chapter31材料科學基礎(chǔ)課件

3-2金屬材料的結(jié)構(gòu)和組成

CompositionandStructureofMetallicMaterials3-2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)和金屬鍵（Atomicstructureofmetals）金屬元素的原子結(jié)構(gòu)區(qū)別于其他元素的一些共性：外層電子較少，且與原子核的結(jié)合的結(jié)合力較弱，很容易脫離核，而成為自由電子，同時形成電子層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的正離子狀態(tài)。最典型的金屬：堿金屬，堿土金屬等；過渡金屬：ns層電子能量低于（n-1)d層，從而使d層電子數(shù)處于1～10之間未填滿的狀態(tài)。原子價態(tài)的可變性使得這類原子在與其他原子相互作用時表現(xiàn)出某些獨特性質(zhì)。金屬鍵金屬材料內(nèi)部原子間的結(jié)合主要依靠金屬鍵，它幾乎貫穿在所有金屬材料之中，這就是金屬材料有別于其他材料的根本原因。金屬鍵的模型如圖所示：金屬原子全部或部分地使其外層的價電子脫離原來的原子，失去價電子的原子形成正離子。而正離子和部分中性原子按一定的幾何規(guī)則排列起來，并在固定的點上做熱振動。脫離原子的價電子為整個正離子所共有。這種公有化的電子稱之為自由電子。

因此，金屬鍵的結(jié)合是靠公有化的自由電子與離子間的靜電引力而產(chǎn)生的。元素晶體結(jié)構(gòu)點陣常數(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

4.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.1723-2-2合金材料MetallicAlloys由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。

合金分類：按組成合金的元素數(shù)量

二元合金

三元合金

多元合金按組分

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

金屬間化合物單相

機械混合物多相相：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。大多數(shù)合金的組元在液態(tài)下能相互溶解，成為均勻的液體，因此只具有一個液相。在凝固以后，由于各組元之間相互作用不同，在固態(tài)合金中可能會出現(xiàn)不同的相結(jié)構(gòu)。根據(jù)合金中元素之間相互作用的不同，合金中的相基本上可以分為兩類：固溶體和金屬間化合物。固溶體：solidsolution

置換式：

間隙式：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。B電子化合物

貴金屬（Au,Ag,Cu）/金屬（Zn,Al,Sn）組成合金時，隨合金組元成分的改變，合金相的結(jié)構(gòu)與電子濃度具有一定對應(yīng)關(guān)系。在Cu-Zn合金中，根據(jù)合金成分的不同，可以分別形成具有不同點陣類型的電子化合物。電子化合物的點陣結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性主要取決于電子濃度因素，而且，對應(yīng)一定的電子濃度，不同合金所形成的電子化合物具有相同的晶體點陣類型。補充：

吸熱合金Ni-Cu放熱合金Pd-Ag通過測定Ni和Pd在形成合金前后的d帶空穴數(shù)，可以推測這兩種合金不同的結(jié)構(gòu)方式：前者以Ni-Ni和Cu-Cu為主，Ni的d帶空穴數(shù)沒明顯變化；后者以Pd-Ag為主，Pd的d帶空穴數(shù)有很大變化。電子化合物一般具有很高的熔點和硬度，并有導(dǎo)電性C

間隙化合物：過渡金屬（如Fe、Mn等）與原子半徑很小的非金屬（如C,N等）形成穩(wěn)定性較高的化合物，其組元之間原子半徑之比大于0.59時，就形成具有復(fù)雜晶格的間隙化合物。鐵碳合金中很重要的強化相滲碳體（Fe3C）就屬于間隙化合物，其晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)如右圖所示。

間隙化合物具有高硬度和高熔點。InterstitialcompoundD機械混合物：在鐵碳合金中共析反應(yīng)所形成的鐵素體和滲碳體，固態(tài)下既不能相互溶解，又不能彼此反應(yīng)形成化合物，而是構(gòu)成了機械混合物，叫做珠光體（P）。由于珠光體是由硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組成的混合物。所以，其機械性能介于滲碳體和鐵素體之間。3-2-3鐵碳合金Iron-CarbonAlloy1.鐵碳合金的基本組織texture鋼和鑄鐵的基本組元是鐵和碳兩個元素，故稱之為鐵碳合金。它是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。鐵素體（F:ferrite)：碳溶解在-鐵中的固溶體，-鐵是體心立方晶胞，碳在-鐵中的溶解度很小，C%＝0.02%（727℃），C%＝0.006%（室溫）

硬度和強度低，但塑性和韌性好。奧氏體

(A:austenite)：碳溶解在-鐵中的間隙固溶體，-鐵是面心立方結(jié)構(gòu)，碳在-鐵中的溶解度比在-鐵中大，C%2.11%（1148℃）塑性和可鍛性好。(3)

滲碳體（cementite）：鐵和碳以穩(wěn)定化合物形態(tài)Fe3C出現(xiàn)的碳化鐵,含碳量為6.67％，晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。熔點高，硬度高，塑性和沖擊韌性幾乎為零，脆性極大。pearliticferriteaustenitemartensite

2.

