第三章第一讲材料科学与工程基础(顾宜PPT课件.pptVIP

第三章材料的组成和结构CompositionsandStructuresofMaterials 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 3 1材料组成和结构的基本内容PrincipalContentsofMaterialsCompositionandStructures3 1 1材料的组成和主要结构形式组成单组份onecomponent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 1 2材料的结构缺陷StructuralImperfectionofMaterials空隙 本身排列不均匀空穴vacancy 晶体 自由体积freevolume 非金属 界面 晶界grainboundary 晶体 界面interphase 多组分等混体系 blends 3 2金属材料的结构和组成CompositionandStructureofMetallicMaterials WhatistherelationshipbetweencrystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsHowtocalculatethecrystalstructureparametersanddensitiesofmetalsWhatismetalalloyanditsmainstructuraltypesWhatistheiron ironcarbidephasediagram crystalunitcellsandelectronicstructuresofmetalatomsCalculationofthecrystalstructureparametersanddensitiesofmetals metallicalloyanditsmainstructuraltypes Solidsolution intermetalliccompound mechanicalblendsIron CarbonAlloyTextureFerrite austenite cementite pearliticIron ironcarbidephasediagram developmentofmicrostructuresinalloy eutectoidsteel eutecticsteelSteelandCastIronCopperanditsAlloysNoncrystallinemetallicalloy RecrystallinyofMetals 3 2金属材料的结构和组成CompositionandStructureofMetallicMaterials3 2 1金属材料1 原子结构Atomicstructureofmetals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 Metallicbonding ioncoreselectroncloud seaofelectrons Chapter3 2 金属晶体结构ClystalStructuresofMetals 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246点阵常数4R 34R 2 Table3 1 EXAMPLEPROBLEM3 3Copperhasanatomicradiusof0 128nm 1 28A anFCCcrystalstructure andanatomicweightof63 5g mol Computeitstheoreticaldensityandcomparetheanswerwithitsmeasureddensity SOLUTION Theliteraturevalueforthedensityofcopperis8 94g cm3 3 4Showforthebody centeredcubiccrystalCalculatetheradiusofavanadiumatom giventhatVhasaBCCcrystalstructure adensityof5 96g cm3 andanatomicweightof50 9g mol 3 2 2合金材料MetallicAlloys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 固溶体 solidsolution替代式 d溶质 d溶剂substitutional间隙式 d溶质 d溶剂 0 59interstitial金属间化合物 intermetalliccompound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 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 3d104s1Zn 3d104s2Sn 5s25p2Al 3s23p1 Electroniccompounds 间隙化合物 过渡金属 C N H 半径比 0 59机械混合物 Mechanicalblends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 cementiteFe3C Interstitialcompound 3 2 3铁碳合金Iron CarbonAlloy1 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 pearlitic ferrite austenite 2 铁碳合金状态图theiron ironcarbidephasediagramFe3C 含碳量 6 67 5个单相区 7个两相区三条水平线 三条特征线 2 典型铁碳合金结晶过程分析 1 共析钢eutectoidsteel0 77 C 2 亚共析钢hypoeutectoidsteel0 0218 0 77 C 3 过共析钢hypereutectoidsteel0 77 2 11 C 4 共晶白口铸铁4 3 C 5 亚共晶白口铸铁2 11 4 3 C 6 过共晶白口铸铁4 3 6 67 C EXAMPLEPROBLEM10 4Fora99 65wt Fe 0 35wt Calloyatatemperaturejustbelowtheeutectoid determinethefollowing a Thefractionsoftotalferriteandcementitephases b Thefractionsoftheproeutectoidferriteandpearlite c Thefractionofeutectoidferrite SOLUTION a leverruleexpressions C 0is0 35wt C and b Thefractionsofproeutectoidferriteandpearlitearedetermined c sumofthesetwoferritefractions 4 钢和铸铁SteelandCastIron 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 可锻铸铁 韧性 铁素体 珠光体 团絮状石墨 球墨铸铁 3 6 3 8 基体 球状石墨蠕墨铸铁 3 2 4非铁金属与合金Non ironmetals1 铜及其合金CopperanditsAlloys 1 纯铜 紫铜 面心立方 mp1083 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 3 青铜Cu Sn合金 及含Al Si Pb Mn Be Sn 5 6 单相 固溶体 6 Cu31Sn8共析体 硬而脆2 铝及其合金AluminuAl面心立方Mp 660 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 3 2 5非晶态合金Noncrystallinemetallicalloy快速淬火技术 过冷 TTT曲线 TimeTemperatureTransition 越过C曲线的顶部即可得到非晶体 Tm Tn临界冷却速率Rc n熔化温度 Tg Tm Tg Tg 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 3 2 6金属材料的再结晶RecrystallinyofMetals1 金属材料的塑性变形PlasticDeformation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