西安交通大学804材料科学基础考点精讲讲义

1、材料科学基础精讲：石德珂主编, 材料科学基础（第 2 版）。参考：1，范群成、田民波主编，材料科学基础学习辅导，机械工业2，材料科学基础2006；3，材料科学基础2009.；试题汇编2002试题汇编20071特点和规律：试题出题方式多样，内容细致，题型灵活且可能会有较大变化，题型主要涉及：名词解释、填空题、题、简述题，分析题，识图题（作图题）、计算题等题型（注重细节）。复习时一定要注重细节。2本课程的主要内容：1. 材料结构的基本知识2. 材料中的晶体结构 （重点内容）3. 晶体缺陷 （重点内容难点内容）4. 材料的相结构及相图 （最重点内容必考内容）5. 材料的凝固与气相沉积（重点内容）6.

2、高材料的结构7. 扩散与固态相变8. 材料的变形与断裂（重难点内容必考内容）9.固体材料的电子结构与物理性能3第一章材料结构的基本知识1 本章考情分析本章对材料“结构”的基本知识做一初步介绍，涵盖了材料结构的四个层次：原子结构，原子结合键，材料中原子的排列和晶体材料的显微组织。本章属基础性内容，直接考查内容不多，多为学好其他章节的基础内容。42 本章框架结构作门课程的开始和基础，本章对“结构”的基本知识做一初步介绍。结构的含义很丰富，本章涵盖了材料结构的四个层次：原子结构，原子结合键，材料中原子的排列和晶体材料的显微组织并对每一个层次做了较为细致的阐述。3 本章要点精讲要点一：原子结构（1）原

3、子的电子排列：原子是核式结构， 原子由原子核及核外电子原子核：体积小，质量大，带正电电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转5四个量子数：主量子数n：电子能级的壳层序数次量子数 l : 确定每一壳层的亚壳层数目磁量子数 m : 确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目自旋量子数 m容纳的电子数目两条基本原理：: 确定每一轨道中能（1） 泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。（2） 能量最低原理：电子总是悠闲占据能量低的轨道，使系统处于最低 的能量状态。6（2）元素周期表及性能的周期性变化周期对应于电子主壳层，同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化学性质， 过度族元素

4、具有未满的内壳层和典型的金属性，电负性呈现周期性的变化。要点二：原子结合键根据结合力的强弱可把结合键分成以下两大类：离子键一次键：结合力较强，包括共价键金属键范德斯7键二次键：结合力较弱，包括氢键一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结合键，包括离子键、共价键、金属键， 结合力较强。离子键：通过正负离子间相互吸引力使原子结合的结合键，例如： NaCl,MgO.共价键：通过共用电子对使原子结合的结合键例如，石金属键：通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结合的结合键8二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键，包括氢键、范德瓦尔斯键。范德瓦尔斯键：具有稳定电子结构的原子或通过电偶极矩相互吸引而

5、结合的结合键，如.氢键：含氢的具有极性，与另一个具有较强电负性的原子通过离子而结合的结合键，如冰.混合键：大部分材料内部的结合键往往是混合键。9结合键与性能：熔点:共价键，离子材料最低密度：金属键最高，键的最高，高对物理性能的影响：共价键，离子键较低导电导热性：金属键最好，共价键，离子键强度：结 合键强则强度高，此外还受组织的影响对力学性能的影响：塑韧性：金属键最好，共价键，离子键最低弹性模量：共价键， 离子键最高，金属键次之10要点三：原子排列方式（非重点）晶体：原子（原子团或）在空间有规则的周期性重复排列的固体。一般情况下，金属，大多数陶瓷，少数高材料为晶体。晶体的结晶过程分为（1）晶核形

6、成 和（2） 晶核长大晶体与非晶体的主要区别：晶体：有确定熔点，单晶体各向异性，多晶体各项同性非晶体：无确定熔点，各向同性要点四：晶体材料的组织材料的组织：指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量，大小，形状及分布等11特征，分为单相组织和多相组织。单相组织：具有单一相组织，即所有晶粒化学组成相同，晶体结构也相同。多相组织：两相以上的晶体材料，各相具有不同的成分和晶体结构此处有一个重要的考点：弥散强化：若组织中两个相的晶粒尺度相差甚远，其中较细的相以球状，点状，片状或针状等形态弥散分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相， 则将显著提高材料的强度，同时塑性与韧性 必将下降。12

