chapter.材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt課件

1、3-2 金屬資料的構(gòu)造和組成金屬資料的構(gòu)造和組成Composition and Structure of Metallic Materials3-2金屬資料的構(gòu)造和組成金屬資料的構(gòu)造和組成Composition and Structure of Metallic Materials3-2-1金屬資料金屬資料1原子構(gòu)造和金屬鍵原子構(gòu)造和金屬鍵Atomic structure of metals 金屬元素的原子構(gòu)造區(qū)別于其他元素的一金屬元素的原子構(gòu)造區(qū)別于其他元素的一些共性：些共性： 外層電子較少，且與原子核的結(jié)合的結(jié)合外層電子較少，且與原子核的結(jié)合的結(jié)合力較弱，力較弱， 很容易脫離核，而成為自在

2、電子，同時構(gòu)很容易脫離核，而成為自在電子，同時構(gòu)成電子層構(gòu)造穩(wěn)定的正離子形狀。成電子層構(gòu)造穩(wěn)定的正離子形狀。最典型的金屬：堿金屬，堿土金屬等；過渡金屬：ns層電子能量低于n-1)d層，從而使d層電子數(shù)處于110之間未填滿的形狀。原子價態(tài)的可變性使得這類原子在與其他原子相互作用時表現(xiàn)出某些獨(dú)特性質(zhì)。金屬鍵金屬鍵 金屬資料內(nèi)部原子間的結(jié)合主要依托金屬鍵，它幾乎貫穿在一切金屬資料之中，這就是金屬資料有別于其他資料的根本緣由。 金屬鍵的模型如下圖： 金屬原子全部或部分地使其外層的價電子脫離原來的原子，失去價電子的原子構(gòu)成正離子。而正離子和部分中性原子按一定的幾何規(guī)那么陳列起來，并在固定的點(diǎn)上做熱振動。

3、脫離原子的價電子為整個正離子所共有。這種公有化的電子稱之為自在電子。 因此，金屬鍵的結(jié)合是靠公有化的自在電子與離子間的靜電引力而產(chǎn)生的。 2. 金屬晶體構(gòu)造 Clystal Structures of Metals1晶格和晶胞晶格：用假想的直線將各原子的中心銜接起來，得到一個抽 象化的幾何空間格子，原子位于空間格子的結(jié)點(diǎn)上。晶胞：在晶格中取出一個完全能代表晶格的最小單位。2最典型、最常見的金屬晶體構(gòu)造有三種： 體心立方晶格 面心立方 密排六方 較高強(qiáng)度、硬度和熔 具有良好塑性 強(qiáng)度低，塑 點(diǎn)，但塑性和韌性差 和韌性 性和韌性差 Li, Na, K(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) M

4、g, Ti, Zr(d2或d2s2)晶胞內(nèi) (1/8) 8+1= (1/8) 8+(1/2) 6= (1/6) 12+(1/2) 2+3=原子數(shù) 2 4 6元素晶體構(gòu)造點(diǎn)陣常數(shù)最近的原子間距ac鋁鈹鎘鉻鈷銅金鐵鉛鋰鎂鉬鎳鈮鉑鉀銠銣銀鈉鉭釷鈦鎢鈾釩鋅鋯面心立方密排六方密排六方體心立方密排六方面心立方面心立方體心立方面心立方體心立方密排立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方體心立方面心立方密排六方體心立方正交體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 合金資料合金資料 Meta

6、llic Alloys 由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。 合金分類：合金分類：按組成合金的元素?cái)?shù)量按組成合金的元素?cái)?shù)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組分按組分 鐵基合金鐵基合金 又稱鐵合金或合金鋼，碳鋼又稱鐵合金或合金鋼，碳鋼 非鐵基合金非鐵基合金 有色金屬有色金屬按組成方式按組成方式 固溶體固溶體 單相單相 金屬間化合物金屬間化合物 單相單相 機(jī)械混合物機(jī)械混合物 多相多相 相：合金中具有同一聚集形狀、同一構(gòu)造和性質(zhì)的均勻組成相

7、：合金中具有同一聚集形狀、同一構(gòu)造和性質(zhì)的均勻組成部分。部分。 大多數(shù)合金的組元在液態(tài)下能相互溶解，成為均勻的液體，大多數(shù)合金的組元在液態(tài)下能相互溶解，成為均勻的液體，因此只具有一個液相。因此只具有一個液相。 在凝固以后，由于各組元之間相互作用不同，在固態(tài)合金中在凝固以后，由于各組元之間相互作用不同，在固態(tài)合金中能夠會出現(xiàn)不同的相構(gòu)造。能夠會出現(xiàn)不同的相構(gòu)造。 根據(jù)合金中元素之間相互作用的不同，合金中的相根本上可根據(jù)合金中元素之間相互作用的不同，合金中的相根本上可以分為兩類：固溶體和金屬間化合物。以分為兩類：固溶體和金屬間化合物。固溶體：固溶體：solid solution 置換式：置換式：

