《上海大学_考研_材料科学基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上海大学_考研_材料科学基础.docx（52页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、目录第一章要求 第一章第一节 第一章第二节 第一章第三节 第一章第四节第二章要求 第二章第一次 第二章第二次 第二章第三次 第二章第四次第；章要求 第三章第一次 第三章第二次 第三章第二次 第二帝第四次 第三章第五次 第一:章第六次 注意 第七章要求 第七章第一次 第七章第二次 笫七章第三次第八章要求 第八章第一次 第八章第二次第四章要求 第四章第次 第四箪第:次 笫四章笫二次第五章要求第五章第一次 第五司第二次 第五章:笫二次 第五章第四次 第五章笫五次第一章（一）内容及习题引言金属由于其性能的多样性，而被人们广泛的应用。金属的性能由其成分、结构所决定。 成分、结构、性能之间的关系，以及它们
2、的变化规律，构成了本课程的基础。金属（或非金 属）在固态通常是晶体，故金属的结构通常被称为金属的晶体结构。第一章介绍的是学习和 研究晶体结构所需要掌握的一些基本知识一一晶体学基础。本节课要求1要求掌握“晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵、晶胞与原胞、晶系、布拉菲点阵、点阵 常数”概念，理解布拉菲点阵的唯性。2看完第一节，并完成习题13。习题1描述晶体与非晶体的区别，从结构、性能等方面。2何谓空间点阵，简述晶体结构与空间点阵的区别。3对于图1-4 （n）的面心立方点阵，如果在该点阵的上下两个底面的面中心各添加一个阵 点，请问，新的结构是属于14种空间点阵的哪一种。（返回目录）第一章（二）内容及习题
3、引言品体的特征在于构成晶体的原子的排列呈现三维周期结构。在材料中，金属与陶瓷通常 是晶体，即使高分子或生物材料也有相应的晶体状态。所以，对材料学家来说，了解和掌握 晶体结构的基本概念是十分甫耍的。19世纪出现了布拉菲的空间点阵学说，当时它仅是一个合理的猜想，其正确性到1912 年才被劳厄等人的X射线衍射实验所证实。以后，大量的研究探明了成千上万的晶体结构， 肯定了晶体的周期性质。现在用高分辩电子显微镜和扫描隧道显微镜等已能直接显示原子的 周期排列图像。空间点阵体现了晶体的平移对称性，即：点阵经平移后，可以获得完全的重复。晶胞是 构成空间点阵的较小体积单元，通常为一个小的平行六面体。晶胞全面反映
4、了点阵（晶体结 构）的平移对称性或周期性。如果知道了晶胞的大小和形状，并且知道了晶胞内各阵点的坐 标，也就确定了晶体结构。在研究晶体结构时，并不需要了解品胞（或晶体）内各阵点的坐标，只需要了解阵点之 间的相对位置，即阵点之间的几何关系，晶面指数和晶向指数就反映了点阵中阵点之间的几何关系。本节课要求1掌握品面指数、晶向指数的概念及其确定，掌握晶面与品向平行或垂宜，理解晶面族，晶 向族。2看完第二节，并完成习题46。习题4在简单立方品系中，（1）作图表示下述的晶面和晶向：（2）判断其中哪些晶面与晶向是垂 直的，哪些是平行的，并指出垂直或平行的条件。 （ill）,（011）,（201）,111,11
5、0,1125请写出简单立方晶系中111的等价晶面，110的等价晶向。并在图中画出。左in 交伯”5中（10l2）HHH 1 12oi,T 10116试在八方晶系的晶胞_L回出，晶面、L 和L 晶向。第一章第三节内容及习题引言在研究晶体结构时，并不需要了解晶胞（或晶体）内各阵点的坐标，只需要了解阵点之 间的相对位置，即阵点之间的几何关系，晶面指数和晶向指数就反映了点阵中阵点之间的几 何关系。晶面指数表示的是一组平行的晶面，每个晶面的原子（阵点）排列情况都是相同的，晶 面与晶面之间的距离都为d,称为晶面间距。晶向指数表示的是一组平行的方向。在对六方晶系的晶面、晶向指数进行操作时，要注意：若已知指数
6、要求作图，则先要将 四指数换算成三指数，再以三指数进行作图：若由图求指数，则先要在图中读出三指数，然 后再换算成四指数。绝大多数金属具有简单的结构，用A1 （面心立方）、A2 （体心立方）和A3 （密排六方） 结构。若将原子或点阵看成是硬的小球，则可以用硬球的堆积来反映相应的结构。本节课要求1掌握面心立方、体心立方、密排六方晶胞结构，掌握原子数、配位数、紧密系数、间隙的 概念，理解和定性分析间隙种类，间隙大小（定性），间隙位置2学习第三节，并完成习题78。习题 4在简单立方晶系中，（1）作图表布卜述的晶面和晶向；（2）判断其中哪些晶面与晶向是垂 直的，哪些是平行的，并指出垂直或平行的条件。 （
