材料科学基础——4
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材料科学基础-第4次作业
的成分同上，但各占50%时合金的成分。
解：设液相、α相和β相各占x,y,z.
50%x+85%y+10%z=40%……A x=10.5%
40%x+10%y+20%z=30%……B y=34.2%
10%x+5%y+70%z=30%……C z=55.3%
所以，液相占10.5%，α相34.2%，β相55.3%；
解:
（a） 如图，
a点，纯A， ；
b点， ，
c点，
d点，
e点，纯B，
中间相为 。
(b)由图中虚线可知，在 范围，液相成分沿液相线变化，析出A。
设刚到 时，析出A的质量为
，
剩余液相L质量为100-53.5=46.5kg，在 发生共晶反应析出 ,设共晶反应析出A质量为 ，
∴最多能分理出纯A的质量为
5.如图的二元合金相图，
（2）α为端际固溶体，与Al结构相同，FCC结构。
（3）变形合金0~5.65%；铸造合金33.2%附近。
（4）
(5)如图，
6.固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：(a)成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；(b)若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？(c)成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；(d)合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？
解：（a）80%；（b）20%；(c)20%；
(d)
五,三元相图
1.某三元合金K在温度为t1时分解为B组元和液相，两个相的相对量WB/WL= 2。已知合金中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。
解：∵WB/WL= 2，∴WB1=66.7%，WL=33.3%
解：设液相、α相和β相各占x,y,z.
50%x+85%y+10%z=40%……A x=10.5%
40%x+10%y+20%z=30%……B y=34.2%
10%x+5%y+70%z=30%……C z=55.3%
所以，液相占10.5%，α相34.2%，β相55.3%；
解:
（a） 如图，
a点，纯A， ；
b点， ，
c点，
d点，
e点，纯B，
中间相为 。
(b)由图中虚线可知，在 范围，液相成分沿液相线变化，析出A。
设刚到 时，析出A的质量为
，
剩余液相L质量为100-53.5=46.5kg，在 发生共晶反应析出 ,设共晶反应析出A质量为 ，
∴最多能分理出纯A的质量为
5.如图的二元合金相图，
（2）α为端际固溶体，与Al结构相同，FCC结构。
（3）变形合金0~5.65%；铸造合金33.2%附近。
（4）
(5)如图，
6.固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：(a)成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；(b)若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？(c)成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；(d)合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？
解：（a）80%；（b）20%；(c)20%；
(d)
五,三元相图
1.某三元合金K在温度为t1时分解为B组元和液相，两个相的相对量WB/WL= 2。已知合金中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。
解：∵WB/WL= 2，∴WB1=66.7%，WL=33.3%
10《材料科学基础》-第四章固体中原子及分子的运动01表象理论
若D与浓度无关，则： ∂ρ ∂ρ =D ∂t ∂x
2 2
对三维各向同性的情况：
∂ρ ∂ρ ∂ρ ∂ρ = D( + + ) ∂z ∂t ∂x ∂y
2 2 2 2 2 2
菲克定律描述了固体中存在浓度 梯度时发生的扩散，称为化学扩散 当扩散不依赖于浓度梯度，仅由 热振动而引起时，则称为自扩散
定义：自扩散系数 Ds= ∂ρ →0
4.2 扩散的热力学分析
4.2.1 扩散驱动力
菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象， 菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象， 扩 散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀。 散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀。
有些扩散是由低浓度处向高浓度处进行的， 有些扩散是由低浓度处向高浓度处进行的， 如固溶体中某些 偏聚，这种扩散被称为“上坡扩散” 偏聚，这种扩散被称为“上坡扩散”。
扩散是固体中原子迁移的唯一方式 物质的传输方式
气体： 扩散+对流
固体： 扩散
离 子 键
液体： + 扩散+对流
金属
陶瓷
高分子
扩散机制不同
本章内容
• 扩散的表象理论 • 扩散的原子机制 • 影响扩散的因素 • 陶瓷材料中扩散的主要特征 • 高分子材料中分子运动的规律
4. 1 表象理论
扩散(diffusion): 在一个相内因分子或原子的热激活运动导 致成分混合或均匀化的分子动力学过程
3．空位机制 ． 晶体中存在着空位，空位的存在使原子迁移更容易。 晶体中存在着空位，空位的存在使原子迁移更容易。通过 空位，原子从晶格中一个位置迁移到另一个位置实现交换。 空位，原子从晶格中一个位置迁移到另一个位置实现交换。
《材料科学基础》课件4影响扩散的因素
低温下明显，高温下空位浓度多，晶界扩散被晶内扩散掩盖。
锌 在 黄 铜 中 的 扩 散 系 数
晶粒尺寸小，晶界多，D明显增加。
点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。
