什么是合金及合金的结构

§什么是合金及合金的结构§

合金是一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或者非金属均可）熔合后而组成的具有进速特性的物质。组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元，简称元。绝大多数情况下，组元即是构成合金的元素。但也有将化合物作为组元的，其条件是化合物在所研究的范围内，既不分解也不发生任何化学反应。根据组元的数量，可分为二元合金、三元合金或多元合金、如简单黄铜是由铜和锌两种元素组成的二元合金；硬铝是由铝、铜、镁三种元素组成的三元合金。

◆铜合金分类

铜合金分为黄铜、青铜和白铜。白铜是铜镍合金，主要用来制造精密机械、精密仪表中的耐蚀零件及电阻器、热电偶等。

机械制作中，主要使用的是黄铜和青铜。

●铸造黄铜

铜和锌著称的合金统称为黄铜。其中铜锌二元合金称普通黄铜。除锌外再加入其它元素所组成的多元黄铜称为特殊黄铜。

铸造黄铜具有较高的力学性能，铸造性能较好，且价格比青铜低。常用于一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。

●铸造青铜

可分为普通青铜（锡青铜）和特殊青铜（铝青铜、铅青铜、硅青铜、铍青铜等）两大类。

◆铜合金铸造工艺

各种成分的铜合金的结晶特征不同，铸造性能不同，铸造工艺特点也不同。

1、锡青铜：结晶特征是结晶温度范围大，凝固区域宽。铸造性能方面流动性差，易产生缩松，不易氧化。工艺特点是壁厚件采取定向凝固（顺序凝固），复杂薄壁件、一般壁厚件采取同时凝固。

2、铝青铜和铝黄铜：结晶特征是结晶温度范围小，为逐层凝固特征。铸造性能方面流动性较好，易形成集中缩孔，极易氧化。工艺特点是铝青铜浇注系统为底注式，铝黄铜浇注系统为敞开式。

3、硅黄铜：结晶特征是介于锡青铜和铝青铜之间。铸造性能最好（在特殊黄铜中）。工艺特点是顺序凝固工艺，中注式浇注系统，暗冒口尺寸较小。

◆铝合金铸件分类

铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金等。

●铝合金的铸造工艺

铝合金的铸造性能和化学成分密切相关，其中Al-Si合金处于共晶成分附近，铸造性能最好，和灰铸铁相似。Al-Cu合金远离共晶成分，凝固温度范围大，铸造性能最差。在实际生产中，铝铸件都有冒口补缩，Al-Si类合金的凝固温度范围小，冒口补缩效率高，易获得组织致密的铸件。其它类铸铝合金的凝固温度范围大，冒口补缩效率低，铸件致密性差。

铝合金极易吸气和氧化，因此浇注系统必须保证铝液较快而平稳地流入，避免搅动。

各种铸造方法都适用于铝合金铸件。当生产量较少时，可用砂型铸造，应选用细砂来造型；大量生产的重要铸件，则采用特种铸造。金属型铸造效率高，铸件质量好。低压铸造适用于要求致密性高的耐水压铸件。压力铸造可用于薄壁复杂小件。

●铸造铝合金的熔炼特点

铝合金在液态下极易氧化，其产物为Al2O3，熔点高达2050℃，密度稍大于铝，呈固态夹杂物悬浮在铝液中，很难去除，既恶化铸造性能，又降低力学性能，使铸件致密性降低。铝液还极易吸收氢气，凝固时析出，形成气孔或针孔等缺陷。

1、精炼方法为了减缓铝液的氧化和吸气，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼。可向坩锅内加入KCl、NaCl等作为熔剂，以便将铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸入地氢气，防止针孔的产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。方法有多种，较为简便的是用钟罩向铝液中压入氯化锌（ZnCl2）或六氯乙烷（C2Cl6）等氯盐或氯化物，于是发生如下反应：

