材料的组成和内部结构特征.答案

材料的组成和内部结构特征兰州理工大学材料科学与工程学院第2章第一篇工程材料的性能和基本特征兰州理工大学材料学院2.1金属材料的结构特点2.2晶体材料的相图与相变2.5材料的组织与性能2.3铁碳合金相图与铁碳合金2.4陶瓷与高分子材料的结构特点本章主要内容兰州理工大学材料学院晶体：原子规则周期性排列，如金属、陶瓷。非晶体：原子不存在周期规则排列，如大多数高分子材料、玻璃。晶体中原子排列的规则性用晶胞来描述。2.1晶体材料的结构特点2.1.1晶体和非晶体图2-1简单晶体结构图2-2晶格的描述图2-3晶胞兰州理工大学材料学院特征：排列紧密、高对称性。1.体心立方晶格（bcc）体对角线方向原子排列最紧密，r=()a晶胞原子数：1/8×8＋1＝2致密度：(2×3/4πr3)/a3≈0.68配位数：Z=8例：室温的铁：（α－Fe）、Cr、Mo。4/32.1.2金属的典型晶体结构图2-4体心立方晶胞及堆垛方式图2-5体心立方晶胞中的原子数兰州理工大学材料学院2.面心立方晶格（fcc）面对角线方向原子排列最紧密，r=()a晶胞原子数：1/8×8＋1/2×6＝4致密度≈0.74Z=12例：高温的铁（γ—Fe）、Cu、Al、Ni。3.密排六方晶格（hcp）致密度≈0.74Z=12例：Mg、Zn、石墨。4/2兰州理工大学材料学院图2-7面心立方晶格的配位数图2-6面心立方晶胞、原子堆垛方式及晶胞中的原子数兰州理工大学材料学院图2-8密排六方晶胞、原子堆垛方式及其晶胞中的原子数图2-9密排六方晶格的配位数兰州理工大学材料学院1.点缺陷——空位、间隙原子和置换原子温度↑，数量↑，但≤1/1000，影响原子的扩散和运动。2.线缺陷——位错原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位错密度ρ表示。位错对材料的力学性能影响很大，ρ↑则σs↑，σb↑及δ↓。3.面缺陷——晶界与亚晶界晶体由位向不同的晶粒汇合而成，其过渡层处原子排列极不规则，构成晶界。晶粒内部由许多位向差很小的小晶块组成，其界面称为亚晶界。2.1.3实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）兰州理工大学材料学院图2-10点缺陷示意图（a）刃型位错立体模型（b）刃型位错（c）位错线周围的原子排列图2-11刃型位错示意图兰州理工大学材料学院（a）螺型位错立体模型（b）螺型位错（c）位错线周围的原子排列图2-12螺型位错示意图兰州理工大学材料学院图2-13刃型位错滑移过程示意图兰州理工大学材料学院图2-14材料的多晶体示意图图2-15晶界原子排列示意图图2-16亚晶及亚晶界原子排列兰州理工大学材料学院1.相的概念合金:由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质例：钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌等元素组成的合金；组元——组成合金或材料的独立的、最基本的单元。例：钢的组元为Fe与Fe3C，黄铜为Cu和Zn；例：陶瓷材料的组元多为化合物，如SiO2、Al2O3等。相——材料中具有一定化学成分且结构相同的均匀部分。材料一般由多个相组成。2.2晶体材料的相图与相变2.2.1合金中相的类型兰州理工大学材料学院2.固溶体溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。1）置换固溶体——溶质原子置换部分溶剂原子，可有限或无限溶解。2）间隙固溶体——溶质原子处于溶剂结构间隙位置之中，多为小的非金属原子，溶解度很小（≤2%）。3）金属间化合物——金属与金属元素之间，或者金属与类金属（以及部分金属元素之间形成的具有金属特性的化合物。溶质溶入→晶格畸变→强度↑，硬度↑，塑性↓→固溶强化固溶体可单独使用，更多的作为合金材料的基体（一定强度、高塑韧性）。兰州理工大学材料学院（a）置换固溶体（b）间隙固溶体图2-17固溶体的两种类型兰州理工大学材料学院（a）间隙固溶体b）置换固溶体图2-18固溶体中的晶格畸变兰州理工大学材料学院图2-19Fe3C的晶格结构兰州理工大学材料学院相变——相的分解、合成和转变过程称为相变。例：纯铁在不同温度下的相相图——即状态图或平衡图，是用图解的方法表示不同温度、压力及成分下合金系中各相的平衡关系。