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材料科学基础材料科学基础任课教师：付华任课教师：付华 Fundamentals of Material Science作业题答案第1页绪论绪论 1、材料科学主要研究关键问题是、材料科学主要研究关键问题是结构结构和和性能性能关系。关系。材料结构是了解和控制性能中心步骤，结构最微材料结构是了解和控制性能中心步骤，结构最微细水平是细水平是原子结构原子结构，第二个水平是，第二个水平是原子排列方原子排列方式式，第三个水平是，第三个水平是显微组织显微组织。2.依据材料性能特点和用途，材料分为依据材料性能特点和用途，材料分为结构材料结构材料和和功效材料功效材料两大类。两大类。依据原子之间键合特点，材料分为依据原子之间键合特点，材料分为金属金属、陶陶瓷瓷(无机非金属）无机非金属）、高分子高分子和和复合材料复合材料四大类。四大类。第2页第一章第一章材料原子结构材料原子结构 1.金属材料中原子结合以金属材料中原子结合以金属金属键为主，键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键共价键和和离子键离子键结合键为主，结合键为主，聚合物材料以聚合物材料以共价键共价键和和氢键氢键和和范德华范德华键键为主。为主。第3页第二章第二章材料结构材料结构 一、填空题一、填空题1、晶体是、晶体是基元（原子团）以周期性重复方式在基元（原子团）以周期性重复方式在三维空间作有规则排列固体三维空间作有规则排列固体。2、晶体与非晶体最根本区分是、晶体与非晶体最根本区分是晶体原子排布长程有晶体原子排布长程有序，而非晶体是长程无序短程有序序，而非晶体是长程无序短程有序。3、晶胞是、晶胞是晶体结构中最小单位晶体结构中最小单位。4、依据晶体对称性，晶系有、依据晶体对称性，晶系有3大晶族，大晶族，7大晶系，大晶系，14种种布拉菲布拉菲Bravais点阵，点阵，32种点群，种点群，230种空间群。种空间群。5、金属常见晶格类型有、金属常见晶格类型有体心立方体心立方、面心立方面心立方、密密排六方排六方。第4页6、fcc晶体最密排方向为晶体最密排方向为，最密排面，最密排面为为111，最密排面堆垛次序为，最密排面堆垛次序为ABCABCABCABC。7、fcc晶体致密度为晶体致密度为0.74，配位数为，配位数为12，原子，原子在（在（111）面上原子配位数为）面上原子配位数为6。8、bcc晶体最密排方向为晶体最密排方向为，最密排面，最密排面为为110，致密度为，致密度为0.68，配位数为，配位数为8。9、晶体宏观对称要素有、晶体宏观对称要素有对称点对称点、对称轴对称轴、对对称面称面。10、CsCl型结构属于型结构属于简单立方格子简单立方格子，NaCl型结型结构属于构属于面心立方格子面心立方格子，CaF2型结构属于型结构属于面心立面心立方格子方格子。第5页11、MgO晶体含有晶体含有NaCl型型结构，其对称型是结构，其对称型是3L44L36L29PC，晶族是，晶族是高级晶族高级晶族，晶系是，晶系是立立方晶系方晶系，晶体键型是，晶体键型是离子键离子键。12、硅酸盐晶体结构中基本结构单元是、硅酸盐晶体结构中基本结构单元是硅氧四硅氧四面体面体SiO4。13、几个硅酸盐晶体络阴离子分别为、几个硅酸盐晶体络阴离子分别为Si2O76-、Si2O64-、Si4O104-、AlSi3O81-，它们晶体，它们晶体结构类型分别为结构类型分别为组群状组群状，链状链状，层状层状，和，和架状架状。14、表征晶体中晶向和晶面方法有、表征晶体中晶向和晶面方法有解析法解析法和和图示图示法。（法。（晶体投影图晶体投影图）第6页二、分析计算二、分析计算 1、（、（2-3）（）（1）晶面）晶面A在在x、y、z轴上截距分轴上截距分别是别是2a、3b和和6c，求该晶面米勒指数；（，求该晶面米勒指数；（2）晶面晶面B在在x、y、z轴上截距分别是轴上截距分别是a/3、b/2和和c，求该晶面米勒指数。，求该晶面米勒指数。所以晶面指数为（3 2 1）（2）截距倒数为：）截距倒数为：3，2，1；晶面指数为（晶面指数为（321）第7页2P89，24：O OXYZ第8页P89，24：第9页第10页第11页第12页第13页思索！思索！111上特征晶向上特征晶向（111）与）与关系关系第14页3、写出立方晶系中晶面族、写出立方晶系中晶面族100、110、111包含等价晶面。