si第一章材料中的原子排列

第一節(jié)原子的結合方式

2原子結合鍵

（1）離子鍵與離子晶體

原子結合：電子轉移，結合力大，無方向性和飽和性：

離子晶體；硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。如氧化物陶瓷。

（2）共價鍵與原子晶體

原子結合：電子共用，結合力大，有方向性和飽和性；

原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導電性差。如高分子材料。

（3）金屬鍵與金屬晶體

原子結合：電子逸出共有，結合力較大，無力向性和飽和性：

金屬晶體：導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金屬。

金屬鍵：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結合到一起

的方式。

（3）分子鍵與分子晶體

原子結合：電子云偏移，結合力很小，無方向性和飽和性。

分子晶體：熔點低，硬度低。如高分子材料。

氫鍵：（離子結合）X-H—Y（氫鍵結合），有方向性，如O-H—O

（4）混合鍵。如復合材料。

3結合鍵分類

（1）一次鍵（化學鍵）：金屬鍵、共價鍵、離子謔。

（2）-次鍵（物理鍵）：分子鍵和氫鍵-

4原子的排列方式

（1）晶體：原子在三維空間內的周期性規(guī)則排列。長程有序，各向異性。

（2）非晶體：--------------------不規(guī)則排列。長程無序，各向同性。

第二節(jié)原子的規(guī)則排列

一晶體學基礎

1空間點陣與晶體結構

（1）空間點陣：由幾何點做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。圖1-5

特征：a原子的理想排列；b有14種。

其中：

?空間點陣中的點一陣點。它是純粹的幾何點，各點冏圍環(huán)境相同。

描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格。

空間點陣中最小的兒何單元稱之為晶胞。

（2）晶體結構：原子、離子或原子團按照空間點陣的實際排列。

特征：a可能存在局部缺陷；b可有無限多種。

2晶胞圖1-6

（1）-----:構成空間點陣的最基本單元。

（2）選取原則：

a能夠充分反映空間點陣的對稱性；

b相等的棱和角的數(shù)H最多；

c具有盡可能多的直角：

d體積最小。

（3）形狀和大小

有三個楂邊的長度a,b,c及其夾角a,B,Y表示。

（4）晶胞中點的位置表示（坐標法）。

3布拉菲點陣圖1一7

14種點陣分屬7個晶系。

4晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

晶向：空間點陣中各陣點列的方向。

晶面：通過空間點降中任意一組陣點的平面。

國際上通用米勒指數(shù)標定晶向和晶面

（1）晶向指數(shù)的標定

a建立坐標系。確定原點（陣點）、坐標軸和度量單位（棱邊）。

b求坐標。iT,v\w，。

c化整數(shù)。u,v,w.

d力口［b［uvw］o

說明：

a指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。

b負值：標于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。

C晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用＜uvw＞表示,

數(shù)字相同，但排列順序不同或正負號不同的晶向屬于同一晶向族。

（2）晶面指數(shù)的標定

a建立坐標系：確定原點（非陣點）、坐標軸和度量單位。

b量截距：x,y,z.

c取倒數(shù):h\k\ro

d化整數(shù):h,k,k,

e加圓括號：（hkl）。

說明：

a指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；

bO的意義：面與對應的軸平行；

c平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負號相反；

d晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同

的各組晶面。用｛hkl｝表示。

e若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;

f若晶面與晶向垂直,則u=h,k=v,w=L

（3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

a六方系指數(shù)標定的特殊性：四軸坐標系（等價晶面不具有等價指數(shù)）。

b晶面指數(shù)的標定

標法與立方系相同（四個截距）；用四個數(shù)字（hkil）表示；i=-（h+k）o

c晶向指數(shù)的標比

標法與立方系相同（四個坐標）；用四個數(shù)字（UVtw）表示；t=（u+w）。

依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點）。

坐標換算法：［UVW］?［uvtw］

u=（2U-V）/3,v=（2V-U）/3,t=-（U+V）/3,w=W,

（4）晶帶

a一一：平行于某一晶向直線所有晶面的組合。

晶帶軸?晶帶面?

b性質：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面〃晶帶軸；

hu+kv+lw=0

c晶帶定律

凡滿足上式的晶面都屬于以［UVW］為晶帶軸的晶帶。推論：

（a）由兩晶面（％k山）（h2k2I2）求其晶帶軸［uvw］：

u=kil2-k21i；v=l|h2-12hi；w=hik2-h2k|o

（b）由兩晶向UviwJ［u2v2W2］求其決比的晶面（hkl）。

H=V|W|-V2W2；k=W|U2-W2U］；1=U［V2-U2V”

