1、第2章 材料的组织结构,不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也不同。金属力学性能的这种差异，是由其内部构造决定的。,2.1 金属的晶体结构,2.1.1 金属的理想晶体结构 （一）晶体与非晶体 一切物质都是由原子组成。根据原子在物质内部聚集状态的不同，可将物质分为晶体与非晶体两大类。晶体：内部的原子是按一定规律排列，各向异性。非晶体：内部的原子排列无规律。各向同性。,第2章 材料的组织结构,（二）晶体结构的基本知识,任何一种晶体都有自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体具有完全相同的晶体结构。为了便于研究，可抽象为空间点阵。,2.1.1 金属的理想晶体结
2、构,（二）晶体结构的基本知识,1、晶格、晶胞和晶格常数在讨论晶体结构时，假设晶体里的原子（或离子）是一些静止不动的小球。各种晶体结构就可以看成是这些小球按一定的几何方式紧密排列堆积而成。,2.1.1 金属的理想晶体结构,1、晶格、晶胞和晶格常数,（1） 晶格 描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵。,2.1.1 金属的理想晶体结构,（2）晶胞,晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。晶胞在空间的重复排列构成整个晶格。,2.1.1 金属的理想晶体结构,（3）晶格参数与晶格常数,晶格参数：描述晶胞大小与形状的几何参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三棱边夹角、共六个参数。晶格常数：晶胞的三个
3、棱边长度。,2.1.1 金属的理想晶体结构,2、晶面和晶向,晶面：金属晶体中，由一系列原子构成的平面。,晶面族,2.1.1 金属的理想晶体结构,2、晶面和晶向,晶向：通过两个或两个以上原子中心的直线，代表晶格空间的一定方向。在同一晶格中不同晶面晶向上原子排列的疏密程度的不同，原子间结合力不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，是晶体各向异性的原因。,2.1.1 金属的理想晶体结构,晶向族,2.1.1 金属的理想晶体结构,（三）金属晶格的常见类型,晶体描述了金属晶体内部的排列规律，金属晶体结构的主要差别在于晶格形式及晶格常数的不同。,2.1.1 金属的理想晶体结构,（三）金属晶格的常见类
4、型,（1）体心立方晶格晶胞是一个立方体，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。,2.1.1 金属的理想晶体结构,每个体心立方晶格的原子数为： （1/8）8+1=2个。塑性较好。 具有这种晶格的金属有铬、钨、钼、钒、铌和912 以下的铁,（三）金属晶格的常见类型,（2）面心立方晶格晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。,2.1.1 金属的理想晶体结构,每个面心立方晶格的原子数为： （1/8）8+（1/2）6=4个。塑性优于体心立方晶格的金属。 具有这种晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金、银和912-1394 的铁,（三）金属晶格的常见类型,（3）密排六方晶格 晶格属于六方棱柱体
5、，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。,2.1.1 金属的理想晶体结构,每个密排六方晶胞原子数为:（1/6）12+（1/2）2+36个较脆具有这种晶格的金属有镁、锌、镉、铍等。,（三）金属晶格的常见类型,金属的晶格类型不同，性能必然存在差异。即使晶格类型相同，由于各元素的原子大小和原子间距的不同；金属的晶格类型和晶格常数发生改变时，金属的性能也会发生相应的变化。,2.1.1 金属的理想晶体结构,2.1.2、金属的实际晶体结构,1.点缺陷 （零维缺陷）：空位，间隙原子，杂质原子,2.线缺陷（一维缺陷）：位错,3.面缺陷（二维缺陷）：晶界，亚晶界
6、，层错，孪晶界,2.1.2 金属的实际晶体结构,2.1.2、金属的实际晶体结构,（一）、点缺陷 空位和间隙原子以某个点为中心、在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变相的晶体缺陷。1、间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体；,间隙原子,晶格空位,置换原子,2.1.2 金属的实际晶体结构,2、晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体；,3、置换原子：在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子。,点缺陷使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度提高。,（二）、线缺陷位错,晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。,应力场,2.1.2 金属的实际晶体结构,特点：受力后沿某些晶面移动，导