3ZnCl2 + 2Al = 3Zn + 2AlCl3

3C2Cl6 + 2Al = 3C2Cl4 + 2AlCl3

反应生成的AlCl3沸点为183℃，C2Cl4的沸点为121℃，故形成气泡，在上浮过程中将铝液中的气体H2及Al2O3夹杂一起带出液面。

2、熔炼设备铝合金熔炉种类很多，一般多用焦碳坩锅炉。也可用电阻坩锅炉。此外感应电炉（工频、中频）也有使用。

合金的结构要比纯金属复杂得多。因为合金由两种或多种元素组成，各元素间的相互作用，会形成各种不同的相。我们把在金属和合金中，凡化学成分相同、结构相同并与其他部分由界面分开的均匀组成部分，称之为相。

下面按照这一概念来分析纯金属和合金的结构。纯金属液态时为单相；固态由同一元素、同一晶格构成，故为单相；结晶过程中，既有液相又有固相，即为二相。合金在液态时，其为具有一定化学成分均匀一致的合金液体，为单相。合金由液态转变为固态后，各元素彼此相互溶解可形成固溶体；元素也可能彼此间发生反应而形成金属化合物。固溶体和金属化合物是固态合金的两个基本相。所以合金在固态时，可能是单相组织也可能是多相组织。在分析合金结构时，就是分析其相结构，看其由几种固溶体或金属化合物，即为几相。

◆固溶体

所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。

●固溶体的分类

按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。

1、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。

2、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。

另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。

●固溶体的性能

当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。

适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。

◆金属化合物

金属化合物是两组元相互作用形成的新相，它的晶体结构与两组元都不相同，并具有金属性质。金属化合物有多种，它们的共同特点是熔点高、硬度高，一般都作为合金中的硬化相。如碳钢中的Fe3C，合金钢中的TiC、VC、W2C等。

合金中以单相的固溶体或金属化合物的形式存在的情况减少，大多以两相的机械混合物形式存在。如碳钢中的珠光体，就是由固溶体（铁素体）和金属化合物（渗碳体Fe3C）组成的机械混合物。

◆合金相图的测定

如前所述，纯金属的结晶是在恒温下进行的，可用冷却曲线来描述。一种合金由液态转变为固态在某一温度范围内进行，也可用一冷却曲线表示。但一个合金系的结晶过程，就需要用相图来展现才能表示清楚。

合金相图是表示合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形，是研究合金的重要工具。合金相图一般都是由试验方法获得的。现以Pb-Sb二元合金为例，来说明二元合金相图的测定过程。

（1）配制不同成分的若干合金，并分别做出它们的冷却曲线。

（2）分别找出各个合金的结晶转变温度，即结晶开始温度和结晶终了温度。

（3）把各合金的结晶开始温度和结晶终了温度，分别标注在温度－成分的坐标系中。

（4）把各合金的结晶开始温度点连结起来，即为液相线；把结晶终了温度点连结起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb 二元合金相图。其它合金相图也可照此方法测定。

Pb-Sb合金构成的是二元共晶相图。其他合金还可构成二元共析相图、形成稳定化合物的二元相图、二元匀晶相图等。

◆铁碳合金

铁碳合金是钢和铁的总称，是工业上应用最广泛的合金。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。在

液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过碳在铁中的固态溶解度时，则出现金属化合物。此外，还可以形成由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。

下面分述铁碳合金在固态下出现的几种基本组织。

●铁素体

铁素体是碳溶解在a－Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。它仍保持的体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为0.0008％的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02％。

由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率δ＝45％～50％。强度、硬度较低，σb≈250MPa，而HBS＝80。

●奥氏体

奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。

●渗碳体

渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为ωc＝6.69％，熔点为1227℃。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。

在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。

●珠光体

珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片装珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。

