1、1.金屬結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)一、晶體概念一、晶體概念 1、晶體與非晶體、晶體與非晶體晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。要以晶體形式存在。晶體具有各向異性晶體具有各向異性。非晶體非晶體是指原子呈無序排列的固體。是指原子呈無序排列的固體。在一定條件在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。第二章第二章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu)2、晶格與晶胞、晶格與晶胞 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)直線的交點(diǎn)（原子中心

2、）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣(晶格晶格) 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。 晶系：晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 六方晶系六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶晶胞各邊的尺寸胞各邊的尺寸 a、b、c。l各棱間的夾角用

3、各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。 原子半徑：原子半徑：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相鄰子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。l 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。所包含的原子數(shù)目。l* 配位數(shù)：配位數(shù)：晶格中與任一晶格中與任一原子距離最近且相等的原子原子距離最近且相等的原子數(shù)目。數(shù)目。l* 致密度致密度：晶胞中原子本晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。身所占的體積百分?jǐn)?shù)。三、三種常見的金屬晶格三、三種常見的金屬晶格1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，由電子的相互作用而結(jié)合的

4、，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。l具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有常見純金屬的晶格類型有體心立方體心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和和密排六方密排六方(hcp)晶格。晶格。 體體心心立立方方晶晶格格體心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半

5、徑： 面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)面心立方晶格的參數(shù) a42r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的參數(shù)密排六方晶格的參數(shù)*a21r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)底面邊長(zhǎng) a 和高和高 c， c/a=1.633密排六方晶格密排六

6、方晶格*3、晶面、晶向表示方法、晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱原子面稱晶面。晶面。各方向上的原子列各方向上的原子列稱稱晶向。晶向。晶面指數(shù)晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)晶面指數(shù)。立方晶系確定步立方晶系確定步驟為：驟為： 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。坐標(biāo)軸上的截距。 取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（加圓括弧，形式為（hkl）。）。例一例一.求截距為求截距為 、1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0、

7、1、0，加圓括，加圓括弧得（弧得（010）例二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小化為最小整數(shù)加圓括弧得（整數(shù)加圓括弧得（320）例三例三.畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最化成最小整數(shù)為小整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三三坐標(biāo)軸上的截距坐標(biāo)軸上的截距 晶向指數(shù)晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為： 確定原點(diǎn)，建確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的點(diǎn)作所求晶向的平行線。平行線。 求直線上任一求直線上任一

8、點(diǎn)的坐標(biāo)值并按點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整比例化為最小整數(shù)，加方括弧。數(shù)，加方括弧。形式為形式為uvw。例一、例一、已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指數(shù)為數(shù)為110, 畫出該畫出該晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。直線即所求晶向。110234(hkl)與與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。分別表示的是一組平行的晶向和晶面。指數(shù)雖然不同，但原子排

9、列完全相同的晶向和晶面指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作稱作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分別用分別用hkl和和表示。表示。立方晶系常見的晶面為：立方晶系常見的晶面為：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常見的晶向?yàn)椋毫⒎骄党Ｒ姷木驗(yàn)椋?11111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、111111111111XZY說明：說

10、明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直互垂直。 遇到負(fù)指數(shù)，遇到負(fù)指數(shù)，“-”-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。號(hào)放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110 六方晶系的坐標(biāo)系由六方晶系的坐標(biāo)系由4個(gè)坐標(biāo)軸組成，個(gè)坐標(biāo)軸組成，如圖如圖2-7所示。所示。 在底平面上選擇在底平面上選擇3個(gè)坐標(biāo)軸并互成個(gè)坐標(biāo)軸并互成120夾角，三軸交點(diǎn)為原點(diǎn)夾角，三軸交點(diǎn)為原點(diǎn)O，通過，通過原點(diǎn)與三軸垂直的方向?yàn)榈谠c(diǎn)與三軸垂直的方向?yàn)榈?坐標(biāo)軸。坐標(biāo)軸。晶面指數(shù)用（晶面指數(shù)用（hkil）表示；

11、晶面族用）表示；晶面族用hkil表示。表示。晶面族指數(shù)用晶面族指數(shù)用uvtw表示；晶向族用表示；晶向族用表示。表示。指數(shù)的確定與立方晶系相同。指數(shù)的確定與立方晶系相同。（3）六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)）六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面或密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶

