第三章材料的結(jié)構(gòu)和組成-welcometonginx!

1、第三章 材料的組成和結(jié)構(gòu)Compositions and Structures of Materials,材料的結(jié)構(gòu)和組成是決定材料性能的基礎(chǔ)。是合理地設(shè)計(jì)、制造和選用材料的基礎(chǔ)。本章是物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用。,3-1  材料組成和結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容Principal Contents of Materials Composition and Structures 3-1-1材料的組成和主要結(jié)構(gòu)形式組成 單

2、組份 one component 多組份 組成材料的元素包括原子或分子等。主要結(jié)構(gòu)形式： 材料結(jié)構(gòu)的涵義是指組成某種材料的各組份物質(zhì)之 間的關(guān)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(fù)合體——(宏觀組織）兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)或物理狀態(tài)不同的材

3、料，按一定的規(guī)律組合而成一種具有新的性能的團(tuán)體，亦稱復(fù)合材料。,3-1-2 材料的結(jié)構(gòu)缺陷 Structural Imperfection of Materials 空隙：本身排列不均勻 空穴 vacancy（晶體） 自由體積 free volume（非金屬） 界面：晶界 grain boundary（晶體） 界面 interphase（多組分等混體系）。

4、 blends,3-2 金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成Composition and Structure of Metallic Materials,What is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atoms

5、How to calculate the crystal structure parameters and densities of metalsWhat is metal alloy and its main structural typesWhat is the iron-iron carbide phase diagram,crystal unit cells and electronic structures of met

6、al atomsCalculation of the crystal structure parameters and densities of metals, metallic alloy and its main structural types: Solid solution, intermetallic compound, mechanical blendsIron-Carbon Alloy Texture

7、 Ferrite, austenite, cementite , pearlitic Iron-iron carbide phase diagram : development of microstructures in alloy, eutectoid steel , eutectic steelSteel and Cast IronCopper and its AlloysNoncrystalline m

8、etallic alloy ,Recrystalliny of Metals,3-2金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成Composition and Structure of Metallic Materials3-2-1金屬材料1．  原子結(jié)構(gòu)Atomic structure of metals 軌道上價(jià)電子，價(jià)電子數(shù)少（1—2個(gè)），且與原子核的結(jié)合的結(jié)合力弱，很容易脫離核，而成為自由電子。,Metallic b

9、onding: ion cores electron cloud(sea of electrons),Chapter 3,2.  金屬晶體結(jié)構(gòu) Clystal Structures of Metals（1）隨溫度變化（2）室溫下有三種： 體心立方結(jié)構(gòu) 面心立方 密堆六方 較高強(qiáng)度、硬度和熔 具有良好塑

10、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) Mg, Ti, Zr(d2s2) Ni,Pd, Pt (d8s2) Cr, Mo, W (d5s1)晶胞內(nèi)原子數(shù) 2

11、 4 6點(diǎn)陣常數(shù) 4R/?3 4R/?2 ——,Table 3.1,EXAMPLE PROBLEM 3.3Copper has an atomic radius of 0.128 nm (1.28 A ° ),

12、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.SOLUTION,The literature value for the density of copper is 8.94 g/cm 3 ,,3.4

13、 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 Metallic Alloys 在純

14、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(zhì)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(jī)械混合物 多相單相體系：

15、 置換或替代式 間隙式 缺位 有序,固溶體：solid solution 替代式：d溶質(zhì)～d溶劑 substitutional 間隙式：d

16、溶質(zhì)/d溶劑 ?0.59 interstitial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。形成的晶格與組成元素的晶格不同。 正常價(jià)化合物： 金屬/非金屬，按比例,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

17、型 化合物中價(jià)電子數(shù)/原子數(shù) 具有很高的熔點(diǎn)和硬度,,Cu-3d104s1 Zn- 3d104s2 Sn-5s2 5p2 Al-3s2 3p1,Electronic compounds,間隙化合物： 過渡金屬/C, N, H, 半徑比>

18、0.59機(jī)械混合物：Mechanical blends 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。,cementite Fe3 C,Interstitial compound,3-2-3鐵碳合金 Iron-Carbon Alloy1.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

19、℃）， 硬度和強(qiáng)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(diǎn)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(jī)械混合）；馬氏體 Martensite

20、 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。,pearlitic,ferrite,austenite,2.  鐵碳合金狀態(tài)圖 the iron-iron carbide phase diagram Fe3C， 含碳量≤6.67%,5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)三條水平線， 三條特征線,,2．  典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析（1）共析鋼 eutectoid

21、 steel 0.77%C,（2）亞共析鋼 hypoeutectoid steel 0.0218~0.77%C,（3）過共析鋼 hypereutectoid steel0.77~2.11%C,（4）共晶白口鑄鐵 4.3%C,（5）亞

22、共晶白口鑄鐵 2.11~4.3%C,（6）過共晶白口鑄鐵 4.3~6.67%C,EXAMPLE PROBLEM 10.4For a 99.65 wt% Fe–0.35 wt% C alloy at a temperature just below the eutectoid,determine the following:(a) The fractions of tot

23、al ferrite and cementite phases.(b) The fractions of the proeutectoid ferrite and pearlite.(c) The fraction of eutectoid ferrite.SOLUTION(a) lever rule expressions, C’0 is 0.35 wt% C, and,(b) The fractions of proeute

24、ctoid ferrite and pearlite are determined(c) sum of these two ferrite fractions,4. 鋼和鑄鐵 Steel and Cast Iron (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。 (

25、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,可鍛鑄鐵（韌性）鐵素體（珠光體）+ 團(tuán)絮狀石墨,球墨鑄鐵， 3.6—3.8 %，基體 + 球狀石墨蠕墨鑄鐵，,3-2-4 非鐵金屬與合金 Non-iron metals 1.

26、銅及其合金 Copper and its Alloys (1) 純銅（紫銅） 面心立方，mp 1083℃，ρ：8.96 塑性好 微量雜質(zhì)：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

27、 39~45% 雙相黃銅 特殊黃銅：多元合金 Sn、Al、Mn、Pb、Si,（3）青銅 Cu-Sn合金（及含Al、Si、Pb、Mn、Be） Sn：〈5~6% 單相α固溶體

28、 〉6% α+δ Cu31Sn8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(qiáng)度，不宜作結(jié)構(gòu)材料 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性略低于銀和銅 Al合金：加Si、Cu、Mg、Mn 強(qiáng)度較高,3-2-5

29、非晶態(tài)合金 Noncrystalline metallic alloy 快速淬火技術(shù)（過冷）。TTT曲線（Time Temperature Transition）， 越過C曲線的頂部 即可得到非晶體。 Tm - Tn 臨界冷卻速率 R c= --------------

30、 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(diǎn)：高硬度和強(qiáng)度，延伸率低但不脆，很好的軟磁性 和優(yōu)越耐腐蝕性。,3-2-6金屬材料的再結(jié)晶 Recrystalliny of M

31、etals1. 金屬材料的塑性變形 Plastic Deformation 外力→塑性變形→金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化發(fā)生塑性變形的晶體，具有更多的位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷，更高 能量（內(nèi)應(yīng)力）。室溫下，原子擴(kuò)散能力低，亞穩(wěn)態(tài)可保持下去。2. 再結(jié)晶（退火）Recrystalliny再結(jié)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(jié)晶開始的溫度，與金屬的成分、熔點(diǎn)和變形度等因素相關(guān)T再~0.4T

32、m變形度↑，T↓,3.       晶粒長(zhǎng)大 T↑，t↑，晶粒尺寸↑ 變形度 〈2% 不變 2~10% 大晶粒（臨界變形度）