线缺陷：线缺陷主要形式是位错，位错线附近的溶质原子 的浓度高于平均值；位错象一根管道，沿位错扩散激活能很 低，D可以很高，原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体中 的扩散快。但位错截面积总分数很少，只在低温时明显，如 低温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核。
空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散系 数本身就是各组元成分的函数。
几种合金相图与互扩散系数间的关系
（6）第三元素（或杂质）影响
– 形成碳化物元素，如W、Mo、 Cr等，降低碳的扩散系数； – 形成不稳定碳化物，如Mn， 对碳的扩散影响不大； – 不形成碳化物元素，影响不一， 如Co、Ni可提高C的扩散，而Si 则降低碳的扩散。
合金元素对碳在γ-Fe中扩散系数的影响
碳钢和硅钢组成的扩散偶 初始状态：两者的碳浓度相同，没有浓度梯度。 在1050℃扩散后，形成了浓度梯度。
（7）扩散元素浓度 溶质扩散系数随浓度增加而增大。
其系 他数 组与 元其 在浓 铜度 中间 的的 扩关 散系
（8）其他因素 弹性应力场：可以加速尺寸大的原子向拉应力大处扩散， 同样加速尺寸小的原子向压应力大处扩散，这种扩散可以松 弛应力，但也能把原来的弹性应变部分的转化为不可恢复的 永久变形(塑性变形)，这种在应力作用下的扩散过程也是材 料以蠕变方式发生塑性变形的基本机制。
• 对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著影 响。例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。
• 同素异晶转变的金属中，D随晶体结构改变。
例如：910℃时，Dα-Fe/Dγ-Fe=280，α-Fe致密度低，且易形 成空位。γ-Fe具有最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原 子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故 具有γ型晶体结构的奥氏体钢可作为高温用钢。
锌 在 黄 铜 中 的 扩 散 系 数
晶粒尺寸小，晶界多，D明显增加。
点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。
线缺陷：线缺陷主要形式是位错，位错线附近的溶质原子 的浓度高于平均值；位错象一根管道，沿位错扩散激活能很 低，D可以很高，原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体中 的扩散快。但位错截面积总分数很少，只在低温时明显，如 低温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核。
空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散系 数本身就是各组元成分的函数。
几种合金相图与互扩散系数间的关系
（6）第三元素（或杂质）影响
– 形成碳化物元素，如W、Mo、 Cr等，降低碳的扩散系数； – 形成不稳定碳化物，如Mn， 对碳的扩散影响不大； – 不形成碳化物元素，影响不一， 如Co、Ni可提高C的扩散，而Si 则降低碳的扩散。
合金元素对碳在γ-Fe中扩散系数的影响
碳钢和硅钢组成的扩散偶 初始状态：两者的碳浓度相同，没有浓度梯度。 在1050℃扩散后，形成了浓度梯度。
（7）扩散元素浓度 溶质扩散系数随浓度增加而增大。
其系 他数 组与 元其 在浓 铜度 中间 的的 扩关 散系
（8）其他因素 弹性应力场：可以加速尺寸大的原子向拉应力大处扩散， 同样加速尺寸小的原子向压应力大处扩散，这种扩散可以松 弛应力，但也能把原来的弹性应变部分的转化为不可恢复的 永久变形(塑性变形)，这种在应力作用下的扩散过程也是材 料以蠕变方式发生塑性变形的基本机制。
• 对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著影 响。例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。
• 同素异晶转变的金属中，D随晶体结构改变。
例如：910℃时，Dα-Fe/Dγ-Fe=280，α-Fe致密度低，且易形 成空位。γ-Fe具有最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原 子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故 具有γ型晶体结构的奥氏体钢可作为高温用钢。
材料科学基础 习题4答案
晶体缺陷 习题1、纯金属晶体中主要的点缺陷是什么，试述其产生的可能途径？答：在纯金属晶体中，主要的点缺陷是空位和间隙原子。
它们产生的途径有：1、由于热振动而使原子脱离正常点阵位置；2、冷加工造成的位错相互作用产生，如带割阶的位错运动会产生空位；3、高能粒子辐照等。
2、由600℃至300℃时，锗晶体中的平衡空位浓度下降了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。
（k=1.38×10-23J/K 或8.617×10-5 eV/K ） 答：空位平衡浓度为：)ex p(kTE A N n C f -== 所以：660030060030010)]87315731(exp[)exp(-=-⨯-=+-=k E kT E kT E C C f f f 可得：E f ＝3.176×10-19 J/mol 或1.98eV 。
3、一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?可以是刃位错，但不能是螺位错。
4、面心立方晶体中有]101[21位错，其方向为]112[，分解成Shockly 不全位错，写出该反应的反应式，并说明该反应成立的理由。