7、总结：本章主要从原子结构，原子结合键原子排列方式和晶体材料的组织等四个层次介绍了材料的结构。原子结构层次主要是确定四个量子数和两个基本定理；原子结合键分为一次键和二次键；原子排列方式决定了是晶体还是非晶体；晶体材料的组织对材料的强度，塑性等重要的影响。13第二章材料中的晶体结构1、本章考情分析本章主要讲述了晶体中原子在三维空间的具体排列方式，分别介绍了金属晶体，离子晶体，共价晶体和晶体的结构。此章节是中的热门章节，出题题型多样，分值较高，约为 20 分左右；考查内容重点为晶向指数，晶面指数，晶面间距的确定，典型金属的晶体结构等内容。2、本章框架结构本章主要讲述了晶体中原子在三维空间的具体排列方

8、式，首先介绍了晶体学基础中的晶向指数，晶面指数晶面间距等的确定14方法以及晶带和晶带定理，然后以此为前提分别介绍了金属晶体，离子晶体，共价晶体和晶体的结构。其中晶体学基础和金属晶体的结构是重点内容。本章要点精讲本章主要从四个方面介绍晶体学基础（重点内容，考查热点） 纯金属的晶体结构（重点内容）离子晶体的结构共价晶体的结构本章节着重对晶体学基础和纯金属的晶体结构做重点介绍。15要点一：晶体学基础（重点内容考查热点内容）1、空间点阵和晶胞空间点阵：是指由几何点在三作周期性性的规则排列所形成的的三维阵列。为了表达空间点阵的几何规律，人为的将阵点用一系列相互平行的线连接起来形成空间格架，称之为晶格；本

9、单元称为晶胞晶格的最基晶体晶胞* 点阵 晶格16点阵的基本矢量（基矢） 描述点阵中各阵点空间位置的基本平移矢量ruvw = ua + vb + wc17表征晶胞形状的六个参量：晶格参数a,b,c;晶轴夹角，。 选取晶胞的一般原则：（1） 尽可能高的对称性（2） 尽可能多的直角（3） 尽可能小的体积2.晶系和布拉菲点阵晶系：根据晶胞形状特征所划分的晶体点阵系列，特征相同的归为一个晶有个晶系；系，共布拉菲点阵：根据晶胞形状及阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列,特征相同的归为一个晶系，共有 14 种。（见下图，详见P40）183.晶向指数和晶面指数（考查热点重点内容）（1）晶向指数及其确定方法晶向指

10、数表示晶体中点阵方向的指数， 由晶向上阵点的坐标值决定，其确定步骤如下：19确定已知晶向的指数(Miller指数)（1）建坐标以晶胞中待定晶向上的某 一阵点O为原点，以过原点的 晶轴为坐标轴， 以晶胞的点阵常数a,b,c，分别为x,y,z坐标轴的长度，建立坐标系；（2）求投影以晶格常数为定晶向上任意阵点的投影值；，求待（3） 化整数将投影值化为一组最小整数；（4） 加括号将三个坐标值化为最小整数u,v,w,并加方括号：uvw如果其中某一数值为负值，则将负号标注在该数的上方20晶向指数需要注意的问题：（1） uvw 代表相互平行，方向相同的所有晶向（2） u v w代表与u v w反向平行的晶向

11、（3） 晶向族 uvw代表阵点排列情况完全相同、但位向不同的所有晶向例如,在立方晶系中:< 111 >= 111 + 1 11 + 1 1 1 + 11 1 + 1 1 1 +1 1 1 + 1 1 1 + 1 1 1例题：21（2）晶面指数及其确定方法晶面指数 晶体点阵中点阵平面的指数， 由晶面与三个坐标轴的截距值所决定。其确定步骤如下：22确定已知晶面的指数(1) 建坐标右手坐标，坐标轴为晶胞的棱边，坐标原点不能位于待定晶(2) 求截距以晶格常数为面在坐标轴上的截距值(3) 取倒数将截距值取倒数面内，求待定晶(4) 化整数将截距值的倒数化为一组最小整数(5) 加括号（hkl）（

12、注意：此处为小括号）晶面指数注意问题：(1) ( hkl）代表相互平行且法线相同的所有晶面(2)若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数中的数字形同而符号相反23(3) 晶面族 hkl代表阵点排列情况完全相同、但位向不同的所有晶面例如,立方晶系中:100 =(100)+(010)+(001)+(100)+(010)+(001)(4) 立方晶系中，相同指数的晶面与晶向必定垂直典型例题：确定下图中BCD面的晶面指数24（3）六方晶系晶面和晶向的 Miller-Bravais 指数为了更清楚的表明六方晶系的对称性， 对六方晶系的晶向和晶面通常采用密勒布拉菲指数表示，采用四轴。晶面指数的标定放大与

