工程材料学第2章

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工程材料学第2章

22
温度时间
温度
A 90 70 50
30
23
B B
温度
以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：
1）配制不同成分的Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出
曲线上临界点（即转折点和停歇点）。
3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni
4
①固溶体的分类
晶格类型相同，原子半径相差不置换固溶体大，电化学性质相近间隙固溶体
有限固溶体溶解度无限固溶体有序固溶体分布有序度无序固溶体 —— —— ——
溶质原子的位置
原子半径较小
——
5
置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
6
②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入 →晶格畸变 →位错运动阻力上升 →金属塑性变形困难→强度、硬度升高。
电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 时，晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相 (Epsilon)。 11
12
③ 尺寸因素化合物

尺寸因素化合物：由尺寸因素作为主要控制条件而形成的中间相。间隙化合物和拉弗斯（laves）相
成分不均匀富Ni区组织不均匀富Cu区性能不均匀
34
§2-4 二元共晶相图
§2-4-1 相图分析
Pb－Sn合金相图这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线ced为共晶反应线。

工程材料第2版课件PDF 版02

工程材料
02—金属的晶体结构
与缺陷
图标
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
第二章金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =

×

bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中

工程材料(第二章2)

L
L+ β
β
Sn
α固溶线 β固溶线
α+β
Sn%
共晶反应：合金系由一种液相恒温下同时结晶出两种固相的反应。共晶反应：合金系由一种液相恒温下同时结晶出两种固相的反应。
L ⇔ α + β
共晶转变分析
T,°C °
α
Pb
L+ α
c
L
d
L+ β
e
β
共晶反应线表示从c点到点到e点表示从点到点范围的合金，范围的合金，在该温度都要发生不同程度的共晶反应。反应。共晶点d 共晶点表示d点成分的合表示点成分的合 Sn 金冷却到此温度发生完全的共晶转变。转变。
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 % F % ≈ 1 – 6 % = 94 % 室温组织: 500× F + P，500×
(4)过共析钢 (4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程结晶过程
各组织组成物的相对量：
Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 ) ≈7% P % ≈ 1 – 7 % = 93 %
T,°C ° T,°C L
L
(α+ β) α
L
183
α
L+ α
c
L
d
L+ β
e
β
L→(α+ β) 共晶体 α
α+β
Pb X2 Sn
(α+ β) α (α+ β) α 冷却曲线 t
共晶体( 层片状，很细小，没办法分开，一种组织，由两个相组成。共晶体(α+ β) ：层片状，很细小，没办法分开，一种组织，由两个相组成。

工程材料第二章-2

(3) 亚共析钢：以W(C)=0.6％
2.2 合金的结晶
2.2.3 铁碳合金的结晶 2、合金的平衡结晶过程
(4) 过共析钢：以W(C)=1.2％
6.69 1.2 w( F ) 100 % 82% 6.69 1.2 w( Fe 3C ) 100 % 18 % 6.69 1.2 0.77 w( Fe3C ) 100 % 7% 6.69 0.77
(2) 结晶过程
合金Ⅰ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
合金Ⅱ
Ld c
恒温
c+ e cf+ Ⅱ
e
eg+ Ⅱ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
x3 g 100% fg fx3 w( ) 100% fg w( )
以上内容小结2发生共晶反应的合金的结晶3发生包晶反应的合金的结晶4发生共析反应的合金的结晶5含有稳定化合物的合金的结晶二元合金的结晶合金的性能和相图的关系合金的性能和相图的关系1合金使用性能和相图的关系2合金工艺性能与相图的关系铁碳合金的结晶1铁碳相图2合金的平衡结晶过程3铁碳合金的成分组织性能关系4fefe3c合金相图的应用
两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，在冷却时发生包晶反应所形成的相图，叫~ (1) 相图分析
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 3、发生包晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 4、发生共析反应的合金的结晶 L
L+γ
γd 恒温
c+ e

