第2章 材料的组成和内部结构特征

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）。
(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)
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）
(3) 密排六方（hcp） 致密度≈0.74 Z=12 例：Mg、Zn、石墨。
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) 单体
[ CH2 CH2 ] n 链节 n为聚合度
(2)大分子链的形状 图2-8
作业：1，2，6，7，8。
本章结束
返回
图2-1 简单晶体结构
返回
图2-2 晶格的描述
返回
图2-3 晶胞
返回
图2-8 高分子的形状示意图
返回
图2-12 二氧化硅四面体的环状结构单元示意图 返回
图2-13 二氧化硅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 返回
2.3 材料的组织与性能 （microstructure & property）
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。
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）
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
2.1.4 陶瓷材料的结构特点
特
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。
图2-12
图2-13
图2-14
图2-15
2.1.5 材料的原子排列缺陷（defects）
图2-17 位错示意图
返回
图2-18 晶界示意图
返回
图2-21 用热分析法建立合金相图
返回
图2-22 Cu-Ni合金相图、合金冷却曲线及组织形成示意图 返回
图2-23 Pb-Sn合金相图
返回
图2-24 合金Ⅰ平衡结晶过程
返回
图2-26 共晶合金平衡结晶过程
返回
图2-28 亚共晶合金的显微组织
•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？
•一般，多相组织的性能优于单相组织，工程上多采
用相组织。
图2-42
2.3.3 金属材料的组织与性能 •材料的组织结构决定材料的性能。 •钢中ωc ↑→P% ↑ →强度↑、硬度↑，塑性↓。
表2-2
2.3.4 陶瓷和高分子材料的组织性能 (1)陶瓷——由晶体相、玻璃相（非晶相）、气相组成。
•晶体相：可多个，主晶相、次晶相等，主晶相决定陶 瓷的性能。
多为 小 的 非金属 原子 ，溶解度 很小
（≤2%）。
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 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）
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）:
图2-43 高分子的聚集态结构示意图
返回
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。
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。
(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。
(2)热处理非平衡组织
图2-41
加热固态材料——快冷——获得与相图很不相同的
热处理组织（后述）。
2.3.2 单相组织与多相组织
（ Single & multiphase microstructures）
图3-37 亚共析钢室温下的平衡组织示意图
返回
图2-38 过共析钢平衡条结晶过程示意图
返回
图2-39 含1.2%C的过共析钢室温下平衡组织
返回
图2-40 含碳量对平衡状态碳钢机械性能的影响
返回
返回
图2-41 Cu-Ni合金铸态组织
返回
图2-42 纯铁、45钢、T8钢显微组织示意图
返回
表2-2 正火碳钢组织与性能关系 返回
返回
图2-30 Pt-Ag合金相图
返回
图2-31 纯铁冷却曲线及重结晶后的组织示意图
返回
图2-32 Fe—Fe3C相图
返回
图2-33 典型碳钢冷却时的组织转变过程分析示意图 返回
图2-34 共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图 返回
图2-35 共析钢室温下的平衡组织
返回
图2-36 亚共析钢平衡条件下的固态相变过程示意图 返回
一次晶
二次晶
(4)包晶相图
•反 应 式： LC + αP → βD
图2-30
(5)共析相图 •反 应 式：γ（固相）→α+β
• (6)铁碳（Fe—Fe3C）合金相图
• 纯 铁：L
δ-Fe
γ-Fe
α-Fe
1538℃
bcc 1394℃
fcc 912℃ bcc
图2-31
(铁的同素异构转变)
• •组成相：L，δ，F， A， Fe3C 。 • δ相、奥氏体（A）、铁素体（F）均是碳在Fe中
。
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
单相
L +α
α
两相区（成分不断变化） 单相（与液相同成分）
(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。
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。
Biblioteka Baidu
•间隙固溶体——溶质原子处于溶剂结构间隙位置之中，
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）。
(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。
的间隙固溶体。
图2-32
表2-1
图2-33
图2-34
图2-35
图2-36
图2-37
图2-38
图2-39
图2-40
•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。
•铁碳合金分类： WC < 0.0218%
工业纯铁，无P无Ld， 强度极低，应用很少。
0.0218%<WC<0.77% WC=0.77% 0.77% <WC< 2.11%
WC>2.11%
亚共析钢。 共析钢， 有P无Ld。 过共析钢。 铸铁， 有Ld。
特征：排列紧密、高对称性。
图2-4
图2-5
图2-6
图2-7
(1) 体心立方（bcc） 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。
(2) 面心立方（fcc） 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。
•玻璃相：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（20%～40%）。
作用：将晶相粘结成一体，充填空隙，致密化。 缺点：降低熔点、降低性能，故要控制其含量。 •气 相：粉粒制坯（存有空隙）——烧结密实化—— 5%～10%残留。使性能降低。
(2)高分子材料的组织与性能
图2-43
(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）