材料科学基础总结

1、第1章概述1. 材料的含义及分类材料的定义：有用并能用来制造物品（件）的物质。一般指固态的、可用于工程上的物质；作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件（物品）的人造物质。材料的判据：（1）战略性判据，反映了资源、能源、环保的考虑与要求。（2）经济性判据，反映了经济效益与社会效益。（3）质量判据，指具有各种有利的使用性能。材料的分类：（1）按性能特点，分功能材料和结构材料。材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能。（2）按结合键分金属材料、陶瓷材料和高分子材料以及复合材料。2. 材料科学与工程的内涵研究材料成分、组织结构、制备工艺与材料性能和应用之间相互关系的科学，它对生产、使用和

2、发展材料具有指导意义。材料的结构：指构成材料的基本质点（离子、原子或分子等）是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。材料的组织：指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌。通常称为显微组织。材料的性能决定于材料的组织、结构！材料学科的发展大致经过冶金学、金相学、物理冶金学、材料科学或材料科学与工程等几个阶段。第2讲固体材料的结构1原子结构理论一个电子的空间位置和能量由4个量子数决定，即主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数、自旋角动量量子数。核外电子排布遵循的三原则:能量最低原理、泡利不相容原理、洪德规则。原子通过结合键可构成分子，原子之间或分子之间也靠结合键聚结成固体状态。&化学键(

3、主价键)：金属键、离子键和共价键；3物理键(次价键)：称范德华力。金属间化合物的原子结合为金属键和离子键的混合。2晶体与非晶体的区别晶体f原子在空间呈有规则的周期性重复排列性能:具有固定熔点。具有各向异性。多晶体具有伪各向同性。非晶体f原子在三维空间呈无规则排列3选取晶胞的原则在点阵中取出一个具有代表性的基本单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞。晶胞选取原则如下：(1) 选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；(2) 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；(3) 当平行六面体的棱边夹角存在直

4、角数目应最多;(4) 满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小体积。324会写七大晶系和14种布拉菲点阵名称，弄清其点阵矢量的特点。晶系棱边长度及夹角关系举例三»a丰b丰c、a工仿)90*单斜o=/=90*/?07,(逍42址0正交(斜方=7-90*a-S.Ga.FeaC.六方di=fljdy-c,a=p=90°,y=120*Zn»Cd.Mg,NiAs菱方a=b=c,a*=斥90°As,Sb,Bi四方(正，i)a=bc,a=/=90p-SnTQ立方as6-c,asP=/=90*Fe,Cr,Cu.Ag.An点阵矢量点阵常数abc棱间夹角PY布拉菲点阵晶系布竝菲

5、点阵晶系简单三斜三斜简单六方六方简单单斜底心单斜单斟简单菱方菱方简单正交底心正交体令正交面"嚼间点阵数量彳正龙祁限，而晶体结构简单四方体心四方四方簡单立方休心立方无限多，因为后者是指构成|立方晶体的实际质点在三维空间的具体排列方式。金属中常见的密排六方晶体结构应属简单六方点阵。5. 晶体的晶面指数和晶向指数的标定(三轴指数)。为便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通用密勒(Miller)指数来统一标定晶向指数与晶面指数。晶向指数的确定步骤:以晶胞的某一阵点O为原点，建立坐标轴X，Y,Z,以点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位过原点O作一直线0P,使其平行于待定晶向.(3)

6、选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。(4) 将3个坐标值化为最小整数u,v,w加上方括号即为待定晶向的晶向指数uvw若坐标中某一数值为负，则在相应的指数上加一负号。晶面指数的确定步骤:（1）在点阵中设定参考坐标系，但不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上，以免出现零截距.求待定晶面在三个晶轴上的截距若该晶面与某轴平行，则此轴上截距为8；若与某轴负方向相截，则此轴上截距为一负值。（3）取各截距的倒数。（4）将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即为表示该晶面的指数，记为（hkl）特别提醒：立方晶系中具有相同指数的晶向和晶面必定是互相垂直的凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是

7、空间位向不同的晶面可归并为同一晶面族，以hkl表示。凡原子排列情况相同在空间位向不同（即不平行）的晶向，归并为同一晶向族<uvw>立方晶系等价晶面（向）数目的判断（注意：指数相同而符号相反的两个晶面为一组）先分析有几个数字相等：若3个数字不等（3个数非0）,如：123,则有3!X4=24组若2个数字相等（3个数都非0）,如：112,则有24/2=12组若3个数字相等（3个数都非0），如：111，则有24/6=4组再分析有几个零：若有1为0则总数除2，如：120，即24/2=12组若有2为0则总数除4，如：100，即12/4=3组JI111/11124/6=46. 密排六方的三/四轴

