3-1 金属材料的组成和结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 组成 单组份 one component 多组份 组成材料的元素包括原子或分子等。
• 主要结构形式： 材料结构的涵义是指组成某种材料的各组份物质之
间的关系（同种，异种）。
• 聚集状态（亚微观） 单晶体 多晶体 晶体 • 均相固溶体——均匀的混合物， • 多相共混体 （微观 显微） • 复合体——(宏观组织）两种或两种以上物理性质和化学性质
Table 3.1 Atomic Radii and Crystal Structures for 16 Metals
EXAMPLE PROBLEM 3.3 Copper has an atomic radius of 0.128 nm (1.28 A ° ), an FCC crystal structure, and an atomic weight of 63.5 g/mol. Compute its theoretical density and compare the answer with its measured density. SOLUTION
SOLUTION
(a) lever rule expressions, C’0 is 0.35 wt% C, and
(b) The fractions of proeutectoid ferrite and pearlite are determined (c) sum of these two ferrite fractions
3-2-2合金材料 Metallic Alloys
在纯金属中加入一种或几种其它元素（金属的
或非金属的），熔合而成为具有金属性质的材 料，称为合金材料。
按组分
铁基合金 又称铁合金或合金钢，碳钢
非铁基合金 有色金属
按组成方式 固溶体 单相
金属化合物 单相
机械混合物 多相
单相体系： 置换或替代式
间隙式
缺位
或物理状态不同的材料，按一定的规律组合而成一种具有新的 性能的团体，亦称复合材料。
3-1-2 材料的结构缺陷
Structural Imperfection of Materials
空隙：本身排列不均匀 空穴 vacancy（晶体） 自由体积 free volume（非金属）
界面：晶界 grain boundary（晶体） 界面 interphase（多组分等混体系）。 blends
球墨铸铁， 3.6—3.8 %，基体 + 球状石墨
蠕墨铸铁，
3-2-4 非铁金属与合金 Non-iron metals
1.铜及其合金 Copper and its Alloys
(1) 纯铜（紫铜）
面心立方，mp 1083℃，ρ：8.96 微量杂质：Pb、Bi、O、S、P （2）黄铜 Cu-Zn合金 固溶体、面心立方
Li, Na, K(S1)
Ni,Pd, Pt (d8s2)
晶胞内
原子数
2
点阵常数 4R/3
Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2) Cr, Mo, W (d5s1)
4 4R/2
6 ——
元素
晶体结构
铝
面心立方
铍
密排六方
镉
密排六方
铬
体心立方
钴
密排六方
铜
面心立方
金
面心立方
Chapter 3
Composition and Structure of Metallic Materials
3-2-1金属材料
1． 原子结构
Atomic structure of metals
轨道上价电子，价电子 数少（1—2个），且与原 子核的结合的结合力弱， 很容易脱离核，而成为自
由电子。 Metallic bonding:
（6）过共晶白口铸铁
4.3~6.67%C
EXAMPLE PROBLEM 10.4
For a 99.65 wt% Fe–0.35 wt% C alloy at a temperature just below the eutectoid,determine the following: (a) The fractions of total ferrite and cementite phases. (b) The fractions of the proeutectoid ferrite and pearlite. (c) The fraction of eutectoid ferrite.
