材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ) 1、 離子鍵 電負(fù)性相差大的原子間相互靠近時(shí)，互有電子得失而成為正負(fù)離子，由靜電引力結(jié)合在一起。 例如NaCl, KCl, GaAs, 2、 共價(jià)鍵 同類或性質(zhì)相近類原子間結(jié)合，借 共用電子對而結(jié)合。 例如SiC,金剛石，高分子材料、 圖21 NaCl 晶體 3、 金屬鍵 A、金屬原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 外層電子少，易失去，而成為 自由電子；在金屬聚合物中成為“電子氣”。 這種由金屬正 離子與自由電子氣相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。 B、金屬的物化性能取決于金屬鍵 例如導(dǎo)電、光澤、導(dǎo)熱、塑性變形能力、 3、 分子鍵和氫鍵 A、 分子鍵范德瓦爾斯鍵 B、 氫鍵極性鍵 一、 結(jié)合鍵的性

2、能特點(diǎn)（略講） 見書P10，表21 二、 材料的鍵性 根據(jù)鍵性，可以估計(jì)材料的性能。 材料中有的是單一種鍵，更多的是幾種鍵的組合。 1、 金屬材料 金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵；但金屬材料中的金屬間化合物是離子鍵。 書中提及的灰錫（共價(jià)鍵）已不能用做工程材料，此類狀態(tài)已失去了金屬性能。 2、 陶瓷材料 離子鍵為主，亦有共價(jià)鍵。 所以，陶瓷材料硬度高，熔點(diǎn)高，脆性大。 3、 高分子材料 共價(jià)鍵和分子鍵。 高分子材料分子大的特點(diǎn)，決定了其分子之間 的作用力大，性能好。 鏈、環(huán)及其復(fù)合形式的大分子結(jié)構(gòu)，不同的基在不同部位的連接使其性能不同。 離子鍵 硅酸鹽陶瓷 半導(dǎo)體 黏土 高分子 金屬鍵分子鍵 圖

3、23 結(jié)合鍵四面體 2、材料的晶體結(jié)構(gòu) 基本概念 晶體與非晶體原子或分子的空間有序排列形成晶體；反之為非晶體。 有序即按照某種規(guī)律排列而成（后面課程中講），長程有序。 （例如Nacl、糖等） 非晶體又稱過冷液體，近程有序。 （例如玻璃等） 一、 晶體的基本概念 （一） 晶格和晶胞（表示方法）抽象法（抽象晶體） a、 將原子視為球形，它們的堆砌集可有不同的規(guī)律（多樣性）。 一些生活常識(shí)可知。 b、 若視其為空間幾何點(diǎn)，則其空間排列（多樣性）稱為空間點(diǎn)陣。 c、 將點(diǎn)陣用假想直線連接（多樣性）（類似建筑工程腳手架結(jié)構(gòu)）稱為晶格。 d、 其中有代表性（最小的空間單元）的幾何單元稱為晶胞。 不同的堆集

4、方式有不同的空間點(diǎn)陣，即各自具有代表性的空間單元亦不同，即晶胞不同。 e、 晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶體常數(shù)。 晶胞棱間夾角用、表示。 見圖24 z y x a 簡單立方晶體 （b）晶格 （c）晶胞 （二） 晶系 不同元素的原子在一定條件下對應(yīng)某種晶格。 當(dāng)條件變化到另外某種狀態(tài)（T-P-）時(shí)，又可轉(zhuǎn)變成（對應(yīng)于）另外的晶格。 法國晶體學(xué)家布拉菲（Brarais）用數(shù)學(xué)的方法推算出所有已知晶體分屬于14種空間 點(diǎn)陣。 根據(jù)晶胞的6個(gè)參數(shù)（a、b、c、）把14種空間點(diǎn)陣歸納為七大晶系。 見表22（P12） 三、晶格尺寸和原子半徑 A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸單位）是晶格常數(shù)。 立方晶系只用一

5、個(gè)a即可表示。 B、原子半徑，現(xiàn)代物理科技仍未達(dá)到能精確測定物質(zhì)原子直徑的水平，即“測不準(zhǔn)”定理。 但用X-Rag衍射法能測出晶體中點(diǎn)陣中心距。 可根據(jù)點(diǎn)陣類型推算出原子半徑Ra（緊靠的原子中心距的一半） 對同種原子而言，晶格類型不同，半徑不同。 （配位數(shù)下降，半徑下降）用鋼球模型推算。 （四） 、原子數(shù)一個(gè)晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)目。 （鋼球模型） （五） 、 配位數(shù)和致密度 1. 配位數(shù)在晶體中每一原子周圍所具有的是其等距離的最鄰近的原子數(shù)目叫配位數(shù)。 2. 致密度晶胞中原子本身所占的體積的百分?jǐn)?shù)（K） Kn4/3r3/V 二、 常見純金屬的晶格類型（理想純） （一） 體心立方晶格（bcc bo

6、ady centerad cube） 常見金屬30種之多 （例如-Fe 、Cr、Mo、W、V、Nb） （2a）2a24r2 2 a2a242r2 3 a24r2 r3/4a 晶胞原子數(shù)1/8812個(gè) 配位數(shù)8 ABABABAB。 。 。 。 致密度K 24/3r3 （圖25 bcc） a3 二 面心立方晶格（FCC face centered cube） 晶格常數(shù)亦只用一個(gè)a表示。 顯而易見r/4a 晶胞的原子數(shù)1/881/264個(gè) 配位數(shù)12 ABCABCABC。 。 。 可算出致密度為0.74 （圖26 FCC） 屬于這種晶格的金屬有 r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等20種。