●莱氏体

莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。

33 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构

3.3 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构 实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部的晶格位向也不是完全一致的，而是包含着许许多多彼此间位向不同的、称之为晶粒的颗粒状小晶体。而晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构（polycrystalline structure）。一般金属材料都是多晶体（图3-12）。通常测得的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均值，故显示出各向同性。 图3—12 多晶体结构示意图 实践证明，即使在一个晶粒内部，其晶格位向也并不是象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块。它们相互嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚结构。可见，只有在亚结构内部，晶格的位向才是一致的。 二、晶体缺陷 实际晶体还因种种原因存在着偏离理想完整点阵的部位或结构，称为晶体缺陷（crystal defect）。晶体缺陷的存在及其多寡，是研究晶体结构、金属塑性变形的关键问题。根据其几何特性，晶体的缺陷可分为三类： 1．点缺陷——空位和间隙原子 实际晶体未被原子占有的晶格结点称为空位；而不占有正常晶格位置而处于晶格空隙之间的原子则称为间隙原子。在空位或间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子离开了原来的平衡位置，即产生所谓的晶格畸变。空位和间隙原子都处于不断的运动和变化之中，这对于热处理和化学处理过程都是极为重要的。 2．线缺陷——位错 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象称为位错（dislocation）。有刃型

和螺型两种位错。 刃型位错如图3-13所示。垂直方向的原子面EFGH中断于水平晶面ABCD上的EF处，就像刀刃一样切入晶体，使得晶体中位于ABCD面的上、下两部分出现错排现象。EF线称为刃型位错线。在位错线附近区域，晶格发生畸变，导致ABCD晶面上、下方位错线附近的区域内，晶体分别受到压应力和拉应力。符号“┴”和“┬”分别表示多出的原子面在晶体的上半部和下半部，分别称为正、负刃型位错。 图3—13 刃型位错示意图 螺型位错如图3-14所示。晶体在BC右方的上、下两部分原子排列沿ABCD晶面发生了错动。aa’右边晶体上、下层原子相对移动了一原子间距，而在BC和aa’之间形成了一个上下层原子不相吻合的过渡区域，这里的原子平面被扭成了螺旋面。在原子面上，每绕位错线一周就推进了一个晶面间距。显然，螺型位错附近区域的晶格也发生了严重畸变，形成了一个应力集中区。 3．面缺陷——晶界和亚晶界 晶界实际上是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层（图3-15）。晶界处晶格处于畸变状态，导致其能量高于晶粒内部能量，常温下显示较高的强度和硬度，容易被腐蚀，熔点较低，原子扩散较快。

金属与合金的晶体结构

第二章金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1、晶体与非晶体 晶体——原子规则排列的集合体 非晶体——原子无规则堆积的集合体 晶体特征：固定的熔点，各向异性 2、晶格与晶胞 晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的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几何单元 3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度 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 第二节纯金属的实际晶体结构 α-Fe [100] E=135000N/mm2 [111] E=290000 N/mm2 实际测定 E=210000 N/mm2 一、多晶体结构 单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面 二、晶体缺陷 1、点缺陷——空位和间隙原子 点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑ 空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主 要方式之一。温度↑，空位↑ 2、线缺陷——位错 位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2)

增加或减小，可以提高强度 3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：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（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界 第三节合金的晶体结构合金的基本概念 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。 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。 ( 单相组织，多相组织，) 二、合金的相结构 合金相结构——固溶体和金属化合物。 1、固溶体 固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素 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（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类： 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 固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高 (仍保持良好的塑性和韧性) 2、金属化合物 特征： ?有金属性质 ?晶体结构不同于任何组元 ?成分可用分子式表示Fe3C 性能：硬，脆，熔点高 弥散强化（第二相强化）： 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↑↑ 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

二元合金的相结构与结晶 - 答案

第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG

常见的金属晶体结构

第二章作业 2－1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。 4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（～×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（～×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工 4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想为什么（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法 1、2 都可以，用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。 4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。 4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗

最新第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG

合金钢的分类和牌号

合金钢的分类和牌号教学设计说课 哈尔滨市第十八职业中学 李玉玲

《合金钢的分类和牌号》教学设计说课 [课题]合金钢的分类和牌号（中国劳动社会保障出版社金属材料与热处理第四版第７章第２节） [课型]新授课 [教学模式]引导学生自主学习 [教学目标] ·知识目标 掌握合金钢的分类和合金钢的牌号。 ·技能目标 让学生自主或以合作交流的方式，研究合金钢在生产和生活中的应用，培养其自主学习及知识迁移能力，以促进学习者问题解决能力的伸展。·情感目标 激发学生学习金属材料的兴趣；培养学生积极独立思考的意识。 [教学重点] 合金钢的分类和牌号。 [教学方法] 通过任务驱动法来引导学生自主学习。 [教学手段] 讲述、教具、生活中的实例。 [课时安排]

[课前准备] 提前预备一些教具。 [讲授过程] （一）复习： 1、上节课我们学习碳素钢和合金钢，二者有何相同点和不同点。（学生思考并做出回答……） 2、碳素钢的分类方法有哪些？(学生思考并做出回答……) （二）导入：碳素钢的冶炼、加工简单，价格便宜，但有一些重要零件若选用碳素钢，就达不到性能要求。因此，人们在机械制造业中广泛使用合金钢。（明确研究方向，激发探究欲望） （任务一：合金钢按用途分类）结合碳素钢按用途分类用类比的方法或小组讨论完成合金钢的分类。培养学生整理知识的能力。每一种钢的用途不同。 教师提出问题： （１）桥梁上的钢筋使用碳素结构钢好还是使用合金钢结构钢好（扩大学生知识面） （２）碳素工具钢是用来制造刀具、量具、模具。合金工具钢是否也用来制造刀具、量具、模具？ （３）特殊性能钢具有某种特殊物理、化学性能的钢。在日常生活中你们接触过特殊性能钢？ 通过层层设疑，引领学生不断思考，积极探究，让学生感受知识发生发展的过程，从而培养生学习兴趣，增强学生的探究意识。

合金的相结构

教学课题合金的相结构 教学课时 2 教学目的让学生了解合金相的概念 掌握合金相的分类 教学难点合金相的分类 教学重点合金相的分类 教学方法讲解法 教具准备教材 教学过程

§2.1 固溶体 固溶体：以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后所形成的一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类型，结点上或间隙中含有其他组元原子。 主要讨论溶剂为纯金属的固溶体。 一、固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据 的位置：置换固溶体和间隙固溶体； 根据溶质原子在溶剂中的固溶能力 ：有限固溶体和无限固溶体。固溶度（溶解度）：在一定温度和压力下，溶质在固溶体中的浓度有一定限度，该浓度极限称为固溶度。 根据溶质原子在固溶体中的分布是否有规律：无序固溶体和有序固溶体。 二、置换固溶体 影响置换固溶体固溶度的主要因素 1．晶体结构因素 晶体结构相同是组元间形成无限固 溶体的必要条件。 2．原子尺寸因素 指溶剂、溶质原子半径之差与溶剂 原子半径之比，即△r = ∣r A-r B∣/ r A , A-溶剂，B-溶质，△r越小，即组元间原子半径越接近，固溶度越大。△r<0.14-0.15时，固溶度较大，或形成无限固溶体。3．电负性因素 电负性：原子接受电子形成负离子 的能力，即元素得失电子的能力。易得电子，电负性大。在周期表中，同一周期元素的电负性从左到右递增；同一族元素的电负性从下到上递增。两元素电负性越相近，固溶度越大。两元素电负性相差大，化学亲和力越强，易形成化合物。4．电子浓度因素 电子浓度：各组元价电子总数e与原子总数a之比， 即C电子= e/a=[V A(100-X)+V B X]/100 V A-溶剂原子价; 100-X-溶剂原子百分数; V A(100-X)-溶剂价电子数; V B-溶质原子价; X-溶质原子百分数; V B X-溶质价电子数. 电子浓度对固溶度的影响: 溶剂为一价FCC金属,不同溶质元素的最大固溶度所对应的极限电子浓度均为1.36左右; 溶剂为一价BCC金属,其极限电子浓度约为1.48. 所以,溶质的原子价越高,其固溶度越低. 举例 总之，组元元素的晶格类型相同，原子半径相差不大，在周期表中的位置邻近时，固溶度较大，甚至形成无限固溶体。 三、间隙固溶体 1．溶质、溶剂元素

