材料物理、材料化學(xué)、金屬材料專業(yè)用講義

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

韓志范

重慶大學(xué)材料學(xué)院

E-mail:hanzhifan@163.com

2007.3

緒論

一、材料和材料科學(xué)

1、材料就是構(gòu)成（制造）物品的原材料

在我們的生活領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、科技（軍事、生物工程、航天等）領(lǐng)域應(yīng)

用了各種材料：陶瓷、金屬及其合金、高分子及復(fù)合材料。

特別是一些新材料：

?高分子功能材料（有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)高分子材料）

手機(jī)天線、智能凝膠、電子聚合物、液晶、隱身材料.....

?納米材料與納米連接體生物材料

?功能陶瓷材料（壓電、鐵電、磁壓、氣敏、壓敏、濕敏、熱敏.....）

制造一套（臺(tái)）機(jī)器需要很多種材料，例如：

一艘現(xiàn)代化航空母艦使用了2000種材料，一輛坦克用約200種材料，

一輛汽車約用100種材料。

為什么要如此選擇（不同的）材料呢？簡(jiǎn)言之：為了利用材料的不同性

能（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、生物性能、、、、、）。

例如：半導(dǎo)體材料（Si,Ge,SiC,GaAs,GaN,等等）用來(lái)制造各類電子元器

件，激光器（二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、發(fā)光器件、邏輯集成電路等元器

件）。太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體制冷設(shè)備等。

紅外材料（Si,Ge,,GaAs,ZnSe,VO2等等）用來(lái)制造紅外元器件，夜視儀,

激光元器件，紅外隱身裝備等。

磁性材料（合金系列，鐵氧體系列，高分子聚合物系列等）用于電磁動(dòng)

能轉(zhuǎn)換，信息儲(chǔ)存，相控陣?yán)走_(dá)元器件，電磁耦合控制元器件，法拉第效應(yīng)

元器件（光路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等），磁制冷技術(shù)設(shè)備等。

生物材料的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

觸媒材料的化工工程應(yīng)用，環(huán)保技術(shù)應(yīng)用（無(wú)機(jī)，有機(jī)生物提取物等）。

各類金屬與合金，非金屬與其“合金”服役于（應(yīng)用于）各類機(jī)器設(shè)備。

那么，是否只要選擇相同的材料集合（群體）便得到了相同的性

能集合呢？否！

例一；我國(guó)仿造汽車的歷史：材料選擇一樣（成分化驗(yàn)易做到），另部件幾何尺寸一樣（精密測(cè)繪

與精密加工可保證），但壽命低。其原因在于關(guān)鍵另部件的性能差別造成整機(jī)使用壽命差別。

例二；同樣的單晶硅片，制造工藝不同，則CPU的運(yùn)算速度不同。

、、、、、、

可見(jiàn)，相同的材料采用不同的加工工藝（非單純的機(jī)加工）其性能不同。

而不同的材料采用不同的加工工藝（非單純的機(jī)加工）其某些性能可相

同。例如，不同的材料可處理成硬度相同，以便車床切削............上

述事例說(shuō)明下列概念：

⑸、材料科學(xué)是“關(guān)于材料的一門(mén)學(xué)問(wèn)”。材料科學(xué)是以材料為研究

對(duì)象的學(xué)問(wèn)。是研究物質(zhì)原子不同的積聚狀態(tài)與對(duì)應(yīng)性能的學(xué)問(wèn)。

G）、材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容

材料的各種外在性能是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（積聚狀態(tài)）的本質(zhì)反映；

蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)

所以，材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是:

物質(zhì)的聚集狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)性能關(guān)系

貫穿于從認(rèn)識(shí)材料到使用材料的全過(guò)程。

④、關(guān)于材料科學(xué)的哲學(xué)問(wèn)題

A、歷史學(xué)家的觀點(diǎn)：材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志和里程碑。推

動(dòng)和制約人類文明發(fā)展的重要因素是材料科學(xué)。

B、人類歷史劃分為：石器、青銅器、鐵器時(shí)代；、、、

C、材料科學(xué)的發(fā)展史

從宏觀到微觀，從初級(jí)到高級(jí)，層層深入發(fā)展。

材料科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了科技進(jìn)步；科技進(jìn)步又促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展o

觀測(cè)手段的提高和豐富促進(jìn)了理論的發(fā)展，理論又指導(dǎo)人們制造出各種各

樣的新材料。有些材料是大自然中不曾有過(guò)的。

例如：NC、CNB、AIN、TiN、、、、、、、

高分子（有機(jī)、無(wú)機(jī)）材料、、、、、、。

材料科學(xué)的發(fā)展，不僅源自其本身，而且亦源自相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。（物

理、化學(xué)、物理化學(xué)、量子力學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程、等。所以說(shuō)：材料科學(xué)

是以材料為研究對(duì)象的多學(xué)科性科學(xué)。（P1）

二、材料的分類

從生物醫(yī)學(xué)到個(gè)工業(yè)科技領(lǐng)域材料的種類很多；分類方法多樣化，可按

用途、狀態(tài)、性能、化學(xué)成分與結(jié)合鍵的特點(diǎn)等方法。本教材側(cè)重于金屬及

其合金材料。例如，工程材料分類如下：

「有色金屬（輕、重、貴、稀散、放射）

[1、金屬材料黑色金屬（鐵、鎰、銘）

工程材料\「高分子（有機(jī)、無(wú)機(jī)）

，2、非金屬材料J

L無(wú)機(jī)非金屬

「金屬—金屬

3、復(fù)合材料J

金屬----非金屬

三、材料的應(yīng)用和發(fā)展

科技門(mén)類繁多，（醫(yī)療、化工、冶金、車輛、軍事等），發(fā)展方向各有

特點(diǎn)。對(duì)材料的種類及其性能的要求不斷增加。

例如：1、醫(yī)療設(shè)備的生物性能（抗血凝、、、、）

2、軍事裝備的隱形

3、金剛石表面金屬化

4、燃料電池

5、催化、防腐

6、環(huán)保（空氣及水凈化、殺菌等）

第一篇、材料的基本理論知識(shí)

第一章、材料的性能

設(shè)計(jì)制造機(jī)器與設(shè)備時(shí)，對(duì)材料的選擇應(yīng)首先考慮其使用性能。

1、使用性能：力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、、、、

材料性能]

