《金属材料与热处理》第二章-金属的晶体结构与结晶.ppt

1、1,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,2,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,水晶1,3,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,菱锰矿,4,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,黄铁矿,5,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,绿色鱼眼石,6,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,明矾,7,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,食盐,8,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,重点：掌握常见的3种晶格结构；了解晶体缺陷的类型和影响；了解常用合金的晶体结构和结晶过程。,学习规律：,温度,成分,组织结构,9,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 一.金属的晶体结构,单元一 金属的晶体结构,10,学习情境二：金属的晶体结构与结晶

2、一.金属的晶体结构,一、晶体与非晶体,典型物质外形性能熔点,固态物质分类：晶体 非晶体,原子按一定规律排列 原子无序堆积,明矾、食盐 玻璃、橡胶,各向异性 各向同性,有固定熔点 无固定熔点,规则几何外形 无规则形状,概念,11,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 一.金属的晶体结构,晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何图形。,二、晶体结构的基本知识,晶胞：能完整地反映晶体特征的最小几何单元。,12,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,晶面：描述由原子构成的面。,晶向：通过两个或两个以上原子中心的直线。,13,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,不同的金属具有不同的晶格类型，常见的

3、晶体结构有三种类型：,三、常见金属晶格类型,1、体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排六方晶格,14,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,典型金属：钨（W）、铁（-Fe）,体心立方晶格：,晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。,15,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,典型金属：铜（Cu）、-铁（-Fe）,面心立方晶格：,晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。,16,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,密排六方晶格：,晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。,典型金属：镁（Mg）

4、、锌（Zn）,17,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,四、金属的实际晶体结构和晶体缺陷,多晶体：许多晶粒组成的晶体。各向同性,晶粒：外形不规则的小晶体颗粒。各向异性,晶界：晶粒与晶粒之间的界面,单晶体：（图a)晶格方位完全一致,18,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,2、晶体中的缺陷,晶体中原子规则排列受到破坏的某些区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷的存在提高了金属的强度。,根据缺陷的几何特征可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷,19,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,1）点缺陷,20,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单元一,2）线缺陷,21,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 单

5、元一,3）面缺陷,22,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,思考题1.金属晶格的基本类型有哪几种？,2.金属晶体各向异性的原因？,3.晶体缺陷的种类？,答：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。,答：各个晶面与晶向上原子排列的紧密程度不同。,答：点缺陷、线缺陷和面缺陷。,23,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,单元二 纯金属的结晶,24,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,金属制件的生产过程：原材料融化冶炼浇注制件,液态,温度,固态,25,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,一、冷却曲线与过冷度,a.理论结晶曲线,b.实际结晶曲线,1-2 结

6、晶平台,T 过冷度,To 理论结晶温度,过冷度与冷却速度有关,T1 实际结晶温度,26,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,二、纯金属的结晶过程,形核,晶核长大,液,固,27,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,三、晶粒大小对金属力学性能的影响,试验证明：晶粒越小，强度、塑性、韧性越大,晶粒越小，晶界越多，晶粒与晶粒间越紧固，强度韧性越好；同时，塑性变形可以分散在更多的晶粒内进行，塑性越好。,28,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,细化晶粒的途径：1)增加过冷度：形核率比晶核长大速度快2)变质处理：促进形核或抑制晶核长大；3)振动处理：增加晶核

7、数目,从结晶过程可以得知：晶粒的大小，取决于形核率和晶核长大速度。,29,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶,四、金属的同素异构转变,定义：金属在固态下，随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。如：铁、钛、锡、锰等等,30,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,成分组织结构性能,（改变合金的成分比例）,能不能把不同性能的金属熔合呢？,31,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,单元三 合金的晶体结构与结晶,32,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,一、合金的基本概念,1、合金：两种或两种以上金属元素或金属与非金属