7、111）,（011）,（201）, 111, 110, 1125请写出简单立方晶系中111的等价晶面，110的等价晶向。并在图中画出。6试在六方晶系的晶胞上画出晶面、112。和101晶向。7、分别对面心立方A1和体心立方A2的（100）, （110）、（111）面，请问：（1）计算上述晶面的紧密系数，指出最紧密排列的晶面（注：面的紧密系数=晶面中实占 的原子面积/晶面面积）。（2）画出上述晶面的原子排列方式。8、分别对面心立方A1和体心立方A2的00、110、111晶向，请计算上述晶向中相邻 两个阵点之间的距离（若点阵常数为a）,指出最紧密排列的晶向。（返回目录）第一章第四节内容及习题引言绝大
8、多数金属具有简单的结构，用A1 （面心立方）、A2 （体心立方）和A3 （密排六方） 表示。若将原子或点阵看成是硬的小球，则可以用硬球的堆积来反映晶体的结构。如：面心 立方，就可以看成是由（100）晶面顺序堆积而成的，也可以看成是由（110）晶面或（111） 晶面顺序堆积而成的。同样，其它的结构也都可以看出是由某一晶面顺序堆积而成的。由此, 可以了解和分析晶体的结构本节课要求1掌握面心立方和密排六方的堆垛方式，及其它们之间的差异；理解堆垛层错的概念。2学习第四节，并完成习题9、10、11。习题9、铁有两种结构，分别为体心立方A2 （称为a-Fe或铁素体）和面心立方A1 （称为丫一 Fe或奥氏体
9、），铁的原子半径分别为0.127nm,问：（1）哪种结构更致密。（2）两种结构中， 四面体间隙和八面体间隙中可以容纳的原子的最大半径是多少？ （3）碳原子的半径为 0.077nm,当碳原子进入上述结构的间隙时，铁的结构会发生怎样的变化？10由表1-3可见，A1 （面心立方）和A3 （密排六方）结构具有相同的紧密系数，为0.7404。 数学家曾经证明，若将相同宜径的硬球，在空间进行堆积，其最大的紧密系数就是0.7404。 所以，Al和A3结构都是最紧密堆积的结构。问题（1）请指出A1和A3堆积结构的差异。（提示：请先分析A1以（111）晶面进行的堆 积，A3以（0001）晶面进行的堆积，再讨论两
10、者之间的差异。）问题（2）请指出，A1结构经过怎样的变化，可以变成A3结构。11铜为面心立方结构，X射线衍射测定a=0.3615nm, （1）按刚球密堆模型计算最近邻原子 中心距离是多少？以任一原子为中心，这样距离的原子数目是多少？ （2）原子密排面和密 排方向是什么？ （3）原子密排面hkl和密排方向组成的hkl （注意：uvw 须位于（hkl）面上）共有多少组？（返回目录）第一章要求掌握的内容第一节 晶体与非晶体，晶体结构与空间点阵，晶胞与原胞，晶系，布拉菲点阵，点阵常数。 第二节晶面指数、晶向指数的确定，晶面族，晶向族，晶带轴，晶面与晶向平行或垂直。 第三节 面心立方、体心立方、密排六方
11、晶胞结构，原子数，配位数，紧密系数，间隙种类, 间隙大小（定性），间隙位置，第四节面心立方和密排六方的堆垛方式，堆垛层错（返回目录）第二章主要内容第二节波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。波粒两相性的基本方 程。第三节五种结合键的特点第四节结合键与晶体结构第五节 合金，合金系，合金相结构分类第六节影响相结构因素，第七节固溶体，置换固溶体，间隙固溶体，有限固溶体，无限固溶体，有序固溶体，无 序固溶体，端部固溶体，中间固溶体第八节离子化合物的结构类型和特点第九节硅酸盐结构的一般特点（返I可目录）第二章第一次内容及习题提示我们可以从不同的学科侧面来观察材料的结构问题。在第一章中，从
