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 2.2.1 晶体结构的基本概念 晶格 晶胞

晶胞的表示方法

2.2.2 三种典型的金属晶体结构 体心立方晶格 α-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb

面心立方晶格 γ-Fe、Cu、Al、Ni、Ag、Pb

密排六方晶格 Mg、Zn、Be

2.2.3 实际金属的晶体结构 1、单晶体和多晶体 单晶体和多晶体结构示意图

2、晶体缺陷 （1）点缺陷 空位和间隙原子

（2）线缺陷 刃型位错示意图

（3）面缺陷 晶界的过渡结构 A、熔点低，易腐蚀；B、阻碍位错运动；C、强度和硬度高

亚晶示意图

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。

1、固溶体 置换固溶体 间隙固溶体

置换固溶体晶格畸变

间隙固溶体晶格畸变

2、金属化合物 Fe3C的晶体结构

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。

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 聚合度 单体 链节

1、 大分子链的结构（线型、支链型、体型）

2、大分子链的聚集态结构 （1）无定形高聚物的结构（2）晶态高聚物的结构

3、 高聚物的力学状态   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。

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。

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 钢锭中的树枝状晶体 树枝状晶体生长示意图

2、结晶后的晶粒大小及其控制 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。

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 ）

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

纯铁的同素异构转变

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

2.5.2 铁碳合金相图分析

共析钢室温下的平衡组织500×

珠光体组织

铁素体组织

共析钢室温下的平衡组织1000×

亚共析钢室温下的平衡组织 WC=0.20%

亚共析钢室温下的平衡组织 WC=0.40%

过共析钢室温下的平衡组织 硝酸酒精侵蚀

过共析钢室温下的平衡组织 苦味酸钠侵蚀

低温莱氏体组织

2.5.3 典型合金的结晶过程及组织

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

含碳量对钢力学性能的影响

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。

Fe-Fe3C相图对铸锻工艺的关系

晶粒大小与过冷度的关系