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1、3-2 金属材料的结构和组成金属材料的结构和组成Composition and Structure of Metallic Materialschapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第1页!3-2金属材料的结构和组成金属材料的结构和组成Composition and Structure of Metallic Materials3-2-1金属材料金属材料1原子结构和金属键原子结构和金属键（Atomicstructureofmetals）金属元素的原子结构区别于其他元素的一些共性：外层电子较少，且与原子核的结合的结合力较弱较弱，很容易脱离核，而成为自由电子，同时形成电子层结构稳定的
2、正离子状态。最典型的金属：碱金属，碱土金属等；过渡金属：过渡金属：ns层电子能量低于（n-1)d层，从而使d层电子数处于110之间未填满的状态。原子价态的可变性使得这类原子在与其他原子相互作用时表现出某些独特性质。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第2页!金属键金属键金属材料内部原子间的结合主要依靠金属键，它几乎贯穿在所有金属材料之中，这就是金属材料有别于其他材料的根本原因。金属键的模型如图所示：金属原子全部或部分地使其外层的价电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成正离子。而正离子和部分中性原子按一定的几何规则排列起来，并在固定的点上做热振动。脱离原子的价电子为整个正离子
3、所共有。这种公有化的电子称之为自由电子。因此，金属键的结合是靠公有化的自因此，金属键的结合是靠公有化的自由电子与离子间的静电引力而产生的。由电子与离子间的静电引力而产生的。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第3页!2.金属晶体结构金属晶体结构ClystalStructuresofMetals（1）晶格和晶胞晶格和晶胞晶晶格格：用用假假想想的的直直线线将将各各原原子子的的中中心心连连接接起起来来，得得到到一一个个抽抽 象象化化的的几几何何空间格子，原子位于空间格子的结点上。空间格子，原子位于空间格子的结点上。晶胞：晶胞：在晶格中取出一个完全能代表晶格的最小单位。在晶格中取出一
4、个完全能代表晶格的最小单位。（2）最典型、最常见的金属晶体结构有三种最典型、最常见的金属晶体结构有三种：体心立方体心立方晶格面心立方面心立方 密排六方密排六方较高强度、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(d2或d2s2)晶胞内(1/8)8+1=(1/8)8+(1/2)6=(1/6)12+(1/2)2+3=原子数2 4 6chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第4页!3-2-2 合金材料合金材料 Metallic Alloys由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，
5、具有金属特性的物质称为合金。合金分类：合金分类：按组成合金的元素数量元素数量二元二元合金合金 三元三元合金合金 多元多元合金合金按组分组分铁基铁基合金又称铁合金或合金钢，碳钢非铁基非铁基合金有色金属按组成方式组成方式固溶体固溶体单相金属间化合物金属间化合物单相机械混合物机械混合物多相chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第5页!A.正常价化合物正常价化合物：金属/非金属，按化合价的比例电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定。NaCl型，如MgSeCaF2型，如Mg2Si闪锌矿型，如立方ZnS正常价化合物硬度高，但较脆。正常价化合物硬度高，但较脆。chapter3
6、1材料科学基础共25页，您现在浏览的是第6页!C 间隙化合物间隙化合物：过渡金属（如Fe、Mn等）与原子半径很小的非金属（如C,N等）形成稳定性较高的化合物，其组元之间原子半径之比大于0.59时，就形成具有复杂晶格的间隙化合物。铁碳合金中很重要的强化相渗碳体（渗碳体（Fe3C）就属于间隙化合物，其晶体结构为复杂的正交结构如右图所示。间隙化合物具有高硬度和高熔点。间隙化合物具有高硬度和高熔点。Interstitial poundD 机械混合物机械混合物：在铁碳合金中共析反应所形成的铁素体和渗碳体，固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物，而是构成了机械混合物，叫做珠光体（珠光体（P）。由于
7、珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物。所以，其机械性能介于渗碳体和铁素体之间。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第7页!(4)马马氏氏体体（Martensite）：钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳碳在在 铁铁中中的的过过饱饱和和固固溶溶体体，称为马氏体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度和强度。(5)珠珠光光体体（P:pearlitic)铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物；混合物；(6)莱莱氏氏体体（Le）：奥氏体和渗碳体的共共晶晶混合物（机械
8、混合物）；chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第8页!2.铁碳合金状态图铁碳合金状态图theiron-ironcarbidephasediagram（结合书（结合书面教案进面教案进行讲解）行讲解）chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第9页!2典型铁碳合金结晶过程分析（自己看书）典型铁碳合金结晶过程分析（自己看书）根据铁碳合金含碳量和室温组织的不同，可以将铁碳合金分为三大类：纯铁：纯铁：含碳量0.0218。钢：钢：含碳量在0.02182.11之间。又可分为三种：亚共析钢:含碳量0.77共析钢:含碳量为0.77过共析钢:含碳量在0.77和2.11之间白口铁：白口
