材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料科學(xué)基礎(chǔ)編撰：張代東北京大學(xué)出版社

201121世紀(jì)全國(guó)高等院校材料類創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材前言科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富。能源、信息和材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的三大支柱產(chǎn)業(yè)，其中材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。材料科學(xué)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能，以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展密切相關(guān)，是人類文明進(jìn)程的一種標(biāo)志。可以說，沒有先進(jìn)材料的生產(chǎn)及應(yīng)用，就沒有先進(jìn)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)材料性能與應(yīng)用不斷拓展、各種功能性材料不斷涌現(xiàn)，人類已步入先進(jìn)材料發(fā)展與應(yīng)用的新時(shí)代。本書由張代東、吳潤(rùn)主編。書中第1章由東北大學(xué)秦皇島分校李明亞編寫，第0章、2章、第9章由太原科技大學(xué)張代東編寫，第3章、第4章由武漢科技大學(xué)吳志芳編寫，第5章、第8章由遼寧工程技術(shù)大學(xué)任鑫編寫，第6章、第7章由東北大學(xué)秦皇島分校王曉強(qiáng)編寫，第10章由武漢科技大學(xué)吳潤(rùn)編寫，全書由張代東統(tǒng)稿。本書在編寫過程中得到了北京大學(xué)出版社及童君鑫編輯的大力支持和熱情指導(dǎo)，得到了太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，尤其是材料教研室、實(shí)驗(yàn)室很多老師的關(guān)懷與協(xié)助，在此一并表示衷心的感謝。由于編者水平有限，書中缺點(diǎn)與不妥之處必然存在，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。緒論材料是一類物質(zhì)，是人類用以制造生產(chǎn)和生活所需物品或產(chǎn)品的物質(zhì)。材料的種類繁多，用途廣泛，一般按材料的物理化學(xué)性能將其分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料（有人將它們稱之為固體材料的四大家族）。在所有應(yīng)用材料中，金屬材料，尤其是鋼鐵，在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛，各種機(jī)械設(shè)備、交通運(yùn)輸工具、航空航天器械、水利水電設(shè)施、儀器儀表產(chǎn)品、國(guó)防武器設(shè)備等所用材料中，金屬材料占主導(dǎo)（約90%以上）地位。金屬材料來源豐富，品種極多。從元素周期表看，在自然界已知所存在94種化學(xué)元素中金屬元素占了72種（人造元素除外），像鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、銅等金屬元素在地殼中含量較大，通過冶煉等手段可獲得它們的單質(zhì)固體材料（稱作純金屬如純銅、純鐵、純鋁等）或以它們?yōu)橹黧w的不同成分的固體材料（稱作合金如青銅、合金鋼、硬鋁等）。金屬材料之所以能夠?qū)θ祟愇拿靼l(fā)揮重要的作用，一方面是由于其本身具有比其它材料優(yōu)良的使用性能和加工工藝性能，可通過各種加工手段制成各種形狀、尺寸、粗糙度和不同性能要求的零件和工具，以滿足社會(huì)生產(chǎn)和生活的各種需要；另一方面，是它那始終蘊(yùn)藏著在性能方面以及數(shù)量和質(zhì)量方面的巨大潛在能力，可供隨時(shí)挖掘，因而能夠隨著日益增長(zhǎng)的名目繁多的要求，而不斷地更新和發(fā)展。金屬材料的使用性能包括力學(xué)性能和物理化學(xué)性能。金屬材料的力學(xué)性能主要包括強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。金屬材料的物理化學(xué)性能主要包括密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、膨脹系數(shù)、抗氧化性、耐腐蝕性等。金屬材料的加工工藝性能主要有切削加工工藝性能、鑄造加工工藝性能、鍛造加工工藝性能、焊接加工工藝性能和熱處理加工工藝性能等。第1章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)金屬鍵熟悉原子間結(jié)合鍵類型及特點(diǎn)，重點(diǎn)掌握金屬鍵結(jié)合特點(diǎn)和金屬特性元素及其原子結(jié)構(gòu)，鍵合方式，原子結(jié)合特性，金屬鍵與金屬特性金屬晶體學(xué)基礎(chǔ)熟悉布拉菲點(diǎn)陣模型，掌握典型金屬晶體的表征方法空間點(diǎn)陣、晶胞、晶格常數(shù)，14種布拉菲點(diǎn)陣，晶面指數(shù)、晶向指數(shù)，典型金屬晶體結(jié)構(gòu)、間隙金屬晶體缺陷了解實(shí)際金屬晶體與理想晶體的區(qū)別，掌握三種缺陷類型和特征單晶體、多晶體，點(diǎn)缺陷類型、平衡濃度，位錯(cuò)類型、密度、柏氏矢量，晶界、孿晶界、亞晶界、相界、表面、界面能1.1金屬鍵與金屬特性