• crystal unit cells and electronic structures of metal atoms • Calculation of the crystal structure parameters and densities of
metals, • metallic alloy and its main structural types:
Solid solution, intermetallic compound, mechanical blends • Iron-Carbon Alloy Texture
Ferrite, austenite, cementite , pearlitic • Iron-iron carbide phase diagram : development of microstructures
4. 钢和铸铁 Steel and Cast Iron
(1) 钢——碳含量低于1.2%（重量）的铁碳合金。 在金属中，普通碳钢、低合金钢<5%镍、铬。
(2) 铸铁——碳含量高于2% （重量）的铁碳合金。有 灰色铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
灰铸铁， 2.5—3.5 %， 钢 +片状石墨
可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+ 团絮状石墨
Interstitial compound
机械混合物：
Mechanical blends 液态组分互溶， 凝固分相。 两种固溶体的混合物 固溶体和金属化合物
所组成的混合物。
cementite Fe3 C
3-2-3铁碳合金 Iron-Carbon Alloy 1.铁碳合金的基本组织 texture
(1) 铁 素 体 ferrite 碳 溶 解 在 铁 中 的 固 溶 体 ， C%0.02% （727℃）， 硬度和强度低，但塑性和韧性好。
有序
固溶体：solid solution
替代式：d溶质～d溶剂 间隙式：d溶质/d溶剂 0.59 金属间化合物：intermetallic compound
substitutional interstitial
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。
正常价化合物： 金属/非金属，按比例
(2) 奥氏体 austenite 碳溶解在铁中的固溶体，C%2%（1148℃） 塑性和可锻性好，无磁好。
(3) 渗碳体 cementite 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,熔点高。 (4) 珠光体 pearlitic 铁素体和渗碳体二者组成的混合物， (5) 莱氏体 奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混合）； (6) 马氏体 Martensite 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得
塑性好
普通黄铜 Zn含量：〈39% 单相黄铜 39~45% 双相黄铜
特殊黄铜：多元合金 Sn、Al、Mn、Pb、Si
ion cores electron cloud(sea of electrons)
2. 金属晶体结构
Clystal Structures of Metals （1）随温度变化 （2）室温下有三种：
体心立方结构
面心立方
密堆六方
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
电子化合物 贵金属（Au, Ag, Cu）/金属（Zn, Al, Sn）
（电子相） 按一定电子浓度比值形成一定晶格类型
Electronic
化合物中价电子数/原子数
compounds 具有很高的熔点和硬度
Cu-3d104s1 Zn- 3d104s2
Sn-5s2 5p2
Al-3s2 3p1
间隙化合物： 过渡金属/C, N, H, 半径比>0.59
铁
体心立方
铅
面心立方
锂
体心立方
镁
密排立方
钼
wenku.baidu.com
体心立方
镍
面心立方
铌
体心立方
铂
面心立方
钾
体心立方
铑
面心立方
铷
体心立方
银
面心立方
钠
体心立方
钽
体心立方
钍
面心立方
钛
密排六方
钨
体心立方
铀
正交
钒
体心立方
锌
密排六方
锆
密排六方
点阵常数
a
c
4.0496 2.2856 2.9788 2.8846 2.506 3.6147 4.0788 2.8664 4.9502 3.5092 3.2094 3.1468 3.5236 3.3007 3.9239 5.3444 3.8044 5.6985 4.0857 4.2906 3.3026 5.0843 2.9506 3.1650
in alloy, eutectoid steel , eutectic steel • Steel and Cast Iron • Copper and its Alloys • Noncrystalline metallic alloy , • Recrystalliny of Metals
3-2金属材料的结构和组成
到碳在铁中的过饱和固溶体。硬度很高。
ferrite pearlitic
austenite
2. 铁碳合金状态图 the iron-iron carbide phase diagram
Fe3C， 含碳量≤6.67%
5个单相区， 7个两相区 三条水平线， 三条特征线
2． 典型铁碳合金结晶过程分析
（1）共析钢 eutectoid steel
0.77%C
（2）亚共析钢 hypoeutectoid steel 0.0218~0.77%C
（3）过共析钢 hypereutectoid steel 0.77~2.11%C
（4）共晶白口铸铁 4.3%C
（5）亚共晶白口铸铁
2.11~4.3%C
3-2 金属材料的结构和组成 Composition and Structure of Metallic
Materials
•What is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atoms •How to calculate the crystal structure parameters and densities of metals •What is metal alloy and its main structural types •What is the iron-iron carbide phase diagram
3.0282 2.6649 3.2312
3.5832 5.6167 4.069
5.2105
4.6788 4.9468 5.1477
最近的原子间距
2.863 2.225 2.979 2.498 2.497 2.556 2.884 2.481 3.500 3.039 3.197 2.725 2.492 2.858 2.775 4.627 2.690 4.88 2.889 3.716 2.860 3.595 2.890 2.741 2.77 2.622 2.665 3.172
第三章 材料的组成和结构
Compositions and Structures of Materials
材料的结构和组成是决定材料性能的 基础。是合理地设计、制造和选用材料 的基础。本章是物质结构理论的应用。
• 3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures 3-1-1材料的组成和主要结构形式
The literature value for the density of copper is 8.94 g/cm 3 ,
3.4 Show for the body-centered cubic crystal Calculate the radius of a vanadium atom, given that V has a BCC crystal structure, a density of 5.96 g/cm 3, and an atomic weight of 50.9 g/mol.
