材料的結構和組成課件

第三章材料的組成和結構CompositionsandStructuresofMaterials

材料的結構和組成是決定材料性能的基礎。是合理地設計、制造和選用材料的基礎。本章是物質結構理論的應用。第二章基本原理的具體化和深入理解

第三章材料的組成和結構Compositionsan3-1

材料組成和結構的基本內容PrincipalContentsofMaterialsCompositionandStructures3-1-1材料的組成和主要結構形式組成

單組份

onecomponent

多組份組成材料的元素包括原子或分子等。主要結構形式：材料結構的涵義是指組成某種材料的各組份物質之間的關系（同種，異種）。

聚集狀態(tài)（亞微觀）單晶體多晶體晶體

均相固溶體——均勻的混合物，

多相共混體（微觀顯微）

復合體——(宏觀組織）兩種或兩種以上物理性質和化學性質或物理狀態(tài)不同的材料，按一定的規(guī)律組合而成一種具有新的性能的團體，亦稱復合材料。3-1

材料組成和結構的基本內容3-1-2材料的結構缺陷

StructuralImperfectionofMaterials

空隙：本身排列不均勻

空穴

vacancy（晶體）

自由體積

freevolume（非金屬）

界面：晶界

grainboundary（晶體）

界面

interphase（多組分等混體系）。

blends3-1-2材料的結構缺陷3-2金屬材料的結構和組成

CompositionandStructureofMetallicMaterialsWhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsHowtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetalsWhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesWhatistheiron-ironcarbidephasediagram3-2金屬材料的結構和組成

CompositionandcrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCalculationofthecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals,metallicalloyanditsmainstructuraltypes:

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

Iron-ironcarbidephasediagram:developmentofmicrostructuresinalloy,eutectoidsteel,eutecticsteelSteelandCastIronCopperanditsAlloysNoncrystallinemetallicalloy,RecrystallinyofMetalscrystalunitcellsandelectro3-2金屬材料的結構和組成CompositionandStructureofMetallicMaterials3-2-1金屬材料1．

原子結構Atomicstructureofmetals

軌道上價電子，價電子數(shù)少（1—2個），且與原子核的結合的結合力弱，很容易脫離核，而成為自由電子。

Metallicbonding:ioncoreselectroncloud(seaofelectrons)Chapter33-2金屬材料的結構和組成Metallicbonding:

2.

金屬晶體結構

ClystalStructuresofMetals（1）隨溫度變化（2）室溫下有三種：

體心立方結構面心立方密堆六方較高強度、硬度和熔具有良好塑性強度低，塑點但塑性和韌性差和韌性性和韌性差

Li,Na,K(S1)Au,Ag,Cu(d10s1)Mg,Ti,Zr(d2s2)Ni,Pd,Pt(d8s2)Cr,Mo,W(d5s1)晶胞內原子數(shù)246點陣常數(shù)4R/34R/2——2.

金屬晶體結構元素晶體結構點陣常數(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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172元素晶體結構點陣常數(shù)最近的原子間距ac鋁面心立方4.0496Table3.1Table3.1EXAMPLEPROBLEM3.3Copperhasanatomicradiusof0.128nm(1.28A°),anFCCcrystalstructure,andanatomicweightof63.5g/mol.Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity.SOLUTIONTheliteraturevalueforthedensityofcopperis8.94g/cm3,EXAMPLEPROBLEM3.3Theliterat3.4Showforthebody-centeredcubiccrystalCalculatetheradiusofavanadiumatom,giventhatVhasaBCCcrystalstructure,adensityof5.96g/cm3,andanatomicweightof50.9g/mol.3.4Showforthebody-centered3-2-2合金材料MetallicAlloys

在純金屬中加入一種或幾種其它元素（金屬的或非金屬的），熔合而成為具有金屬性質的材料，稱為合金材料。按組分

鐵基合金又稱鐵合金或合金鋼，碳鋼

非鐵基合金有色金屬按組成方式

固溶體單相

金屬化合物單相

機械混合物多相單相體系：置換或替代式間隙式缺位有序3-2-2合金材料MetallicAlloys

固溶體：solidsolution

替代式：d溶質～d溶劑substitutional

間隙式：d溶質/d溶劑

0.59interstitial金屬間化合物：intermetalliccompound

有固溶體和化合物兩方面的特性,又稱為中間相。形成的晶格與組成元素的晶格不同。

正常價化合物：金屬/非金屬，按比例

固溶體：solidsolution電子化合物

貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn,Al,Sn）（電子相）按一定電子濃度比值形成一定晶格類型

