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3.工程材料多媒体第三章合金的结构与结晶.ppt

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合金的结构及相图 ppt课件

合金的结构及相图 ppt课件
• 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第 五族元素结合而成
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，

机械工程材料 第5讲 合金的结构与结晶2

机械工程材料 第5讲 合金的结构与结晶2

2.杠杆定理可以确定两平衡相的相对质量
mLCmLLmmC
m mC
mL rb m r a
L a
A α
r
B
b
匀晶结晶的特点:
Cu CL C Cα Ni
①也是形核、长大的过程；
图 杠杆定律证明与应用
②固溶体的结晶是在一个温度范围进行的；
③温度一定时，两相的成分是确定的。
机械工程材料
二、共晶相图（重点、难点）
液相无限互溶、固相有限互溶；冷却时发生共晶反应的相图，称为共
晶相图。
温度
A
L+α αC
L
B
L+β β
E
D
α+β
F Pb
wSn（% ）
G Sn
图 共晶相图
LE C b D
图 共晶转变
机械工程材料
（一）相图分析
温度
A L+α
αC
L
B
L+β β
E
D
α+β
F Pb
wSn（% ）
G Sn
图 共晶相图
机械工程材料
机械工程材料
图 组织分区的共晶相图
四、共析相图 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相, 称为
共析反应（Eutectoid Reaction）。 具有共析组织转变的相图称为共析相图。
d c be
机械工程材料
图 共析相图
五、包晶相图
固相与包围它的液相发生作用，形成一个固相的反应，称 为包晶反应（Peritectic）。
机械工程材料
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
共晶组织中的相称共晶相，共晶

机械工程材料 第三章 合金的结构与结晶

机械工程材料 第三章 合金的结构与结晶
wcvcfecr2313212化合物vc合金的相结构精选ppt表示但不一定遵守化合价规律弥散强化2化合物精选ppt成分温度压力用图解的方法表示合金的状态相与成分温度之间的关系结晶或相变过程中各相成分及相对重量不再改变时所达到的一种动态平衡平衡相图有关相图的基本概念相平衡相图状态图影响合金中组织形态的因素精选ppt10将各相变点对应在成分温度坐标图上并连接具有相同意义的点相图的建立热分析法相图的建立过程精选ppt11用图解的方法表示合金的状态相与成分温度之间的关系相图状态图相图的建立过程相图的建立热分析法连接临界点精选ppt12匀晶相图相图分析特点合金的结晶过程绘制冷却曲线实例
合金的相结构
固溶体
合金相
固溶体 化合物
合金相
化合物 机械混合物
1、固溶体
概念 特征
合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相
①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质 总是以一种金属元素为溶剂， ②保有溶剂的晶格结构 ③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化 成分可在一定范围内变化， ④产生晶格畸变
① 建立合金系 测定冷却曲线，找出相变临界点 ② 测定冷却曲线，找出相变临界点 将各相变点对应在成分 温度坐标图上 成分— 坐标图上， ③ 将各相变点对应在成分—温度坐标图上，并连接具有相同意义的点
相图的建立过程
相图的建立（热分析法） 相图的建立（热分析法）
相图（状态图） 相图（状态图） ——用图解的方法表示合金的状态（ ——用图解的方法表示合金的状态（相） 用图解的方法表示合金的状态 与成分、 与成分、温度之间的关系 相图的建立过程
相图（状态图） 相图（状态图）
——用图解的方法表示合金的状态（ ——用图解的方法表示合金的状态（相） 用图解的方法表示合金的状态 与成分、 与成分、温度之间的关系

三章合金的晶体结构与结晶ppt课件

三章合金的晶体结构与结晶ppt课件

原子半径：r
已知：
3 4
a
晶胞原子数 2
体心立方结构的原子半径
3
晶胞体积为a3， 晶胞内含有2个原子
K 2 34π
3 4
a
0.68
a3
所以它的致密度是：
第一节 金属与合金的晶体结构
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：4
a
原子个数：2
致密度：0.68
属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构 晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外形 不规则的小晶体组成.
第一节 金属与合金的晶体结构 单晶体的各向异性
❖ 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量
（E）示意图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、晶格常数 以棱边长度
a、b、c
和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小 。
、、r
第一节 金属与合金的晶体结构
（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故 大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格(bbc)
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当
控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同 时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金。
2、金属化合物
金属化合物的晶格类型与形成 化合物各组元的晶格类型完全不 同，一般可用化学分子式表示。 钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子 和碳原子所组成的金属化合物， 它具有复杂的晶格形式。

