《金属材料与热处理》第二章 金属的晶体结构与结晶

学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
2）共晶相图
两组元在液态互溶，在固态有限溶解，并发生 共晶转变的合金相图，称为~ 共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相合金， 同时结晶出成分一定的两个固相的过程。 典型合金有铅锡合金等。 以E点为界，E点为共晶合金，M-E亚共晶合金， E-N过共晶合金。
3.晶体缺陷的种类？
答：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
单元二 纯金属的结晶
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
金属制件的生产过程：
原材料——融化——冶炼——浇注——制件 液态 温度
24
固态
学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
44
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
点：A、 B、E（共晶点）：该点成分的液相将发生共晶反应 线：AEB——液相线， AMENB ——固相线 AM—— 的结晶终了线。 MF——Sn在中的溶解度曲线 BN—— 的结晶终了线。 NG——Pb在中的溶解度曲线 45 MEN——共晶线，成分在该线范围内的合金冷却到该线以下时将发生共晶反应 LE M+ N
b、锡Sn的质量分数为61.9%时的结晶过程 T,C T,C L
( + )
L L L(+ ) 共晶体
A
183

L+
M
L
E
B
L+
N
+
Pb
X2
( + )
Sn
( + )
冷却曲线 t
47
共晶合金的几种典型组织
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
C、亚共晶合金 锡Sn的质量分数为19.2-61.9%时的结晶过程
5）连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线（包括上边的液相 线和下边的固相线）。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
2）置换固溶体
铜镍合金相图测定流程
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
T,C 液相线 1500 1400 1300 1200 1100 1083 纯铜 1000 熔点 C 20 u 固相区 L 液相区 L+ 1455 纯镍 熔点
练习题
1、金属晶体具有各向异性的原因？
2、常见的二元合金相图有哪几种？
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学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响
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(3）亚共晶合金 锡Sn的质量分数为19.2-61.9%时的结晶过程
56
57
58
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
2）置换固溶体
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单元一
密排六方晶格：
晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面 中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。
典型金属：镁（Mg）、锌（Zn）
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
四、金属的实际晶体结构和晶体缺陷
单晶体：（图a) 晶格方位完全一致 晶粒：外形不规则 的小晶体颗粒。 各向异性
2、组元：组成合金最基本的并能独立存在的物质， 简称元。
如：二元合金，三元合金，多元合金
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
3、合金系：由二个或二个以上的组元按不同比例配
制的一系列不同成分的合金，称为合金系，简称系。 如：单元系，二元系，三元系
4、相：金属或合金中化学成分、晶体结构均相同的
重点：掌握常见的3种晶格结构； 了解晶体缺陷的类型和影响； 了解常用合金的晶体结构和结晶过程。 学习规律： 成分
温度
组织结构
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 一.金属的晶体结构
单元一 金属的晶体结构
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 一.金属的晶体结构
一、晶体与非晶体 固态物质分类： 晶体 非晶体
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
1.固溶体:合金中一个组元溶解其他组元，或 组元间互相溶解而形成的均匀固相。
1）间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶 2）置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格中的某些原子。
固溶体的结构保持溶剂金属的晶格类型。 固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。
多晶体：许多晶粒组成的晶体。各向同性
晶界：晶粒与晶粒之间的界面
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
2、晶体中的缺陷
晶体中原子规则排列受到破坏的某些区域， 称为晶体缺陷。 晶体缺陷的存在提高了金属的强度。 根据缺陷的几何特征可分为：
点缺陷、线缺陷、面缺陷
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
晶面：描述由原子构成的面。
晶向：通过两个或两个
以上原子中心的直线。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
三、常见金属晶格类型 不同的金属具有不同的晶格类型，常见 的晶体结构有三种类型：
1、体心立方晶格 2、面心立方晶格 3、密排六方晶格
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 体心立方晶格：
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
2.金属化合物
合金中各组元按一定比例结合形成的一种具有金属特 性的晶体相。一般可用化学分子式来表示。
3.机械混合物
由两相或两相以上组成的多相组织。 在机械混合物中，各组成相仍保持原有的晶 格类型和性能。 <应用最广>
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶 四、金属的同素异构转变
定义： 金属在固态下，随着温度 的改变，由一种晶格转变 为另一种晶格的现象，称 为同素异构转变。 如：铁、钛、锡、锰等等~
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
成分——组织结构——性能
（改变合金的成分比例）
组成部分成为相。 如：钢在固态下由铁素体和渗碳体两相组成。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
二、合金的组织
液态：多数合金的组元都能相互溶解，均匀液相。
固态：
根据合 金中各 组元之 间的相 互作用 不同， 可分为 1.固溶体 2)置换固溶体 1)间隙固溶体
2.金属化合物
3.机械混合物
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
1）.匀晶相图
定义：两组元在液态和固态均可彼此无限溶解的 合金相图，称为~ 具有匀晶相图性质的合金的两组元是晶格类型 相同、原子半径相近的金属元素。 铜镍合金相图就属于典型的二元匀晶相图。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶 匀晶合金的结晶过程
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
1
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
水晶1
2
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
菱锰矿
3
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
黄铁矿
4
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
绿色鱼眼石
5
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
明矾
6
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
食盐
7
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
试验证明：晶粒越小， 强度、塑性、韧性越大
晶粒越小，晶界越多，晶粒与晶粒间越紧固，强度韧性越好； 同时，塑性变形可以分散在更多的晶粒内进行，塑性越好。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶 从结晶过程可以得知： 晶粒的大小，取决于形核率和晶核长大速度。
细化晶粒的途径： 1)增加过冷度：形核率比晶核长大速度快 2)变质处理：促进形核或抑制晶核长大； 3)振动处理：增加晶核数目
三、合金的结晶过程
合金相图：选取不同成分的合金进行试验，分 析其在加热、冷却过程中内部组织结构的变化， 绘制成图，称为合金相图。
1、二元合金相图的测定
1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；
2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如左图所示 3）找出图中各冷却曲线上的相变点。 4）将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。
T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083
Cu 20 40 60 Ni% 80 L a L+ b 1455
T,C
L
L

