1、2010年9月,1,第一章 材料科学概论,材料科学导论 总复习,2010年9月,2, 物质 (matter) 是指任何具有时间、质量并占据空间的一种东西，分为能量、时空和形象等三类物质。 材料 (material) 是用于制造产品的一切有形的物质。它是用适当的方法，把物质加工成有用的构件和制品。 物质与材料的区别 物质 (matter) 反映基本性质 (property)； 材料 (material) 反映宏观性能 (performance)。,1 物质与材料,2010年9月,材料的分类 按化学键合方式，基础材料可以分成五类： 金属、陶瓷、聚合物、复合材料、半导体。(1) 金属是以金属元素为主
2、、通过冶炼方法制成的一 类晶体材料。原子键合方式是金属键。 特点：强度高、延展性好、导电导热、连接性好， 但不透明、易腐蚀。,黑色金属：以Fe为基的钢铁材料，如碳钢、合金钢、 铸铁等。2) 有色金属：Al、Cu、Ni、Mg、 Ti 、 Zn等6种以及 轻金属(Li)、重金属(W)、贵金属(Au)、稀有金属(Y)等,2010年9月,4,(2) 陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、采用烧结或固相合成工艺制备的无机非金属材料。 普通陶瓷是离子键键合，先进陶瓷是共价键键合。 特点：硬度高、耐高温、绝缘、隔热，但脆性、难加工。1）普通陶瓷 天然陶瓷: 玻璃、水泥、耐火砖、陶器、瓷器等。2
3、）先进陶瓷 结构陶瓷：Al2O3 、SiC、 Si3N4 、TiB2、MoSi2 等。 功能陶瓷：GaAs、CdTe、InP、CaF2、 ZnS等。,2010年9月,5,(3) 聚合物是以C、H元素为主、主链由许多结构单元以共价键方式重复连接而成的高分子材料。 特点：质轻、绝缘、易成型，但强度低、耐热性差。1)塑料 a. 热固性树脂 环氧树脂(EP)、不饱和聚酯(UP)、酚醛(PF)等。 b. 热塑性塑料 通用塑料(PE, PP, PVC, PS)、工程塑料(PET, PC, etc) 和特种塑料 (PEEK，PES，etc) 。 2)纤维: 涤纶、丙纶、锦纶、腈纶、氨纶等。 3)橡胶：天然橡
4、胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(ABR)等 4）涂料: 环氧基、聚氨酯（PU）基、丙烯酸酯基等 5）粘接剂：环氧胶、氯丁胶、硅胶、聚酯胶等,2010年9月,6,复合材料,结构复合材料,功能复合材料,陶瓷基复合材料,聚合物基复合材料,碳碳基复合材料,导电导磁复合材料,金属基复合材料,发光显示复合材料,屏蔽功能复合材料,阻尼吸声复合材料,（4）复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。原子间键合方式是混合键。,特点: 比强度比模量高、性能可设计， 但界面较弱。,2010年9月,(5) 半导体是以Si、Ge等元素用共价键方式结合的、电性能可调的
5、单晶体材料，也包括化合物半导体材料、有机电子材料等多晶或非晶材料。 特点：导电性介于导体和绝缘体之间，化学纯度和表面加工精度高，性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。1) 元素半导体材料 Si和Ge (IVA族元素)2) 化合物半导体材料 GaAs , InP(III-V族化合物)和 CdTe(II-VI族化合物)3) 有机半导体材料 聚噻吩 (P3TH),聚苯胺(PANI),聚对苯撑乙烯(PPV)等。,7,2010年9月,(1) 晶态材料: 单晶材料(Si)、多晶材料(Fe-C)(2) 非晶态材料: 普通玻璃、金属玻璃、 无规型高分子材料。(3) 准晶态材料：液晶高分子 (酸酯类、联苯类、环
6、基类和碳酸酯类),8,3. 材料的形态,2010年9月,9,材料按用途和性能大致分成二大类：1）结构材料：以强度、刚度、硬度、韧度、疲劳强度等力学性能为主要性能的材料。2) 功能材料：以光、电、磁、声、热等物理性能为主要特性的材料。 按性能的不同，材料还可以分为： 传统材料 和 先进材料 或 基础材料 和 新材料,4. 用途,2010年9月,10, 材料是人类社会发展和进步程度的标志，大致分为 五个标志性阶段: 石器时代 (Stone Age)， 青铜器时代 (Bronze Age)， 铁器时代 (Iron Age)， 合成时代 (Synthetic Age)， 信息时代 (Informati