7、 三 密排六方晶格 （HCP hexagonal close-packed） r1/2a c/a1.633 晶胞原子數(shù)1/6121/2236 ABABABAB。 。 。 （圖27 HCP） 配位數(shù)12 致密度0.74 屬于該類晶格的金屬有 Mg、Zn、Be、Cd等二十幾種。 三、 立方晶系的晶面、晶向表示方法（空間解析法） （一） 晶面指數(shù) 晶體中各種方位的原子面叫晶面，表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。 不同的晶面上的原子排列密度不同。 晶面指數(shù)確定法（三個(gè)步驟） 1、 以晶格中某一原子為原點(diǎn)建立笛卡爾生標(biāo)系，（三個(gè)邊，分別作三維生標(biāo)軸）。 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測量單位，求出所求晶面在三生標(biāo)軸上的截距

8、。 不能出現(xiàn)零截距即原點(diǎn)在所求晶面之外。 2、 求倒數(shù) 3、 化簡成最簡整數(shù)，用圓括號(hào)括起來，（H、K、L）就成為晶面指數(shù)（H、K、L）代表一組相互平行的晶面。 在不同的象限會(huì)出現(xiàn)負(fù)號(hào)。 見圖28。 （二） 晶向指數(shù) 概念晶向晶體中各個(gè)方向上的原子列。 原子的一維排列。 晶向指數(shù)表示晶向的符號(hào) 晶向指數(shù)求法（三步驟） 1、 在晶格中建立生標(biāo)（方法同晶面求法）。 過原點(diǎn)引平行于所求晶向的直線。 2、 以晶格常數(shù)為單位求直線上任一點(diǎn)的三個(gè)生標(biāo)。 3、 化簡加一方括號(hào)即為所求晶向指數(shù) u、v、w u、v、w代表一組平行的晶向。 4、HCP與立方晶系不同。 圖29 一些晶向的晶向指數(shù) （三） 晶面及晶

9、向的原子密度 概念晶面原子密度單位面積中的原子數(shù)。 晶向原子密度單位長度上的原子數(shù)。 表23，體心立方（bcc）晶格中主要晶面和晶向的原子密度。 （注意P14）表中（111）晶面上密度計(jì)算有誤 同樣可以求出FCC（111）原子密度最大，110原子密度最大。 原子密度影響晶體性能。 （四） 晶面族和晶向族 前面講過同一個(gè)（h、k、l）u、v、w分別代表了一組晶面和晶向。 由于晶體的對稱性，在不同的位向（解析幾何）原子排列分布完全相同的晶面和晶向稱為晶面族 h、k、l ，晶向族u、v、w 注意立方晶格中，指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。 例如（111）111，可用解析幾何的計(jì)算法計(jì)算晶體。 四、

10、 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) （一） 多晶體 位向不同的單晶體構(gòu)成大多數(shù)實(shí)際金屬材料 存在晶界缺陷 10-110-3mm晶粒 顯微鏡下才能看到（用腐蝕劑腐蝕后，4硝酸酒精） （二） 晶體缺陷 1、 點(diǎn)缺陷 圖210 晶體中的點(diǎn)缺陷 空位、間隙原子（換輻射等原因造成）和外來原子（用物理或化學(xué)的方法引進(jìn)）都是晶格的點(diǎn)缺陷。 它們破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲稱為晶格畸變。 它的存在使材料的HB上升， 2、 線缺陷 位錯(cuò)，dislocation， 見圖211 ，金屬中位錯(cuò)數(shù)量很多，特別是大量塑變后，位錯(cuò)密度增加。 位錯(cuò)少時(shí)降低材料強(qiáng)度，但達(dá)到一定數(shù)量后又提高材料的強(qiáng)度。 （1）、刃位錯(cuò)， （2）、螺位

11、錯(cuò) 強(qiáng)度 b b 柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直， 柏氏矢量與位錯(cuò)線平行 位錯(cuò)密度 圖212 金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系 3、 面缺陷 1） 晶界（低溫狀態(tài)，高溫狀態(tài)），小角度與大角度晶界 2） 亞晶界 r位向差 1015度稱為大角度晶粒之間位向差。 3） 相界面 五、 合金的晶體結(jié)構(gòu) 概念合金兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 （物理、化學(xué)的方法） 例如黃銅CuZn 鋼Fec 高聚物混合體系-“合金”高聚物之間或高聚物與單體之間經(jīng)物化反應(yīng)形成。 例如ABS丙烯晴丁二烯苯乙烯，EPSF 等、 工程使用的大多數(shù)是合金。 高聚物混合體系 相 不同元素相互作用會(huì)形成各種不同的

