工程材料学 第3章 结晶相图
第三章材料的凝固与相图
主讲人：胡树兵
Solidification of Materials and Their Phase Diagrams
纯金属的结晶2Outline
概论
1合金相3合金相图
4
工程材料学
第一节概论H 2O 的结晶相图
工程材料学
第一节概论
熔炼炼钢
炼铜
钢铁材料熔化、浇注过程
数千万吨的钢铁材料是如何被制造出来的？如何控制钢铁质量？
工程材料学
第二节纯金属的结晶
凝固与结晶凝固
是指物质从液态经冷却转变为固态的过程。凝固后的固态物质可以为晶态，也可以为非晶态。
固态
液态
非晶
玻璃化
结晶从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的
过程。
晶体
从原子不规则排列的液态转变为原子不规则排列的非晶体状
态的过程。
工程材料学
凝固与结晶
凝固状态的影响因素
材料凝固后是呈晶态还是非晶态，主要受以下两个因素影响：1、熔体粘度粘度是表征流体中发生相对运动时的内阻力大小，以η表示，单位Pa.s ，η愈大——原子运动愈困难——愈难结晶。2、冷却速度单位时间内温度降低的大小，以R c 表示，单位℃/s ，冷却速度愈大——温度降低愈快——提供给原子运动的时间愈短——愈难结晶。
对于金属材料通常Rc≥106℃/s 将阻止结晶发生形成非晶态。
第二节纯金属的结晶
工程材料学
快速凝固制备非晶态金属
凝固与结晶第二节纯金属的结晶工程材料学
结晶现象与规律
采用热分析法测量纯金属的结晶过程
第二节纯金属的结晶工程材料学
结晶现象与规律1. 冷却曲线
温度
时间
当熔体缓慢冷却，记录温度（T ）与时间（t ）的变化曲线即冷却曲线，如左图所示，称为冷却曲线。
To T1
△T
纯金属的冷却曲线
一般地，熔体自然冷却时，随时间延长，温度不断降低，但当冷却到某一温度T l ，开始结晶，此时随着时间的延长，出现一个温度平台，这一平台温度通常要低于理想的结晶温度T 0，这样在低于理想结晶温度以下才能发生结晶的现象——过冷。
(Supercooling)
第二节纯金属的结晶
工程材料学
结晶现象与规律
2. 过冷度及影响因素
过冷度实际结晶温度T n 与理想结晶
温度T 0之差?T ＝T 0－T 1称为过冷度。
影响过冷度的因素：金属不同，过冷度不同；金属的纯度越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大。
第二节纯金属的结晶
工程材料学
结晶现象与规律3. 结晶的条件
思考：为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定过冷度下才能进行？
1) 结晶的能量条件
热力学第二定律指出：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。
对于液态: G L ＝U L －TS L
U ——内能，S ——熵
对于固态:G S ＝U S －TS S
从图中可以看出，在温度T m 处，两条曲线相交，在此温度处，两相自由能相同
第二节纯金属的结晶
工程材料学
结晶现象与规律
3. 结晶的条件
当T>T 0，G L
固态稳定
所以，只有当T 在T 0以下，才能保证液态转变为固态时自由能是降低的，如在T n 温度处，两者能量差为?Gv ，这能量差为液→固转变的驱动力。
?T ＝T 0－T n 为过冷度，过冷度愈大，ΔG 愈大，结晶驱动力愈大。
第二节纯金属的结晶
工程材料学结晶现象与规律3. 结晶的条件2) 结晶的结构条件
纯金属的结晶与其液态的结构密切相关。金属熔化后，由于原子间的相互作用，金属熔体中仍存在一些极小的短程有序结构，如图所示，这些小的短程有序畴，在一定条件下将发展为晶核，这一条件就是这些小的短程有序畴达到某一临界尺寸r k ，只有r>r k 的短程有序畴，才能长大为晶粒。这种r>r k 的短程有序畴称为晶核。
r k
第二节纯金属的结晶
工程材料学
结晶现象与规律
3. 结晶的条件
结晶
近程有序，结构起伏远程有序
第二节
纯金属的结晶
工程材料学第一节概论只有当r>r K ，随晶胚尺寸r ↑→ΔG ↓（自动进行→形成稳定晶核）
