材料科学与工程基础.doc

1、 离子键电负性相差大的原子间相互靠近时，互有电子得失而成为正负离子，由静电引力结合在一起。例如：NaCl, KCl, GaAs,2、 共价键同类或性质相近类原子间结合，借共用电子对而结合。例如：SiC,金刚石，高分子材料、 图21 NaCl 晶体 3、 金属键A、金属原子结构特点 外层电子少，易失去，而成为 自由电子；在金属聚合物中成为“电子气”。这种由金属正离子与自由电子气相互作用而结合的方式称为金属键。B、金属的物化性能取决于金属键 例如：导电、光泽、导热、塑性变形能力、3、 分子键和氢键A、 分子键：范德瓦尔斯键B、 氢键：极性键一、 结合键的性能特点（略讲）见书P10，表21二、 材料的键性根据键性，可以估计材料的性能。材料中有的是单一种键，更多的是几种键的组合。1、 金属材料金属材料的结合键主要是金属键；但金属材料中的金属间化合物是离子键。书中提及的灰锡（共价键）已不能用做工程材料，此类状态已失去了金属性能。2、 陶瓷材料 离子键为主，亦有共价键。所以，陶瓷材料硬度高，熔点高，脆性大。3、 高分子材料共价键和分子键。高分子材料分子大的特点，决定了其分子之间的作用力大，性能好。链、环及其复合形式的大分子结构，不同的基在不同部位的连接使其性能不同。离子键 硅酸盐陶瓷 半导体黏土高分子金属键分子键图23 结合键四面体2、材料的晶体结构基本概念：晶体与非晶体：原子或分子的空间有序排列形成晶体；反之为非晶体。有序即按照某种规律排列而成（后面课程中讲），长程有序。（例如：Nacl、糖等）非晶体又称过冷液体，近程有序。（例如：玻璃等）一、 晶体的基本概念（一） 晶格和晶胞（表示方法）：抽象法（抽象晶体）a、 将原子视为球形，它们的堆砌(集)可有不同的规律（多样性）。一些生活常识可知。b、 若视其为空间几何点，则其空间排列（多样性）称为空间点阵。c、 将点阵用假想直线连接（多样性）（类似建筑工程脚手架结构）称为晶格。d、 其中有代表性（最小的空间单元）的几何单元称为晶胞。不同的堆集方式有不同的空间点阵，即各自具有代表性的空间单元亦不同，即晶胞不同。 e、 晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶体常数。晶胞棱间夹角用、表示。见图24 zyx(a) 简单立方晶体 （b）晶格 （c）晶胞（二） 晶系不同元素的原子在一定条件下对应某种晶格。当条件变化到另外某种状态（T-P-）时，又可转变成（对应于）另外的晶格。法国晶体学家布拉菲（Brarais）用数学的方法推算出所有已知晶体分属于14种空间点阵。根据晶胞的6个参数（a、b、c、）把14种空间点阵归纳为七大晶系。见表22（P12）三、晶格尺寸和原子半径A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸单位）是晶格常数。立方晶系只用一个a即可表示。B、原子半径，现代物理科技仍未达到能精确测定物质原子直径的水平，即“测不准”定理。但用X-Rag衍射法能测出晶体中点阵中心距。可根据点阵类型推算出原子半径Ra（紧靠的原子中心距的一半） 对同种原子而言，晶格类型不同，半径不同。（配位数下降，半径下降）用钢球模型推算。（四） 、原子数：一个晶胞内包含的原子数目。（钢球模型）（五） 、 配位数和致密度1. 配位数：在晶体中每一原子周围所具有的是其等距离的最邻近的原子数目叫配位数。2. 致密度：晶胞中原子本身所占的体积的百分数（K）K=n4/3r3/V二、 常见纯金属的晶格类型（理想纯）（一） 体心立方晶格（bcc boady centerad cube）常见金属30种之多（例如：-Fe 、Cr、Mo、W、V、Nb）（2a）2a2=(4r)22 a2a2=42r23 a2=(4r)2 r=3/4a 晶胞原子数=1/88+1=2(个)配位数:8 ABABABAB。致密度：K= 24/3r3 （图25 bcc） a3(二) 面心立方晶格（FCC face centered cube）晶格常数亦只用一个a表示。