7、致金属变形，互相作用，使位错 的阻力增大，金属强度提高。,（三）面缺陷晶界和亚晶界,晶界：不同位向的两晶粒之间的过渡层。亚晶：晶粒内部尺寸很小、位向差很小的小晶块。亚晶界：亚晶之间的界面。面缺陷：晶界和亚晶界。,2.1.2 金属的实际晶体结构,面缺陷是位错运动的障碍，晶粒、亚晶越细小，界面越多，晶格畸变越大，位错阻力越大，金属强度越高。,晶界和亚晶界,2.1.2 金属的实际晶体结构,2.1.3 金属材料的结构特点,（一）、基本概念1、合金：两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的新金属。 、组元：组成合金最基本、能独立存在的物质（可以是化学元素也可以是稳定的化合物）。
8、 3、合金系 ：有相同组元而成分比例不同的一系列合金。 4、相 ：在合金中，化学成分一致、物理状态相同，与其他部分有明显界面的部分。,2.1.3 金属材料的结构特点,、显微组织和组织组成物 组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物。显微组织：显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和配置状态。组织组成物：构成显微组织的独立部分，它可以是单相或多相混合物。,二、合金的组织 多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，形成不同的组织。通常固态时合金形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。,2.1.3 金属材料的结构特点,1 、固溶体 固溶体：一种组元均匀的溶
9、解在另一组元中而形成的晶体相。固溶体是单相，晶格类型与溶剂相同。溶剂：晶格保持不变的组元。溶质：晶格消失的组元。,2.1.3 金属材料的结构特点,（1）置换固溶体当溶质原子代替了溶剂晶格的某些结点原子而形成的固溶体。,形成无限固溶体的条件：两组元具有相同的晶格，原子直径相差很小。,2.1.3 金属材料的结构特点,（2）间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格间隙处而形成的晶体相。,形成条件：两组元直径相差较大。由于两组元原子大小和性能上的差别，导致晶格发生畸变、歪扭，使晶体的位错运动阻力增大，合金塑性变形抗力增大，由此强化了合金。固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高，但塑性和韧性下降的现象。
10、,2.1.3 金属材料的结构特点,2、金属化合物 合金中各组元原子按一定整数比结合而形成的晶体相。 金属化合物也是单相，可看成是一个组元。 第二相（弥散）强化：在合金中，金属化合物若以细小的粒状均习分布在固溶体相的基体上使合金的强度、硬度进一步提高的现象。,2.1.3 金属材料的结构特点,3、机械混合物两种以上的相紧密混合而成的独立整体。机械混合物的性能取决于各组成相的性能，及其数量、形状、大小与分布等。,2.2 非金属材料的结构,2.2.1 陶瓷材料结构特点1、键合类型（离子键和共价键）特点：熔点高、硬度高、耐腐蚀、塑性差。,2. 组织（1）晶体相：化合物或以化合物为基体的固溶体；（2）玻璃
11、相：结构为离子多面体构成的空间网格，呈不规则排列,30%；特点：熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，降低高温强度。（3）气相：陶瓷组织中的气孔,5%。,2.2.2 高分子材料的结构特点,主要组分是高分子化合物，以及各种添加剂。 添加剂：为改善高分子材料的使用性能或成形工艺而加入的其它成分。包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂等。 单体：可以聚合成大分子链的小分子化合物。 链节：大分子链的重复结构单元。 聚合度：一个大分子链中链节的数量。反映其长短及相对分子质量的大小。,2.2 非金属材料的结构,2.2.2 高分子材料的结构特点,1、大分子链的形态（1）
12、线型结构：由许多链节连成一条长链，支链的存在使线型高聚物的性能钝化。（2）体型结构：大分子链之间通过支链或化学链连接成一体的交联结构，在空中呈网状。特点是耐热性好、尺寸稳定、机械强度好，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反复使用。,2.2 非金属材料的结构,2.2.2 高分子材料的结构特点,2、大分子的聚集态结构特点：分子间力大，容易聚集为液态和固态，无气态。分为无定型（分子排列杂乱不规则）和结晶型（分子排列规整有序）。结晶型高聚物：由晶区和非晶区组成。结晶度为5080。无定型高聚物结构：大分子呈远程无序、近程有序排列。,2.2 非金属材料的结构,2.2.2 高分子材料的结构特点,
13、3、高聚物的物理、力学状态（1）玻璃态：在温度低于Tg时高聚物处于玻璃态，Tg称为玻璃化温度。是塑料的应用状态， Tg越高越好。（2）高弹态： 是塑料的应用状态， Tg越低越好。（3）黏流态：是高聚物成形加工的工艺状态。较高的刚度和硬度，既韧又硬的皮革态。,2.2 非金属材料的结构,2.2.2 高分子材料的结构特点,4、高分子的老化：在热、光、化学、生物、辐射作用下其性能和结构发生变化（硬化、脆化、发软、发黏）。实质是大分子链的结构通过交联和降解发生变化。,2.2 非金属材料的结构,2.3 金属的结晶与细晶强化,结晶：金属从液态变成固态的过程。1.结晶过程1）晶核的产生；2）晶核的长大。,2.