7、on Age)。,5. 材料与社会发展,2010年9月,11,1. 材料科学 （materials science，MS） 材料科学是研究材料的成分（composition）、结构(structure)与性质(property)相互关系的一门学科。2. 材料科学与工程（MSE） 材料科学与工程是研究材料的成分、制备工艺、结构与性质和性能，以及它们之间相互关系的技术开发与应用的一门学科。,6. 材料科学与材料科学与工程,2010年9月,12,3. 材料科学与工程的学科分类,材料科学与工程一级学科,材料物理与化学,材料学,材料加工工程,目前，我国在材料科学与工程一级学科下设立了三个二级学科：,13
8、,第二章 材料结构的基础知识,14,1. 材料性能由四个结构所决定 （1）原子结构（电子结构） （2）原子键合 （3）原子排列 （4）显微组织,2. 电子结构的两个重要原理 （1）海森堡测不准原理,（2）薛定谔波动方程,15,3. 每个电子的能级及位置由四个量子数确定 主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。1) 主量子数 n 电子能级的高低和离核的远近。 n=1为K壳层，n2为L壳层 ， n3为M壳层。n=1, 2 , 3 占据的电子数为2n2 。,16,2）角量子数l l=0, 1, 2 ,在同一壳层上分成能量水平不同的亚壳层，用s，p，d，f 表示，能量水平随s，p，d，f 依次升高。
9、 n1，l=0， 这种状态的电子称1s电子。 n2，l=0, l=1两种状态，称2s，2p电子。 l值与能级的关系为： l =0，为s能级； l=1，为p能级; l =2，为d能级； l=3，为f能级。,17,3）磁量子数 ml 磁量子数ml决定电子轨道角动量在空间的方位，给出每个角量子数l的可能值。 Pl mlh /2 ml = 2(l)+1, 在-l和l 之间取整数 0 1, 2，。 例如，对于 l=2 ，磁量子数ml 为: 2(2) 1 5； ml的可能值是: 2， 1， 0， 1， 2。,18,例题 试计算n=2时， L壳层中可能有的轨道数。解： 因为 n=2, 所以 l= 0, 1。
10、 l=0, 磁量子数ml为：2(0) 1 1， 所以，ml = 0。 l=1, 磁量子数ml为： 2(1) 1 3， 所以，ml= 1, 0，+1。 因此， L壳层中的轨道总数为4。,19,4) 自旋量子数 ms 自旋量子数 ms规定，在每个轨道中只允许存在二个电子，每个电子自旋方向相反且量子化： Ps msh /2 (2-10)其中，ms值分别取 +1/2, 1/2，称为自旋量子数。,20,Mg 原子12个电子的每个电子的全部量子数,21,三个基本原则：(1）泡利不相容原则（W. Pauli） 主量子数为n的壳层中最多能容纳的电子数为2n2。 (2)能量最低原则 电子总是优先占据能量最低的轨
11、道。 (3）洪特规则（F. Hund） 在能量等价的同一亚壳层轨道上，电子总是尽可能地占据不同的轨道且自旋方向相同。,4. 电子分布规则,22,电子能级水平与主量子数和角量子数的变化情况,23,例题 铜元素没有磁性的原因内在关系。,24,原子的电子排列可用电子结构来表示。电子结构是用主量子数n、角量子数l，以及在每一轨道上用上角表示容纳的电子数目的组合来表示。 例如，原子序数为11的钠(Na) 原子，其电子排列方式表示为: 1s22s22p63s1,5. 电子分布规则,6. 偏离正常电子结构 Ti原子有22个电子。按能量最低原则，其电子填充 过程是：1s22s22p63s23p64s23d2,
12、25,7原子价 原子价(valence)是指一种原子和其他原子之间化合的能力。这是由电子排列最外层的s态、p态能级中的电子数所决定。例如, Na (11) ： 1s22s22p63s1 原子价1 Al (13): 1s22s22p63s23p1 原子价38. 原子结构 原子结构是材料的一级结构，决定原子间结合键的方式，影响元素的物理性质如熔点、热膨胀系数、原子半径等。,26,9. 原子结合键 原子结合键是材料的二级结构。材料性能很大程度上取决于原子间的结合力。 结合键共有离子键、共价键、金属键、分子键和氢键等5种：10. 晶体的显微组织 显微组织是材料的四级结构，是随组成和加工工艺方式而变化。
