1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第2版 西安交通大學(xué) 石德珂 主編第1頁主要內(nèi)容導(dǎo)論第一章 材料結(jié)構(gòu)基本知識第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)第二節(jié) 原子結(jié)合鍵第三節(jié) 原子排列方式第四節(jié) 晶體材料組織第二章 材料中晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié) 純金屬晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié) 離子晶體結(jié)構(gòu)第四節(jié) 共價晶體結(jié)構(gòu)第三章 晶體缺點(diǎn)第一節(jié) 點(diǎn)缺點(diǎn)第二節(jié) 位錯基本概念第三節(jié) 晶體中界面第2頁第四章 材料相結(jié)構(gòu)及相圖第一節(jié) 材料相結(jié)構(gòu)第二節(jié) 二元相圖及其類型第三節(jié) 復(fù)雜相圖分析第四節(jié) 相圖熱力學(xué)基礎(chǔ)第五章 材料凝固與氣相沉積第一節(jié) 材料凝固時晶核形成第二節(jié) 材料凝固時晶體生長第三節(jié) 固溶體合金凝固第四節(jié) 共晶合金凝固第五節(jié) 制造工藝與凝固組織第六節(jié)

2、材料非晶態(tài)第七節(jié) 材料氣固轉(zhuǎn)變第六章 擴(kuò)散與固態(tài)相變第一節(jié) 擴(kuò)散定律及其應(yīng)用第二節(jié) 擴(kuò)散機(jī)制第三節(jié) 影響擴(kuò)散原因與擴(kuò)散驅(qū)動力第四節(jié) 幾個特殊相關(guān)擴(kuò)散實際問題第五節(jié) 固態(tài)相變中形核第六節(jié) 固態(tài)相變晶體生長第七章 陶瓷材料第3頁導(dǎo)論一各種材料概況 工程材料按屬性可分為三類：金屬材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三個相互組合而成復(fù)合材料。按使用性能分類，則可分為主要利用其力學(xué)性能結(jié)構(gòu)材料和主要利用其物理性能功效材料。二.材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系 材料不一樣性能都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，可分為四個層次：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子排列方式（晶體和非晶體）以及顯微組織。 比如因為結(jié)合鍵不一樣，

3、性能也不一樣。如金屬鍵結(jié)合材料，內(nèi)部有大量自由運(yùn)動電子，造成了金屬有好導(dǎo)電性，在變形時也不會破壞鍵結(jié)合，故有好塑性。而共價鍵結(jié)合材料，電子被束縛而不能自由運(yùn)動，所以通常是不導(dǎo)電，只有在溫度較高并加如一些雜質(zhì)元素時才能形成半導(dǎo)體。共價鍵結(jié)協(xié)力很強(qiáng)且有方向性，變形時要破壞局部鍵結(jié)合，所以這類材料硬度高但很脆。以金屬鍵結(jié)合原子排列很緊密，形成晶體結(jié)構(gòu)也比較簡單，故金屬密度高；而以共價鍵結(jié)合原子排列不夠緊密，形成晶體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，故共價晶體結(jié)構(gòu)密度低。 組織是指用金相觀察方法觀察材料內(nèi)部時看到包括晶體或晶粒大小、方向、形狀排列情況等組成關(guān)系組成物。不一樣組織含有不一樣力學(xué)性能和物理性能。 第4頁第一

4、章 材料結(jié)構(gòu)基本知識第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)一、原子電子排列 原子 原子核中子質(zhì)子核外電子原子結(jié)構(gòu)示意圖 原子運(yùn)動軌道是有四個量子數(shù)所確定，它們分別為主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)以及自旋量子數(shù)。四個量子數(shù)中最主要是主量子數(shù)n(n=1、2、3、4），各殼層能夠容納電子總數(shù)分別為2、8、18、32，也就是相當(dāng)于2 ，它是確定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低主要參數(shù)。隨n增加電子能量依次增加。第5頁 原子核外電子分布與四個量子數(shù)相關(guān)，且服從下述兩個基本原理：(1) 泡利不相容原理 一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同兩個電子。(2) 最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低軌道，使系統(tǒng)處于最低能量狀態(tài)。 依據(jù)上述原理

5、，電子從低能量水平至高能量水平，依次排列在不一樣量子狀態(tài)下。 第6頁第二節(jié) 原子結(jié)合鍵 通常把材料液態(tài)和固態(tài)稱為凝聚態(tài)。在凝聚態(tài)下，原子間距離十分靠近，便產(chǎn)生了原子間作用力，使原子結(jié)合在一起，或者說形成了鍵。材料許多性能在很大程度上取決于原子結(jié)合鍵。依據(jù)結(jié)協(xié)力強(qiáng)弱可把結(jié)合鍵分成兩大類： 一次鍵結(jié)協(xié)力較強(qiáng)，包含離子鍵、共價鍵和金屬鍵。 二次鍵結(jié)協(xié)力較弱，包含范德瓦爾斯鍵和氫鍵。一、一次鍵 1.離子鍵 金屬元素尤其是IA、IIA族金屬在滿殼層外面有少數(shù)價電子，它們很輕易逸出；另方面VIIA、VIA族非金屬原子外殼層只缺乏12個電子便成為穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩類電子結(jié)合時，金屬原子外層電子很可能轉(zhuǎn)移至非

6、金屬原子外殼層上，使二者都得到穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)，從而降低了體系能量，此時金屬原子和非金屬原子分別形成正離子和負(fù)離子，正、負(fù)離子間相互吸引，時原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵。 氯化鈉離子鍵第7頁2. 共價鍵 相鄰原子間能夠共同組成一個新電子軌道，由兩個原子中各有一個電子共用，利用共享電子對來到達(dá)穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)。共價結(jié)合時因為電子對之間強(qiáng)烈排斥力，使共價鍵含有顯著方向性，這是其它鍵所不具備。因為方向性，不允許改變原子相對位置，所以材料不具塑性且比較堅硬，像金剛石就是世界上最堅硬物質(zhì)之一。金剛石共價結(jié)合及其方向性示意圖第8頁3. 金屬鍵 金屬原子失去其外殼層價電子形成帶正電荷陽離子，這些陽離子常在空間整齊排

7、列，而遠(yuǎn)離核電子則在各正離子之間自由游蕩，金屬正是依靠正離子與自由電子時間相互吸引而結(jié)合起來。金屬鍵沒有方向性，正離子之間改變相對位置并不會破壞電子與正離子間結(jié)協(xié)力，因而金屬含有良好塑性。一樣，金屬正離子被另一個金屬正離子取代時也不會破壞結(jié)合鍵，這種金屬之間溶解能力也是金屬最主要特性。另外，金屬導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及金屬晶體中原子密集排列等，都直接起因于金屬鍵結(jié)合。金屬鍵結(jié)合示意圖第9頁二、二次鍵 二次鍵是借原子之間偶極吸引力結(jié)合而成。 1. 范德瓦爾斯鍵 實際上因為各種原因造成負(fù)電荷中心與正電荷（原子核）中心并不一定重合，這種分布產(chǎn)生一個偶極矩，另外，一些極性分子正負(fù)電性位置不一致，也有類似偶極