12、晶体学的侧面分析 了材料的结构，也就是分析了原子的排列（或堆垛）方式、及其规律性。在分析的过程中， 不涉及到单个原子的种类和性质。实际上，原子的排列（或堆垛）是依赖于原子之间的键合 而实现的，而不同的键合方式是由原子的核外电子分布及其性质所决定的。这是从化学的侧 面来分析材料的结构，也是第二章的内容。本节课的要求1掌握波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。掌握波粒两相性的基本 方程。掌握离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的概念，理解结合键与电子分布的关系， 理解形成离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源2学习完第二章的第一、二、三节，完成习题13。习题1简述波
13、尔理论和波动力学理论分别是如何描述原子核外电子的运动轨道。2粒子具有波粒二象性，请计算下列粒子的波长。A,质量为20g,速度为1000m/s的子弹；B,质量为lOg,速度为ooiws的尘埃；C,质量为9.1 XlOkg,速度为106mzs的电子。3何谓结合键；简述离子键、共价键、金属键、分子健和氢键与电子分布的关系：指出形成 离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源。（返回FI录）第二章第二次内容及习题提示原子的排列（或堆垛）是依赖于原子之间的键合而实现的，不同的键合方式是由原子的 核外电子分布及其性质所决定的。一个自由、孤立的原子，其电子的实际分布区域是从靠近原子核起一宜分布到
14、无限远。 由于电子的能级是确定的，根据测不准，其位置是在空间中散布的。通常以电子出现大几率 的区域范围作为原子的半径。电子的具体分布遵循如下原则：泡利不相容原理、能量最低原理、洪德定则。对于多电子的原子，它的化学键中真正起作用的是外壳层电子。但是，过渡、稀土与铜系元 素的内壳电子也可能起作用。本节课的要求1掌握结合键与晶体结构的关系，掌握合金、合金系、合金相结构的概念，掌握固溶体、化 合物的概念和结构特点。2学习完第二章的第三、四、五节，完成习题46。习题4举例说明元素的结构特性是依赖于结合键的，并由此而影响了其性质。（如：石墨的层片 状结构是由于碳以共价键结合形成层，层与层以分子键结合，其性
15、质表现为层与层之间易滑 移。）指出下述元素的结合键类型和结构类型：铝、硅、珅、碘、a-Fe、镁。5何谓合金，简述合金与纯金属的区别。何谓相、单相合金、多相合金。6合金相可以分成哪两类。何谓固溶体，何谓化合物。从晶体结构上讲，纯金属、固溶体、 化合物之间有何区别。（返回目录）第二章第三次内容及习题提示金属从结构的角度可以分为纯金属、固溶体和化合物。其中，纯金属由一个组元组成， 固溶体和化合物由二个或二个以上的组元组成。固溶体的结构与一个组元（溶剂）的结构相 同，化合物的结构与组元的结构都不相同。若固溶体的溶剂为化合物，则这类固溶体称为第 二类固溶体，也称为中间固溶体，它的本质是化合物。本节课的要
16、求1掌握影响相结构因素，掌握原子半径、负电性、价电子浓度的概念，掌握置换固溶体、间 隙固溶体、有限固溶体、无限固溶体、有序固溶体、无序固溶体、端部固溶体、中间固溶体 的概念，理解不同固溶体的结构差异。2学习完第二章的第六、七节，完成习题710,课后完成习题11。习题7请问影响合金相结构的因素主要有哪几个。8何谓原子半径、负电性和价电子浓度。9固溶体可以分成哪儿类，说明各类固溶体之间在结构上的差异。10 （1）钢是由铁和碳元素组成的，请问钢是纯金属还是合金。（2）铁在室温是体心立方， 碳（石墨）是六方结构，钢在室温由铁素体和渗碳体组成，其中铁素体是体心立方，铁原子 位于阵点，碳原子位于间隙；渗碳
17、体（FesC）是正交结构，请问铁素体与渗碳体是固溶体还 是化合物，若是固溶体则是哪种固溶体。（3）钢在室温是单相还是多相。11（课后）说明原子半径、负电性和价电子浓度分别是如何影响合金相结构的。（返回目录）第二章第四次内容及习题提示陶瓷材料是以各种粘土为主要原料，成形后经高温烧制而成的制品。它是人类制得的第 一类经化学变化而成的产品，它的出现比金属材料早得多。陶瓷材料的特点是熔点高、硬度高、化学稳定性高，因此具有耐高温、耐磨损、耐氧化 和腐蚀，以及质量轻、弹性模量大、强度高等优良性能。组成陶瓷材料的基本相为：晶相、玻璃相（非晶相）和气相（气孔）。其中，晶相是最主要 的组成相。陶瓷材料是以离子键
