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机械工程材料,本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用 PowerPoint 可以跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择“会议记录”选择“即席反应”选项卡必要时输入即席反应单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。,主讲人：,孙维连,机电工程学院,2003.3.25,工程材料讲义,2,机械工程材料,绪论,第一章 金属材料的力学性质,第二章 金属的晶体结构,第三章 金属的结晶与二元合金相图,第四章 金属的塑性变形与再结晶,第五章 铁碳合金相图及碳素钢,第六章 钢的热处理及表面处理,第七章 合金钢,第八章 铸铁,第九章 有色金属及其合金,第十一章 机械零件的选材及工艺分析,退出,2003.3.25,工程材料讲义,3,内容及学时安排,共十二章40学时,第一至第四章 8学时,第五章 4学时,第六章 6学时,第七章 6学时,第八章 2学时,第九章 2学时,第十章 0学时,第十一章 4学时,2003.3.25,工程材料讲义,4,绪论,材料物质基础,石器时代,青铜器时代,铁器时代,材料既是一门古老的学科，又是一个不断焕发青春的学科。新材料不断涌现：各种功能材料，纳米材料等,2003.3.25,工程材料讲义,5,2003.3.25,工程材料讲义,6,2003.3.25,工程材料讲义,7,2003.3.25,工程材料讲义,8,2003.3.25,工程材料讲义,9,2003.3.25,工程材料讲义,10,尽管纳米科技发展的历史并不长，发展却十分迅速并已经受到国内外的广泛重视，普遍认为纳米科技是21世纪的最重要的科学技术。目前，美国、日本以及欧洲一些国家已经在纳米结构组装体系、高比表面积纳米颗粒制备与合成等技术方面做出了巨大的推进，其应用领域越来越广泛。世界工业先进国都将纳米科技列入国家主要发展计划中，加大科技投入、加强政府的组织和协调。“纳米”是个音译词，英文为“Nanometer”，其本身仅为一个长度单位，即：1米的十亿分之一。纳米大概是10个氢原子紧密排列的长度。,何 为 纳 米,2003.3.25,工程材料讲义,11,纳米材料的解释,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1100nm之间)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类，其中纳米粉末是生产其他三类产品的基础。它的特殊性主要来源于表面效应、小尺寸效应和量子效应。,2003.3.25,工程材料讲义,12,1材料发展史人类的发展史人类发展史石器时代青铜器时代铁器时代反应人类文明程度,2003.3.25,工程材料讲义,13,劳动工具机器设备车辆武器材料与人类生活和生产密切相关,2003.3.25,工程材料讲义,14,材料在现代科学中的重要地位材料信息生物能源,2003.3.25,工程材料讲义,15,材料改变了人类的生活方式石器时代-铁器时代半导体晶体管-大规模集成电路-计算机火箭-人造卫星-人造飞船-航天飞机-空间站功能材料（高温超导，形状记忆，磁性材料等）纳米材料 粉末，薄膜，碳管，块状,2003.3.25,工程材料讲义,16,材料分类工业工程分类 机械工程，土建，电工。物质结构分类金属，非金属，有机高分子，复合材料,2003.3.25,工程材料讲义,17,课程重点铁碳合金相图金属材料热处理原理与方法钢铁材料和合金钢主要掌握材料成分，组织，工艺和性能的关系,2003.3.25,工程材料讲义,18,3 钢铁生产情况1949年 15、8万吨1978年 3000万吨1998年 1亿吨2002年 1亿3千万2003年亿吨,2003.3.25,工程材料讲义,19,课程性质技术基础课叙述性强概念原理多数据多符号多计算少逻辑性差实践性强内容广泛深度浅,2003.3.25,工程材料讲义,20,学习方法重点记忆概念充分理解原理掌握各种符号表示方法6参考书工程材料徐德珠 清华大学出版社工程材料朱张校 清华大学出版社机械工程材料沈连西安交通大学,2003.3.25,工程材料讲义,21,第一章金属力学性能,力学性能强度与塑性弹性极限e屈服极限 S抗拉强度 b弹性模量（刚度）E伸长率断面收缩率,2003.3.25,工程材料讲义,22,硬度布氏硬度HB(HBS,HBW)洛氏硬度HR(HRA,HRB,HRC)维氏硬度Hv显微硬度Hm里氏硬度HL,2003.3.25,工程材料讲义,23,非静载荷强度冲击韧性ak,Ak疲劳强度-1断裂韧度K1 高温力学性能蠕变极限持久强度,2003.3.25,工程材料讲义,24,第二章 金属的晶体结构,金属材料通常都是一种晶体材料。