8、晶面指数和晶向指数的标定。四轴晶面指数直接去掉（hkil）中i即为三轴指数（hkl）(0001)1011|100|2iio(1100)(0110)o2|010|i2ioiin20|21101lioioLh5o=L100-210aH0要求：会标典型的晶面（向）指数，如（2111）、（1101）、（3213）、1210、1213等。会写图中方向1、2、3和4的晶向指数。7. 能绘制简单立方系晶体(001)标准投影图。确定极点：111、110、100晶带定理：晶带轴与该晶带的晶面(hknz间存在以下关系:hu+kvZw=0Q要求：能采用该定理判断三个晶向是否共面，以及求解多个晶面的晶带！8. 晶体的

9、对称元素有哪些？S2.3晶休的宏现对称元素和对隸損柞对称元索对称轴对称中心对称面回转-反演轴1次12次d次4次6tfc了次4次6次辅助几何栗素直线点平面直线和直线上的定点对称操作绕直线旋转对点反演对面反映绕线旋转+对点反演基转角“360180L2Q90601209060国际符号123斗fi!m34等效对称元素23+i3+wr微观对称元素滑动面和螺旋轴。宏观对称操作时至少要求有一点不动，而微观对称操作时要求全部点都动！点群是指宏观晶体中对称要素的集合。晶体外形中只能有32种对称点群。晶体的对称性不仅决定于所属晶系，还决定于其阵点上的原子组合情况。晶体中可能存在的空间群有230种。它是通过宏观和微

10、观对称元素在三维空间的组合而得出。9. 晶面间距与晶面夹角的计算面心立方：当(hkl)非全奇数或非全偶数时，有附加面出现ad=hklh2+k2+12d100a212+02+02a11012+12+02体心立方：当h+k+l=奇数时，有附加面出现。adhklh2+k2+12ad1002辺2+02+02ad=110J12+12+02密排六方：当h+2k=3n(n=0，1，2),且l是奇数时，有附加面出现。dhkl4,h2+hk+k2l()+(一)2r3a2cd0012l4h2+hk+k2)+(丄)2cd1124zh2+hk+k2l门”(c)9.三种典型金属结构的晶体学特点结构特征晶体结构类型面心立

11、方(A1)体心立方(A2)密排六方(A3)点阵常数aaa,c(c/a=1.633)原子半径K424。434晶胞内原子数26配位数12812致密度0.740.680.74间隙四面休间隙数量大小0.225J?120.291J?120.225R八面休间隙数量大小40.414尺0.154<100)0.6331?<110)0.414K金厲硯子全届原子0八面後闻隙o口面悴同B?面心立方点阵中的间隙金展原子金园尿子O八血体間說O叫和体间艄图2.33体心立方点阵中的间隙金届原子aZ面协问隙图2.34密排六方点阵中的间隔时间10.合金f多晶型性纯铁的同素异构转变10.合金中的组成相合金组元之间形成的

12、合金相的性质，主要由各自的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度三个因素控制的。 固溶体的分类按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，分为:有序固溶体和无序固溶体两种。按溶质原子在固体中的溶解度，可分为:有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在溶剂晶格中的位置,可分为间隙固溶体和置换固溶体。 置换固溶体溶解度的影响因素 晶体结构相同组元间形成无限固溶体的必要条件 原子尺寸因素其他条件相近的情况下，原子半径差r<15%时有利于形成溶解度较大的固溶体。 化学亲和力（电负性因素）电负性差越大越倾向于形成化合物。 原子价因素（电子浓度因素）低于极限电子浓度固溶体才稳定。 中间相的分类和结构特点包括：正常

13、价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相。按照一定价电子浓度的比值组成的电子化合物，是有色金属中的重要强化相。当组成元素的原子半径差别很大时，倾向于形成间隙相和间隙化合物，中等程度差别则倾向于形成拓扑密堆相。当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的间隙相。间隙相是合金工具钢和硬质合金中的重要组成相。当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的间隙化合物（如：渗碳体，它是钢中重要的强化相。第3讲晶体缺陷1晶体缺陷的分类住点缺陷：在三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、