13、它是影响材料力学性能如强度、韧性、变形等重要的结构因素。,2013年9月,复旦大学材料科学系,27,第三章 材料的晶体结构,2013年9月,复旦大学材料科学系,28,晶胞选取应满足三个基本条件：1）对称性；2）尽可能直角； 3）体积最小。 晶胞可以分简单晶胞和复杂晶胞。1）简单晶胞；2）复杂晶胞。,1. 空间点阵 (space lattice) 空间点阵是几何质点在三维空间的分布形式。晶胞是反映空间点阵形态的基本结构单元, 由六个参数a、 b、 c ， 、来描述。,2013年9月,复旦大学材料科学系,29,7大晶系：立方、正方、正交、六方、菱方、 单斜和三斜。 按组成晶胞的六个参数的特性，可分
14、成14种布拉菲点阵。,3.3 晶系与布拉菲点阵,2. 7大晶系和14种空间点阵,2013年9月,复旦大学材料科学系,30,14种布拉菲点阵,2013年9月,复旦大学材料科学系,31,表 3-2 7大晶系晶格参数之间的相互关系,2013年9月,复旦大学材料科学系,32,3. 晶向指数 晶向是指晶体中原子沿空间某一方向的排列。 晶向指数是指晶面的不同晶向，用密勒(Miller)晶向指数表示晶向指数。,密勒晶向指数是描述晶向的简写符号，确定步骤如下：(1) 建立右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标；(2) 从末点坐标减去始点坐标，得到沿该坐标系各轴 方向移动 的点阵参数的数目；(3)去掉分数，将相减
15、后的结果约成最少整数；(4) 将三个坐标值用方括号括起 u v w ，若有负号 则在数字上面加一横线，即为该族结点直线的密勒晶向指数。,2013年9月,复旦大学材料科学系,33,例 试定出图3-13 中B、C 二个方向的 密勒晶向指数。 方向B(1) 两点是 0，0，0 和1, 1, 1 ；(2) 相减后得 1，1，1, 没有分数；(3) 加方括号为密勒晶向指数：1 1 1 。 图3-13 结晶方向及坐标,2013年9月,复旦大学材料科学系,34,方向C (1) 两点是 1/2，1，0和 0, 0, 1 (2) 相减后得 1/2， 1，1 (3) 去掉分数得 1，2，2 (4) 加括号为密勒晶
16、向指数： 密勒指数使用时应注意的几个问题：(1) 正方向和负方向是不同的, 111 不等于 它们代表同一条线，但方向相反；(2) 方向指数与其倍数是同向的, 100 和 200 方向相同, 只是后者没有约成最小数；(3) 有些方向是等价的，只是构成坐标的方式不同。,2013年9月,复旦大学材料科学系,35,4.晶面指数 晶面是指穿过晶体中的某一原子平面。 晶面指数是指晶体中点阵平面的指数。 它由晶面与三个坐标轴的截距值所决定，密勒晶面指数的简化符号为晶面做出标志。,2013年9月,复旦大学材料科学系,36,密勒晶面指数确定步骤如下：(1) 在待标晶面上建立直角坐标系，且坐标原点不在晶面上；(2
17、) 找出待标晶面在三个坐标轴上的截距 x、y、z。 若该晶面与某坐标轴平行，其截距为 ；若晶面在坐标 轴方向的截距为负值，则在相应指数的上方加一横线；(3) 取截距的倒数：1/x，1/y, 1/z；(4) 将三个数值化为比值相同的最小整数, h: k :l=1/x:1/y:1/z =h/e:k/e:l/e,e为公倍数；(5) 将h, k, l 置于圆括号内，写成(h, k, l), 则 (h, k, l)就是待标晶面的Miller晶面指数。,2013年9月,复旦大学材料科学系,37,例 确定图3-15中坐标为1/2a、1/2b、2/3c晶面 的密勒晶面指数，其中a=b=c。(1) 建立坐标系x
18、，y，z，如图 3-15所示;(2) 求待标晶面的截距分别为 1/2a, 1/2b, 2/3c; (3) 取倒数后得到 2, 2, 3/2;(4) 化成互质整数, 得到 4，4，3 三个数;(5) 该晶面密勒指数为 (4，4，3)。 图3-15坐标下的晶面,2013年9月,复旦大学材料科学系,38,5. 晶面间距 晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的垂直距离, 用d表示或用晶面指数dhkl 表示。 晶面间距dhkl和晶面指数的相互关系可用倒易矩阵求得。参见的几种晶胞的晶面间距 dhkl和晶面指数 (h k l) 及点阵常数(a, b, c) 表示。,2013年9月,复旦大学材料科学系,39,a.
