1、第第2 2章章 材料材料的組織結構的組織結構不同的金屬材料具有不同的不同的金屬材料具有不同的力學性能，即使同一種金屬材料，力學性能，即使同一種金屬材料，在不同的條件下其力學性能也不在不同的條件下其力學性能也不同。金屬力學性能的這種差異，同。金屬力學性能的這種差異，由其由其內部構造內部構造決定。決定。2.12.1金屬的晶體結構金屬的晶體結構n 2.1.1 2.1.1 金屬的金屬的理想晶體結構理想晶體結構 n（一）晶體與非晶體（一）晶體與非晶體 一切物質都均由原子組成。根據原子一切物質都均由原子組成。根據原子在物質內部聚集狀態的不同，可將物質分在物質內部聚集狀態的不同，可將物質分為晶體與非晶體兩大

2、類。為晶體與非晶體兩大類。 晶體晶體：內部的原子是按一定規律排列，：內部的原子是按一定規律排列，具有固定的熔點、規律的幾何外形和各向具有固定的熔點、規律的幾何外形和各向異性的特點。異性的特點。 非晶體非晶體：內部的原子排列無規律，沒：內部的原子排列無規律，沒有固定的熔點，各向同性。有固定的熔點，各向同性。第第2章章 材料的組織結構材料的組織結構（二）晶體結構的基本知識（二）晶體結構的基本知識 1 1、晶格、晶胞和晶晶格、晶胞和晶格常數格常數 在討論晶體結構時，在討論晶體結構時，假設晶體里的原子（或離假設晶體里的原子（或離子）是一些靜止不動的小子）是一些靜止不動的小球。各種晶體結構就可以球。各種

3、晶體結構就可以看成是這些小球按一定的看成是這些小球按一定的幾何方式緊密排列堆積而幾何方式緊密排列堆積而成。成。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構 1 1、晶格、晶胞和晶格常數、晶格、晶胞和晶格常數n（1 1） 晶格晶格 描述原子在晶體中描述原子在晶體中排列規律的三維空間幾排列規律的三維空間幾何點陣。何點陣。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構（2 2）晶胞）晶胞 晶格中能夠代表晶格中能夠代表晶格特征的最小幾何晶格特征的最小幾何單元。單元。晶胞在空間的重晶胞在空間的重復排列構成整個晶格。復排列構成整個晶格。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結

4、構金屬的理想晶體結構（3 3）晶格參數與晶格常數）晶格參數與晶格常數 晶格參數晶格參數：描：描述晶胞大小與形狀述晶胞大小與形狀的幾何參數的幾何參數。包括包括晶胞的三個棱邊長晶胞的三個棱邊長度度a a、b b、c c和三棱邊和三棱邊夾角夾角、。 晶格常數晶格常數：晶：晶胞的三個棱邊長度。胞的三個棱邊長度。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構2 2、晶面和晶向晶面和晶向 晶面晶面：金屬晶體中，金屬晶體中，由一系列原由一系列原子構成的平子構成的平面面。 晶面族晶面族2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構2 2、晶面和晶向晶面和晶向晶向晶向：通過兩個：通過

5、兩個或兩個以上原子中心或兩個以上原子中心的直線，代表晶格空的直線，代表晶格空間的一定方向。間的一定方向。 原子排列的疏密原子排列的疏密程度的不同，原子間程度的不同，原子間結合力不同，從而在結合力不同，從而在不同的晶面和晶向上不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，顯示出不同的性能，是晶體是晶體各向異性各向異性的原的原因。因。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構晶向族晶向族2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構（三）金屬晶格的常見類型（三）金屬晶格的常見類型晶體描述了金屬晶體內部的排晶體描述了金屬晶體內部的排列規律，金屬晶體結構的主要差別列規律，金屬晶體

6、結構的主要差別在于在于晶格形式晶格形式及及晶格常數晶格常數的不同。的不同。 2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構（三）金屬晶格的常見類型（三）金屬晶格的常見類型 （1 1）體心立方晶格）體心立方晶格 晶胞是一個立方體，在晶胞的中心和每個頂角各有晶胞是一個立方體，在晶胞的中心和每個頂角各有一個原子。一個原子。 2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構 每個體心立方晶格的原子數為：每個體心立方晶格的原子數為： （1/81/8）8+1=28+1=2個。個。 塑性較好。塑性較好。（三）金屬晶格的常見類型（三）金屬晶格的常見類型n（2 2）面心立方晶格）面心立