鐵碳合金狀態(tài)圖theiron-ironcarbidephasediagram（結(jié)合書面教案進行講解）三條重要水平線:HJB－包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反應(yīng)：LB+δHAJ,包晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體，包晶反應(yīng)只在含0.1％～0.5％碳的鐵碳合金中發(fā)生。ECF－共晶線。在這條線上發(fā)生共晶反應(yīng)：LCAE+Fe3C,共晶反應(yīng)的產(chǎn)物奧氏體和滲碳體組成的混合物稱為萊氏體（Le），共晶反應(yīng)發(fā)生在含碳為2.11～6.67％的鐵碳合金中。PSK－共析線。在這條線上發(fā)生共析反應(yīng)：ASFP+Fe3C,共析反應(yīng)的產(chǎn)物鐵素體和滲碳體組成的混合物稱為珠光體（常用P表示）。含碳量超過0.02％的鐵碳合金，都有共析反應(yīng)。1485℃1148℃727℃4.鋼和鑄鐵SteelandCastIron

(1)

鋼——碳含量低于2.11%的鐵碳合金。有碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼合金鋼根據(jù)合金元素種類，還可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼等。無論是碳素鋼還是合金鋼，其結(jié)構(gòu)是由鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體或馬氏體等這些相所組成。

低碳鋼：含碳量<0.25%中碳鋼：含碳量0.25%~0.6%高碳鋼：含碳量>0.6%低合金鋼：合金元素總含量<5%中合金鋼：合金元素總含量5%～10％高合金鋼：合金元素總含量>10%(2)

鑄鐵——碳含量高于2.11%的鐵碳合金。它還含有硅、錳、磷、硫及某些合金元素。與鋼相比，主要區(qū)別在于鑄鐵含碳、硅較高，含硫、磷雜質(zhì)元素較多，所以，鑄鐵與鋼的組織和性能差別較大。鑄鐵具有廣泛的應(yīng)用，是因為它的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單、價格低廉。鑄鐵還具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的減磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列優(yōu)點。工業(yè)上常用的鑄鐵有灰色鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等?；诣T鐵（因斷口呈灰色而得名）化學成分一般為：2.5~3.6%C，1.1~2.5％Si，0.6~1.2％Mn，P<0.5%,S<0.15%灰鑄鐵的五大元素C、Si、Mn、P、S的含量都要控制在一定的范圍內(nèi)，其中，C、Si、Mn是調(diào)節(jié)組織的元素，P是控制使用元素，S是限制元素。組織特點：鋼基體上分布著片狀石墨灰鑄鐵的組織按其基體的不同，可分為以下幾種：灰鑄鐵的性能，主要取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布情況。球墨鑄鐵，3.6—3.8C%，基體+球狀石墨

由于石墨呈球狀，對基體的分割作用，引起應(yīng)力集中的作用大為減少。球狀石墨的數(shù)量越少，越細，分布越均勻，機械性能越高而且，同樣具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點，如鑄造性能、減磨性、可切削性及低的缺口敏感性等。蠕墨鑄鐵一種新型鑄鐵，其強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定韌性和較高的耐磨性，同時它還具有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。

蠕墨鑄鐵中的石墨是介于片狀和球狀之間的一種中間形狀的石墨。蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)是在一定成分的鐵水中加入適量蠕化劑（稀土鎂鈣合金等）處理而成，其生產(chǎn)方法與球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝大致相同。特殊性能鑄鐵向鑄鐵中加入一定量的合金元素，便獲得特殊性能的合金鑄鐵。1）耐磨鑄鐵在灰鑄鐵的基礎(chǔ)上加入適量的Cr、Mo、W、Cu等，改善組織，提高耐磨性。2）耐熱鑄鐵向鑄鐵中加入Si、Al、Cr等元素，使鑄鐵在高溫下表面形成一層致密的氧化膜，如SiO2、Al2O3等，保護鑄鐵內(nèi)層不被繼續(xù)氧化。3）耐蝕鑄鐵加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素提高基體組織電位，并使鑄鐵表面形成一層致密的保護膜。（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+δ（共析體）