18、、共价键以及离子键和共价键的混合键结合在一起的。离子化合物和硅酸盐是两种重要的陶瓷材料。本节课的要求1理解离子化合物的结构类型和特点，理解硅酸盐结构的一般特点2学习完第二章的第八、九节，完成习题12、13。习题12何谓离子化合物，离子化合物有哪些结构类型，其具体的结构是怎样的。13简述硅酸盐结构的基本特点。（返回目录）第三章内容和习题（一）提不：晶格的周期性，也称为平移对称性。所谓平移对称性，就是晶格中的点阵经过平移后，可 以获得完全的重复。本节课的要求1理解理想晶体与缺陷的概念，掌握缺陷的种类。掌握点缺陷的概念及其结构特点，理解空 位形成的本质，理解点缺陷对晶体性能的影响。2学习第三章的第一
19、、二节，完成习题13。习题1何谓理想晶体，何谓晶体缺陷2缺陷可以分为几类？对每一类缺陷说出一种具体的缺陷名称。3点缺陷的存在，对晶体结构将造成怎样的影响？对晶体的性能将造成怎样的影响？形成点 缺陷的驱动力是什么？（返回目录）第三章内容和习题（二）提示：点缺陷是一种热力学平衡缺陷，也就是说，在一定的温度下，点缺陷的数目是一定的。 可以定性地进行分析：从热力学上来说，在一定的温度下，随点缺陷数目增加，晶体结构的 畸变增加，导致系统自由能增加。另一方面，随点缺陷数目增加，系统的炳值增加I,导致系 统的自由能下降。当增加的自由能与下降的自由能相等时，系统达到平衡。显然，这时所对 应的点缺陷数目是一定的
20、。所以，从平衡的角度来说，在一定的温度下，点缺陷的数目是一 定的。点缺陷的存在，对晶体结构造成影响，从而对晶体的性能也会造成影响。这又是一个结 构与性能之间存在关系的例子。位错是晶体中最为常见的缺陷之一，它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响，很 早就被人们关注和研究，有了比较成熟的理论和大量的实验研究结果，是本章的重点。本节课的要求1掌握空位的分类，掌握点缺陷的平衡浓度概念及其计算。掌握位错的分类及其结构特点， 掌握柏矢量的物理意义及其求法。2学习第三章的第三节，完成习题47。习题4何谓肖脱基空位、弗仑克尔空位、点缺陷的平衡浓度5已知铁的空位形成能为104.6kJ/mol。试问，（1）从2
21、0C加热到850C,空位的数目将增 加多少倍？ （2）若将加热后的铁快速淬冷到20C,这些“额外”的空位会消失吗？ 6简述：位错概念是在怎样的情况下被提出的，位错概念的提出首先解决了什么问题。 7位错有哪两种类型，简述它们的儿何特点。8 （1）请说明柏氏矢量的物理意义。（2）先在一个简单立方（点阵常数为a）的二维晶格 中画出一个正刃型位错，再用柏氏回路求出正刃型位错的柏氏矢量，并具体写出柏氏矢量的 方向和大小。（返回目录）第三章内容和习题（三）提示：人们发现，经塑性变形的晶体的表面存在大量的台阶，提出塑性变形是通过晶体的滑移来实现的，计算了晶体发生整体滑移所需的临界分切应力，发现其值与实测值相
22、差很大，由 此提出设想：晶体可能是借助于位错的运动，通过逐步滑移来实现塑性变形的。经计算，位 错运动所需的临界分切应力与实测值很接近，从而间接地证明了晶体中可能有位错的存在， 直至几十年后，人们通过电子显微镜，才真正证明了位错的存在。位错的提出，一方面解决了理论强度与实验值的差异，同时也对塑性变形过程提出了见 解：当一个位错在切应力的作用下滑移出晶体时，就在晶体的表面出现一个台阶，台阶的宽 度就是一个柏矢量。当有许多位错滑移出晶体时，晶体就发生了宏观的塑性变形。正、负刃型位错的区别是多余半原子面的位置，左、右螺型位错的区别是螺旋方向的不 同。位错的本质是原子的畸变区，这一区域的横截面仅有几个原
23、子的尺寸，区域的长度是非 常多的原子尺寸，所以为线缺陷。由于位错是原子的畸变区，所以，位错的存在，导致了体 系能量的升高。本节课的要求1进一步理解位错的结构特点，进一步理解柏矢量的求法，掌握位错的应变能、线张力的概 念及其表示方法，了解用位错的应变能进行位错运动趋势分析的方法。2先完成上次的习题，再学习第三章的第三、四、五节，其中的第四节从第15页开始学习， 15页前的内容，有兴趣的同学自己看。完成习题914。习题9判断图（1）中螺旋的方向（是右螺旋还是左螺旋）。10判断图中为何位错，求图（2）中位错的柏矢量（为简单立方晶胞，点阵常数为a）。11求图（3）中位错的柏矢量（为简单立方晶胞，点阵常