1.鍵合方式金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵分子鍵氫鍵不同鍵合的結(jié)合特性2.金屬特性延展性導(dǎo)電性正的電阻溫度系數(shù)導(dǎo)熱性金屬光澤1.2金屬晶體學(xué)基礎(chǔ)1.空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣和晶胞14種布拉菲點(diǎn)陣晶系名稱點(diǎn)陣常數(shù)間的關(guān)系和特點(diǎn)實(shí)例三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90oK2CrO7單斜晶系a≠b≠c，α=γ=90o≠ββ-S，CaSO4?H2O正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90oα-S，F(xiàn)e3C六方晶系a1=a2=a3≠c，α=β=90o，γ=120oZn，Cd，Mg菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90oAs，Sb，Bi四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90oβ-Sn，TiO2立方晶系a=b=c，α=β=γ=90oFe，Cr，Au，Ag，Cu2.晶向指數(shù)與晶面指數(shù)晶向指數(shù)晶面指數(shù)六方晶系的晶向指數(shù)與晶面指數(shù)晶帶與晶帶定理晶面間距晶面夾角3.典型金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

晶體中原子的堆垛方式晶體結(jié)構(gòu)中的間隙

1.3實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)1.單晶體與多晶體單晶體多晶體晶體的各向異性2.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷對(duì)金屬性能的影響3.線缺陷位錯(cuò)的類型位錯(cuò)密度柏氏矢量位錯(cuò)的易動(dòng)性位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響4.面缺陷晶界與亞晶界孿晶界相界表面孿晶面非共格孿晶面第2章金屬的結(jié)晶【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)結(jié)晶基本概念理解結(jié)晶與凝固之間的關(guān)系；掌握過冷度、自由能、結(jié)構(gòu)起伏的概念；理解冷卻曲線和自由能變化曲線結(jié)晶概念；結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏；熱力學(xué)定律晶核形成規(guī)律比較均勻形核與非均勻形核的變化規(guī)律；計(jì)算臨界形核半徑和臨界形核功，了解影響形核率的主要因素；吉布斯自由能，系統(tǒng)能量變化；均勻形核、非均勻形核；形核功、形核率；影響形核率的主要因素晶核長(zhǎng)大規(guī)律理解固液界面微觀結(jié)構(gòu)，了解晶核長(zhǎng)大機(jī)制，掌握金屬晶核長(zhǎng)大主要特征和控制晶粒大小的主要因素光滑界面、粗糙界面；垂直長(zhǎng)大、平面長(zhǎng)大、缺陷長(zhǎng)大；正溫度梯度、負(fù)溫度梯度；樹枝狀生長(zhǎng)；晶粒大小的控制金屬鑄錠組了解三晶區(qū)形成特點(diǎn)和性能特點(diǎn)，掌握控制三晶區(qū)的方法；了解鑄錠常見缺陷和形成原因表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、等軸狀晶區(qū)；縮孔、疏松、氣孔及夾雜物結(jié)晶理論的應(yīng)用熟悉定向凝固和急冷凝固技術(shù)；了解柱狀晶、單晶、微晶、非晶、準(zhǔn)晶的形成及基本特征定向凝固技術(shù)：柱狀晶、單晶技術(shù)；急冷凝固技術(shù)：微晶和納米晶、非晶、準(zhǔn)晶技術(shù)2.1結(jié)晶的基本概念1.晶核形成與晶核長(zhǎng)大2.結(jié)晶的條件過冷度自由能結(jié)構(gòu)起伏2.2晶核形成規(guī)律

1.均勻形核形核時(shí)的能量變化臨界形核半徑和臨界形核功形核率2.非均勻形核臨界形核半徑和形核功形核率2.3晶核長(zhǎng)大規(guī)律1.液固界面的微觀結(jié)構(gòu)光滑界面粗糙界面2.晶核長(zhǎng)大機(jī)制垂直長(zhǎng)大機(jī)制

