材科重要知识点3

《材料科学基础》习题课

“相图与凝固”部分1．按不同特点分类，固溶体可分为哪几种类型？影响置换固溶体固溶度的因素有哪些？2．影响固溶体的无序、有序和偏聚的主要因素是什么?3．（1）间隙化合物与间隙固溶体有何根本区别?（2）下列中间相各属什么类型？指出其结构特点及主要控制因素：MnS、Fe3C、Mg2Si、SiC、Cu31Zn8、Fe4N、WC、Cr23C64．陶瓷材料中的固溶方式与金属相比有何不同？影响陶瓷材料中离子代换或固溶度的因素有哪些？5．铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，的合金在520℃时开始结晶出成分为的固相。的合金在400℃时开始结晶出成分为的固相。根据上述条件，（1）绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称。（2）从相图上确定含锑量为合金的开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及相对量。6．根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃；的合金在500℃结晶完毕，并由73.33%的先共晶α相和26.67%的共晶体组成；的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的的共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。9．分析的铁-碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图，说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的相对量。知识基础Fe-Fe3C相图复杂相图3个恒温转变相图分析相区线点凝固结晶后组织典型作业题确定材料成分点位置从高温到室温经历相区转变点，是否经历恒温转变。从高温液相开始叙述，一直到室温相变过程。室温下的相和组织及其相对量杠杆定律计算。典型作业题以含碳0.2%钢的结晶过程为例，自液态缓慢冷却，根据相图，（1）首先遇到液相线，开始析出高温铁素体（Lδ），随着温度下降，L成分沿液相线变化，δ成分沿固相线变化；（2）温度下降到1495℃，L成分达到0.52%，δ成分达到0.09%，此时，发生恒温包晶转变（δ0.09+L0.52γ0.17），形成成分为0.17%的γ，这个过程一直持续到δ完全消耗，进入L和γ两相区；（3）继续降温，发生剩余L向γ的匀晶转变，直到L完全消耗，单相γ从0.17沿固相线变化达到合金原始成分0.2%，进入单相γ；（4）温度继续下降在遇到GS同素异构转变开始线前，一直处于单相区，没有任何变化；典型作业题（5）温度下降到与GS线相交时，奥氏体开始向铁素体转变（Aα），奥氏体的成分沿着GS线变化，铁素体的成分沿GP同素异构转变终了线变化；（6）直到温度达到727℃，奥氏体中C含量降到0.77wt%；此时，奥氏体在这一温度下发生恒温转变，即共析转变，形成铁素体和渗碳体片层相间的珠光体组织（A0.77P(F+Fe3C)）；(7)在727℃以下继续冷却，先析出的铁素体和珠光体中的铁素体中析出Fe3CIII，直到室温。因此，室温下该成分合金的相组成为F+Fe3C，组织为P+F+Fe3CIII。典型作业题根据杠杆定律室温下，组织组成物百分含量为：三元相图作业点评补充作业1、在成分三角形ABC中，标出合金（a）75wt%A、15wt%B、10wt%C与合金（b）50wt%A、30wt%B、20wt%C的位置；用50Kg的a合金与20Kg的b合金熔配成一个新合金c，用作图法求出新合金的成分点，并用代数法验算。2、为什么三元相图中四相平衡共晶面是一个水平面？该水平面上部与下部有哪些相平衡空间？3、三元合金系中，相的自由能与成分关系为一曲面，从热力学相平衡角度简述三元系合金中恒压下在任一温度下的三相平衡区为直边三角形的原因。典型例题F液相面投影图典型例题等温截面图典型例题变温截面与全投影相图部分知识要点相与相结构（重点）固溶体2类合金固溶体陶瓷材料中固溶方式固溶体偏聚与有序化合物（中间相）化合物特点正常价化合物电子价化合物尺寸因素化合物（间隙相）相图部分知识要点二元系相图及类型相图基本知识--组元相图相律一元系相图—相区液相线多晶转变线二元系相图（重点）匀晶相图及固溶体结晶（重点）匀晶转变（LS两相区液相线固相线）

