材料科学基础笔记

第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1原子结构2原子结合键1离子键与离子晶体原子结合电子转移结合力大无方向性和饱和性离子晶体硬度高脆性大熔点高导电性差如氧化物陶瓷2共价键与原子晶体原子结合电子共用结合力大有方向性和饱和性原子晶体强度高硬度高金刚石熔点高脆性大导电性差如高分子材料3金属键与金属晶体原子结合电子逸出共有结合力较大无方向性和饱和性金属晶体导电性导热性延展性好熔点较高如金属金属键依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式3分子键与分子晶体原子结合电子云偏移结合力很小无方向性和饱和性分子晶体熔点低硬度低如高分子材料氢键离子结合XH4545Y氢键结合有方向性如OHO4混合键如复合材料3结合键分类一次键化学键金属键共价键离子键二次键物理键分子键和氢键4原子的排列方式1晶体原子在三维空间内的周期性规则排列长程有序各向异性2非晶体不规则排列长程无序各向同性第二节原子的规则排列一晶体学基础1空间点阵与晶体结构空间点阵由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列图15特征a原子的理想排列b有14种其中空间点阵中的点阵点它是纯粹的几何点各点周围环境相同描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞晶体结构原子离子或原子团按照空间点阵的实际排列特征a可能存在局部缺陷b可有无限多种2晶胞图161构成空间点阵的最基本单元2选取原则a能够充分反映空间点阵的对称性b相等的棱和角的数目最多c具有尽可能多的直角d体积最小形状和大小有三个棱边的长度abc及其夹角表示晶胞中点的位置表示坐标法3布拉菲点阵图1714种点阵分属7个晶系4晶向指数与晶面指数晶向空间点阵中各阵点列的方向晶面通过空间点阵中任意一组阵点的平面国际上通用米勒指数标定晶向和晶面晶向指数的标定a建立坐标系确定原点阵点坐标轴和度量单位棱边b求坐标uvwc化整数uvwd加uvw说明a指数意义代表相互平行方向一致的所有晶向b负值标于数字上方表示同一晶向的相反方向c晶向族晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向用表示数字相同但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族晶面指数的标定a建立坐标系确定原点非阵点坐标轴和度量单位b量截距xyzc取倒数hkld化整数hkke加圆括号hkl说明a指数意义代表一组平行的晶面b0的意义面与对应的轴平行c平行晶面指数相同或数字相同但正负号相反d晶面族晶体中具有相同条件原子排列和晶面间距完全相同空间位向不同的各组晶面用hkl表示e若晶面与晶向同面则hukvlw0f若晶面与晶向垂直则uhkvwl3六方系晶向指数和晶面指数a六方系指数标定的特殊性四轴坐标系等价晶面不具有等价指数b晶面指数的标定标法与立方系相同四个截距用四个数字hkil表示ihkc晶向指数的标定标法与立方系相同四个坐标用四个数字uvtw表示tuw依次平移法适合于已知指数画晶向末点坐标换算法UVWuvtwu2UV3v2VU3tUV3wW4晶带a平行于某一晶向直线所有晶面的组合晶带轴晶带面b性质晶带用晶带轴的晶向指数表示晶带面晶带轴hukvlw0c晶带定律凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带推论由两晶面h1k1l1h2k2l2求其晶带轴uvwuk1l2k2l1vl1h2l2h1wh1k2h2k1由两晶向u1v1w1u2v2w2求其决定的晶面hklHv1w1v2w2kw1u2w2u1lu1v2u2v1晶面间距a一组平行晶面中相邻两个平行晶面之间的距离b计算公式简单立方dah2k2l212注意只适用于简单晶胞对于面心立方hkl不全为偶奇数体心立方hkl奇数时dhkld2二典型晶体结构及其几何特征1三种常见晶体结构面心立方A1FCC体心立方A1BCC密排六方A3HCP晶胞原子数426点阵常数a22ra433ra2r配位数1288612致密度074068074堆垛方式ABCABCABABABABABAB结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体个数84126126rBrA0225041402901502250414配位数CN晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数致密度K晶体结构中原子体积占总体积的百分数KnvV间隙半径rB间隙中所能容纳的最大圆球半径2离子晶体的结构1鲍林第一规则负离子配位多面体规则在离子晶体中正离子周围形成一个负离子配位多面体正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和正离子的配位数取决于正负离子的半径比2鲍林第二规则电价规则含义一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有3鲍林第三规则棱与面规则在配位结构中共用棱特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性3共价键晶体的结构饱和性一个原子的共价键数为8N方向性各键之间有确定的方位配位数小结构稳定三多晶型性元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质四影响原子半径的因素温度与应力结合键的影响配位数的影响高配位结构向低配位结构转变时体积膨胀原子半径减小减缓体积变化核外电子分布的影响一周期内随核外电子数增加至填满原子半径减小至一最小值第三节原子的不规则排列原子的不规则排列产生晶体缺陷晶体缺陷在材料组织控制如扩散相变和性能控制如材料强化中具有重要作用晶体缺陷实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域晶体缺陷可分为以下三类点缺陷在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷如空位间隙原子异类原子等线缺陷在两个方向上尺寸很小而另一个方向上尺寸较大的缺陷主要是位错面缺陷在一个方向上尺寸很小在另外两个方向上尺寸较大的缺陷如晶界相界表面等一点缺陷1点缺陷的类型图131空位肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙间隙原子位于晶体点阵间隙的原子置换原子位于晶体点阵位置的异类原子2点缺陷的平衡浓度1点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下晶体中总是存在着一定数量的点缺陷空位这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定原因晶体中形成点缺陷时体系内能的增加将使自由能升高但体系熵值也增加了这一因素又使自由能降低其结果是在Gn曲线上出现了最低值对应的n值即为平衡空位数2点缺陷的平衡浓度CAexpEvkT3点缺陷的产生及其运动点缺陷的产生平衡点缺陷热振动中的能力起伏过饱和点缺陷外来作用如高温淬火辐照冷加工等点缺陷的运动迁移复合浓度降低聚集浓度升高塌陷4点缺陷与材料行为1结构变化晶格畸变如空位引起晶格收缩间隙原子引起晶格膨胀置换原子可引起收缩或膨胀2性能变化物理性能如电阻率增大密度减小力学性能屈服强度提高二线缺陷位错位错晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排意义对材料的力学行为如塑性变形强度断裂等起着决定性的作用对材料的扩散相变过程有较大影响位错的提出1926年弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异24个数量级1934年泰勒波朗依奥罗万几乎同时提出位错的概念1939年柏格斯提出用柏氏矢量表征位错1947年柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用1950年弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制之后用TEM直接观察到了晶体中的位错1位错的基本类型刃型位错模型滑移面半原子面位错线位错线晶体滑移方向位错线位错运动方向晶体滑移方向位错运动方向分类正刃型位错负刃型位错螺型位错模型滑移面位错线位错线晶体滑移方向位错线位错运动方向晶体滑移方向位错运动方向分类左螺型位错右螺型位错混合位错模型滑移面位错线2位错的性质形状不一定是直线位错及其畸变区是一条管道是已滑移区和未滑移区的边界不能中断于晶体内部可在表面露头或终止于晶界和相界或与其它位错相交或自行封闭成环3柏氏矢量确定方法避开严重畸变区a在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路b在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路c在