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1、3-2 金属资料的构造和组成金属资料的构造和组成Composition and Structure of Metallic Materials3-2金属资料的构造和组成金属资料的构造和组成Composition and Structure of Metallic Materials3-2-1金属资料金属资料1原子构造和金属键原子构造和金属键Atomic structure of metals 金属元素的原子构造区别于其他元素的一金属元素的原子构造区别于其他元素的一些共性：些共性： 外层电子较少，且与原子核的结合的结合外层电子较少，且与原子核的结合的结合力较弱，力较弱， 很容易脱离核，而成为自在

2、电子，同时构很容易脱离核，而成为自在电子，同时构成电子层构造稳定的正离子形状。成电子层构造稳定的正离子形状。最典型的金属：碱金属，碱土金属等；过渡金属：ns层电子能量低于n-1)d层，从而使d层电子数处于110之间未填满的形状。原子价态的可变性使得这类原子在与其他原子相互作用时表现出某些独特性质。金属键金属键 金属资料内部原子间的结合主要依托金属键，它几乎贯穿在一切金属资料之中，这就是金属资料有别于其他资料的根本缘由。 金属键的模型如下图： 金属原子全部或部分地使其外层的价电子脱离原来的原子，失去价电子的原子构成正离子。而正离子和部分中性原子按一定的几何规那么陈列起来，并在固定的点上做热振动。

3、脱离原子的价电子为整个正离子所共有。这种公有化的电子称之为自在电子。 因此，金属键的结合是靠公有化的自在电子与离子间的静电引力而产生的。 2. 金属晶体构造 Clystal Structures of Metals1晶格和晶胞晶格：用假想的直线将各原子的中心衔接起来，得到一个抽 象化的几何空间格子，原子位于空间格子的结点上。晶胞：在晶格中取出一个完全能代表晶格的最小单位。2最典型、最常见的金属晶体构造有三种： 体心立方晶格 面心立方 密排六方 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(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) M

4、g, Ti, Zr(d2或d2s2)晶胞内 (1/8) 8+1= (1/8) 8+(1/2) 6= (1/6) 12+(1/2) 2+3=原子数 2 4 6元素晶体构造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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.2094

5、3.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650 3.02822.66493.2312 3.58325.6167 4.069 5.2105 4.6788 4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.1723-2-2 合金资料合金资料 Meta

6、llic Alloys 由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。 合金分类：合金分类：按组成合金的元素数量按组成合金的元素数量 二元合金二元合金 三元合金三元合金 多元合金多元合金按组分按组分 铁基合金铁基合金 又称铁合金或合金钢，碳钢又称铁合金或合金钢，碳钢 非铁基合金非铁基合金 有色金属有色金属按组成方式按组成方式 固溶体固溶体 单相单相 金属间化合物金属间化合物 单相单相 机械混合物机械混合物 多相多相 相：合金中具有同一聚集形状、同一构造和性质的均匀组成相

7、：合金中具有同一聚集形状、同一构造和性质的均匀组成部分。部分。 大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体，大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体，因此只具有一个液相。因此只具有一个液相。 在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中能够会出现不同的相构造。能够会出现不同的相构造。 根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相根本上可根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相根本上可以分为两类：固溶体和金属间化合物。以分为两类：固溶体和金属间化合物。固溶体：固溶体：solid solution 置换式：置换式：

8、间隙式：间隙式：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。构有固溶体和化合物两方面的特性，又称为中间相。构成的晶格与组成元素的晶格不同。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： 金属金属/非金属，按化合价的比例非金属，按化合价的比例电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定。定。 NaCl型，如MgSeCaF2型，如Mg2Si闪锌矿型，如立方ZnS正常价化合物硬度高，但较脆。正常价化合物硬度高，但较脆。B 电子化合物电子化合物 贵金属贵金

9、属Au, Ag, Cu/金属金属Zn, Al, Sn组成组成合金时，随合金组元成分的改动，合金相的构造与电子浓度合金时，随合金组元成分的改动，合金相的构造与电子浓度具有一定对应关系。具有一定对应关系。 在在Cu-Zn合金中，根据合金成分的不同，可以分别构成具有合金中，根据合金成分的不同，可以分别构成具有不同点阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵构造和稳定不同点阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵构造和稳定性主要取决于电子浓度要素，而且，对应一定的电子浓度，性主要取决于电子浓度要素，而且，对应一定的电子浓度，不同合金所构成的电子化合物具有一样的晶体点阵类型。不同合金所构成的电子化合物具有一样的晶

