当前课程知识点:材料学概论 > 第4讲 金属及合金材料(一) > 4.2 金属材料的组织结构 > 4.2.1 晶态和非晶态、单晶体和多晶体
好 这一节我们讲
晶态和非晶态
单晶体和多晶体
那么我们刚才讲的
在炼铁的过程当中
或者是炼钢铸锭的过程当中
得到的都是多晶体
我们实际用的结构材料
绝大部分都是多晶体
那么什么叫多晶体
什么叫单晶体
什么叫做非晶态
什么叫做晶态
我们就讲这个问题
我们知道
我们从气态到凝聚态
我们看各种状态都有
从图上可以讲
首先是理想气体
什么叫理想气体
什么叫液体
什么叫非晶态
什么叫晶态
那么理想气体是什么
我们都讲过
所谓理想气体
就是分子之间
除了碰撞之外
彼此不相互作用的
这种气体状态叫理想气体
理想气体的特点是什么
它是可以压缩的
气体物表面
它充满了整个空间
它可以无孔不入
什么叫液体
注意 液体是可以流动的
液体本身分子本身的位置
是不固定的
但是 液体分子所在的位置
它处在一个受力平衡
我们知道大家伙都讲过布朗运动
所谓布朗运动
液体里边放上花粉
并不是花粉本身在运动
而是花粉受周围分子的碰撞
由于它碰撞是随机的
由于它随机的
它不平衡
它随机
往往这边大一点
这边小一点
整体上来讲
我刚才讲了
它的位置是不固定的
但是它受力
是在一个平衡状态
因此那么液体它是什么
它有表面
但是液体没有固定的形状
它可以流动
水往低处走
那就是可以流动的
液体基本上是不可以压缩的
那么气体刚才讲理想气体
气体状态方程
它是可以压缩的
它是没有表面的
它是没有形状的
液体也是没有形状的
但是它有了表面
它不会无孔不入
它会流动
那么我们在想
非晶态 什么是非晶态
要用略微科学一点的语言讲
它是一个长程无序的
短程有序的
你比方说熔凝石英
所谓短程有序
你微观上看
它肯定是中间一个硅
周围四个氧
它组成一个四面体
那么氧这边又是硅
一个硅又有四个氧
那么一个氧周围
两边各有一个硅
次序它是定的
把它叫做短程有序
但是从长程看
它是无序的
那么把这种
叫做非晶态的
非晶态粗略的讲
可以认为它是液态
原地凝固下来
粗略的看
那么晶态是什么
注意晶态当中
它是既是短程有序
又是长程(有)序的
那么晶态它原子
或者原子集团
排成固定的点阵
什么叫固定的点阵
就是整个的固体
可以抽象为一些几何点的排列
这些几何点
排列成点阵
这个点阵
一定有周期性和等同性
那么这些节点有等同性
周围环境都是一样的
整个晶体
可以看成这些节点
周期性的排列和组成的
那么周期性再说
通俗一点
就是节点在某些
某个距离上
在或者说在所有的距离上
过一段就重复
过一段就重复
过一段就重复
过一段就重复
把它叫做晶态的
那么从图可以看到
理想气体 液体 非晶态和晶体
它原子或者原子集团的排列
它是不一样的
那么越到后来
规律性越强
这里边
只有最后这一种是晶态的
别的就谈不上
下边我介绍一下
什么叫多晶体 单晶体
所谓单晶体
就是由一个大晶粒所组成的
在整个晶体当中
原子的排列都是相同的
排列方向 排列方式都是一样的
把这种固体
叫做单晶体
那么什么叫做多晶体
就是多晶体由多个晶粒所组成的
对于单向材料来讲
那么每个晶粒
晶粒跟晶粒之间
它的晶体结构是完全一样的
那么它们二者有什么不同
不同的晶粒当中有什么不同
主要是它的排列方向不一样
排列的位向不一样
有的是朝着这个方向
有的是朝着这个方向
有的是朝着这个方向
像我们人一样
人 有的脸冲前
有的脸冲后
有的脸冲右
有的脸冲左
每一个人跟每一个人都是一样
但是他的方位是不一样的
那么不同的晶粒之间
存在着晶界
晶界是不同晶粒之间的一个过渡区域
它很薄的一层
那么它的排列比较混乱
因此多晶体
一定是晶粒再加上晶界
那么我们平常所用的材料
结构材料
那么为什么都是都采用多晶材料
而不采用单晶材料的理由
至少有三个
第一个理由
是多晶材料很容易得到
比方说炼铁铸锭
炼钢的铸锭
得到的材料都是多晶的
要得到一个单晶那是很费力气的
是不是
很不容易的
第二条
晶界是个强化因素
就是对于室温材料来讲
那晶界是更强的
因此我们采取的材料
都是细化晶粒
细晶粒材料
它不光能提高强度
而且增加韧性
那么当然对高温材料来讲
高温使用的材料来讲
晶界又成了弱化因素
往往采用大晶粒的材料
这是第二条
第三条 由于晶界的存在
为刚才的加工热处理
改善性能
提供了广阔的天地
因此我们用的材料
绝大部分
结构材料都是多晶材料
那么我们平常
用的结构材料
我刚才讲了
百分之九十以上都是钢铁
为什么百分之九十都是钢铁
因为钢铁的资源很丰富
便于加工
性能比较优秀
特别是钢铁通过合金化
通过加工热处理
它的提高性能的余度
是非常大的
我们知道铁有三种
