第二章金属学基础知识.docx
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第二章金属学基础知识
课时授课计划
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金属工艺
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屈道强
序号
3
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编制日期
课型
理论
节次
教具
课题
第一节金属的晶体结构
目
的
要
求
1．了解晶体结构的缺陷；
2．掌握晶体与非晶体的有关概念。
重点
与
难点
重点：
掌握晶体与非晶体的有关概念；
难点：
对晶格类型的理解。
课程
导入
设计
材料的不同，性能也不同？
教法
设计
讲授教学法
作业
与
思考
P31
课
后
记
事
第二章金属学基础知识
第一节金属晶体结构
一、晶体与非晶体
1.固态物质的分类
一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。
2.晶体的特征
①晶体是指其组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质，如图2-1
②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
3.非晶体的特征
非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。
二、晶体结构的基本知识
（一）晶格
把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。
这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。
（二）晶胞
组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。
（三）常见的金属晶格类型
1．体心立方晶格，如图2-2。
体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。
具有这种晶格的金属有钨（W）、钼（Ｍo）、铬（Ｃr）、钒（Ｖ）、α铁（α－Fe）等。
2．面心立方晶格，如图2-3。
面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。
具有这种晶格的金属有金（Ａu）、银（Ag）、铝（Ａl）、铜（Ｃu）、镍（Ni）、γ铁（γ－Ｆe）等。
3．密排六方晶格，如图2-4。
密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个。
具有此种晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、α钛（α-Ti）等。
三、金属的实际晶体结构
1.单晶体
如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。
2.多晶体
①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。
②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
③将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的内界面称为晶界。
④在晶界上原子的排列不象晶粒内部那样有规则性，这种原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。
3.晶体缺陷分为以下三种：
（一）点缺陷，如图2-6
♦点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。
♦原子空缺的位置称为空位。
♦存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。
（二）线缺陷，如图2-7
♦线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷，主要是指各种类型的位错。
♦位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。
由于位错存在，造成金属晶格畸变，并对金属的性能，如强度、塑性、疲劳及原子扩散、相变过程等产生重要影响。
（三）面缺陷，如图2-8
♦面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，通常是指晶界。
在晶界处由于原子呈不规则排列，使晶格处于畸变状态，它在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的强度和硬度有所提高。
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第二节纯金属的结晶
目
的
要
求
1．了解晶体结构的缺陷；
2．掌握晶体与非晶体的有关概念。
重点
与
难点
重点：
掌握晶体与非晶体的有关概念；
难点：
对晶格类型的理解。
课程
导入
设计
材料的不同，性能也不同？
教法
设计
讲授教学法
作业
与
思考
P31
课
后
记
事
第二节纯金属的结晶
一、冷却曲线与过冷度
1．纯金属冷却曲线。
将纯金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，最后将测量结果绘制在温度──时间坐标上，即可得到纯金属冷却曲线，如图2-9（a）。
2.理论结晶温度
纯金属的冷却曲线上出现水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属的理论结晶温度（T0）。
3.实际结晶温度
非纯金属在结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始结晶，这种现象称为过冷，如图2-9（b）。
③理论结晶温度T0和实际结晶温度T1之差△T，称为过冷度。
④过冷度并不是恒定值
试验指出：
金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。
金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。
金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。
二、金属的结晶过程
实验证明：
液态金属在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体，称为晶核。
随着时间的推移，已形成的晶核不断长大。
与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至液态金属全部凝固，如图2-10。
三、金属结晶后的晶粒大小
1．晶粒大小对金属力学性能的影响
一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好，如表2-1。
2．细化晶粒的方法
（1）加快液态金属的冷却速度，如降低浇注温度。
（2）变质处理。
在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。
加入的少量固体材料可起晶核的作用，从而达到细化晶粒的效果。
（3）采用机械振动、超声波振动和电磁振动等，可使生长中的枝晶破碎，使晶核数增多，从而细化晶粒。
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课题
第三节金属的同素异构转变
目
的
要
求
1．了解晶体结构的缺陷；
2．掌握晶体与非晶体的有关概念。
重点
与
难点
重点：
掌握晶体与非晶体的有关概念；
难点：
对晶格类型的理解。
课程
导入
设计
材料的不同，性能也不同？
教法
