材科重要知識(shí)點(diǎn)3

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)習(xí)題課“相圖與凝固”部分n1按不同特點(diǎn)分類，固溶體可分為哪幾種類型？影響置換固溶體固溶度的因素有哪些？n2影響固溶體的無序、有序和偏聚的主要因素是什么?n3（1）間隙化合物與間隙固溶體有何根本區(qū)別?n （2）下列中間相各屬什么類型？指出其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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與金屬相比有何不同？影響陶瓷材料中離子代換或固溶度的因素有哪些？n5鉍（熔點(diǎn)為271.5）和銻（熔點(diǎn)為630.7）在液態(tài)和固態(tài)時(shí)均能彼此無限互溶，的合金在520時(shí)開始結(jié)晶出成分為的固相。的合金在400時(shí)開始結(jié)晶出成

2、分為的固相。根據(jù)上述條件， （1）繪出Bi-Sb相圖，并標(biāo)出各線和各相區(qū)的名稱。 （2）從相圖上確定含銻量為合金的開始結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度，并求出它在400時(shí)的平衡相成分及相對量。n6根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出概略的二元共晶相圖：組元A的熔點(diǎn)為1000，組元B的熔點(diǎn)為700；的合金在500結(jié)晶完畢，并由73.33%的先共晶相和26.67%的共晶體組成；的合金在500結(jié)晶完畢后，則由40%的先共晶相與60%的 的共晶體組成，而此合金中的相總量為50%。 n9分析 的鐵-碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的轉(zhuǎn)變過程，用冷卻曲線和組織示意圖，說明各階段的組織，并分別計(jì)算室溫下的相組成物及組織組成物的相對量。 %2

3、. 0Cwn知識(shí)基礎(chǔ) Fe-Fe3C相圖n復(fù)雜相圖 3個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變n相圖分析 相區(qū) 線 點(diǎn)n凝固結(jié)晶后組織典型作業(yè)題n確定材料成分點(diǎn)位置n從高溫到室溫經(jīng)歷相區(qū)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是否經(jīng)歷恒溫轉(zhuǎn)變。n從高溫液相開始敘述，一直到室溫相變過程。n室溫下的相和組織及其相對量杠桿定律計(jì)算。典型作業(yè)題以含碳0.2%鋼的結(jié)晶過程為例，自液態(tài)緩慢冷卻，根據(jù)相圖，n（1）首先遇到液相線，開始析出高溫鐵素體（L），隨著溫度下降，L成分沿液相線變化，成分沿固相線變化；n（2）溫度下降到1495，L成分達(dá)到0.52%， 成分達(dá)到0.09%，此時(shí)，發(fā)生恒溫包晶轉(zhuǎn)變（0.09+L0.520.17），形成成分為0.17%的，這個(gè)過程一直

4、持續(xù)到完全消耗，進(jìn)入L和兩相區(qū)；n（3）繼續(xù)降溫，發(fā)生剩余L向的勻晶轉(zhuǎn)變，直到L完全消耗，單相從0.17沿固相線變化達(dá)到合金原始成分0.2%，進(jìn)入單相 ； n（4）溫度繼續(xù)下降在遇到GS同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變開始線前，一直處于單相區(qū)，沒有任何變化；典型作業(yè)題n（5）溫度下降到與GS線相交時(shí)，奧氏體開始向鐵素體轉(zhuǎn)變（A），奧氏體的成分沿著GS線變化，鐵素體的成分沿GP同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變終了線變化；n（6）直到溫度達(dá)到727，奧氏體中C含量降到0.77wt%；此時(shí)，奧氏體在這一溫度下發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變，即共析轉(zhuǎn)變，形成鐵素體和滲碳體片層相間的珠光體組織（A0.77P(F+Fe3C)）；n(7)在727以下繼續(xù)冷卻，先析

5、出的鐵素體和珠光體中的鐵素體中析出Fe3CIII，直到室溫。因此，室溫下該成分合金的相組成為F+Fe3C，組織為P+ F+Fe3CIII。典型作業(yè)題n根據(jù)杠桿定律室溫下，組織組成物百分含量為：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 （）三元相圖作業(yè)點(diǎn)評補(bǔ)充作業(yè)補(bǔ)充作業(yè)n1、在成分三角形ABC中，標(biāo)出合金（a）75wt%A、15wt%B、10wt%C與合金（b）50wt%A、30wt%B、20wt%C的位置；用50Kg的a合金與20Kg的b合金熔配成一個(gè)新合金c

