第一章 材料中的原子排列

第一節(jié) 原子的結(jié)合方式

2 原子結(jié)合鍵

（1）離子鍵與離子晶體

原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無(wú)方向性和飽和性；

離子晶體；硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差。如氧化物陶瓷。

（2）共價(jià)鍵與原子晶體

原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；

原子晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。如高分子材料。

（3）金屬鍵與金屬晶體

原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無(wú)方向性和飽和性；

金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬。

金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。

（3）分子鍵與分子晶體

原子結(jié)合：電子云偏移，結(jié)合力很小，無(wú)方向性和飽和性。

分子晶體：熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料。

氫鍵：（離子結(jié)合）X-H---Y（氫鍵結(jié)合），有方向性，如O-H—O

（4）混合鍵。如復(fù)合材料。

3 結(jié)合鍵分類

一次鍵（化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵。

二次鍵（物理鍵）：分子鍵和氫鍵。

4 原子的排列方式

（1）晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。長(zhǎng)程有序，各向異性。

（2）非晶體：――――――――――不規(guī)則排列。長(zhǎng)程無(wú)序，各向同性。

第二節(jié) 原子的規(guī)則排列

一 晶體學(xué)基礎(chǔ)

1 空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)

空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。圖1-5

特征：a 原子的理想排列；b 有14種。

其中：

空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)－陣點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。

描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格。

空間點(diǎn)陣中最小的幾何單元稱之為晶胞。

晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團(tuán)按照空間點(diǎn)陣的實(shí)際排列。

特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有無(wú)限多種。

2 晶胞 圖1－6

（1）――－：構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。

（2）選取原則：

a 能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；

b 相等的棱和角的數(shù)目最多；

c 具有盡可能多的直角；

d 體積最小。

形狀和大小

有三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。

晶胞中點(diǎn)的位置表示（坐標(biāo)法）。

3 布拉菲點(diǎn)陣 圖1－7

14種點(diǎn)陣分屬7個(gè)晶系。

4 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向。

晶面：通過(guò)空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平面。

國(guó)際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。

晶向指數(shù)的標(biāo)定

a 建立坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。

b 求坐標(biāo)。u’,v’,w’。

c 化整數(shù)。 u,v,w.

d 加[ ]。[uvw]。

說(shuō)明：

a 指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。

b 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。

c 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用<uvw>表示，數(shù)字相同，但排列順序不同或正負(fù)號(hào)不同的晶向?qū)儆谕痪蜃濉?/p>

晶面指數(shù)的標(biāo)定

a 建立坐標(biāo)系：確定原點(diǎn)（非陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位。

b 量截距：x,y,z。

c 取倒數(shù)：h’,k’,l’。

d 化整數(shù)：h,k,k。

e 加圓括號(hào)：(hkl)。

說(shuō)明：

a 指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；

b 0的意義：面與對(duì)應(yīng)的軸平行；

c 平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號(hào)相反；

d 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用{hkl}表示。

e 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;

f 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l。

（3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

a 六方系指數(shù)標(biāo)定的特殊性：四軸坐標(biāo)系（等價(jià)晶面不具有等價(jià)指數(shù)）。

b 晶面指數(shù)的標(biāo)定

標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)截距)；用四個(gè)數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。

c 晶向指數(shù)的標(biāo)定

標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)坐標(biāo))；用四個(gè)數(shù)字(uvtw)表示；t=-(u+w)。

依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點(diǎn)）。

坐標(biāo)換算法：[UVW]~[uvtw]

u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。

（4）晶帶

a ――：平行于某一晶向直線所有晶面的組合。

晶帶軸 晶帶面

b 性質(zhì)：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面//晶帶軸；

hu+kv+lw=0

c 晶帶定律

凡滿足上式的晶面都屬于以[uvw]為晶帶軸的晶帶。推論：

由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶帶軸[uvw]：

u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。

由兩晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其決定的晶面(hkl)。

H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。

晶面間距

a ――：一組平行晶面中，相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。

b 計(jì)算公式（簡(jiǎn)單立方）：

d=a/(h2+k2+l2)1/2

注意：只適用于簡(jiǎn)單晶胞；對(duì)于面心立方hkl不全為偶、奇數(shù)、體心立方h+k+l=奇數(shù)時(shí)，d(hkl)=d/2。

2 離子晶體的結(jié)構(gòu)

（1）鮑林第一規(guī)則（負(fù)離子配位多面體規(guī)則）：在離子晶體中，正離子周圍形成一個(gè)負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于正負(fù)離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于正負(fù)離子的半徑比。

（2）鮑林第二規(guī)則（電價(jià)規(guī)則含義）：一個(gè)負(fù)離子必定同時(shí)被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。

（3）鮑林第三規(guī)則（棱與面規(guī)則）：在配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 共價(jià)鍵晶體的結(jié)構(gòu)

飽和性：一個(gè)原子的共價(jià)鍵數(shù)為8-N。

方向性：各鍵之間有確定的方位

（配位數(shù)小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）

三 多晶型性

元素的晶體結(jié)構(gòu)隨外界條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。

四 影響原子半徑的因素

溫度與應(yīng)力

結(jié)合鍵的影響

配位數(shù)的影響 （高配位結(jié)構(gòu)向低配位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。

核外電子分布的影響（一周期內(nèi)，隨核外電子數(shù)增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。

第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列

原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。

晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。

（晶體缺陷可分為以下三類。）

點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。

線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。

面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。

一 點(diǎn)缺陷

1 點(diǎn)缺陷的類型 圖1－31

空位：

肖脫基空位－離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。

弗蘭克爾空位－離位原子進(jìn)入晶體間隙。

間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。

置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。

2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度

（1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷－在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低－具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。）

（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度

C=Aexp(-?Ev/kT)

3 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)

點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生

平衡點(diǎn)缺陷：熱振動(dòng)中的能力起伏。

過(guò)飽和點(diǎn)缺陷：外來(lái)作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。

點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)

（遷移、復(fù)合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）

4 點(diǎn)缺陷與材料行為

（1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）

（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）

力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。）

二 線缺陷（位錯(cuò)）

位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排。

意義：（對(duì)材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對(duì)材料的擴(kuò)散、相變過(guò)程有較大影響。）

位錯(cuò)的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與實(shí)測(cè)臨界切應(yīng)力的巨大差異（2～4個(gè)數(shù)量級(jí)）。

1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬(wàn)幾乎同時(shí)提出位錯(cuò)的概念。

1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯(cuò)。

1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用。

1950年，弗蘭克和瑞德同時(shí)提出位錯(cuò)增殖機(jī)制。

之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯(cuò)。

1 位錯(cuò)的基本類型

刃型位錯(cuò)

模型：滑移面/半原子面/位錯(cuò)線 （位錯(cuò)線┻晶體滑移方向，位錯(cuò)線┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向//位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）

分類：正刃型位錯(cuò)（┻）；負(fù)刃型位錯(cuò)（┳）。

螺型位錯(cuò)

模型：滑移面/位錯(cuò)線。（位錯(cuò)線//晶體滑移方向，位錯(cuò)線┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向┻位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）

分類：左螺型位錯(cuò)；右螺型位錯(cuò)。

混合位錯(cuò)

模型：滑移面/位錯(cuò)線。

2 位錯(cuò)的性質(zhì)

形狀：不一定是直線，位錯(cuò)及其畸變區(qū)是一條管道。

是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。

不能中斷于晶體內(nèi)部?？稍诒砻媛额^，或終止于晶界和相界，或與其它位錯(cuò)相交，或自行封閉成環(huán)。

3 柏氏矢量

確定方法 (避開(kāi)嚴(yán)重畸變區(qū))

a 在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。

b 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。

c 在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為――。

柏氏矢量的物理意義

a 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。

b 表示晶體滑移的方向和大小。

c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。

d 判斷位錯(cuò)的類型。

柏氏矢量的表示方法

a 表示: b=a/n[uvw] （可以用矢量加法進(jìn)行運(yùn)算）。

b 求模：/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。

4 位錯(cuò)密度

表示方法：ρ＝K/V

ρ＝n/A

晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（τ-ρ圖）。

位錯(cuò)觀察：浸蝕法、電境法。

5 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

位錯(cuò)的易動(dòng)性。

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方式

a 滑移：位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng)。

刃型位錯(cuò)的滑移：具有唯一的滑移面

螺型位錯(cuò)的滑移：具有多個(gè)滑移面。

位錯(cuò)環(huán)的滑移：注重柏氏矢量的應(yīng)用。

b 攀移：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)制：原子面下端原子的擴(kuò)散――位錯(cuò)隨半原子面的上下移動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)。

分類：正攀移（原子面上移、空位加入）/負(fù)攀移（原子面下移、原子加入）。

應(yīng)力的作用：（半原子面?zhèn)龋簯?yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。

作用在位錯(cuò)上的力（單位距離上）

滑移：f=τb；

攀移：f=σb。

6 位錯(cuò)的應(yīng)變能與線張力

單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能：W=αGb2。

（α＝0.5~1.0, 螺位錯(cuò)取下限，刃位錯(cuò)取上限。）

位錯(cuò)是不平衡的缺陷。

（商增不能抵銷應(yīng)變能的增加。）

位錯(cuò)的線張力：T=αGb2。

保持位錯(cuò)彎曲所需的切應(yīng)力：τ＝Gb/2r。

7 位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)及其與其它缺陷的作用

應(yīng)力場(chǎng)

螺位錯(cuò)：τ＝Gb/2πr。（只有切應(yīng)力分量。）

刃位錯(cuò)：表達(dá)式（式1－9）

晶體中：滑移面以上受壓應(yīng)力，滑移面以下受拉應(yīng)力。

滑移面：只有切應(yīng)力。

位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用

f=τb ，f=－σb （刃位錯(cuò)）。

同號(hào)相互排斥，異號(hào)相互吸引。（達(dá)到能量最低狀態(tài)。）

位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的相互作用

間隙原子聚集于位錯(cuò)中心，使體系處于低能態(tài)。

柯氏氣團(tuán)：溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線附近偏聚的現(xiàn)象。

位錯(cuò)與空位的交互作用

導(dǎo)致位錯(cuò)攀移。

8 位錯(cuò)的增殖、塞積與交割

位錯(cuò)的增殖：F-R源。

位錯(cuò)的塞積

分布：逐步分散。

位錯(cuò)受力：切應(yīng)力作用在位錯(cuò)上的力、位錯(cuò)間的排斥力、障礙物的阻力。

位錯(cuò)的交割

位錯(cuò)交割后結(jié)果：按照對(duì)方位錯(cuò)柏氏矢量（變化方向和大?。?。

割階：位錯(cuò)交割后的臺(tái)階不位于它原來(lái)的滑移面上。

扭折：――――――――位于―――――――――。

對(duì)性能影響：增加位錯(cuò)長(zhǎng)度，產(chǎn)生固定割階。

9 位錯(cuò)反應(yīng)

位錯(cuò)反應(yīng)：位錯(cuò)的分解與合并。

反應(yīng)條件

幾何條件：∑b前=∑b后；反應(yīng)前后位錯(cuò)的柏氏矢量之和相等。

能量條件：∑b2前>∑b2后; 反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前位錯(cuò)的總能量。

10 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)

（1）全位錯(cuò)：通常把柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為全位錯(cuò)或單位位錯(cuò)。

（實(shí)際晶體中的典型全位錯(cuò)如表1－7所示）

（2）不全位錯(cuò)：柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)。

（實(shí)際晶體中的典型不全位錯(cuò)如表1－7所示）

肖克萊和弗蘭克不全位錯(cuò)。

肖克萊不全位錯(cuò)的形成：原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致局部錯(cuò)排，錯(cuò)排區(qū)與完整晶格區(qū)的邊界線即為肖克萊不全位錯(cuò)。（結(jié)合位錯(cuò)反應(yīng)理解。可為刃型、螺型或混合型位錯(cuò)。）

弗蘭克不全位錯(cuò)的形成：在完整晶體中局部抽出或插入一層原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）

堆垛層錯(cuò)與擴(kuò)展位錯(cuò)

堆垛層錯(cuò)：晶體中原子堆垛次序中出現(xiàn)的層狀錯(cuò)排。

擴(kuò)展位錯(cuò)：一對(duì)不全位錯(cuò)及中間夾的層錯(cuò)稱之。

三 面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對(duì)材料的力學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。

1 晶界

晶界：兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。

分類

大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為幾個(gè)原子范圍

內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個(gè)過(guò)渡區(qū)。

小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)列，又分

為對(duì)稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。

亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

孿晶界：兩塊相鄰孿晶的共晶面。分為共格孿晶界和非共格孿晶界。

2 相界

相界：相鄰兩個(gè)相之間的界面。

分類：共格、半共格和非共格相界。

3 表面

表面吸附：外來(lái)原子或氣體分子在表面上富集的現(xiàn)象。

分類

物理吸附：由分子鍵力引起，無(wú)選擇性，吸附熱小，結(jié)合力小。

化學(xué)吸附：由化學(xué)鍵力引起，有選擇性，吸附熱大，結(jié)合力大。

4 界面特性

界面能會(huì)引起界面吸附。

界面上原子擴(kuò)散速度較快。

對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。

易被氧化和腐蝕。

原子的混亂排列利于固態(tài)相變的形核。

第二章 固體中的相結(jié)構(gòu)

