工程材料的组织结构培训资料.pptx
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常见金属化合物：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
间隙固溶体 置换固溶体
Z
Z
置换原子
Y
X X
间隙原子 Y
2.2.2 合金的结晶
1 二元合金相图
相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相 状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
2 相图与性能的关系
1）合金的力学性能与相图的关系 ● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2） 合金的工艺性能与相图的关系 ● 铸造性能
液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金）， 则流动性好，不易形成分散缩孔。
● 锻造、轧制性能 单相固溶体合金，
T越大，形核率N、长大率G越大。
细化晶粒： 1 提高冷却速度； 2 变质处理； 3 附加振动。
2.2 合金的晶体结构与结晶
2.2.1 合金的相结构 合金基本概念 ➢ 合金 ➢ 组元 ➢ 合金系 ➢相 ➢ 组织 ➢ 组织和相的关系
弥散强化
合金的相结构 固溶体 置换固溶体
间隙固溶体
固溶体的性能 金属化合物（中间相）
变形抗力小，变形均匀， 不易开裂。
2.3 铁碳合金的结晶 铁碳合金 ------钢铁材料
2.3.1 纯铁的同素异晶转变 金属在固态下，随着温度的变化，晶格
由一种类型转变为另一种类型的转变过程。
重结晶过程
2.3.2 铁碳合金的基本相 1 铁素体
符号 F 间隙固溶体 体心立方结构 显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。
第二章 工程材料的组织结构
2 .1 纯金属的晶体结构与结晶
2.1.1 金属的晶体结构
晶 体 ——固定熔点，各向异性 如：金刚石、石墨等
非晶体 ——无固定熔点，各向同性 如：松香、沥青等
晶体
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
液体
1 晶体结构的基本概念
● 晶体结构
原子中心位置
晶格
共晶反应要点
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
T,C
183
L
L+
L+
c
d
e
+
Pb
Sn
标注了组织组成物的相图
密度偏析---比重偏析
密度相差较大
只能采用控制成分或在凝固时采 取措施，如增加冷却速度或搅拌来消 除或减轻，热处理对其不起作用。
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔 点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
不平衡结晶---枝晶偏析 成份偏析
可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。
来自百度文库却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
（2）结晶的一般过程
形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
自发晶核: 由液体金属内部原子聚集尺寸超过
临界晶核尺寸后形成的结晶核心。
过度区
亚晶界
亚晶界
亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶 界，原子排列不规则，产生晶格畸变
面缺陷引起晶格畸变； 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
2.1.1 纯金属的结晶
结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
1 金属结晶的基本规律 2 （1）冷却曲线与过冷度 3 冷却曲线：热分析实验测绘 4 理论结晶温度0 T 5 过冷度 T
2 奥氏体 符号 A 间隙固溶体 面心立方结构
显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。
非自发晶核: 是依附于外来杂质上生成的晶核。
自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中， 非自发晶核比自发晶核更重要，起优先和主导作 用。
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。
平面生长
树枝状 生长
2 金属结晶后的晶粒大小
（1）晶粒大小对金属力学性能的影响 （2）晶粒大小的控制 形核率N：单位时间内在单位体积中产生的晶核数； 长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
匀晶相图
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。
晶界 晶粒
2 晶体缺陷类型
（1）点缺陷：晶格空位 间隙原子
（2）线缺陷：位错---刃型位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
（1）点缺陷
空位
间隙原子
空位运动
如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）
（2）线缺陷 —— 刃位错
刃位错
位错密度
刃位错
（3）面缺陷
共晶相图
铅-锡合金共晶相图
T,C
L
L+
L+
+
液相线 固相线
固溶线 固溶线
Pb
Sn
Sn%
共晶转变分析
共晶反应线
表示从c点到e点
T,C
范围的合金，在 该温度上都要发
L
L+
L+
c
d e
生不同程度上的 共晶反应。
+
共晶点 表示d点成分的合
Pb
Sn 金冷却到此温度
+ Ld c e
上发生完全的共 晶转变。
结点 晶胞
晶胞
Z
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
2 常见的金属晶体结构
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
（1）体心立方晶格 bcc
-Fe、W、V、Mo 等
体心立方晶胞
Z
c
晶格常数：a=b=c； ===90
致密度：0.68
a a 2r
a
bY
致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
X
（2）面心立方晶格 fcc
-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等
面心立方晶胞
Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； ===90
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp
C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数: 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
