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1、材料的组成和内部结构特征材料的组成和内部结构特征材料的组成和内部结构特征材料的组成和内部结构特征兰州理工高校材料科学与工程学院兰州理工高校材料科学与工程学院第第2章章第一篇第一篇工程材料的性能和工程材料的性能和基本特征基本特征兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.1 金属材料的结构特点金属材料的结构特点2.2 晶体材料的相图与相变晶体材料的相图与相变2.5 材料的组织与性能材料的组织与性能2.3 铁碳合金相图与铁碳合金铁碳合金相图与铁碳合金2.4 陶瓷与高分子材料的结构特点陶瓷与高分子材料的结构特点本章主要内容本章主要内容兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 晶晶 体：体：原子规则周
2、期性排列，如金属、陶瓷。原子规则周期性排列，如金属、陶瓷。非晶体：非晶体：原子不存在周期规则排列，如大多数高分子材料、原子不存在周期规则排列，如大多数高分子材料、玻璃。玻璃。晶体中原子排列的规则性用晶胞来描述。晶体中原子排列的规则性用晶胞来描述。2.12.1晶体材料的结构特点晶体材料的结构特点晶体材料的结构特点晶体材料的结构特点2.1.12.1.1晶体和非晶体晶体和非晶体晶体和非晶体晶体和非晶体图图2-1 简洁简洁晶体晶体结结构构图图2-2 晶格的描述晶格的描述 图图2-3 晶胞晶胞兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院特征：排列紧密、高对称性。特征：排列紧密、高对称性。1.1.体心立方晶格
3、（体心立方晶格（体心立方晶格（体心立方晶格（bccbcc）体对角线方向原子排列最紧密体对角线方向原子排列最紧密，r=()a 晶胞原子数：晶胞原子数：1/8812 致密度：致密度：(23/4r3)/a30.68 配位数：配位数：Z=8 例：例：室温的铁：（室温的铁：（Fe）、）、Cr、Mo。2.1.22.1.2金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构图图2-4 体心立方晶胞及堆体心立方晶胞及堆垛垛方式方式 图图2-5 体心立方晶胞中的原子数体心立方晶胞中的原子数兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.2.面心立方晶格（面心立方晶格（面心立方晶格（面心立方晶格（
4、fccfcc）面对角线方向原子排列最紧密，面对角线方向原子排列最紧密，r=()a 晶胞原子数：晶胞原子数：1/881/264 致密度致密度0.74 Z=12 例：例：高温的铁（高温的铁（Fe）、）、Cu、Al、Ni。3.3.密排六方晶格（密排六方晶格（密排六方晶格（密排六方晶格（hcphcp）致密度致密度0.74 Z=12 例：例：Mg、Zn、石墨。、石墨。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-7 面心立方晶格的配位数面心立方晶格的配位数图图2-6 面心立方晶胞、原子堆面心立方晶胞、原子堆垛垛方式及晶胞中的原子数方式及晶胞中的原子数兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-8
5、密排六方晶胞、原子堆密排六方晶胞、原子堆垛垛方式及其晶胞中的原子数方式及其晶胞中的原子数图图2-9 密排六方晶格的配位数密排六方晶格的配位数兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.1.点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷空位、间隙原子和置换原子空位、间隙原子和置换原子空位、间隙原子和置换原子空位、间隙原子和置换原子 温度温度温度温度，数量，数量，数量，数量，但，但，但，但1/10001/1000，影响原子的扩散和运动。，影响原子的扩散和运动。，影响原子的扩散和运动。，影响原子的扩散和运动。2.2.线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷位错位错位错位错 原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位错密度原子的错排主要在
6、某一方向上，位错的多少用位错密度原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位错密度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，表示。位错对材料的力学性能影响很大，表示。位错对材料的力学性能影响很大，表示。位错对材料的力学性能影响很大，则则则则ss，bb及及及及。3.3.面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界与亚晶界 晶体由位向不同的晶粒汇合而成，其过渡层处原子排晶体由位向不同的晶粒汇合而成，其过渡层处原子排晶体由位向不同的晶粒汇合而成，其过渡层处原子排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
7、很多位向差很小的列极不规则，构成晶界。晶粒内部由很多位向差很小的列极不规则，构成晶界。晶粒内部由很多位向差很小的列极不规则，构成晶界。晶粒内部由很多位向差很小的小晶块组成，其界面称为亚晶界。小晶块组成，其界面称为亚晶界。小晶块组成，其界面称为亚晶界。小晶块组成，其界面称为亚晶界。实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-10 点缺陷示意点缺陷示意图图（a）刃型位）刃型位错错立体模型立体模型 （b）刃型位）刃型位错错 （c）位）位错线错线四周的原子
8、排列四周的原子排列图图2-11 刃型位刃型位错错示意示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院（a）螺型位）螺型位错错立体模型立体模型 （b）螺型位）螺型位错错 （c）位）位错线错线四周的原子排列四周的原子排列图图2-12 螺型位螺型位错错示意示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-13 刃型位刃型位错错滑移滑移过过程示意程示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 图图2-14 材料的多晶体示意材料的多晶体示意图图图图2-15 晶界原子排列示意晶界原子排列示意图图图图2-16 亚亚晶及晶及亚亚晶界原子排列晶界原子排列兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.1.
