第2章-材料的组成和内部结构特征课件.ppt

1、 退出退出 晶晶 体：体：原子规则周期性排列，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，如大多数高分子材原子不存在周期规则排列，如大多数高分子材料、玻璃。料、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。特征：排列紧密、高对称性。特征：排列紧密、高对称性。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。4/3面对角线方向原子排列最紧密，

2、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。致密度致密度0.74 Z=12 例：例：Mg、Zn、石墨。石墨。4/2 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 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

3、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。体型结构：体型结构：交联呈空间网络，刚性大、硬度高、脆性交联呈空间网络，刚性大、硬度高、脆性大。热固性材料。大。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）。(3)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。特特 点：点：结构比较复杂，主要组成仍是晶体。结构比较复杂，主要组成仍是晶体。氧化物结构：氧化物结构：尺寸较大的氧离子为骨架（尺寸较大的氧离子为骨架（fcc、hcp等）等）尺寸小的正离子位于间隙。尺寸小的正离子

4、位于间隙。硅酸盐结构：硅酸盐结构：基本单元为基本单元为SiO4，在空间相互连接形成多在空间相互连接形成多种结构。种结构。温度温度，数量，数量，但，但1/1000，影响原子的扩散和运，影响原子的扩散和运动。动。原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位错密度错密度表示。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，则则s，b及及。晶体由位向不同的晶粒汇合而成，其过渡层处原子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，构成排列极不规则，构成晶界晶界。晶粒内部由许多位向差很。晶粒内部由许多位向差很小的小晶块组成，其界面称为小

5、的小晶块组成，其界面称为亚晶界亚晶界。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。例：例：钢的组元为钢的组元为 Fe 与与 Fe3C，黄铜为黄铜为 Cu 和和 Zn；例：例：陶瓷材料的组元多为化合物，如陶瓷材料的组元多为化合物，如 SiO2、Al2O3 等等。相相材料中具有一定化学成分且结构相同的均匀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。部分。材料一般由多个相组成。相变相变由于相所存在条件（由于相所存在条件（T、P、成分）的变化，成分）的变化，从某些相从某些相另另 一些相。一些相。相图相图不同成分温度条件所出现的相的类型的图

6、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。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，材料的加工与处利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处 理。理。固溶体是溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中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：形成的（合金）相。晶体结构同溶剂，分两种：置换固溶体置换固溶体溶质原子置换部分溶剂原子，可有限或溶质原子置换部分溶剂原子，可有限或 无限溶解。无限溶解。间隙固溶体间隙固溶体溶质原子处于溶剂结构间隙位置之中，溶质原子处于溶剂结构间隙位置之中，多为多为 小小 的的 非金属非金属 原子

7、原子，溶解度，溶解度 很小很小 （2%）。）。溶质溶入溶质溶入晶格畸变晶格畸变强度强度，硬度，硬度，塑性，塑性固固溶强化。溶强化。固溶体可单独使用，更多的作为合金材料的基体固溶体可单独使用，更多的作为合金材料的基体（一定强度、高塑韧性）。（一定强度、高塑韧性）。金属间化合物金属间化合物金属金属/金属或金属金属或金属/类金属（非金属）类金属（非金属）之间的化合物。之间的化合物。例：例：CuAl2、Mg2Pb、Fe3Al、Mg2Si等。等。特征：特征：结构比较复杂，高熔点、高硬度、高化学稳定结构比较复杂，高熔点、高硬度、高化学稳定性，性脆。性，性脆。应用：应用：较少数量弥散分布在基体（固溶体）上，

8、作为较少数量弥散分布在基体（固溶体）上，作为强化相强化相第二相强化（弥散强化、沉淀强化）第二相强化（弥散强化、沉淀强化）。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 +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。成分，二固相同时结晶。：LE（液）液）M +N 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相匀晶反应后得到的室温组织为等轴状的单相固溶体固溶体。共晶反应后得到的室温组