7、方晶格 晶格屬于立方晶系，在晶胞的晶格屬于立方晶系，在晶胞的8 8個頂角和個頂角和6 6個面的中心個面的中心各有一個原子。各有一個原子。 2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構n 每個面心立方晶格的原子數為：每個面心立方晶格的原子數為： （1/81/8）8+8+（1/21/2）6=46=4個。個。塑性優于體心立方晶格的金屬。塑性優于體心立方晶格的金屬。（三）金屬晶格的常見類型（三）金屬晶格的常見類型n（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 晶格屬于六方棱柱體，在六晶格屬于六方棱柱體，在六棱柱晶胞的棱柱晶胞的1212個項角上各有一個個項角上各有一個原子，兩個端面的中心各有一個

8、原子，兩個端面的中心各有一個原子，晶胞內部有三個原子。原子，晶胞內部有三個原子。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構n 每個密排六方晶胞原子數為每個密排六方晶胞原子數為: :（1/61/6）12+12+（1/21/2）2+32+36 6個個 較脆較脆（三）金屬晶格的常見類型（三）金屬晶格的常見類型金屬的晶格類型不同，性能必金屬的晶格類型不同，性能必然存在差異。即使晶格類型相同，然存在差異。即使晶格類型相同，由于各元素的原子大小和原子間距由于各元素的原子大小和原子間距的不同；金屬的晶格類型和晶格常的不同；金屬的晶格類型和晶格常數發生改變時，金屬的性能也會發數發生改變時，金

9、屬的性能也會發生相應的變化。生相應的變化。2.1.1 2.1.1 金屬的理想晶體結構金屬的理想晶體結構2.1.22.1.2、金屬的實際晶體結構、金屬的實際晶體結構1.點缺陷點缺陷 （零維缺陷）：空位，間隙原子，雜質（置換）（零維缺陷）：空位，間隙原子，雜質（置換）原子原子 2.線缺陷（一維缺陷）：位錯線缺陷（一維缺陷）：位錯 3.面缺陷（二維缺陷）：晶界，亞晶界，層錯，孿晶界面缺陷（二維缺陷）：晶界，亞晶界，層錯，孿晶界2.1.2 2.1.2 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構2.1.22.1.2、金屬的、金屬的實際晶體結構實際晶體結構n（一）、點缺陷（一）、點缺陷 空空位和間隙原子位和間隙

10、原子以某個點為中心、在它的以某個點為中心、在它的周圍造成原子排列不規則，周圍造成原子排列不規則，產生晶格畸變的晶體缺陷產生晶格畸變的晶體缺陷。 1 1、間隙原子間隙原子：在晶格的：在晶格的間隙處出現多余原子的晶體；間隙處出現多余原子的晶體；間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位置換原子置換原子2.1.2 2.1.2 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構n2 2、晶格空位晶格空位：在晶格的：在晶格的結點處出現缺少原子的晶體；結點處出現缺少原子的晶體；n3 3、置換原子置換原子：在晶格的：在晶格的結點處出現原子直徑不同的結點處出現原子直徑不同的異類原子。異類原子。（二）、線缺陷（二）、線缺陷位錯位錯 晶

11、體中某一列或晶體中某一列或若干列原子發生了有若干列原子發生了有規律的錯排現象。規律的錯排現象。應力場應力場2.1.2 2.1.2 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構特點特點：受力后沿某：受力后沿某些晶面移動，導致金屬些晶面移動，導致金屬變形，互相作用，使位變形，互相作用，使位錯錯 的阻力增大，金屬強的阻力增大，金屬強度提高。度提高。（三）面缺陷（三）面缺陷晶界和亞晶界晶界和亞晶界 晶界晶界：不同位向的兩：不同位向的兩晶粒之間的過渡層。晶粒之間的過渡層。 亞晶亞晶：晶粒內部尺寸：晶粒內部尺寸很小、位向差很小的小很小、位向差很小的小晶塊。晶塊。 亞晶界亞晶界：亞晶之間：亞晶之間的界面。的界面。

12、面缺陷面缺陷：晶界和亞晶：晶界和亞晶界。界。 亞晶界亞晶界晶界晶界亞晶界亞晶界晶界晶界2.1.2 2.1.2 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構晶體缺陷可提高金屬晶體缺陷可提高金屬強度，但降低其耐腐蝕強度，但降低其耐腐蝕性能。性能。晶界和亞晶界晶界和亞晶界位位錯錯2.1.2 2.1.2 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n（一）、基本概念（一）、基本概念n1 1、合金合金：兩種或兩種以上的金屬元：兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬性質的新金屬。屬性質的新金屬。n 、組元

