结晶与相图铁碳合金--- 工程材料基础知识.pptx
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1、一、金属的晶体结构1纯金属的晶体结构(1)晶体与非晶体固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分为晶体与非晶体。晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;非晶体内部质点是散乱排列的。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结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,第1页/共62页(2 2)常见金属晶格类型:体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格,如下图所示。体心立方晶格:如图1-13a所示,体心立方晶格的晶胞是一个立方体,立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有:-Fe(温度低
2、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(3)实际金属晶体结构晶体缺陷:在实际金属晶体中,存在原子不规则排列的局部区域,这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态,晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变,使变形抗力增大,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,称为间隙原子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格,即发生了“晶格畴变”,点缺陷的存在,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
3、扩散的原因。第3页/共62页线缺陷:它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错,这种错排现象是晶体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。线缺陷第4页/共62页刃型位错效应: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。第5页/共62页面缺陷(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晶体,而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成,称为亚晶粒,亚
4、晶粒的交界称为亚晶界。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得到改善。第6页/共62页2合金的晶体结构合金: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、具有金属特征的物质称为合金。组元:组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少,可将合金分为二元合金、三元合金等。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单相合金;由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。显微组织
5、:在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织,简称组织,因此相是组成组织的基本物质。第7页/共62页金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。(1)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。分类:根据溶质原子在晶格中占据位置的不同,分为置换固溶体和间隙固溶体两类。第8页/共62页固溶强化: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,
6、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一。第9页/共62页(2)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Fe3C(渗碳体)。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;但由于金属化合物的塑性、韧性差,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。合金的组织可以是单相固溶
7、体,但由于其强度不够高,其应用具有局限性;绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。第10页/共62页二、金属的结晶结晶:金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。1纯金属的结晶(1)冷却曲线与过冷度冷却曲线:是温度与时间的关系曲线,可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制,其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却,每隔一定时间记录下温度值,将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。曲线分析:随时间的增加,纯金属液的温度不断下降;当冷到某一温度时,在曲线上出现了一个恒温的水平线段,所对应的温度就是金属的结晶温度(或熔点),在结晶过程中,由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量,使温度保持恒定
8、不变;结晶结束后,由于金属继续散热,固态金属的温度开始下降。第11页/共62页理论结晶温度:纯金属在无限缓慢的冷却条件下(即平衡状态下)的结晶温度称为理论结晶温度,用T0表示。实际结晶温度:实际生产中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的,实际测出的结晶温度称实际结晶温度,用Tn表示。过冷现象:金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度,即Tn6.69%的铁碳合金脆性极大,加工困难,生产中无实用价值,并且Fe3C(Wc=6.69%)可以作为一个独立组元。因此,仅研究Wc为0%6.69%的Fe-Fe3C相图部分。为便于研究,将相图左上角部分简化,得到简化后的Fe-Fe3C相图。第45页/共62页1)、Fe
9、-Fe3C相图的特性点Fe-Fe3C相图特性点特性点温度t/Wc/%含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点,LCldD12276.69渗碳体的熔点(计算值)E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点,-Fe-FeP7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点,AsPQ6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度第46页/共62页2)、Fe-Fe3C相图的特性线特性线特性线名称名称含含义义ACD液相线液相线此线以上为液相(此线以上为液相(L),缓冷至液相线时,开始结晶),缓冷至液相线时,开始结晶AECF固相线固相线此线以下为固相此线以
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