2、工藝性能：鑄、鍛、焊、切削、熱處理、燒結(jié)、、、、、、

§1、力學(xué)性能（機(jī)械性能）

同學(xué)們已學(xué)過(guò)《材料力學(xué)》，故自己復(fù)習(xí)之。（不講）

§2、物理和化學(xué)性能（閱讀）

§3、工藝性能（略講）

材料的工藝性能關(guān)系到加工工藝設(shè)計(jì)及其成本的高低。

一、鑄造性：流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向是鑄造性能的判據(jù)。

二、冷熱塑變性能：可進(jìn)行壓力加工（含軋制）的性能。

三、可焊性：焊接在一起的難易程度及其焊縫質(zhì)量。

四、切削加工性：切削的難易程度與表面切削質(zhì)量（光潔度）。鋼的硬度在

HB200±40時(shí)切削性能好。

五、燒結(jié)性能：陶瓷與粉末冶金。

六、熱固化與噴涂性能：對(duì)高分子材料的加工（工程塑料等）。

第二章、材料的結(jié)構(gòu)

**結(jié)構(gòu):分子、原子的空間連結(jié)構(gòu)架,即原子（或分子）的排列位置和空間

分布。

<1、固態(tài)（晶態(tài)、非晶態(tài)）

2、液態(tài)

3、氣態(tài)

物質(zhì)的積聚狀態(tài)<4、等離子態(tài)

5、液晶態(tài)

§1、材料的結(jié)合方式

一、化學(xué)鍵

組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子或離子）相互作用而聯(lián)系在一起。這種粒

子之間的相互作用稱為化學(xué)鍵j化學(xué)鍵的性質(zhì)對(duì)物質(zhì)的性能影響很大。

**物質(zhì)積聚物的性能不僅取決于組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)的種類和數(shù)目痛,

同時(shí)取決于相互之間化學(xué)鍵的特點(diǎn)⑸及其排列方式④O

二層京審分述如下：

（1）、種類和數(shù)目的影響：種類的影響不言而喻，數(shù)目減少到納米級(jí)時(shí)

物化性能產(chǎn)生突變。例如：納米材料、高分子材料的分子量對(duì)性能的影響、

等。

（2）、化學(xué)鍵的影響：例如，石墨與金剛石。

（3）、排列方式的影響：例如，同素異構(gòu)體的性能不同；有序排列與無(wú)

序排列（晶體與非晶體）性能不同；特殊的有序排列（超結(jié)構(gòu)）性能不同---—

超導(dǎo)體、有機(jī)磁性材料等。

化學(xué)鍵種類：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、（還有配位鍵等）

1、離子鍵

電負(fù)性相差大的原子間相互靠近時(shí)，互有電子得失而成為正負(fù)離子，由

靜電引力結(jié)合在一起。例如：NaCl,KC1,GaAs,

2、共價(jià)鍵

同類或性質(zhì)相近類原子間結(jié)合，借

共用電子對(duì)而結(jié)合。

例如：SiC,金剛石,高分子材料、、圖2—1NaCl晶體

3、金屬鍵

A、金屬原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

外層電子少，易失去，而成為

自由電子；在金屬聚合物中成為“電子氣”。這種由金屬正離子與自

由電子氣相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。

B、金屬的物化性能取決于金屬鍵

例如：導(dǎo)電、光澤、導(dǎo)熱、塑性變形能力....

3、分子鍵和氫鍵

A、分子鍵：范德瓦爾斯鍵

B、氫鍵：極性鍵

二、結(jié)合鍵的性能特點(diǎn)（略講）

見(jiàn)書(shū)P10,表2—1

三、材料的鍵性

根據(jù)鍵性，可以估計(jì)材料的性能。

材料中有的是單一種鍵，更多的是幾種鍵的組合。

1、金屬材料

金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵；但金屬材料中的金屬間化合物是離子

鍵。書(shū)中提及的灰錫（共價(jià)鍵）已不能用做工程材料，此類狀態(tài)已失去了金

屬性能。

2、陶瓷材料

離子鍵為主，亦有共價(jià)鍵。所以，陶瓷材料硬度高，熔點(diǎn)高，脆性大。

3、高分子材料

共價(jià)鍵和分子鍵。高分子材料分子大的特點(diǎn)，決定了其分子之間的作用

力大，性能好。鏈、環(huán)及其復(fù)合形式的大分子結(jié)構(gòu)，不同的基在不同部位的

連接使其性能不同。

離子鍵硅酸鹽陶瓷

圖2—3結(jié)合鍵四面體

§2、材料的晶體結(jié)構(gòu)

基本概念：

晶體與非晶體：原子或分子的空間有序排列形成晶體；反之為非晶體。

有序即按照某種規(guī)律排列而成（后面課程中講），長(zhǎng)程有序。（例如：Nack

糖等）

非晶體又稱過(guò)冷液體，近程有序。（例如：玻璃等）

一、晶體的基本概念

（一）晶格和晶胞（表示方法）：抽象法（抽象晶體）

a、將原子視為球形，它們的堆砌（集）可有不同的規(guī)律（多樣性）。

0些生活常識(shí)可知。

b、若視其為空間幾何點(diǎn)，則其空間排列（多樣性）稱為空間點(diǎn)

陣。

c、將點(diǎn)陣用假想直線連接（多樣性）（類似建筑工程腳手架結(jié)構(gòu)）

稱為晶格。

d、其中有代表性（最小的空間單元）的幾何單元稱為晶胞。

不同的堆集方式有不同的空間點(diǎn)陣，即各自具有代表性的空間

單元亦不同，即晶胞不同。

e、晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶體常數(shù)。

晶胞棱間夾角用a、B、Y表示。見(jiàn)圖2~4

（二）晶系

不同元素的原子在一定條件下對(duì)應(yīng)某種晶格。當(dāng)條件變化到另外某種狀態(tài)

（T-P-）時(shí)，又可轉(zhuǎn)變成（對(duì)應(yīng)于）另外的晶格。法國(guó)晶體學(xué)家布拉菲（Brarais）

用數(shù)學(xué)的方法推算出所有已知晶體分屬于14種空間點(diǎn)陣。根據(jù)晶胞的6個(gè)參數(shù)

（a、b、c、a、B、y）把14種空間點(diǎn)陣歸納為七大晶系。見(jiàn)表2?2（P12）

（三）晶格尺寸和原子半徑

A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸單位）是晶格常數(shù)。立方晶系只用一個(gè)a