利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处理2.2.2相变及相图兰州理工大学材料学院1.二元相图的建立（a）Cu-Ni合金的冷却曲线；（b）Cu-Ni合金相图图2-20Cu-Ni合金相图的测定与绘制2.2.3二元相图类型及Fe—C相图兰州理工大学材料学院2.二元匀晶相图•形成条件：固态下二组元性质相近→无限互溶→匀晶。•反应式：LL+αα单相两相区（成分不断变化）单相（与液相同成分）（a）Cu-Ni合金匀晶相图(b)结晶过程分析图2-21Cu-Ni合金匀晶相图及结晶过程示意图兰州理工大学材料学院图2-22Cu-Ni合金中的枝晶偏析兰州理工大学材料学院3.二元共晶相图•形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温度、恒定成分，二固相同时结晶。•反应式：LE（液）αM+βN•组织定义：相（单相或多相）的类型及其空间形态。例：匀晶反应后得到的室温组织为等轴状的单相α固溶体。共晶反应后得到的室温组织一般为片层状的两相混合物（α+β）。固态下的二次晶析出反应•反应式：L→L+α→α→α+βⅡ(溶解度随温度下降而减少)一次晶二次晶兰州理工大学材料学院图2-23Pb-Sn相图兰州理工大学材料学院图2-24合金I结晶过程组织变化示意图图2-25合金Ⅱ结晶过程组织变化示意图兰州理工大学材料学院图2-26合金Ⅲ结晶过程组织变化示意图图2-27合金Ⅳ结晶过程组织变化示意图兰州理工大学材料学院图2-28由组织组成物填写的Pb-Sn相图兰州理工大学材料学院4.二元包晶相图•反应式：LC+αP→βD5.二元共析相图•反应式：γ（固相）→α+β图2-29Pt-Ag包晶相图图2-31共析相图兰州理工大学材料学院图2-30合金Ⅰ包晶反应及组织变化示意图兰州理工大学材料学院1.铁碳合金的组元1）铁：Lδ-Feγ-Feα-Fe2）渗碳体：渗碳体Fe3C是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的斜方晶格，原子比Fe：C=3：1。渗碳体的分解点为1227℃。渗碳体的力学性能特点为：硬度很高（约800HBW）；脆性大，塑性和韧性几乎等于零；强度低，其抗拉强度约为30MPa。1394℃912℃1538℃bccfccbcc2.3铁碳合金相图与铁碳合金2.3.1铁碳合金相图兰州理工大学材料学院图2-32Fe-Fe3C相图兰州理工大学材料学院2.铁碳合金中相的类型及特点五种基本组成相：L，δ，F，A，Fe3C。1）液相（L）铁与碳的均匀液溶体2）高温铁素体相（δ）碳溶于δ-Fe中形成的间隙固溶体3）奥氏体相（A或γ）碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体4）铁素体相（F或α）碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体5）渗碳体相（Fe3C）兰州理工大学材料学院3.Fe-Fe3C相图分析•主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。包晶反应（1495℃）：LB+δH→Aj(高温相，强度低、高塑性）共晶反应（1148℃）：LC→AE+Fe3C(莱氏体LD,极脆)共析反应（727℃）：AS→FP+Fe3C(珠光体P,具一定强度及塑性）•重要的转变线（溶解度变化曲线）DC线：L→L+Fe3CⅠES线（Acm）：A→A+Fe3CⅡGS线（A3）：A→A+FPQ线：F→F+Fe3CⅢ•5种渗碳体（Fe3C）:共晶Fe3C、共析Fe3C、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ。兰州理工大学材料学院图2-33以组织组成物表示的铁碳合金相图兰州理工大学材料学院4.铁碳合金分类：C0.0218%工业纯铁，无P无Ld，强度极低，应用很少0.0218%～0.77%亚共析钢。0.77%共析钢，有P无Ld。0.77%～2.11%过共析钢。C2.11%铸铁，有Ld。兰州理工大学材料学院2.3.2典型铁碳合金的平衡结晶过程典型合金平衡转变过程分析兰州理工大学材料学院1.工业纯铁（wC≤0.0218%）结晶过程：L→L+δ→δ→δ+A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ室温平衡组织:F+Fe3CⅢ，Fe3CⅢ呈细条片状或半网络状分布于F晶界处。2.