材料科学基础课件

材料科學基礎

前言科學技術的進步為人類創造了巨大的物質財富和精神財富。能源、資訊和材料是現代科學技術進步的三大支柱產業，其中材料是科學技術發展的基礎。材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能，以及它們之間相互關係的科學。材料科學的發展與人類社會的進步和發展密切相關，是人類文明進程的一種標誌。可以說，沒有先進材料的生產及應用，就沒有先進的工業、農業、國防和科學技術的發展。當今社會，科學技術發展日新月異，傳統材料性能與應用不斷拓展、各種功能性材料不斷湧現，人類已步入先進材料發展與應用的新時代。本書由張代東、吳潤主編。書中第1章由東北大學秦皇島分校李明亞編寫，第0章、2章、第9章由太原科技大學張代東編寫，第3章、第4章由武漢科技大學吳志芳編寫，第5章、第8章由遼寧工程技術大學任鑫編寫，第6章、第7章由東北大學秦皇島分校王曉強編寫，第10章由武漢科技大學吳潤編寫，全書由張代東統稿。本書在編寫過程中得到了北京大學出版社及童君鑫編輯的大力支持和熱情指導，得到了太原科技大學材料科學與工程學院，尤其是材料教研室、實驗室很多老師的關懷與協助，在此一併表示衷心的感謝。由於編者水準有限，書中缺點與不妥之處必然存在，懇請讀者批評指正。緒論材料是一類物質，是人類用以製造生產和生活所需物品或產品的物質。材料的種類繁多，用途廣泛，一般按材料的物理化學性能將其分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和複合材料（有人將它們稱之為固體材料的四大家族）。在所有應用材料中，金屬材料，尤其是鋼鐵，在機械製造業中應用最為廣泛，各種機械設備、交通運輸工具、航空航天器械、水利水電設施、儀器儀錶產品、國防武器設備等所用材料中，金屬材料占主導（約90%以上）地位。金屬材料來源豐富，品種極多。從元素週期表看，在自然界已知所存在94種化學元素中金屬元素占了72種（人造元素除外），像鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、銅等金屬元素在地殼中含量較大，通過冶煉等手段可獲得它們的單質固體材料（稱作純金屬如純銅、純鐵、純鋁等）或以它們為主體的不同成分的固體材料（稱作合金如青銅、合金鋼、硬鋁等）。金屬材料之所以能夠對人類文明發揮重要的作用，一方面是由於其本身具有比其他材料優良的使用性能和加工工藝性能，可通過各種加工手段製成各種形狀、尺寸、粗糙度和不同性能要求的零件和工具，以滿足社會生產和生活的各種需要；另一方面，是它那始終蘊藏著在性能方面以及數量和品質方面的巨大潛在能力，可供隨時挖掘，因而能夠隨著日益增長的名目繁多的要求，而不斷地更新和發展。金屬材料的使用性能包括力學性能和物理化學性能。金屬材料的力學性能主要包括強度、硬度、塑性、韌性等。金屬材料的物理化學性能主要包括密度、導電性、導熱性、膨脹係數、抗氧化性、耐腐蝕性等。金屬材料的加工工藝性能主要有切削加工工藝性能、鑄造加工工藝性能、鍛造加工工藝性能、焊接加工工藝性能和熱處理加工工藝性能等。第1章金屬的晶體結構

【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識金屬鍵熟悉原子間結合鍵類型及特點，重點掌握金屬鍵結合特點和金屬特性元素及其原子結構，鍵合方式，原子結合特性，金屬鍵與金屬特性金屬晶體學基礎熟悉布拉菲點陣模型，掌握典型金屬晶體的表徵方法空間點陣、晶胞、晶格常數，14種布拉菲點陣，晶面指數、晶向指數，典型金屬晶體結構、間隙金屬晶體缺陷瞭解實際金屬晶體與理想晶體的區別，掌握三種缺陷類型和特徵單晶體、多晶體，點缺陷類型、平衡濃度，位錯類型、密度、柏氏向量，晶界、孿晶界、亞晶界、相界、表面、介面能1.1金屬鍵與金屬特性