致密度：0.74
2.1.2 实际金属的晶体结构 1 多晶体结构
间隙固溶体 置换固溶体
Z
Z
置换原子
Y
X X
间隙原子 Y
2.2.2 合金的结晶
1 二元合金相图
相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相 状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
2 相图与性能的关系
1）合金的力学性能与相图的关系 ● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2） 合金的工艺性能与相图的关系 ● 铸造性能
液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金）， 则流动性好，不易形成分散缩孔。
● 锻造、轧制性能 单相固溶体合金，
T越大，形核率N、长大率G越大。
细化晶粒： 1 提高冷却速度； 2 变质处理； 3 附加振动。
2.2 合金的晶体结构与结晶
2.2.1 合金的相结构 合金基本概念 ➢ 合金 ➢ 组元 ➢ 合金系 ➢相 ➢ 组织 ➢ 组织和相的关系
弥散强化
合金的相结构 固溶体 置换固溶体
间隙固溶体
固溶体的性能 金属化合物（中间相）
变形抗力小，变形均匀， 不易开裂。
2.3 铁碳合金的结晶 铁碳合金 ------钢铁材料
2.3.1 纯铁的同素异晶转变 金属在固态下，随着温度的变化，晶格
由一种类型转变为另一种类型的转变过程。
重结晶过程
2.3.2 铁碳合金的基本相 1 铁素体
符号 F 间隙固溶体 体心立方结构 显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。
第二章 工程材料的组织结构
2 .1 纯金属的晶体结构与结晶
2.1.1 金属的晶体结构
晶 体 ——固定熔点，各向异性 如：金刚石、石墨等
非晶体 ——无固定熔点，各向同性 如：松香、沥青等
晶体
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
液体
1 晶体结构的基本概念
● 晶体结构
原子中心位置
晶格
共晶反应要点
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
T,C
183
L
L+
L+
c
d
e
+
Pb
Sn
标注了组织组成物的相图
密度偏析---比重偏析
密度相差较大
只能采用控制成分或在凝固时采 取措施，如增加冷却速度或搅拌来消 除或减轻，热处理对其不起作用。
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔 点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
不平衡结晶---枝晶偏析 成份偏析
可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。
来自百度文库却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
（2）结晶的一般过程
形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
自发晶核: 由液体金属内部原子聚集尺寸超过
临界晶核尺寸后形成的结晶核心。
过度区
亚晶界
亚晶界
亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶 界，原子排列不规则，产生晶格畸变
面缺陷引起晶格畸变； 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
2.1.1 纯金属的结晶
结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
1 金属结晶的基本规律 2 （1）冷却曲线与过冷度 3 冷却曲线：热分析实验测绘 4 理论结晶温度0 T 5 过冷度 T
2 奥氏体 符号 A 间隙固溶体 面心立方结构
显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。
非自发晶核: 是依附于外来杂质上生成的晶核。
自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中， 非自发晶核比自发晶核更重要，起优先和主导作 用。
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。
平面生长
树枝状 生长
2 金属结晶后的晶粒大小
（1）晶粒大小对金属力学性能的影响 （2）晶粒大小的控制 形核率N：单位时间内在单位体积中产生的晶核数； 长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
匀晶相图
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。
晶界 晶粒
2 晶体缺陷类型
（1）点缺陷：晶格空位 间隙原子
（2）线缺陷：位错---刃型位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
（1）点缺陷
空位
间隙原子
空位运动
如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）
（2）线缺陷 —— 刃位错
刃位错
位错密度
刃位错
（3）面缺陷
共晶相图
铅-锡合金共晶相图
T,C
L
L+
L+
+
液相线 固相线
固溶线 固溶线
Pb
Sn
Sn%
共晶转变分析
共晶反应线
表示从c点到e点
T,C
范围的合金，在 该温度上都要发
L
L+
L+
c
d e
生不同程度上的 共晶反应。
+
共晶点 表示d点成分的合
Pb
Sn 金冷却到此温度
+ Ld c e
上发生完全的共 晶转变。
结点 晶胞
晶胞
Z
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
2 常见的金属晶体结构
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
（1）体心立方晶格 bcc
-Fe、W、V、Mo 等
体心立方晶胞
Z
c
晶格常数：a=b=c； ===90
致密度：0.68
a a 2r
a
bY
致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
X
（2）面心立方晶格 fcc
-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等
面心立方晶胞
Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； ===90
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp
C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数: 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
致密度：0.74
2.1.2 实际金属的晶体结构 1 多晶体结构