答：由于此位错线的柏氏矢量与位错线方向垂直（]112[]101[21⊥），因此可以判定其为刃型位错； 其滑移面法向为： k j i k j i k j i222]1)2(10[]01)2()1[()]1(111[112110++=⨯--⨯+⨯--⨯-+-⨯-⨯=--即[111]，因此这一位错应在(111)面上进行分解反应，反应式为： ]121[61]211[61]101[21+→5、简单立方晶体(100)面有1个b=[0⎺10]的刃位错(a)在(001)面有1个b=[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？(b)在(001)面有1个b=[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？解：两位错相割后，在位错留下一个大小和方向与对方位错的柏氏矢量相同的一小段位错，如果这小段位错在原位错的滑移面上，则它是扭折；否则是割阶。
材料科学基础 第4章 点缺陷和扩散
空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧
化、烧结等都产生了重要的影响。
30
二、离子晶体中的空位及间隙原子
肖脱基缺陷:为了保持晶体的电的中性，空位只能 以与晶体相同的正离子:负离子的空位比率小组的 方式产生。这些电中性的正离子-负离子-空位丛簇 称为。 弗兰克缺陷：以空位/间隙对形式存在的缺陷群。
29
关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的 平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。
不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形 成能大于低熔点金属的形成能。
空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在 相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加 热温度越高，则空位浓度越大。 C平＝exp[-Ev/kT+Sc/k]
23
空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
24
5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
53扩散分类1根据?c?t分类稳态扩散和非稳态扩散2根据?c?x分类?c?x0自扩散在纯金属和均匀合金中进行?c?x?0互扩散上坡扩散和下坡扩散3根据扩散途径分类体扩散晶界扩散表面扩散短程扩散沿位错进行的扩散4根据合金组织分类单相扩散多相扩散54二扩散的物理描述fick第一扩散定律影响原子移动的速率即扩散速率的因素
化、烧结等都产生了重要的影响。
30
二、离子晶体中的空位及间隙原子
肖脱基缺陷:为了保持晶体的电的中性，空位只能 以与晶体相同的正离子:负离子的空位比率小组的 方式产生。这些电中性的正离子-负离子-空位丛簇 称为。 弗兰克缺陷：以空位/间隙对形式存在的缺陷群。
29
关于空位的总结
空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的 平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。
不同金属的空位形成能是不同的，一般高熔点金属的形 成能大于低熔点金属的形成能。
空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在 相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加 热温度越高，则空位浓度越大。 C平＝exp[-Ev/kT+Sc/k]
23
空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
24
5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
53扩散分类1根据?c?t分类稳态扩散和非稳态扩散2根据?c?x分类?c?x0自扩散在纯金属和均匀合金中进行?c?x?0互扩散上坡扩散和下坡扩散3根据扩散途径分类体扩散晶界扩散表面扩散短程扩散沿位错进行的扩散4根据合金组织分类单相扩散多相扩散54二扩散的物理描述fick第一扩散定律影响原子移动的速率即扩散速率的因素
材料科学基础(相变)4
第4章 马氏体转变
4.2 马氏体相变的主要特点
四、马氏体转变是在一个温度范围内完成的：
马氏体转变是奥氏体冷却的某一温度时才开始的，这一温度 称为马氏体转变开始温度，简称Ms点。
马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下才能使转 变继续进行，如冷却中断，则转变立即停止。 当冷却到某一温度时，马氏体转变基本完成，转变不再进行， 这一温度称为马氏体转变结束温度，简称Mf点。 从以上分析可以看出，马氏体转变需要在一个温度范围内连 续冷却才能完成。 如果Mf点低于室温，则冷却到室温时，将仍保留一定数量的 未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。
一、切变共格和表面浮凸现象：
奥氏体向马氏体晶体结构的转变是靠切变进行的，由于切变使相界面 始终保持共格关系，因此称为切变共格。 由于切变导致在抛光试样表面在马氏体相变之后产生凸起，即表面浮 凸现象。
二、马氏体转变的无扩散性：
原子不发生扩散，但发生集体运动，原子间相对运动距离不超过一个 原子间距，原子相邻关系不变。 转变过程不发生成分变化，但却发生了晶体结构的变化。
位向关系
亚结构
K-S关系－西山关系
位错
K-S关系
孪晶
西山关系
其它马氏体形态：蝶状马氏体，薄片状马氏体，ε’马氏体
第4章 马氏体转变
4.3 钢中马氏体的组织形态
四、影响马氏体形态的因素：
马氏体点形态主要取决于马氏体的形成 温度，而马氏体的形成温度有主要取决 于马氏体中碳和合金元素含量。 随马氏体中碳含量的提高，马氏体形成 温度降低，板条马氏体数量相对减少， 片状马氏体数量相对增多。 除Co和Al外，合金元素都使马氏体形成 温度降低，促进片状马氏体的形成。 碳含量对马氏体形态的影响
间隙半径是原子 半径的0.154倍
《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷
41
刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小， 产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处 切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。x NhomakorabeaGb