12、格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對(duì)角線底面對(duì)角線3三種常見晶格的密排三種常見晶格的密排面和密排方向面和密排方向六方底面六方底面底面對(duì)角線底面對(duì)角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面四、晶體的各向異性四、晶體的各向異性 由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶體在不同方向上的性能便有所差異，這因而晶體在不同方向上的性能便有所差異，這叫叫晶體的各向異性晶體的各向異性。4

13、 金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達(dá)幾鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖一、一、多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)單晶體：?jiǎn)尉w：其內(nèi)部晶格方位完全其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。一致的晶體。晶粒：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為體稱為晶粒晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金

14、相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖二、二、 晶體缺陷晶體缺陷晶格的不完整部位晶格的不完整部位稱稱晶體缺陷晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，按形狀可分三類，即即點(diǎn)點(diǎn)、線線、面面缺陷。缺陷。 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位 間隙原子間隙原子 置換原子置換原子l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)l位錯(cuò)：位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作滑移，滑移面上已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的

15、交界線稱作位錯(cuò)位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)其特征相當(dāng)于從一個(gè)面其特征相當(dāng)于從一個(gè)面AB切至另一個(gè)面切至另一個(gè)面CD，然后左右兩邊沿切開面作綜合平移與旋轉(zhuǎn)一個(gè)或幾，然后左右兩邊沿切開面作綜合平移與旋轉(zhuǎn)一個(gè)或幾個(gè)原子面距。這樣另一個(gè)面?zhèn)€原子面距。這樣另一個(gè)面CD周圍的原子就是螺旋線型周圍的原子就是螺旋線型排列。排列。CD為位錯(cuò)線。如圖為位錯(cuò)線。如圖2-9（b）所示。）所示。位錯(cuò)

16、線周圍晶格發(fā)生畸變，原子排列不規(guī)則位錯(cuò)線周圍晶格發(fā)生畸變，原子排列不規(guī)則 位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含單位體積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為金屬的位錯(cuò)密度為106108/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1

17、012/cm2) 電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為，寬度為510個(gè)原子間距，位向差個(gè)原子間距，位向差一般為一般為2040。亞晶粒亞晶粒是晶粒內(nèi)部的尺寸很小是晶粒內(nèi)部的尺寸很小,位向差也很小位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。晶界示意圖亞晶界示意圖亞晶組織一、結(jié)晶的概念一、結(jié)晶的概念物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為過程稱為凝固凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的物質(zhì)

18、由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為過程稱為結(jié)晶結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪晃镔|(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為個(gè)相的過程稱為相變相變。因因而結(jié)晶過程是相變過程。而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶5 純金屬結(jié)晶純金屬結(jié)晶純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該。在該溫度下溫度下, 液體和晶體處于動(dòng)平衡液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。狀態(tài)。自由能（）自由能（）：物質(zhì)中能夠自動(dòng)向：物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν饨玑尫懦銎涠嘤嗟幕蚰軌驅(qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量。外作功的這一部分能量。理論結(jié)晶溫度（理論結(jié)晶溫度（0 ）：結(jié)晶速度：結(jié)晶

19、速度與溶解速度相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫與溶解速度相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度度(液液=晶晶）。）。結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力液液晶晶冷卻曲線冷卻曲線：金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的潛熱引起的.結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際以下的實(shí)際 結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。過冷過冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。過冷度過冷度：理論結(jié)

20、晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差的差 T稱過冷度稱過冷度 T= T0 T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。過冷度越大。二、結(jié)晶時(shí)晶核的形成和成長(zhǎng)過程一般過程二、結(jié)晶時(shí)晶核的形成和成長(zhǎng)過程一般過程1、結(jié)晶的基本過程、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程組成兩個(gè)基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為聚時(shí)散，稱為晶坯晶坯。在。在T0以下以下, 經(jīng)一段時(shí)間后經(jīng)一段時(shí)間后(即孕即孕育期育期), 一些大尺寸的晶

21、坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核晶核。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒晶粒，兩晶粒接觸后形成，兩晶粒接觸后形成晶界晶界。大多數(shù)晶核長(zhǎng)大是以大多數(shù)晶核長(zhǎng)大是以樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大的的晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則。 熔點(diǎn)低熔點(diǎn)低。 耐蝕性差耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子，外來原子易在晶界偏聚。易在晶界偏聚。 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部，是強(qiáng)化

