材料科学基础.docx
- 文档编号:7184852
- 上传时间:2023-01-21
- 格式:DOCX
- 页数:51
- 大小:128.28KB
材料科学基础.docx
《材料科学基础.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《材料科学基础.docx(51页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
材料科学基础
(3)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。
(1)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
(1)成分过冷:
由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。
(2)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:
G/R 合金固有参数: m,k0; 实验可控参数: G,R。 (4)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) (1)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。 (2)线: 结晶开始、结束线;溶解度曲线;共晶线等。 (3)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Pb-Sn相图为例) (1)Wsn<19%的合金 ①凝固过程(冷却曲线、相变、组织示意图)。 ②二次相(次生相)的生成: 脱溶转变(二次析出或二次再结晶)。 ③室温组织(α+βⅡ)及其相对量计算。 (2)共晶合金 ①凝固过程(冷却曲线、相变、组织示意图)。 1共晶线上两相的相对量计算。 2室温组织(α+β+αⅡ+βⅡ)及其相对量计算。 (3)亚共晶合金 ①凝固过程(冷却曲线、相变、组织示意图)。 ②共晶线上两相的相对量计算。 ③室温组织(α+βⅡ+(α+β))及其相对量计算。 3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 (1)伪共晶 ①伪共晶: 由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 ②形成原因: 不平衡结晶。 成分位于共晶点附近。 ③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) (2)不平衡共晶 1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。 2原因: 不平衡结晶。 成分位于共晶线以外端点附件。 (3)离异共晶 1离异共晶: 两相分离的共晶组织。 2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。 3消除: 扩散退火。 4共晶组织的形成 (1)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 (2)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。 (3)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 (1)包晶合金的结晶 结晶过程: 包晶线以下,L,α对β过饱和-界面生成β-三相间存在浓度梯度-扩散-β长大-全部转变为β。 室温组织: β或β+αⅡ。 (2)成分在C-D之间合金的结晶 结晶过程: α剩余; 室温组织: α+β+αⅡ+βⅡ。 3不平衡结晶及其组织 异常α相导致包晶偏析〔包晶转变要经β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β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 (1)组织设计: 如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 (2)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 (1)二元相图中的几何规律 ①相邻相区的相数差1(点接触除外)-相区接触法则; ②三相区的形状是一条水平线,其上三点是平衡相的成分点。 ③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。 ④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。 (2)相图分析步骤 ①以稳定的化合物分割相图; ②确定各点、线、区的意义; ③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。 (3)相图与合金性能的关系 1根据相图判断材料的力学和物理性能 2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X X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: Fe,C; 铁-渗碳体相图: Fe-Fe3C。 相: L,δ,A(γ),F(α),Fe3C(K)。 (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: GS,ES,PQ。 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(C%<0.0218%)、碳钢(0.0218 (C%>2.11%) 4平衡结晶过程及其组织 (1)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。 (2)重要问题: Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算。 Ld-Ld`转变。 二次杠杆的应用。 5含碳量对平衡组织和性能的影响 (1)对平衡组织的影响(随C%提高) 组织: α+Fe3CⅢLd`+Fe3CⅠ; 相: α减少,Fe3C增多; Fe3C形态: Fe3CⅢ(薄网状、点状)共析Fe3C(层片状)Fe3CⅡ(网状)共晶Fe3C(基体)Fe3CⅠ(粗大片状)。 (2)对力学性能的影响 强度、硬度升高,塑韧性下降。 (3)对工艺性能的影响 适合锻造: C%<2.11%,可得到单相组织。 适合铸造: C%~4.3%。 ,流动性好。 适合冷塑变: C%<0.25%,变形阻力小。 适合热处理: 0.0218~2.11,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 (1)铸锭三区: 表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。 (2)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 (1)微观偏析 (2)宏观偏析 正偏析 反偏析 比重偏析 (3)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。 (4)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 (1)是立体图形,主要由曲面构成; (2)可发生四相平衡转变; (3)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) (1)已知点确定成分; (2)已知成分确定点。 3成分三角形中特殊的点和线 (1)三个顶点: 代表三个纯组元; (2)三个边上的点: 二元系合金的成分点; (3)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。 (4)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: L0Tαa+βb+γc; (2)包晶转变: L0+αa+βbTγc; (3) 包共晶转变: L0+αaTβb+γc; 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 (1)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。 ) (2)杠杆定律: 用法与二元相同。 两条推论 (1)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。 (2)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: Ta,Tb,Tc-三个纯组元的熔点; 面: 液相面、固相面; 区: L,α,L+α。 2三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) (1)做法: 某一温度下的水平面与相图中各面的交线。 (2) 截面图分析 3个相区: L,α,L+α; 2条相线: L1L2,S1S2(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) (1)做法: 某一垂直平面与相图中各面的交线。 (2) 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。 (3)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 (1)等温线投影图: 可确定合金结晶开始、结束温度。 (2)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 (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 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 (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。 ) (3)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。 (3)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 (1)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。 (2)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。 (3)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 (1)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。 (2)现象: 柯肯达尔效应。 (3)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 (1)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) (2)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。 (3)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 (1)温度足够高; (2)时间足够长; (3)扩散原子能固溶; (4)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: J=-D(dc/dx)。 (C-溶质原子浓度;D-扩散系数。 ) (3)适用条件: 稳态扩散,dc/dt=0。 浓度及浓度梯度不随时间改变。 2菲克第二定律 一般: C/t=(DC/x)/x 二维: (1)表达式特殊: C/t=D2C/x2 三维: C/t=D(2/x2+2/y2+2/z2)C 稳态扩散: C/t=0,J/x=0。 (2)适用条件: 非稳态扩散: C/t≠0,J/x≠0(C/t=-J/x)。 3扩散第二定律的应用 (1)误差函数解 适用条件: 无限长棒和半无限长棒。 表达式: C=C1-(C1-C2)erf(x/2√Dt)(半无限长棒)。 在渗碳条件下: C: x,t处的浓度;C1: 表面含碳量;C2: 钢的原始含碳量。 (2)正弦解 Cx=Cp-A0sin(πx/λ) Cp: 平均成分;A0: 振幅Cmax-Cp;λ: 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1/100,则: [C(λ/2,t)-Cp]/(Cmax-Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。 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 (3)换位机制 环形换位 (所需能量较高。 ) 2扩散程度的描述 (1)原子跃迁的距离 R=√Гtr R: 扩散距离;Г: 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)。 (2)扩散系数 D=α2PГ 对于立方结构晶体P=1/6,上式可写为 D=α2Г/6 P为跃迁方向几率;α是常数,对于简单立方结构α=a;对于面向立方结构α=√2a/2;α=√3a/2。 (3)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 D=D0exp(-Q/RT) D0: 扩散常数。 空位扩散激活能与扩散系数的关系 D=D0exp(-△E/kT) △E=△Ef(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: μi=G/ni 扩散的驱动力为化学位梯度,即 F=-μi/x 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 Di=KTBi(1+lni/lnxi) 其中,(1+lni/lnxi)称为热力学因子。 当(1+lni/lnxi)<0时,DI<0,发生上坡扩散。 (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 (1)反应扩散: 有新相生成的扩散过程。 (2)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 D=D0exp(-Q/RT) 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/2=Q晶内/3 5第三组元的影响 如在钢中加入合金元素对碳在中扩散的影响。 强碳化物形成元素,如W,Mo,Cr,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Co,Ni,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 {111}×4 <110>×3 12 Cu,Al,Ni,Au {110}×6 ×2 12 Fe,W,Mo 体心立方 {121}×12 <111>×1 12 Fe,W {123}×24 ×1 24 Fe {0001}×1 ×3 3 Mg,Zn,Ti 密排六方 {1010} <1120> 3 Mg,Zr,Ti {1011} 6 Mg,Ti 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(c)。 (3)滑移的临界分切应力(c) c: 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。 c取决于金属的本性,不受,的影响; 或=90时,s; c=scoscoss的取值,=45时,s最小,晶体易滑移; 软取向: 值大; 取向因子: coscos硬取向: 值小。 (4)位错运动的阻力 派-纳力: P-N=[2G/(1-v)]exp{-2a/[(1-v)b]} 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: ,远离45,滑移变得困难; (2)取向因子的变化 几何软化;,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。 (1)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; (2)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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 材料科学 基础