材料科學(xué)基礎(chǔ)課件

緒論緒論MaterialScienceLogicSynthesis+processingStructurePerformance/ApplicationPropertiesPhysicalBiological緒論3材料科學(xué)在社會與社會發(fā)展中的地位

（1）社會需求是材料發(fā)展的巨大動力

資訊與材料：資訊獲?。ǜ袦y器：化合物）－資訊傳遞（光纖：無機(jī)、有機(jī)材料）－資訊貯存（金屬與合金）－資訊顯示（用於液晶顯示的非晶矽、有機(jī)液晶材料）－資訊處理（處理器晶片矽－鍺）。

緒論緒論3材料科學(xué)在社會與社會發(fā)展中的地位

（1）社會需求是材料發(fā)展的巨大動力能源與材料：貯氫材料（鈦錳及稀土類合金）、太陽能電池材料（矽、合金、化合物）、核能用材料（鋯合金等）。航空航太材料：發(fā)動機(jī)（高溫合金，金屬基複合材料，陶瓷與陶瓷基複合材料）、汽輪機(jī)部件（纖維增強(qiáng)金屬基複合材料、陶瓷基複合材料）、火箭噴嘴（難熔金屬）等。人與材料：金屬、無機(jī)、高分子及其複合材料。緒論緒論緒論緒論緒論國家大劇院設(shè)計圖（頂部採用納米材料製造）具有廣泛應(yīng)用的納米材料緒論緒論納米原子像具有廣泛應(yīng)用的納米材料納米泵緒論緒論具有廣泛應(yīng)用的納米材料納米紅血球納米直升機(jī)納米探針緒論3材料科學(xué)在社會與社會發(fā)展中的地位

（2）材料的四大家族

金屬材料：綜合性能等。

陶瓷材料：高溫、穩(wěn)定性能等。高分子材料；耐腐蝕等特殊性能。

複合材料：1＋1大於2。緒論緒論4內(nèi)容安排

（1）內(nèi)容核心：材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)係及其在各種條件下的變化規(guī)律。（2）內(nèi)容結(jié)構(gòu)材料學(xué)原理（1－7章）―相變原理（8章）―複合材料學(xué)（9章）（3）學(xué)時安排

總學(xué)時：48

實驗：4

5學(xué)習(xí)方法提綱挈領(lǐng)、記好筆記、及時復(fù)習(xí)。緒論緒論6教材與參考書教材

胡賡祥.材料科學(xué)基礎(chǔ).上海交通大學(xué)出版社.2000.11參考書劉智恩.材料科學(xué)基礎(chǔ).西北工業(yè)大學(xué)出版社.2000年8月第一版石德柯.材料科學(xué)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社.1999年5月第一版趙品.材料科學(xué)基礎(chǔ)教程.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2002年三月第二版網(wǎng)上資料國家精品課程：36/fms/index.asp維普資料庫清華學(xué)術(shù)期刊ElsevierScience

KluwerOnline緒論緒論7教學(xué)方案與成績考核綜合題講解教學(xué)方案

（1）要求與實施將教材內(nèi)容分成兩大部分，即材料的結(jié)構(gòu)與相圖部分（含材料中的原子排列、材料中的相結(jié)構(gòu)、材料的凝固、二元相圖、三元相圖）和材料的擴(kuò)散、變形與相變部分（含材料中的擴(kuò)散、材料的變形、回復(fù)與再結(jié)晶、固態(tài)相變），每一部分中的各章內(nèi)容有著密切聯(lián)繫。學(xué)完一部分內(nèi)容後，由教師提出一定數(shù)量的綜合題，其中大部分題目的答案一般涉及多章內(nèi)容。教師提前把所有題目公佈，但學(xué)生解答時現(xiàn)場抽題，可以利用多媒體手段或板書等形式在5分鐘的時間內(nèi)進(jìn)行即時講解。對於選擇用英語講解或有獨(dú)特思路的同學(xué)，可允許提前定題。（2）評價重點(diǎn)題目的設(shè)計性、答案的正確性、內(nèi)容的條理性、觀點(diǎn)的創(chuàng)新性、素材的豐富性是此環(huán)節(jié)評價的重點(diǎn)，學(xué)生講解時脫稿與否、儀錶儀態(tài)和語言表達(dá)效果也作為評價參考.緒論緒論7教學(xué)方案與成績考核課堂演示實驗教學(xué)方案