（5）晶面間距

a一一：一組平行晶面中，相鄰兩個平行晶面之間的距離。

b計算公式（簡皿立方）：

d=a/（h2+k2+l2）,/2

注意：只適用于簡單晶胞：對于面心立方hkl不全為偶、奇數(shù)、體心立方h+k+l=

奇數(shù)時，d（hki）=d/2o

2離子晶體的結構

（1）鮑林第一規(guī)則（負離子配位多面體規(guī)則）：在離子晶體中，正離子周圍形成一個負

離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決于正負離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于

正負離子的半徑比。

2

（2）鮑林第二規(guī)則（電價規(guī)則含義）：?個負離子必定同時被一定數(shù)量的負離子配位多

面體所共有。

（3）鮑林第三規(guī)則（棱與面規(guī)則）：在配位結構中，共用棱特別是共用面的存在，會降

低這個結構的穩(wěn)定性。

3共價鍵晶體的結構

（1）飽和性：一個原子的共價鍵數(shù)為8-N。

（2）方向性：各鍵之間有確定的方位

（配位數(shù)小，結構穩(wěn)定）

三多晶型性

元素的晶體結構隨外界條件的變化而發(fā)生轉變的性質。

四影響原子半徑的因素

（1）溫度與應力

（2）結合鍵的影響

（3）配位數(shù)的影響（高配位結構向低配位結構轉變時，體積膨脹，原子半徑減小減

緩體枳變化。

（4）核外電子分布的影響（一周期內，隨核外電子數(shù)增加至填滿，原子半徑減小至

一最小宿。

第三節(jié)原子的不規(guī)則排列

原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變）和性能

控制（如材料強化）中具有重要作用C

晶體缺陷：實際晶體中與理想點陣結構發(fā)生偏差的區(qū)域。

（晶體缺陷可分為以下三類。）

點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。

線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯，

面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、

表面等。

一點缺陷

1點缺陷的類型圖1—31

（1）空位：

肖脫基空位一離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面。

弗蘭克爾空位一離位原子進入晶體間隙。

（2）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子。

（3）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。

2點缺陷的平衡濃度

（1）點缺陷是熱力學平衡的缺陷一在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點缺

陷（空位），這時體系的能量最低一具有平衡點缺陷的晶體比理想晶體在熱力學上更為穩(wěn)定。

（原因：晶體中形成點缺陷時，體系內能的增加將使自由能升高，但體系嫡值也增加了，這

一因素又使自由能降低。其結果是在G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對應的n值即為平衡空位

數(shù)。）

（2）點缺陷的平衡濃度

C=Aexp（-AEv/kT）

3點缺陷的產(chǎn)生及其運動

（1）點缺陷的產(chǎn)生

平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。

過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。

（2）點缺陷的運動

（遷移、第合一濃度降低；聚集一濃度升高一塌陷）

4點缺陷與材料行為

（1）結構變化：晶格畸變（如空位引起品格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子

可引起收縮或膨脹。）

（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）

3

力學性能（屈服強度提高。）

二線缺陷（位錯）

位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排.