• 主要结构形式： 材料结构的涵义是指组成某种材料的各组份物质之
间的关系（同种，异种）。
• 聚集状态（亚微观） 单晶体 多晶体 晶体 • 均相固溶体——均匀的混合物， • 多相共混体 （微观 显微） • 复合体——(宏观组织）两种或两种以上物理性质和化学性质
Table 3.1 Atomic Radii and Crystal Structures for 16 Metals
EXAMPLE PROBLEM 3.3 Copper has an atomic radius of 0.128 nm (1.28 A ° ), an FCC crystal structure, and an atomic weight of 63.5 g/mol. Compute its theoretical density and compare the answer with its measured density. SOLUTION
SOLUTION
(a) lever rule expressions, C’0 is 0.35 wt% C, and
(b) The fractions of proeutectoid ferrite and pearlite are determined (c) sum of these two ferrite fractions
3-2-2合金材料 Metallic Alloys
在纯金属中加入一种或几种其它元素（金属的
或非金属的），熔合而成为具有金属性质的材 料，称为合金材料。
按组分
铁基合金 又称铁合金或合金钢，碳钢
非铁基合金 有色金属
按组成方式 固溶体 单相
金属化合物 单相
机械混合物 多相
单相体系： 置换或替代式
间隙式
缺位
或物理状态不同的材料，按一定的规律组合而成一种具有新的 性能的团体，亦称复合材料。
3-1-2 材料的结构缺陷
Structural Imperfection of Materials
空隙：本身排列不均匀 空穴 vacancy（晶体） 自由体积 free volume（非金属）
界面：晶界 grain boundary（晶体） 界面 interphase（多组分等混体系）。 blends
球墨铸铁， 3.6—3.8 %，基体 + 球状石墨
蠕墨铸铁，
3-2-4 非铁金属与合金 Non-iron metals
1.铜及其合金 Copper and its Alloys
(1) 纯铜（紫铜）
面心立方，mp 1083℃，ρ：8.96 微量杂质：Pb、Bi、O、S、P （2）黄铜 Cu-Zn合金 固溶体、面心立方
Li, Na, K(S1)
Ni,Pd, Pt (d8s2)
晶胞内
原子数
2
点阵常数 4R/3
Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2) Cr, Mo, W (d5s1)
4 4R/2
6 ——
元素
晶体结构
铝
面心立方
铍
密排六方
镉
密排六方
铬
体心立方
钴
密排六方
铜
面心立方
金
面心立方
Chapter 3
Composition and Structure of Metallic Materials
3-2-1金属材料
1． 原子结构
Atomic structure of metals
轨道上价电子，价电子 数少（1—2个），且与原 子核的结合的结合力弱， 很容易脱离核，而成为自
由电子。 Metallic bonding:
（6）过共晶白口铸铁
4.3~6.67%C
EXAMPLE PROBLEM 10.4
For a 99.65 wt% Fe–0.35 wt% C alloy at a temperature just below the eutectoid,determine the following: (a) The fractions of total ferrite and cementite phases. (b) The fractions of the proeutectoid ferrite and pearlite. (c) The fraction of eutectoid ferrite.
