第三章材料的組成和結(jié)構(gòu)CompositionsandStructuresofMaterials

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PrincipalContentsofMaterialsCompositionandStructures3-1-1材料的組成和主要結(jié)構(gòu)形式組成

單組份

onecomponent

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

StructuralImperfectionofMaterials

空隙：本身排列不均勻

空穴

vacancy（晶體）

自由體積

freevolume（非金屬）

界面：晶界

grainboundary（晶體）

界面

interphase（多組分等混合體系）。

blends3-2金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成

CompositionandStructureofMetallicMaterialsWhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsHowtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetalsWhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesWhatistheiron-ironcarbidephasediagramcrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCalculationofthecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals,metallicalloyanditsmainstructuraltypes:

Solidsolution,intermetalliccompound,mechanicalblendsIron-CarbonAlloyTextureFerrite,austenite,cementite,pearlitic

Iron-ironcarbidephasediagram:developmentofmicrostructuresinalloy,eutectoidsteel,eutecticsteelSteelandCastIronCopperanditsAlloysNoncrystallinemetallicalloy,RecrystallinyofMetals3-2金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成CompositionandStructureofMetallicMaterials3-2-1金屬材料1．

原子結(jié)構(gòu)Atomicstructureofmetals

軌道上價(jià)電子數(shù)少（1—2個(gè)），且與原子核的結(jié)合力弱，很容易脫離核，而成為自由電子。

Metallicbonding:ioncoreselectroncloud(seaofelectrons)

2.

金屬晶體結(jié)構(gòu)

ClystalStructuresofMetals（1）隨溫度而變化（2）室溫下有三種：

體心立方

面心立方密堆六方較高強(qiáng)度、硬度和熔具有良好塑性強(qiáng)度低，塑點(diǎn)但塑性和韌性差和韌性性和韌性差

Li,Na,KAu,Ag,CuMg,Ti,ZrNi,Pd,PtCr,Mo,W晶胞內(nèi)原子數(shù)246點(diǎn)陣常數(shù)4R/34R/2——元素晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣常數(shù)最近的原子間距ac鋁鈹鎘鉻鈷銅金鐵鉛鋰鎂鉬鎳鈮鉑鉀銠銣銀鈉鉭釷鈦鎢鈾釩鋅鋯面心立方密排六方密排六方體心立方密排六方面心立方面心立方體心立方面心立方體心立方密排立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方面心立方體心立方體心立方面心立方密排六方體心立方正交體心立方密排六方密排六方4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.1650

3.02822.66493.2312

3.58325.6167

4.069

5.2105

4.6788

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172Table3.1EXAMPLEPROBLEM3.3Copperhasanatomicradiusof0.128nm(1.28A),anFCCcrystalstructure,andanatomicweightof63.5g/mol.Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity.SOLUTIONTheliteraturevalueforthedensityofcopperis8.94g/cm3,°3.4Showforthebody-centeredcubiccrystalCalculatetheradiusofavanadiumatom,giventhatVhasaBCCcrystalstructure,adensityof5.96g/cm3,andanatomicweightof50.9g/mol.3-2-2合金材料MetallicAlloys

在純金屬中加入一種或幾種其它元素（金屬或非金屬），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：置換式或替代式間隙式缺位有序

固溶體：solidsolution

替代式：d溶質(zhì)～d溶劑substitutional

間隙式：d溶質(zhì)/d溶劑

0.59interstitial金屬間化合物：intermetalliccompound

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/ⅣA,ⅤA,ⅥA部分元素，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-3d104s1Zn-3d104s2Sn-5s25p2

Al-3s23p1

Electroniccompounds間隙化合物：過渡金屬/C,N,H,半徑比>0.59機(jī)械混合物：Mechanicalblends

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。cementiteFe3CInterstitialcompound3-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloy1.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℃），

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

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。pearliticferriteaustenite

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖

theiron-ironcarbidephasediagram

Fe3C，含碳量≤6.67%

2．

典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析（1）共析鋼

eutectoidsteel

0.77%C

（2）亞共析鋼

hypoeutectoidsteel

0.0218~0.77%C

（3）過共析鋼

hypereutectoidsteel0.77~2.11%C

（4）共晶白口鑄鐵

4.3%C

（5）亞共晶白口鑄鐵

2.11~4.3%C

（6）過共晶白口鑄鐵

4.3~6.67%CEXAMPLEPROBLEM10.4Fora99.65wt%Fe–0.35wt%Calloyatatemperaturejustbelowtheeutectoid,determinethefollowing:(a)Thefractionsoftotalferriteandcementitephases.(b)Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite.(c)Thefractionofeutectoidferrite.SOLUTION(a)leverruleexpressions,C’0is0.35wt%C,and(b)Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined(c)sumofthesetwoferritefractions4.鋼和鑄鐵

SteelandCastIron

(1)

鋼——碳含量低于2.1%（重量）的鐵碳合金。在金屬中，普通碳鋼、低合金鋼<5%鎳、鉻。

(2)

鑄鐵——碳含量高于2.1%（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-ironmetals

1.銅及其合金

CopperanditsAlloys

(1)純銅（紫銅）面心立方，mp1083℃，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

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

〉6%α+δCu31Sn8共析體，硬而脆2.

鋁及其合金Aluminum

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非晶態(tài)合金Noncrystallinemetallicalloy

快速淬火技術(shù)（過冷）。TTT