8、矩。當(dāng)原子或分子相互靠近時，一個原子偶極矩將會影響另一個原子內(nèi)電子分布，電子密度在靠近第一個原子正電荷處更高些，這么使兩個原子相互靜電吸引，體系就處于較低能量狀態(tài)。 范德瓦爾斯鍵力示意圖第10頁2. 氫鍵 氫原子只有一個電子，當(dāng)氫原子與一個電負(fù)性很強(qiáng)原子（或原子團(tuán)）X結(jié)合成份子時，氫原子一個電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上，那么氫原子就相當(dāng)于一個質(zhì)子，對另一個電負(fù)性值較大原子Y，表現(xiàn)出較強(qiáng)吸引力，就形成氫鍵。 氫鍵表示式為： X-H-Y 氫與X原子（或原子團(tuán)）為離子鍵結(jié)合，與Y之間為氫鍵結(jié)合。冰中水分子排列及氫鍵作用第11頁第三節(jié) 原子排列方式一. 晶體與非晶體 晶體中原子排列時有序，且各向異性。非晶體

9、內(nèi)部原子排列是無序。且各向同性。通常，金屬與合金、大部分陶瓷（如氧化物、碳化物、氮化物等）以及少數(shù)高分子材料等是晶體材料。而多數(shù)高分子材料及玻璃等原子或分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜材料為非晶體。第12頁第四節(jié) 晶體材料組織 材料組織就是只各種晶粒組合特征，即各種晶粒相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。 一. 組織顯示與觀察組織宏觀組織金相組織（顯微組織） 觀察組織前首先必須對要觀察試樣進(jìn)行重復(fù)磨光和拋光，以取得平整而光滑表面，然后經(jīng)化學(xué)侵蝕。化學(xué)侵蝕目標(biāo)是將晶界顯示出來。晶界第13頁二. 單相組織 含有單一相組織為單相組織，即全部晶粒化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。如純Fe、純Al等組織一定是單相。另外，有

10、些合金中合金元素能夠完全溶解于基體中，形成均勻合金相，也可形成單相固溶體組織，在固體狀態(tài)時稱為固溶體。 描述單向組織特征主要有晶粒尺寸及形狀。晶粒尺寸對材料性能有主要影響，細(xì)化晶粒能夠顯著提升材料強(qiáng)度，同時還改進(jìn)材料塑性和韌性，所以人們常采取各種辦法來細(xì)化晶粒。單相黃銅顯微組織圖第14頁三. 多相組織 單相多晶體材料強(qiáng)度往往很低，所以工程中更多應(yīng)用是兩相以上晶體材料，各個相含有不一樣成份和晶體結(jié)構(gòu)。 在更多情況下，組織中兩個相晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，其中尺寸較細(xì)相以球狀、點(diǎn)狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散分布于另一相晶粒基體內(nèi)。假如彌散相硬度顯著高于基體相則將顯著提升材料強(qiáng)度，于此同時，塑性與韌性必將下降。

11、增加彌散相相對量，或者在相對量不變情況下細(xì)化彌散相尺寸，都會大幅度提升材料強(qiáng)度。這種強(qiáng)化方法稱為彌散強(qiáng)化。第15頁第二章 材料中晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ)一. 空間點(diǎn)陣和晶胞 所謂空間點(diǎn)陣，是指由幾何點(diǎn)在三維空間做周期性規(guī)則排列所形成三維陣列。構(gòu)成空間點(diǎn)陣每一個點(diǎn)稱為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)。為了表示空間點(diǎn)陣幾何規(guī)律，常人為將陣點(diǎn)用一系列相互平行直線連接起來形成空間格架，稱之為晶格，組成晶格最基本單元稱為晶胞。簡單立方晶體結(jié)構(gòu)第16頁要求在選取晶胞時應(yīng)滿足以下條件： （1）要能充分反應(yīng)整個空間點(diǎn)陣對稱性。 （2）在滿足（1）基礎(chǔ)上，晶胞要含有盡可能多直角。 （3）在滿足（1）（2）基礎(chǔ)上所選取晶胞體積要最小

12、。二. 晶系和布拉菲點(diǎn)陣 1. 晶系：依據(jù)晶胞形狀特征，所劃分晶體點(diǎn)陣系列，特征相同歸為一個晶系，共有個晶系。 2.布拉菲點(diǎn)陣：依據(jù)晶胞形狀及陣點(diǎn)分布特征所劃分晶體點(diǎn)陣系列,特征相同歸為一個晶系，共有 14 種。第17頁 14種布拉菲點(diǎn)陣與七個晶系第18頁三. 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1. 晶向指數(shù)及其確定方法 1) 晶向指數(shù) 晶體點(diǎn)陣中陣點(diǎn)列方向指數(shù)。 2) 確定已知晶向指數(shù) (Miller指數(shù))。(1) 建坐標(biāo)普通為右手坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于待定晶向上某一陣點(diǎn)，坐標(biāo)軸為晶胞棱邊。(2) 求投影以晶格常數(shù)為單位，求待定晶向上任一陣點(diǎn)投影值。(3) 化整數(shù)將投影值化為一組最小整數(shù)。(4) 加括號uvw。

13、第19頁2.晶面指數(shù)及其確定方法 1) 晶面指數(shù) 晶體點(diǎn)陣中陣點(diǎn)面方向指數(shù)。 2) 確定已知晶面指數(shù)。 (1) 建坐標(biāo)右手坐標(biāo)，坐標(biāo)軸為晶胞棱邊，坐標(biāo)原點(diǎn)不能位于待定晶面內(nèi)。 (2) 求截距以晶格常數(shù)為單位，求待定晶面在坐標(biāo)軸上截距值。 (3) 取倒數(shù)將截距值取倒數(shù)。 (4) 化整數(shù)將截距值倒數(shù)化為一組最小整數(shù)。 (5) 加括號（hkl）。第20頁3. 六方晶體系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1) 確定已知晶面指數(shù)（hkil）(1) 建坐標(biāo)四軸坐標(biāo)，坐標(biāo)軸為 a1、a2、a3 和c，坐標(biāo)原點(diǎn)不能位于待定晶面內(nèi)。(2) 求截距以晶格常數(shù)為單位，求待定晶面在坐標(biāo)軸上截距值。(3) 取倒數(shù)將截距值取倒數(shù)。(4)

14、 化整數(shù)將截距值倒數(shù)化為一組最小整數(shù)。(5) 加括號（hkil），能夠證實，i=(h+k)。第21頁2) 確定已知晶向指數(shù) uvtw-移步法 在 t=(u+v) 約束下，在四軸坐標(biāo)中,從坐標(biāo)原點(diǎn)依次沿a1 、a2 、a3 、c 軸移動到待定晶向上某個陣點(diǎn)，所移動步數(shù)即為uvtw.第22頁四. 晶面間距1. 晶面間距：相鄰兩平行晶面間距離。2. 計算公式 對于各晶系簡單點(diǎn)陣，晶面間距與晶面指數(shù) (hkl) 和點(diǎn)陣常數(shù)(a,b,c)之間有以下關(guān)系： 立方晶系： 四方晶系： 正方晶系： 六方晶系：第23頁第二節(jié) 純金屬晶體結(jié)構(gòu)一. 經(jīng)典金屬晶體結(jié)構(gòu) 金屬晶體中結(jié)合鍵是金屬鍵，因為金屬鍵沒有方向性和飽