1.鍵合方式金屬鍵離子鍵共價鍵分子鍵氫鍵不同鍵合的結合特性2.金屬特性延展性導電性正的電阻溫度係數導熱性金屬光澤1.2金屬晶體學基礎1.空間點陣空間點陣和晶胞14種布拉菲點陣晶系名稱點陣常數間的關係和特點實例三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90oK2CrO7單斜晶系a≠b≠c，α=γ=90o≠ββ-S，CaSO4·H2O正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90oα-S，Fe3C六方晶系a1=a2=a3≠c，α=β=90o，γ=120oZn，Cd，Mg菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90oAs，Sb，Bi四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90oβ-Sn，TiO2立方晶系a=b=c，α=β=γ=90oFe，Cr，Au，Ag，Cu2.晶向指數與晶面指數晶向指數晶面指數六方晶系的晶向指數與晶面指數晶帶與晶帶定理晶面間距晶面夾角3.典型金屬晶體結構三種典型的金屬晶體結構

晶體中原子的堆垛方式晶體結構中的間隙

1.3實際金屬晶體結構1.單晶體與多晶體單晶體多晶體晶體的各向異性2.點缺陷點缺陷的類型點缺陷的平衡濃度點缺陷對金屬性能的影響3.線缺陷位錯的類型位錯密度柏氏向量位錯的易動性位錯對材料性能的影響4.面缺陷晶界與亞晶界孿晶界相界表面孿晶面非共格孿晶面第2章金屬的結晶【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識結晶基本概念理解結晶與凝固之間的關係；掌握過冷度、自由能、結構起伏的概念；理解冷卻曲線和自由能變化曲線結晶概念；結構起伏、能量起伏；熱力學定律晶核形成規律比較均勻形核與非均勻形核的變化規律；計算臨界形核半徑和臨界形核功，瞭解影響形核率的主要因素；吉布斯自由能，系統能量變化；均勻形核、非均勻形核；形核功、形核率；影響形核率的主要因素晶核長大規律理解固液介面微觀結構，瞭解晶核長大機制，掌握金屬晶核長大主要特徵和控制晶粒大小的主要因素光滑介面、粗糙介面；垂直長大、平面長大、缺陷長大；正溫度梯度、負溫度梯度；樹枝狀生長；晶粒大小的控制金屬鑄錠組瞭解三晶區形成特點和性能特點，掌握控制三晶區的方法；瞭解鑄錠常見缺陷和形成原因表面細晶區、柱狀晶區、等軸狀晶區；縮孔、疏鬆、氣孔及夾雜物結晶理論的應用熟悉定向凝固和急冷凝固技術；瞭解柱狀晶、單晶、微晶、非晶、准晶的形成及基本特徵定向凝固技術：柱狀晶、單晶技術；急冷凝固技術：微晶和納米晶、非晶、准晶技術2.1結晶的基本概念1.晶核形成與晶核長大2.結晶的條件過冷度自由能結構起伏2.2晶核形成規律

1.均勻形核形核時的能量變化臨界形核半徑和臨界形核功形核率2.非均勻形核臨界形核半徑和形核功形核率2.3晶核長大規律1.液固介面的微觀結構光滑介面粗糙介面2.晶核長大機制垂直長大機制

二維長大機制晶體缺陷長大機制3.晶體生長的形態正溫度梯度條件下生長的介面形態負溫度梯度條件下生長的介面形態4.晶體長大速度晶體長大速度與介面微觀結構、生長方式等多種因素有關。一般光滑介面比粗糙介面的長大速度要慢得多，光滑介面以二維長大方式生長時長大速度最小，光滑介面以螺型位錯等缺陷臺階長大方式生長時次之，粗糙介面以垂直長大方式生長時速度最快。大多數金屬晶體具有粗糙介面並以枝晶方式長大，具有高的長大速度。

