材科重要知識點(diǎn)3

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》習(xí)題課

“相圖與凝固”部分1．按不同特點(diǎn)分類，固溶體可分為哪幾種類型？影響置換固溶體固溶度的因素有哪些？2．影響固溶體的無序、有序和偏聚的主要因素是什么?3．（1）間隙化合物與間隙固溶體有何根本區(qū)別?（2）下列中間相各屬什么類型？指出其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要控制因素：MnS、Fe3C、Mg2Si、SiC、Cu31Zn8、Fe4N、WC、Cr23C64．陶瓷材料中的固溶方式與金屬相比有何不同？影響陶瓷材料中離子代換或固溶度的因素有哪些？5．鉍（熔點(diǎn)為271.5℃）和銻（熔點(diǎn)為630.7℃）在液態(tài)和固態(tài)時均能彼此無限互溶，的合金在520℃時開始結(jié)晶出成分為的固相。的合金在400℃時開始結(jié)晶出成分為的固相。根據(jù)上述條件，（1）繪出Bi-Sb相圖，并標(biāo)出各線和各相區(qū)的名稱。（2）從相圖上確定含銻量為合金的開始結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度，并求出它在400℃時的平衡相成分及相對量。6．根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出概略的二元共晶相圖：組元A的熔點(diǎn)為1000℃，組元B的熔點(diǎn)為700℃；的合金在500℃結(jié)晶完畢，并由73.33%的先共晶α相和26.67%的共晶體組成；的合金在500℃結(jié)晶完畢后，則由40%的先共晶α相與60%的的共晶體組成，而此合金中的α相總量為50%。9．分析的鐵-碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的轉(zhuǎn)變過程，用冷卻曲線和組織示意圖，說明各階段的組織，并分別計算室溫下的相組成物及組織組成物的相對量。知識基礎(chǔ)Fe-Fe3C相圖復(fù)雜相圖3個恒溫轉(zhuǎn)變相圖分析相區(qū)線點(diǎn)凝固結(jié)晶后組織典型作業(yè)題確定材料成分點(diǎn)位置從高溫到室溫經(jīng)歷相區(qū)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是否經(jīng)歷恒溫轉(zhuǎn)變。從高溫液相開始敘述，一直到室溫相變過程。室溫下的相和組織及其相對量杠桿定律計算。典型作業(yè)題以含碳0.2%鋼的結(jié)晶過程為例，自液態(tài)緩慢冷卻，根據(jù)相圖，（1）首先遇到液相線，開始析出高溫鐵素體（Lδ），隨著溫度下降，L成分沿液相線變化，δ成分沿固相線變化；（2）溫度下降到1495℃，L成分達(dá)到0.52%，δ成分達(dá)到0.09%，此時，發(fā)生恒溫包晶轉(zhuǎn)變（δ0.09+L0.52γ0.17），形成成分為0.17%的γ，這個過程一直持續(xù)到δ完全消耗，進(jìn)入L和γ兩相區(qū)；（3）繼續(xù)降溫，發(fā)生剩余L向γ的勻晶轉(zhuǎn)變，直到L完全消耗，單相γ從0.17沿固相線變化達(dá)到合金原始成分0.2%，進(jìn)入單相γ；（4）溫度繼續(xù)下降在遇到GS同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變開始線前，一直處于單相區(qū)，沒有任何變化；典型作業(yè)題（5）溫度下降到與GS線相交時，奧氏體開始向鐵素體轉(zhuǎn)變（Aα），奧氏體的成分沿著GS線變化，鐵素體的成分沿GP同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變終了線變化；（6）直到溫度達(dá)到727℃，奧氏體中C含量降到0.77wt%；此時，奧氏體在這一溫度下發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變，即共析轉(zhuǎn)變，形成鐵素體和滲碳體片層相間的珠光體組織（A0.77P(F+Fe3C)）；(7)在727℃以下繼續(xù)冷卻，先析出的鐵素體和珠光體中的鐵素體中析出Fe3CIII，直到室溫。因此，室溫下該成分合金的相組成為F+Fe3C，組織為P+F+Fe3CIII。典型作業(yè)題根據(jù)杠桿定律室溫下，組織組成物百分含量為：三元相圖作業(yè)點(diǎn)評補(bǔ)充作業(yè)1、在成分三角形ABC中，標(biāo)出合金（a）75wt%A、15wt%B、10wt%C與合金（b）50wt%A、30wt%B、20wt%C的位置；用50Kg的a合金與20Kg的b合金熔配成一個新合金c，用作圖法求出新合金的成分點(diǎn)，并用代數(shù)法驗(yàn)算。2、為什么三元相圖中四相平衡共晶面是一個水平面？該水平面上部與下部有哪些相平衡空間？3、三元合金系中，相的自由能與成分關(guān)系為一曲面，從熱力學(xué)相平衡角度簡述三元系合金中恒壓下在任一溫度下的三相平衡區(qū)為直邊三角形的原因。典型例題F液相面投影圖典型例題等溫截面圖典型例題變溫截面與全投影相圖部分知識要點(diǎn)相與相結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）固溶體2類合金固溶體陶瓷材料中固溶方式固溶體偏聚與有序化合物（中間相）化合物特點(diǎn)正常價化合物電子價化合物尺寸因素化合物（間隙相）相圖部分知識要點(diǎn)二元系相圖及類型相圖基本知識--組元相圖相律一元系相圖—相區(qū)液相線多晶轉(zhuǎn)變線二元系相圖（重點(diǎn)）勻晶相圖及固溶體結(jié)晶（重點(diǎn)）勻晶轉(zhuǎn)變（LS兩相區(qū)液相線固相線）

