材料科學基礎基礎知識點總結
第一章 材料中的原子排列
第一節 原子的結合方式
2 原子結合鍵
（1）離子鍵與離子晶體
原子結合：電子轉移，結合力大，無方向性和飽和性；
離子晶體；硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。如氧化物陶瓷。
（2）共價鍵與原子晶體
原子結合：電子共用，結合力大，有方向性和飽和性；
原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導電性差。如高分子材料。
（3）金屬鍵與金屬晶體
原子結合：電子逸出共有，結合力較大，無方向性和飽和性；
金屬晶體：導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金屬。
金屬鍵：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結合到一起的方式。
（3）分子鍵與分子晶體
原子結合：電子雲偏移，結合力很小，無方向性和飽和性。
分子晶體：熔點低，硬度低。如高分子材料。
氫鍵：（離子結合）X-H——-Y（氫鍵結合），有方向性，如O-H—O
（4）混合鍵。如複合材料。
3 結合鍵分類
一次鍵 （化學鍵）：金屬鍵、共價鍵、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：原子在三維空間內的週期性規則排列。長程有序，各向異性。
（2）非晶體：――――――――――不規則排列。長程無序，各向同性。
第二節 原子的規則排列
一 晶體學基礎
1 空間點陣與晶體結構
空間點陣：由幾何點做週期性的規則排列所形成的三維陣列。圖1-5
特徵：a 原子的理想排列；b 有14種。
其中：
空間點陣中的點－陣點。它是純粹的幾何點，各點周圍環境相同。
描述晶體中原子排列規律的空間格架稱之為晶格。
空間點陣中最小的幾何單元稱之為晶胞。
晶體結構：原子、離子或原子團按照空間點陣的實際排列。
特徵：a 可能存在區域性缺陷； b 可有無限多種。
2 晶胞 圖1－6
（1）――－：構成空間點陣的最基本單元。
（2）選取原則：
a 能夠充分反映空間點陣的對稱性；
b 相等的稜和角的數目最多；
c 具有儘可能多的直角；
d 體積最小。
形狀和大小
有三個稜邊的長度a，b，c及其夾角α，β，γ表示。
晶胞中點的位置表示（座標法）。
3 布拉菲點陣 圖1－7
14種點陣分屬7個晶系。
4 晶向指數與晶面指數
晶向：空間點陣中各陣點列的方向。
晶面：透過空間點陣中任意一組陣點的平面。
國際上通用米勒指數標定晶向和晶面。
晶向指數的標定
a 建立座標系。確定原點（陣點）、座標軸和度量單位（稜邊）。
b 求座標。u’，v’，w’。
c 化整數。 u，v，w。
d 加［ ］。［uvw］。
說明：
a 指數意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 負值：標於數字上方，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
晶面指數的標定
a 建立座標系：確定原點（非陣點）、座標軸和度量單位。
b 量截距：x，y，z。
c 取倒數：h’，k’，l’。
d 化整數：h，k，k。
e 加圓括號：（hkl）。
說明：
a 指數意義：代表一組平行的晶面；
b 0的意義：面與對應的軸平行；
c 平行晶面：指數相同，或數字相同但正負號相反；
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）六方系晶向指數和晶面指數
a 六方係指數標定的特殊性：四軸座標系（等價晶面不具有等價指數）。
b 晶面指數的標定
標法與立方系相同（四個截距）；用四個數字（hkil）表示；i=-（h+k）。
c 晶向指數的標定
標法與立方系相同（四個座標）；用四個數字（uvtw）表示；t=-（u+w）。
依次平移法：適合於已知指數畫晶向（末點）。
座標換演算法：［UVW］~［uvtw］
u=（2U-V）/3， v=（2V-U）/3， t=-（U+V）/3， w=W。
（4）晶帶
a ――：平行於某一晶向直線所有晶面的組合。
晶帶軸 晶帶面
b 性質：晶帶用晶帶軸的晶向指數表示；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於以［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，相鄰兩個平行晶面之間的距離。
b 計算公式（簡單立方）：
d=a/（h2+k2+l2）1/2
注意：只適用於簡單晶胞；對於面心立方hkl不全為偶、奇數、體心立方h+k+l=奇數時，d（hkl）=d/2。
2 離子晶體的結構
（1）鮑林第一規則（負離子配位多面體規則）：在離子晶體中，正離子周圍形成一個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決於正負離子半徑之和，正離子的配位數取決於正負離子的半徑比。
（2）鮑林第二規則（電價規則含義）：一個負離子必定同時被一定數量的負離子配位多面體所共有。
（3）鮑林第三規則（稜與面規則）：在配位結構中，共用稜特別是共用面的存在，會降低這個結構的穩定性。
3 共價鍵晶體的結構
飽和性：一個原子的共價鍵數為8-N。
方向性：各鍵之間有確定的方位
（配位數小，結構穩定）
三 多晶型性
元素的晶體結構隨外界條件的變化而發生轉變的性質。
四 影響原子半徑的因素
溫度與應力
結合鍵的影響
配位數的影響 （高配位結構向低配位結構轉變時，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。
核外電子分佈的影響（一週期內，隨核外電子數增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。
第三節 原子的不規則排列
原子的不規則排列產生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變）和效能控制（如材料強化）中具有重要作用。
晶體缺陷：實際晶體中與理想點陣結構發生偏差的區域。
（晶體缺陷可分為以下三類。）
點缺陷：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：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。
面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
一 點缺陷
1 點缺陷的型別 圖1－31
空位：
肖脫基空位－離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面。
弗蘭克爾空位－離位原子進入晶體間隙。
間隙原子：位於晶體點陣間隙的原子。
置換原子：位於晶體點陣位置的異類原子。
2 點缺陷的平衡濃度
（1）點缺陷是熱力學平衡的缺陷－在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數量的點缺陷（空位），這時體系的能量最低－具有平衡點缺陷的晶體比理想晶體在熱力學上更為穩定。（原因：晶體中形成點缺陷時，體系內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。其結果是在G-n曲線上出現了最低值，對應的n值即為平衡空位數。）
（2）點缺陷的平衡濃度
C=Aexp（-∆Ev/kT）
3 點缺陷的產生及其運動
點缺陷的產生
平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。
過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。
點缺陷的運動
（遷移、複合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）
4 點缺陷與材料行為
（1）結構變化：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）效能變化：物理效能（如電阻率增大，密度減小。）
力學效能（屈服強度提高。）
二 線缺陷（位錯）
位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。
意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。）
位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發現理論晶體模型剛性切變強度與與實測臨界切應力的巨大差異（2～4個數量級）。
1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。
1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表徵位錯。
1947年，柯垂耳提出溶質原子與位錯的互動作用。
1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。
之後，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。
1 位錯的基本型別
刃型位錯
模型：滑移面/半原子面/位錯線 （位錯線┻晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向//位錯運動方向。）
分類：正刃型位錯（┻）；負刃型位錯（┳）。
螺型位錯
模型：滑移面/位錯線。（位錯線//晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向┻位錯運動方向。）
分類：左螺型位錯；右螺型位錯。
混合位錯
模型：滑移面/位錯線。
2 位錯的性質
形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區是一條管道。
是已滑移區和未滑移區的邊界。
不能中斷於晶體內部。可在表面露頭，或終止於晶界和相界，或與其它位錯相交，或自行封閉成環。
3 柏氏向量
確定方法 （避開嚴重畸變區）
a 在位錯周圍沿著點陣結點形成封閉迴路。
b 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的迴路。
c 在理想晶體中從終點到起點的向量即為――。
柏氏向量的物理意義
a 代表位錯，並表示其特徵（強度、畸變數）。
b 表示晶體滑移的方向和大小。
c 柏氏向量的守恆性（唯一性）：一條位錯線具有唯一的柏氏向量。
d 判斷位錯的型別。
柏氏向量的表示方法
a 表示：
b
=a/n［uvw］ （可以用向量加法進行運算）。
b 求模：/b/=a/n［u2+v2+w2］1/2。
4 位錯密度
表示方法：ρ＝K/V
ρ＝n/A
晶體強度與位錯密度的關係（τ-ρ圖）。
位錯觀察：浸蝕法、電境法。
5 位錯的運動
位錯的易動性。
位錯運動的方式
a 滑移：位錯沿著滑移面的移動。
刃型位錯的滑移：具有唯一的滑移面
螺型位錯的滑移：具有多個滑移面。
位錯環的滑移：注重柏氏向量的應用。
b 攀移：刃型位錯在垂直於滑移面方向上的運動。
機制：原子面下端原子的擴散――位錯隨半原子面的上下移動而上下運動。
分類：正攀移（原子面上移、空位加入）/負攀移（原子面下移、原子加入）。
應力的作用：（半原子面側）壓應力有利於正攀移，拉應力有利於負攀移。
作用在位錯上的力（單位距離上）
滑移：f=τb；
攀移：f=σb。
6 位錯的應變能與線張力
單位長度位錯的應變能：W=αGb2。
（α＝0。5~1。0， 螺位錯取下限，刃位錯取上限。）