显而易见：r=/4a晶胞的原子数：1/88+1/26=4(个) 配位数：12 ABCABCABC。可算出致密度为0.74 （图26 FCC）属于这种晶格的金属有： r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等20种。 (三) 密排六方晶格（HCP hexagonal close-packed）r=1/2a c/a=1.633晶胞原子数：1/612+1/22+3=6ABABABAB。 （图27 HCP）配位数：12 致密度：0.74属于该类晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等二十几种。 三、 立方晶系的晶面、晶向表示方法（空间解析法）（一） 晶面指数晶体中各种方位的原子面叫晶面，表示晶面的符号称晶面指数。不同的晶面上的原子排列密度不同。晶面指数确定法：（三个步骤）1、 以晶格中某一原子为原点建立笛卡尔生标系，（三个边，分别作三维生标轴）。以相应的晶格常数为测量单位，求出所求晶面在三生标轴上的截距。不能出现零截距！即原点在所求晶面之外。2、 求倒数3、 化简成最简整数，用圆括号括起来，（H、K、L）就成为晶面指数（H、K、L）代表一组相互平行的晶面。在不同的象限会出现负号。见图28。（二） 晶向指数概念：晶向晶体中各个方向上的原子列。原子的一维排列。晶向指数表示晶向的符号晶向指数求法：（三步骤）1、 在晶格中建立生标（方法同晶面求法）。过原点引平行于所求晶向的直线。2、 以晶格常数为单位求直线上任一点的三个生标。3、 化简加一方括号即为所求晶向指数u、v、wu、v、w代表一组平行的晶向。 4、HCP与立方晶系不同。 图29 一些晶向的晶向指数（三） 晶面及晶向的原子密度概念：晶面原子密度单位面积中的原子数。 晶向原子密度单位长度上的原子数。表23，体心立方（bcc）晶格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）表中（111）晶面上密度计算有误！同样可以求出FCC（111）原子密度最大，110原子密度最大。原子密度影响晶体性能。（四） 晶面族和晶向族前面讲过：同一个（h、k、l）u、v、w分别代表了一组晶面和晶向。由于晶体的对称性，在不同的位向（解析几何）原子排列分布完全相同的晶面和晶向称为晶面族 h、k、l ，晶向族u、v、w注意：立方晶格中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。例如：（111）111，可用解析几何的计算法计算晶体。四、 实际金属的晶体结构（一） 多晶体位向不同的单晶体构成大多数实际金属材料存在晶界缺陷 10-110-3mm晶粒显微镜下才能看到（用腐蚀剂腐蚀后，4%硝酸酒精）（二） 晶体缺陷1、 点缺陷图210 晶体中的点缺陷空位、间隙原子（换辐射等原因造成）和外来原子（用物理或化学的方法引进）都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲称为晶格畸变。它的存在使材料的HB上升，2、 线缺陷位错，dislocation， 见图211 ，金属中位错数量很多，特别是大量塑变后，位错密度增加。位错少时降低材料强度，但达到一定数量后又提高材料的强度。（1）、刃位错， （2）、螺位错 强度 b b柏氏矢量与位错线垂直， 柏氏矢量与位错线平行 位错密度图212 金属强度与位错密度的关系3、 面缺陷1） 晶界（低温状态，高温状态），小角度与大角度晶界2） 亚晶界 r位向差1015度称为大角度晶粒之间位向差。3） 相界面 五、 合金的晶体结构概念：合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。（物理、化学的方法）例如：黄铜：Cu+Zn 钢：Fe+c高聚物混合体系-“合金”：高聚物之间或高聚物与单体之间经物化反应形成。例如：ABS丙烯晴+丁二烯+苯乙烯，E+PSF 等、工程使用的大多数是合金。 