机械工程材料-2015-第二章

＃形成无限固溶体示意图
2.晶体材料的基本相结构
•（1）固溶体（solid solution）
•③按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类: •i.无序固溶体 溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂 原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次 序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。 •ii.有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向， 围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换 式的有序，也可是间隙式的有序。
第2章 材料的制备与相图
Material’s Manufacture and Phase Diagram •2.1 材料的制备过程
Material’s Manufacture Process
•2.2 二元相图的基本类型
Basic types of two-component phase diagram
2.晶体材料的基本相结构
•iii.间隙化合物 系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非 金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素(以x表示)与金属元素 (以M表示)原子半径的比值，可将其又分为两种： •a间隙相(rX/rM＜0.59） 如FCC结构的VC，TiC，简单立方结构的 WC等； •b复杂晶体结构的间隙化合物（rX/rM＞0.59） 如钢中的Fe3Ｃ(复杂 的斜方晶格 ，图1-18所示)等。
表1－4 晶体材料的基本相结构特征
习 题
• 1.已知铁原子直径d=0.254nm，铜原子直径 d=0.255nm,试分别求出铁和铜的晶格常数。 • 2.已知铬的晶格常数为0.28846nm，试求其原子直径。 • 3.画出立方晶系的下列晶面与晶向：(101), (112), [101], [021]。 4.写出BCC晶胞中的｛110｝晶面，并绘出其中晶面 （110）及其上的<111>晶向。 5.说明晶体缺陷的类型、主要内容以及对性能的影响。 6.简述固溶体及化合物的性能特点。 7.名词解释：相，组织，组元，固溶体，位错，位错 密度，金属化合物，固溶强化。
2.1
材料的制备过程
Material’s Manufacture Process
•2.1.1 材料凝固与结晶的条件
Conditions for solidification and crystallization of materials
•2.1.2 金属材料的制备
Preparation of the metal materials
← 间隙固溶体
置换固溶体 →
图1.17 固溶体的两种类型
2.晶体材料的基本相结构
•（1）固溶体（solid solution）
•②按固态溶解度分类: •i.有限固溶体 在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度， 超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体 称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类(间隙固溶体只能是有限固 溶体)。 •ii.无限固溶体 溶质原子能以任意比例溶入溶剂,固溶体的溶解度可达 100%，这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶 质与溶剂原子晶格类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如 Cu-Ni系合金可形成无限固溶体。
间隙相VC的结构
图1.18 渗碳体的结构
2.晶体材料的基本相结构
②金属化合物的性能特点：较高的熔点、较高的硬度 和较大的脆性(即硬而脆)，但塑性很差。特别是间隙 相具有极高的熔点和硬度。 •金属化合物常被用作强化相，用以提高合金的强度、 硬度、耐磨性及耐热性等。
表1.3 一些碳化物的硬度和熔点
间隙相
铁素体
珠光体
陶瓷
•
1.组元、相、组织与合金的概念
•组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同 而变化。因此在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要意义。由 于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包括样品的截取、磨光和抛 光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀， 再在金相显微镜下观察其显微组织（如左下图所示）。 •（4）合金 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具 有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和 铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分 的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为 二元系，三组元组成的为三元系等。
铁素体
珠光体
Hale Waihona Puke Baidu
陶瓷
• 1.组元、相、组织与合金的概念
“相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。 （3）组织（microstructure）与相的关系 “组织”是与“相” 有紧密联系的概念。“相”是构成组织的最基本组成部分;但是当 “相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌(图象)，各 自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。例 如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相α构成的组织，而正下 图所示共析碳钢的显微组织则是由α相与Fe3C相层片交替、相间分 布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶 相、玻璃相和气相所组成。
•2.3 二元相图的典型应用——铁碳合金相图
Typical applications of two-component phase diagram-The ironcarbon equilibrium diagram
•2.4 凝固与结晶理论的应用
The applications of solidification and crystallization theory
铁素体
珠光体
2.晶体材料的基本相结构
•（1）固溶体（solid solution）