意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴

散、相變過程有較大影響

位錯的提出：1926媼，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強度與與實測臨界切應力

的巨大差異（2?4個數(shù)量級）。

1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。

1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。

1947年，柯垂耳提出溶質原子與位牯的交互作用。

1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。

之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。

1位錯的基本類型

（1）刃型位錯

模型：滑移面/半原子面/位錯線（位錯線■晶體滑移方向，位錯線■位錯運動

方向，晶體滑移方向〃位錯運動方向。）

分類：正刃型位錯（,）；負刃型位錯（T），

（2）螺型位錯

模型：滑移面/位錯線。（位錯線〃晶體滑移方向，位錯線上位錯運動方向，晶

體滑移方向,位錯運動方向.）

分類：左螺型位錯；右螺型位錯。

（3）混合位錯

模型：滑移面/位錯線。

2位錯的性質

（1）形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區(qū)是一條管道。

（2）是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。

（3）不能中斷于晶體內部?？稍诒砻媛额^，或終止于晶界和相界，或與其它位錯相

交，或自行封閉成環(huán)。

3柏氏矢量

（1）確定方法（避開嚴重畸變區(qū)）

a在位錯周圍沿著點陣結點形成封閉網(wǎng)路。

b在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回珞。

c在理想晶體中從終點到起點的矢量即為一一。

（2）柏氏矢量的物理意義

a代表位錯，并表示其特征（強度、畸變量）。

b表示晶體滑移的方向和大小。

c柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一條位錯線具有唯一的柏氏矢量。

d判斷位錯的類型。

（3）柏氏矢量的表示方法

a表示：^a/n[uvw]（可以用矢量加法進行運算）。

22212

b求模：/b/=a/n[u+v+w]O

4位錯密度

（1）表示方法：P=K/V

P=n/A

（2）晶體強度與位錯密度的關系（T-P圖）。

（3）位錯觀察：浸蝕法、電境法。

5位錯的運動

（1）位錯的易動性。

（2）位錯運動的方式

a滑移：位錯沿著滑移面的移動。

刃型位錯的滑移：具有唯一的滑移面

螺型位錯的滑移：具有多個滑移面。

位錯環(huán)的滑移：注重柏氏矢量的應用。

b攀移：刃型位錯在垂直于滑移面方向上的運動。

機制：原子面下端原子的力,散一一位錯隨半原子面的上下移動而上下運現(xiàn)。

4

分類：正攀移（原子面上移、空位加入）/負攀移（原子面下移、原子加入）。

應力的作用：（半原子面?zhèn)龋簯τ欣谡室?，拉應力有利于負攀移?/p>

（3）作用在位錯上的力（單位距離上）

滑移：f=Tb；

攀移：f=obo

6位錯的應變能與線張力

（1）單位長度位錯的應變能：W=aGb2o

（a=0.5-1A螺位錯取下限，刃位錯取上限。）

（2）位錯是不平衡的缺陷。

（商增不能抵銷應變能的增加。）

（3）位錯的線張力：T=aGb2o

（4）保持位錯彎曲所需的切應力：T=Gb/2ro

7位錯的應力場及其與其它缺陷的作用

（1）應力場

螺位錯：T=Gb/2/r。（只有切應力分量。）

刃位錯：表達式（式1—9）

晶體中：滑移面以上受壓應力，滑移面以下受拉應力。

滑移面：只有切應力。

（2）位錯與位錯的交互作用

f=工b，f=—ob（刃位錯）。

同號相互排斥，異號相互吸引“（達到能量最低狀態(tài)

（3）位錯與溶質原子的相互作用

間隙原子聚集于位錯中心，使體系處于低能態(tài)。

柯氏氣團：溶質原子在位錯線附近偏聚的現(xiàn)象。

（4）位錯與空位的交互作用

導致位錯攀移。

8位錯的增殖、塞積與交割

（1）位錯的增殖：F-R源。

（2）位錯的塞積

分布：逐步分散。

位錯受力：切應力作用在位錯上的力、位錯訶的排斥力、障礙物的阻力。

（3）位錯的交割

位錯交割后結果：按照對方位錯柏氏矢量（變化方向和大小

割階：位錯交割后的臺階,便于它原來的滑移面上。

扭折：----------------位于------------------O

對性能影響：增加位錯長度，產(chǎn)生固定割階，

9位錯反應

（1）位錯反應：位錯的分解與合并。

（2）反應條件

幾何條件：Zb/Zb指；反應前后位錯的柏氏矢量之和相等。

能最條件：Eb'QEb?后；反應后位錯的總能量小于反應前位錯的總能量。

10實際晶體中的位錯

（1）全位錯：通常把柏氏矢量等于點陣矢量的位錯稱為全位錯或單位位錯e

（實際晶體中的典型全位錯如表1—7所示）

（2）不全位錯：柏氏矢量小于點陣矢量的位錯。

（實際晶體中的典型不全位錯如表1—7所示）

（3）肖克萊和弗蘭克不全位錯。

肖克萊不全位錯的形成：原子運動導致局部錯排，錯排區(qū)與完整晶格區(qū)的邊界線

即為肖克萊不全位錯。（結合位錯反應理解?？蔀槿行汀⒙菪突蚧旌闲臀诲e。）

弗蘭克不全位錯的形成：在完整晶體中局部抽出或插入一層原子所形成。（只能

攀移，不能滑移。）

（4）堆垛層錯與擴展位錯

堆垛層錯：晶體中原子堆垛次序中出現(xiàn)的層狀錯排。

擴展位錯：一對不全位錯及中間夾的層錯稱之。

5

三面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力學和物理化學性能具有重要影響。

1晶界

（1）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。

（2）分類

大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其結構為幾個原子范圍

內的原子的混亂排列，可視為一個過渡區(qū)。

小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結構為位錯列，乂分

為對稱傾側晶界和扭轉晶界。

亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯結構。

季晶界：兩塊相鄰李晶的共晶面。分為共格字晶界和非共格李晶界。

2相界

（1）相界：相鄰兩個相之間的界面。

（2）分類：共格、半共格和非共格相界。

3表面

（1）表面吸附：外來原子或氣體分子在表面上富集的現(xiàn)象。

（2）分類

物理吸附：由分子鍵力引起，無選擇性，吸附熱小，結合力小。

化學吸附：由化學鍵力引起，有選擇性，吸附熱大，結合力大。

4界面特性

（1）界面能會引起界面吸附。

（2）界面上原子擴散速度較快.

