材料科学复习第五章至第七章

第五章 单元系，二元系相图及合金的凝固组织 （40分）
合金：由两种以上的金属或金属和非金属元素熔合（烧结）在一起而具有金属特性的物质。

从二元系相图相图上，我们要清楚地了解该二元系任一组成的合金在各温度下所存在的相态，相成分，和各个相的含量，以及当温度变化时，将发生什么类型的相转变，在什么温度转变等等。

5.1单元系相图
相变分类：
位移型转变：化学键的键长或者键角转变引起的变化——导致同素异形
重建型转变：化学键断裂引起的转变——导致形成不同物质

5.2 二元相图的表示方法
5.2.1 二元合金中存在的相
1. 相：性质相同的均匀部分
2. 合金相种类：固溶体，金属间化合物
3. 相平衡条件与相律
相律：f= C – P + 2 —— C 为合金系组数；P为平衡共存的相数；f为自由度；2表示温度与压力两个因素

5.2.2 二元相图的表示、含义、和杠杆定律
概念：液相线 固相线 共晶点 共晶合金 共晶温度 共晶线
初晶 共晶组织 相组成物 组织组成物
初晶：从液相中首先凝固出来的一个固相，长成树枝状或者方块状
共晶组织：再从液相中共同凝固出来两种固相，互相交替排列，在组织形态上有其特点
但是，初晶和共晶组织中的同一元素的相识同一种相，性质完全一样，只因凝固条件不同，所以形态有所不同。

相组成物：把相看成构成合金组织的基本单元
组织组成物：按组织形貌的特征来划分构成合金组织的单元
一般越靠近共晶点的合金，共晶组织越多，而共晶合金则全部为共晶组织。

5.2.3 用实验方法测绘二元相图
常用测绘二元相图的方法：热分析法；金相组织法，X射线分析法

5.3 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织
5.3.1 相图分析
组成匀晶相图的两个组元在液态和固态都能在整个成分范围内完全互相溶解，分别形成无限液熔体和固溶体。

金属系中常见的是具有极小值点的匀晶相图

5.3.2固溶体合金的平衡凝固和组织
平衡凝固：是指合金从液态很缓慢的冷却，使合金在相变过程中能够有充分时间进行组元间的相互扩散，达到平衡相的均匀成分。

固溶体合金凝固过程特点：
<1> 固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成分不同
<2> 固溶体合金凝固需要在一定温度范围内进行，在此温度范围的每一温度下，只能凝固出来一定数量的固相。随着温度的降低，固相的量增加，同时，固相和液相的成分也分别沿固相线和液相线而连续地改变，直至遇上固相线，才凝固完毕。

除了与纯金属形核一样需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，故固溶体合金形核比纯金属困难，容易过冷。过冷度越大，形核所需要的成分起伏越小，形核越容易。

5.3.3固溶体合金的非平衡凝固和组织
固相平均成分线和固相线的意义不同，固相线与冷却速度无关，位置固定，而固相平均成分却随冷却速度的改变而移动，冷却速度越大，偏离固相线越远，冷却极其缓慢，达到平衡凝固，又与固相线重合。

晶内偏析（枝晶偏析）：晶粒内部的成分不均匀现象。

如果合金中存在严重的晶内偏析，会导致合金的塑性显著下降，难于压力加工。为消除晶内偏析，可以将铸态合金加热至略低于固相线的温度进行长时间的均匀化退火，使异类原子互相充分扩散均匀。

冷却速度越快，原子扩散越难以进行，晶内偏析就越显著。但当过冷度越大时，晶内偏析反而减弱，这是因为开始凝固温度越低，其凝固出来的固相成分越

接近于原合金成分。元素扩散能力越低，晶内偏析越大。

5.4 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
5.4.1 相图分析
共晶反应（共晶反应）：在一定温度下，由一定成分液相，同时结晶出成分

和结构不同的两相过程。反应式：𝐋𝑬→←𝛂𝑪+𝛃𝑫

概念： 固溶度线 固溶体合金 共晶型合金 亚共晶合金 过共晶合金

5.4.2 共晶系合金的平衡凝固合组织
共晶合金的优良特性：
<1> 有良好的流动性，能很好地填充铸模
<2> 在一个合金系中，共晶的熔点最低，从而可使熔化和铸造工艺简化，降低能源消耗和坩埚腐蚀
<3> 利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列，可制造共晶复合材料

5.4.3 共晶组织及其形成机理
按照共晶两相的固、液界面特性进行分类：
<1> 粗糙-粗糙界面（即金属-金属型）共晶 <2> 粗糙-平滑界面（即金属-非金属型）共晶 <3> 平滑-平滑界面（非金属-非金属型）共晶

5.5 包晶相图及其合金的凝固和组织
5.5.1 相图分析
包晶相图特点：两组元在液态能无限互溶，在固态只能部分互溶，形成有限固溶体，并具有三相平衡的包晶转变。

概念：包晶转变线 溶度线 包晶点 包晶温度 包晶反应：L+ α → β

5.5.2 包晶系合金的平衡凝固合组织
当进行包晶转变时，由于包晶反应是由α相和液相相互作用而生成β相，从形核功的观点来看，一般是β相依附在α相表面形核所需要的形核功比它单独形