设计
讲授教学法
作业
与
思考
P31
课
后
记
事
第三节金属的同素异构转变
金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转变或称同素异晶转变，如铁、锰、钛等，在结晶成固态后继续冷却时晶格类型还会发生变化，如图2-11。
同素异构转变是钢铁的一个重要特性，它是钢铁能够进行热处理的理论依据，同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的（犹如队列变换队形一样），这一过程有如下特点：
（1）同素异构转变是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程来完成，新晶核优先在原晶界处生成；
（2）同素异构转变时有过冷（或过热）现象，并且转变时具有较大的过冷度；
（3）同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段，但这种转变是在固态下进行的，它与液体结晶相比具有不同之处；
（4）同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。
小结与作业
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课题
第四节合金的晶体结构
目
的
要
求
1．了解组元的概念；
2．掌握合金晶体的有关概念。
重点
与
难点
重点：
合金的晶体结构、固溶体、铁碳
合金基本组织
难点：
对组织、相、固溶体的理解
课程
导入
设计
合金材料的不同，性能也不同？
教法
设计
讲授教学法
举例说明相的含义，如糖水、盐水、过饱和
状态的盐水等
作业
与
思考
P31
课
后
记
事
第四节合金的晶体结构
一、基本概念
1．合金
合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。
2．组元
组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
一般来说，组元就是组成合金的元素，但有时也可将稳定的化合物作为组元。
3．合金系
由若干给定组元按不同比例配制而成的一系列化学成分不同的合金，称为合金系。
4．相
在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分叫相。
5．组织
用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况叫组织。
二、合金的晶体结构
根据合金中各组元间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。
（一）固溶体
合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。
1．置换固溶体
溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。
按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。
溶解度主要取决于组元间的晶格类型、原子半径和原子结构。
实践证明，大多数合金只能有限固溶，且溶解度随着温度的升高而增加。
只有两组元晶格类型相同，原子半径相差很小时，才可以无限互溶，形成无限固溶体。
2．间隙固溶体
溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂结点位置，而嵌入各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。
由于溶剂晶格的间隙有限，所以，间隙固溶体只能有限溶解溶质原子，同时只有在溶质原子与溶剂原子半径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。
间隙固溶体的溶解度与温度、溶质与溶剂原子半径比值以及溶剂晶格类型等有关。
通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
实践证明：
只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能在显著提高金属材料强度的同时仍然使其保持较高的塑性和韧性。
（二）金属化合物
金属化合物是指合金中各组元间原子按一定整数比结合而形成的晶体相。
金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。
合金中出现金属化合物时，通常能显著地提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显地降低。
（三）机械混合物
由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。
在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格类型和性能，而整个机械混合物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。
在金属材料中使用的合金材料绝大多数是机械混合物这种组织状态。
三、合金的结晶特点
合金结晶过程同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程。
合金与纯金属结晶的不同之处，如图2-13。
（1）纯金属结晶是在恒温下进行，只有一个临界点。
而合金则绝大多数是在一个温度范围内进行结晶，结晶的开始温度与终止温度不相同，有两个或两个以上临界点。
（2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有变化，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。
（3）合金结晶后不是单相，一般有三种情况：
单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物（如共晶体）；结晶开始形成单相固溶体（或单相化合物），剩余液体又同时结晶出两相机械混合物（如共晶体）。
（4）由一定成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质转变过程称为共晶转变（或称共晶反应），其结晶产物称为共晶体。
实验证明：
共晶转变是在恒温下进行的。
（5）在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质转变过程，称为共析转变（或称共析反应）。
共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。
课时授课计划
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课题
第五节铁碳合金的基本组织
目
的
要
求
1.了解铁碳合金的基本组织特征和性能
2.掌握常用组织的机械特性;
重点
与
难点
重点：
掌握常用组织的机械特性;
难点：
铁碳合金的基本组织特征和性能
课程
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不同的金属为什么具有不同的特性
教法
设计
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作业
与
思考
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课
后
记
事
第五节铁碳合金的基本组织
铁和碳的合金称为铁碳合金，如钢和铸铁都是铁碳合金。
铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
一、铁素体（F），如图2-14，如图2-15
铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F（或α）表示。