金属的晶体结构指的是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显微组织和材料的宏观性能。,2003.3.25,工程材料讲义,25,第一节纯金属的晶体结构,一、基本知识 晶体里面的原子(或)离子都是在它的平衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结构时可以假设它们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些的几何方式紧密排列堆积而成的。图2-1a是简单的立方原子排列示意图。,2003.3.25,工程材料讲义,26,(一)基本概念,1.晶格：晶体结构的“小球”模型虽然很直观，但仍然不便与表诉晶体内部原子排列顺序规率的细节。我们可以把原子看成是一个几何质点，把原子 之间的相互作用假想为几何直线，这样一来晶体的结构就可以直接用几何学来讨论了。这种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点阵为晶格。图2-1b是简单立方晶格的的示意图。晶格中直线的交点称为结点。在运用晶格模型来讨论晶体结构时，结点可以代表一个原子(或离子)，也可以代表一个分子或原子团的中心。,2003.3.25,工程材料讲义,27,(一)基本概念,2 晶胞：晶体中原子排列规律具有明显的周期变化。因此在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。图2-1c是一个简单的晶胞示意图。晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。,3 晶格参数与晶格常数：在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的长度a,，b，c和三个棱边夹角。，共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。图2-1c,2003.3.25,工程材料讲义,28,(二)金属中常见的晶格,3 密排六方晶格：密排六方晶格属于六方角系。示意见图2-4。晶格参数a=b！=c；=；=120。每个六方晶胞中有六个原子，即1/612+1/22+3=6个。属此晶格的金属有：镁、锌、铍、钛、镉等。,1.体心立方体晶格：体心立方体晶格属于立方晶系。示意图见图2-2。晶格的参数为a=b=c；=90立方体八角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体晶胞中的原子个数为1/88+1=2个。属此晶格的金属有：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等,2.面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于立方晶系。示意见图2-3。晶格参数为a=b=c；=90。在晶胞的八个角上个又一个原子每个面心立方体晶胞个有四个原子，即1/88+1/26=4个。属此晶格的金属有：铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、铅等,2003.3.25,工程材料讲义,29,(三)晶格的致密度,晶格的致密度定义是：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。是用来表示晶体中原子排列的紧密程度经过计算可知：体心立方体的致密度为0.68；面心立方体和密排六方晶格的致密度都是0.74。,2003.3.25,工程材料讲义,30,二 纯金属的实际晶体结构,(一)晶粒和亚晶粒 在金属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒，其外形成不规则状。它们是些不规则的外形多面体，见图2-8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的原子排列不规则的区域称为晶界。实际上，晶界就是不同晶格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸很小，对于钢铁材料一般为10-1mm10-3mm。对于有色金属其晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到。如：镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米。每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多晶格位向差小于2、3的更小的晶块。这些小晶块内部是完全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一种原子排列不太规则的区域。,2003.3.25,工程材料讲义,31,(二)晶体中的缺陷,1.