材科重要知识点3

1、材料科学基础习题课“相图与凝固”部分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、Cr23C6n 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？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，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

2、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。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；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；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%。 n9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。 %2

3、. 0Cwn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n凝固结晶后组织典型作业题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

4、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；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

5、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：30.20-0.021823.8%0.770.02186.69-0.0218123.8%76.0%6.69-0.0008123.8%76.0%=0.2%IIIPFe Cwww （）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

6、，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液相面投影图液相面投影图典型例题n等温截面图等温截面图典型例题n变温截面与变温截面与全投影全投影相图部分知识要点n相与相结构（重点）相与相结构（重点）n固溶体固溶体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）化合物（中间相）n化合物特点n正常价化合物n电子价化合物n尺寸因素化合物（间隙相）相图部分知

7、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-组织组成物n不平衡结晶伪共晶 不平衡共晶 离异共晶相图

8、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

9、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 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

10、 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

11、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 Q235n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55 60 65 含碳量万分数：如含碳量万分数：如45钢：钢：0.45wt%Cn工具钢工具钢 T7 T8 T10 T12 含碳量千

12、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）

13、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 （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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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铸锭与铸件凝固组织与偏析（重点）（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

19、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 单晶组织凝固部分重要概念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

20、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。kTGCN*0exp均均AGkG*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）如合金成分为含WB5%，问2）、3）的答案如何? 5）假设用含WB