工程材料的组织结构

2.1纯金属的晶体结构与结晶第二章工程材料的组织结构2.1.1金属的晶体结构晶体——固定熔点，各向异性如：金刚石、石墨等非晶体——无固定熔点，各向同性如：松香、沥青等非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体原子中心位置●晶体结构1晶体结构的基本概念晶胞晶格结点晶胞XYZabc晶格常数a，b，c2常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2raa致密度：0.68（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90致密度：0.74XYZabc（3）密排六方晶格hcpC（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致密度：0.742.1.2实际金属的晶体结构多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒1多晶体结构晶界2晶体缺陷类型（1）点缺陷：晶格空位间隙原子（2）线缺陷：位错---刃型位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界（1）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子空位运动（2）线缺陷——刃位错刃位错刃位错位错密度（3）面缺陷过度区亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变；晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。亚晶界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，原子排列不规则，产生晶格畸变2.1.1纯金属的结晶结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）晶体液体1金属结晶的基本规律（1）冷却曲线与过冷度冷却曲线：热分析实验测绘理论结晶温度T过冷度T0冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}TT=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。（2）结晶的一般过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程自发晶核:由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发晶核:是依附于外来杂质上生成的晶核。自发晶核和非自发晶核同时存在于金属液中，非自发晶核比自发晶核更重要，起优先和主导作用。两种长大方式——平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长2金属结晶后的晶粒大小（1）晶粒大小对金属力学性能的影响（2）晶粒大小的控制形核率N：单位时间内在单位体积中产生的晶核数；长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。T越大，形核率N、长大率G越大。细化晶粒：1提高冷却速度；2变质处理；3附加振动。2.2合金的晶体结构与结晶2.2.1合金的相结构合金基本概念合金组元合金系相组织组织和相的关系合金的相结构固溶体置换固溶体间隙固溶体固溶体的性能金属化合物（中间相）常见金属化合物：正常价化合物电子化合物间隙化合物弥散强化ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ2.2.2合金的结晶1二元合金相图相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶相图匀晶合金的结晶过程abcdT,CtLLL匀晶转变L冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。不平衡结晶---枝晶偏析成份偏析可采用扩散退火方法消除枝晶偏析。PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶相图共晶转变分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLdc+e共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced•共晶转变在恒温下进行。•转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。•存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。•成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。标注了组织组成物的相图密度偏析---比重偏析密度相差较大只能采用控制成分或在凝固时采取措施，如增加冷却速度或搅拌来消除或减轻，热处理对其不起作用。2相图与性能的关系1）合金的力学性能与相图的关系●固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑●组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。2）合金的工艺性能与相图的关系●铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。●锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。2.3铁碳合金的结晶铁碳合金------钢铁材料2.3.1纯铁的同素异晶转变金属在固态下，随着温度的变化，晶格由一种类型转变为另一种类型的转变过程。重结晶过程2.3.2铁碳合金的基本相1铁素体符号F间隙固溶体体心立方结构显微组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。2奥氏体符号A间隙固溶体面心立方结构显微组织：呈多边形，晶界较铁素体平直。3渗碳体符号FeC间隙化合物显微组织：片状、网状、球状等。珠光体高温莱氏体低温莱氏体32.3.3铁碳合金相图1．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相●Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体(3)相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2．铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢＜0.77%共析钢＝0.77%过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500×珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程室温组织:F+P，500×(4)过共析钢(C%=1.2%)结晶过程室温组织:P+Fe3CII400×(5)共晶白口铁(C%=4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Le′（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,500×莱氏体Le′的性能：硬而脆(６)亚共晶白口铁(C%=3%)结晶过程室温组织:Le′+P+Fe3CII200×(６)过共晶白口铁(C%=3%)结晶过程室温组织:Le′+Fe3CI500×标注了组织组成物的相图3．铁碳合金的成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓4．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度制定热处理工艺2.4非金属材料的结构简介高分子材料的结构陶瓷的组织结构晶体相玻璃相气相