化合物中價電子數(shù)/原子數(shù)具有很高的熔點和硬度Cu-3d104s1Zn-3d104s2Sn-5s25p2

Al-3s23p1

Electroniccompounds電子化合物貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn

間隙化合物：過渡金屬/C,N,H,半徑比>0.59機械混合物：Mechanicalblends

液態(tài)組分互溶，凝固分相。兩種固溶體的混合物固溶體和金屬化合物所組成的混合物。cementiteFe3CInterstitialcompound間隙化合物：過渡金屬/C,N,H,半徑比>03-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloy1.鐵碳合金的基本組織

texture鐵素體

ferrite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%0.02%（727℃），硬度和強度低，但塑性和韌性好。奧氏體

austenite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%2%（1148℃）塑性和可鍛性好，無磁好。(3)滲碳體

cementite

鐵和碳以化合物形態(tài)出現(xiàn)的碳化鐵,熔點高。(4)珠光體

pearlitic

鐵素體和滲碳體二者組成的混合物，(5)萊氏體奧氏體和滲碳體的共晶混合物（機械混合）；馬氏體

Martensite鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火），得到碳在鐵中的過飽和固溶體。硬度很高。3-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloypearliticferriteaustenitepearliticferriteaustenite

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖

theiron-ironcarbidephasediagram

Fe3C，含碳量≤6.67%

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖theiron-ironc5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)三條水平線，三條特征線5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)材料的結構和組成課件2．

典型鐵碳合金結晶過程分析（1）共析鋼

eutectoidsteel

0.77%C

2．

典型鐵碳合金結晶過程分析（2）亞共析鋼

hypoeutectoidsteel

0.0218~0.77%C

（2）亞共析鋼材料的結構和組成課件（3）過共析鋼

hypereutectoidsteel0.77~2.11%C

（3）過共析鋼材料的結構和組成課件（4）共晶白口鑄鐵

4.3%C

（4）共晶白口鑄鐵（5）亞共晶白口鑄鐵

2.11~4.3%C

（5）亞共晶白口鑄鐵2.1（6）過共晶白口鑄鐵

4.3~6.67%C（6）過共晶白口鑄鐵4.3EXAMPLEPROBLEM10.4Fora99.65wt%Fe–0.35wt%Calloyatatemperaturejustbelowtheeutectoid,determinethefollowing:(a)Thefractionsoftotalferriteandcementitephases.(b)Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite.(c)Thefractionofeutectoidferrite.SOLUTION(a)leverruleexpressions,C’0is0.35wt%C,andEXAMPLEPROBLEM10.4(b)Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined(c)sumofthesetwoferritefractions(b)Thefractionsofproeutect4.鋼和鑄鐵

SteelandCastIron

(1)

鋼——碳含量低于1.2%（重量）的鐵碳合金。在金屬中，普通碳鋼、低合金鋼<5%鎳、鉻。

(2)

鑄鐵——碳含量高于2%（重量）的鐵碳合金。有灰色鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。

灰鑄鐵，2.5—3.5%，鋼+片狀石墨

4.鋼和鑄鐵SteelandCastIron可鍛鑄鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+團絮狀石墨

可鍛鑄鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+團絮狀石墨球墨鑄鐵，3.6—3.8%，基體+球狀石墨蠕墨鑄鐵，球墨鑄鐵，3.6—3.8%，基體+球狀石墨3-2-4非鐵金屬與合金Non-ironmetals

1.銅及其合金

CopperanditsAlloys

(1)純銅（紫銅）面心立方，mp1083℃，ρ：8.96塑性好微量雜質：Pb、Bi、O、S、P

（2）黃銅

Cu-Zn合金固溶體、面心立方

普通黃銅Zn含量：〈39%單相黃銅

39~45%雙相黃銅

特殊黃銅：多元合金Sn、Al、Mn、Pb、Si3-2-4非鐵金屬與合金Non-ironmetals（3）青銅

Cu-Sn合金（及含Al、Si、Pb、Mn、Be）

Sn：〈5~6%單相α固溶體

〉6%α+δCu31Sn8共析體，硬而脆2.

