2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-1
第 3 章 材料的结构与凝固
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-2
晶体与非晶体
晶体 —— 原子 规则 排列的集合体
? 固定的熔点
? 各向异性：不同方向的性能不同
非晶体 —— 原子 无规则 堆积的集合体
? 无固定熔点
? 各向同性
晶格,把晶体中原子看成几何点，用平行直线连接后得
到的三维格架
晶胞,晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-3
晶面和晶向
晶面,晶格中各方位的原子面
晶向,任意两个原子连线所指的方向
晶格常数,晶胞的棱边长度
金属键使原子趋于紧密排列，得到为数不多的高度对称的几种简单晶格，常见的 3种
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-4
体心立方晶格
晶胞中的原子数,2
最近原子间距 —— 体心与顶角之间,a 3? / 2
原子半径,r = a 3? / 4
致密度,68%
常见金属有 α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-5
面心立方晶格
晶胞中的原子数,4
最近原子间距 —— 面心与顶角之间,a 2? / 2
原子半径,r = a 2? / 4
致密度,74%
常见金属有 γ-Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag,Pb
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-6
密排六方晶格
晶胞中的原子数,6
最近原子间距 —— 相邻顶角之间,a
原子半径,r = a / 2
致密度,74%
常见金属有 Mg,Zn,Cd,Be
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-7
晶界,晶粒之间的界面
实际金属的结构
单晶体,各部分位向完全一致的晶体
由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同
原子间结合力不同 力学性能不同
单晶体表现为各向异性
多晶体,许多位向不同的
单晶体的聚合体
晶粒,多晶体中外形不规则的
小晶体
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-8
多晶体的伪各向同性
伪各向同性,总体上各向性能基本相同，但各晶粒内部
仍然是各向异性
多晶体中的各
晶粒位向不同，一
般在总体上不显示
出各向异性，似乎
是各向同性，即伪
各向同性
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-9
晶体缺陷
—— 晶体中原子偏离原来平衡位置晶体缺陷
导致晶格畸变 强度 ↑，硬度 ↑，电阻 ↑
点缺陷
导致晶格畸变 强度 ↑，硬度 ↑
—— 空位和间隙原子
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-10
线缺陷 —— 位错
位错 —— 整排原子有规律错排
增加或减小位错密度，
可以提高强度 位错密度
σb 晶须 加工硬化
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-11
面缺陷 —— 晶界
晶界处晶格畸变 强度高
原子能量高 熔点低，易腐蚀，原子扩散快
晶粒细 晶界面积大 强度高
亚晶界,晶粒内小位向差的晶块边界
1-2O
亚晶粒
亚结构
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-12
合金相的基本概念
合金,由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有
金属性质的物质。
组元,组成合金的基本物质
二元合金,由两种组元组成的合金
相,结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金
多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金
组织,相的聚合体（形态） （单相组织，多相组织）
相变,一定条件下，一种相可以变为另一种相
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-13
合金相结构
合金在固态下的相结构 —— 固溶体 和 金属化合物 （ 2类）
固溶体,一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相
保持原晶体结构的元素 — — 溶剂
失去原晶体结构的元素 —— 溶质
浓度，溶解度
有限固溶体,溶解度有一定限度 —— 有限互溶
无限固溶体,溶解度无一定限度 —— 无限互溶
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-14
固溶体的分类
置换固溶体,溶质原子占据溶剂晶格的某些结点
间隙固溶体,溶质原子处于溶剂晶格的间隙中
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-15
固溶体的力学性能
溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高
—— 固溶强化
固溶体的力学性能比纯金属更高
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-16
金属化合物
特征,
? 有金属性质
? 晶体结构不同于任何组元
? 成分固定或小有变化，
