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1、材料科学基础材料科学基础秦文静秦文静60215746E-mail：注意事项注意事项v 考勤考勤 以随机点名、随堂测验作为考勤，三次不到取消考试资格v 作业作业 作为平时成绩的参考v 考试考试 无划重点v 课堂纪律课堂纪律 请尽量不要迟到早退，课堂上不许喧哗v 课代表课代表学习学习工作工作考研考研毕业毕业报考材料学科的报考材料学科的研究生的专业课研究生的专业课-材料学科的基础材料学科的基础-课程的重中之重课程的重中之重重要的指导意义重要的指导意义-重要保障重要保障材料科学材料科学基础基础教学大纲教学大纲v 相平衡与相图相平衡与相图 相图基本知识相图基本知识 合金相图，共晶相图合金相图，共晶相图
2、包晶相图，其他类型相图包晶相图，其他类型相图 铁碳相图铁碳相图 铁碳相图铁碳相图 三元相图三元相图教学大纲教学大纲v 凝固凝固 纯金属凝固，均匀形核纯金属凝固，均匀形核 非均匀形核非均匀形核 固溶体结晶固溶体结晶 溶质浓度分布，合金的成分过冷溶质浓度分布，合金的成分过冷 主要凝固组织，共晶合金的凝固主要凝固组织，共晶合金的凝固 共晶形成机制，非平衡凝固共晶形成机制，非平衡凝固教学大纲教学大纲v 固态相变固态相变固态相变形核与长大固态相变形核与长大过饱和固溶体分解过饱和固溶体分解共析转变共析转变马氏体转变马氏体转变贝氏体转变贝氏体转变教学大纲教学大纲v 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 单晶
3、体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形材料的加工硬化材料的加工硬化冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶本节大纲本节大纲相与组元相与组元2相平衡相平衡3自由度与相律自由度与相律4单元系相图单元系相图5背景知识背景知识1 相图基本知识相图基本知识 背景知识背景知识v 宏观性能取决于微观结构宏观性能取决于微观结构背景知识背景知识v 材料的性能决定于内部的组织结构材料的性能决定于内部的组织结构C无定形碳无定形碳石墨石墨金刚石金刚石相与组元相与组元v 材料由基本的材料由基本的相相所组成所组成相是在一个体系中，相是在一个体系中，结构相同，成分和性能均结构相同，成分和性能均
4、一一，并以，并以界面界面相互分开的均匀部分。相互分开的均匀部分。不同相之间必有界面分开（相界面），在相界不同相之间必有界面分开（相界面），在相界面处的物质的性能发生突变。面处的物质的性能发生突变。（晶界）（晶界）v 相可以是单质，也可以是化合物相可以是单质，也可以是化合物气体气体 液体液体 固体固体同素异晶体同素异晶体相与组元相与组元v 材料的整体性能取决于材料的整体性能取决于存在相的数目存在相的数目它们的相对量它们的相对量各相的成分与结构各相的成分与结构相的尺寸和空间分布相的尺寸和空间分布v 材料的相依赖于材料的相依赖于整体成分整体成分温度和压力等变量温度和压力等变量相与组元相与组元v 组元
5、组元构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的物质物质将既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也将既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也视为一种组元视为一种组元元素（元素（Fe，Si，C）计量化合物（计量化合物（NaCl，Li2O，Si3N4）一元系、二元系、三元系及多元系统一元系、二元系、三元系及多元系统相与组元相与组元水水苏打水苏打水冰水冰水冰苏打水冰苏打水一元系一元系 H2O 单相单相 液液二元系二元系 H2O CO2 两相两相 气气 液液一元系一元系 H2O 两相两相 液液 固固二元系二元系 H2O CO2 三相三相 气气 液液 固固相平衡相平衡v
6、相平衡相平衡每一个组元在各相中的化学势相等是多相系统每一个组元在各相中的化学势相等是多相系统处于热力学平衡的必要条件，也是其相平衡的处于热力学平衡的必要条件，也是其相平衡的必要条件（证明过程略）必要条件（证明过程略）机械平衡机械平衡热平衡热平衡化学平衡化学平衡化学热力学平衡化学热力学平衡各相各相相平衡相平衡化学势化学势化学势化学势各组元各组元相平衡相平衡v 相平衡相平衡宏观上系统中参与宏观上系统中参与相变相变过程的各相长时间不再过程的各相长时间不再互相转化（指成分和相对量）时所达到的平衡。互相转化（指成分和相对量）时所达到的平衡。相平衡属于动态平衡，微观上组元不停地通过相平衡属于动态平衡，微观
7、上组元不停地通过各相界面进行迁移的速度相等。各相界面进行迁移的速度相等。v相变：相变：一个相转变为其它相的过程。一个相转变为其它相的过程。自由度与相律自由度与相律v 自由度自由度在平衡系统中在平衡系统中独立可变独立可变的因素的因素温度、压力、相的成分温度、压力、相的成分v 自由度数自由度数 f：自由度的最大数目：自由度的最大数目 水：水：温度、压力温度、压力 f=2自由度与相律自由度与相律v 相律相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式。表达式。v相律数学表达式：相
8、律数学表达式：f=c-p+n p：平衡相数：平衡相数；c：体系的组元数；：体系的组元数；f：体系自由度数：体系自由度数；n：温度和压力等因素：温度和压力等因素 注：平衡状态下注：平衡状态下f0；p1 若若 f0 系统处于非平衡状态系统处于非平衡状态自由度与相律自由度与相律v 纯金属（恒压下）：纯金属（恒压下）：当只有单相存在时：当只有单相存在时：f=1-1+1=1，其自由，其自由度数为度数为1，即温度是可以独立改变的；，即温度是可以独立改变的；当自由度当自由度 f=0 时：时：0=1-p+1 即即 p=2，纯，纯金属可以（液固）两相平衡共存，此时为恒金属可以（液固）两相平衡共存，此时为恒温状态
9、。温状态。自由度与相律自由度与相律v 二元系金属（恒压下）：二元系金属（恒压下）：两相平衡：两相平衡：f=2-2+1=1，其自由度数为，其自由度数为1，说明有一个可变因素，表明它在一定（说明有一个可变因素，表明它在一定（T）范）范围内结晶；围内结晶；三相平衡：三相平衡：f=2-3+1=0，此时温度恒定，此时温度恒定，三相成分恒定不变，各因素恒定。三相成分恒定不变，各因素恒定。单元系相图单元系相图v 单元系单元系 组元数组元数 c=1 f=c-p+2=3-p p=1 f=2;p=2 f=1;p=3 f=0v水的相图水的相图单元系相图单元系相图v 纯铁的相图（同素异晶转变）纯铁的相图（同素异晶转变）图中有图中有4个特性点：个特性点：-Fe-Fe-Fe L相相单元系相图单元系相图v 课堂练习课堂练习SiO2的相图的相图