2 (1 )
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
y
Gb
2 (1
)
y(x2 y2) (x2 y2)2
z ( x y )
x
xy
Gb
2 (1 )
21
刃位错b与位错线 垂直
螺位错b与位错线 平行
bb
l
l
正
负
b
b
右旋
左旋
任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。
有大小的晶向指数表示
b a [uvw] 模 n
b a u2 v2 w2 n
22
Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内
部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量 之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。
不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与 晶界和相界，与其他位错相交，位错环）
半原子面及周围区域统称为位错
18
2. 螺位错
晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围 的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。
几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。
d
34
六、位错应变能
位错原子偏移正常位置，产生畸变应力， 处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹 性应变。
位错心部应变较大，超出弹性范围， 但这部分能量所占比例较小， <10%，可以近似忽略。
35
1. 理论基础：连续弹性介质模型
材料科学基础(第04章晶体结构)
点阵常数：晶胞的棱边长度，可以采用X射线衍射分析求得。 原子半径：假设原子为刚性球，两个最近邻原子之间的距离就是 原子的半径之和。 面心立方结构：点阵常数为a，且21/2a=4R 体心立方结构：点阵常数为a，且31/2a=4R 密排六方结构：点阵常数为a和c，（a2/3+c2/4）1/2=2R
化学亲和力（电负性）：化学亲和力越强，倾向于生成化合物而
不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定则溶解度越小。只有电 负性详尽的元素才可能具有大的溶解度。
原子价因素：当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属为
基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。
2.3 合金相结构
2.3.1 固溶体 2. 间隙固溶体： ① ② 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙 固溶体。 影响间隙固溶度的因素
4.2 晶体学基础
4.2.1 空间点阵（ lattice）和晶胞（cell） 1. 为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将 实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其 中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为 阵点。 这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的 周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称 为空间点阵，简称点阵。 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵 的组成单元，称为晶胞。同一空间点阵可因选取方式 不同而得到不相同的晶胞。
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶 面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只 是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{h k l}表示， 它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。 正交点阵中一些晶面的面指数
4.2 晶体学基础
化学亲和力（电负性）：化学亲和力越强，倾向于生成化合物而
不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定则溶解度越小。只有电 负性详尽的元素才可能具有大的溶解度。
原子价因素：当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属为
基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。
2.3 合金相结构
2.3.1 固溶体 2. 间隙固溶体： ① ② 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙 固溶体。 影响间隙固溶度的因素
4.2 晶体学基础
4.2.1 空间点阵（ lattice）和晶胞（cell） 1. 为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将 实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其 中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为 阵点。 这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的 周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称 为空间点阵，简称点阵。 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵 的组成单元，称为晶胞。同一空间点阵可因选取方式 不同而得到不相同的晶胞。