r=r K →临界尺寸
工程材料学
4. 结晶的一般规律
金属的结晶过程分为两步：形核长大
形核：符合能量条件和结构条件的短程有序集团(尺寸达到临界尺寸）将成为结晶核心。
长大：金属液体中的晶核一旦形成，由于系统自由能降低，晶核将迅速长大直到液体全部消失
形核
核心长大
第二节纯金属的结晶
工程材料学
4. 结晶的一般规律
形核又分为：自发形核与非自发形核
*自发形核：在一定过冷度ΔT 下，理想的纯净液态金属内部一定尺寸的短程有序原子集团自发形成为结晶核心。这种形核方式与过冷度（ΔT ）有直接的关系：
ΔT 愈大——ΔG 愈大（驱动力）——形核率（N ）愈大。*非自发形核：实际金属液体中通常含有杂质，液态金属结晶时往往依附于这些杂质微粒表面形核——这一过程称为非自发形核。非自发形核较自发形核容易得多，是实际液体的主要形核方式。
第二节纯金属的结晶
工程材料学
案例：当纯净的水放在光滑洁净的容器中冷冻时，由于凝结核的缺乏，可以在低于凝固点之后依然保持液态，形成过冷水。而当过冷水受到扰动、凝结核引入之后，结晶就会迅速发生（非自发形核）。
第二节纯金属的结晶
工程材料学4. 结晶的一般规律
长大条件：晶体长大同样要求一定的过冷度，但是ΔT 可以很小，如0.010.05℃即可。
长大过程：液/固界面附近的液体中的原子不断迁移到固态表面上，固体-液体界面不断向液体推进，实现晶体长大。
晶体长大
第二节纯金属的结晶
工程材料学
4. 结晶的一般规律
平面长大：当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。
树枝晶长大：当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。大部分金属熔体结晶后得到具有树枝状的晶体。
第二节
纯金属的结晶
工程材料学
类似去医院体检时的“照X 光”，可以通过高强度X 射线实验（如同步辐射）直接
“透视”金属凝固时枝晶生长的的整个过程（动画演示)
第二节纯金属的结晶
工程材料学
2.晶核的长大方式—树枝状
工程材料学
2.晶核的长大方式—树枝状
工程材料学
金属的树枝晶
金属的树枝晶
金属的树枝晶冰的树枝晶
工程材料学5. 晶粒大小及影响因素
晶粒大小：晶粒就是由一个晶核长大而成的单晶体。晶粒大小是以单位面积的晶粒数量或以晶粒的平均尺寸表示，为了方便，工业上也用晶粒度等级来表示，如1－8级，1级最大，8级最
小，如图所示。
第二节纯金属的结晶
工程材料学
5. 晶粒大小及影响因素
形核率(N)：单位时间在单位母体的体积内晶核的形成数目称为形核率。长大速率(G):单位时间晶体长大的线长度。
过冷度ΔT :ΔT 愈大——形核率（N ）愈大——晶粒愈细小；
杂质:杂质有利于非均匀形核，提高形核率——细化晶粒；
凝固条件:机械振动（如超声）——细化晶粒；
第二节纯金属的结晶
工程材料学
5. 晶粒大小及影响因素细晶材料的性能优势：
晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途径之一。
细化晶粒途径：
1 提高冷却速度
2 变质处理
3 机械振动、超声波振动、搅拌第二节纯金属的结晶
工程材料学
第三节合金相
1. 基本概念
纯金属：是指体系由单一组元组成，如单一Fe ，Al ，Cu
合金：由一种金属元素与另一种或多种其它元素结合在一起形成的
具有金属特性的物质，如黄铜：Cu-Zn ，铝合金：Al-Si 一、合金的形式（相结构）
相：一个相是指合金中化学成分和晶体结构均
相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。晶体材料中按晶体结构特点将合金分为固溶体与化合物。组织：是指用肉眼或者显微镜观察到的材料内
部的微观形貌，如右图所示。
Fe
工程材料学
第三节合金相
1. 基本概念
合金的两种形式：固溶体与金属间化合物
固溶体：合金中的各组元相互溶解，结晶时形成一种一个组元溶入另一组元的晶格中（即占据另一组元晶体的某一位置）的固态相，新的固态相仍保持着溶剂的晶体结构。溶质：溶入的组元；溶剂：被溶入的组元。
置换固溶体：溶质原子取代部分溶剂原子而占据溶剂晶格结点的固溶体，如Cu-Zn ，Ag-Au 。
