Fundamentals of Materials Science and Engineering(上海交大最新版).doc

由CHIN制作，版权所有，传播必究Fundamentals of Materials Science and Engineering第一章 原子结构一. 波尔原子模型：1.在任意轨道上绕核运动，在一些符合一定量化的轨道上运动2.电子离核越远，原子所含能量越高，电子尽可能在离核较近的轨道上3.电子只有从较高能级跃迁到较低能级才以光子形式释放能量波动力学模型：量子力学模型 量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrdinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。二. 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低三. 泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子四. 洪德原则：在同一个亚层中，各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。五. 原子键合：1.金属键：定义：金属中的电子与金属正离子相互间结合构成的键合 特点：1.无方向性无饱和性2.电子公有化3.良好的延展性4.导电导热性，金属光泽 2.离子键：定义: 金属将最外层的电子给予非金属原子，是自己成为带正电的正离子，而得到价电子的非金属成为带负电的负离子，正负离子靠静电引力相互结合在一起构的键合 特点：1.以离子为结合单元，而不是原子2.无方向性无饱和性3.配位数高，熔点硬度高，绝缘体 3.共价键： 定义：由两个或多个电负性相差不大的原子相互结合在一起形成共用电子对而形成的键合 特点：1.方向性，饱和性2.共用电子对3.熔点高，质硬脆，结构稳定，导电能力差。4.配位数小 4.范德华力 定义：借助微弱的瞬时的电偶极矩的感应作用将原来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合 特点:1.无方向性，无饱和性2.一种长程作用力，属于物理键3.键能比化学键小12能级3.在很大程度上改变材料的性质 5.氢键 定义：氢原子与两个电负性相差很大半径很小的原子结合形成的具有比一般次价键大的键力的极性分子键 特点：1.有方向性，饱和性2.可存在于分子内，分子间 6.分子键 定义：六高分子 1.交联聚合物：高分子链通过交联反应从线型结构转变为体型结构形成的高聚物，不可以热塑加工。 2.支化聚合物：是高分子形成线型结构，可以热塑加工 3.链型聚合物：由侧翼的高分子链连接到主链上形成的高聚物 4线型聚合物：连接通过首尾相接形成的聚合物 5.体型聚合物：高分子链通过交联反应从线型结构转变为体型结构形成的高聚物 6.均聚物：由不同链节通过共价键形成的聚合物 7.共聚物：由相同的链节通过共价键形成的聚合物 8.热塑性聚合物：加热时能软化，冷却时硬化，可热塑加工 9.热固性聚合物：这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化，再进行加热时将不能变软或熔化简答题：1.金属键为何具有良好的延展性，导热导电性？ 2.解释原子结合力，原子结合能，及两者联系？第二章 固体结构 1.晶体：原子在空间呈有规律的周期性重复排列 2.非晶体：原子无序排列，无长程有序结构 3.准晶体：不符合晶体的对称条件，但成一定规律有序排列类似于晶体的结构 4.一维准晶体：在三维空间，一个方向成准周期，其他方向呈周期性的晶体 5.二维准晶体：由准周期有序排列的原子层周期的堆垛而构成的，将晶态和非晶态结构特征结合在一起 6.纳米晶体：至少在一个方向上存在一个或几个纳米尺寸的结构单元的晶体 7.阵点：将晶体结构看成完整无缺的理想晶体，将每个质点抽象为无规则的排列于空间的几何点 8.空间点阵：晶体中质点排列的几何学构像，用以描述晶体的对称性和周期性 9.晶体结构：晶体中质点排列的实际情况 10.晶胞：晶格的最小重复单元 11.晶格：用假想的直线将质点连接起来构成的几何学框架 12.晶向族:由于对称关系而等价的各个晶向构成晶向族 13.晶面族：凡晶面间距和晶面上原子排列完全相同，只是空间位向不同的各个晶面构成晶面族 14.晶带：所有平行于或相交于同一晶向直线的各个晶面构成晶带 15.晶向：晶体中原子列的方向 16.晶面：晶体中原子构成的面 17.配位数：晶体中任一原子周围最近邻且等距离的原子的个数 18致密度：晶体结构中原子体积与总体积的百分比 19.