14、3 金属的结晶与细晶强化,1）液态金属在冷却过程中，由于热量向外散失，温度不断下降；2）当冷却到某一温度时开始结晶，结晶放出的热补偿了向外散失的热量；3）结晶结束，温度重新下降。,理论结晶温度,纯金属,多数合金,实际开始结晶温度,2.3 金属的结晶与细晶强化,2.结晶温度纯金属由液态转变为固态的温度。,2.3 金属的结晶与细晶强化,过冷现象：金属实际结晶温度较理论结晶温度为低的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。,2.3 金属的结晶与细晶强化,2.3 金属的结晶与细晶强化,3.晶核的形成与细晶强化自发晶：由金属自身原子团形成晶核；非自发晶：
15、依服外来固体杂质形成晶核；细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高。,2.3 金属的结晶与细晶强化,试验证明：晶粒越细，金属的力学性能越好。,晶粒大小对力学性能的影响,2.3 金属的结晶与细晶强化,晶粒大小对力学性能的影响,晶粒的大小及其控制,增加过冷度，提高形核率 变质处理，促进非自发形核浇注前向金属液体中加入一些促进生核或作为晶核的物质使金属晶粒细化的方法。 振动，打碎枝晶金属在结晶时，对液态金属附加振动、超声波振动和电磁振动等措施，使结晶的金属经振动而破碎，增加了生核率，从而使晶粒细化。,2.3 金属的结晶与细晶强化,2.4 材料的同素异构现象,同素异构转变：金属在固态下随着
16、温度的变化而改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 同素异构晶体：由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体。,（体心体方晶格）（面心立方晶格）（体心体方晶格）,纯铁的同素异构转变,2.4 材料的同素异构现象,金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循液体结晶的一般规律：1、恒温转变；2、转变时有过冷现象；3、转变过程由生核和长大两个基本过程组成。,2.4 材料的同素异构现象,2.4 材料的同素异构现象,同素异构转变，晶核优先在原来晶粒的晶界处形成，并向旧晶粒中长大，直到旧晶粒全部消失为止。转变具有较大的过冷度和内应力。同素异构转变是铁的一种重要特性。是钢和铁接受各种热处理，改变其组织和性能
17、的依据。控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，改变金属的性能。,2.4 材料的同素异构现象,2.4.1 同分异构现象,化学成分相同而分子结构中原子排列不同的现象。同分异构对高分子材料的性能影响很大。,2.4 材料的同素异构现象,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。若凝固后形成晶体结构，该转变过程称为结晶。合金相图：在十分缓慢的冷却条件下，合金状态与成分之间关系的图形。(状态图、平衡图)。,2.5.1 二元合金相图,二元合金相图的建立及匀晶相图 建立合金系的相图最主要是测定各种不同成分合金的临界点。测定方法：磁性分析、膨胀分析、电阻测量、
18、X射线分析及热分析法等。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,匀晶相图：两组元组成的合金系，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的相图。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,Cu-Ni合金相图建立的具体步骤： （1）配制一系列不同成分的铜镍合金。（2）将上述合金熔化后分别测定它们的冷却曲线并找出临界点。（3）将各合金临界点标在以温度为纵坐标、以成分为横坐标的坐标系中。 （4）将临界点温度中，相同物理意义的点连接起来。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,相图分析 图中A、B分别为Cu、Ni的熔点；两相区的存在，说明该合金的结晶是在一定的温度范围内进
