材料科学与工程基础-(3)

本文档相关内容参见视频9-10《材料科学与工程基础》培训课第三单元（1）主讲教师：顾宜2011年8月11日培训目标：以章为单元,通过选择典型的主题，采取示范课形式，及难重点讲解等形式，帮助学员理解本课程的教学设计思想、教学方法和技巧,培训内容安排1、以第三章材料的组成与结构中金属材料的组成和结构一节的内容进行讲述，重点是铁碳合金相图；2、以第四章材料的性能中两部分内容为例进行示范课：（1）材料的力学性能‘重点是应力-应变曲线、模量、强度（2）材料的电学性能，重点是电导率、能带理论和材料的导电性第三章内容3-1材料组成和结构的基本内容3-2金属材料的结构和组成3-3无机非金属材料的结构和组成3-4高分子材料的结构和组成3-5复合材料的结构和组成第二章基本原理的具体化和深入理解第六讲提要(2学时)目的：学习金属材料的晶体结构和组织结构随材料组成（单质或多质）和金属原子的电子结构变化的特点和规律性要点：金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系计算不同金属晶体的有关参量金属合金的三种结构类型的特点铁碳合金相图中点、线、区域的物理意义、微相结构特点及随温度和C含量的变化规律铜的组成和结构特点非晶态合金的三T图金属再结晶的物理意义及T、t、l的影响难点：（1）金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系，表3-9（2）电子化合物，表3-10（3）铁碳合金状态图，图3-47（4）典型铁碳合金结晶过程分析，图3-48，3-54（5）塑性形变与再结晶，作业（习题和思考题）3-2金属材料的结构和组成•WhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCompositionandStructureofMetallicMaterials•Howtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals•WhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesSolidsolution,intermetalliccompound,mechanicalblendsObjective•WhatistheIron-CarbonAlloyTextureFerrite,austenite,cementite,pearlitic•HowtounderstandtheIron-ironcarbidephasediagramandthedevelopmentofmicrostructuresinalloyeutectoidsteel,eutecticsteel•WhatisSteelandCastIron•WhatisCopperanditsAlloys•Noncrystallinemetallicalloy,•RecrystallinyofMetalsChapter3金属材料1．原子结构Atomicstructureofmetals3-2-1轨道上价电子，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CrystalStructuresofMetals（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(S1)Au,Ag,Cu(d10s1)Mg,Ti,Zr(d2s2)Ni,Pd,Pt(d8s2)Cr,Mo,W(d5s1)晶胞内原子数246点阵常数4R/34R/2——金属原子的电子结构与晶体结构有何关系？元素晶体结构点阵常数最近的原子间距（A）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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.16503.02822.66493.23123.58325.61674.0695.21054.67884.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172Table3.1AtomicRadiiandCrystalStructuresfor16Metals如何计算金属晶体的密度？Theliteraturevalueforthedensityofcopperis8.94g/cm3EXAMPLEPROBLEM3.3Copperhasanatomicradiusof0.128nm(1.28Å),anFCCcrystalstructure,andanatomicweightof63.5g/mol.Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity.SOLUTION例题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。合金材料MetallicAlloys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间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按组成方式的三种合金材料：固溶体、金属间化合物、机械混合物。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原子间的结合方式是金属键合与其它键合（离子键合、共价键合和分子键合）相混合的一种方式，有一部分价电子可以自由运动，具有金属性；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部分元素形成的化合物，其组元的原子数比较符合化学价规律，组元原子间的结合往往含有金属结合的成分。具有离子化合物NaCl,ZnS或CaF2的晶体结构。MgSeMnSMg2Si金属间化合物有三种：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物Cu-3d104s1Zn-3d104s2Sn-5s25p2Al-3s23p1Electroniccompounds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金属键合cementiteFe3CInterstitialcompound间隙化合物：过渡金属/C,N,H,半径比0.59，晶胞中原子数之比为一定值。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。铁碳合金Iron-CarbonAlloy1.铁碳合金的基本组织texture(2)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。(1)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。3-2-3(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）(6)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。pearliticferriteaustenite2.铁碳合金状态图theiron-ironcarbidephasediagramFe3C，含碳量≤6.67%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个两相区三条水平线三条特征线L5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线L5个单相区7个两相区三条水平线三条特征线L2．典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢eutectoidsteel0.77%C演示（2）亚共析钢hypoeutectoidsteel0.0218~0.77%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.例题杠杆法则（LeverRule）：Figure10.2(a)Thefractionsoftotalferriteandcementitephases.(b)Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite.(c)Thefractionofeutectoidferrite.SOLUTION(a)leverruleexpressions,C’0is0.35wt%C,and(b)Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined(c)Thefractionofeutectoidferrite.4.钢和铸铁SteelandCastIron(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，2.5—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-ironmetals1.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AluminuAl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曲线（TimeTemperatureTransition），越过C曲线的顶部即可得到非晶体。Tm-Tn临界冷却速率Rc=--------------τn熔化温度ΔTg=Tm-TgΔTg↓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