chapter-3-1(材料科学基础).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,*,3-2,金属材料的结构和组成,Composition and Structure of Metallic Materials,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,原子结构和金属键,（,Atomic structure of metals,）,金属元素的原子结构区别于其他元素的一些共性：,外层电子较少，且与原子核的结合的结合力,较弱,，,很容易脱离核，而成为自由电子，同时形成电子层结构稳定的正离子状态,。,最典型的金属：,碱金属，碱土金属等；,过渡金属：,ns,层电子能量低于（,n-1)d,层，从而使,d,层电子数处于,1,10,之间未填满的状态。,原子价态的可变性,使得这类原子在与其他原子相互作用时表现出某些独特性质。,金属键,金属材料内部原子间的结合主要依靠金属键，它几乎贯穿在所有金属材料之中，这就是金属材料有别于其他材料的根本原因。,金属键的模型如图所示：,金属原子全部或部分地使其外层的价电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成正离子。而正离子和部分中性原子按一定的几何规则排列起来，并在固定的点上做热振动。脱离原子的价电子为整个正离子所共有。这种公有化的电子称之为自由电子。,因此，金属键的结合是靠公有化的自由电子与离子间的静电引力而产生的。,2.,金属晶体结构,Clystal,Structures of Metals,（,1,）,晶格和晶胞,晶格：,用假想的直线将各原子的中心连接起来，得到一个抽 象化的几何空间格子，原子位于空间格子的结点上。,晶胞：,在晶格中取出一个完全能代表晶格的最小单位。,（,2,）,最典型、最常见的金属晶体结构有三种,：,体心立方,晶格,面心立方 密排六方,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,或d,2,s,2,),晶胞内,(1/8)8+1=(1/8)8+(1/2)6=(1/6)12+(1/2)2+3=,原子数,2 4 6,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,4.0496,2.2856,29788,2.8846,2.506,3.6147,4.0788,2.8664,4.9502,3.5092,3.2094,3.1468,3.5236,3.3007,3.9239,5.3444,3.8044,5.6985,4.0857,4.2906,3.3026,5.0843,2.9506,3.1650,3.0282,2.6649,3.2312,3.5832,5.6167,4.069,5.2105,4.6788,4.9468,5.1477,2.863,2.225,2.979,2.498,2.497,2.556,2.884,2.481,3.500,3.039,3.197,2.725,2.492,2858,2.775,4.627,2.690,4.88,2.889,3.716,2.860,3.595,2.890,2.741,2.77,2.622,2.665,3.172,3-2-2,合金材料,Metallic Alloys,由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。,合金分类：,按组成合金的,元素数量,二元,合金,三元,合金,多元,合金,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,相：,合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。,大多数合金的组元在,液态,下能相互溶解，成为均匀的液体，因此只具有一个液相。,在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中可能会出现不同的相结构。,根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可以分为两类：,固溶体和金属间化合物,。,固溶体,：,solid solution,置换式,：,间隙式,：,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，按化合价的比例,电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定。,NaCl,型，如,MgSe,CaF,2,型，如,Mg,2,Si,闪锌矿型，如立方,ZnS,正常价化合物硬度高，但较脆。,B,电子化合物,贵金属,（,Au,Ag,Cu,）,/,金属,（,Zn,Al,Sn,）组成合金时，随合金组元成分的改变，合金相的结构与电子浓度具有一定对应关系。,在,Cu-Zn,合金中，根据合金成分的不同，可以分别形成具有不同点阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵结构和稳定性主要取决于电子浓度因素，而且，对应一定的电子浓度，不同合金所形成的电子化合物具有相同的晶体点阵类型。,补充：,吸热合金,Ni-Cu,放热合金,Pd-Ag,通过测定,Ni,和,Pd,在形成合金前后的,d,带空穴数，可以推测这两种合金不同的结构方式：前者以,Ni-Ni,和,Cu-Cu,为主，,Ni,的,d,带空穴数没明显变化；后者以,Pd-Ag,为主，,Pd,的,d,带空穴数有很大变化。,电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性,C,间隙化合物,：,过渡金属（如,Fe,、,Mn,等）与原子半径很小的非金属（如,C,N,等）形成稳定性较高的化合物，其组元之间原子半径之比大于,0.59,时，就形成具有复杂晶格的间隙化合物。,铁碳合金中很重要的强化相,渗碳体（,Fe,3,C,）,就属于间隙化合物，其晶体结构为复杂的正交结构如右图所示。,间隙化合物具有高硬度和高熔点。,Interstitial compound,D,机械混合物,：,在铁碳合金中共析反应所形成的铁素体和渗碳体，固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物，而是构成了机械混合物，叫做,珠光体（,P,）,。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物。所以，其机械性能介于渗碳体和铁素体之间。,3-2-3,铁碳合金,Iron-Carbon Alloy,1.,铁碳合金的基本组织,texture,钢和铸铁的基本组元是铁和碳两个元素，故称之为铁碳合金。它是现代工业中应用最为广泛的金属材料。,铁素体,（,F:,ferrite),：,碳溶解在,-,铁,中的固溶体，,-,铁,是体心立方晶胞，碳在,-,铁,中的溶解度很小，,C%,0.02%,（,727,），,C%,0.006%室温）,硬度和强度低，但塑性和韧性好。,奥氏体,(A:,austenite),：,碳溶解在,-,铁,中的间隙固溶体，,-,铁,是面心立方结构，碳在,-,铁,中的溶解度比在,-,铁,中大，,C%,2.11%,（,1148,）,塑性和可锻性好。