材料科学基础》习题课

1、材料科学基础习题课 “相图与凝固”部分 席生岐 2012年秋冬 起因 n作业现状作业现状 n认真、正确 n答题不完整、有错误 n空白 n反映问题反映问题 n对专业课的认识学习态度 n知识掌握情况-专业课程学习方法 n更高境界学习能力猎枪与面包 习题课解决的问题 n知识掌握情况知识掌握情况-专业课程学习方法专业课程学习方法 n课程学习目标课程学习目标 n专业课特点专业课特点 n有系统 不尽完整 n从重要概念出发，系统专门知识 n掌握体系 n应用 习题课纲要 n作业点评与典型题举例 n课程要点回顾 n重要概念 二元相图部分作业点评 n1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

2、的因素有哪些？ n2影响固溶体的无序、有序和偏聚的主要因素是什么? n3（1）间隙化合物与间隙固溶体有何根本区别? n （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： n MnS、Fe3C、Mg2Si、SiC、Cu31Zn8、Fe4N、 WC、Cr23C6 n 4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？ 相图部分作业点评 n5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， WBi=50wt%的合金 在520时开始结晶出成分为WSb=87wt%的固相。 WBi=80%的合金在400时开始结晶出成分为

3、WSb=64wt%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WSb=40wt%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。 n6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； WB=25wt%的合金在500结晶完毕，并由73.33%的 先共晶相和26.67%的共晶体组成； WB=50wt%的合 金在500结晶完毕后，则由40%的先共晶相与60% 的 的共晶体组成，而此合金中的相总量为50%。 相图部分典型作业题 n9分析 的铁-碳合金从液态平衡 冷却至室温的转变

4、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。 %2 . 0 C w 典型作业题 n知识基础 Fe-Fe3C相图 n复杂相图 3 个恒温转变 n相图分析 相区 线 点 典型作业题 n凝 固 结 晶 后 组 织 典型作业题 典型作业题 n确定材料成分点位置 n从高温到室温经历相区转变点，是否经 历恒温转变。 n从高温液相开始叙述，一直到室温相变 过程。 n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， n（1）首先遇到液相线，开始析出高温铁素体（L），随着 温度下降，L成分

5、沿液相线变化，成分沿固相线变化； n（2）温度下降到1495，L成分达到0.52%， 成分达到 0.09%，此时，发生恒温包晶转变（0.09+L0.520.17）， 形成成分为0.17%的，这个过程一直持续到完全消耗，进入 L和两相区； n（3）继续降温，发生剩余L向的匀晶转变，直到L完全消耗， 单相从0.17沿固相线变化达到合金原始成分0.2%，进入单相 ； n（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 n（5）温度下降到与GS线相交时，奥氏体开始向铁素体 转变（A），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、 n（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)）； n(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 n根据杠杆定律室温下， 组织组成物百分含量 为： 3 0.20-0.0218 23.8% 0.770.0218 6.69-0.0218 1 23.8%76.0% 6.69-0.0008 1 23.8%76.0%=0.

7、2% III P Fe C w w w （） 三元相图作业点评 补充作业补充作业 n1、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。 n2、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？ 典型例题 n等温截面等温截面 W-Ni-Cr三元系800等 温截面如图所示。 （1）指出A点合金在该 温度下的平衡相，并 计算各平衡相的百分 含量（写出表达式即 可）。 1 (

8、) Ab W = ab aA W= ab Ni ； ； 典型例题 （2）指出B点合金 在该温度下的平衡 相，并计算各平衡 相的百分含量（写 出表达式即可）。 nNi4W+1+2 n重心法则： 1 2 4 Bf W = ef Be W = ef Be W= ef Ni W ； df ； cd cf ； cd 典型例题 n全投影 n见课件上内容，有问题可答疑。 相图部分知识要点 n相与相结构相与相结构 n固溶体（重点）固溶体（重点） n2类合金固溶体 n陶瓷材料中固溶方式 n固溶体偏聚与有序 n化合物（中间相）（掌握）化合物（中间相）（掌握） n化合物特点 n正常价化合物 n电子价化合物 n尺寸因

