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1、2.12.1关于组织结构的一般概述不同的金属与合金具有不同的性能。例如纯铝很软，而钢却很硬。产生这些性能差别的主要原因是由于材料内部有不同的组织和结构。研究金属与合金的内部组织结构以及它们与成分、温度、加工方法等因素的相互关系，对于掌握金属与合金的性能及应用是非常重要的。第1页/共41页一、关于材料中组织结构的一般含义从工程材料的角度看，材料的化学成分和内部组织结构是认识和研究材料的理论基础；而材料的性能是材料化学成分和内部组织结构的外在表现，是我们选择材料的重要依据。同时，材料的使用性能又把材料的加工和服役条件相结合。因此，综合考虑工程材料的各种行为，是材料科学和材料工程、机械设计和机械制造
2、共同追求的最终目标。第2页/共41页“结构”指的是材料在某一特定条件下内部组织在几何学上的构造或化学的分布。对工程材料的影响来说，小至原子量级，大至宏观组织，结构都起着重要的作用。1.1.原子结构：原子通常认为是物质的基本组成粒子。2.2.分子结构：一些小的原子团在空间的排列所形成的不同结构。3.3.晶体结构：原子在空间呈规则而重复的排列。4.4.显微组织：工程材料内部组织的物理形象。是化学元素在固态下以各种不同形式结合而形成的。5.5.宏观组织：与显微组织相似，也是内部组织的形貌，但一般不用显微镜而是借助放大镜或肉眼来观察与分析的组织形貌，属于尺寸较大的组织结构。第3页/共41页二、材料中组
3、织结构与性能间的关系一定化学成分的工程材料，要改变原子核内部的结构一般是比较困维的，但固态下原子的电子构型却随着外界条件的变化而明显地在变化，特别是最外层的电子。这些电子及与这有关的电子结构对材料的机械和物理性能有很大的影响。例如在固体中，相邻原子外层电子之间相互作用可以使原子键合在一起。（P18）第4页/共41页一、晶体学基本知识晶体：凡原子作有序、有规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金都属于晶体。非晶体：原子是无规则堆积状态。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体有固定的熔点，且在不同方向上性能不同，即具有各向异性。非晶体无固定的熔点，各个方向上原子聚集密度大致相同，表现出各向同性。第5页/共
4、41页2.2.晶格、晶胞、晶格常数（如图21所示）第6页/共41页二、金属中常见的晶体结构金属的晶格有各种不同的形式，最常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。第7页/共41页（如图22所示）晶格晶格类型类型晶格特征晶格特征具有相应晶格具有相应晶格的金属的金属性能特点性能特点体心立方晶格晶胞为一个立方体，立方体的每一个顶点和中心各有一个原子，一个晶胞含2 2个原子，致密度为0.680.68铬、钨、钒、钼以及在912912C C以下存在的FeFe等具有相当高的强度第8页/共41页2.2.面心立方晶格（如图23所示）晶格晶格类型类型晶格特征晶格特征具有相应晶格具有相应晶格的金属的金属
5、性能性能特点特点面 心立 方 晶 格在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子。一个晶胞有4 4个原子，致密度为0.740.74铝、铜、镍、以及912912C C以上而 低 于 13941394C C的-Fe-Fe等具有很好的塑性第9页/共41页3.3.密排六方晶格 晶格类型晶格类型晶格特征晶格特征具有相应晶格的具有相应晶格的金属金属性能特点性能特点密排六方晶格在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子。一个晶胞有6 6个原子，致密度为0.740.74铍、锌、和钛材料较脆第10页/共41页3 3金属晶体的缺陷（
6、1 1）单晶体与多晶体概念 ：金属结晶后第11页/共41页（2 2）晶体中的缺陷：（晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体）第12页/共41页一、纯金属的结晶 第13页/共41页1.1.冷却曲线与过冷度 (如图2 25 5所示)理论结晶温度：曲线上出现的温度水平线段对应的温度值。用t to o表示。过冷：金属的实际结晶温度低于其理论结晶温度，这种现象称为过冷。理论结晶温度toto与实际结晶温度t1t1之差t=t0 t=t0 t1t1）称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，则过冷度越大。注：实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件.第14页/共41页
7、2.2.纯金属结晶过程（如图2 26 6所示）解释：纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小晶体称晶核，它不断吸附周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许多多外表不规则、大小不等的小晶体。因此，液态金属的结晶过程包括晶核的形成和晶核的长大。两个基本环节，第15页/共41页1.1.晶核的形成：当液态金属温度下降到接近结晶温度时，某些局部会有一些原子规则地排列起来，形成极细小的晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏，当低于理论结晶温度时，稍大一点的细小晶体，有了较好的稳定性，就可能进一步长大成为结晶核心，称为晶核。第1
8、6页/共41页2.2.晶核的长大：即液态金属中的原子向晶核表面转移的过程。一般来说由，由于形核时晶体中的顶角、棱边散热条件优于其它部位而生长得较快较大，在长出一次晶轴后，又在一次晶轴上长出二次晶轴，如此不断长出与分枝下去，直到液态金属全部消失，最后形成一个象树枝的晶体，简称枝晶。第17页/共41页在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。1 1）金属的晶粒越细，则晶界越多。由于晶界处的晶格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合，从而加强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。2 2）晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。第18页/共41页生产中细化晶粒的方法有：第19
