金属工艺学第二章金属的晶体结构课件

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,2019/1/18,#,第二章 金属的晶体结构,金 属 工 艺 学,1,第二章 金属的晶体结构,本章重点：,纯金属的晶格类型及晶体缺陷；,细化晶粒的措施；,合金的晶体结构；,二元匀晶相图分析,本章难点：,铸锭组织；,二元匀晶相图分析,1第二章 金属的晶体结构本章重点：本章难点：,2,本节重点,晶格类型,晶体缺陷,第一节 纯金属的晶体结构,细化晶粒的措施,本节难点,铸锭组织,2本节重点晶格类型晶体缺陷 第一节 纯金属的晶体结构,3,晶体与晶格,晶体结构、金相组织与晶体缺陷,金属的结晶与铸锭组织,第一节 纯金属的晶体结构,主要内容,3晶体与晶格 晶体结构、金相组织与晶体缺陷金属的结晶与铸锭组,4,晶格：,原子看作点，用直线连接成的空间格子,。,晶胞：,代表晶格的原子排列规律的最小几何单位,。,一、晶体与晶格,1,、晶体与晶格,4晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子。一、晶体与晶格,5,1,）体心立方晶格,2,、典型的晶格类型：,重点内容,动画演示,52、典型的晶格类型：重点内容动画演示,6,体心立方晶格,a,）晶胞形状立方体。,b,）原子分布结点、中心。,c,）晶胞 包含,2,个原子。,d,）致密度,0.68,属于这类金属晶格的有：,-Fe,、,Cr,、,V,、,W,、,Mo,等。,6 a）晶胞形状立方体。属于这类金属晶格的,7,2,）面心立方晶格,动画演示,7动画演示,8,面心立方晶格,a,）晶胞形状立方体。,b,）原子分布结点、各面中心。,c,）晶胞包含,4,个原子。,d,）致密度,0.74,属于这类金属的有：,r-Fe,、,Al,、,Cu,、,Ni,等。,8 a）晶胞形状立方体。属于这类金属的有：r-Fe,9,3,）密排六方晶格,动画演示,9动画演示,10,密排六方晶格,a,）晶胞形状六棱柱体。,b,）原子分布结点、上下面中心，体中心有三个。,c,）晶胞包含,6,个原子。,d,）致密度,0.74,。,属于这类金属的有：,Mg,、,Zn,、,Ti,等。,10a）晶胞形状六棱柱体。属于这类金属的有：Mg、Zn、,11,1,、多晶体结构：,二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷,工业上使用的金属属于,多晶体,。,2,、金相组织：,组织是指用,肉眼,或在,显微镜,下所观察到的,图象。包括,晶粒或组成相的形状、尺寸、分布及相互之间的组合状态,。,金相组织,是在,显微镜,下所观察到的,图象。,111、多晶体结构：二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷工业上,12,3,、晶体缺陷：,重点内容,局部原子排列的不完整区域。,二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷,根据缺陷的,几何形状,，分为,:,点缺陷,线缺陷,面缺陷,123、晶体缺陷：重点内容 二、晶体结构、金相组织与晶体缺,13,1,）点缺陷：,晶格扭曲,点缺陷,带来性能的变化，,如强度的提高等。,晶格空位、间隙原子和置换原子。,131）点缺陷：晶格扭曲点缺陷带来性能的变化，晶格空位、间隙,14,2,）线缺陷：,刃型位错是,最简单的,位错。,即位错：,是晶格中,一部分晶体,相对于,另一部分晶体,的,局部滑移,而造成。,理想晶体,刃型位错,142）线缺陷：刃型位错是最简单的位错。即位错：是晶格中一部,15,位错与力学性能,15位错与力学性能,16,3,）面缺陷：,晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度愈高。,主要指,晶界和亚晶界,晶界 亚晶界,163）面缺陷：晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大,17,缺陷特征对比,缺陷类别,分类,对材料性能的影响,点缺陷,空位、,间隙原子、,置换原子,强度、硬度提高，,固溶强化等,线缺陷,位错,加工硬化等,面缺陷,晶界、亚晶界,易腐蚀，,细晶强化,17缺陷特征对比缺陷类别分类对材料性能的影响点缺陷空位、强度,18,三、金属的结晶与铸锭组织,铸锭组织,冷却曲线与过冷度,细化晶粒的措施,纯金属的结晶过程,金属的同素异构转变,单晶体与非晶态合金的制取,18三、金属的结晶与铸锭组织铸锭组织冷却曲线与过冷度细化晶粒,19,1,、纯金属的结晶过程,不断形核晶核不断长大同时进行的基本过程。