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量的物理意义a代表位错并表示其特征强度畸变量b表示晶体滑移的方向和大小c柏氏矢量的守恒性唯一性一条位错线具有唯一的柏氏矢量d判断位错的类型柏氏矢量的表示方法a表示banuvw可以用矢量加法进行运算b求模banu2v2w2124位错密度表示方法KVnA晶体强度与位错密度的关系图位错观察浸蚀法电境法5位错的运动位错的易动性位错运动的方式a滑移位错沿着滑移面的移动刃型位错的滑移具有唯一的滑移面螺型位错的滑移具有多个滑移面位错环的滑移注重柏氏矢量的应用b攀移刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动机制原子面下端原子的扩散位错随半原子面的上下移动而上下运动分类正攀移原子面上移空位加入负攀移原子面下移原子加入应力的作用半原子面侧压应力有利于正攀移拉应力有利于负攀移作用在位错上的力单位距离上滑移fb攀移fb6位错的应变能与线张力单位长度位错的应变能WGb20510螺位错取下限刃位错取上限位错是不平衡的缺陷商增不能抵销应变能的增加位错的线张力TGb2保持位错弯曲所需的切应力Gb2r7位错的应力场及其与其它缺陷的作用应力场螺位错Gb2r只有切应力分量刃位错表达式式19晶体中滑移面以上受压应力滑移面以下受拉应力滑移面只有切应力位错与位错的交互作用fbfb刃位错同号相互排斥异号相互吸引达到能量最低状态位错与溶质原子的相互作用间隙原子聚集于位错中心使体系处于低能态柯氏气团溶质原子在位错线附近偏聚的现象位错与空位的交互作用导致位错攀移8位错的增殖塞积与交割位错的增殖FR源位错的塞积分布逐步分散位错受力切应力作用在位错上的力位错间的排斥力障碍物的阻力位错的交割位错交割后结果按照对方位错柏氏矢量变化方向和大小割阶位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上扭折位于对性能影响增加位错长度产生固定割阶9位错反应位错反应位错的分解与合并反应条件几何条件b前b后反应前后位错的柏氏矢量之和相等能量条件b2前b2后反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量10实际晶体中的位错1全位错通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错实际晶体中的典型全位错如表17所示2不全位错柏氏矢量小于点阵矢量的位错实际晶体中的典型不全位错如表17所示肖克莱和弗兰克不全位错肖克莱不全位错的形成原子运动导致局部错排错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错结合位错反应理解可为刃型螺型或混合型位错弗兰克不全位错的形成在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成只能攀移不能滑移堆垛层错与扩展位错堆垛层错晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排扩展位错一对不全位错及中间夹的层错称之三面缺陷面缺陷主要包括晶界相界和表面它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响1晶界晶界两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面分类大角度晶界晶粒位向差大于10度的晶界其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列可视为一个过渡区小角度晶界晶粒位向差小于10度的晶界其结构为位错列又分为对称倾侧晶界和扭转晶界亚晶界位向差小于1度的亚晶粒之间的边界为位错结构孪晶界两块相邻孪晶的共晶面分为共格孪晶界和非共格孪晶界2相界相界相邻两个相之间的界面分类共格半共格和非共格相界3表面表面吸附外来原子或气体分子在表面上富集的现象分类物理吸附由分子键力引起无选择性吸附热小结合力小化学吸附由化学键力引起有选择性吸附热大结合力大4界面特性界面能会引起界面吸附界面上原子扩散速度较快对位错运动有阻碍作用易被氧化和腐蚀原子的混乱排列利于固态相变的形核第二章固体中的相结构合金与相1合金1合金两种或两种以上的金属或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质2组元组成合金最基本的物质如一元二元三元合金3合金系给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称2相1相材料中结构相同成分和性能均一的组成部分如单相两相多相合金2相的分类固溶体晶体结构与其某一组元相同的相含溶剂和溶质中间相金属化合物组成原子有固定比例其结构与组成组元均不相同的相第一节固溶体按溶质原子位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体按固溶度不同可分为有限固溶体和无限固溶体按溶质原子分布不同可分为无序固溶体和有序固溶体1置换固溶体置换固溶体溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体影响置换固溶体溶解度的因素a原子尺寸因素原子尺寸差越小越易形成置换固溶体且溶解度越大rrArBrA当rb晶体结构因素结构相同溶解度大有可能形成无限固溶体c电负性因素电负性差越小越易形成固溶体溶解度越大d电子浓度因素电子浓度ea越大溶解度越小ea有一极限值与溶剂晶体结构有关一价面心立方金属为136一价体心立方金属为148上述四个因素并非相互独立其统一的理论的是金属与合金的电子理论2间隙固溶体影响因素原子半径和溶剂结构溶解度一般都很小只能形成有限固溶体3固溶体的结构晶格畸变偏聚与有序完全无序偏聚部分有序完全有序4固溶体的性能固溶体的强度和硬度高于纯组元塑性则较低固溶强化由于溶质原子的溶入而引起的强化效应柯氏气团有序强化第二节金属间化合物中间相是由金属与金属或金属与类金属元素之间形成的化合物也称为金属间化合物1正常价化合物形成电负性差起主要作用符合原子价规则键型随电负性差的减小分别形成离子键共价键金属键组成AB或AB22电子化合物电子相1形成电子浓度起主要作用不符合原子价规则2键型金属键金属金属3组成电子浓度对应晶体结构可用化学式表示可形成以化合物为基的固溶体3间隙化合物形成尺寸因素起主要作用结构简单间隙化合物间隙相金属原子呈现新结构非金属原子位于其间隙结构简单复杂间隙化合物主要是铁钴铬锰的化合物结构复杂3组成可用化学式表示可形成固溶体复杂间隙化合物的金属元素可被置换4拓扑密堆相形成由大小原子的适当配合而形成的高密排结构组成AB25金属化合物的特性力学性能高硬度高硬度低塑性物化性能具有电学磁学声学性质等可用于半导体材料形状记忆材料储氢材料等第三节陶瓷晶体相1陶瓷材料简介1分类结构陶瓷利用其力学性能强度叶片活塞韧性切削刀具硬度研磨材料功能陶瓷利用其物理性能精细功能陶瓷导电气敏湿敏生物超导陶瓷等功能转换陶瓷压电光电热电磁光声光陶瓷等结合键离子键共价键硅酸盐陶瓷主要是离子键结合含一定比例的共价键可用分子式表示其组成2硅酸盐陶瓷的结构特点与分类结构特点a结合键与结构主要是离子键结合含一定比例的共价键硅位于氧四面体的间隙b每个氧最多被两个多面体共有氧在两个四面体之间充当桥梁作用称为氧桥结构分类a含有限SiO团的硅酸盐包括含孤立SiO团和含成对或环状SiO团两类b链状硅酸盐SiO团共顶连接成一维结构又含单链和双链两类c层状硅酸盐SiO团底面共顶连接成二维结构d骨架状硅酸盐SiO团共顶连接成三维结构第四节分子相1基本概念1高分子化合物由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物又称聚合物或高聚物2分类按相对分子质量分为低分子聚合物5000按组成物质分为有机聚合物和无机聚合物2化学组成以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例单体组成高分子化合物的低分子化合物链节组成大分子的结构单元聚合度n大分子链中链节的重复次数3高分子化合物的合成加聚反应a概念由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应其产物为聚合物b组成与单体相同反应过程中没有副产物c分类均聚反应由一种单体参与的加聚反应共聚反应由两种或两种以上单体参与的加聚反应缩聚反应a概念由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物同时析出某种低分子化合物的反应b分类均缩聚反应由一种单体参加的缩聚反应共缩聚反应由两种或两种以上单体参加的缩聚反应4高分子化合物的分类按性能与用途塑料橡胶纤维胶黏剂涂料等按生成反应类型加聚物缩聚物按物质的热行为热塑性塑料和热固性塑料5高分子化合物的结构高分子链结构链内结构分子内结构a化学组成b单体的连接方式均聚物中单体的连接方式头尾连接头头或尾尾相连无轨连接共聚物中单体的连接方式无轨共聚ABBABBABA交替共聚ABABABAB嵌段共聚AAAABBAAAABB接枝共聚AAAAAAAAAAABBBBBBc高分子链的构型按取代基的位置与排列规律全同立构取代基R全部处于主链一侧间同立构取代基