二維長(zhǎng)大機(jī)制晶體缺陷長(zhǎng)大機(jī)制3.晶體生長(zhǎng)的形態(tài)正溫度梯度條件下生長(zhǎng)的界面形態(tài)負(fù)溫度梯度條件下生長(zhǎng)的界面形態(tài)4.晶體長(zhǎng)大速度晶體長(zhǎng)大速度與界面微觀結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)方式等多種因素有關(guān)。一般光滑界面比粗糙界面的長(zhǎng)大速度要慢得多，光滑界面以二維長(zhǎng)大方式生長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)大速度最小，光滑界面以螺型位錯(cuò)等缺陷臺(tái)階長(zhǎng)大方式生長(zhǎng)時(shí)次之，粗糙界面以垂直長(zhǎng)大方式生長(zhǎng)時(shí)速度最快。大多數(shù)金屬晶體具有粗糙界面并以枝晶方式長(zhǎng)大，具有高的長(zhǎng)大速度。

5.晶粒大小的控制2.4金屬鑄錠的組織與缺陷。1.鑄錠組織表層細(xì)晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)中心等軸狀晶粒區(qū)2.鑄錠組織的控制3.鑄錠中的缺陷縮孔疏松氣孔夾雜物2.5結(jié)晶理論的拓展與應(yīng)用1.定向凝固技術(shù)柱狀晶技術(shù)單晶技術(shù)2.急冷凝固技術(shù)微晶和納米晶金屬非晶態(tài)金屬準(zhǔn)晶態(tài)金屬第3章合金相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)合金相結(jié)構(gòu)理解合金相結(jié)構(gòu)基本概念，掌握置換固溶體和間隙固溶體主要特點(diǎn)；掌握金屬化合物的形成條件與性能特征合金系、組元、相、相結(jié)構(gòu)；合金固溶體類型、溶解度、電負(fù)性、電子濃度；中間相二元合金相圖建立掌握溶質(zhì)分配和成分過冷理論；熟悉二元合金相圖測(cè)定方法，理解相律及應(yīng)用相律分析相圖，掌握二元相圖杠桿定律合金的溶質(zhì)分配；成分過冷條件；熱分析法建立二元合金相圖；相律，杠桿定律常見二元合金相圖了解二元相圖基本類型，著重熟悉二元?jiǎng)蚓А⒐簿?、包晶相圖形態(tài)特征，掌握二元合金平衡和非平衡結(jié)晶分析；注重成分偏析概念的學(xué)習(xí)二元?jiǎng)蚓鄨D；二元共晶相圖；二元包晶相圖；其它二元合金相圖；平衡結(jié)晶、非平衡結(jié)晶、偽共晶，成分偏析合金相圖與性能了解相圖形態(tài)與性能之間的基本關(guān)系，注重相圖在材料加工工藝中的應(yīng)用合金相的力學(xué)性能和物理性能；不同合金的加工工藝性能3.1合金相結(jié)構(gòu)1.基本概念組元組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)合金系由給定的組元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金相和相結(jié)構(gòu)合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分2.合金固溶體及類型分類置換固溶體間隙固溶體3.金屬化合物（中間相）正常價(jià)化合物電子化合物原子尺寸因素化合物間隙相間隙化合物拓?fù)涿芏严啵ǎū砀癖?-2鋼中常見的間隙相間隙相的化學(xué)式鋼中的間隙相結(jié)構(gòu)類型M4XFe4N、Mn4N面心立方M2XTi2H、Zr2H、Fe2N、Cr2N、V2N、Mn2C、W2C、Mo2C密排六方MXTaC、TiC、ZrC、VC、ZrN、VN、TiN、CrN、ZrH、TiH面心立方TaH、NbH體心立方WC、MoN簡(jiǎn)單六方MX2TiH2、ThH2、ZnH2面心立方表3-3鋼中常見碳化物的硬度及熔點(diǎn)類型間隙相間隙化合物NbCW2CWCMo2CTaCTiCZrCVCCr23C6Fe3C熔點(diǎn)/℃3770±125313028672960±504150±14034103805302315771227硬度HV2050-1730148015502850284020101650≈800圖3-6拓?fù)涿芏严嘀械呐湮欢嗝骟w3.2液態(tài)合金固化（二元合金的凝固理論）1.合金凝固時(shí)溶質(zhì)的分配液體中溶質(zhì)完全混合的情況液體中溶質(zhì)僅借擴(kuò)散而混合的情況液體中溶質(zhì)部分混合的情況區(qū)域熔煉2.成分過冷概念臨界條件影響因素晶體生長(zhǎng)形狀鑄錠組織3.3二元合金相圖的建立1.相圖的測(cè)定方法①首先配制一系列不同成分的同一合金系。②將合金熔化后，分別測(cè)出它們的冷卻曲線。③根據(jù)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定各合金的狀態(tài)變化溫度。④將上述數(shù)據(jù)引入以溫度（℃）為縱軸、成分（質(zhì)量百分比為單位）為橫軸的坐標(biāo)平面中。