24、数为a ）.12何谓位错的应变能。位错是热力学平衡缺陷还是不平衡缺陷。13何谓位错的线张力，其估算值为多少。14当两个位错相遇时，定性地判断：同号位错将如何，异号位错将如何。（课后：请从应变 能的角度对此进行判断。）（返回目录）第三章内容和习题（四）提示：正、负刃型位错的区别是多余半原子面的位置，左、右螺型位错的区别是螺旋方向的不 同。位错的本质是原子的畸变区，这一区域的横截面仅有几个原子的尺寸，区域的长度是非 常多的原子尺寸，所以为线缺陷。由于位错是原子的畸变区，所以，位错的存在，导致了体 系能量的升高。本节课的要求1进一步理解位错的结构特点，掌握位错的标注方法，理解位错周围原子的应力状态及
25、其与 溶质原子的交互作用。2再次学习第三章的第四、五节，完成习题1518。习题15请简要的说明：（1）位错是一种线缺陷，（2）缺陷的存在，般是使体系的能量上升还 是下降？使体系处于稳定状态还是非稳定状态？16请简要说明：（1）刃型位错周围的原子处于怎样的应力状态（为切应力还是正应力，为 拉应力还是压应力）；（2）若有间隙原子存在，则间隙原子更容易存在于位错周围的哪些位置 （可以以图示的方式说明）。17请判断如下为何种位错：18在简单立方晶体中，假定有一刃型位错A,其柏氏矢量为bl=a0-10,沿着（100）晶面 滑移；假如还有一个螺型位错B,柏氏矢量为b2=a100,并在（001）晶面上滑动，
26、请在三 维晶格图中画出位错A和B。（返回目录）第三章内容和习题（五）提示位错在力的作用下会发生运动，位错运动的结果，使晶体发生了塑性变形，而位错运动 的难易程度又反映了晶体的强度。本节课的要求1掌握位错的运动形式，掌握滑移和攀移的概念，理解刃型位错与螺型位错在运动形式上的 差异，了解割阶的概念，掌握位错之间的交互作用。2学习第三章的第五节，完成习题1922。习题19位错运动通常具有哪两种形式，它们的区别何在。20简述刃型位错和螺型位错在运动形式上的差异。21 （1）请问图示分别是何种位错。（2）指出位错运动的方向。（3）作图表示位错在应力的 作用下运动出晶体后，晶体所发生的变化。22在简单立方
27、晶体中，假定有一刃型位错A,其柏氏矢量为bl=a0-10,沿着（100）晶面 滑移,（a）请在三维晶格图中画出位错A0（b）如果有另一个刃型位错B,柏氏矢量为b2=a010 方向，沿着（001）晶面上运动，请画出位错B。（c）如果位错B运动经过位错A,请问位 错A将发生什么情况？请作图表示。（d）如果有一个柏氏矢量为b3=a100,并在（001） 晶面上滑动的螺型位错C通过位错A,首先请画出位错C。若位错C运动经过位错A,试 问位错A将发生什么情况？请作图表示。（返I可目录）第三章内容和习题（六）提示在前面的学习中，我们通过简单立方晶体结构为代表，得到了位错知识和般讨论。实 际金属材料具有面心
28、立方、体心立方和密排六方等结构。在不同的晶体结构中位错的组态和 性质是不同的，它们对晶体性能也有不同的影响。界面是一种面缺陷，如晶体的外表面，在外表面上的原子与内部的原子相比，外表面的 原子处于不平衡位置，所以，晶体的外表面是一种缺陷。类似的缺陷还有好几种。本节课的要求1掌握位错反应的判断，理解全位错、不全位错、扩展位错的概念，了解弗兰克不全位错和 肖克莱不全位错的形成。掌握面缺陷的种类，掌握晶界，亚晶界，相界，共格界，李晶界的 概念。2学习第三章的第六和七节，完成习题2325。习题23位错反应的基本条件是什么？指出面心立方（fee）和体心立方（bee）中的特征位错（以 最短点阵矢量为柏矢量的
29、位错），并判断第六节中第5页和第14页的位错反应是否可以进行, 为什么。24何谓全位错、不全位错？说明弗兰克不全位错是如何形成的。25指出面缺陷的种类。若将一个包含有许多晶粒的晶体加热，请问，随加热时间的延长或 加热温度的提高，这些晶粒将长大还是缩小还是不变？为什么？（返回R录）第三章主要内容第一节理想晶体与晶体缺陷，缺陷种类第二节 点缺陷种类，空位形成本质，点缺陷平衡浓度，空位种类，点缺陷对性能的影响第三节 位错与滑移，螺位错，刃位错，混合位错，柏矢量第四节 螺位错和刃位错的特征，应变能，线张力，位错线受力第五节 滑移，攀移，割界，应力集中第六节 位错反应，全位错，不全位错，扩展位错 第七节
