第三章 材料的组成和结构 Compositions and Structures of Materials

1. 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。

2. 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. 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

4. 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

5. 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

6. Chapter 3 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（1—2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)

7. 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(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2) Ni,Pd, Pt (d8s2) Cr, Mo, W (d5s1) 晶胞内 原子数 2 4 6 点阵常数 4R/3 4R/2 ——

8. 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

9. Table 3.1

10. 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 ,

11. 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.

12. 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

13. 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

14. Electronic compounds 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-3d104s1 Zn- 3d104s2 Sn-5s2 5p2Al-3s2 3p1

15. Interstitial compound 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 Fe3 C

16. 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。

17. ferrite austenite pearlitic

18. 2.铁碳合金状态图the iron-iron carbide phase diagram Fe3C， 含碳量≤6.67%

19. 5个单相区，7个两相区 三条水平线， 三条特征线

21. 2．典型铁碳合金结晶过程分析 （1）共析钢eutectoid steel 0.77%C

22. （2）亚共析钢 hypoeutectoid steel 0.0218~0.77%C

24. （3）过共析钢 hypereutectoid steel 0.77~2.11%C

26. （4）共晶白口铸铁 4.3%C

27. （5）亚共晶白口铸铁2.11~4.3%C

28. （6）过共晶白口铸铁4.3~6.67%C

29. EXAMPLE PROBLEM 10.4 For a 99.65 wt% Fe–0.35 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

30. (b) The fractions of proeutectoid ferrite and pearlite are determined (c) sum of these two ferrite fractions

31. 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， 2.5—3.5 %， 钢 +片状石墨

32. 可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+ 团絮状石墨

33. 球墨铸铁， 3.6—3.8 %，基体 + 球状石墨 蠕墨铸铁，

34. 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℃，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

35. （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+δ Cu31Sn8共析体，硬而脆 2.铝及其合金 Aluminu Al 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

36. 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。 Tm - Tn 临界冷却速率R c= -------------- τn 熔化温度 ΔTg = Tm - Tg ΔTg ↓ 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。

37. 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，与金属的成分、熔点和变形度等因素相关 T再~0.4Tm 变形度↑，T↓

38. 3.晶粒长大 T↑，t↑，晶粒尺寸↑ 变形度〈2% 不变 2~10% 大晶粒（临界变形度） 〉10% 细晶粒