点缺陷：点缺陷是指以一个点为中心。在它的周围造成原子排列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子，置换原子，晶格空位三种，见图2-10。在晶格的间隙处出现多余的晶体缺陷称为间隙原子；在晶格的接点处出现缺少原子的晶体称为晶体空格；在晶格的结点处出现的原子直径不同的异类原子的晶体缺陷称为置换原子。间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个点为中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶格空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局部“靠拢”现象，称之为负畸变。晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其位置随时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。,这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局部原子排列不规则的区域。根据晶体缺陷的几何特点和原子对排列不规则性的影响范围可分为三大类。,2003.3.25,工程材料讲义,32,(二)晶体中的缺陷,2 线缺陷：线缺陷主要是指各种形式的“位错”。所谓位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个管状区域。位错有多种。最简单直观的一种称为刃型位错。它象一个刀刃的切入，故称刃型位错，见图2-11。晶格中的位错多少，可用位错密度来表示。位错密度是指单位体积内位错的错线长度，量纲为(cm-2)。晶体中的位错首先是产生于晶体的结晶过程。晶体材料的内部的位错在相应的条件下，可以产生滑移，增值，交割，缠结，攀移等行为。这对金属的强度、塑性等力学性能有重要影响。金属材料,2003.3.25,工程材料讲义,33,(二)晶体中的缺陷,3.面缺陷：晶体的面缺陷，主要是指前述的晶界和亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原子的位置处于两晶格的取向所能适应的折衷位置上。面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带。其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差的大小及晶格变化的纯度。对于金属，这个厚度通常在几个原子间距或到几百个原子间距大小的范围内变化。面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。,2003.3.25,工程材料讲义,34,第二节合金的晶体结构,在机械工程中，由于纯金属本身的力学性能很有限，满足不了实际的需要。所以，很少使用纯金属制作零部件。而是将它们熔炼成合金，从而改善他们的力学性能，满足使用需要。所以，在机械工程中大量使用的金属材料绝大多数都是合金材料。如：钢、铸铁、黄铜、青铜、硬铝、锻铝等等。由于合金不只是一种化学元素，因此合金的晶体结构要比纯金属复杂许多。而且其显微组织仅用晶粒、晶界来表示也远为不足，必须引出一些新概念。,2003.3.25,工程材料讲义,35,一、基本概念,5.显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态，大小和分布。,1.合金：合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼烧结的方法所形成的具有金属性质的新金属材料。,2.组元：组元是指组成合金的最基本的，独立存在的物质，简称元。组成合金的各种元素及各种化学元素都是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。,3.合金系：合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。,4.相：相是指在合金中，凡是化学成分相同，晶体结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀区域。,2003.3.25,工程材料讲义,36,二 合金的金相组织,由于合金的各个相的晶体结构是不同的，所以，在合金中，不同的相所在的区域具有不同的晶体结构。绝大多数的合金在液相时各组元之间都能互相溶解形成单一的均匀液相。但是，在固相时各种组元之间相互作用不同，可以形成各种晶体结构和化学成分的相。通常分为固溶体和金属化合物两大类。,2003.3.25,工程材料讲义,37,(一)固溶体,合金结晶成固态时，含量少的组元(溶质)原子分布在含量多的组元(溶剂)晶格中形成一种与溶剂有相同晶格的相，称为固溶体。