Transcript 第2章工程材料的组织结构

教学课题：
第2章 工程材料的组织结构
 1.纯金属的晶体结构与结晶
■ 常见金属晶体结构
■ 实际金属晶体结构
■ 纯金属的结晶
 2.合金的晶体结构与结晶
■ 合金的相结构
■ 合金相图的建立
■ 铁碳合金相图
1.金属的结晶条件、规
通过本章的学习，了
律及控制
解常用材料的组织结构，
2.铁碳合金的基本组织
理解和掌握铁碳合金相
3.铁碳合金相图的内容、
图的内容与应用。
意义与应用
2.1.1 金属的晶体结构
 晶体
材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体。
如金刚石、水晶、氯化钠、金属等。
 非晶体
材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体。如松香、
玻璃等。
2.1.1 金属的晶体结构
 晶体结构
晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。
 晶格
假设通过原子（离子）结点的
中心划出许多空间直线所形成的空
间格架。
 晶胞
能反映晶格特征的最小组成单元 。
 晶格常数
晶胞的三个棱边的长度a,b,c 及三条棱边夹角α,β,γ。
一、常见金属晶体结构
 体心立方晶格
常见的BCC金属有：钼（Mo）、
钨（W）、钒（V）、铬、铌、αFe等。
晶胞原子数—是指在一个晶胞中所含的原子数目。为1/8×8+1=2个；
原子半径—BCC为：r=√3/4a；致密度—BCC为4/3πr3×2=0.68；配位
数—是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。BCC为8个；空隙
半径—BCC有两种空隙半径，四面体空隙半径0.29r，八面体空隙半径
0.15r 。
一、常见金属晶体结构
 面心立方晶格
常见的面心立方晶格金属有：
铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等。
晶胞原子数—FCC为4个。原子半径—FCC为√2/4a；致密度—FCC为74
％ ；配位数—12个 ；空隙半径—四面体空隙半径0.225r；八面体空隙半
径0.414r 。
一、常见金属晶体结构
 密排六方晶格
常见的密排六方晶格金属有：
镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。
晶胞原子数—HCP为6个。原子半径—HCP为1/2a；致密度—HCP为74％；
配位数—12个；空隙半径—四面体空隙半径0.225r ，八面体空隙半径
0.414r。
二、实际金属晶体结构
 多晶体结构
二、实际金属晶体结构
 实际金属晶体中的缺陷
① 空位
1.点缺陷
三维尺度上都很小，不超过几个
原子直径的缺陷。
① 刃型位错
①空位；②间隙原子
2.线缺陷
二维尺度很小而第三维尺度很大
的缺陷。
①刃型位错；②螺型位错
3.面缺陷
二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。
①晶界；②亚晶界
② 间隙原子
二、实际金属晶体结构
 实际金属晶体中的缺陷对材料性能的影响
1.点缺陷
造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加, 密度发生变
化。
2.线缺陷
形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很
高，位错密度越大，金属强度也会提高。
3.面缺陷
晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能
力越大，塑性越好。
2.1.2 纯金属的结晶
 凝固
液态L→固态S
S可以是非晶体。
 结晶
一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态(晶态)的转
变过程。
一次结晶：L→S晶态
二次结晶：S→S晶态
一、纯金属冷却曲线分析
 过冷：纯金属实际结晶温度总是
低于理论结晶温度，为什么？
过冷度ΔT = T0－T1
冷却速度越快，过冷度越大。
 冷却曲线上出现平台，为什么？
出现“平台”是由于纯金属结晶时会放出“结晶潜热”，抵消外
界对它的冷却作用。当结晶结束后，没有“结晶潜热”放出，纯金属
将会以原来的冷却速度继续冷却下来。
 只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开
始进行—过冷是金属结晶的必要条件。
二、纯金属结晶过程
 形核
 长大
①自发形核
②非自发形核
①平面长大
②树枝状长大
三、晶粒尺寸的控制
 晶粒大小如何衡量？
 为什么要对晶粒尺寸进行控制？
 影响晶粒尺寸的因素有哪些？
 如何控制晶粒的尺寸？
三、晶粒尺寸的控制
 晶粒度
单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)。
 晶粒大小对材料性能的影响（细晶强化）
晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。
 影响晶粒度的因素
过冷度ΔT提高，N提高、G提高
过冷ΔT太高，N降低、G降低
三、晶粒尺寸的控制
 晶粒大小的控制
①提高过冷度
②变质处理
在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，
以细化晶粒和改善组织。
③附加振动、搅拌等。
2.2.1 合金的相结构
 基本概念
 合金的相结构
 相图的建立
一、基本概念
 合金
由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有
金属特性的物质。
普通黄铜：Cu+Zn
45钢: 铁碳合金
合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到
的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁
性、耐蚀性等。
一、基本概念
 组元
组成合金的独立的，最基本的单元。
合金系：若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、
不同性能的合金
组元可以是金属、非金属或稳定化合物。
一、基本概念
 相
在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均
匀组成部分，称为相。





在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。
铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。
纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。
固态白铜(铜与镍二元合金)是单相的。
合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
一、基本概念
 组织