写出包含等价晶面。写出晶向族包含等价晶向。晶向族包含等价晶向。100=（100)+(010)+(001)第15页4、（2-9）4、（、（2-9）求）求（1）晶面（）晶面（121）和）和（100）晶带轴指数；晶面（）晶带轴指数；晶面（100）和（）和（010）晶带轴）晶带轴指数；（指数；（2）晶向）晶向001和和111确定晶面指数；包含确定晶面指数；包含010和和100晶向晶面指数。晶向晶面指数。第16页4、（2-9）第17页5、(2-11)（1）abc、=90晶体属于什么晶晶体属于什么晶族和晶系？（族和晶系？（2）abc、=90晶体属于什么晶晶体属于什么晶族和晶系？（族和晶系？（3）能否据此确定这）能否据此确定这2种晶体种晶体Bravis点阵点阵？(1)(1)属于正交晶系，属于正交晶系，由题中条件不能决定是什么布拉菲点阵，由题中条件不能决定是什么布拉菲点阵，因为因为正交晶系正交晶系能够有能够有体心、面心、底心体心、面心、底心和和 简单正交简单正交点阵。点阵。（2 2）属于三斜晶系，）属于三斜晶系，因为因为三斜晶系三斜晶系只有一个只有一个简单点阵简单点阵，能够，能够 确定布拉菲点阵是三斜点阵。确定布拉菲点阵是三斜点阵。第18页6、Ni为面心立方结构，原子半径为面心立方结构，原子半径r=0.1243nm，求，求Ni晶格常数和密度。晶格常数和密度。解：面心立方结构在面对角线上原子相解：面心立方结构在面对角线上原子相切，所以，代入条件可得，切，所以，代入条件可得，第19页7、Mo为体心立方结构，晶格常数为体心立方结构，晶格常数a=0.3147nm，求，求Mo原子半径原子半径r。解：体心立方结构在体对角线上原子相切，解：体心立方结构在体对角线上原子相切，所以，所以，第20页82-15:CsCl中铯与氯离子半径分别为中铯与氯离子半径分别为0.167nm、0.181nm。试问（。试问（1）在）在CsCl内离子在内离子在或或方向是否相接触？（方向是否相接触？（2）每单位晶胞内有几个离子？）每单位晶胞内有几个离子？（3）各离子配位数是多少？（）各离子配位数是多少？（4）密度）密度和和堆积系数（致密度）堆积系数（致密度）K？（1）CsCl内离子在内离子在方向方向相接触相接触.（2）每单位晶胞内有）每单位晶胞内有2个离子个离子;（3）Cs+和Cl-离子离子配位数是配位数是8.CsCl8 或 ClCs8配位配位六面体。第21页（4）对CsCl晶体，晶体结构为简单立方，晶胞中含有一个正离子一个负离子，沿体对角线正负离子相切:a=0.4018nm第22页CsCl密度密度(4)CsCl分子量为:(35.453+132.905)=168.358，阿佛加得罗常数是6.02381023;每个CsCl分子质量A为：168.358/(6.02381023)CsCl结构：z=1第23页92-16:MgO含有含有NaCl型结构。型结构。Mg2+离子半径为离子半径为0.072nm，O2-离子半径为离子半径为0.140nm。试求试求MgO密度密度和堆积系数（致密度）和堆积系数（致密度）K。解：MgO结构为面心立方第24页r+/r-正离子正离子配位数配位数负离子负离子多面体多面体实例实例0.1552直线形直线形干冰干冰CO20.2253三角形三角形B2O30.4144四面体四面体SiO2,0.7326八面体八面体NaCl,MgO,TiO21.0008立方体立方体ZrO2,CaF2,CsCl1.00012立方八面体立方八面体Cu第25页解：MgO结构为面心立方，晶胞中有四个正离子和四个负离子，沿棱边方向正负离子相切:第26页MgO密度密度 MgO分子量为（24.305+15.999）40.30，阿佛加得罗常数是6.02381023，每个MgO 分子质量A为：40.30/(6.02381023)。MgO结构：z=4第27页102-24:第一个，橄榄石 MgFe2SiO4,Si:O=1:4，岛状，共顶数为0；第二种第二种:异极矿异极矿Zn4Si2O7(OH)2，共顶数一个，共顶数一个，成对硅氧团，组群状；成对硅氧团，组群状；第三种：蓝锥矿 BaTiSi3O9 Si:O=1：3，共顶数为两个，组群状；三节环；第四种：绿宝石第四种：绿宝石Be3Al2Si6O18,Si:O=1:3，组群状；，组群状；六节环；六节环；第五种：硅灰石Ca3Si3O9三节环，组群状；第六种：鱼眼石第六种：鱼眼石KCa4Si4O102F8H2O,Si:O=4：10，层状；层状；第七种:钙长石 CaAl2Si2O8,Si(Al):O=1:2，架状。