（1）要求與實施要求每位學(xué)生在5分鐘的時間內(nèi)，利用身邊易得的材料與器件或Flash動畫，演示一個完整的實驗，並藉此說明教材中的一個問題、現(xiàn)象或規(guī)律。同時要求提前申報實驗題目，以避免實驗內(nèi)容的雷同。此環(huán)節(jié)在學(xué)完教材內(nèi)容後實施。（2）評價重點(diǎn)動態(tài)性：強(qiáng)調(diào)實驗的“動”，實驗應(yīng)包含一個連續(xù)性的動作或過程。形象性：強(qiáng)調(diào)實驗的“像”，所採用的材料或製作的模型應(yīng)與實驗對象實際形態(tài)相同或相近。針對性：實驗過程應(yīng)恰如其分地說明說明教材中的一個問題、現(xiàn)象或規(guī)律，能有效地幫助大家理解和掌握教材中的相關(guān)內(nèi)容。緒論第一節(jié)原子的結(jié)合方式131原子結(jié)構(gòu)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。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式第一節(jié)原子的結(jié)合方式14（2）共價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。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式第一節(jié)原子的結(jié)合方式15（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。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式第一節(jié)原子的結(jié)合方式16（4）分子鍵與分子晶體原子結(jié)合：電子雲(yún)偏移，結(jié)合力很小，無方向性和飽和性。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（5）混合鍵。如複合材料。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式第一節(jié)原子的結(jié)合方式173結(jié)合鍵分類（1）一次鍵

（化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價鍵、離子鍵。（2）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)的週期性規(guī)則排列。長程有序，各向異性。（2）非晶體：――――――――――不規(guī)則排列。長程無序，各向同性。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式第二節(jié)原子的規(guī)則排列18一

晶體學(xué)基礎(chǔ)1空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)（1）空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做週期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。特徵：a原子的理想排列；b有14種。其中：陣點(diǎn)－空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。晶格－描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架。晶胞－空間點(diǎn)陣中最小的幾何單元。（2）晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團(tuán)按照空間點(diǎn)陣的實際排列。特徵：a可能存在局部缺陷；

b可有無限多種。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列192晶胞

（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。（3）形狀和大小有三個棱邊的長度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。（4）晶胞中點(diǎn)的位置表示（座標(biāo)法）。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列203布拉菲點(diǎn)陣14種點(diǎn)陣分屬7個晶系。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列214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：通過空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平面。國際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列22

（1）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求座標(biāo)。u’,v’,w’。

c化整數(shù)。

u,v,w.d加[]。[uvw]。說明：

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)於數(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)號不同的晶向?qū)凫锻痪蜃?。第一章第二?jié)原子規(guī)則排列2h第二節(jié)原子的規(guī)則排列23

（2）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：(hkl)。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列24說明：

a指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；

b0的意義：面與對應(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。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列25

（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（等價晶面不具有等價指數(shù)）。

b晶面指數(shù)的標(biāo)定

標(biāo)法與立方系相同(四個截距)；用四個數(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(四個座標(biāo))；用四個數(shù)字(uvtw)表示；t=-(u+w)。

依次平移法：適合於已知指數(shù)畫晶向（末點(diǎn)）。

座標(biāo)換算法：[UVW]~[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列26

（3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列27

（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(zhì)：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面//晶帶軸；

hu+kv+lw=0c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：（a）

由兩晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶帶軸[uvw]：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（b）

由兩晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其決定的晶面(hkl)。H=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列28

（5）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(shù)、體心立方h+k+l=奇數(shù)時，d(hkl)=d/2。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列低指數(shù)晶面的面間距較大；晶面間距越大,該面上原子排列越緊密;原子線密度最大的晶向上面間距最大。第二節(jié)原子的規(guī)則排列29二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列香港國際機(jī)場思考：鐵如何變成鋼？第二節(jié)原子的規(guī)則排列30二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

1三種常見晶體結(jié)構(gòu)

面心立方（A1,FCC）體心立方（A2,BCC）密排六方（A3,HCP）晶胞原子數(shù)

4；2；6點(diǎn)陣常數(shù)

a=2/2r；

a=4/3r/3；

a=2r。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列31二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

1三種常見晶體結(jié)構(gòu)

配位數(shù)

12；8（8＋6）；12緻密度

0.74；0.68；0.74思考：碳原子溶解度？配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近且等距離的原子數(shù)?？@密度（K）：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/V。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列2h第二節(jié)原子的規(guī)則排列32二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

1三種常見晶體結(jié)構(gòu)

堆垛方式

ABCABC..ABABAB..ABABAB..第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列33二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

