第2章 材料的内部结构、组织与性能

一、内容提要

材料的种类千千万万，性能也各有不同，但影响材料性能的内在因素大致相同，分别是：化学成分、内部结构和内部组织（指材料内拥有的结构类型以及其数量、形状、大小和分布，其他物质（如夹杂物等）和现象（如气孔、缩孔、微裂纹等）的存在状况），故人们常说成成分和组织。通常，材料的理化性能主要取决于成分，而力学和工艺性能既取决于成分又取决于组织。材料性能与成分和组织的关系就像数学中的复合函数关系：P=f（x, y），其中y=y（n1, n2, n3, …），可见，只要改变或改善任一个因素（自变量），都将引起材料性能的变化。

1．材料的内部结构（简称材料的结构）

绝大多数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在三维空间的结合和排列状况。

1）金属材料（纯金属和合金的统称）

绝大多数金属材料的结构为晶体结构，晶体内部的原子（或离子）在三维空间有规则的结合和排列，使之具有：①规则的几何外形；②确定的熔点；③各向异性。而非晶体中，原子是散乱排列的，故不具备以上特性。

由X射线结构分析表明，大多数纯金属呈体心立方、面心立方和密排六方等这三种典型的结构，其基本的结构参数见表1-2-1。

纯金属具有较好的导电、导热等理化性能，但其力学性能一般较低，价格偏高，在工业上很少作为结构件材料使用。实际中大量使用的都是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质——合金，合金的结构（相结构）及特点见表1-2-2。

金属的许多性能及金属中发生的许多现象都与金属晶体中的晶面和晶向有密切关系。

实际金属材料晶体内部的原子排列和结合并不像理想晶体那样规则和完整，总是存在着一些原子偏离理想规则的区域，此即晶体缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷）。这些缺陷造成了实际晶体的不完整性，并对金属的许多性能产生极其重要的影响。

2）有机高分子材料

组成高分子材料的分子链的聚集状态有晶态（分子链在空间规则排列，如折叠状或平行状等），部分晶态（分子链在空间部分规则排列）和非晶态（分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态或无定形态）。

在实际生产中获得完全晶态的聚合物是很困难的，大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。通常用聚合物中结晶区域所占的重量或体积百分数即结晶度来表示聚合物的结晶程度，聚合物的结晶度变化范围很宽，为30%～90%，特殊情况下可达98%，而一个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。一般情况下，结晶度高的高聚物，其强度、硬度、密度、耐热性、耐蚀性均较高，但弹性、塑性、透明性则有所下降。

3）陶瓷材料

陶瓷材料一般均为多组元系，其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。

陶瓷材料的结构由晶体相、非晶体相和气相构成，而晶体相是最主要的组成相。

2．晶体材料的相图与组织形成

1）金属的凝固

由液体转变成固体的过程，称为凝固；若凝固所得到的固体为晶体，则称为结晶。通常，金属在固态下均是晶体，故金属的凝固又叫金属的结晶。

结晶过程的推动力是液相和固相之间要有自由能差（ΔF），即结晶过程需要过冷。过冷是金属结晶的必要条件。金属结晶包括形核和长大两个过程。金属结晶的结果是形成由许多晶粒（相互间位向不同的小晶体）所组成的多晶体组织。由于细晶粒材料具有较好的常温力学性能，因而细化晶粒就成为结晶过程中控制组织以提高使用性能的一个重要手段。

金属结晶的基本规律是研究金属内部组织转变的基础。结晶过程中形核及长大的概念以及结晶的规律，在固态相变中也具有普遍意义。

大多数金属在晶态时只有一种晶格类型，其晶格类型不随温度而改变。少数金属（如铁、锡、钛等）在晶态时，其晶格类型会随温度而改变，这种现象称为同素异构（或异晶）转变。其中，从液态变为晶态的过程称为结晶（一次结晶），从一种晶态变为另一种晶态的过程称重结晶（二次或三次结晶）。一般情况下，材料的相变是一形核、长大的原子扩散或聚集过程，并伴有相变潜热的产生或吸收，以及体积的变化。

2）二元合金结晶相图

由于合金具有强度大、硬度高、韧性好、耐磨、耐蚀、耐热等优良性能，因此在工程上使用的金属材料绝大多数是合金。二元合金是最简单、最基本的合金。

（1）组织与相的关系和区别。相是按其物质的化学成分和晶体结构的基本属性来划分的。相是指材料中结构相同、化学成分及性质均一的组成部分，相与相之间有界面分开。因此，凡是化学成分相同，晶体结构与性质相同的物质，不管其形状是否相同，不论其分布是否相同，统称为一个相。

