第2章材料的组成和内部结构特征

作业：1，2，6，7，8。
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图2-1 简单晶体结构
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图2-2 晶格的描述
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返回 图2-3 晶胞
图2-8 高分子的形状示意图
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图2-12
二氧化硅四面体的环状结构四面体的岛状结构单元示意图 返回
图2-14 二氧化硅四面体的链状结构单元示意图
图2-12 图2-14
图2-13 图2-15
2.1.5 材料的原子排列缺陷（defects） (1)空位和间隙原子（vacancy and interstitial atom）
图2-16
温度↑，数量 ↑，但 ≤1/1000，影响原子的扩散和运
动。 (2)位错（dislocation ）
图2-17
原子的错排主要在某一方向上，位错的多少用位 错密度ρ表示。位错对材料的力学性能影响很大，ρ↑则 σs↑，σb↑及δ↓。 (3)晶界（grain boundary）
2.2.2 固溶体与金属间化合物 （solid solution & metallic compound） (1)固溶体 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： •置换固溶体——溶质原子置换部分溶剂原子，可有限或 无限溶解。 •间隙固溶体——溶质原子处于溶剂结构间隙位置之中， 多为 小 的 非金属 原子 ，溶解度 很小 （≤2%）。
(2)共晶相图
图2-23
图2-24
图2-25
•形成条件：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。
图2-26 图2-27 图2-28 图2-29
•反 应 式：LE（液） α M +βN •组织定义：相（单相或多相）的类型及其空间形态。 例：匀晶反应后得到的室温组织为等轴状的单相α 固溶体 。共晶反应后得到的室温组织一般 为片层状的两相混合物（α+β）。
相——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。
(2) 相变与相图 相变——由于相所存在条件（T、P、成分）的变化， 从某些相→另 一些相。 相图——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。 利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处 理。
(2)高分子材料的组织与性能
图2-43
•组 织 特 征：分晶区与非晶区，一般只能部分结晶， 结晶度为0～85%。 •结 晶 条 件：线性高分子易结晶；～ 0.8Tm 长时 + 拉伸 应力（牵引工艺） •晶区与 性能：刚性↑、强度↑、软化温度↑。
课后讨论题：
1.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？ 2.Fe－F3C 相图可有哪些应用？又有哪些局 限性？
2.3.1 平衡组织与非平衡组织 （equilibrium &non-equilibrium microstructures） 定义：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 快，原子不能充分扩散，常得到非平衡组织。 (1)凝固非平衡组织 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。
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图2-30 Pt-Ag合金相图
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图2-31 纯铁冷却曲线及重结晶后的组织示意图
图2-32
Fe—Fe3C相图
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图2-33 典型碳钢冷却时的组织转变过程分析示意图
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图2-34 共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图
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图2-35 共析钢室温下的平衡组织
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图2-36 亚共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图 返回
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图2-17
位错示意图 返回
图2-18
晶界示意图
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图2-21 用热分析法建立合金相图
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图2-22 Cu-Ni合金相图、合金冷却曲线及组织形成示意图
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图2-23 Pb-Sn合金相图
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图2-24 合金Ⅰ平衡结晶过程
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图2-26 共晶合金平衡结晶过程
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图2-28 亚共晶合金的显微组织