,(3),渗碳体,（,cementite,）：,铁和碳以稳定,化合物,形态,Fe,3,C,出现的碳化铁,含碳量为,6.67,，晶体结构很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性几乎为零，脆性极大。,(4),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,，称为马氏体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度和强度。,(5),珠光体,（,P:,pearlitic,),铁素体和渗碳体二者组成的机械,混合物；,(6),莱氏体（,Le,）：,奥氏体和渗碳体的,共晶,混合物（机械混合物）；,pearlitic,ferrite,austenite,martensite,2.,铁碳合金状态图,the iron-iron carbide phase diagram,（结合书面教案进行讲解）,三条重要水平线,:,HJB,包晶线。,在这条线上发生包晶反应：,L,B,+,H,A,J,包晶反应的结果形成了奥氏体，包晶反应只在含,0.1,0.5,碳的铁碳合金中发生。,ECF,共晶线。,在这条线上发生共晶反应：,LC AE+Fe,3,C,共晶反应的产物奥氏体和渗碳体组成的混合物称为莱氏体（,Le,），共晶反应发生在含碳为,2.11,6.67,的铁碳合金中。,PSK,共析线。,在这条线上发生共析反应：,AS FP+Fe3C,共析反应的产物铁素体和渗碳体组成的混合物称为珠光体（常用,P,表示）。含碳量超过,0.02,的铁碳合金，都有共析反应。,1485,1148,727,2,典型铁碳合金结晶过程分析（自己看书）,根据铁碳合金含碳量和室温组织的不同，可以将铁碳合金分为三大类：,纯铁：,含碳量,0.0218,。,钢含碳量在,0.0218,2.11,之间。又可分为三种：,亚共析钢,:,含碳量,0.77,共析钢,:,含碳量为,0.77,过共析钢,:,含碳量在,0.77,和,2.11,之间,白口铁：,含碳量在,2.11,6.67,之间。又可分为三种：,亚共晶白口铁,:,含碳量在,2.11,4.3,之间,共晶白口铁,:,含碳量为,4.3,过共晶白口铁,:,含碳量在,4.3,6.67,之间,4.,钢和铸铁,Steel and Cast Iron,(1),钢,碳含量低于,2.11%,的铁碳合金。,有碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢,合金钢,根据合金元素种类，还可分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。,无论是碳素钢还是合金钢，其结构是由铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体或马氏体等这些相所组成。,低碳钢：含碳量,0.6%,低合金钢：合金元素总含量,10%,(2),铸铁,碳含量高于,2.11%,的铁碳合金。,它还含有硅、锰、磷、硫及某些合金元素。与钢相比，主要区别在于铸铁含碳、硅较高，含硫、磷杂质元素较多，所以，铸铁与钢的组织和性能差别较大。,铸铁具有广泛的应用，是因为它的生产设备和工艺简单、价格低廉。铸铁还具有优良的铸造性能，良好的减磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列优点。工业上常用的铸铁有灰色铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,灰铸铁,（因断口呈灰色而得名）,化学成分一般为：,2.53.6%C,，,1.12.5,Si,，,0.61.2,Mn,，,P0.5%,S0.15%,灰铸铁的五大元素,C,、,Si,、,Mn,、,P,、,S,的含量都要控制在一定的范围内，其中，,C,、,Si,、,Mn,是调节组织的元素，,P,是控制使用元素，,S,是限制元素。,组织特点：钢基体上分布着片状石墨,灰铸铁的组织按其基体的不同，可分为以下几种：,灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小和分布情况。,可锻铸铁,（韧性）,铁素体（珠光体）,+,团絮状石墨,因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。,按热处理条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。,黑心可锻铸铁：,由白口铸铁经高温石墨化退火制成，其组织为铁素体（或珠光体）基体上分布着团絮状石墨；,白心可锻铸铁：,由白口铸铁经氧化脱碳制成，其组织为铁素体和珠光体及少量渗碳体。,球墨铸铁,，,3.63.8C%,，基体,+,球状石墨,由于石墨呈球状，对基体的分割作用，引起应力集中的作用大为减少。,球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高,而且，同样具有灰铸铁的一系列优点，如铸造性能、减磨性、可切削性及低的缺口敏感性等。,蠕墨铸铁,一种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，并具有一定韧性和较高的耐磨性，同时它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。,蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形状的石墨。,蠕墨铸铁的生产是在一定成分的铁水中加入适量蠕化剂（稀土镁钙合金等）处理而成，其生产方法与球墨铸铁生产工艺大致相同。,特殊性能铸铁,向铸铁中加入一定量的合金元素，便获得特殊性能的合金铸铁。,1,）耐磨铸铁,在灰铸铁的基础上加入适量的,Cr,、,Mo,、,W,、,Cu,等，改善组织，提高耐磨性。,2,）耐热铸铁,向铸铁中加入,Si,、,Al,、,Cr,等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，如,SiO,2,、,Al,2,O,3,等，保护铸铁内层不被继续氧化。,3,）耐蚀铸铁,加入大量的,Si,、,Al,、,Cr,、,Ni,、,Cu,等合金元素提高基体组织电位，并使铸铁表面形成一层致密的保护膜。,3-24,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（加入,Sn,、,Al,、,Mn,、,Pb,、,Si,等），主要是提高黄铜的特殊性能和改善其工艺性能。,单相黄铜的显微组织,双相黄铜的显微组织,（,3,）,青铜,Cu-,Sn,合金,（及含,Al,、,Si,、,Pb,、,Mn,、,Be,）,Sn,：,6%,+,（共析体）,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,，属于轻金属,低强度，不宜作结构材料,导电、导热性略低于银和铜，被广泛用于制造导电材料和热传到器件。,Al,合金,：加,Si,、,Cu,、,Mg,、,Mn,等，以提高其强度，而且仍然具有密度小、耐腐蚀性、导热性等特殊性能。,