14、间隙原子、杂质或溶质原子等；4线缺陷：在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错；住面缺陷：在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷。经常共存互相联系相互制约2. 位错的基本类型和特征位错是晶体原子排列的一种特殊组态。从几何结构来看，可分为两种基本类型:刃型位错螺型位错刃型位错结构的特点：1. 有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“丄”；多出在下边的称负刃型位错。记号而已。2. 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。可以是直线、折线或曲线，但必与滑移方

15、向相垂直，也垂直于滑移矢量.3. 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。4. 刃型位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变.就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。5. 在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。螺型刃型位错结构的特点：1. 无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。2. 根据位错线附近呈螺旋形排列的原子旋转方向不同,可分为右旋和左旋螺型位错。3. 位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，位错线的移动方向与晶体滑移方向互

16、相垂直。4. 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。5. 螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。6. 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是包含几个原子宽度的线缺陷。3.图示柏氏矢量的确定(L)首先选定位错线的正向倚)，例如，常规定出纸面的方向为位错线的正方向。在实际晶体中，从任一原子出发，圉绕位错(避开位错线附近的严重畸变区)以一定的步数作-右旋闭合回路MNOPQ(称为柏氏回

17、胳)，如图所示“(3)在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M引一矢量趴使该回路闭合，如图3.9(b)所示。这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏(0(b)图3为列型位错柏氏矢量的确定(G实际晶体的柏氏回路(b)完整晶体的相应回路一根位错线具有唯一的柏氏矢量。4. 会判定位错反应的进行方向柏氏矢量的大小或模。亦剧2+|対卩out同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸变愈严重,它所处的能量也愈高。能量较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错，以使系统的自由能下降。判定下列号门亍门十号口门一铳OO1位错反应能11_疔否进行？fl21+晉21门32以

18、上两个位错反应均能进行，因为它们都同时满足了几何条件和能量条件。第2个是面心立方金属中最常见的单位位错分解反应。5. 位错运动的基本形式滑移刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。所有包含位错线的晶面都可成为螺型位错的滑移面。-当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，称为交滑移。攀移较高温度下，攀移较易实现。过饱和点缺陷的存在有利于攀移运动的进行。6. 运动位错的交割扭折:形成的曲折线段就在位错的滑移面上割阶:形成的曲折线段垂直于位错的滑移面（都是刃型位错）。刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；螺型位错的扭折和割阶线段均属于刃

19、型位错（均与柏氏矢量相垂直）7. 简述位错的主要增殖机制:刃位错：弗兰克-瑞德增殖机制8.螺位错：双交滑移增殖(Ill)消侈的(11!)交滑移囲图3.33螺型位错通过双交滑移增殖实际晶体中位错的柏氏矢量表31典型晶休结构中单位位错的柏氏矢量结构类型柏氏矢量方向b数量简单立方面心立方体心立方密排六方a<100>号<110号<111>y<1120><100><110><111><1120>aa39.能根据汤普森(ThompsonN.)四面体写出FCC中的扩展位错组态。能写出两个面之间形成的压杆位错柏氏矢量及其

20、滑移面。I'001j图3+40Thompson四面体及记号FCC中肖克莱不全位错和弗兰克不全位错的柏氏矢量？是否可动？扩展位错运动能力、宽度的影响因素？层错能！10.晶界的分类根据相邻晶粒之间位向差0角的大小，可将晶界分为两类： 小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10°的晶界亚晶界（V2°）均属小角度晶界；按照相邻亚晶粒之间位向差的型式不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界（对称倾斜晶界可看成是由一列平行的刃型位错构成）、扭转晶界（晶界的结构可看成由互相交叉的螺型位错所组成）和重合晶界等。任意小角度晶界，可看作是由一系列刃位错、螺位错或混合位错的网络所构成。 大角度晶界相邻晶

21、粒的位向差大于10°晶界多晶体中90以上的晶界属于此类。孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。孪晶界可分为两类，即共格孪晶界（也即孪晶面）和非共格孪晶界.第4讲单组元相图及纯金属的凝固1吉布斯相律f=C-P+2或f=c-p+1（不含气相的凝固体系，压力影响小）式中，f为体系的自由度数，它是指不影响体系相平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；c为体系的组元数；P为相数。温度/c*巧38“丁m温度（a）图6*2（a）纯铁的相图（示意图）和（b）只有温度变动的情况单元系中，除可出现气、液、