多晶型性：某些固态金属在不同的温度或压力下呈现不同的晶体结构 20.合金：由不同金属或金属于非金属通过烧结、熔炼等方法组合在一起，形成具有金属性质的物质 21.组元：组成合金的基本的、独立的物质 22.相：具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分 23.固溶体：以某以组元为溶剂，在溶剂中融入其他组元原子形成的固态物质 24.中间相：两组元A、B除形成以A为基体的固溶体和以B为基体的固溶体外，还可形成于A、B具有不同晶体结构的新相，由于它在二元相图中处在中间位置，称为中间相25置换固溶体：溶质原子溶于溶剂时，溶质原子占据了溶剂的点阵阵点或者溶质原子置换了溶剂点阵阵点的部分溶剂原子26间隙固溶体：溶质原子融入溶剂晶格间隙中形成的固溶体27有序固溶体：对某些具有一定原子比的固溶体，从高温缓慢冷却某一温度时，溶质原子会从统计随机分布的状态过渡到占有一定位置的，有序排列状态的固溶体28固溶强化：与纯金属相比，由于溶质原子的溶入，时固溶体的强度硬度升高29间隙化合物：非金属的原子半径与金属原子半径比值大于0.59时，形成的复杂的结构的相30间隙相：非金属的原子半径与金属原子半径比值小0.59时，形成的简单构的相31拓扑密堆相：由两种大小不同的金属构成的一类中间相，通过某种配合使原子配位数，空间利用率很高的复杂结构32配位多面体：以某一原子为中心用直线将周围相邻原子中心连接在一起构成的多面体，每个面都是三角形33.离子晶体结构：通常离子晶体主要键合离子键，由于离子键没有方向性没有饱和性，离子趋于紧密排列构成复杂晶体结构，排列方式主要取决于正负离子半径的大小34金属晶体结构：通常金属晶体主要键合是金属键，由于金属键没有方向性，没有饱和性，原子趋于紧密排列形成简单晶体结构35共价晶体结构：共价晶体通常主要键合是共价键，共价键具有方向性，饱和性，原子趋于形成配位数小的晶体结构36陶瓷晶体结构：主要是离子键或兼有离子键和共价键的晶体37液晶：由固态转化成液态过程中存在的中间态，这种状态下的物质叫液晶38玻璃：具有玻璃转变点的非晶态固体39玻璃转变点：非经陶瓷或高聚物液态冷却转化为钢化玻璃时的温度40熔点：由固态转变为液态时的温度41各向异性：材料的各项物理、化学性能与测量方向有关，不同方向的测得性能不同42各向同性：材料的各项物理、化学性能与测量方向无关43金属化合物：由金属或亚金属构成的一类合金相，它的点阵与溶剂的不同，与溶质的点阵不同，是一种新的点阵44电子化合物：可用化学式表示，不符合化合价规律，在一定成分范围内变化的，以化合物为基的固溶体45正常价化合物：在离子化合物中，正负离子比例严格按照化学式定义的化合价关系46无定形：完全无取向的非晶态47分子晶体：48高分子球晶：冷却结晶时生长不受限制，外形成球状的49单晶：构成陶瓷或多晶体的一个单独晶体50多晶：由许多不同形状，大小，取向的晶粒构成的晶体51晶界：属于同一固相，但位向不同的晶粒之间的界面52：相界：不同两相之间的界面53.自间隙原子：处于自身晶格间隙的原子简答题1. 画出体心立方晶体结构，面心立方晶体结构，密排六方晶体结构，单独画出（110）面上的原子分布，会标各个晶面，晶向 2.计算计算晶面间距，（用公式计算时注意修正）？ 3.计算致密度，配位数，八面体间隙，四面体间隙（体心立方，面心立方）？ 4.密排面和密排方向的判断？ 5.固溶强化机制，及影响因素？答：固溶强化是由于溶质原子溶入溶剂时使固溶体强度硬度升高，其机制是溶质原子与位错的弹性交互作用，化学交互作用，静电交互作用以及固溶体产生塑性变形时改变了溶质原子以短程有序或偏聚的形式存在的状态，使系统能量升高，变形抗力增加。影响因素：1.原子尺寸差越大，固溶强化效果越好。2.原子化合价差越大，固溶强化效果越好3.置换型要比间隙型强化效果差4.溶质原子分数越大，固溶强化效果越好。 6.影响溶解度的因素？答：1.固溶体的类型，固溶体类型相同是形成无限固溶体必要条件2.原子尺寸因素，原子半径差小于15%时，有利于形成溶解度大的固溶体，原子半径差大于15%时，半径差越大，溶解度越小3.化学亲和力，只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度4.原子价因素，溶质的原子价越高，其溶解度越小。 7.正负离子半径对离子晶体结构是怎样影响的？答：/R- 00.155时，正离子配位数为2，负离子配位多面体的形状为哑铃状，/R- 0.1550.225时，正离子的配位数为3，负离子配位多面体形状为三角形，/R-0.2250.414，正离子配位数为4，负离子配位多面体形状为四面体，/R-0.4140.732，正离子配位数为6，负负离子配位多面体形状为八面体，/R-0.7321.00，正离子配位数为8，负离子配位多面体形状为立方体，/R-1.00，正离子配位数为12，负离子配位多面体形状为最密堆积。