金属材料学教案第一章金属的结构与结晶1.1金属的晶体结构1、晶体与非晶体非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。

如：普通玻璃、松香、树脂等。

晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。

性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。

2、晶体结构的概念：(1) 晶格和晶胞：表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。

能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。

(2) 晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。

通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。

3、金属晶格的类型：(1) 体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。

如：铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-Fe(2) 面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。

如：铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-Fe(3) 密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。

属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。

1.2 纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。

1、纯金属的冷却曲线及过冷度。

用热分析法进行研究：实际结晶温度低于理论结晶温度这一现象称为“过冷现象”。

理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To-T1）。

金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。

冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

2、纯金属的结晶过程。

结晶过程是晶核的形成与长大的过程。

外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。

晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。

3、晶粒大小对金属力学性能的方面。

一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较强的强度和韧性。

细化晶粒的方法。

(1) 增加过冷度 (2)变质处理 (3)振动处理1.3 金属的同素异构转变同素异构转变的概论：金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。

具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。

同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ，δ等表示。

铁的同素异构转变式δ－Fe γ－Fe α－Fe 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：1、有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。

2、同素异构转变属于固态相变，有本身的特点：新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；转变需要较大的过冷度；晶核的变化伴随金属体积的变化，转变时产生较大的内应力。

例如：γ－Fe转变为α－Fe时，铁的体积会膨胀约1％，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。

小结：本节课的主要内容是金属的晶格类型及金属的结晶过程。

要求熟练掌握金属晶体的类型、掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲线、及过冷度的概念。

掌握纯金属的结晶过程。

熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。

作业：1、金属的晶格形式有几种，各有什么特点？常见金属分别属于哪种？2、影响金属结晶速率的因素有哪些？3、影响金属晶粒度大小的因素有哪些？第三章合金合金是一种金属元素与其它金属元素可非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

例如：普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成德合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。

组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。

硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。

在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。

3.1 合金的组织1、固熔体固熔体是一种组元渗入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。

溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。

固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。

(1)、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。

(2)、置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固容体称为置换固溶体。

2、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。

其性能物特点是熔点高，硬度高，脆性大。

金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。

3、混合物两种或两种以上的相按一定质量分类组成的物质称为混合物。

3.2 二元合金相图1、二元合金相图的建立：相图是合金的成分，温度和组织之间关系的一个简明图民，它是研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。

二元合金相图的纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。

二元合金相图的建立是通过实验方法建立起来的，目前测绘相图的方法很多，最常用的是热分析法。

现以铅锑二元合金为例，说明测绘合金相图的方法及步骤：（1）、配置若干组不同成分的铅锑组分，如下表所示。

合金序号化学成分(%) 临界点(℃)Pb Sb 开始结晶温度结晶终了温度1 100 0 327 3272 95 5 300 2523 89 11 252 2524 50 50 460 2525 0 100 631 631Pb－Sb合金的成分和临界点（2）、分别用热分析法作出各合金的冷却曲线，如下图所示。

一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。

L C αD + βE3.3 铅锑二元合金相图的分析。

如下图中：1、合金I2、合金II 、温度小结：本章要掌握的内容有，合金的概念，三种合金组织的名称及性能、合金相图的概念及合金相图的建立、掌握三种共晶转变的概念及共晶转变的条件。

铅锑合金相图的分析是教学的重点，亦是教学难点。

作业：1、根据铅锑合金相图，分析成分点分别为1、2、3、4、5的合金的冷却过程，画出冷却曲线。

2、解释固溶体、金属间化合物、机械混合物。

3、影响固溶体溶解度的因素有哪些？第四章铁碳合金相图4.1 铁碳合金的相及组织1、铁素体：①概念：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。

②符号：F，体心立方晶格③溶解能力：溶解度很小，在7270C时，碳在α-Fe中的最大溶碳量为0.0218%，随温度的降低逐渐减小。

④性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。

即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。

2、奥氏体：①概念：碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。

②符号：A，面心立方晶格③溶碳能力：较强。

在11480C时可溶C 为2.11%，在7270C时，可溶C 为0.77%。

④性能：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。

3、渗碳体：①概念：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。

②符号：Fe3C 复杂的斜方晶体③溶碳能力：C=6.69%④性能：熔点12270C 硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。

4、珠光体：①概念：是铁素体与碳光体的混合物②符号：P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。

③溶碳能力：在7270C时，C=0.77%④性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

5、莱氏体：①概念：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。

②符号：Ld（高温莱氏体，温度＞7270C）由于奥氏体在7270C时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。

L’d表示③溶碳能力：C=4.3%④性能特点：硬度很高，塑性很差。

F、A、Fe3C是单相组织，称铁碳合金的基本相。

P、Ld是由基本相混合组成的多相组织。

4.2 铁碳合金相图1、铁碳合金相图的组成。

2、Fe—Fe3C相图中点、线的含义。

（1）点的含义：A点：纯铁的熔点，1538℃D点：渗碳体的熔点，1227℃C点：共晶点，1148℃E点：C在γ-Fe中最大溶解度，C=2.11％G点：纯铁的同素异构转变点，912℃α－Fe γ－FeS点：共析点，(2)线的含义：ACD线：液相线，在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。

AECF线：固相线，在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。

在ACD线与AECF线之间是结晶区，即过渡区。

GS线：从A中析出F的开始线，又称A3线ES线：C在A中溶解度曲线，亦称为Acm线。

ECF：共晶线，温度为1148℃。

PSK线：共析线，727℃，A1线3、铁碳合金的分类（1）钢：0.0218%＜C＜2.11%的铁碳合金亚共析钢：0.0718%＜C＜0.77%共析钢：C=0.77%过共析钢：0.77%＜C＜2.11%（2）白口铸铁：2.11%≤C＜6.69%亚共晶白口铸铁：2.11%≤C＜4.3%共晶白口铸铁：C=4.3%过晶白口铸铁：4.3%＜C＜6.69%4.3、典型铁碳合金的结晶过程1、共析钢：（C=0.77%）3、过共析钢：4.4、铁碳合金的成分，组织与性能的关系含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。

4.5、Fe—Fe3C相图的应用1、作为选用钢材料的依据：如制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，则应选用含碳量较低的钢；要求强度、塑性和韧性等综合性较好的构件，则选用含碳量适中的钢，各种工具要求硬度高及耐性好，则应选用含碳量较高的钢。

2、制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据。

4.6、碳素钢含碳量大于0.0218%小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢或碳钢。

1、常存元素对钢的性能的影响(1)、硅来源：炼钢后期作脱氧剂带入；对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；是钢中的有益元素。

(2)、锰来源：炼钢脱氧剂。

对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。

是钢中的有益元素。

(3)、硫来源：生铁带入；对钢的性能影响：对钢造成热脆性；是钢中的有害元素。

(4)、磷来源：生铁带入；对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；是钢中的有害元素。

2、碳素钢的分类(1)、按钢的含碳量分类：低碳钢：C≤0.25%中碳钢：0.25%＜C＜0.6%高碳钢：C≥0.6%(2)、按钢的质量分类：普通钢：S≤0.05%，P≤0.045%优质钢：S≤0.035%，P≤0.035%]高级优质钢：S≤0.025%，P≤0.025%(3)、按钢的用途分类：结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。

C＜0.7%工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。

其含碳量大于0.70% (4)、按冶炼时脱氧程度的不同分类：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢3、碳素钢的牌号及用途(1)、碳素钢结构钢：牌号：Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；性能：一般；应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。

例如：Q235-A?F：表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。