即可表示。

B、原子半徑，現(xiàn)代物理科技仍未達(dá)到能精確測(cè)定物質(zhì)原子直徑的水平，

即“測(cè)不準(zhǔn)”定理。但用X-Rag衍射法能測(cè)出晶體中點(diǎn)陣中心距。

可根據(jù)點(diǎn)陣類型推算出原子半徑Ra（緊靠的原子中心距的一半）

對(duì)同種原子而言，晶格類型不同，半徑不同。（配位數(shù)下降，半徑下降）

用鋼球模型推算。

（四）原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)目。（鋼球模型）

（五）配位數(shù)和致密度

1.配位數(shù)：在晶體中每一原子周圍所具有的是其等距離的最鄰近的原子

數(shù)目叫配位數(shù)。

2.致密度：晶胞中原子本身所占的體積的百分?jǐn)?shù)（K）

K=nX4/3nr3/V

二、常見(jiàn)純金屬的晶格類型（理想純）

體心立方晶格(bccboadycenteradcube)

常見(jiàn)金屬＞30種之多

(例如:a-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb)

(V2a)2+a2=(4r)2

2a2+a2=42r2

3a2=(4r)2

晶胞原子數(shù)=1/8X8+l=2(個(gè))U—

配位數(shù):8ABABABABo。。。

致密度：K=2X4/3nr3(圖2~5bcc)

（二）面心立方晶格（FCCfacecenteredcube）

晶格常數(shù)亦只用一個(gè)a表示。

顯而易見(jiàn)：r=V2/4a

晶胞的原子數(shù)：1/8X8+1/2X6=4（個(gè)）

酉己位數(shù)：12ABCABCABCooo

可算出致密度為0.74（圖2~6FCC）

屬于這種晶格的金屬有：

r-Fe>Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等>20種。

（三）密排六方晶格

(HCPhexagonalclose-packed)

r=l/2ac/a=1.633

晶胞原子數(shù)：1/6X12+1/2X2+3=6

ABABABAB。。。(圖2?7HCP)

配位數(shù)：12致密度：0.74

屬于該類晶格的金屬有：Mg、Zn、Be、Cd等二十幾種。

三、立方晶系的晶面、晶向表示方法（空間解析法）

（一）晶面指數(shù)

晶體中各種方位的原子面叫晶面，表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。

不同的晶面上的原子排列密度不同。

晶面指數(shù)確定法：（三個(gè)步驟）

1、以晶格中某一原子為原點(diǎn)建立笛卡爾生標(biāo)系，（三個(gè)邊，分別作三

維生標(biāo)軸）。以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測(cè)量單位，求出所求晶面在三生標(biāo)軸上的截

距。不能出現(xiàn)零截距！即原點(diǎn)在所求晶面之外。

2、求倒數(shù)

3、化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)整數(shù)，用圓括號(hào)括起來(lái)，（H、K、L）就成為晶面指數(shù)（H、

K、L）代表一組相互平行的晶面。在不同的象限會(huì)出現(xiàn)負(fù)號(hào)。見(jiàn)圖2—8。

（二）晶向指數(shù)

概念：晶向——晶體中各個(gè)方向上的原子列。原子的一維排列。

晶向指數(shù)——表示晶向的符號(hào)

晶向指數(shù)求法：（三步驟）

1、在晶格中建立生標(biāo)（方法同晶面求法）。

過(guò)原點(diǎn)引平行于所求晶向的直線。

2、以晶格常數(shù)為單位求直線上任一點(diǎn)的三個(gè)生標(biāo)。

（三）晶面及晶向的原子密度

概念：晶面原子密度——單位面積中的原子數(shù)。

晶向原子密度——單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)。

表2~3,體心立方（bcc）晶格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）

表中（111）晶面上密度計(jì)算有誤！

同樣可以求出FCC（111）原子密度最大，［110］原子密度最大。

原子密度影響晶體性能。

（四）晶面族和晶向族

前面講過(guò)：同一個(gè)（h、k、1）[u、v、w]分別代表了一組晶面和晶向。

由于晶體的對(duì)稱性，在不同的位向（解析幾何）原子排列分布完全相同的

晶面和晶向稱為晶面族{h、k、1},晶向族<u、v、w>

注意：立方晶格中，指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。例如：（111）±

[111],可用解析幾何的計(jì)算法計(jì)算晶體。

四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（一）多晶體

位向不同的單晶體構(gòu)成大多數(shù)實(shí)際金屬材料

存在晶界缺陷10」?l（y3mm晶粒0000°0°°

OOooOo

顯微鏡下才能看到（用腐蝕劑腐蝕后，4%硝酸酒精）ooo°OOoO

oooO?o

（二）晶體缺陷o?ooooo

1、點(diǎn)缺陷

圖2~10晶體中的點(diǎn)缺陷

空位、間隙原子（換輻射等原因造成）和外來(lái)原子（用物理或化學(xué)的方法

引進(jìn)）都是晶格的點(diǎn)缺陷。它們破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲稱為

晶格畸變。它的存在使材料的HB上升，

2、線缺陷

位錯(cuò)，dislocation,

見(jiàn)圖2?11,金屬中位錯(cuò)數(shù)量很多，特別是大量塑變后，位錯(cuò)密度增加。位

錯(cuò)少時(shí)降低材料強(qiáng)度，但達(dá)到一定數(shù)量后又提高材料的強(qiáng)度。

(1)、刃位錯(cuò),(2)、螺位錯(cuò)

柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直,柏氏矢量與位錯(cuò)線平行

3、面缺陷

1)晶界(低溫狀態(tài)，高溫狀態(tài))，小角度與大角度晶界

2)亞晶界r位向差

>10-15度稱為大角度晶粒之間位向差。

3)相界面

五、合金的晶體結(jié)構(gòu)

概念：合金——兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素組成的

具有金屬特性的物質(zhì)。(物理、化學(xué)的方法)