22、固三相之间的转变外，某些物质还可能出现固态中的多晶型转变（同素异构转变）。多数晶体由液相变为固相或高温固相变为低温固相时，放热（AHVO）和收缩（VmVO），因此dP/dT>o,故相界线的斜率为正。但也有例外（水结成冰，铁碳合金Ya。2掌握纯金属凝固的形核方式及临界晶核半径的计算（1）均匀形核：新相晶核在母相中均匀地生成（即晶核由液相中的一些原子团直接形成），不受杂质粒子或外表面的影响；（2）非均匀（异质）形核：新相优先在母相中存在的异质处形核（即依附于液相中的杂质或外来表面形核）。实际熔液中不可避免地存在杂质和外表面（如容器表面），因而是主要的凝固方式。其基本原理建立在均匀形核基础上。

23、均匀形核的必要因素：-液相必须处于一定的过冷条件时方能结晶。过冷度越大，越易形核；形核几率越大，形成的晶核也越细。必须具有和一定过冷度相对应的晶核尺寸，即必须具备结构起伏的条件.-必须具备形成临界晶核的能量条件，即通过能量起伏补偿形核功.3.纯组元凝固的晶体长大方式按原子尺度，可把相界面结构分为:-粗糙界面（大多数金属）-光滑界面晶体的长大方式与界面构造有关，可有连续长大（大多数金属）、二维形核、螺型位错长大等方式。4纯晶体凝固时的生长形态纯晶体凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况.5.细化金属铸件晶粒的主要途径：&增加过冷度&

24、形核剂的作用&振动促进形核6.单晶的制备基本方法:垂直提拉法和尖端形核法.第5讲二元系相图及合金凝固原理1. 掌握二元系相图的几何规律，能判断所测相图可能出现的错误。二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具公切线原理确定多相平衡混合物的自由能和杠杆法则-确定各相的相对含量固溶体的相互作用参数（Q）的物理意义物理意义当f2<0>由£ab<（徑e）/2ooo涸溶体的组元互相吸引朋成短程有序分布。此时A氐<氐ooo当fl=0t即伽=（兰aa+伽/2时”此时AH/O当fl>0,即皿（臥+弧）/2时打篩合不稳定,二元系相

25、图的几何规律：（1）所有线条都代表发生相转变的温度和平衡相成分，相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。（2）相区接触法则:两个单相区之间必定由该两相组成的两相区分开，两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。相邻相区的相数差为1（点接触除外）。（3）三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。该水平线上存在3个平衡相的成分点（两点为水平线的两端）水平线的上下方分别与3个两相区相接。（4）当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内而非单相区。2.认识二元系在平衡凝固和非平衡凝固下的成分与组织的关系。固溶体非凝固过程的特点冷却速度越快，固（液）相平均

26、成分线偏离固（液）相线越严重；反之，越接近固（液）相线,即越接近平衡凝固。先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶部分富含低熔点组元选分凝固原理非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。固溶体常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同，故称枝晶偏析。由于一个树枝晶是由一个核心结晶而成的，故枝晶偏析属于晶内偏析。枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，通过“均匀化退火”或称“扩散退火”，即在固相线以下较高的温度（要确保不能出现液相，否则会使合金“过烧”）经过长时间的保温使原子扩散充分，可使之转变为平衡组织。共晶合金的非平衡凝固伪共晶成分的合金也能得

27、全部的共晶组织O当具有共晶转变的合金熔液过冷到两条液相线的延长线所包围的影线区时，就可得到共晶组织；而在影线区外，则是共晶体加树枝晶的显微组织。随着过冷度的增加，伪共晶区也扩大.由非共晶成分合金所得到的共晶组织o在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区一般呈对称分布；若合金中两组元熔点相差很大时，伪共晶区常偏向高熔点组元一侧.53异常现象:共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织；非平衡共晶组织（离异共晶）I圈7.294%的用心合余的离舁共晶飨抿郭Ox而过共晶成分合金可能得到共晶组织或亚共晶组织.某些合金在平衡凝固时获得单相固溶体，快冷时可能出现少量非

28、平衡共晶体，如辺点以左或C点以右的合金匚此非平衡共晶组织在热力学上不稳定，可稍低于共晶温度扩散退火来消除非平衡共晶组织和固熔体的枝晶偏析，得到均匀单相固溶体组织匚非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的疫相依附于初生睹目生怅，将共晶体中另一相0推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组威相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。特别指出，离异共晶也可能在平衡凝固条件下荻得。如，靠近固溶度极限的亚，过共晶合金，由于初生相很多，共晶量很少，也可能出现离异共晶。包晶合金的非平衡凝固包晶反应的不完全性.即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的L相和a相，其中L相在继续冷却过程能直接结晶出多相或