15、和性，使大多數(shù)金屬晶體都含有排列緊密、對稱性高簡單晶體結(jié)構(gòu)。最常見經(jīng)典金屬通常含有面心立方（A1或fcc）、體心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三種晶體結(jié)構(gòu)。 1. 體心立方結(jié)構(gòu)第24頁2. 面心立方結(jié)構(gòu)第25頁3. 密排六方結(jié)構(gòu)第26頁結(jié)構(gòu)類型最密排面最密排方向bccfcccph 1. 原子最密排面和最密排方向bcc fcc cph 2. 一個晶胞中原子數(shù) 2 4 6第27頁一個體心立方晶胞中原子數(shù)：2第28頁一個面心立方晶胞中原子數(shù)：4第29頁一個密排六方晶胞中原子數(shù)：6第30頁 晶胞棱邊長度 a、b、c（用 原子剛球半徑 r 表示） 4. 點(diǎn)陣常數(shù)結(jié)構(gòu)類型點(diǎn)陣常數(shù)特征點(diǎn)陣常

16、數(shù)bccfcccpha=b=ca=b=ca=bc 晶體中任一原子周圍最近 鄰且等距離原子數(shù) 3. 原子配位數(shù)bcc fcc cph 8 12 12第31頁 晶胞中原子體積占總體積分?jǐn)?shù) 5. 致密度bcc fcc cph 6. 間隙 若將晶體中原子視為球形，則相互接觸最近鄰原子間空隙稱為間隙。 間隙內(nèi)能容納最大剛性球半徑稱為間隙半徑 。 間隙大小慣用間隙半徑與原子半徑 之比 表示。第32頁1) 面心立方結(jié)構(gòu)晶體中間隙正八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及體心位置. 一個晶胞中共有4個. 第33頁正四面體間隙：位于晶胞體對角線四分之一處.一個晶胞中共有8個.第34頁2) 體心立方結(jié)構(gòu)晶體中間隙扁八面體

17、間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及面心處.一個晶胞中共有6個.第35頁四面體間隙：位于晶胞各面中線四分之一處.一個晶胞中共有12個.第36頁3) 密排六方結(jié)構(gòu)晶體中間隙正八面體間隙：一個晶胞中共有6個.第37頁正四面體間隙：一個晶胞中共有12個.第38頁第39頁 7. 原子堆垛方式( 僅介紹 fcc 和 cph )1) fcc和cph 原子密排面AABC2) 原子密排面上可 堆垛不一樣位置第40頁3) 面心立方結(jié)構(gòu)堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBCCCCABCABCABC 或CCCCAAA第41頁第42頁4) 密排六方結(jié)構(gòu)堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBAAAAABABAB 或第43頁

18、第44頁 二、多晶型性 一些晶體在不一樣條件(溫度、 壓力等) 含有不一樣類型晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì) 同種元素不一樣結(jié)構(gòu)稱為同素異構(gòu) 同素異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)變稱為同素異 構(gòu)轉(zhuǎn)變，此時，晶體性能發(fā)生突變 1. 多晶型性T/91213941538一個大氣壓下，純鐵含有三種不一樣晶體結(jié)構(gòu) 2. 舉例第45頁純鐵加熱時膨脹曲線第46頁 三、晶體原子半徑 1. 原子半徑 若將晶體中原子看成剛球，則晶體中最近鄰原子中心間距二分之一定義為原子半徑2. 影響原子半徑主要原因1) 溫度與壓力影響 原子半徑隨晶體溫度及壓力改變而改變 2) 結(jié)合鍵影響 結(jié)合鍵增強(qiáng)時，原子（或離子）半徑變小 0.124nm 0.083nm 0.

19、067nmFeFe 2+Fe 3+第47頁3) 配位數(shù)影響 原子半徑隨配位數(shù)降低而減小 4) 原子核外層電子結(jié)構(gòu)影響 原子半徑隨原子序數(shù)遞增呈周期性改變第48頁第49頁第三節(jié) 離子晶體結(jié)構(gòu)離子晶體主要特點(diǎn) 離子半徑、配位數(shù)和負(fù)離子配位多面體離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則離子晶體經(jīng)典結(jié)構(gòu)第50頁離子鍵結(jié)合，鍵協(xié)力強(qiáng)，高熔點(diǎn)，小熱脹系 數(shù)，高硬度，高脆性，絕緣性，無色透明 一、離子晶體主要特點(diǎn) 二、離子半徑、配位數(shù)和負(fù)離子配位多面體 從原子核中心到其最外層電子 平衡距離 1. 離子半徑 用X射線結(jié)構(gòu)分析,可測得正負(fù)離子半徑之和R0 再用鮑林法計算出 或 ，再求得 或第51頁單價離子半徑：多價離子半徑：式中, Z

20、 原子序數(shù) W 離子價數(shù) 屏蔽常數(shù)n 外層電子主量子數(shù) 由 n 決定常數(shù) 用鮑林法計算離子半徑 ：第52頁 離子周圍最近鄰等距離異 號離子數(shù) 2.離子配位數(shù)如，NaCl 晶體中， 配位數(shù)為， 配位數(shù)也為THE END第53頁 3. 負(fù)離子配位多面體1) 離子晶體能夠看成是由負(fù)離子配位多面體堆 積而成.MgO晶格中配位多面體鎂氧八面體 連接方式MgO62) 負(fù)離子配位多面體 由正離子周圍 最近鄰等距離負(fù) 離子所組成多面 體，正離子位于多 面體中心.第54頁3) 負(fù)離子配位 多面體形狀取決于正、負(fù)離子半徑之比第55頁 三、離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則 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

21、平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子配位數(shù)則取決于正負(fù)離子半徑比. 負(fù)離子配位多面體規(guī)則 1.鮑林第一規(guī)則 2.鮑林第二規(guī)則 電價規(guī)則 (共用同一個頂點(diǎn)多面體數(shù)目，即負(fù)離子配位數(shù))。 正離子靜電鍵強(qiáng)度：負(fù)離子電價式中，n 正離子配位數(shù) 負(fù)離子周圍第 i 個正離子靜 電鍵強(qiáng)度第56頁則，S = 1/3, i = 6 即 個八面體 共用一個頂點(diǎn) MgO6比如，對于MgO: 在一配位結(jié)構(gòu)中, 共用棱尤其是共用面存在，會降低這個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.對于電價高、配位數(shù)低正離子來說，這個效應(yīng)更為顯著. 3. 鮑林第三規(guī)則 負(fù)離子配位多面體共用 點(diǎn)、棱和面規(guī)則第57頁晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配