例如：黃銅：Cu+Zn鋼：Fe+c

高聚物混合體系一“合金”：高聚物之間或高聚物與單體之間經(jīng)物化反應(yīng)形

成。例如：ABS—丙烯晴+丁二烯+苯乙烯，E+PSF等、、

工程使用的大多數(shù)是合金。高聚物混合體系

7

相——不同元素相互作用會(huì)形成各種不同的積聚狀態(tài);.合金中具有同一化

學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開(kāi)的，均勻

的組成部分。純金屬單一相。

組織——各相(相同的或不同的)以不同的數(shù)量比和形狀的組合。

固態(tài)合金的相：固溶體一一晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同。

金屬化合物一一晶體結(jié)構(gòu)與各組元均不同，新結(jié)構(gòu)。

（一）固溶體

溶劑：與合金本結(jié)構(gòu)相同的組元

溶質(zhì)：與合金本結(jié)構(gòu)不相同的組元

如果合金各組元均屬同一結(jié)構(gòu)則以多少定為溶質(zhì)、溶劑。例如：Au-Cu

固溶體一般用a、B、Y、、、表示。

1、置換固溶體

特點(diǎn)：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子點(diǎn)陣rozrxD

中的某些點(diǎn)。有序固溶體又叫超結(jié)構(gòu)。

無(wú)序固溶體為常見(jiàn)。（見(jiàn)圖2-14）3000

原子半徑相近，相結(jié)構(gòu)相同的

元素之間易形成置換固溶體。圖2—14置換固溶體

2、間隙固溶體

溶質(zhì)原子比較小時(shí)，例如：c、N等，

它們位于晶格間隙而形成的固溶體

稱為間隙固溶體。（見(jiàn)圖2-15）

該圖為二維（平面）視圖。同學(xué)們可根據(jù)前述.

bcc、fee、hep立體結(jié)構(gòu)理解。圖2—15間隙固溶體

3、固溶體的溶解度

有限互溶：濃度常以重量百分比表示。

無(wú)限互溶：Au、Cu一旦跨越50%界則溶劑變成溶質(zhì)。

影響溶解度的因素：原子大小，晶格類型，電化學(xué)性質(zhì)，電子濃度等。

電子濃度：易失去的原子最外層價(jià)電子（多少）數(shù)目決定了晶（胞）格中的電

子濃度。（價(jià)電子/原子數(shù)目）

4、固溶體的性能

溶劑、溶質(zhì)間原子半徑不同（Au、Cu亦然）固溶體有晶.格畸變。

所以溶質(zhì)增加、固溶體的6、HB上升，塑韌性下降。

（結(jié)合上一節(jié)晶體缺陷（點(diǎn)、線、面）簡(jiǎn)明闡述強(qiáng)化概念、位錯(cuò)移動(dòng)阻力。）

（二）金屬化合物

兩種以上的元素原子形成一種不同于任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新相叫金屬化合

物，一般可用化學(xué)分子式，大致表示其組成。

特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、脆

合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。

例如：軸承合金（滑動(dòng)軸承巴氏合金）常含組元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成

的金屬化合物有：SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.

1、正常價(jià)化合物

特點(diǎn)：符合一般化合物原子價(jià)規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。

例如：Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,MnS

2、電子化合物

特點(diǎn)：不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律

電子濃度：價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。見(jiàn)表2-4,合金常見(jiàn)的電子化合物

BY￡。

3、間隙化合物

特點(diǎn)：過(guò)渡族金屬元素（元素周期表）與C、N、H、B非金屬元素形成的

金屬化合物。

分兩類:

1）間隙相：當(dāng)原子半徑比＜0.59時(shí)形成簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物稱為間隙相。

例如：V、VC、FCC、bcc見(jiàn)圖2-16

表2-5：間隙相的化學(xué)式與晶格類型的關(guān)系。M：金屬，X：非金屬。

2）間隙化合物

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（當(dāng)原子半徑比大于0.59時(shí)）

例如：鋼中FesC,高速鋼中：Cr23C6,Fe4W2c,Cr6c3.鎰鋼中:Mn3c等。

見(jiàn)圖2-17,Fe3C晶格。

金屬化合物也可以溶入其它元素的原子,形成以金屬化合物為基的固溶體。

例如：同學(xué)們學(xué)過(guò)的Fe3（）4是FeO中又固溶了一個(gè)O原子。

在成分復(fù)雜的合金中（合金鋼）：

高速鋼：金屬化合物為基的固溶體較多

歸納總結(jié):廠、置換固溶

1、固溶體——

I~B、間隙固溶

合金相組成——A、正常價(jià)化合物間隙相

___B、電子化合物

——C、間隙化合物-------

2、金屬D、金屬化合物固溶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)

化合物間隙化合物

§3陶瓷和聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（自學(xué)）

陶瓷是一個(gè)材料大范疇。包括粉末、粉末繞結(jié)而成的材料、單晶體（ZrO、

Si、SiO2）

陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物。

天然的陶瓷材料：高嶺土、粘土、娟云母、石英砂.....

人工制造的陶瓷材料：ZrO、Ni3Si>SiC、a-AhOs及單晶、CNB、BN、、、

陶瓷由粉末燒結(jié)而成故而有非晶體、晶體、空洞。陶瓷中空洞的規(guī)范分布可成

為特種材料——濾芯。

陶瓷晶體結(jié)構(gòu)分類：（12種典型結(jié)構(gòu)）

（一）AB型NaCl型

FCC例如：MgO、CaO、、、、TiNTiC、、、、

（二）AB2型

例如：TIO2>SnO2,>PbO2MnO2WO2CoO2MnF2

（三）A2B3型（鋼玉型）

a-AI2O3n2。32-Fe2（）3V2O3

（四）其它ABO3AB2O4型

二、聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（高分子）以C、Si為主干。

☆☆☆§4、導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的電子能帶理論（材料物理專業(yè)選）

一、金屬晶體內(nèi)的電子

大量金屬原子匯聚成的聚集態(tài)一固體（此處特指晶體）后，原單個(gè)原子

的外層電子便不再附屬于某個(gè)原子。而變成可在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,

它必然會(huì)受到點(diǎn)陣上的正離子及其它自由電子的相互作用的影響。眾多的電

子必須分屬于不同的能級(jí)整合成為能帶（根據(jù)泡利不相容原理）。能帶中具有

某一能級(jí)的自由電子不能多于兩個(gè)，自旋相反，電子的平均能量低于自由原

子。外層電子平均能量的降低程度決決定了金屬的穩(wěn)定性。

自由原子中1、能帶能級(jí)數(shù)等于晶體原子數(shù)

E較高育終夕夕-///Vy2、每個(gè)能帶最多可容納2N個(gè)電子

3、低能態(tài)時(shí)較低能級(jí)均被填滿

4、能級(jí)間的能隙的大小隨能級(jí)的

增高減小

核心電子品格間距

的能級(jí)

圖2—17

(b)