8、間隙式：間隙式：金屬間化合物：金屬間化合物：intermetallic compound 有固溶體和化合物兩方面的特性，又稱為中間相。構(gòu)有固溶體和化合物兩方面的特性，又稱為中間相。構(gòu)成的晶格與組成元素的晶格不同。成的晶格與組成元素的晶格不同。正常價化合物：正常價化合物： 金屬金屬/非金屬，按化合價的比例非金屬，按化合價的比例電負(fù)性越大的元素和正電性越強(qiáng)的金屬所組成的化合物越穩(wěn)電負(fù)性越大的元素和正電性越強(qiáng)的金屬所組成的化合物越穩(wěn)定。定。 NaCl型，如MgSeCaF2型，如Mg2Si閃鋅礦型，如立方ZnS正常價化合物硬度高，但較脆。正常價化合物硬度高，但較脆。B 電子化合物電子化合物 貴金屬貴金

9、屬Au, Ag, Cu/金屬金屬Zn, Al, Sn組成組成合金時，隨合金組元成分的改動，合金相的構(gòu)造與電子濃度合金時，隨合金組元成分的改動，合金相的構(gòu)造與電子濃度具有一定對應(yīng)關(guān)系。具有一定對應(yīng)關(guān)系。 在在Cu-Zn合金中，根據(jù)合金成分的不同，可以分別構(gòu)成具有合金中，根據(jù)合金成分的不同，可以分別構(gòu)成具有不同點(diǎn)陣類型的電子化合物。電子化合物的點(diǎn)陣構(gòu)造和穩(wěn)定不同點(diǎn)陣類型的電子化合物。電子化合物的點(diǎn)陣構(gòu)造和穩(wěn)定性主要取決于電子濃度要素，而且，對應(yīng)一定的電子濃度，性主要取決于電子濃度要素，而且，對應(yīng)一定的電子濃度，不同合金所構(gòu)成的電子化合物具有一樣的晶體點(diǎn)陣類型。不同合金所構(gòu)成的電子化合物具有一樣的晶

10、體點(diǎn)陣類型。補(bǔ)充：補(bǔ)充： 吸熱合金吸熱合金Ni-Cu 放熱合金放熱合金Pd-Ag 經(jīng)過測定經(jīng)過測定Ni和和Pd在構(gòu)成合金前后的在構(gòu)成合金前后的d帶空穴數(shù)，可以推帶空穴數(shù)，可以推測這兩種合金不同的構(gòu)造方式：前者以測這兩種合金不同的構(gòu)造方式：前者以Ni-Ni和和Cu-Cu為主，為主，Ni的的d帶空穴數(shù)沒明顯變化；后者以帶空穴數(shù)沒明顯變化；后者以Pd-Ag為主，為主，Pd的的d帶空帶空穴數(shù)有很大變化。穴數(shù)有很大變化。電子化合物普通具有很高的熔點(diǎn)和硬度，并有導(dǎo)電性電子化合物普通具有很高的熔點(diǎn)和硬度，并有導(dǎo)電性 C 間隙化合物：間隙化合物： 過渡金屬如過渡金屬如Fe、Mn等與原子半徑很小等與原子半徑很小

11、的非金屬如的非金屬如C, N等構(gòu)成穩(wěn)定性較高的化等構(gòu)成穩(wěn)定性較高的化合物，其組元之間原子半徑之比大于合物，其組元之間原子半徑之比大于0.59時，時，就構(gòu)成具有復(fù)雜晶格的間隙化合物。就構(gòu)成具有復(fù)雜晶格的間隙化合物。 鐵碳合金中很重要的強(qiáng)化相滲碳體鐵碳合金中很重要的強(qiáng)化相滲碳體Fe3C就屬于間隙化合物，其晶體構(gòu)造為復(fù)雜的就屬于間隙化合物，其晶體構(gòu)造為復(fù)雜的正交構(gòu)造如右圖所示。正交構(gòu)造如右圖所示。 間隙化合物具有高硬度和高熔點(diǎn)。間隙化合物具有高硬度和高熔點(diǎn)。Interstitial compoundD 機(jī)械混合物：機(jī)械混合物： 在鐵碳合金中共析反響所構(gòu)成的鐵素體和滲碳體，固態(tài)在鐵碳合金中共析反響所構(gòu)