29、参与其他反应，而a相仍保留在P相的心部，形成包晶反应的非平衡组织。该现象特别容易在那些包晶转变温度较低（原子扩散慢）或原子扩散速率小的合金中出现。与非平衡共晶组织一样，包晶转变产生的非平衡组织也可通过扩散退火消除。3. 复杂二元相图的分析方法(1)以稳定化合物为界，把相图分成几个区域来分析。(2) 根据相区接触法则，区别各相区。(3) 找出三相共存水平线，分析这些恒温转变的类型。(4) 应用相图分析具体合金随温度改变而发生的相转变和组织变化规律。单相区，成分与原合金相同；两相区，不同温度下两相成分分别沿其相界线而变,根据杠杆法可求出两相的相对量。三相共存时，三个相的成分是固定的，可用杠杆法则求

30、出恒温转变前、后组成相的相对量。(5) 相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表示相的形状、大小和分布。(6) 相图的建立由于某种原因而可能存在误差和错误，则可用相律来判断。4. 二元相图的恒温转变的类型5. 根据相图判别合金的使用性能和工艺性能固溶体的性能随合金成分呈曲线变化。形成两相机械混合物的合金，其性能是两组成相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系。机械混合物中，各相的分散度对组织敏感的性能有较大的影响。如,共晶及接近共晶成分的合金，通常组成相细小分散，则强度、硬度可提高。当形成稳定化合物(中间相)时，其性能在曲线上出现奇点。铸造性共晶合金熔点低，且为恒温转变,熔液流动性好

31、，凝固后易形成集中缩孔，合金致密，因此铸造宜选择近共晶成分合金。固溶体合金流动性差，且液、固相线间隔（即结晶温度范围）越大，树枝晶易粗大，对合金流动性妨碍严重，由此导致分散缩孔多，合金不致密，且偏析严重，同时先后结晶区域易形成成分偏析。压力加工性能压力加工好的合金通常是单相固溶体，因为固溶体的强度低，塑性好，变形均匀.两相混合物，由于各自强度不同，变形不均匀，变形大时两相界面也易开裂，尤其是存在的脆性中间相对压力加工更为不利。热处理性能相图中没有固态相变的合金只能进行消除枝晶偏析的扩散退火；具有同素异构转变的合金可通过重结晶退火和正火热处理细化晶粒；具有溶解度变化的合金可通过时效处理方法来强化

32、合金；某些具有共析转变的合金，如各种碳钢，先经加热形成固溶体丫相，然后快冷（淬火），则共析转变将被抑制而发生性质不同的非平衡转变（如：马氏体转变），由此获得性能不同的组织。5.铁碳合金中存在哪些基本相?铁素体（BCC结构）-C原子溶于a-Fe形成的固溶体；奥氏体（FCC结构）-C原子溶于丫-Fe形成的固溶体；渗碳体（正交点阵）C与铁原子形成复杂结构的化合物；石墨（六方结构）碳能以游离态石墨稳定相存在。A一般仅存在于高温下。室温铁碳合金中只有两个相（F和渗碳体），结合形成珠光体（P）和变态莱氏体（Ld）机械混合物。由于F中含碳量非常少，故可认为铁碳合金中的C绝大部分存在于渗碳体中。6. 能画出铁

33、碳相图，牢记铁碳合金中的特征点、特征温度和标记。会计算典型成分的室温组织组成物和相组成物的相对量，画冷却曲线及组织示意图。E(2.08)E(2.11)1148口+呼230DF'FFe1234C,%(重量)66.692001000含此线以上处于液态缓冷至此线结晶为固相冷至此线发生共晶转变冷至此线发生共析转变碳在yFe中的溶解度曲线碳在a-Fe申的诺解度曲线铁素体开贻析出线特性线名称ACD线AECF线ECF水平线厳相线固相线共晶线PSK水平线共折线（A1线）ES线Acm线PQ鏡GS线A3线P-越飓PS(0.77)0.0218)F勺C0.091148°CWC=0.4%合金室温组织中