同素异构体
它有三种同素异构体
拿纯铁来讲
910度以下是α铁
它是个体心立方的
它910度到1400度左右
它是一个γ铁
它是面心立方的
1400度以上
它又变成体心立方的
就是δ铁
由于它有这种同素异构转变现象
因此对钢材的热处理
提供了很好的条件
我加热冷却 加热冷却
我就可以什么
改变它的结构
从而提高性能
那么对于钢材来讲 它里边
我们知道钢材里边加入
刚才讲了
加入合金元素
变成合金钢
它里面还有一些碳
在钢铁里边
有两种组成相
一种相叫做固溶体
一种相叫做金属间化合物
那么我们把它
合金相的分类是两大类
一类是固溶体
一类是金属间化合物
什么叫固溶体
我这上边讲的固溶体
一个叫做置换式固溶体
一个叫做间隙式固溶体
首先讲什么叫固溶体
固溶体粗略的讲
就是固体的溶液
那么实际上固溶体
就是说溶质掺杂到溶剂里边去
注意 我们的固溶体跟溶液
它是不一样的
跟溶液是不一样的
所谓固溶体
就是溶质和溶剂
共享同一个晶格
共享谁的晶格
共享溶剂的晶格
也就是溶质加入到溶剂里边去
不改变人家溶剂的结构
你进去不改变人家的结构
你是客人家是主
客不能改变主的晶体结构
那么通过加入方式
有两种方式
一种叫做置换式固溶体
一种叫做间隙式固溶体
什么叫置换式固溶体
所谓置换式固溶体
就是当你加进去的
原子的原子半径
跟铁的原子半径
在相差百分之二十以下的那些
元素加进去
到了人家铁晶体的那个
晶格阵点上去
阵点上去
那么得到的固溶体
叫做置换式固溶体
什么叫间隙式固溶体
就是说一些原子半径小的
那些原子
主要是指谁
碳 硼
这些原子半径非常小的这些原子
加入到铁的晶格里边
但是不占据人家阵点的位置
而跑到人家间隙里边去
哪些间隙
四面体间隙和八面体间隙
我们知道
我们讲晶体结构当中讲了
它是在八面体间隙加入进去
特别是在什么
那γ铁当中
fcc八面体间隙
间隙很大
它跑到那里边去
跑到那里边去
无论是置换式固溶体
还是间隙式固溶体
都不改变原来铁的晶体结构
但是你既然往里加进去了
那么就会引起什么
原来铁的晶格产生激变
那么置换式固溶体
你掺上个大的
它挤开了把人家
掺上个小的
它就会给收缩一下
这时都会产生激变
即使间隙式固溶体
加到人家间隙里边去
可能那个原子半径
比那个间隙略大一点
它就撑开一些
就会撑开一些
那么无论是置换式的固溶体
还是间隙式的固溶体
跟原来人家纯铁的那个
晶格结构相比
都会产生畸变
由于产生畸变
以后继续再变形就会困难
把这种强化的作用
就叫做什么
叫做固溶强化
往里加进碳
往里加上别的合金元素
加上锰加上什么东西
那个铁的强度提高了
这种造成的原因
是由于固溶强化所造成的
把它叫做固溶强化
那么在合金当中 铁
铁当中
钢铁当中还有另外一种相
叫做金属间化合物
注意金属间化合物跟固溶体
不一样的地方在什么地方
就是产生的金属间化合物
跟原来的相它完全不一样
它结构完全发生了变化
注意刚才无论是置换式固溶体
还是间隙固溶体
它不改变原来钢铁的结构
不改变
它自己产生畸变
它不改变结构
但是产生金属间化合物
它由于铁跟其他元素
造成金属间化合物
已经没有铁的那种结构了
性质也完全变了
结构也完全不同了
那么把这种
叫做金属间化合物
金属间化合物
一般来讲是强硬脆这几个特点
强硬脆它对于
提高金属的强度
比置换式固溶体要强的多
比方说我们知道
在钢铁当中
那珠光体
我们老讲珠光体
珠光体一定是铁素体和渗碳体
所组成的
层片状的机械混合物
大家伙都讲老背这个事
这里头铁素体
就是置换式固溶体
渗碳体就是金属间化合物
那渗碳体是什么
是铁三碳
铁三碳是铁的碳化物
铁的碳化物
就根本没有铁的性质了
它就是个陶瓷
陶瓷很硬很脆
你如果分布的很粗大 效果不好
如果分布的很均匀
说是跟铁素体交叉分布起来
一层铁素体
一层渗碳体
一层铁素体
一层渗碳体
这就得到珠光体
把这种强化
叫做组织强化
钢铁的组织强化是非常有效的
一种强化手段
好 我们就说铁和钢铁
这里边有两种相
那么从这个图当中
可以看到
就是说这是钢的组织
用组织强化
你们看看这张图当中
黑的是什么
是珠光体
那么白的是铁素体
那么珠光体我刚才讲了
是铁素体和渗碳体所组成的
层片状的机械混合物
白的就是铁素体
由于这种珠光体的存在
对钢的强化效果
可以成倍的增加
如果是纯粹的那个铁素体
或者是工业软体
那是强度很低的
一二百兆帕
那么加上珠光体以后
它的强度可以提高到四五百兆帕
可以成倍的增加
当然后边还有其他的强化
像马氏体强化等等这些
对于提高钢的强度
是非常有好处的
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业