6、，用作圖法求出新合金的成分點(diǎn)，并用代數(shù)法驗(yàn)算。2、為什么三元相圖中四相平衡共晶面是一個(gè)水平面？該水平面上部與下部有哪些相平衡空間？3、三元合金系中，相的自由能與成分關(guān)系為一曲面，從熱力學(xué)相平衡角度簡述三元系合金中恒壓下在任一溫度下的三相平衡區(qū)為直邊三角形的原因。典型例題F液相面投影圖液相面投影圖典型例題n等溫截面圖等溫截面圖典型例題n變溫截面與變溫截面與全投影全投影相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n相與相結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）相與相結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）n固溶體固溶體n2類合金固溶體n陶瓷材料中固溶方式n固溶體偏聚與有序n化合物（中間相）化合物（中間相）n化合物特點(diǎn)n正常價(jià)化合物n電子價(jià)化合物n尺寸因素化合物（間隙相）相圖部分知

7、識(shí)要點(diǎn)n二元系相圖及類型二元系相圖及類型n相圖基本知識(shí)相圖基本知識(shí)-組元 相圖 相律n一元系相圖一元系相圖相區(qū) 液相線 多晶轉(zhuǎn)變線n二元系相圖（重點(diǎn)）二元系相圖（重點(diǎn)）n勻晶相圖及固溶體結(jié)晶（重點(diǎn)）勻晶相圖及固溶體結(jié)晶（重點(diǎn)）n勻晶轉(zhuǎn)變（LS兩相區(qū) 液相線 固相線） n選分結(jié)晶 平衡2相杠桿定律 n固溶體不平衡結(jié)晶 晶內(nèi)偏析相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n共晶相圖及結(jié)晶分析（重點(diǎn)）共晶相圖及結(jié)晶分析（重點(diǎn)）n共晶轉(zhuǎn)變 恒溫下L+n共晶相圖中典型合金 (固溶體合金的固溶析出 共晶合金的兩相協(xié)調(diào)推進(jìn) 亞共晶合金與過共晶合金的先結(jié)晶析出)結(jié)晶過程n相圖與組織-組織組成物n不平衡結(jié)晶偽共晶 不平衡共晶 離異共晶相圖

8、部分知識(shí)要點(diǎn)n包晶相圖及結(jié)晶分析（掌握）包晶相圖及結(jié)晶分析（掌握）n包晶轉(zhuǎn)變 恒溫下L+ n包晶相圖中典型合金 (固溶體合金 包晶成分合金)結(jié)晶過程n不平衡結(jié)晶偽共晶 不平衡共晶 離異共晶相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n其他類型二元相圖其他類型二元相圖（了解）（了解）n具有其他恒溫轉(zhuǎn)變相圖具有其他恒溫轉(zhuǎn)變相圖n熔晶轉(zhuǎn)變 合晶轉(zhuǎn)變 偏晶轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變 包析轉(zhuǎn)變 n2組元形成中間相的相圖組元形成中間相的相圖n穩(wěn)定化合物相圖 不穩(wěn)定化合物相圖n材料性能與相圖關(guān)系（掌握）材料性能與相圖關(guān)系（掌握）n相圖與材料使用性能（力學(xué)、物理性能）n相圖與材料加工性能（鑄造、焊接、壓力加工、熱處理）相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n復(fù)雜相圖分析

9、復(fù)雜相圖分析n分析方法分析方法 分割相圖分割相圖穩(wěn)定化合物分割簡化 填寫相區(qū)填寫相區(qū)-填寫單相區(qū)外的多相區(qū)（兩相、三相區(qū)） 分析分析恒溫轉(zhuǎn)變恒溫轉(zhuǎn)變相圖上的水平線（三相平衡） 分析分析結(jié)晶過程結(jié)晶過程-從高溫到室溫相變過程，室溫下的相組成與組織組成物 利用杠桿定律計(jì)算舉例Cu-Sn相圖分析相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n鐵碳合金相圖（重點(diǎn)）鐵碳合金相圖（重點(diǎn)） 重要性 雙重性 鋼與鐵 國際性 達(dá)到隨手畫出達(dá)到隨手畫出Fe-Fe3C相圖相圖組元組元： 純鐵純鐵 石墨石墨 滲碳體滲碳體相圖分析相圖分析相區(qū)相區(qū) 單相區(qū) 兩相區(qū) 三相區(qū)線線 液相線 固相線 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變起始線 奧氏體與鐵素體的固溶度線 磁性 轉(zhuǎn)變線

