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、Cr23C6 n 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。

2、的合金在400時(shí)開始結(jié)晶出成 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(duì)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

3、計(jì)算室溫下的相組成物及組織組成物 的相對(duì)量。 %2 . 0 C w n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(duì)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

4、 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

5、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： 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%=0.2% III P Fe C w w w （） 三元相圖作業(yè)點(diǎn)評(píng) 補(bǔ)充作業(yè)補(bǔ)充作業(yè) n1、在成分

6、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，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變溫截面與全投影變溫截面與全投影 相圖部分知識(shí)要

7、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

8、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)

9、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

10、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 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

11、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(duì)含量 （典型作業(yè)題）（典型作業(yè)題） n碳對(duì)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(duì)性能影響（了解）鋼中的雜質(zhì)元素及其對(duì)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(hào)與用途（掌握）鋼的分類、牌號(hào)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(hào)與用途

12、牌號(hào)與用途 n普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235 n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%C n工具鋼工具鋼 T7 T8 T10 T12 含碳量千分?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

13、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)） 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(duì)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（

14、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

15、）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 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

16、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

17、（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

18、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(duì)固/液界面形貌影響 對(duì)固溶體生長形態(tài)的影響 對(duì)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共晶體的形態(tài)共晶體的形態(tài) 金屬-金屬型 金屬-非金

19、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 胞狀偏析 枝晶偏析 擴(kuò)散退火處理

20、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(duì)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)

21、題點(diǎn)評(píng) 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(duì)金屬，因?yàn)樾魏说募?活能（書中用符號(hào) ）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(duì)圖6-9所示三種類型材料的生長速率給予定性解釋。 kT G CN * 0 exp 均 均 A G k G*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WB5%的合金作成一個(gè)大鑄件，如將