9、相的概念相的概念相的概念相的概念合金合金合金合金:由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质 例：钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌等元素组成的合金；例：钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌等元素组成的合金；例：钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌等元素组成的合金；例：钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌等元素组成的合金；组元组元组元组元组成合金或材料的独立的、最基本的单元。组成合金或材料的独立的、最基本的单元。组成合金或材料的独立的、最基本的单元。组成合金或材料的独
10、立的、最基本的单元。例：钢的组元为例：钢的组元为例：钢的组元为例：钢的组元为 Fe Fe 与与与与 Fe3C Fe3C，黄铜为，黄铜为，黄铜为，黄铜为 Cu Cu 和和和和 Zn Zn；例：陶瓷材料的组元多为化合物，如例：陶瓷材料的组元多为化合物，如例：陶瓷材料的组元多为化合物，如例：陶瓷材料的组元多为化合物，如 SiO2 SiO2、Al2O3 Al2O3 等。等。等。等。相相相相材料中具有确定化学成分且结构相同的匀整部分。材材料中具有确定化学成分且结构相同的匀整部分。材材料中具有确定化学成分且结构相同的匀整部分。材材料中具有确定化学成分且结构相同的匀整部分。材 料一般由多个相组成。料一般由多
11、个相组成。料一般由多个相组成。料一般由多个相组成。2.22.2晶体材料的相图与相变晶体材料的相图与相变晶体材料的相图与相变晶体材料的相图与相变合金中相的类型合金中相的类型合金中相的类型合金中相的类型兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.2.固溶体固溶体固溶体固溶体 溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。1 1）置置置置换换换换固固固固溶溶溶溶体体体体溶溶溶溶质质质质原原原原子子子子置置置置换换换换部部部部分分分分溶溶溶溶
12、剂剂剂剂原原原原子子子子，可可可可有有有有限限限限或或或或无无无无限限限限溶解。溶解。溶解。溶解。2 2）间间间间隙隙隙隙固固固固溶溶溶溶体体体体溶溶溶溶质质质质原原原原子子子子处处处处于于于于溶溶溶溶剂剂剂剂结结结结构构构构间间间间隙隙隙隙位位位位置置置置之之之之中中中中，多多多多为为为为 小小小小 的的的的 非金属非金属非金属非金属 原子原子原子原子 ，溶解度，溶解度，溶解度，溶解度 很小很小很小很小 （2%2%）。）。）。）。3 3）金金金金属属属属间间间间化化化化合合合合物物物物金金金金属属属属与与与与金金金金属属属属元元元元素素素素之之之之间间间间，或或或或者者者者金金金金属属属属与
13、与与与类类类类金金金金属属属属（以及部分金属元素之间形成的具有金属特性的化合物。（以及部分金属元素之间形成的具有金属特性的化合物。（以及部分金属元素之间形成的具有金属特性的化合物。（以及部分金属元素之间形成的具有金属特性的化合物。溶质溶入溶质溶入溶质溶入溶质溶入晶格畸变晶格畸变晶格畸变晶格畸变强度强度强度强度，硬度，硬度，硬度，硬度，塑性，塑性，塑性，塑性固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化 固固固固溶溶溶溶体体体体可可可可单单单单独独独独运运运运用用用用，更更更更多多多多的的的的作作作作为为为为合合合合金金金金材材材材料料料料的的的的基基基基体体体体（确确确确定定定定强强强强度度度度、高塑韧性）
14、。高塑韧性）。高塑韧性）。高塑韧性）。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院（a）置）置换换固溶体固溶体 （b）间间隙固溶体隙固溶体图图2-17 固溶体的两种固溶体的两种类类型型兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 （a）间间隙固溶体隙固溶体 b）置）置换换固溶体固溶体 图图2-18 固溶体中的晶格畸固溶体中的晶格畸变变兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-19 Fe3C的晶格的晶格结结构构兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院相变相变相的分解、合成和转变过程称为相变。相的分解、合成和转变过程称为相变。例：纯铁在不同温度下的相例：纯铁在不同温度下的相相图相图即状态图或平衡图，
15、是用图解的方法表示不同温度、即状态图或平衡图，是用图解的方法表示不同温度、压力及成分下合金系中各相的平衡关系。压力及成分下合金系中各相的平衡关系。利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处理利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处理相变及相图相变及相图相变及相图相变及相图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.1.二元相图的建立二元相图的建立二元相图的建立二元相图的建立（a）Cu-Ni合金的冷却曲线；（合金的冷却曲线；（b）Cu-Ni合金相图合金相图图图2-20Cu-Ni合金相图的测定与绘制合金相图的测定与绘制2.2.32.2.3二元相图类型及二元相图类型及二元相图类型及二元相图