选分结晶平衡2相杠杆定律

固溶体不平衡结晶

晶内偏析相图部分知识要点共晶相图及结晶分析（重点）共晶转变恒温下Lα+β共晶相图中典型合金(固溶体合金的固溶析出共晶合金的两相协调推进亚共晶合金与过共晶合金的先结晶析出)结晶过程相图与组织--组织组成物不平衡结晶—伪共晶不平衡共晶离异共晶相图部分知识要点包晶相图及结晶分析（掌握）包晶转变恒温下L+αβ包晶相图中典型合金(固溶体合金包晶成分合金)结晶过程不平衡结晶—伪共晶不平衡共晶离异共晶相图部分知识要点其他类型二元相图（了解）具有其他恒温转变相图熔晶转变合晶转变偏晶转变共析转变包析转变2组元形成中间相的相图稳定化合物相图不稳定化合物相图材料性能与相图关系（掌握）相图与材料使用性能（力学、物理性能）相图与材料加工性能（铸造、焊接、压力加工、热处理）相图部分知识要点复杂相图分析分析方法

分割相图—稳定化合物分割简化

填写相区---填写单相区外的多相区（两相、三相区）分析恒温转变—相图上的水平线（三相平衡）

分析结晶过程---从高温到室温相变过程，室温下的相组成与组织组成物利用杠杆定律计算举例Cu-Sn相图分析相图部分知识要点铁碳合金相图（重点）重要性双重性钢与铁国际性达到随手画出Fe-Fe3C相图组元：纯铁石墨渗碳体相图分析相区单相区两相区三相区线液相线固相线同素异构转变起始线奥氏体与铁素体的固溶度线磁性转变线包晶反应线共晶反应线共析反应线（恒温温度）点

纯铁熔点及同素异构转变温度点最大固溶度点（成分、温度）包晶、共晶及共析反应成分点

相图部分知识要点铁碳合金按室温组织分类钢（亚共析、共析、过共析）铸铁（亚共晶、共晶、过共晶）铁碳合金结晶过程与室温组织分析（重点）纯铁共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁

从高温到室温结晶与相变过程、室温的相与组织组成物杠杆定律计算相对含量

（典型作业题）碳对铁碳合金平衡组织和性能影响相图部分知识要点钢中的杂质元素及其对性能影响（了解）

S热脆P冷脆Si、Mn固溶强化与脆性N、O、H钢的分类、牌号与用途（掌握）分类：按C含量分；按质量分；按用途分牌号与用途普通碳素结构钢Q235优质碳素结构钢0810152025；构件、渗碳件3035404550；轴类、连杆等弹簧556065含碳量万分数：如45钢：0.45wt%C工具钢T7T8T10T12含碳量千分数：如T8钢：0.8wt%C相图部分知识要点材料热力学基础（掌握）固溶体吉布斯自由能--成分曲线克-克方程—单元系中相平衡多相合金中相平衡化学位二元系中相平衡（公切线两相平衡三相平衡）自由能成分曲线推测相图（匀晶、共晶、包晶）调幅分解（难点）相图部分知识要点三元相图及其类型成分表示

等边三角形顶点边内部点；2条特殊线三元匀晶相图（重点）相图

立体，液相面、固相面等温截面（重点）

共轭曲线连线（直线）法则杠杆定律平衡结晶过程空间液相面与固相面成分三角形中蝴蝶迹线变温截面过顶点变温截面平行对边变温截面变温截面功能相图部分知识要点三元系中相平衡分析（掌握）吉布斯自由能--成分曲面三元系中两相平衡（结合匀晶相图理解）两相平衡（f=2）及两相区空间（共轭曲面）水平截面（等温截面）垂直截面三元系中三相平衡（难点）三相平衡(f=1)及空间形状共轭三角形三棱柱成分变温线

（补充的作业题）水平截面中三相区及重心法则、转变类型垂直截面相图部分知识要点三元系中四相平衡（难点）四相平衡（f=0）及空间平衡平面四相区形状与反应类型四相共晶（析）型、包晶（析）型与包共晶（析）型反应垂直截面中的四相区液相面投影图中四相反应