合金與相

1 合金

（1）合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。

（2）組元：組成合金最基本的物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金〕

（3）合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。

2 相

（1）相：材料中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一的組成部分。（如單相、兩相、多相合金。）

（2）相的分類

固溶體：晶體結(jié)構(gòu)與其某一組元相同的相。含溶劑和溶質(zhì)。

中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結(jié)構(gòu)與組成組元均不相同的相。

第一節(jié) 固溶體

按溶質(zhì)原子位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。

按固溶度不同，可分為有限固溶體和無(wú)限固溶體。

按溶質(zhì)原子分布不同，可分為無(wú)序固溶體和有序固溶體。

1 置換固溶體

置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。

影響置換固溶體溶解度的因素

a 原子尺寸因素

原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。

△r=(rA-rB)/rA

當(dāng)△r<15%時(shí)，有利于大量互溶。

b 晶體結(jié)構(gòu)因素

結(jié)構(gòu)相同，溶解度大，有可能形成無(wú)限固溶體。

c 電負(fù)性因素

電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，溶解度越大。

d 電子濃度因素

電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有一極限值，與溶劑晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。一價(jià)面心立方金屬為1.36，一價(jià)體心立方金屬為1.48。

（上述四個(gè)因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論。）

2 間隙固溶體

影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。

溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。

3 固溶體的結(jié)構(gòu)

晶格畸變。

偏聚與有序：完全無(wú)序、偏聚、部分有序、完全有序。

4 固溶體的性能

固溶體的強(qiáng)度和硬度高于純組元，塑性則較低。

固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入而引起的強(qiáng)化效應(yīng)。

柯氏氣團(tuán)

有序強(qiáng)化

第二節(jié) 金屬間化合物

中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合物。

1 正常價(jià)化合物

形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價(jià)規(guī)則。

鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。

組成：AB或AB2。

2 電子化合物（電子相）

（1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價(jià)規(guī)則。

（2）鍵型：金屬鍵（金屬－金屬）。

（3）組成：電子濃度對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基的固溶體。

3 間隙化合物

形成：尺寸因素起主要作用。

結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于其間隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

復(fù)雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（3）組成：可用化學(xué)式表示，可形成固溶體，復(fù)雜間隙化合物的金屬元素可被置換。

4 拓?fù)涿芏严?/p>

形成：由大小原子的適當(dāng)配合而形成的高密排結(jié)構(gòu)。

組成：AB2。

5 金屬化合物的特性

力學(xué)性能：高硬度、高硬度、低塑性。

物化性能：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲(chǔ)氫材料等。

第三節(jié) 陶瓷晶體相

1 陶瓷材料簡(jiǎn)介

（1）分類：結(jié)構(gòu)陶瓷（利用其力學(xué)性能）：強(qiáng)度（葉片、活塞）、韌性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。

功能陶瓷（利用其物理性能）

精細(xì)功能陶瓷：導(dǎo)電、氣敏、濕敏、生物、超導(dǎo)陶瓷等。

功能轉(zhuǎn)換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。

結(jié)合鍵：離子鍵、共價(jià)鍵。

硅酸鹽陶瓷：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價(jià)鍵。可用分子式表示

其組成。

2 硅酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分類

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

a 結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價(jià)鍵。硅位于氧四面體的間隙。

b 每個(gè)氧最多被兩個(gè)多面體共有。氧在兩個(gè)四面體之間充當(dāng)橋梁作用，稱為氧橋。

結(jié)構(gòu)分類

a 含有限Si-O團(tuán)的硅酸鹽，包括含孤立Si-O團(tuán)和含成對(duì)或環(huán)狀Si-O團(tuán)兩類。

b 鏈狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成一維結(jié)構(gòu)，又含單鏈和雙鏈兩類。

c 層狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)底面共頂連接成二維結(jié)構(gòu)。

d 骨架狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成三維結(jié)構(gòu)。

第四節(jié) 分子相

1 基本概念

（1）高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。

（2）分類

按相對(duì)分子質(zhì)量：分為低分子聚合物（<5000）和高分子聚合物（>5000）。

按組成物質(zhì)：分為有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)聚合物。

2 化學(xué)組成

（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）

單體：組成高分子化合物的低分子化合物。

鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。

聚合度n：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。

3 高分子化合物的合成

加聚反應(yīng)

a 概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。（其產(chǎn)物為聚合物）

b 組成：與單體相同。反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有副產(chǎn)物。

c 分類

均聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。

共聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)。

縮聚反應(yīng)

a 概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時(shí)析出某種低分子化合物的反應(yīng)。

b 分類

均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。

共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。

4 高分子化合物的分類

按性能與用途：塑料、橡膠、纖維、膠黏劑、涂料等。

按生成反應(yīng)類型：加聚物、縮聚物。

按物質(zhì)的熱行為：熱塑性塑料和熱固性塑料。

5 高分子化合物的結(jié)構(gòu)

高分子鏈結(jié)構(gòu)（鏈內(nèi)結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)結(jié)構(gòu)）

a 化學(xué)組成

b 單體的連接方式

均聚物中單體的連接方式：頭－尾連接、頭－頭或尾－尾相連、無(wú)軌連接。

共聚物中單體的連接方式：

無(wú)軌共聚：ABBABBABA

交替共聚：ABABABAB

嵌段共聚：AAAABBAAAABB

接枝共聚：AAAAAAAAAAA

B B

B B

B B

c 高分子鏈的構(gòu)型（按取代基的位置與排列規(guī)律）

全同立構(gòu)：取代基R全部處于主鏈一側(cè)。

間同立構(gòu)：取代基R相間分布在主鏈兩側(cè)。

無(wú)軌立構(gòu)；取代基R在主鏈兩側(cè)不規(guī)則分布。

d 高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。

高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（鏈間結(jié)構(gòu)、分子間結(jié)構(gòu)）

無(wú)定形結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶型結(jié)構(gòu) （示意圖）

6高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

易呈非晶態(tài)。

彈性模量和強(qiáng)度低。

容易老化。

密度小。

化學(xué)穩(wěn)定性好。

第五節(jié) 玻璃相

1 結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序

連續(xù)無(wú)軌網(wǎng)絡(luò)模型。

無(wú)規(guī)密堆模型。

無(wú)軌則線團(tuán)模型。

2 性能

各向同性。

無(wú)固定熔點(diǎn)。

高強(qiáng)度、高耐蝕性、高導(dǎo)磁率（金屬）。

第三章 凝固與結(jié)晶

凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。

凝固過(guò)程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。

凝固是相變過(guò)程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。

第一節(jié) 材料結(jié)晶的基本規(guī)律

1 液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程有序而短程有序。

特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。

2 過(guò)冷現(xiàn)象

過(guò)冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（見(jiàn)熱分析實(shí)驗(yàn)圖）

過(guò)冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm) 與其實(shí)際溫度之差。

△T=Tm-T (見(jiàn)冷卻曲線)

注：過(guò)冷是凝固的必要條件（凝固過(guò)程總是在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行）。

3 結(jié)晶過(guò)程

結(jié)晶的基本過(guò)程：形核－長(zhǎng)大。（見(jiàn)示意圖）

描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù)

形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。

長(zhǎng)大速度：晶核生長(zhǎng)過(guò)程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離。用G表示。

第二節(jié) 材料結(jié)晶的基本條件

1 熱力學(xué)條件

（1）G-T曲線（圖3－4）

a 是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。

dG/dT=-S

b 是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。

d2G/d2T=-Cp/T

c 液相曲線斜率大于固相：由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。

二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。

（2）熱力學(xué)條件

△Gv=－Lm△T/Tm

a △T>0, △Gv<0－過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件（之一）。

b △T越大, △Gv越小－過(guò)冷度越大，越有利于結(jié)晶。

c △Gv的絕對(duì)值為凝固過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。

2 結(jié)構(gòu)條件

結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。

第三節(jié) 晶核的形成

均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積內(nèi)無(wú)軌則均勻形成。

非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。

1 均勻形核

晶胚形成時(shí)的能量變化

△G＝V△Gv+σS

=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ (圖3－8)

〔2〕臨界晶核

d△G/dr=0

rk=-2σ/△Gv

臨界晶核：半徑為rk的晶胚。

臨界過(guò)冷度

rk=-2σTm/Lm△T

臨界過(guò)冷度：形成臨界晶核時(shí)的過(guò)冷度。△Tk.

△ T≥△Tk是結(jié)晶的必要條件。

（4）形核功與能量起伏

△Gk＝Skσ/3

臨界形核功：形成臨界晶核時(shí)需額外對(duì)形核所做的功。

能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。

（5）形核率與過(guò)冷度的關(guān)系

N=N1.N2 (圖3－11，12)

由于N受N1.N2兩個(gè)因素控制，形核率與過(guò)冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。

2 非均勻形核

模型：外來(lái)物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。

自由能變化：表達(dá)式與均勻形核相同。

臨界形核功

計(jì)算時(shí)利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合平衡關(guān)系σlw=σsw+σslcosθ計(jì)算能量變化和臨界形核功。

△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4

a θ=0時(shí)，△Gk非＝0，雜質(zhì)本身即為晶核；

b 180>θ>0時(shí), △Gk非<△Gk, 雜質(zhì)促進(jìn)形核；

cθ=180時(shí)，△Gk非＝△Gk， 雜質(zhì)不起作用。

影響非均勻形核的因素

a 過(guò)冷度：（N-△T曲線有一下降過(guò)程）。（圖3－16）

b 外來(lái)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：θ越小越有利。點(diǎn)陣匹配原理：結(jié)構(gòu)相似，點(diǎn)陣常數(shù)相近。

c 外來(lái)物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）

第四節(jié) 晶核的長(zhǎng)大

1 晶核長(zhǎng)大的條件

動(dòng)態(tài)過(guò)冷

動(dòng)態(tài)過(guò)冷度：晶核長(zhǎng)大所需的界面過(guò)冷度。（是材料凝固的必要條件）

足夠的溫度

合適的晶核表面結(jié)構(gòu)。

2 液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長(zhǎng)大機(jī)制

粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金從來(lái)可的界面）：垂直長(zhǎng)大。

光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙－無(wú)機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：二維晶核長(zhǎng)大、依靠缺陷長(zhǎng)大。

3 液體中溫度梯度與晶體的長(zhǎng)大形態(tài)

正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高）

粗糙界面：平面狀。

光滑界面：臺(tái)階狀。

（2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低）

粗糙界面：樹(shù)枝狀。

光滑界面：樹(shù)枝狀－臺(tái)階狀。

第五節(jié) 凝固理論的應(yīng)用

1 材料鑄態(tài)晶粒度的控制

Zv=0.9(N/G)3/4

提高過(guò)冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導(dǎo)熱能力，適用于小件。

化學(xué)變質(zhì)處理。促進(jìn)異質(zhì)形核，阻礙晶粒長(zhǎng)大。

振動(dòng)和攪拌。輸入能力，破碎枝晶。

2 單晶體到額制備

基本原理：保證一個(gè)晶核形成并長(zhǎng)大。

制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。

3 定向凝固技術(shù)

原理：?jiǎn)我环较蛏岖@得柱狀晶。

制備方法。

4 急冷凝固技術(shù)

非晶金屬與合金

微晶合金。

準(zhǔn)晶合金。

第四章 二元相圖

相：（概念回顧）

相圖：描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的圖解。

二元相圖：

第一節(jié) 相圖的基本知識(shí)

1 相律

相律：熱力學(xué)平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。

表達(dá)式：f=c-p+2; 壓力一定時(shí)，f=c-p+1。

應(yīng)用

可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個(gè)，二元系3個(gè)。

可以解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶恒溫進(jìn)行，二元合金變溫進(jìn)行。

2 相圖的表示與建立

狀態(tài)與成分表示法

狀態(tài)表示：溫度－成分坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的點(diǎn)－表象點(diǎn)。

成分表示：質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。

相圖的建立

方法：實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算法。

過(guò)程：配制合金－測(cè)冷卻曲線－確定轉(zhuǎn)變溫度－填入坐標(biāo)－繪出曲線。

相圖結(jié)構(gòu)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。

3 杠桿定律

平衡相成分的確定（根據(jù)相率，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）

數(shù)值確定：直接測(cè)量計(jì)算或投影到成分軸測(cè)量計(jì)算。

注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)（支點(diǎn)和端點(diǎn)）要選準(zhǔn)。

第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D

1 勻晶相同及其分析

勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。

勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。

相圖分析（以Cu-Ni相圖為例）

兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；

兩線：L, S相線；

三區(qū)：L, α, L+α。

2 固溶體合金的平衡結(jié)晶

平衡結(jié)晶：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過(guò)程。

平衡結(jié)晶過(guò)程分析

① 冷卻曲線：溫度－時(shí)間曲線；

② 相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應(yīng)式，杠桿定律應(yīng)用。）；

③ 組織示意圖；

④ 成分均勻化：每時(shí)刻結(jié)晶出的固溶體的成分不同。

與純金屬結(jié)晶的比較

相同點(diǎn)：基本過(guò)程：形核－長(zhǎng)大；

熱力學(xué)條件：⊿T>0；

能量條件：能量起伏；

結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。

② 不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相率分析，必要性：成分均勻化。）

合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。

3 固溶體的不平衡結(jié)晶

原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。

結(jié)晶過(guò)程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化（但每一時(shí)刻符合相圖）；