第八种：白榴石第八种：白榴石KAlSi2O6,Si(Al):O=1:2，架状。，架状。第28页第三章 晶体结构缺点 P116一、填空题一、填空题1 1、按几何组态，晶体中缺点分为、按几何组态，晶体中缺点分为 点缺点点缺点、线缺线缺点点、面缺点面缺点和体缺点和体缺点。2 2、点缺点主要包含、点缺点主要包含 空位空位、间隙原子间隙原子、置换原子置换原子 ；线缺点有线缺点有 位错位错 ；面缺点包含面缺点包含 晶界、相界、表晶界、相界、表面面 等等。3 3、描述位错性质及特征是、描述位错性质及特征是 柏氏矢量柏氏矢量b 。4 4、位错类型有、位错类型有 刃位错刃位错、螺位错螺位错 和和 混合位错混合位错 。5 5、位错线与柏氏矢量垂直位错为、位错线与柏氏矢量垂直位错为 刃位错刃位错，位错线位错线与柏氏矢量平行位错称为与柏氏矢量平行位错称为 螺位错螺位错。第29页6 6、位错基本运动方式有、位错基本运动方式有 滑移滑移 和和 攀移攀移 。7 7、刃位错刃位错 能够滑移和攀移能够滑移和攀移，螺位错螺位错 能够能够滑移而不攀移，能进行交滑移位错必定是滑移而不攀移，能进行交滑移位错必定是 螺位螺位错错 。8 8、位错滑移普通沿着晶体、位错滑移普通沿着晶体 密排密排（面）和（面）和 密排密排（方向）进行（方向）进行。9 9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域 晶格晶格畸变畸变 大小和方向。大小和方向。1010、两平行同号螺位错间作用力为、两平行同号螺位错间作用力为 斥力斥力（引力或斥力？）。第30页1111、全位错是、全位错是柏氏矢量等于点阵矢量位错柏氏矢量等于点阵矢量位错；不全位错是不全位错是柏氏矢量不等于点阵矢量位错柏氏矢量不等于点阵矢量位错。1212、面心立方晶体不全位错类型主要有、面心立方晶体不全位错类型主要有Shockley不不全位错全位错 和和 Franker不全位错不全位错，柏氏矢量分别为柏氏矢量分别为b=a/6，b=a/3。只能发生攀移运动只能发生攀移运动位错是位错是 Franker不全位错不全位错。1313、位错间转化（位错反应）要满足条件有、位错间转化（位错反应）要满足条件有几何条几何条件：柏氏矢量守恒件：柏氏矢量守恒 和和能量条件：反应后位错总能能量条件：反应后位错总能量降低量降低。1414、两个不全位错夹一片层错位错称为、两个不全位错夹一片层错位错称为 扩展扩展 位错。位错。第31页二、分析题二、分析题1、（、（3-6）画一个方形位错环，）画一个方形位错环，（1）在此平面上画出柏氏矢量，使其平）在此平面上画出柏氏矢量，使其平行于位错环其中一边，任意选择并画出位行于位错环其中一边，任意选择并画出位错线方向，据此指出位错环各段性质。错线方向，据此指出位错环各段性质。（2）能否使该位错环处处为刃位错？）能否使该位错环处处为刃位错？（3）能否使该位错环处处为螺位错？）能否使该位错环处处为螺位错？第32页3-6第33页2、在滑移面上有一位错环，柏氏矢量为、在滑移面上有一位错环，柏氏矢量为b，位错环方向和柏氏矢量方向如图所表示。位错环方向和柏氏矢量方向如图所表示。（1）指出位错环各段性质。）指出位错环各段性质。（2）能否使该位错环处处为刃位错？）能否使该位错环处处为刃位错？（3）能否使该位错环处处为螺位错？）能否使该位错环处处为螺位错？（4）该位错环滑移出晶体后，晶体有怎样滑）该位错环滑移出晶体后，晶体有怎样滑动（大小和方向）？动（大小和方向）？第34页第35页3、（、（3-11）试分析在）试分析在fcc中，以下位错反应能否中，以下位错反应能否进行进行?并指出其中三个位错性质类型？反应后生并指出其中三个位错性质类型？反应后生成新位错能否在滑移面上运动？成新位错能否在滑移面上运动？第36页3-11几何条件：能量条件：shockley不全位错 Franker不全位错全位错第37页b=a/3和111面垂直。纯刃位错。b垂直于滑移面，不是垂直于滑移面，不是fcc晶体滑移方向，不晶体滑移方向，不能滑移，只可攀移。能滑移，只可攀移。shockley不全位错 Franker不全位错全位错第38页4、（、（3-8）比较刃位错和螺位错异同点。）比较刃位错和螺位错异同点。第39页刃位错刃位错螺位错螺位错不不同同点点位错线和柏氏矢量关系垂直。