12、積聚狀態(tài)；合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的，均勻的組成部分。 純金屬單一相。 組織各相（相同的或不同的）以不同的數(shù)量比和形狀的組合。 固態(tài)合金的相錯(cuò)誤未找到引用源。 固溶體晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同。 錯(cuò)誤未找到引用源。 金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)與各組元均不同，新結(jié)構(gòu)。 （一） 固溶體 溶劑與合金本結(jié)構(gòu)相同的組元 溶質(zhì)與合金本結(jié)構(gòu)不相同的組元 如果合金各組元均屬同一結(jié)構(gòu)則以多少定為溶質(zhì)、溶劑。 例如Au-Cu 固溶體一般用、表示。 1、 置換固溶體 特點(diǎn)溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子點(diǎn)陣 中的某些點(diǎn)。 有序固溶體又叫超結(jié)構(gòu)。 無序固溶體為常見。 （ 見圖2-14） 原子

13、半徑相近，相結(jié)構(gòu)相同的 元素之間易形成置換固溶體。 圖214 置換固溶體 2、 間隙固溶體 溶質(zhì)原子比較小時(shí)，例如C、N等， 它們位于晶格間隙而形成的固溶體 稱為間隙固溶體。 （見圖2-15） 該圖為二維（平面）視圖。 同學(xué)們可根據(jù)前述 bcc、fcc、hcp立體結(jié)構(gòu)理解。 圖215 間隙固溶體 3、 固溶體的溶解度 有限互溶濃度常以重量百分比表示。 無限互溶Au、Cu一旦跨越50界則溶劑變成溶質(zhì)。 影響溶解度的因素原子大小，晶格類型，電化學(xué)性質(zhì)，電子濃度等。 電子濃度易失去的原子最外層價(jià)電子（多少）數(shù)目決定了晶（胞）格中的電子濃度。 （價(jià)電子/原子數(shù)目） 4、 固溶體的性能 溶劑、溶質(zhì)間原子

14、半徑不同（Au、Cu亦然）固溶體有晶格畸變。 所以溶質(zhì)增加、固溶體的、HB上升，塑韌性下降。 （結(jié)合上一節(jié)晶體缺陷（點(diǎn)、線、面）簡明闡述強(qiáng)化概念、位錯(cuò)移動(dòng)阻力。 ） （二） 金屬化合物 兩種以上的元素原子形成一種不同于任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新相叫金屬化合物，一般可用化學(xué)分子式，大致表示其組成。 特點(diǎn)熔點(diǎn)高、硬度高、脆 合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 例如軸承合金（滑動(dòng)軸承巴氏合金）常含組元，Sn、Pb、Si、Cu等。 可形成的金屬化合物有SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca. 1、 正常價(jià)化合物 特點(diǎn)符合一般化合物原子價(jià)規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。 例如Mg

15、2Si, Mg2Sn , Mg2Pb , MnS 2、 電子化合物 特點(diǎn)不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律 電子濃度價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。 見表2-4，合金常見的電子化合物。 3、 間隙化合物 特點(diǎn)過渡族金屬元素（元素周期表）與C、N、H、B非金屬元素形成的金屬化合物。 分兩類 1）間隙相當(dāng)原子半徑比0.59時(shí)形成簡單晶格的間隙化合物稱為間隙相。 例如V、VC、FCC、bcc 見圖2-16 表2-5 間隙相的化學(xué)式與晶格類型的關(guān)系。 M金屬 ，X非金屬。 2）間隙化合物 特點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 （當(dāng)原子半徑比大于0.59時(shí)） 例如 鋼中Fe3C，高速鋼中Cr23C6，F(xiàn)e4W2c，Cr6C3。

16、錳鋼中Mn3C等。 見圖2-17 ， Fe3C晶格。 金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。 例如同學(xué)們學(xué)過的Fe3O4是FeO 中又固溶了一個(gè)O原子。 在成分復(fù)雜的合金中（合金鋼） 高速鋼金屬化合物為基的固溶體較多 歸納總結(jié) A、置換固溶 1、 固溶體 B、間隙固溶 合金相組成 A、正常價(jià)化合物 間隙相 B、電子化合物 C、間隙化合物 2、 金屬 D、金屬化合物固溶體 復(fù)雜結(jié)構(gòu) 化合物 間隙化合物 2金屬的結(jié)晶過程 一、 冷卻曲線和過冷度 T0 測定液態(tài)金屬冷卻時(shí)T與t的變化關(guān)系T T 作出冷卻曲線。 溫度 概念結(jié)晶潛熱 只有存在過冷度結(jié)晶才能進(jìn)行。 圖3-2 純

17、金屬的冷卻曲線 時(shí)間 *V冷越大，過冷度越大。 二、結(jié)晶時(shí)的能量條件 熱力學(xué)定律指出，在等壓條件下（對液體而言， P的變化對系統(tǒng)影響不大） 一切自發(fā)過程都是朝著F下降的方向進(jìn)行。 F （嚴(yán)格講應(yīng)用G）FU -TS 自由能液相 U、T、S是狀態(tài)函數(shù)， T 固相 F必定是狀態(tài)函數(shù)。 溫度低于TO時(shí)， 晶體的F低。 T1 T0 溫度T 自發(fā)過程 圖3-3 液體與晶體自由能與溫度的關(guān)系曲線 dF v,t 0 ； or, G HTS , dG vdpsdt ; G Lm T/Tm LmLL-Ls 三、結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件（結(jié)構(gòu)起伏） 結(jié)晶的一般過程是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程。 這是結(jié)晶的普遍規(guī)律。 見