可见固溶体的重要标志是与溶剂有相同晶格。根据需要 固溶体有很多种分类方法。最常用的是按溶质固溶体原子在溶剂晶格中的分布位置来分类。有间隙固溶体和置换(代位)固溶体两大类。见图2-12和图2-13。,2003.3.25,工程材料讲义,38,1间隙固溶体：,溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体，称为间隙固溶体。由于晶格的间隙通常都是很小的，所以，一般都是由原子半径较小的(0.1nm)非金属元素(如：C、N、B、O等)溶入过渡族金属中，形成间隙固溶体。例如：钢中的奥氏作就是C原子团溶到-Fe晶格的间隙中形成的固溶体。间隙固溶体对溶质溶解都是有限的，所以都是有限固溶体。间隙固溶体中，溶质原子的排列是无秩序的，所以也都是无序固济体。,2003.3.25,工程材料讲义,39,2置换固溶体,溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置，而形成的固溶体，称为置换固溶体。在有色金属合金中和合金钢中都存在着置换固溶体。置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体两类。所谓无限固溶体是指固溶体的溶解及是无限的。组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。例如：金一银合金系就是一种单相的无限的置换固溶体合金。置换固溶体中溶质原子的分布一般也是无序分布的，通常也都是无序固溶体。但是，在一定条件下也会出现有序分布。这种固溶体称为有序固溶体(也称超结构)。例如：铜一金合金系中当铜原子数与金原子数的比例为1比1或3比1并缓慢冷至室温时就会出现CuAu或Cu3Au的有序固溶体其晶格结构，见图2一14,2003.3.25,工程材料讲义,40,有序固溶体，虽然化学元素成比例，但不是化合物。当把它加热到一定温度时就会变成无序固溶体。若是把它再缓慢地冷到这个温度之下又可变为有序的。这个无序到有序的转变过程称固溶体的有序化。固溶体的有序化也会变化。如：硬度和脆性增加，塑性和电阻率下降等。,2003.3.25,工程材料讲义,41,3.固溶体的溶解度,溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度。港质在固溶作中的体中的溶解度。不同固溶体的溶解度不相同。同一种固溶体随温度溶解度也增加，反之下降。,2003.3.25,工程材料讲义,42,4影响因溶体的晶体结构和溶解度主要因素目前已被公认的主要因素有：,(1)原子直径因素：当溶质与溶剂的原子直径相差较小时易形成置换固溶体，而且直径差愈小，其溶解度也会愈大。这是因为，原子直径差会引起晶格的畸变，使晶格的畸变能增加。原子直径差愈大，畸变能增加愈剧。随着畸变能的增加将使这种固溶体晶格结构的稳定性下降。自然这种固溶体本身的存在也就不稳定了，这将会导致其它相的形成。但是，若两种原子直径差愈小，畸变能增加也愈小，尽管固溶体浓度不断增加，也不致于因畸变能的原因而引起其晶格结构的改变。这就有可能形成无限固溶体。当溶质与溶剂的原子直径差很大时是不能形成置换回溶体的。但是，却可以形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度较小。,2003.3.25,工程材料讲义,43,(2)负电性因素：所谓负电性是指某元素的原子从其它元素原子夺取电子而变成负离子的能力。在元素周期表中，两种元素的位置距离愈远，则其负电性差也愈大。两元素负电性愈大，则化学亲合的能力也愈大。它们之间就易于形成化合物，而不利于形成固溶体，即使形成固溶体其溶解度也很小。,2003.3.25,工程材料讲义,44,(3)电子浓度因素：在合金中，价电子数目否与原子数目n之比称为电子浓度。对于固溶体来讲，当溶质原子与溶剂原子的价电子数不相同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体晶格中的电子浓度以及电子云的分布有所改变。并且，随着溶入的溶质数量愈多，电子浓度改变愈大。直至达到某一个极限电子浓度时，此固溶体的晶格结构就不稳定了。将会出现新的相。可见，每种固港体只能稳定的存在于一定的电子浓度范围之内。例如：对于溶剂是一价的，而溶质是高于一份的固溶体，若晶格结构是面心立方，其电子浓度的极限值为l.36。若固溶体具有体心立方晶格则电子浓度的极限值为1.48。,2003.3.25,工程材料讲义,45,(5)温度因素：在一般情况下，固溶体随温度升高其溶解度也增加 这可能与固溶体晶格上原子的热振动有关。,(4)晶体结构因素：在多数的情况下，晶格类型相同的元素之间溶解度较大。晶格类型不同的元素之间溶解度较小。无限固溶作只能产生于相同晶格结构的元素之间。,2003.3.25,工程材料讲义,46,上述五种因素的综合作用决定了固溶体的种类及其溶解度的大小。如：钢铁中常见的五元素(C、Si、Mn、S、P)与铁元素的关系。