結(jié)晶的溫度范圍增大；

組織多為樹(shù)枝狀。

成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。

枝晶偏析：樹(shù)枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫。）

4 穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)的溶質(zhì)分布

（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質(zhì)速度等于溶質(zhì)從邊界層擴(kuò)散出去速度的凝固過(guò)程。

（2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。

k0=Cs/Cl

（3）溶質(zhì)分布：液、固相內(nèi)溶質(zhì)完全混合（平衡凝固）－a;

固相不混合、液相完全混合－b;

固相不混合、液相完全不混合－c；

固相不混合、液相部分混合－d。

區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用）

5 成分過(guò)冷及其對(duì)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響

成分過(guò)冷：由成分變化與實(shí)際溫度分布共同決定的過(guò)冷。

形成：界面溶質(zhì)濃度從高到低－液相線溫度從低到高。

（圖示：溶質(zhì)分布曲線－勻晶相圖－液相線溫度分布曲線－實(shí)際溫度分布曲線－成分過(guò)冷區(qū)。）

（3）成分過(guò)冷形成的條件和影響因素

條件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0

合金固有參數(shù)：m, k0;

實(shí)驗(yàn)可控參數(shù)：G, R。

（4）成分過(guò)冷對(duì)生長(zhǎng)形態(tài)的影響

（正溫度梯度下）G越大，成分過(guò)冷越大－生長(zhǎng)形態(tài)：平面狀－胞狀－樹(shù)枝狀。

第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固

共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定成分固相的轉(zhuǎn)變。

共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。

（液態(tài)無(wú)限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。

共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）

1 相圖分析（相圖三要素）

點(diǎn)：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶點(diǎn)（是亞共晶、過(guò)共晶成分分界點(diǎn)）等。

線：結(jié)晶開(kāi)始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。

區(qū)：3個(gè)單相區(qū)；3個(gè)兩相區(qū)；1個(gè)三相區(qū)。

2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）

Wsn<19％的合金

① 凝固過(guò)程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。

② 二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。

③ 室溫組織（α＋βⅡ）及其相對(duì)量計(jì)算。

共晶合金

① 凝固過(guò)程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。

共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算。

室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對(duì)量計(jì)算。

亞共晶合金

① 凝固過(guò)程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。

② 共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算。

③ 室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對(duì)量計(jì)算。

組織組成物與組織圖

組織組成物：組成材料顯微組織的各個(gè)不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。

組織圖：用組織組成物填寫的相圖。

3 不平衡結(jié)晶及其組織

偽共晶

① 偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。

② 形成原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶點(diǎn)附近。

③ 不平衡組織

由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。

共晶成分的合金得到的亞、過(guò)共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）

不平衡共晶

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。

原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點(diǎn)附件。

離異共晶

離異共晶：兩相分離的共晶組織。

形成原因

平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點(diǎn)附近。

不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點(diǎn)附。

消除：擴(kuò)散退火。

4 共晶組織的形成

共晶體的形成

成分互惠－交替形核 片間搭橋－促進(jìn)生長(zhǎng)

兩相交替分布

共晶組織

共晶體的形態(tài)

粗糙－粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相）

粗糙－平滑界面：具有不規(guī)則或復(fù)雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結(jié)構(gòu)不同）

所需動(dòng)態(tài)過(guò)冷度不同，金屬相任意長(zhǎng)大，另一相在其間隙長(zhǎng)大?？傻玫角驙?、針狀、花朵狀、樹(shù)枝狀共晶體。

非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過(guò)冷，率先長(zhǎng)大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。

初生晶的形態(tài)：

金屬固溶體：粗糙界面－樹(shù)枝狀；非金屬相：平滑界面－規(guī)則多面體。

第四節(jié) 二元包晶相圖

包晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)特定成分的固相和液相生成另一個(gè)特點(diǎn)成分固相的轉(zhuǎn)變。

包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。

1 相圖分析

點(diǎn)、線、區(qū)。

2 平衡結(jié)晶過(guò)程及其組織

包晶合金的結(jié)晶

結(jié)晶過(guò)程：包晶線以下，L, α對(duì)β過(guò)飽和－界面生成β－三相間存在濃度梯度－擴(kuò)散－β長(zhǎng)大－全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆?/p>

室溫組織：β或β＋αⅡ。

成分在C-D之間合金的結(jié)晶

結(jié)晶過(guò)程：α剩余；

室溫組織：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。

3 不平衡結(jié)晶及其組織

異常α相導(dǎo)致包晶偏析〔包晶轉(zhuǎn)變要經(jīng)β擴(kuò)散。包晶偏析：因包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而導(dǎo)致的成分不均勻現(xiàn)象?！?/p>

異常β相由不平衡包晶轉(zhuǎn)變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點(diǎn)附件。

4 包晶轉(zhuǎn)變的應(yīng)用

組織設(shè)計(jì)：如軸承合金需要的軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)的組織。

晶粒細(xì)化。

第五節(jié) 其它類型的二元相圖

自學(xué)內(nèi)容

第六節(jié) 鐵碳合金相圖

一 二元相圖的分析和使用

二元相圖中的幾何規(guī)律

①相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點(diǎn)接觸除外）－相區(qū)接觸法則；

②三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點(diǎn)是平衡相的成分點(diǎn)。

③若兩個(gè)三相區(qū)中有2個(gè)相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)。

④單相區(qū)邊界線的延長(zhǎng)線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)。

相圖分析步驟

①以穩(wěn)定的化合物分割相圖；

②確定各點(diǎn)、線、區(qū)的意義；

③分析具體合金的結(jié)晶過(guò)程及其組織變化

注：虛線、點(diǎn)劃線的意義－尚未準(zhǔn)確確定的數(shù)據(jù)、磁學(xué)轉(zhuǎn)變線、有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變線。

相圖與合金性能的關(guān)系

根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能

根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能

鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離X

X越大，成分偏析越嚴(yán)重（因?yàn)橐汗滔喑煞植顒e大）；

X越大，流動(dòng)性越差（因?yàn)橹Оl(fā)達(dá)）；

X越大，熱裂傾向越大（因?yàn)橐汗虄上喙泊娴臏貐^(qū)大）。

塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。

熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。

二 鐵－碳合金相圖

1組元和相

（1）組元：鐵－石墨相圖：Fe,C;

鐵－滲碳體相圖：Fe-Fe3C。

相：L, δ, A(γ), F(α), Fe3C(K)。（其定義）

2相圖分析

點(diǎn)：16個(gè)。

線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線：GS,ES,PQ。

區(qū)：5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，3個(gè)三相區(qū)。

相圖標(biāo)注：相組成物標(biāo)注的相圖。

組織組成物標(biāo)注的相圖。

3 合金分類：工業(yè)純鈦（C%<0.0218%）、碳鋼（0.0218<C%<2.11%）、鑄鐵

（C%>2.11%）

4平衡結(jié)晶過(guò)程及其組織

典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過(guò)程、組織變化、室溫組織及其相對(duì)量計(jì)算。

重要問(wèn)題：Fe3CⅠ, Fe3CⅡ, Fe3CⅢ 的意義及其最大含量計(jì)算。

Ld-Ld`轉(zhuǎn)變。

二次杠桿的應(yīng)用。

5 含碳量對(duì)平衡組織和性能的影響

對(duì)平衡組織的影響（隨C%提高）

組織：α＋Fe3CⅢ Ld`＋Fe3CⅠ；

相：α減少，F(xiàn)e3C增多；

Fe3C形態(tài)：Fe3CⅢ（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀） 共析Fe3C（層片狀） Fe3CⅡ（網(wǎng)狀） 共晶Fe3C（基體） Fe3CⅠ（粗大片狀）。

對(duì)力學(xué)性能的影響

強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性下降。

對(duì)工藝性能的影響

適合鍛造：C%<2.11%，可得到單相組織。

適合鑄造：C%～4.3%。，流動(dòng)性好。

適合冷塑變：C%<0.25%，變形阻力小。

適合熱處理：0.0218~2.11，有固態(tài)相變。

第七節(jié) 相圖的熱力學(xué)解釋

圖示講解

第八節(jié) 鑄錠組織及其控制

1 鑄錠組織

鑄錠三區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)。

組織控制：受澆鑄溫度、冷卻速度、化學(xué)成分、變質(zhì)處理、機(jī)械振動(dòng)與攪拌等因素影響。

2 鑄錠缺陷

微觀偏析

宏觀偏析

正偏析

反偏析

比重偏析

夾雜與氣孔

夾雜：外來(lái)夾雜和內(nèi)生夾雜。

氣孔：析出型和反應(yīng)型。

縮孔和疏松

形成：凝固時(shí)體積縮小－補(bǔ)縮不足－形成縮孔。

分類：集中縮孔（縮孔、縮管）和分散縮孔（疏松，枝晶骨架相遇，封閉液體，造成補(bǔ)縮困難形成。）

第五章 三元相圖

第一節(jié) 總論

1 三元相圖的主要特點(diǎn)

是立體圖形，主要由曲面構(gòu)成；

可發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變；

一、二、三相區(qū)為一空間。

2 成分表示法－成分三角形（等邊、等腰、直角三角形）

已知點(diǎn)確定成分；

已知成分確定點(diǎn)。

3 成分三角形中特殊的點(diǎn)和線

三個(gè)頂點(diǎn)：代表三個(gè)純組元；

三個(gè)邊上的點(diǎn)：二元系合金的成分點(diǎn)；

平行于某條邊的直線：其上合金所含由此邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元的含量一定。

通過(guò)某一頂點(diǎn)的直線：其上合金所含由另兩個(gè)頂點(diǎn)所代表的兩組元的比值恒定。

4 平衡轉(zhuǎn)變的類型

（1）共晶轉(zhuǎn)變：L0 T αa+βb+γc;

（2）包晶轉(zhuǎn)變：L0＋αa+βb T γc;

包共晶轉(zhuǎn)變：L0＋αa T βb+γc;

還有偏共晶、共析、包析、包共析轉(zhuǎn)變等。

5 共線法則與杠桿定律

共線法則：在一定溫度下，三元合金兩相平衡時(shí)，合金的成分點(diǎn)和兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)必然位于成分三角形的同一條直線上。（由相率可知，此時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)自由度，表示一個(gè)相的成分可以獨(dú)立改變，另一相的成分隨之改變。）

杠桿定律：用法與二元相同。

兩條推論

給定合金在一定溫度下處于兩相平衡時(shí)，若其中一個(gè)相的成分給定，另一個(gè)相的成分點(diǎn)必然位于已知成分點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上。

若兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)已知，合金的成分點(diǎn)必然位于兩個(gè)已知成分點(diǎn)的連線上。

6 重心定律

在一定溫度下，三元合金三相平衡時(shí)，合金的成分點(diǎn)為三個(gè)平衡相的成分點(diǎn)組成的三角形的質(zhì)量重心。（由相率可知，此時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)自由度，溫度一定時(shí)，三個(gè)平衡相的成分是確定的。）

平衡相含量的計(jì)算：所計(jì)算相的成分點(diǎn)、合金成分點(diǎn)和二者連線的延長(zhǎng)線與對(duì)邊的交點(diǎn)組成一個(gè)杠桿。合金成分點(diǎn)為支點(diǎn)。計(jì)算方法同杠桿定律。

第二節(jié) 三元?jiǎng)蚓鄨D

1 相圖分析

點(diǎn)：Ta, Tb, Tc-三個(gè)純組元的熔點(diǎn)；

面：液相面、固相面；

區(qū)：L, α, L+α。

2 三元固溶體合金的結(jié)晶規(guī)律

液相成分沿液相面、固相成分沿固相面，呈蝶形規(guī)律變化。

（立體圖不實(shí)用）

3 等溫界面（水平截面）

做法：某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。

截面圖分析

3個(gè)相區(qū)：L, α, L+α;

2條相線：L1L2, S1S2（共軛曲線）;

若干連接線：可作為計(jì)算相對(duì)量的杠桿（偏向低熔

點(diǎn)組元；可用合金成分點(diǎn)與頂點(diǎn)的連線近似代替）。

4 變溫截面（垂直截面）

做法：某一垂直平面與相圖中各面的交線。

二種常用變溫截面 經(jīng)平行于某條邊的直線做垂直面獲得；

經(jīng)通過(guò)某一頂點(diǎn)的直線做垂直面獲得。

結(jié)晶過(guò)程分析

成分軸的兩端不一定是純組元；

注意 液、固相線不一定相交；

不能運(yùn)用杠桿定律（液、固相線不是成分變化線）。

5 投影圖

等溫線投影圖：可確定合金結(jié)晶開(kāi)始、結(jié)束溫度。

全方位投影圖：勻晶相圖不必要。

第三節(jié) 三元共晶相圖

一 組元在固態(tài)互不相溶的共晶相圖

相圖分析 點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶點(diǎn)。

兩相共晶線

液相面交線

線：EnE 兩相共晶面交線

液相單變量線

液相區(qū)與兩相共晶面交線

液相面

固相面

面： 兩相共晶面

三元共晶面

兩相區(qū)：3個(gè)

區(qū)： 單相區(qū)：4個(gè)

三相區(qū)：4個(gè)

四相區(qū)：1個(gè)