18、圖3-4。 圖34 結(jié)晶過程示意圖 1、 小于TO，L經(jīng)過孕育期（能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏）出現(xiàn)晶核。 （晶胚晶核） 2、 晶核不斷長大，同時(shí)新的晶核又不斷出現(xiàn)。 3、 直到L消耗完為止。 至此每個(gè)晶核都長大成為一個(gè)小晶粒，眾多晶粒結(jié)合在一起形成多晶體。 *尚若只有一個(gè)晶核（可人工控制）長大成晶粒便是單晶體，如Si 、Ge 、GaAs 、C 、KCl 4、 自發(fā)形核與非自發(fā)（或人工）形核。 （1）、臨界晶核半徑 rk 2/Gv 2Tm/LmT 2、臨界形核功 GK 1/3SK163 T2/ 3L2mT2 3、臨界形核功與T的關(guān)系 5、 晶體長大的方式有很多種，金屬晶體一般條件下主要是以樹枝狀形式長大

19、。 見圖3-5。 6、 體的外延生長-CZ法（C.Zochralski）單晶硅晶體生產(chǎn)工藝 Al203, Fe304,GaAs,等單晶體亦用此法。 一、 單晶爐組成 （1）、爐體爐殼，石英坩堝，石墨坩堝，加熱及絕熱元件 （2）、晶棒提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)籽晶夾頭，吊桿及提升旋轉(zhuǎn)元件 （3）、氣氛與壓力控制真空系統(tǒng)與氣體流量控制 （4）、電腦控制系統(tǒng) 二、 工藝 加料-熔化-縮徑生長-放肩生長-等徑生長-尾部生長 （1）、加料多晶硅加摻雜元素 （2）、熔化14200C以上，氬氣保護(hù)，低真空 （3）、縮徑生長消除位錯(cuò) （4）、尾部生長防止位錯(cuò)產(chǎn)生 3晶粒大小的控制 一、 晶粒度 1、 晶粒度是表示晶粒大小的

20、一種尺度。 2、 工業(yè)上用晶粒等級(jí)來表示晶粒大?。ǚ糯?00倍顯微鏡）1-8級(jí)。 1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。 外擴(kuò)展級(jí)別015級(jí)。 有標(biāo)準(zhǔn)圖冊供對照。 二、 晶粒大小對金屬性能的影響。 P22表3-1 晶粒越細(xì)小，力學(xué)性能越好。 高溫下工作的材料，晶粒過大和過小都不好。 硅鋼片亦求大晶粒。 此問題的考慮應(yīng)從晶界是面缺陷著眼。 高溫下的面缺陷易造成氧化和腐蝕。 而電工用硅鋼則應(yīng)減少面缺陷造成的電磁損失。 三、 決定晶粒度的因素 形核率N ， 長大速度G ，N/G增大則晶粒越細(xì)。 四、 控制晶粒度的方法 （一）T （二）變質(zhì)處理，外生核劑加入，促進(jìn)形核。 N上升。 （三） 振動(dòng)、攪拌等方法。 （特別是有

21、色金屬，例如AL） 4 非晶態(tài)凝固（簡要介紹） 物質(zhì)結(jié)晶是形核和晶核長大的過程，所以凡是影響晶核的形成和長大的因素，均影響結(jié)晶。 一、 熔體的粘度（決定粘度的是化學(xué)成分） 二、 冷卻速度 例如非晶態(tài)帶材的生產(chǎn)銅冷卻鼓 常用非晶體合金Co-Si-B, Ni-Fe-Cr-P-B, Cu-Zr, Fe-P-C, Pb-20Si合金等。 作業(yè)P24第1 和第4題 5同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 同素異構(gòu)現(xiàn)象是宇宙間普遍的物質(zhì)存在形式。 也正是如此才有五彩斑斕的大千世界。 在生命世界里，DNA，GNA的異構(gòu)體構(gòu)成了遺傳密碼的不同。 物質(zhì)在不同的條件（溫度、應(yīng)力、電磁場、PH值）下，發(fā)生結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)變。 一、 熱誘導(dǎo)同素

22、異構(gòu)轉(zhuǎn)變 1、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 A、直觀實(shí)驗(yàn)介紹 （如書中圖3-7） 室溫912 1394 1538（熔點(diǎn)） B、若逆過程，從L S1rFe S2rFe S3rFe 室 溫實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度必須比理論相變點(diǎn)低，出現(xiàn)T 特點(diǎn)固態(tài)相變因晶格常數(shù)改變和不同步性，故產(chǎn)生很大的相變應(yīng)力。 應(yīng)力過大時(shí)幾何尺寸很大的軸，模具等工件都產(chǎn)生開裂，并產(chǎn)生大的聲響。 3、 英的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（閱讀） 溫度C0 1538 1394-FeBCC FCC -Fe 圖37 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變912 -Fe BCC 時(shí)間 二、 場致同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 （一）、電磁場（光）條件下 反鐵電陶瓷PbZr,Ti,SnO3 斜方四方（反鐵電相） 反鐵