19、 立方晶系： b. 正方晶系： c. 正交晶系：,2013年9月,复旦大学材料科学系,6. 晶面间距分析法 晶面间距可用X射线衍射(X-ray diffraction)方法测定。这就是著名的布拉格定律: 2dhklsinn,2013年9月,复旦大学材料科学系,41,例 已知 Cu (fcc)的点阵常数 a=3.615A0，X射线衍射角为43.40，衍射图表明铜的这个衍射线是d111 的一级(n=1)衍射线，试求X射线的波长是多少？解： 由于 243.40 ， 由式(3-8),可得： = 23.615Ao/12+12+121/2sin21.70 = 1.543 A0,2013年9月,复旦大学材料
20、科学系,42,7. 晶胞原子数 晶胞原子数是指一个晶胞内包含的原子数。8. 原子半径 原子半径r是指晶胞中沿原子密度最大方向上相邻的两个原子间的平衡距离的一半。,2013年9月,复旦大学材料科学系,43,例题： 铁原子半径为1.24A0，试计算简单立方、面心立方和体心立方的铁的点阵参数。 解：铁原子在简单立方结构中，其原子分布在立方体的8个顶角上，原子沿着立方体的边相切， 故 a2r21.24 A02.48A0 在面心立方结构中，原子沿着立方体的面对角线相切，面对角线长度为 a, 由（312）式，得：a4r/ 4 1.24A0/ 3.51A0,2013年9月,复旦大学材料科学系,44,9. 配
21、位数（Coordination number） 配位数是指晶体结构中任一原子周围最邻近的原子数。10. 堆积因子(致密度) （Packing factor） 堆积因子是指晶胞体内的原子占据晶胞空间的分数。,2013年9月,复旦大学材料科学系,45,例 常见晶系晶胞的致密度计算（1）面心立方晶胞的致密度 由于 a=( 4/ )r， n4，由（3-14）式， 得 Kn v / V4（4/3）r3/a3 /60.74（2）体心立方晶胞的致密度 a( 4/ )r，n2 K2（4/3）r3/a3 /80.68（3）密排六方晶胞的致密度 a2r，n6，c/a=1.633（理想情况） K6(4/3)r3/3
22、 /2a2c /60.74,2013年9月,46,11. 原子体密度 原子体密度可用下式进行计算： (3-15),2013年9月,复旦大学材料科学系,47,例 铜是面心立方结构，原子半径为0.1278nm, 摩尔质量为 63.54g/mol, 阿伏加得罗常数是： 试计算铜的原子体密度。 解：对于面心立方结构的铜，其原子半径为： 晶格常数为： 体积为： 铜晶胞内共有4个原子，单位晶胞内的质量为： 因此，铜的体密度为：,2013年9月,复旦大学材料科学系,48,12. 密堆结构的间隙 密堆结构有两种间隙：四面体间隙和八面体间隙。（1） 4个原子组成的面内间隙称之为四面体间隙，（2） 6个原子组成的
23、面内间隙称之为八面体间隙。,2013年9月,复旦大学材料科学系,49,第四章 固体材料的晶体缺陷,复旦大学材料科学系,50,晶体缺陷的分类,2013年9月,1. 缺陷的类型,复旦大学材料科学系,51,空位、间隙原子和异类原子（置换原子）。3. 线缺陷 位错是理想空间点阵中存在的一种最典型的线缺陷,分为 刃型位错和螺型位错。 刃型位错的滑移与位错线相垂直，螺型位错与位错线是平行的。,2013年9月,2. 点缺陷,2010年9月,复旦大学材料科学系,52,解：由上图可知，晶面指数为（1 1 1）的滑移方向必为密堆积方向:,例 在图示的FCC空间点阵、晶面指数为（1 1 1）的滑移面上，标出可能的滑
24、移方向上的晶向指数。,2013年9月,复旦大学材料科学系,53,第五章 固体材料的凝固与结晶,2013年9月,复旦大学材料科学系,54,凝固结晶的基本条件1）热力学条件 GV Lm / Tm T T是熔点与实际温度之差，即过冷度。过冷度是金属凝固结晶时的热力学必要条件。2） 结构起伏3） 相起伏4）动力学扩展条件,2013年9月,复旦大学材料科学系,55,2. 晶核 液态金属中形成的晶胚尺寸大于或等于一定临界尺寸时，称为晶核。 晶核形成方式有两种：均匀形核和非均匀形核。1）均匀形核 GGVGS =4/3r3Gv 4r22）非均匀形核 GVGV i Ai （i=1, 2, n） GGVVASLS
