金属的组织结构

1. 自发形核
当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将 从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。
2. 非自发形核
在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就 优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为 非自发形核。
金属材料的组织结构
(二)过冷度对形核和晶核长大的影响
金属材料的组织结构
5. 铁碳合金图各相区的组织
（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C
金属材料的组织结构
三、典型铁碳合金的组织转变
工业纯铁、钢和生铁的分类、成分及室温组织如表所示
金属材料的组织结构
L+ Fe3C
Fe3C+ Ld
Fe3C+Ld’
金属材料的组织结构
铁 碳 合 金 平 衡 状 态 图
金属材料的组织结构
四、铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系 铁碳合金的化学成分、
金属材料的组织结构
S —共析点。
727℃
0.77%℃
共析点 —发生共析反应的点。 共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶 出一定成分的另外两个固相 另外两个固相的反应。 另外两个固相
共析反应的产物 — 共析体— 机械混合物
727℃ 77% 002% 69% A（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.69%C ） P
金属材料的组织结构
教学内容：
金属的结晶过程，结晶规律，纯金属的晶体结构，合金 的组织，铁碳合金平衡状态图。
重点、难点：
有关金属学的基本概念， 铁碳合金平衡状态图及其分析。
金属材料的组织结构
本章主要阅读文献：
1、周凤云主编. 工程材料及应用. 武汉：华中科技大 学出版社，2002。 2、于永泗主编.机械工程材料. 大连：大连理工大学 出版社，2003。 3、卢秉恒主编. 机械制造技术基础. 业出版社，1999 。 北京：机械工
金属材料的组织结构
液态和固态自由能随温度变化的示意图以 及纯金属的冷却曲线
金属材料的组织结构
二、金属结晶的过程
金属的结晶过程分为三个方面进行表述： 1.液态 固态； 1.液态——固态； 液态 固态 2.原子由液态下的无序状态——固态下的有序状态；
3.原子由液态下的高速运动——固态下原子的低速运 动。
• 固溶强化机理： 固溶强化机理：
• 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变 形困难→强度、硬度升高。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构
第四节
铁碳合金及其平衡状态图
一、铁碳合金中的基本相与基本组织
铁碳合金中的基本相中有: 铁素体（F） 奥氏体(A) 渗碳体(Fe3C)
金属材料的组织结构
1．钢
共析钢: L 亚共析钢: L 过共析钢: L
1 1 1
L+ A L+ A L+ A
2 2 2
A A A
3 3 3
P A+ F
4
P+F
4
A+ Fe3C
P+Fe3C
2．生铁
共晶生铁:L 亚共晶生铁:L 过共晶生铁:L
1 1 1
Ld
2 2
Ld’ A+ Ld
2
L+ A
A+Ld + Fe3C
3
3
P+Fe3C+Ld’
金属材料的组织结构
4、铁碳相图中的特性线及意义
温度℃
ACD线—液相线 ACD AC—析出A A AC CD—析出 Fe3C CD
1538 ℃
A
1148℃ E 1148℃
L
L+A
C
D
A
912℃
AECF线—固相线 AECF AE—A AE A析出终了线 ECF—共晶线 ECF 1148℃
G
FP
Q
F+A S
3. 机械振动法（如搅动）﹑超声波振动法等。
金属材料的组织结构
第二节
晶体结构：
纯金属的晶体结构
一、晶格、晶胞、晶体常数
晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。 晶格： 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线 将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原 子(或离子)平衡中心的位置。 晶体和晶格的示意图
3、铁碳相图中的特性点及意义
温度℃
A—纯铁的熔点。 D—Fe3C的熔点。 E—C在γ-Fe中的最大 溶解度点。1148℃ 2.11%C 钢和铁的分界点。
1538 ℃
A
1148℃ E 1148℃ 727℃
L
C
D F
A
912℃
Ld
G
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
Q 0.02 0.77 2.11
C%
金属材料的组织结构
第一节
(一)晶体的概念
金属的结晶
一、金属结晶的有关概念
晶体：是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性 重复排列的物质。 特点： 特点：各向异性 具有规则的外形 具有固定的熔点
金属材料的组织结构
（二）金属结晶时的过冷现象 1、理论结晶温度 2、过冷现象
实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的 现象叫过冷现象。
（一）基本相
0.0006~0.0008%
金属材料的组织结构
（二）基本组织
Ld
金属材料的组织结构
五种基本组织的关系
C
溶入
与 Fe 化 合
溶入
α-Fe
γ-Fe
F
混 合
Fe3C
混 合 混合
A Ld Ld’
P
金属材料的组织结构
二、铁碳合金平衡状态图
1、相图（状态图） 2、相图的组成 （1）纵坐标：温度； （2）横坐标：成分； （3）图中的每一条相变线； （4）每一相变线组成的相区。
金属材料的组织结构
状态图
温度℃ 温度 ℃ 1538 ℃
—— 表示合金系的成分、温 度、组织、状态之间关系的图 表。
1538 ℃ 1394 ℃
状态图的作用
——是研究合金的成分、温 度、组织、状态之间变化规 律的工具。
体 1394 ℃ 心 面 心 912 ℃
912 ℃ 体 心 时间 成分
金属材料的组织结构
δ − Fe
γ − Fe
L
1538 ℃ 912 ℃
δ − Fe
α − Fe
1394 ℃
体心 1394 ℃ 面心
912 ℃ 体心
一种金属能以几种晶格类型存在的性 质 — 称为同素异晶性。
α − Fe
时间
金属材料的组织结构
研究同素异晶转变的意义：
1）热处理 2）内应力
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第三节
合金的组织
金属材料的组织结构
金属结晶过程示意图
1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生； 4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核
金属材料的组织结构
(一)形核方式
金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核 方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核 一种是自发形核， 一种是自发形核 另一种是非自发形核。
金属材料的组织结构
面心立方晶胞
金属材料的组织结构
面心立方晶胞的特征：
（1）晶格常数
a=b=c，α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个)
