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1、CHAPTER 2 金属材料基础知识,一、金属的结构1.金属键 金属中的共有自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。,金属键主要特点：a.无饱和性、方向性；导致密堆和良好延展性；b.良好的导电和导热性能。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.纯金属的晶体结构2.1 有关晶体的概念空间点阵是指按晶体排列的规律由几何点在三维空间形成的阵列；其中的点称为阵点或结点。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,晶格：将阵点用一系列相互平行的直线连起来形成的空间格架晶胞：晶格的最基本单元晶胞描述：晶轴坐标；点阵常数(晶胞棱边长)a,b,c，夹角,.,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.
2、2 常见金属晶体结构面心立方结构(fcc):Au、Ag、Al、Cu、Fe等,体心立方结构(bcc):Cr、W、Mo、V、Fe等,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方结构(hcp):Mg、Zn、Be、Cd等,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.3 晶向指数和晶面指数 晶面：穿过晶体的原子面晶向：连接晶体中任意原子列的直线方向 国际上通用密勒（Miller）指数标定（1）晶向指数：表征晶体中点阵方向的指数。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,确定晶向指数步骤：1)建立坐标系：以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，过原点的晶轴为坐标轴,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。,
3、2)确定坐标值：在待定晶向上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。3)将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，u v w即为待定晶向的晶向指数。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,4）注意：a.一晶向指数代表一组在空间相互平行且方向一致的所有晶向。b.若晶向所指的方向相反，则晶向数字相同符号相反。c.原子排列相同、空间位向不同的所有晶向，可归为一个晶向族(crystal direction group)，用表示。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,如：立方晶体体对角线111晶向族包括111、T11、1T1、11T、TT1、1
4、TT、T1T、TTT共8个晶向；立方晶体面对角线100晶向族包括100、010、001、T00、0T0、00T 共6个晶向,CHAPTER 2 金属材料基础知识,(2）晶面指数：表征晶体中点阵平面的指数 标定晶面指数步骤：1)设定坐标系:2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距（若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大）；3)取各截距的倒数；4)将三倒数化为互质的整数，放入圆括号，记为(h k l)。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,z,CHAPTER 2 金属材料基础知识,5）注意：a.一晶面指数代表一组在原点同一侧的相互平行的晶面；b.若晶面指数相同，但正负符号相反的两晶面是以原点为对称
5、中心，相互平行的晶面。如（110）（TT0）,CHAPTER 2 金属材料基础知识,c.凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同，只是空间取向不同的晶面，为同一晶面族(crystal plane group)，用 h k l 表示。如 100 晶面族包括(100)、(010)、(001)、(T00)、(0T0)、(00T)等 d.在立方结构中若晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，则该晶向与晶面互相垂直。如：111（111）,CHAPTER 2 金属材料基础知识,三种典型金属晶体结构的特征 配位数：晶体中每个原子周围最邻近且等距离的 原子数。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方密排面,CH
6、APTER 2 金属材料基础知识,面心立方原子配位数,面心立方晶格原子位置,CHAPTER 2 金属材料基础知识,体心立方晶格密排面,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格密排面,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格原子配位数,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.3 实际金属晶体的结构特征点缺陷(空位，间隙原子与置换原子)线缺陷(位错)面缺陷(晶体表面，晶界、亚晶界与相界),CHAPTER 2 金属材料基础知识,线缺陷(位错：刃型位错、螺型位错、混合位错),CHAPTER 2 金属材料基础知识,面缺陷(晶体表面，晶界、亚晶界与相界,CHAPTER 2 金属材料基