5.晶粒大小的控制2.4金屬鑄錠的組織與缺陷。1.鑄錠組織表層細晶粒區柱狀晶粒區中心等軸狀晶粒區2.鑄錠組織的控制3.鑄錠中的缺陷縮孔疏鬆氣孔夾雜物2.5結晶理論的拓展與應用1.定向凝固技術柱狀晶技術單晶技術2.急冷凝固技術微晶和納米晶金屬非晶態金屬准晶態金屬第3章合金相結構與二元合金相圖【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識合金相結構理解合金相結構基本概念，掌握置換固溶體和間隙固溶體主要特點；掌握金屬化合物的形成條件與性能特徵合金系、組元、相、相結構；合金固溶體類型、溶解度、電負性、電子濃度；中間相二元合金相圖建立掌握溶質分配和成分過冷理論；熟悉二元合金相圖測定方法，理解相律及應用相律分析相圖，掌握二元相圖杠杆定律合金的溶質分配；成分過冷條件；熱分析法建立二元合金相圖；相律，杠杆定律常見二元合金相圖瞭解二元相圖基本類型，著重熟悉二元勻晶、共晶、包晶相圖形態特徵，掌握二元合金平衡和非平衡結晶分析；注重成分偏析概念的學習二元勻晶相圖；二元共晶相圖；二元包晶相圖；其他二元合金相圖；平衡結晶、非平衡結晶、偽共晶，成分偏析合金相圖與性能瞭解相圖形態與性能之間的基本關係，注重相圖在材料加工工藝中的應用合金相的力學性能和物理性能；不同合金的加工工藝性能3.1合金相結構1.基本概念組元組成合金最基本的、獨立的物質合金系由給定的組元可以以不同的比例配製成一系列成分不同的合金相和相結構合金中結構相同、成分和性能均一並以介面相互分開的組成部分2.合金固溶體及類型分類置換固溶體間隙固溶體3.金屬化合物（中間相）正常價化合物電子化合物原子尺寸因素化合物間隙相間隙化合物拓撲密堆相（（表格表3-2鋼中常見的間隙相間隙相的化學式鋼中的間隙相結構類型M4XFe4N、Mn4N面心立方M2XTi2H、Zr2H、Fe2N、Cr2N、V2N、Mn2C、W2C、Mo2C密排六方MXTaC、TiC、ZrC、VC、ZrN、VN、TiN、CrN、ZrH、TiH面心立方TaH、NbH體心立方WC、MoN簡單六方MX2TiH2、ThH2、ZnH2面心立方表3-3鋼中常見碳化物的硬度及熔點類型間隙相間隙化合物NbCW2CWCMo2CTaCTiCZrCVCCr23C6Fe3C熔點/℃3770±125313028672960±504150±14034103805302315771227硬度HV2050-1730148015502850284020101650≈800圖3-6拓撲密堆相中的配位多面體3.2液態合金固化（二元合金的凝固理論）1.合金凝固時溶質的分配液體中溶質完全混合的情況液體中溶質僅借擴散而混合的情況液體中溶質部分混合的情況區域熔煉2.成分過冷概念臨界條件影響因素晶體生長形狀鑄錠組織3.3二元合金相圖的建立1.相圖的測定方法①首先配製一系列不同成分的同一合金系。②將合金熔化後，分別測出它們的冷卻曲線。③根據冷卻曲線上的轉捩點確定各合金的狀態變化溫度。④將上述數據引入以溫度（℃）為縱軸、成分（品質百分比為單位）為橫軸的座標平面中。⑤連接意義相同的點，作出相應的曲線，標明各區域所存在的相。便得到合金系相圖。2.相律利用相律確定系統中可能共存的最多平衡相數利用相律解釋純金屬與二元合金結晶時的一些差別3.二元相圖杠杆定律3.4二元勻晶相圖1.相圖分析2.平衡結晶過程3.非平衡結晶3.5二元共晶相圖1.相圖分析2.平衡結晶過程含二次相析出合金共晶合金亞共晶合金過共晶合金3.非平衡結晶偽共晶離異共晶3.6二元包晶相圖1.相圖分析2.平衡結晶過程包晶點合金亞包晶合金過包晶合金3.非平衡結晶過程包晶偏析區域偏析和比重偏析3.7其他類型的二元合金相圖1.具有共晶型恒溫轉變的其他相圖共析轉變偏晶轉變熔晶轉變2.具有包晶型恒溫轉變的其他相圖包析轉變合晶轉變3.具有中間相形成的二元合金兩組元形成穩定化合物的相圖兩組元形成不穩定化合物的相圖3.8二元合金相圖與二元合金性能的關係1.合金相的力學性能與物理性能2.二元合金的加工工藝性能根據相圖判斷合金的鑄造性能根據相圖分析合金熱處理的可能性根據相圖判斷合金的塑性加工性能3.9二元相圖熱力學初步1.合金自由能概念固溶體的自由能-成分曲線多相平衡的公切線原理混合物的自由能和杠杆法則2.二元合金的幾何規律從自由能-成分曲線推測相圖二元合金相圖的一些幾何規律第4章鐵碳合金相圖【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識鐵碳合金組元性質熟悉鐵和碳元素性質，掌握鐵的同素異晶轉變鐵、碳、滲碳體；δ-Fe、γ-Fe、α-Fe；鐵素體、奧氏體Fe—Fe3C典型合金平衡結晶過程熟悉Fe—Fe3C相圖各點線面的物理意義，掌握相圖中的基本反應，注重典型合金平衡結晶過程分析和杠杆定律的應用Fe—Fe3C相圖分析：線、區物理意義，平衡反應；典型合金平衡結晶過程：工業純鐵、鋼、白口鑄鐵Fe—Fe3C相圖的應用掌握以相組成物和組織組成物標示的Fe—Fe3C相圖，熟悉其在生產中的基本應用組織組成物標示的Fe—Fe3C相圖，含碳量與材料力學性能，相圖在選材、工藝制定中的應用碳鋼掌握碳鋼編號原則和分類鋼中常存雜質元素，碳鋼分類，常用碳鋼3.1鐵碳合金組元性質1.鐵和碳元素FeC2.鐵碳合金組元純鐵及其性能特點鐵的同素異晶轉變鐵素體和奧氏體Fe3C及其性能特點3.2Fe—Fe3C相圖分析1.相圖中的點、線、區及其意義符號溫度/℃C（%）說明A15380純鐵的熔點B14950.53包晶轉變時液態合金的成份C11484.30共晶點D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120轉變溫度（A3）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K7276.69滲碳體的成分N13940轉變溫度（A4）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點（A1）Q6000.0057600℃時碳在α-Fe中的溶解度2.包晶轉變（水平線HJB）3.共晶轉變線（水平線ECF）4.共析轉變（水平線PSK）5.三條重要的特性曲線