19、行的，不同于纯金属。只有满足形成无限置换固溶体的两组元才能形成这类相图。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,合金结晶过程分析：合金的含量不同，结晶温度不同。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,设Wm和Wn为t0温度下液相和固相的相对重量，则：,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,（一）共晶相图 共晶相图：二组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶反映的合金系形成共晶相图。共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,共晶相图 合金系分类,共晶合金,亚
20、共晶合金,过共晶合金,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,图中L为液相；为Sn（锡）溶于Pb（铅）中形成的固溶体； 为Pb 溶于Sn 中形成的固溶体。,2.5 铁碳合金相图,反应产物：两相混合物共晶组织或共晶体。,2.5.1 二元合金相图,M点（wSn=19%），N点（wPb=2.5%），A、B分别为铅和锡的熔点，F、G点分别为、室温下近似的溶解度点。E点为共晶点（wSn=61.9%）。,2.5 铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。,2.5 铁碳合金相图,转变温度较低，原子扩散困难，容易获得较大的过冷度。得到的两相共析组
21、织要比共晶组织更为细小均匀。,2.5.2 铁碳合金相图,一、铁碳合金的基本相及组织铁碳合金在液态是可以无限互溶，在固态时C能溶解于Fe的晶格中，形成间隙固溶体。当C量超过铁的溶解度时，多余的C便与Fe形成化合物Fe3C。,2.5 铁碳合金相图,2.5.2 铁碳合金相图,铁碳合金的基本相,铁素体,渗碳体,奥氏体,莱氏体,珠光体,2.5 铁碳合金相图,2.5.2 铁碳合金相图,（一）铁素体碳原子固溶到Fe中形成的间隙固溶体。常用“F”或“”表示。,2.5 铁碳合金相图,因C原子半径大于Fe晶格中的最大空隙半径，所以溶解度极低。,特点：、含碳量很小，其力学性能与纯铁极为相近。、强度和硬度低，而塑性和
22、韧性好。、铁素体在770以下具有磁 。,2.5.2 铁碳合金相图,（二）奥氏体 碳溶于面心立方晶格的-Fe 中形成的间隙固溶体。用符号“A”或 “”表示。,2.5 铁碳合金相图,因-Fe晶格中的最大空隙半径大于-Fe晶格中的最大空隙半径，所以溶碳能力比-Fe 高。,特点：、具有一定强度和硬度，良好的韧性，低的塑性形变抗力。、易于高温锻压成型。,2.5.2 铁碳合金相图,（三） 渗碳体铁与碳形成的具有复杂晶格的间隙化合物。Fe3C的含碳量为6.69，熔点为1227。,2.5 铁碳合金相图,特点：、硬度高；、脆性大，塑性、冲击韧性几乎等于零。,2.5.2 铁碳合金相图,（四）珠光体铁素体和渗碳体均
23、匀分布的两相机械混合物。代号为“P”。它是A在冷却过程中（727的恒温下）发生共析转变得到的产物，平均含碳量0.77%。,铁素体+珠光体,2.5 铁碳合金相图,特点：、有较高的强度，硬度适中。、具有一定的塑性和足够的韧性。,2.5.2 铁碳合金相图,（五）莱氏体A和Fe3C呈均匀分布的机械混合物。也称高温莱氏体，用符号Ld表示。它是含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148时发生共晶转变，从液相中同时结晶出A和Fe3C。,珠光体+二次渗碳体,2.5 铁碳合金相图,2.5.2 铁碳合金相图,低温莱氏体：P和Fe3C的机械混合物。代号Ld表示。它是在727 以下高温莱氏体中的A发生共析转变成P而形成。
24、是铁碳合金在室温时的另一个基本组织。,2.5 铁碳合金相图,特点：、硬度高。、塑性很差。,2.5.2 铁碳合金相图,表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的一种图形。,2.5 铁碳合金相图,（一）Fe-Fe3c相图的重要点、线、区,2.5 铁碳合金相图,（一）Fe-Fe3c相图的重要点、线、区,2.5 铁碳合金相图,（一）Fe-Fe3c相图的重要点、线、区,、 FeFe3C相图中的主要相区ACD线以上：L相；AESG ：A相；AEC：A+L相；DFC ：Fe3C1+L相；GSP ：A+F相；ESKF ：Fe3C+A相；PSK线以下：Fe3C+F相。,2.5
