第二章 金属材料的组织结构1

c c QL Q c cL
（二）共晶反应的合金的结晶 两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并且发生共晶转变 所构成的相图。 点：A、B、C、E、D、F、G 线： 液相线:AEB 固相线:ACEDB 溶解度曲线: CF:Sn在Pb溶解度曲线
D
NG:Pb在Sn中的溶解度曲线 区： 三个单相区（L、α 、β ） 三个两相区（L+α 、L+β 、α +β ） 一条的三相共存线（水平线CED ） L+α +β
第二章
材料的性能 晶体： 非晶体：
金属材料的组织结构
原子间的结合键 原子的排列方式(结构)
原子结构
原子沿三维空间呈周期性重复排列的物质。
原子在三维空间呈紊乱、无序排列的物质。 有固定的熔点 没有固定的熔点
晶体：各向异性 非晶体： 各向同性
第一节 金属的晶体结构 及结晶 一、金属的晶体结构
（一）晶体的基本概念
其性能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。
金属化合物是许多合金的重要组成相（常作为强化相）。 1.正常价化合物 组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此 类化合物称为正常价化合物。 例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。性能特点是硬度高、脆性大。 2.电子化合物 组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物 中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。 例如:CuZn、 Cu5Zn8、 CuZn3、Cu3Al、FeAl 此类化合物的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中作为 重要的强化相。
1.体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90° ⑶原子半径 3 a 晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。 r
4
(4) 晶胞中原子数和致密度 晶胞中原子数2 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数.
0.68
(5) 空隙半径 (6) 常见金属
d ( c e )
Td
（五）含有稳定化合物的二元相图 在某些二元合金中常形成一种或几种稳定化合物。这些化合物具有 一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其他化 学反应。
点： A、 G、 P、 S、 E、 C、 D 线： ACD、 AECF、 ECF、 PSK、 GS、 ES、 PQ、 GP
位错运动
位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即 ρ =L/V
形变强化：冷塑性变形使晶体中位错缺陷大量增加，金属材料强度大 幅度提高，这种方法称形变强化。
3.面缺陷
指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。
亚晶粒之间的交界称为亚晶界。
细晶强化： 通过细化晶粒，使晶界和亚晶界的数量增加，从而提高材料强度、 塑性和韧性的方法。
（4）α相 α相也称铁素体，用符号F或 α表示， 是碳在α—Fe中的间隙固溶体，呈体心立 方晶格铁素体中碳的固溶度极小，室温 时约为0.0008%，600℃时为0.0057%， 在727℃时碳溶量最大，为0.0218%。 强度Rm180-230、硬度50-80HB、塑性 A11.330-50%、韧性ak160-200 性能特点是强度低、硬度低、塑性好。 ⑸渗碳体（Fe3C）相， Fe3C相是一个化合物相，可用Cm表示 硬度800HB、塑性 A11.3 0 性能特点是硬度高、塑性差。即硬而脆
三、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。
1394 ℃ 912 Fe Fe ℃ Fe bcc fcc bcc
第二节、合金的晶体结构 及结晶
合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素 相互熔合而成，具有金属特性的物质。 组元：组成合金的最基本独立单元（元素或化合物）叫做组元。 相：是指合金中具有同一化学成分、同一结构和性质，并以界 面相互分开的、均匀的组成部分。 组织：是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布 和各相之间的组合状态。 一、固态合金的相结构 固溶体和金属化合物 （一）固溶体 合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相 同的固相，称为固溶体。 固溶体结构相同的组元为溶剂 另一组元为溶质。
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
1)工业纯铁[wc ≤0.0218%]
2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
下面对三种典型碳钢的平衡结晶过程进行分析。
1.共析钢[wc =0.77%]
共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C，它们 的质量分数为：
3.密排六方晶格（hcp晶格） ⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 ⑶原子半径
a b c,
1 r a 2
c 1.633, 90， 120 . a
(4)晶胞中原子数4 (5) 空隙半径 (6) 常见金属
致密度0.74 r八=0.414r原
r四=0.225r原 Mg、Zn、Ti等
显微组织
实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：
1.点缺陷
点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷 ⑴空位 ⑵间隙原子 空位 ⑶置换原子 点缺陷破坏了原子 的平衡状态，使晶 格发生了扭曲—晶 格畸变，使材料强 度提高。
间隙原子
2.线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。 位错： 指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发 生了一列或若干列原子有规律的错排现象。 刃型位错 螺型位错
2、晶体的长大
1）平面长大 2）树枝状长大
图2-5
金属结晶示意图
（三）晶粒细化的方法
晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度
σs= σi+ kyd（-1/2）
