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1、材料及热加工工艺,第二章 金属及合金的结构与结晶,1 金属的结构与结晶 2 合金的结构与相图,第一节 金属的结构与结晶,一、金属键与金属的特性,金属的定义（传统）：-是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。,二、金属的晶体结构,1.晶体的概念,固体物质按原子排列的特征分为:晶体:（1）结构有序；（2）物理性质表现为各向异性；（3）有固定的熔点 非晶体:（1）结构无序；（2）物理性质表现为各向同性；（3）没有固定熔点,2、晶格与晶胞,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成,的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵,晶胞：能代表晶格原
2、子排列规律的最小几何单元。,晶格常数：晶胞各 边的尺寸 a、b、c。各棱间的夹角用、表示。,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。配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,2、常见的金属晶格,体心立方晶格bcc,面心立方晶格fcc,-Fe、Cr、W、Mo,-Fe、Cu、Ni、Al,Zn、Mg,密排六方晶格hcp,体心立方晶格的参数,面心立方晶格的参数,密排六方晶格的参数,三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷,1、单晶体、多晶体,单晶体：晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，具有各向
3、异性，只有采用特殊的方法才能得到单晶体。,晶粒示意图,1)点缺陷,是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。,晶体中的点缺陷1、2空位；3、4间隙原子；5、6置换原子,晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,2、实际金属的晶体缺陷,a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，,位错：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。,是指二维方向上尺寸较小，在另一
4、维方面上尺寸较大的缺陷。,螺型位错示意图,3)面缺陷,-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。,晶界的特点：原子排列不规则。熔点低。耐蚀性差。易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。相变的优先形核部位,显微组织的显示,四 金属的结晶,1、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列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。,结晶：液体-晶体,凝固：液体-固体（晶体或非晶体）,结晶,纯金属结晶时的冷却曲线,结晶潜热的释放维持温度不变，即出现平台。,2、结晶过程,液态金属结晶是由形核和长大两个基本过程来实现。
5、,(1)晶核的形成,1）自发形核依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。,但需要很大的过冷度，如：纯铜结晶T=236,)非自发形核晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核，所需过冷度为20。,晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。,（2）晶核的长大,顶角和棱边处散热条件优于其它部位,金属的树枝晶,顶角和棱边处散热条件优于其它部位,3、晶粒大小对金属力学性能的影响及细化晶 粒的方法,形核率N：单位时间内在单位液体体 积中形成的晶核数目。,长大率G：单位时间界面向前推进的距离。,金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。,N/G值越大，结晶后的晶粒越细。,
6、例：纯铁的晶粒 d：70m减至1.6m b：184MPa增至270MPa：30.6%增至50.7%,细化晶粒的途径:,1）提高冷却速度,晶粒细小,2）变质处理 起外来晶核的作用或机械阻碍作用,3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,4、金属铸锭的组织,2 合金的结构与相图,一、合金的基本概念,合金：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。钢、铸铁等 组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。可以是元素，也可以是稳定的化合物。有二元、三元合金等。,所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质
7、上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,二、固态合金中的相结构(固溶体和金属化合物),定义：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；固溶体的成分不固定。,固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,固溶体,置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布 的称有序固溶体。,黄铜置换固溶体组织,无限固溶须满足三个条件：,a.原子外层电子结构相近；（电化学、负电性）b.原
8、子半径相差不大；c.晶格类型相同；（晶体结构）,Cu与Ni：29、28；2.55、2.44；均为fcc结构。故Cu与Ni形成无限置换固溶体。,间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金,属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。,固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。,2、金属化合物,合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构、性能、熔点与两组元都不同，
9、并具有金属特征，这种相称为金属化合物。,如：Fe+C Fe3C,（1）正常价化合物 Mg2Si（2）电子化合物（3）间隙化合物,根据形成条件：,金属化合物都是硬而脆，不能作基体相。,Fe3C的晶体结构,纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。在结晶 的过程中只有液相和固相数量的变化。合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的，在结晶的过程中，不但有固相和液相数量变化，而且各相的成分也在变化。,三、二元合金相图,相图是表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条件下）合金成分、温度和相（或组织）之间的关系图形，是选材、制定工艺的依据。,一）、相图的建立,1)配制不同成分的合金；,2)测定每种合金的冷却曲线，
10、找出每种合金的临界点（即冷却曲线上的转折点）；,3)将具有相同意义的临界点标注在温度成分坐标图中相应的合金线上；,4)把具有相同意义的临界点连成曲线即可。,Cu-Ni合金相图的建立过程,1、匀晶相图 Cu-Ni Au-Ag,二）二元合金相图的基本类型,特点：两组元在液态、固态均能够完全无限互溶，形成单一均匀无限固溶体。,1)相图分析,组元：Cu、Ni相：L、A、B点：熔点线：固、液相线相区：L、L+、,以Cu-Ni合金相图中Ni含量为40%的合金为例:,2)合金的结晶过程,3）杠杆定律处于两相区的合金，由相图可知两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠
11、杆定律：确定两平衡相的成分：划线求横坐标,确定两平衡相的相对 重量：根据杠杆定律求解,设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。,则QL+Q=1 QL x1+Q x2=x解方程组得：,应用：距某相区远的那一段线段长与直线全长的比就等于某相的相对重量。,4)枝晶（晶内）偏析,形成原因：冷却速度快，固溶体的化学成分来不及扩散均匀。,定义：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析。,影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织：含Ni30%的固溶体,枝晶偏析组织,由Cu-Ni合金的结晶过程可知，先结晶出的含镍量高，不易被腐蚀，呈亮白色
12、；后结晶出的含铜量高，易被腐蚀，呈黑色。,生产中用“扩散退火”（均匀化退火）加以消除,（2）共晶相图 Pb-Sn Al-Si,特点：液态无限互溶，固态不能无限互溶;一 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。,相图分析,合金的结晶过程,合金的结晶过程,合金的结晶过程,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,二次相为。室温组织为+(+)+。,合金的结晶过程,合金的相组分与组织组分,组织组成物在相图上的标注,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,（3）、包晶相图,LC+D P,一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）为 共析转变（反应），得共析组织。,4共析相图,（5）具有稳定化合物的共晶相图,共析相图的特点：,为固态转变，需要较大的过冷度；,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，造成内应力。,常见三相等温水平线上的反应,分析题：,
