材料的组成和内部结构特征.ppt

,第2章 材料的组成和内部结构特征,2.1 材料的结构 (structure of material),2.2 晶体材料的相图与相变 (phase diagram & phase transformation),2.3 材料的组织与性能 (microstructure & property),2.1 材料的结构（structure of material） 2.1.1 晶体与非晶体（crystal and amorphous state） 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。,图2-3,图2-1,图2-2,2.1.2 金属的晶体结构（crystal structure） 特征：排列紧密、高对称性。 (1) 体心立方（bcc） 体对角线方向原子排列最紧密 ，r=( )a 晶胞原子数：1/8812 致密度：(23/4r3 ) /a30.68 配位数： Z=8 例：室温的铁：（Fe）、Cr、Mo。,图2-4,图2-7,图2-6,图2-5,(2) 面心立方（fcc） 面对角线方向原子排列最紧密，r=( )a 晶胞原子数：1/881/264 致密度0.74 Z=12 例：高温的铁（Fe）、Cu、Al、Ni。 (3) 密排六方（hcp） 致密度0.74 Z=12 例：Mg、Zn、石墨。,2.1.3 高分子材料的结构特点 (1)单体与链节 单体凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物。 链节大分子链中的重复结构单元。 乙烯 ：n(CH2=CH2) CH2 CH2 n 单体 链节 n为聚合度 (2)大分子链的形状 线型结构：弹性高 、塑性好、硬度低。热塑性材料。 如：聚乙烯、ABS、尼龙。 支链结构：性能类似线型、强度稍高。热塑性材料 。 体型结构：交联呈空间网络，刚性大、硬度高、脆性大。热固性材料。 如：环氧、聚脂、酚醛塑料（电木）。,图2-8,图2-9,(3)高分子的聚集态结构 线型高分子可呈晶态或部分晶态，体型则为非晶态。,图2-10,2.1.4 陶瓷材料的结构特点 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。,图2-11,图2-15,图2-12,图2-13,图2-14,2.1.5 材料的原子排列缺陷（defects） (1)空位和间隙原子（vacancy and interstitial atom） 温度，数量，但1/1000，影响原子的扩散和运动。 (2)位错（dislocation ） 原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位错密度表示。位错对材料的力学性能影响很大，则s，b及。 (3)晶界（grain boundary） 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。,图2-17,图2-16,图2-18,2.2 晶体材料的相图与相变 （phase diagram & phase transformation） 2.2.1 相与相图(phase & phase diagram) (1) 组元与相 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) 相变与相图 相变由于相所存在条件（T、P、成分）的变化，从某些相另 一些相。 相图不同成分温度条件所出现的相的类型的图示。不同的相其性能很不相同。 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 固溶体与金属间化合物 （solid solution & metallic compound） (1)固溶体 固溶体是溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。晶体结构同溶剂，分两种： 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。 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%）。 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）。,图2-20,图2-19,(2)金属间化合物 金属间化合物金属/金属或金属/类金属（非金属） 之间的化合物。 例：CuAl2、Mg2Pb、Fe3Al、Mg2Si等。 特征：结构比较复杂，高熔点、高硬度、高化学稳定性，性脆。 应用：较少数量弥散分布在基体（固溶体）上，作为强化相第二相强化（弥散强化、沉淀强化）。,2.2.3 二元相图类型及FeC相图 (1)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： L L + 单相 两相区（成分不断变化） 单相（与液相同成分） (2)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） M +N 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（+）。,图2-22,图2-21,图2-26,图2-25,图2-24,图2-23,图2-29,图2-28,图2-27,(3)固态下的二次晶析出反应 反 应 式：L L+ (溶解度随温度下降而减少) 一次晶 二次晶 (4)包晶相图 反 应 式： LC + P D (5)共析相图 反 应 式：（固相）+,图2-30,(6)铁碳（FeFe3C）合金相图 纯 铁：L -Fe -Fe -Fe 组成相：L，F， A， Fe3C 。 相、奥氏体（A）、铁素体（F）均是碳在Fe中的间隙固溶体。,图2-31,图2-32,图2-33,表2-1,图2-34,图2-35,图2-36,图2-38,图2-37,图2-40,图2-39,主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。 包晶反应（1495）：LB + H 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,两相混合物，具一定强度及塑性） 重要的转变线（溶解度变化曲线） DC线 ： LL + Fe3C ES线（Acm）： AA + Fe3C GS线（A3） ： AA + F PQ线 ： FF + Fe3C 5 种渗碳体（Fe3C）: 共晶Fe3C、共析Fe3C、Fe3C、Fe3C、Fe3C。它 们与铁素体相形成了多种多样的组织。,铁碳合金分类： WC 2.11% 铸铁， 有Ld。,2.3 材料的组织与性能 （microstructure & property） 2.3.1 平衡组织与非平衡组织 （equilibrium &non-equilibrium microstructures） 定义：相图上的组织是在无限缓慢冷却（或加热）条件下得到的，称平衡组织。实际工业条件下，冷却较快，原子不能充分扩散，常得到非平衡组织。 (1)凝固非平衡组织 主要是成分不均匀性（偏析），特殊情况下可得其 它非平衡组织、高温相保留、甚至获得非晶态。 (2)热处理非平衡组织 加热固态材料快冷获得与相图很不相同的 热处理组织（后述）。,图2-41,2.3.2 单相组织与多相组织 （ Single & multiphase microstructures） 一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多采用相组织。 2.3.3 金属材料的组织与性能 材料的组织结构决定材料的性能。 钢中c P% 强度、硬度，塑性。,表2-2,图2-42,2.3.4 陶瓷和高分子材料的组织性能 (1)陶瓷由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。 晶体相：可多个，主晶相、次晶相等，主晶相决定陶瓷的性能。 玻璃相：高温烧结时由于杂质及工艺条件，生成部分液相，冷却时形成非晶态的玻璃相（20%40%）。 作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。 缺点：降低熔点、降低性能，故要控制其含量。 气 相：粉粒制坯（存有空隙）烧结密实化5%10%残留。使性能降低。,(2)高分子材料的组织与性能 组 织 特 征：分晶区与非晶区，一般只能部分结晶，结晶度为085%。 结 晶 条 件：线性高分子易结晶；0.8Tm长时+拉伸应力（牵引工艺） 晶区与 性能：刚性、强度、软化温度。 课后讨论题： 1.从金属、陶瓷和高分子材料的结构特点，分析其力学性能的明显差异？ 2.FeF3C 相图可有哪些应用？又有哪些局限性？ 作业：1，2，6，7，8。,图2-43,本 章 结 束,图2-1 简单晶体结构,返回,图2-2 晶格的描述,图2-3 晶胞,图2-8 高分子的形状示意图,图2-12 二氧化硅四面体的环状结构单元示意图,图2-13 二氧化硅四面体的岛状结构单元示意图,图2-14 二氧化硅四面体的链状结构单元示意图,图2-17 位错示意图,图2-18 晶界示意图,图2-21 用热分析法建立合金相图,图2-22 Cu-Ni合金相图、合金冷却曲线及组织形成示意图,图2-23 Pb-Sn合金相图,图2-24 合金平衡结晶过程,图2-26 共晶合金平衡结晶过程,图2-28 亚共晶合金的显微组织,图2-30 Pt-Ag合金相图,图2-31 纯铁冷却曲线及重结晶后的组织示意图,图2-32 FeFe3C相图,图2-33 典型碳钢冷却时的组织转变过程分析示意图,图2-34 共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图,图2