⑤連接意義相同的點(diǎn)，作出相應(yīng)的曲線，標(biāo)明各區(qū)域所存在的相。便得到合金系相圖。2.相律利用相律確定系統(tǒng)中可能共存的最多平衡相數(shù)利用相律解釋純金屬與二元合金結(jié)晶時(shí)的一些差別3.二元相圖杠桿定律3.4二元?jiǎng)蚓鄨D1.相圖分析2.平衡結(jié)晶過程3.非平衡結(jié)晶3.5二元共晶相圖1.相圖分析2.平衡結(jié)晶過程含二次相析出合金共晶合金亞共晶合金過共晶合金3.非平衡結(jié)晶偽共晶離異共晶3.6二元包晶相圖1.相圖分析2.平衡結(jié)晶過程包晶點(diǎn)合金亞包晶合金過包晶合金3.非平衡結(jié)晶過程包晶偏析區(qū)域偏析和比重偏析3.7其它類型的二元合金相圖1.具有共晶型恒溫轉(zhuǎn)變的其它相圖共析轉(zhuǎn)變偏晶轉(zhuǎn)變?nèi)劬мD(zhuǎn)變2.具有包晶型恒溫轉(zhuǎn)變的其它相圖包析轉(zhuǎn)變合晶轉(zhuǎn)變3.具有中間相形成的二元合金兩組元形成穩(wěn)定化合物的相圖兩組元形成不穩(wěn)定化合物的相圖3.8二元合金相圖與二元合金性能的關(guān)系1.合金相的力學(xué)性能與物理性能2.二元合金的加工工藝性能根據(jù)相圖判斷合金的鑄造性能根據(jù)相圖分析合金熱處理的可能性根據(jù)相圖判斷合金的塑性加工性能3.9二元相圖熱力學(xué)初步1.合金自由能概念固溶體的自由能-成分曲線多相平衡的公切線原理混合物的自由能和杠桿法則2.二元合金的幾何規(guī)律從自由能-成分曲線推測(cè)相圖二元合金相圖的一些幾何規(guī)律第4章鐵碳合金相圖【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)鐵碳合金組元性質(zhì)熟悉鐵和碳元素性質(zhì)，掌握鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵、碳、滲碳體；δ-Fe、γ-Fe、α-Fe；鐵素體、奧氏體Fe—Fe3C典型合金平衡結(jié)晶過程熟悉Fe—Fe3C相圖各點(diǎn)線面的物理意義，掌握相圖中的基本反應(yīng)，注重典型合金平衡結(jié)晶過程分析和杠桿定律的應(yīng)用Fe—Fe3C相圖分析：線、區(qū)物理意義，平衡反應(yīng)；典型合金平衡結(jié)晶過程：工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用掌握以相組成物和組織組成物標(biāo)示的Fe—Fe3C相圖，熟悉其在生產(chǎn)中的基本應(yīng)用組織組成物標(biāo)示的Fe—Fe3C相圖，含碳量與材料力學(xué)性能，相圖在選材、工藝制定中的應(yīng)用碳鋼掌握碳鋼編號(hào)原則和分類鋼中常存雜質(zhì)元素，碳鋼分類，常用碳鋼3.1鐵碳合金組元性質(zhì)1.鐵和碳元素FeC2.鐵碳合金組元純鐵及其性能特點(diǎn)鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵素體和奧氏體Fe3C及其性能特點(diǎn)3.2Fe—Fe3C相圖分析1.相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義符號(hào)溫度/℃C（%）說明A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成份C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120轉(zhuǎn)變溫度（A3）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69滲碳體的成分N13940轉(zhuǎn)變溫度（A4）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)（A1）Q6000.0057600℃時(shí)碳在α-Fe中的溶解度2.包晶轉(zhuǎn)變（水平線HJB）3.共晶轉(zhuǎn)變線（水平線ECF）4.共析轉(zhuǎn)變（水平線PSK）5.三條重要的特性曲線

1.GS線GS線又稱為A3線，它是在冷卻過程中由奧氏體析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中鐵素體溶入奧氏體的終了線。2.ES線ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，就要從奧氏體中析出次生滲碳體，通常稱為二次滲碳體，用Fe3CⅡ表示,也叫Acm線。3.PQ線PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。當(dāng)鐵素體從727℃冷卻下來時(shí)，要從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示4.3Fe—Fe3C相圖典型合金平衡結(jié)晶過程