•铁碳合金分类：
WC < 0.0218%
0.0218%<WC<0.77% WC=0.77%
工业纯铁，无P无Ld，
强度极低，应用很少。 亚共析钢。 共析钢， 有P无Ld。
0.77% <WC< 2.11%
WC>2.11%
过共析钢。
铸铁， 有Ld。
2.3 材料的组织与性能 （microstructure & property）
图2-19
图2-20
溶质溶入→晶格畸变 →强度↑，硬度↑，塑性↓→固 溶强化。 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）。
(2)金属间化合物
金属间化合物——金属/金属或金属/类金属（非金属）
之间的化合物。
例：CuAl2、Mg2Pb、Fe3Al、Mg2Si等。
特征：结构比较复杂，高熔点、高硬度、高化学稳定
图2-18
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。晶粒内部由许多位向差很 小的小晶块组成，其界面称为亚晶界。
2.2 晶体材料的相图与相变 （phase diagram & phase transformation）
2.2.1 相与相图(phase & phase diagram) (1) 组元与相 组元——组成合金或材料的独立的、最基本的单元。 例：钢的组元为 Fe 与 Fe3C ，黄铜为 Cu 和 Zn ； 例：陶瓷材料的组元多为化合物，如 SiO2、Al2O3 等。
2.1.1 晶体与非晶体（crystal and amorphous state）
晶 体：原子规则周期性排列，如金属、陶瓷。 非晶体：原子不存在周期规则排列，如大多数高分子材 料、玻璃。 晶体中原子排列的规则性用晶胞来描述。 图2-1 图2-2 图2-3
2.1.2 金属的晶体结构（crystal structure）
(3)高分子的聚集态结构
图2-10
线型高分子可呈晶态或部分晶态，体型则为非晶态。
2.1.4
特
陶瓷材料的结构特点
点：结构比较复杂，主要组成仍是晶体。
氧化物结构：尺寸较大的氧离子为骨架（fcc、hcp等）＋ 尺寸小的正离子位于间隙。
图2-11
硅酸盐结构：基本单元为[SiO4]，在空间相互连接形成多 种结构。
第2章 材料的组成和内部结构特征
2.1 材料的结构 (structure of material)
2.2 晶体材料的相图与相变 (phase diagram & phase transformation) 2.3 材料的组织与性能 (microstructure & property) 退出
2.1 材料的结构（structure of material）
图3-37 亚共析钢室温下的平衡组织示意图
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图2-38 过共析钢平衡条结晶过程示意图
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图2-39
含1.2%C的过共析钢室温下平衡组织
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图2-40 含碳量对平衡状态碳钢机械性能的影响
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图2-41
Cu-Ni合金铸态组织
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图2-42 纯铁、45钢、T8钢显微组织示意图
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表2-2 正火碳钢组织与性能关系
•主要相变：三条水平线对应三个恒温反应。 包晶反应（1495℃）：LB + δH → Aj
(高温相，强度低、高塑性） 共晶反应（1148℃）：LC →AE + Fe3C (莱氏体 LD ,极脆) 共析反应（ 727℃ ）： AS →FP + Fe3C (珠光体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） DC线 ： L→L + Fe3C Ⅰ ES线（Acm）： A→A + Fe3CⅡ GS线（A3） ： A→A + F PQ线 ： F→F + Fe3CⅢ • 5 种渗碳体（Fe3C）: 共晶Fe3C、共析Fe3C、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ。它 们与铁素体相形成了多种多样的组织。
(3)固态下的二次晶析出反应
•反 应 式：L→ L+α→α→α+βⅡ (溶解度随温度下降而减少)
一次晶 二次晶
(4)包晶相图
•反 应 式： LC + αP → βD
(5)共析相图 •反 应 式：γ（固相）→α+β
图2-30
• (6)铁碳（Fe—Fe3C）合金相图 • 纯 铁：L 1538℃ δ-Fe 1394℃ γ-Fe
性，性脆。 应用：较少数量弥散分布在基体（固溶体）上，作为 强化相→第二相强化（弥散强化、沉淀强化）
。
2.2.3 二元相图类型及Fe—C相图
(1)匀晶相图
图2-21
图2-22
•形成条件：固态下二组元性质相近→无 限互溶→匀晶。 •反 应 式： L L +α α
单相 两相区（成分不断变化） 单相（与液相同成分）
2.1.3 高分子材料的结构特点 (1)单体与链节 单体——凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物。 链节——大分子链中的重复结构单元。 乙烯 ：n(CH2=CH2) [ CH2 CH2 ] n 单体 链节 n为聚合度
(2)大分子链的形状
图2-8
图2-9
线型结构：弹性高 、塑性好、硬度低。热塑性材料。 如：聚乙烯、ABS、尼龙。 支链结构：性能类似线型、强度稍高。热塑性材料 。 体型结构：交联呈空间网络，刚性大、硬度高、脆性 大。热固性材料。 如：环氧、聚脂、酚醛塑料（电木）。
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图2-43 高分子的聚集态结构示意图