第三节金属的同素异构转变
第二章 第三节 纯铁的同素异构转变
教学时间2014年3月28日教学对象13数控1班-2班课时1课时教学课题：第三节纯铁的同素异构转变教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。
如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe 。
那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变一、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。
【讲解】同素就是同种元素；由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：αβγδ低温高温二、纯铁的同素异构转变（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。
------------------------------( ) 2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。
------------------------- ( ) 3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。
这是因为内部发生了改变的缘故。
---------------------------------------------------------- ( )例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：温度（℃）组织名称晶体结构。
第2章 金属结晶的基本规律(3)
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或
搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
铁碳合金相图知识点讲解
铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。
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。
图a 面心立方晶体图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。
另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。
磁性转变不是相变，晶格不发生转变。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。
（1）液相用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
金属材料概论第三章ppt课件.ppt
体心立方
面心立方
体心立方
第三节 合金的结晶与相图
合金的应用比纯金属广泛得多
→ 因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯 金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐 热、耐蚀等物理、化学性能。
学习内容： 一 概念 二 合金相结构 三 二元合金相图
一 概念
1·合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经 熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有 金属特性的物质。
如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出 现第二颗晶核．那么由这一颗晶核长大的金属， 就是一块金属单晶体。
2、形核和长大 形核： 均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体中出现新
相晶核的几率是相同的→ 自发形核
异质形核：新相优先出现于液相中的某些区域的 形核方式 → 非自发形核←杂质（未熔 质点）
长大： 长大过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁移过程 长大条件：过冷度
∵结晶初期生成的微小晶粒与
液相间的平衡温度低于大晶
体与液相间的平衡温度— 小
ห้องสมุดไป่ตู้晶体的熔点<大晶体的熔点 温
度
而通常金属的熔点是与大晶 T
Tm=T大晶粒
△T Tn=T小晶粒
体相对应的 → 结晶过程只能
在金属熔点以下的温度进行
∴过 冷条件下发生！
时间τ
②结晶过程中晶核数目越多，凝固后晶粒数目也越多， 晶粒越细小；反之，晶粒数目越少，晶粒越粗大；
2·组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。 一般指组成合金的元素，或稳定的化合物。
例如：黄铜的组元是铜和锌；碳钢的组元是铁和碳， 或是铁和金属化合物Fe3 C
黄铜:Cu与Zn的合金。Zn的含量越高，其强度也较高，
相、合金、组织
第2章纯金属的结晶与铁碳合金不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种材料，在不同的条件下其性能也不相同。
金属材料之所以具有不同的性能与它的晶体结构有密切的关系。
纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。
第一节金属的晶体结构一、金属的晶体结构金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。
一切固态物质按其构造可分为晶体（crystalloid，crystal）与非晶体（noncrystal）两种。
非晶体的特点是原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等都是非晶体。
晶体的特点是它们的原子都按一定的次序作有规则的排列，如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。
为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把每个原子看成一个小球，把这些小球用假想线条连接起来，就得到一个抽象化了的空间格子。
这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格（crystal lattice）。
晶格的最小单元称为晶胞（unit cell）。
晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。
二、常见的晶格类型常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1.体心立方晶格（BCC（Body-Centered Cubic [lattice]））原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。
这类金属有相当大的强度和较好的塑性。
2.面心立方晶格（FCC（Face Centered Cubic [lattice]））原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。
金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。
属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。
第3章+金属的结晶与同素异构转变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
过冷度对N、G的影响
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
金属结晶时温度与时间的 关系曲线。 曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
同素异构转变概念
物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象。
铁的同素异构转变
大连理工大学经济系0501班 姜珊
2属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
同素异构转变特点
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力， 使材料变形或开裂。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
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The End of Chapter 3.
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大连理工大学经济系0501班 姜珊
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
3.2.1 纯金属的结晶过程
形核 和 长大 两个基本过程 液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的 结晶核心，称为晶核。 晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。 每个晶核最终长成一个晶 粒，两晶粒接触后形成晶界。
中级金属热处理试卷及答案
金属热处理中级试卷一、名词解释。
（每题2分，共２0分）1、固溶体：2、铁素体：3、奥氏体4、金属的同素异转变：5、调质热处理：6、金属化合物：7、热处理：8、合金钢：9、马氏体10、渗碳体：二、填空。
（每空0.５分，共２４分）1、金属态下，随温度的改变，由转变为的现象称为固态异构转变。
2、合金是一种与或通过熔炼或其他方法结合而成的具有的物质。
3、根据合金中各组元之间的相互作用不同，合金的组织可分为、、三种类型。
4、铁碳合金的基本组织有五种，它们是、、、、。
5、碳素钢是含碳量小于，而且不含有合金元素的铁碳合金。
6、45钢按用途分类属于钢；按质量分类属于钢；按含碳量分类属于钢。
7、常见的金属晶格类型有___________、___________和___________。
8、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_________、_________、________9热处理工艺都是由、和三个阶段所组成的。
10、优质钢含硫为%，含磷为%11奥氏体组织是在发生同素异构转变时产生的。
12、型钢有、、、、、。
13、根据铝合金成分和工艺特点，可将铝合金分为___________和__________两大类。
14.常用的表面热处理方法有_______________和_______________两种。
15、锡黄铜常用牌号是、锡青铜典型牌号是16、铅具有的特点，在工业上用作x 射线和y射线的防护材料17奥氏体不锈钢防晶间腐蚀的方法有、、、、、三、选择填空。
（填写正确答案的序号，每题２分，共２２分）1、零件渗碳后，一般需经过（）才能达到表面硬度高而且耐磨目的。
A 淬火+低温回火B 正火C 调质D 淬火+高温回火2、从灰铸铁的牌号可以看出它的（）指标。
A 硬度B 韧性C 塑性D 强度3、晶胞是一个立方体，原子位于立方体的中心是。
⑴面心立方晶格⑵密排六方晶格⑶体心立方晶格4、45钢的平均含碳量为。
⑴0.45% ⑵4.5% ⑶45%5、将钢加热到临界点以上30—50℃保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法为。