30、 晶界，亚晶界，相界，共格界，李晶界（返回目录） 注意1:作柏氏矢量时，先要确定一个坐标，然后在有缺陷的晶体中画个柏氏回路，再在理 想晶体中依样画个回路，从终点至起点连线即为柏氏矢量，用数学式来表示这个矢量。注意2：在画位错时，通常将位错线与柏矢量画在同一个平面上，这个平面一般是滑移面。如下题：18在简单立方晶体中，假如有一个螺型位错B,柏氏矢量为b=a100,并在（001）晶面上 滑动，请在三维晶格图中画出位错B。下图中的两种画法都是可以的，其中，L为位错线，b为柏矢量。注意3：位错线正方向的判断：一般规定，位错线从里到外、从上到下为其正方向注意4： 21 （1）请问图示分别是何种位错。（2
31、）指出位错运动的方向。（3）作图表示位错 在应力的作用下运动出晶体后，晶体所发生的变化。为正刃型位错和右螺型位错，图中红线为位错线，位错都将向左运动，位错运动出晶体后晶 体的变化如下图（返卜”目录）第四章主要内容第一节扩散条件第二节扩散定律的描述，第二定律在渗碳中的应用，第三节 换位机制，空位机制，间隙机制，O = Z）oexp（-0/RQ中参数的物理意义，第四节柯肯达尔效应描述及其意义第五节 针对OnOoexpGQ/RT）说明影响扩散的因素（返回目录）第四章内容和习题（一）提示在液体和气体中很容易感觉到扩散现象，如一滴蓝墨水滴入一杯清水中，逐渐地整杯水 都变成蓝色了，这是由于蓝墨水扩散的结果
32、。对于固体，扩散较难被感觉到。但是，扩散对 于固体是非常重要的。在学习过程中，可以借助于已经熟悉的液体和气体中的扩散现象来理 解固体中的扩散。扩散过程伴随有浓度的变化，若浓度不随扩散时间而变，则为稳态扩散，此时适用第一 定律。用扩散第一定律可以分析相应的扩散过程。若浓度随扩散时间而变，则为非稳态扩散, 此时适用第二定律，第二定律的不同解分别对应了不同的适用场合。本节课要求1理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散的条件。理解稳态扩散和非稳态 扩散的概念，掌握扩散第一适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。2学习1、2节，完成习题13。习题1描述在金属固体中发生扩散时，原子是如何
33、运动的。指出扩散的条件。2何谓稳态扩散、非稳态扩散，指出第一定律适用的场合。3有一球壳，内半径为rl,外半径为r2。在T温度保温，有物质从球壳内向球壳外扩散， 当扩散达到平衡后，球壳内表面扩散物质的浓度为C1,外表面的浓度为C2,并测得在单位 时间内从球壳内向球壳外扩散的物质总量为Q。设扩散系数为常数。求： A,扩散系数。B, =（rl+r2）/2 处的浓度。（提示：对第一定律进行定积分）（返回R录）第四章（二）内容和习题提示扩散过程通常伴随有浓度的变化，若浓度不随扩散时间而变，则为稳态扩散，此时适用 第定律。用扩散第一定律可以分析相应的扩散过程。若浓度随扩散时间而变，则为非稳态 扩散，此时适
34、用第二定律，第二定律的不同解分别对应了不同的适用场合。扩散的本质是原子的迁移运动，原子如何从一位置移动到二位置，对于置换原子和间隙 原子来说是不同的，也就是它们的扩散机制是不同的。本节课要求1 了解扩散第二定律的描述,掌握扩散第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析 的方法。2掌握几种重要的扩散机制的描述及其适用的对象，3学习第2、3节，完成习题47。习题4简述第二定律中的不同解分别适用的场合。5对于第二节第15页上的例子，问：（1）扩散7xl（）4s后，表面、距表面4和8um处的硼 浓度分别是多少？6钢可以在870渗碳也可以在930渗碳，若已知钢在870渗碳时的扩散系数为5.2X 10
35、 12,钢在930渗碳时的渗碳系数为0.98X10 ，问：在870渗碳要用多长时间才能获 得930渗碳10小时的渗层深度？（渗层深度：在浓度一距离曲线中，某一浓度所对应的 离表面的距离。）（提示：使用扩散第二定律中的误差函数解4-18式，因为渗层深度相同，所以C、Cl、C2、 x都相等。）7简述置换原子和间隙原子的扩散机制。（返回目录）第四章（三）内容和习题提示扩散第二定律的误差函数解适用于渗碳过程，渗碳过程是指：将含碳量小于0.2%的铁 碳合金，放入含碳量为1%左右的富碳气氛中（也可以放入富碳的液体或固体中），加热到 900C左右，保温几个或十几个小时后，使合金的表面获得几个或几十个微米厚的