位錯是不平衡的缺陷。
（商增不能抵銷應變能的增加。）
位錯的線張力：T=αGb2。
保持位錯彎曲所需的切應力：τ＝Gb/2r。
7 位錯的應力場及其與其它缺陷的作用
應力場
螺位錯：τ＝Gb/2πr。（只有切應力分量。）
刃位錯：表示式（式1－9）
晶體中：滑移面以上受壓應力，滑移面以下受拉應力。
滑移面：只有切應力。
位錯與位錯的互動作用
f=τb ，f=－σb
（刃位錯）
。
同號相互排斥，異號相互吸引。（達到能量最低狀態。）
位錯與溶質原子的相互作用
間隙原子聚集於位錯中心，使體系處於低能態。
柯氏氣團：溶質原子在位錯線附近偏聚的現象。
位錯與空位的互動作用
導致位錯攀移。
8 位錯的增殖、塞積與交割
位錯的增殖：F-R源。
位錯的塞積
分佈：逐步分散。
位錯受力：切應力作用在位錯上的力、位錯間的排斥力、障礙物的阻力。
位錯的交割
位錯交割後結果：按照對方位錯柏氏向量（變化方向和大小）。
割階：位錯交割後的臺階不位於它原來的滑移面上。
扭折：――――――――位於―――――――――。
對效能影響：增加位錯長度，產生固定割階。
9 位錯反應
位錯反應：位錯的分解與合併。
反應條件
幾何條件：∑b前=∑b後；反應前後位錯的柏氏向量之和相等。
能量條件：∑b2前>∑b2後； 反應後位錯的總能量小於反應前位錯的總能量。
10 實際晶體中的位錯
（1）全位錯：通常把柏氏向量等於點陣向量的位錯稱為全位錯或單位位錯。
（實際晶體中的典型全位錯如表1－7所示）
（2）不全位錯：柏氏向量小於點陣向量的位錯。
（實際晶體中的典型不全位錯如表1－7所示）
肖克萊和弗蘭克不全位錯。
肖克萊不全位錯的形成：原子運動導致區域性錯排，錯排區與完整晶格區的邊界線即為肖克萊不全位錯。（結合位錯反應理解。可為刃型、螺型或混合型位錯。）
弗蘭克不全位錯的形成：在完整晶體中區域性抽出或插入一層原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）
堆垛層錯與擴充套件位錯
堆垛層錯：晶體中原子堆垛次序中出現的層狀錯排。
擴充套件位錯：一對不全位錯及中間夾的層錯稱之。
三 面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力學和物理化學效能具有重要影響。
1 晶界
晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的介面。
分類
大角度晶界：晶粒位向差大於10度的晶界。其結構為幾個原子範圍
內的原子的混亂排列，可視為一個過渡區。
小角度晶界：晶粒位向差小於10度的晶界。其結構為位錯列，又分
為對稱傾側晶界和扭轉晶界。
亞晶界：位向差小於1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯結構。
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：相鄰兩個相之間的介面。
分類：共格、半共格和非共格相界。
3 表面
表面吸附：外來原子或氣體分子在表面上富集的現象。
分類
物理吸附：由分子鍵力引起，無選擇性，吸附熱小，結合力小。
化學吸附：由化學鍵力引起，有選擇性，吸附熱大，結合力大。
4 介面特性
介面能會引起介面吸附。
介面上原子擴散速度較快。
對位錯運動有阻礙作用。
易被氧化和腐蝕。
原子的混亂排列利於固態相變的形核。
第二章 固體中的相結構
合金與相
1 合金
（1）合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經一定方法合成的具有金屬特性的物質。
（2）組元：組成合金最基本的物質。（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：材料中結構相同、成分和效能均一的組成部分。（如單相、兩相、多相合金。）
（2）相的分類
固溶體：晶體結構與其某一組元相同的相。含溶劑和溶質。
中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結構與組成組元均不相同的相。
第一節 固溶體
按溶質原子位置不同，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限固溶體。
按溶質原子分佈不同，可分為無序固溶體和有序固溶體。
1 置換固溶體
置換固溶體：溶質原子位於晶格點陣位置的固溶體。
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△r<15%時，有利於大量互溶。
b 晶體結構因素
結構相同，溶解度大，有可能形成無限固溶體。
c 電負性因素
電負性差越小，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，與溶劑晶體結構有關。一價面心立方金屬為1。36，一價體心立方金屬為1。48。
（上述四個因素並非相互獨立，其統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：原子半徑和溶劑結構。
溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。
3 固溶體的結構
晶格畸變。
偏聚與有序：完全無序、偏聚、部分有序、完全有序。
4 固溶體的效能
固溶體的強度和硬度高於純組元，塑性則較低。
固溶強化：由於溶質原子的溶入而引起的強化效應。
柯氏氣團
有序強化
第二節 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 正常價化合物
形成：電負性差起主要作用，符合原子價規則。
鍵型：隨電負性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、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，不符合原子價規則。
（2）鍵型：金屬鍵（金屬－金屬）。
（3）組成：電子濃度對應晶體結構，可用化學式表示，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。
結構
簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現新結構，非金屬原子位於其間隙，結構簡單。
複雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結構複雜。
（3）組成：可用化學式表示，可形成固溶體，複雜間隙化合物的金屬元素可被置換。
4 拓撲密堆相
形成：由大小原子的適當配合而形成的高密排結構。
組成：AB2。
5 金屬化合物的特性
力學效能：高硬度、高硬度、低塑性。
物化效能：具有電學、磁學、聲學性質等，可用於半導體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。
第三節 陶瓷晶體相
1 陶瓷材料簡介
（1）分類：
結構陶瓷
（利用其力學效能）：強度（葉片、活塞）、韌性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。
功能陶瓷
（利用其物理效能）
精細功能陶瓷：導電、氣敏、溼敏、生物、超導陶瓷等。
功能轉換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。
結合鍵：離子鍵、共價鍵。
矽酸鹽陶瓷：主要是離子鍵結合，含一定比例的共價鍵。可用分子式表示
其組成。
2 矽酸鹽陶瓷的結構特點與分類
結構特點
a 結合鍵與結構：主要是離子鍵結合，含一定比例的共價鍵。矽位於氧四面體的間隙。
b 每個氧最多被兩個多面體共有。氧在兩個四面體之間充當橋樑作用，稱為氧橋。
結構分類
a 含有限Si-O團的矽酸鹽，包括含孤立Si-O團和含成對或環狀Si-O團兩類。
b 鏈狀矽酸鹽：Si-O團共頂連線成一維結構，又含單鏈和雙鏈兩類。
c 層狀矽酸鹽：Si-O團底面共頂連線成二維結構。
d 骨架狀矽酸鹽：Si-O團共頂連線成三維結構。
第四節 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分子質量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。
（2）分類
按相對分子質量：分為低分子聚合物（<5000）和高分子聚合物（>5000）。
按組成物質：分為有機聚合物和無機聚合物。
2 化學組成
（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：組成大分子的結構單元。
聚合度n：大分子鏈中鏈節的重複次數。
3 高分子化合物的合成
加聚反應
a 概念：由一種或多種單體相互加成而連線成聚合物的反應。（其產物為聚合物）
b 組成：與單體相同。反應過程中沒有副產物。
c 分類
均聚反應：由一種單體參與的加聚反應。
共聚反應：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應。
縮聚反應
a 概念：由一種或多種單體相互混合而連線成聚合物，同時析出某種低分子化合物的反應。
b 分類
均縮聚反應：由一種單體參加的縮聚反應。
共縮聚反應：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應。
4 高分子化合物的分類
按效能與用途：塑膠、橡膠、纖維、膠黏劑、塗料等。
按生成反應型別：加聚物、縮聚物。
按物質的熱行為：熱塑性塑膠和熱固性塑膠。
5 高分子化合物的結構
高分子鏈結構（鏈內結構，分子內結構）
a 化學組成
b 單體的連線方式
均聚物中單體的連線方式：頭－尾連線、頭－頭或尾－尾相連、無軌連線。
共聚物中單體的連線方式：
無軌共聚：ABBABBABA
交替共聚：ABABABAB
嵌段共聚：AAAABBAAAABB
接枝共聚：AAAAAAAAAAA
B B
B B
B B
c 高分子鏈的構型（按取代基的位置與排列規律）
全同立構：取代基R全部處於主鏈一側。
間同立構：取代基R相間分佈在主鏈兩側。
無軌立構；取代基R在主鏈兩側不規則分佈。
d 高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。
高分子的聚集態結構（鏈間結構、分子間結構）
無定形結構、部分結晶結構、結晶型結構 （示意圖）
6高分子材料的結構與效能特點
易呈非晶態。
彈性模量和強度低。
容易老化。
密度小。
化學穩定性好。
第五節 玻璃相
1 結構：長程無序、短程有序
連續無軌網路模型。
無規密堆模型。
無軌則線團模型。
2 效能
各向同性。
無固定熔點。
高強度、高耐蝕性、高導磁率（金屬）。
第三章 凝固與結晶
凝固：物質從液態到固態的轉變過程。若凝固後的物質為晶體，則稱之為結晶。
凝固過程影響後續工藝效能、使用效能和壽命。
凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。
第一節 材料結晶的基本規律
1 液態材料的結構
結構：長程有序而短程有序。
特點（與固態相比）：原子間距較大、原子配位數較小、原子排列較混亂。
2 過冷現象
過冷：液態材料在理論結晶溫度以下仍保持液態的現象。（見熱分析實驗圖）
過冷度：液體材料的理論結晶溫度（Tm） 與其實際溫度之差。
△T=Tm-T （見冷卻曲線）
注：過冷是凝固的必要條件（凝固過程總是在一定的過冷度下進行）。
3 結晶過程
結晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）
描述結晶程序的兩個引數
形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數量。用N表示。