C原子半径较小(0.077nm)与过渡族元素Fe在一定的条件下能形成间隙固溶体。C固溶到体心立方的-Fe中形成的间隙固溶体(铁素体)，室温时的溶解度很小(0.0008%)近于零。当温度升高到727C时获得最大溶解度为0.02%。C固溶到面心立方的-Fe中所形成的间隙固溶体(奥氏体)最大溶解度可达2.11%。Si、Mn、S、P的原子直径远大于C原子的。因而与Fe只能形成置换固溶体。其中Si、Mn与Fe的负电性差及原子尺寸差均较S、P的小，所以，Si、Mn在Fe中的溶解度较大而S、P在Fe中的溶解度较小。尤其是S，它的原子直径与Fe原子直径差约为18%，既不非常大，也不非常小，再加上负电性相差也很大，所以，S几乎不溶于Fe，但与 Fe易形成有害化合物FeS。,小 结,2003.3.25,工程材料讲义,47,5固溶体的性能,当溶质含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质含量的升高，通常都会使固溶体的强度、硬度升高；塑性、韧性下降；电阻率、磁矫顽力升高。通常把溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称之为固溶强化。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。如果适当控制港质的浓度，可以在显著提高金属材料强度和硬度的同时，仍可以保持相当好的塑性和韧性。工业上使用的金属材料多数都是单相固溶体合金和以固溶体为基体的多相合金。,2003.3.25,工程材料讲义,48,当然仅靠固溶强化来提高金属材料的强度和硬度还是很有限的。但是可以在固溶强化工基础上再适当配合其它强化手段，就会使金属材料起到所需的各种强韧巨。其它强化方法要还有：细晶强化、第二相弥散强化、热处理相变强化、加工硬化等。这些强化方法将教材后面的内容中陆续介绍。,2003.3.25,工程材料讲义,49,(二)金属化合物,在合金中，当溶质组元的质量分数超过固溶体的溶解度将会产生新相。这个新相可能以另一组元为溶剂的另一种固溶体。也可能产生一种晶格结构不同于任一组元的化合物。如钢中的Fe3C、FeS、MnS；黄铜中的相(CuZn)等。若化合物的结合键中有一定程度的金属键，则该化合物就具有一定的金属性质。这种具有金属性质的化合物被称之为金属化合物。如：Fe3C、CuZn就是金属化合物。而FeS、MnS主要是离子键结合，没有金属性质称为非金属化合物。在合金中，金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。非金属化合物在合金中通常都会降低合金的性能，它们的存在愈少愈好。非金属化合物常被称为非金属夹杂物，简称夹杂。,2003.3.25,工程材料讲义,50,金属化合物一般都具有复杂的晶格结构、熔点高、硬而脆。在合金中金属化合物的多少。形态、大小、分布的方式等对合金的性能有不同的影响。若弥散均匀分布可提高合金的强度，硬度和耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。若以网状或大块条状分布，则会严重降低合金的各种力学性能。通过热处理及锻造可以改变金属化合物在合金中的分布状况。按照金属化合物形成的条件可分为三大类：,2003.3.25,工程材料讲义,51,1正常价化合物,这是一种符合化合物原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。通常由在元素周期表上相距较远、电化学性质相差很大的两种元素化合而成。例如：强金属元素与非金属或类金属元素(Sb、Bi、Sn、Ph等)形成的化合物 Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物化学成分固定，一般不会形成以化合物为基的固溶体。它常被用作铝合金、青铜等材料的强化相。,2003.3.25,工程材料讲义,52,2.电子化合物,这是一类不遵守原子价规律而服从电子浓度规律的化合而成。当电子浓度为2114、2113、2112时，则分别形成体心立方的电子化合物(相)、复杂体心立方的电子化合物(相)，密排立方体(相)。见表2-2。电子化合物的晶体结构主要取决于电子浓度。但是，元素的原子直径和电化学性质等因素也对晶格结构类型有影响。例如：当组成电子化合物的两元素的原子直径差很小时，电子浓度为2114的电子化合物的晶格结构除体心立方外，还可能是密排六方结构。,2003.3.25,工程材料讲义,53,电子化合物虽然可以用化学式来表示，然而其化学成分通常并不是一个固定值，而是可以在一定范围内变化的。例如：电子化合物 CuZn中Zn的质量分数可以变化的范围是由36.8%到56.5%。这种化学成分不是化学式中标称值的电子化合物，被称为是以这种电子化合物为基的固溶体。其性能与相应的电子化合物相同。电子化合物及其固溶体都是金属键结合，具有明显的金属特性，并且溶点、硬度均较高，塑性很低。