36、含碳量为 1 %左右的富碳层，而心部的含碳量仍然是0.2%。汽车变速箱中的齿轮通常都经过渗碳处理。 利用扩散第二定律可以有效地控制渗碳过程。柯肯达尔效应的提出，对于认识固体中原子的扩散机制是有重要意义的。温度、晶体结构和化学成分对扩散有重要的影响。公式：D = 5exp（-Q/RQ反映了温度 （T）、晶体结构和成分（Do和Q）对扩散的影响。本节课的要求I掌握扩散系数的概念及其表达式的物理意义。2掌握柯肯达尔效应的描述，理解柯肯达尔效应的意义。3掌握温度和晶体结构对扩散的影响。4学习3、4、5节，完成习题810。习题8钢可以在870渗碳也可以在930渗碳，计算钢在870和930渗碳时，碳在钢（奥
37、氏 体）中的扩散系数。已知 Do=2.0Xl（y5m2s”, Q=144X103J/mol.9何谓柯肯达尔效应，简述柯肯达尔效应的意义。10简述影响扩散的因素（从温度、晶体结构两方面来简述），并对书中P139的图4.15进行 描述和分析。（返回目录）第五章要求掌握的内容第一节，相图，相律，自由度，杠杆定律，相平衡第二节，匀晶转变，匀晶相图，平衡结晶过程分析，选分（选择）结晶，冷却曲线分析，不 平衡结晶，偏析第三节，共晶转变，共晶相图，亚（过）共晶合金，共晶合金，平衡结晶过程分析，冷却曲 线分析，二次析出，平衡相、平衡组织及其相对量计算，不平衡结晶（伪共晶、不 平衡共晶、离异共晶），共晶形貌，初
38、晶形貌第四节，包晶转变，包晶相图，平衡结晶过程分析，冷却曲线分析，平衡相、平衡组织及其 相对量计算，包晶转变的应用第五节，稳定化合物，不稳定化合物，固态转变（同素异晶、共析、包析）第六节，单相固溶体自由能表达式，固溶体的自由能一成分曲线，混合相自由能表达式，相 平衡条件表达式，相平衡的公切线法则，由自由能曲线获得二元相图第七节，相区接触法则第八节，力学性能，铸造性能第九节，Fe-C合金的相结构（铁素体，奥氏体，渗碳体）及其成分，组织（铁素体，珠光体，莱氏体，一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体）及其形貌和成分，平衡结 晶过程分析，平衡相、平衡组织及其相对量计算，成分与性能关系第十节，成分三角形及
39、其成分的标注，成分三角形中的特殊线，直线法则，杠杆定律，重心 法则，匀晶相图平衡结晶过程分析（连接线方向、连接线走向），简单共晶相图平 衡结晶过程分析，平衡组织相对量计算，四相平衡转变及其相图形式，实际相图分 析第五章总体掌握：对二元相图：简单二元相图和Fe-Fe3c相图平衡结晶过程分析，平衡相、平衡组织及其相对 量计算，平衡组织的形貌描述，Fe-Fe3c相图室温平衡组织与性能的关系。对三元相图：由等温截面、垂直截面、投影图分析匀晶和简单共晶平衡结晶过程，平衡相、 平衡组织及其相对量计算，实际三元相图分析。（返回目录）第五章（一）内容及习题引言本节课提示：现在开始学习第五，第五章的篇幅较大，在
40、课堂上注意有重点地看，按时完成每节课的作 业，作业外的内容可在课后看。相图表示在一定条件下，处于热力学平衡状态的物质系统中平衡相之间关系的图形。又称 为平衡图、组成图或状态图。相图中的每一点都反映一定条件下，某一成分的材料在平衡状 态下由什么样的相组成，各相的成分与含量分别是多少。自J. W. Gibbs （吉布斯）于1876年创建相律后，很多科学工作者应用相律或更加复杂的 热力学推导，详细地研究了相图的形态与构筑规律。H. W. Bakhius. Roozeboom首先把相律 应用于合金系统，于1900年制成第一幅较完善的铁一碳相图。此后，系统的相图实验研究 于20世纪初逐步开展。如：190
41、31915年，德国Tammann学派发表了许多合金的平衡图。 20世纪30年代，由于X射线衍射技术在相结构分析方面的应用，极大地推动了相图实测工 作的开展。40年代后，现代实验手段的出现与不断完善，使相图测定，无论从速度还是准 确性方面都有明显的提高。至今人们已经积累了大量珍贵的实测相图数据，其中大部分被汇 编成册并得到广泛应用。在相图计算方面，电子计算机与与相图热力学相结合，使相图的数值计算取得了长足的进 展。20世纪70年代以来，这一学派成功的计算与预测了许多合金、陶瓷、熔盐以及聚合物 相图，建立了一系列相图热力学数据库，从而为研究和探索这些材料的相变理论，为新材料 设计提供了科学依据。本