10、 包晶反應(yīng)線 共晶反應(yīng)線 共析反應(yīng)線 （恒溫溫度）點(diǎn)點(diǎn) 純鐵熔點(diǎn)及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn) 最大固溶度點(diǎn)（成分、溫度） 包晶、共晶及共析反應(yīng)成分點(diǎn) 相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n鐵碳合金按室溫組織分類鐵碳合金按室溫組織分類n鋼鋼（亞共析、共析、過共析） 鑄鐵鑄鐵（亞共晶、共晶、過共晶）n鐵碳合金結(jié)晶過程與室溫組織分析鐵碳合金結(jié)晶過程與室溫組織分析（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）n純鐵n共析鋼 亞共析鋼 過共析鋼n共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵 從高溫到室溫結(jié)晶與相變過程、 室溫的相與組織組成物 杠桿定律計(jì)算相對含量 （典型作業(yè)題）（典型作業(yè)題）n碳對鐵碳合金平衡組織和性能影響相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n鋼中的雜質(zhì)元素及其對

11、性能影響（了解）鋼中的雜質(zhì)元素及其對性能影響（了解） S 熱脆 P冷脆 Si 、Mn 固溶強(qiáng)化與脆性 N、 O、 H n鋼的分類、牌號與用途（掌握）鋼的分類、牌號與用途（掌握）n分類：按分類：按C含量分；按質(zhì)量分；按用途分含量分；按質(zhì)量分；按用途分n牌號與用途牌號與用途n普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235n優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 08 10 15 20 25；構(gòu)件、滲碳件；構(gòu)件、滲碳件n 30 35 40 45 50；軸類、連桿等；軸類、連桿等n 彈簧彈簧55 60 65 含碳量萬分?jǐn)?shù)：如含碳量萬分?jǐn)?shù)：如45鋼：鋼：0.45wt%Cn工具鋼工具鋼 T7 T8 T10 T12 含碳量千

12、分?jǐn)?shù)：如含碳量千分?jǐn)?shù)：如T8鋼：鋼：0.8wt%C相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n材料熱力學(xué)基礎(chǔ)（掌握）材料熱力學(xué)基礎(chǔ)（掌握）n固溶體吉布斯自由能固溶體吉布斯自由能-成分曲線成分曲線n克克-克方程克方程單元系中相平衡單元系中相平衡n多相合金中相平衡多相合金中相平衡n化學(xué)位 n二元系中相平衡（公切線 兩相平衡 三相平衡）n自由能成分曲線推測相圖（勻晶、共晶、包晶）n調(diào)幅分解（難點(diǎn)）相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n三元相圖及其類型三元相圖及其類型n成分表示成分表示 等邊三角形等邊三角形 頂點(diǎn) 邊 內(nèi)部點(diǎn)； 2條特殊線n三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）n相圖相圖 立體，液相面、固相面n等溫截面（重點(diǎn)）等溫截面（重點(diǎn)）

13、共軛曲線 連線（直線）法則 杠桿定律n平衡結(jié)晶過程 空間液相面與固相面 成分三角形中蝴蝶跡線n變溫截面 過頂點(diǎn)變溫截面 平行對邊變溫截面 變溫截面功能相圖部分知識(shí)要點(diǎn)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三元系中兩相平衡（三元系中兩相平衡（結(jié)合勻晶相圖理解） 兩相平衡（f=2）及兩相區(qū)空間（共軛曲面） 水平截面（等溫截面） 垂直截面 n三元系中三相平衡三元系中三相平衡（難點(diǎn)）n三相平衡三相平衡(f=1)及空間形狀及空間形狀 共軛三角形 三棱柱 成分變溫線 （補(bǔ)充的作業(yè)題） 水平截面中三相區(qū)及重心法則、轉(zhuǎn)變類型 垂直截面相圖部分知識(shí)要