1.工業(yè)純鐵2.鋼共析鋼亞共析鋼過共析鋼3.白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵4.4Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用1.以組織組成物標(biāo)示的Fe—Fe3C相圖含碳量對(duì)平衡組織的影響含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響2.Fe—Fe3C相圖在選材上的應(yīng)用鐵碳合金相圖總結(jié)了合金組織及性能隨成分的變化規(guī)律，這樣就便于根據(jù)工件的工作環(huán)境和性能要求來選擇材料。當(dāng)然為了進(jìn)一步提高鋼的性能，還需要有相應(yīng)的合理工藝與之相配合。白口鑄鐵具有很高的硬度和脆性，抗磨損能力也很好，可用來制造需要耐磨而不受沖擊載荷的工件。如撥絲模、球磨機(jī)的鐵球等。另外，白口鑄鐵也是可鍛鑄鐵的原料。3.Fe—Fe3C相圖在制定加工工藝上的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖總結(jié)了不同成分的合金在緩慢加熱和冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，即組織隨溫度變化的規(guī)律，這就為制定熱加工及熱處理工藝提供了依據(jù)。4.5碳鋼1.鋼中常存的雜質(zhì)元素硅錳硫磷其它（氮、氫、氧、夾雜物）2.碳鋼的分類按鋼的含碳量分類（低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼）按鋼的用途分類（碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼）按鋼的質(zhì)量分類（普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼）3.常用碳鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼第5章三元合金相圖【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)三元相圖表示方法熟悉相圖成分三角形和特定點(diǎn)線意義，了解相圖建立過程和熱力學(xué)規(guī)律，掌握定量法則成分三角形，特定點(diǎn)和直線；相圖建立，定量法則，熱力學(xué)概論典型三元合金相圖熟悉勻晶、共晶相圖的立體形態(tài)，掌握掌握其截面圖和投影圖，會(huì)在投影圖中應(yīng)用定量法則三元?jiǎng)蚓鄨D：空間模型、平衡結(jié)晶、截面圖、投影圖；三元共晶相圖：相圖分析、截面圖、投影圖；三元相圖總結(jié)：?jiǎn)蜗嗥胶狻上嗥胶?、三相平衡、四相平衡三元相圖應(yīng)用實(shí)例著重根據(jù)相平衡原則分析實(shí)際三元相圖相存在Fe-C-Si三元相圖截面；Fe-C-Cr三元相圖截面5.1三元合金相圖表示方法1.三元合金相圖的成分表示方法成分（濃度）三角形等邊濃度三角形中具有特定意義的點(diǎn)和線2.三元合金相圖的建立對(duì)照二元相圖，對(duì)于二元系相圖上的曲線，在三元相圖上擴(kuò)展為曲面；二元相圖中的相區(qū)（二維），在三元相圖中成為一空間區(qū)域。3.三元相圖定量法則直線法則和杠桿定律

重心法則4.三元相圖熱力學(xué)概述自由能-成分曲線公切面定律三元系三相平衡與共軛三角形三元系四相平衡與四相平衡平面5.2三元?jiǎng)蚓鄨D

1.相圖的空間模型2.固溶體合金的平衡結(jié)晶過程

2.截面圖分析等溫截面

變溫截面2.投影圖

5.3三元共晶相圖1.組元在固態(tài)完全不溶的共晶相圖相圖分析等溫截面變溫截面投影圖結(jié)晶分析表5-1平衡結(jié)晶后的室溫組織組成物成分范圍結(jié)晶順序和室溫組織組成物①區(qū)初晶A+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）②區(qū)初晶B+二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）③區(qū)初晶B+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）④區(qū)初晶C+二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）⑤區(qū)初晶C+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）⑥區(qū)初晶A+二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）E1E線二元共晶（A+B）+三元共晶（A+B+C）E2E線二元共晶（B+C）+三元共晶（A+B+C）E3E線二元共晶（C+A）+三元共晶（A+B+C）AE線初晶A+三元共晶（A+B+C）BE線初晶B+三元共晶（A+B+C）CE線初晶C+三元共晶（A+B+C）E點(diǎn)三元共晶（A+B+C）2.組元在固態(tài)有限互溶的共晶相圖相圖分析等溫截面變溫截面投影圖結(jié)晶分析

