汽车材料与金属加工课件

3.金属的同素异构转变
有些金属在固态下，其晶体结构会随温度 变化而改变，这种现象称同素异构转变， 转变产物称同素异构体。
液态 1538 δ-Fe 体心 立方
1394
δ -Fe
bcc
1394 ℃
γ -Fe
fcc
912 ℃
α -Fe
bcc
温度/℃
γ-Fe 面心立方 912 770 无磁性的 α-Fe 体心立方 有磁性的 α-Fe 体心立方 0 时间/min
固溶强化是金属材料最主要的一种强化手段
2.金属化合物
概念
合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相
特点
性能
晶格类型不同于任一组元
熔点高，硬而脆
当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上 时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现 象称为弥散强化
弥散强化
3.机械混合物
概念
由两相或两相以上组成的多相组织
1）工业纯铁 wC≤0.0218%的铁碳合金。
2）钢：0.0218 % ＜ WC ≤ 2.11 %
亚共析钢：WC=0.0218%-0.77% 共 析 钢：WC=0.77% 过共析钢：WC=0.77%-2.11%
3)白口铸铁 ：2.11 % ＜ WC ＜ 6.69 %
亚共晶白口铸铁：WC=2.11%-4.3% 共晶白口铸铁： WC=4.3% 过共晶白口铸铁：WC=4.3%-6.69%
书名：汽车材料与金属加工 ISBN： 978-7-111-37811-2 作者：高美兰 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
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Automotive materials and metal processing
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第2章 金属的晶体结构与结晶
晶胞内原子 数 原子半径 致密度 配位数 典型金属
a＝b＝c α＝β＝γ＝90°
a＝b＝c α＝β＝γ＝90 °
a＝b c/a＝1.633 α＝β＝90 ° γ＝120 °
68% 8 α-Fe、Cr、Mo、 W、V、Nb
74% 12 γ-Fe、Al、Cu、 Ni、Au、Ag、Pb
74% 12 Mg、Zn、Cd、 Be、Ca 高职高专 ppt 课件 汽车材料与金属加工
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2.常见的金属晶格类型
体心立方晶格 （bcc） 面心立方晶格 （fcc） 密排六方晶格 （hcp）
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常见金属晶格类型的基本参数
晶格类型 体心立方（bcc） 面心立方（fcc） 密排六方（hcp）
晶胞结构
晶胞常数
各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能 性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的 性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等 密切相关
特点
性能
2.1.3 金属实际的晶体结构
多晶体 金属实际 的晶体结构
由许多位向不同的单晶 体构成的晶体
晶体缺陷
实际晶体结构中，局部 原子排列的不规则性
单晶体
多晶体
单晶冰糖
2.2 纯金属与合金的结晶
2.2.1 纯金属的结晶 2.2.2 合金的结晶
2.2.1 纯金属的结晶
结晶——金属由液体状态转变为晶体状态的过程。
液体 晶体


凝固: 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体） 结晶: 液体 --> 晶体
纯金属的结晶
1.纯金属的冷却曲线与过冷度
影响过冷度的因素：
V冷
纯度
2.测出所配制各合金的冷却曲线 3.找出各冷却曲线中的相变点；
4.将各合金相变点分别标注在温度-成分
坐标图中相应成分的位置上 ； 5.连接各相同意义的相变点。
合金的结晶
2.匀晶相图
特点：两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解 相图分析
A：纯铜的熔点1083℃ 两点 B：纯镍的熔点1452℃ 液相线：上临界点的连线
合金的结晶要借助于合金相图来描述。 合金相图（状态图）
——表示在平衡条件下，合金的状态与温度和成分之 间关系的图形，也称为状态图或平衡图。 在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、
焊接及热处理工艺的重要依据。
合金的结晶
1.二元合金相图的建立（以Cu—Ni合金为例）
1. 配制不同成分的Cu-Ni合金
T1 T1
T T
过冷度：T= T0 - Tn
结晶的必要条件： 必须有过冷度！
纯金属的结晶
2.纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的， 是晶核的不断形成和长大的过程 。
纯金属的结晶
3.金属晶粒大小与控制
晶粒大小对性能的影响 晶粒越细，金属材料的强度、硬度 越高，塑性、韧性越好，这种现象称 为细晶强化。 细晶强化是唯一不以牺牲塑性为代价的强化方法
多晶冰糖
晶体缺陷的类型
点缺陷 晶体缺陷 线缺陷
空位、间隙原子、置换原子
位错：刃型位错、螺型位错
面缺陷
晶界、亚晶界
晶体缺陷
点缺陷
空位及间隙原子
置换原子
形成的原因：热振动的偶然偏差 结 果：导致晶格畸变。 晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。
晶体缺陷
线缺陷——晶体中呈线状分布的缺陷（位错）