R相间分布在主链两侧无轨立构取代基R在主链两侧不规则分布d高分子链的几何形状线型支化型体型高分子的聚集态结构链间结构分子间结构无定形结构部分结晶结构结晶型结构示意图6高分子材料的结构与性能特点易呈非晶态弹性模量和强度低容易老化密度小化学稳定性好第五节玻璃相1结构长程无序短程有序连续无轨网络模型无规密堆模型无轨则线团模型2性能各向同性无固定熔点高强度高耐蚀性高导磁率金属第三章凝固与结晶凝固物质从液态到固态的转变过程若凝固后的物质为晶体则称之为结晶凝固过程影响后续工艺性能使用性能和寿命凝固是相变过程可为其它相变的研究提供基础第一节材料结晶的基本规律1液态材料的结构结构长程有序而短程有序特点与固态相比原子间距较大原子配位数较小原子排列较混乱2过冷现象过冷液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象见热分析实验图过冷度液体材料的理论结晶温度Tm与其实际温度之差TTmT见冷却曲线注过冷是凝固的必要条件凝固过程总是在一定的过冷度下进行3结晶过程结晶的基本过程形核长大见示意图描述结晶进程的两个参数形核率单位时间单位体积液体中形成的晶核数量用N表示长大速度晶核生长过程中液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离用G表示第二节材料结晶的基本条件1热力学条件1GT曲线图34a是下降曲线由GT函数的一次导数负确定dGdTSb是上凸曲线由二次导数负确定d2Gd2TCpTc液相曲线斜率大于固相由一次导数大小确定二曲线相交于一点即材料的熔点2热力学条件GvLmTTmaT0GvbT越大Gv越小过冷度越大越有利于结晶cGv的绝对值为凝固过程的驱动力2结构条件结构起伏相起伏液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象是结晶的必要条件之二第三节晶核的形成均匀形核新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成非均匀形核新相晶核依附于其它物质择优形成1均匀形核晶胚形成时的能量变化GVGvS43r3Gv4r2图382临界晶核dGdr0rk2Gv临界晶核半径为rk的晶胚临界过冷度rk2TmLmT临界过冷度形成临界晶核时的过冷度TkTTk是结晶的必要条件4形核功与能量起伏GkSk3临界形核功形成临界晶核时需额外对形核所做的功能量起伏系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象是结晶的必要条件之三5形核率与过冷度的关系NN1N2图31112由于N受N1N2两个因素控制形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系2非均匀形核模型外来物质为一平面固相晶胚为一球冠自由能变化表达式与均匀形核相同临界形核功计算时利用球冠体积表面积表达式结合平衡关系lwswslcos计算能量变化和临界形核功Gk非Gk23coscos34a0时Gk非0杂质本身即为晶核b1800时Gk非c180时Gk非Gk杂质不起作用影响非均匀形核的因素a过冷度NT曲线有一下降过程图316b外来物质表面结构越小越有利点阵匹配原理结构相似点阵常数相近c外来物质表面形貌表面下凹有利图317第四节晶核的长大1晶核长大的条件动态过冷动态过冷度晶核长大所需的界面过冷度是材料凝固的必要条件足够的温度合适的晶核表面结构2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面微观粗糙宏观平整金属或合金从来可的界面垂直长大光滑界面微观光滑宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面二维晶核长大依靠缺陷长大3液体中温度梯度与晶体的长大形态正温度梯度液体中距液固界面越远温度越高粗糙界面平面状光滑界面台阶状2负温度梯度液体中距液固界面越远温度越低粗糙界面树枝状光滑界面树枝状台阶状第五节凝固理论的应用1材料铸态晶粒度的控制Zv09NG34提高过冷度降低浇铸温度提高散热导热能力适用于小件化学变质处理促进异质形核阻碍晶粒长大振动和搅拌输入能力破碎枝晶2单晶体到额制备基本原理保证一个晶核形成并长大制备方法尖端形核法和垂直提拉法3定向凝固技术原理单一方向散热获得柱状晶制备方法4急冷凝固技术非晶金属与合金微晶合金准晶合金第四章二元相图相概念回顾相图描述系统的状态温度压力及成分之间关系的图解二元相图第一节相图的基本知识1相律相律热力学平衡条件下系统的组元数相数和自由度数之间的关系表达式fcp2压力一定时fcp1应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数如单元系2个二元系3个可以解释纯金属与二元合金的结晶差别纯金属结晶恒温进行二元合金变温进行2相图的表示与建立状态与成分表示法状态表示温度成分坐标系坐标系中的点表象点成分表示质量分数或摩尔分数相图的建立方法实验法和计算法过程配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线相图结构两点两线三区3杠杆定律平衡相成分的确定根据相率若温度一定则自由度为0平衡相成分随之确定数值确定直接测量计算或投影到成分轴测量计算注意只适用于两相区三点支点和端点要选准第二节二元匀晶相图1匀晶相同及其分析匀晶转变由液相直接结晶出单相固溶体的转变匀晶相图具有匀晶转变特征的相图相图分析以CuNi相图为例两点纯组元的熔点两线LS相线三区LL2固溶体合金的平衡结晶平衡结晶每个时刻都能达到平衡的结晶过程平衡结晶过程分析冷却曲线温度时间曲线相组织与相变各温区相的类型相变反应式杠杆定律应用组织示意图成分均匀化每时刻结晶出的固溶体的成分不同与纯金属结晶的比较相同点基本过程形核长大热力学条件T0能量条件能量起伏结构条件结构起伏不同点合金在一个温度范围内结晶可能性相率分析必要性成分均匀化合金结晶是选分结晶需成分起伏3固溶体的不平衡结晶原因冷速快假设液相成分均匀固相成分不均匀结晶过程特点固相成分按平均成分线变化但每一时刻符合相图结晶的温度范围增大组织多为树枝状成分偏析晶内偏析一个晶粒内部化学成分不均匀现象枝晶偏析树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象消除扩散退火在低于固相线温度长时间保温4稳态凝固时的溶质分布1稳态凝固从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程2平衡分配系数在一定温度下固液两平衡相中溶质浓度的比值k0CsCl3溶质分布液固相内溶质完全混合平衡凝固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区域熔炼上述溶质分布规律的应用5成分过冷及其对晶体生长形态的影响成分过冷由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷形成界面溶质浓度从高到低液相线温度从低到高图示溶质分布曲线匀晶相图液相线温度分布曲线实际温度分布曲线成分过冷区3成分过冷形成的条件和影响因素条件GR合金固有参数mk0实验可控参数GR4成分过冷对生长形态的影响正温度梯度下G越大成分过冷越大生长形态平面状胞状树枝状第三节二元共晶相图及合金凝固共晶转变由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变共晶相图具有共晶转变特征的相图液态无限互溶固态有限互溶或完全不溶且发生共晶反应共晶组织共晶转变产物是两相混合物1相图分析相图三要素点纯组元熔点最大溶解度点共晶点是亚共晶过共晶成分分界点等线结晶开始结束线溶解度曲线共晶线等区3个单相区3个两相区1个三相区2合金的平衡结晶及其组织以PbSn相图为例Wsn凝固过程冷却曲线相变组织示意图二次相次生相的生成脱溶转变二次析出或二次再结晶室温组织及其相对量计算共晶合金凝固过程冷却曲线相变组织示意图共晶线上两相的相对量计算室温组织及其相对量计算亚共晶合金凝固过程冷却曲线相变组织示意图共晶线上两相的相对量计算室温组织及其相对量计算组织组成物与组织图组织组成物组成材料显微组织的各个不同本质和形态的部分组织图用组织组成物填写的相图3不平衡结晶及其组织伪共晶伪共晶由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织形成原因不平衡结晶成分位于共晶点附近不平衡组织由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织共晶成分的合金得到的亚过共晶组织伪共晶区偏移不平衡共晶不平衡共晶位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织原因不平衡结晶成分位于共晶线以外端点附件离异共晶离异共晶两相分离的共晶组织形成原因平衡条件下成分位于共晶线上两端点附近不平衡条件下成分位于共晶线外两端点附消除扩散退火4共晶组织的形成共晶体的形成成分互惠交替形核片间搭桥促进生长两相交替分布共晶组织共晶体的形态粗糙粗糙界面层片状一般情况棒状纤维状一相数量明显少于另一相粗糙平滑界面具有不规则或复杂组织形态由于两相微观结构不同所需动态过冷度不同金属相