13、三轴坐标系相同，但需要用25（hkil）四个数来表示，如下图所示。确定已知晶面的指数（hkil）(1) 建坐标建立四轴坐标系，坐标原点不能位于待定晶面内2) 求截距以晶格常数为，求待定晶26面在坐标轴上的截距值(3) 取倒数将截距值取倒数(4) 化整数将截距值的倒数化为一组最小整数(5) 加括号（hkil），可以证明，i=(h+k)典型例题：27确定已知晶向的晶向指数uvtw：对于六方晶系晶向指数的确定主要有一下三种方法：移步法公式换算法正射投影修正系数法重点介绍公式换算法，和正射投影修正系数法。公式换算法：先在三轴坐标中确定待定晶向的Miller指数UVW, 再用下述公式换算成uvtw：u

14、=1/3（2UV）v =1/3（2VU）28t =1/3（U+V）=（u+v）w =W正射投影修正系数法：在四轴坐标中，从待定晶向上的某个阵点向 四个坐标轴作垂直投影，给c轴的投影值乘 以 3/2，再将四个投影值化为一组最小整数，即为 uvtw.注意：以上三种方法中为了在最快时间内做出最正确的为简单快速。，应尽量选择第三种方法最典型例题：写出图示六方晶胞中ABCDA面及晶向BA和BC的指数2930（4）晶面间距晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间距越大，晶面上原子的排列就越密集，晶面间距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。通常情况下，低指数的晶面间距较大。晶带及晶带定理晶带：平行于某一

15、晶向的所有晶面称为一个晶带，该晶向称为晶带轴，这些晶面称为晶带面。晶带定理：晶带轴uvw与该晶带中任一晶带面(hkl) 满足下列关系式：uh+ vk+wl=031要点二：纯金属的晶体结构典型金属的晶体结构：最常见的典型金属通常具有面心立方（A1或fcc），体心立方（A2 或bcc）和密排六方（A3或hcp）等三种晶体结构。分别如下图所示：体心立方（A2或bcc）：32面心立方（A1或fcc）：密排六方（A3或hcp）：331，原子最密排面和最密排方向2，一个晶胞中的原子数34一个晶胞中的原子数：bcc ： 2fcc ： 435hcp：6363，原子的配位数：晶体中任一原子周围最近邻且等距离的原

16、子数。典型结构类型的配位数：4，点阵常数：晶胞的棱边长度a、b、c（用原子刚球半径r表示）375，致密度：晶胞中原子体积占总体积的分数。6，间隙（重点内容）：若将晶体中的原子视为球形，则相互接触的最近邻原子间的空隙称为间隙,分为八面体间隙和四面体间隙。间隙内能容纳的最大刚性球的半径称为间隙半径 。间隙大小常用间隙半径rB与原子半径rA38之比rB/rA表示。6.1，面心立方结构的间隙正八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及体心位置.一个晶胞中共有4个39正四面体间隙：位于晶胞体对角线的四分之一处，一个晶胞中共有8个.6.2 体心立方结构的间隙扁八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及面心处.一个晶胞中共有6

17、个40四面体间隙：位于晶胞各面中线的四分之一处.一个晶胞中共有12个416.3 密排六方结构的间隙正八面体间隙：一个晶胞中共有6个42正四面体间隙：一个晶胞中共有12个43多晶型性：某些晶体在不同的条件(温度、压力等) 下具有不同类型晶体结构的性质 同种元素的不同结构称为同素异构同素异构体之间的相互转变称为同素异构转变，此时，晶体性能发生突变；钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能，就是因其具有多晶型性转变。之一要点三：离子晶体和共价晶体的结构（非重点）离子晶体：离子晶体的结合键是离子键。离子晶体具有硬度高，强度大，熔点和沸点较高，热膨胀系数较小，脆性大，绝缘和透明44等特性，这些特点主要取决于

18、离子相应的性质和排列方式。决定离子晶体中正负离子排列方式的关键因素是正负离子半径和正负离子数比值。45共价晶体：共价晶体的结合键是共价键。共价晶体具有强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低，导电能力较差和结构稳定等特性，这些特性与其晶体结构密切关。46本章总结：本章主要讲述了晶体中原子在三的具体排列方式，在介绍了晶体学基础的基础上介绍了金属晶体，离子晶体，共价晶体和晶体的结构，其中着重介绍了晶体学基础和金属晶体的结构两部分内容，此两部分内容也是中非常重要的知识点，一定要引起同学们的注意。3.3.5 实际晶体结构中的位错前面介绍位错的基本概念时都是以简单立方为对象进行讨论的，而且都是以