結(jié)構(gòu)間隙正四面體正八面體四面體扁八面體四面體正八面體（個數(shù)）84126126（rB/rA）0.2250.4140.290.150.2250.414間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。思考：碳原子溶解度？第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列34二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

2

離子晶體的結(jié)構(gòu)

（1〕離子晶體的主要特點(diǎn)硬度高、脆性大；熔點(diǎn)高，熱膨脹係數(shù)小；絕緣；無色透明。

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列35二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

2

離子晶體的結(jié)構(gòu)

（2〕離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則

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負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決於正負(fù)離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決於正負(fù)離子的半徑比。

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列36二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

2

離子晶體的結(jié)構(gòu)

（2〕離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則

負(fù)離子配位多面體:

在離子晶體結(jié)構(gòu)中，與某一個正離子成配位關(guān)係而鄰接的各個負(fù)離子中心線所構(gòu)成的多面體。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列37二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

2

離子晶體的結(jié)構(gòu)

（2〕離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則

鮑林第二規(guī)則（電價規(guī)則含義）：一個負(fù)離子必定同時被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。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，會降低這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列38二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

2

離子晶體的結(jié)構(gòu)

（3〕常見離子晶體的結(jié)構(gòu)

第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列39二

典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特徵

3

共價晶體的結(jié)構(gòu)

（1〕飽和性：一個原子的共價鍵數(shù)為8-N。（2〕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)。

如：Fe(α---γ----δ).第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列第二節(jié)原子的規(guī)則排列40四

影響原子半徑的因素（1）溫度與應(yīng)力（2）結(jié)合鍵的影響（3）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，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。)（4）核外電子分佈的影響（一週期內(nèi)，隨核外電子數(shù)增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。)思考：假設(shè)鐵的原子半徑不變，計算γ鐵轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F的體積變化。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列2h第三節(jié)原子的不規(guī)則排列41維納斯“無臂”之美更深入人心晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列42

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：實際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。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。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列43一點(diǎn)缺陷1點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位－離位原子進(jìn)入其他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。（2）間隙原子：位於晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位於晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列44一點(diǎn)缺陷肖脫基空位弗蘭克爾空位第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列45一點(diǎn)缺陷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，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)第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列46一點(diǎn)缺陷3點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動（1）點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生平衡點(diǎn)缺陷：熱振動中的能力起伏。過飽和點(diǎn)缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動（遷移、複合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列47一點(diǎn)缺陷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。）第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列48二線缺陷（位錯）dislocation

位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴(kuò)散、相變過程有較大影響。）位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與實測臨界切應(yīng)力的巨大差異（2～4個數(shù)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，柏格斯提出用柏氏向量表徵位錯。

1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯的交互作用。

1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機(jī)制。之後，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列49二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型（1）刃型位錯edgedislocation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(yùn)動方向，晶體滑移方向//位錯運(yùn)動方向。）分類：正刃型位錯（┻）；負(fù)刃型位錯（┳）。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列50二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型（1）刃型位錯產(chǎn)生：空位塌陷；局部滑移。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列51二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型

（2）螺型位錯screwdislocation模型：滑移面/位錯線。（位錯線//晶體滑移方向，位錯線┻位錯運(yùn)動方向，晶體滑移方向┻位錯運(yùn)動方向。）分類：左螺型位錯；右螺型位錯。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列52二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型

（2）螺型位錯screwdislocation第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列53二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型

（3）混合位錯模型：滑移面/位錯線。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列第三節(jié)原子的不規(guī)則排列54二線缺陷（位錯）