任意长大另一相在其间隙长大可得到球状针状花朵状树枝状共晶体非金属相与液相成分差别大形成较大成分过冷率先长大形成针状骨骼状螺旋状蜘蛛网状的共晶体初生晶的形态金属固溶体粗糙界面树枝状非金属相平滑界面规则多面体第四节二元包晶相图包晶转变由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变包晶相图具有包晶转变特征的相图1相图分析点线区2平衡结晶过程及其组织包晶合金的结晶结晶过程包晶线以下L对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为室温组织或成分在CD之间合金的结晶结晶过程剩余室温组织3不平衡结晶及其组织异常相导致包晶偏析包晶转变要经扩散包晶偏析因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象异常相由不平衡包晶转变引起成分在靠近固相包晶线以外端点附件4包晶转变的应用组织设计如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织晶粒细化第五节其它类型的二元相图自学内容第六节铁碳合金相图一二元相图的分析和使用二元相图中的几何规律相邻相区的相数差1点接触除外相区接触法则三相区的形状是一条水平线其上三点是平衡相的成分点若两个三相区中有2个相同的相则两水平线之间必是由这两相组成的两相区单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区相图分析步骤以稳定的化合物分割相图确定各点线区的意义分析具体合金的结晶过程及其组织变化注虚线点划线的意义尚未准确确定的数据磁学转变线有序无序转变线相图与合金性能的关系根据相图判断材料的力学和物理性能根据相图判断材料的工艺性能铸造性能根据液固相线之间的距离XX越大成分偏析越严重因为液固相成分差别大X越大流动性越差因为枝晶发达X越大热裂倾向越大因为液固两相共存的温区大塑性加工性能选择具有单相固溶体区的合金热处理性能选择具有固态相变或固溶度变化的合金二铁碳合金相图1组元和相1组元铁石墨相图FeC铁渗碳体相图FeFe3C相LAFFe3CK其定义2相图分析点16个线两条磁性转变线三条等温转变线其余三条线GSESPQ区5个单相区7个两相区3个三相区相图标注相组成物标注的相图组织组成物标注的相图3合金分类工业纯钛CC2114平衡结晶过程及其组织典型合金7种的平衡结晶过程组织变化室温组织及其相对量计算重要问题Fe3CFe3CFe3C的意义及其最大含量计算LdLd转变二次杠杆的应用5含碳量对平衡组织和性能的影响对平衡组织的影响随C提高组织Fe3CLdFe3C相减少Fe3C增多Fe3C形态Fe3C薄网状点状共析Fe3C层片状Fe3C网状共晶Fe3C基体Fe3C粗大片状对力学性能的影响强度硬度升高塑韧性下降对工艺性能的影响适合锻造C适合铸造C43流动性好适合冷塑变C适合热处理00218211有固态相变第七节相图的热力学解释图示讲解第八节铸锭组织及其控制1铸锭组织铸锭三区表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区组织控制受浇铸温度冷却速度化学成分变质处理机械振动与搅拌等因素影响2铸锭缺陷微观偏析宏观偏析正偏析反偏析比重偏析夹杂与气孔夹杂外来夹杂和内生夹杂气孔析出型和反应型缩孔和疏松形成凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔分类集中缩孔缩孔缩管和分散缩孔疏松枝晶骨架相遇封闭液体造成补缩困难形成第五章三元相图第一节总论1三元相图的主要特点是立体图形主要由曲面构成可发生四相平衡转变一二三相区为一空间2成分表示法成分三角形等边等腰直角三角形已知点确定成分已知成分确定点3成分三角形中特殊的点和线三个顶点代表三个纯组元三个边上的点二元系合金的成分点平行于某条边的直线其上合金所含由此边对应顶点所代表的组元的含量一定通过某一顶点的直线其上合金所含由另两个顶点所代表的两组元的比值恒定4平衡转变的类型1共晶转变L0Tabc2包晶转变L0abTc包共晶转变L0aTbc还有偏共晶共析包析包共析转变等5共线法则与杠杆定律共线法则在一定温度下三元合金两相平衡时合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形的同一条直线上由相率可知此时系统有一个自由度表示一个相的成分可以独立改变另一相的成分随之改变杠杆定律用法与二元相同两条推论给定合金在一定温度下处于两相平衡时若其中一个相的成分给定另一个相的成分点必然位于已知成分点连线的延长线上若两个平衡相的成分点已知合金的成分点必然位于两个已知成分点的连线上6重心定律在一定温度下三元合金三相平衡时合金的成分点为三个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心由相率可知此时系统有一个自由度温度一定时三个平衡相的成分是确定的平衡相含量的计算所计算相的成分点合金成分点和二者连线的延长线与对边的交点组成一个杠杆合金成分点为支点计算方法同杠杆定律第二节三元匀晶相图1相图分析点TaTbTc三个纯组元的熔点面液相面固相面区LL2三元固溶体合金的结晶规律液相成分沿液相面固相成分沿固相面呈蝶形规律变化立体图不实用3等温界面水平截面做法某一温度下的水平面与相图中各面的交线截面图分析3个相区LL2条相线L1L2S1S2共轭曲线若干连接线可作为计算相对量的杠杆偏向低熔点组元可用合金成分点与顶点的连线近似代替4变温截面垂直截面做法某一垂直平面与相图中各面的交线二种常用变温截面经平行于某条边的直线做垂直面获得经通过某一顶点的直线做垂直面获得结晶过程分析成分轴的两端不一定是纯组元注意液固相线不一定相交不能运用杠杆定律液固相线不是成分变化线5投影图等温线投影图可确定合金结晶开始结束温度全方位投影图匀晶相图不必要第三节三元共晶相图一组元在固态互不相溶的共晶相图相图分析点熔点二元共晶点三元共晶点两相共晶线液相面交线线EnE两相共晶面交线液相单变量线液相区与两相共晶面交线液相面固相面面两相共晶面三元共晶面两相区3个区单相区4个三相区4个四相区1个等温截面应用可确定平衡相及其成分可运用杠杆定律和重心定律是直边三角形三相平衡区两相区与之线接水平截面与棱柱面交线单相区与之点接水平截面与棱边的交点表示三个平衡相成分变温截面应用分析合金结晶过程确定组织变化局限性不能分析成分变化成分在单变量线上不在垂直截面上合金结晶过程分析4投影图相组成物相对量计算杠杆定律重心定律组织组成物相对量计算杠杆定律重心定律二组元在固态有限溶解的共晶相图1相图分析点熔点二元共晶点三元共晶点两相共晶线液相面交线线EnE两相共晶面交线液相单变量线液相区与两相共晶面交线固相单变量线液相面固相面由匀晶转变结束面两相共晶结束面三相共晶结束面组成面两相共晶面三元共晶面溶解度曲面6个两相区6个区单相区4个三相区4个四相区1个2等温截面应用可确定平衡相及其成分可运用杠杆定律和重心定律是直边三角形三相平衡区两相区与之线接水平截面与棱柱面交线单相区与之点接水平截面与棱边的交点表示三个平衡相成分相率相区的相数差1相区接触法则单相区两相区曲线相接两相区三相区直线相接变温截面3个三相区共晶相图特征水平线1个三相区三相共晶区特征曲边三角形应用分析合金结晶过程确定组织变化局限性不能分析成分变化成分在单变量线上不在垂直截面上合金结晶过程分析4投影图相组成物相对量计算杠杆定律重心定律组织组成物相对量计算杠杆定律重心定律第四节三元相图总结立体图共轭曲面1两相平衡等温图两条曲线立体图三棱柱棱边是三个平衡相单变量线2三相平衡等温图直边三角形顶点是平衡相成分点垂直截面曲边三角形顶点不代表成分根据参加反应相后生成包共晶转变判断根据居中单相区上共下包3四相平衡立体图中的四相平衡共晶转变类型包共晶转变包晶转变与4个单相区点接触相区邻接四相平衡面与6个两相区线接触与4个三相区面接触共晶转变上3下1三相区反应类型判断以四相平衡面为界包共晶转变上2下2包晶转变上1下3变温截面中的四相平衡四相平衡区上下都有三相区邻接条件邻接三相区达4时判断转变类型类型共晶包共晶包晶投影图中的四相平衡根据12根单变量判断根据液相单变量判断共晶转变包共晶转变包晶转变4相区接触法则相邻相区的相数差1各种截面图适用5应用举例第六章固体中的扩散第一节概述1扩散的现象与本质扩散热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程现象柯肯达尔效应本质原子无序跃迁的统计结果不是原子的定向移动2扩散的分类根据有无浓度变化自扩散原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散如纯金属或固溶体的晶粒长大无浓度变化互扩散原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散有浓度变化根据扩散方向下坡扩散原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散上坡扩散原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散根据是否出现新相原子扩散扩散过程中不出现新相反应扩散由之导致形成一种新相的扩散3固态扩散的条件温度足