8.聚合物聚集态和金属晶体结构异同点？答：聚合物聚集态又称三次结构，它是指在分子间力作用下大分子相互敛集在一起所形成的组织结构。分为晶态，非晶态两种结构，聚合物聚集态结构总是包含一定的非晶态，聚合物聚集态结构与大分子本身结构有关，分子链越长，结晶越困难，还受强烈的外界条件影响，温度、应力的影响，属于分子结晶，结晶速度慢，结晶不完整性，晶内存在大量的缺陷，一个大分子可以贯穿晶区和非晶区。金属晶体结合键为金属键，由于金属键没有方向性和没有饱和性，从而金属趋于紧密排列，形成简单晶体结构。金属键电子公有化，良好的延展性，导热导电性。 9.高分子球晶形成过程？答：形核的初始阶段，只是一个多层片晶，然后逐渐向外张开生长，不断分叉，生长成捆束状形式，最后形成球状晶体。 10.纳米晶体形成途径？答：1.以非晶态为起始相使之晶化过程成长为纳米晶2.以粗晶为起始相使之在塑性变形过程中成长为亚稳态的纳米晶3.通过沉积效应或溅射4.通过沉淀反应 11.单晶体、多晶体、纳米晶体材料组织及性能特点答：单晶体，原子呈周期性排列，晶内无错排，具有规则外形，固定的熔点，受力时容易变形。 多晶体，由多个晶粒组成，各个晶粒的外形，取向，大小各不相同，没有规则的外形，有固定的熔点，受力时不容易变形，至少需呀5个滑移系。 纳米晶，至少在一个房向上有一个纳米尺寸的结构单元的晶体，具有三个效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，表面与界面效应，比表面积大，熔点，晶化温度低。第三章晶体缺陷1.点缺陷：三维空间上，各个方向尺寸都很小，又称为零维缺陷。2.线缺陷：一个方向上尺寸延伸很长，其他方向上尺寸很小，又称为一维缺陷。3.面缺陷：两个方向上尺寸很长，一个尺寸很小，又称为二维缺陷。4.空位形成能：在晶体内取出一个原子放在晶体的表面上所需要的能量。5.热平衡缺陷：热起伏引起的原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。6.刃型位错：伯氏矢量与位错线平行，滑移矢量与位错线垂直7.螺型位错：伯氏矢量与滑移矢量均与位错线垂直。8.混合位错：滑移矢量与位错线既不垂直也不平行而成任意角度。9.扩展位错：存在一个全位错分解为两个不全位错和中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。10面角位错：三个不全位错和中间夹着两个堆垛层错的整个位错组态。11.不全位错：伯氏矢量不等于单位点阵矢量的位错的整数倍。12.全位错：伯氏矢量等于单位点阵矢量的位错整数倍。13.单位位错: 伯氏矢量等于单位点阵矢量的位错14.伯氏矢量:反映位错周围点阵畸变总积累的物理量。15.伯氏回路:从任意原子出发，以一定步数绕位错作一右旋闭合回路。16.攀移:刃型位错垂直于滑移面的方向上运动。17.交滑移：位错运动受阻时，会在与滑移面相交的滑移面上继续滑移。18.割阶：位错在受阻的情况下，通过其中一部分线段首先进行滑移，由此形成的曲折线段在垂直位错的滑移面上时19.扭折：位错在受阻的情况下，通过其中一部分线段首先进行滑移，由此形成的曲折线段在位错的滑移面上时20.割阶硬化：割阶与原位错线在不同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍。21.位错密度：单位体积晶体所含位错线的总长度22.堆垛层错：密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排24.相界能：形成单位面积新相界面时所需的能量25.界面能：晶体表面单位面积自由能的增加26.小角度晶界：相邻晶粒位相差小于10度的晶界27.共格相界：界面上的原子同时为两相所共有28.半共格相界：界面上的原子部分的保持匹配29.非共格相界：界面上的原子位相差很大，分别属于两相简答题（课本）1. 点缺陷的类型及内部结构？（根据电中性）2. 刃型位错及螺型位错的异同点？3. 伯氏矢量及其特性，及伯氏回路？4. 位错的生成？5. 简述FRANK-READER位错增值？6. 体心立方，面心立方，密排六方的堆垛顺序？7. 晶界特性？第四章1稳态扩散：2.非稳态扩散：3.菲克第一定律：4.菲克第二定律：5.扩散：6.扩散激活能：7.扩散系数：8.间隙扩散：9.空位扩散：10.柯肯达尔效应：11.晶界扩散：12.表面扩散：13.短路扩散：14.自扩散：15.位错扩散：16.反应扩散：17.异扩散：18.互扩散：19.