1.GS線GS線又稱為A3線，它是在冷卻過程中由奧氏體析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中鐵素體溶入奧氏體的終了線。2.ES線ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。當溫度低於此曲線時，就要從奧氏體中析出次生滲碳體，通常稱為二次滲碳體，用Fe3CⅡ表示,也叫Acm線。3.PQ線PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。當鐵素體從727℃冷卻下來時，要從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示4.3Fe—Fe3C相圖典型合金平衡結晶過程

1.工業純鐵2.鋼共析鋼亞共析鋼過共析鋼3.白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵4.4Fe—Fe3C相圖的應用1.以組織組成物標示的Fe—Fe3C相圖含碳量對平衡組織的影響含碳量對力學性能的影響2.Fe—Fe3C相圖在選材上的應用鐵碳合金相圖總結了合金組織及性能隨成分的變化規律，這樣就便於根據工件的工作環境和性能要求來選擇材料。當然為了進一步提高鋼的性能，還需要有相應的合理工藝與之相配合。白口鑄鐵具有很高的硬度和脆性，抗磨損能力也很好，可用來製造需要耐磨而不受衝擊載荷的工件。如撥絲模、球磨機的鐵球等。另外，白口鑄鐵也是可鍛鑄鐵的原料。3.Fe—Fe3C相圖在制定加工工藝上的應用

Fe-Fe3C相圖總結了不同成分的合金在緩慢加熱和冷卻時組織轉變的規律，即組織隨溫度變化的規律，這就為制定熱加工及熱處理工藝提供了依據。4.5碳鋼1.鋼中常存的雜質元素矽錳硫磷其他（氮、氫、氧、夾雜物）2.碳鋼的分類按鋼的含碳量分類（低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼）按鋼的用途分類（碳素結構鋼、碳素工具鋼）按鋼的品質分類（普通碳素鋼、優質碳素鋼、高級優質碳素鋼、特級優質碳素鋼）3.常用碳鋼普通碳素結構鋼優質碳素結構鋼與合金結構鋼碳素工具鋼第5章三元合金相圖【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識三元相圖表示方法熟悉相圖成分三角形和特定點線意義，瞭解相圖建立過程和熱力學規律，掌握定量法則成分三角形，特定點和直線；相圖建立，定量法則，熱力學概論典型三元合金相圖熟悉勻晶、共晶相圖的立體形態，掌握掌握其截面圖和投影圖，會在投影圖中應用定量法則三元勻晶相圖：空間模型、平衡結晶、截面圖、投影圖；三元共晶相圖：相圖分析、截面圖、投影圖；三元相圖總結：單相平衡、兩相平衡、三相平衡、四相平衡三元相圖應用實例著重根據相平衡原則分析實際三元相圖相存在Fe-C-Si三元相圖截面；Fe-C-Cr三元相圖截面5.1三元合金相圖表示方法1.三元合金相圖的成分表示方法成分（濃度）三角形等邊濃度三角形中具有特定意義的點和線2.三元合金相圖的建立對照二元相圖，對於二元系相圖上的曲線，在三元相圖上擴展為曲面；二元相圖中的相區（二維），在三元相圖中成為一空間區域。3.三元相圖定量法則直線法則和杠杆定律