圖2-18

(a)電子態(tài)密度N(E)與能量的關(guān)系圖(b)絕對(duì)0K°下填充能級(jí)的情況

虛線為常溫下電子熱激發(fā)現(xiàn)象

5、只有帶頂能量電子(EF)才能被熱激發(fā)，且其值取決于電子數(shù)目N

EF=(h2/8m)(3N/JiV)2/3

我們必須想象金屬能帶中的電子是連續(xù)不斷地穿越金屬空間點(diǎn)陣，這些

電子運(yùn)動(dòng)的能量取決于它的能帶能級(jí)。

量子力學(xué)的觀念：電子的波長(zhǎng)人為：

X=h/mvh-----普朗克常數(shù)

m一質(zhì)量

V___速度

6、晶體點(diǎn)陣視為三維衍射光柵，入2a時(shí)衍射發(fā)生。

000000

009000

E=h2/2mX200000

Q/

^6.00QQ

6-,60

0-00

那些能量不夠的電子不能夠穿過(guò)點(diǎn)陣。(布里淵區(qū))

如果某種金屬(如銅)只能每個(gè)原子給出=個(gè)電子，則第一區(qū)不滿，若多

于2個(gè)電子便將多余的電子進(jìn)入第二區(qū)。有些金屬的價(jià)帶(導(dǎo)帶)與較高能

帶重疊。

滿帶

圖2-19

7、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別在于禁帶的寬窄。

攙雜后的半導(dǎo)體：N型，多余的電子激發(fā)到空帶；

P型，空穴在滿帶內(nèi)。

作業(yè)：P19第3題。

Chapter3材料凝固的基本過(guò)程

概念：材料從液態(tài)到固態(tài)的過(guò)程稱為凝固過(guò)程。是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)

程，組分單一的液體凝固過(guò)程較簡(jiǎn)單；組分復(fù)雜的液體凝固過(guò)程較復(fù)雜。金屬、

非金屬均符合此規(guī)律。

研究材料的凝固過(guò)程就是要研究材料流體的結(jié)構(gòu)，從L-S結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的基

本規(guī)律及其影響因素。以至于能動(dòng)地干預(yù)和控制該過(guò)程。這便是鑄造工藝的基

礎(chǔ)知識(shí)。是粉末冶金、單晶體、非晶體材料制備基礎(chǔ)知識(shí)。

§1液體的結(jié)構(gòu)

一、液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

研究表明，L與S相似前后（L—S）只有3-5%的體積變化。見(jiàn)圖3-1。

1）長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序（動(dòng)態(tài)）

有序的原子團(tuán)時(shí)聚時(shí)散的情況叫做結(jié)構(gòu)起伏或相起伏。

2）不同的元素，不同的組分，液態(tài)結(jié)構(gòu)亦不同，結(jié)構(gòu)起伏狀況不同。特

別是那些有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相先析出（結(jié)晶出）時(shí)，凝固前（臨界態(tài)）的組

分起伏，結(jié)構(gòu)起伏便大。宏觀成分均勻產(chǎn)生微觀不均勻，即成分起伏。

結(jié)構(gòu)起伏與成分起伏是相輔相成的。

3）同一組分的液體在不同T下，T越低結(jié)構(gòu)起伏越大。

4）材料的晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建始于液相,即液相的性質(zhì)直接影響晶體結(jié)構(gòu)和

凝固過(guò)程.

二、兩種類型的凝固

C晶體

L—?S------

-------N-C非晶體（n>l（）i5p認(rèn)為是S,反之是L。

§2金屬的結(jié)晶過(guò)程

冷卻曲線和過(guò)冷度

測(cè)定液態(tài)金屬冷卻時(shí)T與t的變化關(guān)系

作出冷卻曲線。

概念：結(jié)晶潛熱

只有存在過(guò)冷度結(jié)晶才能進(jìn)行。

***v冷越大，過(guò)冷度越大。

二結(jié)晶時(shí)的能量條件

熱力學(xué)定律指出，在等壓條件下（對(duì)液體而言，P的變化對(duì)系統(tǒng)影響不大）

一切自發(fā)過(guò)程都是朝著F下降的方向進(jìn)行。AF

（嚴(yán)格講應(yīng)用G）F=U-TS

U、T、S是狀態(tài)函數(shù)，

F必定是狀態(tài)函數(shù)。溫度低于To時(shí),

晶體的F低。T1To溫度T

自發(fā)過(guò)程圖3-3液體與晶體自由能與溫度的關(guān)系曲線

(dF)v,t<0；

or,G=H—TS,dG=vdp—sdt;ZlG=LmJT/Tm

Lm=LLLs

三、結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件（結(jié)構(gòu)起伏）

結(jié)晶的一般過(guò)程是不斷形成晶核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。這是結(jié)晶的普遍

規(guī)律。見(jiàn)圖3-4o

圖3—4結(jié)晶過(guò)程示意圖

1、小于To,L經(jīng)過(guò)孕育期(能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏)出現(xiàn)晶核。(晶胚一

晶核)

2、晶核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)新的晶核又不斷出現(xiàn)。

3、直到L消耗完為止。至此每個(gè)晶核都長(zhǎng)大成為一個(gè)小晶粒，眾多晶

粒結(jié)合在一起形成多晶體。

***尚若只有一個(gè)晶核(可人工控制)長(zhǎng)大成晶粒便是單晶體，如Si、

Ge、GaAs、C、KC1

4、自發(fā)形核與非自發(fā)(或人工)形核。

(1)、臨界晶核半徑rk=26//Gv=26Tm/Lm/T

22

(2)、臨界形核功/GK=1/3?SK6=16R63T2/3LmJT

(3)、臨界形核功與/T的關(guān)系

5、晶體長(zhǎng)大的方式有很多種,金屬晶體一般條件下主要是以樹(shù)枝狀形式

長(zhǎng)大。見(jiàn)圖3-5o

6、體的外延生長(zhǎng)一CZ法(CNochralski)單晶硅晶體生產(chǎn)工藝

A1203,Fe304,GaAs,等單晶體亦用此法。

-、單晶爐組成

(1)、爐體：爐殼，石英堪蝸，石墨地蝸，加熱及絕熱元件

(2)、晶棒提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：籽晶夾頭，吊桿及提升旋轉(zhuǎn)元件

(3)、氣氛與壓力控制：真空系統(tǒng)與氣體流量控制

(4)、電腦控制系統(tǒng)

二、工藝

加料一熔化--縮徑生長(zhǎng)---放肩生長(zhǎng)---等徑生長(zhǎng)--尾部生長(zhǎng)