14、點(diǎn)n三元系中四相平衡三元系中四相平衡（難點(diǎn)）（難點(diǎn)）n四相平衡（四相平衡（f=0）及空間）及空間平衡平面平衡平面n四相區(qū)形狀與反應(yīng)類型四相區(qū)形狀與反應(yīng)類型n四相共晶（析）型、包晶（析）型與包共晶（析）型反應(yīng) n垂直截面中的四相區(qū)n液相面投影圖中四相反應(yīng) （補(bǔ)充的作業(yè)題） 三相平衡和四相平衡結(jié)合四相共晶反應(yīng)三元系相圖理解掌握相圖部分知識(shí)要點(diǎn)n具有四相共晶反應(yīng)的三元系相圖具有四相共晶反應(yīng)的三元系相圖n相圖分析相圖分析 n單相區(qū) 兩相區(qū) 三相區(qū) 四相區(qū) 系列水平截面n投影圖投影圖n液相面投影圖 三相區(qū)投影圖 全投影圖 n結(jié)晶分析（難點(diǎn)）結(jié)晶分析（難點(diǎn)） 綜合運(yùn)用前述知識(shí)： 關(guān)鍵先確定合金成分點(diǎn)在投影

15、圖中所處位置，即哪個(gè)液相面、是否在三相區(qū)、在那個(gè)三棱柱區(qū)，是否進(jìn)入四相區(qū)內(nèi)， 準(zhǔn)確判斷從高溫到室溫的相變過程，從而確定室溫下組織組成。（典型作業(yè)與例題）相圖部分重要概念n合金n固溶體n置換固溶體n間隙固溶體n等價(jià)代換n異價(jià)代換n短程有序n有序固溶體n有序化溫度n電子化合物n簡單間隙化合物nLaves相n勻晶反應(yīng)n選分結(jié)晶n晶內(nèi)偏析n共晶反應(yīng)n二次析出反應(yīng)n偽共晶組織n離異共晶n包晶反應(yīng)n包晶偏析n穩(wěn)定中間相n鐵素體n奧氏體n滲碳體n組織組成物n共晶滲碳體n共析滲碳體n二次滲碳體n三次滲碳體n共析反應(yīng)n珠光體n萊氏體n室溫萊氏體 相圖部分重要概念n鋼的冷脆n鋼的熱脆n應(yīng)變時(shí)效n化學(xué)位n調(diào)幅分解n

16、等溫截面n共軛曲線n直線法則n共軛三角形n成分變溫線凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n晶核形成（重點(diǎn)）晶核形成（重點(diǎn)）n基本規(guī)律基本規(guī)律 液體結(jié)構(gòu) 過冷現(xiàn)象 過冷度 驅(qū)動(dòng)力n均勻形核（重點(diǎn)）均勻形核（重點(diǎn)） 晶坯形成自由能變化 臨界晶核半徑 臨界形核功 形核率n非均勻形核（重點(diǎn)）非均勻形核（重點(diǎn)） 晶坯形成自由能變化 臨界晶核半徑 臨界形核功 潤濕角與形核劑 凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n晶體生長（掌握）晶體生長（掌握）n必要條件必要條件 動(dòng)態(tài)過冷度n固固/液界面微觀構(gòu)造液界面微觀構(gòu)造 晶體長大后的形貌 2類固液界面 固液界面自由能 熔化熵 n晶核長大方式晶核長大方式 垂直生長（微觀粗糙界面） 二維臺(tái)階生長、螺旋位錯(cuò)等缺

17、陷生長（微觀光滑界面）凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n固溶體凝固（重點(diǎn)）固溶體凝固（重點(diǎn)）n平衡凝固平衡凝固 平衡分配系數(shù)k 平衡凝固特征 n不平衡凝固（重點(diǎn)）不平衡凝固（重點(diǎn)）n固相無擴(kuò)散固相無擴(kuò)散/液相完全混合時(shí)的溶質(zhì)分布液相完全混合時(shí)的溶質(zhì)分布 正常凝固方程 固、液相成分分布n固相無擴(kuò)散固相無擴(kuò)散/液相僅靠擴(kuò)散混合時(shí)的溶質(zhì)分布液相僅靠擴(kuò)散混合時(shí)的溶質(zhì)分布 凝固三區(qū)段 穩(wěn)態(tài)凝固方程 固/液界面前沿溶質(zhì)分布n成分過冷及其影響（重點(diǎn)）成分過冷及其影響（重點(diǎn)） 成分過冷 臨界條件 對固/液界面形貌影響 對固溶體生長形態(tài)的影響 對合金鑄造性能影響凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n共晶合金的凝固（掌握）共晶合金的凝固（掌握）n共