精编机械工程材料_第三章_合金的结构与结晶资料

精编机械工程材料_第三章_合金的结构与结晶资料
固溶体的形成对金属性能的影响 固溶强化：
关于固溶强化
合金的相结构
2、化合物
概念：合金组元之间通过化合作用所形成的一种相对稳定的相
分类： 金属化合物——具有金属性质，直接对合金性能产生影响
非金属化合物——脆性大，一般为杂质
特征：
① 可以用化学式（AmBn）表示，
但不一定遵守化合价规律
温度
A
L+α αC
L
E α+β
F Pb
wSn（%）
B L+β β
D
α ：以Pb为溶剂、Sn为溶质的固溶体
β：以Sn为溶剂、Pb为溶质的固溶体
G Sn
共晶体形貌
层片状 （Al-CuAl2，定向凝固）
球状或短棒状 （Cu-CuO）
螺旋状 （Zn-Mg）
棒状或条状 （Sb-MnSb，横截面）
针状 （Al-Si）
B
a
r L+α
T1
b
A
α
Cu CL
C Cα Ni
典型二元合金相图
晶内偏析
1
B
L
2
4
A
3
34
α 42
消除方法：扩散退火
平衡结晶的匀晶合金组织 Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织
典型二元合金相图
共晶相图
特点 ——液相无限互溶、固相有限互溶；E点发生共晶反应
共晶反应 LE 恒温C D 共晶体
3
B
固相线
α
k
Ni
wNi (%)
典型二元合金相图
1
B
确定合金冷却过程中L、α 的成分
L2
4
液相成分沿液相线变化

工程材料与机械制造基础-3-金属的晶体结构与结晶

工程材料与机械制造基础-3-金属的晶体结构与结晶

17:05
金属的结晶
• 纯金属的结晶过程 • 液态金属的结晶过程分为两个阶段：① 形成晶核，② 晶核长大。
17:05
纯金属的结晶过程
• 晶核的形成过程 • 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时 聚时散，称为晶坯。 • 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的 晶坯将会长大，称为晶核。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃型位错的形成
实际金属的结构
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。 • 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
17:05
{110}
Z （110） （011） （011） （101） （101） Y （110）
X
17:05
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
密排六方晶格的参数
常见的金属晶格
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
常见的金属晶格
三种常见晶格的密排面和密排方向
•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
17:05 三斜
金属的晶体结构

金属材料的结构与结晶.pptx

二、晶体结构的概念
（一）晶格与晶胞
实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结 构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小 球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。
z
c
a)晶体中的原子排列
b)晶格
x
ba
c)晶胞及晶格参数表示方法
图2-1 简单立方晶格与晶胞示意图
第2页/共101页
为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个 几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来， 形成一个空间几何格架（图2-1b） 。
五、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念
1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。 合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。 例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非 金属或稳定的金属化合物。
刃位错示意图
三维图
在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同 刀刃插入晶体，称为刃位错。
第14页/共101页
平面图
螺型位错
第15页/共101页
在位错附近区域，晶格发生的畸变。 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材 料的塑性变形通过位错运动来实现的。
3. 晶界和亚晶界（面缺陷） 实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的 界面称为晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子 处于不稳定状态。
第30页/共101页
晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变， 引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。
四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。

工程材料及机械制造基础-3-金属的晶体结构及结晶

工程材料与机械制造基础
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)



{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)



{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。

金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)