22、位多面體該晶型其它晶體舉例NaCl面心立方1個正離子1個負(fù)離子66八面體MgO, CaO, FeO, NiO, 四.離子晶體經(jīng)典結(jié)構(gòu) 1. NaCl 晶型第58頁晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型其它晶體舉例CsCl簡單立方1個正離子1個負(fù)離子88立方體CsBr, CsI, 2.CsCl 晶型第59頁晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型其它晶體舉例立方ZnS面心立方1個正離子1個負(fù)離子44四面體GaAs, AlP, 3.立方ZnS (閃鋅礦) 晶型第60頁晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型其它晶體舉例六方ZnS簡

23、單六方1個正離子1個負(fù)離子44四面體ZnO, SiC, 4. 4.六方ZnS(纖鋅礦) 晶型第61頁晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型其它晶體舉例CaF2面心立方1個正離子2個負(fù)離子48立方體ZrO2, ThO2, Mg2Si, CuMgSb, 5.CaF2(螢石)晶型第62頁6. 晶型點(diǎn)陣類型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型其它晶體舉例TiO2體心四方1個正離子2個負(fù)離子36八面體VO2, NbO2, MnO2, SnO2, PbO2, 6.TiO2(金紅石) 晶型第63頁 7. MgAl2O4(尖晶石)晶型第64頁 8.Al2O3(剛玉)晶型第

24、65頁 1. 共價鍵結(jié)合，鍵協(xié)力通常強(qiáng)于離子鍵 2. 鍵飽和性和方向性，配位數(shù)低于金屬和離 子晶體 3. 高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性、絕緣性 第四節(jié) 共價晶體結(jié)構(gòu) 一、共價晶體主要特點(diǎn) 二、共價晶體經(jīng)典結(jié)構(gòu)第66頁晶型點(diǎn)陣類型基元配位數(shù)該晶型其它晶體舉例金剛石面心立方個原子4Si, Ge, Sn, 1.金剛石晶型第67頁第68頁 2.ZnS 晶型第69頁晶型點(diǎn)陣類型基元A原子配位數(shù)B原子配位數(shù)該晶型其它晶體舉例SiO2(AB2)面心立方2個A原子4個B原子24GeO2, 3.SiO2(AB2)晶型第70頁第三章 晶體缺點(diǎn) 依據(jù)缺點(diǎn)空間幾何圖像，將晶體缺點(diǎn)分為三大類： 1. 點(diǎn)缺點(diǎn)-它在三維空間各方

25、向上尺寸都很小，亦稱為零維缺點(diǎn)，如空位、間隙原子和異類原子等。 2. 線缺點(diǎn)-亦稱一維缺點(diǎn)，在兩個方向上尺寸很小，主要是位錯。 3. 面缺點(diǎn)-在空間一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上尺寸較大缺點(diǎn)，如晶界、相界等。第71頁第一節(jié) 點(diǎn)缺點(diǎn) 一. 點(diǎn)缺點(diǎn)類型 空位：假如晶體中某結(jié)點(diǎn)上原子空缺了，則稱為空位。 脫位原子普通進(jìn)入其它空位或者逐步遷移至晶界或表面，這么空位通常稱為肖脫基空位或肖脫基缺點(diǎn)。偶然，晶體中原子有可能擠入結(jié)點(diǎn)間隙，則形成另一個類型點(diǎn)缺點(diǎn)-間隙原子，同時原來結(jié)點(diǎn)位置也空缺了，產(chǎn)生另一個空位，通常把這一對點(diǎn)缺點(diǎn)（空位和間隙原子）稱為弗蘭克耳缺點(diǎn)。 異類原子也可視作晶體點(diǎn)缺點(diǎn)。 上述任何

26、一個點(diǎn)缺點(diǎn)存在，都破壞了原有原子間作用力平衡，使周圍原子作微量位移這就是晶格畸變，使晶體內(nèi)能增高。第72頁 二. 點(diǎn)缺點(diǎn)產(chǎn)生 空位和間隙原子是由原子熱運(yùn)動產(chǎn)生。晶體中原子并非靜止而是以其平衡位置為中心不停振動，各個原子動能并不相等，在任何瞬間總有一些原子能量高到足以克服周圍原子束縛（到達(dá)激活狀態(tài)），從而離開原來平衡位置而跳入相鄰空位形成肖脫基缺點(diǎn)，或者擠入晶格間隙形成弗蘭克耳缺點(diǎn)。 三. 點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動點(diǎn)缺點(diǎn)（空位）運(yùn)動過程 晶體點(diǎn)缺點(diǎn)處于不停運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)空位周圍原子熱振動動能超出激活能時，就可能脫離原來結(jié)點(diǎn)位置而跳躍到空位，正是靠這一機(jī)制，空位發(fā)生不停遷移，同時伴隨原子反向遷移。間隙原子也是在晶

27、格間隙中不停運(yùn)動。空位和間隙原子運(yùn)動是晶體內(nèi)原子擴(kuò)散內(nèi)部原因，原子（或分子）擴(kuò)散就是依靠點(diǎn)缺點(diǎn)運(yùn)動而實現(xiàn)。第73頁第二節(jié) 位錯 一. 刃型位錯刃型位錯刃型位錯滑移過程第74頁 二.螺型位錯螺型位錯原子模型第75頁 三. 混合型位錯混合型位錯原子狀態(tài)第76頁第三節(jié) 晶體中晶界 通常把晶體界面分成晶界、相界及表面三大類。 一. 晶界結(jié)構(gòu)與晶界能 實際晶體材料都是多晶體，是由許多晶粒組成。晶界就是空間取向（或位向）不一樣相鄰晶粒之間界面。依據(jù)晶界兩側(cè)晶粒位向差（角）不一樣，可把晶界分為小角度晶界（ ）。普通多晶體各晶粒之間晶界屬于大角度晶界。 試驗發(fā)覺：在每一個晶粒內(nèi)原子排列取向也不是完全一致，晶粒

28、內(nèi)又可分為位向差只有幾分到幾度若干小晶塊，這些小晶塊可稱為亞晶粒，相鄰亞晶粒之間界面稱為亞晶界，亞晶界屬于小角度晶界。第77頁晶界能 不論是小角度晶界還是大角度晶界，這里原子或多或少偏離了平衡位置，所以相對于晶體內(nèi)部，晶界處于較高能量狀態(tài)，高出那部分能量稱為晶界能，或稱晶界自由能。 二. 表面及表面能 材料表面原子核內(nèi)部原子所處環(huán)境不一樣，內(nèi)部任一原子處于其它原子包圍中，周圍原子對它作用力對稱分布，所以它處于均勻力場中，總和力為零，即處于能量最低狀態(tài)；而表面原子卻不一樣，與外界接觸，表面原子處于不均勻力場之中，所以其能量大大升高，高出能量稱為表面自由能（或表面能）。第78頁第四章 二元合金相結(jié)