够高时间足够长扩散原子能固溶具有驱动力化学位梯度第二节扩散定律1菲克第一定律1第一定律描述单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量扩散通量J与浓度梯度成正比2表达式JDdcdxC溶质原子浓度D扩散系数3适用条件稳态扩散dcdt0浓度及浓度梯度不随时间改变2菲克第二定律一般CtDCxx二维1表达式特殊CtD2Cx2三维CtD2x22y22z2C稳态扩散Ct0Jx02适用条件非稳态扩散Ct0Jx0CtJx3扩散第二定律的应用误差函数解适用条件无限长棒和半无限长棒表达式CC1C1C2erfx2Dt半无限长棒在渗碳条件下Cxt处的浓度C1表面含碳量C2钢的原始含碳量正弦解CxCpA0sinxCp平均成分A0振幅CmaxCp枝晶间距的一半对于均匀化退火若要求枝晶中心成分偏析振幅降低到1100则C2tCpCmaxCpexp2Dt21100第三节扩散的微观机理与现象1扩散机制间隙间隙1间隙机制平衡位置间隙间隙较困难间隙篡位结点位置间隙固溶体中间隙原子的扩散机制方式原子跃迁到与之相邻的空位2空位机制条件原子近旁存在空位金属和置换固溶体中原子的扩散直接换位换位机制环形换位所需能量较高2扩散程度的描述原子跃迁的距离RtrR扩散距离原子跃迁的频率在一定温度下恒定r原子一次跃迁距离如一个原子间距扩散系数D2P对于立方结构晶体P16上式可写为D26P为跃迁方向几率是常数对于简单立方结构a对于面向立方结构2a23a2扩散激活能扩散激活能Q原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系DD0expQRTD0扩散常数空位扩散激活能与扩散系数的关系DD0expEkTEEf空位形成功Em空位迁移激活能3扩散的驱动力与上坡扩散1扩散的驱动力对于多元体系设n为组元i的原子数则在等温等压条件下组元i原子的自由能可用化学位表示iGni扩散的驱动力为化学位梯度即Fix负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向2扩散的热力学因子组元i的扩散系数可表示为DiKTBi1lngilnxi其中1lngilnxi称为热力学因子当1lngilnxi生上坡扩散3上坡扩散概念原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散驱动力化学位梯度其它引起上坡扩散的因素弹性应力的作用大直径原子跑向点阵的受拉部分小直径原子跑向点阵的受压部分晶界的内吸附某些原子易富集在晶界上电场作用大电场作用可使原子按一定方向扩散4反应扩散反应扩散有新相生成的扩散过程相分布规律二元扩散偶中不存在两相区只能形成不同的单相区三元扩散偶中可以存在两相区不能形成三相区第四节影响扩散的主要因素1温度DD0expQRT可以看出温度越高扩散系数越大2原子键力和晶体结构原子键力越强扩散激活能越高致密度低的结构中扩散系数大举例渗碳选择在奥氏体区进行在对称性低的结构中可出现明显的扩散各向异性3固溶体类型和组元浓度的影响间隙扩散机制的扩散激活能低于置换型扩散提高组元浓度可提高扩散系数4晶体缺陷的影响缺陷能量较高扩散激活能小空位是空位扩散机制的必要条件位错是空隙管道低温下对扩散起重要促进作用界面扩散短路扩散原子界面处的快速扩散如对银Q表面Q晶界2Q晶内35第三组元的影响如在钢中加入合金元素对碳在g中扩散的影响强碳化物形成元素如WMoCr与碳亲和力大能显著组织碳的扩散弱碳化物形成元素如Mn对碳的扩散影响不大固溶元素如CoNi提高碳的扩散系数Si降低碳的扩散系数第七章塑性变形第一节单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式滑移和孪生一滑移1滑移在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面滑移面和晶向滑移方向产生相对位移且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式光镜下滑移带无重现性2滑移的表象学电境下滑移线3滑移的晶体学滑移面密排面1几何要素滑移方向密排方向2滑移系滑移系一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合滑移系的个数滑移面个数每个面上所具有的滑移方向的个数典型滑移系晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114312CuAlNiAu1106212FeWMo体心立方12112112FeW12324124Fe0001133MgZnTi密排六方10103MgZrTi10116MgTi一般滑移系越多塑性越好滑移系数目与材料塑性的关系与滑移面密排程度和滑移方向个数有关与同时开动滑移系数目有关tc3滑移的临界分切应力tctc在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力外力在滑移方向上的分解tc取决于金属的本性不受jl的影响j或l90时sstcsscosjcoslss的取值jl45时ss最小晶体易滑移软取向值大取向因子cosjcosl硬取向值小4位错运动的阻力派纳力tPN2pG1vexp2pa1vb主要取决于位错宽度结合键本性和晶体结构4滑移时晶体的转动1位向和晶面的变化拉伸时滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向力轴方向不变压缩时晶面逐渐趋于垂直于压力轴线几何硬化jl远离45滑移变得困难2取向因子的变化几何软化jl接近45滑移变得容易5多滑移多滑移在多个2滑移系上同时或交替进行的滑移滑移的分类双滑移单滑移2等效滑移系各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系6交滑移1交滑移晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移螺位错的交滑移螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程机制螺位错的双交滑移交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程单滑移单一方向的滑移带3滑移的表面痕迹多滑移相互交叉的滑移带交滑移波纹状的滑移带二孪生1孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系孪生面A1111A2112A310122孪生的晶体学孪生方向A1A2A3孪晶区3孪生变形的特点滑移孪生相同点1均匀切变2沿一定的晶面晶向进行不改变结构不同点晶体位向不改变对抛光面观察无重现性改变形成镜面对称关系对抛光面观察有重现性位移量滑移方向上原子间距的整数倍较大小于孪生方向上的原子间距较小对塑变的贡献很大总变形量大有限总变形量小变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果第二节多晶体的塑性变形1晶粒之间变形的传播位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变2晶粒之间变形的协调性原因各晶粒之间变形具有非同时性要求各晶粒之间变形相互协调独立变形会导致晶体分裂条件独立滑移系5个保证晶粒形状的自由变化3晶界对变形的阻碍作用晶界的特点原子排列不规则分布有大量缺陷晶界对变形的影响滑移孪生多终止于晶界极少穿过晶粒大小与性能的关系a晶粒越细强度越高细晶强化由下列霍尔配奇公式可知sss0kd12原因晶粒越细晶界越多位错运动的阻力越大有尺寸限制晶粒越多变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少可承受更大的变形量表现出高塑性b晶粒越细塑韧性提高细晶粒材料中应力集中小裂纹不易萌生晶界多裂纹不易传播在断裂过程中可吸收较多能量表现出高韧性第三节合金的塑性变形一固溶体的塑性变形1固溶体的结构2固溶强化1固溶强化固溶体材料随溶质含量提高其强度硬度提高而塑性韧性下降的现象晶格畸变阻碍位错运动2强化机制柯氏气团强化3屈服和应变时效现象上下屈服点屈服延伸吕德斯带扩展预变形和时效的影响去载后立即加载不出现屈服现象去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服原因柯氏气团的存在破坏和重新形成固溶强化的影响因素溶质原子含量越多强化效果越好溶剂与溶质原子半径差越大强化效果越好价电子数差越大强化效果越好间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子二多相合金的塑性变形1结构基体第二相2性能两相性能接近按强度分数相加计算软基体硬第二相第二相网状分布于晶界二次渗碳体a结构两相呈层片状分布珠光体第二相呈颗粒状分布三次渗碳体弥散强化位错绕过第二相粒子粒子位错环阻碍位错运动b强化沉淀强化位错切过第二相粒子表面能错排能粒子阻碍位错运动第四节塑性变形对材料组织和性能的影响一对组织结构的影响晶粒拉长1形成纤维组织杂质呈细带状或链状分布2形成形变织构1形变织构多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