9、铁：含碳量在2.116.67之间。又可分为三种：亚共晶白口铁:含碳量在2.114.3之间共晶白口铁:含碳量为4.3过共晶白口铁:含碳量在4.36.67之间chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第10页!(2)铸铁铸铁碳含量高于2.11%的铁碳合金。它还含有硅、锰、磷、硫及某些合金元素。与钢相比，主要区别在于铸铁含碳、硅较高，含硫、磷杂质元素较多，所以，铸铁与钢的组织和性能差别较大。铸铁具有广泛的应用，是因为它的生产设备和工艺简单、价格低廉。铸铁还具有优良的铸造性能，良好的减磨性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等一系列优点。工业上常用的铸铁有灰色铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁
10、和特殊性能铸铁等。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第11页!可锻铸铁可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）铁素体（珠光体）+团絮状石墨团絮状石墨因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。因其塑性比灰铸铁好，故又称为韧性铸铁或展性铸铁。按热处理条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。按热处理条件的不同，可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑黑心心可可锻锻铸铸铁铁：由由白白口口铸铸铁铁经经高高温温石石墨墨化化退退火火制制成成，其其组组织织为铁素体（或珠光体）基体上分布着团絮状石墨；为铁素体（或珠光体）基体上分布着团絮状石墨；白白心心可可锻锻铸铸铁铁：由由白白口口铸铸铁铁经
11、经氧氧化化脱脱碳碳制制成成，其其组组织织为为铁铁素素体和珠光体及少量渗碳体。体和珠光体及少量渗碳体。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第12页!蠕墨铸铁蠕墨铸铁一种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，并具有一定韧性和较高的耐磨性，同时它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形状的石墨。蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形状的石墨。蠕墨铸铁的生产是在一定成分的铁水中加入适量蠕化剂（稀土镁钙合金等）处理而成，其生产方法与球墨铸铁生产工艺大致相同。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第13页!3-2-4非铁金属
12、与合金非铁金属与合金 Non-iron metals1.铜及其合金铜及其合金CopperanditsAlloys（1）纯铜纯铜（紫铜）（紫铜）面心立方，mp1083，：8.96塑性好微量杂质：Pb、Bi、O、S、P（2）黄铜黄铜Cu-Zn合金合金固溶体、面心立方普通普通黄铜Zn含量：39%单相黄铜3945%双相黄铜特特殊殊黄铜：多元合金（加入Sn、Al、Mn、Pb、Si等），主要是提高黄铜的特殊性能和改善其工艺性能。单相黄铜的显微组织 双相黄铜的显微组织chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第14页!元素晶体结构点阵常数最近的原子间距ac铝铍镉铬钴铜金铁铅锂镁钼镍铌铂钾铑铷银钠
13、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4.04962.28562.97882.88462.5063.61474.07882.86644.95023.50923.20943.14683.52363.30073.92395.34443.80445.69854.08574.29063.30265.08432.95063.16503.02822.66493.23123.58325.61674.0695.21
14、054.67884.94685.14772.8632.2252.9792.4982.4972.5562.8842.4813.5003.0393.1972.7252.4922.8582.7754.6272.6904.882.8893.7162.8603.5952.8902.7412.772.6222.6653.172chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第15页!相：相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。大多数合金的组元在液态液态下能相互溶解，成为均匀的液体，因此只具有一个液相。在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中可能会出现不同的相结构。根据合
15、金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可以分为两类：固溶体和金属间化合物固溶体和金属间化合物。固溶体固溶体：solid solution 置换式置换式：间隙式间隙式：金属间化合物金属间化合物：intermetallic pound 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。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第16页!B 电电子子化化合合物物贵贵金金属属（Au,Ag,Cu）/金金属属（Zn,Al,Sn）组成合金时，随合金组元成分的改变，合金相的结构与电子浓度具有一定对应关系。在Cu-Zn合金中，根据合金成分的不同，可以分别形成具有不同点