有一定成分比例，可用分子式表示
性能, 硬，脆，熔点高
当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的
强度 ↑↑,硬度 ↑↑,耐磨性 ↑↑ —— 弥散强化
（ 第二相强化 ）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-17
合金的结构与性能
? 有异质原子溶入，导致晶格畸变 →固溶强化
? 可能出现多相组织 —— 如果金属化合物有合理分布、
大小、数量、形态 →弥散强化
调整合金性能的途径,
? 改善固溶体溶解度
? 改变化合物形状、数量、大小、分布
合金的力学性能一般优于纯金属
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-18
材料的凝固
纯金属的结晶：
液态 固态
（ 原子无规则排列） （原子有规则排列）
T0
平衡结晶温度 = 熔点
热分析法 放出的结晶潜热 = 散失的热量
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-19
过冷现象
过冷,实际结晶温度 T1 总是低于平衡结晶温度 T0 的现象
（理论）
过冷度 ?T = T0 - T1
冷速 ↑→ ?T ↑
结晶的必要条件：过冷
（结晶的动力）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-20
结晶规律,结晶过程是晶核不断形成和长大的过程
结晶过程
液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散
形核 晶核长大
不断生成
新晶核 长大
相碰 晶粒 多晶体
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-21
结晶时细化晶粒的主要方式
1 提高冷速 （提高过冷度）
对大铸件或厚薄差别大的铸件
冷速过快 →变形、开裂
只适用于小铸件，简单件
2 变质处理
常用于大铸件，实际效果较好
3 振动搅拌
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-22
二元合金相图
相图,表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。 （又称状态图，平衡图）
相
图
的
建
立
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-23
匀晶相图
上临界点：上相变点 L1…
下临界点：下相变点 α1…
两相区
L +α
单相区
L
单相区
α
液相线固相线
结晶过程：
t1, L1 →α1
t2, L2 →α2
t3, L3 →α3
固溶体合金结晶的特点：
? 在一定温度范围内结晶；
? 已结晶的固相成分不断
沿固相线变化，剩余液相
不断沿液相线变化。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-24
共晶相图溶解度曲线 最大溶解度点 共晶线
共晶点
共晶合金
亚共晶合金
共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-25
共晶转变
—— 恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相
L →α+β
转变产物,共晶体（共晶组织） —— 两固相的机械混合物
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-26
包
晶
相
图
包晶转变,恒温下，一个固相与液相作用生成另一个固相
L + α → β
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-27
与共晶转变比较：
同：恒温转变，同时生成两个
成分、结构不同的固相
异,共析 —— 母相是固相，在固态转变
共晶 —— 母相是液相，在液态转变
共析相图
L
γ
α β
共析转变,恒温下，一个 固相 中同
时析出两种成分、结构不同的固相。
γ →α+β
转变产物,共析组织（共析体）
—— 机械混合物
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-28
纯铁的结晶
过程
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
固态下，一种元素的
晶体结构随温度发生变化
的现象
—— 同素异构转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-29
铁碳合金的基本相
铁素体 F,碳在 α-Fe中的间隙固溶体
体心立方,σb↓,HB↓,δ↑,αk↑,铁磁性
奥氏体 A,碳在 γ-Fe中的间隙固溶体
面心立方,HB↓,δ↑,顺磁性
渗碳体 Fe3C, Fe与 C的间隙化合物
复杂晶格，硬而脆，几乎无塑性，
230℃ 以下铁磁性
高温铁素体 δ,碳在 δ-Fe中的间隙固溶体
体心立方，顺磁性
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-30
铁
碳
合
金
相
图
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-31
铁碳合金相图分析
相区,5个单相区,7个两相区,3条三相水平线
三个主要转变：
LC AE + Fe3C1148
莱氏体 Ld
莱氏体 Ld,A与 Fe3C 的机械混合物
成分,4.3%C
性能：硬而脆
形态：点状、短条状 A
分布于 Fe3C基体上
1 共晶转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-32