钢的几种分类方式

钢的几种分类方式 钢的种类很多，按照钢的化学成分、品质、冶炼方法和用途等的不同，可对钢进行多种的分类。 按冶炼方法分类 根据冶炼方法和设备的不同，钢可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，按所用炉衬材料的不同，每一大类又可分为碱性和酸性两类。但是目前大量生产的主要是碱性炉钢。 转炉钢 把空气或氧气吹入铁水中，使铁水中的C、Mn、Si、 P、S等迅速氧化、靠氧化时放出的热量来升温，而不靠燃料供热的炼钢方法。转炉钢由于节省燃料是目前主要炼钢设备。 平炉钢 平炉钢靠燃料（煤气或重油）的燃烧来熔化炉料和提高钢水温度，靠炉气中的氧气和加入铁矿石进行氧化反应，由于平炉钢消耗大量燃料已逐渐淘汰，我国99年平炉钢已降到2%左右，2000年将彻底淘汰平炉。 电炉钢 利用电能作为热源的炼钢方法。电炉钢主要生产高质量和高合金钢。 按工艺方法（脱氧程度）分类 脱氧 加入脱氧剂，如Mn铁、Si铁、 Al等，把钢水中多作的氧去掉。 沸腾钢 只用Mn铁（价格低、脱氧效果差）脱氧，所以钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量Co。因此钢水在钢模内呈沸腾现象，称沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低。但化学成份不均匀、偏析、杂质多。沸腾钢钢号最后用“F”表示。 镇静钢 除用Mn铁，还用Si铁（有时用Al)脱氧，钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象。镇静钢化学成分均匀，机械性能较好，但有缩孔，成本高。镇静钢钢号后加“Z”。 半镇静钢 脱氧程度在镇静钢与沸腾之间，性能也介于之间，钢号后加“b”。半镇静钢应用较少。

按化学成分分类 按钢化学成分分三类：非合金钢、低合金钢和合金钢，表1为非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值： 表1 非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值