8、元素熔合在一起形成的、具有金属特性的物质。,如：黄铜=铜+锌 钢铁材料=铁+碳,2、组元：组成合金最基本的并能独立存在的物质，简称元。,如：二元合金，三元合金，多元合金,33,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,3、合金系：由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为合金系，简称系。,如：单元系，二元系，三元系,4、相：金属或合金中化学成分、晶体结构均相同的组成部分成为相。,如：钢在固态下由铁素体和渗碳体两相组成。,34,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,二、合金的组织,液态：多数合金的组元都能相互溶解，均匀液相。,固态：,35,学习情境二：金

9、属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,1.固溶体:合金中一个组元溶解其他组元，或组元间互相溶解而形成的均匀固相。,1）间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中,36,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,2）置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格中的某些原子。,固溶体的结构保持溶剂金属的晶格类型。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。,37,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,合金中各组元按一定比例结合形成的一种具有金属特性的晶体相。一般可用化学分子式来表示。,2.金属化合物,3.机械混合物,由两相或两相以上组成的多相组织。在机械混合物中，各组成相仍保持原有的晶格类型和性能。

10、,38,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,三、合金的结晶过程,合金相图：选取不同成分的合金进行试验，分析其在加热、冷却过程中内部组织结构的变化，绘制成图，称为合金相图。,1、二元合金相图的测定,1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如左图所示3）找出图中各冷却曲线上的相变点。4）将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。5）连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线（包括上边的液相线和下边的固相线）。,39,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,2）置换固溶体,铜镍合金相图测定流程,40,学习情境二：金属

11、的晶体结构与结晶三.合金的结晶,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,41,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,通过对合金结晶过程的分析，常见的二元合金相图有三种：,2、合金的结晶,匀晶相图共晶相图（亚共晶合金、共晶合金、过共晶合金）共析相图,42,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,1）.匀晶相图,铜镍合金相图就属于典型的二元匀晶相图。,具有匀晶相图性质的合金的两组元是晶格类型相同、原子半径相近的金属元素。,定义：两组元在液态和固态均可彼此无限溶解的合金相图，称为,43,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的

12、结晶,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变 L,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,匀晶合金的结晶过程,44,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,两组元在液态互溶，在固态有限溶解，并发生共晶转变的合金相图，称为,2）共晶相图,典型合金有铅锡合金等。以E点为界，E点为共晶合金，M-E亚共晶合金，E-N过共晶合金。,共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相合金，同时结晶出成分一定的两个固相的过程。,45,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,46,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,c,e,F,

13、G,X1,T,C,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1,2,3,4,a、锡Sn的质量分数小于19%时的结晶过程,47,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,X2,T,C,t,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,183,M,N,E,A,B,b、锡Sn的质量分数为61.9%时的结晶过程,48,共晶合金的几种典型组织,49,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,C、亚共晶合金锡Sn的质量分数为19.2-61.9%时的结晶过程,50,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,d、过共晶合金锡Sn的质量分数为61.9-

14、97.5%时的合金。结晶过程与亚共晶合金类似。,51,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,3）共析相图,dce共析线,在二元合金相图中，经过高温匀晶转变所形成的固溶体在冷却到某一温度时又发生分解而形成两个新的固相的现象，这种相图称为,52,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,合金结晶过程与分类（小结）,匀晶相图：液态、固态无限溶解,共晶转变：一定温度下，一定成分的液相合金，同时结晶出成分一定的两个固相。共析转变：一定温度下，一定成分的固相合金，同时析出两个不同成分的固相。,共晶相图：液态互溶，固态有限溶解,共析相图：经过高温匀晶转变的固相，冷却后又发生分解形成两个新固相

15、,53,学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶,四、合金性能与相图的关系 合金的成分组织性能，相图与性能之间的关系：,1、力学性能与相图的关系合金的强度和硬度大约是两种组织性能的平均值。,2、合金铸造性与相图的关系 合金相图中，固相线和液相线的距离越近，合金的铸造性能越好。,54,学习情境二：金属的晶体结构与结晶 三.合金的结晶,练习题,1、金属晶体具有各向异性的原因？,2、常见的二元合金相图有哪几种？,55,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响,56,(3）亚共晶合金锡Sn的质量分数为19.2-61.9%时的结晶过程,57,58,59,学习情境二：金属的晶体结构与结晶,2）置换固溶体,