430511班材料科学与工程基础复习资料 仅供参考
?H 0.09
+
LB 0.53
1495oC ?J 0.17
含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应---包晶转变（反应）。 发生包晶反应的合金成分： C%：0.09%--0.53% 即合金的成分线与HJB线相交； 产物：单相奥氏体（ γJ ） 包晶点 （J点）：（0.17，1495） 2）共晶转变
Lc
4.3
1148oC
???
2.11
+
Fe3C 6.69
含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。 发生共晶反应的成分范围：Wc ：2.11 %—6.69% (合金成分线与ECF线相交) 产物：γE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Ld表示。 共晶点C (4.3,1148) 3）共析转变
（Fe3C为基体； γE 呈粒状或杆状分布在基体上）
C ?s 727o
0.77
?P
0.0218
+
Fe3C 6.69
含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。 产物： α相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示。 合金范围： Wc: 0.0218 %—6.69%(合金成分线与PSK线相交)
S点:共析点，（0.77，727） (具有S点成分的Fe—C合金冷却至7270C时，合金全部发生共析转变，生成珠光体。) 典型铁碳合金结晶过程分析的方法:
在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线； 在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）
根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。
室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。
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学习目标：
1、(?) 画简单的完全固溶相图和共晶相图的示意图。 (b) 在这些相图中标出不同相区区域。 (c) 标出液相线、固相线、固溶相线。
2、给定的二元相图中，已知合金的组成，所处温度，并假定合金处在平衡状态，确定： (?) 存在的相； (b) 平衡相的组成；
(c) 合金中平衡相的质量分数。 3、二元相图中
(?) 确定共晶，共析和包晶转变的温度和组成 (b) 写出加热或冷却时上述所有转变的反应式
4、已知组成在0.022 wt% C 和2.14 wt% C之间的Fe-C合金 (?) 指定合金是否为亚共析或过共析合金； (b) 给出先共析相的名称；
(c) 计算先共析相和珠光体的质量分数；
(d) 画出温度刚好在共析温度之下时的显微组织的示意图
1、典型固-固相变中，画出其部分转变对时间对数的示意图；给出描述这一行为的方程式。
2、简单描述下列存在于钢合金中的微组元的显微组织：精细珠光体，粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。 3、下列每个微组元的一般的力学特性：精细珠光体， 粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。根据显微组织(或晶体结构)，简要解释这些行为。
4、根据某些Fe-C合金的等温转变(或连续冷却转变)图，设计一个热处理工艺，使其最终产生指定的显微组织。 5、利用相图描述和解释，用于沉淀硬化金属合金的两个热处理工艺。
6、在恒温下进行沉淀热处理时，画出室温下的强度(或硬度)对时间对数的示意图。根据沉淀硬化机理，解释曲线的形状。 7、画出晶体、半晶体和无定形聚合物的比容对温度的示意图，注释玻璃转变和熔化温度。 概念
Austenite: 奥氏体 具有面心立方晶体结构的铁?-Fe，也是碳溶解于?-Fe所形成的间隙固溶体。 Cementite: 渗碳体 铁与碳形成的化合物Fe3C叫做渗碳体，它的含碳量为6.67% Component: 组元 组成合金的化学组分(元素或化合物)，可用于确定其组成。 Congruent transformation: 无成分变化转变 相同成分的不同相之间的转变。
Equilibrium (Phase): 平衡(相) 是指体系的一种状态，在此状态下，在无限长的时间内，相的性质保持不变。平衡状态下自由能达到最小值。
Eutectic structure: 共晶结构 具有共晶成分的液体凝固得到的两相显微结构(组织) 。 Eutectic phase: 共晶相 共晶结构中存在的两相中的某一相。