固態(tài)完全不溶三元共晶固態(tài)有限互溶三元共晶單相區(qū)LABCLαβγ兩相區(qū)L+AL+BL+C—L+αL+βL+γ——A+BB+CC+A—α+ββ+γγ+α三相區(qū)L+A+BL+B+CL+C+AA+B+CL+α+βL+β+γL+γ+αα+β+γ四相區(qū)L+A+B+CL+α+β+γ三元共晶相圖p1234區(qū)域液固過程室溫組織ⅠL→ααⅡL→α，α→βⅡα+βⅡⅢL→α，α→βⅡ+γⅡα+βⅡ+γⅡⅣL→α，L→α+β，α→βⅡα+（α+β）+βⅡⅤL→α，L→α+β，α→βⅡ+γⅡ，α+（α+β）+βⅡ+γⅡⅥL→α，L→α+β，L→α+β+γ，α→βⅡ+γⅡα+（α+β）+（α+β+γ）+βⅡ+γⅡ5.4三元合金相圖總結(jié)單相平衡、兩相平衡、三相平衡、四相平衡轉(zhuǎn)變類型L→α+β+γL+α→β+γL+α+β→γ轉(zhuǎn)變前的三相平衡四相平衡轉(zhuǎn)變后的三相平衡表5-4三元系中的四相平衡轉(zhuǎn)變相平衡5.5三元合金相圖應(yīng)用實(shí)例分析1.Fe-C-Si三元相圖的垂直截面2.4%Si合金結(jié)晶過程分析4.8%Si合金結(jié)晶過程分析2.Fe-C-Cr三元相圖的等溫截面2Cr13不銹鋼（0.2%C,13%Cr）Cr12模具鋼（2%C,13%Cr）第6章金屬的塑性變形【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)金屬變形的三個(gè)階段熟悉拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，掌握材料力學(xué)性能指標(biāo)及其物理意義材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；彈性變形：廣義虎克定律、彈性模量、滯彈性；塑性變形：強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)；斷裂：沖擊韌性、斷裂韌性單晶體塑性變形了解滑移和孿生的基本概念，掌握滑移基本過程和原理塑性變形方式；滑移的特征，滑移的臨界分切應(yīng)力，滑移的實(shí)質(zhì)；孿生條件多晶體和合金的塑性變形熟悉多晶體和合金的塑性變形過程多晶體塑性變形：晶界的影響、晶粒位向的影響；合金的塑性變形：固溶體溶質(zhì)的影響、第二相質(zhì)點(diǎn)的影響塑性變形對(duì)組織和性能的影響了解塑性變形過程組織和性能在不同階段的變化規(guī)律，著重掌握加工硬化基本原理纖維組織，加工硬化，變形織構(gòu)，內(nèi)應(yīng)力6.1金屬變形的三個(gè)階段1.彈性變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線虎克定律彈性模量滯彈性a）b）c）材料名稱E（GPa）G（GPa）ν鋁70.326.10.345銅129.848.30.343鐵211.481.60.293鎂44.717.30.291鎳199.576.00.312鈮104.937.50.397鉭185.769.20.342鈦115.743.80.321鎢411.0160.60.280釩127.646.70.3652.塑性變形屈服強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率3.斷裂斷裂方式及特征延性斷裂、脆性斷裂沖擊功（沖擊韌性）Ak表示斷裂韌性理論斷裂強(qiáng)度、格里菲斯(Griffith)斷裂理論、奧羅萬(Orowan)的修正、裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)、裂紋擴(kuò)展的基本形式、斷裂韌性KC和K1C6.2單晶體的塑性形變

1.塑性變形基本方式滑移孿生2.滑移特征滑移作用力

滑移線和滑移帶滑移系滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)3.滑移的臨界分切應(yīng)力

切應(yīng)力公式位向因子、軟位向、硬位向{<<<<<金屬溫度純度（%）滑移面滑移方向臨界切應(yīng)力（MPa）Ag室溫99.99{111}<110>0.47Al室溫-{111}<110>0.79Cu室溫99.9{111}<110>0.98Ni室溫99.8{111}<110>5.68Fe室溫99.96{110}<111>27.44Nb室溫-{110}<111>33.8Ti室溫99.99}>13.7Mg室溫99.95{0001}>0.81Mg室溫99.98{0001}>0.76Mg330℃99.98{0001}>0.64Mg330℃99.98{0001}>3.924.塑性變形的實(shí)質(zhì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割位錯(cuò)塞積時(shí)效應(yīng)變位錯(cuò)增殖5.孿生變形孿生條件孿生面、孿生方向6.3多晶體的塑性變形1.晶界對(duì)塑性變形的影響2.晶粒位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＮ幌驅(qū)Χ嗑w塑性變形的影響，主要表現(xiàn)在各晶粒變形過程中的相互制約和協(xié)調(diào)性。6.4合金的塑性變形1.固溶體中的塑性變形固溶強(qiáng)化屈服現(xiàn)象2.第二相存在對(duì)塑性變形的影響不可變形顆粒的強(qiáng)化作用可變形顆粒的強(qiáng)化作用6.5塑性變形對(duì)組織和性能的影響1.纖維組織隨著變形量的逐步增加，原來的等軸晶粒逐漸沿變形方向被拉長(zhǎng)晶粒沿材料流變伸展的方向已變成纖維狀2.加工硬化亞結(jié)構(gòu)變化