织丝织构某一晶向趋于与拔丝方向平行拉拔时形成2常见类型板织构某晶面趋于平行于轧制面某晶向趋于平行于主变形方向轧制时形成力学性能利深冲板材变形控制弊制耳3对性能的影响各向异性物理性能硅钢片织构可减少铁损3形成位错胞变形量位错缠结位错胞大量位错缠结在胞壁胞内位错密度低二对性能的影响1对力学性能的影响加工硬化1加工硬化形变强化冷作强化随变形量的增加材料的强度硬度升高而塑韧性下降的现象强化金属的重要途径利提高材料使用安全性2利弊材料加工成型的保证弊变形阻力提高动力消耗增大脆断危险性提高2对物理化学性能的影响导电率导磁率下降比重热导率下降结构缺陷增多扩散加快化学活性提高腐蚀加快三残余应力约占变形功的10第一类残余应力s宏观内应力由整个物体变形不均匀引起1分类第二类残余应力s微观内应力由晶粒变形不均匀引起第三类残余应力s点阵畸变由位错空位等引起8090利预应力处理如汽车板簧的生产2利弊弊引起变形开裂如黄铜弹壳的腐蚀开裂3消除去应力退火第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复冷变形金属在低温加热时其显微组织无可见变化但其物理力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程再结晶冷变形金属被加热到适当温度时在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒而使形变强化效应完全消除的过程二显微组织变化示意图回复阶段显微组织仍为纤维状无可见变化再结晶阶段变形晶粒通过形核长大逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒晶粒长大阶段晶界移动晶粒粗化达到相对稳定的形状和尺寸三性能变化1力学性能示意图回复阶段强度硬度略有下降塑性略有提高再结晶阶段强度硬度明显下降塑性明显提高晶粒长大阶段强度硬度继续下降塑性继续提高粗化严重时下降2物理性能密度在回复阶段变化不大在再结晶阶段急剧升高电阻电阻在回复阶段可明显下降四储存能变化示意图1储存能存在于冷变形金属内部的一小部分10变形功弹性应变能3122存在形式位错8090是回复与再结晶的驱动力点缺陷3储存能的释放原子活动能力提高迁移至平衡位置储存能得以释放五内应力变化回复阶段大部分或全部消除第一类内应力部分消除第二三类内应力再结晶阶段内应力可完全消除第二节回复一回复动力学示意图1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系lnx0xc0texpQRTx0原始加工硬化残留率x退火时加工硬化残留率c0比例常数t加热时间T加热温度2动力学曲线特点1没有孕育期2开始变化快随后变慢3长时间处理后性能趋于一平衡值二回复机理移至晶界位错处1低温回复点缺陷运动空位间隙原子消失缺陷密度降低0102Tm空位聚集空位群对异号位错相遇而抵销2中温回复位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低0203Tm亚晶粒长大3高温回复位错攀移滑移位错垂直排列亚晶界多边化亚0305Tm晶粒弹性畸变能降低三回复退火的应用去应力退火降低应力保持加工硬化效果防止工件变形开裂提高耐蚀性第三节再结晶亚晶合并形核亚晶长大形核机制亚晶界移动形核吞并其它亚晶或变形部分1形核变形量较大时晶界凸出形核晶界弓出形核凸向亚晶粒小的方向变形量较小时驱动力畸变能差2长大方式晶核向畸变晶粒扩展直至新晶粒相互接触注再结晶不是相变过程二再结晶动力学示意图再结晶速度与温度的关系v再AexpQRRT规律开始时再结晶速度很小在体积分数为05时最大然后减慢三再结晶温度1再结晶温度经严重冷变形变形量70的金属或合金在1h内能够完成再结晶的再结晶体积分数95最低温度高纯金属T再025035Tm2经验公式工业纯金属T再035045Tm合金T再0409Tm注再结晶退火温度一般比上述温度高100200变形量越大驱动力越大再结晶温度越低3影响因素纯度越高再结晶温度越低加热速度太低或太高再结晶温度提高四影响再结晶的因素1退火温度温度越高再结晶速度越大2变形量变形量越大再结晶温度越低随变形量增大再结晶温度趋于稳定变形量低于一定值再结晶不能进行3原始晶粒尺寸晶粒越小驱动力越大晶界越多有利于形核4微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动不利于再结晶5第二分散相间距和直径都较大时提高畸变能并可作为形核核心促进再结晶直径和间距很小时提高畸变能但阻碍晶界迁移阻碍再结晶五再结晶晶粒大小的控制晶粒大小变形量关系图再结晶晶粒的平均直径dkGN141变形量图存在临界变形量生产中应避免临界变形量2原始晶粒尺寸晶粒越小驱动力越大形核位置越多使晶粒细化3合金元素和杂质增加储存能阻碍晶界移动有利于晶粒细化4温度变形温度越高回复程度越大储存能减小晶粒粗化退火温度越高临界变形度越小晶粒粗大六再结晶的应用恢复变形能力改善显微组织再结晶退火消除各向异性提高组织稳定性再结晶温度T再100200第四节晶粒长大驱动力界面能差长大方式正常长大异常长大二次再结晶一晶粒的正常长大1正常长大再结晶后的晶粒均匀连续的长大2驱动力界面能差界面能越大曲率半径越小驱动力越大晶界趋于平直3晶粒的稳定形状晶界夹角趋于120二维坐标中晶粒边数趋于64影响晶粒长大的因素温度温度越高晶界易迁移晶粒易粗化分散相粒子阻碍晶界迁移降低晶粒长大速率一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r体积分数j的关系d4r3j杂质与合金元素降低界面能不利于晶界移动晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界因而前者的移动速率低于后者二晶粒的异常长大1异常长大少数再结晶晶粒的急剧长大现象钉扎晶界的第二相溶于基体2机制再结晶织构中位向一致晶粒的合并大晶粒吞并小晶粒各向异性织构明显优化磁导率3对组织和性能的影响晶粒大小不均性能不均降低强度和塑韧性晶粒粗大提高表面粗糙度三再结晶退火的组织1再结晶图退火温度变形量与晶粒大小的关系图图2再结晶织构再结晶退火后形成的织构退火可将形变织构消除也可形成新织构3退火孪晶再结晶退火后出现的孪晶是由于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的第五节金属的热变形一动态回复与动态再结晶1动态回复在塑变过程中发生的回复2动态再结晶在塑变过程中发生的再结晶包含亚晶粒位错密度较高特点反复形核有限长大晶粒较细应用采用低的变形终止温度大的最终变形量快的冷却速度可获得细小晶粒二金属的热加工冷加工在再结晶温度以下的加工过程发生加工硬化1加工的分类热加工在再结晶温度以上的加工过程硬化回复再结晶2热加工温度T再3热加工后的组织与性能改善铸锭组织气泡焊合破碎碳化物细化晶粒降低偏析提高强度塑性韧性形成纤维组织流线组织枝晶偏析夹杂物沿变形方向呈纤维状分布性能各向异性沿流线方向塑性和韧性提高明显形成带状组织形成两相合金变形或带状偏析被拉长影响各向异性消除避免在两相区变形减少夹杂元素含量采用高温扩散退火或正火4热加工的优点可持续大变形量加工动力消耗小提高材料质量和性能三超塑性1超塑性某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的延伸率2条件晶粒细小温度范围05065Tm应变速率小1001s3本质多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致第九章固态相变第一节概述一固态相变的特点界面能增加1相变阻力大额外弹性应变能比体积差固态相变扩散困难新旧相化学成分不同时困难2新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面晶向平行共格界面类型半共格为降低界面能形成共格半共格界面位向关系非共格3惯习现象新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成惯习方向母相惯习面原因沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展4母相晶体缺陷促进相变点缺陷类型线晶格畸变自由能高促进形核及相变面思考晶粒细化对相变的影响5易出现过渡相固态相变阻力大直接转变困难协调性中间产物过渡相gaFe3Ca3FeC例gMaFe3C二固态相变的分类1按相变过程中原子迁移情况1扩散型依靠原子的长距离扩散相界面非共格如珠光体奥氏体转变FeC都可扩散2非扩散型旧相原子有规则地协调一致地通过切变转移到新相中相界面共格原子间的相邻关系不变化学成分不变如马氏体转变FeC都不扩散3半扩散型既有切变又有扩散如贝氏体转变Fe切变C扩散2按相变方式分类1有核相变有形核阶段新相核心可均匀形成也可择优形成大多数固态相变属于此类2无核相变无形核阶段以成分起伏作为开端新旧相间无明显界面如调幅分解3按热力学函数变化分类1一级相变相变时两相的化学位相等而化学位对温度及压力的一阶偏微分SV不等的相变伴随潜热的释放和体积的改变如蒸发升华熔化以及大多数固态晶型转变属于此类2二级相变相变时两相的化学位相等化学位的一阶偏微分也相等但二阶偏微分不相等的相变没有相变