高聚物混合体系 相 不同元素相互作用会形成各种不同的积聚状态；合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的，均匀的组成部分。纯金属单一相。 组织各相（相同的或不同的）以不同的数量比和形状的组合。固态合金的相：错误！未找到引用源。 固溶体晶体结构与某一组元的晶体结构相同。 错误！未找到引用源。 金属化合物晶体结构与各组元均不同，新结构。（一） 固溶体溶剂：与合金本结构相同的组元溶质：与合金本结构不相同的组元 如果合金各组元均属同一结构则以多少定为溶质、溶剂。例如：Au-Cu固溶体一般用、表示。1、 置换固溶体特点：溶质原子占据溶剂原子点阵中的某些点。有序固溶体又叫超结构。无序固溶体为常见。（ 见图2-14）原子半径相近，相结构相同的元素之间易形成置换固溶体。 图214 置换固溶体2、 间隙固溶体溶质原子比较小时，例如：C、N等，它们位于晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 （见图2-15）该图为二维（平面）视图。同学们可根据前述bcc、fcc、hcp立体结构理解。 图215 间隙固溶体3、 固溶体的溶解度有限互溶：浓度常以重量百分比表示。无限互溶：Au、Cu一旦跨越50%界则溶剂变成溶质。影响溶解度的因素：原子大小，晶格类型，电化学性质，电子浓度等。电子浓度：易失去的原子最外层价电子（多少）数目决定了晶（胞）格中的电子浓度。（价电子/原子数目）4、 固溶体的性能溶剂、溶质间原子半径不同（Au、Cu亦然）固溶体有晶格畸变。所以溶质增加、固溶体的、HB上升，塑韧性下降。（结合上一节晶体缺陷（点、线、面）简明阐述强化概念、位错移动阻力。）（二） 金属化合物两种以上的元素原子形成一种不同于任何组元晶体结构的新相叫金属化合物，一般可用化学分子式，大致表示其组成。特点：熔点高、硬度高、脆合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。例如：轴承合金（滑动轴承巴氏合金）常含组元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成的金属化合物有：SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.1、 正常价化合物特点：符合一般化合物原子价规律，成分固定，可用化学式表示。例如：Mg2Si, Mg2Sn , Mg2Pb , MnS2、 电子化合物特点：不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律电子浓度：价电子数目与原子数目的比值。见表2-4，合金常见的电子化合物。3、 间隙化合物特点：过渡族金属元素（元素周期表）与C、N、H、B非金属元素形成的金属化合物。分两类：1）间隙相：当原子半径比0.59时形成简单晶格的间隙化合物称为间隙相。例如：V、VC、FCC、bcc 见图2-16表2-5 ： 间隙相的化学式与晶格类型的关系。M：金属 ，X：非金属。 2）间隙化合物特点：结构复杂 （当原子半径比大于0.59时）例如: 钢中Fe3C，高速钢中：Cr23C6，Fe4W2c，Cr6C3。锰钢中：Mn3C等。见图2-17 ， Fe3C晶格。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。例如：同学们学过的Fe3O4是FeO 中又固溶了一个O原子。在成分复杂的合金中（合金钢）：高速钢：金属化合物为基的固溶体较多归纳总结： A、置换固溶1、 固溶体 B、间隙固溶 合金相组成 A、正常价化合物 间隙相 B、电子化合物 C、间隙化合物 2、 金属 D、金属化合物固溶体 复杂结构 化合物 间隙化合物 (2金属的结晶过程 一、 冷却曲线和过冷度 T0测定液态金属冷却时T与t的变化关系T T作出冷却曲线。温度概念：结晶潜热 只有存在过冷度结晶才能进行。 图3-2 纯金属的冷却曲线 时间*V冷越大，过冷度越大。 二、结晶时的能量条件热力学定律指出，在等压条件下（对液体而言， P的变化对系统影响不大）一切自发过程都是朝着F下降的方向进行。