共析转变和包晶转变
2 共析转变 AS FP + Fe3C727
珠光体 P
珠光体 P,F与 Fe3C 的机械混合物
成分,0.77%C
性能：适中，介于 F 和 Fe3C 之间
形态：层片状，粒状
Ld 降温到 727℃ 时,A→ P,因此,Ld (A+Fe3C) → L’d (P+Fe3C)
低温莱氏体 L’d,P 和 Fe3C 的机械混合物 （变态莱氏体）
3 包晶转变 LB+δH AJ1495
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-33
铁碳合金分类
工业纯铁 <0.0218%C
钢 0.0218-2.11%C
亚共析钢 0.0218-0.77%C
共析钢 0.77%C
过共析钢 0.77-2.11%C
白口铸铁 （生铁） 2.11-6.69%C
亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%C
共晶白口铸铁 4.3%C
过共晶白口铸铁 4.3-6.69%C
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-34
共析钢的结晶过程
共析钢 （合金 Ⅰ ）：
L A + L A P727
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-35
亚共析钢的结晶过程
L A + L A
P + F727F初 + A
（ F + Fe3C)
F初 与共析 F 的区别：
? 生成的温度不同，形态不同
? 随 C%提高 → P%升高
亚共析钢 （合金 Ⅱ ）：
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-36
过共析钢的结晶过程
L A + L A Fe3CⅡ +A P + Fe3CⅡ727
Fe3CⅡ 与 共析 Fe3C：
? 生成温度不同
? 形态不同
过共析钢 （合金 Ⅲ ）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-37
共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-38
亚共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-39
过共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-40
室温下含碳量与相和组织的关系
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-41
含碳量与性能的关系
随 C%↑ → Fe3C%↑,
F% ↓
由于 Fe3C是硬质点，
F 是软质点
→σb↑,HB↑,αk↓,
δ↓,耐磨性 ↑
当 Fe3C以网状分布时，
→ 脆性 ↑
当 C%>0.9%时，随 C% ↑
→σb ↓
第 3 章 材料的结构与凝固
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-2
晶体与非晶体
晶体 —— 原子 规则 排列的集合体
? 固定的熔点
? 各向异性：不同方向的性能不同
非晶体 —— 原子 无规则 堆积的集合体
? 无固定熔点
? 各向同性
晶格,把晶体中原子看成几何点，用平行直线连接后得
到的三维格架
晶胞,晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-3
晶面和晶向
晶面,晶格中各方位的原子面
晶向,任意两个原子连线所指的方向
晶格常数,晶胞的棱边长度
金属键使原子趋于紧密排列，得到为数不多的高度对称的几种简单晶格，常见的 3种
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-4
体心立方晶格
晶胞中的原子数,2
最近原子间距 —— 体心与顶角之间,a 3? / 2
原子半径,r = a 3? / 4
致密度,68%
常见金属有 α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-5
面心立方晶格
晶胞中的原子数,4
最近原子间距 —— 面心与顶角之间,a 2? / 2
原子半径,r = a 2? / 4
致密度,74%
常见金属有 γ-Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag,Pb
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-6
密排六方晶格
晶胞中的原子数,6
最近原子间距 —— 相邻顶角之间,a
原子半径,r = a / 2
致密度,74%
常见金属有 Mg,Zn,Cd,Be
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-7
晶界,晶粒之间的界面
实际金属的结构
单晶体,各部分位向完全一致的晶体
由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同
原子间结合力不同 力学性能不同
单晶体表现为各向异性
多晶体,许多位向不同的
单晶体的聚合体
晶粒,多晶体中外形不规则的
小晶体
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-8
多晶体的伪各向同性
伪各向同性,总体上各向性能基本相同，但各晶粒内部
仍然是各向异性
多晶体中的各
晶粒位向不同，一
般在总体上不显示
出各向异性，似乎
是各向同性，即伪
各向同性
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-9
晶体缺陷
—— 晶体中原子偏离原来平衡位置晶体缺陷
