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•第一章金属学基础•第一节金属和合金的晶体结构•金属和合金在固态时，通常就是那种原子在三维空间中有规则作周期重复排列的物质，就是说，在金属和合金中，原子的排列都是有规律的。•一、纯金属的晶体结构•（一）金属原子间的结合•金属原子聚集在一起主要是靠金属键结合。•(二)理想晶体•1．晶体与非晶体•a.晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。•非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。•b.区别•(a)是否具有周期性、对称性•(b)是否长程有序•(c)是否有确定的熔点•(d)是否各向异性•晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。2．晶体结构的描述•晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。•由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也不一样，所以就存在各种各样的晶体结构3.理想晶体的晶体学抽象•空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）•晶胞的描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：晶胞的棱边长度a,b,c及棱边间的夹角α,β,γ（1）晶格：金属学中把晶体的原子假设成是固定不动的刚性小球，用假想的线条将各原子的中心连接起来，构成一个空间的格子。(2)晶胞：能够反映晶格特征的、最小的几何单元。(3)晶格常数：晶体学上，以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小。其中棱边长度称为晶格常数。单位为埃（1埃=10-8cm)a)体心立方晶胞(BCC)晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。8*1/8+1=2典型金属：α-Fe、Cr、Mo、W、V等b)面心立方晶胞原子数：8*1/8+6*1/2=4典型金属：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag等c)密排六方晶系原子数：1/6*12+1/2*2+3=6典型金属Mg、Zn、Be、Cd等•原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：r=•配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。•致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。•致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积*100%a43•d)BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,a=b=g=90o2868%FCCa=b=c,a=b=g=90o41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120oa/261274%a43•(三)实际金属中的晶体缺陷•理想晶体+晶体缺陷——实际晶体•实际晶体——单晶体和多晶体•单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性•多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各自同性•1．晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分•a点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位和间隙原子•空位:晶格结点处无原子•置换原子:晶格结点处为其它原子占据•间隙原子:原子占据晶格间隙•b线缺陷（位错(刃位错和螺位错）——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排•C.面缺陷——一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域（晶界、亚晶界、相界、表面等）•晶界-晶体结构相同位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒的晶界。•亚晶界—在晶粒内部可以观察到直径在10-100um大小的晶块，这些晶块之间的内界面就称为亚晶粒间界，简称亚晶界。细晶强化：晶界、亚晶界处的原子也会偏离平衡位置引起晶格畸变，使金属材料的强度和硬度得以提高，这种靠增加晶界或亚晶界强化材料的方式叫细晶强化。•二.合金的晶体结构•金属材料大多是合金—由两种或两种以上的金属构成合金，并具有金属特征•组元：构成合金的元素•相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。•1、固溶体•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，有置换固溶体，间隙固溶体。固溶强化:由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。•2、金属间化合物•金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。金属间化合物常见有以下三种类型•正常价化合物组成正常价化合物的元素是按原子价规律结合的，因而其成分固定不变。通常由金属性强的元素和非金属或类金属形成这种化合物。如Mg2Si，Mg2Sn等。•电子化合物按照一定的电子浓度形成一定晶体结构的化合物。如CuZn（体心立方）Cu5Zn8（复杂立方）CuZn3（密排六方）•间隙化合物一般由原子直径较大的过渡族金属和原子直径较小的非金属元素所组成。如：具有简单晶格的间隙相VCWCTiC具有复杂晶格的间隙化合物Fe3C，Cr23C6，Cr7C3特点：熔点、硬度高、脆性大。•3、机械混合物•单一固溶体：强度、硬度较低•单一化合物：硬而脆•机械混合物——不是一种单一相•第二节纯金属及合金的结晶1．结晶与凝固的区别凝固：金属由液态转变成固态的过程L→S，凝固后的固态金属一般是晶体。凝固的过程是一个复杂的相变过程。结晶：一种原子排列状态（晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态2.结晶过程Tm：理论结晶温度—金属的熔点Tn：实际结晶温度过冷度：∆T=Tm-Tn,∆T↑，实际结晶温度越低。•a.形核——自发形核、非自发形核b.长大——平面长大、树枝状长大•3.结晶动力学•4、晶粒尺寸的控制•(1)晶粒度•单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。