等溫截面

應(yīng)用：可確定平衡相及其成分；可運(yùn)用杠桿定律和重心定律。

是直邊三角形

三相平衡區(qū) 兩相區(qū)與之線接 （水平截面與棱柱面交線）

單相區(qū)與之點(diǎn)接 （水平截面與棱邊的交點(diǎn)，表示三

個(gè)平衡相成分。）

變溫截面

應(yīng)用：分析合金結(jié)晶過(guò)程，確定組織變化

局限性：不能分析成分變化。（成分在單變量線上，不在垂直截面上）

合金結(jié)晶過(guò)程分析；

（4）投影圖 相組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）

組織組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）

二 組元在固態(tài)有限溶解的共晶相圖

（1）相圖分析

點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶點(diǎn)。

兩相共晶線

液相面交線

線：EnE 兩相共晶面交線

液相單變量線

液相區(qū)與兩相共晶面交線

固相單變量線

液相面

固相面：由勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)束面、兩相共晶結(jié)束面、三相共晶結(jié)束面組成。

面： 兩相共晶面

三元共晶面

溶解度曲面：6個(gè)

兩相區(qū)：6個(gè)

區(qū)： 單相區(qū)：4個(gè)

三相區(qū)：4個(gè)

四相區(qū)：1個(gè)

（2）等溫截面

應(yīng)用：可確定平衡相及其成分；可運(yùn)用杠桿定律和重心定律。

是直邊三角形

三相平衡區(qū) 兩相區(qū)與之線接 （水平截面與棱柱面交線）

單相區(qū)與之點(diǎn)接 （水平截面與棱邊的交點(diǎn)，表示三

個(gè)平衡相成分。）

相率相區(qū)的相數(shù)差1；

相區(qū)接觸法則：?jiǎn)蜗鄥^(qū)/兩相區(qū)曲線相接；

兩相區(qū)/三相區(qū)直線相接。

變溫截面

3個(gè)三相區(qū)

共晶相圖特征：水平線

1個(gè)三相區(qū)

三相共晶區(qū)特征：曲邊三角形。

應(yīng)用：分析合金結(jié)晶過(guò)程，確定組織變化

局限性：不能分析成分變化。（成分在單變量線上，不在垂直截面上）

合金結(jié)晶過(guò)程分析；

（4）投影圖 相組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）

組織組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）

第四節(jié) 三元相圖總結(jié)

立體圖：共軛曲面。

1 兩相平衡

等溫圖：兩條曲線。

立體圖：三棱柱，棱邊是三個(gè)平衡相單變量線。

2 三相平衡 等溫圖：直邊三角形，頂點(diǎn)是平衡相成分點(diǎn)。

垂直截面：曲邊三角形，頂點(diǎn)不代表成分

根據(jù)參加反應(yīng)相：后生成。

包、共晶轉(zhuǎn)變判斷 根據(jù)居中單相區(qū)：上共下包。

3 四相平衡

立體圖中的四相平衡

共晶轉(zhuǎn)變

類型： 包共晶轉(zhuǎn)變

包晶轉(zhuǎn)變

與4個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸；

相區(qū)鄰接（四相平衡面） 與6個(gè)兩相區(qū)線接觸；

與4個(gè)三相區(qū)面接觸。

共晶轉(zhuǎn)變：上3下1（三相區(qū)）；

反應(yīng)類型判斷（以四相平衡面為界） 包共晶轉(zhuǎn)變：上2下2；

包晶轉(zhuǎn)變：上1下3。

變溫截面中的四相平衡

四相平衡區(qū)：上下都有三相區(qū)鄰接。

條件：鄰接三相區(qū)達(dá)4時(shí)；

判斷轉(zhuǎn)變類型 類型：共晶、包共晶、包晶。

投影圖中的四相平衡

根據(jù)12根單變量判斷；

根據(jù)液相單變量判斷

共晶轉(zhuǎn)變 包共晶轉(zhuǎn)變 包晶轉(zhuǎn)變

4 相區(qū)接觸法則

相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（各種截面圖適用）。

5 應(yīng)用舉例

第六章 固體中的擴(kuò)散

第一節(jié) 概述

1 擴(kuò)散的現(xiàn)象與本質(zhì)

擴(kuò)散：熱激活的原子通過(guò)自身的熱振動(dòng)克服束縛而遷移它處的過(guò)程。

現(xiàn)象：柯肯達(dá)爾效應(yīng)。

本質(zhì)：原子無(wú)序躍遷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（不是原子的定向移動(dòng)）。

2 擴(kuò)散的分類

根據(jù)有無(wú)濃度變化

自擴(kuò)散：原子經(jīng)由自己元素的晶體點(diǎn)陣而遷移的擴(kuò)散。（如純金屬或 固溶體的晶粒長(zhǎng)大。無(wú)濃度變化。）

互擴(kuò)散：原子通過(guò)進(jìn)入對(duì)方元素晶體點(diǎn)陣而導(dǎo)致的擴(kuò)散。（有濃度變化）

根據(jù)擴(kuò)散方向

下坡擴(kuò)散：原子由高濃度處向低濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散。

上坡擴(kuò)散：原子由低濃度處向高濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散。

根據(jù)是否出現(xiàn)新相

原子擴(kuò)散：擴(kuò)散過(guò)程中不出現(xiàn)新相。

反應(yīng)擴(kuò)散：由之導(dǎo)致形成一種新相的擴(kuò)散。

3 固態(tài)擴(kuò)散的條件

溫度足夠高；

時(shí)間足夠長(zhǎng)；

擴(kuò)散原子能固溶；

具有驅(qū)動(dòng)力：化學(xué)位梯度。

第二節(jié) 擴(kuò)散定律

1 菲克第一定律

（1）第一定律描述：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的某一單位面積截面的擴(kuò)散物質(zhì)流量（擴(kuò)散通量J）與濃度梯度成正比。

（2）表達(dá)式：J=-D(dc/dx)。（C－溶質(zhì)原子濃度；D-擴(kuò)散系數(shù)。）

（3）適用條件：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，dc/dt=0。濃度及濃度梯度不隨時(shí)間改變。

2 菲克第二定律

一般：?C/?t=?(D?C/?x)/ ?x

二維：

（1）表達(dá)式 特殊：?C/?t=D?2C/?x2

三維： ?C/?t=D(?2/?x2+?2/?y2+?2/?z2)C

穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：?C/?t=0，?J/?x=0。

（2）適用條件：

非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：?C/?t≠0，?J/?x≠0（?C/?t=－?J/?x）。

3 擴(kuò)散第二定律的應(yīng)用

誤差函數(shù)解

適用條件：無(wú)限長(zhǎng)棒和半無(wú)限長(zhǎng)棒。

表達(dá)式：C=C1－(C1-C2)erf(x/2√Dt) (半無(wú)限長(zhǎng)棒)。

在滲碳條件下：C:x,t處的濃度；C1:表面含碳量;C2:鋼的原始含碳量。

正弦解

Cx=Cp-A0sin(πx/λ)

Cp:平均成分；A0：振幅Cmax- Cp；λ:枝晶間距的一半。

對(duì)于均勻化退火，若要求枝晶中心成分偏析振幅降低到1/100,則：

[C(λ/2,t)- Cp]/( Cmax- Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。

第三節(jié) 擴(kuò)散的微觀機(jī)理與現(xiàn)象

1 擴(kuò)散機(jī)制

間隙－間隙；

（1）間隙機(jī)制 平衡位置－間隙－間隙：較困難；

間隙－篡位－結(jié)點(diǎn)位置。

（間隙固溶體中間隙原子的擴(kuò)散機(jī)制。）

方式：原子躍遷到與之相鄰的空位；

（2）空位機(jī)制 條件：原子近旁存在空位。

（金屬和置換固溶體中原子的擴(kuò)散。）

直接換位

換位機(jī)制

環(huán)形換位

（所需能量較高。）

2 擴(kuò)散程度的描述

原子躍遷的距離

R=√Гt r

R: 擴(kuò)散距離；Г：原子躍遷的頻率（在一定溫度下恒定）；r:原子一次躍遷距離（如一個(gè)原子間距）。

擴(kuò)散系數(shù)

D=α2PГ

對(duì)于立方結(jié)構(gòu)晶體P=1/6, 上式可寫為

D=α2Г/6

P為躍遷方向幾率；α是常數(shù)，對(duì)于簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)α＝a; 對(duì)于面向立方結(jié)構(gòu)α＝√2a/2; α＝√3a/2。

擴(kuò)散激活能

擴(kuò)散激活能Q：原子躍遷時(shí)所需克服周圍原子對(duì)其束縛的勢(shì)壘。

間隙擴(kuò)散擴(kuò)散激活能與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系

D=D0exp(-Q/RT)

D0：擴(kuò)散常數(shù)。

空位擴(kuò)散激活能與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系

D=D0exp(-△E/kT)

△E=△Ef(空位形成功)+△Em（空位遷移激活能）。

3擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力與上坡擴(kuò)散

（1）擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力

對(duì)于多元體系，設(shè)n為組元i的原子數(shù)，則在等溫等壓條件下，組元i原子的自由能可用化學(xué)位表示：

μi=?G/?ni

擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力為化學(xué)位梯度，即

F=-?μi /?x

負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力指向化學(xué)位降低的方向。

（2）擴(kuò)散的熱力學(xué)因子

組元i的擴(kuò)散系數(shù)可表示為

Di=KTBi(1+? lngi/? lnxi)

其中，(1+? lngi/? lnxi)稱為熱力學(xué)因子。當(dāng)(1+? lngi/? lnxi)<0時(shí)，DI<0,發(fā)生上坡擴(kuò)散。

（3）上坡擴(kuò)散

概念：原子由低濃度處向高濃度處遷移的擴(kuò)散。

驅(qū)動(dòng)力：化學(xué)位梯度。

其它引起上坡擴(kuò)散的因素：

彈性應(yīng)力的作用－大直徑原子跑向點(diǎn)陣的受拉部分，小直徑原子跑向點(diǎn)陣的受壓部分。

晶界的內(nèi)吸附：某些原子易富集在晶界上。

電場(chǎng)作用：大電場(chǎng)作用可使原子按一定方向擴(kuò)散。

4 反應(yīng)擴(kuò)散

反應(yīng)擴(kuò)散：有新相生成的擴(kuò)散過(guò)程。

相分布規(guī)律：二元擴(kuò)散偶中不存在兩相區(qū)，只能形成不同的單相區(qū)；

三元擴(kuò)散偶中可以存在兩相區(qū)，不能形成三相區(qū)。

第四節(jié) 影響擴(kuò)散的主要因素

1 溫度

D=D0exp(-Q/RT)

可以看出，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大。

2 原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)

原子鍵力越強(qiáng)，擴(kuò)散激活能越高；致密度低的結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散系數(shù)大（舉例：滲碳選擇在奧氏體區(qū)進(jìn)行）；在對(duì)稱性低的結(jié)構(gòu)中，可出現(xiàn)明顯的擴(kuò)散各向異性。

3 固溶體類型和組元濃度的影響

間隙擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散激活能低于置換型擴(kuò)散；提高組元濃度可提高擴(kuò)散系數(shù)。

4 晶體缺陷的影響

（缺陷能量較高，擴(kuò)散激活能?。?/p>

空位是空位擴(kuò)散機(jī)制的必要條件；

位錯(cuò)是空隙管道，低溫下對(duì)擴(kuò)散起重要促進(jìn)作用；

界面擴(kuò)散－（短路擴(kuò)散）：原子界面處的快速擴(kuò)散。

如對(duì)銀：Q表面=Q晶界/2=Q晶內(nèi)/3

5 第三組元的影響

如在鋼中加入合金元素對(duì)碳在g中擴(kuò)散的影響。

強(qiáng)碳化物形成元素，如W, Mo, Cr,與碳親和力大，能顯著組織碳的擴(kuò)散；

弱碳化物形成元素，如Mn，對(duì)碳的擴(kuò)散影響不大；

固溶元素，如Co, Ni, 提高碳的擴(kuò)散系數(shù)；Si降低碳的擴(kuò)散系數(shù)。

第七章 塑性變形

第一節(jié) 單晶體的塑性變形

常溫下塑性變形的主要方式：滑移和孿生。

一 滑移

1滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。

光鏡下：滑移帶（無(wú)重現(xiàn)性）。

2滑移的表象學(xué)

電境下：滑移線。

3 滑移的晶體學(xué)

滑移面 （密排面）

（1）幾何要素

滑移方向（密排方向）

（2）滑移系

滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。

滑移系的個(gè)數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù)）×（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）

典型滑移系

晶體結(jié)構(gòu)

滑移面

滑移方向

滑移系數(shù)目

常見(jiàn)金屬

面心立方

{111}×4

<110>×3

12

Cu,Al,Ni,Au

{110}×6

×2

12

Fe,W,Mo

體心立方

{121}×12

<111> ×1

12

Fe,W

{123}×24

×1

24

Fe

{0001}×1

×3

3

Mg,Zn,Ti

密排六方

{1010}

<1120>

3

Mg,Zr,Ti

{1011}

6

Mg,Ti

一般滑移系越多，塑性越好；

滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系： 與滑移面密排程度和滑移方向個(gè)數(shù)有關(guān)；