各种合金钢的牌号与用途

各种合金钢的牌号与用途 各种合金钢的牌号与用途： 1）20Mn2：用于制造截面较小（直径不大于50mm）的零件，可代替20Cr钢。常用于制造渗碳小齿轮、小轴；要求不高的活塞销、十籽销头、柴油机套筒、汽门顶杆等；也可用作调质钢，如制造冷镦螺栓。 （2）30Mn2：用作小截面重要紧固件（经调质处理），通常可用于制造汽车、拖拉机及一般机械的车架纵梁、变速箱齿轮、轴、冷镦螺栓及较大截面的调质件；在矿山机械制造中，可用于制造要求心部强度较高的渗碳件，如起重机的后轴和轴颈等。 （3）35Mn2：用作连杆、心轴、曲轴、半轴、操纵杆、风机配件、直径小于15mm的冷镦各种重要螺栓等承受较高应力的机械零件。在制造小截面（直径小于20mm）零件时，可代替40Cr钢。 （4）40Mn2：用于制造午载荷条件下工作的零件，如轴、半轴、曲轴、活塞杆、蜗杆、操纵杆、杠杆、连杆。有载荷的螺栓、螺钉、加固环、弹簧等，以及其他需要调质的零件。在制造小截面（直径小于40mm）零件时，与40Cr钢相近。 （5）45Mn2：用于制造在较高应力与磨损条件下工作的零件，在直径小于60mm时，性能与40Cr钢相当。用作汽车、拖拉机和通用机械的万向接头轴、车轴、轴、连杆盖、摩擦盘、蜗杆、齿轮、齿轮油、电车和蒸气机车轴、车箱轴、重载荷机架，以及冷拉状态中的螺栓和螺帽等。 （6）50Mn2：用于制造在高应力及承受强烈磨损条件下工作的大型零件，如万向接头轴、齿轮、曲轴、连杆、各类小轴等；重型机械上在滚动轴承中工作的主轴、轴及大型齿轮；汽车上的传动花键轴及承受冲击载荷的心轴等，也可用于制造板簧和平卷簧。 （7）20MnV：用于制造锅炉、高压容器、大型高压管道等；也可用作冲压用钢，如自行车链条、活塞销、齿轮等；还可用于制造直径不大于20mm的矿用链坏。 （8）30Mn2MoW：用于制造载荷较大的零件，如连杆螺栓、曲轴、拉杆、齿轮等；可代替30CrNi3制造截面直径小于80mm的重要调质件；当采用表面淬火工艺时，可以制造截面更大的零件。 （9）27SiMn：用于制造高韧性和耐磨性的热冲压零件；也可用于制造不经热处理的零件，或在正火后使用，如拖拉机的履带销等；还可用作铸件。 （10）35SiMn：用于制造中等速度、中等载荷或高载荷而冲击不大的零件，如传动齿轮、心轴、连杆、蜗杆、电车轴、发动机轴、飞轮等；还可用于制造汽轮机的叶轮、400℃以下和重要紧固件等。 （11）42SiMn：与35SiMn钢相同，但主要用作表面淬火钢。 （12）20SiMn2MoV、25SiMn2MoV：用于制造截面较大、载荷较高、应力状态复杂或低温下长期运转的机件，石油机械钻井提升系统的轻型吊坏、吊卡、射孔器等，以下其他截面较大的连接件。 （13）37SiMn2MoV：用于制造大截面承受重载荷的重要零件，如重型机械的轴、齿轮、转子、连杆、螺栓等零件；石油化工中用作高压容器、大螺栓等；还可用作工作温度在-15℃～450℃的大螺栓紧固件。 （14）4OB：用于制造比40钢截面大、性能要求高的零件，如齿轮、转向拉杆、轴、凸轮，以及拖拉机曲轴柄等零件；制造要求不高的小尺寸零件时，可代替40Cr 钢。 （15）45B、50B：用于制造截面较大、强度要求较高的零件，如拖拉机的曲轴、连杆及其他零件；可代替50钢、50Mn钢或50Mn2钢制造要求淬透性较高的零件；制

常用钢材的分类和用途

常用钢材的分类和用途 1、钢材的概念：钢材是钢锭、钢坯或钢材通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。 钢材是国家建设和实现四化必不可少的重要物资，应用广泛、品种繁多，根据断面形状的不同、钢材一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类、为了便于组织钢材的生产、订货供应和搞好经营管理工作，又分为重轨、轻轨、大型型钢、中型型钢、小型型钢、钢材冷弯型钢，优质型钢、线材、中厚钢板、薄钢板、电工用硅钢片、带钢、无缝钢管钢材、焊接钢管、金属制品等品种。 2、钢材的生产方法 大部分钢材加工都是钢材通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑性变形。根据钢材加工温度不钢材同以分冷加工和热加工两种。钢材的主要加工方法有： 轧制：将钢材金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产钢材型材、板材、管材。分冷轧、热轧。锻造钢材：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，常用作生产大型材、开坯等截面尺钢材寸较大的材料。 拉拨钢材：是将已经轧制的金属坯料（型、管、制品等）通过模孔拉拨成截面减小长度增加的加工方法大多用作冷加工。 挤压：是钢材将金属放在密闭的挤压简内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到有同形状和尺寸的成品的加工方法，多用于生产有色金属材钢材 一、黑色金属、钢和有色金属在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属、钢材钢与有色金属的基本概念。 1、黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁钢材为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和钢材制造铸件。把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件钢材，这种铸铁叫铸铁件。 铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在钢材炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 2、把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直钢材接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢材钢属于黑色金属但钢不完全等于黑色金属。 3、钢材有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴钢材、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钢材钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，钢材此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等钢材。 二、钢材的分类 钢是钢材含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过 1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种钢材多样，其主要方法有如下七种： 1、钢材按品质分类 (1) 普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%） (2) 优钢材质钢（P、S均≤0.035%） (3) 高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）