13、組元：組成合金最基本、能獨立：組成合金最基本、能獨立存在的物質（可以是化學元素也可以是穩存在的物質（可以是化學元素也可以是穩定的化合物）。定的化合物）。 n3 3、合金系合金系 ：有相同組元而成分比：有相同組元而成分比例不同的一系列合金。例不同的一系列合金。 n4 4、相相 ：在合金中，：在合金中，化學成分一致化學成分一致、物理狀態相同物理狀態相同，與其他部分有明顯界面的，與其他部分有明顯界面的部分。部分。 2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n 、顯微組織和組織組成物、顯微組織和組織組成物 組織組織：由單相或多相組成的具有一：由單相或多相組成的具有一定形態的聚合物。定

14、形態的聚合物。 顯微組織顯微組織：顯微鏡下看到的相和晶：顯微鏡下看到的相和晶粒的形態、大小和配置狀態。粒的形態、大小和配置狀態。 組織組成物組織組成物：構成顯微組織的獨立：構成顯微組織的獨立部分，它可以是單相或多相混合物。部分，它可以是單相或多相混合物。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點通常所指的組織通常所指的組織： n（1 1）基本結構是純金屬，或是化合物等；）基本結構是純金屬，或是化合物等； n（2 2）晶粒是粗的，還是細的；）晶粒是粗的，還是細的； n（3 3）第二相分布，是在晶界還是在晶內；）第二相分布，是在晶界還是在晶內； n（4 4）第二相形狀，是片狀、粒

15、狀、網狀）第二相形狀，是片狀、粒狀、網狀等；等； n（5 5）第二相分散度，是大還是小。）第二相分散度，是大還是小。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點 1 1 、固溶體、固溶體 固溶體固溶體：一種組元均勻的溶解在：一種組元均勻的溶解在另一組元中而形成的晶體相。另一組元中而形成的晶體相。固溶體是單相，晶格類型與溶劑固溶體是單相，晶格類型與溶劑相同。相同。溶劑溶劑：晶格保持不變的組元。：晶格保持不變的組元。溶質溶質：晶格消失的組元。：晶格消失的組元。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n（1 1）置換固溶體）置換固溶體當溶質原子代替了當溶質原子代替

16、了溶劑晶格的某些結點原溶劑晶格的某些結點原子而形成的固溶體子而形成的固溶體。 n形成無限固溶體的形成無限固溶體的條件條件：兩組元具有相同：兩組元具有相同的晶格，原子直徑相差的晶格，原子直徑相差很小。很小。 2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n（2 2）間隙固溶體）間隙固溶體溶質原子分布在溶劑晶格溶質原子分布在溶劑晶格間隙處而形成的晶體相。間隙處而形成的晶體相。形成條件形成條件：兩組元直徑相：兩組元直徑相差較大。差較大。由于兩組元原子大小和性由于兩組元原子大小和性能上的差別，導致晶格發生畸能上的差別，導致晶格發生畸變、歪扭，使晶體的位錯運動變、歪扭，使晶體的位錯運動阻力

17、增大，合金塑性變形抗力阻力增大，合金塑性變形抗力增大，由此強化了合金。增大，由此強化了合金。固溶強化固溶強化：因形成固溶體：因形成固溶體而引起合金強度、硬度升高，而引起合金強度、硬度升高，但塑性和韌性下降的現象。但塑性和韌性下降的現象。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n 2 2、金屬化合物、金屬化合物 合金中各組元原子按一定整數比結合金中各組元原子按一定整數比結合而形成的晶體相。合而形成的晶體相。 金屬化合物是單相，可看成是一個金屬化合物是單相，可看成是一個組元。組元。第二相（彌散）強化：第二相（彌散）強化：在合金中，在合金中，金屬化合物若以細小的粒狀均習分布在金屬

18、化合物若以細小的粒狀均習分布在固溶體相的基體上使合金的強度、硬度固溶體相的基體上使合金的強度、硬度進一步提高的現象。進一步提高的現象。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結構金屬材料的結構特點特點n 3 3、機械混合物、機械混合物 兩種以上的相緊密混合而成的獨兩種以上的相緊密混合而成的獨立整體。立整體。機械混合物的性能取決于各組成機械混合物的性能取決于各組成相的性能、數量、形狀、大小與分布相的性能、數量、形狀、大小與分布等。等。2.2 2.2 非金屬材料的結構非金屬材料的結構n2.2.1 2.2.1 陶瓷材料結構特點陶瓷材料結構特點 1 1、鍵合類型鍵合類型（離子鍵和共價鍵）（離子鍵和共價鍵）