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶 面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只 是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{h k l}表示， 它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。 正交点阵中一些晶面的面指数
4.2 晶体学基础
《材料科学基础》课件4无规则行走与扩散距离
r1 A Rn
B rn
r2 r3
ri
一个原子作随机行走，第i次行走以ri表示，经n步后，它的最终
位置以Rn表示，即：
n
Rn r1 r2 r2 rn ri
i 1
当走的步数n很大，可以用统计的方法求走过的平均距离。
Rn2
n
ri
n
ri
n
n1 ni
ri2 2
ri ri j
面之间的距离，也就是r在扩散方向上的投影值。K r d P 是 取决于晶体结构的几何因子。
由微观理论导出的原子扩散距离与时间的关系与宏观理论
得到的公式完全一样。
宏观的扩散流是由大量的原子无数次微观跳 动组合而成的，微观粒子的布朗运动可作为我们 对这种跳动图象描述的借鉴。虽然在晶体中原子 的跳动和布朗运动相似，但也有一定区别，那就 是原子跳动并不是完全无规随机的。
例如，在某一温度下=1010s1，经1h扩散后，原子真实迁移距
离是宏观扩散距离的 1010 3600 6106 倍，即宏观扩散距离 1mm，而每个原子平均迁移的总距离为几公里。
将 D d 2PΓ 中的跳跃频率Γ代入 Rn2 Γt r ，则
Rn2
d
r P
Dt K Dt
式中，r是原子的跳动距离，d是与扩散方向垂直的相邻平行晶
Rn2
nr 2 1
2 n
n 1 i1
ni j1
cosi,i
j
原子跳动的各方向都是等几率的，任一个的正负值出现的几率是
相等的。所以，上式中的余弦平均值为零，得
Rn2 nr2
Rn2 nr
原子的平均迁移值与跳跃次数的平方根成正比。因为n= t
Rn2 Γt r
材料科学基础试题1-4参考答案
试题一答案一、1：4；2：O2-离子做面心立方密堆积，Na+填全部四面体空隙；3：=4CN O2-=8 [NaO4][ONa8]；4：O2-电价饱和，因为O2-的电价=（Na+的电价/Na+的配位数）×O2的配位数；5：二、1：Al4[Si4O10](OH)8；2：单网层状结构；3：一层硅氧层一层水铝石层且沿C轴方向堆积；4：层内是共价键，层间是氢键；5：片状微晶解理。
三、1：点缺陷，线缺陷，面缺陷；2：由低浓度向高浓度的扩散；3：坯体间颗粒重排，接触处产生键合，大气孔消失，但固-气总表面积变化不大；4：按硅氧比值分类或按硅氧聚和体的大小分类；5：表面能的降低，流动传质、扩散传质、气相传质和溶解-沉淀传质；6：随自由能的变化而发生的相的结构的变化，一级相变、二级相变和三级相变。
四、 1：O←→VNa ′+VCl˙2：AgAg→Agi˙+VAg′3：3TiO23Ti Nb˙+V N b˙+6O O2TiO22Ti Nb˙+O i′′+3O0Nb2-x Ti3x O3可能成立Nb2-2x Ti2x O3+x4：NaCl NaCa′+ClCl+VCl˙五、一是通过表面质点的极化、变形、重排来降低表面能，二是通过吸附来降低表面能。
1：t=195h2：t=68h七、当O/Si由2→4时，熔体中负离子团的堆积形式由三维架状转化为孤立的岛状，负离子团的聚合度相应的降至最低。
一般情况下，熔体中负离子团的聚合度越高，特别是形成三维架状的空间网络时，这些大的聚合离子团位移、转动、重排都比较困难，故质点不易调整成规则排列的晶体结构，易形成玻璃。
熔体中负离子团的对称性越好，转变成晶体越容易，则形成玻璃愈难，反之亦然。
八、晶界上质点排列结构不同于内部，较晶体内疏松，原子排列混乱，存在着许多空位、位错、键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需活化能较晶内为小，扩散系数为大。
九、二次再结晶出现后，由于个别晶粒异常长大，使气孔不能排除，坯体不在致密，加之大晶粒的晶界上有应力存在，使其内部易出现隐裂纹，继续烧结时坯体易膨胀而开裂，使烧结体的机械、电学性能下降。
材料科学基础-第4章相图
第四章
材料的相结构与相图
PHASE STRUCTURE AND PHASE DIAGRAM OF MATERIALS
材料的相结构 二元相图及其类型 复杂相图分析 相图的热力学基础 三元相图及其类型
THE END
第一节
材料的相结构
PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
相 — 体系中成分、结构、性能相同且与 其他部分有界面隔开的均匀部分或 连续变化的部分 合金中的相
(4) 晶内偏析及其有害影响 晶内偏析—固溶体晶粒内部成分不均匀的 现象，也称枝晶偏析．枝干富含高熔点 组元，枝间富含低熔点组元． 偏析倾向：取决于 L/S 相线垂直距离 偏析程度：取决于 L/S 相线水平距离 有害影响
⎧ ⎨ ⎩
降低强度、塑性、韧性 降低抗腐蚀性能 加热时过早熔化
(5) 均匀化退火—将有晶内偏析的材料加热至 固相线以下100～200℃长期保温
E AB E AB
1 = ( E AA + E BB ) 2 1 > ( E AA + E BB ) 2 1 < ( E AA + EBB ) 2
无序 偏聚 有序
2) 有序固溶体（超结构） 能量条件 形成条件
E AB 1 < ( E AA + EBB ) 2
成分条件 A、B成一定比例 温度条件 低于一定温度
5) 具有匀晶相图的陶瓷系统
Mg2SiO4→(Mg,Fe)2SiO4→(Fe,Mg)2SiO4→Fe2SiO4
Mg2SiO4-Fe2SiO4 相图
Mg[CO3]－Fe[CO3]， K[AlSi3O8]－Na[AlSi3O8] 其它： 菱镁矿 菱铁矿 钾长石 钠长石
2. 共晶相图及结晶分析 1) 相图分析
材料的相结构与相图
PHASE STRUCTURE AND PHASE DIAGRAM OF MATERIALS