加工硬化現(xiàn)象其它性能變化3.變形織構(gòu)絲織構(gòu)板織構(gòu)4.變形內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力，作用與工件尺度范圍內(nèi)，是由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的平衡內(nèi)應(yīng)力。第二類內(nèi)應(yīng)力，又稱微觀殘余內(nèi)應(yīng)力，作用在晶粒尺度范圍內(nèi)，是金屬材料晶粒之間、晶粒內(nèi)部或亞晶粒之間變形不均勻造成的微觀范圍內(nèi)的平衡內(nèi)應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力，又稱點(diǎn)陣畸變內(nèi)應(yīng)力，存在于點(diǎn)陣尺度范圍內(nèi)，是因金屬材料在形變過程中形成了大量點(diǎn)陣缺陷如位錯(cuò)、亞晶界等晶體缺陷引起晶格畸變?cè)斐傻钠胶鈨?nèi)應(yīng)力。第7章回復(fù)與再結(jié)晶【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)冷塑性變形金屬在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變熟悉冷塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化特點(diǎn)顯微組織變化：回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大；性能變化：強(qiáng)度、硬度、電阻、密度、內(nèi)應(yīng)力回復(fù)階段了解回復(fù)動(dòng)力學(xué)和回復(fù)機(jī)制回復(fù)動(dòng)力學(xué)曲線、激活能；回復(fù)機(jī)制：低溫、中溫、高溫回復(fù)轉(zhuǎn)變?cè)俳Y(jié)晶熟悉再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，掌握再結(jié)晶溫度表達(dá)方法，掌握臨界變形度與再結(jié)晶晶粒大小的關(guān)系再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，形核與核長(zhǎng)大過程，影響再結(jié)晶的因素；再結(jié)晶晶粒大小的控制金屬的熱塑性變形了解冷、熱塑性變形的區(qū)別，掌握動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶基本原理，理解超塑性的概念冷、熱塑性變形的區(qū)別，動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，熱塑性變形對(duì)組織和性能的影響，超塑性7.1冷塑性變形金屬在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變1.顯微組織的變化回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大2.性能的變化強(qiáng)度與硬度的變化

電阻率的變化密度的變化內(nèi)應(yīng)力的變化儲(chǔ)存能的變化7.2回復(fù)階段1.回復(fù)動(dòng)力學(xué)2.回復(fù)機(jī)制低溫回復(fù)中溫回復(fù)

高溫回復(fù)7.3再結(jié)晶1.再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)2.再結(jié)晶晶核的形成與長(zhǎng)大再結(jié)晶晶核的形成弓出形核機(jī)制、亞晶形核機(jī)制再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大3.影響再結(jié)晶的因素凡是影響再結(jié)晶的形核率、長(zhǎng)大速率和再結(jié)晶溫度的因素都是影響再結(jié)晶的因素。溫度變形程度二次再結(jié)晶原始晶粒尺寸