1位錯的基本類型

（3）混合位錯第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列合金與相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：組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物。（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。如Fe-C，F(xiàn)e-Cr等。55第二章合金與相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。溶劑-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。56第二章第一節(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限固溶體。按溶質(zhì)原子分佈不同，可分為無序固溶體和有序固溶體。57第二章第一節(jié)固溶體第一節(jié)固溶體1置換固溶體（1）置換固溶體：溶質(zhì)原子位於晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。（2）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，有利於大量互溶。58第二章第一節(jié)固溶體第一節(jié)固溶體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(dú)立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論。）59第二章第一節(jié)固溶體第一節(jié)固溶體2間隙固溶體（1）組成：原子半徑較?。ㄐ§?.1nm)的非金屬元素溶入金屬晶體的間隙。（2）影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。（3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。60第二章第一節(jié)固溶體第一節(jié)固溶體3固溶體的結(jié)構(gòu)（1）晶格畸變。（2）偏聚與有序：取決於同類原子和異類原子間結(jié)合力的相對大小。完全無序、偏聚、部分有序、完全有序。61第二章第一節(jié)固溶體第一節(jié)固溶體4固溶體的性質(zhì)（1）點(diǎn)陣常數(shù)改變（2）產(chǎn)生固溶強(qiáng)化現(xiàn)象：固溶體的強(qiáng)度和硬度高於純組元，塑性則較低。概念：固溶強(qiáng)化－由於溶質(zhì)原子的溶入而引起的強(qiáng)化效應(yīng)。間隙固溶體的強(qiáng)化效果高於置換固溶體。如產(chǎn)生柯氏氣團(tuán)或有序強(qiáng)化。（3）物理、化學(xué)性能改變62第二章第一節(jié)固溶體第二節(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。包括：正常價化合物、電子化合物（電子相）、間隙化合物。63第二章第二節(jié)中間相第二節(jié)金屬間化合物1正常價化合物（1）形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價規(guī)則。（2）鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、金屬鍵。（3）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(guī)則。（2）鍵型：金屬鍵（金屬－金屬）。（3）組成：電子濃度對應(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。64第二章第二節(jié)中間相第二節(jié)金屬間化合物3間隙化合物（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）結(jié)構(gòu)簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，非金屬原子位於其間隙，結(jié)構(gòu)簡單。如面心立方VC。複雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結(jié)構(gòu)複雜。如Fe3C。（3）組成：可用化學(xué)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）鍵型：共價鍵和金屬鍵。65第二章第二節(jié)中間相第二節(jié)金屬間化合物4拓?fù)涿芏严啵?）形成：由大小原子的適當(dāng)配合而形成的高密排結(jié)構(gòu)。（2）組成：AB2。5金屬化合物的特性（1）力學(xué)性能：高硬度、高硬度、低塑性。（2）物化性能：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可用於半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。66第二章第二節(jié)中間相2h第三節(jié)陶瓷晶體相67第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相1陶瓷材料簡介（1）分類按用途可分為：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。

按結(jié)構(gòu)可分為：氧化物陶瓷矽酸鹽陶瓷68第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相1陶瓷材料簡介（2）特點(diǎn)結(jié)合鍵：以離子鍵為主，可含有一定比例的共價鍵。成分：確定，可用分子式表示。性質(zhì)：具有典型的非金屬性質(zhì)。69第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相2氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物陶瓷是典型的離子化合物。有AB，AB2，A2B3，ABO3，AB2O4等結(jié)構(gòu)。

（1）AB型結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)，如氯化鈉晶體，其化學(xué)式為NaCl，晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系。氯化鈉是一種立方面心格子。其中陰離子按立方最緊密方式堆積，陽離子填充於全部的八面體空隙中，陰、陽離子的配位數(shù)都為6。閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，如立方ZnS，為立方晶系,ZnS是立方面心格子，陰離子位於立方面心格子的節(jié)點(diǎn)位置，而陽離子交錯分佈於立方體內(nèi)的1/8小立方體的中心。陽離子的配位數(shù)是4，陰離子的配位數(shù)也是4。70第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相2氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷（2）AB2型結(jié)構(gòu)螢石結(jié)構(gòu)，CaF2,結(jié)構(gòu)屬於立方晶系，陽離子位於立方面心的節(jié)點(diǎn)位置上，陰離子則位於立方體內(nèi)8個小立方體的中心。陽離子的配位數(shù)位8，而陰離子的的配位數(shù)為4。金紅石結(jié)構(gòu)，金紅石結(jié)構(gòu)為正方晶系。陽離子位於正方原始格子的節(jié)點(diǎn)位置，體中心的陽離子不屬於這個正方原始格子，而自成另一套正方原始格子，因為這兩個陽離子的周圍環(huán)境是不相同的，所以，不能成為一個正方體心格子，氧離子在晶胞中處於一些特定的位置上。71第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相2氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷

（3）A2B3型結(jié)構(gòu)剛玉型結(jié)構(gòu)，剛玉晶體結(jié)構(gòu)屬於三方晶系。陰離子按六方緊密堆積排列，而陽離子填充於2/3的八面體空隙，因此陽離子的分佈必須有一定的規(guī)律，其原則就是在同一層和層與層之間，陽離子之間的距離應(yīng)保持最遠(yuǎn)，這是符合於鮑林規(guī)則的。（4）ABO3型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是一種複合氧化物結(jié)構(gòu)，在高溫時屬於立方晶系，在降溫時，通過某一特定的溫度後將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變使立方晶格的對稱性下降。72第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相3矽酸鹽結(jié)構(gòu)陶瓷