9、素化合物 相图部分知识要点 n二元系相图及类型二元系相图及类型 n相图基本知识相图基本知识-组元 相图 相律 n一元系相图一元系相图相区 液相线 多晶转变线 n二元系相图（重点）二元系相图（重点） n匀晶相图及固溶体结晶（重点）匀晶相图及固溶体结晶（重点） n匀晶转变（LS两相区 液相线 固相线） n选分结晶 平衡2相杠杆定律 n固溶体不平衡结晶 晶内偏析 相图部分知识要点 n共晶相图及结晶分析（重点）共晶相图及结晶分析（重点） n共晶转变 恒温下L+ n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 n相图与组织-组织组成

10、物 n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 n包晶相图及结晶分析（掌握）包晶相图及结晶分析（掌握） n包晶转变 恒温下L+ n包晶相图中典型合金 (固溶体合金 包晶成分 合金)结晶过程 n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 n其他类型二元相图其他类型二元相图（了解）（了解） n具有其他恒温转变相图具有其他恒温转变相图 n熔晶转变 合晶转变 偏晶转变 共析转变 包析转变 n2组元形成中间相的相图组元形成中间相的相图 n稳定化合物相图 不稳定化合物相图 n材料性能与相图关系（掌握）材料性能与相图关系（掌握） n相图与材料使用性能（力学、物理性能） n相图与

11、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 n复杂相图分析复杂相图分析 n分析方法分析方法 分割相图分割相图稳定化合物分割简化 填写相区填写相区-填写单相区外的多相区（两相、三相区） 分析分析恒温转变恒温转变相图上的水平线（三相平衡） 分析分析结晶过程结晶过程-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 n铁碳合金相图（重点）铁碳合金相图（重点） 重要性 双重性 钢与铁 国际性 达到随手画出达到随手画出Fe-Fe3C相图相图 组元组元： 纯铁纯铁 石墨石墨 渗碳体渗碳体 相图分析相图分析 相区相区 单相区

12、两相区 三相区 线线 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 n铁碳合金按室温组织分类铁碳合金按室温组织分类 n钢钢（亚共析、共析、过共析） 铸铁铸铁（亚共晶、共晶、过共晶） n铁碳合金结晶过程与室温组织分析铁碳合金结晶过程与室温组织分析（重点）（重点） n纯铁 n共析钢 亚共析钢 过共析钢 n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

13、算相对含量 （典型作业题）（典型作业题） n碳对铁碳合金平衡组织和性能影响 相图部分知识要点 n钢中的杂质元素及其对性能影响（了解）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 n钢的分类、牌号与用途（掌握）钢的分类、牌号与用途（掌握） n分类：按分类：按C含量分；按质量分；按用途分含量分；按质量分；按用途分 n牌号与用途牌号与用途 n普通碳素结构钢普通碳素结构钢 Q235 n优质碳素结构钢优质碳素结构钢 08 10 15 20 25；构件、渗碳件；构件、渗碳件 n 30 35 40 45 50；轴类、连杆等；轴类、连杆等 n 弹簧弹簧5

14、5 60 65 含碳量万分数：如含碳量万分数：如45钢：钢：0.45wt%C n工具钢工具钢 T7 T8 T10 T12 含碳量千分数：如含碳量千分数：如T8钢：钢：0.8wt%C 相图部分知识要点 n材料热力学基础（掌握）材料热力学基础（掌握） n固溶体吉布斯自由能固溶体吉布斯自由能-成分曲线成分曲线 n克克-克方程克方程单元系中相平衡单元系中相平衡 n多相合金中相平衡多相合金中相平衡 n化学位 n二元系中相平衡（公切线 两相平衡 三相平衡） n自由能成分曲线推测相图（匀晶、共晶、包晶） n调幅分解（难点） 相图部分知识要点 n三元相图及其类型三元相图及其类型 n成分表示成分表示 等边三角形

15、等边三角形 顶点 边 内部点； 2条特殊线 n三元匀晶相图三元匀晶相图（重点）（重点） n相图相图 立体，液相面、固相面 n等温截面（重点）等温截面（重点） 共轭曲线 连线（直线）法则 杠杆定律 n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 n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 n三元系中相平衡分析（掌握）三元系中相平衡分析（掌握） n吉布斯自由能吉布斯自由能-成分曲面成分曲面 n三元系中两相平衡（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 n三元系中三相平衡三元系中三相平

16、衡（难点） n三相平衡三相平衡(f=1)及空间形状及空间形状 共轭三角形 三棱柱 成分变温线 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 n三元系中四相平衡三元系中四相平衡（难点）（难点） n四相平衡（四相平衡（f=0）及空间）及空间平衡平面平衡平面 n四相区形状与反应类型四相区形状与反应类型 n四相共晶（析）型、包晶（析）型与包共晶（析）型 反应 n垂直截面中的四相区 n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 n具有四相共晶反应的三元系相图具有四相共晶反应的三元系相图 n相图分析相图分析 n单相