刃位错线不一定是直线，能够是折/曲线平行。平行。螺位错线一定是直线。螺位错线一定是直线。有没有交滑移刃位错滑移面只有一个。无（位错线和柏氏矢量垂直所以其组成平面，不能改变）。螺位错滑移面不是唯一。有（位错线和柏氏矢量平行，滑移能够从一个滑移面到另一个滑移面，滑移面能够改变）。应力场应力场刃位错周围应力场现有切应力，又有正应力；螺位错只有切应力而无正应力。螺位错只有切应力而无正应力。攀移攀移有（有多出半原子面）无（无多出半原子面）相相同同点点都是线缺点。位错运动使扫过区间两边原子层发生b相对滑动，晶体两部分相对移动量只决定于b大小和方向。刃型位错与螺型位错有什么异同点刃型位错与螺型位错有什么异同点?第40页第四章 晶态固体中扩散晶态固体中扩散 一、填空题一、填空题1、菲克第一定律描述是 稳态扩散稳态扩散 状态下扩散规律；菲克第二定律描述是 非稳态扩散非稳态扩散 状态下扩散规律。2、稳态扩散是指单位时间内经过垂直于给定单位时间内经过垂直于给定方向单位面积净原子数（扩散通量方向单位面积净原子数（扩散通量/浓度）不浓度）不随时间改变随时间改变 ；非稳态扩散是指 单位时间内单位时间内经过垂直于给定方向单位面积净原子数（扩经过垂直于给定方向单位面积净原子数（扩散通量散通量/浓度）随时间改变浓度）随时间改变。第41页3、Fick扩散第二方程高斯解适合求解总量为总量为M扩扩散元素沉积为一薄层散元素沉积为一薄层扩散问题；Fick扩散第二方程误差函数解适合求解 无限长棒（扩散偶）无限长棒（扩散偶）或半无限长棒或半无限长棒扩散问题。4、扩散微观机理有 空位扩散空位扩散 、间隙扩散、间隙扩散、位错位错扩散扩散、表面扩散、晶界扩散表面扩散、晶界扩散 等。5、空位扩散阻力比间隙扩散 大大 ，激活能 高高。第42页6、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中，扩散系数D最大是 表面扩散表面扩散 。7、在间隙固溶体中，H、O、C等原子以 间隙扩撒机制间隙扩撒机制 方式扩散。8、Cu-Al合金和Cu组成扩散偶发生柯肯达尔效应，标识向Cu-Al合金一侧漂移，则 Al 扩散通量大。第43页9、上坡扩散是指 物质从低浓度向高浓度物质从低浓度向高浓度处聚集反向扩散。处聚集反向扩散。10、扩散驱动力是 化学位梯度化学位梯度 。11、伴随有反应扩散称为 反应扩散反应扩散 。第44页二、计算题二、计算题（4-1）含）含0.85%C普碳钢加热到普碳钢加热到900在空在空气中保温气中保温1小时后外层碳浓度降到零。小时后外层碳浓度降到零。(a)推导脱碳扩散方程解，假定推导脱碳扩散方程解，假定t0时，时，x=0处，处，=0。(b)假如要求零件外层碳浓度为假如要求零件外层碳浓度为0.8%，表，表面应车去多少深度？（面应车去多少深度？（900时，时，Dc=1.110-7cm2/s）第45页解：解：（1）X=5.310-4m=0.53mmt=1h=3600sDc=1.110-7cm2/s（2）第46页（4-3）20钢在钢在930渗碳，表面碳浓度渗碳，表面碳浓度到达奥氏体中碳饱和浓度到达奥氏体中碳饱和浓度Cs=1.4%，此，此时时Dc=3.610-2mm2/h，若渗层深度定，若渗层深度定为从表面到碳含量为从表面到碳含量0.4%位置，求渗层深位置，求渗层深度与时间关系。度与时间关系。第47页4-30.4=1.4-(1.4-0.2)erf()erf()=0.83=0.97解：能够用半无限长棒扩散来解：x,t?Cs=1.4%,C0=0.2%,C=0.4%,D=3.610-2mm2/h第48页(t:s)第49页（4-7）870渗碳与渗碳与927渗碳相比较，优点渗碳相比较，优点是热处理产品晶粒细小，淬火后变形小。若是热处理产品晶粒细小，淬火后变形小。若已知已知D0=2.010-5m2/s，Q=140KJ/mol，求：求：（1）在上两温度下，碳在）在上两温度下，碳在铁中扩散系数。铁中扩散系数。（2）若忽略不一样温度下碳在）若忽略不一样温度下碳在铁中溶解度铁中溶解度差异，差异，870渗碳需用多少时间才能取得渗碳需用多少时间才能取得927渗碳渗碳10小时渗层厚度？小时渗层厚度？