（1）矽酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a基本結(jié)構(gòu)單元：SiO4。b結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價鍵。矽位於氧四面體的間隙。c每個氧最多被兩個多面體共有。氧在兩個四面體之間充當(dāng)橋樑作用，稱為氧橋。73第二章第三節(jié)陶瓷第三節(jié)陶瓷晶體相3矽酸鹽結(jié)構(gòu)陶瓷

（2）矽酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)分類a含有限Si-O團(tuán)的矽酸鹽，包括含孤立Si-O團(tuán)和含成對或環(huán)狀Si-O團(tuán)兩類。又稱島狀矽酸鹽。b鏈狀矽酸鹽：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層狀矽酸鹽：Si-O團(tuán)底面共頂連接成二維結(jié)構(gòu)。d骨架狀矽酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成三維結(jié)構(gòu)。74第二章第三節(jié)陶瓷第四節(jié)高分子相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品質(zhì)很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。（2）分類按相對分子品質(zhì)：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)聚合物和無機(jī)聚合物。75第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相2化學(xué)組成（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）（1）單體：組成高分子化合物的低分子化合物。（2）鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。（3）聚合度n：大分子鏈中鏈節(jié)的重複次數(shù)。76第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相3高分子化合物的合成（1）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)過程中沒有副產(chǎn)物。c分類均加聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。生成均聚物。共加聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)，生成共聚物。77第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相3高分子化合物的合成

（2）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)。生成均縮聚物。共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。生成共縮聚物。78第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相4高分子化合物的分類（1）按性能與用途：塑膠、橡膠、纖維、膠黏劑、塗料等。（2）按生成反應(yīng)類型：加聚物、縮聚物。（3）按物質(zhì)的熱行為：熱塑性塑膠和熱固性塑膠。79第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相5高分子化合物的結(jié)構(gòu)（1）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、無軌連接。共聚物中單體的連接方式：無軌共聚：ABBABBABA

交替共聚：ABABABAB

嵌段共聚：AAAABBAAAABB

接枝共聚：AAAAAAAAAAABBBBBB80第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相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全部處於主鏈一側(cè)。間同立構(gòu)：取代基R相間分佈在主鏈兩側(cè)。無軌立構(gòu)：取代基R在主鏈兩側(cè)不規(guī)則分佈。d高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。（2）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）81第二章第四節(jié)分子相第四節(jié)分子相6高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)（1）易呈非晶態(tài)。（2）彈性模量和強(qiáng)度低。（3）容易老化。（4）密度小。（5）化學(xué)穩(wěn)定性好。82第二章第四節(jié)分子相第三章凝固83

煉鋼澆注煉銅4h第三章凝固凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。若凝固後的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。凝固過程影響後續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其他相變的研究提供基礎(chǔ)。84第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律85第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律1液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：長程無序而短程有序。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。第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律86第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律2過冷現(xiàn)象

supercooling

（1）過冷：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。（2）過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實際溫度之差?！鱐=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(jìn)行)。

第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律87第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律3結(jié)晶過程（1）結(jié)晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個參數(shù)形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)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(nèi)遷移的距離。用G表示。第二節(jié)材料結(jié)晶的基本條件88第三章第二節(jié)結(jié)晶條件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=-Sb是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。

d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲線斜率大於固相：由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。二曲線相交於一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。第二節(jié)材料結(jié)晶的基本條件89第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1熱力學(xué)條件（2）熱力學(xué)條件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－過冷是結(jié)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(jié)晶。

c△Gv的絕對值為凝固過程的驅(qū)動力。第二節(jié)材料結(jié)晶的基本條件90第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2結(jié)構(gòu)條件（1）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型

微晶無序模型

拓?fù)錈o序模型

（2）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)的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。出現(xiàn)幾率結(jié)構(gòu)起伏大小第三節(jié)晶核的形成91第三章第二節(jié)結(jié)晶條件均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內(nèi)無軌則均勻形成。非均勻形核：新相晶核依附於其他物質(zhì)擇優(yōu)形成。1均勻形核

（1）晶胚形成時的能量變化

△G＝V△Gv+σS

＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ第三節(jié)晶核的形成92第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

〔2〕臨界晶核

d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv

臨界晶核：半徑為rk的晶胚。（3〕

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(jié)晶的必要條件。第三節(jié)晶核的形成93第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核（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(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水準(zhǔn)而高低不一的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。第三節(jié)晶核的形成94第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核（5）形核率與過冷度的關(guān)係