22、部位，因而實(shí)際使用的金屬力位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示顯微組織的顯示二二 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)合金合金是指由兩種或兩種以上是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。物質(zhì)。組成合金的元素可以全部是組成合金的元素可以全部是金屬，也可是金屬與非金屬。金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可組成合金的元素相互作用可形成不同的形成不同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅相相:是指金屬或合金中凡成是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界

23、面分開的均勻組它部分有界面分開的均勻組成部分。成部分。顯微組織顯微組織:是指在顯微鏡下是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶觀察到的金屬中各相或各晶粒的粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分形態(tài)、數(shù)量、大小和分布布的組合。的組合。固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金一、一、 固溶體固溶體以一種金屬元素為基礎(chǔ)，其它合金元素（金屬或非金屬）以一種金屬元素為基礎(chǔ)，其它合金元素（金屬或非金屬）的原子溶入基礎(chǔ)元素的晶格中所形成的結(jié)構(gòu)稱為的原子溶入基礎(chǔ)元素的晶格中所形成的結(jié)構(gòu)稱為 固溶體固溶體。習(xí)慣以習(xí)慣以 、 、 表示。表示。l與合金晶體

24、結(jié)構(gòu)相同的元素稱與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶溶劑劑。其它元素稱。其它元素稱溶質(zhì)溶質(zhì)。l固溶體是合金的重要組成相固溶體是合金的重要組成相，實(shí)，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。固溶體為基的合金。l按溶質(zhì)原子所處位置分為按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固置換固溶體溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體 置換固溶體置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，無序固溶體，呈有序分布的稱呈有序分布的稱有

25、序固溶體。有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織 間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般等，而溶劑元素一般是過渡族元素。是過渡族元素。l形成間隙固溶體的一形成間隙固溶體的一般規(guī)律為般規(guī)律為r質(zhì)質(zhì)/r劑劑727)存在，在存在，在727 以下，以下，Ld是由是由PFe3C組成，用組成，用Ld表示。表示。性能性能：Ld與與Fe3C相似，相似，HB700，塑性差。，塑性差。鐵碳合金相圖：鐵碳合金

26、相圖：是研究鐵碳合金最基本的是研究鐵碳合金最基本的工具工具，是研究碳是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基理論基礎(chǔ)礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)依據(jù).一、概述一、概述l 特征點(diǎn)特征點(diǎn) LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 特征線特征線 液相線液相線ABCD， 固相線固相線AHJECF 三條水平線：三條水平線：HJB：包晶線：包晶線LB+H J ECF：共晶線：共晶線LC E+Fe3C共晶產(chǎn)物是共晶產(chǎn)物是 與與Fe3C的機(jī)械的機(jī)械混合物，稱作混合物，稱作萊氏體萊氏體,

27、 用用Le（或或d)表示。表示。為蜂窩狀為蜂窩狀, 以以Fe3C為基，性能硬而脆。為基，性能硬而脆。萊氏體萊氏體PSK：共析線：共析線 S FP+ Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是 與與Fe3C的機(jī)械混合物，稱的機(jī)械混合物，稱作作珠光體珠光體，用，用P表示。表示。珠光體珠光體L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光體的組織特點(diǎn)是珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。性能介于兩相之間。 PSK線又稱線又稱A1線線 。 其它相線其它相線GS,GP 固溶體固溶體轉(zhuǎn)變線轉(zhuǎn)變線, GS又稱又稱A3 線。線。HN,JN 固溶體固溶體轉(zhuǎn)變

28、線，轉(zhuǎn)變線，ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶線。溶線。又稱又稱Ac m線。線。PQ碳在碳在 -Fe中的固中的固溶線。溶線。 三個(gè)三相區(qū)：即三個(gè)三相區(qū)：即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三條水平線三條水平線 l 相區(qū)相區(qū)l 五個(gè)單相區(qū)：五個(gè)單相區(qū)： L、 、 、 、Fe3C l 七個(gè)兩相區(qū)七個(gè)兩相區(qū): L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 二、工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過程分析二、工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過程分析 鋼鋼(0.02182.11%C)高溫組織為單相高溫組織為單相 亞共析鋼亞共析鋼 (0.0218