19、特點特點：熔點高、硬度高、耐腐蝕、塑：熔點高、硬度高、耐腐蝕、塑性差。性差。 n2.2. 組織組織 （1 1）晶體相：化合物或以化合物為基）晶體相：化合物或以化合物為基體的固溶體；體的固溶體； （2 2）玻璃相：結構為離子多面體構成）玻璃相：結構為離子多面體構成的空間網格，呈不規則排列的空間網格，呈不規則排列,30%,30%； 特點特點：熔點低、熱穩定性差，使陶瓷：熔點低、熱穩定性差，使陶瓷在高溫下容易產生蠕變，降低高溫強在高溫下容易產生蠕變，降低高溫強度。度。 （3 3）氣相：陶瓷組織中的氣孔）氣相：陶瓷組織中的氣孔,5%,5%。2.2.2 2.2.2 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特

20、點n主要組分是高分子化合物，以及各種添加劑。主要組分是高分子化合物，以及各種添加劑。n添加劑添加劑：為改善：為改善高分子材料高分子材料的使用性能或成形的使用性能或成形工藝而加入的其它成分。包括工藝而加入的其它成分。包括填料填料、增塑劑增塑劑、固化劑固化劑、穩定劑穩定劑、潤滑劑潤滑劑、著色劑著色劑、阻燃劑阻燃劑、抗靜電劑抗靜電劑等。等。n單體單體：可以聚合成大分子鏈的小分子化合物。：可以聚合成大分子鏈的小分子化合物。n鏈節鏈節：大分子鏈的重復結構單元。：大分子鏈的重復結構單元。n聚合度聚合度：一個大分子鏈中鏈節的數量。反映其：一個大分子鏈中鏈節的數量。反映其長短及相對分子質量的大小。長短及相對分

21、子質量的大小。2.2 2.2 非金屬材料的結構非金屬材料的結構2.2.2 2.2.2 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特點n1 1、大分子鏈的形態、大分子鏈的形態 （1 1）線型結構：由許多鏈節連成一條長鏈，支鏈的存在使線型）線型結構：由許多鏈節連成一條長鏈，支鏈的存在使線型高聚物的性能鈍化。高聚物的性能鈍化。 （2 2）體型結構：大分子鏈之間通過支鏈或化學鏈連接成一體的）體型結構：大分子鏈之間通過支鏈或化學鏈連接成一體的交聯結構，在空中呈網狀。特點是耐熱性好、尺寸穩定、機械強交聯結構，在空中呈網狀。特點是耐熱性好、尺寸穩定、機械強度好，但彈性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反復度

22、好，但彈性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反復使用。使用。2.2 2.2 非金屬材料的結構非金屬材料的結構2.2.2 2.2.2 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特點n2 2、大分子的聚集態結構、大分子的聚集態結構 特點特點：分子間力大，容易：分子間力大，容易聚集為液態和固態，無氣態。聚集為液態和固態，無氣態。分為無定型（分子排列雜亂不分為無定型（分子排列雜亂不規則）和結晶型（分子排列規規則）和結晶型（分子排列規整有序）。整有序）。 結晶型高聚物結晶型高聚物：由晶區和：由晶區和非晶區組成。結晶度為非晶區組成。結晶度為50508080。 無定型高聚物結構無定型高聚物結構：大分：大分子

23、呈遠程無序、近程有序排列。子呈遠程無序、近程有序排列。2.2 2.2 非金屬材料的結構非金屬材料的結構2.2.2 2.2.2 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特點n3 3、高聚物的物理、力學狀態、高聚物的物理、力學狀態 （1 1）玻璃態：玻璃態： 在溫度低于在溫度低于T Tg g時高聚物處時高聚物處于玻璃態，于玻璃態，T Tg g稱為玻璃化溫度。稱為玻璃化溫度。是塑料的應用狀態，是塑料的應用狀態， T Tg g越高越越高越好。好。 （2 2）高彈態：高彈態： 是塑料的應用狀態，是塑料的應用狀態， T Tg g越越低越好。低越好。 （3 3）黏流態：黏流態： 是高聚物成形加工的工藝是高聚物成