F（严格讲应用G）F=U -TS 自由能液相 U、T、S是状态函数， T 固相F必定是状态函数。温度低于TO时，晶体的F低。 T1 T0 温度T 自发过程 图3-3 液体与晶体自由能与温度的关系曲线( dF )v,t 0 ；or, G= HTS , dG =vdpsdt ; G =Lm T/Tm Lm=LL-Ls三、结晶的结构条件（结构起伏）结晶的一般过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。这是结晶的普遍规律。见图3-4。图34 结晶过程示意图1、 小于TO，L经过孕育期（能量起伏和结构起伏）出现晶核。（晶胚晶核）2、 晶核不断长大，同时新的晶核又不断出现。3、 直到L消耗完为止。至此每个晶核都长大成为一个小晶粒，众多晶粒结合在一起形成多晶体。*尚若只有一个晶核（可人工控制）长大成晶粒便是单晶体，如Si 、Ge 、GaAs 、C 、KCl4、 自发形核与非自发（或人工）形核。（1）、临界晶核半径 rk =2/Gv= 2Tm/LmT(2)、临界形核功 GK =1/3SK=163 T2/ 3L2mT2(3)、临界形核功与T的关系5、 晶体长大的方式有很多种，金属晶体一般条件下主要是以树枝状形式长大。见图3-5。6、 体的外延生长-CZ法（C.Zochralski）单晶硅晶体生产工艺Al203, Fe304,GaAs,等单晶体亦用此法。一、 单晶炉组成（1）、炉体：炉壳，石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件（2）、晶棒提升旋转机构：籽晶夹头，吊杆及提升旋转元件（3）、气氛与压力控制：真空系统与气体流量控制（4）、电脑控制系统二、 工艺加料-熔化-缩径生长-放肩生长-等径生长-尾部生长（1）、加料：多晶硅加掺杂元素（2）、熔化：14200C以上，氩气保护，低真空（3）、缩径生长：消除位错（4）、尾部生长：防止位错产生3晶粒大小的控制一、 晶粒度1、 晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。2、 工业上用晶粒等级来表示晶粒大小（放大100倍显微镜）1-8级。1级最粗，8级最细。外扩展级别：015级。有标准图册供对照。二、 晶粒大小对金属性能的影响。P22表3-1 晶粒越细小，力学性能越好。高温下工作的材料，晶粒过大和过小都不好。硅钢片亦求大晶粒。此问题的考虑应从晶界是面缺陷着眼。高温下的面缺陷易造成氧化和腐蚀。而电工用硅钢则应减少面缺陷造成的电磁损失。三、 决定晶粒度的因素形核率：N ， 长大速度：G ，N/G增大则晶粒越细。四、 控制晶粒度的方法（一）T （二）变质处理，外生核剂加入，促进形核。N上升。（三） 振动、搅拌等方法。（特别是有色金属，例如AL）4 非晶态凝固（简要介绍）物质结晶是形核和晶核长大的过程，所以凡是影响晶核的形成和长大的因素，均影响结晶。一、 熔体的粘度（决定粘度的是化学成分）二、 冷却速度例如：非晶态带材的生产：铜冷却鼓常用非晶体合金：Co-Si-B, Ni-Fe-Cr-P-B, Cu-Zr, Fe-P-C, Pb-20Si%合金等。作业：P24第1 和第4题5同素异构转变同素异构现象是宇宙间普遍的物质存在形式。也正是如此才有五彩斑斓的大千世界。在生命世界里，DNA，GNA的异构体构成了遗传密码的不同。物质在不同的条件（温度、应力、电磁场、PH值）下，发生结构类型的转变。一、 热诱导同素异构转变1、铁的同素异构转变A、直观实验介绍 （如书中图3-7）室温912 1394 1538（熔点）B、若逆过程，从L S1(rFe) S2(rFe) S3(rFe) 室温实际转变温度必须比理论相变点低，出现T特点：固态相变因晶格常数改变和不同步性，故产生很大的相变应力。应力过大时几何尺寸很大的轴，模具等工件都产生开裂，并产生大的声响。