材料的组织结构

第2章材料的组织结构2.1.1金属的理想晶体结构（一）晶体与非晶体(二)晶格、晶胞和晶格常数（三）金属晶格的常见类型（1）体心立方晶格铬、钨、钼、钒、铌和912℃以下的铁（2）面心立方晶格铝、铜、镍、铅、金、银和912-1394℃的铁（3）密排六方晶格镁、锌、镉、铍等。2.1.2、金属的实际晶体结构1.点缺陷（零维缺陷）：空位，间隙原子，杂质原子2.线缺陷（一维缺陷）：位错3.面缺陷（二维缺陷）：晶界，亚晶界，层错，孪晶界2.1.2金属的实际晶体结构2.1.2、金属的实际晶体结构（一）、点缺陷——空位和间隙原子以某个点为中心、在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变相的晶体缺陷。1、间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体；间隙原子晶格空位置换原子2.1.2金属的实际晶体结构2、晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体；3、置换原子：在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子。点缺陷使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度提高。（二）、线缺陷——位错晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。应力场2.1.2金属的实际晶体结构特点：受力后沿某些晶面移动，导致金属变形，互相作用，使位错的阻力增大，金属强度提高。（三）面缺陷—晶界和亚晶界晶界：不同位向的两晶粒之间的过渡层。亚晶：晶粒内部尺寸很小、位向差很小的小晶块。亚晶界：亚晶之间的界面。面缺陷：晶界和亚晶界。亚晶界晶界亚晶界晶界2.1.2金属的实际晶体结构面缺陷是位错运动的障碍，晶粒、亚晶越细小，界面越多，晶格畸变越大，位错阻力越大，金属强度越高。2.1.3金属材料的结构特点（一）、基本概念1、合金：两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的新金属。２、组元：组成合金最基本、能独立存在的物质（可以是化学元素也可以是稳定的化合物）。3、合金系：有相同组元．而成分比例不同的一系列合金。4、相：在合金中，化学成分一致、物理状态相同，与其他部分有明显界面的部分。2.1.3金属材料的结构特点５、显微组织和组织组成物组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物。显微组织：显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和配置状态。组织组成物：构成显微组织的独立部分，它可以是单相或多相混合物。2.1.3金属材料的结构特点1、固溶体固溶体：一种组元均匀的溶解在另一组元中而形成的晶体相。固溶体是单相，晶格类型与溶剂相同。溶剂：晶格保持不变的组元。溶质：晶格消失的组元。2.1.3金属材料的结构特点（1）置换固溶体当溶质原子代替了溶剂晶格的某些结点原子而形成的固溶体。形成无限固溶体的条件：两组元具有相同的晶格，原子直径相差很小。2.1.3金属材料的结构特点（2）间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格间隙处而形成的晶体相。形成条件：两组元直径相差较大。由于两组元原子大小和性能上的差别，导致晶格发生畸变、歪扭，使晶体的位错运动阻力增大，合金塑性变形抗力增大，由此强化了合金。固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高，但塑性和韧性下降的现象。2.1.3金属材料的结构特点2、金属化合物合金中各组元原子按一定整数比结合而形成的晶体相。金属化合物也是单相，可看成是一个组元。第二相（弥散）强化：在合金中，金属化合物若以细小的粒状均习分布在固溶体相的基体上使合金的强度、硬度进一步提高的现象。2.1.3金属材料的结构特点3、机械混合物两种以上的相紧密混合而成的独立整体。机械混合物的性能取决于各组成相的性能，及其数量、形状、大小与分布等。2.3金属的结晶与细晶强化结晶：金属从液态变成固态的过程。1.结晶过程1）晶核的产生；2）晶核的长大。2.3金属的结晶与细晶强化1）液态金属在冷却过程中，由于热量向外散失，温度不断下降；2）当冷却到某一温度时开始结晶，结晶放出的热补偿了向外散失的热量；3）结晶结束，温度重新下降。理论结晶温度纯金属多数合金实际开始结晶温度实际冷却曲线2.3金属的结晶与细晶强化2.结晶温度纯金属由液态转变为固态的温度。2.3金属的结晶与细晶强化过冷现象：金属实际结晶温度较理论结晶温度为低的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。10TTT2.3金属的结晶与细晶强化2.3金属的结晶与细晶强化3.晶核的形成与细晶强化自发晶：由金属自身原子团形成晶核；非自发晶：依服外来固体杂质形成晶核；细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高。2.3金属的结晶与细晶强化晶粒大小对力学性能的影响晶粒的大小及其控制1.增加过冷度，提高形核率2.变质处理，促进非自发形核浇注前向金属液体中加入一些促进生核或作为晶核的物质使金属晶粒细化的方法。3.振动，打碎枝晶金属在结晶时，对液态金属附加振动、超声波振动和电磁振动等措施，使结晶的金属经振动而破碎，增加了生核率，从而使晶粒细化。2.3金属的结晶与细晶强化2.4材料的同素异构现象金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循液体结晶的一般规律：1、恒温转变；2、转变时有过冷现象；3、转变过程由生核和长大两个基本过程组成。2.4材料的同素异构现象2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。若凝固后形成晶体结构，该转变过程称为结晶。合金相图：在十分缓慢的冷却条件下，合金状态与成分之间关系的图形。(状态图、平衡图)。2.5.1二元合金相图二元合金相图的建立及匀晶相图建立合金系的相图最主要是测定各种不同成分合金的临界点。测定方法：磁性分析、膨胀分析、电阻测量、X射线分析及热分析法等。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图匀晶相图：两组元组成的合金系，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的相图。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图Cu-Ni合金相图建立的具体步骤：（1）配制一系列不同成分的铜镍合金。（2）将上述合金熔化后分别测定它们的冷却曲线并找出临界点。（3）将各合金临界点标在以温度为纵坐标、以成分为横坐标的坐标系中。（4）将临界点温度中，相同物理意义的点连接起来。