與同時(shí)開(kāi)動(dòng)滑移系數(shù)目有關(guān)（tc）。

（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（tc）

tc：在滑移面上沿滑移方面開(kāi)始滑移的最小分切應(yīng)力。

外力在滑移方向上的分解。

tc取決于金屬的本性，不受j，l的影響；

j或l＝90°時(shí)，ss ￥；

tc＝sscosjcosl ss的取值 j，l＝45°時(shí)，ss最小，晶體易滑移；

軟取向：值大；

取向因子：cosjcosl 硬取向：值小。

（4）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力

派－納力：tP-N=[2pG/(1-v)]exp{-2pa/[(1-v)b]}

主要取決于位錯(cuò)寬度、結(jié)合鍵本性和晶體結(jié)構(gòu)。

4 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)

（1）位向和晶面的變化 拉伸時(shí),滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向

（力軸方向不變） 壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。

幾何硬化：j，l遠(yuǎn)離45°，滑移變得困難；

（2）取向因子的變化

幾何軟化；j，l接近45°，滑移變得容易。

5 多滑移

多滑移：在多個(gè)（>2）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。

滑移的分類 雙滑移：

單滑移：

（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。

6 交滑移

（1）交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。

螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過(guò)程；

機(jī)制 螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過(guò)程。

單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙В?/p>

（3）滑移的表面痕跡 多滑移：相互交叉的滑移帶；

交滑移：波紋狀的滑移帶。

二 孿生

（1）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。

孿生面 A1{111}, A2{112}, A3{1012}

（2）孿生的晶體學(xué) 孿生方向 A1<112>,A2<111>, A3<1011>

孿晶區(qū)

（3）孿生變形的特點(diǎn)

滑移

孿生

相同點(diǎn)

1 均勻切變；2 沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；不改變結(jié)構(gòu)。

不

同

點(diǎn)

晶體位向

不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）。

改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）

位移量

滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。

小于孿生方向上的原子間距，較小。

對(duì)塑變的貢獻(xiàn)

很大，總變形量大。

有限，總變形量小。

變形應(yīng)力

有一定的臨界分切壓力

所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移

變形條件

一般先發(fā)生滑移

滑移困難時(shí)發(fā)生

變形機(jī)制

全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果

分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果

第二節(jié) 多晶體的塑性變形

1 晶粒之間變形的傳播

位錯(cuò)在晶界塞積 應(yīng)力集中 相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng) 相鄰晶粒變形 塑變

2 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性

原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。

要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）

條件：獨(dú)立滑移系35個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）

3 晶界對(duì)變形的阻礙作用

晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。

晶界對(duì)變形的影響：滑移、孿生多終止于晶界，極少穿過(guò)。

晶粒大小與性能的關(guān)系

a 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：由下列霍爾－配奇公式可知)

ss=s0+kd-1/2

原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中

導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變

形量，表現(xiàn)出高塑性。

b 晶粒越細(xì)，塑韌性提高

細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易

萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂

過(guò)程中可吸收較多能量,表現(xiàn)出高韌性。

第三節(jié) 合金的塑性變形

一 固溶體的塑性變形

1 固溶體的結(jié)構(gòu)

2 固溶強(qiáng)化

（1）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。

晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；

（2）強(qiáng)化機(jī)制

柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。

（3）屈服和應(yīng)變時(shí)效

現(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）。

預(yù)變形和時(shí)效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或200℃加熱后再加載出現(xiàn)屈服。

原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。

固溶強(qiáng)化的影響因素

溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好；

溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；

…………………價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；

間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。

二 多相合金的塑性變形

1 結(jié)構(gòu)：基體＋第二相。

2 性能

兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。

軟基體＋硬第二相

第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）；

a結(jié)構(gòu) 兩相呈層片狀分布（珠光體）；

第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。

彌散強(qiáng)化：位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子(粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng))

b強(qiáng)化

沉淀強(qiáng)化：位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）

第四節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

一 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

晶粒拉長(zhǎng);

1 形成纖維組織

雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。

2 形成形變織構(gòu)

（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）

（2）常見(jiàn)類型 板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主

變形方向。（軋制時(shí)形成）

力學(xué)性能：利：深沖板材變形控制；弊：制耳。

（3）對(duì)性能的影響：各向異性

物理性能：硅鋼片<100>織構(gòu)可減少鐵損。

3 形成位錯(cuò)胞

變形量 位錯(cuò)纏結(jié) 位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。）

二 對(duì)性能的影響

1對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。

強(qiáng)化金屬的重要途徑；

利 提高材料使用安全性；

（2）利弊 材料加工成型的保證。

弊 變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大；

脆斷危險(xiǎn)性提高。

2 對(duì)物理、化學(xué)性能的影響

導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；

結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快；

化學(xué)活性提高，腐蝕加快。

三 殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類殘余應(yīng)力（sⅠ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物體變形不均勻引起。

1 分類 第二類殘余應(yīng)力（sⅡ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變形不均勻引起。

第三類殘余應(yīng)力（sⅢ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空位等引起。80-90%。

利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車板簧的生產(chǎn)。

2 利弊

弊：引起變形、開(kāi)裂，如黃銅彈殼的腐蝕開(kāi)裂。

3 消除：去應(yīng)力退火。

第八章 回復(fù)與再結(jié)晶

第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化

一 回復(fù)與再結(jié)晶

回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。

再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過(guò)程。

二 顯微組織變化（示意圖）

回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無(wú)可見(jiàn)變化；

再結(jié)晶階段：變形晶粒通過(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o(wú)畸變的等軸晶粒。

晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。

三 性能變化

1 力學(xué)性能（示意圖）

回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。

再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。

晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高，粗化嚴(yán)重時(shí)下降。

2 物理性能

密度：在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；

電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。

四 儲(chǔ)存能變化（示意圖）

1 儲(chǔ)存能：存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分（～10％）變形功。

彈性應(yīng)變能（3～12％）

2 存在形式 位錯(cuò)（80～90％） 是回復(fù)與再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力

點(diǎn)缺陷

3儲(chǔ)存能的釋放：原子活動(dòng)能力提高，遷移至平衡位置，儲(chǔ)存能得以釋放。

五 內(nèi)應(yīng)力變化

回復(fù)階段：大部分或全部消除第一類內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類內(nèi)應(yīng)力；

再結(jié)晶階段：內(nèi)應(yīng)力可完全消除。

第二節(jié) 回復(fù)

一 回復(fù)動(dòng)力學(xué)（示意圖）

1 加工硬化殘留率與退火溫度和時(shí)間的關(guān)系

ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)

x0 –原始加工硬化殘留率；

x－退火時(shí)加工硬化殘留率；

c0－比例常數(shù)；

t－加熱時(shí)間；

T－加熱溫度。

2 動(dòng)力學(xué)曲線特點(diǎn)

（1）沒(méi)有孕育期；

（2）開(kāi)始變化快，隨后變慢；

（3）長(zhǎng)時(shí)間處理后，性能趨于一平衡值。

二 回復(fù)機(jī)理

移至晶界、位錯(cuò)處

1 低溫回復(fù)：點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng) 空位＋間隙原子 消失 缺陷密度降低

（0.1~0.2Tm） 空位聚集（空位群、對(duì)）

異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷

2 中溫回復(fù)：位錯(cuò)滑移 位錯(cuò)纏結(jié)重新排列 位錯(cuò)密度降低

（0.2~0.3Tm） 亞晶粒長(zhǎng)大

3 高溫回復(fù)：位錯(cuò)攀移（＋滑移） 位錯(cuò)垂直排列（亞晶界） 多邊化（亞

（0.3~0.5Tm）晶粒） 彈性畸變能降低。

三 回復(fù)退火的應(yīng)用

去應(yīng)力退火：降低應(yīng)力（保持加工硬化效果），防止工件變形、開(kāi)裂，提高耐蝕性。

第三節(jié) 再結(jié)晶

亞晶合并形核

亞晶長(zhǎng)大形核機(jī)制 亞晶界移動(dòng)形核（吞并其它亞晶或變形部分）

1 形核 （變形量較大時(shí)）

晶界凸出形核（晶界弓出形核，凸向亞晶粒小的方向）

（變形量較小時(shí)）

驅(qū)動(dòng)力：畸變能差

2 長(zhǎng)大

方式：晶核向畸變晶粒擴(kuò)展，直至新晶粒相互接觸。

注：再結(jié)晶不是相變過(guò)程。

二 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)（示意圖）

再結(jié)晶速度與溫度的關(guān)系

v再＝Aexp(-QR/RT)

規(guī)律

開(kāi)始時(shí)再結(jié)晶速度很小，在體積分?jǐn)?shù)為0.5時(shí)最大，然后減慢。

三 再結(jié)晶溫度

1 再結(jié)晶溫度：經(jīng)嚴(yán)重冷變形（變形量>70%）的金屬或合金，在1h內(nèi)能夠完成再結(jié)晶的（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)>95%）最低溫度。

高純金屬：T再＝(0.25~0.35)Tm。

2 經(jīng)驗(yàn)公式 工業(yè)純金屬：T再＝(0.35~0.45)Tm。

合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。

注：再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高100～200℃。

變形量越大，驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶溫度越低；

3影響因素 純度越高，再結(jié)晶溫度越低；

加熱速度太低或太高，再結(jié)晶溫度提高。

四 影響再結(jié)晶的因素

1 退火溫度。溫度越高，再結(jié)晶速度越大。

2 變形量。變形量越大，再結(jié)晶溫度越低；隨變形量增大，再結(jié)晶溫度趨于穩(wěn)定；變形量低于一定值，再結(jié)晶不能進(jìn)行。

3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅(qū)動(dòng)力越大；晶界越多，有利于形核。

4 微量溶質(zhì)元素。阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，不利于再結(jié)晶。

5 第二分散相。間距和直徑都較大時(shí)，提高畸變能，并可作為形核核心，促進(jìn)再結(jié)晶；直徑和間距很小時(shí)，提高畸變能，但阻礙晶界遷移，阻礙再結(jié)晶。

五 再結(jié)晶晶粒大小的控制（晶粒大?。冃瘟筷P(guān)系圖）

再結(jié)晶晶粒的平均直徑

d=k[G/N]1/4

1 變形量（圖）。存在臨界變形量，生產(chǎn)中應(yīng)避免臨界變形量。

2 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅(qū)動(dòng)力越大，形核位置越多，使晶粒細(xì)化。

3 合金元素和雜質(zhì)。增加儲(chǔ)存能，阻礙晶界移動(dòng)，有利于晶粒細(xì)化。

4 溫度。變形溫度越高，回復(fù)程度越大，儲(chǔ)存能減小，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。

六 再結(jié)晶的應(yīng)用

恢復(fù)變形能力

改善顯微組織

再結(jié)晶退火 消除各向異性

提高組織穩(wěn)定性

再結(jié)晶溫度：T再＋100～200℃。

第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大

驅(qū)動(dòng)力：界面能差；

長(zhǎng)大方式：正常長(zhǎng)大；異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）

一 晶粒的正常長(zhǎng)大

1正常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長(zhǎng)大。

2 驅(qū)動(dòng)力：界面能差。界面能越大，曲率半徑越小，驅(qū)動(dòng)力越大。

晶界趨于平直

3 晶粒的穩(wěn)定形狀 晶界夾角趨于120℃

二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于6

4 影響晶粒長(zhǎng)大的因素

溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。

分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長(zhǎng)大速率。一般有晶粒穩(wěn)定尺寸d和第二相質(zhì)點(diǎn)半徑r、體積分?jǐn)?shù)j的關(guān)系：

d=4r/3j

雜質(zhì)與合金元素。降低界面能，不利于晶界移動(dòng)。

晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移動(dòng)速率低于后者。

二 晶粒的異常長(zhǎng)大

1 異常長(zhǎng)大：少數(shù)再結(jié)晶晶粒的急劇長(zhǎng)大現(xiàn)象。

釘扎晶界的第二相溶于基體

2 機(jī)制 再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并

大晶粒吞并小晶粒 各向異性

織構(gòu)明顯 優(yōu)化磁導(dǎo)率

3 對(duì)組織和性能的影響 晶粒大小不均 性能不均

降低強(qiáng)度和塑韌性

晶粒粗大 提高表面粗糙度

三 再結(jié)晶退火的組織

1 再結(jié)晶圖。退火溫度、變形量與晶粒大小的關(guān)系圖。（圖）

2再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶退火后形成的織構(gòu)。退火可將形變織構(gòu)消除，也可形成新織構(gòu)。

3 退火孿晶。再結(jié)晶退火后出現(xiàn)的孿晶。是由于再結(jié)晶過(guò)程中因晶界遷移出現(xiàn)層錯(cuò)形成的。

第五節(jié) 金屬的熱變形

一 動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

1 動(dòng)態(tài)回復(fù)：在塑變過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)。

2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在塑變過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶。

包含亞晶粒，位錯(cuò)密度較高

特點(diǎn) 反復(fù)形核，有限長(zhǎng)大，晶粒較細(xì)

應(yīng)用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲

得細(xì)小晶粒。

二 金屬的熱加工

冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的加工過(guò)程。發(fā)生加工硬化。

1 加工的分類 熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的加工過(guò)程。硬化、回復(fù)、再結(jié)晶。