上坡扩散：20.下坡扩散：简答题1. 说明平衡扩散与非平衡扩散的特点，并举例说明他们的使用的范围？2. 扩散机制有哪些？3. 影响扩散的因素？4. 离子晶体中的扩散？5. 高分子材料中的扩散？6. 叙述固溶体中，间隙和置换溶质原子与刃型位错的相互作用？第五章相图 1.液相线：在二元相图中，液相和液+固相之间的分界线。合金而言，此线上的液态温度是在平衡冷却条件下开始产生固相的温度。 2.固相线.3.相律4.Austenite: 奥氏体 具有面心立方晶体结构的铁g-Fe，也是碳溶解于g-Fe所形成的间隙固溶体。5.Cementite: 渗碳体 铁与碳形成的化合物Fe3C叫做渗碳体，它的含碳量为6.67%6.Component: 组元 组成合金的化学组分(元素或化合物)，可用于确定其组成。7.Congruent transformation: 无成分变化转变 相同成分的不同相之间的转变。8.Equilibrium (Phase): 平衡(相) 是指体系的一种状态，在此状态下，在无限长的时间内，相的性质保持不变。平衡状态下自由能达到最小值。9.Eutectic structure: 共晶结构 具有共晶成分的液体凝固得到的两相显微结构(组织) 。10.Eutectic phase: 共晶相 共晶结构中存在的两相中的某一相。11.Eutectic reaction: 共晶反应 随着冷却过程，一个液相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。12.Eutectoid reaction: 共析反应 随着冷却过程，一个固相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。13.Ferrite: 铁素体 具有体心立方晶体结构的铁a-Fe，同样碳溶于a-Fe中的间隙固溶体称为铁素体。14.Free energy: 自由能 一热力学量，它是体系的内能和熵(或无序度)的函数。在平衡态，自由能达到其最小值。15.Gibbs phase rule: 吉布斯相律 多相平衡系统中，系统的自由度数、独立组分数、相数和对系统的平衡状态能够发生影响的外界因素之间的关系：F=C-P+n16.Hypereutectoid alloy: 过共析合金 可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度大于共析成分。17.Hypoeutectoid alloy: 亚共析合金 可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度小于共析成分。18.Intermediate solid solution: 中间固溶体 非纯组分的一定成分范围的固溶体或相。19.Intermetallic compound: 金属间化合物 具有明确的化学式的两种金属间的化合物。在相图中，它以中间相出现，其存在的成分范围非常窄。20.Invariant point: 三相点 二元相图中三相平衡共存的点21.Isomorphous: 同晶形 具有相同结构的物质。从相图的理解来讲，同构意味着具有相同的结构或者在所有成分范围内固态完全互溶。22.Lever rule: 杠杆规则 一种数学表达式，用来计算在两相平衡合金体系中的每一相的相对质量。23.Liquidus line: 液相线 在二元相图中，液相和液+固相之间的分界线。合金而言，此线上的液态温度是在平衡冷却条件下开始产生固相的温度。24.Metastable: 亚稳 在非常长的时间内可持续存在的非平衡态。25.Microconstituent: 微组元 显微组织的组成，它具有确定的特征结构。由一个以上的相组成，如珠光体。26.Pearlite: 珠光体 由共析成分的奥氏体转变而得到的在一些钢和铸铁中出现的两相显微结构，是由a-铁素体和渗碳体交互形成的层状或片状组成。27.Peritectic reaction: 包晶反应 随着冷却过程，一固相和一液相等温可逆转变为具有不同组成的固相的反应。28.Phase: 相 体系具有相同的物理和化学性质的均匀部分29.Phase diagram: 相图 用图形来描述相平衡系统的成分、外界条件(例：温度和压力)与相的状态，这种综合图形称为相图。30.Primary phase: 初晶相 除了共晶结构之外存在的相。31.Proeutectoid cementite: 先共析渗碳体 过共析钢中与珠光体共存的最初析出的渗碳体。32.Proeutectoid ferrite: 先共析铁素体 亚共析钢中与珠光体共存的最初析出的铁素体。33.Solidus line: 固相线 在相图中，连接平衡冷却条件下完成凝固或者平衡加热条件下开始熔化之点的轨迹线。