（3）對位錯運動有阻礙作用。

（4）易被氧化和腐蝕。

（5）原子的混亂排幽于固態(tài)相變的形核。

*第二章固體中的相結構

合金與相

I合金

5（1）合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)i定方法合成的具有金屬特性

的物質。

（2）組元：組成合金最基本的物質。（如一元、二元、三元合金）

（3）合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。

2相

（1）相：材料中結構相同、成分和性能均一的組成部分。（如單相、兩相、多相合金。）

（2）相的分類

固溶體：晶體結構與其某一組元相同的相。含溶劑和溶質。

中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結構與組成組元均不相同的相。

第一節(jié)固溶體

按溶質原子位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。

按固溶度不同，可分為有限固溶體和無限固溶體。

按溶質原子分布不同，可分為無序固溶體和有序固溶體。

1置換固溶體

（1）置換固溶體：溶質原子位于晶格點陣位置的固溶體。

（2）影響置換固溶體溶解度的因素

a原子尺寸因素

原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。

△r=（rA-rB）/rA

當△rvlS%時，有利于大量互溶。

b晶體結構因素

結構相同，溶解度大，有可能形成無限固溶體。

c電負性因素

電負性差越小，越易形成固溶體，溶解度越大。

d電子濃度因素

6

電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有?極限值，與溶劑晶體結構有關。,?價

面心立方金屬為1.36,一價體心立方金屬為1.48。

（上述四個因素并非相互獨立，其統(tǒng)一的理論的是金屬勺合金的電子理論。）

2間隙固溶體

（1）影響因素：原子半徑和溶劑結構。

（2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體，

3固溶體的結構

（1）晶格畸變。

（2）偏聚與有序：完全無序、偏聚、部分有序、完全有序。

4固溶體的性能

固溶體的強度和硬度高于純組元，塑性則較低。

（1）固溶強化：由于溶質原子的溶入而引起的強化效應。

（2）柯氏氣團

（3）有序強化

第二節(jié)金屬間化合物

中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合

物。

］正常價化合物

（1）形成：電負性差起主要作用，符合原子價規(guī)則。

（2）鍵型：隨電負性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、金屬鍵。

（3）組成：AB或AB2。

2電子化合物（電子相）

（1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價規(guī)則。

（2）鍵型：金屬鍵〔金屬一金屬）。

（3）組成：電子濃度對應晶體結構，可用化學式表示，可形成以化合物為基的固溶體。

3間隙化合物

（1）形成：尺寸因素起主要作用。

（2）結構

簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結構，非金屬原子位于其間隙，結

構簡單。

復雜間隙化合物：主要是鐵、彷、絡、鎰的化合物，結構復雜。

（3）組成：可用化學式表示，可形成固溶體，復雜間隙化合物的金屬元素可被置換。

4拓撲密堆相

（1）形成：由大小原子的適當配合而形成的高密排結構。

（2）組成：AB2O

5金屬化合物的特性

（1）力學性能：高硬度、高硬度、低塑性。

（2）物化性能：具有電學、磁學、聲學性質等，可用于半導體材料、形狀記憶材料、

儲氫材料等。

第三節(jié)陶無晶體相

1陶瓷材料簡介

（1）分類：結構陶瓷（利用其力學性能）：強度（葉片、活塞）、韌性（切削刀具）、硬

度（研磨材料）。

功能陶瓷（利用其物理性能）

精細功能陶瓷：導電、氣敏、濕敏、生物、超導陶瓷等。

功能轉換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。

結合鍵.離子鍵、共價鍵。

謠最鹽面鼠主尾通離子旋結合，含一定比例的共價鍵?？捎梅肿邮奖硎?/p>

其組成。

2硅酸鹽陶瓷的結構特點與分類

（1）結構特點

7

a結合鍵與結構：主要是離子鍵結合，含一定比例的共價鍵。硅位于氧四面體

的間隙。

b每個氧最多被兩個多面體共有。氧在兩個四面體之間充當橋梁作用，稱為氧

橋。

（2）結構分類

a含有限Si-0團的硅酸鹽，包括含孤立Si?O團和含成對或環(huán)狀Si-0團兩類。

b鏈狀硅酸鹽：Si-O團共頂連接成一維結構，乂含單鏈和雙鏈兩類。

c層狀硅酸鹽：Si-O團底面共頂連接成二維結構。

d骨架狀硅酸鹽：Si-O團共頂連接成三維結構。

第四節(jié)分子相

1基本概念

（1）高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相對分子質量很大的化合物。又

稱聚合物或高聚物。

（2）分類

按相對分子質量：分為低分子聚合物（＜5000）和高分子聚合物（＞5000）。

按組成物質：分為有機聚合物和無機聚合物。

2化學組成

（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）

（1）單體：組成高分子化合物的低分子化合物。

（2）鏈節(jié)：組成大分子的結構單元。

（3）聚合度n：大分子鏈中鏈節(jié)的重復次數(shù).