23、電體 鐵電體 （二）、光致磁性相變光致晶態(tài)-玻璃態(tài)相變 GdCo , TbCo, GdCoFeCo, TbNiFe, GdTbFe, GdFe等。 轉(zhuǎn)變過程中有溫升C，但速度比熱誘導(dǎo)快1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。 光致孤對電子激發(fā)所致。 它不是熱誘導(dǎo)的擴(kuò)散型成核長大機(jī)制，而是光激發(fā)的非擴(kuò)散型躍遷-復(fù)合機(jī)制。 是一種直接固態(tài)相變，不需形核。 1-20PS時(shí)間，50ns可完成光聲耦合過程。 偶氮笨在UV（紫外光）照射下，從反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，光照停止后發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變。 螺吡喃的單重態(tài)與三重態(tài)光活性反應(yīng)異構(gòu)化 （淺黃色）閉環(huán)-（深蘭色）開環(huán)-（消色） UV 1.06-630NM光 俘精酸酐（可分散在PC，PMM

24、A中） 淺黃-藍(lán)-淺黃 365NM（UV） 白織燈 三、 化學(xué)條件的變化引起的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 交連的聚丙烯酸纖維再酸堿溶液中（PH值不同）會(huì)引起的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 等等。 Chapter 4相圖 基本概念 1、 什么叫相圖 說明相（組織）與成分和溫度的對應(yīng)狀態(tài)圖。 即相（組織）與其它可變（影響）因素對應(yīng)關(guān)系的圖（T，P） 對單組分H2O而言有T、P狀態(tài)圖。 *相圖表示的是熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即自由能最低的狀態(tài)。 2、 相圖的由來 熱分析法、磁性法、熱膨脹法等。 1） 人類認(rèn)識(shí)自然總是從事物的表面現(xiàn)象到本質(zhì)，從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，通過抽象和推理，通過反復(fù)實(shí)踐認(rèn)識(shí)客觀真理。 2） 人類在冶金和材料科學(xué)發(fā)展

25、過程中，首先發(fā)現(xiàn)不同成分（配料）的合金，其熔點(diǎn)和力學(xué)性能不同的事實(shí)現(xiàn)象。 A、 中國青銅時(shí)代的兵器（例如劍） B、 相圖古代文化不利于自然科學(xué)技術(shù)的研究方法（邏輯抽象思維）的發(fā)展。 3） 只有在顯微鏡、熱電隅問世后測定相圖才成為可能。 3、 相圖的作用（對金屬而言） 制定熔煉、鑄造、鍛壓及熱處理等工藝的重要依據(jù)。 1二元相圖的建立 在3-2與3-4中講到了同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變中的溫度臺(tái)階。 金屬在從L到S到室溫冷卻過程（凝固曲線）中，會(huì)有一到幾個(gè)溫度臺(tái)階。 1、 設(shè)計(jì)一系列合金（不同配比點(diǎn)）然后用緩慢冷卻的冷卻曲線中的折點(diǎn)（ ）連成對應(yīng)曲線便成相圖。 見圖4-1。 2、 本例是最簡單的一種相圖（無限互

26、溶的勻晶相圖）但多數(shù)二元相金相圖都不是完全無限互溶。 L 溫度 s 時(shí)間 Cu 23 46 75 Ni Ni a 冷卻曲線 b 合金相圖 圖41 CuNi 合金相圖的測定與繪制 而是有限的互溶。 且會(huì)生成一些化合物，還有同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。 這些轉(zhuǎn)變同在相同中表達(dá)出來，故相圖都復(fù)雜。 但均可分解為幾個(gè)典型相圖的 組合。 （就像一輛復(fù)雜的汽車是由許多基本的零部件構(gòu)成一樣。 ） 2二元相圖的基本類型與分析 a 二元?jiǎng)蚓鄨D L、S狀態(tài)下二組元均無限互溶。 例如AuAg CuNi CuAu i. 相圖分析 見圖4-2 L LL L 溫度 L1L 1 L5 5 Cu Ni Ni時(shí)間 a b 圖42 銅鎳合

27、金勻晶相圖 CuNi二元合金勻晶相圖。 “相”的概念已在前幾節(jié)課中建立。 ii. 合金的結(jié)晶過程。 （重點(diǎn)講解） L中析出固相12345，例如鹽水結(jié)冰） L相成分也由L1L2L3L4L5，與之平衡。 平衡是指化學(xué)位相等。 即cuLcua, Af NiLNia 任意溫度下Ti,便有相應(yīng)的熱力學(xué)平衡。 液固兩相的成分平恒通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。 如果條件不允許充分?jǐn)U散，便會(huì)出現(xiàn)成分偏析。 若發(fā)生在樹枝狀晶中便叫枝晶偏析。 iii. 枝晶偏析 偏析會(huì)影響材料的物化性能和力學(xué)性能。 可通過高溫（Tm200擴(kuò)散退火消除成分偏析。 使成分均勻化。 iv. 杠桿定律（兩相圖適用） 利用物質(zhì)質(zhì)量守恒法則求得某一合金中任

28、一組元總量等于各相中的分量之和。 不同條件下的相的成分及其相對量，可通過杠桿定律求得。 GL（X） G（X） temperature B XL X Xa Tx xlxxxa QL Q A xLX Xa Cu Ni Ni a b 圖43 杠桿定律的證明 1、 確定兩平衡相的成分（濃度） tx時(shí) L相 X1Ni 相 X2Ni 溫度是水平線，在T一定時(shí)便有對應(yīng)的兩相平衡。 2、 確定兩平衡相的相對量 a 設(shè)合金的總重量為1 L相重量 QL 濃度 X1 相重量 Qa 濃度 X1 已知合金中平均Ni含量為X，則根據(jù)物質(zhì)守恒定律，列出下列方程組 QL Qa1 錯(cuò)誤未找到引用源。 QL.X1 Qa.X2X