N=N1.N2

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(guān)係。2h第三節(jié)晶核的形成95第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核（1）模型：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。（2）自由能變化：運(yùn)算式與均勻形核類似。第三節(jié)晶核的形成96第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核（3）臨界形核功計算時利用球冠體積、表面積運(yùn)算式，結(jié)合平衡關(guān)係σlw=σsw+σslcosθ計算能量變化和臨界形核功?！鱃k非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0時，△Gk非＝0，雜質(zhì)本身即為晶核；

b180>θ>0時,△Gk非<△Gk,雜質(zhì)促進(jìn)形核；

cθ=180時，△Gk非＝△Gk，雜質(zhì)不起作用。第三節(jié)晶核的形成97第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核

（4）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(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外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）第四節(jié)晶核的長大98第三章第四節(jié)晶核長大1晶核長大的條件（1）動態(tài)過冷動態(tài)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）（2）足夠的溫度（3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu)第四節(jié)晶核的長大99第三章第四節(jié)晶核長大2液固介面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制粗糙介面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的介面）：垂直長大。光滑介面（微觀光滑、宏觀粗糙－無機(jī)化合物或亞金屬材料的介面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。第四節(jié)晶核的長大100第三章第四節(jié)晶核長大2液固介面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)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(jī)化合物或亞金屬材料的介面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。第四節(jié)晶核的長大101第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（1）正溫度梯度（液體中距液固介面越遠(yuǎn)，溫度越高）粗糙介面：平面狀。光滑介面：臺階狀（小平面狀）。第四節(jié)晶核的長大102第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固介面越遠(yuǎn)，溫度越低）粗糙介面：樹枝狀。光滑介面：樹枝狀－多面體—臺階狀。第五節(jié)高分子材料的結(jié)晶103第三章第五節(jié)高分子結(jié)晶特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢一與低分子結(jié)晶的相似性

1結(jié)晶速度和晶粒尺寸受過冷度的影響隨過冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸減小。

2結(jié)晶過程：形核與長大均勻形核：高分子鏈靠熱運(yùn)動組成有序排列形成晶核。非均勻形核：以殘餘結(jié)晶高分子、分散顆粒、容器壁為中心形核。

3非均勻形核所需過冷度小。第五節(jié)高分子材料的結(jié)晶104第三章第五節(jié)高分子結(jié)晶特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢二與低分子結(jié)晶的差異性結(jié)晶的不完全性。一般50%，最高約95%。（1）鏈的對稱性。對稱性越高，越容易結(jié)晶。（2）鏈的規(guī)整性。規(guī)則的構(gòu)型，有利於結(jié)晶，有利於共聚結(jié)晶。（3）鏈的柔順性。柔順性越好，結(jié)晶能力越強(qiáng)。（4）共聚效應(yīng)。第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用105第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用1材料鑄態(tài)晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4

（1）提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導(dǎo)熱能力，適用於小件。（2）化學(xué)變質(zhì)處理。促進(jìn)異質(zhì)形核，阻礙晶粒長大。（3）振動和攪拌。輸入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用106第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用2單晶體的製備（1）基本原理：保證一個晶核形成並長大。（2）製備方法：尖端形核法和垂直提拉法。第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用107第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用3定向凝固技術(shù)（1）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。（2）製備方法。第四章二元相圖

根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發(fā)生的變化。僅在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能確定結(jié)構(gòu)、分佈狀態(tài)和具體形貌。

108第一節(jié)相圖的基本知識1相律（1）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)係。（2）運(yùn)算式：f=c-p+2;壓力一定時，f=c-p+1。

（3）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，二元系3個?？梢越忉尲兘饘倥c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。109第四章相圖第一節(jié)基本知識第一節(jié)相圖的基本知識

2相圖的表示與建立（1）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)－表像點(diǎn)。成分表示：品質(zhì)分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。110第四章相圖第一節(jié)基本知識第一節(jié)相圖的基本知識

2相圖的表示與建立（2）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(zhuǎn)變溫度－填入座標(biāo)－繪出曲線。相圖結(jié)構(gòu)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。111第四章相圖第一節(jié)基本知識第一節(jié)相圖的基本知識3杠桿定律（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。（3）注意：只適用於兩相區(qū)；三點(diǎn)（支點(diǎn)和端點(diǎn)）要選準(zhǔn)。112第四章相圖第一節(jié)基本知識第二節(jié)二元勻晶相圖

