝状晶体生长示意图 树枝状晶体生长示意图 null3.晶粒大小及控制（1） 增加过冷度ΔT：ΔT↑ΔF↑r*数量↑； （金属型与砂型铸造晶粒大小比较） （2） 变质处理：增加外来形核； （3）振动浇注：产生断晶，形成新核心。 3.晶粒大小及控制细化晶粒的方法：形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系null二、纯铁的同素异构转变同素异构转变：一种金属，在不同温度下，能以几种晶体结构存在的现象，称为同素异构转变 δ-Fe(bcc)⇄γ-Fe(fcc)⇄α-Fe(bcc) null1) γ-Fe和α-Fe 溶解碳的能力不同，因此快速冷却可得到过饱和的α-Fe，写做α′亦称为马氏体（M）； 2) γ-Fe和α-Fe的比容不同，淬火后体积略有膨胀，这是淬火变形和开裂的主要原因； 3) α-Fe称为铁素体(F)，有磁性，是铁素体不锈钢的基本相； 4）γ-Fe称为奥氏体（A），无磁性，是奥氏体不锈钢的基本相； 纯铁同素异构转变的意义 null铁碳合金中的相和组织组成物合金:通过熔炼、烧结或者其它方法将一种金属元素或者几种其它元素结合在一起形成具有金属特性的新物质。碳钢：就是铁和碳为主形成的合金，其中碳元素的含量对组织和性能有很大的影响。Fe C第三节 合金的结晶与二元相图null碳钢中的主要组成固溶体 （碳或者其它合金元素在纯铁晶体结构中形成的溶体） 固溶体保持纯铁的晶体结构 化合物 （碳或者其它合金元素与铁形成的新的一种晶体结构的化合物） 化合物是一种不同与铁的一种新的晶体结构null铁碳固溶体铁素体(Ferrite)：碳在α-Fe中的间隙固溶体 α或者F表示α-Fe的八面体间隙和四面体间隙null奥氏体（Austenite）：碳在γ铁中形成的间隙固溶体，用γ或者A表示。nullγ铁的八面体间隙比α-Fe的八面体间隙大，所以碳在奥氏体中的最大溶解度是2.11%，而在铁素体中的最大溶解度只有0.0218%。钢的热处理钢力学性能null渗碳体（Cementite ） ：铁和碳形成的化合物 它的晶体结构和性能都不同于其组成元素，一般都具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。 碳的质量分数超过在α-Fe和γ铁中的溶解度极限时就会形成渗碳体，Fe3C。其碳含量为6.69%。 在铁碳合金中以网状、粗大片状存在时，将导致材料脆性增加，以细小片状或者球状存在时可以起强化作用。 null铁碳合金中的相和组织组成物相（Phase）：系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。 铁素体、奥氏体、渗碳体都是铁碳合金的基本相。 组织组成物（Microstructure）：构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相混合物或者三相混合物。 组织组成物的类型、数量、大小、形态、分布不同就构成了不同的显微组织。 珠光体=铁素体+渗碳体 莱氏体=奥氏体+渗碳体 (组织) （相）（相） (组织) （相）（相） null组织组成物的形状（片、球、网、针状等）null二元相图的建立1，配制不同成分的合金 2，不同成分合金熔化后，缓慢冷却，测量临界点。 3，将各临界点标在以温度为纵坐标，成分为横坐标的图中。 4，将各点连接成曲线。nullnull相图解释null二元相图的杠杆定律推导：b成分合金冷却到T1时， 液相的成分为a， 固相成分为c 合金总重量为W=1 Wa+ Wc=1 也就是 液相+固相=1 液相合金中的Ni与固相合金中的Ni的总量=b成分合金Ni含量=Xb Wa × Xa+ Wc × Xc=Xb Ma × Wa+(1- Wa)Xc=Xb, Wa=(Xc-Xb)/(Xc-Xa) =bc/ac 同理，Wc=ab/ac 所以 Wa/Wc=bc/ab 杠杆定律：用于计算二元相图在两相区内，某一温度下，某一成分下，两相的百分含量。null杠杆定律的应用： 计算任一温度下两相区平衡相的相对量。例如：含Ni 为60%的Cu-Ni合金，冷却至t温度时，由相图投影知Xa=20%；Xc＝80%；那么： Wa＝(Xc－X)/(Xc-Xa)＝ （80-60)/(80-20）×100% ＝33.3%； Wc＝ (X-Xa)/(Xc-Xa)＝ （60-20/80-20）×100% ＝66.7%； 运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分点。 nullFe-Fe3C 相图本课程的重点中的重点 是热处理的基础 要求能画出相图，标出重要温度点和成分点 能标出所有区域的相组成和组织组成。 nullFe-Fe3C 相图分析 L+Fe3Cnull相图中点、线、区的意义 点的意义： A：纯铁的熔点：1538℃； D：Fe3C的熔点：1227℃； N：纯铁同素异构转变点，δ－Fe(1394℃) γ-Fe； G: 纯铁同素异构转变点，γ-Fe（912℃）  α－Fe； S：共析点，AS(727℃)  P(FP + Fe3C)； C: 共晶点，LC(1148℃)  Ld′(AE + Fe3C)； E：碳在A体中的最大溶解度点，1148℃溶解2.11%的碳；亦是钢与生铁（铸铁）的分界点； L+Fe3Cnull线的意义 液相线 ABCD 固相线 AHJECF 恒温转变水平线 HJB 包晶转变δH+LB→ AJ (1495℃) ECF 共晶转变 LC→Ld(AE +Fe3C) (1148℃) PSK 共析转变 AS→P(FP+Fe3C) (727℃) GS线：A→F,亦称A3线； ES线：A→Fe3C,亦称Acm线 莱氏体( Ld)-奥氏体和渗碳体混合物珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片状混合物L+Fe3Cnull 区的意义： （1）单相区：L、δ、A、F； （2）两相区：L+δ、L+A、 L+Fe3CⅠ、δ+A、A+F、A+Fe3C F+Fe3C （3）三相共存点： J点：(L+δ+A) C点：（L+A+ Fe3C）； S点：（A+F+ Fe3C）； L+Fe3Cnull相图中的组织组成(I)null三个恒温转变包晶转变：恒温下由一定成分的固相和一定成分的液相相互作用形成另一种成分的新固相。 