金属工艺学 第三章

二、晶格与晶胞 晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。 晶胞：组成晶格最基本的几何单元。
原子
3. 晶格常 数——a ,b , a=b=c且互垂直 c表示晶胞几何形状大小
形成的原因： 各原子之间 晶面 相互吸引力 与排斥力相 结点 平衡结果。
晶体中的原子排列
c b
a
晶 胞 示意图
2
三、常见的晶格类型
1.体心立方晶格
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵ 形状—— 正方体 ⑶原子位置——8个顶点和立方体的中心各一个原子。 ⑷晶胞实有原子数 2个原子(8×1/8+1) 。 （5）具有体心立方晶格的金属：α-Fe、Cr、W、Mo、V等
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2.面心立方晶格
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
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一、固溶体
（一）定义：
合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。
（二）分类：
根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分
1. 置换固溶体
2. 间隙固溶体
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1. 置 换 固 溶 体
溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成 的固溶体。
形成置换固
溶体时，溶质原 子在溶剂晶格中 的溶解度主要取 决于两者的晶格
组元: 组成合金的最基本独立单元。
组织: 是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形 状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。
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熔点以上：液相 纯金属
结晶过程：液固两相共存 结晶完毕：单一固相 熔点以上：液相 合金 结晶过程：液固两相共存 组元彼此均匀溶解 结晶完毕： 组元发生相互作用
固溶体
化合物
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。
二元合金相图的建立：
二元合金相图的建立（以铜镍合金为例） 1、配制一系列不同成分的铜镍合金 2、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。 3、曲线特点：
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（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界 点） （2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行 （两个临界点）。 （3）将各临界点描绘在温度－成分坐标系中得到图（b）。
二、金属化合物
（一）定义 合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完 全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。
（二）性能 熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
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第四节
二元合金相图
合金相图：又称为合金平衡图或合金状态图。它表示 在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度 、成分之间关系的图。
室温组织为α1＋ βⅡ＋(α+β)。
L→L+α1→ α1 ＋(α+β) → α1＋ βⅡ＋(α+β)
1 2 2以下
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(3)过共晶成分的合金 C、F点之间成分的合金，称 为过共晶合金。如图合金Ⅲ，在冷却过程中经过1点 时结晶出β1相；经过2点，剩余液相发生共晶反应生 成共晶体；在继续冷却β1相脱溶出αⅡ相，最终组织 为β1＋αⅡ ＋(α+β)。
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二、匀晶相图 两组元在液态和固态均能无限互溶时，所构成的 相图称为二元匀晶相图。 1、相图分析
液相线之上为液 相区，用L表示
液相线与固相线 之间是液、固两 相，用L+ α 固相线下方为固 相区，用α表示
A点为铜的熔点 B点为镍的熔点
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2、合金结晶过程分析
以图中K点成分合金为例分析 合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出α 固溶体；随着温度的下降，α相增多，而L相减少；至2点时， 结晶过程结束，L相全部转变为α相
⑷ 晶胞实有原子数 6个原子(12×1/6+2×1/2+3) 。 （5）具有密排六方晶格的金属Mg、Zn等。
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四、 实际金属的晶体结构
（一）、多晶体结构 由多个单晶粒组成的晶体为多晶体 晶粒、晶界 ◆ 显微组织：在显微镜下观 察到其形态、大小、分布不同 的组成物。
间隙原子
晶粒 晶界
多晶体 示意图
（二）、晶格缺陷 1、点缺陷：在长、宽、 高方向尺寸都有很小变 化的一种晶体缺陷。
1、晶粒越细小，力学性能越高。
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2、细化晶粒方法：
（1）提高冷却速度，增加△T。 （2）孕育处理（变质处理）。 （3）附加振动或搅拌。
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四、金属的同素异构转变
现象：加热时 铁丝伸长，到 912℃开始收 缩。若冷却时 从1000 ℃到 912 ℃出现伸 长现象。
铁丝
标尺 支架
铁丝加热实验示意图 ◆概念：金属在固态下随温度发生变化，其晶格 类型发生转变的现象-——同素异构转变。 ◆冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象。 实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变 11
★平台： ℃
