第 2 章 材料的结构与凝固
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赵 健 闯
第 2章 材料的结构与凝固
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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
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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
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晶体
2.1.2 晶体与非晶体
1 、 晶体
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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
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晶格 晶胞
2.2 金属材料的结构特点
2.2.1 晶体结构的基本概念
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晶胞的表示方法
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体心立方晶格
2.2.2 三种典型的金属晶体结构
α-Fe 、 Cr 、 W、 Mo 、 V、 Nb
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面心立方晶格
γ-Fe 、 Cu 、 Al 、 Ni 、 Ag 、 Pb
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密排六方晶格 Mg 、 Zn 、Be
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单晶体和多晶体结构示意图
2.2.3 实际金属的晶体结构
1 、单晶体和多晶体
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空位和间隙原子
2 、晶体缺陷
( 1 )点缺陷
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刃型位错示意图
( 2 )线缺陷
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晶界的过渡结构
( 3 )面缺陷
A 、熔点低,易腐蚀; B 、阻碍位错运动; C 、强度和硬度高
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亚晶示意图
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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。
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置换固溶体
1 、固溶体
间隙固溶体
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置换固溶体晶格畸变
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间隙固溶体晶格畸变
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Fe3C 的晶体结构
2 、金属化合物
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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。
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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。
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2.3.2 高分子材料的结构特点
主要组分:高分子化合物
结合键:共价键
n(CH2=CH2) [--CH2--CH2--]n
链节 聚合度单体
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1 、 大分子链的结构(线型、支链型、体型)
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( 1)无定形高聚物的结构( 2)晶态高聚物的结构
2 、大分子链的聚集态结构
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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
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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。
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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。
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2.4 材料的凝固与结晶
2.4.1 金属的结晶特点
1、结晶的一般过程
树枝状晶体生长示意图 钢锭中的树枝状晶体
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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
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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 )
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2.5 铁碳合金相图
2.5.1 铁碳合金的基本组元与基本相
1、 纯铁的同素异构转变
zjianchuang@mail.ccut.edu.cn 纯铁的同素异构转变
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2 、 铁碳合金的基本相及其性能
1 )液相
2)铁素体
3)奥氏体
4)渗碳体
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2.5.2 铁碳合金相图分析
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共析钢室温下的平衡组织 500×
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珠光体组织
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铁素体组织
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共析钢室温下的平衡组织 1000×
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亚共析钢室温下的平衡组织WC=0.20%
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亚共析钢室温下的平衡组织WC=0.40%
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过共析钢室温下的平衡组织硝酸酒精侵蚀
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过共析钢室温下的平衡组织苦味酸钠侵蚀
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低温莱氏体组织
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2.5.3 典型合金的结晶过程及组织
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2.5.4 含碳量与铁碳合金组织及性能的关系
1 、 铁碳合金含碳量与组织的关系
2 、 铁碳合金含碳量与力学性能的关系
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含碳量对钢力学性能的影响
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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。
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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。
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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℃。
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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。
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Fe-Fe3C 相图对铸锻工艺的关系
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晶粒大小与过冷度的关系
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