Eutectic reaction: 共晶反应 随着冷却过程，一个液相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。 Eutectoid reaction: 共析反应 随着冷却过程，一个固相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。 Ferrite: 铁素体 具有体心立方晶体结构的铁?-Fe，同样碳溶于?-Fe中的间隙固溶体称为铁素体。
Free energy: 自由能 一热力学量，它是体系的内能和熵(或无序度)的函数。在平衡态，自由能达到其最小值。
Gibbs phase rule: 吉布斯相律 多相平衡系统中，系统的自由度数、独立组分数、相数和对系统的平衡状态能够发生影响的外界因素之间的关系：F=C-P+n
Hypereutectoid alloy: 过共析合金 可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度大于共析成分。 Hypoeutectoid alloy: 亚共析合金 可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度小于共析成分。 Intermediate solid solution: 中间固溶体 非纯组分的一定成分范围的固溶体或相。
Intermetallic compound: 金属间化合物 具有明确的化学式的两种金属间的化合物。在相图中，它以中间相出现，其存在的成分范围非常窄。
Invariant point: 三相点 二元相图中三相平衡共存的点
Isomorphous: 同晶形 具有相同结构的物质。从相图的理解来讲，同构意味着具有相同的结构或者在所有成分范围内固态完全互溶。 Lever rule: 杠杆规则 一种数学表达式，用来计算在两相平衡合金体系中的每一相的相对质量。
Liquidus line: 液相线 在二元相图中，液相和液+固相之间的分界线。合金而言，此线上的液态温度是在平衡冷却条件下开始产生固相的温度。
Metastable: 亚稳 在非常长的时间内可持续存在的非平衡态。
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Microconstituent: 微组元 显微组织的组成，它具有确定的特征结构。由一个以上的相组成，如珠光体。
Pearlite: 珠光体 由共析成分的奥氏体转变而得到的在一些钢和铸铁中出现的两相显微结构，是由?-铁素体和渗碳体交互形成的层状或片状组成。
Peritectic reaction: 包晶反应 随着冷却过程，一固相和一液相等温可逆转变为具有不同组成的固相的反应。 Phase: 相 体系具有相同的物理和化学性质的均匀部分
Phase diagram: 相图 用图形来描述相平衡系统的成分、外界条件(例：温度和压力)与相的状态，这种综合图形称为相图。 Primary phase: 初晶相 除了共晶结构之外存在的相。
Proeutectoid cementite: 先共析渗碳体 过共析钢中与珠光体共存的最初析出的渗碳体。 Proeutectoid ferrite: 先共析铁素体 亚共析钢中与珠光体共存的最初析出的铁素体。
Solidus line: 固相线 在相图中，连接平衡冷却条件下完成凝固或者平衡加热条件下开始熔化之点的轨迹线。 Solubility limit: 溶解度 不形成新相的条件下，溶质可溶解在溶剂中的最大浓度。 Solvus line: 固溶相线 在相图中描述固溶度与温度关系的点的轨迹线
System: 体系 有两种可能的含意：(1)所研究的对象既指定材料 (2) 由相同组元组成的一系列可存在的合金。 Terminal solid solution: 端部固溶体 成分范围处于二元相图中两端的固溶体。
Tie line: 结线 二元相图中穿过两相平衡区的水平线；结线与相分界线之间的两个交点各描述在所讨论温度下相的平衡组成。 Alloy steel: 合金钢 含有显著的合金元素(除了C和残余的Mn, Si, S和P)浓度的铁合金(或者铁基)。这些合金元素的加入增加力学和耐蚀性能。
Artificial aging: 人工时效 通过室温以上的时效，产生的沉淀硬化。
Athermal transformation: 非热转变 无需热激活的反应，通常无扩散，如马氏体转变。一般来说，转变速度非常快(即与时间无关)，反应程度依赖于温度。
Bainite: 贝氏体 钢和铸铁中发生的奥氏体的转变产物。珠光体和马氏体转变发生的温度区间产生贝氏体。贝氏体的显微结构由?-铁素体和精细分散的渗碳体组成。
Coarse pearlite: 粗状珠光体 铁素体和渗碳体交替重叠的层距相对厚的珠光体。