组织一般是指是用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内部所具有的某种形态或形貌，实质上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称。组织是显微尺度，结构是原子尺度。相构成了组织，组织决定了性能，这是一个重要的观点。

合金的组织是由单相固溶体或化合物组成，也可由一个固溶体和一个化合物或两个固溶体和两个化合物等组成。正是由于这些相的形态、尺寸、相对数量和分布的不同，才形成了各种各样的组织。组织可由单相构成，也可由多相构成。组织是材料性能的决定因素。在相同的条件下，不同的组织对应着不同的性能。

人们把在合金相图分析中出现的“显微组织”称为组织组分。实际上相组分就表示“相”，组织组分就表示“组织”。

（2）二元合金相图。合金相图是合金成分、温度与合金系所处状态间关系的简明图解。它反映了合金系在给定条件下的相平衡关系，是研究相与组织转变规律的重要工具。

与纯金属不同的是，在二元合金系中，随着组成元素加入量的变化，合金中的相和组织也要发生相应改变，根据其组织转变规律及性能特征来区分相图，并确定反应类型，归纳见表1-2-3。

在对各类相图的认识和应用中，要特别注意区分各种相与组织，分析典型合金的结晶过程，画出结晶过程示意图，并应用杠杆定律计算平衡状态下相与组织的相对量。

（3）铁碳合金相图。碳钢和铸铁是工业中应用范围最广的金属材料，它们都是以铁和碳为基本组元的合金，通常称之为铁碳合金。铁是铁碳合金的基本成分，碳是主要影响铁碳合金性能的成分。虽然碳钢和铸铁都是铁碳合金，但性能却很不相同，这可以从铁碳合金相图中得到充分的解释。所以铁碳合金相图是研究钢铁材料的有力工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

铸铁的含碳量最高不超过5%，再高就变得很脆，而无实用价值。所以作为铁碳合金二元相图，左侧的组元为Fe，右侧的组元取Fe3C（即wC=6.69%），已经是足够的了。所以铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。本章要求熟练掌握下列内容：

① 熟记铁碳相图，能默画出铁碳相图，记住重要点的温度、成分和意义（B、C、E、F、P、S点）以及一些重要线的意义（ECF、PSK、GS、ES线）。

② 弄清铁碳合金中的基本相和基本组织的本质、特征和性能。

固态下，铁碳合金中的基本相有高温δ铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体四种，前三种属于固溶体，后者属于化合物。固溶体具有好的塑性和韧性，而化合物的硬度高脆性大。

由基本相所形成的铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体（一次、二次、三次渗碳体之分）、珠光体、莱氏体（有低温与高温莱氏体之分）五种。其特点归纳列于表1-2-4，表1-2-5。

③ 运用铁碳相图，分析典型成分的铁碳合金的结晶过程（用冷却曲线表示），计算平衡组织中组成相及组织组成物的相对质量，参见表1-2-6。

④ 熟悉铁碳合金室温平衡组织示意图，正确识别各组织组成物和组织特征。如：过共析钢（T12钢）室温平衡组织为P+Fe3CⅡ，其组织特征是白色网状 Fe3CⅡ包围在层片状P周围。

⑤ 铁碳合金的成分组织一性能之间的关系。对于亚共析钢，根据碳含量可求出组织组成物的相对质量，进而可估算其性能（强度、硬度、塑性）。

⑥ 弄清一些重要概念：同素异构转变、奥氏体、珠光体、低温莱氏体、共析渗碳体、二次渗碳体。

材料的组织取决于其成分及工艺过程。

二、本章重点

（1）晶体结构的基本概念，三种典型晶格（体心立方、面心立方和密排穴方）的原子排列规律及基本参数。

（2）实际金属中的三类晶体缺陷（点、线、面缺陷）。

（3）材料的结构及特点。

（4）过冷度的概念，过冷度对结晶过程的影响规律。

（5）结晶过程中形核和长大的概念，自发形核、非自发形核、树枝状长大。

（6）获得细晶粒的方法。

（7）熟练掌握铁碳合金相图的全貌，要能默画出铁碳合金相图，并能标出图上的特性点（G、C、E、F、P、S）、线（ECF、PSK、GS、ES）的温度和成分，能填上各区域的相和组织的组成。

（8）画冷却曲线，分析典型铁碳合金的结晶过程，应用杠杆定律计算在室温下平衡组织中的相和组织组成物在整个合金中占的质量百分数，特别是钢的部分。

（9）弄清铁碳合金的成分、组织与性能之间关系，即随含碳量的变化，其组织和性能的变化规律（图1.2.1）。