24、形加工的工藝狀態。較高的剛度和硬度，既狀態。較高的剛度和硬度，既韌又硬的皮革態。韌又硬的皮革態。2.2 2.2 非金屬材料非金屬材料的結構的結構2.2.2 2.2.2 高分子材料的結構特點高分子材料的結構特點n 4 4、高分子的老化：、高分子的老化：在熱、光、化在熱、光、化學、生物、輻射作用下其性能和結學、生物、輻射作用下其性能和結構發生變化（硬化、脆化、發軟、構發生變化（硬化、脆化、發軟、發黏）。實質是大分子鏈的結構通發黏）。實質是大分子鏈的結構通過交聯和降解發生變化。過交聯和降解發生變化。2.2 2.2 非金屬材料非金屬材料的結構的結構2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強

25、化 結晶結晶：金屬從液態變成固態：金屬從液態變成固態的過程。的過程。 1.1.結晶過程結晶過程 1 1）晶核的產生；）晶核的產生；2 2）晶核的長大。）晶核的長大。 2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化 1 1）液態金屬在冷卻過程中，由于熱量向外散失，溫度不）液態金屬在冷卻過程中，由于熱量向外散失，溫度不斷下降；斷下降；n2 2）當冷卻到某一溫度時開始結晶，結晶放出的熱補償了）當冷卻到某一溫度時開始結晶，結晶放出的熱補償了向外散失的熱量；向外散失的熱量；n3 3）結晶結束，溫度重新下降。）結晶結束，溫度重新下降。理論結晶溫度純金屬純金屬多數合金多數合金實際開始結晶溫度實際冷

26、卻曲線實際冷卻曲線2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化 2.2.結晶溫度結晶溫度 純金屬由液態轉變為固態的純金屬由液態轉變為固態的溫度。溫度。2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化過冷現象過冷現象：金屬實：金屬實際結晶溫度較理論結晶際結晶溫度較理論結晶溫度低的現象。溫度低的現象。過冷度過冷度：理論結晶：理論結晶溫度與實際結晶溫度之溫度與實際結晶溫度之差。差。冷卻速度越大，過冷卻速度越大，過冷度越大，實際結晶溫冷度越大，實際結晶溫度越低，金屬的強度、度越低，金屬的強度、硬度越高。硬度越高。1TTTm2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化2.

27、3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化3.3.晶核的形成與細晶強化晶核的形成與細晶強化 自發晶自發晶：由金屬自身原子團形成晶核；：由金屬自身原子團形成晶核； 非自發非自發晶晶：依服外來固體雜質形成晶核；：依服外來固體雜質形成晶核； 細晶強化：細晶強化：金屬的強度、塑性和韌性都隨晶金屬的強度、塑性和韌性都隨晶粒的細化而提高。粒的細化而提高。2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化晶粒大小對力學性能的影響晶粒大小對力學性能的影響2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化晶粒大小對力學性能的影響晶粒大小對力學性能的影響晶粒的大小及其控制晶粒的大小及其控制1

28、. 增加過冷度，增加過冷度，提高形核率提高形核率 2. 變質處理，變質處理，促進非自發形核促進非自發形核 澆注前向金屬液體中加入一些促進生澆注前向金屬液體中加入一些促進生核或作為晶核的物質使金屬晶粒細化的核或作為晶核的物質使金屬晶粒細化的方法。方法。3. 振動，振動，打碎枝晶打碎枝晶 金屬在結晶時，對液態金屬附加振動、金屬在結晶時，對液態金屬附加振動、超聲波振動和電磁振動等措施，使結晶超聲波振動和電磁振動等措施，使結晶的金屬經振動而破碎，增加生核率，從的金屬經振動而破碎，增加生核率，從而使晶粒細化。而使晶粒細化。2.3 2.3 金屬的結晶與細晶強化金屬的結晶與細晶強化2.4 2.4 材料材料的

29、同素異構現象的同素異構現象同素異構轉同素異構轉變變：金屬在：金屬在固態固態下隨著溫度的變下隨著溫度的變化，由一種晶格化，由一種晶格轉變為另一種晶轉變為另一種晶格的現象。格的現象。 （體心體方晶格）（面心立方晶格）（體心體方晶格）91213941538純鐵的同素異構轉變2.4 2.4 材料材料的同素異構現象的同素異構現象金屬的同素異構金屬的同素異構轉變轉變遵循液體結晶的遵循液體結晶的一般規律：一般規律：n1 1、恒溫轉變；、恒溫轉變；n2 2、轉變時有過、轉變時有過冷現象；冷現象；n3 3、轉變過程由、轉變過程由生核生核和長大兩個基本和長大兩個基本過程組成。過程組成。2.4 2.4 材料材料的同