19、晶体的点阵常数作为位错的柏氏矢量，这是简单立方晶体中距离最近的两个原子的点阵矢量；在实际晶体中也是一样，位错的柏氏矢量都是与连接点阵中最近邻两个原子的点阵矢量47相等。48柏氏矢量越小的位错越稳定，那些柏氏矢量较大的位错往往通过位错反应分解成柏氏矢量小的位错。通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或内容简介位错。全位错：柏氏矢量等于晶体点阵矢量的 位错称为全位错不全位错： 柏氏矢量不等于晶体点阵矢量整数倍的位错称为不全位错，或分位错堆垛层错：晶体中正常堆垛次序发生错误的一种原子组态，属于面缺陷位错反应：需要几何条件和能量条件49全位错：定义：柏氏矢量等于晶体点阵矢量的位错称为全位错，柏氏矢

20、量最短的称金属晶体结构中常见矢量：位错。位错的柏氏50fccbcca < 110 >2a < 111 >2a3不全位错：定义：柏氏矢量不等于晶体点阵矢量整数倍的位错称为不全位错，或分位错。面心立方晶体中常见的不全位错：51名称柏氏矢量位错类型肖克莱不全位错a 1126刃型 螺型 混合型克尔不全位错a 1113刃型堆垛层错：定义：晶体中正常堆垛次序发生错误的一种原子组态，属于面缺陷层错能：形成层错时几乎不产生晶格畸变，但它破坏了晶体的正常周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使能量有所升高堆垛层错使晶体能量升高的部分称为堆垛层错能，简称层错能面积的层错能称为比层错能。位错间

21、的反应位错具有很高的能量，因此它是不稳定的， 除了上述交互作用外，还长发生自发反应， 由一根位错分解成两根以上的位错，或由两根以上的位错合并为一根位错，这些统称为位错反应。位错反应的结果是：降低体系的自由能。52位错反应需要满足的条件：几何条件： åb前 =åb后 ，即反应前后位错在三维方向的分矢量之和必须相等。åå22后b=b能量条件：，即位错反应后应变前能必须降低，这是反应进行的驱动力。53例题：下述位错反应能否自发进行？a 11+0 a éë1ùû ®1 a0(1)fcc 中22a é&#

22、235;1a6ëa1û0ù®éû2+ ùéû1 1ë(2)Fcc 中26解：两者都满足几何条件，只需验证能量条件即可：（1）不满足能量条件，可以发生；（2）满足能量条件，不可以发生。3.4 要点四：晶体中的界面（次重点内容） 晶体材料中存在着很多的界面，在这些界面 上存在着不连续性，因此界面也是晶体缺陷， 属于面缺陷。与空位及位错一样，界面对晶体的性能起了重要作用。本小节简单介绍界 面的结构，并讨论界面对材料行为的影响。54内容简介：晶界的结构与晶界能表面及表面能表面吸附与晶界内吸附润湿行为界面

23、能与显微组织的变化553.4.1 晶界的结构与界面能小角度晶界：小角度晶界是指相邻晶粒间界面两侧晶粒的位向差 小于 10°( <10°)的界面，也称为亚晶界典型的结构是对称倾斜结构，由多个柏氏矢量b 相同错的的排位刃列位成错墙.56大角度晶界：大角度晶界是指相邻晶粒间界面两侧晶粒的位向差大于 10°( >10°)的界面。大角度晶构造极其复杂， 有各种不同的结构模型。大角度晶界结构示意图57晶界能：面积晶界使晶体能量增高的部分。不论是大角度晶界还是小角度晶界，相对于晶体内部，晶界处于能量较高的能量状态，高出的那部分能量就叫做晶界能，或者称为晶界

24、自由能，记作 G，其是 J·m-2,有时界面能以界面张力的形式表示。583.4.2 表面及表面能材料表面的原子和内部原子所处的环境不同，与内部原子相比,表面原子的结合有如下特点) 存在不饱和键力) 存在范德瓦耳斯力表面能 S：面积表面使晶体能量增高的部分 S3 G0.05Eb G 晶界能E式中，弹性模量表面的原子间距b59晶体的表面形貌：通常是原子最密排面或次密排面表面能对材料性能的影响：)使纳米粉末发生性能突变是粉末烧结的驱动力603.4.3 表面吸附与晶界内吸附吸附现象 外来原子或气体富集的现象吸附现象的特点：在界面上) 使体系能量降低，是自发过程) 是放热过程温度降低有利于吸附