组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。





合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所
组成的。
不同组织具有不同的性能。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不
同的性能。
45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝
氏体、马氏体等组织。并获得不同的性能。
二、合金的相结构
 固溶体
在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在
固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组
元）—溶质。
按照溶质原子在溶剂晶格中的
位置不同，可将固溶体分两类：
置换固溶体和间隙固溶体。
二、合金的相结构
 固溶体
在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在
固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组
元）—溶质。
按照溶质原子在溶剂晶格中的
这种通过形成固溶体使金
位置不同，可将固溶体分两类：
属强度和硬度提高的现象
置换固溶体和间隙固溶体。
称为固溶强化。
 固溶体的性能
固溶强化的原因： 由于溶质原子
的溶入，使固溶体的晶格发生畸
变，晶格畸变增大位错运动的阻
力，使金属滑移变形变得更加困
难，变形抗力增大，从而提高合
金的强度和硬度。
固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。固溶体的强度和塑性、韧
性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基
体相。
它是强化金属材料的
重要途径之一。
二、合金的相结构
 金属化合物
它是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。
 金属化合物的性能
金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中
出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降
低塑性和韧性。金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属
的重要组成相。
当金属化合物呈细小颗粒均匀分
布在固溶体基体上时，将显著提
高合金的强度、硬度和耐磨性(此
现象称为弥散强化)。
二、合金的相结构
 机械混合物
工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的。因为化
合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。固溶体组成的合金，
往往由于强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合
金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种)所构成的机械混合物。
合金的性能取决于其形态、大小、数量、种类等。
三、合金相图的建立
 相图
相图是表示在平衡状态下合金系中各种合金状态、组织与温度、成分
之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。
 热分析法建立相图
以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：
①配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；
Ⅲ50%Cu+50%Ni；Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ纯Ni。
②测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；
③将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；
④将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。
三、合金相图的建立
 热分析法建立相图及分析
2.2.2 铁碳合金相图
 纯铁的同素异构转变
 铁碳合金的基本相与组织
 铁碳相图的分析与应用
一、纯铁的同素异构转变
 金属的同素异构转变
金属在固态下随温度的变
化，由一种晶格变为另一种晶
格的现象，称为金属的同素异
构转变（同素异晶转变）。由
同素异构转变所得到的不同晶
格的晶体，称为同素异构体。
 纯铁的同素异构转变
α-Fe
912℃
γ-Fe
1394℃
δ-Fe
二、铁碳合金的基本相与组织
 铁素体F
铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构，
用“F”表示。碳在α-Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727℃时为
由于铁素体的含碳量低，所
0.0218%，室温时为0.0008%。
 奥氏体A
以铁素体具有良好的塑性和
韧性，强度和硬度较低，性
能与纯铁相近。
奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用
“A”表示。碳在γ-Fe中的溶解度较大，727℃时为0.77%，1148℃达
到最大溶碳量2.11%。
奥氏体的强度、硬度不高，且具
有良好的塑性。因此，生产中常
 渗碳体Fe3C
将工件加热到奥氏体状态进行锻
渗碳体硬度很高，塑性很差， 造。
渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，含碳量为6.69%，分子式Fe
3C，
伸长率和冲击韧度几乎为零，
熔点为1227℃，
是一个硬而脆的组织，是钢铁
中的强化相。
二、铁碳合金的基本相与组织
 珠光体P
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，含碳量0.77%，用“P”表示。
珠光体强度较高，硬度
适中，具有一定的塑性。
 高温莱氏体Ld
高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Ld或
（A+Fe3C）表示。由于奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存在于
727℃以上。
 低温莱氏体Ld’
高温莱氏体冷却到727℃以下，将转变为珠光体和渗碳体的机械混
合物（P+Fe3C），称低温莱氏体，用Ld’表示。
莱氏体含碳量为4.3％。由于
莱氏体含有的渗碳体较多，故
性能与渗碳体相近，即极为硬
脆。
三、铁碳合金相图分析及应用
1.特性点
符号
温度, ℃