3高分子化合物的合成

（1）加聚反應

a概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應。（其產(chǎn)物為聚合物）

b組成：與單體相同。反應過程中沒有副產(chǎn)物。

c分類

均聚反應：由一種單體參與的加聚反應。

共聚反應：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應。

（2）縮聚反應

a概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出某種低分子化

合物的反應。

b分類

均縮聚反應：由一種單體參加的縮聚反應。

共縮聚反應：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應。

4高分子化合物的分類

（1）按性能與用途：塑料、橡膠、纖維、膠黏劑、涂料等。

（2）按生成反應類型：加聚物、縮聚物.

（3）按物質的熱行為：熱塑性塑料和熱固性塑料，

5高分子化合物的結構

（1）高分子鏈結構（鏈內結構，分子內結構）

a化學組成

b單體的連接方式

均聚物中單體的連接方式：頭一尾連接、頭一頭或尾一尾相連、無軌連接。

共聚物中單體的連接方式：

無軌共聚：ABBABBABA

交替共聚：ABABABAB

嵌段共聚：AAAABBAAAABB

接枝共聚：AAAAAAAAAAA

BB

BB

BB

c高分子鏈的構型（按取代基的位置與排列規(guī)律）

全同立構：取代基R全部處于主鏈一側。

間同立構：取代基R相間分布在主鏈兩側。

無軌立構；取代基R在主鏈兩側不規(guī)則分布。

d高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。

8

（2）高分子的聚集態(tài)結構（鏈間結構、分子間結構）

無定形結構、部分結晶結構、結晶型結構［示意圖）

6高分子材料的結構與性能特點

（1）易呈非晶態(tài)。

（2）彈性模量和強度低。

（3）容易老化。

（4）密度小。

（5）化學穩(wěn)定性好。

第五節(jié)玻璃相

1結構：長程無序、短程有序

（1）連續(xù)無軌網(wǎng)絡模型。

（2）無規(guī)密堆模型。

（3）無軌則線團模型。

2性能

（1）各向同性。

（2）無固定熔點。

（3）高強度、高耐蝕性、高導磁率（金屬）。

S第三章凝固與結晶

凝固：物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程。若凝固后的物質為晶體，則稱之為結晶。

凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。

凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。

第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律

1液態(tài)材料的結構

結構：長程有序而短程有序。

特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。

2過冷現(xiàn)象

（I）過冷：液念材料在理論結晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（見熱分析實驗圖）

（2）過冷度：液體材料的理論結晶溫度（Tm）與其實際溫度之差。

△T=Tm-T（見冷卻曲線）

注：過冷是凝固的必要條件（凝固過程總是在一定的過冷度下進行）。

3結晶過程

（1）結晶的基本過程：形核一長大。（見示意圖）

（2）描述結晶進程的兩個參數(shù)

形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。

長大速度：曲核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內遷移的距

離。用G表不。

第二節(jié)材料結晶的忠本茶件

1熱力學條件

（1）G-T曲線（圖3—4）

a是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導數(shù)（負）確定。

dG/dT=-S

b是上凸曲線：由二次導數(shù)（負）確定。

22

dGfclT=-Cf/T

c液相曲線斜率大于固相：由一次導數(shù)大小確定。

二曲線相交于一點，即材料的熔點。

（2）熱力學條件

△Gv=—LmAT/Tm

a△T>0,△Gv<。一過冷是結晶的必要條件（之一）。

9

bZ\T越大，4Gv越小一過冷度越大，越有利于結晶。

cZ\Gv的絕對值為凝固過程的驅動力。

2結構條件

結構起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。是結晶的

必要條件（之二）。

第三節(jié)晶核的形成

均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內無軌則均勻形成。

非均勻形核：新相晶核依附于其它物質擇優(yōu)形成。

1均勻形核

（1）晶胚形成時的能量變化

△G=VAGv+oS

=（4/3）nr3AGv+4nr2。（圖3—8）

（2）臨界晶核

dAG/dr=O

rk=-2o/AGv

臨界晶核：半徑為珠的晶胚。

（3）臨界過冷度

rk=-2oTm/LmAT

臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度。^Tk.

△T2Z\Tk是結晶的必要條件。

（4）形核功與能量起伏

△Gk=Sk。/3

臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功。

能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。（是結

晶的必要條件之三）C

（5）形核率與過冷度的關系

N=N）.N2（圖3Tl.12）

由于N受N1.N2兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關系。

2非均勻形核

（1）模型：外來物質為一平面，固相晶胚為一球冠。

（2）自由能變化：表達式與均勻形核相同。

（3）臨界形核功

計算時利用球冠體積、表面積表達式，結合平衡關系。iw=oSW+oslCOS0計算

能量變化和臨界形核功。

△Gkii/AGk=（2-3cos。+cos30）/4

a0=0時，Z\Gk非=0,雜質本身即為晶核；

bl80>0>0時,△Gki《Z\Gk,雜質促進形核;

