第三章材料的组成和结构第1讲

第三章材料的组成和结构CompositionsandStructuresofMaterials

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PrincipalContentsofMaterialsCompositionandStructures3-1-1材料的组成和主要结构形式组成

单组份

onecomponent

多组份组成材料的元素包括原子或分子等。主要结构形式：材料结构的涵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（亚微观）单晶体多晶体晶体

均相固溶体——均匀的混合物，

多相共混体（微观显微）

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

StructuralImperfectionofMaterials

空隙：本身排列不均匀

空穴

vacancy（晶体）

自由体积

freevolume（非金属）

界面：晶界

grainboundary（晶体）

界面

interphase（多组分等混合体系）。

blends3-2金属材料的结构和组成

CompositionandStructureofMetallicMaterialsWhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsHowtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetalsWhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesWhatistheiron-ironcarbidephasediagramcrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCalculationofthecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals,metallicalloyanditsmainstructuraltypes:

Solidsolution,intermetalliccompound,mechanicalblendsIron-CarbonAlloyTextureFerrite,austenite,cementite,pearlitic

Iron-ironcarbidephasediagram:developmentofmicrostructuresinalloy,eutectoidsteel,eutecticsteelSteelandCastIronCopperanditsAlloysNoncrystallinemetallicalloy,RecrystallinyofMetals3-2金属材料的结构和组成CompositionandStructureofMetallicMaterials3-2-1金属材料1．

原子结构Atomicstructureofmetals

轨道上价电子数少（1—2个），且与原子核的结合力弱，很容易脱离核，而成为自由电子。

Metallicbonding:ioncoreselectroncloud(seaofelectrons)

2.

金属晶体结构

ClystalStructuresofMetals（1）随温度而变化（2）室温下有三种：

体心立方

面心立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,KAu,Ag,CuMg,Ti,ZrNi,Pd,PtCr,Mo,W晶胞内原子数246点阵常数4R/34R/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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172Table3.1EXAMPLEPROBLEM3.3Copperhasanatomicradiusof0.128nm(1.28A),anFCCcrystalstructure,andanatomicweightof63.5g/mol.Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity.SOLUTIONTheliteraturevalueforthedensityofcopperis8.94g/cm3,°3.4Showforthebody-centeredcubiccrystalCalculatetheradiusofavanadiumatom,giventhatVhasaBCCcrystalstructure,adensityof5.96g/cm3,andanatomicweightof50.9g/mol.3-2-2合金材料MetallicAlloys

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

铁基合金又称铁合金或合金钢，碳钢

非铁基合金有色金属按组成方式

固溶体单相

金属化合物单相

机械混合物多相单相体系：置换式或替代式间隙式缺位有序

固溶体：solidsolution

替代式：d溶质～d溶剂substitutional

间隙式：d溶质/d溶剂

0.59interstitial金属间化合物：intermetalliccompound

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：金属/ⅣA,ⅤA,ⅥA部分元素，按比例

电子化合物

贵金属（Au,Ag,Cu）/金属（Zn,Al,Sn）（电子相）按一定电子浓度比值形成一定晶格类型

化合物中价电子数/原子数具有很高的熔点和硬度Cu-3d104s1Zn-3d104s2Sn-5s25p2

Al-3s23p1

Electroniccompounds间隙化合物：过渡金属/C,N,H,半径比>0.59机械混合物：Mechanicalblends

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。cementiteFe3CInterstitialcompound3-2-3铁碳合金Iron-CarbonAlloy1.铁碳合金的基本组织

texture铁素体

ferrite

碳溶解在铁中的固溶体，C%0.02%（727℃），

硬度和强度低，但塑性和韧性好。奥氏体

austenite

碳溶解在铁中的固溶体，C%2%（1148℃）塑性和可锻性好，无磁好。(3)渗碳体

cementite

铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,熔点高。(4)珠光体

pearlitic

铁素体和渗碳体二者组成的混合物，(5)莱氏体奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混合）；马氏体

Martensite

钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体。硬度很高。pearliticferriteaustenite

2.

铁碳合金状态图

theiron-ironcarbidephasediagram

Fe3C，含碳量≤6.67%

2．

典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢

eutectoidsteel

0.77%C

（2）亚共析钢

hypoeutectoidsteel

0.0218~0.77%C

（3）过共析钢

hypereutectoidsteel0.77~2.11%C

（4）共晶白口铸铁

4.3%C

（5）亚共晶白口铸铁

2.11~4.3%C

（6）过共晶白口铸铁

4.3~6.67%CEXAMPLEPROBLEM10.4Fora99.65wt%Fe–0.35wt%Calloyatatemperaturejustbelowtheeutectoid,determinethefollowing:(a)Thefractionsoftotalferriteandcementitephases.(b)Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite.(c)Thefractionofeutectoidferrite.SOLUTION(a)leverruleexpressions,C’0is0.35wt%C,and(b)Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined(c)sumofthesetwoferritefractions4.钢和铸铁

SteelandCastIron

(1)

钢——碳含量低于2.1%（重量）的铁碳合金。在金属中，普通碳钢、低合金钢<5%镍、铬。

(2)

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，2.5—3.5%，钢+片状石墨

可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+团絮状石墨

球墨铸铁，3.6—3.8%，基体+球状石墨蠕墨铸铁，3-2-4非铁金属与合金Non-ironmetals

1.铜及其合金

CopperanditsAlloys

(1)纯铜（紫铜）面心立方，mp1083℃，ρ：8.96塑性好微量杂质：Pb、Bi、O、S、P

（2）黄铜

Cu-Zn合金固溶体、面心立方

普通黄铜Zn含量：〈39%单相黄铜

39~45%双相黄铜

特殊黄铜：多元合金Sn、Al、Mn、Pb、Si（3）青铜

Cu-Sn合金（及含Al、Si、Pb、Mn、Be）

Sn：〈5~6%单相α固溶体

〉6%α+δCu31Sn8共析体，硬而脆2.

铝及其合金Aluminum

Al面心立方

Mp：660℃，ρ：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：加Si、Cu、Mg、Mn

强度较高3-2-5非晶态合金Noncrystallinemetallicalloy

快速淬火技术（过冷）。TTT