工程材料学2第二章铁碳合金

Ld′+ Fe3CⅠ
F+ Fe3CⅢ
C%
2.4.1含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
相组成：α + Fe3C ；随碳含量增加， α ↓， Fe3C↑
室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体）。室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组成物发生了改变。
共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：
W
6.69 4.30 100% 52.2% 6.69 2.11
4.30 2.11 WFe 3C 6.69 2.11 100% 47.8%
室温相组成物为： α + Fe3C
w
6.69－4.3 6.69－0.0218
100%＝35.8％
共晶白口铁
wFe 3C
4.3 0.0218 6.69 0.0218
100%＝64.2％
3.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
6. 亚共晶白口铁（3.0%C）
匀晶转变 L→γ
1148℃ LC→γE+Fe3CF
PQ线，碳在F中的溶解度曲线。 F 的最大溶碳量于727℃时达到最大值0.0218%C。随温度↓，F 中的溶碳量逐渐↓，在300℃以下，溶碳量＜0.001%C。当 F从727℃ 冷却下来时，要从 F 中析出渗碳体，称为三次渗碳体。
2.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程，目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。
通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量＜ 2.11%的为碳钢，含碳量＞2.11%的为铸铁。含碳量＜0.0218%的为工业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C的形式存在，断口呈白亮色，称为白口铸铁。

工程材料第二章第二节重点讲解

一种固相转变成完全不同的
两种固相.
共析反应产物两相混合物称
为共析体。
共析相图
五、含有稳定化合物的合金的结晶
稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的熔
(3) 两相的成分确定
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相中
Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、c1。 a1、c1点在成分轴上
的投影点即为L相和α相
中Ni的质量分数。
随着温度的下降, 液相成分沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。
匀晶结晶
(4) 两相的质量比一定
在两相区，温度一定时, 两相的质量符合杠
杆定律。在T1温度时：液相的QL质: L量相分的数质: 量; Qα:α相的质量; α相的a1质b1量、分b1数c1: 为线段长度。
老师提示杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分
点,支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区。杠杆定律只能在平衡状态下使用。
(5) 容易产生枝晶偏析固溶体结晶时成分变化。慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。
扩散退火：把合金加热到低于固相线100 ℃左右, 长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体。
固相三的个反双应相，区生：成的两相
混合L+物α叫、共L+晶β体、。α+β
(共恒水存温一这发平,进种条生线三行相L共c相+d。图晶αe各称+反)自。β共应成三晶时分相相三确共图相定存。,线
Pb-Sn合金相图