3、 英的同素异构转变（阅读）温度C0 1538 1394-FeBCCFCC-Fe图37 铁的同素异构转变912-FeBCC 时间二、 场致同素异构转变（一）、电磁场（光）条件下 反铁电陶瓷Pb(Zr,Ti,Sn)O3 斜方四方（反铁电相）反铁电体 铁电体（二）、光致磁性相变：光致晶态-玻璃态相变GdCo , TbCo, GdCoFeCo, TbNiFe, GdTbFe, GdFe等。转变过程中有温升101500C，但速度比热诱导快1-2个数量级。光致孤对电子激发所致。它不是热诱导的扩散型成核长大机制，而是光激发的非扩散型跃迁-复合机制。是一种直接固态相变，不需形核。1-20PS时间，50ns可完成光声耦合过程。偶氮笨在UV（紫外光）照射下，从反式结构变为顺式结构，光照停止后发生逆向转变。螺吡喃的单重态与三重态光活性反应异构化：（浅黄色）闭环-（深兰色）开环-（消色）UV 1.06-630NM光 俘精酸酐（可分散在PC，PMMA中）浅黄-蓝-浅黄365NM（UV） 白织灯三、 化学条件的变化引起的同素异构转变交连的聚丙烯酸纤维再酸碱溶液中（PH值不同）会引起的同素异构转变。等等。Chapter 4相图基本概念：1、 什么叫相图说明相（组织）与成分和温度的对应状态图。即：相（组织）与其它可变（影响）因素对应关系的图（T，P）对单组分H2O而言有T、P状态图。 *相图表示的是热力学平衡状态，即自由能最低的状态。2、 相图的由来 热分析法、磁性法、热膨胀法等。1） 人类认识自然总是从事物的表面现象到本质，从感性认识到理性认识，通过抽象和推理，通过反复实践认识客观真理。2） 人类在冶金和材料科学发展过程中，首先发现不同成分（配料）的合金，其熔点和力学性能不同的事实现象。A、 中国青铜时代的兵器（例如剑）B、 相图古代文化不利于自然科学技术的研究方法（逻辑抽象思维）的发展。3） 只有在显微镜、热电隅问世后测定相图才成为可能。3、 相图的作用（对金属而言）制定熔炼、铸造、锻压及热处理等工艺的重要依据。1二元相图的建立在3-2与3-4中讲到了同类异构转变中的温度台阶。金属在从L到S到室温冷却过程（凝固曲线）中，会有一到几个温度台阶。1、 设计一系列合金（不同配比点）然后用缓慢冷却的冷却曲线中的折点（ ）连成对应曲线便成相图。见图4-1。2、 本例是最简单的一种相图（无限互溶的匀晶相图）但多数二元相金相图都不是完全无限互溶。L温度s 时间 Cu 23 46 75 NiNi %(a) 冷却曲线 (b) 合金相图 图41 CuNi 合金相图的测定与绘制而是有限的互溶。且会生成一些化合物，还有同类异构转变等。这些转变同在相同中表达出来，故相图都复杂。但均可分解为几个典型相图的组合。（就像一辆复杂的汽车是由许多基本的零部件构成一样。）2二元相图的基本类型与分析a) 二元匀晶相图L、S状态下二组元均无限互溶。例如：AuAg CuNi CuAui. 相图分析见图4-2 LLL L温度L1L+ 1 L55Cu Ni % Ni时间(a) (b)图42 铜镍合金匀晶相图CuNi二元合金匀晶相图。“相”的概念已在前几节课中建立。ii. 合金的结晶过程。（重点讲解）L中析出固相12345，例如盐水结冰）！L相成分也由L1L2L3L4L5，与之平衡。平衡是指化学位相等。即：cuL=cua, A=f( ) NiL=Nia任意温度下Ti,便有相应的热力学平衡。液固两相的成分平恒通过扩散实现。如果条件不允许充分扩散，便会出现成分偏析。若发生在树枝状晶中便叫枝晶偏析。iii. 枝晶偏析 偏析会影响材料的物化性能和力学性能。可通过高温（Tm200扩散退火消除成分偏析。使成分均匀化。iv. 杠杆定律（两相图适用）利用物质质量守恒法则求得：某一合金中任一组元总量等于各相中的分量之和。不同条件下的相的成分及其相对量，可通过杠杆定律求得。GL（X） G（X）temperature BXL X Xa TxxlxxxaQL QA xLX Xa Cu Ni %Ni(a) (b)图43 杠杆定律的证明1、 确定两平衡相的成分（浓度）tx时 L相 X1%Ni 相 X2%Ni 温度是水平线，在T一定时便有对应的两相平衡。