结晶过程时间。是结晶 T0 时放出的热（潜热）造 T1 成的。 ★ T0——理论结晶温度 T1—实际结晶温度 O T0—T1= ΔT 过冷度 过冷是结晶的必要条件！
冷却曲线
ΔT
时间
8
结论：冷却速度↗——△T ↗ ——实际结晶温度↗
二、纯金属的结晶过程
过程：不断形核和晶核不断长大的过程。 三、晶粒大小对金属力学性能的影响
类型、原子直径
及它们在周期表 中的位置。
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2. 间 隙 固 溶 体
溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。 形成条件：溶质 原子直径很小而溶剂 晶格间隙较大,一般
d溶质/d溶剂≤0.59时，
才能形成间隙固溶体。
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3、固溶体的性能
固溶强化：溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体 的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶 强化，同时有较好的塑性和韧性。
第三章 金属的晶体结构与结晶
第一节 纯金属的晶体结构
一、晶体结构的基本概念 1.晶体与非晶体
概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的
固体物质——称晶体；非晶体则反之。 特点：晶体——①有熔点；②具有各向异性。如：食 盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体——①无熔点；②各向同性。如：玻璃， 松香，沥青等。 1
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2、结晶过程分析： （1）共晶成分的合金 C点成分的合金是具 有共晶成分的合金。在冷却过程中经过C点时 发生共晶反应，生成共晶体。 C 恒温 LC→αE+ ΒF (2)亚共晶成分的合金 E、C点之间成分的合 金，称为亚共晶合金。如图合金Ⅱ，在冷却 过程中经过1点时结晶出α1相；经过2点时， 剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷 却α1相还会脱溶出βⅡ相。
L→L+ β1 → β1 ＋(α+β) → β1＋αⅡ ＋(α+β) （4）无共晶反应的合金 E点左侧和F点右侧的合金 在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却 至1点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始脱溶出βⅡ相,即 1 3 2 L→L+α1→ α1 → α1＋ βⅡ
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五、合金力学性能 与相图的关系
1、 当合金形成 单相固溶体时：
合金的性能 与组成元素 的性质、溶 质元素的溶 入量有关。
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2、当 合金形 成复相 混合物 时，力 学性能 主要取 决于其 组织的 细密程 度：
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谢谢
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三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。 共晶体：共晶反应的产物是共晶体。 共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
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1、相图分析 （1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒温 →αE+ ΒF ( 3 )固溶体脱溶线 α固溶体或β固溶体随着温度的下降，溶解度也 不断的下降。图中ES线表达了α固溶体脱溶的变化 规律，FG线表达了β固溶体的变化规律。ES、FG 线称为固溶体脱溶线。 α固溶体脱溶产物是β相，称为二次β相（β1） β固溶体脱溶产物是α相，称为二次α相（α1）
晶格空位
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2、线缺陷 ：在晶格 中呈线状分布的缺陷。
线缺陷
3、面缺陷：呈面 状分布的缺陷。
面缺陷
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第二节 纯 金 属 的 结 晶
一、结晶的概念
1、结晶 由液态转变为固体晶体的过程。 或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程。 或者描述为：晶体结构形成的过程。如水——冰 2、冷却曲线与过冷现象
⑵ 形状—— 立方体 ⑶ 原子位置——8个顶点和六个面的中心各一个原子。
⑷ 晶胞实有原子数 4个原子(8×1/8+6×1/2)。 （5）具有面心立方晶格的金属γ-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等。
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3.密排六方晶格
⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
⑵ 形状—— 六方柱体 ⑶ 原子位置 —— 两个底面、 12 个顶点和柱体内部 3 个原子。
冷却曲线：
温度℃ 1538
L—liquid
结晶过程
δ—Fe 体心立方晶格
1394
γ—Fe 面心立方晶格
912
α—Fe体心立方晶格
O
时间
1538 ℃
1394 ℃
转变式： δ—Fe → γ—Fe→ α—Fe 体心 面心 体心
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ห้องสมุดไป่ตู้
912℃
第三节
合金的晶体结构
合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通 过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 相: 是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子 聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。 27
1
2
2以下
四、具有共析反应的相图
自某种均匀一致 的固相中同时析 出两种化学成分 和晶格结构完全 不同的新固相的 转变过程称为共 析反应。 共析体：共析反 应的产物称为共 析体。 共析组织:共析 体的显微组织称 为共析组织。