鋁及其合金Aluminu

Al面心立方

Mp：660℃，ρ：2.7

低強度，不宜作結構材料導電、導熱性略低于銀和銅

Al合金：加Si、Cu、Mg、Mn

強度較高（3）青銅Cu-Sn合金（及含Al、Si、P3-2-5非晶態(tài)合金Noncrystallinemetallicalloy

快速淬火技術（過冷）。TTT曲線（TimeTemperatureTransition），越過C曲線的頂部即可得到非晶體。

Tm-Tn

臨界冷卻速率

Rc=--------------τn

熔化溫度ΔTg=Tm-TgΔTg↓形成非晶的趨向愈大過渡金屬、貴金屬、類金屬的合金低的冷卻速率是易于制備非金的有利條件主要特點：高硬度和強度，延伸率低但不脆，很好的軟磁性和優(yōu)越耐腐蝕性。3-2-5非晶態(tài)合金Noncrystallinemeta3-2-6金屬材料的再結晶RecrystallinyofMetals1.金屬材料的塑性變形PlasticDeformation

外力→塑性變形→金屬內部結構發(fā)生變化發(fā)生塑性變形的晶體，具有更多的位錯和點缺陷，更高能量（內應力）。室溫下，原子擴散能力低，亞穩(wěn)態(tài)可保持下去。2.

再結晶（退火）Recrystalliny再結晶的核心：變形晶粒的晶界，滑移帶，孿晶帶形成新的等軸晶粒溫度：再結晶開始的溫度，與金屬的成份、熔點和變形度等因素相關T再~0.4Tm變形度↑，T↓3-2-6金屬材料的再結晶Recrystallinyof3.

晶粒長大

T↑，t↑，晶粒尺寸↑

變形度

<2%不變

2~10%大晶粒（臨界變形度）

>10%細晶粒3.

晶粒長大

第三章材料的組成和結構CompositionsandStructuresofMaterials

材料的結構和組成是決定材料性能的基礎。是合理地設計、制造和選用材料的基礎。本章是物質結構理論的應用。第二章基本原理的具體化和深入理解

第三章材料的組成和結構Compositionsan3-1

材料組成和結構的基本內容PrincipalContentsofMaterialsCompositionandStructures3-1-1材料的組成和主要結構形式組成

單組份

onecomponent

多組份組成材料的元素包括原子或分子等。主要結構形式：材料結構的涵義是指組成某種材料的各組份物質之間的關系（同種，異種）。

聚集狀態(tài)（亞微觀）單晶體多晶體晶體

均相固溶體——均勻的混合物，

多相共混體（微觀顯微）

復合體——(宏觀組織）兩種或兩種以上物理性質和化學性質或物理狀態(tài)不同的材料，按一定的規(guī)律組合而成一種具有新的性能的團體，亦稱復合材料。3-1

材料組成和結構的基本內容3-1-2材料的結構缺陷

StructuralImperfectionofMaterials

空隙：本身排列不均勻

空穴

vacancy（晶體）

自由體積

freevolume（非金屬）

界面：晶界

grainboundary（晶體）

界面

interphase（多組分等混體系）。

blends3-1-2材料的結構缺陷3-2金屬材料的結構和組成

CompositionandStructureofMetallicMaterialsWhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsHowtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetalsWhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesWhatistheiron-ironcarbidephasediagram3-2金屬材料的結構和組成

CompositionandcrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCalculationofthecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals,metallicalloyanditsmainstructuraltypes:

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

Iron-ironcarbidephasediagram:developmentofmicrostructuresinalloy,eutectoidsteel,eutecticsteelSteelandCastIronCopperanditsAlloysNoncrystallinemetallicalloy,RecrystallinyofMetalscrystalunitcellsandelectro3-2金屬材料的結構和組成CompositionandStructureofMetallicMaterials3-2-1金屬材料1．

原子結構Atomicstructureofmetals

軌道上價電子，價電子數(shù)少（1—2個），且與原子核的結合的結合力弱，很容易脫離核，而成為自由電子。

Metallicbonding:ioncoreselectroncloud(seaofelectrons)Chapter33-2金屬材料的結構和組成Metallicbonding:

2.

金屬晶體結構

ClystalStructuresofMetals（1）隨溫度變化（2）室溫下有三種：

體心立方結構面心立方密堆六方較高強度、硬度和熔具有良好塑性強度低，塑點但塑性和韌性差和韌性性和韌性差

Li,Na,K(S1)Au,Ag,Cu(d10s1)Mg,Ti,Zr(d2s2)Ni,Pd,Pt(d8s2)Cr,Mo,W(d5s1)晶胞內原子數(shù)246點陣常數(shù)4R/34R/2——2.