34、组织组成物相对量相组成物的相对量二49.45%0.770.40a%=u94%6.690.0008FeC%=100%94%=6%0.770.0218P%=149.45%=50.55%FeC=a%(FeC%)=49.45%x0.33%=0.16%3III初3III最大7.了解碳含量对铁碳合金组织与性能的影响钢白口痔铁钢铁分类亚共析養过共析亚共晶養过共晶组织特征高温固态呈奥氏体r固态具有莱氏体组分高温组织变化规律i工业纯铁IA>Fe3'L+AL,/XL+Fe3CjA+Fe3Cn+LdLdFe3Ci+U-IIi室温组织变化规律1F+PF+Fe3CnFejCn+PP+Fe3Cn+Ld

35、9;Ld'Fe3C1+Ld/相组成相对*F!Fe3c组织组分相组成P:力学性能变化规律合金基体是铁素体，则随碳含量的增加，渗碳体越多，合金的强度越高。若渗碳体脆性相分布在晶界上形成连续网状分布,则合金的塑性和韧性显著下降（如M（c）1%）。珠光体的强度比F高，比渗碳体低;珠光体的塑性和韧性比F低，而比渗碳体高;珠光体的强度随珠光体的层片间距减小而提高。当渗碳体成为基体时，如白口铁中，则合金硬而脆。8. 固溶体的凝固理论平衡分配系数K0的含义：表示单相合金凝固时发生溶质重新分布的程度。K0定义为平衡凝固时固相的质量分数和液相质量分数之比.K0越接近1，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与

36、原合金成分越接近，即重新分布的程度越小。纯金属凝固一热过冷（实际凝固温度低于理论凝固温度）合金凝固一成分过冷（由于溶质成分富集，液相前沿某一区域温度低于液相线温度）。成分过冷的判据：外部条件厂”<11丨控制参数石Ln取决于合金性质G:自液固界面开始的温度梯度.in:液相线的斜率，R:凝固速度溶质浓度越低，不易产生成分过冷；当合金成分一定时，凝固温度范围越宽，液相线斜率m越大，越易产生成分过冷。D越小，边界层中溶质越易聚集，有利于成分过冷。实际温度梯度G越小，对一定的合金和凝固速度，成分过冷倾向增大。若凝固速度R增大，液体的混合程度减小，边界层的溶质聚集增大，有利于成分过冷。成分过冷可使合

37、金在正温度梯度下凝固得到树枝状组织，而纯金属要得到树枝状组织须在特殊获得的负温度梯度下。成分过冷是合金凝固有别于纯金属凝固的主要特征。9. 共晶合金的凝固理论共晶组织分类：按两组成相的分布形态可归类为:层片状、棒状（条状或纤维状）、球状（短棒状）、针状和螺旋状等。按共晶两相凝固生长时液-固界面的性质，即按反映微观结构的参数值大小来分类，可将共晶组织划分为3类：（1）金属-金属型（粗糙-粗糙界面）。由金属-金属组成的共晶，以及许多由金属-金属间化合物组成的合金均属于此类。（2）金属-非金属型（粗糙-光滑界面）。两组成相为金属-非金属或金属-亚金属，其中非金属或金属性较差的一相在凝固时，其液-固界

38、面为光滑界面，如Pb-Sb,Fe-C（石墨）等合金共晶属于此类。（3）非金属-非金属型（光滑-光滑界面）。此类共晶组织形态研究甚少，而且不属于合金研究的范围，金属-金属型共晶：大多为层片状或棒状。共晶形态在某些条件下会受到生长速率、结晶前沿的温度梯度等参数的影响，但主要受界面能所控制，并取决于以下两个因素：两组成相的相对量（体积百分数）。若层片/棒之间的中心距离久相同，且两相中的一相（设为a相）体积V27.6%时，有利于形成棒状共晶；反之有利形成层片状共晶。两组成相的单位面积界面能。当两组成相以一定取向关系互相配合，使层片相界面上的单位面积界面能降低。因此，当a相27.6%vol时，要视I界面

39、积与I单位面积界面能何者更有利于降低体系的能量。若为前者，倾向于得到棒状共晶.层片状共晶组织形成的机制：搭桥机制共晶的层片间距显著影响合金的性能。共晶组织越细，则合金强度越高，其可用霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式来表示。金属-非金属型共晶（如：铝-硅合金）共晶组织通常形态复杂，如针片状、骨筋状等。SEM观察显示出，每个共晶领内的针/片并非完全孤立，也是互相连成整体的。变质处理:在金属-非金属型共晶中适当加入第三组元，共晶组织形态可能发生很大变化。变质处理是一种经济、实用并改善共晶合金组织与性能的方法。10. 铸锭（件）的宏观组织特点及形成机理。由内表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区3部