Continuous cooling transformation diagram(CCT): 连续冷却转变图 确定成分的钢合金，其温度对时间对数图。用于确定奥氏体材料以确定的速率连续冷却时，开始转变所需要时间。可预测最终的显微结构和力学性能。 Fine pearlite: 精细珠光体 铁素体和渗碳体交替重叠的层距相对薄的珠光体。
Glass transition temperature: 玻璃转变温度 非晶陶瓷或聚合物的过冷液体冷却转变为刚性玻璃时的温度。
Isothermal transformation diagram(T-T-T): 等温转变图 确定成分的钢合金，其温度对时间对数图。用于确定先前为奥氏体的合金在等温(恒温)热处理条件下开始转变和结束转变需要的时间。 Kinetics: 动力学 有关反应速率及其影响因素的研究。
Martensite: 马氏体 过饱和碳的亚稳铁相，是奥氏体的无扩散转变产物。 Natural aging: 自然时效 通过室温下的时效，发生的沉淀硬化。
Nucleation: 形核 相变的第一个步骤。此步骤中形成新相的小晶核，它可以长大。 Overaging: 过时效 沉淀硬化过程中，超过最大的强度和硬度点的时效。 Phase transformation: 相变 组成合金显微组织的相的数量和/或性质发生变化。 Plain carbon steel: 普通碳钢 碳为主要合金元素的铁合金。
Precipitation hardening: 沉淀硬化 金属合金的硬化和强化手段，通过从过饱和固溶体中析出非常小且均匀分散的粒子来实现。有时也称为时效硬化。
Precipitation heat treatment: 沉淀硬化处理，人工时效 从过饱和固溶体中沉积新相的一种热处理手段。对沉淀硬化而言，称其为人工时效。
Solution heat treatment: 固溶热处理 通过溶解沉淀粒子而形成固溶体的过程。加热状态下快速冷却，导致固溶体在外界环境条件下通常处于过饱和且亚稳状态。
Spheroidite: 球状体 钢合金中存在的显微结构，是由?-铁素体基底中的球状的渗碳体粒子组成。对珠光体、贝氏体或马氏体进行适当的加热处理得到球状体，此结构相对软一些。
Supercooling: 过冷 不发生相变的前提下，冷却至相变温度以下。 Superheating: 过热 不发生相变的前提下，加热至相变温度以上。
Tempered martensite: 回火马氏体 从马氏体钢的回火热处理得到的显微结构(组织)产物。其显微结构由非常小且均匀分散的渗碳体粒子镶嵌在连续的?-铁素体基底而构成。回火使得韧性和延展性有显著增加。
Thermally activated transformation: 热激活转变 依赖于原子的热起伏的反应；能量大于激活能的原子将自发地反应或转变。此类转变的速率依赖于温度，其定量关系见公式11.3。
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Transformation rate: 转变速率 反应进行至一半时所需的时间的倒数 。
10.1列举决定合金显微结构的三个变量。 温度、成分、加热时间和冷却速率
10.2指出平衡态必须满足的热力学条件。
在指定的温度、压力和组成下体系的自由能最低时为其平衡态。 10.4给出平衡态和亚稳态定义，两者之间有何区别？
由自由能判据得到的指定体系的热力学相平衡状态，其吉布斯自由能最低，是热力学最稳定状态，但具体需要多长时间才能达到这一平衡态，热力学无法给出结果。事实上，尤其是对固态体系，由于达到平衡态所需的速度极其缓慢，体系不可能完全达到平衡态。这种非平衡状态也称为亚稳态。亚稳态的吉布斯自由能比平衡态略高，随着时间的迁移，经历极其微弱的几乎察觉不到的变化。因此可以说亚稳态是动力学稳定状态。因此在实际应用中，有时亚稳结构比平衡态结构更为重要。
10.11 A 1.5kg specimen of a 90wt% Pb-10wt% Sn alloy is heated to 250?C, at which temperature it is entirely an ??phase solid solution (Figure 10.7). The alloy is to be melted to the extent that 50% of the specimen is liquid, the remainder being the ??phase. This may be accomplished either by heating the alloy or changing its composition while holding the temperature constant. To what temperature must the specimen be heated? The Specimen must be heated to 295.84?C.