2 熱加工溫度：T再<T熱加工<T固－100～200℃。

3 熱加工后的組織與性能

改善鑄錠組織。氣泡焊合、破碎碳化物、細(xì)化晶粒、降低偏析。提高強(qiáng)度、塑性、韌性。

形成纖維組織（流線）。

組織：枝晶、偏析、夾雜物沿變形方向呈纖維狀分布。

性能：各向異性。沿流線方向塑性和韌性提高明顯。

形成帶狀組織

形成：兩相合金變形或帶狀偏析被拉長(zhǎng)。

影響：各向異性。

消除：避免在兩相區(qū)變形、減少夾雜元素含量、采用高溫?cái)U(kuò)散退火或正火。

4熱加工的優(yōu)點(diǎn)

可持續(xù)大變形量加工。

動(dòng)力消耗小。

提高材料質(zhì)量和性能

三 超塑性

1 超塑性：某些材料在特定變形條件下呈現(xiàn)的特別大的延伸率。

2條件：晶粒細(xì)小、溫度范圍（0.5~0.65Tm）、應(yīng)變速率小（1～0.01%/s）。

3 本質(zhì)：多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為是由晶界的滑動(dòng)和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)所致。

第九章 固態(tài)相變

概述

一 固態(tài)相變的特點(diǎn)

界面能增加

1相變阻力大 額外彈性應(yīng)變能：比體積差 固態(tài)相變

擴(kuò)散困難（新、舊相化學(xué)成分不同時(shí)） 困難

2 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系

* 新相的某一晶面和晶向分別與母相的某一晶面、晶向平行。

共格…

界面類型 半共格… 為降低界面能，形成共格、半共格界面 位向關(guān)系

非共格…

3 慣習(xí)現(xiàn)象

* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。

慣習(xí)方向 （母相）慣習(xí)面

原因：沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界面發(fā)展。

4 母相晶體缺陷促進(jìn)相變

點(diǎn)…

缺陷類型 線… 晶格畸變、自由能高，促進(jìn)形核及相變。

面… （思考：晶粒細(xì)化對(duì)相變的影響）

5 易出現(xiàn)過(guò)渡相

* 固態(tài)相變阻力大，直接轉(zhuǎn)變困難 協(xié)調(diào)性中間產(chǎn)物（過(guò)渡相）

g a＋Fe3C a+(3Fe+C)

例

g M a +Fe3C

二 固態(tài)相變的分類

1 按相變過(guò)程中原子遷移情況

（1）擴(kuò)散型：依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散；相界面非共格。

（如珠光體、奧氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e,C都可擴(kuò)散。）

（2）非擴(kuò)散型：舊相原子有規(guī)則地、協(xié)調(diào)一致地通過(guò)切變轉(zhuǎn)移到新相中；相界面共格、原子間的相鄰關(guān)系不變；化學(xué)成分不變。

（如馬氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e,C都不擴(kuò)散。）

（3）半擴(kuò)散型：既有切變，又有擴(kuò)散。

（如貝氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e切變，C擴(kuò)散。）

2 按相變方式分類

（1）有核相變：有形核階段，新相核心可均勻形成，也可擇優(yōu)形成。大多數(shù)固態(tài)相變屬于此類。

（2）無(wú)核相變：無(wú)形核階段，以成分起伏作為開(kāi)端，新舊相間無(wú)明顯界面，如調(diào)幅分解。

3 按熱力學(xué)函數(shù)變化分類

（1）一級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，而化學(xué)位對(duì)溫度及壓力的一階偏微分（－S,V）不等的相變。伴隨潛熱的釋放和體積的改變。如蒸發(fā)、升華、熔化以及大多數(shù)固態(tài)晶型轉(zhuǎn)變屬于此類。

（2）二級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，化學(xué)位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相等的相變。沒(méi)有相變潛熱和體積改變，有比容、壓縮系數(shù)、膨脹系數(shù)變化，如磁性轉(zhuǎn)變、有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等屬于此類。

三 常見(jiàn)固態(tài)相變類型

相變名稱

相變特征

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

同一種元素通過(guò)形核與長(zhǎng)大發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化

多型性轉(zhuǎn)變

合金中晶體結(jié)構(gòu)的變化

脫溶轉(zhuǎn)變

過(guò)飽和固溶體脫溶分解出亞穩(wěn)定或穩(wěn)定的第二相

共析轉(zhuǎn)變

一個(gè)固相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)結(jié)構(gòu)不同的固相

包析轉(zhuǎn)變

兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)新的固相，組織中一般有某相殘余

馬氏體轉(zhuǎn)變

新舊相之間成分不變、切變進(jìn)行、有嚴(yán)格位向關(guān)系、有浮凸效應(yīng)

貝氏體轉(zhuǎn)變

兼具馬氏體和擴(kuò)散轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，借助鐵的切變和碳的擴(kuò)散進(jìn)行

調(diào)幅分解

非形核轉(zhuǎn)變，固溶體分解成結(jié)構(gòu)相同但成分不同的兩相

有序化轉(zhuǎn)變

合金元素原子從無(wú)規(guī)則排列到有規(guī)則排列，擔(dān)結(jié)構(gòu)不變。

第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大

一 均勻形核（能量條件）

1 形核時(shí)的能量變化

相變驅(qū)動(dòng)力

（1）化學(xué)自由能（體積自由能，△Gv） △Gv～T曲線

隨成分變化

相變阻力

（2）界面能（s，Ss） 取決于界面結(jié)構(gòu) △T越大，晶核越小，Ss大 共格/半共格

（與過(guò)冷度有關(guān)） △T越小，晶核越大，Ss小 非共格

相變阻力

（3）應(yīng)變能(e,Ve) 共格應(yīng)變能：共格大，半共格小，非共格0

分類 比體積差 球狀最大

體積應(yīng)變能 新相幾何形狀 片狀最小

針狀居中

2 形核的能量條件

△G＝－V△Gv+Ss+ Ve<0

rK=2 s/(△Gv-e)

△GK=16ps/3(△Gv-e)2

二 非均勻形核（能量條件）

（固態(tài)相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核（依靠晶體缺陷）是主要的形核方式。）

1 不同晶體缺陷對(duì)形核的作用

能量高，降低△GK

（1）晶界形核 結(jié)構(gòu)混亂，降低e

易擴(kuò)散、偏析，利于擴(kuò)散相變

新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能

母相晶粒1 非共格界面

母相晶粒2 共格或半共格界面

新相生成處位錯(cuò)消失，能力釋放，提高驅(qū)動(dòng)力

（2）位錯(cuò)形核 ……位錯(cuò)不消失，可作為半共格界面的形成部分

易于發(fā)生偏聚，有利于成分起伏

易于擴(kuò)散，有利于發(fā)生擴(kuò)散型相變

促進(jìn)擴(kuò)散

（3）空位形核 新相生成處空位消失，提供能量

空位群可凝結(jié)成位錯(cuò)

（在過(guò)飽和固溶體的脫溶析出過(guò)程中，空位作用更明顯。）

2 非均勻形核的能力變化

△ G＝－V△Gv+Ss+ Ve－△GD

△ GD－晶體缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)降低的能量。

三 晶核的長(zhǎng)大

1 長(zhǎng)大機(jī)制 切變長(zhǎng)大

（1）半共格界面 臺(tái)階式長(zhǎng)大

原子直接遷移

（2）非共格界面 原子遷移至新相臺(tái)階端部

2 新相長(zhǎng)大速度

新相生成時(shí)無(wú)成分變化（有結(jié)構(gòu)、有序度變化）

界面控制長(zhǎng)大

u=dnexp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]

新相生成時(shí)有成分變化

（2）擴(kuò)散控制長(zhǎng)大

u=dx/dt=(? Cb/?x)D/(Cb-Ca)

（3）相變動(dòng)力學(xué)

ff=1-exp(-btn)

第十章 金屬材料

工業(yè)用鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金構(gòu)成了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)所必須的全部金屬材料。盡管高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，但金屬材料仍然是應(yīng)用最廣泛、用量最大的工程材料。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)金屬材料的性能要求會(huì)越來(lái)越高，新型金屬材料將會(huì)不斷出現(xiàn)。

10.1 基本要求

10.1.1 工業(yè)用鋼

1.熟悉鋼的分類和編號(hào)，能鑒別鋼號(hào)。

2.熟悉合金元素在鋼中的作用和典型鋼號(hào)中合金元素的作用。

3.掌握常用工業(yè)用鋼的化學(xué)成分、熱處理特點(diǎn)（或使用狀態(tài)）、使用態(tài)組織、主 要性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

10.1.2 鑄鐵

1.熟悉鑄鐵的分類和鑄鐵的石墨化。

2.熟悉常用鑄鐵的牌號(hào)、組織、性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

3.了解鑄鐵的熱處理特點(diǎn)及常用熱處理工藝。

10.1.3 有色金屬及其合金

1.熟悉鋁合金的分類和編號(hào)、鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化、典型鋁合金的組織與性能特 點(diǎn)。

2.熟悉銅合金的分類和編號(hào)、了解黃銅的組織及性能特點(diǎn)。

10.2 內(nèi)容提要

10.2.1 重要名詞

合金元素……………………………………alloying element

結(jié)構(gòu)鋼………………………………………construction steel

工具鋼………………………………………tool steel

不銹鋼………………………………………stainless steel

奧氏體不銹鋼………………………………austenitic stainless steel

回火穩(wěn)定性…………………………………temper stability

二次硬化……………………………………secondary hardening

調(diào)質(zhì)鋼………………………………………quenched and tempered steel

滲碳鋼………………………………………carburized steel

彈簧鋼………………………………………spring steel

滾動(dòng)軸承鋼…………………………………ball-bearing steel

高速鋼………………………………………h(huán)igh-speed steel

熱模具鋼……………………………………h(huán)ot die steel

晶間腐蝕……………………………………intergranular corrosion

耐熱鋼………………………………………h(huán)eat-resisting steel

耐磨鋼………………………………………wear-resisting steel

時(shí)效強(qiáng)化……………………………………age hardening

10.2.2 工業(yè)用鋼

1.鋼的分類和編號(hào)。

2.合金元素在鋼中的作用。

（1）合金元素對(duì)基本相的影響。

碳鋼在室溫下的基本相是鐵素體和滲碳體。合金元素可溶入鐵素體中強(qiáng)化鐵素體，若含量適當(dāng)，仍可保持鐵素體較好的韌性。碳化物形成元素與碳相互作用，可形成合金滲碳體、間隙化合物和間隙相等，它們的穩(wěn)定性、硬度、耐磨性均高于滲碳體，而聚集長(zhǎng)大的傾向比滲碳體小。

（2）合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響。

凡是擴(kuò)大γ區(qū)的元素均擴(kuò)大奧氏體區(qū)，使A1、A3降低。當(dāng)合金元素含量達(dá)到一定值時(shí)，奧氏體區(qū)將擴(kuò)大到室溫，得到奧氏體鋼。

凡是縮小γ區(qū)的元素均縮小奧氏體，使A1、A3升高。當(dāng)合金元素含量達(dá)到一定值時(shí)，奧氏體區(qū)將消失，得到鐵素體鋼。

合金元素加入鋼中，會(huì)使S點(diǎn)和E點(diǎn)向左移動(dòng)。S向左移動(dòng)意味著共析點(diǎn)的含量下降；E點(diǎn)向左移動(dòng)意味著出現(xiàn)萊氏體的含碳量減少。

總之，合金元素改變了平衡條件下的相變規(guī)律和平衡組織，從而改變了性 能。

（3）合金元素對(duì)鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響

①除Mn、Ni外，大多數(shù)合金元素升高臨界點(diǎn)，減慢奧氏體的形成速變，因而合金鋼要獲得較均勻的奧氏體，需更高的加熱溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間。

②除Mn、P、N外，大多數(shù)合金元素都能細(xì)化奧氏體晶粒，從而改善強(qiáng)度和韌 性。

（4）合金元素對(duì)鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響。

除Co外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體中后，能增加奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線向右移動(dòng)，提高鋼的淬透性。另外，還會(huì)降低Ms點(diǎn)，增加殘余奧氏體量。

（5）合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響。

①合金元素提高回火穩(wěn)定性，有利于提高綜合力學(xué)性能。

②含Cr、Ｍn、Ni等元素的合金鋼會(huì)產(chǎn)生第二類回火脆性，而Mo和W有抑制和減輕第二類回火脆性的傾向。

③某些高合金鋼會(huì)產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象。

3．結(jié)構(gòu)鋼

按用途，結(jié)構(gòu)鋼可分為兩大類：工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼。

碳素結(jié)構(gòu)鋼

工程結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼

調(diào)質(zhì)鋼

機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼 彈簧鋼

滾動(dòng)軸承鋼

常用結(jié)構(gòu)鋼的主要性能要求、化學(xué)成分、典型牌號(hào)、最終熱處理或使用狀態(tài)、組織見(jiàn)表10-1。

表10-1 常用結(jié)構(gòu)鋼

鋼種

工程結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼

調(diào)質(zhì)鋼

彈簧鋼

滾動(dòng)軸承鋼

用

途

舉

例

橋梁、船體、容器

汽車、拖拉機(jī)變速齒輪

機(jī)床主軸

機(jī)床齒輪

連桿螺栓

彈簧、各類彈性元件

滾動(dòng)軸承部件

主

要

性

能

要

求

較高的剛度、強(qiáng)度，較好的塑性、韌性，良好的工藝性，較小的冷脆傾向，一定的耐蝕性

表層硬而耐磨，心部較高的韌性和足夠的強(qiáng)度

良好的綜合力學(xué)性能，足夠的淬透性，有時(shí)要求表面耐磨

高的彈性極限和屈強(qiáng)比，高的疲勞極限，足夠的塑性、韌性

高的接觸疲勞強(qiáng)度，高硬度和耐磨性，足夠的韌性

含

碳

量

<0.4%

≤0.2%

0.10-25%

0.3-0.5%

0.7-0.9%

0.5-0.7%

0.9-1.1%

合

金

元

素

Mn、

V、Ti、Nb

Cr、Mn、Ni、B、Ti、V

Cr、Mn、Ni、Si、B

V、Ti、W、Mo

Cr、Mn、Si W、V、

Cr

Mn、Si

典

型

牌

號(hào)