25、(SW - LW ) ASW (4/3r3GV4r2SL)(2-3cos+cos3)/4) Gf(),2013年9月,复旦大学材料科学系,56,临界晶核 r rc 晶胚能成核； r rc 晶胚可能溶解，也可能成核。,2013年9月,复旦大学材料科学系,57,第六章 材料的扩散与迁移,2013年9月,复旦大学材料科学系,58,扩散定律菲克定律 其数学表达式为： 式中, D是扩散系数（cm2/s), 负号表示扩散方向与浓度梯度的正方向相反，C是溶质原子的浓度(原子数n/cm3 )或（g/cm3) 。 利用菲克第一定律，可对稳态扩散样品(dC/dt=0)进行计算。,2013年9月,复旦大学材料科学系
26、,59,例题： 现有一根内径为3cm的管子，流道被一张厚为10um的铁薄膜所隔开，薄膜的一侧含有0.51020 个N原子/cm3 的气体，通过扩散不断地渗透到管子的另一侧，其气体含量为1.01018个N原子/cm3。如果氮(N)在6000C时在铁中的扩散系数是410-7cm2/s，试计算每秒中通过铁薄膜的N原子总数。 解：C1= 0.51020个N原子/ cm3 C2= 1.01018个N原子/ cm3 C= C2- C1= (1-50) 1018个N原子/ cm3 = -491018个N原子/ cm3,2013年9月,复旦大学材料科学系,60,显然，如果铁薄膜高氮原子一侧若不是连续地补充气体
27、，则N原子很快会扩散耗尽。,2013年9月,复旦大学材料科学系,61,例题： 有一个20钢齿轮进行气体渗碳，以提高其表面硬度值。 渗碳时的温度为 9270C，炉管内渗碳气氛控制使工件表面含碳量wc为0.9。试计算距表面 0.5mm处含碳量达到 wc为0.4时所需要的时间。 假定碳在9270C 时的扩散系数为: D1.2810-11m2/s。,2013年9月,复旦大学材料科学系,62,解：根据经验，溶质浓度C的分布为误差分布， 即， （67） t=0 时，原始含量C00.2；t 0 时，Cs=0.9, 在x5.0 10-4m 处 C0.4, 代入（67）式 查表61并由内插法，可以求出：,201
28、3年9月,复旦大学材料科学系,63,表 6-1 高斯误差函数表,2013年9月,复旦大学材料科学系,64,由式（6-7)可知，如果设定距表面x处的碳浓度为一定值，则 为一确定值，查误差表，求得此值。 所以，x 与2(Dt)1/2成正比。,65,第七章 材料热力学与相图,2013年9月,2013年9月,复旦大学材料科学系,66,1. 相图 相图表示在温度和成分的组合下合金的相及相的成分，如图7-1所示。 图7-1 二元相图,L,+,L+,L+,2013年9月,复旦大学材料科学系,67,2. 相图是用图解方式描述材料在平衡态下相的状态及其转变与温度、压力、成分间的关系。3. 吉布斯相律 相律是描述
29、系统的组元数、相数和自由度间关系的法则。其通式为： f =CP2 式中，C为系统的组元数，P为平衡共存的相数，f 为自由度。,2013年9月,复旦大学材料科学系,68,4. 二元相图,（a）均晶 （b）共晶 （c）包晶图72 三个不同类型的二元相图,2013年9月,复旦大学材料科学系,5. 杠杆定律 根据相律, 二元系统两相平衡共存时的自由度为 f1,2013年9月,复旦大学材料科学系,70,(1) 相及相区 图7-6是二元共晶Pb-Sn相图。相图中TA点是Pb的熔点：327 ，TB点是Sn的熔点：232 。 相图中有、L三个相区。相是以Pb为溶剂、Sn为溶质的有限固溶体；相是以Sn为溶剂、P
30、b为溶质的有限固溶体。,6. 二元共晶相图,2013年9月,复旦大学材料科学系,71,图76 Pb-Sn 合金相图,除了 、L三个单相区外，还有L+ ，L+ ， + 三个双相区。,2013年9月,复旦大学材料科学系,72,(2) 合金结晶过程1) 合金I的结晶过程（wsn10） 由图7-6可见，成分为I（wSn=0.1）的合金在缓冷至液相线1点时，发生匀晶反应，开始析出相，称为一次晶。 随温度下降，相不断增多，液相减少，固相成分沿AM线变化，液相沿AE线变化，冷至2点，结晶结束；温度在2、3点之间，合金为单相；温度降至3点时，碰到固相线MF；温度再下降，过饱和的相就开始析出富相，这种析出过程称