潜热和体积改变有比容压缩系数膨胀系数变化如磁性转变有序无序转变超导转变等属于此类三常见固态相变类型相变名称相变特征同素异构转变同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化多型性转变合金中晶体结构的变化脱溶转变过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变一个固相转变为两个结构不同的固相包析转变两个不同结构的固相转变为一个新的固相组织中一般有某相残余马氏体转变新旧相之间成分不变切变进行有严格位向关系有浮凸效应贝氏体转变兼具马氏体和扩散转变的特点借助铁的切变和碳的扩散进行调幅分解非形核转变固溶体分解成结构相同但成分不同的两相有序化转变合金元素原子从无规则排列到有规则排列担结构不变第二节固态相变的形核与长大一均匀形核能量条件1形核时的能量变化相变驱动力1化学自由能体积自由能GvGvT曲线随成分变化相变阻力2界面能sSs取决于界面结构T越大晶核越小Ss大共格半共格与过冷度有关T越小晶核越大Ss小非共格相变阻力3应变能eVe共格应变能共格大半共格小非共格0分类比体积差球状最大体积应变能新相几何形状片状最小针状居中2形核的能量条件GVGvSsVerK2sGveGK16ps3Gve2二非均匀形核能量条件固态相变均匀形核的可能性很小非均匀形核依靠晶体缺陷是主要的形核方式1不同晶体缺陷对形核的作用能量高降低GK1晶界形核结构混乱降低e易扩散偏析利于扩散相变新相母相形成共格半共格界面降低界面能母相晶粒1非共格界面母相晶粒2共格或半共格界面新相生成处位错消失能力释放提高驱动力2位错形核位错不消失可作为半共格界面的形成部分易于发生偏聚有利于成分起伏易于扩散有利于发生扩散型相变促进扩散3空位形核新相生成处空位消失提供能量空位群可凝结成位错在过饱和固溶体的脱溶析出过程中空位作用更明显2非均匀形核的能力变化GVGvSsVeGDGD晶体缺陷导致系统降低的能量三晶核的长大1长大机制切变长大1半共格界面台阶式长大原子直接迁移2非共格界面原子迁移至新相台阶端部2新相长大速度新相生成时无成分变化有结构有序度变化界面控制长大udnexpQkT1expGvkT新相生成时有成分变化2扩散控制长大udxdtCbxDCbCa3相变动力学ff1expbtn第十章金属材料工业用钢铸铁和有色金属及其合金构成了国民经济建设所必须的全部金属材料尽管高分子材料陶瓷材料和复合材料的应用日益广泛但金属材料仍然是应用最广泛用量最大的工程材料随着现代工业的发展和科学技术的进步对金属材料的性能要求会越来越高新型金属材料将会不断出现基本要求工业用钢熟悉钢的分类和编号能鉴别钢号熟悉合金元素在钢中的作用和典型钢号中合金元素的作用掌握常用工业用钢的化学成分热处理特点或使用状态使用态组织主要性能特点及应用铸铁熟悉铸铁的分类和铸铁的石墨化熟悉常用铸铁的牌号组织性能特点及应用了解铸铁的热处理特点及常用热处理工艺有色金属及其合金熟悉铝合金的分类和编号铝合金的时效强化典型铝合金的组织与性能特点熟悉铜合金的分类和编号了解黄铜的组织及性能特点内容提要重要名词合金元素结构钢工具钢不锈钢奥氏体不锈钢回火稳定性二次硬化调质钢渗碳钢弹簧钢滚动轴承钢高速钢热模具钢晶间腐蚀耐热钢耐磨钢时效强化工业用钢钢的分类和编号合金元素在钢中的作用合金元素对基本相的影响碳钢在室温下的基本相是铁素体和渗碳体合金元素可溶入铁素体中强化铁素体若含量适当仍可保持铁素体较好的韧性碳化物形成元素与碳相互作用可形成合金渗碳体间隙化合物和间隙相等它们的稳定性硬度耐磨性均高于渗碳体而聚集长大的倾向比渗碳体小合金元素对相图的影响凡是扩大区的元素均扩大奥氏体区使降低当合金元素含量达到一定值时奥氏体区将扩大到室温得到奥氏体钢凡是缩小区的元素均缩小奥氏体使升高当合金元素含量达到一定值时奥氏体区将消失得到铁素体钢合金元素加入钢中会使点和点向左移动向左移动意味着共析点的含量下降点向左移动意味着出现莱氏体的含碳量减少总之合金元素改变了平衡条件下的相变规律和平衡组织从而改变了性能合金元素对钢加热转变的影响除外大多数合金元素升高临界点减慢奥氏体的形成速变因而合金钢要获得较均匀的奥氏体需更高的加热温度和较长的保温时间除外大多数合金元素都能细化奥氏体晶粒从而改善强度和韧性合金元素对钢冷却转变的影响除外大多数合金元素溶入奥氏体中后能增加奥氏体的稳定性使曲线向右移动提高钢的淬透性另外还会降低点增加残余奥氏体量合金元素对回火转变的影响合金元素提高回火稳定性有利于提高综合力学性能含等元素的合金钢会产生第二类回火脆性而和有抑制和减轻第二类回火脆性的倾向某些高合金钢会产生二次硬化现象结构钢按用途结构钢可分为两大类工程结构钢和机械结构钢碳素结构钢工程结构钢低合金结构钢渗碳钢调质钢机械结构钢弹簧钢滚动轴承钢常用结构钢的主要性能要求化学成分典型牌号最终热处理或使用状态组织见表表常用结构钢钢种工程结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢用途举例桥梁船体容器汽车拖拉机变速齿轮机床主轴机床齿轮连杆螺栓弹簧各类弹性元件滚动轴承部件主要性能要较高的刚度强度较好的塑性韧性良好的工艺性较小的冷脆倾向一定的耐蚀性表层硬而耐磨心部较高的韧性和足够的强度良好的综合力学性能足够的淬透性有时要求表面耐磨高的弹性极限和屈强比高的疲劳极限足够的塑性韧性高的接触疲劳强度高硬度和耐磨性足够的韧性求含碳量合金元素典型牌号最终热处理一般为热轧空冷状态渗碳淬火低温回火调质处理调质表面淬火低温回火一般为淬火中温回火淬火低温回火使用态组织一般为铁素体索氏体表层回火马氏体碳化物残余心部回火马氏体或铁素体珠光体型回火索氏体表层回火马氏体心部回火索氏体回火屈氏体回火马氏体碳化物残余奥氏体工具钢按用途工具钢可分为三大类刃具钢模具钢和量具钢常用工具钢的化学成分典型牌号最终热处理组织性能特点和用途举例见表表常用工具钢钢种刃具钢冷模具钢高碳高铬钢热模具钢碳素工具钢低合金工具钢高速钢含碳量合金元素典型牌号最终热处理淬火低温回火淬火低温回火高温淬火三次回火一般采用淬火低温回火淬火中温回火或高温回火组织回火马氏体或回火马氏体碳化物回火马氏体细小碳化物残余奥氏体回火马氏体碳化物残余奥氏体回火马氏体碳化物残余奥氏体回火屈氏体或回火索氏体主要性能特点高硬度和耐磨性淬透性差红硬性差淬火变形开裂倾向大硬度耐磨性淬透性均比碳工钢好淬火变形小良好的红硬性高的硬度耐磨性高的淬透性很高的耐磨性和淬透性热处理变形小高温下有较高的强度和韧性足够的硬度和耐磨性良好的耐热疲劳性高的淬透性用途举例简单车刀手锤锉刀等丝锥板牙拉刀等各种高速切削刃具等冷冲模冷挤压模等热锻模等特殊性能钢特殊性能钢可分为三大类不锈钢耐热钢和耐磨钢不锈钢提高耐蚀性的途径加提高基体的电极电位加形成致密的钝化膜加等使其形成单相组织典型马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢见表耐热钢耐热性耐热性是指高温抗氧化性和热强性高温强度热强性用蠕变极限和持久强度来表征提高耐热性的途径加形成致密的氧化膜提高高温抗氧化性通过加合金元素提高原子间结合力提高再结晶温度减慢原子的扩散增加组织的稳定性来提高热强性按组织可分为铁素体型耐热钢珠光体型耐热钢马氏体型耐热钢和奥氏体型耐热钢耐磨钢耐磨钢是指在受到强烈摩擦冲击或巨大压力时表现出良好耐磨性的钢种典型耐磨钢是高锰钢牌号为其化学成分热处理组织性能特点及用途举例见表表特殊性能钢钢种马氏体不锈钢奥氏体不锈钢耐磨钢典型牌号含碳量合金元素及作用提高基体电极电位形成钝化膜从而提高耐蚀性提高基体电极电位形成钝化膜使其呈单相奥氏体防止晶间腐蚀使其能获得单相奥氏体增大钢的加工硬化能力和韧性最终热处理淬火高温回火淬火低温回火固溶处理水韧处理组织回火索氏体回火马氏体奥氏体奥氏体性能特点较好的耐蚀性较高的强度和韧性较好的耐蚀性较高的硬度和耐磨性良好的耐蚀性塑韧性良好的冷成型性的焊接性加工硬化能力强不能淬火强化强度较低有时产生晶间腐蚀在受到强烈摩擦冲击和巨大压力时表现出良好的耐磨性和韧性用途举例结构零件如汽轮机叶片等医疗器械刃具等化工焊接件耐酸容器锅炉汽轮机耐热构件等拖拉机履带挖掘机铲齿铁路道叉铸铁铸铁的分类铸铁的石墨化铸铁的石墨化过程第一阶段包括从液态铁水中直接析出石墨以及从奥氏体中析出二次石墨第二阶段包括共析转变过程中形成的石墨铸铁的石墨化程度与组织的关系见表表共晶铸铁的石墨化程度与组织的关系石墨化程度得到的组织铸铁名称第一阶段第二阶段完全石墨化完全石墨化铁素体石墨灰口铸铁未石墨化珠光体石墨部分石墨化铁素体珠光体石墨未石墨化未石墨化莱氏体白口铸铁部分石墨化未石墨化珠光体二次渗碳石墨莱氏体麻口铸铁影响石墨化的因素石墨对铸铁性能的影响石墨一方面破坏了基体的连续性减少了实际承载面积另一方面石墨边缘会造成应力集中形成断裂源因此铸铁的抗拉强度塑性韧性都比钢低片状石墨对基体削弱作用和应力集中程度最大而球状石墨对基体的削弱作用和应力程度较小石墨的数量大小和分布对铸铁性能也有显著影响常用普通铸铁的牌号组织性能特点和用途举例见表铸铁的热处理热处理只改变基体组织不改变石墨形状其热处理原理与钢相似灰口铸铁常用热处理有去应力退火消除白口改善切削加工性的退火表面淬火球墨铸铁中石墨呈球状基体强度利用率高因而热处理强化效果好可进行多种热处理来提高性能常用热处理有退火正火调质处理和等温淬火等有色金属及其合金铝及其合金铝合金的分类和编号铝