Q235

Q345

(16Mn)

20

20Cr

20CrMnTi

18CrZNi4WA

45

40Cr

40CrNiMo

38CrMoAlA

T8A

65Mn

60SiZMn

50CrVA

GCr15

GCr15SiMn

最

終

熱

處

理

一般為熱軋空冷狀態(tài)

滲碳、淬火，低溫回火

①調(diào)質(zhì)處理

②調(diào)質(zhì)+表面淬火低溫回火

一般為淬火中溫回火

淬火

低溫回火

使

用

態(tài)

組

織

一般為鐵素體+索氏體

表層：回火馬氏體+碳化物+殘余γ

心部:回火馬氏體或鐵素體+珠光體型

①回火索氏體

②表層:回火馬氏體

心部:回火索氏體

回火屈氏體

回火馬氏 體+碳化物+殘余奧氏體

4.工具鋼

按用途，工具鋼可分為三大類：刃具鋼、模具鋼和量具鋼。常用工具鋼的化學(xué)成分、典型牌號(hào)、最終熱處理、組織、性能特點(diǎn)和用途舉例見(jiàn)表10-2。

表10-2 常用工具鋼

鋼

種

刃 具 鋼

冷模具鋼

高碳高鉻鋼

熱模具鋼

碳素工具鋼

低合金工具鋼

高速鋼

含碳量

0.65-1.35%

0.75-1.6%

0.7-1.6%

1.2-2.3%

0.3-0.6%

合金元素

Cr、W、V、

Mn、Si

W、Mo、Cr、V

Cr、Mo、W、V

Cr、Mn、Ni、Mo

典型牌號(hào)

T7（A）-12(A)

9SiCr

CrWMn

W18Cr4V

W6Mo5Cr4V2

Cr12

Cr12MoV

5CrNiMo

5CrMnMo

最終熱處理

淬火、低溫回火

淬火、低溫回火

高溫淬火560℃三次回火

一般采用淬火、低溫回火

淬火、中溫回火或高溫回火

組織

回火馬氏體+γ’或回火馬氏體+碳化物+γ’

回火馬氏體+細(xì)小碳化物+殘余奧氏體

回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體

回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體

回火屈氏體或回火索氏體

主

要

性

能

特

點(diǎn)

高硬度和耐磨性，淬透性差，紅硬性差，淬火變形開(kāi)裂傾向大。

硬度、耐磨性、淬透性均比碳工鋼好，淬火變形小

良好的紅硬性，高的硬度、耐磨性，高的淬透性

很高的耐磨性和淬透性，熱處理變形小

高溫下有較高的強(qiáng)度和韌性，足夠的硬度和耐磨性，良好的耐熱疲勞性，高的淬透性

用途舉例

簡(jiǎn)單車刀、手錘、銼刀等

絲錐、板牙、拉刀等

各種高速切削刃具等

冷沖模、冷擠壓模等

熱鍛模等

5.特殊性能鋼

特殊性能鋼可分為三大類：不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。

（1）不銹鋼

①提高耐蝕性的途徑

A、加Cr，提高基體的電極電位。

B、加Cr、Al、Si，形成致密的鈍化膜。

C、加Cr、Ni等，使其形成單相組織。

②典型馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼見(jiàn)表10-3。

（2）耐熱鋼

①耐熱性

耐熱性是指高溫抗氧化性和熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度），熱強(qiáng)性用蠕變極限（σ6000.1/1000）和持久強(qiáng)度（σ7001000）來(lái)表征。

②提高耐熱性的途徑

A、加Cr、Si、Al，形成致密的氧化膜，提高高溫抗氧化性。

B、通過(guò)加合金元素提高原子間結(jié)合力，提高再結(jié)晶溫度、減慢原子的擴(kuò)散、增加 組織的穩(wěn)定性來(lái)提高熱強(qiáng)性。

③按組織可分為：鐵素體型耐熱鋼、珠光體型耐熱鋼、馬氏體型耐熱鋼和奧氏體型耐熱鋼。

（3）耐磨鋼

耐磨鋼是指在受到強(qiáng)烈摩擦、沖擊或巨大壓力時(shí)，表現(xiàn)出良好耐磨性的鋼種。

典型耐磨鋼是高錳鋼，牌號(hào)為ZGMn13，其化學(xué)成分、熱處理、組織、性能特點(diǎn)及用途舉例見(jiàn)表10-3。

表10-3 特殊性能鋼

鋼

種

馬氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼

耐磨鋼

典型牌號(hào)

1Cr13

2Cr13

3Cr13

4Cr13

1Cr18Ni9

1Cr18Ni9Ti

ZGMn13

含碳量

0.1-0.2%

0.3-0.4%

≤0.12%

1.0-1.4%

合

金

元

素

及

作

用

Cr：提高基體電極電位，形成鈍化膜，從而提高耐蝕性

Cr：提高基體電極電位，形成鈍化膜。

Ni：使其呈單相奧氏體。

Ti：防止晶間腐蝕

Mn：使其能獲得單相奧氏體；增大鋼的加工硬化能力和韌性

最終熱處理

淬火

高溫回火

淬火

低溫回火

固溶處理

水韌處理

組織

回火索氏體

回火馬氏體

奧氏體

奧氏體

性能特點(diǎn)

較好的耐蝕性，較高的強(qiáng)度和韌性

較好的耐蝕性，較高的硬度和耐磨性

良好的耐蝕性、塑韌性，良好的冷成型性的焊接性，加工硬化能力強(qiáng)，不能淬火強(qiáng)化，強(qiáng)度較低，有時(shí)產(chǎn)生晶間腐蝕

在受到強(qiáng)烈摩擦、沖擊和巨大壓力時(shí)表現(xiàn)出良好的耐磨性和韌性

用途舉例

結(jié)構(gòu)零件，如汽輪機(jī)葉片等

醫(yī)療器械、刃具等

化工焊接件、耐酸容器、鍋爐汽輪機(jī)耐熱構(gòu)件等

拖拉機(jī)履帶、挖掘機(jī)鏟齒、鐵路道叉

11.2.3 鑄鐵

1.鑄鐵的分類

2.鑄鐵的石墨化

（1）鑄鐵的石墨化過(guò)程

第一階段包括從液態(tài)鐵水中直接析出石墨以及從奧氏體中析出二次石墨；

第二階段包括共析轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成的石墨。

（2）鑄鐵的石墨化程度與組織的關(guān)系見(jiàn)表10-4。

表10-4 共晶鑄鐵的石墨化程度與組織的關(guān)系

石墨化程度

得到的組織

鑄鐵名稱

第一階段

第二階段

完全石墨化

完全石墨化

鐵素體+石墨

灰口鑄鐵

未石墨化

珠光體+石墨

部分石墨化

鐵素體+珠光體+石墨

未石墨化

未石墨化

萊氏體

白口鑄鐵

部分石墨化

未石墨化

珠光體+二次滲碳+石墨+萊氏體

麻口鑄鐵

（3）影響石墨化的因素

3.石墨對(duì)鑄鐵性能的影響

石墨一方面破壞了基體的連續(xù)性，減少了實(shí)際承載面積；另一方面石墨邊緣 會(huì)造成應(yīng)力集中，形成斷裂源。因此鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性都比鋼低。

片狀石墨對(duì)基體削弱作用和應(yīng)力集中程度最大，而球狀石墨對(duì)基體的削弱作 用和應(yīng)力程度較小。

石墨的數(shù)量、大小和分布對(duì)鑄鐵性能也有顯著影響。

4.常用普通鑄鐵的牌號(hào)、組織、性能特點(diǎn)和用途舉例見(jiàn)表10-5。

5.鑄鐵的熱處理

（1）熱處理只改變基體組織，不改變石墨形狀，其熱處理原理與鋼相似。

（2）灰口鑄鐵常用熱處理有：去應(yīng)力退火，消除白口、改善切削加工性的退火、表面淬火。

（3）球墨鑄鐵中，石墨呈球狀，基體強(qiáng)度利用率高，因而熱處理強(qiáng)化效果好，可進(jìn)行多種熱處理來(lái)提高性能。常用熱處理有：退火、正火、調(diào)質(zhì)處理和等溫淬火等。

11.2.4 有色金屬及其合金

1.鋁及其合金

（1）鋁合金的分類和編號(hào)

（2）鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化

表10-5 常用普通鑄鐵的牌號(hào)、組織、性能特點(diǎn)及用途舉例

種類

牌號(hào)表示方法

組織

性能特點(diǎn)

用途舉例

灰口鑄鐵

HT×××

α+片狀石墨

α+片狀石墨P

α+P+片狀石墨

抗拉強(qiáng)度、塑性韌性低，抗壓強(qiáng)度高。

良好的鑄造性，切削加工性、減摩性、消震性和低的缺口敏感性

機(jī)床床身

底座、工作臺(tái)等

可鍛鑄鐵

KHT××× -××

KTZ ××× -××

α+團(tuán)絮狀石墨

P+團(tuán)絮狀石墨

比灰口鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性

汽車后橋外殼、低壓閥、管接頭、連桿等截面尺寸較小的零部件

球墨鑄鐵

QT××× -××

α+球狀石墨

P+球狀石墨

α+ P+球狀石墨

S回+球狀石墨

B下+球狀石墨

比其它鑄鐵有更高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和更好的塑性、韌性，熱處理強(qiáng)化效果好。

可制造負(fù)荷較大、受力復(fù)雜的機(jī)器零件，如柴油機(jī)曲軸、連桿、齒輪、缸套等

蠕墨鑄鐵

RuT ×××

石墨呈蠕蟲(chóng)狀

性能介于基體組織相同的灰鐵和球鐵之間

柴油機(jī)缸蓋、氣缸套、機(jī)床床身、液壓閥等

（3）簡(jiǎn)單硅鋁明的成分、組織、性能特點(diǎn)及用途

2.銅及其合金

（1）銅合金的分類和編號(hào)

（2）單相黃銅與雙相黃銅的成分、組織、性能特點(diǎn)及用途

3.軸承合金

（1）軸承合金的性能要求和組織要求

（2）zchSnSb11-6的組織特點(diǎn)、性能特點(diǎn)及用途

（3）20高錫鋁基軸承合金的組織特點(diǎn)、性能特點(diǎn)及用途。

10.3 重點(diǎn)和難點(diǎn)

10.3.1 重點(diǎn)

工業(yè)用鋼，包括：

1.鋼號(hào)的鑒別：根據(jù)鋼的牌號(hào)判斷鋼的類別、碳和合金元素的大致含量。

2.典型鋼號(hào)中合金元素的作用。

3.各類鋼的化學(xué)成分、常用熱處理或使用狀態(tài)、使用態(tài)組織、主要性能特點(diǎn)和用途舉例。

4.根據(jù)工件的工作條件和性能要求選用合適的鋼種。

10.3.2 難點(diǎn)

1.鋼的合金化原理

2.鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理

3.內(nèi)容“零碎”，不易記憶

10.4 學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)

1.根據(jù)鋼的牌號(hào)判斷鋼的類別時(shí)，可按下列步驟：

（1）先看牌號(hào)中有無(wú)特殊標(biāo)志，如T12中的“T”、GCr15中的“G”。

（2）再判斷是否屬于特殊性能鋼，如1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9、ZGMn13等。

（3）根據(jù)含碳量的表示方法區(qū)分是屬于結(jié)構(gòu)鋼還是工具鋼。如果含碳量用兩位 數(shù)字表示，則可確定該鋼屬于結(jié)構(gòu)鋼。如果含碳量用一位數(shù)字表示或未標(biāo)數(shù)字，則可確定該鋼屬于工具鋼。

（4）結(jié)構(gòu)鋼中，可根據(jù)含碳量的多少判斷是滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼還是彈簧鋼。有些不易分清的可重點(diǎn)記憶。

（5）工具鋼中，含碳量若為中碳，則屬于熱模具鋼；否則就是刃具鋼或冷模具鋼。

2.工業(yè)用鋼類別多，內(nèi)容“零碎”，不易記憶。為解決此問(wèn)題，可從兩個(gè)方面：

一方面進(jìn)行歸納總結(jié)，將“零碎”的內(nèi)容要條理化；另一方面先按下面的思路進(jìn)行理解，在理解的基礎(chǔ)上再加以記憶。

含碳量

化學(xué)成分的選擇→

合金元素

典型件的工作條件→性能要求→

組織→最終熱處理

10.5 課堂討論

典型零件的選材與熱處理工藝的選用是學(xué)習(xí)本課程的主要目的之一。通過(guò)討 論，不僅使學(xué)生對(duì)鋼的熱處理、工業(yè)用鋼等內(nèi)容加深理解，而且也使學(xué)生在綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析解決問(wèn)題方面得到一次訓(xùn)練。

