材料的组成和内部结构特征
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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。
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2. 固溶体 溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。 1）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。 2）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%）。
典型合金平衡转变过程分析
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1.工业纯铁（wC≤0.0218%）
结晶过程：L→L+δ→δ→δ+A→A→A+F→F→F+ Fe3CⅢ 室温平衡组织: F+ Fe3CⅢ，Fe3CⅢ呈细条片状或半网络状分 布于F晶界处。
2.共析钢（wC=0.77%） 结晶过程：L→L+A→A→A0.77→P(F0.0218+Fe3C) 室温平衡组织：P（(F和Fe3C片层相间排列）
面对角线方向原子排列最紧密，r=( 2 / 4 )a 晶胞原子数：1/8×8＋1/2×6＝4 致密度≈0.74 Z=12
例：高温的铁（γ—Fe）、Cu、Al、Ni。
3. 密排六方晶格（hcp） 致密度≈0.74 Z=12 例：Mg、Zn、石墨。
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图2-6 面心立方晶胞、原子堆垛方式及晶胞中的原子数
2.1.1
晶
晶体和非晶体
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 简单晶体结构
图2-2 晶格的描述
图2-3 晶胞
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2.1.2
金属的典型晶体结构
特征：排列紧密、高对称性。
1. 体心立方晶格（bcc）
图2-7 面心立方晶格的配位数
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图2-8 密排六方晶胞、原子堆垛方式及其晶胞中的原子数
图2-9 密排六方晶格的配位数
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2.1.3
实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）
1.点缺陷——空位、间隙原子和置换原子
温度↑，数量↑，但≤1/1000，影响原子的扩散和运动。
2.线缺陷——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 ρ表示。位错对材料的力学性能影响很大， ρ↑则σs↑， σb↑ 及δ↓。
分，二固相同时结晶。 •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）。
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)
3）金属间化合物——金属与金属元素之间，或者金属与类金 属（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→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）。
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（a）置换固溶体 （b）间隙固溶体 图2-17 固溶体的两种类型
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4.铁碳合金分类：
C < 0.0218% 工业纯铁，无P无Ld，强度极低，应用很少
0.0218%～0.77% 0.77% 0.77% ～ 2.11% C>2.11% 亚共析钢。 共析钢， 有P无Ld。 过共析钢。 铸铁， 有Ld。
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2.3.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3CII→Ld′(P+Fe3CII+Fe3C)+P+Fe3CII
室温平衡组织为: Ld′+P+Fe3CII
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共晶白口铁的结晶过程
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共晶白口铁的结晶过程
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亚共晶白口铁的结晶过程
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初晶奥氏体质量分数：
4.3 3.0 w 100 % 59.4% 4.3 2.11
1.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的变化规律为： F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+ Fe3CII（网状） →P+ Fe3CII+ Ld＇→Ld＇→Ld＇+ Fe3CI 2.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 度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9% 时 出现最大值。
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2.2.3 二元相图类型及Fe—C相图
1.二元相图的建立
（a）Cu-Ni合金的冷却曲线；（b）Cu-Ni合金相图 图2-20 Cu-Ni合金相图的测定与绘制
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2.二元匀晶相图
•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
3.面缺陷——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
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。
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图2-10 点缺陷示意图
（a）刃型位错立体模型
（b）刃型位错 （c）位错线周围的原子排列 图2-11 刃型位错示意图
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体对角线方向原子排列最紧密 ，r=( 3 / 4 )a 晶胞原子数：1/8×8＋1＝2 致密度：(2×3/4πr3 ) /a3≈0.68 配位数： Z=8
例：室温的铁：（α－Fe）、Cr、Mo。
图2-4 体心立方晶胞及堆垛方式
图2-5 体心立方晶胞中的原子数
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2. 面心立方晶格（fcc）
晶体材料的相图与相变
合金中相的类型
1.相的概念
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
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。
单相 两相区（成分不断变化） 单相（与液相同成分）
（a）Cu-Ni合金匀晶相图 (b) 结晶过程分析 图2-21 Cu-Ni合金匀晶相图及结晶过程示意图
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图2-22 Cu-Ni合金中的枝晶偏析
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3.二元共晶相图
•形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温度、恒定成
一次晶 二次晶