,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,191、纯金属的结晶过程不断形核晶核不断长大同时进行的基本,20,金属的结晶,20金属的结晶,21,2,、,冷却曲线与过冷度,C,L,T0,Tn,S,0,T0,：理论结晶温度,Tn,：实际结晶温度,T=T0Tn,（过冷度）,实际上,C,T0,L,a,b,S,0,a,：,结晶开始点,b,：结晶终了点,理论上,T,为什么会出现,水平台阶？,21 2、冷却曲线与过冷度C LT0TnS0T0：理论结,22,金属冷却曲线的解释：,Tn,T,0,，,液、固态平衡，自由能变化,为零，不能自发结晶。,T,时，,液态与固态的自由能之差,大于零，结晶进行。,T,越大，,自由能差越大，结晶推动力越大，,晶体生长速,度越大。,原因：,自发转变（等温等压下）的方向，,能量减少,。,过冷是金属结晶的必要条件。,22金属冷却曲线的解释：TnT0，液、固态平衡，自由能变,23,3,、影响晶核尺寸的因素,重点内容,1,）晶粒粗细对材料力学性能的影响,一般来说，晶粒愈细力学性能越好，,即强度和硬度愈高，同时塑性和韧性愈好。,（细晶强化）,晶粒平均直径,mm,抗拉强度,/Pa,屈服点,/Pa,伸长率,/%,9.70,16.5x10,7,4.0 x10,7,28.8,7.00,18.0 x10,7,3.8x10,7,30.6,2.50,21.1x10,7,4.4x10,7,39.5,0.20,26.3x10,7,5.7x10,7,48.8,0.16,26.4x10,7,6.5x10,7,50.7,晶粒大小对纯铁力学性能的影响,233、影响晶核尺寸的因素 重点内容1）晶粒粗细对材料力,24,增大过冷度：增加冷却速度；,2,）细化晶粒的方法：,变质处理：,振动：,搅拌,在液体金属中加入变质剂,(,孕育剂,),，以细化,粒和改善组织的工艺措施。,形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。,如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？,24增大过冷度：增加冷却速度；2）细化晶粒的方法：变质处理,25,5,、铸锭组织,中心等轴晶粒区,表层细晶粒区,过冷度大 模壁的人工晶核作用,柱状晶粒层,模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。,中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。,255、铸锭组织中心等轴晶粒区 表层细晶粒区柱状晶粒层,26,6,、金属的同素异构转变,概念：,温度变化晶格类型变化。,意义：,利用热处理，改善材料性能。,266、金属的同素异构转变概念：温度变化晶格类型变化。,27,1538c,1394c,912c,室温,-Fe,-Fe,-Fe,体心立方,面心立方,体心立方,271538c1394c912c室温-Fe-Fe,28,第二节 合金的晶体结构,重点：,合金的晶体结构,难点：,相的概念,28第二节 合金的晶体结构 重点：,29,主要内容,合金中的相,固溶体,金属化合物,29主要内容合金中的相固溶体 金属化合物,30,一、合金中的相,合金：,由,两种或两种以上,的金属与金属元素或金属与非金属,元素组成的具有,金属性质,的物质。,组元：,组成合金的基本元素。,相：金属或合金中，,凡是,成分相同,、,结构相同,并与其他,部分,有界面分开,的均匀组成部分。,例如：单一的液相；,单一的固相；,液相、固相两相共存；,相 组织 性能,构成,决定,30一、合金中的相合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金,31,二、固溶体,组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的,单一均匀,的物质,，,是“,固态溶液”。,按溶质原子所处的位置分为：,置换固溶体：,间隙固溶体：,例如：,C,溶入,-Fe,或,-Fe,所形成的铁素体、奥氏体。