31、脱溶过程或称二次析出反应，析出的II相叫二次晶。 其结晶过程和冷却曲线的组织变化见图7-7。,2013年9月,复旦大学材料科学系,73,图77 合金I冷却曲线及组织（wsn10）,利用杠杆定律，可以分别计算得到相、II相的质量分数。,2013年9月,复旦大学材料科学系,74,由（7-5）式，可以计算出不同相的质量分数： 二次晶一般是在晶界上先析出，再在晶内析出。二次晶因析出温度较低而不易长大，故颗粒较细小。 另外，二次晶是从固相中析出，相间圆滑，呈细小颗粒的形态，见图7-8。 合金I在结晶过程中的反应：匀晶反应二次析出，室温下的显微组织为 + II。,2013年9月,复旦大学材料科学系,75,
32、400 图78 合金I冷却后室温下的显微组织,2013年9月,复旦大学材料科学系,76,(2) 合金II的结晶过程（wsn61.9） 合金II具有共晶成分E（61.9%Sn），冷却曲线如图7-9所示。 由图7-6可见，此缓冷至tE温度时，也就是共晶温度时，成分为E的液相L发生共晶反应，同时析出成分在M处的相和成分在N处的相，获得 的共晶组织。其反应式为： 根据杠杆定律，共晶组织中相和 相的质量比为：,2013年9月,复旦大学材料科学系,77,图7-9 合金II冷却曲线 （wsn61.9）,共晶反应必须在恒温下经过一定时间后才能完成转变，得到的 、二相机械混合物的质量分数可用杠杆定律计算：,20
33、13年9月,复旦大学材料科学系,78,共晶反应结束后，在温度下降过程中，固溶体相、相分别沿MF线和NG线不断变化，合金II从相中析出二次晶II，从相中析出二次晶II。但由于II和II量小，在显微组织中不易分辨，一般不予区别。 所以，合金II在结晶过程中的反应为：共晶反应二次析出，室温组织为( )共晶，显微组织形态如图7-9所示。,2013年9月,复旦大学材料科学系,79,（ )片状共晶 400 图7-9 Pb-Sn 二元合金的共晶显微组织,图中黑色为Pb的 相，白色为Sn的相 , 相、相呈片层状相间分布，称片状共晶。,2013年9月,复旦大学材料科学系,80,(3）合金III的结晶过程（wsn
34、50） 合金III的成分在M、E点之间，称为亚共晶合金，图7-10为其冷却曲线及组织变化。 当缓冷到1点时，结晶出一次晶相，温度在1、2点之间为匀晶反应。温度降到2点共晶温度tE时，液相L具有共晶成分E，发生共晶反应。共晶反应后的组织为 +( )共晶。 随温度下降，相成分沿MF线改变，此时匀晶和共晶中的相都要析出II，室温组织为 +()共晶II，显微组织见图7-11。图中黑色粗大树枝状组织为一次晶相，粗黑色间的白色颗粒状组织为二次晶II，其余很细小的黑白相间部分为共晶组织()共晶。,2013年9月,复旦大学材料科学系,81,图7-10 亚共晶合金III冷却曲线及组织 （wsn0.5）,2013
35、年9月,复旦大学材料科学系,82,200 图7-11 亚共晶合金III的室温组织 （wsn0.5）,2013年9月,复旦大学材料科学系,83,由上述可见，合金III在结晶过程中的反应为：匀晶反应+共晶反应+二次析出。 组成物的相对量可用杠杆定律求出。室温时wsn50的Pb-Sn亚共晶合金组织组成物的相对量为 也可以按三相总量进行计算:,2013年9月,复旦大学材料科学系,84,同例，对于过共晶合金IV，其结晶过程与合金III（即亚共晶合金）类似，有匀晶反应+共晶反应+二次晶析出。不同的是匀晶反应的一次晶为；二次晶为II。所以，其室温下的显微组织为: +()共晶+ II 。 从相的角度来看，Pb
36、-Sn合金的结晶产物只有 、两相。室温下各合金结晶的相、相、II二次晶、II二次晶和共晶相(+)共晶，显微镜下可以看到各个相有一定的形貌特征，即显微组织。按组织来填写，其相图如图7-12所示，这样填写的合金组织与显微镜看到的金相显微组织是一致的。,2013年9月,复旦大学材料科学系,85,图7-12 相图的组织组成物,2013年9月,复旦大学材料科学系,86,铁碳合金相图中(图7-18) ，左边组元为Fe（Tm=1538），右边组元为Fe3C（Tm=1227 ）。铁与碳组成的合金相主要有铁素体(Ferrite)、珠光(Perlite)、奥氏体(Austenite)、贝氏体(Bainite）、莱