实际金属的结构
电子显微镜下的位错

工程材料金属的晶体结构和结晶优秀课件


1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于 晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识 从最初的假想到科学的现实。
Si表面的重构图象
X-射线衍射仪
结构：材料中各原子 的具体组合状态。 一般通过X-射线衍 射或透射电镜研究。
Al的高分辨透射电镜象
纯铁晶体的X-射线衍射谱
透射电镜衍射斑点
1932年发明了电子 显微镜，把人们带 到了微观世界的更 深层次（10-7m）
晶态
非晶态
金属的结构
二、晶格与晶胞
空间规则排列的原子→刚球模型 →晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架） →晶胞（具有周期性最小组成单元）
晶格常数：晶胞个边 的尺寸 a、b、c；棱
间的夹角用、、表
示。
三、常见的三种金属晶体结构 1. 体心立方晶格
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径： r 3 a
4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
2.面心立方晶格
面心立方晶格的参数
面心立方晶格
晶格常数：a
原子半径：r 2 a
4 原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
3. 密排六方晶格
912℃
α - Fe
时间
纯铁的同素异晶( allomorph )转变 反应式:
δ - Fe 1394 °Cγ - Fe 912 °Cα - Fe
bcc
fcc
bcc
小结
材料的宏观力学性能取决于材料的微观组织 结构；（三种晶体结构，三种实际缺陷，合 金的二种相结构和两相混合物）
结晶过程和规律，过冷度现象；
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双相区 －L＋α、L＋ β、α + β
三相区－L+α+β (一条水平线)
(二) 线 1.液相线-AEB 线 ， 2.固相线-AMENB线 3.二元共晶线-MEN 线,
§3－2 匀晶相图
一．相图的基本概念
● 相图：研究合金在平衡的条件下,(无限缓慢冷却)合金的状态 与温度、 成分间的关系的图解称为相图或平衡图。
● 组元:组成合金的基本物质.单个元素或金属化合物. ● 合金系：指研究的对象。如：Fe-C系，Pb-Sn系等。 ● 相:指合金中结构不同并以界面明显分开的均匀的组成部分. ● 状态：指合金在一定条件下有那几相组成，称为合金在该条
Wα＝ ×100％
WL ＝ ×100％
＝ 1－Wα
图4-3 杠杆定律应用
应当指出： 1.杠杆定律仅使用于平衡的两相区。 2.用杠杆定律可确定平衡两相的成分及两相的相对
重量。
(四).非平衡结晶与枝晶偏析（晶内偏析）
枝晶偏析：在非平衡结晶时，固溶体内部化学成分不 均匀的现象（或晶内偏析）.
产生枝晶偏析使耐蚀性下降。工业上采用扩散退火可 以消除。
是无序固溶体和有限固溶体。
间隙固溶体中溶质原子 的溶入产生的固溶强化
中间相－当溶质超过了在溶剂
中的溶解度极限以后形成的
结构不同于任一组元的新相。
中间相
正电 间 间
常子 隙 隙
价 化 合
化 合 物
相
化 合 物
物
二.金属化合物(中间相)
1.正常价化合物－符合化合价规律且负电性相
差较大的两类元素组成。NaCL、FeS、
④有序固溶体－溶质在溶剂中的位置有规律的排列。 （超结构)
置换固溶体示意图
Cu3Au有序固溶体 ●- Cu原子
○- Au原子
2 置换固溶体的特性
（1）保持溶剂结构。 （2）溶质原子占据溶剂阵点位置。 （3）产生固溶强化：随着溶质量的增加，使材
料的强度、硬度增加塑性、韧性下降的现象
置换固溶体中溶质原子溶 置换固溶体原子排列示意图 入产生的晶界畸变示意图
Cu-Ni合金的枝晶偏析
枝晶偏析显微照片 经过扩散退火 后的显微照片
§3－3 共晶相图