微量溶質(zhì)原子

第二相顆粒

4.再結(jié)晶晶粒大小的控制臨界變形度

再結(jié)晶退火溫度7.4金屬的熱塑性變形1.熱、冷塑性變形的區(qū)別熱、冷塑性變形的區(qū)別動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶2.熱塑性變形對(duì)組織和性能的影響熱加工后金屬的組織與性能超塑性及其應(yīng)用與發(fā)展材料始鍛溫度（℃）終鍛溫度（℃）碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼1200~1280750~800碳素工具鋼及合金工具鋼1150~1180800~850高速鋼1090~1150930~950鉻不銹鋼（1Cr13）1120~1180870~925鉻鎳不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）1175~1200870~925純鋁450350純銅860650第8章金屬的固態(tài)擴(kuò)散【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)擴(kuò)散概述熟悉擴(kuò)散的分類方法，理解擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)散分類：上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散，自擴(kuò)散和互擴(kuò)散，原子擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散，體擴(kuò)散和短路擴(kuò)散；擴(kuò)散微觀機(jī)制：換位、空位、間隙機(jī)制固態(tài)擴(kuò)散定律理解擴(kuò)散定律各參數(shù)的物理意義，掌握第一、而定律及應(yīng)用擴(kuò)散第一定律，擴(kuò)散第二定律，誤差函數(shù)和高斯函數(shù)解擴(kuò)散系數(shù)著重理解擴(kuò)散系數(shù)公式，掌握擴(kuò)散激活能及其影響因素，掌握溫度、成分、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響原子跳動(dòng)和擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散激活能，克達(dá)爾效應(yīng)，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，影響擴(kuò)散因素，反應(yīng)擴(kuò)散與應(yīng)用8.1擴(kuò)散概述1.固態(tài)擴(kuò)散的分類根據(jù)擴(kuò)散方向是否與濃度的方向相同進(jìn)行分類:上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散過程是否發(fā)生濃度變化分類：自擴(kuò)散、互擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散過程是否出現(xiàn)新相進(jìn)行分類：原子擴(kuò)散、反應(yīng)擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散過程經(jīng)過的路徑進(jìn)行分類：體擴(kuò)散、短路擴(kuò)散2.擴(kuò)散的微觀機(jī)制換位機(jī)制間隙機(jī)制空位機(jī)制8.2固態(tài)擴(kuò)散定律1.擴(kuò)散第一定律菲克（A.Fick）于1855年參考導(dǎo)熱方程，通過實(shí)驗(yàn)確立了擴(kuò)散物質(zhì)量與其濃度梯度之間的宏觀規(guī)律，即單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的物質(zhì)量（擴(kuò)散通量）與該物質(zhì)在該面積處的濃度梯度成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：2.擴(kuò)散第二定律系統(tǒng)中的濃度不僅與擴(kuò)散距離有關(guān)，也與擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)，即。對(duì)于這種非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散可以通過擴(kuò)散第一定律和物質(zhì)平衡原理兩個(gè)方面加以解決3.擴(kuò)散第二定律的解及其應(yīng)用誤差函數(shù)解高斯函數(shù)解8.3擴(kuò)散系數(shù)及影響擴(kuò)散的因素1.原子跳動(dòng)和擴(kuò)散系數(shù)2.擴(kuò)散激活能原子的激活幾率間隙擴(kuò)散的激活能空位擴(kuò)散的激活能擴(kuò)散激活能的測(cè)量3.柯肯達(dá)爾效應(yīng)與擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力柯肯達(dá)爾效應(yīng)擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力4.影響擴(kuò)散的因素溫度成分晶體結(jié)構(gòu)短路擴(kuò)散元素?cái)U(kuò)散溫度/℃105D/cm2d－1元素?cái)U(kuò)散溫度/℃105D/cm2d－1CAlSiNi9251000110090011509601150120012053100864033170651250.8CrMoWMn11501200130012001280

5.915～70190～46020～1303.2212.6830不同溫度時(shí)各元素在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)2.反應(yīng)擴(kuò)散與應(yīng)用反應(yīng)擴(kuò)散包括兩個(gè)過程，一是在滲入元素滲入到基體的表層，但是還未達(dá)到基體的溶解度之前的擴(kuò)散過程；二是當(dāng)基體的表層達(dá)到溶解度以后發(fā)生相變而形成新相的過程。第9章金屬與合金的固態(tài)相變【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)固態(tài)相變的分類與特征了解固態(tài)相變的分類方法，掌握固態(tài)相變的界面特征一級(jí)相變、二級(jí)相變，擴(kuò)散型、半擴(kuò)散型、非擴(kuò)散型相變，有核相變、無核相變；共格界面、半共界面、非共格界面，界面能、應(yīng)變能、晶體學(xué)位向、晶體缺陷影響固態(tài)相變的形核與晶核長(zhǎng)大過程比較固態(tài)相變與金屬結(jié)晶形核與晶核長(zhǎng)大的異同，掌握非均勻形核形核特點(diǎn)，掌握擴(kuò)散型、半擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型相變晶核長(zhǎng)大特性均勻形核與非均勻形核，晶界形核、位錯(cuò)形核、空位形核，形核率；擴(kuò)散型、非擴(kuò)散型、半擴(kuò)散型晶核長(zhǎng)大，晶核長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)曲線過飽和固溶體的分解轉(zhuǎn)變熟悉過飽和固溶體的固態(tài)相變過程，了解調(diào)幅分解和脫溶轉(zhuǎn)變基本特點(diǎn)調(diào)幅分解；脫溶轉(zhuǎn)變；連續(xù)脫溶、不連續(xù)脫溶馬氏體相變與形狀記憶合金了