長大速度：晶核生長過程中，液固介面在垂直介面方向上單位時間內遷移的距離。用G表示。
第二節 材料結晶的基本條件
1 熱力學條件
（1）G-T曲線（圖3－4）
a 是下降曲線：由G-T函式的一次導數（負）確定。
dG/dT=-S
b 是上凸曲線：由二次導數（負）確定。
d2G/d2T=-Cp/T
c 液相曲線斜率大於固相：由一次導數大小確定。
二曲線相交於一點，即材料的熔點。
（2）熱力學條件
△Gv=－Lm△T/Tm
a △T>0， △Gv<0－過冷是結晶的必要條件（之一）。
b △T越大， △Gv越小－過冷度越大，越有利於結晶。
c △Gv的絕對值為凝固過程的驅動力。
2 結構條件
結構起伏（相起伏）：液態材料中出現的短程有序原子集團的時隱時現現象。是結晶的必要條件（之二）。
第三節 晶核的形成
均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內無軌則均勻形成。
非均勻形核：新相晶核依附於其它物質擇優形成。
1 均勻形核
晶胚形成時的能量變化
△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。
臨界過冷度
rk=-2σTm/Lm△T
臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度。△Tk。
△ T≥△Tk是結晶的必要條件。
（4）形核功與能量起伏
△Gk＝Skσ/3
臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功。
能量起伏：系統中微小區域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現象。（是結晶的必要條件之三）。
（5）形核率與過冷度的關係
N=N1。N2 （圖3－11，12）
由於N受N1。N2兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關係。
2 非均勻形核
模型：外來物質為一平面，固相晶胚為一球冠。
自由能變化：表示式與均勻形核相同。
臨界形核功
計算時利用球冠體積、表面積表示式，結合平衡關係σlw=σsw+σslcosθ計算能量變化和臨界形核功。
△Gk非/△Gk=（2-3cosθ+cos3θ）/4
a θ=0時，△Gk非＝0，雜質本身即為晶核；
b 180>θ>0時， △Gk非<△Gk， 雜質促進形核；
cθ=180時，△Gk非＝△Gk， 雜質不起作用。
影響非均勻形核的因素
a 過冷度：（N-△T曲線有一下降過程）。（圖3－16）
b 外來物質表面結構：θ越小越有利。點陣匹配原理：結構相似，點陣常數相近。
c 外來物質表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）
第四節 晶核的長大
1 晶核長大的條件
動態過冷
動態過冷度：晶核長大所需的介面過冷度。（是材料凝固的必要條件）
足夠的溫度
合適的晶核表面結構。
2 液固介面微結構與晶體長大機制
粗糙介面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金從來可的介面）：垂直長大。
光滑介面（微觀光滑、宏觀粗糙－無機化合物或亞金屬材料的介面）：二維晶核長大、依靠缺陷長大。
3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態
正溫度梯度（液體中距液固介面越遠，溫度越高）
粗糙介面：平面狀。
光滑介面：臺階狀。
（2）負溫度梯度（液體中距液固介面越遠，溫度越低）
粗糙介面：樹枝狀。
光滑介面：樹枝狀－臺階狀。
第五節 凝固理論的應用
1 材料鑄態晶粒度的控制
Zv=0。9（N/G）3/4
提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導熱能力，適用於小件。
化學變質處理。促進異質形核，阻礙晶粒長大。
振動和攪拌。輸入能力，破碎枝晶。
2 單晶體到額製備
基本原理：保證一個晶核形成並長大。
製備方法：尖端形核法和垂直提拉法。
3 定向凝固技術
原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。
製備方法。
4 急冷凝固技術
非晶金屬與合金
微晶合金。
準晶合金。
第四章 二元相圖
相：（概念回顧）
相圖：描述系統的狀態、溫度、壓力及成分之間關係的圖解。
二元相圖：
第一節 相圖的基本知識
1 相律
相律：熱力學平衡條件下，系統的組元數、相數和自由度數之間的關係。
表示式：f=c-p+2； 壓力一定時，f=c-p+1。
應用
可確定系統中可能存在的最多平衡相數。如單元系2個，二元系3個。
可以解釋純金屬與二元合金的結晶差別。純金屬結晶恆溫進行，二元合金變溫進行。
2 相圖的表示與建立
狀態與成分表示法
狀態表示：溫度－成分座標系。座標系中的點－表象點。
成分表示：質量分數或摩爾分數。
相圖的建立
方法：實驗法和計算法。
過程：配製合金－測冷卻曲線－確定轉變溫度－填入座標－繪出曲線。
相圖結構：兩點、兩線、三區。
3 槓桿定律
平衡相成分的確定（根據相率，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）
數值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。
注意：只適用於兩相區；三點（支點和端點）要選準。
第二節 二元勻晶相圖
1 勻晶相同及其分析
勻晶轉變：由液相直接結晶出單相固溶體的轉變。
勻晶相圖：具有勻晶轉變特徵的相圖。
相圖分析（以Cu-Ni相圖為例）
兩點：純組元的熔點；
兩線：L， S相線；
三區：L， α， L+α。
2 固溶體合金的平衡結晶
平衡結晶：每個時刻都能達到平衡的結晶過程。
平衡結晶過程分析
① 冷卻曲線：溫度－時間曲線；
② 相（組織）與相變（各溫區相的型別、相變反應式，槓桿定律應用。）；
③ 組織示意圖；
④ 成分均勻化：每時刻結晶出的固溶體的成分不同。
與純金屬結晶的比較
相同點：基本過程：形核－長大；
熱力學條件：⊿T>0；
能量條件：能量起伏；
結構條件：結構起伏。
② 不同點：合金在一個溫度範圍內結晶（可能性：相率分析，必要性：成分均勻化。）
合金結晶是選分結晶：需成分起伏。
3 固溶體的不平衡結晶
原因：冷速快（假設液相成分均勻、固相成分不均勻）。
結晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；
結晶的溫度範圍增大；
組織多為樹枝狀。
成分偏析：晶內偏析：一個晶粒內部化學成分不均勻現象。
枝晶偏析：樹枝晶的枝幹和枝間化學成分不均勻的現象。
（消除：擴散退火，在低於固相線溫度長時間保溫。）
4 穩態凝固時的溶質分佈
（1）穩態凝固：從液固介面輸出溶質速度等於溶質從邊界層擴散出去速度的凝固過程。
（2）平衡分配係數：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質濃度的比值。
k0=Cs/Cl
（3）溶質分佈：液、固相內溶質完全混合（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。
區域熔鍊（上述溶質分佈規律的應用）
5 成分過冷及其對晶體生長形態的影響
成分過冷：由成分變化與實際溫度分佈共同決定的過冷。
形成：介面溶質濃度從高到低－液相線溫度從低到高。
（圖示：溶質分佈曲線－勻晶相圖－液相線溫度分佈曲線－實際溫度分佈曲線－成分過冷區。）
（3）成分過冷形成的條件和影響因素
條件：G/R 合金固有引數：m， k0； 實驗可控引數：G， R。 （4）成分過冷對生長形態的影響 （正溫度梯度下）G越大，成分過冷越大－生長形態：平面狀－胞狀－樹枝狀。 第三節 二元共晶相圖及合金凝固 共晶轉變：由一定成分的液相同時結晶出兩個一定成分固相的轉變。 共晶相圖：具有共晶轉變特徵的相圖。 （液態無限互溶、固態有限互溶或完全不溶，且發生共晶反應。 共晶組織：共晶轉變產物。（是兩相混合物） 1 相圖分析（相圖三要素） 點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點（是亞共晶、過共晶成分分界點）等。 線：結晶開始、結束線；溶解度曲線；共晶線等。 區：3個單相區；3個兩相區；1個三相區。 2 合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例） Wsn<19％的合金 ① 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 ② 二次相（次生相）的生成：脫溶轉變（二次析出或二次再結晶）。 ③ 室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。 共晶合金 ① 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 共晶線上兩相的相對量計算。 室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對量計算。 亞共晶合金 ① 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 ② 共晶線上兩相的相對量計算。 ③ 室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。 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不同本質和形態的部分。 組織圖：用組織組成物填寫的相圖。 3 不平衡結晶及其組織 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：不平衡結晶。成分位於共晶點附近。 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、過共晶組織。（偽共晶區偏移） 不平衡共晶 不平衡共晶：位於共晶線以外成分的合金發生共晶反應而形成的組織。 原因：不平衡結晶。成分位於共晶線以外端點附件。 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，成分位於共晶線上兩端點附近。 不平衡條件下，成分位於共晶線外兩端點附。 消除：擴散退火。 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－促進生長 兩相交替分佈 共晶組織 共晶體的形態 粗糙－粗糙介面 ：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數量明顯少於另一相） 粗糙 － 平滑介面 ：具有不規則或複雜組織形態（由於兩相微觀結構不同） 所需動態過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大。可得到球狀、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。 非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網狀的共晶體。 初生晶的形態： 金屬固溶體：粗糙介面－樹枝狀；非金屬相：平滑介面－規則多面體。 第四節 二元包晶相圖 包晶轉變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉變。 包晶相圖：具有包晶轉變特徵的相圖。 1 相圖分析 點、線、區。 