导致晶格畸变 强度 ↑，硬度 ↑，电阻 ↑
点缺陷
导致晶格畸变 强度 ↑，硬度 ↑
—— 空位和间隙原子
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-10
线缺陷 —— 位错
位错 —— 整排原子有规律错排
增加或减小位错密度，
可以提高强度 位错密度
σb 晶须 加工硬化
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-11
面缺陷 —— 晶界
晶界处晶格畸变 强度高
原子能量高 熔点低，易腐蚀，原子扩散快
晶粒细 晶界面积大 强度高
亚晶界,晶粒内小位向差的晶块边界
1-2O
亚晶粒
亚结构
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-12
合金相的基本概念
合金,由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有
金属性质的物质。
组元,组成合金的基本物质
二元合金,由两种组元组成的合金
相,结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金
多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金
组织,相的聚合体（形态） （单相组织，多相组织）
相变,一定条件下，一种相可以变为另一种相
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-13
合金相结构
合金在固态下的相结构 —— 固溶体 和 金属化合物 （ 2类）
固溶体,一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相
保持原晶体结构的元素 — — 溶剂
失去原晶体结构的元素 —— 溶质
浓度，溶解度
有限固溶体,溶解度有一定限度 —— 有限互溶
无限固溶体,溶解度无一定限度 —— 无限互溶
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-14
固溶体的分类
置换固溶体,溶质原子占据溶剂晶格的某些结点
间隙固溶体,溶质原子处于溶剂晶格的间隙中
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-15
固溶体的力学性能
溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高
—— 固溶强化
固溶体的力学性能比纯金属更高
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-16
金属化合物
特征,
? 有金属性质
? 晶体结构不同于任何组元
? 成分固定或小有变化，
有一定成分比例，可用分子式表示
性能, 硬，脆，熔点高
当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的
强度 ↑↑,硬度 ↑↑,耐磨性 ↑↑ —— 弥散强化
（ 第二相强化 ）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-17
合金的结构与性能
? 有异质原子溶入，导致晶格畸变 →固溶强化
? 可能出现多相组织 —— 如果金属化合物有合理分布、
大小、数量、形态 →弥散强化
调整合金性能的途径,
? 改善固溶体溶解度
? 改变化合物形状、数量、大小、分布
合金的力学性能一般优于纯金属
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-18
材料的凝固
纯金属的结晶：
液态 固态
（ 原子无规则排列） （原子有规则排列）
T0
平衡结晶温度 = 熔点
热分析法 放出的结晶潜热 = 散失的热量
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-19
过冷现象
过冷,实际结晶温度 T1 总是低于平衡结晶温度 T0 的现象
（理论）
过冷度 ?T = T0 - T1
冷速 ↑→ ?T ↑
结晶的必要条件：过冷
（结晶的动力）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-20
结晶规律,结晶过程是晶核不断形成和长大的过程
结晶过程
液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散
形核 晶核长大
不断生成
新晶核 长大
相碰 晶粒 多晶体
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-21
结晶时细化晶粒的主要方式
1 提高冷速 （提高过冷度）
对大铸件或厚薄差别大的铸件
冷速过快 →变形、开裂
只适用于小铸件，简单件
2 变质处理
常用于大铸件，实际效果较好
3 振动搅拌
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-22
二元合金相图
相图,表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。 （又称状态图，平衡图）
相
图
的
建
立
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-23
匀晶相图
上临界点：上相变点 L1…
下临界点：下相变点 α1…
两相区
L +α
单相区
L
单相区
α
液相线固相线
结晶过程：
t1, L1 →α1
t2, L2 →α2
t3, L3 →α3
固溶体合金结晶的特点：
? 在一定温度范围内结晶；
? 已结晶的固相成分不断
沿固相线变化，剩余液相
不断沿液相线变化。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-24
