chapter31材料科学基础.ppt
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1、3-2 金属材料的结构和组成 Composition and Structure of Metallic Materials,3-2金属材料的结构和组成 Composition and Structure of Metallic Materials 3-2-1金属材料 1原子结构和金属键(Atomic structure of metals) 金属元素的原子结构区别于其他元素的一些共性: 外层电子较少,且与原子核的结合的结合力较弱, 很容易脱离核,而成为自由电子,同时形成电子层结构稳定的正离子状态。,最典型的金属:碱金属,碱土金属等; 过渡金属:ns层电子能量低于(n-1)d层,从而使d层电子
2、数处于110之间未填满的状态。,原子价态的可变性,使得这类原子在与其他原子相互作用时表现出某些独特性质。,金属键,金属材料内部原子间的结合主要依靠金属键,它几乎贯穿在所有金属材料之中,这就是金属材料有别于其他材料的根本原因。 金属键的模型如图所示: 金属原子全部或部分地使其外层的价电子脱离原来的原子,失去价电子的原子形成正离子。而正离子和部分中性原子按一定的几何规则排列起来,并在固定的点上做热振动。脱离原子的价电子为整个正离子所共有。这种公有化的电子称之为自由电子。 因此,金属键的结合是靠公有化的自由电子与离子间的静电引力而产生的。,2. 金属晶体结构 Clystal Structures o
3、f Metals (1)晶格和晶胞 晶格:用假想的直线将各原子的中心连接起来,得到一个抽 象化的几何空间格子,原子位于空间格子的结点上。 晶胞:在晶格中取出一个完全能代表晶格的最小单位。 (2)最典型、最常见的金属晶体结构有三种: 体心立方晶格 面心立方 密排六方 较高强度、硬度和熔 具有良好塑性 强度低,塑 点,但塑性和韧性差 和韧性 性和韧性差 Li, Na, K(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2或d2s2) 晶胞内 (1/8) 8+1= (1/8) 8+(1/2) 6= (1/6) 12+(1/2) 2+3= 原子数 2 4 6,3-2-2 合金材料
4、 Metallic Alloys 由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的,具有金属特性的物质称为合金。 合金分类: 按组成合金的元素数量 二元合金 三元合金 多元合金 按组分 铁基合金 又称铁合金或合金钢,碳钢 非铁基合金 有色金属 按组成方式 固溶体 单相 金属间化合物 单相 机械混合物 多相,相:合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。 大多数合金的组元在液态下能相互溶解,成为均匀的液体,因此只具有一个液相。 在凝固以后,由于各组元之间相互作用不同,在固态合金中可能会出现不同的相结构。 根据合金中元素之间相互作用的不同,合金中的相基本上可以分为两类:固溶体和
5、金属间化合物。,固溶体:solid solution 置换式: 间隙式: 金属间化合物:intermetallic compound 有固溶体和化合物两方面的特性,又称为中间相。形成的晶格与组成元素的晶格不同。,正常价化合物: 金属/非金属,按化合价的比例 电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定。,NaCl型,如MgSe,CaF2型,如Mg2Si,闪锌矿型,如立方ZnS,正常价化合物硬度高,但较脆。,B 电子化合物 贵金属(Au, Ag, Cu)/金属(Zn, Al, Sn)组成合金时,随合金组元成分的改变,合金相的结构与电子浓度具有一定对应关系。 在Cu-Zn合金中,根据合金
6、成分的不同,可以分别形成具有不同点阵类型的电子化合物。电子化合物的点阵结构和稳定性主要取决于电子浓度因素,而且,对应一定的电子浓度,不同合金所形成的电子化合物具有相同的晶体点阵类型。 补充: 吸热合金Ni-Cu 放热合金Pd-Ag 通过测定Ni和Pd在形成合金前后的d带空穴数,可以推测这两种合金不同的结构方式:前者以Ni-Ni和Cu-Cu为主,Ni的d带空穴数没明显变化;后者以Pd-Ag为主,Pd的d带空穴数有很大变化。,电子化合物一般具有很高的熔点和硬度,并有导电性,C 间隙化合物: 过渡金属(如Fe、Mn等)与原子半径很小的非金属(如C, N等)形成稳定性较高的化合物,其组元之间原子半径之
7、比大于0.59时,就形成具有复杂晶格的间隙化合物。 铁碳合金中很重要的强化相渗碳体(Fe3C)就属于间隙化合物,其晶体结构为复杂的正交结构如右图所示。 间隙化合物具有高硬度和高熔点。,Interstitial compound,D 机械混合物: 在铁碳合金中共析反应所形成的铁素体和渗碳体,固态下既不能相互溶解,又不能彼此反应形成化合物,而是构成了机械混合物,叫做珠光体(P)。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物。所以,其机械性能介于渗碳体和铁素体之间。,3-2-3铁碳合金 Iron-Carbon Alloy 1.铁碳合金的基本组织 texture 钢和铸铁的基本组元是铁和碳
8、两个元素,故称之为铁碳合金。它是现代工业中应用最为广泛的金属材料。 铁素体 (F: ferrite): 碳溶解在-铁中的固溶体, -铁是体心立方晶胞,碳在-铁中的溶解度很小,C%0.02%(727), C%0.006%(室温) 硬度和强度低,但塑性和韧性好。 奥氏体 (A: austenite): 碳溶解在-铁中的间隙固溶体, -铁是面心立方结构,碳在-铁中的溶解度比在-铁中大,C%2.11%(1148) 塑性和可锻性好。 (3) 渗碳体(cementite):铁和碳以稳定化合物形态Fe3C出现的碳化铁,含碳量为6.67,晶体结构很复杂。熔点高,硬度高,塑性和冲击韧性几乎为零,脆性极大。,(4
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