2、 确定两平衡相的相对量a 设合金的总重量为1L相重量 QL 浓度 X1相重量 Qa 浓度 X1已知合金中平均Ni含量为X，则根据物质守恒定律，列出下列方程组： QL+ Qa=1 错误！未找到引用源。QL.X1+ Qa.X2=X 错误！未找到引用源。解方程组得: QL= X2- X0 X2- X1 Qa= X- X1 X2- X1b) 二元共晶相图当两个组元液态时L：无限互溶 S：有限互溶（即在某个较小的溶解度范围）且发生共晶反应（有限互溶固溶体同时从L中结晶出来）所构成的相图称为二元共晶相图（若三组元，便是三元晶相图）.例如：PbSb AlSi PbSn今以PbSn二元合金相图A 327L232B L+EL+ DC 183+ T F19.2 61.9 97.3 SnPbSn %(一) 相图分析相:L、 三T单相区 L L 三个双相区L相线：AEBS相线：ACEDB共晶线：CED LE(c+D ) 共晶组织恒温反应过程中：L、三相共存，量不断变化，最终L消耗尽。、相的成分（浓度）都是一定的。固溶线：CF DG随温度的变化而变化。共性：T下降，溶解度（浓度）下降。（二）合金1的结晶过程1、 合金的结晶过程T高于1点，L，12之间匀晶反应 一次晶 ，2点反应结束，23点间单相，3点时，碰到固溶线，随着T下降，相图析出以Sn为基体（溶剂）Pb为溶质的相，称为2（区别于一次结晶L）因为该成分组织中相全是2，在此 两相区中可用杠杆定律计算出2的量。2F4FG100注意：2的析出为固相析出，不容易故细小分散在晶界处为多。晶粒中的缺陷处。例如亚晶界，位错。层错、见图462、 合金2的结晶过程 （见图47合金2成分，E点（61.9%Sn） CED线上共晶反应线LE(c+D ) 两相比：EDCE注意：2、2在原共晶组织中相界面处析出离异析出依附到原（相）片上，不易区分出。但在CED线上求出相的多少重量后，再在FG区求出相，此时各包含2、2相，前后两者相减便得出：2、谋划策相的重量。3、 合金3的结晶过程CE之间为亚共晶合金；12之间为匀晶反应，析出1。同时，沿固相线和液相线各对应成分变化，最后固相成分平衡在C点，L相平衡在E点，两相比同样可用杠杆定律求出。2点（CED共晶线上）L成分变为LE 见图48共晶反应后，随着T下降，相沿CF线析出2；同样D成分沿DG线变化从D右析出2，所以其室温组织为：（）22上述反应包括：匀晶反应共晶二次析出注意：固相的成份平衡靠原子固相扩散（二次析出亦靠扩散）4、 合金4的结晶过程ED之间为过共晶区，合金4的结晶过程与3相似，只不过一次结晶析出的不是1而是1。综上所述，从相的角度来说，PbSn合金只有两相。及（）在金相显微镜下都有一定的组织特征，称为组织组成物。此时，有先析出的1共晶出的（）片层（和其它的颗粒、螺旋等形态）状组织，当然它们之中包含了2及2，离异析同后依附在先析出相组成物上了。按组织组成物填相图如下：这与显微镜下观察到的组织是一致的。c) 二元包晶（反应）相图例如：Fe C CuZn CuSn等均有包晶反应。顾名思义，包晶反应是L+S=的反应。（一） 相图分析：以Fe C相图为例，（部分相图）包晶线：HJB（水平线恒温）B点：0.53% H: 0.09% L J: 0.17%A11特点：1538L+1反应是在L与S2214952B固相界面上形核。温度H 3 J +A 3L+A图411 包晶相图A1394N 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Fec%形成的A核对内吃掉，对外扩张消耗L，直到L或单方或双方耗尽为止。 C L ALA（二） 合金的结晶过程合金1自进入L+S匀晶相区到2点时，HJB包晶线上反应开始前的固液相L、S之比为（重量）：L/S=HJ/JB，这样数量比的两相包晶反应完毕完后双相全部耗尽，形成单一的相，进入单相区，其结晶过程（包含）经历了匀晶反应加包晶反应。合金2的成分位于J点左侧，反应前两相比为：L/S=H2/2B显然，S相过剩，所以反应后进入两相区，S+，为新生（包晶反应）相HJN匀晶区，（固相匀晶区），结晶过程：匀晶+包晶+固相匀晶合晶3的成分位于J点右侧，仅包晶反应后L相过剩，而进入L+两相区（匀晶区）过程：匀+包+匀d) 形成稳定化合物的二元合金相图此类化合物熔化前不分解，无成分变化。