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图2-23 Pb-Sn相图
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图2-24 合金I结晶过程组织变化示意图
图2-25 合金Ⅱ结晶过程组织变化示意图
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图2-26 合金Ⅲ结晶过程组织变化示意图
图2-27 合金Ⅳ结晶过程组织变化示意图
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图2-28 由组织组成物填写的Pb-Sn相图
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亚共析钢的结晶过程
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组织组成物的相对含量：
0.77 0.4 w 100 % 49.5% 0.77 0.0218
wp 1 49.5 50.5%
相组成物的相对含量：
6.69 0.4 w 100 % 94.3% 6.69 0.0218
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工业纯铁的结晶过程
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共析钢的结晶过程
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3.亚共析钢（0.0218%＜wC＜0.77%）
结晶过程：L→L+A→A→A+F→P(F0.0218+Fe3C)+F 室温平衡组织:F+P,即块状F和片层状P的混合物。 4.过共析钢（0.77%<wC≤2.11%） 结晶过程：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P(F0.0218+Fe3C)+Fe3CⅡ 室温平衡组织: P+Fe3CII，即片层状P和（沿原A晶界上分布 的）网状Fe3CII。
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莱氏体的质量分数为：
w Ld
3.0 2.11 100 % 40.6% 4.3 2.11
初晶γ析出的Fe3CⅡ含量：
wFe3C
2.11 0.77 59.4% 13.4% 6.69 0.77
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7.过共晶白口铸铁（4.3%＜wC＜6.69%）
结晶过程：
•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。
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图2-33 以组织组成物表示的铁碳合金相图
1538℃
δ-Fe bcc
γ-Fe
1394℃
α-Fe
fcc
912℃
bcc
2）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 格，原子比 Fe：C=3：1。渗碳体的分解点为1227℃。
渗碳体的力学性能特点为：
硬度很高（约800HBW）； 脆性大，塑性和韧性几乎等于零； 强度低，其抗拉强度约为30MPa。
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4.二元包晶相图
•反 应 式： LC + αP → βD
5.二元共析相图 •反 应 式：γ（固相）→α+β
图2-29 Pt-Ag包晶相图
来自百度文库
图2-31 共析相图
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图2-30 合金Ⅰ包晶反应及组织变化示意图
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2.3 铁碳合金相图与铁碳合金
2.3.1 铁碳合金相图 1.铁碳合金的组元 1） 铁：L
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图2-32 Fe-Fe3C相图
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2. 铁碳合金中相的类型及特点
五种基本组成相：L，δ，F， A， Fe3C 。 1）液相（L） 铁与碳的均匀液溶体 2）高温铁素体相（δ） 碳溶于δ-Fe中形成的间隙固溶体 3）奥氏体相（A或γ）
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体
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（a）间隙固溶体 图2-18 固溶体中的晶格畸变
b）置换固溶体
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图2-19 Fe3C的晶格结构
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2.2.2
相变及相图
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
相图——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。 利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处理
L→Fe3CⅠ+L→Fe3CⅠ+Ld（A2.11+ Fe3C）→Fe3CⅠ+ Ld（A+Fe3CII+Fe3C）→Fe3CⅠ+Ld′（P+Fe3CII+Fe3C） 过共晶白口铸铁室温平衡组织为：Fe3CⅠ+Ld′
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过共晶白口铁的结晶过程
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2.3.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
4）铁素体相（F或α） 碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体
5）渗碳体相（Fe3C）
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3.Fe-Fe3C相图分析 •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, 具一定强度及塑性）
（a）螺型位错立体模型
（b）螺型位错 （c）位错线周围的原子排列 图2-12 螺型位错示意图
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图2-13 刃型位错滑移过程示意图
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图2-14 材料的多晶体示意图
图2-15 晶界原子排列示意图
图2-16 亚晶及亚晶界原子排列
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2.2
2.2.1
第一篇 工程材料的性能和 基本特征
第 2章
材料的组成和内部结构特征
兰州理工大学材料科学与工程学院
本章主要内容
2.1 金属材料的结构特点 2.2 晶体材料的相图与相变
2.3 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 2.5 材料的组织与性能
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2.1 晶体材料的结构特点
wFe3C 1 94.3% 5.7%
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过共析钢的结晶过程
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5.共晶白口铸铁（wC=4.3%） 结晶过程： L4.3→Ld(A2.11+Fe3C)→Ld(A+Fe3CⅡ+Fe3C)→ Ld′(P+Fe3CⅡ+Fe3C) 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（2.11%＜wC＜4.3%） 结晶过程： L→L+A→Ld(A2.11+Fe3C)+A→Ld(A+Fe3CII+Fe3C)+A+