25、；温度升高有利于解吸61表面吸附：物理吸附表面吸附化学吸附物理吸附：由表面的范德瓦耳斯力所致，无选择性， 吸附热较小。化学吸附：由表面的不饱和键力所致，有选择性（必须形成化合物），吸附热较大。623.4.4 润湿行为液体在固体表面铺展润湿性与界面张力：液滴在固体表面润湿(a)况与不润湿(b)的情63第四章 材料的相结构与相图（ 最重要章节）1.本章考情分析本章介绍了材料相结构的基本知识和基本的相图的类型，并对各种类型的相图做出分析，重点讨论合金的相结构及合金相图。本章是整个课程最重要的课 程，其中的二元铁碳相图，三元相图等都是每年必考内容，分值约为视起来。20-50 分，同学们一定要完全的的重

26、642.本章框架结构本章首先介绍相结构的基本知识，包括组元，合金，相律等，在此基础上介绍了各种类型的相图，包括一元相图，二元相图和三元相图，并对每种类型的相图进行分析，并介绍了其热力学基础。本章节内容多，难点多，考点多，是本课程的最重要的课程。653. 本章要点精讲本章内容简介：材料的相结构二元相图及其类型复杂相图分析相图的热力学基础三元相图及其类型664.1 要点一：材料的相结构相 体系中成分、结构、性能相同且与其他部分有界面隔开的均匀部分或连续变化的部分固溶体 Solid solution合金中的相化合物（中间相Intermediate phases）674.1.1 固溶体Solid so

27、lution间隙固溶体 Interstitial solid solution固溶体置换固溶体Substitutionalsolidsolution68固溶体的两种类型: (a)置换固溶体(b) 间隙固溶体69间隙固溶体：半径较小的溶质原子位于溶剂原子的间隙中所形成的固溶体晶体结构：与溶剂相同，晶格常数略有增大h，正八面体间隙fc溶质原子的位置bcc，扁八面体间隙影响固溶度的因素：原子半径差越大，固溶度越大。70置换固溶体：半径较大的溶质原子占据溶剂晶格的某些结点所形成的固溶体晶体结构：与溶剂相同，晶格常数略有变化影响固溶度的因素：因素：原子半径差越小，固溶度越大晶体结构因素：结构相似，固溶度

28、大电负性差因素：相差越小，固溶度越大71陶瓷材料中的固溶方式：陶瓷材料的原料大部分来自天然矿物，属于无机非金属材料， 可以间隙方式固溶，也可以置换方式固溶； 而且这种离子代换过程不改变原来的晶格结构，仅使晶格常数略有改变。72固溶体中溶质原子的偏聚与有序通常认为，溶质原子在固溶体中的分布式随机的，均匀无序的；事实上在晶体内部存在着微观不均匀性。当同类原子间的结合能大于异类原子的结合能时呈现偏聚状态，当同类原子结合能小于异类原子结合能时， 溶质原子倾向于按一定规则有序排列。734.2 化合物（中间相）正常价化合物电子化合物因素化合物化合物74正常价化合物：形成条件：两组元电负性差较大，符合化合价

29、规律， 如：MgSe ZnS 等结合键：二组元间电负性差大时，以共价键或以离子键为主结合键二组元间电负性差小时，以金属键为主电子价化合物：这类化合物大多是以第一主族或过度族金属元素等与第二至第四主族元素形成的中间相，大多不符合正常化合价规律，而是按电子规律来进行化合的。由于电子化合物成分可以在一定范围内变化，因此电子价化合物可被看做是以化合物为基的固溶体，结合键为金属键，具有明显的金属性。75因素化合物：因素化合物包括间隙化合物和拉弗斯相间隙化合物：形成条件：电负性差较大的小半径非金属原子( H, B,C, N )与过渡族金属原子化合，且晶体结构：比较复杂r76拉弗斯相：形成条件：金属原子半径

30、差处于间隙化合物与电子化合物之间, 大小原子通过适当配合率和配位数都很高的复杂结构空间利用晶体结构：小原子四面体之间的间隙.四面体网络,大原子位于774.2 要点二：二元相图及其类型（重点&必考点）组元 组成材料的最基本的、的物质. 可以是纯元素, 也可以是稳定的化合物.（理解 or 名词解释）相图 描述热力学平衡系统中相的状态与温度、成分、之间关系的图解也称平衡状态图，简称相图（理解 or 名词解释）78本要点只是框架：相图的基本知识二元相图及其类型一元系相图二元系相图（重点&必考点&）（此处需要特别注意铁碳相图）79对于单组元系统（一元）系统，通常采用 TP 图，两

31、元系统采用 Tpx 图，为方便起见，常固定一个变量，如采用常压状态。三元系统一般需要考虑五个变量：组元A,B,C 和温度(T)和（T）,其中四个变量。在三元相图中通常需要固定一个变量（如）。804.2.1 相图的基本知识（5）相图的建立析法：是采用试验方法，如热分1） 首先配制不同成分的合金；2） 将这些合金融化均匀后，以及缓慢的冷却速度降温；3） 分别测出他们的冷却曲线，根据冷却曲线上的转折点确定出合金状态发生变化时的温度； 4）将所测得的数据填入以温度为纵坐标，以成分为横坐标的平面中，并绘出相应的曲线，即得相应相图。8182（2）相图中成分的表示方法：材料的成分是指材料各组元在材料中所占的