c0=180lit,△Gk?=AGk,雜質不起作用。

（4）影響非均勻形核的因素

a過冷度：（N-ZXT曲線有一下降過程］（圖R-16）

b外來物質表面結構：。越小越有利。點陣匹配原理：結構相似，點陣常數(shù)相

近。

c外來物質表面形貌：表面下凹有利。（圖3—17）

第四節(jié)晶核的長大

1晶核長大的條件

（1）動態(tài)過冷

動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。〔是材料凝固的必要條件）

（2）足夠的溫度

（3）合適的晶核表面結構。

2液同界面微結構與晶體長大機制

10

粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整一金屬或合金從來可的界面）：垂直長大。

光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙一無機化合物或亞金屬材料的界面）：二維晶核長大、

依靠缺陷長大。

3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)

（1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高）

粗糙界面：平面狀。

光滑界面：臺階狀。

（2）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低）

粗糙界面：樹枝狀。

光滑界面：樹枝狀一臺階狀。

第五節(jié)凝固理論的應用

1材料鑄態(tài)晶粒度的控制

Zv=0.9（N/G嚴

（1）提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導熱能力，適用于小件。

（2）化學變質處理。促進異質形核，阻礙晶粒長大。

（3）振動和攪拌。輸入能力，破碎枝晶。

2單晶體到額制備

（1）基本原理：保證一個晶核形成并長大。

（2）制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。

3定向凝固技術

3）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。

（2）制備方法。

4急冷凝固技術

（1）非晶金屬與合金

（2）微晶合金。

（3）準晶合金。

爭第四章二元相圖

相：（概念回顧）

相圖：描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關系的圖解。

二元相圖：

第一節(jié)相圖的基本知識

I相律

（1）相律：熱力學平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關系。

（2）表達式：f=c-p+2;壓力一定時，f=c-p+1,,

（3）應用

可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個，二元系3個。

可以解釋純金屬與二元合金的結晶差別。純金屬結晶恒溫進行，二元合金變溫

進行。

2相圖的表示與建M

（1）狀態(tài)與成分表示法

狀態(tài)表示：溫度一成分坐標系。坐標系中的點一表象點。

成分表示：質量分數(shù)或摩爾分數(shù)。

（2）相圖的建立

方法：實驗法和計算法。

過程：配制合金一測冷卻曲線一確定轉變溫度一填入坐標一繪出曲線。

相圖結構：兩點、兩線、三區(qū)。

3杠桿定律

（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相率，若溫度一定，則自由度為0,平衡相成分隨之確

定。）

（2）數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。

（3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點（支點和端點）要選準。

II

第二節(jié)二元勻晶相圖

I勻晶相同及其分析

（1）勻晶轉變：由液相直接結晶出單相固溶體的轉變。

（2）勻晶相圖：具有勻晶轉變特征的相圖。

（3）相圖分析（以Cu-Ni相圖為例）

兩點：純組元的熔點；

西線:L,S相線;

三區(qū)：L,Q,L+a。

2固溶體合金的平衡結晶

（1）平衡結晶：每個時刻都能達到平衡的結晶過程。

（2）平衡結晶過程分析

①冷卻曲線：溫度一時間曲線：

②相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應式，杠桿定律應用。）；

③組織示意怪；

④成分均勻化：每時刻結晶出的固溶體的成分不同。

（3）與純金屬結晶的比較

①相同點：基本過程：形核一長大；

熱力學條件：zJT>0：

能量條件：能量起伏；

結構條件：結構起伏。

②不同點：合金在一個溫度范圍內結晶（可能性：相率分析?，必要性：成分均

勻化

合金結晶是選分結晶：需成分起伏。

3固溶體的不平衡結晶

（1）原因：冷速快（假設液相成分均勻、固相成分不均勻）。

（2）結晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；

結晶的溫度范圍增大；

組織多為樹枝狀。

（3）成分偏析?：晶內偏析：一個晶粒內部化學成分不均勻現(xiàn)象。

枝晶偏折：樹枝晶的枝干和枝間化學成分不均勻的現(xiàn)象。

（消除：擴散退火，在低于固相線溫度長時間保溫。）

4穩(wěn)念凝固時的溶質分介

（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質速度等于溶質從邊界層擴散出去速度的凝固過程。

（2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質濃度的比值。

ko-CJC\

（3）溶質分布：液、固相內溶質完全混合（平衡凝固）一a;

固相不混合、液相完全混合一b;

固相不混合、液相完全不混合一c；

固相不混合、液相部分混合一d。

（4）區(qū)域熔煉（上述溶質分布規(guī)律的應用）

5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響

（1）成分過冷：由成分變化與實際溫度分布共同決定的過冷。

（2）形成：界面溶質濃度從高到低一液相線溫度從低到高。

（圖示：溶質分布曲線一勻晶相圖一液相線溫度分布曲線一實際溫度分布

曲線一成分過冷區(qū)。）

（3）成分過冷形成的條件和影響因素

條件：G/R<mQ）（l-ko）/Dko

合金固有參數(shù)：m,k（）;