29、構(gòu)與相圖 本章目標(biāo)： 1 討論合金中相概念及其類型； 2 介紹各種類型基本二元相圖； 3 說明相圖與合金性能間對應(yīng)關(guān)系第79頁本章要求：1 組元、相、組織、組織組成物等基本概念；2 固溶體和化合物本質(zhì)區(qū)分和性能特點(diǎn)；3 掌握分析相圖基本方法；4 正確利用杠桿定律。 第80頁合金: 一個金屬元素與另一個或幾個其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成含有金屬特征物質(zhì)。 Pb-Sn合金, 鋼（Fe-C）, 錫青銅(Cu-Sn(14%)）1 合金相結(jié)構(gòu)第81頁組元組成合金最基本、能獨(dú)立存在物質(zhì)。 Fe-C合金：Fe(組元一)-Fe3C(組元二)合金系由給定組元以不一樣百分比配制成一系列成份不一樣合金系統(tǒng)。例

30、：Fe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C Fe-Cr-C依據(jù)組元數(shù)分為： 二元合金 、三元合金 、 多元合金。 第82頁合金相 指合金中結(jié)構(gòu)相同，成份和性能均一，并有界面與其它部分分開均勻組成部分。(phase) 金屬或合金均由相組成單相合金、多相合金。 用、等表示第83頁例：純鐵、鋼中相 純鐵：-Fe； 鋼：鐵素體()滲碳體(Fe3C)；相相Fe3C 相純鐵0.45%C 鋼第84頁 相結(jié)構(gòu)，實指合金晶體結(jié)構(gòu)（一）固溶體 合金組元經(jīng)過溶解形成一個成份和性能均勻、且晶格類型與組元之一相同固相當(dāng)之為固溶體。（二）金屬化合物 定義：合

31、金組元相互作用形成晶格類型和特征完全不一樣于任一組元新相當(dāng)之為金屬化合物。一、相分類第85頁二 合金相結(jié)構(gòu) （一）固溶體 1、固溶體分類 * 按溶質(zhì)原子在晶格中所占位置分類 置換固溶體（1）置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所形成固溶體代位固溶體 90 Cu-10Ni合金第86頁 例： C 固溶于Fe中形成間隙固溶體 鐵素體 C 固溶于Fe中形成間隙固溶體 奧氏體（2）間隙固溶體 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格空隙位置所形成固溶體。間隙固溶體第87頁 * 按固溶度分類 （1）有限固溶體溶質(zhì)原子在固溶體中濃度有一定程度，超出這個程度就不再溶解，這個程度稱為固溶度。 （2）無限固溶體溶質(zhì)原子能以任意百分比

32、溶入溶劑，固溶度可到達(dá)100%。第88頁按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分類（1）無序固溶體 溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布于溶劑晶格中。 （2）有序固溶體 溶質(zhì)原子按一定規(guī)律分布在溶劑晶格中。第89頁CuAu中Cu原子：簡單四方晶系亞點(diǎn)陣Cu3Au中Cu原子：體心四方晶系亞點(diǎn)陣第90頁有序固溶體特點(diǎn)： 溶質(zhì)原子可形成自己亞點(diǎn)陣 一定條件下固溶體可在有序和無序間相互轉(zhuǎn)化： 溫度、成份第91頁例：Fe-Al合金室溫下, 成份改變時： a. FeAl (25%atm)合金 無序相：相 b. FeAl (25%35%atm)合金 有序相：Fe3Al c. FeAl(35%50atm)合金 有序相：FeAl第9

33、2頁成份固定，溫度改變時： Fe3Al： 950：完全無序固溶體第93頁Fe3Al金屬間化合物新材料第94頁2 置換固溶體及影響原因 金屬元素之間普通都能形成置換固溶體，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni無限互溶， Zn最大溶解度為39%， Pb幾乎不溶解于銅。 受元素間原子尺寸、化學(xué)親和力、結(jié)構(gòu)類型等影響。第95頁（1）原子尺寸原因 組元間原子半徑越相近，固溶度越大。 原因：溶質(zhì)原子引發(fā)溶劑晶格點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生畸變能，晶格畸變能越高，晶格越不穩(wěn)定，當(dāng)畸變能高到一定程度，溶質(zhì)原子將不再能溶入固溶體，只能形成其它新相。溶劑與溶質(zhì)原子尺寸差異可用r/r 衡量： r/r =(r溶劑 - r溶質(zhì))/

34、 r溶劑 第96頁（2）負(fù)電性 S原子、Al原子與Fe原子大小相差靠近， 但Al在Fe中溶解度大負(fù)電性原因 負(fù)電性: 指元素原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子能力。 可衡量元素間化學(xué)親和力，即形成化合物傾向性 取決于兩元素在周期表中位置，相距越遠(yuǎn)，負(fù)電性相差越大，越易形成化合物。第97頁 元素間負(fù)電性相差越小，越易形成固溶體，而且固溶體固溶度也較大。r/r分別為：0.12、0.18dAl=2.85; dS=2.08；dFe=2.54第98頁（3）晶體結(jié)構(gòu)原因 晶體結(jié)構(gòu)相同，溶解度較大。 無限固溶體溶質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金： Ni、Co、Cr、V與F

35、e原子尺寸差異 B.C.C 中； c. 間隙固溶體只能是有限固溶體。第101頁第102頁4 固溶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 保持著溶劑晶格類型； (2) 晶格發(fā)生畸變 (3) 偏聚與（短程）有序 (4) 有序固溶體（長程有序化） 當(dāng)固溶體發(fā)生偏聚或有序化時，強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低。第103頁第104頁5 固溶體性能 （1）固溶體強(qiáng)硬度高于組成它純金屬，塑韌性低于組成它純金屬; （2）物理性能方面，伴隨溶質(zhì)原子，固溶體電阻率，電阻溫度系數(shù)，導(dǎo)熱性。第105頁 固溶體中伴隨溶質(zhì)原子加入，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低現(xiàn)象 固溶強(qiáng)化 金屬材料主要強(qiáng)化伎倆或路徑之一 比如：南京長江大橋采取廉價16M

36、n，其中含1.2%1.6%Mn，抗拉強(qiáng)度較相同碳含量普通碳素鋼提升60；第106頁*固溶強(qiáng)化特點(diǎn)： (1) 溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子濃度越高，所引發(fā)晶格畸變越大，固溶強(qiáng)化效果越大； (2) 間隙原子強(qiáng)化效果比置換原子大。因為間隙原子引發(fā)點(diǎn)陣畸變大。 （3）綜合機(jī)械性能好。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，不但能夠顯著提升材料強(qiáng)硬度，而且材料塑韌性不會顯著降低。第107頁固溶體應(yīng)用：（1） 結(jié)構(gòu)材料基體相；（2）精密電阻、電熱材料等 材料種類b(MPa)HBS(%)純Cu2204470Cu+19%Ni單相固溶體3907050第108頁(二)、金屬化合物1 正常價化合物 特點(diǎn)：成份固定不變，可用化學(xué)式表示