32、数量。此数量可以用质量分数和摩尔分数表示。如果没有特别说明，通常是指的质量分数。（3）相律 只受温度和影响的平衡系统中，系统的自由度 f 、组元数、平衡相数符合关系式：f= CP+2其中 C 为系统的组元数，P 为平衡共存的相得数目，f 为自由度；自由度 不改变系统平衡状态（平衡相的数目，平衡相的类型）的可成分）。4.2.2 一元系相图变化的因素（温度，相的4.单组元物质的 TP 图根据相律 f= CP+2：83单相区：f = 2, 区 T 、P 都可两相区：f = 1，线 T 、P 中只有一个是自变量, 另一个是因变量改变单组元物质的 T-P 图都不可改变三相区：f = 0，点 T、P845

33、.纯铁相图的示意图纯铁相图的示意图85另外，陶瓷的许多重要系统都具有多晶型性转变。这种转变与温度和均有关。多晶型性转变引起的比体积突变，会使晶体产生收缩或膨胀而在结构中造成很大的应力，致使陶瓷材料在加热和冷却过程中发生开裂。（如单组元物质的T-P 图中的S1D 线）864.2.3 二元系相图（&重点&必考点）（铁碳相图）此部分内容是中的必考内容，在此重点讨论二元系合金的匀晶相图，共晶相图，包晶相图以及具有重要应用价值的 Fe - Fe3C 相图。871，匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图 只有匀晶转变的相图匀晶转变 一个液相结晶为一种固相的转变匀晶相图的三种类型：a)组元在液、固态

34、均无限互溶c)具有极小点b)相图中具有极大点88固溶体的平衡结晶过程(以 Cu-Ni 合金为例):平衡结晶过程是指：在极缓慢的冷却过程中，每个阶段都能达到平衡的结晶过程。不平衡结晶过程：在实际生产中，液态金属浇入模腔后，冷却速度比较大，达到某一温度时，扩散过程尚未充分进行而温度已继续下降，此过程成为不平衡结晶过程。89室温组织：等轴状 90杠杆定理 Lever law：（相图部分重点内容）根据相律，二元系统两相平衡共存时自由度 f=1， 如温度取定，则自由度 f=0，说明在此温度下，两个平衡相得成分也随之而定。点,合金中液相成分为 a 点，已知：合金成分为 o相成分为 b 点 求：液相的质量分

35、数ML 和相的质量分数 M91解：MLM ML·a M ·bo解得：92M= o - a ´100%ab - aM= b - o ´100%Lb - a93固溶体的不平衡结晶：结晶过程：固溶体的不平衡结晶过程分析固溶体的不平衡结晶特点： 冷却速度较快.开始结晶温度低于液相线.结晶中，剩余液相特别是晶粒内部成分不均匀，()()()先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多；固相平均成分偏离固相线，液相平均成分是否偏离液相线随冷却速度而异.94()()()结晶终了温度低于固相线.通常不能应用杠杆定律.室温铸态有晶内偏析，形成树枝状组织.室温组

36、织(铸态)：树枝状（如右图所示）Cu-Ni 合金的铸态组织×5095晶内偏析及其有害影响晶内偏析固溶体晶粒内部成分不均匀的现象, 也称枝晶偏析. 枝干富含高熔点组元，枝间富含低熔点组元；偏析倾向：取决于偏析程度：取决于L/S 相线垂直距离；L/S 相线水平距离；降低强度、塑性、韧性降低抗腐蚀性能加热时过早熔化过烧有害影响晶内偏析对合金性能有很大影响，严重的晶内偏析会使合金强度降低，特别是使塑韧性降低，晶内偏析也使合金的耐蚀性降低。为了降低晶内偏析程度和消除晶内偏析，生产上将有晶内偏析的材料加热至固相线以下 100200 长时保温，使晶内偏析元素充分扩散以得到均匀化目的，此种热处理工艺

37、称为：扩散退火或均匀化退火。962. 共晶相图（Eutectic diagram）及结晶分析（重点内容）(1) 相图分析共晶转变 一个确定成分的液相,在确定的恒温下, 同时结晶出两个确定成分的固相的转变；共晶相图 两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或者完全不互溶，且冷却过程中发生共晶反应的相图称为共晶相图。97固态有限互溶的 PbSn 相图共晶转变 一个确定成分的液相,在确定的恒温下, 同时结晶出两个确定成分的固相的转变，如下式所示：a+ b183°C¬¾¾®L()61.91997.5（2） 典型合金平衡结晶过程分析此处以固态有限互溶的 PbS

