金属的结晶构造和结晶过程

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二、二元合金相图
结晶过程：小于亚共晶成分合金(IV) ❖冷却曲线 ❖组织转变
二、二元合金相图
组织和相的关系
来自百度文库
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二、二元合金相图
共析相图
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S1S2+S3 c d＋e
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同 成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。
相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
一、合金的相结构
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组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合 体。如单相、两相、多相合金。
金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称 显微组织。
一、合金的相结构
长。
二、金属的结晶过程
晶粒大小及其控制
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细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大
细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
金属晶粒愈细小，力学性能愈好！
三、金属的同素异晶转变
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金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变
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金属晶体模型
二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶体 原子呈有序排列
名 非晶体 原子呈无序排列
词 术 语
晶格 描述原子排列规律的空间格子 晶胞 组成晶格的最基本单元
晶格常数 晶胞的棱边长度
将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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二、晶格、晶胞、晶格常数
❖ 金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化，因 而容易在金属中引起较大的内应力。
❖ 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能 够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生 同素异晶转变。
四、实际金属的晶体结构
单晶体与多晶体
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四、实际金属的晶体结构
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❖ 如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称 为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。 单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子 行业中广泛使用的硅或锗单晶体。
Logo 体心立方晶格
致密度
❖ 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积 之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大, 原 子排列紧密程度越大。
❖ 体心立方晶胞的致密度为：
❖晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余 为空隙。
面心立方晶格
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面心立方晶格 Cu，Ag，Pb，Ni， γ －Fe 等
特点
晶格：与各组元不同
Fe ＋ C (体心) (六方)
性能：硬而脆(不同于各组元)
一般，T 熔↑，HB↑， ↓
Fe3C (复杂)
一、合金的相结构
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渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图
一、合金的相结构
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金属化合物的特性
力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时， 通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
体心立方晶格 Mn，Mo，W，Cr，V，α－Fe ，δ－Fe等
体心立方晶格
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❖体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方 体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角 上八个原子与中心原子紧靠。
❖ 体心立方晶胞特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
体心立方晶格
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原子个数
➢ 每个晶胞实际占有的原子个数。 （分析时要认真考虑每个原子的空间状况）
过冷度 ∆T＝ T1 - Tm 冷却速度↑
∆T↑
二、金属的结晶过程
形核和长大
在一定时间内完成
特点 过程：局部
整体
实质：形核 ＋ 长大
自发形核 非自发形核
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呈树枝状
二、金属的结晶过程
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晶核—在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚 术 集成为结晶核心。
语
晶核长大—沿着有利于散热的方向按树枝状方式生
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第二节 金属的结晶构造和结晶过程
1 金属与合金的晶体构造及其结晶过程
基本概念
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金属：由一种金属元素所组成。如Cu，Al， Mg，Zn
合金：由一种金属元素为主，加入其他金属 （或非金属）元素所组成，例
Cu ＋ Zn → 铜锌合金(黄铜)
Fe ＋ C → 铁碳合金(钢、铸铁)
第一节 金属的晶体结构
物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体 材料、形状记忆材料、储氢材料等。
一、合金的相结构
机械混合物
各组元在固态下以混合的形式存在
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特点
F ＋ Fe3C
P
(体心) (六方) (体心＋六方 )
晶格：保持各组元晶格类型
性能：取决于各组元的性能和数量比
形式：固+固、固+化、固+元素、化+化、元素+化、元素+元素
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一、晶体与非晶体
1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
等
二、二元合金相图
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• 合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织 状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图 或平衡图）
是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力 加工和热处理工艺等的重要工具。
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二、二元合金相图
二元合金相图的建立
❖ 金相法 ❖ 膨胀法 ❖ 电阻法 ❖ 热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：
原子个数 原子半径
致密度
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6
R=a/2 0.74（74%）
Logo 第二节 金属的结晶
一、金属的冷却曲线和过冷现象
金属的结晶 （液态金属转变为固态金属的过程）
冷却曲线 （热分析法）
一、金属的冷却曲线和过冷现象
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纯金属结晶 冷却曲线
Tm是理论结晶温度 T1是实际结晶温度
特点
T1不变 T1 < Tm
➢ 晶胞：空间点阵中能代表 原子排列规律的最小的几 何单元称之为晶胞，是构 成空间点阵的最基本单元。
➢ 晶胞表示方法 三 个 棱 边 的 长 度 a,b,c 及 其夹角α,β,γ表示。
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶面：晶格中原子所构成的平面。 晶向：原子所构成的方向。
Logo 三、金属中常见的三种晶格类型 常见金属晶格类型
1 538℃
1 394℃
912℃
L
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
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相的分类： 合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 金属化合物：组元之间形成的新相，
其结构不同于任何组元。
一、合金的相结构
固溶体
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合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质
➢ 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。
➢ 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较 多；另一组元为溶质，含量较少。
➢ 固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶 体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌 合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表 示为Cu(Zn)。
一、合金的相结构
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置换固溶体 溶质原子取代溶剂原子 间隙固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中
二、二元合金相图
相图分析：点、线、区
❖点： ❖线： ❖区：
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二、二元合金相图
共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶
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二、二元合金相图
结晶过程：共晶合金 ❖冷却曲线 ❖组织转变
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二、二元合金相图
结晶过程：亚共晶合金 ❖冷却曲线 ❖组织转变
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二、二元合金相图
结晶过程：过共晶合金 ❖冷却曲线 ❖组织转变
面心立方晶格
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❖金属原子分布在立方体的八个角上和六个 面的中心。面中心的原子与该面四个角上 的原子紧靠。
❖面心立方晶胞的特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
面心立方晶格
原子个数 原子半径
致密度
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4
0.74（74%）
密排六方晶格
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密排六方晶格 Mg，Zn，Be，Cd等
❖ 实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一 个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。
❖ 单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。
第三节 合金的基本显微组织结构
一、合金的相结构
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合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属 经一定方法合成的具有金属特性的物质。
组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以 是化合物。 （如一元、二元、三元合金〕
一、合金的相结构 间隙固溶体
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置换固溶体
特点
晶格：与溶剂相同
性能：产生固溶强化
α－Fe ＋ C
(体心) (六方)
F
(体心)
b↑，HB↑， ↓， ↓k
(晶格畸变↑ ，强化效果↑)
一、合金的相结构
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溶质原子对晶格畸变影响示意图
一、合金的相结构
金属化合物
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合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质
温
度a
L
L+S
b S
A
B
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
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二、二元合金相图 ❖ 匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
L+
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二、二元合金相图
共晶相图
❖ 共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织 ❖ 相图分析：点、线、区 ❖ 结晶过程：冷却曲线、组织转变
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
密排六方晶格
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❖十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上 下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀 分布三个原子。
❖ 密排六方晶胞的特征：
晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间 的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹角为90°。
密排六方晶格
▪ 配制一系列成分不同的Cu-Ni合金； ▪ 测定上述合金的冷却曲线 ▪ 找出各合金的临界点 ▪ 以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临
界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图
二、二元合金相图
匀晶相图
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二、二元合金相图
匀晶相图
▪ 特点：液态、固态均无限互溶
▪ 同类： Cu-Ni、 Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等