實驗可控參數(shù)：GR。

（4）成分過冷對生長形態(tài)的影響

（正溫度梯度下）G越大，成分過冷越大一生長形態(tài)：平面狀一胞狀一樹枝狀。

第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

12

共晶轉變：由-定成分的液相同時結晶出兩個一定成分固相的轉變。

共品相圖：具有共晶轉變特征的相圖。

（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應。

共晶組織：共晶轉變產(chǎn)物。（是兩相混合物）

1相圖分析（相圖三要素）

（1）點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點（是亞共晶、過共晶成分分界點）等。

（2）線：結晶開始、結束線；溶解度曲線；共晶線等。

（3）區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）

（1）Wsnvl9%的合金

①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖

②二次相（次生相）的生成：脫溶轉變（二次析出或二次再結晶）。

③室溫組織（a+B“）及其相對量計算。

（2）共品合金

①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。

②共晶線上兩相的相對量計算。

③室溫組織（a+B+au+Bu）及其相對量計算。

（3）亞共晶合金

①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。

②共晶線上兩相的相對量計算。

③室溫組織（?+011+（a+B））及其相對量計算。

④組織組成物與組織圖

組織組成物：組成材料顯微組織的各個不同本質和形態(tài)的部分。

組織圖：用組織組成物填寫的相圖。

3不平衡結晶及其組織

（1）偽共晶

①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。

②形成原因：不平衡結晶。成分位于共晶點附近。

③不平衡組織

由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。

共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）

（2）不平衡共晶

①不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應而形成的組織。

②原因：不平衡結晶。成分位于共晶線以外端點附件。

（3）離異共晶

①離異共晶：兩相分離的共晶組織。

②形成原因

平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點附近。

不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點附。

③消除：擴散退火。

4共晶組織的形成

（1）共晶體的形成

成分互惠一交替形核片間搭橋一促進生長

分布

共翩織

（2）共晶體的形態(tài)

粗糙一粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)最明顯少于另一

相）

粗糙一平滑界面：具有不規(guī)則或復雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結構不同）

所需動態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另?相在其間隙長大?？傻玫?/p>

球狀、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。

非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成葉狀、

骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。

（3）初生品的形態(tài)：

13

金屬固溶體：粗糙界面一樹枝狀：非金屬相：平滑界面一規(guī)則多面體。

第四節(jié)二元包品相圖

包晶轉變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉變。

包晶相圖：具有包晶轉變特征的相圖。

1相圖分析

點、線、區(qū)。

2平衡結晶過程及其組織

（1）包晶合金的結晶

結晶過程：包晶線以下，L,a勸8過飽和一界面生成B—三相間存在濃度梯度

一擴散一8長大一全部轉變?yōu)?/p>

室溫組織：B或B+a”。

（2）成分在C-D之間合金的結晶

結晶過程：a剩余；

室溫組織：a+B+an+Bn。

3不平衡結晶及其組織

異常a相導致包晶偏析（包晶轉變要經(jīng)B擴散。包晶偏析：因包晶轉變不能充分進行

而導致的成分不均勻現(xiàn)象，）

異常B相由不平衡包晶轉變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點附件。

4包晶轉變的應用

（1）組須設計：如軸承合金需要的軟基體上分布硬質點的如織。

（2）晶粒細化。

第五節(jié)其它類型的二元相圖

自學內容

第六節(jié)鐵碳合金相圖

一二元相圖的分析和使用

（1）二元相圖中的幾何規(guī)律

①相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點接觸除外）一相區(qū)接觸法則；

②三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點。

③若兩個三相區(qū)中有2個相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)。

④單相區(qū)邊界線的延長線應進入相鄰的兩相區(qū)。

（2）相圖分析步驟

①以穩(wěn)定的化合物分割相圖；

②確定各點、線、區(qū)的意義：

③分析具體合金的結晶過程及其組織變化

注：虛線、點劃線的意義一尚未準確確定的數(shù)據(jù)、磁學轉變線、有序一無序轉變線。

（3）相圖與合金性能的關系

①根據(jù)相圖判斷材料的力學和物理性能

②根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能

鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離X

X越大，成分偏析越嚴重（因為海固相成分差別大）；

X越大，流動性越差（因為枝晶發(fā)達）；

X越大，熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大）。

塑性加T.性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。

熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。

二鐵一碳合金相圖

1組元和相

（1）組元：鐵一石墨相圖：Fe,C;

