第 2 章 材料的结构与凝固
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第 2 章 材料的结构与凝固. 赵 健 闯. 2.1 材料的结合方式. 2.1.1 结合键. 强结合键：离子键、共价键、金属键 弱结合键：分子键、氢键. 金属材料：金属键、共价键、离子键 陶瓷材料：离子键、共价键 高分子材料：共价键、分子键. 2.1.2 晶体与非晶体. 1 、 晶体. 晶体. 2 、 非晶体（各向同性；无固定熔点；导热率和热膨胀性小；塑性形变大）. 3 、 晶体与非晶体的转化. 金属液体高速冷却 非晶态金属 玻璃热处理 晶体玻璃 中间状态 塑料、液晶. 2.2 金属材料的结构特点. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
2 、 非晶体（各向同性；无固定熔点；导热率和热膨胀性小；塑性形变大）
3、 晶体与非晶体的转化
金属液体高速冷却 非晶态金属玻璃热处理 晶体玻璃中间状态 塑料、液晶
2.2.4 合金的晶体结构
1 、组元：组成合金的最基本的独立物质 。2 、相：金属或合金中具有相同结构并以界面相互分开的各个均匀组成部分。3 、相变：金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相。4 、组织：用金相观察方法，在金属及合金内部看到的组成相的种类、大小、形状、数量、分布及相间结合状态。分为单相组织和多相组织。
2.3 非金属材料的结构特点
2.3.1 陶瓷材料的结构特点
1 、晶体相：对性能起决定作用；硅酸盐结构（硅氧四面体）和氧化物结构。2、玻璃相：氧化物熔融液相。提高致密度；降低烧成温度；阻止晶体长大与转变；透光性。 20-40%3 、气相：降低强度与透明度；造成裂纹；在 5-10% 以下。
陶瓷材料的生产过程包括原料的制备、坯料的成形和制品的烧结三大步骤。典型陶瓷的组织由晶体相、玻璃相和气相组成。晶体相是陶瓷的主要组成，决定材料的基本性能。普通陶瓷的晶体相主要是硅酸盐，特种陶瓷的晶体相为氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，金属陶瓷则还有金属。玻璃相为非均质的酸性和碱性氧化物的非晶态固体，起粘结剂作用。气相是陶瓷组织中残留的孔洞，极大地破坏材料的机械性能。陶瓷的性能特点是 :具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差 ,不易加工。
玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度 (Tg)，是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf)，是聚合物加工成型的重要参数。
3 、 高聚物的力学状态
高分子材料结构由大分子链组成，大分子链之间的相互作用力为分子键，分子链的原子之间、链节之间的相互作用力为共价键。高分子材料的大分子链结构与聚集态与其性能密切相关。高分子的聚集态结构分无定形和晶态两种。线型非晶态高聚物在不同温度下表现三种物理状态：玻璃态、高弹态、粘流态。
高分子材料的性能特点： 高聚物轻，其特有的机械性能是高弹性和粘弹性。由于可以处于不同的力学状态，高分子材料可以是硬脆、强硬、强韧、 柔韧或软弱的，机械性能不高，刚度小，强度不高，韧性较低。高分子材料耐磨、减摩性能好，绝缘、绝热、绝声，耐蚀性能好，但耐热性不高，存在老化问题。
一定体积的液态金属中 , 若成核速率 N(单位时间单位体积形成的晶核数 ,个 /m3·s) 越大 , 则结晶后的晶粒越多 , 晶粒就越细小 ; 晶体长大速度 G(单位时间晶体长大的长度 , m/s) 越快 , 则晶粒越粗。对于液体金属，一般不会得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以 , 随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值 N/G 也增大 , 结果使晶粒细化。
2 、结晶后的晶粒大小及其控制
一般情况下 , 晶粒越小 , 则金属的强度 , 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化 , 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。细化铸态金属晶粒有以下措施。1.增大金属的过冷度2. 变质处理 3. 振动 （机械振动、超声波振动 ）4. 电磁搅拌 （置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来 ）
[email protected] 纯铁的同素异构转变
2.5.5 铁碳合金相图的应用
1. 在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe3C 相图所表明的成分 -组织 -性能的规律 ,为钢铁材料的选用提供了根据。 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料 , 选用碳含量较低的钢材。 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料 , 应选用碳含量适中的中碳钢。 工具要用硬度高和耐磨性好的材料 , 则选碳含量高的钢钟。 纯铁的强度低 , 不宜用做结构材料 , 但由于其导磁率高 , 矫顽力低 , 可作软磁材料使用 , 例如做电磁铁的铁芯等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
2. 在铸造工艺方面的应用 根据 Fe- Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上 50℃～ 100℃。从相图上可看出 , 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好 , 它们的凝固温度区间最小 , 因而流动性好 , 分散缩孔少 , 可以获得致密的铸件 , 所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中 , 碳含量规定在0.15-0.6%之间 , 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小 , 铸造性能较好。
3. 在热锻、热轧工艺方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度较低 , 塑性较好 , 因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下 100℃～ 200℃范围内。一般始锻温度为 1150℃～ 1250℃, 终锻温度为 750℃～ 850℃。
4. 在热处理工艺方面的应用 Fe- Fe3C 相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据 Fe- Fe3C 相图确定的。这将在热处理一节中详细阐述。 在运用 Fe-Fe3C 相图时应注意以下两点： ①Fe-Fe3C 相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态 , 如含有其它元素 , 相图将发生变化。 ②Fe-Fe3C 相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态 , 若冷却或加热速度较快时 , 其组织转变就不能只用相图来分析了。