第50页4-7T1=870=1143K,T2=927=1200KD0=2.010-5m2/s,Q=140kJ/mol=14104J/molD1D0eQ/RT=2.010-5exp(-14104/8.3141143)=0.8210-11(m2/s)D2D0eQ/RT=2.010-5exp(-14104/8.3141200)=1.6110-11(m2/s)第51页（4-9）纯铁渗硼，）纯铁渗硼，9004h生成生成Fe2B层层厚度为厚度为0.068mm，9604h为为0.14mm，假定假定Fe2B生长受扩散速度控制，求硼原生长受扩散速度控制，求硼原子在子在Fe2B中扩散激活能中扩散激活能Q。第52页4-9DD0eQ/RTT1=900=1173K,t1=4h,x1=0.068mmT2=960=1233K,t2=4h,x2=0.14mmQ?Q=2.9105J/mol第53页第五章 相与相平衡一、填空题一、填空题 1.组元是组成材料最基本、独立存在物质组成材料最基本、独立存在物质，组元普通是化学元素化学元素或化合物化合物。2.相是 系统中成份、结构相同，性能一致均匀组系统中成份、结构相同，性能一致均匀组成部分，不一样相之间有界面分开，相界处物质成部分，不一样相之间有界面分开，相界处物质性能发生突变性能发生突变。相平衡是指各相 化学热力学化学热力学平衡。3.组织是 由各种不一样形貌及含量相或组元所组由各种不一样形貌及含量相或组元所组成微观图像。成微观图像。平衡凝固是指 极其迟缓极其迟缓 冷却条件下凝固。第54页4.在二元系合金相图中，杠杆法则只能在二元系合金相图中，杠杆法则只能用于用于两两相区。相区。5.依据渗碳体形状，钢中珠光体分为依据渗碳体形状，钢中珠光体分为片片状珠光体状珠光体和和球状珠光体球状珠光体两种。两种。6.依据含碳量，钢分类为依据含碳量，钢分类为亚共析钢亚共析钢、共析钢共析钢和和过共析过共析钢。钢。伴随碳含量增加，钢硬度和塑性改变规伴随碳含量增加，钢硬度和塑性改变规律是律是硬度提升，塑性下降硬度提升，塑性下降。第55页7.在三元系浓度三角形中，凡成份位于在三元系浓度三角形中，凡成份位于过过一顶点直线一顶点直线上合金，它们含有另两个顶角所上合金，它们含有另两个顶角所代表两组元含量之比相等。平行于一边任一代表两组元含量之比相等。平行于一边任一直线上合金，其成份共性为直线上合金，其成份共性为含这个边对应含这个边对应顶点组元含量均相等顶点组元含量均相等。8.依据三元相图垂直截面图，能够分析依据三元相图垂直截面图，能够分析合合金凝固过程金凝固过程。第56页9.依据三元相图水平（等温）截面图，能依据三元相图水平（等温）截面图，能够够用杠杆法则计算各相相对量用杠杆法则计算各相相对量。10.二元合金相图三相平衡转变类型主要有二元合金相图三相平衡转变类型主要有共晶（析）反应共晶（析）反应和和包晶（析）反应包晶（析）反应。三三元合金相图四相平衡转变类型主要有元合金相图四相平衡转变类型主要有共晶共晶反应反应，包共晶反应包共晶反应和和包晶反应包晶反应。第57页二、改错题二、改错题1.指出以下相图中错误，说明原因并加以更正，指出以下相图中错误，说明原因并加以更正，画出正确相图。画出正确相图。第58页第59页2.（5-6）指出相图中错误，说明理由并更指出相图中错误，说明理由并更正。正。第60页5-6:第61页三、分析计算三、分析计算1.下列图为下列图为A-B固溶体合金相图，试依据固溶体合金相图，试依据相图确定：相图确定：(a)成份为成份为(B)=40%合金首先凝合金首先凝固出来固溶体成份；固出来固溶体成份；(b)若首先凝固出来固溶体成份含若首先凝固出来固溶体成份含60%B，合金成份为多少？，合金成份为多少？(c)成份为成份为70%B合金最终凝固液合金最终凝固液体成份；体成份；(d)合金成份为合金成份为50%B，凝固到某，凝固到某温度时液相含有温度时液相含有40%B，固体含有，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少，此时液体和固体各占多少分数？分数？第62页(a)成份为成份为(B)=40%合金首先合金首先凝固出来固溶体成份；凝固出来固溶体成份；(a)80%b。(b)若首先凝固出来固溶体成份若首先凝固出来固溶体成份含含60%B，合金成份为多少？，合金成份为多少？（b）20%b(c)成份为成份为70%B合金最终凝固合金最终凝固液体成份；液体成份；（c）25%b。第63页L%=(80-50)/(80-40)=75%=(50-40)/(80-40)=25%(d)合金成份为合金成份为50%B，凝固到某温度时液相含有，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？