2 平衡結晶過程及其組織 包晶合金的結晶 結晶過程：包晶線以下，L， α對β過飽和－介面生成β－三相間存在濃度梯度－擴散－β長大－全部轉變為β。 室溫組織：β或β＋αⅡ。 成分在C-D之間合金的結晶 結晶過程：α剩餘； 室溫組織：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。 3 不平衡結晶及其組織 異常α相 導致包晶偏析〔包晶轉變要經β擴散。包晶偏析：因包晶轉變不能充分進行而導致的成分不均勻現象。〕 異常β相 由不平衡包晶轉變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點附件。 4 包晶轉變的應用 組織設計：如軸承合金需要的軟基體上分佈硬質點的組織。 晶粒細化。 第五節 其它型別的二元相圖 自學內容 第六節 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律 ①相鄰相區的相數差1（點接觸除外）－相區接觸法則； ②三相區的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點。 ③若兩個三相區中有2個相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區。 ④單相區邊界線的延長線應進入相鄰的兩相區。 相圖分析步驟 ①以穩定的化合物分割相圖； ②確定各點、線、區的意義； ③分析具體合金的結晶過程及其組織變化 注：虛線、點劃線的意義－尚未準確確定的資料、磁學轉變線、有序－無序轉變線。 相圖與合金效能的關係 根據相圖判斷材料的力學和物理效能 根據相圖判斷材料的工藝效能 鑄造效能：根據液固相線之間的距離X X越大，成分偏析越嚴重（因為液固相成分差別大）； X越大，流動性越差（因為枝晶發達）； X越大，熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區大）。 塑性加工效能：選擇具有單相固溶體區的合金。 熱處理效能：選擇具有固態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：16個。 線：兩條磁性轉變線；三條等溫轉變線；其餘三條線：GS，ES，PQ。 區：5個單相區，7個兩相區，3個三相區。 相圖標註：相組成物標註的相圖。 組織組成物標註的相圖。 3 合金分類：工業純鈦（C%<0。0218%）、碳鋼（0。0218 （C%>2。11%） 4平衡結晶過程及其組織 典型合金（7種）的平衡結晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。 重要問題：Fe3CⅠ， Fe3CⅡ， Fe3CⅢ 的意義及其最大含量計算。 Ld-Ld`轉變。 二次槓桿的應用。 5 含碳量對平衡組織和效能的影響 對平衡組織的影響（隨C%提高） 組織：α＋Fe3CⅢ Ld`＋Fe3CⅠ； 相：α減少，Fe3C增多； Fe3C形態：Fe3CⅢ（薄網狀、點狀） 共析Fe3C（層片狀） Fe3CⅡ（網狀） 共晶Fe3C（基體） Fe3CⅠ（粗大片狀）。 對力學效能的影響 強度、硬度升高，塑韌性下降。 對工藝效能的影響 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，有固態相變。 第七節 相圖的熱力學解釋 圖示講解 第八節 鑄錠組織及其控制 1 鑄錠組織 鑄錠三區：表層細晶區、柱狀晶區、中心等軸晶區。 組織控制：受澆鑄溫度、冷卻速度、化學成分、變質處理、機械振動與攪拌等因素影響。 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：外來夾雜和內生夾雜。 氣孔：析出型和反應型。 縮孔和疏鬆 形成：凝固時體積縮小－補縮不足－形成縮孔。 分類：集中縮孔（縮孔、縮管）和分散縮孔（疏鬆，枝晶骨架相遇，封閉液體，造成補縮困難形成。） 第五章 三元相圖 第一節 總論 1 三元相圖的主要特點 是立體圖形，主要由曲面構成； 可發生四相平衡轉變； 一、二、三相區為一空間。 2 成分表示法－成分三角形（ 等邊 、等腰、直角三角形） 已知點確定成分； 已知成分確定點。 3 成分三角形中特殊的點和線 三個頂點：代表三個純組元； 三個邊上的點：二元系合金的成分點； 平行於某條邊的直線：其上合金所含由此邊對應頂點所代表的組元的含量一定。 透過某一頂點的直線：其上合金所含由另兩個頂點所代表的兩組元的比值恆定。 4 平衡轉變的型別 （1）共晶轉變：L0 T αa+βb+γc； （2）包晶轉變：L0＋αa+βb T γc； 包共晶轉變：L0＋αa T βb+γc； 還有偏共晶、共析、包析、包共析轉變等。 5 共線法則與槓桿定律 共線法則：在一定溫度下，三元合金兩相平衡時，合金的成分點和兩個平衡相的成分點必然位於成分三角形的同一條直線上。（由相率可知，此時系統有一個自由度，表示一個相的成分可以獨立改變，另一相的成分隨之改變。） 槓桿定律：用法與二元相同。 兩條推論 給定合金在一定溫度下處於兩相平衡時，若其中一個相的成分給定，另一個相的成分點必然位於已知成分點連線的延長線上。 若兩個平衡相的成分點已知，合金的成分點必然位於兩個已知成分點的連線上。 6 重心定律 在一定溫度下，三元合金三相平衡時，合金的成分點為三個平衡相的成分點組成的三角形的質量重心。（由相率可知，此時系統有一個自由度，溫度一定時，三個平衡相的成分是確定的。） 平衡相含量的計算 ：所計算相的 成分點 、 合金成分點 和二者連線的延長線與對邊的 交點 組成一個槓桿。合金成分點為支點。計算方法同槓桿定律。 第二節 三元勻晶相圖 1 相圖分析 點：Ta， Tb， Tc-三個純組元的熔點； 面：液相面、固相面； 區：L， α， L+α。 2 三元固溶體合金的結晶規律 液相成分沿液相面、固相成分沿固相面，呈蝶形規律變化。 （立體圖不實用） 3 等溫介面（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個相區：L， α， L+α； 2條相線：L1L2， S1S2（共軛曲線）； 若干連線線：可作為計算相對量的槓桿（偏向低熔 點組元；可用合金成分點與頂點的連線近似代替）。 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 經平行於某條邊的直線做垂直面獲得； 經透過某一頂點的直線做垂直面獲得。 結晶過程分析 成分軸的兩端不一定是純組元； 注意 液、固相線不一定相交； 不能運用槓桿定律（液、固相線不是成分變化線）。 5 投影圖 等溫線投影圖：可確定合金結晶開始、結束溫度。 全方位投影圖：勻晶相圖不必要。 第三節 三元共晶相圖 一 組元在固態互不相溶的共晶相圖 相圖分析 點：熔點；二元共晶點；三元共晶點。 兩相共晶線 液相面交線 線：EnE 兩相共晶面交線 液相單變數線 液相區與兩相共晶面交線 液相面 固相面 面： 兩相共晶面 三元共晶面 兩相區：3個 區： 單相區：4個 三相區：4個 四相區：1個 等溫截面 應用：可確定平衡相及其成分；可運用槓桿定律和重心定律。 是直邊三角形 三相平衡區 兩相區與之線接 （水平截面與稜柱面交線） 單相區與之點接 （水平截面與稜邊的交點，表示三 個平衡相成分。） 變溫截面 應用：分析合金結晶過程，確定組織變化 侷限性：不能分析成分變化。（成分在單變數線上，不在垂直截面上） 合金結晶過程分析； （4）投影圖 相組成物相對量計算（槓桿定律、重心定律） 組織組成物相對量計算（槓桿定律、重心定律） 二 組元在固態有限溶解的共晶相圖 （1）相圖分析 點：熔點；二元共晶點；三元共晶點。 兩相共晶線 液相面交線 線：EnE 兩相共晶面交線 液相單變數線 液相區與兩相共晶面交線 固相單變數線 液相面 固相面：由勻晶轉變結束面、兩相共晶結束面、三相共晶結束面組成。 面： 兩相共晶面 三元共晶面 溶解度曲面：6個 兩相區：6個 區： 單相區：4個 三相區：4個 四相區：1個 （2）等溫截面 應用：可確定平衡相及其成分；可運用槓桿定律和重心定律。 是直邊三角形 三相平衡區 兩相區與之線接 （水平截面與稜柱面交線） 單相區與之點接 （水平截面與稜邊的交點，表示三 個平衡相成分。） 相率相區的相數差1； 相區接觸法則：單相區/兩相區曲線相接； 兩相區/三相區直線相接。 變溫截面 3個三相區 共晶相圖特徵：水平線 1個三相區 三相共晶區特徵：曲邊三角形。 應用：分析合金結晶過程，確定組織變化 侷限性：不能分析成分變化。（成分在單變數線上，不在垂直截面上） 合金結晶過程分析； （4）投影圖 相組成物相對量計算（槓桿定律、重心定律） 組織組成物相對量計算（槓桿定律、重心定律） 第四節 三元相圖總結 立體圖：共軛曲面。 1 兩相平衡 等溫圖：兩條曲線。 立體圖：三稜柱，稜邊是三個平衡相單變數線。 2 三相平衡 等溫圖：直邊三角形，頂點是平衡相成分點。 垂直截面：曲邊三角形，頂點不代表成分 根據參加反應相：後生成。 包、共晶轉變判斷 根據居中單相區：上共下包。 3 四相平衡 立體圖中的四相平衡 共晶轉變 型別： 包共晶轉變 包晶轉變 與4個單相區點接觸； 相區鄰接（四相平衡面） 與6個兩相區線接觸； 與4個三相區面接觸。 共晶轉變：上3下1（三相區）； 反應型別判斷（以四相平衡面為界） 包共晶轉變：上2下2； 包晶轉變：上1下3。 變溫截面中的四相平衡 四相平衡區：上下都有三相區鄰接。 條件：鄰接三相區達4時； 判斷轉變型別 型別：共晶、包共晶、包晶。 投影圖中的四相平衡 根據12根單變數判斷； 根據液相單變數判斷 共晶轉變 包共晶轉變 包晶轉變 4 相區接觸法則 相鄰相區的相數差1（各種截面圖適用）。 5 應用舉例 第六章 固體中的擴散 第一節 概述 1 擴散的現象與本質 擴散：熱啟用的原子透過自身的熱振動克服束縛而遷移它處的過程。 現象：柯肯達爾效應。 本質：原子無序躍遷的統計結果。（不是原子的定向移動）。 2 擴散的分類 根據有無濃度變化 自擴散：原子經由自己元素的晶體點陣而遷移的擴散。（如純金屬或 固溶體的晶粒長大。無濃度變化。） 互擴散：原子透過進入對方元素晶體點陣而導致的擴散。（有濃度變化） 根據擴散方向 下坡擴散：原子由高濃度處向低濃度處進行的擴散。 上坡擴散：原子由低濃度處向高濃度處進行的擴散。 根據是否出現新相 原子擴散：擴散過程中不出現新相。 反應擴散：由之導致形成一種新相的擴散。 3 固態擴散的條件 溫度足夠高； 時間足夠長； 擴散原子能固溶； 具有驅動力：化學位梯度。 第二節 擴散定律 1 菲克第一定律 （1）第一定律描述：單位時間內透過垂直於擴散方向的某一單位面積截面的擴散物質流量（擴散通量J）與濃度梯度成正比。 （2）表示式：J=-D（dc/dx）。（C－溶質原子濃度；D-擴散係數。） （3）適用條件：穩態擴散，dc/dt=0。濃度及濃度梯度不隨時間改變。 2 菲克第二定律 一般：¶C/¶t=¶（D¶C/¶x）/ ¶x 二維： （1）表示式 特殊：¶C/¶t=D¶2C/¶x2 三維： ¶C/¶t=D（¶2/¶x2+¶2/¶y2+¶2/¶z2）C 穩態擴散：¶C/¶t=0，¶J/¶x=0。 （2）適用條件： 非穩態擴散：¶C/¶t≠0，¶J/¶x≠0（¶C/¶t=－¶J/¶x）。 3 擴散第二定律的應用 誤差函式解 適用條件：無限長棒和半無限長棒。 表示式：C=C1－（C1-C2）erf（x/2√Dt） （半無限長棒）。 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 C x =Cp-A0sin（πx/λ） Cp：平均成分；A0：振幅Cmax- Cp；λ：枝晶間距的一半。 對於均勻化退火，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 擴散的微觀機理與現象 1 擴散機制 間隙－間隙； （1）間隙機制 平衡位置－間隙－間隙：較困難； 間隙－篡位－結點位置。 （間隙固溶體中間隙原子的擴散機制。） 方式：原子躍遷到與之相鄰的空位； （2）空位機制 條件：原子近旁存在空位。 （金屬和置換固溶體中原子的擴散。） 直接換位 換位機制 環形換位 （所需能量較高。） 2 擴散程度的描述 原子躍遷的距離 R=√Гt r R： 擴散距離；Г：原子躍遷的頻率（在一定溫度下恆定）；r：原子一次躍遷距離（如一個原子間距）。 擴散係數 D=α2PГ 對於立方結構晶體P=1/6， 上式可寫為 D=α2Г/6 P為躍遷方向機率；α是常數，對於簡單立方結構α＝a； 對於面向立方結構α＝√2a/2； α＝√3a/2。 擴散啟用能 擴散啟用能Q：原子躍遷時所需克服周圍原子對其束縛的勢壘。 間隙擴散擴散啟用能與擴散係數的關係 D=D0exp（-Q/RT） D0：擴散常數。 空位擴散啟用能與擴散係數的關係 D=D0exp（-△E/kT） △E=△Ef（空位形成功）+△Em（空位遷移啟用能）。 3擴散的驅動力與上坡擴散 （1）擴散的驅動力 對於多元體系，設n為組元i的原子數，則在等溫等壓條件下，組元i原子的自由能可用化學位表示： μi=¶G/¶ni 擴散的驅動力為化學位梯度，即 F=- ¶μi /¶x 負號表示擴散驅動力指向化學位降低的方向。 （2）擴散的熱力學因子 組元i的擴散係數可表示為 Di=KTBi （1+ ¶ lngi/¶ lnxi） 其中，（1+ ¶ lngi/¶ lnxi） 稱為熱力學因子。當（1+ ¶ lngi/¶ lnxi）<0 時， DI <0，發生上坡擴散。 （3）上坡擴散 概念：原子由低濃度處向高濃度處遷移的擴散。 驅動力：化學位梯度。 其它引起上坡擴散的因素： 彈性應力的作用－大直徑原子跑向點陣的受拉部分，小直徑原子跑向點陣的受壓部分。 晶界的內吸附：某些原子易富集在晶界上。 電場作用：大電場作用可使原子按一定方向擴散。 4 反應擴散 反應擴散：有新相生成的擴散過程。 相分佈規律：二元擴散偶中不存在兩相區，只能形成不同的單相區； 三元擴散偶中可以存在兩相區，不能形成三相區。 第四節 影響擴散的主要因素 1 溫度 D=D0exp（-Q/RT） 可以看出，溫度越高，擴散係數越大。 2 原子鍵力和晶體結構 原子鍵力越強，擴散啟用能越高；緻密度低的結構中擴散係數大（舉例：滲碳選擇在奧氏體區進行）；在對稱性低的結構中，可出現明顯的擴散各向異性。 3 固溶體型別和組元濃度的影響 間隙擴散機制的擴散啟用能低於置換型擴散；提高組元濃度可提高擴散係數。 4 晶體缺陷的影響 （缺陷能量較高，擴散啟用能小） 空位是空位擴散機制的必要條件； 位錯是空隙管道，低溫下對擴散起重要促進作用； 介面擴散－（短路擴散）：原子介面處的快速擴散。 如對銀：Q表面=Q晶界/2=Q晶內/3 5 第三組元的影響 如在鋼中加入合金元素對碳在g中擴散的影響。 強碳化物形成元素，如W， Mo， Cr，與碳親和力大，能顯著組織碳的擴散； 弱碳化物形成元素，如Mn，對碳的擴散影響不大； 固溶元素，如Co， Ni， 提高碳的擴散係數；Si降低碳的擴散係數。 第七章 塑性變形 第一節 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：在切應力作用下，晶體的一部分相對於另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產生相對位移，且不破壞晶體內部原子排列規律性的塑變方式。 光鏡下：滑移帶（無重現性）。 2滑移的表象學 電境下：滑移線。 3 滑移的晶體學 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：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。 滑移系的個數：（滑移面個數）×（每個面上所具有的滑移方向的個數） 典型滑移系 晶體結構 滑移面 滑移方向 滑移係數目 常見金屬 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； 滑移係數目與材料塑性的關係： 與滑移面密排程度和滑移方向個數有關； 與同時開動滑移係數目有關（tc）。 （3）滑移的臨界分切應力（tc） tc：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。 外力在滑移方向上的分解。 tc取決於金屬的本性，不受j，l的影響； j或l＝90°時，ss ¥； tc＝sscosjcosl ss的取值 j，l＝45°時，ss最小，晶體易滑移； 軟取向：值大； 取向因子：cosjcosl 硬取向：值小。 （4）位錯運動的阻力 派－納力：tP-N=［2pG/（1- v） ］exp{-2pa/［（1- v ）b］} 主要取決於位錯寬度、結合鍵本性和晶體結構。 4 滑移時晶體的轉動 （1）位向和晶面的變化 拉伸時，滑移面和滑移方向趨於平行於力軸方向 （力軸方向不變） 壓縮時，晶面逐漸趨於垂直於壓力軸線。 幾何硬化：j，l遠離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（>2）滑移繫上同時或交替進行的滑移。 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：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。 螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉移到與之相交的另一滑移面的過程； 機制 螺位錯的雙交滑移：交滑移後的螺位錯再轉回到原滑移面的過程。 單滑移：單一方向的滑移帶； （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：在切應力作用下，晶體的一部分相對於另一部分沿一定的晶面和晶向發生均勻切變並形成晶體取向的鏡面對稱關係。 孿生面 A1{111}， A2{112}， A3{1012} （2）孿生的晶體學 孿生方向 A1<112>，A2<111>， A3<1011> 孿晶區 （3）孿生變形的特點 滑移 孿生 相同點 1 均勻切變；2 沿一定的晶面、晶向進行；不改變結構。 不同點 晶體位向 不改變（對拋光面觀察無重現性）。 改變，形成鏡面對稱關係（對拋光面觀察有重現性） 位移量 滑移方向上原子間距的整數倍，較大。 小於孿生方向上的原子間距，較小。 對塑變的貢獻 很大，總變形量大。 有限，總變形量小。 變形應力 有一定的臨界分切壓力 所需臨界分切應力遠高於滑移 變形條件 一般先發生滑移 滑移困難時發生 變形機制 全位錯運動的結果 分位錯運動的結果 第二節 多晶體的塑性變形 1 晶粒之間變形的傳播 位錯在晶界塞積 應力集中 相鄰晶粒位錯源開動 相鄰晶粒變形 塑變 2 晶粒之間變形的協調性 原因：各晶粒之間變形具有非同時性。 要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導致晶體分裂） 條件：獨立滑移系³5個。（保證晶粒形狀的自由變化） 3 晶界對變形的阻礙作用 晶界的特點：原子排列不規則；分佈有大量缺陷。 晶界對變形的影響：滑移、孿生多終止於晶界，極少穿過。 晶粒大小與效能的關係 a 晶粒越細，強度越高（ 細晶強化 ：由下列霍爾－配奇公式可知） ss=s0+kd-1/2 原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制） 晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中 導致的開裂機會減少，可承受更大的變 形量，表現出 高塑性 。 b 晶粒越細，塑韌性提高 細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易 萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂 過程中可吸收較多能量，表現出 高韌性 。 第三節 合金的塑性變形 一 固溶體的塑性變形 1 固溶體的結構 2 固溶強化 （1）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現象。 晶格畸變，阻礙位錯運動； （2）強化機制 柯氏氣團強化。 （3）屈服和應變時效 現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴充套件）。 預變形和時效的影響：去載後立即載入不出現屈服現象；去載後放置一段時間或200℃加熱後再加載出現屈服。 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。 固溶強化的影響因素 溶質原子含量越多，強化效果越好； 溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好； …………………價電子數差越大，強化效果越好； 間隙式溶質原子的強化效果高於置換式溶質原子。 二 多相合金的塑性變形 1 結構：基體＋第二相。 2 效能 兩相效能接近：按強度分數相加計算。 軟基體＋硬第二相 第二相網狀分佈於晶界（二次滲碳體）； a結構 兩相呈層片狀分佈（珠光體）； 第二相呈顆粒狀分佈（三次滲碳體）。 彌散強化：位錯繞過第二相粒子（粒子、位錯環阻礙位錯運動） b強化 沉澱強化：位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動） 第四節 塑性變形對材料組織和效能的影響 一 對組織結構的影響 晶粒拉長； 1 形成纖維組織 雜質呈細帶狀或鏈狀分佈。 2 形成形變織構 （1）形變織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶粒呈擇優取向的組織。 絲織構 ：某一晶向趨於與拔絲方向平行。（拉拔時形成） （2）常見型別 板織構 ：某晶面趨於平行於軋製面，某晶向趨於平行於主 變形方向。（軋製時形成） 力學效能：利：深衝板材變形控制；弊：制耳。 （3）對效能的影響：各向異性 物理效能：矽鋼片<100>織構可減少鐵損。 3 形成位錯胞 變形量 位錯纏結 位錯胞（大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。） 二 對效能的影響 1對力學效能的影響（加工硬化） （1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象。 強化金屬的重要途徑； 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，動力消耗增大； 脆斷危險性提高。 2 對物理、化學效能的影響 導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降； 結構缺陷增多，擴散加快； 化學活性提高，腐蝕加快。 三 殘餘應力（約佔變形功的10％） 第一類殘餘應力（sⅠ）：宏觀內應力，由整個物體變形不均勻引起。 1 分類 第二類殘餘應力（sⅡ）：微觀內應力，由晶粒變形不均勻引起。 第三類殘餘應力（sⅢ）：點陣畸變，由位錯、空位等引起。80-90%。 利：預應力處理，如汽車板簧的生產。 2 利弊 弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。 3 消除：去應力退火。 第八章 回覆與再結晶 第一節 冷變形金屬在加熱時的組織與效能變化 一 回覆與再結晶 回覆：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化，但其物理、力學效能卻部分恢復到冷變形以前的過程。 