工程材料2ch2金属的晶体结构和二元合金相图.ppt

第二章 金属晶体结构和 二元合金相图 本章主要内容 2.1 纯金属的晶体结构及其结晶 2.2 合金的结晶和二元合金相图? 2.3 铁碳合金基本组织及其相图 2.1 纯金属的晶体结构及其结晶 纯金属的晶体结构 金属的结晶过程 金属的同素异晶转变 纯金属的晶体结构 晶体 晶格 晶胞 晶格常数 简单立方体的晶格与晶胞示意图 二、常见的晶格类型 1、体心立方晶格 立方体八角及中心各有一个原子，具有这种晶格的金属如：Mo、Cr、V、W、Mn、 α-Fe、 δ-Fe等 2、面心立方晶格 立方体八角及六面中心各有一个原子，具有这种晶格的金属如： γ-Fe、Cu、Al、Ag、Pb、Ni等。 3、密排六方晶格 12个角上各有一个原子，晶胞内部还有三个原子，具有这种晶格的金属如： Mg、Zn、Cd、Be等。 三、纯金属的结晶 1、冷却曲线与过冷度 2、结晶过程 当t℃时↓，原子活动能力↓，原子间的吸引力↑； 当t℃＝凝固℃时，液态金属的原子中，有少数局部原子作规则排列，形成晶核； 邻近的原子以晶核为中心，继续作规则排列，晶体迅速长大；同时，新的晶核又不断生成，重复以上过程； 这样，各小晶体长大，并相互抵触，形成许多外形不规则的晶体，称为晶粒，晶粒间相交形成的界面，称为晶界。 金属结晶过程示意 金属熔液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体，（见动画\视频）。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。 3、晶粒大小与金属力学性能 晶粒越细,晶界越多,咬合力越大,力学性能（强度、塑性、韧性）越好。 如何得到细晶粒? 金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，且塑性和韧性也愈好。细化铸态金属晶粒的主要途径是： (1)增大过冷度:加快冷却速度，以增加晶核的数目； (2)变质处理:利用异质形核的原理，在浇注前在金属液中加入某些高熔点的物质作为结晶核心，以获得细晶粒组织，也称孕育处理。加入的物质称为变质剂，也称孕育剂 ； (3)附加振动:对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。 此外，还可采用热处理或压力加工方法，使固态金属晶粒细化。 总之，用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一。 实际结晶组织 四、金属的同素异构转变 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，如具有一定的转变温度。转变过程包括形核、长大两个阶段等。因此，同素异构转变也可以看作是一种结晶，有时也称为重结晶。通过同素异构转变可以使晶粒得到细化。 2.2 合金的结晶和二元合金相图 1、合金 合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。 2、组元 组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。 3、合金系 合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。 4、相 相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分 三、二元合金相图 1、二元合金的结晶 3、 杠杆定律 某一成分的二元合金在某温度处于二元相图的两相区内，则两相之间的重量比可以用“杠杆定律”来求得。 杠杆定律使用注意事项: 1、杠杆定律只适用于相图中的两相（或两组织）区； 2、杠杆定律只能在平衡条件下使用。 2.3 铁碳合金基本组织及其相图 铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图 一、铁碳合金的基本组织 固溶体：铁素体 F、奥氏体 A 金属化合物：渗碳体 Fe3C 机械混合物：珠光体 P、莱氏体Ld 1、铁素体(F)－Ferrite 2、奥氏体（A）－Austenitic 奥氏体的特点： (1)在1148℃时有最大溶解度wC= 2.11%，727℃时wC=0.77%。 (2)其力学性能与碳含量及晶粒大小有关，一般硬度约在170～220 HBS ，δ=40 % ～50%。 (3)形变能力好，形变抗力小。 3、渗碳体(Fe3C)－Cementite 4、珠光体(P)－Pearlite 5、莱氏体(Ld) 二、铁碳合金相图 钢 C % 2.11% 铸铁 2.11 % C % 6.69 % 动画 亚共析钢结晶过程 3、铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律 随着合金中碳的质量分数的增加，在合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，因此合金的力学性能也相应变化（见下图）。 本章到此结束，欢迎进入下一章的学习！ mL /m = bc/ab×100