匀晶转变 L
L

Ni 100

t
冷却曲线
43
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。
dce共析线
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶 合金结晶过程与分类（小结） 匀晶相图：液态、固态无限溶解 共晶相图：液态互溶，固态有限溶解 共析相图：经过高温匀晶转变的固相，冷却后又 发生分解形成两个新固相
共晶转变：一定温度下，一定成分的液相合金，同时结晶 出成分一定的两个固相。 共析转变：一定温度下，一定成分的固相合金，同时析出 两个不同成分的固相。
1）点缺陷
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
体结构与结晶
单元一
3）面缺陷
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 思考题 1.金属晶格的基本类型有哪几种？ 答：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
2.金属晶体各向异性的原因？
答：各个晶面与晶向上原子排列的紧密程度不同。
原子无序堆积
玻璃、橡胶
概念 原子按一定规律排列
典型物质 外形 性能 熔点
明矾、食盐
规则几何外形
各向异性
无规则形状
各向同性
有固定熔点
无固定熔点
10
学习情境二：金属的晶体结构与结晶 一.金属的晶体结构
二、晶体结构的基本知识 晶格：描述原子在晶体中排列
方式的空间几何图形。
晶胞：能完整地
反映晶体特征的 最小几何单元。
能不能把不同性能的金属熔合呢？
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
单元三 合金的晶体结构与结晶
31
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
三.合金的结晶
一、合金的基本概念 1、合金：两种或两种以上金属元素或金属与非金属 元素熔合在一起形成的、具有金属特性的物质。
如： 黄铜=铜+锌 钢铁材料=铁+碳

40 60 Ni% 80 100 Ni
固相线
液固两相区
液相线以上为液相区，用 L 表示；固 相线以下为固相区，用 表示；中 间固液两相共存区，用 L+ 表示。 40
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
2、合金的结晶
通过对合金结晶过程的分析，常见的二元合 金相图有三种： 匀晶相图 共晶相图（亚共晶合金、共晶合金、过共晶合金） 共析相图
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
a、锡Sn的质量分数小于19%时的结晶过程
T,C 1 2 183 T,C L

L

3
L+
c D
L
C
L+
L
L+
E e
+ Ⅱ
Sn
+
G
Ⅱ
46
{
Pb
F 4
X1
冷却曲线 t
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
49
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
d、过共晶合金 锡Sn的质量分数为61.9-97.5%时的合金。结晶过程与亚 共晶合金类似。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
3）共析相图 在二元合金相图中，经过高温匀晶转变所形成的固溶 体在冷却到某一温度时又发生分解而形成两个新的固相的 现象，这种相图称为~
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
四、合金性能与相图的关系 合金的成分——组织——性能，相图与性能之间的关系： 1、力学性能与相图的关系 合金的强度和硬度大约是两种组织性能的平均值。
2、合金铸造性与相图的关系 合金相图中，固相线和液相线的距离越近，合金的 铸造性能越好。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶
一、冷却曲线与过冷度 To 理论结晶温度 1-2 结晶平台 T1 实际结晶温度 ΔT 过冷度
过冷度与冷 却速度有关
a.理论结晶曲线
b.实际结晶曲线
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
二、纯金属的结晶过程 形核
晶核长大
液
固
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
单元一
晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立 方体中心各有一个原子。
典型金属：钨（W）、 α铁（α-Fe）
14
学习情境二：金属的晶体结构与结晶
单元一
面心立方晶格 ：
晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心 各有一个原子。
典型金属：铜（Cu）、γ-铁（γ -Fe）
15
学习情境二：金属的晶体结构与结晶