9.5.1 討論目的

1.熟悉鋼的分類和編號(hào)，學(xué)會(huì)根據(jù)鋼的牌號(hào)來(lái)判斷鋼的類別、碳和合金元素的 大致含量。

2.熟悉典型鋼號(hào)中合金元素的作用。

3.進(jìn)一步理解和掌握各類鋼的工作條件和性能要求、化學(xué)成分、最終熱處理或 使用狀誠(chéng)、使用態(tài)組織和用途。

9.5.2 討論題

1.試判斷下列牌號(hào)的鋼中碳和合金元素的含量大致是多少？

20 T10 50CrVA 9SiCr

CrWMn Cr12MoV 5CrMnMo 4Cr13

2.說(shuō)明下列鋼號(hào)中合金元素的主要作用

40Cr 20CrMnTi GCr15SiMn W18Cr4V

1Cr13 1Cr18Ni9 CrWMn 40CrNiMo

3．判斷下列牌號(hào)的鋼屬于何類鋼（按用途分）？指出各類鋼常用的最終熱處理或使用狀態(tài)、使用態(tài)組織、主要性能特點(diǎn)和用途。

Q235 20Cr 20CrMnTi 45 ZGMn13

40CrNiMo 65 60Si2Mn 65Mn GCr15

GCr15SiMn T12 9SiCr CrWMn W18Cr4V

W6Mo5Cr4V2 5CrNiMo 1Cr13 3Cr13 1Cr18Ni9

4．根據(jù)下面所列出的化學(xué)成分，寫出鋼的牌號(hào)，并指出其常用最終熱處理、使用 態(tài)組織、主要性能特點(diǎn)和用途。

5.欲制造車床主軸、機(jī)床變速齒輪、汽車變速齒輪、汽車板簧、軸承滾珠、高速車刀、熱鍛模，試問(wèn)上述零件或工具各應(yīng)選用何種材料？寫出其牌號(hào)。在制造過(guò)程中各需經(jīng)過(guò)何種最終熱處理？熱處理后得到何種組織？

6.滲碳鋼適宜制作何種工作條件下的零件？為什么滲碳鋼均為低碳？滲碳后為什 么還要淬火、低溫回火？

7.調(diào)質(zhì)鋼適宜制作何種工作條件下的零件？為什么調(diào)質(zhì)鋼均為中碳？

8.比較結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的合金化特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)。

9.W18Cr4V鋼中，W、Cr、V的主要作用是什么？該鋼為什么是萊氏體鋼？為什么 空冷就可獲得馬氏體組織？其最終熱處理為何要采用高溫淬火+560℃三次回火？

10.判斷下列說(shuō)法是否正確，并說(shuō)明理由。

（1）GCr15鋼中，Wcr=15%

（2）熱模具鋼屬于工具鋼，所以它一定是高碳鋼。

（3）奧氏體不銹鋼不能通過(guò)淬火來(lái)強(qiáng)化。

（4）4Cr13屬于過(guò)共析鋼。

（5）ZGMn13是耐磨鋼，在任何條件下都會(huì)表現(xiàn)出良好的耐磨性。

（6）σ6000.1/1000表示耐熱鋼的持久強(qiáng)度。

（7）調(diào)質(zhì)鋼制造零件過(guò)程中，必須要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。

（8）可鍛鑄鐵可以鍛造。

（9）變形鋁合金都能時(shí)效強(qiáng)化，而鑄造鋁合金都不能時(shí)效強(qiáng)化。

（10）青銅是指銅和錫的合金。

綜合題一：材料的結(jié)構(gòu)

1 談?wù)勀銓?duì)材料學(xué)科和材料科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

2 金屬鍵與其它結(jié)合鍵有何不同，如何解釋金屬的某些特性？

3 說(shuō)明空間點(diǎn)陣、晶體結(jié)構(gòu)、晶胞三者之間的關(guān)系。

4 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的標(biāo)定有何不同？其中有何須注意的問(wèn)題？

5 畫出三種典型晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，其表示符號(hào)、原子數(shù)、配位數(shù)、致密度各是什么？

6 碳原子易進(jìn)入a-鐵，還是b-鐵，如何解釋？

7 研究晶體缺陷有何意義？

8 點(diǎn)缺陷主要有幾種？為何說(shuō)點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷？

9 位錯(cuò)概念是在什么背景下提出的？其易動(dòng)性是如何實(shí)現(xiàn)的？

10 試述位錯(cuò)的性質(zhì)。

11 試述博士矢量的意義。

12 與位錯(cuò)有關(guān)的三個(gè)力的表達(dá)式各是什么？簡(jiǎn)述其求解原理。

13 柯氏氣團(tuán)是如何形成的？它對(duì)材料行為有何影響？

14 晶體中的界面有何共性？它對(duì)材料行為有何影響？

綜合題二：凝固、相結(jié)構(gòu)與相圖

1 簡(jiǎn)述合金相的分類，固溶體與純金屬相比，有何結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)？

2 固溶體與純金屬的結(jié)晶有何異同？

3 試述勻晶系不平衡結(jié)晶的過(guò)程（平均成分線的形成、兩種偏析）

4 分析共晶系合金典型的不平衡結(jié)晶組織及其形成原因。

5 試述含碳量對(duì)平衡組織和性能的影響（相含量、形態(tài)的變化）。

6說(shuō)明 三元相圖的水平截面、垂直截面及投影圖的應(yīng)用。

7 分析兩種合金平衡冷卻過(guò)程，指出其室溫組織。

8 指出Fe-Fe3C相圖中適合鍛造、鑄造、冷塑變、熱處理加工的成分范圍，說(shuō)明原因。

9 什么是過(guò)冷？為何說(shuō)過(guò)冷是凝固的必要條件？

10分析界面結(jié)構(gòu)和溫度梯度對(duì)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響。

11根據(jù)凝固理論，試述細(xì)化晶粒的基本途徑。

12 判斷不同溫度下晶核半徑與自由能變化關(guān)系曲線。

13 畫圖說(shuō)明成分過(guò)冷的形成，成分過(guò)冷對(duì)晶體生長(zhǎng)形狀有何影響？

14 常見(jiàn)的鑄錠缺陷有哪些？

15 液態(tài)金屬凝固時(shí)需要過(guò)冷，那么固態(tài)金屬熔化時(shí)是否需要過(guò)熱？為什么？

16 談?wù)勀闼私獾哪绦录夹g(shù)及其應(yīng)用。

綜合題三：擴(kuò)散、塑變與再結(jié)晶

1 可不可以說(shuō)擴(kuò)散定律實(shí)際上只有一個(gè)，為什么？

2 滲碳為什么在奧氏體中而不在鐵素體中進(jìn)行？

3 在研究純鐵滲碳時(shí)，通常假定滲碳?xì)夥盏臐B碳能力足以使奧氏體的溶碳量達(dá)到飽和，且滲碳開(kāi)始工件表面可迅速獲得一個(gè)恒定的表面濃度CS, 此濃度在整個(gè)過(guò)程中維持不變。

結(jié)合Fe-Fe3C相圖，分別畫出純鐵在930℃和800℃滲碳時(shí)，滲碳鐵棒的成分－距離曲線示意圖。

選擇溫度低于727℃，能否達(dá)到滲碳的目的，為什么？

4 試分析材料強(qiáng)化常用的方法、機(jī)制及適用條件。

5 為何晶粒越細(xì)、材料的強(qiáng)度越高，其塑韌性也越好？

6 何謂單滑移、多滑移和交滑移？畫出三者滑移線的形貌。

7 試分析單晶體滑移和孿生變形的異同點(diǎn)。

8 某面心立方晶體的可動(dòng)滑移系為(111)[110]。

指出引起滑移的單位位錯(cuò)的博士矢量。

若滑移是由純?nèi)行臀诲e(cuò)引起的，試指出位錯(cuò)線的方向。

若滑移是由純螺型位錯(cuò)引起的，試指出位錯(cuò)線的方向。

指出在上述（2）、（3）兩種情況下滑移時(shí)位錯(cuò)線的滑移方向。

9 若單晶體銅的表面恰為（100） ，假設(shè)晶體可以在各個(gè)滑移系上進(jìn)行滑移，試分析表面上滑移線形貌。若晶體表面為（111）呢？

10 鎢板在1100℃加工變形，錫板在室溫下變形，它們的組織結(jié)構(gòu)有何變化？

11根據(jù)形變金屬退火后晶粒尺寸與變形量關(guān)系示意圖，

將一鍥形銅片置于間距恒定的兩軋輥間軋制，畫出此銅片經(jīng)完全再結(jié)晶后晶粒大小沿片長(zhǎng)方向變化示意圖。

一塊純錫板被子彈擊穿，試畫出彈孔周圍組織變化示意圖。

12 熱加工和冷加工是如何劃分的，分析熱加工和冷加工過(guò)程中的組織與性能變化。

13 繪出第六章內(nèi)容結(jié)構(gòu)框圖。

14 繪出第七章內(nèi)容結(jié)構(gòu)框圖。

15繪出第八章內(nèi)容結(jié)構(gòu)框圖。

綜合題四：固態(tài)相變與新型材料

1 固態(tài)相變與凝固兩過(guò)程有何異同？

2 說(shuō)明固態(tài)相變比液態(tài)材料結(jié)晶阻力大的原因。

3 說(shuō)明晶體缺陷促進(jìn)固態(tài)相變形核的原因。

4 描述脫溶轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程，并建立它與馬氏體回火轉(zhuǎn)變過(guò)程的聯(lián)系。

5 再結(jié)晶和調(diào)幅分解是相變過(guò)程嗎，為什么？

6 分析調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件。

7 試述馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的原因。

8 列表說(shuō)明下列內(nèi)容。

形成條件

相變類型

組成相

亞結(jié)構(gòu)

性能特點(diǎn)

形貌特征

P

P

T

S

M

板條M

片狀M

B

B上

B下

9 畫圖說(shuō)明A-M轉(zhuǎn)變。

10 談?wù)勀銓?duì)組織結(jié)構(gòu)、加工工藝、化學(xué)成分和性能四者之間的關(guān)系。

11 簡(jiǎn)述復(fù)合材料增強(qiáng)原理。

12 簡(jiǎn)述復(fù)合材料界面結(jié)合類型，如何改善界面結(jié)合狀態(tài)。

13 采用一定的方法（框圖法、分枝法等）說(shuō)明本書各章內(nèi)容之間的聯(lián)系。

一、名詞解釋

金屬鍵; 結(jié)構(gòu)起伏; 固溶體; 枝晶偏析; 奧氏體; 加工硬化; 離異共晶; 成分過(guò)冷; 熱加工; 反應(yīng)擴(kuò)散

二、畫圖

1在簡(jiǎn)單立方晶胞中繪出（

）、（210）晶面及[

、[210]晶向。

2結(jié)合Fe-Fe3C相圖，分別畫出純鐵經(jīng)930℃和800℃滲碳后，試棒的成分－距離曲線示意圖。

3如下圖所示，將一鍥形銅片置于間距恒定的兩軋輥間軋制。試畫出軋制后銅片經(jīng)再結(jié)晶后晶粒大小沿片長(zhǎng)方向變化的示意圖。

4畫出簡(jiǎn)單立方晶體中（100）面上柏氏矢量為［010］的刃型位錯(cuò)與（001）面上柏氏矢量為［010］的刃型位錯(cuò)交割前后的示意圖。

5畫圖說(shuō)明成分過(guò)冷的形成。

三、Fe-Fe3C相圖分析

1用組織組成物填寫相圖。

2指出在ECF和PSK水平線上發(fā)生何種反應(yīng)并寫出反應(yīng)式。

3計(jì)算相圖中二次滲碳體和三次滲碳體可能的最大含量。

四、簡(jiǎn)答題

1已知某鐵碳合金，其組成相為鐵素體和滲碳體，鐵素體占82%，試求該合金的含碳量和組織組成物的相對(duì)量。

2什么是單滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移線各有什么特征，如何解釋？。

3設(shè)原子為剛球，在原子直徑不變的情況下，試計(jì)算g-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Fe時(shí)的體積膨脹率;如果測(cè)得910℃時(shí)g-Fe和a-Fe的點(diǎn)陣常數(shù)分別為0.3633nm和0.2892nm,試計(jì)算g-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Fe的真實(shí)膨脹率。

4間隙固溶體與間隙化合物有何異同？

5可否說(shuō)擴(kuò)散定律實(shí)際上只有一個(gè)？為什么？

五、論述題

結(jié)合右圖所示的τC（晶體強(qiáng)度）—ρ位錯(cuò)密度

關(guān)系曲線，分析強(qiáng)化金屬材料的方法及其機(jī)制。

六、拓展題

1 畫出一個(gè)刃型位錯(cuò)環(huán)及其與柏士矢量的關(guān)系。

2用金相方法如何鑒別滑移和孿生變形？

3 固態(tài)相變?yōu)楹我子谠诰w缺陷處形核？

4 畫出面心立方晶體中(225)晶面上的原子排列圖。