38、n 相图为例，分别介绍固溶体合金，共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金的结晶过程以及室温下的相组成物和组织组成物。1）固溶体合金( WSn19%,以 WSn=10%为例)98固态有限互溶的 PbSn 相图99WSn=10%的 PbSn 平衡结晶过程示意图室温下相组成物： 组织组成物：+1002) 共晶合金 Eutectic alloy(WSn= 61.9%)共晶合金的成分如图 e 点对应的合金， 该合金缓慢冷却到共晶温度时发生共晶反应：te(a+ b )Lemn两相的机械混此过程得到的是合物：室温下相组成物： 与组织组成物：(+)1013)亚共晶合金 WSn=30%为例)alloys（以 Hypo

39、etectic亚共晶合金结晶过程示意图如下图所示（PbSn 相图为例）：相组成物： 组织组成物： + +( + )1024)过共晶合金WSn=30%为例)室温下：相组成物： 组织组成物：alloys（以Hypereutectic+(+)1035) 小结材料的组织对组成材料的相的类型、形状、数量、大小、分布等特征的描述，特征相同的部分归为一种组织组成物.下图中对上面的共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金做出小结，将二元共晶相图中的所有区域都标出了室温下的组织组成物，供同学们参考。104二元共晶相图中的组织组成物（3）不平衡结晶及其组织 1）伪共晶：平衡结晶条件下，只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶

40、合金组织，任何偏离这一成分的合金，平衡结晶时都不能获得百分之百的共晶合金组织。但是在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变成共晶组织， 这种非共晶成分的共晶组织，成为伪共晶组织；下图所示区域为伪共晶组织区域：105伪共晶区106伪共晶区一般有如下规律：共晶点偏向于低熔点组元：这是由于相同温度下, 高熔点组元(较强的结合键) 在液体中的扩散慢于低熔点组元, 共晶体中含高熔点组元伪共晶区偏向于高熔点组元：这是因为过冷时高熔点组元扩散更难，溶液含高熔点组元才有利于伪共晶形成。107快冷条件下，有些过共晶成分的合金会得到亚共晶组织，如下右图 Al-Si 合金所示：Al-Si 相图中的伪

41、共晶区2) 不平衡共晶 靠近共晶线两端点外侧的合金，在不平衡凝固时所得到的少量共晶体.快冷条件下，液相中原子扩散速度减慢，固相中原子扩散更慢假定液相中原子能扩散均匀，固相中原子完全不能扩散，则结晶中固相的平均成分线偏离固相线当温度降至共晶线以下时，会存在少量共晶成分的108液相，它会结晶为少量的共晶体.1093) 离异共晶 合金中先共晶相的量很多，共晶体的量很少时，共晶体中与先共晶相相同的相依附于先共晶相生长，将共晶体中的另一相孤立在先共晶相的晶界处这种共晶体两相分离的组织称为离异共晶.110离异共晶可能会给合金的性能带来不良影响，对于不平衡的共晶组织，可在稍低于共晶温度下进行扩散退火，通过原

42、子的扩散，可使之成为均匀的单相固溶体。离异共晶形成示意图1113. 包晶相图（Peritectic diagram）及结晶分析（1）包晶转变 一个液相与一个成分不同的固相在确定的恒温下生成另一个成分不同的固相.两组元在液态无限互溶，固态下有限互溶（或者不互溶），并发生包晶反应的二元系相图，称为包晶相图。下面是三种类型包晶相图示意图：112a) 相固溶度随温度下降而增) 相固溶度随温度下降而减小 c)AB 两组元固态下互不相溶113（ 2)典型合金平衡结晶过程分析1)包晶成分合金（wB=p%）的平衡结晶114包晶反应相图115包晶成分合金（ wB=p%）的平衡结晶过程示意图室温下相组成物： 组织

43、组成物： +2）d% <WB<p%合金的平衡结晶d% <WB<p%合金的平衡结晶过程示意图室温下相组成物： 组织组成物： + + +1163）p% <WB<b%合金的平衡结晶p% <WB<b%合金的平衡结晶过程示意图室温下相组成物： 组织组成物： +（2）包晶系合金的不平衡结晶1) 包晶转变全包晶成分的合金快速冷却时, 由于原子在固相中的扩散慢于液相,包晶转变结束时，除包晶产物 外，参与包晶反应的固相 有少量剩余.2) 室温下包晶产物相的成分不均匀包晶偏析3) 不平衡包晶快冷时，包晶反应线固相端点外侧的合金中所形成的少量包晶反应产物称为不平117