29、錯(cuò)誤未找到引用源。 解方程組得 QL X2- X0 X2- X1 Qa X- X1 X2- X1 b 二元共晶相圖 當(dāng)兩個(gè)組元液態(tài)時(shí)L無限互溶 S有限互溶（即在某個(gè)較小的溶解度范圍） 且發(fā)生共晶反應(yīng)（有限互溶固溶體同時(shí)從L中結(jié)晶出來）所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖（若三組元，便是三元晶相圖）. 例如PbSb AlSi PbSn 今以PbSn二元合金相圖 A 327 L 232 B LEL D C 183 T F19.2 61.9 97.3 Sn Pb Sn 一 相圖分析 相L、 三T單相區(qū) L L 三個(gè)雙相區(qū) L相線AEB S相線ACEDB 共晶線CED LEcD 共晶組織 恒溫反應(yīng)過程中L、三

30、相共存，量不斷變化，最終L消耗盡。 、相的成分（濃度）都是一定的。 固溶線CF DG 隨溫度的變化而變化。 共性T下降，溶解度（濃度）下降。 （二）合金1的結(jié)晶過程 1、 合金的結(jié)晶過程 T高于1點(diǎn)，L，12之間勻晶反應(yīng) 一次晶 ，2點(diǎn)反應(yīng)結(jié)束，23點(diǎn)間單相，3點(diǎn)時(shí)，碰到固溶線，隨著T下降，相圖析出以Sn為基體（溶劑）Pb為溶質(zhì)的相，稱為2（區(qū)別于一次結(jié)晶L） 因?yàn)樵摮煞纸M織中相全是2，在此 兩相區(qū)中可用杠桿定律計(jì)算出2的量。 2F4FG100 注意2的析出為固相析出，不容易故細(xì)小分散在晶界處為多。 晶粒中的缺陷處。 例如亞晶界，位錯(cuò)。 層錯(cuò)、 見圖46 2、 合金2的結(jié)晶過程 （見圖47 合

31、金2成分，E點(diǎn)（61.9Sn） CED線上共晶反應(yīng)線 LEcD 兩相比EDCE 注意2、2在原共晶組織中相界面處析出離異析出依附到原（相）片上，不易區(qū)分出。 但在CED線上求出相的多少重量后，再在FG區(qū)求出相，此時(shí)各包含2、2相，前后兩者相減便得出2、謀劃策相的重量。 3、 合金3的結(jié)晶過程 CE之間為亞共晶合金；12之間為勻晶反應(yīng)，析出1。 同時(shí)，沿固相線和液相線各對應(yīng)成分變化，最后固相成分平衡在C點(diǎn)，L相平衡在E點(diǎn)，兩相比同樣可用杠桿定律求出。 2點(diǎn)（CED共晶線上）L成分變?yōu)長E 見圖48 共晶反應(yīng)后，隨著T下降，相沿CF線析出2；同樣D成分沿DG線變化從D右析出2，所以其室溫組織為 （

32、）22 上述反應(yīng)包括勻晶反應(yīng)共晶二次析出 注意固相的成份平衡靠原子固相擴(kuò)散（二次析出亦靠擴(kuò)散） 4、 合金4的結(jié)晶過程 ED之間為過共晶區(qū)，合金4的結(jié)晶過程與3相似，只不過一次結(jié)晶 析出的不是1而是1。 綜上所述，從相的角度來說，PbSn合金只有兩相。 及（）在金相顯微鏡下都有一定的組織特征，稱為組織組成物。 此時(shí)，有先析出的1共晶出的（）片層（和其它的顆粒、螺旋等形態(tài)）狀組織，當(dāng)然它們之中包含了2及2，離異析同后依附在先析出相組成物上了。 按組織組成物填相圖如下這與顯微鏡下觀察到的組織是一致的。 c 二元包晶（反應(yīng)）相圖 例如Fe C CuZn CuSn等均有包晶反應(yīng)。 顧名思義，包晶反應(yīng)是

33、LS的反應(yīng)。 （一） 相圖分析以Fe C相圖為例，（部分相圖） 包晶線HJB（水平線恒溫） B點(diǎn)0.53 H 0.09 L J 0.17A11 特點(diǎn)1538L1 反應(yīng)是在L與SB 固相界面上形核。 溫度H 3 J A 3LA 圖411 包晶相圖 A 1394N 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Fec 形成的A核對內(nèi)吃掉，對外擴(kuò)張消耗L，直到L或單方或雙方耗盡為止。 C L ALA （二） 合金的結(jié)晶過程 合金1自進(jìn)入LS勻晶相區(qū)到2點(diǎn)時(shí)，HJB包晶線上反應(yīng)開始前的固液相L、S之比為（重量）L/SHJ/JB，這樣數(shù)量比的兩相包晶反應(yīng)完畢完后雙相全部耗盡，形成單一的相，進(jìn)入單相區(qū)，