Mg2Si可视为一个组元，分割成两个共晶相图。TL Mg2SiL+SiL+Mg L+Mg2Si946.7L+Mg2Si图414638.8Mg+Mg2Si Mg2Si+SiMgSie) 具有共析反应的二元合金相图类似于共晶反应，在一恒定温度（水平线）由一固相同时（析出）两新的固相：c 1D+2E注意：固相反应原子扩散较难，易于在较L大T下进行，从而组L+织细（比共晶），固相比容之差会产生内应力。（见图4-15）+1C+21 D E 21+2ABf) 二元相图的分析步骤相图种类多，但分析二元相图时，由复杂相图都是由上述基本相图组合而成。1. 先分清（划分）基本类型相图组合。2. 稳定化合物可视为分界线，分成几个区域分别进行分析。3. 二元相图中，相邻相区相数差为一（水平）两个单相区之间有两相区。4. 找出三相共存水平线（包晶、共晶、共析）确定相变反应特点5. 分析具体合金的结晶过程和组织单相区：相成分为合金成分.两相区：相成分各沿相界线变化，两相比例可用杠杆定律求出.三相平衡（水平线）：三个相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相对量不同。g) 相图与合金性能之间的关系合金成分组织性能 关系 见书中P33 略讲。作业：P24第1和第4题。3 铁碳合金相图（Fe C平衡图）研究和学习Fe C平衡图的意义A、 碳钢和铸铁是工业应用范围最广泛的金属材料。 Fe C合金相图是对碳钢和铸铁理想化的（亦是捉信主要矛盾的对象） 反映化学成分，温度与组织关系的状态图。冶炼（炼铁、炼钢）过程中自然残存下来的复杂元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V、）没有考滤：S0.04%， P0.04%（GB）B、 Fe C相图是研究Fe C合金的工具，是钢铁成分组织性关系的理论基础。 捉住Fe C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。对生产实践、制定加工工艺有指导意义。学习要求：a.本门课程的核心内容，考试的重点。b.学后达到正确地选材和制定加工工艺。c.合金钢的基础知识.一、 Fe C合金相图的组成1、见图4-18金刚石表面金属化处理有用。2、Fe- Fe3C基本相图类型构成分析： 见图4-21 AL+1538B 1495HJL1394N+AL+AD1148C FAETemperature912G F+AA+Fe3CFS 727 KPF+ Fe3CQUVFe1 2 3 4 5 6 6.69FeC %Fe3C图421 以相组成物表示的铁碳合金相图（1） 、包晶相图 包晶线：HJB 1495度（2） 、共晶相图 共晶线：ECF 1148度（3） 、共析相图 共析线：PSK 727度（4） 、稳定成分化合物线 DFK 6.69% Tm： 1227度进一步细分：（5） 、部分匀晶相图：液相匀晶：L+S L+A L+ Fe3C固相匀晶：S+A F+A3、 五个基本相（5个单相区）：L、S、A、F、Fe3C：高温铁素体：bcc 0.09%C(1495度)H点为最大溶C量点A：奥化体：fcc 2.11%c（1148度）E点为最大溶C量点 塑性好，力学性能与晶粒度有关F：铁素体：bcc 0.0218%（727度）P点为最大溶C量点低硬、低强、高塑性 Fe3C：cm 复杂结构 6.69%c TM：1227度 HB=800亚稳相，其形状和分布对钢铁性能影响很大，主要强化相。