1/8*8+1/2*6=4
金属材料的组织结构
(三)密排六方晶格
密排六方晶胞原子如何排列
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。 具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍 (Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。
金属材料的组织结构
(二)面心立方晶格
面心立方晶胞原子如何排列
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。 具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃)等。大都具有较 高的塑性。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构
二、常用金属的晶体结构 (一)体心立方晶格
体心立方晶胞原子如何排列
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。 具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α铁(α-Fe, <912 ℃)等。大多具有较高的强度和韧性。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构
晶胞：
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞， 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本 特性即可反映该晶体结构(晶格)的特点。
晶格常数：
晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、 c和三条棱边之间的夹角α、β、γ这六个参数来描 述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一 般为: 1×10-10 m～7×10-10 m。 晶胞和晶格常数示意图
(二)决定晶粒度的因素
晶粒度取决于N/G，其值越大，晶粒越细小。
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(三)细化晶粒方法及原理
1. 控制过冷度
V实增大，Tn降低，△T增大，为结晶过程提供了更多 的能量 。
2. 变质处理
在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗粒）， 变质剂（粉末状、细颗粒） 变质剂 促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶 粒。
金属材料的组织结构
第二篇 金属的组织结构
[机械制造工程]精品课程小组
金属材料的组织结构
教学目的与要求:
1.了解金属结晶过程及其规律。 2.了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影 响。 3.掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 4.掌握合金的成分、组织与性能的关系。 5.能利用铁—碳相图定性地分析铁碳合金成分、组织、性 能间的关系。 6.能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过 程。
L+ Fe3C A+Ld Ld + Fe3C F Ld Fe A+ 3CⅡ Fe3 727℃ K C
4.3 6.69
P
0.02 0.77 2.11
C%
金属材料的组织结构
ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ GS线 — 溶解度曲线 A—F
GP线 — F析出终了线。 PQ线 — 碳在α-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 — 共析线 727℃
金属材料的组织结构
体心立方晶胞
金属材料的组织结构
体心立方晶胞特征：
（1）晶格常数
a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数
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。
三、晶粒大小的控制 (一)晶粒度 晶粒度对金属性能的影响 晶粒度
金属材料的组织结构
常温下，晶粒越细小，晶界面积越大， 常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越 高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。 同时塑性和韧性也越好 高温下， 高温下，晶粒应适当粗化，其性能较好。因为高温下原子 沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。
三、金属的同素异晶转变
金属材料的组织结构
同素异晶转变——在固态下，随着温度的变化， 同素异晶转变——在固态下，随着温度的变化，金属的晶体 ——在固态下 结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。 结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。
Fe
γ − Fe
温度℃
Fe、Sn、Ti、Mn
1538 ℃
金属材料的组织结构
密排六方晶胞
金属材料的组织结构
密排六方晶胞的特征：
（1）晶格常数 （a=b≠c，α=β=90°，γ= 120 ° ） 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表 达, 两相邻侧面之间的角为120°, 侧面与底面之间的 夹角为90°。
（2）晶胞原子数
1/6*12+1/2*2+3=6
金属材料的组织结构
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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晶格畸变示意图
金属材料的组织结构
• 固溶强化概念： 固溶强化概念：
• 晶格畸变导致金属塑性变形阻力增大，从而使其强度和 硬度提高，这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现 象称为固溶强化 固溶强化。 固溶强化
金属材料的组织结构
C——共晶点，1148℃
4.3%C
共晶点——发生共晶反应的点。 共晶反应 —— 在一定的温度下，由一定成分的液体同 时结晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
L（4.3%C）
1148℃
A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
Ld
G —— 纯铁的同素异晶转变点。 912℃ P ——C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃ 0.02%C
过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为 在结晶过程中有两个因素同时在起作用： 两个因素同时在起作用： 两个因素同时在起作用 一是晶体与液体的自由能差（△F），是晶核形成和长大的驱 动力； 二是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长 大的必须条件。 如图2—4、2—5所示。
金属材料的组织结构