16、类型及FeCFeC相图相图相图相图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 2.2.二元匀晶相图二元匀晶相图二元匀晶相图二元匀晶相图形成条件：形成条件：固态下二组元性质相近固态下二组元性质相近无无 限互溶限互溶匀晶。匀晶。反反 应应 式：式：L L +单相单相单相单相 两相区（成分不断变化）两相区（成分不断变化）两相区（成分不断变化）两相区（成分不断变化）单相（与液相同成分）单相（与液相同成分）单相（与液相同成分）单相（与液相同成分）（a）Cu-Ni合金匀晶相合金匀晶相图图 (b)结结晶晶过过程分析程分析图图2-21 Cu-Ni合金匀晶相合金匀晶相图图及及结结晶晶过过程示意程示意图图兰州理工大
17、学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-22 Cu-Ni合金中的枝晶偏析合金中的枝晶偏析兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院3.3.二元共晶相图二元共晶相图二元共晶相图二元共晶相图 形成条件：形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温度、恒定成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。分，二固相同时结晶。反反反反 应应应应 式式式式：LE（液）（液）M +N 组织定义：组织定义：组织定义：组织定义：相（单相或多相）的类型及其空间形态。相（单相或多相）的类型及其空间形态。例：例：匀晶反应后得到的室温组织为等轴状的单匀晶反应后得到的室温组织为等轴状的单相相固溶体固溶体。共晶反应后
18、得到的室温组织一。共晶反应后得到的室温组织一般为片层状的两相混合物（般为片层状的两相混合物（+）。）。固态下的二次晶析出反应固态下的二次晶析出反应 反反 应应 式：式：L L+(溶解度随温度下降而削减溶解度随温度下降而削减)一次晶一次晶 二次晶二次晶兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-23 Pb-Sn相相图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 图图2-24 合金合金I结结晶晶过过程程组织变组织变更示意更示意图图 图图2-25 合金合金结结晶晶过过程程组织变组织变更示意更示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-26 合金合金结结晶晶过过程程组织变组织变更示意更示
19、意图图 图图2-27 合金合金结结晶晶过过程程组织变组织变更示意更示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-28 由由组织组组织组成物填写的成物填写的Pb-Sn相相图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院4.4.二元包晶相图二元包晶相图二元包晶相图二元包晶相图 反反 应应 式：式：LC +P D5.5.二元共析相图二元共析相图二元共析相图二元共析相图 反反 应应 式：式：（固相）（固相）+图图2-29 Pt-Ag包晶相包晶相图图 图图2-31 共析相共析相图图 兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-30 合金合金包晶反包晶反应应及及组织变组织变更示意更示意图图兰州理
20、工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.铁铁碳合金的碳合金的组元组元 1）铁：铁：L -Fe -Fe -Fe 2）渗碳体：）渗碳体：渗碳体渗碳体Fe3C是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的斜方晶是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的斜方晶格，原子比格，原子比 Fe：C=3：1。渗碳体的分解点为。渗碳体的分解点为1227。渗碳体的力学性能特点为：渗碳体的力学性能特点为：硬度很高（约硬度很高（约800HBW）；）；脆性大，塑性和韧性几乎等于零；脆性大，塑性和韧性几乎等于零；强度低，其抗拉强度约为强度低，其抗拉强度约为30MPa。13949121538bcc fcc bcc2.32.3铁碳合金相图与铁碳
21、合金铁碳合金相图与铁碳合金铁碳合金相图与铁碳合金铁碳合金相图与铁碳合金2.3.12.3.1铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-32Fe-Fe3C相图相图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.2.铁碳合金中相的类型及特点铁碳合金中相的类型及特点铁碳合金中相的类型及特点铁碳合金中相的类型及特点 五种基本组成相：五种基本组成相：五种基本组成相：五种基本组成相：L L，F F，A A，Fe3C Fe3C。1 1）液相（）液相（）液相（）液相（L L）铁与碳的匀整液溶体铁与碳的匀整液溶体铁与碳的匀整液溶体铁与碳的匀整液溶体 2 2）高温铁