34、其結(jié)晶過程（包含）經(jīng)歷了勻晶反應(yīng)加包晶反應(yīng)。 合金2的成分位于J點(diǎn)左側(cè)，反應(yīng)前兩相比為L/SH2/2B 顯然，S相過剩，所以反應(yīng)后進(jìn)入兩相區(qū)，S，為新生（包晶反應(yīng)）相HJN勻晶區(qū)，（固相勻晶區(qū)），結(jié)晶過程 勻晶包晶固相勻晶 合晶3的成分位于J點(diǎn)右側(cè)，僅包晶反應(yīng)后L相過剩，而進(jìn)入L兩相區(qū)（勻晶區(qū)）過程勻包勻 d 形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖 此類化合物熔化前不分解，無成分變化。 Mg2Si可視為一個(gè)組元，分割成兩個(gè)共晶相圖。 TL Mg2Si LSi LMg LMg2Si946.7 LMg2Si圖414 638.8 MgMg2Si Mg2SiSi MgSi e 具有共析反應(yīng)的二元合金相圖 類似于

35、共晶反應(yīng)，在一恒定溫度（水平線）由一固相同時(shí)（析出）兩新的固相c 1D2E 注意固相反應(yīng)原子 擴(kuò)散較難，易于在較L 大T下進(jìn)行，從而組L 織細(xì)（比共晶）， 固相比容之差會(huì)產(chǎn)生 內(nèi)應(yīng)力。 （見圖4-15） 1C2 1 D E 2 12 AB f 二元相圖的分析步驟 相圖種類多，但分析二元相圖時(shí)，由復(fù)雜相圖都是由上述基本相圖組合而成。 1. 先分清（劃分）基本類型相圖組合。 2. 穩(wěn)定化合物可視為分界線，分成幾個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行分析。 3. 二元相圖中，相鄰相區(qū)相數(shù)差為一（水平）兩個(gè)單相區(qū)之間有兩相區(qū)。 4. 找出三相共存水平線（包晶、共晶、共析）確定相變反應(yīng)特點(diǎn) 5. 分析具體合金的結(jié)晶過程和組織

36、單相區(qū)相成分為合金成分. 兩相區(qū)相成分各沿相界線變化，兩相比例可用杠桿定律求出. 三相平衡（水平線）三個(gè)相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相對量不同。 g 相圖與合金性能之間的關(guān)系 合金成分組織性能 關(guān)系 見書中P33 略講。 作業(yè)P24第1和第4題。 3 鐵碳合金相圖 （Fe C平衡圖） 研究和學(xué)習(xí)Fe C平衡圖的意義 A、 碳鋼和鑄鐵是工業(yè)應(yīng)用范圍最廣泛的金屬材料。 Fe C合金相圖是對碳鋼和鑄鐵理想化的（亦是捉信主要矛盾的對象） 反映化學(xué)成分，溫度與組織關(guān)系的狀態(tài)圖。 冶煉（煉鐵、煉鋼）過程中自然殘存下來的復(fù)雜元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V、）沒有考濾S0.04，

37、 P0.04（GB） B、 Fe C相圖是研究Fe C合金的工具，是鋼鐵成分組織性關(guān)系的理論基礎(chǔ)。 捉住Fe C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。 對生產(chǎn)實(shí)踐、制定加工工藝有指導(dǎo)意義。 學(xué)習(xí)要求 a.本門課程的核心內(nèi)容，考試的重點(diǎn)。 b.學(xué)后達(dá)到正確地選材和制定加工工藝。 c.合金鋼的基礎(chǔ)知識(shí). 一、 Fe C合金相圖的組成 1、見圖4-18 金剛石表面金屬化處理有用。 2、Fe- Fe3C基本相圖類型構(gòu)成分析 見圖4-21 AL 1538B 1495 HJL 1394N A LAD 1148C F AE Temperature 912G FA AFe3C FS 727 K P F Fe

38、3C Q UV Fe1 2 3 4 5 6 6.69 FeC Fe3C 圖421 以相組成物表示的鐵碳合金相圖 （1） 、包晶相圖 包晶線HJB 1495度 （2） 、共晶相圖 共晶線ECF 1148度 （3） 、共析相圖 共析線PSK 727度 （4） 、穩(wěn)定成分化合物線 DFK 6.69 Tm 1227度 進(jìn)一步細(xì)分 （5） 、部分勻晶相圖 液相勻晶LS LA L Fe3C 固相勻晶SA FA 3、 五個(gè)基本相（5個(gè)單相區(qū)）L、S、A、F、Fe3C 高溫鐵素體bcc 0.09C1495度H點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn) A奧化體fcc 2.11c（1148度）E點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn) 塑性好，力學(xué)性能與晶粒度

39、有關(guān) F鐵素體bcc 0.0218（727度）P點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn) 低硬、低強(qiáng)、高塑性 Fe3Ccm 復(fù)雜結(jié)構(gòu) 6.69c TM1227度 HB800 亞穩(wěn)相，其形狀和分布對鋼鐵性能影響很大，主要強(qiáng)化相。 4、 相圖中的點(diǎn)分析P35表4-1 5、 相圖中的線分析 a ABCD液相線 b AHJECF固相線 c 三條水平（恒溫轉(zhuǎn)變）線 HJB包晶線LBH AJ ECF共晶線LC AE Fe3C F. Ledeburite PSK共析線AS FP Fe3CK. Pearrite 6、 另外三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線 a GS（A3）線F溶入A及從A中析出線 b ESAcm線 Fe3C析出溶入線 c PQ線 Fe