16、阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵结构和稳定性主要取决于电子浓度因素，而且，对应一定的电子浓度，不同合金所形成的电子化合物具有相同的晶体点阵类型。补充：补充：吸热合金吸热合金Ni-Cu 放热合金放热合金Pd-Ag通过测定Ni和Pd在形成合金前后的d带空穴数，可以推测这两种合金不同的结构方式：前者以Ni-Ni和Cu-Cu为主，Ni的d带空穴数没明显变化；后者以Pd-Ag为主，Pd的d带空穴数有很大变化。电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第17页!3-2-3铁碳合金铁碳合金 Iron-
17、Carbon Alloy1.铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织texture钢和铸铁的基本组元是铁和碳两个元素，故称之为铁碳合金。它是现代工业中应用最为广泛的金属材料。(1)铁铁素素体体（F:ferrite)：碳溶解在-铁铁中的固溶体，-铁铁是体心立方晶胞，碳在-铁铁中的溶解度很小，C%0.02%（727），C%0.006%（室温）硬度和强度低，但塑性和韧性好。(2)奥奥氏氏体体(A:austenite)：碳溶解在-铁铁中的间隙固溶体，-铁铁是面心立 方 结 构，碳 在 -铁铁 中 的 溶 解 度 比 在 -铁铁 中 大，C%2.11%（1148）塑性和可锻性好。(3)渗渗碳碳体体（ceme
18、ntite）：铁和碳以稳定化化合合物物形态Fe3C出现的碳化铁,含碳量为6.67，晶体结构很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性几乎为零，脆性极大。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第18页!pearliticferriteaustenitemartensitechapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第19页!三条重要水平线三条重要水平线:HJB包包晶晶线线。在这条线上发生包晶反应：LB+HAJ,包晶反应的结果形成了奥氏体，包晶反应只在含0.10.5碳的铁碳合金中发生。ECF共晶线。共晶线。在这条线上发生共晶反应：LCAE+Fe3C,共晶反应的产物奥氏体和渗碳
19、体组成的混合物称为莱氏体（Le），共晶反应发生在含碳为2.116.67的铁碳合金中。PSK共析线。共析线。在这条线上发生共析反应：ASFP+Fe3C,共析反应的产物铁素体和渗碳体组成的混合物称为珠光体（常用P表示）。含碳量超过0.02的铁碳合金，都有共析反应。14851148727chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第20页!4.钢和铸铁钢和铸铁SteelandCastIron(1)钢钢碳含量低于2.11%的铁碳合金。有碳素钢和合金钢两大类。碳素钢碳素钢合金钢合金钢根据合金元素种类，还可分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。无论是碳素钢还是合金钢，其结构是由铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体
20、或马氏体等这些相所组成。低碳钢：含碳量0.6%低合金钢：合金元素总含量10%chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第21页!灰铸铁灰铸铁（因断口呈灰色而得名）化学成分一般为：化学成分一般为：2.53.6%C，1.12.5Si，0.61.2Mn，P0.5%,S0.15%灰铸铁的五大元素灰铸铁的五大元素C、Si、Mn、P、S的含量都要控制在一定的范的含量都要控制在一定的范围内，其中，围内，其中，C、Si、Mn是调节组织的元素，是调节组织的元素，P是控制使用元素，是控制使用元素，S是限制元素。是限制元素。组织特点：钢基体上分布着片状石墨组织特点：钢基体上分布着片状石墨灰铸铁的组织按其
21、基体的不同，可分为以下几种：灰铸铁的组织按其基体的不同，可分为以下几种：灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、灰铸铁的性能，主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小和分布情况。形状、大小和分布情况。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第22页!球墨铸铁球墨铸铁，3.63.8C%，基体，基体+球状石墨球状石墨 由由于于石石墨墨呈呈球球状状，对对基基体体的的分分割割作作用用，引引起起应应力力集集中中的的作作用用大大为减少。为减少。球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高球状石墨的数量越少，越细，分布越均匀，机械性能越高而而且且，同同样样具具有有灰灰铸铸铁铁
22、的的一一系系列列优优点点，如如铸铸造造性性能能、减减磨磨性性、可切削性及低的缺口敏感性等。可切削性及低的缺口敏感性等。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第23页!特殊性能铸铁特殊性能铸铁向铸铁中加入一定量的合金元素，便获得特殊性能的向铸铁中加入一定量的合金元素，便获得特殊性能的合金铸铁。合金铸铁。1）耐磨铸铁）耐磨铸铁在灰铸铁的基础上加入适量的Cr、Mo、W、Cu等，改善组织，提高耐磨性。2）耐热铸铁）耐热铸铁向铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，如SiO2、Al2O3等，保护铸铁内层不被继续氧化。3）耐蚀铸铁）耐蚀铸铁加入大量的Si、
23、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素提高基体组织电位，并使铸铁表面形成一层致密的保护膜。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第24页!（3）青铜青铜Cu-Sn合金合金（及含Al、Si、Pb、Mn、Be）Sn：6%+（共析体）Cu31Sn8共析体，硬而脆2.铝及其合金铝及其合金 Aluminu Al面心立方Mp：660，：2.7，属于轻金属低强度，不宜作结构材料导电、导热性略低于银和铜，被广泛用于制造导电材料和热传到器件。Al合合金金：加Si、Cu、Mg、Mn等，以提高其强度，而且仍然具有密度小、耐腐蚀性、导热性等特殊性能。chapter31材料科学基础共25页，您现在浏览的是第25页!