鐵一滲碳體相圖：Fe-FejC。

相:L,6,A（Y）,F（Q）,Fe3C（K）o（其定義）

14

2相圖分析

點：16個。

線：兩條磁性轉變線；三條等溫轉變線；其余三條線：GS,ES.PQ。

區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。

相圖標注：相組成物標注的相圖。

組織組成物標注的相圖。

3合金分類:工業(yè)純鈦（C%<0.0218%）、碳鋼（0.0218<C%<2.11%）x鑄鐵

（C%>2.11%）

4平衡結晶過程及其組織

（1）典型合金（7種）的平衡結晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。

（2）重要問題：卜He3Cn,的意義及其最大含量計算。

—轉變。

二次杠桿的應用。

5含碳量對平衡組織和性能的影響

（1）對平衡組織的影響（隨C%提高）

組織：a+Fc3GliL^+FesCi；

相：a減少，F(xiàn)e3c增多；

Fe3c形態(tài)：FesGu（薄網(wǎng)狀、點狀）共歸空3c（層片狀）Fe3Cn（PW）共

晶Fe3c（基體）Fe3c?（粗大片狀）。

（2）對力學性能的影響一?

強度、硬度升高，塑韌性下降。

（R）對工藝性能的影響

適合鍛造：C%<2.11%,可得到單相組織。

適合鑄造：C%?4.3%。，流動性好。

適合冷塑變：C%<0.25%,變形阻力小。

適合熱處理：0.0218~2.11,有固態(tài)相變。

第七節(jié)相圖的熱力學解釋

圖示講解

第八節(jié)鑄錠組織及其控制

1鑄錠組織

（1）鑄錠三區(qū)：表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)。

（2）組織控制：受澆鑄溫度、冷卻速度、化學成分、變質處理、機械振動與攪拌等

因素影響。

2鑄錠缺陷

（1）微觀偏析

（2）宏觀偏析

正偏析

反偏析

比重偏析

（3）夾雜與氣孔

夾雜：外來夾雜和內生夾雜。

氣孔：析出型和反應型.

（4）縮孔和疏松

形成：凝固時體積縮小一補縮不足一形成縮孔。

分類：集中縮孔（縮孔、縮管）和分散縮孔（疏松，枝晶骨架相遇，封閉液體,

造成補縮困難形成。）

、第五章三元相圖

第一節(jié)總論

三元相圖的主要特點

15

（1）是立體圖形，主要由曲面構成：

（2）可發(fā)生四相平衡轉變；

（3）一、二、三相區(qū)為一空間。

2成分表示法一成分三角形（笠邊、等腰、直角三角形）

（1）已知點確定成分；

（2）已知成分確定點。

3成分三角形中特殊的點和線

（1）三個頂點：代表三個純組元；

（2）三個邊上的點：二元系合金的成分點；

（3）平行于某條邊的直線：其上合金所含由此邊，忖應頂點所代表的組元的含量一定。

（4）通過某一頂點的直線：其上合金所含由另兩個頂點所代表的兩組元的比值恒定。

4平衡轉變的類型

（1）共晶轉變：L（）T_aa+Pb+yc;

（2）包晶轉變：Lo+a』T前）TYC*

（3）包共晶轉變：U+aaTBb+yc;

還有偏共晶、共析、包析、包共析轉變等。

5共線法則與杠桿定律

（1）共線法則：在一定溫度下，三元合金兩相平衡時，合金的成分點和兩個平衡相

的成分點必然位于成分三角形的同一條直線上。（由相率可知，此時系統(tǒng)有一個

自由度，表示一個相的成分可以獨立改變，另一相的成分隨之改變。）

（2）杠桿定律：用法與二元相同。

兩條推論

3）給定合金在一定溫度下處于兩相平衡時，若其中一個相的成分給定，另一個相

的成分點必然位于已知成分點連線的延長線上。

（2）若兩個平衡相的成分點已知，合金的成分點必然位于兩個已知成分點的連線上。

6重心定律

在一定溫度下，三元合金三相平衡時，合金的成分點為三個平衡相的成分點組成的三

角形的質量重心。（由相率可知，此時系統(tǒng)有一個自由度，溫度一定時，三個平衡相的成分

是確定的。）

平衡相含量的計算：所計算相的成分點、合金成分點和二者連線的延長線與對邊的交

點組成一個杠桿。合金成分點為支點。計算方法同杠桿定律。

第二節(jié)三元勻晶相圖

1相圖分析

點：Ta,Tb,Tc-三個純組元的熔點；

面：液相面、固相面；

區(qū)：L,a,L+a。

2三元固溶體合金的結晶規(guī)律

液相成分沿液相面、固相成分沿固相面，呈蝶形規(guī)律變化。

（立體圖不實用）

3等溫界面（水平截面）

（1）做法：某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。

（2）截面圖分析

3個相區(qū)：L,a,L+a；

2條相線：L）L