18、晶體的形態(tài)共晶體的形態(tài) 金屬-金屬型 金屬-非金屬型n共晶體的形核及生長共晶體的形核及生長n形核形核-層片狀共晶體交替形核生長 搭橋機(jī)制 n金屬金屬-金屬型生長金屬型生長 協(xié)同生長- 片層狀；雜質(zhì)影響-胞狀、棒狀n金屬金屬-非金屬型生長非金屬型生長 金屬相超前自由生長 非金屬相特定形狀n先共晶相形態(tài)先共晶相形態(tài) 金屬型樹枝狀 非金屬型規(guī)則多面體凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n制造工藝與凝固組織制造工藝與凝固組織n鑄錠與鑄件凝固組織與偏析鑄錠與鑄件凝固組織與偏析（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）n凝固組織凝固組織 表層細(xì)晶、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū) 晶粒細(xì)化n宏觀偏析宏觀偏析 正常偏析 反偏析 比重偏析 n顯微偏析顯微偏析 胞狀

19、偏析 枝晶偏析 擴(kuò)散退火處理 n連續(xù)鑄造和熔化焊的凝固組織（了解）連續(xù)鑄造和熔化焊的凝固組織（了解） 柱狀晶 無縮孔、疏松凝固部分知識(shí)要點(diǎn)n用凝固法制備材料的技術(shù)（了解）用凝固法制備材料的技術(shù)（了解）n區(qū)域提純區(qū)域提純 工藝與原理 第1次提純后溶質(zhì)分布n制備單晶制備單晶 單晶制備對工藝要求 坩堝直拉法 懸浮區(qū)熔化法n快速冷凝制備金屬玻璃快速冷凝制備金屬玻璃 金屬玻璃 快淬工藝 成分設(shè)計(jì)n定向凝固制備高溫合金葉片定向凝固制備高溫合金葉片 定向凝固工藝 柱狀晶組織 單晶組織凝固部分重要概念n過冷度n臨界形核功n形核率n均勻形核n非均勻形核n粗糙界面n光滑界面n成分過冷n正常偏析n顯微偏析作業(yè)題點(diǎn)評

20、1液體金屬在凝固時(shí)必須過冷，而在加熱使其熔化卻毋需過熱，即一旦加熱到熔點(diǎn)就立即熔化，為什么？ 今給出一組典型數(shù)據(jù)作參考： 以金為例，其、分別為液-固、液-氣、固-氣相的界面能（單位J/m2）。2式（6-13）為形核率計(jì)算的一般表達(dá)式。對金屬，因?yàn)樾魏说募せ钅埽〞杏梅?）與臨界晶核形成功（ 或 ）相比甚小，可忽略不計(jì)，因此金屬凝固時(shí)的形核率常按下式作簡化計(jì)算，即 試計(jì)算液體Cu在過冷度為180K、200K和220K時(shí)的均勻形核率。并將計(jì)算結(jié)果與圖6-4b比較。（已知Jm-3，Tm=1356K，Jm-2 C0=61028原子m-3，k=1.3810-23JK-1） 3試對圖6-9所示三種類型材料的生長速率給予定性解釋。kTGCN*0exp均均AGkG*G典型作業(yè)題 5某二元合金相圖如圖6-45所示。今將含WB40%的合金置于長度為L的長瓷舟中并保持為液態(tài)，并從一端緩慢地凝固。溫度梯度大到足以使液-固界面保持平直，同時(shí)液相成分能完全均勻混合。1）試問這個(gè)合金的k0和ke是多少? 2）該試樣在何位置（以端部距離計(jì)）出現(xiàn)共晶體?畫出此時(shí)的溶質(zhì)分布曲線。 3）若為完全平衡凝固，試樣共晶體的百分?jǐn)?shù)是多少? 4）如合金成分為含WB5%，問2）、3）的答案如何? 5）假設(shè)用含WB