44、衡包晶.4. 其他类型的二元系相图(1)具有其他恒温转变的相图1) 具有共析(Eutectoid )转变的二元相图共析转变一个确定成分的固相在确定的恒温下同时生成另外两个确定成分的固相g a¬¾T ®a + bbc具有共析转变的二元相图1182) 具有熔晶(Catatectic)转变的二元相图熔晶转变一个确定成分的固相在确定的恒温下同时生成一个两个确定成分的固相和一个确定成分的液相g¬¾T ®a+ Labc具有熔晶转变的二元相图（3）四相平面的相邻关系双包晶型双包晶型转变生 成相的成分电在中间。转变前一定存在三个 反应相，四相面的上

45、方仅一个三相区，依 材料的成分不同，期 初的各相的数量也不同。转变生成 R 相时，119三个相的消耗比例按R 点为重心的重心法则分配，其中任 一相消耗完毕，双包晶转 变结束。材料由剩余的两相和生成的一相三个相 组成，进入对应的三相区， 在四相区的下方有三个 不同的三相区。1205-5-5 四相区的垂直截面与四相平衡平面的上、下方相接的三相平衡棱柱共有四个， 位置恰当的垂直截面可以将四相平面及四个三相平衡棱柱同时截到对三种四相平衡转变类型的垂直截面做一一介绍。121（1）四相区的垂直截面共晶型在水平线段上，和共晶型连接线交点处扩展为两相区，水平线的上下方均为三相区。典型情况，共晶型可的上 3 下

46、 1 。并可以由此转变类型。截面位置变化可能上方只出现两个三相区。（2）四相区的垂直截面包共晶型包共晶型在水平线段上，和连接线交点处扩展为两相区，水平线的上下方均为三相区。典型情况，包共晶型的为上 2 下2 。并可以由此转变类型。截面位置变化可能上方或下方只出现一个三相区。123124（3）四相区的垂直截面双包晶型（包晶型）双包晶型在水平线段上，和连接线交点处扩展为两相区，水平线的上下方均为三相区。典型情况，双包晶型的为上 1 下3 。并可以由此转变类型。截面位置变化可能下方只出现两个三相区。125126综上，垂直截面中的四相区如下图所示：1275-5-6 液相参与平衡的液相面的投影四相平衡的

47、三种转变类型对应的有液相参与平衡的液相面的投影图如下所示：共晶型晶型包共双包晶型128凝固过程中，一般液相为反应相，对于不同的反应类型，四相区上下的液相成分变温线走 向各不相同。共晶型三条都在上 方，降温方向指向四相平衡的液相成分点；包共晶两条在上方， 指向四相平衡的液体的成分点， 另一条从四相平衡的液体的成 分点出发，指向低温；双包晶仅一条在上方，指向四相平衡的液 体的成分点，另两条从四相平衡 的液体的成分点出发，指向低温。在液相面的投影图上，可由此来四相平衡转变的类型。1295-6 具有四相共晶反应的三元系相图5-6-1 相图分析5-6-2 投影图5-6-3 垂直截面5-6-4 平衡结晶过

48、程分析1305-6-1 相图分析三个组元两两都形成共晶相区，三组元可发生三相共晶。以组元A、B、C 为溶剂溶入另两组元形成的固溶体分别为 、 、 。侧面：三个侧面都为典型二元共晶，在 e1，e2，e3析出相应的固溶体。点分别131132（1）三元共晶相图分析液相面：液相面ae1Ee3abe2Ee1bce2Ee3c134（2）三元共晶相图分析液固相面液相面与固相面： ae1Ee3a 与afEla为L 和 共轭be2Ee1b 与bhEgb 为 L 和 共轭ce2Ee3c 与ciEkc为 L 和轭 。共135（3）三元共晶相图分析四相面四相面：三角形 mnp四相平衡反应为：LE ¾

49、0;®am + bn + g p136（4）相区分析单相区（4 个）：L, ,二相区（6 个）：L, LL 三相区（4 个）：L L L 四相区（1 个）：L1375-6-2 投影图（1）液相面投影LL L L初初初+138（2）三相区投影LL L139（3）全投影图140利用投影图分析合金的结晶过程，其方便之处就在于能够直接看出合金凝固过程所经历的相区，发生的反应，而且在各温度下合金组成相的成分变化及相对量也可以利用投影图进行确定。1415-6-3 垂直截面1425-6-4 平衡结晶过程分析O 点成分如下图所示，其结晶过程如下：L ¾t¾1 -t2¾® L + g ¾¾t2¾-t3