，此时液体和固体各占多少分数？第64页2.（5-3）画出画出Pb-Sn相图，标出各相区存在组织，相图，标出各相区存在组织，指出组织中含指出组织中含最多和最少合金成份，指出共晶体最多和最少合金成份，指出共晶体最多和最少合金成份。最多和最少合金成份。第65页5-3:含II最多成份：C点。最少为f点。共晶体最多：成份 e点。共晶体最少：c点以左，d点以右。第66页3.（5-4）依据依据Pb-Sn相图，说明相图，说明(Sn)=30%Pb-Sn合金在以下温度时，其合金在以下温度时，其组织中存在哪些相，并求相相对含量。组织中存在哪些相，并求相相对含量。（1）高于）高于300；（；（2）刚冷至）刚冷至183，共晶转变还未开始；（共晶转变还未开始；（3）在）在183共晶共晶转变完成；（转变完成；（4）冷到室温。）冷到室温。第67页（1）300以上：液相以上：液相L（2）183，未共晶转变：液相，未共晶转变：液相LL%=cx/ec=(30-19)/(61.9-19)=25.6%=ex/ec=(61.9-30)/(61.9-19)=74.4%X5-4：第68页X（3）183，共晶转变完，共晶转变完：相：相组织组织：（）%=ex/ec=(61.9-30)/(61.9-19)=74.4%（）L%=cx/ec=(30-19)/(61.9-19)=25.6%相相（总总）%=dx/cd=(97.5-30)/(97.5-19)=86.0%=xc/cd=(30-19)/(97.5-19)=14.0%第69页X（）%=ed/cd=(97.5-61.9)/(97.5-19)=45.3%=ce/cd=(61.9-19)/(97.5-19)=54.7%总总：%=25.6%45.3%+74.4%=86.0%=25.6%54.7%=14.0%(4)室温相：室温相：%=xg/fg%=fx/fg第70页4.（5-7）画出简易铁碳相图，画出简易铁碳相图，（1）指出）指出PSK、ECF各点成份、各线反应各点成份、各线反应特征及反应式；特征及反应式；（2）标出各相区相组成物；）标出各相区相组成物；（3）标出各相区组织组成物。）标出各相区组织组成物。第71页57第72页第73页58亚共析钢组织：F+P0.2%C:P%P4/PS =0.2/0.77=26%F%=74%0.6%C:P%0.6/0.77=78%F%=22%第74页58相：Fe3C0.2%C:%(6.69-0.2)/6.69=97%Fe3C%=0.2/6.69=3%0.6%C:Fe3C%0.6/6.69=9%F%=91%第75页1.0%C:组织组织PFe3CII：P%=AK/SK=(6.69-1.0)/(6.69-0.77)=96%Fe3CII%=SA/SK=(1.0-0.77)/(6.69-0.77)=4%第76页相相：Fe3C1.0%C:Fe3C%1.0/6.69=15%F%=85%第77页5-9:第78页组织组织:PFe3CIILd:Ld%=(3.5-2.11)/(4.3-2.11)=63.5%A=36.5%Fe3CII%=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)36.5%=8.3%P%=36.5-8.3=28.2%组织转变组织转变 L L L LA AA ALd ALd AFeFe3 3C CIIIILd PLd PFeFe3 3C CIIIILd Ld 第79页组织转变组织转变 L L L LA AA ALd ALd AFeFe3 3C CIIIILd PLd PFeFe3 3C CIIIILd Ld 相相：Fe3C3.5%C:Fe3C%3.5/6.69=52.3%F%=47.7%第80页组织转变组织转变 L L+FeL L+Fe3 3C CI I Fe Fe3 3C CI I+Ld +Ld FeFe3 3C CI I+Ld+Ld 组织组织:Fe3CILd:Ld%=(6.69-4.5)/(6.69-4.3)=91.6%Fe3CI%=(4.5-4.3)/(6.69-4.3)=8.4%第81页相相：Fe3C4.5%C:Fe3C%4.5/6.69=67%F%=33%第82页6.以下相图：（以下相图：（1）该相图组元是什么？）该相图组元是什么？（2）标出全部相区组成相。）标出全部相区组成相。（3）指出该相图中有何特征反应，写出反应式。）