7、础知识,3.纯金属的结晶 3.1 液态金属的结构特点,短程有序：小范围的原子集团内部的有序排列，大范围内无序结构起伏：短程有序不稳定能量起伏：原子间能量的变化,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3.2 结晶规律冷却曲线:热分析法做出的时间温度关系过冷度：T=TmTn T 0,结晶的必要条件,CHAPTER 2 金属材料基础知识,结晶过程：晶核形成和晶核长大(1)晶核形成：均匀形核(自发，均质，homogeneous nucleation)：新相晶核在母相中自发地形成,非均匀形核（in）:新相优先在母相中存在的固相表面形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。,单晶体、多晶体；晶粒、晶界,C
8、HAPTER 2 金属材料基础知识,3.3 同素异构现象：固态物质由于外界条件变化而发生晶体结构转变的现象。也称同素异晶转变。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,bcc fcc bcc,CHAPTER 2 金属材料基础知识,晶型改变引起某些性能和体积的突变，是热处理强化的依据化合物也有固态相变。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,二、常用金属材料的结构绝大多数实用金属材料是合金1.合金(alloys)：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。如碳钢和铸铁是FeC合金；黄铜是CuZn合金等。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,组元(co
9、nstituent)：组成合金的基本的独立的物质。组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。相(phase)：材料中聚集状态相同，化学成分相同，结构相同并与其他部分有明显界面的均匀组成部分。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.合金的基本相固态下所形成的合金相可分为 固溶体和中间相(intermediate phase)两大类。2.1 固溶体(solid solution)是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,实例：置换固溶体：溶质原子（离子）位于溶剂的晶格结点上，如
10、CuNi，AuCu,CHAPTER 2 金属材料基础知识,间隙固溶体：奥氏体(A或)C溶入Fe中形成的固溶体 铁素体(F或)C溶入Fe中形成的固溶体,CHAPTER 2 金属材料基础知识,体心立方的间隙,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方八面体间隙,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方四面体间隙,CHAPTER 2 金属材料基础知识,固溶强化 由于溶质原子的溶入造成溶剂晶格畸变，从而使材料的强度和硬度增加、塑性和韧性下降，这种现象称为固溶强化。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,溶质原子和溶剂原子的尺寸差别越大，造成的晶格畸变就越严重，固溶强化效果越显著。间隙原子造成
11、的畸变比置换原子大，故前者强化效果较好。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.2 中间相：合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体(二次固溶体)金属化合物：两组元组成的具有强键结合的新相，如Fe3C。金属化合物硬、脆，塑性很差，可作为合金组织中的强化相。非金属化合物：如FeS，MnS等,CHAPTER 2 金属材料基础知识,三、合金状态图1 相图：表示多元材料体系中温度、成分与材料状态的平衡图（又称为平衡图、状态图）2 相图的建立：以Cu-Ni合金为例，用热分析方法建立相图。,a.配制一系列不同成分的合金，分别作冷却曲线b.将各T-t曲线上、下
12、各临界点投影到T-C坐标系中 c.连接同类型的临界点,CHAPTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3 FeC合金状态图3.1 组元和合金相Fe:过渡族元素，1atm时，熔点为1538，2740气化 多晶性与磁性变化（-Fe加热时在770由铁磁性变为顺磁性）性能：纯铁的强度低(s100170MPa，b180270MPa)、硬度低(5080HBS)，塑性好(3050%)，韧性好(k160200J/cm2)；有较高的磁导率。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,C：铁碳合金中的碳除少量固溶于铁外，有两种存在形式：通常为Fe3C，对应FeFe3C介稳系相图；特殊情况下
13、为石墨，对应FeG稳定系相图。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,(3)合金相铁的固溶体：铁素体(相)：F最大溶碳量为0.0218wt(727),室温时极小，性能与纯铁相近，也称纯铁体。奥氏体(相)：A中的最大溶碳为2.11%(1148).有良好的塑性和韧性，顺磁性。相：碳溶于高温Fe形成的间隙固溶体，其中碳的最大溶解度在1495为0.09。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,Fe3C相(渗碳体):Fe与C形成的间隙化合物，常以Cm表示含碳量为6.69，熔点1227渗碳体结构复杂，渗碳体晶胞内含有12个铁原子和4个碳原子，符合FeC=31的关系。硬(800HB)而脆，0，是碳钢中主要的
14、强化相，它的量、形状、分布对钢的性能影响很大。一定的条件下，Fe3C 3Fe+C(G),CHAPTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3.2.1 特性线ABCD液相线；AHJECF固相线HJB包晶转变线 wC0.09-0.53%铁碳合金，冷却到1495发生包晶反应,ECF共晶线。共晶转变：一种特定成分的液相在一定的温度下，生成2种特定成分固相的混合物。wC2.11-6.69%的合金在1148都发生共晶转变，生成机械混合物莱氏体Ld(AFe3C)，是硬脆的组织,CHAPTER 2 金属材料基础知识,PSK共析线.共析转变：一种特定成分的固相在一定的温度下，生成2种特