選分結(jié)晶平衡2相杠桿定律

固溶體不平衡結(jié)晶

晶內(nèi)偏析相圖部分知識要點(diǎn)共晶相圖及結(jié)晶分析（重點(diǎn)）共晶轉(zhuǎn)變恒溫下Lα+β共晶相圖中典型合金(固溶體合金的固溶析出共晶合金的兩相協(xié)調(diào)推進(jìn)亞共晶合金與過共晶合金的先結(jié)晶析出)結(jié)晶過程相圖與組織--組織組成物不平衡結(jié)晶—偽共晶不平衡共晶離異共晶相圖部分知識要點(diǎn)包晶相圖及結(jié)晶分析（掌握）包晶轉(zhuǎn)變恒溫下L+αβ包晶相圖中典型合金(固溶體合金包晶成分合金)結(jié)晶過程不平衡結(jié)晶—偽共晶不平衡共晶離異共晶相圖部分知識要點(diǎn)其他類型二元相圖（了解）具有其他恒溫轉(zhuǎn)變相圖熔晶轉(zhuǎn)變合晶轉(zhuǎn)變偏晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變2組元形成中間相的相圖穩(wěn)定化合物相圖不穩(wěn)定化合物相圖材料性能與相圖關(guān)系（掌握）相圖與材料使用性能（力學(xué)、物理性能）相圖與材料加工性能（鑄造、焊接、壓力加工、熱處理）相圖部分知識要點(diǎn)復(fù)雜相圖分析分析方法

分割相圖—穩(wěn)定化合物分割簡化

填寫相區(qū)---填寫單相區(qū)外的多相區(qū)（兩相、三相區(qū)）分析恒溫轉(zhuǎn)變—相圖上的水平線（三相平衡）

分析結(jié)晶過程---從高溫到室溫相變過程，室溫下的相組成與組織組成物利用杠桿定律計算舉例Cu-Sn相圖分析相圖部分知識要點(diǎn)鐵碳合金相圖（重點(diǎn)）重要性雙重性鋼與鐵國際性達(dá)到隨手畫出Fe-Fe3C相圖組元：純鐵石墨滲碳體相圖分析相區(qū)單相區(qū)兩相區(qū)三相區(qū)線液相線固相線同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變起始線奧氏體與鐵素體的固溶度線磁性轉(zhuǎn)變線包晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線共析反應(yīng)線（恒溫溫度）點(diǎn)

純鐵熔點(diǎn)及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)最大固溶度點(diǎn)（成分、溫度）包晶、共晶及共析反應(yīng)成分點(diǎn)

相圖部分知識要點(diǎn)鐵碳合金按室溫組織分類鋼（亞共析、共析、過共析）鑄鐵（亞共晶、共晶、過共晶）鐵碳合金結(jié)晶過程與室溫組織分析（重點(diǎn)）純鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵

從高溫到室溫結(jié)晶與相變過程、室溫的相與組織組成物杠桿定律計算相對含量

（典型作業(yè)題）碳對鐵碳合金平衡組織和性能影響相圖部分知識要點(diǎn)鋼中的雜質(zhì)元素及其對性能影響（了解）

S熱脆P冷脆Si、Mn固溶強(qiáng)化與脆性N、O、H鋼的分類、牌號與用途（掌握）分類：按C含量分；按質(zhì)量分；按用途分牌號與用途普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0810152025；構(gòu)件、滲碳件3035404550；軸類、連桿等彈簧556065含碳量萬分?jǐn)?shù)：如45鋼：0.45wt%C工具鋼T7T8T10T12含碳量千分?jǐn)?shù)：如T8鋼：0.8wt%C相圖部分知識要點(diǎn)材料熱力學(xué)基礎(chǔ)（掌握）固溶體吉布斯自由能--成分曲線克-克方程—單元系中相平衡多相合金中相平衡化學(xué)位二元系中相平衡（公切線兩相平衡三相平衡）自由能成分曲線推測相圖（勻晶、共晶、包晶）調(diào)幅分解（難點(diǎn)）相圖部分知識要點(diǎn)三元相圖及其類型成分表示

等邊三角形頂點(diǎn)邊內(nèi)部點(diǎn)；2條特殊線三元勻晶相圖（重點(diǎn)）相圖

立體，液相面、固相面等溫截面（重點(diǎn)）

共軛曲線連線（直線）法則杠桿定律平衡結(jié)晶過程空間液相面與固相面成分三角形中蝴蝶跡線變溫截面過頂點(diǎn)變溫截面平行對邊變溫截面變溫截面功能相圖部分知識要點(diǎn)三元系中相平衡分析（掌握）吉布斯自由能--成分曲面三元系中兩相平衡（結(jié)合勻晶相圖理解）兩相平衡（f=2）及兩相區(qū)空間（共軛曲面）水平截面（等溫截面）垂直截面三元系中三相平衡（難點(diǎn)）三相平衡(f=1)及空間形狀共軛三角形三棱柱成分變溫線

（補(bǔ)充的作業(yè)題）水平截面中三相區(qū)及重心法則、轉(zhuǎn)變類型垂直截面相圖部分知識要點(diǎn)三元系中四相平衡（難點(diǎn)）四相平衡（f=0）及空間平衡平面四相區(qū)形狀與反應(yīng)類型四相共晶（析）型、包晶（析）型與包共晶（析）型反應(yīng)垂直截面中的四相區(qū)液相面投影圖中四相反應(yīng)

（補(bǔ)充的作業(yè)題）三相平衡和四相平衡結(jié)合四相共晶反應(yīng)三元系相圖理解掌握相圖部分知識要點(diǎn)具有四相共晶反應(yīng)的三元系相圖相圖分析

單相區(qū)兩相區(qū)三相區(qū)四相區(qū)系列水平截面投影圖液相面投影圖三相區(qū)投影圖全投影圖

結(jié)晶分析（難點(diǎn)）

綜合運(yùn)用前述知識：關(guān)鍵先確定合金成分點(diǎn)在投影圖中所處位置，即哪個液相面、是否在三相區(qū)、在那個三棱柱區(qū)，是否進(jìn)入四相區(qū)內(nèi)，準(zhǔn)確判斷從高溫到室溫的相變過程，從而確定室溫下組織組成。（典型作業(yè)與例題）相圖部分重要概念合金固溶體置換固溶體間隙固溶體等價代換異價代換短程有序有序固溶體有序化溫度電子化合物簡單間隙化合物L(fēng)aves相勻晶反應(yīng)選分結(jié)晶晶內(nèi)偏析共晶反應(yīng)二次析出反應(yīng)偽共晶組織離異共晶包晶反應(yīng)包晶偏析穩(wěn)定中間相鐵素體奧氏體滲碳體組織組成物共晶滲碳體共析滲碳體二次滲碳體三次滲碳體共析反應(yīng)珠光體萊氏體室溫萊氏體相圖部分重要概念鋼的冷脆鋼的熱脆應(yīng)變時效化學(xué)位調(diào)幅分解等溫截面共軛曲線直線法則共軛三角形成分變溫線凝固部分知識要點(diǎn)晶核形成（重點(diǎn)）基本規(guī)律

