结晶与相图铁碳合金---工程材料基础知识.pptx
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1、会计学1结晶与相图铁碳合金结晶与相图铁碳合金(hjn)工程材工程材料基础知识料基础知识第一页,共62页。一、金属一、金属(jnsh)的晶体结构的晶体结构n n1 1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 n n(1 1)晶体与非晶体)晶体与非晶体)晶体与非晶体)晶体与非晶体 固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。n n 晶体晶体晶体晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期
2、性地排列;内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;n n 非晶体非晶体非晶体非晶体内部质点是散乱内部质点是散乱内部质点是散乱内部质点是散乱(sn lun)(sn lun)排列的。排列的。排列的。排列的。n n 自然界中除少数物质(如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等)外,绝自然界中除少数物质(如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等)外,绝自然界中除少数物质(如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等)外,绝自然界中除少数物质(如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等)外,绝大多数无机非金属物质都是晶体,一般情况下,金属及其合金多为晶体大多
3、数无机非金属物质都是晶体,一般情况下,金属及其合金多为晶体大多数无机非金属物质都是晶体,一般情况下,金属及其合金多为晶体大多数无机非金属物质都是晶体,一般情况下,金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,n n 第1页/共62页第二页,共62页。(2 2)常见金属晶格类型:体心)常见金属晶格类型:体心(t xn)(t xn)立方晶格、面心立方立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格,如下图所示。晶格、密排六方晶格,如下图所示。体心立方(lfng)晶格:如
4、图1-13a所示,体心立方(lfng)晶格的晶胞是一个立方(lfng)体,立方(lfng)体的八个顶角和立方(lfng)体的中心各有一个原子。具有体心立方(lfng)晶格的金属有:-Fe(温度低于912的铁)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、-Ti(温度在8831668的钛)等。第2页/共62页第三页,共62页。(3)实际)实际(shj)金属晶体结构金属晶体结构晶体缺陷晶体缺陷:在实际金属晶体中,存在原:在实际金属晶体中,存在原子不规则排列的局部区域,这些区域称为晶子不规则排列的局部区域,这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态,晶体缺陷分为点体缺陷。按陷的几何形态,晶体缺陷分为点缺陷
5、、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变,使变形都会造成晶格畸变,使变形(binxng)抗力抗力增大,从而提高材料的强度、硬度。增大,从而提高材料的强度、硬度。点缺陷(空位、间隙原子):晶格中某个点缺陷(空位、间隙原子):晶格中某个原子脱离了平衡位置,形成空结点,称为空原子脱离了平衡位置,形成空结点,称为空位;某个晶格间隙挤进了原子,称为间隙原位;某个晶格间隙挤进了原子,称为间隙原子。子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格,即发生了格,即发生了“晶格畴变晶格畴变”,点缺陷的存在,点缺陷的存在,提高了材料的硬
6、度和强度,点缺陷是动态变提高了材料的硬度和强度,点缺陷是动态变化着的,它是造成金属中物质扩散的原因。化着的,它是造成金属中物质扩散的原因。第3页/共62页第四页,共62页。n n线缺陷:它是在晶体线缺陷:它是在晶体线缺陷:它是在晶体线缺陷:它是在晶体(jngt(jngt)中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体(jngt(jngt)中最普通的线缺陷就是位错,中最普通的线缺陷就是位错,中最普通的线缺陷就是位错,中最普通的线缺陷就是
7、位错,这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体(jngt(jngt)内部局部滑移造成的,根据局部滑内部局部滑移造成的,根据局部滑内部局部滑移造成的,根据局部滑内部局部滑移造成的,根据局部滑移的方式不同,可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同,可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同,可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同,可以分别形成螺型位错和刃型位错。线缺陷线缺陷(quxin)第4页/共62页第五页,共62页。n n刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错n n 效应:在位错周围,由于原子的错排使晶格发生了畸变,使金属效应:在位错周围,由于原子的错排使
8、晶格发生了畸变,使金属效应:在位错周围,由于原子的错排使晶格发生了畸变,使金属效应:在位错周围,由于原子的错排使晶格发生了畸变,使金属的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量(dling)(dling)位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能有效地提高金属强度。有效地提高金属强度。有效地
9、提高金属强度。有效地提高金属强度。第5页/共62页第六页,共62页。n n面缺陷(晶界、亚晶界):面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷(晶界、亚晶界):面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷(晶界、亚晶界):面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷(晶界、亚晶界):面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面,另外,晶粒内部也不是理想之间的界面,另外,晶粒内部也不是理想之间的界面,另外,晶粒内部也不是理想之间的界面,另外,晶粒内部也不是理想(l(l xixi ng)ng)晶体,而是由位向差晶体,而是由位向差晶体,而是由位向差晶体,而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块