（补充的作业题）三相平衡和四相平衡结合四相共晶反应三元系相图理解掌握相图部分知识要点具有四相共晶反应的三元系相图相图分析

单相区两相区三相区四相区系列水平截面投影图液相面投影图三相区投影图全投影图

结晶分析（难点）

综合运用前述知识：关键先确定合金成分点在投影图中所处位置，即哪个液相面、是否在三相区、在那个三棱柱区，是否进入四相区内，准确判断从高温到室温的相变过程，从而确定室温下组织组成。（典型作业与例题）相图部分重要概念合金固溶体置换固溶体间隙固溶体等价代换异价代换短程有序有序固溶体有序化温度电子化合物简单间隙化合物Laves相匀晶反应选分结晶晶内偏析共晶反应二次析出反应伪共晶组织离异共晶包晶反应包晶偏析稳定中间相铁素体奥氏体渗碳体组织组成物共晶渗碳体共析渗碳体二次渗碳体三次渗碳体共析反应珠光体莱氏体室温莱氏体相图部分重要概念钢的冷脆钢的热脆应变时效化学位调幅分解等温截面共轭曲线直线法则共轭三角形成分变温线凝固部分知识要点晶核形成（重点）基本规律

液体结构

过冷现象过冷度驱动力均匀形核（重点）晶坯形成自由能变化临界晶核半径临界形核功形核率非均匀形核（重点）晶坯形成自由能变化临界晶核半径临界形核功润湿角与形核剂凝固部分知识要点晶体生长（掌握）必要条件动态过冷度固/液界面微观构造晶体长大后的形貌2类固液界面固液界面自由能熔化熵晶核长大方式垂直生长（微观粗糙界面）二维台阶生长、螺旋位错等缺陷生长（微观光滑界面）凝固部分知识要点固溶体凝固（重点）平衡凝固

平衡分配系数k平衡凝固特征不平衡凝固（重点）固相无扩散/液相完全混合时的溶质分布

正常凝固方程固、液相成分分布固相无扩散/液相仅靠扩散混合时的溶质分布凝固三区段稳态凝固方程固/液界面前沿溶质分布成分过冷及其影响（重点）

成分过冷临界条件对固/液界面形貌影响

对固溶体生长形态的影响对合金铸造性能影响凝固部分知识要点共晶合金的凝固（掌握）共晶体的形态金属-金属型金属-非金属型共晶体的形核及生长形核---层片状共晶体交替形核生长搭桥机制金属-金属型生长协同生长---片层状；杂质影响--胞状、棒状金属-非金属型生长金属相超前自由生长非金属相特定形状先共晶相形态金属型—树枝状非金属型—规则多面体凝固部分知识要点制造工艺与凝固组织铸锭与铸件凝固组织与偏析（重点）凝固组织表层细晶、柱状晶区、中心等轴晶区晶粒细化宏观偏析正常偏析反偏析比重偏析显微偏析胞状偏析枝晶偏析扩散退火处理

连续铸造和熔化焊的凝固组织（了解）

柱状晶无缩孔、疏松凝固部分知识要点用凝固法制备材料的技术（了解）区域提纯工艺与原理第1次提纯后溶质分布制备单晶单晶制备对工艺要求坩埚直拉法悬浮区熔化法快速冷凝制备金属玻璃金属玻璃快淬工艺成分设计定向凝固制备高温合金叶片

定向凝固工艺柱状晶组织单晶组织凝固部分重要概念过冷度临界形核功形核率均匀形核非均匀形核粗糙界面光滑界面成分过冷正常偏析显微偏析作业题点评1．液体金属在凝固时必须过冷，而在加热使其熔化却毋需过热，即一旦加热到熔点就立即熔化，为什么？今给出一组典型数据作参考：以金为例，其、、分别为液-固、液-气、固-气相的界面能（单位J/m2）。2．式（6-13）为形核率计算的一般表达式。对金属，因为形核的激活能（书中用符号）与临界晶核形成功（或）相比甚小，可忽略不计，因此金属凝固时的形核率常按下式作简化计算，即

试计算液体Cu在过冷度为180K、200K和220K时的均匀形核率。并将计算结果与图6-4b比较。（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．试对图6-9所示三种类型材料的生长速率给予定性解释。典型作业题5．某二元合金相图如图6-45所示。今将含WB40%的合金置于长度为L的长瓷舟中并保持为液态，并从一端缓慢地凝固。温度梯度大到足以使液-固界面保持平直，同时液相成分能完全均匀混合。