15、定成分固相的混合物。,wC0.0218%的合金冷却到727都发生共析转变，生成珠光体(P=FFe3C)。共析线也称为A1线。P综合性能良好。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,GS线A与F转变线，称为A3线ES线碳在A中的溶解度线即Acm线。低于此线时，奥氏体析出二次渗碳体Fe3CPQ线碳在F中的溶解度线。低于此线时，F将析出Fe3C。MO线铁素体的磁性转变线（又称为A2线）A0线渗碳体的磁性转变线,CHAPTER 2 金属材料基础知识,相区5个单相区:液相区(L)相区 奥氏体区(或A)铁素体区(或F)渗碳体区(Fe3C或Cm)7个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+、+Fe3C、+F
16、e3C,CHAPTER 2 金属材料基础知识,显微组织：在显微镜下所观察到的构成材料的各相组成物及其相对量、尺寸、形态、分布等特征,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3.1.3 典型合金的平衡结晶过程(0)工业纯铁(wc0.0218%)共析钢(wc=0.77%)亚共析钢(wc=0.02180.77%)过共析钢(wc=0.772.11%)共晶铸铁(wc=4.3%)亚共晶铸铁(wc=2.114.3%)过共晶铸铁(wc=4.36.69%),CHAPTER 2 金属材料基础知识,(0)工业纯铁(wc0.0218%),工业纯铁室温组织图（200）,CHAPTER 2 金属材料基础知识,共析钢(wc=
17、0.77%),共析钢的室温组织（500）,CHAPTER 2 金属材料基础知识,亚共析钢(wc=0.02180.77%),过共析钢(wc=0.772.11%),CHAPTER 2 金属材料基础知识,图6.8 含碳1.2%的过共析钢的组织 a)硝酸酒精浸蚀，白色网状相二次渗碳体，暗黑色为珠光体；b)苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体,共晶铸铁(wc=4.3%),CHAPTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,亚共晶铸铁(wc=2.114.3%),CHAPTER 2 金属材料基础知识,FeC合金组织图,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3.3 碳对铁碳合
18、金组织和性能的影响 3.3.1 碳含量对平衡组织的影响铁碳合金室温平衡组织由铁素体和渗碳体两相组成。wC极低时，合金组织几乎全为F，随着wc%,F%,Fe3C%;wc=6.69时，F0，Fe3C100%。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,wc的变化使组织组成物及其形态发生变化：F F+P P P+Fe3C P+Fe3C+Ld Ld Ld Fe3C组织组成物形态的变化:F：等轴状块状网状片片；Fe3C：层片状层片状+网状基体 基体粗大板条,CHAPTER 2 金属材料基础知识,3.3.2 碳含量对力学性能的影响 F软韧相；Fe3C硬脆相，强化相随wc增加强度、硬度上升，塑性与韧性下降；wc
19、1%以后，因Fe3C增多而呈连续网状，使钢塑性、韧性降低，b降低,CHAPTER 2 金属材料基础知识,小结：铁碳相图是平衡图钢和铸铁中还有多种元素(C,Si,Mn,S,P等)；一般，钢与生铁的区别：在成分上，E点以左为钢；在组织上，生铁含Ld组织。铁碳相图是制定热加工工艺的重要依据,CHAPTER 2 金属材料基础知识,4 结晶理论的应用4.1 凝固组织的晶粒度控制细晶强化一般情况下，晶粒越细，材料强度、硬度越高；塑性和韧性也越好。Hall-Patch关系：HH0kd-1/2(d晶粒尺寸),晶粒度ZV：单位体积中的晶粒数目.ZV k(N/G)3/4 N形核率，G长大速度,k为常数.,CHAP
20、TER 2 金属材料基础知识,细化晶粒的措施：a.增大T随T，N和G都增大，N的增长率大于G；N/G越大ZV。,过冷度对N、G的影响,b.变质、孕育处理在液态金属中加入能促进形核、抑制长大的变质剂或孕育剂 c.动态细化在浇注和凝固时，采用搅拌、超声振动、机械振动等，外界提供能量使ZV；破碎枝晶；振动使散热加快，T。d.热处理,CHAPTER 2 金属材料基础知识,本章小结金属的结构决定其性能；金属结构受成分、温度以及制备条件等因素影响本章重点内容：纯金属与合金的结构、结晶一般规律 FeC合金相图、平衡组织图 细化晶粒意义及其方法3.自学内容：杠杆定律、单晶制备、定向凝固、材料的非晶态。,CHA
21、PTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,三种典型金属晶体结构的特征配位数：晶体中每个原子周围最邻近且等距离的原子数。,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方密排面,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方原子配位数,面心立方晶格原子位置,CHAPTER 2 金属材料基础知识,体心立方晶格原子位置,CHAPTER 2 金属材料基础知识,体心立方晶格晶胞中原子数,CHAPTER 2 金属材料基础知识,体心立方晶格密排面,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格原子位置,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格晶胞原子数,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格密排面,CHAPTER 2 金属材料基础知识,密排六方晶格原子配位数,CHAPTER 2 金属材料基础知识,面心立方晶格晶胞原子数,CHAPTER 2 金属材料基础知识,CHAPTER 2 金属材料基础知识,2.2 常见金属晶体结构面心立方结构(fcc):Au、Ag、Al、Cu、Ni、Pb、Fe等20多种,体心立方结构(bcc):Cr、W、Mo、V、Nb、Fe等30多种,