30、素異構現象的同素異構現象2.4 2.4 材料材料的同素異構現象的同素異構現象同素異構轉變，晶核優先在原來晶粒同素異構轉變，晶核優先在原來晶粒的晶界處形成，并向舊晶粒中長大，直到的晶界處形成，并向舊晶粒中長大，直到舊晶粒全部消失為止。轉變具有較大的過舊晶粒全部消失為止。轉變具有較大的過冷度和內應力。冷度和內應力。 同素異構轉變是鐵的一種重要特性。同素異構轉變是鐵的一種重要特性。是鋼和鐵接受各種熱處理，改變其組織和是鋼和鐵接受各種熱處理，改變其組織和性能的依據。性能的依據。 控制冷卻速度，可以改變同素異構轉控制冷卻速度，可以改變同素異構轉變后的晶粒大小，改變金屬的性能。變后的晶粒大小，改變金屬的性

31、能。2.4 2.4 材料材料的同素異構現象的同素異構現象2.4.1 2.4.1 同分異構現象同分異構現象化學成分相同而分子結構中原子排化學成分相同而分子結構中原子排列不同的現象。列不同的現象。 同分異構對高分子材料的性能影響同分異構對高分子材料的性能影響很大。很大。2.4 2.4 材料材料的同素異構現象的同素異構現象2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 凝固凝固：一切物質從液態到固態的一切物質從液態到固態的轉變過程。轉變過程。若凝固后形成晶體結構，若凝固后形成晶體結構，該轉變過程稱為該轉變過程稱為結晶結晶。合金相圖合金相圖：在十分緩慢的冷卻

32、條在十分緩慢的冷卻條件下，合金狀態與成分之間關系的圖件下，合金狀態與成分之間關系的圖形。形。( (狀態圖、平衡圖狀態圖、平衡圖) )。2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖n二元合金相圖的建立及勻晶二元合金相圖的建立及勻晶相圖相圖 建立合金系的相圖最主要是建立合金系的相圖最主要是測定各種不同成分合金的測定各種不同成分合金的臨界點臨界點。測定方法測定方法：磁性分析、膨脹：磁性分析、膨脹分析、電阻測量、分析、電阻測量、X X射線分析及射線分析及熱熱分析法分析法等。等。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖勻晶相圖勻晶相圖：兩組元組成的：兩

33、組元組成的合合金系金系，在液態無限互溶，在固態也，在液態無限互溶，在固態也能無限互溶，形成固溶體的相圖。能無限互溶，形成固溶體的相圖。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 Cu-NiCu-Ni合金相圖建立合金相圖建立的具體步驟：的具體步驟： n（1 1）配制配制一系列不一系列不同成分的銅鎳合金。同成分的銅鎳合金。n（2 2）將上述合金）將上述合金熔熔化化后分別測定它們的后分別測定它們的冷卻冷卻曲線并找出曲線并找出臨界點臨界點。n （3 3）將各合金臨界）將各合金臨界點標在以溫度為縱坐標、點標在以溫度為縱坐標、以成分為橫坐標的坐標系以成分為橫坐

34、標的坐標系中。中。 n（4 4）將臨界點溫度）將臨界點溫度中，相同物理意義的點中，相同物理意義的點連連接接起來。起來。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖相圖分析相圖分析 圖中圖中A A、B B分別為分別為CuCu、NiNi的熔點；兩的熔點；兩相區的存在，說明該合金相區的存在，說明該合金的結晶是在一定的溫度范的結晶是在一定的溫度范圍內進行的，不同于純金圍內進行的，不同于純金屬。只有滿足形成無限置屬。只有滿足形成無限置換固溶體的兩組元才能形換固溶體的兩組元才能形成這類相圖。成這類相圖。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.

35、1 二元合金二元合金相圖相圖合金結晶過程分析合金結晶過程分析：合金的含量不同，結晶：合金的含量不同，結晶溫度不同。溫度不同。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 設設W Wm m和和W Wn n為為t t0 0溫度下液相和固相的相對重量，溫度下液相和固相的相對重量，則：則：mkknWWnm%100mnknWm%100mnmkWn2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖n（一）共晶相圖（一）共晶相圖 共晶相圖共晶相圖：二組元在液態下無限互溶，：二組元在液態下無限互溶，在固態下有限溶解并發生共晶反映