•形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。•(2)过冷度对形核一长大的影响：过冷度∆T↑N形核速率提高、长大线速度G提高•过冷度∆T太高，D降低——N降低、G降低•(3)控制晶粒度的因素•①提高过冷度•过冷度∆T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化•②变质处理•在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。•③振动，搅拌等第三节、合金的凝固（一）相图---根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。1匀晶相同及其分析（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。(两组元在液态和固态都无限互溶)（3）相图分析两点：纯组元的熔点；两线：L,S相线；三区：L,α,L+α。2.二元共晶相图及合金凝固（1）共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。EutecticReaction（2）共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。（3）共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）（4）共晶组织的形成（1）共晶体的形成成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长两相交替分布（共晶组织）包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。PeritecticReaction包晶相图：具有包晶转变特征的相图。1相图分析点、线、区。3.二元包晶相图及合金凝固第四节.铸锭组织及其控制1铸锭组织（1）铸锭三区表层细晶区(强过冷,非均匀形核)柱状晶区(纯金属:过冷度减小,形核困难,沿散热方向生长;合金:成分过冷,一次轴发达,沿散热方向生长.)中心等轴晶区(均匀散热、液相区成分过冷、熔体对流导致细晶漂移或枝晶破碎。）4.铸锭组织及其控制1铸锭组织（2）组织控制受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E4.铸锭组织及其控制2铸锭缺陷（1）微观偏析（2）宏观偏析:整个铸锭范围内的成分不均匀现象.正偏析:k01的合金铸锭中心溶质含量较高的现象.反偏析:…….密度偏析:由于初生相与剩余液体密度差异而导致铸锭上下部分成分不均匀的现象.第三节Fe-C(Fe-Fe3C)相图•一、Fe-Fe3C相图的组元•1．Fe组元•δ-Fe(bcc)--1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃---a-Fe(bcc)(同素异构转变)δ-Fe最大溶碳0.09、γ-Fe最大溶碳2.11、a-Fe最大溶碳0.0218•强度低、硬度低、韧性、塑性好•2．Fe3C(Cem，Cm）复杂斜方点阵•熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。•二、铁碳合金特性点•A、B、C、D、E、G、H、J、K、M、N、P、S相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或者多相混合物。•三、Fe-Fe3C相图中的相•1．液相L•2．δ相高温铁素体（C固溶到δ-Fe中固溶体——δ相）•3．α相铁素体F（C固溶到α-Fe中——α相）•强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）•4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）•强度低，易塑性变形•5．Fe3C•熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零•四、相图分析•1．三条水平线和三个重要点•（1）包晶转变线HJB：1495摄氏度，C%=0.09-0.53%•LB+δH------AJ即L0.53+δ0.09-------A0.17•（2）共晶转变线ECF,1148摄氏度，C%=2.11---6.69%•L4.3----A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3高温莱氏体Le，Ld•（3）共析转变线PSK，727摄氏度，C%=0.0218---6.69%•As----FP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77----F0.0218+Fe3C——P（珠光体）•珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间•Le----P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体Le’•2．液固相线•液相线ACD固相线AECF•3．溶解度线•ES线碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%——727摄氏度,0.77%,Fe3CII•PQ线碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——0.0008%室温，Fe3CIII•4．GS线1.工业纯铁0.02182.共析钢：含碳量0.77%3.亚共析钢：含碳量0.0218-0.77%4.过共析钢：含碳量0.77-2.11%5.共晶白口：含碳量:4.3%6.亚共晶白口：含碳量2.11-4.3%7.过共晶白口：含碳量4.3-6.69%五.铁碳合金的平衡结晶过程及组织•1．工业纯铁（C%≤0.0218%）•L---L+A---A---A+F---F+Fe3CIII•相组成物：F+Fe3CC%0.0008%•FC%0.0008%相相对量F%=Fe3C%=•组织组成物：F和Fe3CIII•工业纯铁•2.亚共析钢0.0218%C%0.77%•L---L+A---A---A+F---A+P+F---P+F•相组成物：F+Fe3C•组织组成物：P+F•3共析钢结晶•••L---L+A---A---A+P---P•相组成物：F和Fe3C•组织组成物：P4。过共析钢结晶过程•L---L+A---A---A+Fe3CII---A+P+Fe3CII---P+Fe3CII相组成物：F，Fe3CF%=Fe3C%=组织组成物：P，Fe3CII组织相对量：Fe3CII%=P%=•5.共晶白口铸铁结晶过程•相组成物：F，Fe3CF%=Fe3C%=组织组成物：Ld’•亚共晶白口铸铁结晶过程•相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Ld’，Fe3CII•过共晶白口铸铁结晶过