第2章材料组织课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第2章 工程材料的组织结构,2.1,2.2,2.3,纯金属的晶体结构与结晶,非金属材料的结构简介,合金的晶体结构与结晶,第2章 工程材料的组织结构2.12.22.3纯金属的晶,1,学习目的:,通过本章的学习，了解常用材料的组织结构，理解和掌握铁碳合金相图的内容与应用。,本章重点内容:,1.金属的结晶条件、规律及控制,2.铁碳合金的基本组织,3.铁碳合金相图的内容与意义与应用,学习目的:本章重点内容:1.金属的结晶条件、规律及控制,2,2.1.1,2.1纯金属的晶体结构与结晶,晶体：,材料的原子(离子、分子)在三维空间呈规则,的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。,非晶体,：,材料的原子(离子、分子)在三维空间无规,则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等。,晶体结构,晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式。,晶格,假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。,晶胞,能反映晶格特征的最小组成单元。,晶格常数,晶胞的三个棱边的长度,a,b,c,。,第2章,金属的晶体结构,纯金属的晶体结构与结晶,1.基本概念,2.1,1,2.1.1 2.1纯金属的晶体结构与结晶晶体：材料的原子(离,3,2 常见的金属晶体结构,（1）体心立方晶格,有：,钼(Mo)、钨、钒、铬、铌、-Fe等。,（2）面心立方晶格,（3）密排六方晶胞,有：,铝、铜、镍、金、银、-Fe,等,。,有,：镁、镉(Cd)、锌、铍(Be)等。,2.1.1金属的晶体结构,第2章,2,2 常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格有：钼(Mo)、,4,2.1.2实际金属的晶体结构,1.多晶体结构,晶粒,晶界,位向,各向同性,2.1.2,实际金属的晶体结构,3,第2章,2.1.2实际金属的晶体结构1.多晶体结构晶粒晶界位向各向同,5,2.1.2 实际金属的晶体结构,2.实际金属中的晶体缺陷,(1)点缺陷,三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。,空位,空位,间隙原子,间隙原子,(2)线缺陷,二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。,刃型位错,螺型位错,刃型位错,(3)面缺陷,二维尺度很大而第,三维尺度很小的缺陷。,晶界,亚晶界,晶界,4,第2章,2.1.2 实际金属的晶体结构2.实际金属中的晶体缺陷(1),6,金属晶体缺陷的影响？,点缺陷-,造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加,密度发生变化。,线缺陷-,形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，,金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。,面缺陷-,晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高。,金属塑性变形的能力越大，塑性越好。,2.1.2 实际金属的晶体结构,第2章,5,金属晶体缺陷的影响？点缺陷-造成局部晶格畸变,使金,7,2.1.3纯金属的结晶,第2章,6,液态L固态S S可以是非晶体。,一种原子排列状态过渡为另一种原子,规则排列状态(晶态)的转变过程。,一,LS晶态,SS晶态,（1）冷却曲线与过冷度,液态金属在结晶时的温度,时间曲线,一次结晶,二次结晶,凝固,结晶,2.1.3,纯金属的结晶,1.金属结晶的基本规律,2.1.3纯金属的结晶,8,过冷度,理论结晶温度,和实际结晶温,度之差。,T,=,T,0,T,1,冷却速度越快，过冷度越大,过冷,液态金属的实际结晶,温度总是低于理论结晶,温度的现象。,2.1.3 纯金属的结晶,第2章,7,只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能,开始进行,过冷是金属结晶的必要条件。,过冷度理论结晶温度T=T0T1 冷却速度越快，,9,(2)结晶的一般过程,2.1.3纯金属的结晶,第2章,8,(2)结晶的一般过程2.1.3纯金属的结晶,10,形核自发形核,非自发形核,长大,树枝状长大,结晶过程,2.1.3 纯金属的结晶,第2章,9,平面长大,形核自发形核长大 树枝状长大,11,2.1.3 纯金属的结晶,第2章,10,(1)晶粒度,单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)。,(3)过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提高,过冷T太高，N降低、G降低,(2)晶粒大小对力学性能的影响,晶粒越细，金属的强度、硬度,越高，塑性、韧性越好,1.金属结晶后的晶粒大小,2.1.3 纯金属的结晶,12,2.1.3 纯金属的结晶,第2章,11,(4)晶粒大小的控制,提高过冷度,变质处理,在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶,核的核心，以细化晶粒和改善组织。,振动、搅拌等,2.1.3 纯金属的结晶,13,2.2 合金的晶体结构与结晶,合金的晶体结构与结晶,12,合金的相结构,2.2,2.2.1,1.基本概念,合金,组元,合金系,相 组织,第2章,2.2 合金的晶体结构与结晶,14,(1),合金,由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质。,普通黄铜,：,Cu+Zn,45钢,:,铁碳合金,2.2.1合金的相结构,第2章,13,合金,除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如,高强度,、,高硬度,、,高耐磨性,、,强磁性,、,耐蚀性,等。,(1)合金 2.2.1合金,15,(2)组元,组元,可以是金属,、,非金属或稳定化合物。,组成合金的独立的，最基本的单元,2.2.1合金的相结构,第2章,14,(3)合金系,若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金,(2)组元 组元可以是金属、非金属或稳,16,(4),相,在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。,铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。,纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。,固态白铜(铜与镍二元合金)是单相的。,合金中有两类基本相：,固溶体,和,金属化合物,。,在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为,相,。,2.2.1合金的相结构,第2章,15,(4)相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。,17,(5)组织,合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。