29、0.77%C) 共析鋼共析鋼 (0.77%C) 過共析鋼過共析鋼 (0.772.11%C)l鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：l 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0218% C) 組織為單相鐵素體。組織為單相鐵素體。亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 白口鑄鐵白口鑄鐵 (2.116.69%C) 鑄造性能好鑄造性能好, 硬而硬而脆脆 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C) 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵(4.3%C) 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C

30、)工業(yè)純鐵的工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程結(jié)晶過程 合金液體在合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?，3-4點(diǎn)間點(diǎn)間 ，5-6點(diǎn)間點(diǎn)間 。到到7點(diǎn)，從點(diǎn)，從 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+ + + 隨溫度下降，隨溫度下降，F(xiàn)e3C量不斷量不斷增加，增加，合金的合金的室溫下組織為室溫下組織為F+ Fe3C。室溫下室溫下Fe3C最大量為最大量為: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql從鐵素體中析出的滲碳體稱從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，三次滲碳體，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。

31、 共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程 l合金液體在合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?。到到S點(diǎn)發(fā)生共析點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變： S P+Fe3C, 全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w珠光體(P)。珠光體珠光體在光鏡下呈指紋狀在光鏡下呈指紋狀.相變結(jié)束時(shí)，珠光體中相相變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)重量百分比為：的相對(duì)重量百分比為：l珠光體中的滲碳體稱珠光體中的滲碳體稱共析共析滲碳體滲碳體。lS點(diǎn)以下，共析點(diǎn)以下，共析 中析出中析出Fe3C，與共析，與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合不易分辨。不易分辨。室溫組織為室溫組織為P.%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光

32、體珠光體Q室溫下，珠光體中室溫下，珠光體中兩兩相的相對(duì)重量百分比相的相對(duì)重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219 亞共析鋼的結(jié)晶過程亞共析鋼的結(jié)晶過程0.090.53%C亞共析鋼亞共析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng).以以0.45%C的鋼為例的鋼為例合金在合金在4點(diǎn)以前通過勻點(diǎn)以前通過勻晶晶包晶包晶勻晶反應(yīng)全勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)椴哭D(zhuǎn)變?yōu)?。到。到4點(diǎn)，由點(diǎn)，由 中析出中析出 。到。到5點(diǎn)點(diǎn), 成分沿成分沿GS線變到線變到S點(diǎn)，點(diǎn)， 發(fā)生發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼

33、續(xù)下降， 中析出中析出Fe3C，由于與共析，由于與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合, 且量少且量少, 忽略不計(jì)忽略不計(jì). +Fe3CGSPABJH利用平衡組織中珠光體所占利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積面積%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面積面積%=QP)共析溫度下相共析溫度下相( ( +Fe3C)的相對(duì)重量為的相對(duì)重量為： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 組織組成物組織組成物( + P)的相對(duì)重量為：的相對(duì)重量為： %PSSQ%PSPQP10051005 ，S室溫下相的相對(duì)重量室溫下

34、相的相對(duì)重量百分比為：百分比為：l室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 S亞共析鋼室溫下的組織亞共析鋼室溫下的組織為為F( )+P。在在0.02180.77%C 范圍范圍內(nèi)內(nèi)珠光體的量隨含碳量珠光體的量隨含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C鋼的組織鋼的組織含含0.20%C鋼的組織鋼的組織含含0.60%C鋼的組織鋼的組織 過共析鋼的結(jié)晶過程過共析鋼的結(jié)晶過程 合金在合金在12點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

35、 , 到到3點(diǎn)點(diǎn), 開始析出開始析出Fe3C。從奧氏從奧氏體中析出的體中析出的Fe3C稱稱二次滲碳體二次滲碳體, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶沿晶界呈網(wǎng)狀分布界呈網(wǎng)狀分布.l溫度下降溫度下降, Fe3C量增加。量增加。到到4點(diǎn)，點(diǎn)， 成分成分沿沿ES線變化到線變化到S點(diǎn)，余下的點(diǎn)，余下的 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。在共析溫度下在共析溫度下FeFe3 3C C的相對(duì)量？的相對(duì)量？室溫下兩相室溫下兩相( ( +Fe3C)的的相對(duì)重量百分比：相對(duì)重量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653室溫下兩組織組成物室溫下兩組織組成物(P +Fe3C)的相對(duì)重量百分比：

