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金属学常识主讲教师吴薇课程介绍：本课程是一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料的性能间的关系和变化规律的学科。通过本课程的学习，您将了解金属的结构与结晶，掌握有关铁碳合金相图及其应用，初步掌握碳素钢与铸铁的基本知识等。整个课程内容分为三章。每章分成若干小节；每节的教学内容具有相对完整性，有明确主题。前言参考教材：《专业技术金属学篇（I)》宝钢冶金特有工种职业技能培训系列教材宝钢人才开发院前言课程目录第一章金属结构与结晶第二章钢的热处理第三章碳素钢与铸铁课程目录第一章金属结构与结晶第一章金属结构与结晶第二章钢的热处理第三章碳素钢与铸铁课程目录1.1金属的晶体结构1.2纯金属的结晶1.3金属的同素异构转变第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶1.1.1晶体与非晶体1.1.2晶体结构的概念1.1.3常见金属的晶格类型1.1.4金属晶体结构缺陷1.1纯金属的晶体结构第一章金属的结构与结晶晶体——材料中的原子有序，有规则地排列。有一定的熔点，各向异性非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、大多数金属和合金等。非晶体——原子无规则堆积。没有固定的熔点，各向同性。液体第一章金属的结构与结晶晶体内部原子排列示意图原子中心位置●晶体结构第一章金属的结构与结晶晶胞1）晶格和晶胞第一章金属的结构与结晶晶格：表示原子在晶体中排列规律的空间格架。第一章金属的结构与结晶2）晶格常数晶胞的棱边长度称为晶格常数。对于立方晶体说，晶胞三个方向上的边长相等（a=b=c),用一个晶格常数a表示。并且α=β=γ=90°。晶格常数的单位为埃。XYZabc晶面在晶体中由一系列原子组成的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶立方晶胞中的某些晶面立方晶胞中的某些晶向各向异性：不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ第一章金属的结构与结晶1）体心立方晶格-Fe、W（钨）、V（钼）、Mo（钒）等第一章金属的结构与结晶2）面心立方晶格-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等第一章金属的结构与结晶3)密排六方晶格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第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶晶体中出现的各种不规则的原子排列现象称为晶体缺陷。1）空位和间隙原子附近的原子受张力使晶格增加晶格常数减小造成晶格畸变!第一章金属的结构与结晶2)位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。位错有刃型位错、螺型位错等。第一章金属的结构与结晶螺形位错晶体上下两部分原子排列面在某些区域相互吻合的次序发生错动，使不吻合的过渡区域的原子排列成螺旋形，称为螺旋位错。第一章金属的结构与结晶位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形便是通过位错运动来实现的。所有晶粒结构完全相同，但彼此之间的位向不同，一般相差几度或几十度。晶界处的原子排列是不规则的，原子处于不稳定的状态。在一颗晶粒内部，小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界，亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的。3）晶界和亚晶界晶界的过渡结构示意图亚晶示意图第一章金属的结构与结晶晶体中存在的空位、间隙原子、置代原子、位错、晶界及亚晶界等结构缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。第一章金属的结构与结晶１.２纯金属的结晶晶体液体结晶：金属由不规则排列的液体--原子规则排列的晶体。第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，图为热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度一时间坐标图中，便获得纯金属的冷却曲线，如图所示。热分析法装置示意图纯金属的冷却曲线1—电炉2—坩埚3—金属液4—热电偶第一章金属的结构与结晶纯金属结晶时的冷却曲线a)理论结晶b)实际结晶实际结晶温度(T1)低于理论结晶温度(T0)这一现象称为“过冷现象”。理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度(△T=T0-T1)。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。冷却速度越大，则过冷度越大。重要概念：理论结晶温度过冷现象过冷度第一章金属的结构与结晶液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程纯金属的结晶过程第一章金属的结构与结晶由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性，亦称为“伪各向同性”。纯铁的显微组织由于每个晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。第一章金属的结构与结晶金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。表1—1是晶粒大小对纯铁力学性能的影响。晶粒平均直径/μmσb/MPaσs/MPaδ/%70252.01.61842162682703445586630.639.548.850.7表1—1晶粒大小对纯铁力学性能的影响第一章金属的结构与结晶细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度形核率越高、长大速度越小，则结晶后的晶粒越细小。第一章金属的结构与结晶１.增加过冷度金属的形核率N和长大速度v均随过冷度而发生变化，但两者变化速率并不相同，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。这种方法只适用于中、小型铸件，对于大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。第一章金属的结构与结晶2．变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。3．振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。第一章金属的结构与结晶１.３同素异构转变金属在固态下，随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。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ，δ等表示。纯铁的冷却曲线γ-Fe→α-Fe的同素异构转变过程示意图第一章金属的结构与结晶纯铁的同素异构转变液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α—Fe，如再继续冷却到室温，晶格的类型不再发生变化。Fe℃Fe℃Fe9121394（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）第一章金属的结构与结晶金属的同素异构转变的特点有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；转变需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力（γ-Fe转变为a—Fe时，铁的体积会膨胀约1％，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因）。第一章金属的结构与结晶本章小结基本概念：晶体与非晶体；晶格与晶胞；晶格常数；晶面与晶向；；过冷度及过冷现象；晶格畸变，同素异构转变重要知识点：主要的晶格类型；主要的晶格缺陷；多晶体的性能特点；细化晶粒方法;金属同素异构转变的特点。第一章金属的结构与结晶第二章钢的热处理第一章金属结构与结晶第二章钢的热处理第三章碳素钢与铸铁课程目录第二章铁碳合金2.1合金的组织2.2二元合金相图2.3铁碳合金相图第二章铁碳合金2.1合金的组织第二章铁碳合金合金：一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，通过熔炼或其它方法结合成的具有金属特性的物质。组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。相：在合金中具有相同的物理和化学性能并与其它部分以界面分开的一种物质。2.1合金的组织根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三类。固溶体金属化合物混合物第二章铁碳合金固溶体固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体溶剂晶格的空隙尺寸很小。碳、氮、硼等非金属元素溶入铁中形成的固溶体有限！溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体溶质在溶剂中的溶解度主要决定于两者的原子半径、在化学元素周期表中的位置及晶格类型等。可能无限！第二章铁碳合金固溶强化在固溶体中由于溶质原子的溶人而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。它是提高金属力学性能的重要途径之一。形成固溶体时的晶格畸变a)间隙固溶体b)置换固溶体第二章铁碳合金2.1.2金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。第二章铁碳合金2.1.3混合物两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相仍保持自己原来的晶格。在显微镜下可以明显辨别出各组成相的形貌。混合物的性能取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。珠光体（铁素体与渗碳体的混合物）电子显微镜观察组织第二章铁碳合金第二章铁碳合金目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。第二章铁碳合金基本相图：匀晶相图特点：二组元在固态时形成无线固溶体，且液态时又能完全互溶。2.3铁碳合金相图铁碳合金的相及组织铁碳合金相图典型铁碳合金的结晶过程铁碳合金的成分、组织与性能的关系Fe—Fe3C相图的应用第二章铁碳合金铁碳合金的相及组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体碳溶解在a—Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F来表示。由于a—Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在a—Fe中的溶解度很小。在727℃时，a—Fe中的最大溶碳量仅为0.0218％，由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。第二章铁碳合金铁碳合金的相及组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号A来表示。。由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148℃时溶碳量可达2.11％，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳量为0.77％。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体的晶胞示意图奥氏体的显微组织第二章铁碳合金铁碳合金的相及组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体渗碳体是含碳量为6.69％的铁与碳的