,不同组织具有不同的性能。,由不同组织构成的材料具有不同的性能。,同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。,45钢经过不同的热处理可以获得,珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体,等组织。,并获得不同的性能。,组织,是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。,2.2.1合金的相结构,第2章,16,(5)组织合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种,18,(1)固溶体,合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为,固溶体,。,固溶体,溶剂,+,溶质,一种固相,能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为,溶剂,。,失去原有晶格类型的组元称为,溶质,，一般在合金中含量较少。,2.2.1合金的相结构,17,第2章,2.合金的相结构,(1)固溶体合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一,19,固溶体的分类,根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：,间隙固溶体,和,置换固溶体,。,根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：,有序固溶体,和,无序固溶体,。,根据溶质原子在溶剂晶格中的,溶解度,可将固溶体分为：,有限固溶体,和,无限固溶体,。,溶解度：,指溶质在固溶体中的极限浓度。,2.2.1合金的相结构,第2章,18,固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶,20,间隙固溶体,溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。,置换固溶体,溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体。,间隙固溶体,置换固溶体,2.2.1合金的相结构,第2章,19,溶质与溶剂以任,何比例都能互溶，,固溶度达100，,则称为,无限固溶体,，否则为,有限固溶体。,间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。置换,21,间隙固溶体,溶质原子与溶剂原子直径之比应小于059方可。,直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。,过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C,、,N、H、B等易形成间隙固溶体。,溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是,有限固溶体,。,溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。,2.2.1合金的相结构,第2章,20,间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之比应小于059方可。直,22,置换固溶体,无限固溶体一定是,置换固溶体。,置换固溶体,也可以是有限固溶体。,两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。,无限固溶体,形成条件,两组元晶体结构相同是必要条件。,溶剂原子半径,r,A,与溶质原子半径,r,B,的相对差(,r,A,r,B,),r,A,小于8%左右时。,2.2.1合金的相结构,第2章,21,置换固溶体无限固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体也可以是有限,23,第2章,22,碳在 Fe中的间隙固溶体,第2章22碳在 Fe中的间隙固溶体,24,铜和金形成的置换固溶体,第2章,23,铜和金形成的置换固溶体第2章23,25,固溶体的性能,固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。,这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为,固溶强化,。,它是强化金属材料的重要途径之一。,固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。,固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。,2.2.1合金的相结构,第2章,24,固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。这种通过形成,26,固溶强化的原因,由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。,2.2.1合金的相结构,第2章,25,固溶强化的原因 由于溶质原子的溶入，使固溶体,27,(2)金属化合物,它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。,金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。,合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。,根据合金中金属化合物相结构的性质和特点，可大致划分为,正常价化合物,、,电子化合物,及,间隙化合物,三类。,2.2.1合金的相结构,第2章,26,(2)金属化合物 它是合金组元相互作用形成的晶格,28,a,第2 章,27,a第2 章27,29,当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性(此现象称为,弥散强化,)。因此，金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相及强化相。而性能除,固溶,强化影响外，还取决于金属化合物的种类和数量。,弥散强化,2.2.1合金的相结构,第2章,28,当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时,30,机械混合物,工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的。因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。固溶体组成的合金，往往由于强度,、,硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种)所构成的,机械混合物,。合金的性能,取决于其形态、大小、数量、种类等。,2.2.1合金的相结构,第2章,29,机械混合物 工业合金中其组织仅由化合物单相组成的,31,2.2.2合金的结晶,第2 章,30,合金相图,相图,是表示在平衡状态下合金系中各种合金状态、组,织与温度、成分之间关系的一种简明示图，也称为平,衡图或状态图。,合金的结晶,2.2.2 合金的结晶,2.2.2合金的结晶,32,1.,铁碳合金相图的表示方法,2.2