36、的合金在固態下有限溶解并發生共晶反映的合金系形成共晶相圖。系形成共晶相圖。共晶反應共晶反應：從某種：從某種成分固定成分固定的合金的合金溶溶液液中，在中，在恒溫（共晶溫度）恒溫（共晶溫度）下同時下同時結晶結晶出出兩種成分和結構都不同的兩種成分和結構都不同的固相固相的反應。的反應。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖共晶相圖共晶相圖合金系分類合金系分類共晶合金共晶合金亞共晶合金亞共晶合金過共晶合金過共晶合金2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖圖中圖中L L為液相；為液相；為為S Sn n（錫）溶

37、于（錫）溶于P Pb b（鉛）中形成的固（鉛）中形成的固溶體；溶體； 為為P Pb b 溶于溶于S Sn n 中形成的固溶體。中形成的固溶體。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖反應產物：兩相混合物共晶組織或共晶體。反應產物：兩相混合物共晶組織或共晶體。2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 M M點（點（w wSnSn=19%=19%），），N N點（點（w wP Pb b=2.5%=2.5%），），A A、B B分別為分別為鉛鉛和和錫錫的熔點，的熔點，F F、G G點分別為點分別為、室溫下近似的溶解度室溫下近似的溶解度點。點。E E點為共晶點點為共晶點（w wSnSn=61.

38、9%=61.9%）。）。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 共析反應共析反應：由一：由一種種固相固相在在恒溫恒溫下同時下同時轉變成兩種新的固相轉變成兩種新的固相的反應。的反應。edc2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 轉變溫度較低，轉變溫度較低，原子擴散困難，容易原子擴散困難，容易獲得較大的過冷度。獲得較大的過冷度。得到的兩相共析組織得到的兩相共析組織要比共晶組織細小均要比共晶組織細小均勻。勻。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 一、

39、鐵碳合金的基本相及一、鐵碳合金的基本相及組織組織 鐵碳合金在液態是可以無鐵碳合金在液態是可以無限互溶，在固態時限互溶，在固態時C C能溶解于能溶解于FeFe的晶格中，形成間隙固溶體。的晶格中，形成間隙固溶體。當含當含C C量超過鐵的溶解度時，多量超過鐵的溶解度時，多余的余的C C便與便與FeFe形成化合物形成化合物FeFe3 3C C。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金的基本相鐵碳合金的基本相鐵素體鐵素體滲碳體滲碳體奧氏體奧氏體萊氏體萊氏體珠光體珠光體2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合

40、金相圖n（一）鐵素體（一）鐵素體碳原子固溶到碳原子固溶到FeFe中形成的中形成的間隙固溶體。間隙固溶體。常用常用“F”F”或或“”表示。表示。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n 因因C C原子半徑大于原子半徑大于FeFe晶格晶格中的最大空隙半徑，所以溶解度極中的最大空隙半徑，所以溶解度極低。低。特點特點：n、含碳量很小，其力學性能、含碳量很小，其力學性能與純鐵極為相近。與純鐵極為相近。n、強度和硬度低，而塑性和、強度和硬度低，而塑性和韌性好。韌性好。n、鐵素體在、鐵素體在770770以下具有以下具有磁磁 。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）奧氏體（二）奧氏體 碳溶于

41、面心立方晶格的碳溶于面心立方晶格的-Fe Fe 中形成的間隙固溶體中形成的間隙固溶體。用符用符號號“A”A”或或 “ “”表示。表示。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖因因-Fe-Fe晶格中的最大空隙晶格中的最大空隙半徑大于半徑大于-Fe-Fe晶格中的最大空晶格中的最大空隙半徑，所以溶碳能力比隙半徑，所以溶碳能力比-Fe -Fe 高。高。特點特點：n、具有一定強度和硬度，、具有一定強度和硬度，良好的韌性，低的塑性形變抗良好的韌性，低的塑性形變抗力。力。n、易于高溫鍛壓成型。、易于高溫鍛壓成型。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n（三）（三） 滲碳體滲碳體 鐵與碳形成的具有復

42、雜晶鐵與碳形成的具有復雜晶格的間隙化合物。格的間隙化合物。 FeFe3 3C C的含碳量為的含碳量為6.696.69，熔點為熔點為12271227。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n特點特點：n、硬度高；、硬度高；n、脆性大，塑性、沖擊、脆性大，塑性、沖擊韌性幾乎等于零。韌性幾乎等于零。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n（四）珠光體（四）珠光體鐵素體和滲碳體均鐵素體和滲碳體均勻分布的兩相機械混合勻分布的兩相機械混合物。物。代號為代號為“P”P”。 它是它是A A在冷卻過程在冷卻過程中（中（727727的恒溫下）的恒溫下）發生發生共析轉變共析轉變得到的產得到的產物，平均含