(1)、加料：多晶硅加摻雜元素

(2)、熔化：1420°C以上，僦氣保護(hù)，低真空

(3)、縮徑生長(zhǎng)：消除位錯(cuò)

(4)、尾部生長(zhǎng)：防止位錯(cuò)產(chǎn)生

§3晶粒大小的控制

一、晶粒度

1、晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。

2、工業(yè)上用晶粒等級(jí)來(lái)表示晶粒大小(放大100倍顯微鏡)1-8級(jí)。

1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。外擴(kuò)展級(jí)別：0?15級(jí)。有標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)供對(duì)照。

二、晶粒大小對(duì)金屬性能的影響。

P22表3-1晶粒越細(xì)小，力學(xué)性能越好。

高溫下工作的材料，晶粒過(guò)大和過(guò)小都不好。硅鋼片亦求大晶粒。此間

題的考慮應(yīng)從晶界是面缺陷著眼。高溫下的面缺陷易造成氧化和腐蝕。

而電工用硅鋼則應(yīng)減少面缺陷造成的電磁損失。

三、決定晶粒度的因素

形核率：N,長(zhǎng)大速度：G,N/G增大則晶粒越細(xì)。

四、控制晶粒度的方法

(一)AT

（二）變質(zhì)處理，外生核劑加入，促進(jìn)形核。N上升。

（三）振動(dòng)、攪拌等方法。（特別是有色金屬，例如AL）

§4非晶態(tài)凝固（簡(jiǎn)要介紹）

物質(zhì)結(jié)晶是形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程，所以凡是影響晶核的形成和長(zhǎng)大的

因素，均影響結(jié)晶。

一、熔體的粘度（決定粘度的是化學(xué)成分）

二、冷卻速度

例如：非晶態(tài)帶材的生產(chǎn)：銅冷卻鼓

常用非晶體合金：Co-Si-B,Ni-Fe-Cr-P-B,Cu-Zr,Fe-P-C,Pb-20Si%合金

等。

作業(yè)：P24第1和第4題

§5同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

同素異構(gòu)現(xiàn)象是宇宙間普遍的物質(zhì)存在形式。也正是如此才有五彩斑斕

的大千世界。在生命世界里，DNA,GNA的異構(gòu)體構(gòu)成了遺傳密碼的不同。

物質(zhì)在不同的條件（溫度、應(yīng)力、電磁場(chǎng)、PH值）下，發(fā)生結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)變。

一、熱誘導(dǎo)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

A、直觀實(shí)驗(yàn)介紹（如書(shū)中圖3-7）

室溫一f912℃f1394℃一1538（熔點(diǎn)）

B、若逆過(guò)程，從l/fSi（rFe）~S2（rFe）~S3（rFe）~k室

溫實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度必須比理論相變點(diǎn)低，出現(xiàn)一AT

特點(diǎn)：固態(tài)相變因晶格常數(shù)改變和不同步性，故產(chǎn)生很大的相變應(yīng)力。

應(yīng)力過(guò)大時(shí)幾何尺寸很大的軸，模具等工件都產(chǎn)生開(kāi)裂，并產(chǎn)生大的

聲響。

3、英的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（閱讀）

圖3—7鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

GdCo,TbCo,GdCo—FeCo,TbNiFe,GdTbFe,GdFe等。

轉(zhuǎn)變過(guò)程中有溫升10—150°C,但速度比熱誘導(dǎo)快1—2個(gè)數(shù)量級(jí)。光

致孤對(duì)電子激發(fā)所致。它不是熱誘導(dǎo)的擴(kuò)散型成核一長(zhǎng)大機(jī)制，而是

光激發(fā)的非擴(kuò)散型躍遷一復(fù)合機(jī)制。是一種直接固態(tài)相變，不需形核。

1—20PS時(shí)間，50ns可完成光聲耦合過(guò)程。

偶氮笨在UV（紫外光）照射下，從反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，光

照停止后發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變。

螺毗喃的單重態(tài)與三重態(tài)光活性反應(yīng)異構(gòu)化:

（淺黃色）閉環(huán)（深蘭色）開(kāi)吵才-（消色）

uv1.06—630NM光

俘精酸醉（可分散在PC,PMMA中）

淺黃藍(lán)淺黃

365NM(UV)白織燈

化學(xué)條件的變化引起的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

交連的聚丙烯酸纖維再酸堿溶液中（PH值不同）會(huì)引起的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)

變。等等。

Chapter4相圖

基本概念：

1、什么叫相圖

說(shuō)明相（組織）與成分和溫度的對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖。

即：相（組織）與其它可變（影響）因素對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖（T,P）

對(duì)單組分H2O而言有T、P狀態(tài)圖。

***相圖表示的是熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即自由能最低的狀態(tài)。

2、相圖的由來(lái)

熱分析法、磁性法、熱膨脹法等。

1）人類認(rèn)識(shí)自然總是從事物的表面現(xiàn)象到本質(zhì)，從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，通

過(guò)抽象和推理，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐認(rèn)識(shí)客觀真理。

2）人類在冶金和材料科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，首先發(fā)現(xiàn)不同成分（配料）的合金，

其熔點(diǎn)和力學(xué)性能不同的事實(shí)現(xiàn)象。

A、中國(guó)青銅時(shí)代的兵器（例如劍）

B、相圖古代文化不利于自然科學(xué)技術(shù)的研究方法（邏輯抽象思維）的發(fā)

展。

3）只有在顯微鏡、熱電隅問(wèn)世后測(cè)定相圖才成為可能。

3、相圖的作用（對(duì)金屬而言）

制定熔煉、鑄造、鍛壓及熱處理等工藝的重要依據(jù)。

§1二元相圖的建立

在§3-2與§3-4中講到了同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變中的溫度臺(tái)階。

金屬在從L到S到室溫冷卻過(guò)程（凝固曲線）中，會(huì)有一到幾個(gè)溫度臺(tái)階。

1、設(shè)計(jì)一系列合金（不同配比點(diǎn)）然后用緩慢冷卻的冷卻曲線中的折點(diǎn)

（）連成對(duì)應(yīng)曲線便成相圖。見(jiàn)圖4-1。

2、本例是最簡(jiǎn)單的一種相圖（無(wú)限互溶的勻晶相圖）但多數(shù)二元相金相

圖都不是完全無(wú)限互溶。

溫度

（a）冷卻曲線（b）合金相圖

圖4—1Cu—Ni合金相圖的測(cè)定與繪制

而是有限的互溶。且會(huì)生成一些化合物，還有同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。這些轉(zhuǎn)變同