4、 相图中的点分析：P35表4-15、 相图中的线分析：a) ABCD：液相线b) AHJECF：固相线c) 三条水平（恒温转变）线： HJB包晶线：LB+H AJ ECF共晶线：LC AE+ Fe3C (F.) (Ledeburite )PSK共析线：AS FP+ Fe3C(K.) (Pearrite)6、 另外三条固态转变线：a) GS（A3）线：F溶入A及从A中析出线b) ES(Acm)线： Fe3C析出溶入线c) PQ线： Fe3C析出溶入线7、 5种Fe3C（）的由来及名称： Fe3C1 直接从L中先相相 Fe3C ES线为其固溶线 Fe3C PQ线 Fe3C共晶：ECF线 Fe3C共析：PSK线8、MO线： 770度 F磁性转变温度9、UV线： 230度 Fe3C磁性转变温度三、钢和白口铸铁的结晶过程分析（一）工业纯铁 P点以左成分（二）共析钢 0.77%C（三） 亚共析钢（四） 过共析钢（五） 共晶白口铁 4.3%（六） 亚共晶白口铁过共晶白口铁书上七种典型成分FeC合金结晶过程，固相转变及室温组织。三、 含铁量对铁碳合金组织和性能的影响（自学）i. 含碳量对室温平衡组织和性能的影响结晶过程分析及杠杆定律计算，可得到室温时组织组成的相成物之间的定量关系，如图4-37ii. C%对力学性能的影响见图4-38，关键在于Fe3C的量，形状及分布状态。iii. C%对工艺性能的影响铸造性，共晶点最好；亚共晶区，力学性能好。作业：P24 第1和4 P43第4、6、8CHAPT 5金属的塑性变形与再结晶概念：弹性变形，去除应力后变形恢复；塑性变形，去除应力后变形保留。塑变组织内能高，加热时会产生变化，性能相应变化。金属的塑性变形（压力加工）例：汽车冲压件生产、轧钢、锻造等，多晶体材料的塑变来源于其众多的单晶体。一、 单晶体金属的塑性变形。1） 任何一个晶面上都可将外拉力分解为正应力和切应力，与力轴成45度角的晶面上切应力最大（max）只有使晶体产生塑变：塑变方式：滑移、孪生方式（一） 滑移概念：晶体的部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分晶体发生滑动位移的现象。1、 滑移变形的特点A、 切应力（临界切应力）产生滑移最小的切应力.B、 密排晶面、晶向，滑移阻力小，原子面间距大见表5-1 三种典型金属晶格的滑移系。P滑移系越多，金属发生滑移 变性的可能性越大，塑性越好。C、 滑移结果：台阶-滑移线 多条滑移线形成滑移带D、晶体转动 P2、 滑移的机理不是晶体一部分与另一部分的刚性滑动，而是位错运动。见图5-4 晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图。（二） 孪生特点：镜面对称性切变，相邻原子面相对移动小于一个原子间距。所需应力大，变形速度快（声速）.亦有相变过程中的原子错排现象(退火孪晶)。（例如：铜）二、 多晶体金属的塑性变形（一） 晶界和晶粒位向对多晶体塑变的影响1、 晶界的影响：位错堆积产生塑变抗力。2、 晶界位向的影响：未达到塑变临界点的不同位向晶粒对变形晶粒有弹性约束作用和位向差造成的分力要求对主力的增大。（二） 粒大小对金属力学性能的影响。细晶强化;d ,b , HB , , , K （三） 多晶体金属的塑性变形过程（多系交替滑移-自学） 要点：与外力呈45度角的滑移系，当切应力超过临界值后开始滑移由此及彼，其中有其它晶粒的位向调整（弹性的与塑性的调整）和不利滑移系在大应力下的开动。图57，58。2合金的塑性变形与强化合金元素使晶格结构发生变化：晶格畸变与新相生成组织：单相固溶体和多相混合物两种。一、 单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化。固溶强化：合金原子（溶质）使固溶体晶格畸变致使硬度、强度升高的现象。原因：晶格畸变吸附，阻碍位错运动，使固溶体变形抗力提高。二、 多相合金的塑性变形与弥散强化。说明：纯金属在工程中的应用较少，（例如：Cu Ni Au Co、）多数是在表面处理的涂镀层中使用而工程使用的则是合金化了的材料，即单相固溶体（如单相奥氏体体不锈钢）或多相固溶体及金属化合物。（如工具钢） 1基体（固溶体）合金组织（多相混合） A、固溶体 2、NO2 NO3相 B、纯金属B、 化合物 第二、三、相的性能及其形态和分布不同，对合金性能的影响不同。（三层意思） 例：晶界网状分布： 若网物为硬略相，对合金强度与塑性都不利。 片层状分布： HB上升，塑性下降。