平均含碳量：0.77% 性能组织： Rm=750MPa HBS=180 ak=30～40J/cm
2
A=20%～25%
2.3.1铁碳合金的基本相及组织
5.莱氏体（Ld ）：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 低温莱氏体（L′d）：珠光体和渗碳体组成的机械混合物

平均含碳量：4.3% 性能组织： 硬而脆
线缺陷
刃型位错
刃型位错
位错——在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错 排的现象。 刃型位错——比较简单的位错形式
晶体缺陷
面缺陷——晶界、亚晶界
晶界
亚晶界 （位错墙模型）
特征：①呈面状分布
②产生晶格畸变
晶体缺陷对材料性能的影响
① 使实际金属的强度远远小于理想金属 ② 晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高 ③ 对实际金属来说，晶体缺陷越多(尤其位错)， 强度、硬度越高，塑性、韧性越低
2.3.1铁碳合金的基本相及组织
3.渗碳体（ Fe3C ）：铁和碳所形成的金属化合物

晶格结构：复杂斜方 含 碳 量：6.69% 性能组织： Rm≈30MPa HBW=800 A≈0 Z≈0，硬而脆
2.3.1铁碳合金的基本相及组织
4.珠光体（P）：铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机 械混合物
2
A=30%～50%
Z=70%～80%
ak=160～200J/cm
2.3.1铁碳合金的基本相及组织
2.奥氏体（A 或γ ）：碳溶于γ -Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：Fcc 最大溶解度：2.11%（1148℃） 性能组织： Rm≈400MPa HBS=170～220 A=40%～50%
自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类 晶体:原子是按一定几何形状有规律排列的 。 （金刚石、石墨、雪花、食盐、固态金属及合金）。
石墨
食盐
纯铁
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2.1.1 纯金属的晶体结构
非晶体:原子或分子无规则堆积在一起的。 （玻璃、石蜡、沥青、松香等）。
晶体 液体
合金III（E~C点之间的合金）
α βII （α+β）
亚共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图 亚共晶合金的显微组织
室温组织：α+βII+（α+β）
共晶相图
典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程
合金IV（C~F点之间的合金）
过共晶合金的冷却曲线和结晶过程 过共晶合金的显微组织
室温组织：αII+β+（α+β）
A
δ
N G
H
B
J
L
E C D F
A F
Fe
S P
0.02% 0.77%
K
2.11% 4.3% 6.69%
Fe3C
钢
工 业 纯 铁
亚 共 共 析 析 钢 钢 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁
2.11%
铸铁
共 晶 白 口 铁
4.3%
过 共 晶 白 口 铁
6.69%
0.02%
0.77%
铁碳合金的平衡结晶过程分析
非晶体
晶体结构:晶体内部原子排列的规律及特性。
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1.晶格与晶胞
结点
a)晶体中原子排列
b)晶格
c)晶胞
晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。 晶胞常数：a、b、c、α、β、γ 晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格常数：a、b、c 晶格参数：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。
共晶相图
以组织组分填写的Pb—Sn二元合金相图
2.3 铁碳合金相图
2.3.1 铁碳合金的基本相及其组织 2.3.2 铁碳合金相图
2.3.3 铁碳相图的应用
2.3.1铁碳合金的基本相及组织
1.铁素体（F 或α ）：碳溶于α -Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：bcc 最大溶解度：0.0218%（727℃） 性能组织： Rm=180～230MPa ReL=100～170MPa HBS=50～80
相图分析：
共晶相图