液體結(jié)構(gòu)

過冷現(xiàn)象過冷度驅(qū)動力均勻形核（重點(diǎn)）晶坯形成自由能變化臨界晶核半徑臨界形核功形核率非均勻形核（重點(diǎn)）晶坯形成自由能變化臨界晶核半徑臨界形核功潤濕角與形核劑凝固部分知識要點(diǎn)晶體生長（掌握）必要條件動態(tài)過冷度固/液界面微觀構(gòu)造晶體長大后的形貌2類固液界面固液界面自由能熔化熵晶核長大方式垂直生長（微觀粗糙界面）二維臺階生長、螺旋位錯等缺陷生長（微觀光滑界面）凝固部分知識要點(diǎn)固溶體凝固（重點(diǎn)）平衡凝固

平衡分配系數(shù)k平衡凝固特征不平衡凝固（重點(diǎn)）固相無擴(kuò)散/液相完全混合時的溶質(zhì)分布

正常凝固方程固、液相成分分布固相無擴(kuò)散/液相僅靠擴(kuò)散混合時的溶質(zhì)分布凝固三區(qū)段穩(wěn)態(tài)凝固方程固/液界面前沿溶質(zhì)分布成分過冷及其影響（重點(diǎn)）

成分過冷臨界條件對固/液界面形貌影響

對固溶體生長形態(tài)的影響對合金鑄造性能影響凝固部分知識要點(diǎn)共晶合金的凝固（掌握）共晶體的形態(tài)金屬-金屬型金屬-非金屬型共晶體的形核及生長形核---層片狀共晶體交替形核生長搭橋機(jī)制金屬-金屬型生長協(xié)同生長---片層狀；雜質(zhì)影響--胞狀、棒狀金屬-非金屬型生長金屬相超前自由生長非金屬相特定形狀先共晶相形態(tài)金屬型—樹枝狀非金屬型—規(guī)則多面體凝固部分知識要點(diǎn)制造工藝與凝固組織鑄錠與鑄件凝固組織與偏析（重點(diǎn)）凝固組織表層細(xì)晶、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)晶粒細(xì)化宏觀偏析正常偏析反偏析比重偏析顯微偏析胞狀偏析枝晶偏析擴(kuò)散退火處理

連續(xù)鑄造和熔化焊的凝固組織（了解）

柱狀晶無縮孔、疏松凝固部分知識要點(diǎn)用凝固法制備材料的技術(shù)（了解）區(qū)域提純工藝與原理第1次提純后溶質(zhì)分布制備單晶單晶制備對工藝要求坩堝直拉法懸浮區(qū)熔化法快速冷凝制備金屬玻璃金屬玻璃快淬工藝成分設(shè)計定向凝固制備高溫合金葉片

定向凝固工藝柱狀晶組織單晶組織凝固部分重要概念過冷度臨界形核功形核率均勻形核非均勻形核粗糙界面光滑界面成分過冷正常偏析顯微偏析作業(yè)題點(diǎn)評1．液體金屬在凝固時必須過冷，而在加熱使其熔化卻毋需過熱，即一旦加熱到熔點(diǎn)就立即熔化，為什么？今給出一組典型數(shù)據(jù)作參考：以金為例，其、、分別為液-固、液-氣、固-氣相的界面能（單位J/m2）。2．式（6-13）為形核率計算的一般表達(dá)式。對金屬，因?yàn)樾魏说募せ钅埽〞杏梅枺┡c臨界晶核形成功（或）相比甚小，可忽略不計，因此金屬凝固時的形核率常按下式作簡化計算，即

試計算液體Cu在過冷度為180K、200K和220K時的均勻形核率。并將計算結(jié)果與圖6-4b比較。（已知J·m-3，Tm=1356K，J·m-2

C0=6×1028原子·m-3，k=1.38×10-23J·K-1）3．試對圖6-9所示三種類型材料的生長速率給予定性解釋。典型作業(yè)題5．某二元合金相圖如圖6-45所示。今將含WB40%的合金置于長度為L的長瓷舟中并保持為液態(tài)，并從一端緩慢地凝固。溫度梯度大到足以使液-固界面保持平直，同時液相成分能完全均勻混合。