42、节课要求1掌握相图的组成，掌握相律的表示方法及其对平衡的指导意义。掌握匀晶合金的平衡结晶 过程分析、平衡相成分分析和利用杠杆定律进行平衡相相对量计算，了解匀晶合金的不平衡 结晶过程。2学习第一、二节，并完成习题14。习题1简述相图的组成、作用，具体描述一种制作相图的方法。2简述相律中各项的含义，应用相律说明在常压下，一元、二元和三元系统中最大的相数各 是多少？3如图是铜银二元合金相图的一部分，含银20%的合金在温度为T时处于平衡状态，问： （1）处于几相平衡状态？（2）由哪几个平衡相组成？（3）此时的自由度数是几？（4）分 别写出每个平衡相的成分；（5）计算每个平衡相的相对量。4有1000g铜
43、银二元合金，成分为含Cu=80wt% （wt%为重量百分比），问：（1）该合金在何温度开始熔化，何温度开始凝固。与纯铜或纯锲相比，有何差异。（2）画出该合金的平衡冷却曲线（即步冷曲线）。（3）若将合金加热至完全熔化后，再极缓慢地冷却至1150等温，此时合金处于何种状态？（即为单一液相、固液两相还是单一固相？）（4）若（3）的状态为固液两相，请指出此时固相和液相的平衡成分是多少？它们的重量又分别是多少?（5）若将上述合金继续极缓慢地冷却至室温，请利用相图定性分析固液两相的成分和用量 将分别如何变化。（6）若将合金再加热至完全熔化后，较快地冷却至115OC等温，此时合金将处于何种状 态？若仍然处于
44、固液两相，则与（4）相比，此时两相的成分和重量将有何差异。（返回目录）第五章（二）内容及习题引言前述内容和作业反馈：1相图反映了系统中的合金成分、温度与其平衡状态之间的关系。所以，相图反映的是平衡。 2合金的平衡状态指的是合金以怎样的结构存在，也可以称为合金的平衡相。如：（1）纯铁 在室温是以体心立方结构存在，为单相状态，称为a相；在912以上以面心立方结构存在, 也是单相，称为丫相；在912时为体心立方和面心立方共存，为（a + 丫）两相状态。（2） 含铜80%的铜银合金在1200C以上为单相（液相），大约在1125c以下也为单相（固相）， 在12001125之间，为固液两相。3合金的成分是
45、指合金中每个组元的含量，如：其成分为含铜80%,含银20%。4合金的平衡成分是指该合金在某一温度下长期放置所具有的成分，由于相图反映了平衡， 所以，合金相的平衡成分可以在相图中找到。如：含铜80%的铜银合金，总重量是1000克, 在1150处于固液两相平衡，其中，固相的平衡成分为含铜70%左右，液相的平衡成分为 含铜85%左右。5平衡相的审量是指每个相的看量，如：含铜80%的铜银合金，总事量是1000克，在1150 处于固液两相平衡，固相的重量设定为X,则液相的重量为（1000-x）,因为固相的平衡成 分为含铜70%左右，液相的平衡成分为含铜85%左右，所以有：1000 X 80%=70% X
46、x + 85% X （1000-x）,即可分别求得固液两相的重量。平衡相的重量也符合杠杆定律。6在平衡结晶过程中，液相的成分沿着液相线变化，液相的量逐渐减少；固相的成分沿着固 相线变化，固相的量逐渐增加。7平衡结晶只有在极慢的冷却下才能获得。与平衡结晶相比，在不平衡结晶过程中，在冷却 至相同的温度时，固相中含有的高熔点组元的量将增加，而固相的量将下降。8如图为铜银二元合金相图的一部分 含20%银的合金在1150C处于固相和液相混合状态, 为两相平衡状态，固相的平衡成分为b点的成分，液相的成分为a点的成分。9相律f=c-p + 2, 2表小的温度和压力，若是常压下，则为f = c-p+l。对于二
47、兀合金, c=2,所以有f=3-p,当f=0时，p有最大值为3。就是说二元合金最多可以有三相平衡。 f = 0的意思是：要维持三相平衡，则平衡相的成分、平衡温度都不能发生变化。如：锡 铅二元合金发生共晶转变时，处于三相平衡，此时f=0,所以，转变过程中温度一定，平 衡相的成分也一定。也就是说，只有含锡61.9%的液相才可以发生共晶转变。本节课提示：1匀晶转变是在液相中结晶出一个结构的固相，若在结晶过程中同时结晶出两种不同结构的 固相，则这种转变叫共晶转变，请思考：在某一温度下，若液相和结晶出的两个固相共存， 则此时的自由度为儿，说明什么意思？2从液相中同时结晶出的两个固相，通常具有特定的组态形貌，用光学显微镜可以观察到它 们的组态形貌，称为共晶组织。组织与相是两个不同的概念，组织反映在光学显微镜中可以 观察到的组态形貌，相是指结构，即原子排列方式。3随着温度的下降