材料的相结构 二元相图及其类型 复杂相图分析 相图的热力学基础 三元相图及其类型
THE END
第一节
材料的相结构
PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
相 — 体系中成分、结构、性能相同且与 其他部分有界面隔开的均匀部分或 连续变化的部分 合金中的相
(4) 晶内偏析及其有害影响 晶内偏析—固溶体晶粒内部成分不均匀的 现象，也称枝晶偏析．枝干富含高熔点 组元，枝间富含低熔点组元． 偏析倾向：取决于 L/S 相线垂直距离 偏析程度：取决于 L/S 相线水平距离 有害影响
⎧ ⎨ ⎩
降低强度、塑性、韧性 降低抗腐蚀性能 加热时过早熔化
(5) 均匀化退火—将有晶内偏析的材料加热至 固相线以下100～200℃长期保温
E AB E AB
1 = ( E AA + E BB ) 2 1 > ( E AA + E BB ) 2 1 < ( E AA + EBB ) 2
无序 偏聚 有序
2) 有序固溶体（超结构） 能量条件 形成条件
E AB 1 < ( E AA + EBB ) 2
成分条件 A、B成一定比例 温度条件 低于一定温度
5) 具有匀晶相图的陶瓷系统
Mg2SiO4→(Mg,Fe)2SiO4→(Fe,Mg)2SiO4→Fe2SiO4
Mg2SiO4-Fe2SiO4 相图
Mg[CO3]－Fe[CO3]， K[AlSi3O8]－Na[AlSi3O8] 其它： 菱镁矿 菱铁矿 钾长石 钠长石
2. 共晶相图及结晶分析 1) 相图分析
无机材料科学基础--4位错
2. 螺型位错
设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使右端ABCD滑移面 上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切变，在已滑移区与未 滑移区的交界处，两侧的上下两层原子发生了错排和不对齐现象， 这个过渡区内的上下二层的原子相互移动的距离小于一个原子间 距，因此它们都处于非平衡位置。这个过渡区就是螺型位错，也 是晶体已滑移区和未滑移区的分界线。之所以称其为螺型位错， 是因为如果把过渡区的原子依次连接起来可以形成“螺旋线”。 此种晶格缺陷被称为螺型位错。螺旋位错分为左旋和右旋。 以大拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转 方向，符合右手法则的称右旋螺旋位错，符合左手法则的称左旋 螺旋位错。
混合位错
2. 位错的攀移 刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运 动即发生攀移。攀移的实质是多余半原子 面的伸长或缩短。
(a)正攀移
刃型位错的攀移 (b)原始位置
(c)负攀移
攀移伴随物质迁移，需要较高能量； 作用于攀移面的正应力、过饱和空位等都有助于攀移。
攀移与滑移区别：
1）攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话， 比滑移需更大能量。 2）低温攀移较困难，高温时易攀移。在许多高温过程如蠕 变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。 3）攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。 4）作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。 压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。 5）晶体中过饱和空位也有利于攀移。
2.位错的增殖 在晶体塑性变形过程中，有大量的位错滑移出 晶体表面而消失，晶体中位错数量按理将越来越少， 但是实验表明，塑性变形过程中位错的数量不仅没 有减少，反而大大增加了，这表明，位错在以某种 方式进行增殖，这个能增殖位错的地方就是位错源。 位错增殖模型： ①L型位错滑移增殖 ②F－R源增殖 ③双交滑移增殖模型 ④位错攀移增殖模型(正攀移 负攀移)
材料科学基础4-回复、再结晶
Q Q A exp RT t1 A exp RT t2 1 2
t1 t2 exp exp 1 1 RT2 R T2 T1 e RT 1
晶粒长大--3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素
（1）温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大
G =G0exp（-QG /RT）
G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能
（2）第二相 晶粒长大的极限半径 R=kr/f K：常数 r：第二相质点半径 f：第二相的体积分数 ∴ 第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能 力越强。 （3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏 聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时， 晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。
§2
一、回复动力学 1．回复动力学曲线
回复
回复动力学特点：
（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发 生软化。 （2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐 变慢，直到最后回复速率为零。
（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高， 这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短
（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。
TC TA TB sin A sin B sin C
当界面张力平衡时： 因 为 大 角 度 晶 界 TA=TB=TC， 而 A+B+C=360o ∴A=B=C=120o