再結晶：冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消除的過程。 二 顯微組織變化（示意圖） 回覆階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化； 再結晶階段：變形晶粒透過形核長大，逐漸轉變為新的無畸變的等軸晶粒。 晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩定的形狀和尺寸。 三 效能變化 1 力學效能（示意圖） 回覆階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再結晶階段：強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。 晶粒長大階段：強度、硬度繼續下降，塑性繼續提高，粗化嚴重時下降。 2 物理效能 密度：在回覆階段變化不大，在再結晶階段急劇升高； 電阻：電阻在回覆階段可明顯下降。 四 儲存能變化（示意圖） 1 儲存能：存在於冷變形金屬內部的一小部分（～10％）變形功。 彈性應變能（3～12％） 2 存在形式 位錯（80～90％） 是回覆與再結晶的驅動力 點缺陷 3儲存能的釋放：原子活動能力提高，遷移至平衡位置，儲存能得以釋放。 五 內應力變化 回覆階段：大部分或全部消除第一類內應力，部分消除第二、三類內應力； 再結晶階段：內應力可完全消除。 第二節 回覆 一 回覆動力學（示意圖） 1 加工硬化殘留率與退火溫度和時間的關係 ln（ x0/x ）= c0t exp（ -Q/RT ） x0 –原始加工硬化殘留率； x －退火時加工硬化殘留率； c0 －比例常數； t －加熱時間； T －加熱溫度。 2 動力學曲線特點 （1）沒有孕育期； （2）開始變化快，隨後變慢； （3）長時間處理後，效能趨於一平衡值。 二 回覆機理 移至晶界、位錯處 1 低溫回覆：點缺陷運動 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） 異號位錯相遇而抵銷 2 中溫回覆：位錯滑移 位錯纏結重新排列 位錯密度降低 （0。2~0。3Tm） 亞晶粒長大 3 高溫回覆：位錯攀移（＋滑移） 位錯垂直排列（亞晶界） 多邊化（亞 （0。3~0。5Tm）晶粒） 彈性畸變能降低。 三 回覆退火的應用 去應力退火：降低應力（保持加工硬化效果），防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。 第三節 再結晶 亞晶合併形核 亞晶長大形核機制 亞晶界移動形核（吞併其它亞晶或變形部分） 1 形核 （變形量較大時） 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） 驅動力：畸變能差 2 長大 方式：晶核向畸變晶粒擴充套件，直至新晶粒相互接觸。 注：再結晶不是相變過程。 二 再結晶動力學（示意圖） 再結晶速度與溫度的關係 v 再＝ A exp（- QR/RT ） 規律 開始時再結晶速度很小，在體積分數為0。5時最大，然後減慢。 三 再結晶溫度 1 再結晶溫度：經嚴重冷變形（變形量>70%）的金屬或合金，在1h內能夠完成再結晶的（再結晶體積分數>95%）最低溫度。 高純金屬：T再＝（0。25~0。35）Tm。 2 經驗公式 工業純金屬：T再＝（0。35~0。45）Tm。 合金：T再＝（0。4~0。9）Tm。 注：再結晶退火溫度一般比上述溫度高100～200℃。 變形量越大，驅動力越大，再結晶溫度越低； 3影響因素 純度越高，再結晶溫度越低； 加熱速度太低或太高，再結晶溫度提高。 四 影響再結晶的因素 1 退火溫度。溫度越高，再結晶速度越大。 2 變形量。變形量越大，再結晶溫度越低；隨變形量增大，再結晶溫度趨於穩定；變形量低於一定值，再結晶不能進行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大；晶界越多，有利於形核。 4 微量溶質元素。阻礙位錯和晶界的運動，不利於再結晶。 5 第二分散相。間距和直徑都較大時，提高畸變能，並可作為形核核心，促進再結晶；直徑和間距很小時，提高畸變能，但阻礙晶界遷移，阻礙再結晶。 五 再結晶晶粒大小的控制（晶粒大小－變形量關係圖） 再結晶晶粒的平均直徑 d=k［G/N］1/4 1 變形量（圖）。存在臨界變形量，生產中應避免臨界變形量。 2 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大，形核位置越多，使晶粒細化。 3 合金元素和雜質。增加儲存能，阻礙晶界移動，有利於晶粒細化。 4 溫度。變形溫度越高，回覆程度越大，儲存能減小，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。 六 再結晶的應用 恢復變形能力 改善顯微組織 再結晶退火 消除各向異性 提高組織穩定性 再結晶溫度：T再＋100～200℃。 第四節 晶粒長大 驅動力：介面能差； 長大方式：正常長大；異常長大（二次再結晶） 一 晶粒的正常長大 1正常長大：再結晶後的晶粒均勻連續的長大。 2 驅動力：介面能差。介面能越大，曲率半徑越小，驅動力越大。 晶界趨於平直 3 晶粒的穩定形狀 晶界夾角趨於120℃ 二維座標中晶粒邊數趨於6 4 影響晶粒長大的因素 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，降低晶粒長大速率。一般有晶粒穩定尺寸d和第二相質點半徑r、體積分數 j 的關係： d=4r/3j 雜質與合金元素。降低介面能，不利於晶界移動。 晶粒位向差。小角度晶界的介面能小於大角度晶界，因而前者的移動速率低於後者。 二 晶粒的異常長大 1 異常長大：少數再結晶晶粒的急劇長大現象。 釘扎晶界的第二相溶於基體 2 機制 再結晶織構中位向一致晶粒的合併 大晶粒吞併小晶粒 各向異性 織構明顯 最佳化磁導率 3 對組織和效能的影響 晶粒大小不均 效能不均 降低強度和塑韌性 晶粒粗大 提高表面粗糙度 三 再結晶退火的組織 1 再結晶圖。退火溫度、變形量與晶粒大小的關係圖。（圖） 2再結晶織構。再結晶退火後形成的織構。退火可將形變織構消除，也可形成新織構。 3 退火孿晶。再結晶退火後出現的孿晶。是由於再結晶過程中因晶界遷移出現層錯形成的。 第五節 金屬的熱變形 一 動態回覆與動態再結晶 1 動態回覆：在塑變過程中發生的回覆。 2 動態再結晶：在塑變過程中發生的再結晶。 包含亞晶粒，位錯密度較高 特點 反覆形核，有限長大，晶粒較細 應用：採用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲 得細小晶粒。 二 金屬的熱加工 冷加工：在再結晶溫度以下的加工過程。發生加工硬化。 1 加工的分類 熱加工：在再結晶溫度以上的加工過程。硬化、回覆、再結晶。 2 熱加工溫度：T再 3 熱加工後的組織與效能 改善鑄錠組織。氣泡焊合、破碎碳化物、細化晶粒、降低偏析。提高強度、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佈。 效能：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。 影響：各向異性。 消除：避免在兩相區變形、減少夾雜元素含量、採用高溫擴散退火或正火。 4熱加工的優點 可持續大變形量加工。 動力消耗小。 提高材料質量和效能 三 超塑性 1 超塑性：某些材料在特定變形條件下呈現的特別大的延伸率。 2條件：晶粒細小、溫度範圍（0。5~0。65Tm）、應變速率小（1～0。01%/s）。 3 本質：多數觀點認為是由晶界的滑動和晶粒的轉動所致。 第九章 固態相變 概述 一 固態相變的特點 介面能增加 1相變阻力大 額外彈性應變能：比體積差 固態相變 擴散困難（新、舊相化學成分不同時） 困難 2 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學位向關係 * 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… 介面型別 半共格… 為降低介面能，形成共格、半共格介面 位向關係 非共格… 3 慣習現象 * 新相沿 特定的晶向 在母相 特定晶面 上形成。 慣習方向 （母相）慣習面 原因：沿應變能最小的方向和介面能最低的介面發展。 4 母相晶體缺陷促進相變 點… 缺陷型別 線… 晶格畸變、自由能高，促進形核及相變。 面… （思考：晶粒細化對相變的影響） 5 易出現過渡相 * 固態相變阻力大，直接轉變困難 協調性中間產物（過渡相） g a＋Fe3C a+（3Fe+C） 例 g M a +Fe3C 二 固態相變的分類 1 按相變過程中原子遷移情況 （1）擴散型：依靠原子的長距離擴散；相介面非共格。 （如珠光體、奧氏體轉變，Fe，C都可擴散。） （2）非擴散型：舊相原子有規則地、協調一致地透過切變轉移到新相中；相介面共格、原子間的相鄰關係不變；化學成分不變。 （如馬氏體轉變，Fe，C都不擴散。） （3）半擴散型：既有切變，又有擴散。 （如貝氏體轉變，Fe切變，C擴散。） 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，也可擇優形成。大多數固態相變屬於此類。 （2）無核相變：無形核階段，以成分起伏作為開端，新舊相間無明顯介面，如調幅分解。 3 按熱力學函式變化分類 （1）一級相變：相變時兩相的化學位相等，而化學位對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、昇華、熔化以及大多數固態晶型轉變屬於此類。 （2）二級相變：相變時兩相的化學位相等，化學位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相等的相變。沒有相變潛熱和體積改變，有比容、壓縮係數、膨脹係數變化，如磁性轉變、有序－無序轉變、超導轉變等屬於此類。 三 常見固態相變型別 相變名稱 相變特徵 同素異構轉變 同一種元素透過形核與長大發生晶體結構的變化 多型性轉變 合金中晶體結構的變化 脫溶轉變 過飽和固溶體脫溶分解出亞穩定或穩定的第二相 共析轉變 一個固相轉變為兩個結構不同的固相 包析轉變 兩個不同結構的固相轉變為一個新的固相，組織中一般有某相殘餘 馬氏體轉變 新舊相之間成分不變、切變進行、有嚴格位向關係、有浮凸效應 貝氏體轉變 兼具馬氏體和擴散轉變的特點，藉助鐵的切變和碳的擴散進行 調幅分解 非形核轉變，固溶體分解成結構相同但成分不同的兩相 有序化轉變 合金元素原子從無規則排列到有規則排列，擔結構不變。 第二節 固態相變的形核與長大 一 均勻形核（能量條件） 1 形核時的能量變化 相變驅動力 （1）化學自由能（體積自由能，△Gv） △Gv～T曲線 隨成分變化 相變阻力 （2）介面能（s，Ss） 取決於介面結構 △T越大，晶核越小，Ss大 共格/半共格 （與過冷度有關） △T越小，晶核越大，Ss小 非共格 相變阻力 （3）應變能（e，Ve） 共格應變能：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 不同晶體缺陷對形核的作用 能量高，降低△GK （1）晶界形核 結構混亂，降低e 易擴散、偏析，利於擴散相變 新相/母相形成共格、半共格介面降低介面能 母相晶粒1 非共格介面 母相晶粒2 共格或半共格介面 新相生成處位錯消失，能力釋放，提高驅動力 （2）位錯形核 ……位錯不消失，可作為半共格介面的形成部分 易於發生偏聚，有利於成分起伏 易於擴散，有利於發生擴散型相變 促進擴散 （3）空位形核 新相生成處空位消失，提供能量 空位群可凝結成位錯 （在過飽和固溶體的脫溶析出過程中，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－晶體缺陷導致系統降低的能量。 