重心法則4.三元相圖熱力學概述自由能-成分曲線公切面定律三元系三相平衡與共軛三角形三元系四相平衡與四相平衡平面5.2三元勻晶相圖

1.相圖的空間模型2.固溶體合金的平衡結晶過程

2.截面圖分析等溫截面

變溫截面2.投影圖

5.3三元共晶相圖1.組元在固態完全不溶的共晶相圖相圖分析等溫截面變溫截面投影圖結晶分析表5-1平衡結晶後的室溫組織組成物成分範圍結晶順序和室溫組織組成物①區初晶A+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）②區初晶B+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）③區初晶B+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）④區初晶C+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）⑤區初晶C+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）⑥區初晶A+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）E1E線二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）E2E線二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）E3E線二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）AE線初晶A+三元共晶（A+B+C）BE線初晶B+三元共晶（A+B+C）CE線初晶C+三元共晶（A+B+C）E點三元共晶（A+B+C）2.組元在固態有限互溶的共晶相圖相圖分析等溫截面變溫截面投影圖結晶分析

固態完全不溶三元共晶固態有限互溶三元共晶單相區LABCLαβγ兩相區L+AL+BL+C—L+αL+βL+γ——A+BB+CC+A—α+ββ+γγ+α三相區L+A+BL+B+CL+C+AA+B+CL+α+βL+β+γL+γ+αα+β+γ四相區L+A+B+CL+α+β+γ三元共晶相圖p1234區域液固過程室溫組織ⅠL→ααⅡL→α，α→βⅡα+βⅡⅢL→α，α→βⅡ+γⅡα+βⅡ+γⅡⅣL→α，L→α+β，α→βⅡα+（α+β）+βⅡⅤL→α，L→α+β，α→βⅡ+γⅡ，α+（α+β）+βⅡ+γⅡⅥL→α，L→α+β，L→α+β+γ，α→βⅡ+γⅡα+（α+β）+（α+β+γ）+βⅡ+γⅡ5.4三元合金相圖總結單相平衡、兩相平衡、三相平衡、四相平衡轉變類型L→α+β+γL+α→β+γL+α+β→γ轉變前的三相平衡四相平衡轉變後的三相平衡表5-4三元系中的四相平衡轉變相平衡5.5三元合金相圖應用實例分析1.Fe-C-Si三元相圖的垂直截面2.4%Si合金結晶過程分析4.8%Si合金結晶過程分析2.Fe-C-Cr三元相圖的等溫截面2Cr13不銹鋼（0.2%C,13%Cr）Cr12模具鋼（2%C,13%Cr）第6章金屬的塑性變形【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識金屬變形的三個階段熟悉拉伸的應力-應變曲線，掌握材料力學性能指標及其物理意義材料的應力-應變曲線；彈性變形：廣義虎克定律、彈性模量、滯彈性；塑性變形：強度指標、塑性指標；斷裂：衝擊韌性、斷裂韌性單晶體塑性變形瞭解滑移和孿生的基本概念，掌握滑移基本過程和原理塑性變形方式；滑移的特徵，滑移的臨界分切應力，滑移的實質；孿生條件多晶體和合金的塑性變形熟悉多晶體和合金的塑性變形過程多晶體塑性變形：晶界的影響、晶粒位向的影響；合金的塑性變形：固溶體溶質的影響、第二相質點的影響塑性變形對組織和性能的影響瞭解塑性變形過程組織和性能在不同階段的變化規律，著重掌握加工硬化基本原理纖維組織，加工硬化，變形織構，內應力6.1金屬變形的三個階段1.彈性變形應力-應變曲線虎克定律彈性模量滯彈性a）b）c）材料名稱E（GPa）G（GPa）ν鋁70.326.10.345銅129.848.30.343鐵211.481.60.293鎂44.717.30.291鎳199.576.00.312鈮104.937.50.397鉭185.769.20.342鈦115.743.80.321鎢411.0160.60.280釩127.646.70.3652.塑性變形屈服強度