晶粒长大--晶粒长大的方式
（3）在二维坐标中， 晶界边数少于6的晶 粒，其晶界向外凸出， 必然逐渐缩小，甚至 消失，而边数大于6 的晶粒，晶界向内凹 进，逐渐长大，当晶 粒的边数为6时，处 于稳定状态。 在三维坐标中， 晶粒长大最后稳 定的形状是正十 四面体。
材料科学基础-第4章-扩散
利用波尔茨曼-吴野平面求D。（略）
25
第二章
固体结构
第二节
一、扩散驱动力
扩散的热力学分析
发现“上坡扩散”（物质从低浓度区向高浓度区扩散）， 提出扩散驱动力是化学势梯度。 设原子i的自由能为μi，存在化学势梯度时，原子受力：
Fi
μi x
式中负号表示驱动力方向与化学位梯度方向相反，即物质 向着化学位下降的方向扩散。 结论：扩散驱动力是化学位梯度。若△μ=0，则扩散不引 起扩散物质的浓度分布改变。
观察者
19
第二章
固体结构
因为式(1)、(2)相等，所以有：
(DA ∂ρA/∂x-D ∂ρA/∂x)/ρA=(DB ∂ρB/∂x-D ∂ρB/∂x)/ρB (DAρB-DρB）∂ρA/∂x=(DBρA-DρA）∂ρB/∂x
假设扩散时晶体密度不变，有：ρA+ρB =常数 因此： ∂ρA/∂x+ ∂ρB/∂x=0， 即：∂ρA/∂x =-∂ρB/∂x 故：（DAρB-DρB）∂ρA/∂x=（DρA-DBρA）∂ρA/∂x
14
第二章
固体结构
2、高斯解 在B 金属长棒一端沉积一极薄层A金属（质量为M），在A金 属薄层一端再连接B 金属长棒。加热扩散偶。A原子向两侧金属 棒B 中扩散。 ρ 2ρ D 对于方程 t x 2
B A B
初始及边界条件为： t=0 时,x=0,ρ=∞；x≠0,ρ=0 t＞0 时,x=±∞,ρ=0 若D为常数，方程的解为： M x2 t) (x, exp( ) 4Dt 2 πDt
固体结构
2、柯肯达尔效应
Mo丝标记
Cu
JCu
JNi
Ni
钼丝标记位移表明向左和向 右越过标记面的扩散原子数目不 等。此现象称为柯肯达尔效应。 原因：Cu和Ni原子具有不同 的扩散系数。其反映了置换固溶 体中的互扩散现象。
材料科学基础---第四章 表面与界面
单位面积上的能量和单位长度上的力是等因次的，
J/m2 Nm2mm N
液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体 的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。
思考题
1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一 性是如何产生的？
2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些 变化？
3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么 影响？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
讨论： (1) 凸面蒸汽压>平面>凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。
如液体对管壁润湿，则
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
一、固体表面的特征
1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表 面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一 性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置 引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际 上也是凹凸不平的。
4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪
几种构型？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
J/m2 Nm2mm N
液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体 的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。
思考题
1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一 性是如何产生的？
2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些 变化？
3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么 影响？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
讨论： (1) 凸面蒸汽压>平面>凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。
如液体对管壁润湿，则
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
一、固体表面的特征
1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表 面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一 性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置 引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际 上也是凹凸不平的。
4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪
几种构型？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
材料科学基础4 固体中原子及分子的运动
d越大则扩散越快稳态扩散下的菲克第一定律的应用稳态扩散下的菲克第一定律的应用扩散系数的测定扩散系数的测定其中一种方法可通过碳在fe中的扩散来测定纯fe的空心中的扩散来测定纯fe其中一种方法可通过碳在fe中的扩散来测定纯fe的空心园筒心部通渗碳气氛外部为脱碳气氛园筒心部通渗碳气氛外部为脱碳气氛在一定温度下经过一定时间后碳原子从内壁渗入外壁渗出