在合金中一般不作为基体相，而是以弥散分布的第二相形式来强化合金。在有色金属合金中，它常作为一种强化相与基体的固溶体相相互配合来调整合金的性能。电子化合物晶格中，各组成元素的原子间多呈无序分布状态。但有些电子化合物在缓慢冷却时也可变成有序分布，出现有序化转变现象。,2003.3.25,工程材料讲义,54,这是一种以原子直径较大的过渡族金属与原子直径很小的非金属原子组成的化合物。非金属原子有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中，所以称为间隙化合物。,3间隙化合物,它可分为两类：,2003.3.25,工程材料讲义,55,(1)间隙相当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相。从表21中可见非金属元素碳的原子直径为0.154nm，而金属元素钛的原子直径为0.293nm。它们的比值小于0.59，所以形成的间隙化合物TiC就是一种间隙相。其晶格结构见图215。从图上可见Ti原子处与面心立方体的结点上，而C原子处于晶格的间隙中。过渡族金属的氮化物，氢化物及部分化物都是间隙相。如：W2C，TiC，TiN，Fe4N，Nb4C，Fe2N，Ti，TiH2。,2003.3.25,工程材料讲义,56,间隙相都可以写成固定原子比的化学式形式：M4X、M2X、MX、MX2，M代表过渡族金属元素，X代表非金属元素C、N、H。但是，在间隙相中两种元素的原子数量之比实际上可从在一定范围内变化。例如：TiC中的金属Ti的原子数量与非金属C的原子数量比可由Ti2C到TiC之间变化形成间隙缺位固溶体。间隙相中除MX型中的氮化物是体心立方体晶格，WC，MoN是简单六方晶格及M2X型多是密排六方晶格，其余都是面心立方晶格。,2003.3.25,工程材料讲义,57,(2)复杂结构的间隙化合物当非金属原子直径与金晶原子直径之比大于0.59则不能产生间隙相，而产生复杂晶格结构的间隙化合物。过渡族金属的硼化物及部分碳化物都是复杂结构的间隙化合物。在钢铁材料中，常见的复杂结构的间隙化合物有Fe3C、FeB、Cr23C6、Cr7C3等。Fe3C是碳素钢中重要的强化相。其晶格结构，见图216。是由碳原子组成的正交晶格(=90，abc)，每个碳原子周围都配有六个铁原子，并组成一个八面体。八面体内只有一个碳原子，而八面体上的每个铁原子只有一半属于这个八面体。所以保证了Fe与 C的原子数比为 31。形成较稳定的 Fe3C金属化合物。,2003.3.25,工程材料讲义,58,复杂结构化合物中的金属原子和非金属原子都可以被别的原子所置换，形成以复杂结构化合物为基的置换固溶体。例如：Mn或Cr置换渗碳体Fe3C中的部分Fe原子，则形成(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等合金渗碳体；再如N或B置换部分C原子，则形成Fe3(C、N)、Fe3(C、B)等合金渗碳体。复杂结构化合物置换固溶体与相应的复杂结构。化合物的性能相似，都是又硬又脆高熔点，见表23。形成间隙化合物的过渡族元素的d层电子数愈少与碳的亲合力就愈强，形成的化合物也愈稳定。其中间隙相更稳定，熔点和硬度也更高。间隙相TiC的硬度最高，可达2850HV左右，复杂结构的间隙化合物Fe3C硬度最小，约为860HV左右。过渡族中钻、镍等元素d层电子较多，不生成碳化物。,返回,2003.3.25,工程材料讲义,59,晶格、晶胞,返回,2003.3.25,工程材料讲义,60,晶格、晶胞,返回,2003.3.25,工程材料讲义,61,晶格、晶胞,返回,2003.3.25,工程材料讲义,62,体心立方,返回,2003.3.25,工程材料讲义,63,面心立方,返回,2003.3.25,工程材料讲义,64,密排立方,返回,2003.3.25,工程材料讲义,65,晶粒与晶界,返回,2003.3.25,工程材料讲义,66,亚晶粒与亚晶界,返回,2003.3.25,工程材料讲义,67,点缺陷,返回,2003.3.25,工程材料讲义,68,线缺陷,返回,刃型位错示意图,2003.3.25,工程材料讲义,69,间隙固溶体,返回,2003.3.25,工程材料讲义,70,置换固溶体,返回,2003.3.25,工程材料讲义,71,返回,2003.3.25,工程材料讲义,72,合金中常见化合物及结构,返回,2003.3.25,工程材料讲义,73,元素周期表,返回,2003.3.25,工程材料讲义,74,间隙相碳化钛,返回,2003.3.25,工程材料讲义,75,返回,2003.3.25,工程材料讲义,76,返回,返回Fe3C,2003.3.25,工程材料讲义,77,第三章 金属的结晶与二元金相图,金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。所谓结晶就是指晶体材料的凝固。结晶之后得到的金属材料显微组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。