How much tin must be added to the 1.5kg specimen at 250?C to achieve this state? 答：(a) 样品必须加热到295.84?C
(b) 此时的组成应为23.7 wt% Sn。设加入的Sn量为xkg， 则应满足下列关系。
WSn?x?1.5?0.11.5?x?0.237
解此方程得：x=0.269kg
10.12 Consider the sugar-water phase diagram of Figure 10.1. How much sugar will dissolve in 1500g water at 90?C?
If the saturated liquid solution in part (a) is cooled to 20?C, some of the sugar will precipitate out as a solid. What will be the composition of the saturated liquid solution (in wt% sugar) at 20?C?
How much of the solid sugar will come out of solution upon cooling to 20?C?
答：(a) 90?C时，糖溶解的最大质量百分比为75.71 wt%。设能溶解糖的质量为xg，则 (b) 20?C时，糖水饱和溶液的组成为64.2 wt% (c) 体系总的质量为1500g+4675g=6175g 设析出的糖的质量为xg，则根据杠杆定律 x?(100-75.71)=(6175-x)?(75.71-64.2) 解此方程得：x=1985g
10.13 Consider a specimen of ice I which is at ?10?C and 1 atm pressure. Using Figure 10.38, the pressure?temperature phase diagram for H2O, determine the pressure to which the specimen must be raised or lowered to cause it (a) to melt, and (b) to sublime. 答：横坐标用lgP来考虑。
冰I 从1 atm ?10?C的状态，温度不变的情况下熔化所需要的压力为649.38 atm。 冰I 从1 atm ?10?C的状态，温度不变的情况下升华所需要的压力为0.00237 atm。
10.14 at a pressure of 0.01 atm, determine (a) the melting temperature for ice I, and (b) the boiling temperature for water. 答：(a) 0.01 atm下熔化冰I 所需要的温度为1.67?C。 (b) 0.01 atm下使冰I 沸腾所需要的温度为17.5?C。
10.15 A magnesium-lead alloy of mass 5.5 kg consists of a solid ? phase that has a composition that is just slightly below the solubility limit at 200?C.
What mass of lead is in the alloy?
(b) If the alloy is heated to 350?C, how much more lead may be dissolved in the ? phase without exceeding the solubility limit of this phase? 答：(a) 饱和固溶体的组成为4.76 wt% Pb。因此，5.5 kg 质量的Mg-Pb合金中铅的质量为5.5kg?0.0476=0.2618kg (b) 350?C时饱和固溶体的组成为23.81 wt% Pb。 此时，5.5 kg 质量的Mg?Pb合金中铅的质量为 5.5kg?0.2381=1.31kg。
? 多溶解的铅质量为：1.31kg?0.2618kg=1.0482kg
10.17 It is desired to produce a copper-nickel alloy that has a minimum noncold-worked tensile strength of 350Mpa and a ductility of at least 48 %EL. Is such an alloy possible? If so, what must be its composition? If this is not possible, then explain why. 答：如果需要的最小冷拉强度为350 Mpa，则Cu?Ni 合金组成必须满 足 Ni (wt%) ? 24.2。
如果展延性至少在48%EL，则需要 Ni (wt%) ? 10或 Ni (wt%) ? 97.9。
两种组成之间没有交集，因此不可能得到这种性能的合金。
10.18 Is it possible to have a copper-silver alloy that, at equilibrium, consists of a ? phase of composition 92 wt% Ag?8 wt% Cu, and also a liquid phase of composition 76 wt% Ag?24 wt% Cu? If so, what will be the approximate temperature of the alloy? If this is not possible, explain why?
0.7571?x1500?x，解此方程得：x =4675g
整理：曹永友 - 30 -
