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材料科學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識點(diǎn)總結(jié).doc

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材料科學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識點(diǎn)總結(jié).doc

. 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 (1) 一次鍵 (化學(xué)鍵):金屬鍵、共價(jià)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)的周期性規(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) (1) 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。 (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(shí)際排列。 特征:a 可能存在局部缺陷; b 可有無限多種。 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(gè)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(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。 (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 求坐標(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)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)號不同的晶向?qū)儆谕痪蜃濉? (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)。 說明: a 指數(shù)意義:代表一組平行的晶面; b 0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。 (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: (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。 (5) 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(簡單立方): d=a/(h2+k2+l2)1/2 注意:只適用于簡單晶胞;對于面心立方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) (1) 飽和性:一個(gè)原子的共價(jià)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)。 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(shí),體積膨脹,原子半徑減小減緩體積變化。 (4) 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 (1) 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。 (2) 間隙原子:位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。 (3) 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) (1) 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(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(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)測臨界切應(yīng)力的巨大差異(2~4個(gè)數(shù)量級)。 1934年,泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時(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 (1) 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)(┳)。 (2) 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)。 (3) 混合位錯(cuò) 模型:滑移面/位錯(cuò)線。 2 位錯(cuò)的性質(zhì) (1) 形狀:不一定是直線,位錯(cuò)及其畸變區(qū)是一條管道。 (2) 是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。 (3) 不能中斷于晶體內(nèi)部。可在表面露頭,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 (1) 確定方法 (避開嚴(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――。 (2) 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。 (3) 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 (1) 表示方法:ρ=K/V ρ=n/A (2) 晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系(τ-ρ圖)。 (3) 位錯(cuò)觀察:浸蝕法、電境法。 5 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) (1) 位錯(cuò)的易動(dòng)性。 (2) 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。 (3) 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 (1) 單位長度位錯(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。) (2) 位錯(cuò)是不平衡的缺陷。 (商增不能抵銷應(yīng)變能的增加。) (3) 位錯(cuò)的線張力:T=αGb2。 (4) 保持位錯(cuò)彎曲所需的切應(yīng)力:τ=Gb/2r。 7 位錯(cuò)的應(yīng)力場及其與其它缺陷的作用 (1) 應(yīng)力場 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。 (2) 位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用 f=τb ,f=-σb (刃位錯(cuò))。 同號相互排斥,異號相互吸引。(達(dá)到能量最低狀態(tài)。) (3) 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。 (4) 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 (1) 位錯(cuò)的增殖:F-R源。 (2) 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。 (3) 位錯(cuò)的交割 位錯(cuò)交割后結(jié)果:按照對方位錯(cuò)柏氏矢量(變化方向和大小)。 割階:位錯(cuò)交割后的臺階不位于它原來的滑移面上。 扭折:――――――――位于―――――――――。 對性能影響:增加位錯(cuò)長度,產(chǎn)生固定割階。 9 位錯(cuò)反應(yīng) (1) 位錯(cuò)反應(yīng):位錯(cuò)的分解與合并。 (2) 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) (3) 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??蔀槿行汀⒙菪突蚧旌闲臀诲e(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。) (4) 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,它們對材料的力學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。 1 晶界 (1) 晶界:兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。 (2) 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 (1) 相界:相鄰兩個(gè)相之間的界面。 (2) 分類:共格、半共格和非共格相界。 3 表面 (1) 表面吸附:外來原子或氣體分子在表面上富集的現(xiàn)象。 (2) 分類 物理吸附:由分子鍵力引起,無選擇性,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 (1) 界面能會(huì)引起界面吸附。 (2) 界面上原子擴(kuò)散速度較快。 (3) 對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。 (4) 易被氧化和腐蝕。 (5) 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限固溶體。 按溶質(zhì)原子分布不同,可分為無序固溶體和有序固溶體。 1 置換固溶體 (1) 置換固溶體:溶質(zhì)原子位于晶格點(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(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 (1) 影響因素:原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。 (2) 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) (1) 晶格畸變。 (2) 偏聚與有序:完全無序、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。 (1) 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)。 (2) 柯氏氣團(tuán) (3) 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 (1) 形成:電負(fù)性差起主要作用,符合原子價(jià)規(guī)則。 (2) 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。 (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(jià)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。 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),非金屬原子位于其間隙,結(jié)構(gòu)簡單。 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? (1) 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??捎梅肿邮奖硎? 其組成。 2 硅酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分類 (1) 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。 (2) 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)聚合物和無機(jī)聚合物。 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)的重復(fù)次數(shù)。 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)。 (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(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 (1) 按性能與用途:塑料、橡膠、纖維、膠黏劑、涂料等。 (2) 按生成反應(yīng)類型:加聚物、縮聚物。 (3) 按物質(zhì)的熱行為:熱塑性塑料和熱固性塑料。 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: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。 (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) 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。 第五節(jié) 玻璃相 1 結(jié)構(gòu):長程無序、短程有序 (1) 連續(xù)無軌網(wǎng)絡(luò)模型。 (2) 無規(guī)密堆模型。 (3) 無軌則線團(tuán)模型。 2 性能 (1) 各向同性。 (2) 無固定熔點(diǎn)。 (3) 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)變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體,則稱之為結(jié)晶。 凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。 凝固是相變過程,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 過冷現(xiàn)象 (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。(見熱分析實(shí)驗(yàn)圖) (2) 過冷度: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)。 