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2. 固溶体 溶质原子溶入固态金属（物质）溶剂中形成的（合金）相。 1）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。 2）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%）。
典型合金平衡转变过程分析
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1.工业纯铁（wC≤0.0218%）
结晶过程：L→L+δ→δ→δ+A→A→A+F→F→F+ Fe3CⅢ 室温平衡组织: F+ Fe3CⅢ，Fe3CⅢ呈细条片状或半网络状分 布于F晶界处。
2.共析钢（wC=0.77%） 结晶过程：L→L+A→A→A0.77→P(F0.0218+Fe3C) 室温平衡组织：P（(F和Fe3C片层相间排列）
面对角线方向原子排列最紧密，r=( 2 / 4 )a 晶胞原子数：1/8×8＋1/2×6＝4 致密度≈0.74 Z=12
例：高温的铁（γ—Fe）、Cu、Al、Ni。
3. 密排六方晶格（hcp） 致密度≈0.74 Z=12 例：Mg、Zn、石墨。
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图2-6 面心立方晶胞、原子堆垛方式及晶胞中的原子数
2.1.1
晶
晶体和非晶体
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 简单晶体结构
图2-2 晶格的描述
图2-3 晶胞
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2.1.2
金属的典型晶体结构
特征：排列紧密、高对称性。
1. 体心立方晶格（bcc）
图2-7 面心立方晶格的配位数
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图2-8 密排六方晶胞、原子堆垛方式及其晶胞中的原子数
图2-9 密排六方晶格的配位数
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2.1.3
实际晶体中的原子排列缺陷（晶体缺陷）
1.点缺陷——空位、间隙原子和置换原子
温度↑，数量↑，但≤1/1000，影响原子的扩散和运动。
2.线缺陷——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 ρ表示。位错对材料的力学性能影响很大， ρ↑则σs↑， σb↑ 及δ↓。
分，二固相同时结晶。 •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）。
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)
3）金属间化合物——金属与金属元素之间，或者金属与类金 属（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→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）。
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（a）置换固溶体 （b）间隙固溶体 图2-17 固溶体的两种类型
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4.铁碳合金分类：
C < 0.0218% 工业纯铁，无P无Ld，强度极低，应用很少
0.0218%～0.77% 0.77% 0.77% ～ 2.11% C>2.11% 亚共析钢。 共析钢， 有P无Ld。 过共析钢。 铸铁， 有Ld。
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2.3.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3CII→Ld′(P+Fe3CII+Fe3C)+P+Fe3CII
室温平衡组织为: Ld′+P+Fe3CII
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共晶白口铁的结晶过程
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共晶白口铁的结晶过程
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亚共晶白口铁的结晶过程
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初晶奥氏体质量分数：
4.3 3.0 w 100 % 59.4% 4.3 2.11
1.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的变化规律为： F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+ Fe3CII（网状） →P+ Fe3CII+ Ld＇→Ld＇→Ld＇+ Fe3CI 2.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 度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9% 时 出现最大值。
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2.2.3 二元相图类型及Fe—C相图
1.二元相图的建立
（a）Cu-Ni合金的冷却曲线；（b）Cu-Ni合金相图 图2-20 Cu-Ni合金相图的测定与绘制
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2.二元匀晶相图
•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
3.面缺陷——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
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。
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图2-10 点缺陷示意图
（a）刃型位错立体模型
（b）刃型位错 （c）位错线周围的原子排列 图2-11 刃型位错示意图
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体对角线方向原子排列最紧密 ，r=( 3 / 4 )a 晶胞原子数：1/8×8＋1＝2 致密度：(2×3/4πr3 ) /a3≈0.68 配位数： Z=8
例：室温的铁：（α－Fe）、Cr、Mo。
图2-4 体心立方晶胞及堆垛方式
图2-5 体心立方晶胞中的原子数
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2. 面心立方晶格（fcc）
晶体材料的相图与相变
合金中相的类型
1.相的概念
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
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。
单相 两相区（成分不断变化） 单相（与液相同成分）
（a）Cu-Ni合金匀晶相图 (b) 结晶过程分析 图2-21 Cu-Ni合金匀晶相图及结晶过程示意图
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图2-22 Cu-Ni合金中的枝晶偏析
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3.二元共晶相图
•形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温度、恒定成
一次晶 二次晶
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图2-23 Pb-Sn相图
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图2-24 合金I结晶过程组织变化示意图