34.Solubility limit: 溶解度 不形成新相的条件下，溶质可溶解在溶剂中的最大浓度。35.Solvus line: 固溶相线 在相图中描述固溶度与温度关系的点的轨迹线36.System: 体系 有两种可能的含意：(1)所研究的对象既指定材料 (2) 由相同组元组成的一系列可存在的合金。37.Terminal solid solution: 端部固溶体 成分范围处于二元相图中两端的固溶体。38.Tie line: 结线 二元相图中穿过两相平衡区的水平线；结线与相分界线之间的两个交点各描述在所讨论温度下相的平衡组成。39.Alloy steel: 合金钢 含有显著的合金元素(除了C和残余的Mn, Si, S和P)浓度的铁合金(或者铁基)。这些合金元素的加入增加力学和耐蚀性能。40.Artificial aging: 人工时效 通过室温以上的时效，产生的沉淀硬化。41.Athermal transformation: 非热转变 无需热激活的反应，通常无扩散，如马氏体转变。一般来说，转变速度非常快(即与时间无关)，反应程度依赖于温度。42.Bainite: 贝氏体 钢和铸铁中发生的奥氏体的转变产物。珠光体和马氏体转变发生的温度区间产生贝氏体。贝氏体的显微结构由a-铁素体和精细分散的渗碳体组成。43.Coarse pearlite: 粗状珠光体 铁素体和渗碳体交替重叠的层距相对厚的珠光体。44.Continuous cooling transformation diagram(CCT): 连续冷却转变图 确定成分的钢合金，其温度对时间对数图。用于确定奥氏体材料以确定的速率连续冷却时，开始转变所需要时间。可预测最终的显微结构和力学性能。45.Fine pearlite: 精细珠光体 铁素体和渗碳体交替重叠的层距相对薄的珠光体。46.Glass transition temperature: 玻璃转变温度 非晶陶瓷或聚合物的过冷液体冷却转变为刚性玻璃时的温度。47.Isothermal transformation diagram(T-T-T): 等温转变图 确定成分的钢合金，其温度对时间对数图。用于确定先前为奥氏体的合金在等温(恒温)热处理条件下开始转变和结束转变需要的时间。48.Kinetics: 动力学 有关反应速率及其影响因素的研究。49.Martensite: 马氏体 过饱和碳的亚稳铁相，是奥氏体的无扩散转变产物。50.Natural aging: 自然时效 通过室温下的时效，发生的沉淀硬化。51.Nucleation: 形核 相变的第一个步骤。此步骤中形成新相的小晶核，它可以长大。52.Overaging: 过时效 沉淀硬化过程中，超过最大的强度和硬度点的时效。53.Phase transformation: 相变 组成合金显微组织的相的数量和/或性质发生变化。54.Plain carbon steel: 普通碳钢 碳为主要合金元素的铁合金。55.Precipitation hardening: 沉淀硬化 金属合金的硬化和强化手段，通过从过饱和固溶体中析出非常小且均匀分散的粒子来实现。有时也称为时效硬化。56.Precipitation heat treatment: 沉淀硬化处理，人工时效 从过饱和固溶体中沉积新相的一种热处理手段。对沉淀硬化而言，称其为人工时效。57.Solution heat treatment: 固溶热处理 通过溶解沉淀粒子而形成固溶体的过程。加热状态下快速冷却，导致固溶体在外界环境条件下通常处于过饱和且亚稳状态。58.Spheroidite: 球状体 钢合金中存在的显微结构，是由a-铁素体基底中的球状的渗碳体粒子组成。对珠光体、贝氏体或马氏体进行适当的加热处理得到球状体，此结构相对软一些。59.Supercooling: 过冷 不发生相变的前提下，冷却至相变温度以下。60.Superheating: 过热 不发生相变的前提下，加热至相变温度以上。61.Tempered martensite: 回火马氏体 从马氏体钢的回火热处理得到的显微结构(组织)产物。其显微结构由非常小且均匀分散的渗碳体粒子镶嵌在连续的a-铁素体基底而构成。回火使得韧性和延展性有显著增加。62.Thermally activated transformation: 热激活转变 依赖于原子的热起伏的反应；能量大于激活能的原子将自发地反应或转变。此类转变的速率依赖于温度，其定量关系见公式1163. Transformation rate: 转变速率 反应进行至一半时所需的时间的倒数 1.