典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程
合金I（E~D之间的合金）
室温组织：α+βⅡ
合金I的冷却曲线及组织转变示意图
共晶相图
典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程
合金II（C点成分的合金）
共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图 共晶合金的显微组织
室温组织：（α+β）
共晶相图
典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程
两线
固相线：下临界点的连线 两个单相区：L 区和α区
三区
一个两相区 L+α
结晶过程分析:图b)
合金的结晶
3.共晶相图
特点：两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，
并发生共晶转变的相图称为共晶相图 共晶转变：在一定温度下，由一定 成分的液相同时结晶出两种成分不 同固相的转变。
共晶相图
纯金属的结晶
细化晶粒的方法
增加过冷度
① 采用冷却能力强的铸模 ② 提高液体金属的过冷能力
① 增加形核率 进行变质处理（孕育处理） ② 降低长大速度
附加振动 ① 机械振动
② 超声波振动
③ 电磁振动
纯金属的结晶
1——表面细晶粒层（激冷层） 2——柱状晶粒层 3——中心等轴晶粒
2.2.2 合金的结晶
2.1 纯金属与合金的晶体结构 2.2 纯பைடு நூலகம்属与合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属与合金的晶体结构
2.1.1 纯金属的晶体结构 2.1.2 合金的晶体结构
2.1.3 金属实际的晶体结构
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2.1.1 纯金属的晶体结构
2.3.2铁碳合金相图
2.3.2铁碳合金相图——相图分析
特性点
A C D E F G K P S Q
温度/℃
1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 727 600
w(C) (%)
0 4.3 6.69 2.11 6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.0057
组元
相
合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均 匀组成部分
组织
泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸和分布 方式不同的一种或多种相构成的总体
合金的相结构
固溶体 合金的相结构 金属化合物 机械混合物
1.固溶体
概念 合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子，
形成的均匀相
特点
固溶体的晶体结构与溶剂相同

共析钢[wc=0.77%]
A
δ
N
H
B
J
0 1
L
D F
2 C
A
G S 3
E
F
Fe
P
K
Fe3C
0.0218% 0.77% 2.11% 4.3% 6.69%
2.3.2铁碳合金相图——相图分析
特性线
ACD
含义
液相线
备 注
AECF
ECF PSK ES GS
GP
固相线
共晶线 共析线 碳在γ-Fe中的溶解度曲线， 奥氏体向铁素体转变的开始线 奥氏体向铁素体转变的终了线 碳在α-Fe中的溶解度曲线 A1
Acm A3
PQ
2.3.2铁碳合金相图——铁碳合金的分类
固溶体的分类
按溶质位置 置换 固溶体 间隙 按溶解度 有限 固溶体 无限 固溶体
固溶体
置换固溶体
间隙固溶体
特点：溶质原子位于溶 剂晶格某些结点
特点：溶质原子溶入 溶剂晶格间隙
固溶体的性能
固溶强化
通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬 度增加的现象
原
因
无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶 入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗 力增加
意义：由于不同晶格类型原子排列紧密程度不 同，晶格变化将导致金属的体积发生变 化，因此，同素异构转变时会产生较大 的内应力 如：γ-Fe → α-Fe（体积膨胀1%） 即：热缩冷涨（水→冰）
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2.1.2 合金的晶体结构
有关合金的基本概念
合金 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质 组成合金的最基本的、独立的物质