共晶转变：恒温下由一定成分的液相转变为两种一定成分的固相。 共析转变：恒温下由一定成分的固相转变为两种一定成分的固相。null珠光体P：（Pearlite）共析转变产物，A→P(F+Fe3C) null莱氏体Ld/ Ld′:(Ledeburite)，共晶转变产物，L→Ld (A+Fe3C) → Ld′（P+ Fe3C）； null典型合金组织转变分析及其相组成和组织组成的计算null铁-碳合金相图中钢的平衡组织转变铁碳平衡合金三种类型：工业纯铁、钢及白口铸铁 钢又可分成下列三种类型： 共析钢:Wc=0.77%（即S点成分）的钢； 亚共析钢:Wc=0.02%～0.8%（即P～S点之间成分）的钢 过共析钢:Wc=0.8%～2.11%（即S～E点之间成分）的钢 而白口铸铁又可分成下列三种类型： 共晶白口铸铁（C点成分，Wc=4.3%）； 亚共晶白口铸铁（C点以左，Wc=2.11%～4.3%）； 过共晶白口铸铁（C点以右，Wc=4.3%～6.69%） null工业纯铁亚共晶白口铁共析钢过共析钢过共晶白口铁共晶白口铁亚共析钢(I)null(I)null(1)工业纯铁（C＝0.01%）： L→L+δ→δ→δ+A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ 0.01%WF= （6.69-0.01）/6.69=99.85% WFe3C=1-WF==0.015%(I)null040%L→ L+A→ A→ F+A→ F+P 相组成：WF=(6.69-0.40)/6.69 =94.% 组织组成：WP=(0.40-0.0218)/ (0.77-0.0218)=50.5%亚共析钢(I)null0.77%共析钢（C＝0.77%）：L→L+A→A→P 相组成：WF= (6.69-0.77)/6.69=88.4 组织组成：WP=100%(I)null1.2%过共析钢（C＝1.2%）： L→ L+A→ A→ A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ 相组成: WF=(6.69-1.2)/6.69 =82% 组织组成：WP=(6.69-1.2)/ (6.69-0.77)(I)null2.11%相组成：WF=(6.69-2.11)/6.69=68.5% 组织组成：WP=(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=77% WFe3CII=1-WF=23%(I)null3.0%亚共晶白口铁（C＝3.0%）： L→L+A→A+Ld→A+ Fe3CⅡ+Ld→P+ Fe3CⅡ+Ld′ 相组成：WF=(6.69-3.0)/6.69 =55% 组织组成 WLd’=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=40.6% WP=(6.69-2.11)/(6.69-0.77)*(1-40.6%)=59.4%*77%=45.7% WFe3CII=1-40.6%-45.7%=13.7% (I)null4.3%共晶白口铁（C＝4.3%） L→Ld→Ld′ 相组成：WF=(6.69-4.3)/6.69 =35.7% 组织组成：Ld’=100%(I)null过共晶白口铁（C＝5.0%）： L→L+ Fe3CⅠ→Ld+ Fe3CⅠ→Ld′+ Fe3CⅠ 5.0%相组成：WF=(6.69-5.0)/6.69=25.3% 组织组成 WLd’=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7% WFe3CI=29.3%(I)null相组成百分含量共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁组织组成百分含量FP77%Fe3CIIFe3CILd’(I)nullC含量的增加Fe3C 百分含量增加Fe3C 分布和形态发生变化铁素体晶界薄片珠光体中的层片状沿原奥氏体晶界分布的网状莱氏体中的基体分布在莱氏体上的粗大片状碳含量对Fe-C合金组织和性能的影响nullC含量的增加F↓ Fe3C↑ HBS↑ σb↑ ↓ d ↓ y ↓ ak ↓ nullFe-Fe3C相图的实际应用1，为选材提供依据：碳含量对组织和性能的影响规律合理选材白口铁（2.11-6.69%）高硬度、耐磨、高脆性不受冲击的耐磨件null2，为制定热加工工艺提供依据铸造：1)分析铸造性能优劣；2)确定铸造温度（过热度）； 锻造：1)确定锻造温度；2)分析加热缺陷； 焊接：1)分析焊接组织；2)分析焊接缺陷和应力； 热处理：确定热处理加热温度； null补充作业 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 补充作业题1.画出Fe-Fe3C相图，填出图中各区的相和组织。并分析碳含量wc分别为0.3%、0.77%、1.2%、3.0%、4.3%、5.0%的铁碳合金从液态缓慢冷却至室温时的结晶过程和室温组织。并应用杠杆定律计算室温下相组成物和组织组成物的质量百分数。