材料的结构和组成课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 材料的组成和结构,Compositions and Structures of Materials,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第二章基本原理的具体化和深入理解,第三章 材料的组成和结构Compositions an,3-1,材料组成和结构的基本内容,Principal Contents of Materials Composition and Structures,3-1-1,材料的组成和主要结构形式,组成,单组份,one component,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材料组成和结构的基本内容,3-1-2,材料的结构缺陷,Structural Imperfection of Materials,空隙,：本身排列不均匀,空穴,vacancy,（晶体）,自由体积,free volume,（非金属）,界面,：,晶界,grain boundary,（晶体）,界面,interphase,（多组分等混体系）。

blends,3-1-2 材料的结构缺陷,3-2,金属材料的结构和组成,Composition and Structure of Metallic Materials,What is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atoms,How to calculate the crystal structure parameters and densities of metals,What is metal alloy and its main structural types,What is the iron-iron carbide phase diagram,3-2 金属材料的结构和组成Composition and,crystal unit,cells,and,electronic structures,of,metal atoms,Calculation,of the crystal structure,parameters,and,densities,of metals,metallic alloy and its main,structural types,:,Solid solution,intermetallic compound,mechanical blends,Iron-Carbon Alloy Texture,Ferrite,austenite,cementite,pearlitic,Iron-iron carbide,phase diagram,:development of microstructures in alloy,eutectoid steel,eutectic steel,Steel and Cast Iron,Copper,and its Alloys,Noncrystalline metallic alloy,Recrystalliny of Metals,crystal unit cells and electro,3-2,金属材料的结构和组成,Composition and Structure of Metallic Materials,3-2-1,金属材料,1,原子结构,Atomic structure of metals,轨道上价电子，,价电子,数少（,12,个）,，且与原,子核的结合的结合力,弱,，,很容易脱离核，而成为自,由电子。