指出该相图中有何特征反应，写出反应式。（4）指出含）指出含80%Al2O3时室温平衡组织，并计算组时室温平衡组织，并计算组织组成物相对含量。织组成物相对含量。第83页(1)组元为：组元为：Al2O3，ZrO2；(2)标注如图：标注如图：(3)特征反应：特征反应：共晶反应共晶反应第84页(4)含含80%Al2O3时时(20%ZrO2)室温平衡组织：室温平衡组织：Al2O3+（Al2O3+ZrO2）Al2O3%=(42.6-20)/42.6=53%（Al2O3+ZrO2）%=20/42.6=47%第85页7.下列图为使用高纯原料在密封条件下下列图为使用高纯原料在密封条件下Al2O3SiO2相图，相图，A3S2（3Al2O32SiO2）为莫来石固溶体，共晶成份为莫来石固溶体，共晶成份E1点为点为10wt%Al2O3，含，含60%摩尔分数摩尔分数Al2O3A3S2质量质量分数为分数为75%。要求：要求：（1）填写空白相区相）填写空白相区相组成。组成。（2）写出）写出2个水平反个水平反应线反应，并指出反应线反应，并指出反应类型。应类型。第86页E1:共晶反应共晶反应E2:共晶反应共晶反应第87页（3）一个由）一个由SiO2-30%Al2O3(wt%)组成耐高组成耐高温材料，分析其平衡凝固后室温组织是什么，温材料，分析其平衡凝固后室温组织是什么，并计算组织组成物含量。该材料能否用来盛并计算组织组成物含量。该材料能否用来盛装熔融态钢（装熔融态钢（1600）？在此情况下有多少）？在此情况下有多少百分率耐热材料会熔化？百分率耐热材料会熔化？第88页（3）SiO2-30%Al2O3(wt%)材料，材料，平衡凝固后室温组织：平衡凝固后室温组织：A3S2+（A3S2+SiO2）A3S2%=(30-10)/(75-10)=30.8%（A3S2+SiO2）%=(75-30)/(75-10)=69.2%不能盛装熔融态钢（不能盛装熔融态钢（1600），会熔化。），会熔化。有有69.2%耐热材料会熔化。耐热材料会熔化。第89页8.（5-14）下列图为下列图为A-B-C三元共晶相图三元共晶相图投影图，指出投影图，指出n1、n2、n3(E)、n4点从液态点从液态平衡冷却结晶室温相和组织组成物，并分别平衡冷却结晶室温相和组织组成物，并分别计算相和组织相对含量。计算相和组织相对含量。第90页5-14组织组成物：组织组成物：n1：A+(A+B+C)n2：B+(B+C)+(A+B+C)n3：(A+B+C)n4：(A+B)+(A+B+C)相组成物：相组成物：A+B+C第91页5-14n1：相组成物：相组成物：A+B+C第92页5-14n1：组织组成物：组织组成物：A+(A+B+C)第93页5-14n2相组成物：相组成物：A+B+C第94页5-14n2组织组成物：组织组成物：B+(B+C)+(A+B+C)第95页n3相组成物：相组成物：A+B+C5-14组织组成物：组织组成物：n3：(A+B+C)100%第96页n45-14相组成物：相组成物：A+B+C组织组成物：组织组成物：(A+B)+(A+B+C)第97页9.下列图为某三元相图投影图上下列图为某三元相图投影图上3条液相条液相单变量线及其温度走向，判断四相平衡单变量线及其温度走向，判断四相平衡反应类型，写出反应式。反应类型，写出反应式。共晶反应共晶反应 包共晶反应包共晶反应包晶反应包晶反应第98页10.下列图是下列图是MgO-Al2O3-SiO2三元系相三元系相图平面投影图及局部放大图，写出四相图平面投影图及局部放大图，写出四相平衡点处代表反应特征及反应式。平衡点处代表反应特征及反应式。第99页第六章第六章材料凝固材料凝固 1、凝固过程包含、凝固过程包含形核形核和和长大长大2个过程。个过程。2、材料凝固驱动力是、材料凝固驱动力是液固相变自由能差液固相变自由能差，阻，阻力是力是界面能界面能。3、凝固形核方式有、凝固形核方式有均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核，其中，其中非均匀形核非均匀形核临界形核功较小。临界形核功较小。4、均匀形核时液、固两相自由能差只能赔偿、均匀形核时液、固两相自由能差只能赔偿表面能表面能（2/3），），其它靠系统中其它靠系统中（能量（能量起伏）起伏）赔偿。赔偿。第100页5、液、液/固界面微观结构分为固界面微观结构分为粗糙界面粗糙界面和和光滑光滑界面界面。