第三章 材料组成和结构 第1讲

1、第三章第三章 材料的组成和结构材料的组成和结构Compositions and Structures of Materials 材料的结构和组成是决定材料性能的基础。是合理地设计、制造和选用材料的基础。本章是物质结构理论的应用。 3-1 材料组成和结构的基本内容材料组成和结构的基本内容Principal Contents of Materials Composition and Structures 3-1-1材料的组成和主要结构形式材料的组成和主要结构形式 组成组成 单组份单组份 one component 多组份多组份 组成材料的元素包括原子或分子等。 主要结构形式结构形式： 材料结构的涵

2、义是指组成某种材料的各组份物质之 间的关系（同种，异种）。 聚集状态聚集状态（亚微观） 单晶体 多晶体 晶体 均相固溶体均相固溶体均匀的混合物， 多相共混体多相共混体 （微观 显微） 复合体复合体(宏观组织）两种或两种以上物理性质和化学性质或物理状态不同的材料，按一定的规律组合而成一种具有新的性能的团体，亦称复合材料。 3-1-2 材料的结构缺陷材料的结构缺陷 Structural Imperfection of Materials 空隙空隙：本身排列不均匀 空穴空穴 vacancy（晶体） 自由体积自由体积 free volume（非金属） 界面界面：晶界晶界 grain boundary（

3、晶体） 界面界面 interphase（多组分等混合体系）。 blends3-2 金属材料的结构和组成金属材料的结构和组成Composition and Structure of Metallic MaterialsWhat is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atomsHow to calculate the crystal structure parameters and densities of metalsWhat is metal alloy and its

4、 main structural typesWhat is the iron-iron carbide phase diagram crystal unit cells and electronic structures of metal atoms Calculation of the crystal structure parameters and densities of metals, metallic alloy and its main structural types: Solid solution, intermetallic compound, mechanical blen

5、ds Iron-Carbon Alloy Texture Ferrite, austenite, cementite , pearlitic Iron-iron carbide phase diagram : development of microstructures in alloy, eutectoid steel , eutectic steel Steel and Cast Iron Copper and its Alloys Noncrystalline metallic alloy , Recrystalliny of Metals3-2金属材料的结构和组成金属材料的结构和组成C

6、omposition and Structure of Metallic Materials3-2-1金属材料金属材料1 原子结构原子结构Atomic structure of metals 轨道上价电子数少（价电子数少（12个）个），且与原子核的结合力弱弱，很容易脱离核，而成为自由电子。 Metallic bonding: ion cores electron cloud(sea of electrons) 2. 金属晶体结构晶体结构 Clystal Structures of Metals（1）随温度而变化随温度而变化（2）室温下有三种室温下有三种： 体心立方体心立方 面心立方面心立方 密

7、堆六方密堆六方 较高强度、硬度和熔 具有良好塑性 强度低，塑 点但塑性和韧性差 和韧性 性和韧性差 Li, Na, K Au, Ag, Cu Mg, Ti, Zr Ni,Pd, Pt Cr, Mo, W 晶胞内原子数 2 4 6点阵常数 4R/3 4R/2 元素晶体结构点阵常数最近的原子间距ac铝铍镉铬钴铜金铁铅锂镁钼镍铌铂钾铑铷银钠钽钍钛钨铀钒锌锆面心立方密排六方密排六方体心立方密排六方面心立方面心立方体心立方面心立方体心立方密排立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方面心立方体心立方体心立方面心立方密排六方体心立方正交体心立方密排六方密排六方4.04962.28562.

8、97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650 3.02822.66493.2312 3.58325.6167 4.069 5.2105 4.6788 4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.

9、5952.8902.7412.772.6222.6653.172Table 3.1EXAMPLE PROBLEM 3.3Copper has an atomic radius of 0.128 nm (1.28 A ), an FCC crystal structure, and an atomic weight of 63.5 g/mol. Compute its theoretical density and compare the answer with its measured density.SOLUTIONThe literature value for the density o

10、f copper is 8.94 g/cm 3 , 3.4 Show for the body-centered cubic crystal Calculate the radius of a vanadium atom, given that V has a BCC crystal structure, a density of 5.96 g/cm 3, and an atomic weight of 50.9 g/mol.3-2-2合金材料合金材料 Metallic Alloys 在纯金属中加入一种或几种其它元素（金属或非金属），熔合而成为具有金属性质的材料，称为合金材料。按组分组分 铁基

11、铁基合金 又称铁合金或合金钢，碳钢 非铁基非铁基合金 有色金属按组成方式组成方式 固溶体固溶体 单相 金属化合物金属化合物 单相 机械混合物机械混合物 多相单相单相体系： 置换式或替代式 间隙式 缺位 有序 固溶体：固溶体：solid solution 替代式替代式：d溶质d溶剂 substitutional 间隙式间隙式：d溶质/d溶剂 0.59 interstitial金属间化合物：金属间化合物：intermetallic compound 有固溶体和化合物两方面的特性,又称为中间相。形成的晶格与组成元素的晶格不同。 正常价化合物正常价化合物： 金属/ A, A, A部分元素部分元素，按比