Metallic bonding:,ion cores,electron cloud(sea of electrons),Chapter 3,3-2金属材料的结构和组成Metallic bonding:,2.,金属,晶体结构,Clystal Structures of Metals,（,1,）,随温度变化,（,2,）,室温下有三种,：,体心立方,结构,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,K(S,1,)Au,Ag,Cu(d,10,s,1,)Mg,Ti,Zr(d,2,s,2,),Ni,Pd,Pt(d,8,s,2,)Cr,Mo,W(d,5,s,1,),晶胞内,原子数,2 4 6,点阵常数,4R/,3 4R/,2 ,2.金属晶体结构,元素,晶体结构,点阵常数,最近的原子间距,a,c,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,4.0496,2.2856,2.9788,2.8846,2.506,3.6147,4.0788,2.8664,4.9502,3.5092,3.2094,3.1468,3.5236,3.3007,3.9239,5.3444,3.8044,5.6985,4.0857,4.2906,3.3026,5.0843,2.9506,3.1650,3.0282,2.6649,3.2312,3.5832,5.6167,4.069,5.2105,4.6788,4.9468,5.1477,2.863,2.225,2.979,2.498,2.497,2.556,2.884,2.481,3.500,3.039,3.197,2.725,2.492,2.858,2.775,4.627,2.690,4.88,2.889,3.716,2.860,3.595,2.890,2.741,2.77,2.622,2.665,3.172,元素晶体结构点阵常数最近的原子间距ac铝面心立方4.0496,Table 3.1,Table 3.1,EXAMPLE PROBLEM 3.3,Copper has an atomic radius of 0.128 nm(1.28 A ),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,EXAMPLE PROBLEM 3.3The literat,3.4,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.,3.4 Show for the body-centered,3-2-2,合金材料,Metallic Alloys,在纯金属中加入一种或几种其它元素（金属的或非金属的），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：置换或替代式,间隙式,缺位,有序,3-2-2合金材料 Metallic Alloys,固溶体：,solid solution,替代式,：,d,溶质,d,溶剂,substitutional,间隙式,：,d,溶质,/d,溶剂,0.59 interstitial,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 间相形成的晶格与组成元素的晶格不同正常价化合物,：金属,/,非金属，按比例,固溶体：solid solution,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-3d,10,4s,1,Zn-3d,10,4s,2,Sn-5s,2,5p,2,Al-3s,2,3p,1,Electronic compounds,电子化合物 贵金属（Au,Ag,Cu）/金属（Zn,间隙化合物,：过渡金属,/C,N,H,半径比,0.59,机械混合物,：,Mechanical blends,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,cementite Fe,3,C,Interstitial compound,间隙化合物：过渡金属/C,N,H,半径比0,3-2-3,铁碳合金,Iron-Carbon Alloy,1.,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3-2-3铁碳合金 Iron-Carbon Alloy,pearlitic,ferrite,austenite,pearliticferriteaustenite,2.,铁碳合金状态图,the iron-iron carbide phase diagram,Fe,3,C,，含碳量,6.67%,2.铁碳合金状态图 the iron-iron c,5,个单相区，,7,个两相区,三条水平线，三条特征线,5个单相区，7个两相区,材料的结构和组成课件,2,典型铁碳合金结晶过程分析,（,1,）,共析钢,eutectoid steel,0.77%C,2 典型铁碳合金结晶过程分析,（,2,）,亚共析钢,hypoeutectoid steel,0.02180.77%C,（2）亚共析钢,材料的结构和组成课件,（,3,）,过共析钢,hypereutectoid steel,0.772.11%C,（3）过共析钢,材料的结构和组成课件,（,4,）,共晶白口铸铁,4.3%C,（4）共晶白口铸铁,（,5,）,亚共晶白口铸铁,2.114.3%C,（5）亚共晶白口铸铁 2.1,（,6,）,过共晶白口铸铁,4.36.67%C,（6）过共晶白口铸铁 4.3,EXAMPLE PROBLEM 10.4,For a,99.65 wt%Fe0.35 wt%C alloy,at a,temperature just below the eutectoid,determine the following:,(a),The,fractions,of,total 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,EXAMPLE PROBLEM 10.4,(b),The fractions of proeutectoid ferrite and pearlite are determined,(c),sum of these two ferrite fractions,(b)The fractions of proeutect,4.,钢和铸铁,Steel and Cast Iron,(1),钢,碳含量低于,1.2%,（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%,（重量）的铁碳合金有,灰色铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁灰铸铁,，,2.53.5%,，钢,+,片状石墨,4.钢和铸铁 Steel and Cast Iron,可锻铸铁,（韧性）,铁素体（珠光体）,+,团絮状石墨,可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+团絮状石墨,球墨铸铁,，,3.63.8%,，基体,+,球状石墨,蠕墨铸铁,，,球墨铸铁，3.63.8%，基体+球状石墨,3-2-4,非铁金属与合金,Non-iron metals,1.,铜及其合金,Copper and its Alloys,(1),纯铜（紫铜）,面心立方，,mp 1083,，,：,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,3945%,双相黄铜,特殊,黄铜：多元合金,Sn,、,Al,、,Mn,、,Pb,、,Si,3-2-4 非铁金属与合金 Non-iron metals,（,3,）,青铜,Cu-Sn,合金,（及含,Al,、,Si,、,Pb,、,Mn,、,Be,）,Sn,：,56%,单相,固溶体,6%+,Cu,31,Sn,8,共析体，硬而脆,2.,铝及其合金,Aluminu,Al,面心立方,Mp,：,660,，,：,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）青铜 Cu-Sn合金（及含Al、Si、P,3-2-5,非晶态合金,Noncrystalline metallic alloy,快速淬火,技术（过冷）。

TTT,曲线,（,Time Temperature Transition,），,越过,C,曲线,的顶部 即可得到非晶体T,m,-T,n,临界冷却速率,R,c,=-,n,熔化温度,T,g,=T,m,-T,g,T,g,形成非晶的趋向愈大,过渡金属、贵金属、类金属的合金,低的冷却速率是易于制备非金的有利条件,主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性,和优越耐腐蚀性3-2-5非晶态合金 Noncrystalline meta,3-2-6,金属材料的再结晶,Recrystalliny of Metals,1.,金属材料的,塑性变形,Plastic Deformation,外力塑性变形金属内部结构发生变化,发生塑性变形的晶体，具有更多的位错和点缺陷，更高 能量（内应力）室温下，原子扩散能力低，亚稳态可保持下去2.,再结晶,（退火）,Recrystalliny,再结晶的,核心,：变形晶粒的晶界，滑移带，孪晶带形成新的等轴晶粒,温度,：再结晶开始的温度，与金属的成份、熔点和变形度等因素相关,T,再,0.4Tm,变形度，,T,3-2-6金属材料的再结晶 Recrystalliny of,3.,晶粒长大,T,，,t,，晶粒尺寸,变形度,10%,细晶粒,3.晶粒长大,。