6、在正温度梯度下，晶体生长成、在正温度梯度下，晶体生长成平直平直界面；界面；负温度梯度下成长时，普通金属界面都呈负温度梯度下成长时，普通金属界面都呈树树枝枝状。状。7、在正温度梯度下，纯金属以、在正温度梯度下，纯金属以平面平面状形式状形式长大，固溶体合金因为存在长大，固溶体合金因为存在成份过冷成份过冷以以树枝树枝状形式长大。状形式长大。8、固溶体结晶形核条件是、固溶体结晶形核条件是结构起伏结构起伏、能能量起伏量起伏、温度场温度场、成份过冷成份过冷和和过冷度过冷度。第101页9、固溶体结晶与纯金属结晶差异表现为、固溶体结晶与纯金属结晶差异表现为温度温度场场、浓度场浓度场及及成份过冷成份过冷现象。现象。10、平衡结晶是指、平衡结晶是指无限迟缓无限迟缓冷却，组元间互冷却，组元间互扩散扩散充分充分，每个阶段都到达，每个阶段都到达平衡相平衡相均均匀成份。匀成份。11、晶内偏析（枝晶偏析）是、晶内偏析（枝晶偏析）是一个晶粒内部一个晶粒内部出现成份不均匀现象出现成份不均匀现象。消除晶内偏析（枝晶偏析）方法消除晶内偏析（枝晶偏析）方法扩散退火或扩散退火或均匀化退火均匀化退火。12、宏观偏析、宏观偏析是非平衡凝固条件下，沿长度是非平衡凝固条件下，沿长度方向上溶质偏析（富集）现象方向上溶质偏析（富集）现象。13、对于、对于ko1合金棒，从左端向右端区域提合金棒，从左端向右端区域提纯，杂质元素会富集于纯，杂质元素会富集于右右端。端。第102页14、固溶体不平衡凝固时，、固溶体不平衡凝固时，凝固速度很慢，凝固速度很慢，充分对流、搅拌，扩散很快混合均匀充分对流、搅拌，扩散很快混合均匀条件下条件下凝固后溶质分布愈不均匀，宏观偏析愈严重。凝固后溶质分布愈不均匀，宏观偏析愈严重。15、成份过冷是、成份过冷是由液相浓度改变引发熔点改由液相浓度改变引发熔点改变，与实际温度分布之差决定特殊过冷现象变，与实际温度分布之差决定特殊过冷现象。16、界面前沿温度梯度、界面前沿温度梯度G越小越小，凝固速度，凝固速度R越大越大，成份过冷倾向大。，成份过冷倾向大。17、液、液-固界面前沿成份过冷区越大，晶体越固界面前沿成份过冷区越大，晶体越易长成易长成树枝状树枝状形貌。形貌。第103页18、常见共晶组织形态有、常见共晶组织形态有片层状、棒条状、片层状、棒条状、球状、针状、螺旋状球状、针状、螺旋状等。等。19、铸锭组织包含、铸锭组织包含激冷层（表面细晶区）激冷层（表面细晶区）、柱状晶区柱状晶区和和中心等轴晶区中心等轴晶区三个晶区。三个晶区。20、对于液、对于液-固相变过程可经过控制过冷度固相变过程可经过控制过冷度来取得数量和尺寸不等晶体，要取得晶粒多来取得数量和尺寸不等晶体，要取得晶粒多而尺寸小细晶，则而尺寸小细晶，则T大大。第104页第七章第七章晶态固体材料中界面晶态固体材料中界面 1、表面能起源于、表面能起源于表面原子一侧无原子键表面原子一侧无原子键结合（断键），能量较高结合（断键），能量较高；普通地，割断；普通地，割断键数键数越多越多，表面能越高。，表面能越高。最密排最密排表面，表面，割断键数割断键数少少，表面能最低。所以，晶体，表面能最低。所以，晶体外表面普通为外表面普通为最密排面最密排面。2、依据晶粒取向差大小，晶界分为、依据晶粒取向差大小，晶界分为小角小角晶界晶界和和大角晶界大角晶界。3、小角晶界分为、小角晶界分为倾转晶界倾转晶界和和扭转晶界扭转晶界。倾转晶界由。倾转晶界由刃刃位错组成，扭转晶界由位错组成，扭转晶界由螺螺位错组成。位错组成。第105页4、晶界迁移驱动力是、晶界迁移驱动力是变形储存能变形储存能和和弯曲界面化学位弯曲界面化学位差差。晶界移动结果是小晶粒。晶界移动结果是小晶粒消失（更小）消失（更小），大晶，大晶粒粒长大长大。5、依据两相界面上原子排列情况，相界分为、依据两相界面上原子排列情况，相界分为共格相共格相界界，半共格相界半共格相界和和非共格相界非共格相界。6、单相多晶体平衡时普通规律是两个晶粒相遇于、单相多晶体平衡时普通规律是两个晶粒相遇于晶晶面面，三个晶粒相遇于，三个晶粒相遇于晶棱晶棱，四个晶粒相遇于，四个晶粒相遇于角隅角隅。7、在晶粒内部形成第二相时，若第二相和基体之间、在晶粒内部形成第二相时，若第二相和基体之间界面能大，则其形状普通为界面能大，则其形状普通为球状球状，若要降低弹性应，若要降低弹性应变能，普通会长成变能，普通会长成薄片（圆盘）薄片（圆盘）形状形状。第106页祝同学们祝同学们:学有所成！学有所成！考试顺利！考试顺利！第107页