抗拉強度斷後伸長率斷面收縮率3.斷裂斷裂方式及特徵延性斷裂、脆性斷裂衝擊功（衝擊韌性）Ak表示斷裂韌性理論斷裂強度、格裏菲斯(Griffith)斷裂理論、奧羅萬(Orowan)的修正、裂紋擴展的能量判據、裂紋擴展的基本形式、斷裂韌性KC和K1C6.2單晶體的塑性形變

1.塑性變形基本方式滑移孿生2.滑移特徵滑移作用力

滑移線和滑移帶滑移系滑移時晶體的轉動3.滑移的臨界分切應力

切應力公式位向因數、軟位向、硬位向{<<<<<金屬溫度純度（%）滑移面滑移方向臨界切應力（MPa）Ag室溫99.99{111}<110>0.47Al室溫-{111}<110>0.79Cu室溫99.9{111}<110>0.98Ni室溫99.8{111}<110>5.68Fe室溫99.96{110}<111>27.44Nb室溫-{110}<111>33.8Ti室溫99.99}>13.7Mg室溫99.95{0001}>0.81Mg室溫99.98{0001}>0.76Mg330℃99.98{0001}>0.64Mg330℃99.98{0001}>3.924.塑性變形的實質位錯運動位錯交割位錯塞積時效應變位錯增殖5.孿生變形孿生條件孿生面、孿生方向6.3多晶體的塑性變形1.晶界對塑性變形的影響2.晶粒位向對塑性變形的影響晶粒位向對多晶體塑性變形的影響，主要表現在各晶粒變形過程中的相互制約和協調性。6.4合金的塑性變形1.固溶體中的塑性變形固溶強化屈服現象2.第二相存在對塑性變形的影響不可變形顆粒的強化作用可變形顆粒的強化作用6.5塑性變形對組織和性能的影響1.纖維組織隨著變形量的逐步增加，原來的等軸晶粒逐漸沿變形方向被拉長晶粒沿材料流變伸展的方向已變成纖維狀2.加工硬化亞結構變化

加工硬化現象其他性能變化3.變形織構絲織構板織構4.變形內應力第一類內應力，又稱宏觀殘餘內應力，作用與工件尺度範圍內，是由於金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀範圍內的平衡內應力。第二類內應力，又稱微觀殘餘內應力，作用在晶粒尺度範圍內，是金屬材料晶粒之間、晶粒內部或亞晶粒之間變形不均勻造成的微觀範圍內的平衡內應力。第三類內應力，又稱點陣畸變內應力，存在於點陣尺度範圍內，是因金屬材料在形變過程中形成了大量點陣缺陷如位錯、亞晶界等晶體缺陷引起晶格畸變造成的平衡內應力。第7章回復與再結晶【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識冷塑性變形金屬在加熱時的轉變熟悉冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化特點顯微組織變化：回復、再結晶、晶粒長大；性能變化：強度、硬度、電阻、密度、內應力回復階段瞭解回復動力學和回復機制回復動力學曲線、啟動能；回復機制：低溫、中溫、高溫回復轉變再結晶熟悉再結晶動力學，掌握再結晶溫度錶達方法，掌握臨界變形度與再結晶晶粒大小的關係再結晶動力學，形核與核長大過程，影響再結晶的因素；再結晶晶粒大小的控制金屬的熱塑性變形瞭解冷、熱塑性變形的區別，掌握動態回復與再結晶基本原理，理解超塑性的概念冷、熱塑性變形的區別，動態回復與再結晶，熱塑性變形對組織和性能的影響，超塑性7.1冷塑性變形金屬在加熱時的轉變1.顯微組織的變化回復再結晶晶粒長大2.性能的變化強度與硬度的變化

電阻率的變化密度的變化內應力的變化儲存能的變化7.2回復階段1.回復動力學2.回復機制低溫回復中溫回復

高溫回復7.3再結晶1.再結晶動力學2.再結晶晶核的形成與長大再結晶晶核的形成弓出形核機制、亞晶形核機制再結晶晶核的長大3.影響再結晶的因素凡是影響再結晶的形核率、長大速率和再結晶溫度的因素都是影響再結晶的因素。溫度變形程度二次再結晶原始晶粒尺寸