12、成的鐵素體和滲碳體，固態(tài)下既不能相互溶解，又不能彼此反響構(gòu)成化合物，而是構(gòu)成下既不能相互溶解，又不能彼此反響構(gòu)成化合物，而是構(gòu)成了機(jī)械混合物，叫做珠光體了機(jī)械混合物，叫做珠光體P。由于珠光體是由硬的滲。由于珠光體是由硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組成的混合物。所以，其機(jī)械性碳體片和軟的鐵素體片相間組成的混合物。所以，其機(jī)械性能介于滲碳體和鐵素體之間。能介于滲碳體和鐵素體之間。3-2-3鐵碳合金鐵碳合金 Iron-Carbon Alloy1.鐵碳合金的根本組織鐵碳合金的根本組織 texture 鋼和鑄鐵的根本組元是鐵和碳兩個元素，故稱之為鐵碳合金。它是現(xiàn)鋼和鑄鐵的根本組元是鐵和碳兩個元素，故稱之

13、為鐵碳合金。它是現(xiàn)代工業(yè)中運(yùn)用最為廣泛的金屬資料。代工業(yè)中運(yùn)用最為廣泛的金屬資料。鐵素體鐵素體 F: ferrite)： 碳溶解在碳溶解在-鐵中的固溶體，鐵中的固溶體， -鐵是體心立方晶胞，鐵是體心立方晶胞，碳在碳在-鐵中的溶解度很小，鐵中的溶解度很小，C%0.02%727， C%0.006%室溫室溫 硬度和強(qiáng)度低，但塑性和韌性好。硬度和強(qiáng)度低，但塑性和韌性好。奧氏體奧氏體 (A: austenite)： 碳溶解在碳溶解在-鐵中的間隙固溶體，鐵中的間隙固溶體， -鐵是面心立方鐵是面心立方構(gòu)造，碳在構(gòu)造，碳在-鐵中的溶解度比在鐵中的溶解度比在-鐵中大，鐵中大，C%2.11%1148 塑性和可鍛性

14、好。塑性和可鍛性好。(3) 滲碳體滲碳體cementite：鐵和碳以穩(wěn)定化合物形狀：鐵和碳以穩(wěn)定化合物形狀Fe3C出現(xiàn)的碳化鐵出現(xiàn)的碳化鐵,含含碳量為碳量為6.67，晶體構(gòu)造很復(fù)雜。熔點(diǎn)高，硬度高，塑性和沖擊韌性，晶體構(gòu)造很復(fù)雜。熔點(diǎn)高，硬度高，塑性和沖擊韌性幾乎為零，脆性極大。幾乎為零，脆性極大。(4) 馬氏體 Martensite：鋼和鐵從高溫奧氏體形狀急冷淬火，得到碳在鐵中的過飽和固溶體，稱為馬氏體。馬氏體和奧氏體具有同樣的化學(xué)成分。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)，由面心立方晶格變成體心立方晶格。馬氏體是非平衡組織，具有很高的硬度和強(qiáng)度。(5) 珠光體 P: pearlitic)

15、 鐵素體和滲碳體二者組成的機(jī)械混合物；(6) 萊氏體Le：奧氏體和滲碳體的共晶混合物機(jī)械混合物；pearliticferriteaustenitemartensite 2. 鐵碳合金形狀圖 the iron-iron carbide phase diagram結(jié)合書結(jié)合書面教案進(jìn)面教案進(jìn)展講解展講解 三條重要程度線三條重要程度線: HJB包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反響：包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反響：LB+H AJ, 包晶反響的結(jié)果構(gòu)成了奧氏包晶反響的結(jié)果構(gòu)成了奧氏體，包晶反響只在含體，包晶反響只在含0.10.5碳的鐵碳合金碳的鐵碳合金中發(fā)生。中發(fā)生。ECF共晶線。在這條線上發(fā)生共晶反響：共晶

16、線。在這條線上發(fā)生共晶反響：LC AE+Fe3C, 共晶反響的產(chǎn)物奧氏體共晶反響的產(chǎn)物奧氏體和滲碳體組成的混合物稱為萊氏體和滲碳體組成的混合物稱為萊氏體Le，共，共晶反響發(fā)生在含碳為晶反響發(fā)生在含碳為2.116.67的鐵碳合金中。的鐵碳合金中。PSK共析線。在這條線上發(fā)生共析反響：共析線。在這條線上發(fā)生共析反響：AS FP+Fe3C, 共析反響的產(chǎn)物鐵素體和共析反響的產(chǎn)物鐵素體和滲碳體組成的混合物稱為珠光體常用滲碳體組成的混合物稱為珠光體常用P表示。表示。含碳量超越含碳量超越0.02的鐵碳合金，都有共析反響。的鐵碳合金，都有共析反響。148511487272 典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析本人看書