22、素体相（）高温铁素体相（）高温铁素体相（）高温铁素体相（）碳溶于碳溶于碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体 3 3）奥氏体相（）奥氏体相（）奥氏体相（）奥氏体相（A A或或或或）碳溶于碳溶于碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体 4 4）铁素体相（）铁素体相（）铁素体相（）铁素体相（F F或或或或）碳溶于碳溶于碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体 5 5）渗碳体相（）渗碳体相（）渗碳体相（）渗碳体相（Fe3CFe3C）
23、兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院3.Fe-Fe3C相图分析相图分析主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。包晶反应（包晶反应（1495）：）：LB+HAj(高温相，强度低、高塑性）高温相，强度低、高塑性）共晶反应（共晶反应（1148）：）：LCAE+Fe3C(莱氏体莱氏体LD,极脆极脆)共共析析反反应应（727）：ASFP+Fe3C(珠珠光光体体P,具具确确定定强强度度及及塑性）塑性）重要的转变线（溶解度变更曲线）重要的转变线（溶解度变更曲线）DC线线：LL+Fe3CES线（线（Acm）：）：AA+Fe3CGS线（线（A3）：AA+FPQ线线：FF+
24、Fe3C5种渗碳体（种渗碳体（Fe3C）:共晶共晶Fe3C、共析、共析Fe3C、Fe3C、Fe3C、Fe3C。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-33以组织组成物表示的铁碳合金相图以组织组成物表示的铁碳合金相图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院4.铁碳合金分类：铁碳合金分类：C 2.11%铸铁，铸铁，有有LdLd。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.3.2 2.3.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程典型合金平衡转变过程分析典型合金平衡转变过程分析兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.工业纯
25、铁工业纯铁（wC0.0218%）结晶过程：结晶过程：LL+AAA+FFF+Fe3C室温平衡组织室温平衡组织:F+Fe3C，Fe3C呈细条片状或半网络状分呈细条片状或半网络状分布于布于F晶界处。晶界处。2.共析钢（共析钢（wC=0.77%）结晶过程：结晶过程：LL+AAA0.77P(F0.0218+Fe3C)室温平衡组织：室温平衡组织：P（(F和和Fe3C片层相间排列）片层相间排列）兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院3.亚共析钢（亚共析钢（0.
26、0218%wC0.77%）结晶过程：结晶过程：LL+AAA+FP(F0.0218+Fe3C)+F室温平衡组织室温平衡组织:F+P,即块状即块状F和片层状和片层状P的混合物。的混合物。4.过共析钢（过共析钢（0.77%wC2.11%）结晶过程：结晶过程：LL+AAA+Fe3CP(F0.0218+Fe3C)+Fe3C室温平衡组织室温平衡组织:P+Fe3CII，即片层状，即片层状P和（沿原和（沿原A晶界上分布晶界上分布 的）网状的）网状Fe3CII。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院组织组成物的相对含量：组织组成物的相
27、对含量：相组成物的相对含量：相组成物的相对含量：兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院5.共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（wC=4.3%）结晶过程：结晶过程：L4.3Ld(A2.11+Fe3C)Ld(A+Fe3C+Fe3C)Ld(P+Fe3C+Fe3C)共晶白口铸铁室温平衡组织为共晶白口铸铁室温平衡组织为:Ld(P+Fe3CII+Fe3C）6.亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（2.11%wC4.3%）结晶过程：结晶过程：LL+ALd(A2.11+Fe3C)+ALd(A+Fe3CII+Fe3C)+A+Fe3CIILd(P+F
28、e3CII+Fe3C)+P+Fe3CII室温平衡组织为室温平衡组织为:Ld+P+Fe3CII兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院初晶奥氏体质量分数：初晶奥氏体质量分数：莱氏体的质量分数为：莱氏体的质量分数为：初晶初晶析出的析出的Fe3C含量：含量：兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院7.过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（4.3%wC6.69%）结晶