43、碳量物，平均含碳量0.77%0.77%。鐵素體鐵素體+珠光體珠光體2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n特點特點：n、有較高的強度，、有較高的強度，硬度適中。硬度適中。n、具有一定的塑、具有一定的塑性和足夠的韌性。性和足夠的韌性。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n（五）萊氏體（五）萊氏體A A和和FeFe3 3C C呈均勻分呈均勻分布的機械混合物。也稱布的機械混合物。也稱高溫萊氏體，高溫萊氏體，用符號用符號LdLd表示。表示。 它是含碳量為它是含碳量為4.3%4.3%的鐵碳合金，在的鐵碳合金，在11481148時發生時發生共晶轉變共晶轉變，從液相中同時結晶出從液相中同時結晶

44、出A A和和FeFe3 3C C。珠光體珠光體+二次滲碳體二次滲碳體2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖低溫萊氏體低溫萊氏體：P P和和FeFe3 3C C的機械混合物。代的機械混合物。代號號LdLd表示。表示。它是在它是在727 727 以以下高溫萊氏體中的下高溫萊氏體中的A A發生共析轉變成發生共析轉變成P P而形而形成。是鐵碳合金在室溫成。是鐵碳合金在室溫時的另一個基本組織。時的另一個基本組織。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖特點特點：n、硬度高。、硬度高。n、塑性很差。、塑性很差。2.5.2 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相

45、圖表示在極緩慢冷卻（或加熱）表示在極緩慢冷卻（或加熱）情況下，不同成分的鐵碳合金的情況下，不同成分的鐵碳合金的狀態或組織隨溫度變化的一種圖狀態或組織隨溫度變化的一種圖形形。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（一）（一）Fe-FeFe-Fe3 3c c相圖的重要點、線、區相圖的重要點、線、區2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（一）（一）Fe-FeFe-Fe3 3c c相圖的重要點、線、區相圖的重要點、線、區2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（一）（一）Fe-Fe3cFe-Fe3c相圖的重要點、線、區相圖的重要點、線、區、 FeFe3CFeFe3C相圖中的相圖中的主要相區主要相區

46、ACDACD線以上：線以上：L L相；相；AESG AESG ：A A相；相；AECAEC：A+LA+L相；相；DFC DFC ：FeFe3 3C C1 1+L+L相；相；GSP GSP ：A+FA+F相；相；ESKF ESKF ：FeFe3 3C+AC+A相；相；PSKPSK線以下：線以下：FeFe3 3C+FC+F相。相。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖液相液相奧氏體奧氏體高溫鐵素體高溫鐵素體鐵素體鐵素體7271148滲碳體滲碳體2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析鐵碳合金鐵碳合金工業純鐵工業純鐵W Wc c0

47、.02%0.02%；鋼鋼白口鐵白口鐵過共析鋼過共析鋼共析鋼共析鋼亞共析鋼亞共析鋼亞共晶鐵亞共晶鐵共晶鐵共晶鐵過共晶鐵過共晶鐵0.02wc0.77%Wc0.77%0.77wc2.11%2.11wc4.3%wc4.3%4.3wc6.69%2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析n、共析鋼、共析鋼合金冷卻到合金冷卻到S S點時，點時，A A發生共發生共析反應，析出析反應，析出F F和和FeFe3 3C C的機械混合的機械混合物物珠光體珠光體（P P）；）；2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二

48、）典型成分鐵碳合金結晶過程分析n、亞共析鋼、亞共析鋼由由P P和和F F組組成；成；2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析n、過共析鋼、過共析鋼由由P P和和二次二次FeFe3 3C C組成；組成；2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析n、共晶白口鐵、共晶白口鐵由由P P和和FeFe3 3C C組成的機械混組成的機械混合物（合物（低溫萊氏體低溫萊氏體）；）；2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶

49、過程分析n、亞共晶白口鐵、亞共晶白口鐵由由P P、二次二次FeFe3 3C C和和低溫萊氏體低溫萊氏體組成。組成。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析（二）典型成分鐵碳合金結晶過程分析n、過共晶白口鐵、過共晶白口鐵由由一次一次FeFe3 3C C和和低溫萊氏體低溫萊氏體組成。組成。2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖三鐵碳合金成分、組織、性能三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關系之間的關系2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖三鐵碳合金成分、組織、性能之間三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關系的關系2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖三鐵碳合金成三鐵碳合金成分、組織、性能分、組織、性能之間的關系之間的關系2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關系三鐵碳合