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(gè)參數(shù) 形核率:單位時(shí)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-過冷是結(jié)晶的必要條件(之一)。 b △T越大, △Gv越?。^冷度越大,越有利于結(jié)晶。 c △Gv的絕對值為凝固過程的驅(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 (1) 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。 (3〕 臨界過冷度 rk=-2σTm/Lm△T 臨界過冷度:形成臨界晶核時(shí)的過冷度。△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,形核率與過冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。 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:表達(dá)式與均勻形核相同。 (3) 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。 (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 1 晶核長大的條件 (1) 動(dòng)態(tài)過冷 動(dòng)態(tài)過冷度:晶核長大所需的界面過冷度。(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)。 2 液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制 粗糙界面(微觀粗糙、宏觀平整-金屬或合金從來可的界面):垂直長大。 光滑界面(微觀光滑、宏觀粗糙-無機(jī)化合物或亞金屬材料的界面):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(tài) (1) 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:樹枝狀。 光滑界面:樹枝狀-臺階狀。 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 (1) 提高過冷度。降低澆鑄溫度,提高散熱導(dǎo)熱能力,適用于小件。 (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(dòng)和攪拌。輸入能力,破碎枝晶。 2 單晶體到額制備 (1) 基本原理:保證一個(gè)晶核形成并長大。 (2) 制備方法:尖端形核法和垂直提拉法。 3 定向凝固技術(shù) (1) 原理:單一方向散熱獲得柱狀晶。 (2) 制備方法。 4 急冷凝固技術(shù) (1) 非晶金屬與合金 (2) 微晶合金。 (3) 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 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)系。 (2) 表達(dá)式:f=c-p+2; 壓力一定時(shí),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(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 (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)-表象點(diǎn)。 成分表示:質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。 (2) 相圖的建立 方法:實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算法。 過程:配制合金-測冷卻曲線-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 (1) 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。) (2) 數(shù)值確定:直接測量計(jì)算或投影到成分軸測量計(jì)算。 (3) 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 (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)變特征的相圖。 (3) 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 (1) 平衡結(jié)晶:每個(gè)時(shí)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(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。 (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(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 (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(shí)刻符合相圖); 結(jié)晶的溫度范圍增大; 組織多為樹枝狀。 (3) 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。 (4) 區(qū)域熔煉(上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用) 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(shí)際溫度分布共同決定的過冷。 (2) 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-成分過冷區(qū)。) (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(shí)驗(yàn)可控參數(shù):G, R。 (4)成分過冷對生長形態(tài)的影響 (正溫度梯度下)G越大,成分過冷越大-生長形態(tài):平面狀-胞狀-樹枝狀。 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) (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(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) (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(jì)算。 (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(jì)算。 ③ 室溫組織(α+β+αⅡ+βⅡ)及其相對量計(jì)算。 (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(jì)算。 ③ 室溫組織(α+βⅡ+(α+β))及其相對量計(jì)算。 ④ 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 (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、過共晶組織。(偽共晶區(qū)偏移) (2) 不平衡共晶 ① 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。 ② 原因:不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點(diǎn)附件。 (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。 ③ 消除:擴(kuò)散退火。 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 兩相交替分布 共晶組織 (2) 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。 (3) 初生晶的形態(tài): 金屬固溶體:粗糙界面-樹枝狀;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-界面生成β-三相間存在濃度梯度-擴(kuò)散-β長大-全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆? 室溫組織:β或β+αⅡ。 (2) 成分在C-D之間合金的結(jié)晶 結(jié)晶過程: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?!? 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 (1) 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。 (2) 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 (1) 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)邊界線的延長線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)。 (2) 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。 (3) 相圖與合金性能的關(guān)系 ① 根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能 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)晶過程及其組織 (1) 典型合金(7種)的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計(jì)算。 (2) 重要問題: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 含碳量對平衡組織和性能的影響 (1) 對平衡組織的影響(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)。 (2) 對力學(xué)性能的影響 強(qiáng)度、硬度升高,塑韌性下降。 (3) 對工藝性能的影響 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 (1) 鑄錠三區(qū):表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)。 (2) 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 (1) 微觀偏析 (2) 宏觀偏析 正偏析 反偏析 比重偏析 (3) 夾雜與氣孔 夾雜:外來夾雜和內(nèi)生夾雜。 氣孔:析出型和反應(yīng)型。 (4) 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) (1) 是立體圖形,主要由曲面構(gòu)成; (2) 可發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變; (3) 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) (1) 已知點(diǎn)確定成分; (2) 已知成分確定點(diǎn)。 3 成分三角形中特殊的點(diǎn)和線 (1) 三個(gè)頂點(diǎn):代表三個(gè)純組元; (2) 三個(gè)邊上的點(diǎn):二元系合金的成分點(diǎn); (3) 平行于某條邊的直線:其上合金所含由此邊對應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元的含量一定。 (4) 通過某一頂點(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; (3) 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 (1) 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。) (2) 杠桿定律:用法與二元相同。 兩條推論 (1) 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)連線的延長線上。 (2) 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)和二者連線的延長線與對邊的交點(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) (1) 做法:某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。 (2) 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) (1) 做法:某一垂直平面與相圖中各面的交線。 (2) 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)通過某一頂點(diǎn)的直線做垂直面獲得。 (3) 結(jié)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(yùn)用杠桿定律(液、固相線不是成分變化線)。 5 投影圖 (1) 等溫線投影圖:可確定合金結(jié)晶開始、結(jié)束溫度。 (2) 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 (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 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) (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。) (3) 變溫截面 應(yīng)用:分析合金結(jié)晶過程,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)晶過程分析; (4)投影圖 相組成物相對量計(jì)算(杠桿定律、重心定律) 組織組成物相對量計(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

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