纯金属与合金的晶体结构

淮安信息职业技术学院教案首页 一、章节：第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构 二、教学目的：使学生了解纯金属与合金的晶体结构，晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 三、教学方法： 讲授法。 四、教学重点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 五、教学难点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 六、使用教具： 挂图。 七、课后作业： P17：1、2、6。 八、课后小结：

第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1．晶体与非晶体 晶体内部的原子按一定几何形状作有规则地重复排列，如金钢石、石墨及固态金属与合金。而非晶体内部的原子无规律地规律地堆积在一起，如沥青、玻璃、松香等。 晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。 2．晶体管格与晶胞 为便于分析晶体中原子排列规律，可将原子近似地看成一个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，便形成一个空间格子。 晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中的规则排列方式的空间几何图形。结点——晶格中直线的交点。 晶胞——晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。

晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱长a、b、c（单位，1A=108cm）和棱边夹角来描述，其中a、b、c称为晶格常数。 各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。 二、常见的晶格类型 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。其晶格常数a=b=c。属于这种晶格类型的金属有α铁、铬、钨、钼、钒等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、铝、铜墙铁壁、镍、金、银等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等、α－Ti。 晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。体心立方晶格的致

第二章金属及合金相的晶体结构

Chapter Outline ?金属的晶体结构 ?密排面堆积方式 ?晶体结构间隙 ?固溶体 ?中间相结构

常见金属的晶体结构 面心立方结构（A1）face-centred cubic lattice 体心立方结构（A2） body-centred cubic lat tice 密排立方结构（A3）hexagonal close-packed lattice A B A ?金属键无饱和性和方向性，使其晶 体结构倾向于最紧密堆垛。 ?将原子看作刚性球，构成相互接触 圆球模型，更确切表示原子排列。 ?面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3?顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1 面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag 和Pt 等。 面心立方结构 ?结构符号A1，Pearson 符号c F4。 ?每个晶胞含4个原子。(0,1/2,1/2)● (0,0,0) ●(1/2,1/2,0)●●(1/2,0,1/2)

配位数与致密度 面心立方结构的致密度η为?致密度η是衡量原子堆垛紧密程度的，为晶胞中原子所占体积(V a )与晶胞体积(V )的比值：η=V a / V ?面心立方晶胞面对角线为原子半径的4倍，即()r 24/=a ?配位数（Coordination Number——CN ）是晶体结构中每个原子的最近邻原子数目。a/2 2密排面{111}密排方向 <110> ?面心立方结构的配位数为12，最近 原子间距离为?结构符号A2，Pearson 符号c I2?每个晶胞含2个原子 体心立方结构 ?体心立方结构的金属包括：α-Fe, Cr, W, Mo, V 和Nb 等。 ?体心立方结构配位数为8，原子间距a/23?还有6个次近邻原子，间距为a ，相差15.5%。?体心配位数也表示为CN=8+6。 体心立方结构的致密度η为 体心立方晶胞体对角线为原子半径的4倍，即()r 34/=a 体心原子shared by 0 cells: 1 x 1 = 1 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1 (1/2 1/2 1/2)●(000)●密排面{110} 密排方向<111>

第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

第三章二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指组成合金最基本的、独立的物质。 3．固溶体的定义是在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成置换固溶体。C 、N 则形成间隙固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要差些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相，其反应式为L →a+β 8．匀晶反应的特征是，其反应式为 9．共析反应的特征是，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为有限固溶体和无限固溶体 11．合金的相结构有固溶体和金属化合物两种，前者具有较高的塑性变形性能，适合于做基体相；后者有较高的高硬度性能，适合于做增强相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应B A C L γα?+；DEF 共晶反应F D C L βγ+?；GHI 共析反应I G H βαγ+?； ①L +α；②γα+；③βα+；④βγ+；⑤L +γ；⑥β+L ； 13．相的定义是，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型相同，而间隙相的晶体结构与溶剂组元晶体结构不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式E C D βαγ+?；有限固溶体βα、、无限固溶体γ。 液相线，固相线，固溶线CF 、EG