12、例 电子化合物电子化合物 贵金属贵金属（Au, Ag, Cu）/金属金属（Zn, Al, Sn） （电子相） 按一定电子浓度比值电子浓度比值形成一定晶格类型 化合物中价电子数化合物中价电子数/原子数原子数 具有很高的熔点和硬度Cu-3d104s1 Zn- 3d104s2 Sn-5s2 5p2 Al-3s2 3p1 Electronic compounds 间隙化合物间隙化合物： 过渡金属/C, N, H, 半径比0.59机械混合物机械混合物：Mechanical blends 液态组分互溶， 凝固分相。 两种固溶体的混合物 固溶体和金属化合物 所组成的混合物。 cementite Fe3 CI

13、nterstitial compound3-2-3铁碳合金铁碳合金 Iron-Carbon Alloy1.铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 texture铁素体铁素体 ferrite 碳溶解在 铁铁中的固溶体，C%0.02%（727）， 硬度和强度低，但塑性和韧性好。奥氏体奥氏体 austenite 碳溶解在 铁铁中的固溶体，C%2%（1148） 塑性和可锻性好，无磁好。(3) 渗碳体渗碳体 cementite 铁和碳以化合物化合物形态出现的碳化铁,熔点高。(4) 珠光体珠光体 pearlitic 铁素体和渗碳体二者组成的混合物混合物，(5) 莱氏体莱氏体 奥氏体和渗碳体的共晶共晶混合物（

14、机械混合）；马氏体马氏体 Martensite 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在碳在 铁中的过饱和固溶体铁中的过饱和固溶体。硬度很高。 pearliticferriteaustenite 2. 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 the iron-iron carbide phase diagram Fe3C， 含碳量6.67% 2 典型铁碳合金结晶过程分析典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢共析钢 eutectoid steel 0.77%C （2）亚共析钢亚共析钢 hypoeutectoid steel 0.02180.77%C （3）过共析钢过共析钢 hypereutectoid

15、steel0.772.11%C （4）共晶白口铸铁共晶白口铸铁 4.3%C （5）亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.114.3%C （6）过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.36.67%C EXAMPLE PROBLEM 10.4For a 99.65 wt% Fe0.35 wt% C alloy at a temperature just below the eutectoid,determine the following:(a) The fractions of total ferrite and cementite phases.(b) The fractions of the proe

16、utectoid ferrite and pearlite.(c) The fraction of eutectoid ferrite.SOLUTION(a) lever rule expressions, C0 is 0.35 wt% C, and(b) The fractions of proeutectoid ferrite and pearlite are determined(c) sum of these two ferrite fractions 4. 钢和铸铁钢和铸铁 Steel and Cast Iron (1) 钢钢碳含量低于2.1%（重量）的铁碳合金。 在金属中，普通碳钢

17、、低合金钢5%镍、铬。 (2) 铸铁铸铁碳含量高于2.1% （重量）的铁碳合金。 有灰色铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 灰铸铁灰铸铁， 2.53.5 %， 钢钢 +片状石墨片状石墨 可锻铸铁可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）铁素体（珠光体）+ 团絮状石墨团絮状石墨 球墨铸铁球墨铸铁， 3.63.8 %，基体，基体 + 球状石墨球状石墨蠕墨铸铁蠕墨铸铁，3-2-4 非铁金属与合金非铁金属与合金 Non-iron metals 1.铜及其合金铜及其合金 Copper and its Alloys (1) 纯铜（紫铜）纯铜（紫铜） 面心立方，mp 1083，：8.96 塑性好 微量杂质：Pb、Bi、O、S

18、、P （2）黄铜黄铜 Cu-Zn合金合金 固溶体、面心立方 普通普通黄铜 Zn含量：39% 单相黄铜 3945% 双相黄铜 特殊特殊黄铜：多元合金 Sn、Al、Mn、Pb、Si（3）青铜青铜 Cu-Sn合金合金（及含Al、Si、Pb、Mn、Be） Sn：56% 单相固溶体 6% + Cu31Sn8共析体，硬而脆2. 铝及其合金铝及其合金 Aluminum Al 面心立方 Mp：660， ：2.7 低强度，不宜作结构材料 导电、导热性略低于银和铜 Al合金合金：加Si、Cu、Mg、Mn 强度较高3-2-5非晶态合金非晶态合金 Noncrystalline metallic alloy 快速淬火快速淬火技术（过冷）。TTT曲线曲线（Time Temperature Transition）， 越过C曲线曲线的顶部 即可得到非晶体。 Tm - Tn 临界冷却速率临界冷却速率 R c= - n Tg = Tm - TgTg 形成非晶体的趋向愈大过渡金属、贵金属、类金属的合金过渡金属、贵金属、类金属的合金低的冷却速率是易于制备非晶体的有利条件主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性 和优越耐腐蚀性。3-2-6金属材料的再结晶金属材料