1勻晶相同及其分析（1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。（2）勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特徵的相圖。

113第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖

（3）相圖分析兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。第二節(jié)二元勻晶相圖

2固溶體合金的平衡結(jié)晶（1）平衡結(jié)晶：每個時刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程。（2）平衡結(jié)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(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：每時刻結(jié)晶出的固溶體的成分不同。

114第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖2固溶體合金的平衡結(jié)晶

（3）與純金屬結(jié)晶的比較①

相同點(diǎn)：基本過程：形核－長大；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)：合金在一個溫度範(fàn)圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。）合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。115第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖

3固溶體的不平衡結(jié)晶（1）原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。（2）結(jié)晶過程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；結(jié)晶的溫度範(fàn)圍增大；組織多為樹枝狀。

116第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖

3固溶體的不平衡結(jié)晶

（3）成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析：樹枝晶的枝幹和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（消除：擴(kuò)散退火，在低於固相線溫度長時間保溫。）

117第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖2h載人航太的效益

原蘇聯(lián)宇航員加加林1961年首次進(jìn)入太空，美國“阿波羅”飛船1969年成功登月，這兩個轟動世界的壯舉發(fā)掘和吸引了數(shù)以十萬計的精英人才，促進(jìn)了天文學(xué)、高能物理、材料學(xué)、自動控制、資訊、製造工藝學(xué)等科學(xué)技術(shù)門類的發(fā)展，催生了航天器結(jié)構(gòu)力學(xué)、航太動力學(xué)、空間電子學(xué)、航太醫(yī)學(xué)等新學(xué)科，形成了大批高科技工業(yè)群體，豐富了人類對近地空間和月球的認(rèn)識，產(chǎn)生了顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。太空梭、空間站的出現(xiàn)，使人類得以利用微重力、超低溫、強(qiáng)太陽輻射、真空等太空中的獨(dú)特條件開展多項研究。在空間站內(nèi)，宇航員已製作出了雜質(zhì)少、表面缺陷小、質(zhì)地精良的半導(dǎo)體、金屬材料、玻璃、陶瓷和光學(xué)元件；在生物材料加工方面，已可以在空間生產(chǎn)抗血栓製劑—尿激酶、純度比地面高100倍的抗流感製劑和抗病毒干擾素、可治療糖尿病的胰腺β-細(xì)胞和用於治療燒傷的表皮生長素等30多種品質(zhì)、療效較高的藥物，太空人還可設(shè)法使蛋白質(zhì)分子按預(yù)定的立體結(jié)構(gòu)排列起來，形成純度比地面高10倍、性能超群的蛋白質(zhì)晶體，促進(jìn)新藥開發(fā)、疾病研究和防治；載人航天器搭載的農(nóng)作物種子在宇宙射線的作用下，其遺傳基因會發(fā)生變化，有可能誕生高產(chǎn)、營養(yǎng)成分增加或抗病毒的作物新品種。

1182h第二節(jié)二元勻晶相圖

4穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分佈（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固介面輸出溶質(zhì)速度等於溶質(zhì)從邊界層擴(kuò)散出去速度的凝固過程。（2）平衡分配係數(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

119第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖

4穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分佈（3）溶質(zhì)分佈：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。

120第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖

4穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分佈

(4)區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分佈規(guī)律的應(yīng)用）121第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（1）成分過冷：由成分變化與實際溫度分佈共同決定的過冷。（2）形成：介面溶質(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(qū)。）122第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（3）成分過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;

實驗可控參數(shù)：G,R。123第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖第二節(jié)二元勻晶相圖5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響

（4）成分過冷對生長形態(tài)的影響（正溫度梯度下）G越小，成分過冷越大－生長形態(tài)：平面狀－胞狀－樹枝狀。124第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖1h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結(jié)晶出兩個一定成分固相的轉(zhuǎn)變。共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特徵的相圖。（液態(tài)無限互溶、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）125第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固1相圖分析（相圖三要素）（1）點(diǎn)：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶點(diǎn)（是亞共晶、過共晶合金成分分界點(diǎn)）等。（2）線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。（3）區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。126第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）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(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。127第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（2）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＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對量計算。128第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）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。

129第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料的中各個不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。組織組成物相對量的計算：杠桿定律。

130第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固3不平衡結(jié)晶及其組織（1）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；成分位於共晶點(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、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）

131第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固3不平衡結(jié)晶及其組織

（2）不平衡共晶①

不平衡共晶：位於共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。②原因：不平衡結(jié)晶。成分位於共晶線以外端點(diǎn)附件。132第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固3不平衡結(jié)晶及其組織