16．接近共晶成分的合金，其铸造性能较好；但要进行压力加工的合金常选用匀晶成分的合金。 17．共晶组织的一般形态是片状。 (二)判断题 1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。( N) 2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。( Y) 3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关系。( Y) 4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。( Y) 5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。( Y ) 6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。( Y) 7．共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。( N) 8．初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。( Y ) 9．根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。( Y ) 10．亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。( Y ) 11．过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。( Y) (三)选择题 1．固溶体的晶体结构是A A．溶剂的晶型B．溶质的晶型 C 复杂晶型D．其他晶型 2 金属化合物的特点是C A．高塑性B．高韧性 C 高硬度D．高强度 3．当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生D A．匀晶偏析 B 比重偏析C．枝晶偏析D．区域偏析 4．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是C A．由单相组成 B 两相共存 C 三相共存D．四相组成 5．当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为C A. α+βB．(α＋L) C．(α+β) D．L＋α+β 6．具有匀晶型相图的单相固溶体合金B A．铸造性能好B．锻压性能好 C 热处理性能好D．切削性能好 7．二元合金中，共晶成分的合金A A．铸造性能好 B 锻造性能好 C 焊接性能好D．热处理性能好 8．共析反应是指B A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ B 固相→固相Ⅰ+固相Ⅱ C．从一个固相内析出另一个固相 D 从一个液相中析出另一个固相 9．共晶反应是指A

常见的金属晶体结构

第二章作业2－1 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？V、Mg、Zn 各属何种结构？答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法1、2 都可以，用方法3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因？答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因？答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同？答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共

金属的晶体结构

引言 金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。 金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。 固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。原子结构不是金属学研究的范畴。 第1章金属的晶体结构 1-1金属及金属键 金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。例如，为什么金属具有较好的塑性？ 什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。 研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。 当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。 下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。相反，排斥能是正值。吸引能

合金相结构

．3．4合金相结构 纯金属的强度较低，所以工业广泛应用的是合金。合金是两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质，如黄铜是铜锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。 组成合金最基本的独立物质叫组元，组元间由于物理的和化学的相互作用，可形成各种“相”。“相”是合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。由一种相组成的合金叫单相台金，如含锌30％Wc的Cu—Zn台金是单相合金。而含锌40％Wc时则是两相合金，除生成了固溶体外，还形成了金属间化合物。 1．固溶体 凡溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相称为固溶体。固溶体的成分可在一定范围内连续变化，随异类原子的溶入，将引起溶剂晶格常数的改变及晶格畸变，致使合金性能发生变化。通常把形成固溶体使强度，硬度升高的现象叫固溶强化。 根据溶质原子在溶剂中是占结点位置，还是占间隙位置，可将其分为置换固溶体与间隙固溶体；若溶质与溶剂以任何比例都能互溶，固溶度达100％，则称为无限固溶体，否则为有限固溶体；若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。 (1)置换固溶体 (a)组元的晶体结构类型 溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。 (b)原子尺寸因素 溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rA—rB)／rA不超过14％。15％有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。 (c)电负性因素 两元素的电负性相差越大，化学亲和力越强，所生成的化合物也越稳定。 (d)电子浓度因素 电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 (2)间隙固溶体 一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H，O，N，C，B等受原子尺寸因素的影响，不能与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可处于

实际金属的晶体结构

第三讲实际金属的晶体结构 第三节实际金属的晶体结构 一、主要内容： 晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类 点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位， 线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。 面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。 二、要点： 缺陷的概念及缺陷的种类。 三、方法说明; 晶体内部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。 重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。 难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。 授课内容： 一、点缺陷 点缺陷的类型及特点： 金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。 晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子； 占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。 1、空位 空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处： (1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位； (2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位； (3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。 晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。 2、间隙原子 处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。 3、置换原子