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1、1,载人航天的效益,原苏联宇航员加加林1961年首次进入太空，美国“阿波罗”飞船1969年成功登月，这两个轰动世界的壮举发掘和吸引了数以十万计的精英人才，促进了天文学、高能物理、材料学、自动控制、信息、制造工艺学等科学技术门类的发展，催生了航天器结构力学、航天动力学、空间电子学、航天医学等新学科，形成了大批高科技工业群体，丰富了人类对近地空间和月球的认识，产生了显著的社会和经济效益。 航天飞机、空间站的出现，使人类得以利用微重力、超低温、强太阳辐射、真空等太空中的独特条件开展多项研究。在空间站内，宇航员已制作出了杂质少、表面缺陷小、质地精良的半导体、金属材料、玻璃、陶瓷和光学元件；在生物材料加
2、工方面，已可以在空间生产抗血栓制剂尿激酶、纯度比地面高100倍的抗流感制剂和抗病毒干扰素、可治疗糖尿病的胰腺-细胞和用于治疗烧伤的表皮生长素等30多种质量、疗效较高的药物，航天员还可设法使蛋白质分子按预定的立体结构排列起来，形成纯度比地面高10倍、性能超群的蛋白质晶体，促进新药开发、疾病研究和防治；载人航天器搭载的农作物种子在宇宙射线的作用下，其遗传基因会发生变化，有可能诞生高产、营养成分增加或抗病毒的作物新品种。,2,能否用一个较为直观的方式建立材料科学四要素之间的联系,且能够用于指导生产?,Properties:MechanicalAnd Functional,Processing,Syn
3、thesis, Andphase transformation,Structure and characterization,Theory and Modeling,3,第四章 二元相图,相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之 间关系的图解。,4,第四章 二元相图,根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。 仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。,5,第一节 相图的基本知识,1 相律 （1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 （2）表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1
4、。 （3）应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。,第四章相图第一节基本知识,6,第一节 相图的基本知识,2 相图的表示与建立（1）状态与成分表示法 状态表示：温度成分坐标系。 坐标系中的点表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。,第四章相图第一节基本知识,7,第一节 相图的基本知识,2 相图的表示与建立 （2）相图的建立 方法：实验法和计算法。 过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度 填入坐标绘出曲线。 相图结构(匀晶)：两点、两线、三区。,第四章相图第一节基本知识,8,第一节 相图的基本知
5、识,3 杠杆定律-相含量的计算工具 （1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由 度为0，平衡相成分随之确定。） （2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 （3）注意：只适用于两相区；三点(支点和端点)要选准。,第四章相图第一节基本知识,9,第二节 二元匀晶相图,1 匀晶相图及其分析 （1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 （2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 (两组元在液态和固态都无限互溶),第四章相图第二节匀晶相图,（3）相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, , L+。,10,第二节 二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 （
6、1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 （2）平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线；,第四章相图第二节匀晶相图,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,11,第二节 二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； 组织示意图； 成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。,第四章相图第二节匀晶相图,2003 Brooks/Cole, a d
7、ivision of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,12,第二节 二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 （3）与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相 律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,第四章相图第二节匀晶相图,13,第二节 二元匀晶相图,3 固溶体的不平衡结晶（1）原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀
8、)。（2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化 （但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。,第四章相图第二节匀晶相图,14,第二节 二元匀晶相图,3 固溶体的不平衡结晶,第四章相图第二节匀晶相图,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,15,第二节 二元匀晶相图,3 固溶体的不平衡结晶（3）微观偏析 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀
9、的现象。 （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）,第四章相图第二节匀晶相图,3h,16,第二节 二元匀晶相图,4 宏观偏析（1）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质 浓度的比值。k0=Cs/Cl,第四章相图第二节匀晶相图,17,第二节 二元匀晶相图,4 宏观偏析(2)溶质分布（k01）稳态凝固/正常凝固冷却速度无限慢有扩散和对流液、固相内溶质完全混合 （平衡凝固）a;冷却速度非常慢有扩散和对流固相不混合、液相完全混合b;冷却速度很大仅有扩散固相不混合、液相完全不混合c；冷却速度一般部分扩散和对流固相不混合、液相部分混合d。,第四章相图第二节匀晶相图,18,第二节 二元匀晶
10、相图,4 宏观偏析(3) 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,第四章相图第二节匀晶相图,19,第二节 二元匀晶相图,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （1）成分过冷：由成分变化与实 际温度分布共同决定的过冷。 （2）形成：界面溶质浓度从高到低 液相线温度从低到高。 （图示：溶质分布曲线 匀晶相图 液相线温度分布曲线 实际温度分布曲线 成分过冷区。）,第四章相图第二节匀晶相图,液相完全不混合,20,第二节 二元匀晶相图,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响（3）成分过冷形成的条件和 影响因素 条件：G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有参数：m(液相线斜率), k0; 实验可控参数：G(
11、温度梯度), R(凝固速度)。,第四章相图第二节匀晶相图,21,第二节 二元匀晶相图,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （4）成分过冷对生长形态的影响 （正温度梯度下）G越小，成分过冷 越大生长形态：平面状胞状 树枝状。,第四章相图第二节匀晶相图,22,第三节 二元共晶相图及合金凝固,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。Eutectic Reaction 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共 晶反应。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）,第四章相图第三节共晶相图,23,第三节 二元共晶相图及合金凝固,1 相图分析
12、（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共 晶、过共晶合金成分分界点）等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。,第四章相图第三节共晶相图,24,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn2的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,第四章相图第三节共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used her
13、ein under license.,25,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（2）2Wsn19的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次结晶）。 室温组织（）及其相对量计算。,第四章相图第三节共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,26,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（3）共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 共晶线上两相的相对量计算。 室温组织（）及其相对量计算。,