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图１．相图分析图中A、B分别为Cu、Ni的熔点；两相区的存在，说明该合金的结晶是在一定的温度范围内进行的，不同于纯金属。只有满足形成无限置换固溶体的两组元才能形成这类相图。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图２．合金结晶过程分析：合金的含量不同，结晶温度不同。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图设Wm和Wn为t0温度下液相和固相的相对重量，则：mkknWWnm%100mnknWm%100mnmkWn2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图（一）共晶相图共晶相图：二组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶反映的合金系形成共晶相图。共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图共晶相图合金系分类共晶合金亚共晶合金过共晶合金2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图图中L为液相；α为Sn（锡）溶于Pb（铅）中形成的固溶体；β为Pb溶于Sn中形成的固溶体。2.5铁碳合金相图反应产物：两相混合物共晶组织或共晶体。2.5.1二元合金相图M点（wSn=19%），N点（wPb=2.5%），A、B分别为铅和锡的熔点，F、G点分别为α、β室温下近似的溶解度点。E点为共晶点（wSn=61.9%）。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。edc2.5铁碳合金相图转变温度较低，原子扩散困难，容易获得较大的过冷度。得到的两相共析组织要比共晶组织更为细小均匀。1.工业纯铁的定义：2.晶格特点：1394～1538℃时，呈体心立方晶格(δ-Fe)，912～1394℃时，呈面心立方晶格(-Fe)，912℃以下时呈体心立方晶格(-Fe)。同素异晶转变是钢可以进行各种热处理的基础。一、工业纯铁3.性能特点：晶粒越细，强度越高。工业纯铁具有良好的塑性，但强度较低，很少用来制造机械零件。2.5.2铁碳合金相图1.铁素体碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体(ferrite)，用符号F表示。铁素体仍保持-Fe的体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，所以其溶碳能力极差。其性能与纯铁相似，强度和硬度较低，塑性和韧性好。在显微镜下，铁素体呈明亮的多边形晶粒，如图所示。二、铁碳合金中的相铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于-Fe是面心立方晶格，晶格间隙的直径要比-Fe大，故溶碳能力也较大。在727℃时溶碳量为wC＝0.77%，随着温度升高溶碳量逐渐增多，在1148℃时溶碳量最大(wC＝2.11%)。奥氏体具有很好的塑性和韧性，硬度为160～220HBS，伸长率δ为40～50%，易于锻压成型。2.奥氏体奥氏体存在于727℃以上的高温范围内，高温下奥氏体的显微组织如右图所示。渗碳体(cementite)是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。渗碳体中碳的含量(含碳量)为6.69%，熔点为1227℃。有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，硬度很高(950～1050HV)，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。3渗碳体渗碳体呈片层状、球状、网状或条状等。渗碳体是钢铁材料中主要的强化相，它的形态与分布对钢铁材料的性能有很大影响。在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳，这在铸铁中有重要意义。石墨(graphite)是Fe-C合金中游离存在的碳，以符号G表示。它以简单六方晶格结构存在。强度、塑性、硬度都很低。在钢中通常是不允许它存在，在铸铁材料中可增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一定的强度和韧性，通过石墨化处理使化合状态的碳转变成游离碳的石墨，使铸铁由白口变为灰口，成为有用的工程材料(铸铁)。4石墨铁碳合金还有两个相，一个是δ铁素体相，另一个是液相。在Fe-Fe3C合金的显微组织均被称为相组成物。在室温下，铁碳合金中最主要的相是铁素体和渗碳体。它们在钢铁材料中既可以独立存在，也能以机械混合物形式组成一些基本组织。(1)珠光体珠光体(pearlite)是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。综合力学性能好。珠光体的显微组织如图所示。三、铁碳合金中的基本组织碳的含量为4.3%的液态铁碳合金，冷却到1148℃时，由液态中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体(ledeburite)，用符号Ld表示。在727℃以下称为变态莱氏体，用符号Ld'表示，其显微组织如图4-4所示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。(2)莱氏体铁素体、渗碳体和珠光体是室温平衡状态下铁碳合金组织中基本的组成物。在室温平衡状态下，其机械性能如表所示。名称符号结合类型σ(MN/m2)HBδ（%）Ak(J)铁素体F或α碳在α-Fe中的固溶体(体心立方晶格)2308050160渗碳体Fe3C铁和碳的化合物(复杂晶格)30800≈0≈0珠光体P铁素体和渗碳体的层片状机械混合物75018020～2524～32铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。在铁碳合金中，铁可与碳形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。而稳定的化合物可以视为一个独立的组元，因此整个铁碳合金相图可视为由Fe-Fe3C、Fe-Fe2C、Fe-FeC等一系列二元相图构成。在铁碳合金中，由于碳的质量分数高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究Fe-Fe3C部分。Fe-Fe3C相图如图所示。铁碳合金相图Fe-Fe3C相图简化相图Fe-Fe3C相图在1200℃以上高温部分相当于二元包晶相图，在1000℃以上高温部分相当于二元共晶相图，在1000℃以下部分相当于二元共析相图，因此Fe-Fe3C相图可以看成二元包晶相图、二元共晶相图和二元共析相图三种基本相图的叠加。一、F