图2-25 合金Ⅱ结晶过程组织变化示意图
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图2-26 合金Ⅲ结晶过程组织变化示意图
图2-27 合金Ⅳ结晶过程组织变化示意图
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图2-28 由组织组成物填写的Pb-Sn相图
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亚共析钢的结晶过程
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组织组成物的相对含量：
0.77 0.4 w 100 % 49.5% 0.77 0.0218
wp 1 49.5 50.5%
相组成物的相对含量：
6.69 0.4 w 100 % 94.3% 6.69 0.0218
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工业纯铁的结晶过程
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共析钢的结晶过程
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3.亚共析钢（0.0218%＜wC＜0.77%）
结晶过程：L→L+A→A→A+F→P(F0.0218+Fe3C)+F 室温平衡组织:F+P,即块状F和片层状P的混合物。 4.过共析钢（0.77%<wC≤2.11%） 结晶过程：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P(F0.0218+Fe3C)+Fe3CⅡ 室温平衡组织: P+Fe3CII，即片层状P和（沿原A晶界上分布 的）网状Fe3CII。
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莱氏体的质量分数为：
w Ld
3.0 2.11 100 % 40.6% 4.3 2.11
初晶γ析出的Fe3CⅡ含量：
wFe3C
2.11 0.77 59.4% 13.4% 6.69 0.77
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7.过共晶白口铸铁（4.3%＜wC＜6.69%）
结晶过程：
•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。
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图2-33 以组织组成物表示的铁碳合金相图
1538℃
δ-Fe bcc
γ-Fe
1394℃
α-Fe
fcc
912℃
bcc
2）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 格，原子比 Fe：C=3：1。渗碳体的分解点为1227℃。
渗碳体的力学性能特点为：
硬度很高（约800HBW）； 脆性大，塑性和韧性几乎等于零； 强度低，其抗拉强度约为30MPa。
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4.二元包晶相图
•反 应 式： LC + αP → βD
5.二元共析相图 •反 应 式：γ（固相）→α+β
图2-29 Pt-Ag包晶相图
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图2-31 共析相图
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图2-30 合金Ⅰ包晶反应及组织变化示意图
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2.3 铁碳合金相图与铁碳合金
2.3.1 铁碳合金相图 1.铁碳合金的组元 1） 铁：L
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图2-32 Fe-Fe3C相图
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2. 铁碳合金中相的类型及特点
五种基本组成相：L，δ，F， A， Fe3C 。 1）液相（L） 铁与碳的均匀液溶体 2）高温铁素体相（δ） 碳溶于δ-Fe中形成的间隙固溶体 3）奥氏体相（A或γ）
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体
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（a）间隙固溶体 图2-18 固溶体中的晶格畸变
b）置换固溶体
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图2-19 Fe3C的晶格结构
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2.2.2
相变及相图
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
相图——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。 利用相图和相变，指导新材料研制，材料的加工与处理
L→Fe3CⅠ+L→Fe3CⅠ+Ld（A2.11+ Fe3C）→Fe3CⅠ+ Ld（A+Fe3CII+Fe3C）→Fe3CⅠ+Ld′（P+Fe3CII+Fe3C） 过共晶白口铸铁室温平衡组织为：Fe3CⅠ+Ld′
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过共晶白口铁的结晶过程
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2.3.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
4）铁素体相（F或α） 碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体
5）渗碳体相（Fe3C）
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3.Fe-Fe3C相图分析 •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, 具一定强度及塑性）
（a）螺型位错立体模型
（b）螺型位错 （c）位错线周围的原子排列 图2-12 螺型位错示意图
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图2-13 刃型位错滑移过程示意图
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图2-14 材料的多晶体示意图
图2-15 晶界原子排列示意图
图2-16 亚晶及亚晶界原子排列
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2.2
2.2.1
第一篇 工程材料的性能和 基本特征
第 2章
材料的组成和内部结构特征
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本章主要内容
2.1 金属材料的结构特点 2.2 晶体材料的相图与相变
2.3 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 2.5 材料的组织与性能
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2.1 晶体材料的结构特点
wFe3C 1 94.3% 5.7%
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过共析钢的结晶过程
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5.共晶白口铸铁（wC=4.3%） 结晶过程： L4.3→Ld(A2.11+Fe3C)→Ld(A+Fe3CⅡ+Fe3C)→ Ld′(P+Fe3CⅡ+Fe3C) 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（2.11%＜wC＜4.3%） 结晶过程： L→L+A→Ld(A2.11+Fe3C)+A→Ld(A+Fe3CII+Fe3C)+A+