核所需要的为小，因此β相多依附在α相上形核成长，并且很快地β相就把α相

包围起来，而将α相和液相分开，这就是包晶反应名称的由来。

5.8 具有固态转变的二元相图

5.8.1 具有共析转变的相图

概念：共析线 共析点

共析转变式： 𝐀𝑺→𝐅𝒑+ 𝐅𝐞𝟑𝑪

共析转变前的相是固相不是液相，而由固相分解，其原子扩散比较困难，晶

核的形成和长大速率较慢，容易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细

密，但仍为两相交叠排列的混合组织

5.8.2 具有包析转变的相图

包析转变在相图上的特征与包晶转变类似，所不同的就是将包晶转变中的液

相改为了固相。

包析反应式： 𝛂𝒎+ 𝛃𝒏→𝛄𝒑

5.8.3 具有偏析转变的相图

偏析转变式：𝛂𝟐→𝛂𝟏+β

5.9 如何分析和使用二元相图

5.9.1 像图中的线条和相区分析

相图中所有线条都是代表发生相转变的温度和平衡相的成分

每碰到一条线，都表示将发生某种相转变

相图内两个毗邻相区的相数差总是等于1，不能大于1，也不能等于0，相

数差大于1的相区只能相交于一点。

第六章 三元系相图

（10分）

6.1 三元相图的成分表示法

6.2 三元相图的杠杆定律和重心法则

6.3 匀晶三元相图

6.3.3 等温截面（或水平截面）

6.3.4 变温截面（或垂直截面）

第七章 固体材料中的扩散

（4~6分）

扩散：原子的短距离或者长距离迁移的微观过程以及有大量原子的迁移引起

物质的宏观流动。

7.1 扩散方程

扩散有两种形式：

<1> 稳态扩散：在一定区域内，浓度不随时间变化

<2> 非稳态扩散：浓度随时间改变

7.1.1 菲克第一定律

∂𝐂

J= -D

∂𝐱

扩散通量J：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，量纲为g*m‒2∗s‒1

X：沿扩散方向的距离； C：体积浓度，即单位体积物体中扩散物质的质量，

；负号表示扩散物质流动的

对于x，y，z三维空间中的扩散：
<1> 如果介质是各向同性的：

若D与浓度无关，则：

∂𝐭= 𝑫(∂𝐱(

∂𝒙) +

∂𝐲(

∂𝒚) +

∂𝐳(

∂𝒛))

<2> 如果介质是各向异性的：

∂𝐂 ∂𝐭= 𝐃𝒙∂𝐱(

∂𝒙) + 𝐃𝒚∂𝐲(

∂𝒚) + 𝐃𝒛∂𝐳(

∂𝒛)

7.2 扩散的微观机制
7.2.1 交换机制
7.2.2 间隙机制
7.2.3 空位机制

7.3.2 影响扩散系数的因素
1. 温度的影响
温度的升高，扩散系数急剧增大

2. 晶体缺陷的影响— 通常把沿这些缺陷所进行的扩散称为“短路扩散”
<1> 沿面缺陷的扩散
由于在晶界和自由表面附近，原子的规则排列受到不同程度的破坏，点阵畸变严重，空位密度和空位的迁移率均比晶内高，因此在这些面缺陷外，扩散激活能较低，借助空位扩散机制的扩散就容易进行
①表面扩散比晶界扩散快
②扩散与固溶体的晶粒大小有关，晶粒越细则扩散系数越大
<2> 沿线缺陷的扩散

如果扩散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较小（约为体扩散激活能的1/2），所以扩散速率较高。但是由于位错线所占横截面相对晶粒的横截面来说是很小的，所在高温下，位错对晶体总扩散的贡献并不大，
只有在较低温度下才能显出其重要性。

3. 晶体结构的影响
因为体心立方点阵的致密度比面心立方点阵低，原子移动时需要克服原子间的结合力小，所需要的扩散激活能相对较低。另外，原子密度小，空位形成能也小，固扩散系数大。

4. 固溶体类型的影响
间隙原子的扩散激活能比置换式原子的扩散激活能小得多

5. 扩散元素浓度的影响
扩散元素的性质与溶剂金属的性质差别越悬殊，则扩散系数越大

6. 扩散组元浓度的影响
凡溶质元素能使合金熔点降低的（或引起液相线下降的）均能使扩散系数增加；反之，使扩散系数降低

7. 第三元（或杂质）的影响
<1> 形成碳化物元素，如W，Mo，Cr等
它们与C的亲和力较强，强烈阻碍C的扩散，从而降低碳的的扩散系数
<2> 形成不稳定碳化物，如Mn等
它们对C的扩散影响不大
<3> 不形成碳化物而荣与固溶体的元素影响各不相同
Co，Ni等能提高C的扩散系数；Si降低C的扩散系数