25、铁碳合金相图,液相,奥氏体,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,铁碳合金,工业纯铁,Wc0.02%；,钢,白口铁,过共析钢,共析钢,亚共析钢,亚共晶铁,共晶铁,过共晶铁,0.02wc0.77%,Wc0.77%,0.77wc2.11%,2.11wc4.3%,wc4.3%,4.3wc6.69%,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,、共析钢合金冷却到S点时，A发生共析反应，析出F和Fe3C的机械混合物珠光体（P）；,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,、亚共析钢由P和F组成；,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,
26、、过共析钢由P和二次Fe3C组成；,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,、共晶白口铁由P和Fe3C组成的机械混合物（低温莱氏体）；,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,、亚共晶白口铁由P、二次Fe3C和低温莱氏体组成。,2.5 铁碳合金相图,（二）典型成分铁碳合金结晶过程分析,、过共晶白口铁由一次Fe3C和低温莱氏体组成。,2.5 铁碳合金相图,三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系,2.5 铁碳合金相图,三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系,2.5 铁碳合金相图,三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系,2.5 铁碳合金相图,三铁碳合金成分、组织、性能之
27、间的关系,钢和白口铁的组织成分的相对量可运用杠杆原理，也可用比例关系计算。 例题1：求wc=0.45%的亚共析钢中F和P的相对含量。P0.45/0.77100%=58%F=1-58%=42%HBS=800.42+2400.58=173b=1743.6=623Mpa,2.5 铁碳合金相图,三铁碳合金成分、组织、性能之间的关系,例题2：求wc=1.0%的过共析钢中Fe3C和P的相对含量。设P为相对含量x，Fe3C的相对含量为-x。x0.77%+（1-x）6.67%=1%x=96.1%1-96.1%=3.9%HBs=2400.961+8000.039=262b=2623.6=943.2MPa,2.5
28、 铁碳合金相图,四、Fe-Fe3C相图的应用及局限性,（一）铁碳相图的应用,钢铁材料,白口铁,钢,工业纯铁,2.5 铁碳合金相图,四、Fe-Fe3C相图的应用及局限性,、在钢铁材料选用方面的应用）结构钢需要塑性、韧性好的材料，选用低碳钢；）各种机械零件需要强度、塑性及韧性好的的材料，选用中碳钢。）各种工具需要硬度高、耐磨性好的材料，选用高碳钢。）软磁材料，选用工业纯铁。）要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，选用白口铁。,2.5 铁碳合金相图,四、Fe-Fe3C相图的应用及局限性,、在铸造工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相图，浇注温度一般在液相线以上50100。,2.5 铁碳合金相图,四、Fe-Fe3C相图的应用及局限性,、在热锻热轧工艺方面的应用。钢的热锻热轧温度选在单相A 区。A状态强度低，塑性好。4在热处理工艺方面的应用。,2.5 铁碳合金相图,四、Fe-Fe3C相图的应用及局限性,（二）铁碳相图的局限性（） Fe-Fe3C相图只能给出平衡条件下的相、相的成分和各相的相对质量，不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。（） Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中的平衡状态。（） Fe-Fe3C相图反映的平衡组织，只有在非常缓慢的冷却和加热的情况下才能达到，没有反映时间的作用。,2.5 铁碳合金相图,作业,P26 1、2、4、11（不比较异同点）、17,