40、分所组成。铸锭（件）的宏观组织与浇注条件有密切关系。浇注条件的变化可改变3个晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至不出现3个晶区。通常快速冷却、提高浇注温度和定向散热有利于柱状晶形成；如果金属纯度较高、铸锭件截面较小时，柱状晶快速成长有可能形成穿晶。相反，慢速冷却、降低浇注温度、加入有效形核剂或搅动等均有利于形成中心等轴晶。11. 铸锭（件）的常见缺陷类型缩孔可分为集中缩孔和分散缩孔（又称疏松）两类。集中缩孔有多种不同形式，如:缩管、缩穴、单向收缩等，而疏松也有一般疏松和中心疏松等。铸件中的缩孔类型与金属凝固方式有密切关系（共晶合金和纯金属一壳状凝固；固溶体合金一糊状凝固；实际合金的凝固常在糊状凝固和

41、壳状凝固之间）。气孔；夹杂物。分为内生和外来两类。偏析。宏观偏析分为:正偏析、反偏析、比重偏析；显微偏析分为:胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析.第6讲三元相图1. 掌握三元相图的基本特点(1)完整的三元相图是三维的立体模型。(2)四相平衡区是恒温水平面(如图中mnp)。(3)除单相区及两相平衡区外，三元相图中三相平衡区也占有一定空间，不再是二元相图中的水平线。相区接触法则？2. 了解等边成分三角形、等腰成分三角形和直角成分坐标表示成分的特点，能读出合金的具体成分。等边成分三角形中的特殊线1)成分点位于与等边三角形某一边相平行的直线上f各三元合金所含与此线对应顶角代表的组元的质量分数相等。(2)凡成

42、分点位于通过三角形某一顶角的直线上的所有三元系-所含此线两旁的另两顶点所代表的两组元的质量分数的比值相等。等腰成分三角形(某一组元含量较少，而另两个组元含量较多时)直角成分坐标(三元系成分以某一组元为主、其他两个组元含量很少时)等含量法则、等比例法则、直线法则、杠杆定律和重心定律的含义和应用。3. 能根据液相面交线投影可分析四相平衡转变类型4. 能写出图中各区合金的结晶过程及室温下的组织组成物。861146*4L-2200*1700*1380'l4l*90607080301020W1085*一WC液相面投影1WC2785*-<2755*(液相面投影图：几个箭头入T几个固相出)第7

43、讲固体中原子及分子运动1.能写出扩散第一定律和第二定律的表达式，了解其适用条件；。扩散的驱动力?2. 柯肯达尔效应的起因及结果由于置换型溶质原子半径与基体原子相差不大，二者可动性大致在同一级数量级（即不可忽略溶剂原子的扩散），扩散速率不同会发生Kirkendall效应。3.表面热处理过程（如：钢铁材料进行渗碳处理时）高熔点金属的原子结合力强,扩散慢;低熔点金属的原子结合力弱扩散快。标记面向扩散系数大的组元一侧漂移。对于同一扩散系统,D与扩散时间t的乘积为常数。对于同一扩散系统,X与t的关系是tXx24.了解合金扩散机制交换机制（金属晶体中鲜见）、空位机制（置换固溶体）和间隙机制（间隙固溶体为主

44、）5. 短路扩散类型（位错扩散、晶界扩散、表面扩散）6. 能参考平衡相图来分析反应扩散所形成的相。在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区；三元系中渗层的各部分都不能出现三相共存区，但可以有两相区。7. 掌握扩散系数的影响因素。分析为什么钢铁工件的渗碳温度一般要选择在丫-Fe相区中进行?若不在丫相区进行会有什么结果?为什么钢铁工件的渗氮温度一般选择在a-Fe相区中进行？第8讲材料的形变和再结晶1.熟悉单晶体的变形方式，滑移、孪生变形的特点。常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外尚有孪生和扭折等方式。高温形变主要通过扩散性变形及晶界滑动和移动等。滑移不改变晶体的位向，孪