,31二、固溶体 组成合金的组元，在固态时相互溶解,32,固溶体：保持溶剂的晶体结构。,固溶强化：,随着溶质原子的增加，溶剂晶,格产生畸变，使金属强度、硬度,升高的现象。,例如：纯铁与钢,32固溶体：保持溶剂的晶体结构。固溶强化：随着溶质原子的增加,33,指合金组元间,发生相互作用,而生成的晶格类型和性能,不同于,任一组元的物质。,例如：,Fe,和,C,所形成的化合物,Fe,3,C,，就是一种典,型的金属化合物。,三、金属化合物,33 指合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性,34,第三节 二元合金的相图,重点：,二元匀晶相图分析 枝晶偏析,难点：,二元匀晶、共晶相图分析,34第三节 二元合金的相图 重点：二元匀晶相图分析,35,二元合金相图,二元匀晶相图,二元共晶相图,35二元合金相图,36,凡是在,液态和固态,都能,无限互溶,的二元合金的相图，,是学习二元合金相图的基础。,二元匀晶相图的建立,二元匀晶相图分析,一、二元匀晶相图：,36 凡是在液态和固态都能无限互溶的二元合金的相图，是学习,37,配置各种成分的合金,；,1.,相图的建立（,Cu-Ni,合金为例）,37配置各种成分的合金；1.相图的建立（Cu-Ni合金为例,38,测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；,建立坐标系，把临界点分别标注在成分垂线上；,光滑曲线连接，填写数字、字母和相或组织名称。,相图建立的演示,38 测定缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；,39,2.,二元匀晶相图分析,二点：,纯铜、镍的熔点,二线：,液相线、固相线,三区：,单相的液相区（,L,）；,单相的固溶体区（,）；,液相和固相共存的两相区（,L,）,392.二元匀晶相图分析,40,40,41,合金的结晶过程,(,以,w,Ni,=,40,的合金为例,),高温液态,单相固溶体,液相线,开始结晶出,组织，液相的成分沿液相线变化，,的成分沿固相线变化。,缓慢冷却,液相减少,组织增多,固相线,全部结晶出,组织，液相消失,41合金的结晶过程(以wNi=40的合金为例)高温液态单相,42,危害：,晶粒性能不一致，影响合金的,力学,性能、耐蚀性、加工工艺性。,措施,：,即,扩散退火,的方法来消除或改善。,3.,枝晶偏析,(,晶内偏析,):,指晶体内部化学成分不均匀的现象。,原因,：,在实际生产中，一般冷却速度较快，,晶粒中心部与表层的成分不均匀。,42 危害：晶粒性能不一致，影响合金的力学3.枝晶偏析(晶,43,4.,杠杆定律：只适用于两相区,用来确定某合金在某温度下液、固两相的百分含量。,Q,L,ac=Q,cb,434.杠杆定律：只适用于两相区用来确定某合金在某温度下液、,44,二、二元共晶相图（,p28),共晶反应：,在,恒温,下，,一定成分,的,液相,同时结晶,出,两个新固相,(,成分一定,),的转变过程。,二元共晶相图：凡是,在液态下,能,无限互溶,，在,固态,下有限互溶，,发生,共晶反应,的二元合金,相图。,二元共晶相图形成,二元共晶相图分析,44二、二元共晶相图（p28)共晶反应：在恒温下，一定成分的,45,以,A,组元,为溶剂的固溶体；,共晶相图,两个匀晶,相图重叠,抽象,1.,二元共晶相图的形成,以,B,组元为溶剂的固溶体；,45以A组元为溶剂的固溶体；共晶相图两个匀晶抽象1.二,46,2.,二元共晶相图的分析,图,d,：,、,结晶时，液相成分液相线变化，,当温度降低至,E,点,时，,E,点,的成分同时与,M,点,的,相、,N,点,的,相平衡，,即,L,，,，,必然,三相平衡,，,且在,恒定,温度下进行。,即：,L L ,，直到,L,消失为止。,此时，全为固相，但通常已结晶出,的,、,相发生溶解度的变化。,图,a,、,b,的分析,与二元匀晶相图,一致；,462.二元共晶相图的分析图d：图a、b的分析与二元匀晶相,47,3,）相图构成：,a,）,匀晶转变：,水平线以上；,固溶线：,水平线以下；,共晶转变：,水平线,b,）单相区：,L,，,，,两相区：,L+,，,L+,+,三相区：,L,c,）液相线、固相线,d,）共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金