材料科学基础-第三章_二元相图及应用

《材料科学基础》上半学期内容重点第一章固体材料的结构基础知识键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念；晶体的特性（5个）；晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类；晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子；第二章晶体结构与缺陷晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体；典型金属晶体结构；离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）；晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）；第三章材料的相结构及相图相的定义相结构合金的概念：固溶体置换固溶体（１）晶体结构无限互溶的必要条件—晶体结构相同比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明）（２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变；（３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体（一）间隙固溶体定义（二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素（三）间隙固溶体的点阵畸变性中间相中间相的定义中间相的基本类型：正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法电子化合物：电子化合物、电子化合物种类原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物二元系相图：杠杆规则的作用和应用；匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点；三元相图：三元相图成分表示方法；了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义；第四章材料的相变相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）；按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点；马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、陶瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、陶瓷马氏体相变性能的不同――作为题目）有序-无序相变的定义玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变；按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变第5章 金属材料的显微结构特征一、纯金属的凝固及结晶1、结晶的热力学条件结晶后系统自由能下降。

《材料科学基础》课程教学大纲一、课程说明课程编码4300655 课程类别专业方向课修读学期第三学期学分 2 学时32 课程英文名称Fundamentals of Materials Science适用专业应用化学先修课程大学物理、物理化学二、课程的地位及作用材料科学基础是研究材料的成分、结构与性能之间的关系及其变化规律的一门应用基础科学。

本课程的任务是向学生较全面系统地介绍材料科学基本原理，注意材料的共性与个性的结合，实现多学科知识的交叉与渗透。

学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础，同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。

先修课程为物理化学、高等数学。

通过材料科学基础的教学，使学生了解和掌握材料科学的基本理论，培养学生理论思维的能力，为从事材料学教学和科研打下扎实的理论基础。

三、课程教学目标1. 理解金属键、离子键、共价键、分子键和氢键几种典型结合键的，掌握三大固体材料的结构特点、性能特点，建立材料结构与性能之间的关系。

掌握晶体学的基础知识。

2．掌握晶体缺陷的类型、结构特征、性质及其对材料性能的影响3．掌握扩散第一定律、扩散第二定律及其应用、扩散机制、扩散系数的计算、影响扩散的因素和离子晶体的扩散。

4.掌握固体材料变形的基本方式，掌握形变金属及合金在退火过程中的变化。

核的规律，了解熔化熵对晶体生长的影响。

了解固溶体合金的凝固规律，了解材料的非晶态概念。

5. 掌握相图的基本知识，二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法，熟练应用铁碳相图；掌握三元相图类型、定量法则、分析方法、等温截面、变温截面、液态投影图。

四、课程学时学分、教学要求及主要教学内容(一) 课程学时分配一览表章节主要内容总学时学时分配讲授实践第1章原子结构与键合 2 2 0第2章固体结构 6 6 0第3章晶体缺陷 6 6 0第4章固体中原子及分子的运动 4 4 0第5章材料的形变和再结晶 4 4 0第6章单组元相图及纯金属的凝固 4 4 0第7章二元系相图及合金的凝固 6 6 0(二) 课程教学要求及主要内容第一章原子结构与键合教学目的和要求：1. 了解原子结构及建合类型；2. 掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表；3. 熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点；4. 掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

第三章材料的相结构及相图第一节材料的相结构1.1置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。

影响溶解度的因素很多，主要取决于以下几个因素：(1)晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。

只有当组元A和B的结构类型相同时，B原子才有可能连续不断地置换A原子，如图3-1所示。

(2)原子尺寸因素(3)化学亲和力(电负性因素)(4)原子价合金中的电子浓度可按下式计算:月(10口-工)+正工* (100 (3-1)式中A--分别为溶剂；B--溶质的原子价；x--为溶质的原子数分数(％)。

图3-2元素的电负性(虚线表示铁的电负性数值)1.1.2间隙固溶体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。