36、的相對(duì)重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653 共晶白口鐵的結(jié)晶過程共晶白口鐵的結(jié)晶過程 合金冷卻到合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏體是共晶萊氏體是共晶 與共晶與共晶Fe3C的機(jī)械混合物的機(jī)械混合物, 呈蜂窩狀呈蜂窩狀.Fe3C 共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC點(diǎn)以下點(diǎn)以下, 成分沿成分沿ES線變化，共晶線變化，共晶 將析出將析出Fe3C。 Fe3C與共晶

37、與共晶Fe3C 結(jié)合，不易分辨。結(jié)合，不易分辨。12 Fe3C溫度降到溫度降到2點(diǎn)點(diǎn), 成分達(dá)到成分達(dá)到0.77%, 此時(shí)此時(shí), 相的相對(duì)重量相的相對(duì)重量: l在在2點(diǎn)點(diǎn), 共晶共晶 發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P與與 Fe3C組成的組成的共晶體稱共晶體稱低溫萊低溫萊氏體氏體, 用用Le表示表示. 2 點(diǎn)以下，共晶點(diǎn)以下，共晶體中體中P 的變化同的變化同共析鋼。共析鋼。S共晶白口鐵室共晶白口鐵室溫組織為溫組織為L(zhǎng)e (P+ Fe3C), 它它保留了共晶轉(zhuǎn)保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)變產(chǎn)物的

38、形態(tài)特征。特征。室溫下兩相的室溫下兩相的相對(duì)重量百分相對(duì)重量百分比為：比為： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金在合金在12點(diǎn)間析出點(diǎn)間析出 。到。到2點(diǎn)，液相成分變到點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn)點(diǎn),并轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑥D(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。23點(diǎn)間從點(diǎn)間從 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 襯托出來。到襯托出來。到3點(diǎn)，點(diǎn)， 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵室溫組織室溫組織為為P+Fe3C+Le。室溫下組織組成物相對(duì)室溫下組織組成物相對(duì)重量百分比為重量百分比為

39、：IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室溫下相的相對(duì)重量百分比室溫下相的相對(duì)重量百分比? 過共晶白口鐵的結(jié)晶過程過共晶白口鐵的結(jié)晶過程12點(diǎn)間點(diǎn)間從液相中析出從液相中析出Fe3C, 這種滲碳體這種滲碳體稱稱一次滲碳一次滲碳體體，用用 Fe3C表示，呈粗條片狀。表示，呈粗條片狀。到到2點(diǎn)，余下的液點(diǎn)，余下的液相成分變到相成分變到C點(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。DFK3Fe3C124組織組成物與相組織組成物與相組成物標(biāo)注區(qū)別組成物標(biāo)注區(qū)別主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C兩個(gè)相區(qū)兩個(gè)相區(qū). + Fe3C相區(qū)中相區(qū)

40、中有有四個(gè)組織組成物四個(gè)組織組成物區(qū)，區(qū)， +Fe3C相區(qū)相區(qū)中中有七個(gè)組織組有七個(gè)組織組成物區(qū)。成物區(qū)。l 組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注 + Fe3C + Fe3C FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度l 含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響l 含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響 l含碳量與緩冷

41、后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為： 鋼鋼鐵素體鐵素體 亞共析鋼亞共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼共析鋼白白 口口 鑄鑄 鐵鐵二次滲碳體二次滲碳體工工業(yè)業(yè)純純鐵鐵珠光體珠光體萊氏體萊氏體一次滲碳體一次滲碳體Fe3C鋼鋼 鐵鐵分分 類類組織組組織組成物相成物相對(duì)量對(duì)量%相組成相組成物相對(duì)物相對(duì)量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體三次滲碳體l四、四、 含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能的關(guān)系含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能的關(guān)系l亞共析鋼亞共析鋼隨含碳量增加，隨含碳量增加，P 量增加量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。升高，塑性、韌性下降。l0.77%C時(shí)，時(shí)，組織為組織為100% P, 鋼的性能即鋼的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，F(xiàn)e3C為晶界為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，連續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降強(qiáng)度下降, 但但硬度仍上升。硬度仍上升。