,2003.3.25,工程材料讲义,78,第一节 金属结晶的基础知识,液态金属的冷却过程可以用热分析法测出的冷却曲线(温度-时间关系曲线)来表述，见图3-1。从曲线上可以明显地见到结晶开始和结晶结束的温度。对于纯金属在结晶过程中保持恒温。也就是说纯金属的结晶温度为某一温度值。但是，对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速度非常慢(平衡态冷却速度)时，对于成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。当冷却速度时增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加大而增加。,一、结晶的温度与过冷现象,2003.3.25,工程材料讲义,79,在图3-1中虚线是以平衡状态的冷却速度(Vm)冷却(冷速极慢)的金属冷却曲线。实线是在某一实际冷却速度(V1)冷却的金属冷却曲线。V1Vm。图中T1是纯金属在冷速V1是的实际结晶温度。Tms、Tmf分别是合金在平衡状态下的结晶开始温度和结晶结束温度。T1s、T1f分别是V1冷速下合金的实际结晶开始温度和结晶结束温度。理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度(T)。对于纯金属其过冷度T=Tm-T1。金属的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这中现象称过冷现象。金属结晶中的过冷度大小主要取决于金属液的冷却速度和金属液中杂质的含量。冷速愈大，金属纯度愈高，过冷度也愈大。,2003.3.25,工程材料讲义,80,纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜热”。而着潜热刚好弥补了金属液再冷却过程中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态。(实际上，对于纯金属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度平台上)。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐下降。对于合金(除固定成分外)，在结晶过程虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温度区间中完成。,2003.3.25,工程材料讲义,81,液态金属冷却到结晶开始温度为什么会出现液态固相的转变呢？,这是有物质自由能状态函数决定的。达到了结晶开始温度，同种化学成分金属其固态的自由能就开始低于液态的，由于物质在通常条件下都是自动朝自由能低的方向转变，而且这个自由能差愈大，其转变也愈快。可见自由能差是液固转变的推动力。也就是说自由能是金属结晶的动力学条件。而自由能差是液固转变的推动力。而自由能差的大小又取决于过冷度的大小。显然，过冷度也就是金属结晶的动力学条件。金属的结晶过程是原子由不规则排列向规则排列的变化过程。这是需要原子进行迁移和扩散。一定的结晶温度就可以保证原子必要的运动、保证足够的扩散能力。足够的温度是完成结晶过程的热力学条件。,2003.3.25,工程材料讲义,82,只有当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不可。例如：只有热力学条件而没有动力学条件金属不能凝固结晶；若只有动力学条件而没有热力学条件金属虽然可以凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度非常大，使过冷度极大，原子来不及扩散就会出现非晶金属。目前，在工业上已据此制造出了非晶金属微粉和箔。,2003.3.25,工程材料讲义,83,二金属的结晶,(一)金属结晶的一般过程 小体积的液态金属其结晶过程，见图3-2。当液态金属的温度降到一定的过冷度之后，在液态金属中就开始出现一些极细小的固相小晶体，这就是晶核。晶核不断地从周围的液态金属中吸附原子使之不断长大。在一些晶核长大的同时，还会有新的晶核不断产生和长大，直到全部液态金属都凝固。每一个晶核都长大成为一个晶粒。最后便形成了有许多晶粒组成的金属多晶体。这些晶粒有不规则的外形、晶格位向也各异。可见，金属结晶的过程包括成核和长大两个基本过程，而且，这两个过程同时进行。,2003.3.25,工程材料讲义,84,(二)晶核的形成,晶核的形成分为均匀(自发)成核和非均匀成核。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫均匀成核，也成自发成核。在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原子集团(即结构起伏)。