形核率：是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。 长大速率: 是指单位时间内晶核生长的线长度。 1. 控制过冷度 （过冷细化法） 2. 变质处理 3. 振动、搅拌 变质剂
5、渗碳体相：Fe3C，WC6.69%
铁碳合金中的相 ⑴液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 ⑵δ相 δ相又称高温铁素体， 是碳在δ—Fe中的间隙固溶体，呈体 心立方晶格，在1394℃以上存在， 在1495℃时溶碳量最大，为0.09%。 （3）γ相 γ相常称奥氏体，用符号A或 γ表示， 是碳在γ—Fe中的间隙固溶体，呈面心 立方晶格。奥氏体中碳的固溶度极大， 在1148℃时碳溶量最大达2.11%。 强度Rm400-800、硬度160-200HB、塑性 A11.340-50% 奥氏体的强度较低，硬度不高，塑性好，易于塑性变形
3.间隙化合物
由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形 成的化合物称为间隙化合物。 间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常稳定。
钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型 化学式 硬度 HV 熔点 /℃ TiC 2850 3080 ZrC 2840 3472 ±20 简单结构间隙化合物 VC 2010 2650 NbC 2050 TaC 1550 WC 1730 2785 ±5 MoC 1480 2527 复杂结构间隙化 合物 Cr23 C6 1650 1577 Fe3 C ～800 1227
5、共晶线：ECF
1148 ℃ 1148 ℃ LC AE Fe3C 即 L4.3 A2.11 Fe3C
6、终了线：GS
7、包晶线：HJB
点： A、 G、 P、 S、 E、 C、 D 线： ACD、 AECF、 ECF、 PSK、 GS、 ES、 PQ、 GP
（二）典型铁碳合金的平衡结晶过程
LE C N D
恒温
3.合金Ⅱ（共晶合金）结晶过程
D
恒温 LE C N D
共晶合金组织的形态
（三）包晶反应的合金的结晶 Pt—Ag合金相图
Ld c e
Te
（四）共析反应的合金的结晶 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混 合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。
第三节、铁碳合金的结构及相图
一、铁碳相图
1394 ℃ 912 Fe Fe ℃ Fe bcc fcc bcc
A:纯Fe的熔点
N:同素异构转变点
G:同素异构转变点 相: 1、液相L 2、高温铁素体：δ 相 碳溶于δ —Fe中的间隙固溶体 3、奥氏体：γ 相 ，A 碳溶于γ —Fe中的间隙固溶体 4、铁素体： α 相，F 碳溶于α —Fe中的间隙固溶体
3680± 3980 50
⑴简单间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为简单间隙相。 如：TiC、WC、MoN、V2N等均属于这类化合物。 ⑵复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之 比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。
(三) 晶面、晶向
晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。 晶向：任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。
晶体的各向异性 金属单晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。
（四）金属的实际结构与晶体的缺陷
一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。 由多晶粒构成的晶体称为多晶体。多晶体伪各向同性。
二、 纯金属的结晶
结晶 金属从液态转变为固态（晶态）的过程
（一）金属结晶的温度
过冷度 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差
Δ T= T0—Tn
冷却速度越大，开始结晶温度越低， 过冷度越大。
（二）金属的结晶过程 形核和长大
1、晶核的形成 1）自发形核 从液态金属中自发长出结晶核心的过程自发形核。 2）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁 碳合金的力学性能有很大影响。
线: 1、液相线：ABCD 2、固相线：AHJECF 3、析出线（溶解度曲线）：JN；ES； PQ；ES 4、共析线：PSK
727 727 AS ℃ FP Fe3C 即 A0.77 ℃ F0.0218 Fe3C
1.固溶体的分类
置换固溶体与间隙固溶体
有限固溶体与无限固溶体 溶解度:溶质原子在溶剂晶格中的最高含量 晶格类型、原子半径差及在元素中的位置 有限固溶体 无限固溶体
2.固溶体的性能 晶格畸变
固溶强化
通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
（二）金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元 的新相即为金属化合物，或称中间相。
r四=0.29r原
r八=0.15r原
Cr、Mo、W、V、α -Fe
2.面心立方晶格（fcc晶格） ⑴原子排列特征
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90° ⑶原子半径
rLeabharlann Baidu 2 a 4
(4)晶胞中原子数4 (5) 空隙半径 (6) 常见金属
致密度0.74 r四=0.225r原 Al、Cu、Ni等 r八=0.414r原
二、二元合金相图
用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。 （一）匀晶相图
二元合金在液态和固态均能无限互溶所形成的相图。
点：A、B 线：Al1B线为液相线 Aa1B为固相线。 区：有两个单相区 一个双相区（L+α 相区）。
枝晶偏析： 一个晶粒内化学成分的分布不均现象
杠杆定律
QL
Qα
bc QL Q ab
1.晶格与晶胞 晶格： 描述晶体排列规律的空间格架
晶胞： 代表原子排列特征的最基本的几何单元
点阵常数
平行六面体的三个棱长a、b、c和及 其夹角α 、β 、γ ，可决定平行六 面体尺寸和形状，这六个量亦称为 点阵常数。
2、晶系
按点阵常数 对晶体的分类。
（二）常见金属的晶体结构（晶格类型） 体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格
组织 珠光体
铁素体和渗碳体呈均匀分布的 两相机械混合物。
727 727 AS ℃ FP Fe3C 即 A0.77 ℃ F0.0218 Fe3C
2.亚共析钢[0.0218%< wc <0.77%]