三 晶核的長大 1 長大機制 切變長大 （1）半共格介面 臺階式長大 原子直接遷移 （2）非共格介面 原子遷移至新相臺階端部 2 新相長大速度 新相生成時無成分變化（有結構、有序度變化） 介面控制長大 u=dnexp（-Q/kT）［1-exp（-△Gv/kT）］ 新相生成時有成分變化 （2）擴散控制長大 u=dx/dt=（¶ Cb/¶x）D/（Cb-Ca） （3）相變動力學 ff=1-exp（-btn） 第十章 金屬材料 工業用鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金構成了國民經濟建設所必須的全部金屬材料。儘管高分子材料、陶瓷材料和複合材料的應用日益廣泛，但金屬材料仍然是應用最廣泛、用量最大的工程材料。隨著現代工業的發展和科學技術的進步，對金屬材料的效能要求會越來越高，新型金屬材料將會不斷出現。 10。1 基本要求 10。1。1 工業用鋼 1。熟悉鋼的分類和編號，能鑑別鋼號。 2。熟悉合金元素在鋼中的作用和典型鋼號中合金元素的作用。 3。掌握常用工業用鋼的化學成分、熱處理特點（或使用狀態）、使用態組織、主 要效能特點及應用。 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、組織、效能特點及應用。 3。瞭解鑄鐵的熱處理特點及常用熱處理工藝。 10。1。3 有色金屬及其合金 1。熟悉鋁合金的分類和編號、鋁合金的時效強化、典型鋁合金的組織與效能特 點。 2。熟悉銅合金的分類和編號、瞭解黃銅的組織及效能特點。 10。2 內容提要 10。2。1 重要名詞 合金元素……………………………………alloying element 結構鋼………………………………………construction steel 工具鋼………………………………………tool steel 不鏽鋼………………………………………stainless steel 奧氏體不鏽鋼………………………………austenitic stainless steel 回火穩定性…………………………………temper stability 二次硬化……………………………………secondary hardening 調質鋼………………………………………quenched and tempered steel 滲碳鋼………………………………………carburized steel 彈簧鋼………………………………………spring steel 滾動軸承鋼…………………………………ball-bearing steel 高速鋼………………………………………high-speed steel 熱模具鋼……………………………………hot die steel 晶間腐蝕……………………………………intergranular corrosion 耐熱鋼………………………………………heat-resisting steel 耐磨鋼………………………………………wear-resisting steel 時效強化……………………………………age hardening 10。2。2 工業用鋼 1。鋼的分類和編號。 2。合金元素在鋼中的作用。 （1）合金元素對基本相的影響。 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化鐵素體，若含量適當，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，它們的穩定性、硬度、耐磨性均高於滲碳體，而聚集長大的傾向比滲碳體小。 （2）合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響。 凡是擴大γ區的元素均擴大奧氏體區，使A1、A3降低。當合金元素含量達到一定值時，奧氏體區將擴大到室溫，得到奧氏體鋼。 凡是縮小γ區的元素均縮小奧氏體，使A1、A3升高。當合金元素含量達到一定值時，奧氏體區將消失，得到鐵素體鋼。 合金元素加入鋼中，會使S點和E點向左移動。S向左移動意味著共析點的含量下降；E點向左移動意味著出現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律和平衡組織，從而改變了性 能。 （3）合金元素對鋼加熱轉變的影響 ①除Mn、Ni外，大多數合金元素升高臨界點，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的保溫時間。 ②除Mn、P、N外，大多數合金元素都能細化奧氏體晶粒，從而改善強度和韌 性。 （4）合金元素對鋼冷卻轉變的影響。 除Co外，大多數合金元素溶入奧氏體中後，能增加奧氏體的穩定性，使C曲線向右移動，提高鋼的淬透性。另外，還會降低Ms點，增加殘餘奧氏體量。 （5）合金元素對回火轉變的影響。 ①合金元素提高回火穩定性，有利於提高綜合力學效能。 ②含Cr、Ｍn、Ni等元素的合金鋼會產生第二類回火脆性，而Mo和W有抑制和減輕第二類回火脆性的傾向。 ③某些高合金鋼會產生二次硬化現象。 3．結構鋼 按用途，結構鋼可分為兩大類：工程結構鋼和機械結構鋼。 碳素結構鋼 工程結構鋼 低合金結構鋼 滲碳鋼 調質鋼 機械結構鋼 彈簧鋼 滾動軸承鋼 常用結構鋼的主要效能要求、化學成分、典型牌號、最終熱處理或使用狀態、組織見表10-1。 表10-1 常用結構鋼 鋼種 工程結構鋼 滲碳鋼 調質鋼 彈簧鋼 滾動軸承鋼 用途舉例 橋樑、船體、容器 汽車、拖拉機變速齒輪 機床主軸機床齒輪連桿螺栓 彈簧、各類彈性元件 滾動軸承部件 主要效能要求 較高的剛度、強度，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度 良好的綜合力學效能，足夠的淬透性，有時要求表面耐磨 高的彈性極限和屈強比，高的疲勞極限，足夠的塑性、韌性 高的接觸疲勞強度，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、BV、Ti、W、Mo Cr、Mn、Si W、V、 CrMn、Si 典型牌號 Q235 Q345（16Mn） 2020Cr20CrMnTi18CrZNi4WA 4540Cr40CrNiMo38CrMoAlA T8A65Mn60SiZMn50CrVA GCr15GCr15SiMn 最終熱處理 一般為熱軋空冷狀態 滲碳、淬火，低溫回火 ①調質處理②調質+表面淬火低溫回火 一般為淬火中溫回火 淬火低溫回火 使用態組織 一般為鐵素體+索氏體 表層：回火馬氏體+碳化物+殘餘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+殘餘奧氏體 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。常用工具鋼的化學成分、典型牌號、最終熱處理、組織、效能特點和用途舉例見表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 T7（A）-12（A） 9SiCrCrWMn W18Cr4VW6Mo5Cr4V2 Cr12Cr12MoV 5CrNiMo5CrMnMo 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 一般採用淬火、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+細小碳化物+殘餘奧氏體 回火馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體 回火馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體 回火屈氏體或回火索氏體 主要效能特點 高硬度和耐磨性，淬透性差，紅硬性差，淬火變形開裂傾向大。 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。特殊效能鋼 特殊效能鋼可分為三大類：不鏽鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。 （1）不鏽鋼 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，形成緻密的鈍化膜。 C、加Cr、Ni等，使其形成單相組織。 ②典型馬氏體不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼見表10-3。 （2）耐熱鋼 ①耐熱性 耐熱性是指高溫抗氧化性和熱強性（高溫強度），熱強性用蠕變極限（σ6000。1/1000）和持久強度（σ7001000）來表徵。 ②提高耐熱性的途徑 A、加Cr、Si、Al，形成緻密的氧化膜，提高高溫抗氧化性。 B、透過加合金元素提高原子間結合力，提高再結晶溫度、減慢原子的擴散、增加 組織的穩定性來提高熱強性。 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烈摩擦、衝擊或巨大壓力時，表現出良好耐磨性的鋼種。 典型耐磨鋼是高錳鋼，牌號為ZGMn13，其化學成分、熱處理、組織、效能特點及用途舉例見表10-3。 表10-3 特殊效能鋼 鋼種 馬氏體不鏽鋼 奧氏體不鏽鋼 耐磨鋼 典型牌號 1Cr132Cr13 3Cr134Cr13 1Cr18Ni91Cr18Ni9Ti 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 效能特點 較好的耐蝕性，較高的強度和韌性 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，不能淬火強化，強度較低，有時產生晶間腐蝕 在受到強烈摩擦、衝擊和巨大壓力時表現出良好的耐磨性和韌性 用途舉例 結構零件，如汽輪機葉片等 醫療器械、刃具等 化工焊接件、耐酸容器、鍋爐汽輪機耐熱構件等 拖拉機履帶、挖掘機鏟齒、鐵路道叉 11。2。3 鑄鐵 1。鑄鐵的分類 2。鑄鐵的石墨化 （1）鑄鐵的石墨化過程 第一階段包括從液態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變過程中形成的石墨。 （2）鑄鐵的石墨化程度與組織的關係見表10-4。 表10-4 共晶鑄鐵的石墨化程度與組織的關係 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。石墨對鑄鐵效能的影響 石墨一方面破壞了基體的連續性，減少了實際承載面積；另一方面石墨邊緣 會造成應力集中，形成斷裂源。因此鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性都比鋼低。 片狀石墨對基體削弱作用和應力集中程度最大，而球狀石墨對基體的削弱作 用和應力程度較小。 石墨的數量、大小和分佈對鑄鐵效能也有顯著影響。 4。常用普通鑄鐵的牌號、組織、效能特點和用途舉例見表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，基體強度利用率高，因而熱處理強化效果好，可進行多種熱處理來提高效能。常用熱處理有：退火、正火、調質處理和等溫淬火等。 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 （2）鋁合金的時效強化 表10-5 常用普通鑄鐵的牌號、組織、效能特點及用途舉例 種類 牌號表示方法 組織 效能特點 用途舉例 灰口鑄鐵 HT××× α+片狀石墨α+片狀石墨Pα+P+片狀石墨 抗拉強度、塑性韌性低，抗壓強度高。