9、织一般。共晶反应后得到的室温组织一般为片层状的两相混合物（为片层状的两相混合物（+）。）。反反 应应 式：式：L L+(溶解度随温度下降而减少溶解度随温度下降而减少)一次晶一次晶 二次晶二次晶 反反 应应 式：式：LC +P D 反反 应应 式：式：（固相）固相）+纯纯 铁：铁：L -Fe -Fe -Fe 组成相：组成相：L，F，A，Fe3C。相、奥氏体（相、奥氏体（A）、铁素体（）、铁素体（F）均是碳在）均是碳在Fe中中的间隙固溶体。的间隙固溶体。15381394912bcc fcc bcc(铁的同素异构转变铁的同素异构转变)主要相变：主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。三条水平线对应三个

10、恒温反应。包晶反应包晶反应（1495）：）：LB+H Aj (高温相，强度低、高塑性）共晶反应共晶反应（1148）：）：LC AE+Fe3C (莱氏体 L LD D,极脆)共析反应共析反应（727）：）：AS FP+Fe3C (珠光体P,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）重要的转变线（溶解度变化曲线）DC线线 ：LL+Fe3C ES线（线（Acm）：）：AA+Fe3C GS线（线（A3）：AA +F PQ线线 ：FF +Fe3C 5 种渗碳体（种渗碳体（Fe3C）:共晶共晶Fe3C、共析共析Fe3C、Fe3C、Fe3C、Fe3C。它。它 们与铁素体相形成了多种多样

11、的组织。们与铁素体相形成了多种多样的组织。铁碳合金分类：铁碳合金分类：WC 0.0218%工业纯铁，无工业纯铁，无P P无无LdLd，强度极低，应用很少。强度极低，应用很少。0.0218%WC0.77%亚共析钢。亚共析钢。WC=0.77%共析钢，共析钢，有有P P无无LdLd。0.77%WC2.11%铸铁，铸铁，有有LdLd。定义：定义：相图上的组织是在无限缓慢冷却（或加热）条件下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。快，原子不能充分扩散，常得到非平衡组织。主要是成

12、分不均匀性（偏析），特殊情况下可得其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。它非平衡组织、高温相保留、甚至获得非晶态。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获得与相图很不相同的 热处理组织（后述）。热处理组织（后述）。一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多采一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多采用相组织。用相组织。材料的组织结构决定材料的性能。材料的组织结构决定材料的性能。钢中钢中c P%强度强度、硬度、硬度，塑性，塑性。晶体相：晶体相：可多个，主晶相、次晶相等，主晶相决定陶可多个，主晶相、次晶相等，主晶相决定陶瓷的性能。

13、瓷的性能。玻璃相：玻璃相：高温烧结时由于杂质及工艺条件，生成部分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（液相，冷却时形成非晶态的玻璃相（20%20%40%40%）。）。作用：作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。缺点：缺点：降低熔点、降低性能，故要控制其含量。降低熔点、降低性能，故要控制其含量。气气 相：相：粉粒制坯（存有空隙）粉粒制坯（存有空隙）烧结密实化烧结密实化5%5%10%10%残留。使性能降低。残留。使性能降低。组组 织织 特特 征：征：分晶区与非晶区，一般只能部分结晶，分晶区与非晶区，一般只能部分结晶，结晶度为结

14、晶度为0 085%85%。结结 晶晶 条条 件：件：线性高分子易结晶；线性高分子易结晶；0.8Tm0.8Tm长时长时+拉伸拉伸应力（牵引工艺）应力（牵引工艺）晶区与晶区与 性能：性能：刚性刚性、强度、强度、软化温度、软化温度。返返 回回图图2-1 简单晶体结构简单晶体结构返回返回图图2-2 晶格的描述晶格的描述返回返回图图2-3 晶胞晶胞返回返回图图2-8 高分子的形状示意图高分子的形状示意图返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回图图2-18 2-18 晶界示意图晶界示意图返回返回返回返回返回返回返回返回图图2-24 返回返回返回返回返回返回Fe3C相图相图图图2-33 典型碳钢冷却时的组织转变过程分析示意图典型碳钢冷却时的组织转变过程分析示意图图图2-34 共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图图图2-35 共析钢室温下的平衡组织共析钢室温下的平衡组织图图2-41 Cu-Ni合金铸态组织合金铸态组织图图2-42 纯铁、纯铁、45钢、钢、T8钢显微组织示意图钢显微组织示意图表表2-2 正火碳钢组织与性能关系正火碳钢组织与性能关系图图2-43 高分子的聚集态结构示意图高分子的聚集态结构示意图