在间隙固溶体中，由于溶质原子一般都比晶格间隙的尺寸大，所以当它们溶人后，都会引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。

因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

1.1.3固溶体的微观不均匀性为了了解固溶体的微观不均匀性，可引用短程序参数。

短程序参数a定义为1.1.4固溶体的性质(1)点阵常数改变(2)产生固溶强化(3)物理和化学性能的变化1.2中间相1.2.1正常价化合物1.2.2电子化合物1.2.3原子尺寸因素有关的化合物(1)间隙相和间隙化合物(2)拓扑密堆相1.2.4超结构(有序固溶体)金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样性，使得这种化合物具有许多特殊的物理、化学性能，已日益受到人们的重视，不少金属间化合物特别是超结构已作为新的功能材料和耐热材料正在被开发应用。

第二节二元系相图2.1固溶体的类型置换固溶体示意图间隙固溶体示意图缺位固溶体示意图2.2杠杆规则杠杆规则示意图2.3二元系相图的热力学性质2.3.1由吉布斯自由能曲线作公切线的方法绘制相图液态和固态的吉布斯自由能曲线规定纯液态NiO 作为NiO 的标准态，纯固态MgO 作为MgO 的标准态，则形成1mol 固态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为 1mol 液态理想溶液 时，体系的吉布斯自由能为匚万）=戌丁（吟/n 端白1/1^白1门五瓢白）—12500人源日I 5.6A ^OZ 母份二磕？%兄 ++尺^（七白1口 忒口+x 篇目In x 短 J1嬴r + Ktigo把各个温度下不同的xNiO、xMgO值代入上列两式中，就可得到各个温度下液相和固相的吉布斯自由能曲线。

材料科学基础教材标准名称：《材料科学基础》（第二版）知识点079具有低共熔点并形成有限固溶体的二元相图（共晶相图）•大多数二元系统的组元之间在液态下可以无限互溶，而在固态下只能有限溶解，从而形成更加复杂的二元相图。

典型的类型有两种：•具有低共熔点并形成有限固溶体的二元相图•具有转熔点并形成有限固溶体的二元相图一、相图分析•特性点：•a：A组元的熔点；•b：B组元的熔点。

•C：B组元在A组元中的最大溶解度点B在A中形成的固溶体:SA(B)•D：A在B中的最大溶解度点A在B中的固溶体:SB(A)•特性点：•E：称为低共熔点，或共晶点•F：室温下，B在S A(B)固溶体中的最大溶解度点•G：室温下，A在S B(A)固溶体中的最大溶解度点•特性线：•aE、bE为液相线•aE：冷却时L→S A(B)的起始线；→L的终了线加热时SA(B)•bE：冷却时L→S B(A)的起始线；→L的终了线加热时SB(A)•特性线：•aCDb为固相线•aC：冷却时L→S A(B)的终了线；→L的起始线加热时SA(B)•bD：冷却时L→S B(A)的终了线；→L的起始线加热时SB(A)•特性线：•CED：水平线，发生低共熔转变，也称为共晶线•转变式：•L(E)↔S A(B)(C)+ S B(A)(D)•F=2−3+1=0•这种在恒温下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程，称为低共熔转变，或共晶转变，或共晶反应。

•CF 、DG 为溶解度曲线，固溶线。

•CF—B 在S A(B)固溶体中的溶解度曲线，冷却时，随温度↓，溶解度↓，则从S A(B)相中析出S B(A)相。

•DG—A 在S B(A)固溶体中的溶解度曲线，随温度下降，将从S B(A)固溶体中析出S A(B)相。

•从固相中析出的固相通常称为次生相或二次相。

•相区：•三个单相区：L：液相S A(B)：B在A中的固溶体：A在B中的固溶体。

SB(A)•三个两相区：•L+ S A(B)、L+ S B(A)、S A(B)+ S B(A)•一个三相区（CED线）：•L＋S A(B)＋S B(A)•相接触法则：相邻相区的相数相差一个。