45、生改变了晶体位向；滑移是全位错运动的结果，而孪生是不全位错运动的结果；滑移比较平缓，应力应变曲线较光滑、连续，孪生则呈锯齿状；滑移的切变较大，而孪生的切变较小。宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；微观上，都是晶体塑性变形的基本形式；两者都不会改变晶体结构。2.熟悉典型金属晶体的滑移系及Schmid定律外力在该滑移面沿滑移方向的分切应力工为:试祥拉伸时横截面上的正应力，对取向因子或施密持（沁md）因子，越大则分切应力越大。（*）（b>由镜面对称原理可找出拉伸轴P对应的初始滑移系（111）101及共轭滑移系（111）011.根据取向三角形判断特殊取向轴可能同时开动的滑移系，以及开动时所需

46、分切应力。注意：力轴不能垂直滑移方向（否则分切应力为0）(c)=(lll：DDftllOlfnioi力轴不能垂直滑移面（否则分切应力为0），即不能平行滑移面的法线方向。可知：力轴处于FCC的001,可同时开动8个滑移系（每个密排面上有2个滑移系，即取向因子不为0的2个，即（111）上为0丄1和101方向，可由极图间隔2个极点来组合）。力轴处于FCC的110（即AD）,可同时开动4个滑移系（AD所在与另2边构成滑移系,即BA（BAD）,BD（BAD）,AC（CAD）和CD（CAD）.力轴处于FCC111（即D5）,可同时开动6个滑移系，即其它中非ABC边的另两个滑移方向。据此,FCC共有111斗

47、<110艺=12个滑移系；BCC曲于可同吋沿(110),(1哲)晶面滑移，故其共有£个滑移系”低泌琴1106<111>2+11212<111>!+123*4<in>i沪HCP滑移系仅有(0001)(1120)尸3个滑移系口bHCP多晶体的塑性不如FCC或BCC的好。掌握常见FCC和BCC金属的孪生面和孪生方向。HCP金属(Zn，Mg等)对称性低、滑移系少的易出现孪生变形。孪生面为1012,孪生方向为<1011> BCC金属当形变温度较低、形变速度极快或其他滑移过程难以进行时也通过孪生变形,孪生面为112，孪生方向(111) FCC

48、金属由于对称性高，滑移系多而易于滑移，孪生很难发生，常见的是退火孪晶，只有在极低温度(4-78K)下滑移极为困难时才会产生孪生。孪生面为111,孪生方向为(112)。3. 了解多晶体变形的特点多晶体是否能塑性变形，决定于它是否具有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。不同时性在外力作用下，软取向晶粒首先达到临界分切应力，开始变形，随着晶体的转动，软硬取向易位，硬取向晶粒开始变形。 不均匀性由于晶粒位向的不同，变形的不同时性，晶界的阻塞作用，使得不同晶粒、同一晶粒的不同区域，塑形变形量不同。 相互协调性多晶体塑性变形时，变形可以在不同晶粒之间传递，而保证晶体的完整性，需要各晶粒之间相

49、互协调。4. 理解加工硬化、细晶强化、固溶强化、第二相强化的机理和意义； 固溶强化溶质原子可以偏聚在位错的周围形成各种气团，对位错的运动起到钉扎作用(气团理论)；溶质原子也可以是均匀而规则地分布在基体上，由于溶质与基体原子的错配度产生了内应力场，位错在基体中运动会受其作用。以上两种情况均可使基体强化。如：低碳钢淬火后强度提高。 细晶强化通过晶体内部的晶界来阻止位错的运动。晶粒细小均匀，则晶界数量增加。细晶强化可同时提高塑性，其他的强化方式都不行。如灰铸铁的孕育处理和铝活塞采用金属型铸造等都属细晶强化的实例。 沉淀强化（弥散强化）通过弥散分散在金属内部的硬质点相来阻止位错的运动。其中，弥散强化型

50、合金的第二相是外加的，位错绕过此类不变形质点所产生的强化称Orowan强化。而沉淀相粒子大多属可变形的（长大到一定程度也能起着不可变形粒子作用），其强化作用主要取决于粒子本身性质（层错能等），以及其与基体的联系（如：共格程度），其强化机制甚为复杂，且因合金而异。有色合金通过时效可以提高强度 形变强化又称为加工硬化或冷作强化，是通过变形增加位错密度，使得位错运动时受到其它位错的强烈作用，阻碍位错运动。如冷拉钢丝通过拉伸提高强度。了解奥罗万（Orowan）机制和切过机制了解低碳钢的屈服现象、应变时效现象及其机制。当退火态低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形后卸载，然后立即重新加载拉伸，其拉伸曲线不再出现屈服点，此时试样不发生屈服现象。如果不采取上述方案，而是将预变形试样在常温下放置几天或经200°C左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高，此现象通常称为应变