共析钢（wC=0.77%）结晶过程：L→L+A→A→A0.77→P(F0.0218+Fe3C)室温平衡组织：P（(F和Fe3C片层相间排列）兰州理工大学材料学院工业纯铁的结晶过程兰州理工大学材料学院共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院3.亚共析钢（0.0218%＜wC＜0.77%）结晶过程：L→L+A→A→A+F→P(F0.0218+Fe3C)+F室温平衡组织:F+P,即块状F和片层状P的混合物。4.过共析钢（0.77%wC≤2.11%）结晶过程：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P(F0.0218+Fe3C)+Fe3CⅡ室温平衡组织:P+Fe3CII，即片层状P和（沿原A晶界上分布的）网状Fe3CII。兰州理工大学材料学院亚共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院组织组成物的相对含量：%5.505.491pw相组成物的相对含量：%3.94%1000218.069.64.069.6w%5.49%1000218.077.04.077.0w%7.5%3.9413CFew兰州理工大学材料学院过共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院5.共晶白口铸铁（wC=4.3%）结晶过程：L4.3→Ld(A2.11+Fe3C)→Ld(A+Fe3CⅡ+Fe3C)→Ld′(P+Fe3CⅡ+Fe3C)共晶白口铸铁室温平衡组织为:Ld′(P+Fe3CII+Fe3C）6.亚共晶白口铸铁（2.11%＜wC＜4.3%）结晶过程：L→L+A→Ld(A2.11+Fe3C)+A→Ld(A+Fe3CII+Fe3C)+A+Fe3CII→Ld′(P+Fe3CII+Fe3C)+P+Fe3CII室温平衡组织为:Ld′+P+Fe3CII兰州理工大学材料学院共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院亚共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院初晶奥氏体质量分数：%4.59%10011.23.40.33.4w%6.40%10011.23.411.20.3Ldw莱氏体的质量分数为：初晶γ析出的Fe3CⅡ含量：%4.13%4.5977.069.677.011.23CFew兰州理工大学材料学院7.过共晶白口铸铁（4.3%＜wC＜6.69%）结晶过程：L→Fe3CⅠ+L→Fe3CⅠ+Ld（A2.11+Fe3C）→Fe3CⅠ+Ld（A+Fe3CII+Fe3C）→Fe3CⅠ+Ld′（P+Fe3CII+Fe3C）过共晶白口铸铁室温平衡组织为：Fe3CⅠ+Ld′兰州理工大学材料学院过共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院2.3.3铁碳合金成分、组织与性能的关系1.含碳量与铁碳合金平衡组织的关系随含碳量增加，铁碳合金室温平衡组织的变化规律为：F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+Fe3CII（网状）→P+Fe3CII+Ld＇→Ld＇→Ld＇+Fe3CI2.含碳量与铁碳合金力学性能的关系随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时出现最大值。兰州理工大学材料学院图2-36铁碳合金的成分与性能关系C(%)4.32.110.770.0218性能→δσbHB兰州理工大学材料学院2.3.4Fe-Fe3C相图的应用和局限性1.Fe-Fe3C相图的应用1）为钢铁选材提供成分依据2）为制定热加工工艺提供依据2.Fe-Fe3C相图的局限性1）Fe-Fe3C相图只反应铁碳二元合金中相的平衡状态2）Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态兰州理工大学材料学院特点：结构比较复杂，主要组成仍是晶体。氧化物结构：尺寸较大的氧离子为骨架（fcc、hcp等）＋尺寸小的正离子位于间隙。硅酸盐结构：基本单元为[SiO4]，在空间相互连接形成多种结构。2.4陶瓷与高分子材料的结构特点2.1.4陶瓷材料的结构特点兰州理工大学材料学院（a）MgO的晶体结构（b）Al2O3的晶体结构图2-37氧化物晶体结构（a）