在相同中表達(dá)出來(lái)，故相圖都復(fù)雜。但均可分解為幾個(gè)典型相圖的

組合。（就像一輛復(fù)雜的汽車是由許多基本的零部件構(gòu)成一樣。）

§2二元相圖的基本類型與分析

a)二元?jiǎng)蚓鄨D

L、S狀態(tài)下二組元均無(wú)限互溶。例如：Au—AgCu—NiCu—Au

相圖分析見(jiàn)圖4-2

圖4-2銅銀合金勻晶相圖

Cu—Ni二元合金勻晶相圖。“相”的概念已在前幾節(jié)課中建立。

ii.合金的結(jié)晶過(guò)程。（重點(diǎn)講解）

L中析出固相a1—a2—a3—a4—a5,例如鹽水結(jié)冰）!

L相成分也由LLL2—L3—L5,與之平衡。平衡是指化學(xué)位相等。即：U

CuL=UCua,UA—f（）

口Nil^UNia

任意溫度下I,便有相應(yīng)的熱力學(xué)平衡。液固兩相的成分平恒通過(guò)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。

如果條件不允許充分?jǐn)U散，便會(huì)出現(xiàn)成分偏析。若發(fā)生在樹(shù)枝狀晶中便叫枝

晶偏析。

iii.枝晶偏析

偏析會(huì)影響材料的物化性能和力學(xué)性能。可通過(guò)高溫（＜Tm20（TC=擴(kuò)

散退火消除成分偏析。使成分均勻化。

杠桿定律（兩相圖適用）

利用物質(zhì)質(zhì)量守恒法則求得：某一合金中任一組元總量等于各相中的分

量之和。

不同條件下的相的成分及其相對(duì)量，可通過(guò)杠桿定律求得。

圖4—3杠桿定律的證明

1、確定兩平衡相的成分（濃度）

tx時(shí)L相Xi%Ni[

a相X°%Ni

溫度是水平線，在T一定時(shí)便有對(duì)應(yīng)的兩相平衡。

2、確定兩平衡相的相對(duì)量

a設(shè)合金的總重量為1

L相重量QL濃度Xi

CL相重量Qa濃度X,

已知合金中平均Ni含量為X,則根據(jù)物質(zhì)守恒定律，列出下列方程組：

QL+Qa=l

QL.X1+Qa.X2=X

解方程組得：QL=X2-X0/X2-X1

[Qa=X-X/

X2-X]

b）二元共晶相圖

當(dāng)兩個(gè)組元液態(tài)時(shí)L：無(wú)限互溶

S：有限互溶（即在某個(gè)較小的溶解度范圍）

且發(fā)生共晶反應(yīng)（aB有限互溶固溶體同時(shí)從L中結(jié)晶出來(lái)）所構(gòu)成的相圖

稱為二元共晶相圖（若三組元，便是三元晶相圖）.

例如：Pb—SbAl—SiPb—Sn

今以Pb—Sn二元合金相圖

（一）相圖分析

相:L、a、B三T單相區(qū)

L+CLL+Ba+B三個(gè)雙相區(qū)

L相線：AEBS相線：ACEDB

共晶線：CEDLE=（CIC+BD）共晶組織

恒溫反應(yīng)過(guò)程中：L、a、B三相共存，量不斷變化，最終L消耗盡。

a、B相的成分（濃度）都是一定的。

固溶線：CFDGaB隨溫度的變化而變化。

共性：T下降，溶解度（濃度）下降。

（二）合金1的結(jié)晶過(guò)程

1、合金的結(jié)晶過(guò)程

T高于1點(diǎn)，L,1—2之間勻晶反應(yīng)a一次晶，2點(diǎn)反應(yīng)結(jié)束，2-3

點(diǎn)間a單相，3點(diǎn)時(shí)，碰到a固溶線，隨著T下降，a相圖析出以Sn為基體

（溶劑）Pb為溶質(zhì)的B相，稱為B2（區(qū)別于一次結(jié)晶LB）

因?yàn)樵摮煞纸M織中B相全是B2,在此a+B兩相區(qū)中可用杠桿定律

計(jì)算出B2的量。

32=F4/FGX100%

注意：62的析出為固相析出，不容易故細(xì)小分散在晶界處為多。

晶粒中的缺陷處。例如亞晶界，位錯(cuò)。層錯(cuò)。

見(jiàn)圖4—6

2、合金2的結(jié)晶過(guò)程見(jiàn)圖4—7

合金2成分，E點(diǎn)（61.9%Sn）CED線上共晶反應(yīng)線

LE=（ac+BD）

兩相比：a/3=ED/CE

注意：a2、B2在原共晶組織中相界面處析出一一離異析出依附到原a

B（相）片上，不易區(qū)分出。

但在CED線上求出aB相的多少重量后，再在FG區(qū)求出aB相，此時(shí)