这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某些进程有序原子集团的尺寸一旦不小于该温度下的临界晶核尺寸就会稳定下来,成为新生固相的晶核。临界晶核尺寸是随着过冷度减小而增大的。若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷大，即不能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸也愈小。这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。,2003.3.25,工程材料讲义,85,在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核(非自发成核)。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多。现成界面的状态(表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等)影响着非均匀成核的能力。均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率(N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。,2003.3.25,工程材料讲义,86,(三)晶核的长大,晶核长大的实质就是晶核的固体界面向母相内不断的推进。所需的原子由母相不断地提供，通过原子本身的迁移和扩散来完成。晶核长大的能力可用晶核长大线速度G来表示，简称为长大率。长大率是指单位时间晶核界面向母相中推进的距离。在结晶这种液固相变中，母相指的就是液相。在以后将要讲的固态相变中母相是指原来的相。,2003.3.25,工程材料讲义,87,晶核长大的方式的分类(两类),另一类是绝大多数的纯金属及合金都是以树枝状的枝晶形式长大。枝晶长大是金属结晶的普遍方式。这是由于金属结晶时液态母相都是处于过冷状态，具有负的温度梯度。,一类是非金属晶体、少量纯金属和金属化合物(如：Si、Ge、Sb、CuAl2、Cu2Sb等)是以“生长台阶”形式长大。,2003.3.25,工程材料讲义,88,液态晶核长大过程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具有散热优势，将优先长大，形成象树枝生长一样，先长出干枝称为一次晶轴。在一次晶轴变粗变长的同时，在其侧面的凸出部位或晶体缺陷部位又会长出分枝称为二次晶轴，随着时间的推移，二次晶轴的见的空隙也都被填满。最后每个晶核都长大，形成一个是树枝状的晶粒枝晶，如图3-3。金属晶体就是有这些晶粒组成。因为金属是不透明的，且晶粒又很小，所以平常难以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情况下也是可以看到的。如镀锌钢板表面上的锌晶粒花纹以及水结晶成雪花等都是枝晶生长的可见实例。,2003.3.25,工程材料讲义,89,(四)金属结晶后的晶粒大小,晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。纯铁的晶粒大小与力学性能的关系见3-1。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素。,2003.3.25,工程材料讲义,90,金属结晶时的成核率N和长大率G与结晶后的晶粒大小有密切关系。而成核率与长大率又与过冷度有直接关系，见图3-4。从图上可见，随过冷度的增加，N与G均增加，但成核率N的增加速度更快些。单位面积内的晶粒数Zs与成核率和长大率G有如下的经验关系式 Zs=1.1N/G显然，加大过冷度会使Zs增加，即增加过冷度会使结晶后的晶粒变小。结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。,2003.3.25,工程材料讲义,91,从公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使长大率G减小的因素都能促进晶粒细化。增加冷却速度可以细化晶粒，但是，同时使结晶时的铸造应力增加。另外，对于大体积的铸锭与铸件提高冷速是困难的。团此，在实际铸造生产中往往采用“变质处理”，即在浇注之前向金属液中加入某些物质(变质剂)来促进晶粒细化。变质剂主要有两大类型。其一是，变质剂作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加 Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加St、Ca等。另一是，变质剂作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来细化硅的晶粒。在生产工艺中，有时还采用振动的手段造成枝晶