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Cu-Ni相图相图
Cu-Sn相图相图
21
本科学习的相图理论，管用！本科学习的相图理论，管用！
——再先进的制备及加工工艺，背后隐藏再先进的制备及加工工艺，再先进的制备及加工工艺的基本机理，也许还要回归到经典理论。的基本机理，也许还要回归到经典理论。给我印象最深刻Metall. Mater. Trans. B 【给我印象最深刻的一句评审意见】的一句评审意见】The authors are recommended to use relevant phase diagrams to explain their results. This would be useful even if the laser sintered materials are not in equilibrium.
Fe3C的晶格的晶格
18
钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物
WC MoC Cr23 C6 Fe3 C
化学式
TiC
ZrC
VC
NbC
TaC
硬度 HV 熔点/℃ 熔点 ℃
2850
2840
2010
2050
1550
1730
1480
1650
～800
3080
3472 ±20
20
• 相图上所表示的组织都是在非常缓慢冷却的条件下获得的，件下获得的，都是接近平衡状态的组织，平衡状态的组织，也称平衡图。为平衡图。 • 相图是用图解的方法表相图是用图解的方法表示合金系中各种合金状态与温度和成分之间关态与温度和成分之间关温度也称为状态图状态图。系，也称为状态图。相图的意义：相图的意义：分析合金组织的重要参考资料；织的重要参考资料；制定热加工工艺的重要依据。热加工工艺的重要依据。
图片出自：图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455.
17
(B)具有复杂结构的间隙化具有复杂结构的间隙化合物
当0.7>r非/r金>0.59时形成复杂 0.7> >0.59时形成复杂结构间隙化合物。结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其、、中Fe3C称渗碳体，是钢中重要称渗碳体，强化相，具有复杂斜方晶格。强化相，具有复杂斜方晶格。
VC的结构的结构 VC面心立方晶格，V原子占面心立方晶格，原子占面心立方晶格据晶格正常位置，据晶格正常位置，而C原子规原子规则分布在晶格的空隙之中。则分布在晶格的空隙之中。
15
• 间隙相具有极高间隙相具有极高的熔点、的熔点、硬度和脆性，脆性，而且十分稳定，稳定，是高合金工具钢的重要组工具钢的重要组成相，也是硬质成相，也是硬质合金和合金和高温金属陶瓷材料的重要陶瓷材料的重要组成相。组成相。
10
Ni-P/SiC
Co-P/SiC
SiC-particulate reinforced Al metal matrix composite (MMC)
图片出自：图片出自：Ewa Rudnik. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 2584.
11
② 电子化合物
电子化合物是由第族或过渡族元素与电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元至第Ⅴ 结合而成的。它们不遵循原子价规律，素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。度规律。电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值。比值。电子化合物具有高的熔点和硬度，塑性较低，电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）强化相存在于合金能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 晶体结构为体心立方晶格，称为β相体心立方晶格时，晶体结构为体心立方晶格，称为相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为相；电子浓复杂立方晶格时晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相度为7/4时晶体结构为密排六方晶格，称为ε相密排六方晶格度为时，晶体结构为密排六方晶格，称为相 (Epsilon)。。 12
8
(2) 金属间化合物
• 金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金属特性，属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物——中间相。中间相。的化合物中间相 • 两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。表示。两组元有一定比例，可用化学式 • 特点：金属间化合物一般有较高的熔点、较高的硬特点：金属间化合物一般有较高的熔点、较大的脆性。度和较大的脆性合金中出现化合物时，度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强硬度和耐磨性，降低塑性。度、硬度和耐磨性，但降低塑性。
形成固溶体时的晶格畸变
7
固溶强化
Fe
SCIENCE
纳米化表层 (10µm)
ε-Fe2~3N相(颗粒颗粒) 相颗粒固溶强化
N2
图片出自：图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 299 (2003) 686-688.
第2章合金的相结
• 合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属合金：组成的具有金属特性的物质。组成的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质 • 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般组元：组成合金的独立的最基本的单元（是一种元素或一种稳定的化合物）。是一种元素或一种稳定的化合物）。 • 相：具有相同化学成分、相同晶体结构和相同具有相同化学成分相同化学成分、的物理或化学性能，的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分明显分界的均匀组成部分的均匀组成部分。有明显分界的均匀组成部分。 • 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。
抛光 WC
抛光 WC-1VC
断口 WC
断口 WC-1VC
图片出自：图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256.
抛光 WC-4VC
抛光 WC-12VC
16
纯Ti表面合成表面合成TiC-ZrC涂层涂层表面合成
22
现代激光加工工艺中涉及的冶金机理
借助传统合金相图作合理解释
23
§2-2-2 相图的建立
相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。纵坐标表示温度变化一般采用热分析法原理是凝固时释放凝固潜热。热分析法。一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。合金为例，以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：合金为例说明热分析法建立相图的步骤： 1）配制不同成分的Cu-Ni合金。不同成分的合金。）配制不同成分合金 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出冷却曲线，）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线曲线上临界点临界点（转折点和停歇点）。曲线上临界点（即转折点和停歇点）。 3）将上述数据引入相应成分的温度成分坐标图中。成分坐标图中。）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni 合金相图。合金相图。
—— —— —— ——
间隙固溶体
溶解度有限固溶体无限固溶体分布有序度有序固溶体无序固溶体
5
置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
6
②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，及对位错的钉由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，以及对位错的钉晶格畸变扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变位错运动阻力上升溶质原子溶入晶格畸变→位错运动阻力上升金属塑性变晶格畸变位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度硬度升高。强度、形困难强度、硬度升高。
2650
3680 ±50
3980
2785 ±5
2527
1577
1227
19
§2-2 二元合金相图的建立
§2-2-1 名词涵义
组元：组成合金的独立的最基本的单元。组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（合金中的Pb和）一种元素（如Pb-Sn合金中的和Sn）或一种稳合金中的定的化合物（定的化合物（如Fe3C）。）合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制合金系：成的一系列不同成分的合金（成的一系列不同成分的合金（如Pb-Sn系，Fe系 Fe3C 系）。相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的结晶过程简明图。简明图。
2
组织
明显的分界
相2：： Cu-10Sn
合金组元1：组元：Cu 组元2：组元：Sn
相1：： Ni
图片出自：胥橙庭沈以赴顾冬冬. 沈以赴,顾冬冬图片出自：胥橙庭,沈以赴顾冬冬稀有金属材料与工程, 金属材料与工程 2005, 34: 341-344.
3
按照合金中组元原子的存在方式，按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。

工程材料学第2章

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