共晶相图溶解度曲线 最大溶解度点 共晶线
共晶点
共晶合金
亚共晶合金
共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-25
共晶转变
—— 恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相
L →α+β
转变产物,共晶体（共晶组织） —— 两固相的机械混合物
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-26
包
晶
相
图
包晶转变,恒温下，一个固相与液相作用生成另一个固相
L + α → β
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-27
与共晶转变比较：
同：恒温转变，同时生成两个
成分、结构不同的固相
异,共析 —— 母相是固相，在固态转变
共晶 —— 母相是液相，在液态转变
共析相图
L
γ
α β
共析转变,恒温下，一个 固相 中同
时析出两种成分、结构不同的固相。
γ →α+β
转变产物,共析组织（共析体）
—— 机械混合物
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-28
纯铁的结晶
过程
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
固态下，一种元素的
晶体结构随温度发生变化
的现象
—— 同素异构转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-29
铁碳合金的基本相
铁素体 F,碳在 α-Fe中的间隙固溶体
体心立方,σb↓,HB↓,δ↑,αk↑,铁磁性
奥氏体 A,碳在 γ-Fe中的间隙固溶体
面心立方,HB↓,δ↑,顺磁性
渗碳体 Fe3C, Fe与 C的间隙化合物
复杂晶格，硬而脆，几乎无塑性，
230℃ 以下铁磁性
高温铁素体 δ,碳在 δ-Fe中的间隙固溶体
体心立方，顺磁性
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-30
铁
碳
合
金
相
图
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-31
铁碳合金相图分析
相区,5个单相区,7个两相区,3条三相水平线
三个主要转变：
LC AE + Fe3C1148
莱氏体 Ld
莱氏体 Ld,A与 Fe3C 的机械混合物
成分,4.3%C
性能：硬而脆
形态：点状、短条状 A
分布于 Fe3C基体上
1 共晶转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-32
共析转变和包晶转变
2 共析转变 AS FP + Fe3C727
珠光体 P
珠光体 P,F与 Fe3C 的机械混合物
成分,0.77%C
性能：适中，介于 F 和 Fe3C 之间
形态：层片状，粒状
Ld 降温到 727℃ 时,A→ P,因此,Ld (A+Fe3C) → L’d (P+Fe3C)
低温莱氏体 L’d,P 和 Fe3C 的机械混合物 （变态莱氏体）
3 包晶转变 LB+δH AJ1495
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-33
铁碳合金分类
工业纯铁 <0.0218%C
钢 0.0218-2.11%C
亚共析钢 0.0218-0.77%C
共析钢 0.77%C
过共析钢 0.77-2.11%C
白口铸铁 （生铁） 2.11-6.69%C
亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%C
共晶白口铸铁 4.3%C
过共晶白口铸铁 4.3-6.69%C
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-34
共析钢的结晶过程
共析钢 （合金 Ⅰ ）：
L A + L A P727
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-35
亚共析钢的结晶过程
L A + L A
P + F727F初 + A
（ F + Fe3C)
F初 与共析 F 的区别：
? 生成的温度不同，形态不同
? 随 C%提高 → P%升高
亚共析钢 （合金 Ⅱ ）：
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-36
过共析钢的结晶过程
L A + L A Fe3CⅡ +A P + Fe3CⅡ727
Fe3CⅡ 与 共析 Fe3C：
? 生成温度不同
? 形态不同
过共析钢 （合金 Ⅲ ）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-37
共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-38
亚共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-39
过共晶白口铸铁组织转变
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-40
室温下含碳量与相和组织的关系
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 12-41
含碳量与性能的关系
随 C%↑ → Fe3C%↑,
F% ↓
由于 Fe3C是硬质点，
F 是软质点
→σb↑,HB↑,αk↓,
δ↓,耐磨性 ↑
当 Fe3C以网状分布时，
→ 脆性 ↑
当 C%>0.9%时，随 C% ↑
→σb ↓