17、根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的不同，可以將鐵碳合金分為三大類： 純鐵：含碳量0.0218。 鋼：含碳量在0.02182.11之間。又可分為三種： 亞共析鋼: 含碳量0.77 共析鋼: 含碳量為0.77 過共析鋼: 含碳量在0.77和2.11之間 白口鐵：含碳量在2.116.67之間。又可分為三種： 亞共晶白口鐵: 含碳量在2.114.3之間 共晶白口鐵: 含碳量為4.3 過共晶白口鐵: 含碳量在4.36.67之間4. 鋼和鑄鐵 Steel and Cast Iron (1) 鋼碳含量低于2.11%的鐵碳合金。 有碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼合金鋼根據(jù)合金元素種類，還可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼等。

18、無論是碳素鋼還是合金鋼，其構(gòu)造是由鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體或馬氏體等這些相所組成。 低碳鋼：含碳量0.6%低合金鋼：合金元素總含量10%(2) 鑄鐵碳含量高于2.11% 的鐵碳合金。 它還含有硅、錳、磷、硫及某些合金元素。與鋼相比，主要區(qū)別在于鑄鐵含碳、硅較高，含硫、磷雜質(zhì)元素較多，所以，鑄鐵與鋼的組織和性能差別較大。 鑄鐵具有廣泛的運(yùn)用，是由于它的消費(fèi)設(shè)備和工藝簡單、價錢低廉。鑄鐵還具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的減磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上常用的鑄鐵有灰色鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。灰鑄鐵因斷口呈灰色而得名灰鑄鐵因斷口呈灰色而得名 化學(xué)

19、成分普通為：化學(xué)成分普通為：2.53.6%C，1.12.5Si ，0.61.2Mn，P0.5%, S0.15%灰鑄鐵的五大元素灰鑄鐵的五大元素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圍內(nèi)，其中，圍內(nèi)，其中，C、Si、Mn是調(diào)理組織的元素，是調(diào)理組織的元素，P是控制運(yùn)用元素，是控制運(yùn)用元素，S是限制元素。是限制元素。組織特點(diǎn)：鋼基體上分布著片狀石墨組織特點(diǎn)：鋼基體上分布著片狀石墨灰鑄鐵的組織按其基體的不同，可分為以下幾種：灰鑄鐵的組織按其基體的不同，可分為以下幾種：灰鑄鐵的性能，主要取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、灰鑄鐵的性能，主要取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、外形、

20、大小和分布情況。外形、大小和分布情況。可鍛鑄鐵韌性鐵素體珠光體可鍛鑄鐵韌性鐵素體珠光體+ 團(tuán)絮狀石墨團(tuán)絮狀石墨因其塑性比灰鑄鐵好，故又稱為韌性鑄鐵或展性鑄鐵。因其塑性比灰鑄鐵好，故又稱為韌性鑄鐵或展性鑄鐵。按熱處置條件的不同，可分為黑心可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。按熱處置條件的不同，可分為黑心可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)高溫石墨化退火制成，其組織為黑心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)高溫石墨化退火制成，其組織為鐵素體或珠光體基體上分布著團(tuán)絮狀石墨；鐵素體或珠光體基體上分布著團(tuán)絮狀石墨；白心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)氧化脫碳制成，其組織為鐵素體白心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)氧化脫碳制成，其組織為

21、鐵素體和珠光體及少量滲碳體。和珠光體及少量滲碳體。 球墨鑄鐵，球墨鑄鐵， 3.63.8C%，基體，基體 + 球狀石墨球狀石墨 由于石墨呈球狀，對基體的分割作用，引起應(yīng)力集中的作用大由于石墨呈球狀，對基體的分割作用，引起應(yīng)力集中的作用大為減少。為減少。 球狀石墨的數(shù)量越少，越細(xì)，分布越均勻，機(jī)械性能越高球狀石墨的數(shù)量越少，越細(xì)，分布越均勻，機(jī)械性能越高而且，同樣具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點(diǎn)，如鑄造性能、減磨性、而且，同樣具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點(diǎn)，如鑄造性能、減磨性、可切削性及低的缺口敏感性等?？汕邢餍约暗偷娜笨诿舾行缘?。蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 一種新型鑄鐵，其強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定韌性和較高的耐磨性，同時它還具有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。 蠕墨鑄鐵中的石墨是介于片狀和球狀之間的一種中間外形的石墨。 蠕墨鑄鐵的消費(fèi)是在一定成分的鐵水中參與適量蠕化劑稀土鎂鈣合金等處置而成，其消費(fèi)方法與球墨鑄鐵消費(fèi)工藝大致一樣。特殊性能鑄鐵特殊性能鑄鐵 向鑄鐵中參與一定量的合金元素，便獲得特殊性能的向鑄鐵中參與一定量的合金元素，便獲得特殊性能