相图中的点（14个）（1）组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点D (6.69, 1227) Fe3C的熔点（2）同素异构转变点N（0，1394）-Fe FeG（0，912）Fe -Fe （3）碳在铁中最大溶解度点 P（0.0218，727）碳在-Fe 中的最大溶解度 E（2.11，1148）碳在 -Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495）碳在 -Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT）室温下碳在 -Fe 中的溶解度（4）三相共存点S（共析点）（s P Fe3C）C（共晶点）（ ELC Fe3C） J（包晶点）（ H JLB ）（5）其它点B（0.53，1495）发生包晶反应时液相的成分F（6.69,1148) 渗碳体K (6.69,727) 渗碳体2相图中的线液相线():其上体系为液相，(结晶时液相的成分变化线)固相线（）：其下为固相，(结晶时固相的成分变化线)表示恒温转变的线：HJB线 (包晶转变)， ECF线(共晶转变)， PSK线(共析转变)固溶度线： ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线（温度，溶解度 ）；（0.77%-2.11%） PQ ：碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线（温度 ，溶解度 ）(0.0008%0.0218%) 同素异构转变线：NH 和 NJ，GS 和 GP1 相图中的相区单相区（4个1个） L、 、（Fe3C） 两相区（7个）L + , L + Fe3C，L + , + , + + Fe3C ,+ Fe3 根据相图规则，两个单相区之间必然夹一个两相区，两相区的两个相就由这两个单相区的相组成。4Fe-Fe3C相图中的转变（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单一固相的转变.L : 由液相中直接结晶出相。（合金的成分线和AB线相交，即含碳量Wc：00.53%）过合金的成分点作垂直于横坐标的直线，称为成分线L: 由液相中直接结晶出相。（合金的成分线和BC线相交，即含碳量Wc：0.53% 4.3%)L Fe3C : 由液相中直接结晶出Fe3C相。（合金的成分线和CD线相交，即含碳量Wc：4.3%6.69%)（2）同素异构转变(b.c.c) (f.c.c) NH （开始线） NJ（结束线）(f.c.c) (b.c.c)GS（开始线） GP（结束线）（3）析出转变：从一个固相中析出另一个固相的转变。析出Fe3CII （二次渗碳体）析出Fe3CIII （三次渗碳体）（4）恒温转变 1）包晶转变 HJB 线 dH0.09LB0.53gJ0.17+1495C含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应-包晶转变（反应）。 发生包晶反应的合金成分： C%：0.09%-0.53% 即合金的成分线与HJB线相交； 产物：单相奥氏体（ J ） 包晶点 （J点）：（0.17，1495） 2）共晶转变gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148C含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。发生共晶反应的成分范围：Wc ：2.11 %6.69% (合金成分线与ECF线相交) 产物：E和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Ld表示。 （Fe3C为基体； E 呈粒状或杆状分布在基体上）共晶点C (4.3,1148) 3）共析转变aP0.0218gs0.77Fe3C6.69+727C含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。产物： 相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示。合金范围： Wc: 0.0218 %6.69%(合金成分线与PSK线相交)S点:共析点，（0.77，727） (具有S点成分的FeC合金冷却至7270C时，合金全部发生共析转变，生成珠光体。) 典型铁碳合金结晶过程分析的方法: 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。学习目标：1、(a) 画简单的完全固溶相图和共晶相图的示意图。 (b) 在这些相图中标出不同相区区域。 (c) 标出液相线、固相线、固溶相线。2、给定的二元相图中，已知合金的组成，所处温度，并假定合金处在平衡状态，确定：(a) 存在的相； (b) 平衡相的组成； (c) 合金中平衡相的质量分数。3、二元相图中(a) 确定共晶，共析和包晶转变的温度和组成 (b) 写出加热或冷却时上述所有转变的反应式4、已知组成在0.022 wt% C 和2.14 wt% C之间的Fe-C合金(a) 指定合金是否为亚共析或过共析合金； (b) 给出先共析相的名称； (c) 计算先共析相和珠光体的质量分数；(d) 画出温度刚好在共析温度之下时的显微组织的示意图1、典型固-固相变中，画出其部分转变对时间对数的示意图；给出描述这一行为的方程式。2、简单描述下列存在于钢合金中的微组元的显微组织：精细珠光体，粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。3、下列每个微组元的一般的力学特性：精细珠光体， 粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。根据显微组织(或晶体结构)，简要解释这些行为。4、根据某些Fe-C合金的等温转变(或连续冷却转变)图，设计一个热处理工艺，使其最终产生指定的显微组织。5、利用相图描述和解释，用于沉淀硬化金属合金的两个热处理工艺。6、在恒温下进行沉淀热处理时，画出室温下的强度(或硬度)对时间对数的示意图。根据沉淀硬化机理，解释曲线的形状。7、画出晶体、半晶体和无定形聚合物的比容对温度的示意图，注释玻璃转变和熔化温度。概念10.51相和组织的区别是什么？答：相是物理化学性质均匀的部分组织表示的是材料的微观结构，它可以由一个相或若干相组成。10.52 (a), hypoeutectoid-consider a composition C0 to the left of the eutectoid, between 0.022 and 0.76wt% C;Hypereutecoid alloy-those containing between 0.76 and 2.14wt%C.(b) The ferrite that is present in the pearlite as called eutectoid ferrite, whereas the other, that formed above Te, is termed proeutectoid (meaning pre-or before eutectoid) ferrite, as labeled in Fig.2 (a) 亚共析钢和过共析钢的区别是什么？(b) 在亚共析钢中存在共析和先共析铁素体。解释两者之间的差别。两者中碳的浓度将为多少？答：(a) 亚共析钢和过共析钢的区别在于两者中的C浓度不同，由此造成先共析成分不同。以共析成分为界，前者C的浓度低于共析成分，范围在0.022 wt% C 0.76 wt%，先共析成分是a铁素体。后者C的浓度高于共析成分，范围在0.76 wt% C 0.76 wt%C，所以先共析相是渗碳体。(b) W(Fe3C)=(1.15-0.022)/(6.7-0.022)=0.169析出的渗碳体的质量为1.0kg0.169=0.169kg析出的铁素体的质量是：1kg-0.169kg=0.831kg(c) WP=(6.7-1.15)/(6.7-0.76)=0.93先共析渗碳体的质量分数为1-0.93=0.07形成的珠光体的质量和先共析渗碳体的质量各为0.93kg和0.07kg10.57 含有0.65 wt% C的2.5kg奥氏体，冷却至低于727C。(a) 先共析相是什么？(b) 总的铁素体和渗碳体的质量各为多少？(c) 珠光体和先共析相的质量各为多少？(d) 画出相应的显微组织的示意性草图答：(a) 0.65 wt% C 0.76 wt% C，此Fe-C合金为过共析合金。10.61 Fe-C合金的显微结构由先共析铁素体和珠光体组成；这些显微成分的质量分数各为0.20和0.80。确定在此合金中碳的浓度。答：设Fe-C合金中碳的浓度为x wt% C，则根据题意，利用杠杆定律，有：Wa=(0.76-x)/(0.76-0.022)=0.2，解得：x=0.6110.62 2.0kg的99.6 wt% Fe-0.4 wt% C合金冷却至温度刚好低于共析温度。(a) 形成先共析铁素体的质量为多少？(b) 形成共析铁素体的质量为多少？(c) 形成渗碳体的质量为多少？