微量溶質原子

第二相顆粒

4.再結晶晶粒大小的控制臨界變形度

再結晶退火溫度7.4金屬的熱塑性變形1.熱、冷塑性變形的區別熱、冷塑性變形的區別動態回復和動態再結晶2.熱塑性變形對組織和性能的影響熱加工後金屬的組織與性能超塑性及其應用與發展材料始鍛溫度（℃）終鍛溫度（℃）碳素結構鋼及合金結構鋼1200~1280750~800碳素工具鋼及合金工具鋼1150~1180800~850高速鋼1090~1150930~950鉻不銹鋼（1Cr13）1120~1180870~925鉻鎳不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）1175~1200870~925純鋁450350純銅860650第8章金屬的固態擴散【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識擴散概述熟悉擴散的分類方法，理解擴散的微觀機制擴散分類：上坡擴散和下坡擴散，自擴散和互擴散，原子擴散和反應擴散，體擴散和短路擴散；擴散微觀機制：換位、空位、間隙機制固態擴散定律理解擴散定律各參數的物理意義，掌握第一、而定律及應用擴散第一定律，擴散第二定律，誤差函數和高斯函數解擴散係數著重理解擴散係數公式，掌握擴散啟動能及其影響因素，掌握溫度、成分、晶體結構對擴散的影響原子跳動和擴散係數，擴散啟動能，克達爾效應，擴散驅動力，影響擴散因素，反應擴散與應用8.1擴散概述1.固態擴散的分類根據擴散方向是否與濃度的方向相同進行分類:上坡擴散、下坡擴散根據擴散過程是否發生濃度變化分類：自擴散、互擴散根據擴散過程是否出現新相進行分類：原子擴散、反應擴散根據擴散過程經過的路徑進行分類：體擴散、短路擴散2.擴散的微觀機制換位機制間隙機制空位機制8.2固態擴散定律1.擴散第一定律菲克（A.Fick）於1855年參考導熱方程，通過實驗確立了擴散物質量與其濃度梯度之間的宏觀規律，即單位時間內通過垂直於擴散方向的單位截面積的物質量（擴散通量）與該物質在該面積處的濃度梯度成正比，數學運算式為：2.擴散第二定律系統中的濃度不僅與擴散距離有關，也與擴散時間有關，即。對於這種非穩態擴散可以通過擴散第一定律和物質平衡原理兩個方面加以解決3.擴散第二定律的解及其應用誤差函數解高斯函數解8.3擴散係數及影響擴散的因素1.原子跳動和擴散係數2.擴散啟動能原子的啟動幾率間隙擴散的啟動能空位擴散的啟動能擴散啟動能的測量3.柯肯達爾效應與擴散驅動力柯肯達爾效應擴散的驅動力4.影響擴散的因素溫度成分晶體結構短路擴散元素擴散溫度/℃105D/cm2d－1元素擴散溫度/℃105D/cm2d－1CAlSiNi9251000110090011509601150120012053100864033170651250.8CrMoWMn11501200130012001280133096014005.915～70190～46020～1303.2212.6830不同溫度時各元素在鐵中的擴散係數2.反應擴散與應用反應擴散包括兩個過程，一是在滲入元素滲入到基體的表層，但是還未達到基體的溶解度之前的擴散過程；二是當基體的表層達到溶解度以後發生相變而形成新相的過程。第9章金屬與合金的固態相變【本章教學要點】知識要點掌握程度相關知識固態相變的分類與特徵瞭解固態相變的分類方法，掌握固態相變的介面特徵一級相變、二級相變，擴散型、半擴散型、非擴散型相變，有核相變、無核相變；共格介面、半共介面、非共格介面，介面能、應變能、晶體學位向、晶體缺陷影響固態相變的形核與晶核長大過程比較固態相變與金屬結晶形核與晶核長大的異同，掌握非均勻形核形核特點，掌握擴散型、半擴散型和非擴散型相變晶核長大特性均勻形核與非均勻形核，晶界形核、位錯形核、空位形核，形核率；擴散型、非擴散型、半擴散型晶核長大，晶核長大的動力學曲線過飽和固溶體的分解轉變熟悉過飽和固溶體的固態相變過程，瞭解調幅分解和脫溶轉變基本特點調幅分解；脫溶轉變；連續脫溶、不連續脫溶馬氏體相變與形狀記憶合金瞭解馬氏體的