共晶相图-液态完全互 溶固态有限溶解且发 生共晶反应的相图 Pb-Sb Pb-Sn Al-Si等
一.相图分析
（一）相及相区
Pb-Sn 合 金 相 图
相：L、α-Pb(Sn)，β-Sn(Pb）
αβ为有限置换固溶体
相区：单相区－L、α、β
2.电子化合物－符合电子浓度规律且负电性相近
的两类元素。电子浓度＝ 合金中价电子数 原子总数
电子浓度:合金的价电子数与电子总数之比.过
渡族元素的化合价为零价.
电子浓度
（e）：为
21 12
，2113
பைடு நூலகம்
，2114
Cu5Zn8 的电子度e =
= 21
13
表3－1 钢合金中常见的电子化合物
3. 间隙相
（1）形成条件－两类元 素的负电性相差较大且满 足 dX dM < 0.59 （2）特性 ● 简单结构如：bcc、fcc、
件下的状态。如纯铁在1538℃以上的状态为液相;在1538℃时 为液相和固相两相共存; 1538℃以下为固相. ● 组织：合金中的相以不同的大小、形状、分布组成为组织。 如:珠光体和莱氏体组织,都是有F和Fe3C两相组成,但是由于F 和Fe3C两相的数量、分布不同从而形成不同的组织。
§3－2 匀晶相图
无限固溶体的形成过程示意图
(二) 间隙固溶体 1.间隙固溶体：
原子半径较小的非 金属原子(X)占据 溶剂(过渡族元素 －M)间隙位置形成 的固溶体.
间隙固溶体示意图
2.间隙固溶体的特性：
（1）保持溶剂结构。 （2）溶质原子占据溶剂间隙位置。 （3）间隙固溶强化效果大于置换固溶强化。 （4）溶质原子无序分布，故间隙固溶体永远
二．匀晶相图 匀晶相图-A、B两组元在液、固态均能完全互溶 形成无限固溶体的相图.Cu-Ni、Fe-Ni、Au-Ag
(一)相图分析 液相线－ a1b线,由L→α固溶 体的开始线。
b 1
2
a
固相线－
a2b线，由L→α固
溶体的结晶完成线
匀晶相图
(二) 平衡结晶分析及其组织（ob成分的合金）
1.当温度到达1点或稍
第三章 合金结构与结晶
§3－1 固态合金的相结构 §3－2 匀晶相图 §3－3 共晶相图 §3－4 包晶相图 §3－5 二元合金的性能与
相图的关系
§3.1 固态合金的相结构
固溶体：两种或多种（至少一种金属）元素相互 溶解，保持溶剂结构的合金。
金属化合物：溶质超过了在溶剂中的溶解度极限 形成的结构不同于任一组元的新相。
简单立方等 ● 极高的熔点和硬度
如：WC、VC、ALN、W2C等
VC的晶体结构 （又是NaCl结构）
4 间隙化合物
1）形成条件——两类元素的负电性相差较大且
满足 2）特性
dX dM > 0.59
（1）复杂结构如：Fe3C 、Cr7C3 Cr23C3 （2）高熔点、高硬度，塑性为零，加热容
易分解。
固溶体在钢种作基体相,金属化合物(中间相)作第二 相，当中间相合理分布时为强化相。
下时，由L→α固溶
体随着温度的降低
α％ ↑ ，L％↓。
并呈树枝状形态
2.当温度到达2点时液
相完全消失得到 100％α,液相的成
固溶体合金的结晶过程分析
分由1→α1→α2→…以致消失。 固相成分由c1→c2→2→… α(ob成分) 最后得到成分均匀的ob成分等轴状的α固溶体。
(三) 杠杆定律
α%+L%=100%
一.二元相图的建立（Cu-Ni系以匀晶相图为例）
(一)用热分析方法建立相图
1)配制不同成分的合金（ TmA > TMb ）; (1)100％Cu,0％Ni(2)70%Cu,30％Ni(3)50%Cu,50％
Ni;
(4)30％Cu,70％Ni （5）0％Cu,100％Ni
2)熔化后作各合金的冷却曲线（T-t）; 3)将各T-t曲线上,下各临界点投影到温度-成分坐标系中; 4)连接同类型的临界点即得到Cu-Ni二元相图。
一.固溶体: 固溶体按溶质在熔剂中的位置划分出两种: 置换固溶体和间隙固溶体。
(一)置换固溶体－溶质原子置换溶剂阵点位置形成的固 溶体。
1. 置换固溶体分类
①无限固溶体－溶质在溶剂中的溶解度无限； 如：Cu-Ni Fe-Ni
②有限固溶体－溶质在溶剂中的溶解度有限； 如：Cu-Zn Cu-Sn
③无序固溶体－溶质在溶剂中的位置无规律； 如：Cu-Zn Cu-Sn Cu-Ni Fe-Ni