合金的时效强化表常用普通铸铁的牌号组织性能特点及用途举例种类牌号表示方法组织性能特点用途举例灰口铸铁片状石墨片状石墨片状石墨抗拉强度塑性韧性低抗压强度高良好的铸造性切削加工性减摩性消震性和低的缺口敏感性机床床身底座工作台等可锻铸铁团絮状石墨团絮状石墨比灰口铸铁具有较高的抗拉强度塑性和韧性汽车后桥外壳低压阀管接头连杆等截面尺寸较小的零部件球墨铸铁球状石墨球状石墨球状石墨回球状石墨下球状石墨比其它铸铁有更高的抗拉强度屈服强度屈强比和更好的塑性韧性热处理强化效果好可制造负荷较大受力复杂的机器零件如柴油机曲轴连杆齿轮缸套等蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状性能介于基体组织相同的灰铁和球铁之间柴油机缸盖气缸套机床床身液压阀等简单硅铝明的成分组织性能特点及用途铜及其合金铜合金的分类和编号单相黄铜与双相黄铜的成分组织性能特点及用途轴承合金轴承合金的性能要求和组织要求的组织特点性能特点及用途高锡铝基轴承合金的组织特点性能特点及用途重点和难点重点工业用钢包括钢号的鉴别根据钢的牌号判断钢的类别碳和合金元素的大致含量典型钢号中合金元素的作用各类钢的化学成分常用热处理或使用状态使用态组织主要性能特点和用途举例根据工件的工作条件和性能要求选用合适的钢种难点钢的合金化原理铝合金的时效强化机理内容零碎不易记忆学习方法指导根据钢的牌号判断钢的类别时可按下列步骤先看牌号中有无特殊标志如中的中的再判断是否属于特殊性能钢如等根据含碳量的表示方法区分是属于结构钢还是工具钢如果含碳量用两位数字表示则可确定该钢属于结构钢如果含碳量用一位数字表示或未标数字则可确定该钢属于工具钢结构钢中可根据含碳量的多少判断是渗碳钢调质钢还是弹簧钢有些不易分清的可重点记忆工具钢中含碳量若为中碳则属于热模具钢否则就是刃具钢或冷模具钢工业用钢类别多内容零碎不易记忆为解决此问题可从两个方面一方面进行归纳总结将零碎的内容要条理化另一方面先按下面的思路进行理解在理解的基础上再加以记忆含碳量左大括号化学成分化学成分的选择合金元素典型件的工作条件性能要求组织最终热处理课堂讨论典型零件的选材与热处理工艺的选用是学习本课程的主要目的之一通过讨论不仅使学生对钢的热处理工业用钢等内容加深理解而且也使学生在综合运用所学的知识去分析解决问题方面得到一次训练讨论目的熟悉钢的分类和编号学会根据钢的牌号来判断钢的类别碳和合金元素的大致含量熟悉典型钢号中合金元素的作用进一步理解和掌握各类钢的工作条件和性能要求化学成分最终热处理或使用状诚使用态组织和用途讨论题试判断下列牌号的钢中碳和合金元素的含量大致是多少说明下列钢号中合金元素的主要作用判断下列牌号的钢属于何类钢按用途分指出各类钢常用的最终热处理或使用状态使用态组织主要性能特点和用途根据下面所列出的化学成分写出钢的牌号并指出其常用最终热处理使用态组织主要性能特点和用途欲制造车床主轴机床变速齿轮汽车变速齿轮汽车板簧轴承滚珠高速车刀热锻模试问上述零件或工具各应选用何种材料写出其牌号在制造过程中各需经过何种最终热处理热处理后得到何种组织渗碳钢适宜制作何种工作条件下的零件为什么渗碳钢均为低碳渗碳后为什么还要淬火低温回火调质钢适宜制作何种工作条件下的零件为什么调质钢均为中碳比较结构钢和工具钢的合金化特点和热处理特点钢中的主要作用是什么该钢为什么是莱氏体钢为什么空冷就可获得马氏体组织其最终热处理为何要采用高温淬火三次回火判断下列说法是否正确并说明理由钢中热模具钢属于工具钢所以它一定是高碳钢奥氏体不锈钢不能通过淬火来强化属于过共析钢是耐磨钢在任何条件下都会表现出良好的耐磨性表示耐热钢的持久强度调质钢制造零件过程中必须要经过调质处理可锻铸铁可以锻造变形铝合金都能时效强化而铸造铝合金都不能时效强化青铜是指铜和锡的合金综合题一材料的结构1谈谈你对材料学科和材料科学的认识2金属键与其它结合键有何不同如何解释金属的某些特性3说明空间点阵晶体结构晶胞三者之间的关系4晶向指数和晶面指数的标定有何不同其中有何须注意的问题5画出三种典型晶胞结构示意图其表示符号原子数配位数致密度各是什么6碳原子易进入a铁还是b铁如何解释7研究晶体缺陷有何意义8点缺陷主要有几种为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷9位错概念是在什么背景下提出的其易动性是如何实现的10试述位错的性质11试述博士矢量的意义12与位错有关的三个力的表达式各是什么简述其求解原理13柯氏气团是如何形成的它对材料行为有何影响14晶体中的界面有何共性它对材料行为有何影响综合题二凝固相结构与相图1简述合金相的分类固溶体与纯金属相比有何结构性能特点2固溶体与纯金属的结晶有何异同3试述匀晶系不平衡结晶的过程平均成分线的形成两种偏析4分析共晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因5试述含碳量对平衡组织和性能的影响相含量形态的变化6说明三元相图的水平截面垂直截面及投影图的应用7分析两种合金平衡冷却过程指出其室温组织8指出FeFe3C相图中适合锻造铸造冷塑变热处理加工的成分范围说明原因9什么是过冷为何说过冷是凝固的必要条件10分析界面结构和温度梯度对晶体生长形态的影响11根据凝固理论试述细化晶粒的基本途径12判断不同温度下晶核半径与自由能变化关系曲线13画图说明成分过冷的形成成分过冷对晶体生长形状有何影响14常见的铸锭缺陷有哪些15液态金属凝固时需要过冷那么固态金属熔化时是否需要过热为什么16谈谈你所了解的凝固新技术及其应用综合题三扩散塑变与再结晶1可不可以说扩散定律实际上只有一个为什么2渗碳为什么在奥氏体中而不在铁素体中进行3在研究纯铁渗碳时通常假定渗碳气氛的渗碳能力足以使奥氏体的溶碳量达到饱和且渗碳开始工件表面可迅速获得一个恒定的表面浓度CS此浓度在整个过程中维持不变结合FeFe3C相图分别画出纯铁在930和800渗碳时渗碳铁棒的成分距离曲线示意图选择温度低于727能否达到渗碳的目的为什么4试分析材料强化常用的方法机制及适用条件5为何晶粒越细材料的强度越高其塑韧性也越好6何谓单滑移多滑移和交滑移画出三者滑移线的形貌7试分析单晶体滑移和孪生变形的异同点8某面心立方晶体的可动滑移系为111110指出引起滑移的单位位错的博士矢量若滑移是由纯刃型位错引起的试指出位错线的方向若滑移是由纯螺型位错引起的试指出位错线的方向指出在上述23两种情况下滑移时位错线的滑移方向9若单晶体铜的表面恰为100假设晶体可以在各个滑移系上进行滑移试分析表面上滑移线形貌若晶体表面为111呢10钨板在1100加工变形锡板在室温下变形它们的组织结构有何变化11根据形变金属退火后晶粒尺寸与变形量关系示意图将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化示意图一块纯锡板被子弹击穿试画出弹孔周围组织变化示意图12热加工和冷加工是如何划分的分析热加工和冷加工过程中的组织与性能变化13绘出第六章内容结构框图14绘出第七章内容结构框图15绘出第八章内容结构框图综合题四固态相变与新型材料1固态相变与凝固两过程有何异同2说明固态相变比液态材料结晶阻力大的原因3说明晶体缺陷促进固态相变形核的原因4描述脱溶转变的相变过程并建立它与马氏体回火转变过程的联系5再结晶和调幅分解是相变过程吗为什么6分析调幅分解的热力学条件7试述马氏体高强度高硬度的原因8列表说明下列内容形成条件相变类型组成相亚结构性能特点形貌特征PPTSM板条M片状MBB上B下9画图说明AM转变10谈谈你对组织结构加工工艺化学成分和性能四者之间的关系11简述复合材料增强原理12简述复合材料界面结合类型如何改善界面结合状态13采用一定的方法框图法分枝法等说明本书各章内容之间的联系一名词解释金属键结构起伏固溶体枝晶偏析奥氏体加工硬化离异共晶成分过冷热加工反应扩散二画图1在简单立方晶胞中绘出210晶面及210晶向2结合FeFe3C相图分别画出纯铁经930和800渗碳后试棒的成分距离曲线示意图3如下图所示将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图4画出简单立方晶体中100面上柏氏矢量为010的刃型位错与001面上柏氏矢量为010的刃型位错交割前后的示意图5画图说明成分过冷的形成三FeFe3C相图分析1用组织组成物填写相图2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量四简答题1已知某铁碳合金其组成相为铁素体和渗碳体铁素体占82试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量2什么是单滑移多滑移交滑移三者的滑移线各有什么特征如何解释3设原子为刚球在原子直径不变的情况下试计算gFe转变为aFe时的体积膨胀率如果测得910时gFe和aFe的点阵常数分别为03633nm和02892nm试计算gFe转变为aFe的真实膨胀率4间隙固溶体与间隙化合物有何异同5可否说扩散定律实际上只有一个为什么五论述题结合右图所示的C晶体强度位错密度关系曲线分析强化金属材料的方法及其机制六拓展题1画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形3固态相变为何易于在晶体缺陷处形核4画出面心立方晶体中225晶面上的原子排列图冷塑变晶须C