各包含a2、62相，前后兩者相減便得出：a2、B謀劃策相的重量。

3、合金3的結(jié)晶過(guò)程

C—E之間為亞共晶合金；1—2之間為勻晶反應(yīng)，析出al。

同時(shí)，沿固相線和液相線各對(duì)應(yīng)成分變化，最后固相a成分平衡在C點(diǎn)，

L相平衡在E點(diǎn)，兩相比同樣可用杠桿定律求出。

2點(diǎn)（CED共晶線上）L成分變?yōu)長(zhǎng)E見(jiàn)圖4-8

共晶反應(yīng)后，隨著T下降，a相沿CF線析出B2；同樣BD成分沿DG

線變化從BD右析出a2,所以其室溫組織為：

a+（a+B）+a2+P2

上述反應(yīng)包括：勻晶反應(yīng)+共晶+二次析出

注意：固相的成份平衡靠原子固相擴(kuò)散（二次析出亦靠擴(kuò)散）

4、合金4的結(jié)晶過(guò)程

ED之間為過(guò)共晶區(qū)，合金4的結(jié)晶過(guò)程與3相似，只不過(guò)一次結(jié)晶

析出的不是a1而是B1。

綜上所述，從相的角度來(lái)說(shuō)，Pb—Sn合金只有兩相aB。

aB及（a+B）在金相顯微鏡下都有一定的組織特征，稱為組織組成

物。

此時(shí)，有先析出的a1共晶出的（a+B）片層（和其它的顆粒、螺旋等

形態(tài)）狀組織，當(dāng)然它們之中包含了B2及a2,離異析同后依附在先析出相

組成物上了。

按組織組成物填相圖如下：這與顯微鏡下觀察到的組織是一致的。

c）二元包晶（反應(yīng)!）相圖

例如：Fe—CCu-ZnCu—Sn等均有包晶反應(yīng)。

顧名思義，包晶反應(yīng)是L+S=Y的反應(yīng)。

（一）相圖分析：以Fe—C相圖為例，（部分相圖）

包晶線：HJB（水平線一恒溫）

B點(diǎn)：0.53%

H:0.09%

J:0.17%

特點(diǎn)：

反應(yīng)是在L與S

固相界面上形核。

圖4—11包晶相圖

形成的A核對(duì)內(nèi)吃掉6,對(duì)外擴(kuò)張消耗L,集L或6單方或雙方耗盡為止。

（二）合金的結(jié)晶過(guò)程

合金1自進(jìn)入L+S勻晶相區(qū)到2點(diǎn)時(shí)，HJB包晶線上反應(yīng)開(kāi)始前的固液相L、S

之比為（重量）：L/S=HJ/JB,這樣數(shù)量比的兩相包晶反應(yīng)完畢完后雙相全部耗盡，

形成單一的Y相，進(jìn)入單相區(qū)，其結(jié)晶過(guò)程（包含）經(jīng)歷了勻晶反應(yīng)加包晶反應(yīng)。

合金2的成分位于J點(diǎn)左側(cè)，反應(yīng)前兩相比為：L/S=H2/2B

顯然，S相過(guò)剩，所以反應(yīng)后進(jìn)入兩相區(qū)，S+Y,Y為新生（包晶反應(yīng)）相HJN勻

晶區(qū)，（固相勻晶區(qū)），結(jié)晶過(guò)程：

勻晶+包晶+固相勻晶

合晶3的成分位于J點(diǎn)右側(cè)，僅包晶反應(yīng)后L相過(guò)剩，而進(jìn)入L+y兩相區(qū)（勻

晶區(qū)）過(guò)程：勻+包+勻

d）形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖此類化合物熔化前不分解，無(wú)成分變化。Mg2Si

可視為一個(gè)組元，分割成兩個(gè)共晶相圖。

e)具有共析反應(yīng)的二元合金相圖

類似于共晶反應(yīng),在一恒定溫度（水平線）由一固相同時(shí)（析出）兩新的固相:

acB1D+

注意：固相反應(yīng)原子

擴(kuò)散較難，易于在較

大T下進(jìn)行，從而組

織細(xì)（比共晶），

固相比容之差會(huì)產(chǎn)生

內(nèi)應(yīng)力。（見(jiàn)圖4-15）

A

f）二元相圖的分析步驟

相圖種類多，但分析二元相圖時(shí)，由復(fù)雜相圖都是由上述基本相圖組合而成。

1先分清（劃分）基本類型相圖組合。

2穩(wěn)定化合物可視為分界線，分成幾個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行分析。

3二元相圖中，相鄰相區(qū)相數(shù)差為一（水平）兩個(gè)單相區(qū)之間有兩相區(qū)

4找出三相共存水平線（包晶、共晶、共析）確定相變反應(yīng)特點(diǎn)

5分析具體合金的結(jié)晶過(guò)程和組織

單相區(qū)：相成分為合金成分.

兩相區(qū)：相成分各沿相界線變化，兩相比例可用杠桿定律求出.

三相平衡（水平線）：三個(gè)相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相對(duì)量不同。

g）相圖與合金性能之間的關(guān)系

合金成分一組織一性能關(guān)系見(jiàn)書(shū)中P33作業(yè)：P24第1和第4題。

§3鐵碳合金相圖

（Fe-C平衡圖）

研究和學(xué)習(xí)Fe—C平衡圖的意義

A、碳鋼和鑄鐵是工業(yè)應(yīng)用范圍最廣泛的金屬材料。

Fe-C合金相圖是對(duì)碳鋼和鑄鐵理想化的（亦是捉信主要矛盾的對(duì)象）

反映化學(xué)成分，溫度與組織關(guān)系的狀態(tài)圖。

冶煉（煉鐵、煉鋼）過(guò)程中自然殘存下來(lái)的復(fù)雜元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V-）沒(méi)有考濾：S

<0.04%,P<0.04%（GB）

B、Fe—C相圖是研究Fe—C合金的工具，是鋼鐵成分一組織一性關(guān)系的理論基礎(chǔ)。

捉住Fe—C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐、制定加工工藝有指導(dǎo)意義。

學(xué)習(xí)要求：a.本門(mén)課程的核心內(nèi)容，考試的重點(diǎn)。b.學(xué)后達(dá)到正確地選材和制定加工工藝。c.合金鋼的

基礎(chǔ)知識(shí).

一、Fe—C合金相圖的組成

1、見(jiàn)圖4-18金剛石表面金屬化處理有用。

2、Fe-Fe3c基本相圖類型構(gòu)成分析：見(jiàn)圖4-21

AL+5

包晶線：HJB1495度

（2）共晶相圖

共晶線：ECF1148度

（3）共析相圖

共析線：PSK727度

（4）穩(wěn)定成分化合物線

DFK6.69%Tm：1227度

進(jìn)一步細(xì)分：

（5）部分勻晶相圖：

液相勻晶：L+SL+AL+Fe3c

固相勻晶：S+AF+A

3、五個(gè)基本相（5個(gè)單相區(qū)）：L、S、A、F、Fe3c

8：高溫鐵素體：bcc0.09%C（1495度）H點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn)

A：奧化體：fee2.11%c（1148度）E點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn)

塑性好，力學(xué)性能與晶粒度有關(guān)

F：鐵素體：bee0.0218%（727度）P點(diǎn)為最大溶C量點(diǎn)

低硬、低強(qiáng)、高塑性

Fe3C：cm復(fù)雜結(jié)構(gòu)6.69%cTM：1227度HB=800

亞穩(wěn)相，其形狀和分布對(duì)鋼鐵性能影響很大，主要強(qiáng)化相。

4、相圖中的點(diǎn)分析：P35表4-1

5、相圖中的線分析：

a)ABCD：液相線

b)AHJECF：固相線

c)三條水平(恒溫轉(zhuǎn)變)線：

HJB包晶線：L