• crystal unit cells and electronic structures of metal atoms • Calculation of the crystal structure parameters and densities of
metals, • metallic alloy and its main structural types:
Solid solution, intermetallic compound, mechanical blends • Iron-Carbon Alloy Texture
Ferrite, austenite, cementite , pearlitic • Iron-iron carbide phase diagram : development of microstructures
4. 钢和铸铁 Steel and Cast Iron
(1) 钢——碳含量低于1.2%（重量）的铁碳合金。 在金属中，普通碳钢、低合金钢<5%镍、铬。
(2) 铸铁——碳含量高于2% （重量）的铁碳合金。有 灰色铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
灰铸铁， 2.5—3.5 %， 钢 +片状石墨
可锻铸铁（韧性）铁素体（珠光体）+ 团絮状石墨
Interstitial compound
机械混合物：
Mechanical blends 液态组分互溶， 凝固分相。 两种固溶体的混合物 固溶体和金属化合物
所组成的混合物。
cementite Fe3 C
3-2-3铁碳合金 Iron-Carbon Alloy 1.铁碳合金的基本组织 texture
(1) 铁 素 体 ferrite 碳 溶 解 在 铁 中 的 固 溶 体 ， C%0.02% （727℃）， 硬度和强度低，但塑性和韧性好。
有序
固溶体：solid solution
替代式：d溶质～d溶剂 间隙式：d溶质/d溶剂 0.59 金属间化合物：intermetallic compound
substitutional interstitial
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。
正常价化合物： 金属/非金属，按比例
(2) 奥氏体 austenite 碳溶解在铁中的固溶体，C%2%（1148℃） 塑性和可锻性好，无磁好。
(3) 渗碳体 cementite 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,熔点高。 (4) 珠光体 pearlitic 铁素体和渗碳体二者组成的混合物， (5) 莱氏体 奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混合）； (6) 马氏体 Martensite 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得
塑性好
普通黄铜 Zn含量：〈39% 单相黄铜 39~45% 双相黄铜
特殊黄铜：多元合金 Sn、Al、Mn、Pb、Si
ion cores electron cloud(sea of electrons)
2. 金属晶体结构
Clystal Structures of Metals （1）随温度变化 （2）室温下有三种：
体心立方结构
面心立方
密堆六方
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
电子化合物 贵金属（Au, Ag, Cu）/金属（Zn, Al, Sn）
（电子相） 按一定电子浓度比值形成一定晶格类型
Electronic
化合物中价电子数/原子数
compounds 具有很高的熔点和硬度
Cu-3d104s1 Zn- 3d104s2
Sn-5s2 5p2
Al-3s2 3p1
间隙化合物： 过渡金属/C, N, H, 半径比>0.59
铁
体心立方
铅
面心立方
锂
体心立方
镁
密排立方
钼
wenku.baidu.com
体心立方
镍
面心立方
铌
体心立方
铂
面心立方
钾
体心立方
铑
面心立方
铷
体心立方
银
面心立方
钠
体心立方
钽
体心立方
钍
面心立方
钛
密排六方
钨
体心立方
铀
正交
钒
体心立方
锌
密排六方
锆
密排六方
点阵常数
a
c
4.0496 2.2856 2.9788 2.8846 2.506 3.6147 4.0788 2.8664 4.9502 3.5092 3.2094 3.1468 3.5236 3.3007 3.9239 5.3444 3.8044 5.6985 4.0857 4.2906 3.3026 5.0843 2.9506 3.1650
in alloy, eutectoid steel , eutectic steel • Steel and Cast Iron • Copper and its Alloys • Noncrystalline metallic alloy , • Recrystalliny of Metals
3-2金属材料的结构和组成
到碳在铁中的过饱和固溶体。硬度很高。
ferrite pearlitic
austenite
2. 铁碳合金状态图 the iron-iron carbide phase diagram
Fe3C， 含碳量≤6.67%
5个单相区， 7个两相区 三条水平线， 三条特征线
2． 典型铁碳合金结晶过程分析
（1）共析钢 eutectoid steel
0.77%C
（2）亚共析钢 hypoeutectoid steel 0.0218~0.77%C
（3）过共析钢 hypereutectoid steel 0.77~2.11%C
（4）共晶白口铸铁 4.3%C
（5）亚共晶白口铸铁
2.11~4.3%C
3-2 金属材料的结构和组成 Composition and Structure of Metallic
Materials
•What is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atoms •How to calculate the crystal structure parameters and densities of metals •What is metal alloy and its main structural types •What is the iron-iron carbide phase diagram
3.0282 2.6649 3.2312
3.5832 5.6167 4.069
5.2105
4.6788 4.9468 5.1477
最近的原子间距
2.863 2.225 2.979 2.498 2.497 2.556 2.884 2.481 3.500 3.039 3.197 2.725 2.492 2.858 2.775 4.627 2.690 4.88 2.889 3.716 2.860 3.595 2.890 2.741 2.77 2.622 2.665 3.172
第三章 材料的组成和结构
Compositions and Structures of Materials
材料的结构和组成是决定材料性能的 基础。是合理地设计、制造和选用材料 的基础。本章是物质结构理论的应用。
• 3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures 3-1-1材料的组成和主要结构形式
The literature value for the density of copper is 8.94 g/cm 3 ,
3.4 Show for the body-centered cubic crystal Calculate the radius of a vanadium atom, given that V has a BCC crystal structure, a density of 5.96 g/cm 3, and an atomic weight of 50.9 g/mol.