37、。 如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。含有較高硬度，脆性較大。常作為有色金屬強(qiáng)化相。第109頁2 電子化合物 不恪守原子價規(guī)律，而是按一定電子濃度比值形成化合物。電子濃度不一樣，化合物晶格類型也不一樣。 硬、脆，有色金屬強(qiáng)化相 特點(diǎn)：雖用化學(xué)式表示，但成份可變 FeAl (Al：36.5%50atm); 有序化現(xiàn)象 其它： NiAl; CuZn; CuAl 第110頁 3 間隙相和間隙化合物 過渡族元素和原子半經(jīng)較小氫、氮、碳、硼組成。 r非 / r金 0.59時，形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)化合物間隙化合物。 第111頁 (1) 間隙相 性能：極高熔點(diǎn)和硬度。 如：VC; TiC; W2C 用

38、途：硬質(zhì)合金和高硬度工模具主要組織組成。 第112頁 (2) 間隙化合物 如鋼中 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高熔點(diǎn)和硬度，但不如間隙相用途：鋼中主要強(qiáng)化相。第113頁固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固

39、溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小 結(jié)第114頁金屬化合物正常價化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙式金屬化合物第115頁 2 二元合金相圖建立 給定合金系終究以什么狀態(tài)(相)存在，包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因是溫度和壓力，內(nèi)因則是化學(xué)成份 用相圖來表示它們之間關(guān)系。 幾個概念： 相圖: 表示合金系中狀態(tài)(相)與溫度，成份之間關(guān)系圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖 相變：相與相之間轉(zhuǎn)變；第116頁相平衡與平衡相： 合金系統(tǒng)在一定外界條件下(溫度、壓力)，經(jīng)歷任意長時間后，合金中各相成份都是均

40、勻、不變，且各相相對重量也不變，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡；這時相當(dāng)為這種條件下平衡相。如純鐵，在常壓下： 1538以上 L為平衡相。 在1538時 L和相兩相平衡狀態(tài) 第117頁一、二元相圖表示方法 在常壓下， 直角坐標(biāo)系； 合金成份； 溫度； 相狀態(tài)。組元組元成份線第118頁結(jié)晶或相變起始點(diǎn)結(jié)晶或相變終止點(diǎn)第119頁B點(diǎn)相狀態(tài): 單相A點(diǎn)相狀態(tài): L +兩相Cu-Ni二元合金相圖LL +第120頁二、二元相圖建立 熱分析法； 金相法； 膨脹法； 電阻法等。第121頁熱分析法第122頁 3 經(jīng)典相圖分析一、勻晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶二元合金相圖。 如CuNi、Ag

41、Au、CrMo等合金系 2 相圖分析 3 合金結(jié)晶過程 4 相律 5 二元相圖杠桿定律第123頁 液相線 固相線 CuNi二元相圖 冷卻曲線點(diǎn)：A：純Cu理論熔點(diǎn); B：純Ni理論熔點(diǎn)線：AB: 液相線; AB: 固相線； 區(qū)間：兩個單相區(qū)：L 相、相 一個兩相區(qū)：L+相區(qū)勻晶轉(zhuǎn)變式： L 第124頁 原始成份為k合金： Tt1: L (100%) T= t1: L(開始)注： L(100%)+(0%) T= t2: L注： L+ T= t4: L(結(jié)束)注：L(0%)+(100%) T t4 : (100%) 第125頁單相區(qū): 實際座標(biāo)點(diǎn)兩相區(qū): 液(固)相成份在溫度水平線與液(固)相線交

42、點(diǎn)處相成份判定方法第126頁液(固)相線意義: (1) 表征了各成份合金結(jié)晶起始(終止)溫度;(2)表征了各溫度下液固兩相到達(dá)平衡時液(固)相成份第127頁 4 相律相律表示在平衡條件下，系統(tǒng)自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間關(guān)系。數(shù)學(xué)表示式：f = c - p +2系統(tǒng)自由度系統(tǒng)組元數(shù)平衡相數(shù)恒壓條件下： f = c - p +1* 二元合金系最多存在三相平衡* 二元合金系相鄰相區(qū)相數(shù)相差1第128頁 5 杠桿定律 用于確定二元相圖中兩相區(qū)各相相對含量。証明: 設(shè)液相質(zhì)量為 WL ， 固相質(zhì)量為W， 則合金總質(zhì)量為 WL+ W有: WLCL+ WC=(WL+ W) C W(C-C)= WL(C- C

43、L)arb第129頁 若將合金成份C r 點(diǎn)看做支點(diǎn)，將WL、W看做作用于a 和 b 力，則相當(dāng)于力學(xué)中杠桿定律形象比喻。 W= ( ar / ab )W0 WL = ( rb / ab )W0 杠桿定律只適合用于二元相圖兩相區(qū)arb第130頁 6 固溶體合金結(jié)晶特點(diǎn) 與純金屬相比, 固溶體結(jié)晶特點(diǎn)： (1) 異分結(jié)晶 結(jié)晶出晶體與母相化學(xué)成份不一樣，這種結(jié)晶稱為或選擇結(jié)晶。 (2) 結(jié)晶需要在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行第131頁結(jié)論：（1）勻晶轉(zhuǎn)變式：L；（2）單相區(qū)相成份與合金原始成份一致， 即坐標(biāo)點(diǎn)成份；兩相區(qū)成份：液相成份在液相線上，固相成份在固相線上(與溫度水平線相交點(diǎn))；（3）與純金屬不一

44、樣，合金結(jié)晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，不一樣溫度下兩平衡相成份不相同，量也不一樣，兩相相對量可依據(jù)杠桿定律計算得出。第132頁5 枝晶偏析 現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學(xué)成份不均勻 枝晶偏析第133頁理論上：冷卻速度無限遲緩時，擴(kuò)散使先凝固與后凝固固溶體成份均勻一致，即固溶體晶體長大過程是平衡不平衡平衡循環(huán)往復(fù)直到最終相圖要求平衡成份。 原因： 合金凝固：L時在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，樹枝晶主干在較高溫度先凝固，枝及邊部在較低溫度后凝固；第134頁實際上： 冷卻過程非無限遲緩，擴(kuò)散不完全 枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成份不均勻稱之為枝晶偏析第135頁影響晶內(nèi)偏析原因（1）分配系數(shù)k0 k0 = k / k

45、L : 一定溫度下液固兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比值。k0 1時, k0越小偏析越小。 實質(zhì)是與液相線和固相線間水平距離或成份間隔相關(guān)間隔越小，偏析越小。k0 1 k0 1第136頁 晶內(nèi)偏析對合金機(jī)械性能不利。 可用高溫擴(kuò)散退火(固相線下100200)方法減輕或消除又稱均勻化退火（2）溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力：擴(kuò)散能力大偏析小（3）冷卻速度：普通V小，偏析小 但V過大時，因晶粒細(xì)小而成份均勻第137頁6 區(qū)域偏析: 固溶體合金因為不平衡結(jié)晶造成大范圍內(nèi)化學(xué)成份不均勻現(xiàn)象 應(yīng)用：區(qū)域提純第138頁7 成份過冷 過冷度：Tm-T實際 由T實際改變引發(fā)過冷 熱過冷相圖成份分布成份過冷區(qū)（1）成份過冷定義： 固溶