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 機床床身底座、工作臺等 可鍛鑄鐵 KHT××× -××KTZ ××× -×× α+團絮狀石墨P+團絮狀石墨 比灰口鑄鐵具有較高的抗拉強度、塑性和韌性 汽車後橋外殼、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度、屈服強度、屈強比和更好的塑性、韌性，熱處理強化效果好。 可製造負荷較大、受力複雜的機器零件，如柴油機曲軸、連桿、齒輪、缸套等 蠕墨鑄鐵 RuT ××× 石墨呈蠕蟲狀 效能介於基體組織相同的灰鐵和球鐵之間 柴油機缸蓋、氣缸套、機床床身、液壓閥等 （3）簡單矽鋁明的成分、組織、效能特點及用途 2。銅及其合金 （1）銅合金的分類和編號 （2）單相黃銅與雙相黃銅的成分、組織、效能特點及用途 3。軸承合金 （1）軸承合金的效能要求和組織要求 （2）zchSnSb11-6的組織特點、效能特點及用途 （3）20高錫鋁基軸承合金的組織特點、效能特點及用途。 10。3 重點和難點 10。3。1 重點 工業用鋼，包括： 1。鋼號的鑑別：根據鋼的牌號判斷鋼的類別、碳和合金元素的大致含量。 2。典型鋼號中合金元素的作用。 3。各類鋼的化學成分、常用熱處理或使用狀態、使用態組織、主要效能特點和用途舉例。 4。根據工件的工作條件和效能要求選用合適的鋼種。 10。3。2 難點 1。鋼的合金化原理 2。鋁合金的時效強化機理 3。內容“零碎”，不易記憶 10。4 學習方法指導 1。根據鋼的牌號判斷鋼的類別時，可按下列步驟： （1）先看牌號中有無特殊標誌，如T12中的“T”、GCr15中的“G”。 （2）再判斷是否屬於特殊效能鋼，如1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9、ZGMn13等。 （3）根據含碳量的表示方法區分是屬於結構鋼還是工具鋼。如果含碳量用兩位 數字表示，則可確定該鋼屬於結構鋼。如果含碳量用一位數字表示或未標數字，則可確定該鋼屬於工具鋼。 （4）結構鋼中，可根據含碳量的多少判斷是滲碳鋼、調質鋼還是彈簧鋼。有些不易分清的可重點記憶。 （5）工具鋼中，含碳量若為中碳，則屬於熱模具鋼；否則就是刃具鋼或冷模具鋼。 2。工業用鋼類別多，內容“零碎”，不易記憶。為解決此問題，可從兩個方面： 一方面進行歸納總結，將“零碎”的內容要條理化；另一方面先按下面的思路進行理解，在理解的基礎上再加以記憶。 含碳量 化學成分的選擇→ 合金元素 典型件的工作條件→效能要求→ 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習本課程的主要目的之一。透過討 論，不僅使學生對鋼的熱處理、工業用鋼等內容加深理解，而且也使學生在綜合運用所學的知識去分析解決問題方面得到一次訓練。 9。5。1 討論目的 1。熟悉鋼的分類和編號，學會根據鋼的牌號來判斷鋼的類別、碳和合金元素的 大致含量。 2。熟悉典型鋼號中合金元素的作用。 3。進一步理解和掌握各類鋼的工作條件和效能要求、化學成分、最終熱處理或 使用狀誠、使用態組織和用途。 9。5。2 討論題 1。試判斷下列牌號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。說明下列鋼號中合金元素的主要作用 40Cr 20CrMnTi GCr15SiMn W18Cr4V 1Cr13 1Cr18Ni9 CrWMn 40CrNiMo 3．判斷下列牌號的鋼屬於何類鋼（按用途分）？指出各類鋼常用的最終熱處理或使用狀態、使用態組織、主要效能特點和用途。 Q235 20Cr 20CrMnTi 45 ZGMn13 40CrNiMo 65 60Si2Mn 65Mn GCr15 GCr15SiMn T12 9SiCr CrWMn W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 5CrNiMo 1Cr13 3Cr13 1Cr18Ni9 4．根據下面所列出的化學成分，寫出鋼的牌號，並指出其常用最終熱處理、使用 態組織、主要效能特點和用途。 5。欲製造車床主軸、機床變速齒輪、汽車變速齒輪、汽車板簧、軸承滾珠、高速車刀、熱鍛模，試問上述零件或工具各應選用何種材料？寫出其牌號。在製造過程中各需經過何種最終熱處理？熱處理後得到何種組織？ 6。滲碳鋼適宜製作何種工作條件下的零件？為什麼滲碳鋼均為低碳？滲碳後為什 麼還要淬火、低溫回火？ 7。調質鋼適宜製作何種工作條件下的零件？為什麼調質鋼均為中碳？ 8。比較結構鋼和工具鋼的合金化特點和熱處理特點。 9。W18Cr4V鋼中，W、Cr、V的主要作用是什麼？該鋼為什麼是萊氏體鋼？為什麼 空冷就可獲得馬氏體組織？其最終熱處理為何要採用高溫淬火+560℃三次回火？ 10。判斷下列說法是否正確，並說明理由。 （1）GCr15鋼中，Wcr=15% （2）熱模具鋼屬於工具鋼，所以它一定是高碳鋼。 （3）奧氏體不鏽鋼不能透過淬火來強化。 （4）4Cr13屬於過共析鋼。 （5）ZGMn13是耐磨鋼，在任何條件下都會表現出良好的耐磨性。 （6）σ6000。1/1000表示耐熱鋼的持久強度。 （7）調質鋼製造零件過程中，必須要經過調質處理。 （8）可鍛鑄鐵可以鍛造。 （9）變形鋁合金都能時效強化，而鑄造鋁合金都不能時效強化。 （10）青銅是指銅和錫的合金。 綜合題一：材料的結構 1 談談你對材料學科和材料科學的認識。 2 金屬鍵與其它結合鍵有何不同，如何解釋金屬的某些特性？ 3 說明空間點陣、晶體結構、晶胞三者之間的關係。 4 晶向指數和晶面指數的標定有何不同？其中有何須注意的問題？ 5 畫出三種典型晶胞結構示意圖，其表示符號、原子數、配位數、緻密度各是什麼？ 6 碳原子易進入a-鐵，還是b-鐵，如何解釋？ 7 研究晶體缺陷有何意義？ 8 點缺陷主要有幾種？為何說點缺陷是熱力學平衡的缺陷？ 9 位錯概念是在什麼背景下提出的？其易動性是如何實現的？ 10 試述位錯的性質。 11 試述博士向量的意義。 12 與位錯有關的三個力的表示式各是什麼？簡述其求解原理。 13 柯氏氣團是如何形成的？它對材料行為有何影響？ 14 晶體中的介面有何共性？它對材料行為有何影響？ 綜合題二：凝固、相結構與相圖 1 簡述合金相的分類，固溶體與純金屬相比，有何結構、效能特點？ 2 固溶體與純金屬的結晶有何異同？ 3 試述勻晶系不平衡結晶的過程（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晶組織及其形成原因。 5 試述含碳量對平衡組織和效能的影響（相含量、形態的變化）。 6說明 三元相圖的水平截面、垂直截面及投影圖的應用。 7 分析兩種合金平衡冷卻過程，指出其室溫組織。 8 指出Fe-Fe3C相圖中適合鍛造、鑄造、冷塑變、熱處理加工的成分範圍，說明原因。 9 什麼是過冷？為何說過冷是凝固的必要條件？ 10分析介面結構和溫度梯度對晶體生長形態的影響。 11根據凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑。 12 判斷不同溫度下晶核半徑與自由能變化關係曲線。 13 畫圖說明成分過冷的形成，成分過冷對晶體生長形狀有何影響？ 14 常見的鑄錠缺陷有哪些？ 15 液態金屬凝固時需要過冷，那麼固態金屬熔化時是否需要過熱？為什麼？ 16 談談你所瞭解的凝固新技術及其應用。 綜合題三：擴散、塑變與再結晶 1 可不可以說擴散定律實際上只有一個，為什麼？ 2 滲碳為什麼在奧氏體中而不在鐵素體中進行？ 3 在研究純鐵滲碳時，通常假定滲碳氣氛的滲碳能力足以使奧氏體的溶碳量達到飽和，且滲碳開始工件表面可迅速獲得一個恆定的表面濃度CS， 此濃度在整個過程中維持不變。 結合Fe-Fe3C相圖，分別畫出純鐵在930℃和800℃滲碳時，滲碳鐵棒的成分－距離曲線示意圖。 選擇溫度低於727℃，能否達到滲碳的目的，為什麼？ 4 試分析材料強化常用的方法、機制及適用條件。 5 為何晶粒越細、材料的強度越高，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。 8 某面心立方晶體的可動滑移係為（111）［110］。 指出引起滑移的單位位錯的博士向量。 若滑移是由純刃型位錯引起的，試指出位錯線的方向。 若滑移是由純螺型位錯引起的，試指出位錯線的方向。 指出在上述（2）、（3）兩種情況下滑移時位錯線的滑移方向。 9 若單晶體銅的表面恰為（100） ，假設晶體可以在各個滑移繫上進行滑移，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，它們的組織結構有何變化？ 11根據形變金屬退火後晶粒尺寸與變形量關係示意圖， 將一鍥形銅片置於間距恆定的兩軋輥間軋製，畫出此銅片經完全再結晶後晶粒大小沿片長方向變化示意圖。 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程中的組織與效能變化。 13 繪出第六章內容結構框圖。 14 繪出第七章內容結構框圖。 15繪出第八章內容結構框圖。 綜合題四：固態相變與新型材料 1 固態相變與凝固兩過程有何異同？ 2 說明固態相變比液態材料結晶阻力大的原因。 3 說明晶體缺陷促進固態相變形核的原因。 4 描述脫溶轉變的相變過程，並建立它與馬氏體回火轉變過程的聯絡。 5 再結晶和調幅分解是相變過程嗎，為什麼？ 6 分析調幅分解的熱力學條件。 7 試述馬氏體高強度、高硬度的原因。 8 列表說明下列內容。 形成條件 相變型別 組成相 亞結構 效能特點 形貌特徵 P P T S M 板條M 片狀M B B上 B下 9 畫圖說明A-M轉變。 10 談談你對組織結構、加工工藝、化學成分和效能四者之間的關係。 11 簡述複合材料增強原理。 12 簡述複合材料介面結合型別，如何改善介面結合狀態。 13 採用一定的方法（框圖法、分枝法等）說明本書各章內容之間的聯絡。 一、名詞解釋 金屬鍵； 結構起伏； 固溶體； 枝晶偏析； 奧氏體； 加工硬化； 離異共晶； 成分過冷； 熱加工； 反應擴散 二、畫圖 1在簡單立方晶胞中繪出（ ）、（210）晶面及［ 、［210］晶向。 2結合Fe-Fe3C相圖，分別畫出純鐵經930℃和800℃滲碳後，試棒的成分－距離曲線示意圖。 3如下圖所示，將一鍥形銅片置於間距恆定的兩軋輥間軋製。試畫出軋製後銅片經再結晶後晶粒大小沿片長方向變化的示意圖。 4畫出簡單立方晶體中（100）面上柏氏向量為［010］的刃型位錯與（001）面上柏氏向量為［010］的刃型位錯交割前後的示意圖。 5畫圖說明成分過冷的形成。 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水平線上發生何種反應並寫出反應式。 3計算相圖中二次滲碳體和三次滲碳體可能的最大含量。 四、簡答題 1已知某鐵碳合金，其組成相為鐵素體和滲碳體，鐵素體佔82%，試求該合金的含碳量和組織組成物的相對量。 2什麼是單滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移線各有什麼特徵，如何解釋？。 3設原子為剛球，在原子直徑不變的情況下，試計算g-Fe轉變為a-Fe時的體積膨脹率；如果測得910℃時g-Fe和a-Fe的點陣常數分別為0。3633nm和0。2892nm，試計算g-Fe轉變為a-Fe的真實膨脹率。 4間隙固溶體與間隙化合物有何異同？ 5可否說擴散定律實際上只有一個？為什麼？ 五、論述題 結合右圖所示的 τC （晶體強度）— ρ 位錯密度 關係曲線，分析強化金屬材料的方法及其機制。 六、拓展題 1 畫出一個刃型位錯環及其與柏士向量的關係。 2用金相方法如何鑑別滑移和孿生變形？ 3 固態相變為何易於在晶體缺陷處形核？ 4 畫出面心立方晶體中（225）晶面上的原子排列圖。