10、体点阵类型。补充：补充： 吸热合金吸热合金Ni-Cu 放热合金放热合金Pd-Ag 经过测定经过测定Ni和和Pd在构成合金前后的在构成合金前后的d带空穴数，可以推带空穴数，可以推测这两种合金不同的构造方式：前者以测这两种合金不同的构造方式：前者以Ni-Ni和和Cu-Cu为主，为主，Ni的的d带空穴数没明显变化；后者以带空穴数没明显变化；后者以Pd-Ag为主，为主，Pd的的d带空带空穴数有很大变化。穴数有很大变化。电子化合物普通具有很高的熔点和硬度，并有导电性电子化合物普通具有很高的熔点和硬度，并有导电性 C 间隙化合物：间隙化合物： 过渡金属如过渡金属如Fe、Mn等与原子半径很小等与原子半径很小

11、的非金属如的非金属如C, N等构成稳定性较高的化等构成稳定性较高的化合物，其组元之间原子半径之比大于合物，其组元之间原子半径之比大于0.59时，时，就构成具有复杂晶格的间隙化合物。就构成具有复杂晶格的间隙化合物。 铁碳合金中很重要的强化相渗碳体铁碳合金中很重要的强化相渗碳体Fe3C就属于间隙化合物，其晶体构造为复杂的就属于间隙化合物，其晶体构造为复杂的正交构造如右图所示。正交构造如右图所示。 间隙化合物具有高硬度和高熔点。间隙化合物具有高硬度和高熔点。Interstitial compoundD 机械混合物：机械混合物： 在铁碳合金中共析反响所构成的铁素体和渗碳体，固态在铁碳合金中共析反响所构

12、成的铁素体和渗碳体，固态下既不能相互溶解，又不能彼此反响构成化合物，而是构成下既不能相互溶解，又不能彼此反响构成化合物，而是构成了机械混合物，叫做珠光体了机械混合物，叫做珠光体P。由于珠光体是由硬的渗。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物。所以，其机械性碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物。所以，其机械性能介于渗碳体和铁素体之间。能介于渗碳体和铁素体之间。3-2-3铁碳合金铁碳合金 Iron-Carbon Alloy1.铁碳合金的根本组织铁碳合金的根本组织 texture 钢和铸铁的根本组元是铁和碳两个元素，故称之为铁碳合金。它是现钢和铸铁的根本组元是铁和碳两个元素，故称之

13、为铁碳合金。它是现代工业中运用最为广泛的金属资料。代工业中运用最为广泛的金属资料。铁素体铁素体 F: ferrite)： 碳溶解在碳溶解在-铁中的固溶体，铁中的固溶体， -铁是体心立方晶胞，铁是体心立方晶胞，碳在碳在-铁中的溶解度很小，铁中的溶解度很小，C%0.02%727， C%0.006%室温室温 硬度和强度低，但塑性和韧性好。硬度和强度低，但塑性和韧性好。奥氏体奥氏体 (A: austenite)： 碳溶解在碳溶解在-铁中的间隙固溶体，铁中的间隙固溶体， -铁是面心立方铁是面心立方构造，碳在构造，碳在-铁中的溶解度比在铁中的溶解度比在-铁中大，铁中大，C%2.11%1148 塑性和可锻性

14、好。塑性和可锻性好。(3) 渗碳体渗碳体cementite：铁和碳以稳定化合物形状：铁和碳以稳定化合物形状Fe3C出现的碳化铁出现的碳化铁,含含碳量为碳量为6.67，晶体构造很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性，晶体构造很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性几乎为零，脆性极大。几乎为零，脆性极大。(4) 马氏体 Martensite：钢和铁从高温奥氏体形状急冷淬火，得到碳在铁中的过饱和固溶体，称为马氏体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度和强度。(5) 珠光体 P: pearlitic)

15、 铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物；(6) 莱氏体Le：奥氏体和渗碳体的共晶混合物机械混合物；pearliticferriteaustenitemartensite 2. 铁碳合金形状图 the iron-iron carbide phase diagram结合书结合书面教案进面教案进展讲解展讲解 三条重要程度线三条重要程度线: HJB包晶线。在这条线上发生包晶反响：包晶线。在这条线上发生包晶反响：LB+H AJ, 包晶反响的结果构成了奥氏包晶反响的结果构成了奥氏体，包晶反响只在含体，包晶反响只在含0.10.5碳的铁碳合金碳的铁碳合金中发生。中发生。ECF共晶线。在这条线上发生共晶反响：共晶