46、體結(jié)晶過程中，盡管液相實際溫度分布一定，但因為液相中溶質(zhì)分布發(fā)生改變，改變了液相熔點(diǎn)，這種由成份改變引發(fā)過冷現(xiàn)象稱為。第139頁（2）成份過冷對晶體成長形狀和鑄錠組織影響 金屬普通為粗糙界面: 純金屬: 取決于液固前沿溫度分布 正溫度梯度平面晶； 負(fù)溫度梯度樹枝狀 固溶體： 取決于液固前沿溫度分布+成份過冷 負(fù)溫度梯度樹枝狀但正溫度梯度下： 隨成份過冷程度增大分別形成平面晶、胞狀晶和樹枝晶。第140頁G1：仍為正溫度梯度； 平面晶G2：小成份過冷區(qū)； 胞狀晶G3：相當(dāng)于負(fù)溫度梯度； 樹枝晶第141頁Al-Cu合金三種晶粒組織平面晶胞狀晶樹枝晶平面晶所需過冷度較大，工業(yè)實際中通常達(dá)不到，故金屬、

47、固溶體合金鑄件組織普通為樹枝晶組織。第142頁二 二元共晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織二元系相圖稱為二元共晶相圖。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相圖都是二元共晶相圖。 共晶轉(zhuǎn)變式： L （液）（固）+ （固）第143頁2 相圖分析液相線: AEB ； 固相線: ACEDB固溶體溶解度線： FC, GD共晶線： CED 水平線；共晶點(diǎn)：E 點(diǎn)EABCDFG相 區(qū)： 單相區(qū) ：L、 兩相區(qū)： L+、L+、+ 三相區(qū)： L+共晶轉(zhuǎn)變式： LE M + N第144頁3 結(jié)晶過程分析 (1) 成份(共晶成份)結(jié)晶過程E

48、ABCDFG冷卻曲線結(jié)晶過程示意圖 E : 共晶點(diǎn)(包含共晶成份與溫度)共晶轉(zhuǎn)變式：LE C+ D第145頁EABCDFGLLLEC + DLE F + G實際轉(zhuǎn)變過程復(fù)雜：注意：(1) 共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(+) 多相鄰間隔協(xié)同長大，稱為共晶體或共晶組織；CF+GDG+F(2)共晶體中隨即析出二次相多依附于原共晶體生長，故往往觀察不到。第146頁EABCDFG亞共晶成份： CE亞共晶轉(zhuǎn)變式： L c + (C +D)+ LC + LE C+ (C+D)L成份F+G+(F+G)先共晶相共晶體(組織) (2) 成份(亞共晶成份)結(jié)晶過程第147頁EABCDFGL + ( LE + D ) (C +D)

49、+DL成份 (F+ G) +G 過共晶成份： ED過共晶轉(zhuǎn)變式： D + (C +D)先共晶相共晶組織 (3) 成份(過共晶成份)結(jié)晶過程第148頁EABCDFG 成份為勻晶轉(zhuǎn)變 (A-C; D-B)L ( L + ) F+GL成份 (4) 成份(勻晶成份)結(jié)晶過程 第149頁第150頁其它形狀共晶相圖第151頁4 合金組織組成EABCDFG 亞共晶合金： + 成份在FG之間合金均由 +相組成；但不一樣合金中兩相形成過程與形貌各不相同。共晶合金與過共晶合金呢？(先共晶和共晶) (和共晶)第152頁各成份合金組織組成EABCDFG先共晶+ +(+)共晶先共晶+ +(+)共晶(+)共晶+第153頁

50、例題：計算Pb-30%Sn合金冷卻到室溫時相組成與組織組成，共晶體中各相所占百分比以及百分含量。EABCDFG4問題：共晶體中兩相所占百分比怎樣計算?第154頁5 共晶組織形態(tài) 共晶體(共晶組織)定義： 由共晶反應(yīng)形成細(xì)密兩相或多相機(jī)械混合物第155頁共晶組織形態(tài)：見 P 91層片狀棒狀球狀針狀第156頁共晶組織形態(tài)針狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀第157頁P(yáng)b-Sn共晶合金Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金顯微組織第158頁6 共晶系合金不平衡結(jié)晶現(xiàn)象（1）偽共晶 定義：由非共晶成份合金所得到共晶組織稱為 形成條件： 過冷度或冷卻速度控制在右圖陰影區(qū)第159頁（2）離異共晶 定義：

51、當(dāng)先共晶相數(shù)量較多而共晶組織較少時，先共晶相形成后，共晶組織中與先共晶相相同那一相會依附在先共晶相上上生長， 形成條件：成份控制在M或N附近致使另一相單獨(dú)存在于晶界，從而失去共晶組織特征，這種兩相分離共晶稱為第160頁 Al-4%Cu合金鑄態(tài)組織 均勻退火后第161頁三 包晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變二元合金系相圖。 PtAg、SnSb、CuSn、CuZn 包晶轉(zhuǎn)變式： L + 第162頁單相區(qū) L、；兩相區(qū) L、L、三相區(qū) P D C（包晶轉(zhuǎn)變線） 包晶轉(zhuǎn)變2 相圖分析 液相線 A C B 固相線 A P D B 溶解度曲線： P E、D F第1

52、63頁P(yáng)tAg合金+ L(P + LC)DLDF+E組織組成：+第164頁P(yáng)tAg合金組織組成：+ LP + LCP+ DLDP+(P+LC)第165頁P(yáng)tAg合金 組織組成： + LP + LCLC + DLDLC+(P+LC)+第166頁 實際中受擴(kuò)散條件限制，包晶轉(zhuǎn)變往往不完全 非平衡態(tài)第167頁共晶、包晶、共析反應(yīng)圖型與反應(yīng)式比較第168頁共析轉(zhuǎn)變： 一個固相中同時析出兩個新固相第169頁穩(wěn)定化合物相區(qū)呈直線 Mg2Si Fe3C第170頁四 相圖與合金性能之間關(guān)系（一）機(jī)械性能和物理性能固溶體強(qiáng)硬度較純金屬高純金屬導(dǎo)電性較固溶體高線性共晶成份附近性能突變第171頁（二） 鑄造性能鑄造

53、缺點(diǎn)： 偏析、疏松、縮孔等 結(jié)晶溫度范圍、成份范圍越大，偏析、縮孔等越嚴(yán)重。鑄造性能取決于結(jié)晶區(qū)間：液固相線之間距離越大(溫度和成份間距)，鑄造性能越差。第172頁結(jié)論： 純金屬、共晶體鑄造性能最好流動性好偏析傾向小降低分散縮孔為集中縮孔偏析傾向第173頁（三） 鑄造、壓力加工及切削加工性能 單相固溶體鑄造與壓力加工性能較佳，但切削加工性能不好； 合金為兩相混合物時，切削加工性能很好，但鑄造與壓力加工性能較差。總體： 單相固溶體不宜制作鑄件而適于承受壓力加工；鑄造材料應(yīng)該選取共晶體盡可能多合金第174頁 關(guān)于相組成與組織組成：第175頁第五章 材料凝固與氣相沉積凝固材料從液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程。研