碳质量分数ω(C)%
含义
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4.30
D
1227
6.69
Fe3C的熔点
E
1148
2.11
碳在 γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
6.69
Fe3C的成分
G
912
0
α-Fe→ γ-Fe同素异构转变点
K
727
6.69
Fe3C的成分
P
727
0.0218
碳在 α-Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点(A1) AS→ FP+Fe3C
Q
600
0.0057
600 ℃时碳在 α-Fe中的溶解度
共晶点 Lc → AE+Fe3C
2.特性线
含义
特征线
ACD
液相线
AECF
固相线
GS(又称A3)
铁素体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的
温度；奥氏体转变为铁素体的开始线
ES(又称Acm)
二次渗碳体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）
的温度；碳在奥氏体中的溶解度曲线
ECF
共晶转变线
GP
奥氏体转变为铁素体的终了线
PQ
碳在铁素体中的溶解度线
PSK(又称A1) 共析转变线
3.铁碳合金的分类
 工业纯铁 Wc<=0.0218%
亚共析钢 0.0218%<Wc<0.77%
 钢
共析钢 0.77%
过共析钢 0.77%<Wc<= 2.11%
亚共晶白口铸铁 2.11%<Wc<4.3%
 铸铁
共晶白口铸铁 4.3%
过共晶白口铸铁 4.3 %<Wc<6.69%
4.典型合金结晶过程分析
 合金I：共析钢
L—>L’+A—>A—>P(F+Fe3C)
室温时组织组成物P，含量
100%。相组成物：F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
 合金II ：亚共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+F—
>P(F+Fe3C)+F
所以含碳0.40%的亚共析钢的
室温组织为：F+P；相组成物：
F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
 合金III ：过共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+
Fe3CⅡ—>P(F+Fe3C)+ Fe3CⅡ
室温组织为二次渗碳体和珠光
体。相组成物：F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
 合金IV ：共晶白
口铸铁
L—>Ld(A+ Fe3C)—>
Ld(A’+
Fe3CⅡ+Fe3C)—>
Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
室温组织：Ld’。相组成
物：F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
 合金V ：亚共晶
白口铸铁
L—>L’+A—>Ld(A+ Fe3C)+A—>
Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)+ A’+
Fe3CⅡ—> Ld’(P+
Fe3CⅡ+Fe3C)+ P+ Fe3CⅡ
亚共晶白口铁的室温组织：珠光
体、二次渗碳体和莱氏体（二次
渗碳体依附在共晶渗碳体上很难
分辨）。相组成物：F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
 合金VI ：过共晶
白口铸铁
L—>L’+ Fe3CI—>Ld(A+
Fe3C)+ Fe3CI—> Ld(A’+
Fe3CⅡ+Fe3C)+ Fe3CI—>
Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)+
Fe3CI
室温组织为一次渗碳体和
莱氏体。相组成物：F+Fe3C
5.碳质量分数对组织和性能的影响
 对组织的影响
5.碳质量分数对组织和性能的影响
 对性能的影响
wc<0.9%时，随着碳的质量分数增加，钢的强度和
硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。这是由于随碳
的质量分数的增加，钢中渗碳体量增多，铁素体量减少
所造成的;当钢的wc>0.9%以后，二次渗碳体沿晶界形成
较完整的网，钢的强度开始明显下降，硬度仍在增高，
塑性和韧性继续降低。钢中碳的质量分数一般不超过
1.3%。
wc>2.11%的白口铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，
既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程
上很少直接应用。
6.铁碳合金相图的应用
 在选材方面的应用
要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低
的钢;承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选
用碳的质量分数为0.25%～0.55%的钢;要求硬度高、耐磨性好的各种工
具，应选用碳的质量分数大于0.55%的钢;形状复杂、不受冲击、要求耐
磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧等），应选用白口铸铁。
 在铸造方面的应用
确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。由
相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好、
分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。共晶成分附近的铸铁得到了
广泛的应用。
6.铁碳合金相图的应用
 在锻造和焊接方面的应用
碳钢加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。
白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故
不能锻造。碳的质量分数增加，钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。碳的
质量分数越高，铁碳合金的焊接性越差。
 在热处理方面的应用
存在同素异晶转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。
由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同
的热处理来改善性能。根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理工艺的加热
温度，这将在后面的第3章讲解。