金屬晶體結構元素晶體結構點陣常數(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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172元素晶體結構點陣常數(shù)最近的原子間距ac鋁面心立方4.0496Table3.1Table3.1EXAMPLEPROBLEM3.3Copperhasanatomicradiusof0.128nm(1.28A°),anFCCcrystalstructure,andanatomicweightof63.5g/mol.Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity.SOLUTIONTheliteraturevalueforthedensityofcopperis8.94g/cm3,EXAMPLEPROBLEM3.3Theliterat3.4Showforthebody-centeredcubiccrystalCalculatetheradiusofavanadiumatom,giventhatVhasaBCCcrystalstructure,adensityof5.96g/cm3,andanatomicweightof50.9g/mol.3.4Showforthebody-centered3-2-2合金材料MetallicAlloys

在純金屬中加入一種或幾種其它元素（金屬的或非金屬的），熔合而成為具有金屬性質的材料，稱為合金材料。按組分

鐵基合金又稱鐵合金或合金鋼，碳鋼

非鐵基合金有色金屬按組成方式

固溶體單相

金屬化合物單相

機械混合物多相單相體系：置換或替代式間隙式缺位有序3-2-2合金材料MetallicAlloys

固溶體：solidsolution

替代式：d溶質～d溶劑substitutional

間隙式：d溶質/d溶劑

0.59interstitial金屬間化合物：intermetalliccompound

有固溶體和化合物兩方面的特性,又稱為中間相。形成的晶格與組成元素的晶格不同。

正常價化合物：金屬/非金屬，按比例

固溶體：solidsolution電子化合物

貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn,Al,Sn）（電子相）按一定電子濃度比值形成一定晶格類型

化合物中價電子數(shù)/原子數(shù)具有很高的熔點和硬度Cu-3d104s1Zn-3d104s2Sn-5s25p2

Al-3s23p1

Electroniccompounds電子化合物貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn

間隙化合物：過渡金屬/C,N,H,半徑比>0.59機械混合物：Mechanicalblends

液態(tài)組分互溶，凝固分相。兩種固溶體的混合物固溶體和金屬化合物所組成的混合物。cementiteFe3CInterstitialcompound間隙化合物：過渡金屬/C,N,H,半徑比>03-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloy1.鐵碳合金的基本組織

texture鐵素體

ferrite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%0.02%（727℃），硬度和強度低，但塑性和韌性好。奧氏體

austenite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%2%（1148℃）塑性和可鍛性好，無磁好。(3)滲碳體

cementite

鐵和碳以化合物形態(tài)出現(xiàn)的碳化鐵,熔點高。(4)珠光體

pearlitic

鐵素體和滲碳體二者組成的混合物，(5)萊氏體奧氏體和滲碳體的共晶混合物（機械混合）；馬氏體

Martensite鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火），得到碳在鐵中的過飽和固溶體。硬度很高。3-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloypearliticferriteaustenitepearliticferriteaustenite

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖

theiron-ironcarbidephasediagram

Fe3C，含碳量≤6.67%

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖theiron-ironc5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)三條水平線，三條特征線5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)材料的結構和組成課件2．

典型鐵碳合金結晶過程分析（1）共析鋼

eutectoidsteel

0.77%C

2．

典型鐵碳合金結晶過程分析（2）亞共析鋼

hypoeutectoidsteel

0.0218~0.77%C

（2）亞共析鋼材料的結構和組成課件（3）過共析鋼

hypereutectoidsteel0.77~2.11%C

（3）過共析鋼材料的結構和組成課件（4）共晶白口鑄鐵

4.3%C

（4）共晶白口鑄鐵（5）亞共晶白口鑄鐵

2.11~4.3%C

（5）亞共晶白口鑄鐵2.1（6）過共晶白口鑄鐵

4.3~6.67%C（6）過共晶白口鑄鐵4.3EXAMPLEPROBLEM10.4Fora99.65wt%Fe–0.35wt%Calloyatatemperaturejustbelowtheeutectoid,determinethefollowing:(a)Thefractionsoftotalferriteandcementitephases.(b)Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite.(c)Thefractionofeutectoidferrite.SOLUTION(a)leverruleexpressions,C’0is0.35wt%C,andEXAMPLEPROBLEM10.4(b)Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined(c)sumofthesetwoferritefractions(b)Thefractionsofproeutect4.鋼和鑄鐵

SteelandCastIron

(1)

鋼——碳含量低于1.2%（重量）的鐵碳合金。在金屬中，普通碳鋼、低合金鋼<5%鎳、鉻。

(2)

鑄鐵——碳含量高于2%（重量）的鐵碳合金。有灰色鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。

灰鑄鐵，2.5—3.5%，鋼+片狀石墨

4.鋼和鑄鐵SteelandCastIron可鍛鑄鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+團絮狀石墨

可鍛鑄鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+團絮狀石墨球墨鑄鐵，3.6—3.8%，基體+球狀石墨蠕墨鑄鐵，球墨鑄鐵，3.6—3.8%，基體+球狀石墨