54、究它們結(jié)晶過程以及影響與控制生產(chǎn)質(zhì)量原因，是至關(guān)主要。第176頁第一節(jié) 材料凝固時晶核形成一、均勻形核均勻形核在液體內(nèi)部因為過冷而自發(fā)形核。 液固、氣固，固態(tài)下轉(zhuǎn)變，都必須滿足熱力學(xué)條件。只有使系統(tǒng)自由能降低過程，才會自動進(jìn)行。轉(zhuǎn)變熱力學(xué)判據(jù)：GSS，前者熵值比后者大，液態(tài)自由能隨溫度改變曲線斜率比固態(tài)大。二曲線交點(diǎn)，所對應(yīng)溫度就是金屬理論凝固溫度Tm，也就是金屬熔點(diǎn)。只有當(dāng)熔液溫度低于Tm時，才能使GSGL，GGSGL0，液相才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唷是液固轉(zhuǎn)變驅(qū)動力。 圖6-1 液態(tài)和固態(tài)吉布斯自由能-溫度曲線 = S 第178頁G大小單位體積液相和固相自由能差為Gv，GV GSGL，得：

55、GV (HSHL)T(SSSL) (63)在恒壓條件下(HSHL)-Lm，在理論凝固溫度時GV0，所以：(SSSL) ，代入式(63)得：式中，Lm為熔化潛熱。吸熱為正值，放熱為負(fù)值，故GV 0。T稱為過冷度，即理論凝固溫度與實際凝固溫度之差。液態(tài)凝固時必須要有一定過冷度。過冷度越大，GV絕對值越大，凝固驅(qū)動力也越大。 GV Lm + = Lm= 第179頁形核臨界條件液相中要能形成固相晶核，必須要到達(dá)一臨界過冷度。因為一旦熔液中有晶胚出現(xiàn)時，就需考慮體系總自由能改變。設(shè)晶胚為球形，半徑為r，單位體積自由能為GV，晶胚單位面積表面能為，則體系總自由能改變?yōu)?(6-5)式中，第一項體積自由能使體

56、系自由能降低；第二項表面能恒為正值，使體系自由能升高。G一GVr3 + 4r2 圖 6-2 晶核半徑與G關(guān)系第180頁臨界晶核尺寸當(dāng)r rk時，使體系自由能降低，能夠深入長大，只有r rk晶體才稱為晶核。臨界晶核尺寸rk：令 = 0，r = rk，則有將rk代入式(65) ，整理得：臨界晶核形成功 晶核表面積Ak為4rk2 = GV 4 r2 +8r 第181頁臨界晶核形成功等于表面能l/3。這意味著形成臨界晶核時，液、固兩相體積自由能差值只能賠償表面能2/3，而另外l/3則靠系統(tǒng)本身存在能量起伏（系統(tǒng)中局部能量偏離平均值情況）來賠償。用過冷度表示臨界晶核形成功GV 第182頁晶核物理過程液態(tài)

57、原子排列短程有序，與氣體完全不一樣。其熔化潛熱只有蒸發(fā)潛熱34；據(jù)計算l mm3Cu在熔點(diǎn)時約含1020個原子，平均含有半徑為0.3 nm (約10個原子) 原子團(tuán)1015個，含有半徑為0.6 nm (約100個原子) 原子團(tuán)只有10個；rk、Gk隨T增加而減小，而過冷度增加產(chǎn)生尺寸大原子團(tuán)機(jī)率也越大。當(dāng)rmax到達(dá)rk時就可能成為晶核。臨界過冷度GN低于臨界過冷度小尺寸原子團(tuán)不穩(wěn)定而被溶解或消失，只有r rk才能成為晶核。 圖6-3 臨界晶核rk原子團(tuán)最大尺寸rmax與過冷度關(guān)系第183頁例題 試預(yù)計l mm3Cu在熔點(diǎn)時，液體中分別含有半徑尺寸為10個原子、60個原子、100個原子原子團(tuán)有

58、多少? 假定原子團(tuán)為球形，Cu原子體積為1.610-29 m3，界面能rSL為0.177Jm2，k1.381023JK-1，Tm1356K。 液體中因為能量起伏會出現(xiàn)一些大小不等不規(guī)則原子團(tuán)，時而出現(xiàn)時而消失。出現(xiàn)尺寸為r原子團(tuán)nr幾率為： 式中，n0為系統(tǒng)總原子數(shù)；Gr為生成尺寸為r原子團(tuán)引發(fā)體系自由能改變。 依據(jù)： 在熔點(diǎn)， GV 0，所以 Gr 4r2 rSL 尺寸為r原子團(tuán)含nC個原子，原子體積為，即r3 nC nr = n0 exp G一GVr3 + 4r2 第184頁二、形核率形核率單位時間、單位體積中形成晶核數(shù)1/(scm3)從熱力學(xué)考慮，那些含有臨界晶核尺寸并能克服臨界晶核形成

59、功Gk微小體積，其出現(xiàn)機(jī)率為 不過要形成穩(wěn)定晶核，還必須有原子從液相中轉(zhuǎn)移到晶核表面上使之成長。原子擴(kuò)散到晶核表面，必須要克服能壘GA (常稱為激活能)。原子能克服能壘GA機(jī)率為：形核率N取決于形核與克服能壘幾率乘積exp exp N = Bexpexp第185頁第一項是隨過冷度增加而急劇增加(Gk與T2成反比)第二項中激活能GA對溫度改變不大敏感過冷度小時受形核率受所控制過冷度大時受形核能壘受所控制N = Bexpexp第186頁液態(tài)金屬極難過冷，即形核能壘不是金屬形核障礙。多數(shù)金屬小液滴臨界過冷度約為0.2Tm (熔點(diǎn)K)，即使在這么大過冷度下，金屬仍顯示出其強(qiáng)烈結(jié)晶傾向，而未表現(xiàn)出有被減

60、緩或抑止特征 。不過有機(jī)物質(zhì)則有可能過冷造成形核率曲線展現(xiàn)一極值。比如Salol （苯基水楊酸鹽）在40 oC以下開始凝固，其形核率在24 oC時最大，深入增加過冷度，形核率減慢，在-10 oC以下形核漸漸終止。第187頁三、非均勻形核均勻形核在液體內(nèi)部各處形核機(jī)率都是一樣，液體內(nèi)并不存在一些有利于形核位置。均勻形核需要很大過冷度。如純鐵小液滴結(jié)晶時過冷度為295 oC，但在工業(yè)生產(chǎn)中鐵液結(jié)晶只有幾度過冷度。均勻形核（擇優(yōu)形核）液體在模壁或雜質(zhì)表面上形核，減小界面能，使晶核形成功減小，臨界晶核過冷度減小。第188頁非均勻形核形核功設(shè)晶核以球冠狀形成于基底(模壁或雜質(zhì)表面) B上，L/S、S/B