29、过程：结晶过程：LFe3C+LFe3C+Ld（A2.11+Fe3C）Fe3C+Ld（A+Fe3CII+Fe3C）Fe3C+Ld（P+Fe3CII+Fe3C）过共晶白口铸铁室温平衡组织为：过共晶白口铸铁室温平衡组织为：Fe3C+Ld 兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.3.3 2.3.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系铁碳合金成分、组织与性能的关系铁碳合金成分、组织与性能的关系铁碳合金成分、组织与性能的关系1.含碳量与铁碳合金平衡组织的关系含碳量与铁碳合金平衡组织的关系 随含碳量增加，铁碳合金室温平衡组织
30、的变更规律为：随含碳量增加，铁碳合金室温平衡组织的变更规律为：F（+少量少量Fe3CIII）F+PPP+Fe3CII（网状）（网状）P+Fe3CII+LdLdLd+Fe3CI2.含碳量与铁碳合金力学性能的关系含碳量与铁碳合金力学性能的关系 随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；强随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；强度的变更是先增加后降低，大约在含碳量为度的变更是先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时时出现最大值。出现最大值。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院图图2-36 铁铁碳合金的成分与性能关系碳合金的成分与性能关系C(%)4.32.110.770.0218性能bHB兰州理工大
31、学材料学院兰州理工大学材料学院2.3.4 Fe-Fe3C2.3.4 Fe-Fe3C相图的应用和局限性相图的应用和局限性相图的应用和局限性相图的应用和局限性1.Fe-Fe3C相图的应用相图的应用1）为钢铁选材供应成分依据）为钢铁选材供应成分依据 2）为制定热加工工艺供应依据）为制定热加工工艺供应依据2.Fe-Fe3C相图的局限性相图的局限性 1）Fe-Fe3C相图只反应铁碳二元合金中相的平衡状态相图只反应铁碳二元合金中相的平衡状态 2）Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态 兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院特特 点：结构比较困难，主
32、要组成仍是晶体。点：结构比较困难，主要组成仍是晶体。氧化物结构：尺寸较大的氧离子为骨架（氧化物结构：尺寸较大的氧离子为骨架（fcc、hcp等）尺寸小等）尺寸小的正离子位于间隙。的正离子位于间隙。硅酸盐结构：基本单元为硅酸盐结构：基本单元为SiO4，在空间相互连接形成多种结，在空间相互连接形成多种结构。构。2.42.4陶瓷与高分子材料的结构特点陶瓷与高分子材料的结构特点陶瓷与高分子材料的结构特点陶瓷与高分子材料的结构特点2.1.42.1.4陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院（a）MgO的晶体的晶体结结构构 （b）Al2
33、O3的晶体的晶体结结构构图图2-37 氧化物晶体氧化物晶体结结构构（a）示意）示意图图 （b）模型）模型图图2-38 SiO4四面体四面体兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.4.22.4.2高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点高分子材料的结构特点1.1.单体与链节单体与链节单体与链节单体与链节 单体单体凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物。凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物。链节链节大分子链中的重复结构单元。大分子链中的重复结构单元。乙烯乙烯：n(CH2=CH2)CH2CH2 n 单体 链节 n为聚合度为聚合度2.2.大分子链的形状大分子链的形状大分子链的
34、形状大分子链的形状 线型结构：线型结构：弹性高弹性高、塑性好、硬度低。热塑性材料。、塑性好、硬度低。热塑性材料。如：如：聚乙烯、聚乙烯、ABS、尼龙。、尼龙。支链结构：支链结构：性能类似线型、强度稍高。热塑性材料性能类似线型、强度稍高。热塑性材料。体体型型结结构构：交交联联呈呈空空间间网网络络，刚刚性性大大、硬硬度度高高、脆脆性性大大。热固性材料。热固性材料。如：如：环氧、聚脂、酚醛塑料（电木）。环氧、聚脂、酚醛塑料（电木）。兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院（a）线线型型 （b）支）支链链型型 （c）体型）体型图图2-39 高分子的形高分子的形态态示意示意图图兰州理工大学材料学院兰州理