37、氏体(Ledeburite)、渗碳体(Cementite)、马氏体(Martensite)等多种相。室温下的显微组织见图7-19 。 铁在不同的成分、温度下具有不同的晶体结构。 碳溶于-Fe和-Fe中形成的间歇固溶体叫铁素体相，其晶体结构为体心立方（BCC）。 碳溶于Fe中形成的间歇固溶体称为奥氏体相，其晶体结构为面心立方（FCC）。,7. 铁-碳合金相图特点,2013年9月,复旦大学材料科学系,87,图7-18 铁碳合金相图,2013年9月,复旦大学材料科学系,88,图7-19 铁碳合金的显微组织及成分,2013年9月,复旦大学材料科学系,89,表71 FeFe3C 相图中各点的温度碳含量及
38、含义,2013年9月,复旦大学材料科学系,90,共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用Le表示。3. S点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到7270C时，S点成分的固相A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中 A、F、 Fe3C三相共存，反应式为：4. HJB为包晶反应线 碳质量分数为0.09%-0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,2013年9月,复旦大学材料科学系,91,5. ECF为共晶反应线 碳质量分数在2.11%-6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。6. PSK为共析反应线 碳质量分数在0.0
39、218%-6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK称为A1线。 7. GS线 合金冷却时自奥氏体相A中开始析出铁索体相F的临界温度线，通常叫A3线。,2013年9月,复旦大学材料科学系,92,8. ES线 碳在奥氏体相A中的固溶线叫Acm线。在11480C时A相中溶碳量很大，达2.11%；在7270C时仅0.77%。从11480C冷却到7270C时，从A相中析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3C II。9. PQ线 碳在F相中的固溶线。在7270C时F相中溶碳量最大，碳质量分数达0.0218%, 室温时仅为0.0008%,因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727
40、0C冷却到室温时，从F相中析出Fe3C，析出的渗碳体为三次渗碳体Fe3CIII 。 PQ线是从F相中析出Fe3CIII的临界线。,2013年9月,复旦大学材料科学系,93,第八章 固体材料的基本性能,2013年9月,1. 材料的基本性能（1） 使用性能 力学、物理、化学等性能。（2） 工艺性能 加工、热处理、焊接、连接等工艺性能。 力学性能主要包括强度、刚度、硬度、韧度（韧性）、以及塑性、疲劳、蠕变等性能。强度: 材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力(N/m2 ）。刚度: 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。硬度: 材料抵抗表面局部变形的能力。冲击韧度: 材料在冲击力作用下可吸收一定的能量、产生一定的形变而不被破坏的能力(J/m2)。断裂韧度: 含裂纹材料抵抗快速失稳断裂的能力(N/m3/2) 。韧性: 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。疲劳强度: 材料在交变载荷作用下抵抗疲劳断裂的能力。 蠕变强度: 材料在恒定温度和规定时间内产生规定蠕变量的最大应力。,