40、3C析出溶入線 7、 5種Fe3C（）的由來及名稱 Fe3C1 直接從L中先相相 Fe3C ES線為其固溶線 Fe3C PQ線 Fe3C共晶ECF線 Fe3C共析PSK線 8、MO線 770度 F磁性轉(zhuǎn)變溫度 9、UV線 230度 Fe3C磁性轉(zhuǎn)變溫度 三、鋼和白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析 （一）工業(yè)純鐵 P點(diǎn)以左成分 （二）共析鋼 0.77C （三） 亞共析鋼 （四） 過共析鋼 （五） 共晶白口鐵 4.3 （六） 亞共晶白口鐵過共晶白口鐵 書上七種典型成分FeC合金結(jié)晶過程，固相轉(zhuǎn)變及室溫組織。 三、 含鐵量對鐵碳合金組織和性能的影響（自學(xué)） i. 含碳量對室溫平衡組織和性能的影響 結(jié)晶過程分析及

41、杠桿定律計(jì)算，可得到室溫時(shí)組織組成的相成物之間的定量關(guān)系，如圖4-37 ii. C對力學(xué)性能的影響 見圖4-38，關(guān)鍵在于Fe3C的量，形狀及分布狀態(tài)。 iii. C對工藝性能的影響 鑄造性，共晶點(diǎn)最好；亞共晶區(qū)，力學(xué)性能好。 作業(yè)P24 第1和4 P43第4、6、8 CHAPT 5金屬的塑性變形與再結(jié)晶 概念彈性變形，去除應(yīng)力后變形恢復(fù)；塑性變形，去除應(yīng)力后變形保留。 塑變組織內(nèi)能高，加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化，性能相應(yīng)變化。 金屬的塑性變形（壓力加工） 例汽車沖壓件生產(chǎn)、軋鋼、鍛造等，多晶體材料的塑變來源于其眾多的單晶體。 一、 單晶體金屬的塑性變形。 1） 任何一個(gè)晶面上都可將外拉力分解為正應(yīng)力和

42、切應(yīng)力，與力軸成45度角的晶面上切應(yīng)力最大（max）只有使晶體產(chǎn)生塑變 塑變方式滑移、孿生方式 （一） 滑移 概念晶體的部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分晶體發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。 1、 滑移變形的特點(diǎn) A、 切應(yīng)力（臨界切應(yīng)力）產(chǎn)生滑移最小的切應(yīng)力. B、 密排晶面、晶向，滑移阻力小，原子面間距大 見表5-1 三種典型金屬晶格的滑移系。 P 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移 變性的可能性越大，塑性越好。 C、 滑移結(jié)果臺(tái)階-滑移線 多條滑移線形成滑移帶 D、晶體轉(zhuǎn)動(dòng) P 2、 滑移的機(jī)理 不是晶體一部分與另一部分的剛性滑動(dòng)，而是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 見圖5-4 晶體中通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成滑移的示意圖。 （二） 孿

43、生 特點(diǎn)鏡面對稱性切變，相鄰原子面相對移動(dòng)小于一個(gè)原子間距。 所需應(yīng)力大，變形速度快（聲速）.亦有相變過程中的原子錯(cuò)排現(xiàn)象退火孿晶。 （例如銅） 二、 多晶體金屬的塑性變形 （一） 晶界和晶粒位向?qū)Χ嗑w塑變的影響 1、 晶界的影響位錯(cuò)堆積產(chǎn)生塑變抗力。 2、 晶界位向的影響未達(dá)到塑變臨界點(diǎn)的不同位向晶粒對變形晶粒有彈性約束作用和位向差造成的分力要求對主力的增大。 （二） 粒大小對金屬力學(xué)性能的影響。 細(xì)晶強(qiáng)化;d ,b , HB , , , K （三） 多晶體金屬的塑性變形過程（多系交替滑移-自學(xué)） 要點(diǎn)與外力呈45度角的滑移系，當(dāng)切應(yīng)力超過臨界值后開始滑移由此及彼，其中有其它晶粒的位向調(diào)整

44、（彈性的與塑性的調(diào)整）和不利滑移系在大應(yīng)力下的開動(dòng)。 圖57，58。 2合金的塑性變形與強(qiáng)化 合金元素使晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化晶格畸變與新相生成 組織單相固溶體和多相混合物兩種。 一、 單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化合金原子（溶質(zhì)）使固溶體晶格畸變致使硬度、強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。 原因晶格畸變吸附，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使固溶體變形抗力提高。 二、 多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化。 說明純金屬在工程中的應(yīng)用較少，（例如Cu Ni Au Co、） 多數(shù)是在表面處理的涂鍍層中使用而工程使用的則是合金化了的材料，即單相固溶體（如單相奧氏體體不銹鋼）或多相固溶體及金屬化合物。 （如工具鋼） 1基體（固溶體） 合金組織（多相混合） A、固溶體 2、NO2 NO3相 B、純金屬 B、 化合物 第 二、 三、相的性能及其形態(tài)和分布不同，對合金性能的影響不同。 （三層意思） 例晶界網(wǎng)狀分布 若網(wǎng)物為硬略相，對合金強(qiáng)度與塑性都不利。 片層狀分布 HB上升，塑性下降。 晶內(nèi)彌散質(zhì)點(diǎn)分