35、工大学材料学院3.3.高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构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。线型高分子可呈晶态或部分晶态，体型则为非晶态。（a）晶）晶态态 （b）部分晶）部分晶态态 （c）非晶）非晶态态图图2-40 高分子的聚集高分子的聚集态结态结构示意构示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院定定义义：相相图图上上的的组组织织是是在在无无限限缓缓慢慢冷冷却却（或或加加热热）条条件件下下得得到到的的，称称平平衡衡组组织织。实实际际工工业业条条件件下下，冷冷却却较较快快，原原子子不能充分扩散，常得到非平衡组织。不能充分扩散，常得到非平衡组
36、织。(1)凝固非平衡组织凝固非平衡组织 主要是成分不匀整性（偏析），特殊状况下可得其它主要是成分不匀整性（偏析），特殊状况下可得其它 非平衡组织、高温相保留、甚至获得非晶态。非平衡组织、高温相保留、甚至获得非晶态。(2)热处理非平衡组织热处理非平衡组织 加热固态材料加热固态材料快冷快冷获得与相图很不相同的热获得与相图很不相同的热 处理组织（后述）。处理组织（后述）。2.52.5材料的组织与性能材料的组织与性能材料的组织与性能材料的组织与性能2.5.12.5.1平衡组织与非平衡组织平衡组织与非平衡组织平衡组织与非平衡组织平衡组织与非平衡组织兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院2.5.22.5
37、.2单相组织与多相组织单相组织与多相组织单相组织与多相组织单相组织与多相组织 2.5.32.5.3金属材料的组织与性能金属材料的组织与性能金属材料的组织与性能金属材料的组织与性能一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多接受相组织。一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多接受相组织。材料的组织结构确定材料的性能。材料的组织结构确定材料的性能。钢中钢中cP%强度强度、硬度、硬度，塑性，塑性(a)纯铁纯铁 (b)45钢钢 (c)T8钢钢图图2-41 纯铁纯铁、45钢钢、T8钢显钢显微微组织组织示意示意图图兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院1.1.陶
38、瓷材料的组织与性能陶瓷材料的组织与性能陶瓷材料的组织与性能陶瓷材料的组织与性能 由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。晶晶晶晶体体体体相相相相：可可可可多多多多个个个个，主主主主晶晶晶晶相相相相、次次次次晶晶晶晶相相相相等等等等，主主主主晶晶晶晶相相相相确确确确定定定定陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷的的的的性性性性能。能。能。能。玻玻玻玻璃璃璃璃相相相相：高高高高温温温温烧烧烧烧结结结结时时时时由由由由于于于于杂杂杂杂质质质质及及及及工工工工艺艺艺艺条条条条件件件件，生生生生成成成成部部部部分分
39、分分液液液液相相相相，冷却时形成非晶态的玻璃相（冷却时形成非晶态的玻璃相（冷却时形成非晶态的玻璃相（冷却时形成非晶态的玻璃相（20%20%40%40%）。）。）。）。作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。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，故要限制其含量。缺点：降低熔点、降低性能，故要限制其含量。缺点：降低熔点、降低性能，故要限制其含量。缺点：降低熔点、降低性能，故要限制其含量。气气气气 相相相相：粉粉粉粉粒粒粒粒制制制制坯坯坯坯（存存存存有有有有空空空空隙隙隙隙）烧烧烧烧结
40、结结结密密密密实实实实化化化化5%5%10%10%残留。使性能降低。残留。使性能降低。残留。使性能降低。残留。使性能降低。2.5.42.5.4陶瓷和高分子材料的组织与性能陶瓷和高分子材料的组织与性能陶瓷和高分子材料的组织与性能陶瓷和高分子材料的组织与性能兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 组织特征：分晶区与非晶区，一般只能部分结晶，结晶度为组织特征：分晶区与非晶区，一般只能部分结晶，结晶度为 0 085%85%。结晶条件：线性高分子易结晶；结晶条件：线性高分子易结晶；0.8Tm0.8Tm长时长时+拉伸应力（牵拉伸应力（牵 引工艺）引工艺）晶区与晶区与 性能：刚性性能：刚性、强度、强度、软化温度、软化温度。课后探讨题：课后探讨题：1.1.从金属、陶瓷和高分子材料的结构特点，分析其力学性从金属、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？能的明显差异？2.Fe 2.FeF3C F3C 相图可有哪些应用？又有哪些局限性？相图可有哪些应用？又有哪些局限性？作业：作业：1 1，2 2，6 6，7 7，8 8，1414。2.2.高分子材料的组织与性能高分子材料的组织与性能高分子材料的组织与性能高分子材料的组织与性能兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院走进工程材料走进工程材料v3“锡疫锡疫”探源探源 v4 相变趣闻相变趣闻