17、区 两相区 三相区 四相区 系列水平截面 n投影图投影图 n液相面投影图 三相区投影图 全投影图 n结晶分析（难点）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 n合金 n固溶体 n置换固溶体 n间隙固溶体 n等价代换 n异价代换 n短程有序 n有序固溶体 n有序化温度 n电子化合物 n简单间隙化 合物 nLaves相 n匀晶反应 n选分结晶 n晶内偏析 n共晶反应 n二次析出反应 n伪共晶组织 n

18、离异共晶 n包晶反应 n包晶偏析 n稳定中间相 n铁素体 n奥氏体 n渗碳体 n组织组成物 n共晶渗碳体 n共析渗碳体 n二次渗碳体 n三次渗碳体 n共析反应 n珠光体 n莱氏体 n室温莱氏体 相图部分重要概念 n钢的冷脆 n钢的热脆 n应变时效 n化学位 n调幅分解 n等温截面 n共轭曲线 n直线法则 n共轭三角形 n成分变温线 凝固部分知识要点 n晶核形成（重点）晶核形成（重点） n基本规律基本规律 液体结构 过冷现象 过冷度 驱动力 n均匀形核（重点）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 n非均匀形核（重点）非均匀形核（重点） 晶坯形成自由能变化 临界晶

19、核半径 临界形核功 润湿角与形核剂 凝固部分知识要点 n晶体生长（掌握）晶体生长（掌握） n必要条件必要条件 动态过冷度 n固固/液界面微观构造液界面微观构造 晶体长大后的形貌 2类固液界面 固液界面自由能 熔化熵 n晶核长大方式晶核长大方式 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 n固溶体凝固（重点）固溶体凝固（重点） n平衡凝固平衡凝固 平衡分配系数k 平衡凝固特征 n不平衡凝固（重点）不平衡凝固（重点） n固相无扩散固相无扩散/液相完全混合时的溶质分布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 n固相无扩散固相无扩散/液

20、相仅靠扩散混合时的溶质分布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 n成分过冷及其影响（重点）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 n共晶合金的凝固（掌握）共晶合金的凝固（掌握） n共晶体的形态共晶体的形态 金属-金属型 金属-非金属型 n共晶体的形核及生长共晶体的形核及生长 n形核形核-层片状共晶体交替形核生长 搭桥机制 n金属金属-金属型生长金属型生长 协同生长- 片层状；杂质影响-胞状、棒状 n金属金属-非金属型生长非金属型生长 金属相超前自由生长 非金属相特

21、定形状 n先共晶相形态先共晶相形态 金属型树枝状 非金属型规则多面体 凝固部分知识要点 n制造工艺与凝固组织制造工艺与凝固组织 n铸锭与铸件凝固组织与偏析（重点）铸锭与铸件凝固组织与偏析（重点） n凝固组织凝固组织 表层细晶、柱状晶区、中心等轴晶区 晶粒细化 n宏观偏析宏观偏析 正常偏析 反偏析 比重偏析 n显微偏析显微偏析 胞状偏析 枝晶偏析 扩散退火处理 n连续铸造和熔化焊的凝固组织（了解）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 n用凝固法制备材料的技术（了解）用凝固法制备材料的技术（了解） n区域提纯区域提纯 工艺与原理 第1次提纯后溶质分布 n制备单

22、晶制备单晶 单晶制备对工艺要求 坩埚直拉法 悬浮区熔化法 n快速冷凝制备金属玻璃快速冷凝制备金属玻璃 金属玻璃 快淬工艺 成分设计 n定向凝固制备高温合金叶片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 凝固部重要概念 n过冷度 n临界形核功 n形核率 n均匀形核 n非均匀形核 n粗糙界面 n光滑界面 n成分过冷 n正常偏析 n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

23、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Jm-3，Tm=1356K，Jm-2 C0=61028原子m-3，k=1.3810-23JK-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。 kT G CN * 0 exp 均 均 A G k G*G 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。 1）试问这个合金的k0和ke是多少? 2）该试样在何位置（以端部距离计）出现共晶体?画出此时的溶质 分布曲线。 3）若为完全平衡凝固，试样共晶体的百分数是多少? 4）