答：(a) 根据杠杆定律，有：Wa =(0.76-0.4)/(0.76-0.022)=0.49 ma =2.0kg0.49=0.98kg(b) Wa =(6.7-0.4)/(6.7-0.022)=0.94，则共晶铁素体的质量分数Wae = Wa- Wa=0.94-0.49=0.45 mae=2.0kg0.45=0.90kg(c) 形成渗碳体的质量分数为：W(Fe3C)=(1- Wa)=1-0.94 =0.06 m(Fe3C)= 2.0kg0.06=0.12kg10.63 对于过共析Fe-C合金，计算最大可能的先共析渗碳体的质量分数。答：W(Fe3C)=(2.14-0.76)/(6.7-0.76)=0.2310.64 总铁素体和先共析渗碳体的质量分数各为0.846和0.049的Fe-C合金能否存在？解释其原因。答：设Fe-C合金中当总铁素体的质量分数为0.846时，合金中碳的浓度为x wt% C时，有：Wa=(6.7- x)/(6.7-0.022)=0.846，解得：x=1.05设Fe-C合金中当先共析渗碳体的质量分数为0.049时，合金中碳的浓度为x wt% C时，有：W(Fe3C)=( x -0.76)/(6.7-0.76)=0.049 解得：x=1.05x=x 题给出的Fe-C合金能够存在。10.65 总渗碳体和珠光体的质量分数各为0.039和0.417的Fe-C合金能否存在？解释其原因。答：设Fe-C合金中当总渗碳体的质量分数为0.039时，合金中碳的浓度为x wt% C时，有：W(Fe3C)=(x-0.022)/(6.7-0.022)=0.039 解得：x=0.28设Fe-C合金中当珠光体的质量分数为0.417时，合金中碳的浓度为x wt% C时，有：WP=(x-0.022)/(0.76-0.022)=0.33，解得：x=0.33同一个合金中x x，表明题给出的Fe-C合金不能够存在。10.66 含有0.43 wt% C的 Fe-C合金中，计算共析铁素体的质量分数。答：题所给的合金为亚共析合金，它先析出铁素体。先共析铁素体的质量分数为：Wa =(0.76-0.43 )/(0.76-0.022)=0.44计算总的铁素体的质量分数：Wa=(6.7-0.43 )/(6.7-0.022)=0.94则共析铁素体的质量分数为：Wae= Wa- Wa =0.94-0.44=0.5010.67某一Fe-C合金中共析渗碳体的质量分数为0.104。根据这一条件，可否确定合金的组成？如果可能，其组成为多少？如果不可确定组成，解释其原因。答：I、如果合金为亚共析合金，设合金的组成为x wt% C，根据杠杆定律有：W(共析Fe3C)=(x-0.022)/(6.7-0.022)=0.104解得x=0.72；即亚共析合金的组成为0.72 wt% C。II、如果合金为过共析合金，则共析渗碳体的质量分数是总渗碳体和先共析渗碳体的质量分数之差。W(总Fe3C)= (x-0.022)/(6.7-0.022)W(先共析Fe3C)= (x-0.76)/(6.7-0.76)W(总Fe3C) - W(先共析Fe3C)= W(共析Fe3C)=0.104解得：x=1.11；即过共析合金的组成为1.11 wt% C。10.68 Fe-C合金中共析铁素体的质量分数为0.82。根据这一条件，可否确定合金的组成？如果可能，其组成为多少？如果不可确定组成，解释其原因。答： I、如果合金为亚共析合金，则共析铁素体的质量分数是总铁素体和先共析铁素体的质量分数之差。设合金的组成为x wt% C，则有：W(总a)= (6.7-x)/(6.7-0.022)W(先共析a)= (0.76-x)/(0.76-0.022)W(总a) - W(先共析a)= W(共析a)=0.82解得：x=0.56；即亚共析合金的组成为0.56 wt% C。II、如果合金为过共析合金，设合金的组成为x wt% C，根据杠杆定律有：W(共析a)=( 6.7-x)/(6.7-0.022)=0.82解得x=1.22；即过共析合金的组成为1.22 wt% C。10.69 组成为5 wt% C-95 wt% Fe的Fe-C合金，以非常缓慢的速度冷却至下列温度：1175C, 1145C, and 700C时，给出显微结构的示意性草图。标出相，指出它们的组成（近似）答：1175C时：L + Fe3C；1145C时：g + Fe3C；700C时：a + Fe3C示意草图：17四、主要例题、习题的分析11.1指出新相粒子形成中的两个步骤。简要地进行描述。答：I、新相粒子形成的第一个步骤是形核过程（nucleation）。非常小的晶核首先在缺陷处形成，尤其是在颗粒间界位置。晶核通过扩散可以长大。II、新相粒子形成的第二个步骤是长大过程（growth）。在此步骤，晶核长大，同时母相的体积分数减小，直到达到相变的平衡分数。11.2某一相变的动力学过程服从Avrami方程（方程11.1），已知参数n值