10、所组成,称为亚晶粒,亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成,称为亚晶粒,亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成,称为亚晶粒,亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成,称为亚晶粒,亚晶粒的交界称为亚晶界。n n 面缺陷同样使晶格产生畴变,能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变,能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变,能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变,能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时,细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时
11、,细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时,细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时,细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。得到改善。得到改善。得到改善。第6页/共62页第七页,共62页。2合金合金(hjn)的晶体结构的晶体结构n n 合金合金合金合金:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为(c
12、hn(chn wi)wi)合金。合金。合金。合金。n n 组元组元组元组元:组成合金最基本的、独立的单元称为:组成合金最基本的、独立的单元称为:组成合金最基本的、独立的单元称为:组成合金最基本的、独立的单元称为(chn(chn wi)wi)组元。根据组元组元。根据组元组元。根据组元组元。根据组元数目的多少,可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少,可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少,可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少,可将合金分为二元合金、三元合金等。n n 相相相相:合金中的相是指有相同的结构,相同的物理、化学性能,并与该:合金中的相是指有相同的结构,相同的物理、化学
13、性能,并与该:合金中的相是指有相同的结构,相同的物理、化学性能,并与该:合金中的相是指有相同的结构,相同的物理、化学性能,并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为为为为(chn(chn wi)wi)单相合金;由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金;由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金;由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金;由两个或两个以上相组成的合金称为(chn(
14、chn wi)wi)多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。n n 显微组织显微组织显微组织显微组织:在显微镜下观察到的组成相的:在显微镜下观察到的组成相的:在显微镜下观察到的组成相的:在显微镜下观察到的组成相的n n种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为(chn(chn wi)wi)显微组织,显微组织,显微组织,显微组织,n n简称组织,因此相是组成组织的基本物质。简称
15、组织,因此相是组成组织的基本物质。简称组织,因此相是组成组织的基本物质。简称组织,因此相是组成组织的基本物质。n n 第7页/共62页第八页,共62页。n n金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。n n(1 1)固溶体)固溶体)固溶体)固溶体 n n 固溶体固溶体固溶体固溶体:固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为:固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为:固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为:固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。固溶体中晶
16、格保持不变的组元称为溶剂,因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂,因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂,因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂,因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同;其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同;其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同;其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同;其它组元称为溶质(rngzh)(rngzh)。n n 分类分类分类分类:根据溶质:根据溶质:根据溶质:根据溶质(rngzh)(rngzh)原子在晶格中原子在晶格中原子在晶格中原子在晶格中n n占据位置的不同,分为置换固溶占据位置的不同,分为置换固溶占据位置的
17、不同,分为置换固溶占据位置的不同,分为置换固溶n n体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。第8页/共62页第九页,共62页。n n固溶强化:无论形成哪种固溶体,都将破坏原子的规则排列,使晶格发生畸固溶强化:无论形成哪种固溶体,都将破坏原子的规则排列,使晶格发生畸固溶强化:无论形成哪种固溶体,都将破坏原子的规则排列,使晶格发生畸固溶强化:无论形成哪种固溶体,都将破坏原子的规则排列,使晶格发生畸变,随着溶质原子数量的增加,晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力变,随着溶质原子数量的增加,晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力变,随着溶质原子数量的增加,晶格畸变增大
18、。晶格畸变导致变形抗力变,随着溶质原子数量的增加,晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力(kn(kn l)l)增加,使固溶体的强度增加,所以获得固溶体可提高合金的强度、增加,使固溶体的强度增加,所以获得固溶体可提高合金的强度、增加,使固溶体的强度增加,所以获得固溶体可提高合金的强度、增加,使固溶体的强度增加,所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度,这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度,这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度,这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度,这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径
