第2章 材料的结构与凝固 赵 健 闯.

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1 第2章 材料的结构与凝固 赵 健 闯

2 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

3 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

4 2.1.2 晶体与非晶体 1、 晶体 晶体

5 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

6 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

7 晶胞的表示方法

8 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

9 面心立方晶格 γ-Fe、Cu、Al、Ni、Ag、Pb

10 密排六方晶格 Mg、Zn、Be

11 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

12 2、晶体缺陷 （1）点缺陷 空位和间隙原子

13 （2）线缺陷 刃型位错示意图

14 （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

15 亚晶示意图

16 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。

17 1、固溶体 置换固溶体 间隙固溶体

18 置换固溶体晶格畸变

19 间隙固溶体晶格畸变

20 2、金属化合物 Fe3C的晶体结构

21 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。

22 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。

23 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

24 1、 大分子链的结构（线型、支链型、体型）

25 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

26 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。

27 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。

28 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。

29 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

30 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。

31 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 ）

32 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

33 纯铁的同素异构转变

34 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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36 2.5.2 铁碳合金相图分析

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38 共析钢室温下的平衡组织500×

39 珠光体组织

40 铁素体组织

41 共析钢室温下的平衡组织1000×

42 亚共析钢室温下的平衡组织 WC=0.20%

43 亚共析钢室温下的平衡组织 WC=0.40%

44 过共析钢室温下的平衡组织 硝酸酒精侵蚀

45 过共析钢室温下的平衡组织 苦味酸钠侵蚀

46 低温莱氏体组织

47 2.5.3 典型合金的结晶过程及组织

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49 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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53 含碳量对钢力学性能的影响

54 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。 

55 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 %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。

56 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℃。

57 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。

58 Fe-Fe3C相图对铸锻工艺的关系

59 晶粒大小与过冷度的关系