（3）離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

形成原因平衡條件下，成分位於共晶線上兩端點(diǎn)附近。不平衡條件下，成分位於共晶線外兩端點(diǎn)附。③

消除：擴(kuò)散退火。133第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固4共晶組織的形成（1）共晶體的形成成分互惠－交替形核片間搭橋－促進(jìn)生長

兩相交替分佈（共晶組織）134第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固4共晶組織的形成

（2）共晶體的形態(tài)粗糙－粗糙介面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少於另一相）粗糙－平滑介面：具有不規(guī)則或複雜組織形態(tài)（由於兩相微觀結(jié)構(gòu)不同）所需動態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙睢⑨槧?、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(wǎng)狀的共晶體。135第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固4共晶組織的形成

（2）共晶體的形態(tài)

136第四章相圖第三節(jié)共晶相圖第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固4共晶組織的形成

（3）初生晶的形態(tài)：金屬固溶體：粗糙介面－樹枝狀；非金屬相：平滑介面－規(guī)則多面體。137第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

138第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

包晶轉(zhuǎn)變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點(diǎn)成分固相的轉(zhuǎn)變。包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特徵的相圖。1相圖分析點(diǎn)、線、區(qū)。第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

139第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

2平衡結(jié)晶過程及其組織（1）包晶合金的結(jié)晶結(jié)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(kuò)散－β長大－全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆Ｊ覝亟M織：β或β＋αⅡ。第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

140第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

2平衡結(jié)晶過程及其組織（1）包晶合金的結(jié)晶結(jié)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(kuò)散－β長大－全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。室溫組織：β或β＋αⅡ。第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

141第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

2平衡結(jié)晶過程及其組織

（2）成分在C-D之間合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：α剩餘；室溫組織：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

142第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

2平衡結(jié)晶過程及其組織

第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

143第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

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)附近。

第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

144第四章相圖第四節(jié)包晶相圖

4包晶轉(zhuǎn)變的應(yīng)用（1）組織設(shè)計：如軸承合金需要的軟基體上分佈硬質(zhì)點(diǎn)的組織。（2）晶粒細(xì)化。

第五節(jié)二元相圖的分析和使用

145第四章相圖第五節(jié)相圖分析

一、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若兩個三相區(qū)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(qū)。④單相區(qū)邊界線的延長線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)。第五節(jié)二元相圖的分析和使用

146第四章相圖第五節(jié)相圖分析

二、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－無序轉(zhuǎn)變線。第五節(jié)二元相圖的分析和使用

147第四章相圖第五節(jié)相圖分析

三、相圖與合金性能的關(guān)係①根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能

第五節(jié)二元相圖的分析和使用

148第四章相圖第五節(jié)相圖分析

三、相圖與合金性能的關(guān)係②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XX越大，成分偏析越嚴(yán)重（因為液固相成分差別大）；

X越大，流動性越差（因為枝晶發(fā)達(dá)）；

X越大，熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大）。

第五節(jié)二元相圖的分析和使用

149第四章相圖第五節(jié)相圖分析

三、相圖與合金性能的關(guān)係塑性加工性能：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。2h第六節(jié)鐵碳合金相圖

150第四章相圖第五節(jié)相圖分析第六節(jié)鐵碳合金相圖

151第四章相圖第五節(jié)相圖分析

1組元和相（1）組元：鐵－石墨相圖：Fe,C;

鐵－滲碳體相圖：Fe-Fe3C。（2）相：L,δ,A(γ),F(α),Fe3C(K)。（其定義）第六節(jié)鐵碳合金相圖

152第四章相圖第五節(jié)相圖分析

2相圖分析

點(diǎn)：16個。線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其餘三條線：

GS,ES,PQ。區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖示注：相組成物標(biāo)注的相圖。組織組成物標(biāo)注的相圖。第六節(jié)鐵碳合金相圖

153第四章相圖第五節(jié)相圖分析

2相圖分析

點(diǎn)：16個。

第六節(jié)鐵碳合金相圖

154第四章相圖第五節(jié)相圖分析

2相圖分析

線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其餘三條線：

GS,ES,PQ。

區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖示注：相組成物標(biāo)注的相圖。組織組成物標(biāo)注的相圖。第六節(jié)鐵碳合金相圖

155第四章相圖第五節(jié)相圖分析

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%）第六節(jié)鐵碳合金相圖

156第四章相圖第五節(jié)相圖分析

4平衡結(jié)晶