19、之一。一。一。一。第9页/共62页第十页,共62页。n n(2 2)金属化合物)金属化合物)金属化合物)金属化合物 n n 金属化合物金属化合物金属化合物金属化合物:是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特:是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特:是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特:是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相,其晶体结构一般比较复杂,而且不同于任一组成元素的性的一种新相,其晶体结构一般比较复杂,而且不同于任一组成元素的性的一种新相,其晶体结构一般比较复杂,而且不同于任一组成元素的性的一种新相,其晶体结构一般比较复杂,而且不同于任一组成元
20、素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示,如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示,如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示,如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示,如铁碳合金中的Fe3CFe3C(渗碳体)。(渗碳体)。(渗碳体)。(渗碳体)。n n 金属化合物性能金属化合物性能金属化合物性能金属化合物性能:一般熔点高,性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀:一般熔点高,性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀:一般熔点高,性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀:一般熔点高,性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时,能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高,这一分布于固溶体基
21、体上时,能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高,这一分布于固溶体基体上时,能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高,这一分布于固溶体基体上时,能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高,这一现象称为弥散强化,因此,合金中的金属化合物是不可缺少的强化相;现象称为弥散强化,因此,合金中的金属化合物是不可缺少的强化相;现象称为弥散强化,因此,合金中的金属化合物是不可缺少的强化相;现象称为弥散强化,因此,合金中的金属化合物是不可缺少的强化相;但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性(rn xn(rn xn)差,当合金中的金属化合物差,当合金中的金属
22、化合物差,当合金中的金属化合物差,当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时,会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时,会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时,会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时,会降低合金的力学性能。n n 合金的组织可以是单相固溶体,合金的组织可以是单相固溶体,合金的组织可以是单相固溶体,合金的组织可以是单相固溶体,n n但由于其强度不够高,其应用具有局限性;但由于其强度不够高,其应用具有局限性;但由于其强度不够高,其应用具有局限性;但由于其强度不够高,其应用具有局限性;n n绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织
23、是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属n n化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。第10页/共62页第十一页,共62页。二、金属二、金属(jnsh)的结晶的结晶n n 结晶结晶结晶结晶:金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。:金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。:金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。:金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。n n 1 1纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶 n n(1 1)冷却曲线与过冷度)冷却曲线与过冷度)冷却曲线与过冷度)冷却曲线与过冷度 n
24、 n 冷却曲线:是温度与时间的关系曲线,可用来描述冷却曲线:是温度与时间的关系曲线,可用来描述冷却曲线:是温度与时间的关系曲线,可用来描述冷却曲线:是温度与时间的关系曲线,可用来描述(mio sh)(mio sh)金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制,其方法是使熔化热分析法测量绘制,其方法是使熔化热分析法测量绘制,其方法是使熔化热分析法测量绘制,其方法是使熔化n n后的金属液缓慢冷却,每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却,每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却,每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却,每隔一定时间记录n n下温度值,将温
25、度下温度值,将温度下温度值,将温度下温度值,将温度T T和对应时间和对应时间和对应时间和对应时间t t绘制成绘制成绘制成绘制成T-tT-t曲线。曲线。曲线。曲线。n n 曲线分析:随时间的增加,纯金属液曲线分析:随时间的增加,纯金属液曲线分析:随时间的增加,纯金属液曲线分析:随时间的增加,纯金属液n n的温度不断下降;当冷到某一温度时,在曲线的温度不断下降;当冷到某一温度时,在曲线的温度不断下降;当冷到某一温度时,在曲线的温度不断下降;当冷到某一温度时,在曲线n n上出现了一个恒温的水平线段,所对应的温度上出现了一个恒温的水平线段,所对应的温度上出现了一个恒温的水平线段,所对应的温度上出现了一
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