16、线。在这条线上发生共晶反响：LC AE+Fe3C, 共晶反响的产物奥氏体共晶反响的产物奥氏体和渗碳体组成的混合物称为莱氏体和渗碳体组成的混合物称为莱氏体Le，共，共晶反响发生在含碳为晶反响发生在含碳为2.116.67的铁碳合金中。的铁碳合金中。PSK共析线。在这条线上发生共析反响：共析线。在这条线上发生共析反响：AS FP+Fe3C, 共析反响的产物铁素体和共析反响的产物铁素体和渗碳体组成的混合物称为珠光体常用渗碳体组成的混合物称为珠光体常用P表示。表示。含碳量超越含碳量超越0.02的铁碳合金，都有共析反响。的铁碳合金，都有共析反响。148511487272 典型铁碳合金结晶过程分析本人看书

17、根据铁碳合金含碳量和室温组织的不同，可以将铁碳合金分为三大类： 纯铁：含碳量0.0218。 钢：含碳量在0.02182.11之间。又可分为三种： 亚共析钢: 含碳量0.77 共析钢: 含碳量为0.77 过共析钢: 含碳量在0.77和2.11之间 白口铁：含碳量在2.116.67之间。又可分为三种： 亚共晶白口铁: 含碳量在2.114.3之间 共晶白口铁: 含碳量为4.3 过共晶白口铁: 含碳量在4.36.67之间4. 钢和铸铁 Steel and Cast Iron (1) 钢碳含量低于2.11%的铁碳合金。 有碳素钢和合金钢两大类。碳素钢合金钢根据合金元素种类，还可分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。

18、无论是碳素钢还是合金钢，其构造是由铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体或马氏体等这些相所组成。 低碳钢：含碳量0.6%低合金钢：合金元素总含量10%(2) 铸铁碳含量高于2.11% 的铁碳合金。 它还含有硅、锰、磷、硫及某些合金元素。与钢相比，主要区别在于铸铁含碳、硅较高，含硫、磷杂质元素较多，所以，铸铁与钢的组织和性能差别较大。 铸铁具有广泛的运用，是由于它的消费设备和工艺简单、价钱低廉。铸铁还具有优良的铸造性能，良好的减磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列优点。工业上常用的铸铁有灰色铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。灰铸铁因断口呈灰色而得名灰铸铁因断口呈灰色而得名 化学

19、成分普通为：化学成分普通为：2.53.6%C，1.12.5Si ，0.61.2Mn，P0.5%, S0.15%灰铸铁的五大元素灰铸铁的五大元素C、Si、Mn、P、S的含量都要控制在一定的范的含量都要控制在一定的范围内，其中，围内，其中，C、Si、Mn是调理组织的元素，是调理组织的元素，P是控制运用元素，是控制运用元素，S是限制元素。是限制元素。组织特点：钢基体上分布着片状石墨组织特点：钢基体上分布着片状石墨灰铸铁的组织按其基体的不同，可分为以下几种：灰铸铁的组织按其基体的不同，可分为以下几种：灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、外形、

20、大小和分布情况。外形、大小和分布情况。可锻铸铁韧性铁素体珠光体可锻铸铁韧性铁素体珠光体+ 团絮状石墨团絮状石墨因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。按热处置条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。按热处置条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁：由白口铸铁经高温石墨化退火制成，其组织为黑心可锻铸铁：由白口铸铁经高温石墨化退火制成，其组织为铁素体或珠光体基体上分布着团絮状石墨；铁素体或珠光体基体上分布着团絮状石墨；白心可锻铸铁：由白口铸铁经氧化脱碳制成，其组织为铁素体白心可锻铸铁：由白口铸铁经氧化脱碳制成，其组织为

21、铁素体和珠光体及少量渗碳体。和珠光体及少量渗碳体。 球墨铸铁，球墨铸铁， 3.63.8C%，基体，基体 + 球状石墨球状石墨 由于石墨呈球状，对基体的分割作用，引起应力集中的作用大由于石墨呈球状，对基体的分割作用，引起应力集中的作用大为减少。为减少。 球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高而且，同样具有灰铸铁的一系列优点，如铸造性能、减磨性、而且，同样具有灰铸铁的一系列优点，如铸造性能、减磨性、可切削性及低的缺口敏感性等。可切削性及低的缺口敏感性等。蠕墨铸铁蠕墨铸铁 一种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，并具有一定韧性和较高的耐磨性，同时它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。 蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间外形的石墨。 蠕墨铸铁的消费是在一定成分的铁水中参与适量蠕化剂稀土镁钙合金等处置而成，其消费方法与球墨铸铁消费工艺大致一样。特殊性能铸铁特殊性能铸铁 向铸铁中参与一定量的合金元素，便获得特殊性能的向铸铁中参与一定量的合金元素，便获得特殊性能