2
解微分方程 → 引入中间变量和误差函数 → 求通解（式 4.6） → 边界条件和初始条件 → 求特解（式4.7、4.8）
• 2.一端成分不受扩散影响的扩散体－－表面热处理过程 。
相当于无限大情况下半边的扩散情况 求解方法同上，特解为（式4.9、4.10 简化式4.11） 初始条件: t=0时，x≥0， = 0 边界条件:t＞0时，x=0， = s，x=∞， = o 可解得方程的解 = s [1-erf（x/（4Dt）1/2）]
工业生产中经常采用渗碳（Carburizing）的方法来提高钢铁零 件的表面硬度，所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向内部扩 散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。
例：纯铁在气体渗碳介质中927℃渗碳，该温度下C在γ -Fe 中最大溶解度1.3%，求10h后纯铁内C%分布 解：纯铁表面很快达到饱和碳浓度为1.3%，为半无限大物体 中的扩散，故 927℃ 时 ， 即 1200K ， D≈1.5 ×10-7cm2/s ， 渗 碳 10h ， 即 3.6×104s， = s[1-erf（x/（4Dt）1/2] ， 故C=Co[1-erf(6.8x)]， （x/（4Dt）1/2=6.8x 若x=1.2mm=0.12cm, erf(6.8x)=erf(0.816)=0.7421 = s[1-erf(6.8x))=1.3%(1-0.7421)=0.32% 可计算出纯铁中离表面每隔任意x的C%
2
解微分方程 → 引入中间变量和误差函数 → 求通解（式 4.6） → 边界条件和初始条件 → 求特解（式4.7、4.8）
• 2.一端成分不受扩散影响的扩散体－－表面热处理过程 。
相当于无限大情况下半边的扩散情况 求解方法同上，特解为（式4.9、4.10 简化式4.11） 初始条件: t=0时，x≥0， = 0 边界条件:t＞0时，x=0， = s，x=∞， = o 可解得方程的解 = s [1-erf（x/（4Dt）1/2）]
工业生产中经常采用渗碳（Carburizing）的方法来提高钢铁零 件的表面硬度，所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向内部扩 散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。
例：纯铁在气体渗碳介质中927℃渗碳，该温度下C在γ -Fe 中最大溶解度1.3%，求10h后纯铁内C%分布 解：纯铁表面很快达到饱和碳浓度为1.3%，为半无限大物体 中的扩散，故 927℃ 时 ， 即 1200K ， D≈1.5 ×10-7cm2/s ， 渗 碳 10h ， 即 3.6×104s， = s[1-erf（x/（4Dt）1/2] ， 故C=Co[1-erf(6.8x)]， （x/（4Dt）1/2=6.8x 若x=1.2mm=0.12cm, erf(6.8x)=erf(0.816)=0.7421 = s[1-erf(6.8x))=1.3%(1-0.7421)=0.32% 可计算出纯铁中离表面每隔任意x的C%
材料科学基础.第四章
向凝固问题。合金K0 <1， 凝固自左向右进行。
(1)平衡凝固溶质分布 冷却时固相的溶质分布
这种情况下,冷速极其缓慢， 固体、液体中溶质原子充
分扩散。凝固结束时，各部分成分都为Co，无偏析产生，如图
中的Co水平线。
（2）实际凝固（正常凝固）溶质分布 溶质分布及表达式见图。 ①液体中溶质完全混合--偏析严重,左端纯化； ②液体中溶质完全不混合—比较符合实际凝固； ③液体中溶质部分混合。
f=c-p+1(←f=c-p+2，温度、压力) 自由度数是指在木改变系统平衡相的数目的条件厂，可独立改变
的，不影响（影响/决定体系状态）合金状态的因素(如温度、压 力、平衡相成分)的数目。
自由度数的最小值为零，f =0时发生恒温转变，例如纯金属结 晶、二元合金的三相平衡转变、三元合金的四相平衡转变等。
1
4( 3
h2 hk k 2 a2
)(
l c
)2
六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。
不平衡凝固的冷速越快，平均成分线的偏离越大。合金内部成分
不均匀现象称为偏析，晶粒内部成分不均匀称为“晶内偏析”， 树
枝晶内的偏析称为“枝晶偏析”。生产中用扩散退火(均匀化退 火)
4.固溶体合金凝固时的溶质量分布 合金凝固时的溶质重新分布，导致宏观偏析和微观偏析并对 晶体的生长形态产生很大影响。 匀晶合金冷却时，固相浓度CS与液相浓度CL的比值K0= CS/CL, 称为平衡分配系数,如图示。 讨论图4.7水平放置的圆 棒容器中，合金液体的定
(1)平衡凝固溶质分布 冷却时固相的溶质分布
这种情况下,冷速极其缓慢， 固体、液体中溶质原子充
分扩散。凝固结束时，各部分成分都为Co，无偏析产生，如图
中的Co水平线。
（2）实际凝固（正常凝固）溶质分布 溶质分布及表达式见图。 ①液体中溶质完全混合--偏析严重,左端纯化； ②液体中溶质完全不混合—比较符合实际凝固； ③液体中溶质部分混合。
f=c-p+1(←f=c-p+2，温度、压力) 自由度数是指在木改变系统平衡相的数目的条件厂，可独立改变
的，不影响（影响/决定体系状态）合金状态的因素(如温度、压 力、平衡相成分)的数目。
自由度数的最小值为零，f =0时发生恒温转变，例如纯金属结 晶、二元合金的三相平衡转变、三元合金的四相平衡转变等。
1
4( 3
h2 hk k 2 a2
)(
l c
)2
六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。
不平衡凝固的冷速越快，平均成分线的偏离越大。合金内部成分
不均匀现象称为偏析，晶粒内部成分不均匀称为“晶内偏析”， 树
枝晶内的偏析称为“枝晶偏析”。生产中用扩散退火(均匀化退 火)
4.固溶体合金凝固时的溶质量分布 合金凝固时的溶质重新分布，导致宏观偏析和微观偏析并对 晶体的生长形态产生很大影响。 匀晶合金冷却时，固相浓度CS与液相浓度CL的比值K0= CS/CL, 称为平衡分配系数,如图示。 讨论图4.7水平放置的圆 棒容器中，合金液体的定