9、页/共41页二、金属的同素异晶转变二、金属的同素异晶转变（P21P21）固态金属在一定温度下由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为同素异晶转变。它是一种固态下的结晶，因此，结晶时有较大的过冷度、应力与变形。（通常又将金属的同素异构转变称为二次结晶或重结晶）从工业纯铁冷却曲线可以看出晶体结构与温度的变化差系：第20页/共41页2 24 4合金的结晶与二元合金相图一、合金的相结构第21页/共41页按按组组成成合合金金相相的的原原子子排排列列方方式式不不同同，可可把把合合金金相相分分成成固固溶溶体体和和金金属化合物属化合物两大类。两大类。：是是合合金金在在固固态态下下，组组元元间间仍仍能能互
10、互相相溶溶解解而而形形成成的的均均匀匀相相。称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，固体溶剂可分为：间隙固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的间隙处。如图29a所示置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂原子而占据了溶剂晶格的一些结点位置。（如图2 29 9b b所示）注：固溶强化注：固溶强化：由于溶质原子：由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象。硬度升高的现象。第22页/共41页2 2金属化合物：是合金各组元之间相互作用，按照一定的整数比化合生成的一种新的具具有有金金属属特特性性的的物物质质。它它通
11、通常常具具有有复复杂杂的的晶晶体体结结构构，溶点较高，硬度高，脆性大的特点。溶点较高，硬度高，脆性大的特点。常见的金属化物有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三大类。前两种是非铁合金（有色金属）中重要的强化相，而后者是钢中重要强化相。第23页/共41页按间隙化合物的晶体结构复杂程度不同，可将它划分成为类：1)1)具有简单晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（r r质）与溶剂原子半径（r r剂）之比r r质/r r剂0.0590.059时，形成具有简单的晶体结构的间隙化合物，又称间隙相。2)2)具有复杂晶体结构的间隙化合物，即当溶质原子半径（r r质）与溶剂原子半径（r r剂）之比r r质/
12、r r剂0.0590.059时，形成有复杂的晶体结构的间隙化合物。第24页/共41页3.3.合金的结构：合金结构是由金相组成，即可以是固溶体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的结构是固溶体与金属化合物的复合组织。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布，以及调整固溶体与金属化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变合金的性能，以满足机械工程的实际需要。第25页/共41页铁碳合金相图就是分析研究合金在平衡条件下合金铁碳合金相图就是分析研究合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。它对于正的成分、温度、合金相之间关系的图解。它对于正确选择和使用材料，制定合理的铸造
13、、锻造、焊接确选择和使用材料，制定合理的铸造、锻造、焊接及热处理工艺具有指导性作用。及热处理工艺具有指导性作用。一、铁碳合金的基本组织与性能一、铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据碳的质量分数不同，碳可以溶解在铁中形成固溶液体，也可以与铁形成化合物。2.5 2.5 铁碳合金相图第26页/共41页根据铁与碳组元相互作用的不同，铁碳合金的基本组织有：1 1）铁素体（F F）碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体。2 2）奥氏体（A A）碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体。3 3）渗碳体（Fe3CFe3C）铁与碳形成具有复杂晶体结构的间隙化合物。4 4）珠光体（P
14、 P）由铁素体（软）和渗碳体（硬）复相组成的混合物。5 5）莱氏体（LdLd或LdLd）发生共晶转变所形成的奥氏体和碳化物（或渗碳体）所组成的共晶第27页/共41页1 1、相图分析（1 1）FeFeFeFe3 3C C相图中的特征点 第28页/共41页第29页/共41页（2 2）铁碳合金相图分析相图中的ACAC和CDCD线为液相线，AEAE和ECFECF线为固相线。相图中有四个单相区：液相区（L L）、奥氏体区（A A）、铁素体区（F F）、渗碳体区（Fe3cFe3c）。1 1）ESES线 它是碳在奥氏体中溶解度曲线。2 2）PQPQ线 它是碳在铁素体中的溶解曲线。3 3）GSGS线 它是合金
15、冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为A3A3线。4 4）PSKPSK线共析线，即加热时珠光体或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度。（A A）第30页/共41页(2)(2)铁碳合金的分类 按其碳的质量分数和显微组织的不同，铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。白口铸铁注：碳的质量分数低于0.02%0.02%的铁碳合金称为工业纯铁，性能与铁素体接近。碳的质量分数大于6.69%6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。第31页/共41页第32页/共41页1 1共析钢的结晶过程分析（图217）第33页/共41页2 2）亚共析钢的结晶过程分析（图218）第34页/共41页3
16、3）过共析钢的结晶过程分析（图221）第35页/共41页4 4）共晶白口铸铁结晶过程分析（图222）第36页/共41页5 5）亚共晶白口铸铁结晶过程分析（图223）第37页/共41页6 6）过共晶白口铸铁结晶过程分析（图224）第38页/共41页三、铁碳合金成份、组织与能的关系（1 1）碳的质量分数对平衡组织的影响；在室温下，随着碳含量增多，其组织发生如下变化第39页/共41页（2 2）碳的质量分数对力学性能的影响；（如图2 22626所示）铁碳合金中随着碳含量的增加，由于渗碳体的相对量增加，而铁素体的相对量在减少，使合金的强度、硬度升高而塑性、韧性降低。（1 1）碳的质量分数对工艺性能的影响；即：切削加工性、可锻性、铸造性能、可焊性都会随着发生变化。第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页