•定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶 相。其分类如下。 •①按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类: •i.置换固溶体 系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体， 犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体， 如图1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时， 一般可形成置换固溶体。 •ii.间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂 原子间的一些间隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径(如C、N等元素)远小 于溶剂原子(如Fe、Co、Ni等过渡族金属元素等)时，一般形成间隙固溶体。
实际金属晶体中的缺陷
点缺陷
线缺陷
面缺陷
表1.2 实际金属晶体缺陷的特征
1.2.4 同素异构(晶)转变(多晶型转变)
Allotropy and polymorphism
•伴随着外界条件(温度或压力)的变化，物质在固 态时所发生的晶体结构的转变，称为同素异构
(晶)转变，亦称多晶型转变。具有同一化
学组成却有不同晶体结构的材料，即称为同素异 构(晶)体或多晶性材料。 •固态下的同素异构转变与液态结晶一样，也是 形核与长大的过程。为了与液态结晶加以区别， 将这种固态下的晶体结构变化过程称为重结晶。 同素异构转变也需要过冷，而且过冷倾向很大。 由于晶格类型的改变必然伴随着体积的变化，所 以造成很大的内应力。但在工程上，同素异构转 变又具有重大实际意义。因为化学组成相同的材 料，可以具有不同的晶体结构，因而所获得的性 图1.16 纯铁的同素异构转变 能也迥然不同。
1.2.4 同素异构(晶)转变(多晶型转变) Allotropy and polymorphism
•如图1-16所示系纯铁的冷却曲线，可以看出， 纯铁在1538℃结晶为δ-Fe,具有BCC结构；当 温度继续冷却至1394℃时，δ-Fe转变为FCC 的γ-Fe，通常把δ-Fe====γ-Fe的转变称为A4 转变，转变的平衡临界点称为Ａ4点。当温度 继续冷至912℃时，FCC的γ-Fe又转变为 BCC的α-Fe，把γ-Fe====α-Fe的转变称为Ａ 3转变，转变的平衡临界点称为Ａ3点。在 912℃以下，铁的结构不再发生变化。这样一 来，纯铁就具有三种同素异构状态，即δ-Fe、 γ-Fe和α-Fe。纯铁的同素异构转变是构成铁 碳合金相图、钢的合金化和热处理的重要基础。 • 许多无机材料和聚合物材料也都具有类似同 素异构转变的特性，如石墨和金刚石同属于碳， 图1.16 纯铁的同素异构转变 但因晶体结构不同而具有截然不同的性能。
第2章 材料的制备与相图
Manufacture and Phase Diagram of Materials
主要问题提示 Main questions
•1.何谓“凝固”、“结晶”？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规 律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？ •2.二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不 平衡结晶）的主要特点是什么？ •3.杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？ •4.何谓共晶相图？试分别分析共晶、亚（或过）共晶成分合金的平衡结 晶过程？ •5.能熟练地默画经简化的铁碳相图. 对于铁碳相图中基本相的特点是否掌 握了，能否会以相或组织组分的形式正确填写铁碳相图呢？ •6.是否能熟练地分析共析、亚共析、过共析钢的平衡结晶过程（语言文 字和冷却曲线两种方式）并能利用杠杆定律分别计算其室温下相或组织组 分的质量分数呢？ •7.平衡条件下，各平衡相和组织组分（如A、F、Fe3C、P、Ld等）的本 质、形貌特征和性能特点是什么？能否利用其正确分析铁碳合金在平衡状 态下各种力学性能的变化吗？
固溶强化
晶格畸变示意图
2.晶体材料的基本相结构
•（2）化合物
•当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时， 在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相 称为化合物。金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。
•凡是由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物称为金属化合物,例 如碳钢中的渗碳体(Fe3C)。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物 称为非金属化合物，例如碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS。 •①金属化合物的分类 •i.正常价化合物 符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式 表示，如Mg2Si等。 ii.电子化合物 不遵守原子价规律，而服从电子浓度(价电子总数与原子数 之比)规律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。
1.3.1 晶体材料的基本相结构
Structure Characteristics of Common Engineering Materials
• 1.组元、相、组织与合金的概念
•（1）组元（constituent） 组成材料的最基本、独立的物质称为“组
元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素,无 机材料则多为化合物。
有序固溶体示意图
2.晶体材料的基本相结构
•（1）固溶体（solid solution）
④固溶体的性能特点：形成固溶体时，由于溶质原子的溶入而 使固溶体的晶格发生畸变，位错运动的阻力增加，从而提高了 材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。 固溶体比纯组元和化合物具有较为优越的综合力学性能。因此， 固溶体具有良好的塑性、韧性,同时比纯组元有较高的硬度、强 度。因此，各种金属材料总是以固溶体为基体相。
2.1.1 材料凝固与结晶的条件
(Conditions for solidification and crystallization of materials)
1. 熔融液体的粘度
•粘度，是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。 •粘度的大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。 粘度大，表示液体粘稠，相对运动困难。
•（2）相（phase） 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构
并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构相 同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若 材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业 纯铁是单相合金（如左下图所示），共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相 （如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相(即非晶相)与气相三相所组 成(如右下图所示)。