α-Fe的溶碳量很小，在727℃时溶碳量最大（WC=0.0218%），随着温度的下降其溶碳量逐渐减少。
铁素体在770℃（居里点）有磁性转变，在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。
二、奥氏体（A），如图2-16，如图2-17
奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和（或）其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A（或γ）表示。
奥氏体溶碳能力较大，在1148℃时溶碳量最大（WC=2.11%），随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为WC=0.77%。
稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。
奥氏体是非铁磁性相。
三、渗碳体（Fe3C），如图2-16
渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。
渗碳体的碳的质量分数是6.69%，熔点为1227℃，其分子式为Fe3C，以符号Cm表示。
渗碳体不发生同素异构转变，有磁性转变，在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去磁性。
渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成铁和石墨，这一过程对于铸铁的生产具有重要意义。
四、珠光体（P），如图2-19
珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。
珠光体是铁素体（软）和渗碳体（硬）组成的机械混合物。
常用符号“P”表示。
在珠光体中，铁素体和渗碳体仍保持各自原有晶格类型。
珠光体中碳的质量分数平均为0.77%。
珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织。
五、莱氏体（Ld）
莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。
WC＞2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1148℃时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体用符号Ld表示。
由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以，在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体所组成。
为了区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体（Ld），在727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体（L′d），或称变态莱氏体。
小结与作业
课时授课计划
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金属工艺
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第六节铁碳合金状态图
目
的
要
求
1.了解Fe—Fe3C状态图的各个相区与组织
2.掌握状态图中关键点、关键线、关键区。
重点
与
难点
重点：
掌握状态图中关键点、关键线、关键区；
难点：
铁碳合金组织对性能的影响。
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利用挂图等教具。
作业
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思考
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事
第六节铁碳合金状态图
一、铁碳合金状态图
在极缓慢冷却（或加热）条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形叫合金状态图，如图2—20。
（一）铁碳合金状态图中的特性点
铁碳合金状态图中主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见表2—2。
（二）主要特性线
1．液相线ACD
在此线以上铁碳合金处于液体状态（L），冷却下来时碳的质量分数小于4.3%的铁碳合金在AC线开始结晶出奥氏体（A）；碳的质量分数大于4.3%的铁碳合金在CD线时开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示。
2．固相线AECF
在此线以下铁碳合金均呈固体状态。
3．共晶线ECF
ECF线是一条水平（恒温）线，称为共晶线。
在此线以上液态铁碳合金将发生共晶转变，其反应式为：
L4.31148℃A2.11＋Fe3C6.69
共晶转变形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体（Ld）。
碳的质量分数在2.11%～6.69%的铁碳合金中均会发生共晶转变。
4.共析线PSK
PSK线也是一条水平（恒温）线，称为共析线，通称A1线。
在此线上固态奥氏体将发生共析转变，其反应式为：
A0.77727℃F0.0218＋Fe3C6.69
共析转变形成了铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体（P）。
碳的质量分数大于0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。
5.GS线
GS线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线，通称A3线。
6.ES线
ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通称Acm线。
它表示随着温度的降低，奥氏体中碳的质量分数沿着此线逐渐减少，而多余的碳以渗碳体形式析出，称为二次渗碳体，采用Fe3CⅡ表示，以区别于从液体中直接结晶出来的Fe3CI。
7．GP线
GP线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终了线或者加热时铁素体转变为奥氏体的开始线。
8．PQ线
PQ线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线，它表示随着温度的降低，铁素体中的碳的质量分数沿着此线逐渐减少，多余的碳以渗碳体形式析出，称为三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。
由于其数量极少，在一般钢中影响不大，故可忽略。
（三）铁碳合金状态图中的相区
铁碳合金状态图中的主要相区见表2—4。
二、铁碳合金的分类
铁碳合金状态图上的各种合金，按其碳的质量分数和室温平衡组织的不同，一般分为工业纯铁、钢、白口铸铁（生铁）三类，如表2—5。
三、碳对铁碳合金组织和性能的影响
铁碳合金的平衡组织是由铁素体和渗碳体两相所构成。
其中铁素体是含碳极微的固溶体，是钢中的软韧相，渗碳体是硬而脆的金属化合物，是钢中的强化相。
随着钢中碳的质量分数的不断增加，平衡组织中的铁素体量不断减少，渗碳体量不断增多，因此，钢的力学性能将发生明显的变化。
如图2—21。
四、铁碳合金状态图的应用
铁碳合金状态图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，因此，在工程上为选材及制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。
如图2—22。
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