工程材料学
第三节合金相
1. 基本概念
合金的两种形式：固溶体与金属间化合物
固溶体：合金中的各组元相互溶解，结晶时形成一种一个组元溶入另一组元的晶格中（即占据另一组元晶体的某一位置）的固态相，新的固态相仍保持着溶剂的晶体结构。溶质：溶入的组元；溶剂：被溶入的组元。
间隙固溶体：一些小原子（如C ，O ，N ，H ，Be ）位于金属晶格的间隙中，而不占据晶格结点位置。形成的固溶体。
工程材料学
第三节合金相
固溶体根据溶解度还可分为：有限固溶体与无限固溶体
无限固溶体有限固溶体
工程材料学
第三节合金相
溶解度的大小取决于如下几个因素：1.不同元素原子半径的差；2.两元素的晶体结构是否相同；3.不同元素间的电负性差；4. 不同元素的价电子数是否相同
工程材料学
无限固溶体举例：CuNi 合金
当Zn 含量超过30%，就析出一种金属间化合物第二相
有限固溶体举例：CuZn 合金
第三节合金相
工程材料学
第三节合金相
金属间化合物：合金组元之间发生相互作用而生成一种不同于各组元晶格的新的晶格结构的相——金属间化合物，又称为中间相（一般位于相图的中间位置）类别：●正常价化合物●电子化合物●间隙化合物
两组元服从原子价态规律而生成的正常化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，例如MnS 、Al 2O 3、TiN 、ZrO 2等，其结合键可为离子键；也可为共价键；少数也可为金属键结合,如Mg 2Pb 。
工程材料学
第三节合金相
金属间化合物：合金组元之间发生相互作用而生成一种不同于各组元晶格的新的晶格结构的相——金属间化合物，又称为中间相（一般位于相图的中间位置）类别：●正常价化合物●电子化合物●间隙化合物
这类化合物大多不符合正常化学价规律。其化合物的组成形式和晶体结构由电子浓度（价电子总数与原子总数之比，e/a ）决定。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，它们的结合键主要为金属键。
工程材料学
第三节合金相
金属间化合物：合金组元之间发生相互作用而生成一种不同于各组元晶格的新的晶格结构的相——金属间化合物，又称为中间相（一般位于相图的中间位置）类别：●正常价化合物●电子化合物●间隙化合物
主要受组元的原子尺寸因素控制（只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会形成间隙固溶）。通常是由过渡族金属元素与原子半径很小的非金属元素（如C 、H 、N 、O 、B)所组成。非金属原子常处于金属元素晶格的间隙中。间隙化合物的晶体结构不同于任一组元。
工程材料学第三节
合金相
工程材料学
第三节合金相
金属化合物都具有高硬度、高脆性、高熔点的特点，如下表所例：
工程材料学第四节合金的结晶（合金相图）
一、相图(Phase Diagram)
相图是表示一个合金体系的成分、外界环境（主要指P ，T ）和相之间的平衡关系。即状态图——平衡相图
描述相图的四个参数：成分（C ），压力（P ），温度（T ），相。
一般合金相图是在常压下（P ＝1atm ）获得的，所以对于一个合金体系描述相图的参数有三个：成分，温度，相。即相只与温度和成分相关。
若以成分（C ）为横坐标，T 为纵坐标，那么坐标系任一点即表示某一成分合金在某一温度下对应的相。
1. 概念：
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
①由材料的成分和温度预知平衡相；②材料的成分一定而温度发生变化时，平衡相变化的规律；③估算平衡相的数量；④预测材料的组织和性能。
相图的作用
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
2. 二元相图
所谓二元相图就是指仅含两个组元的合金体系对应的相图。相图通常是通过测量不同成分的合金液体在冷却过程中的相转变来获得的。
组元: 通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素。获得二元相图的方法：(1)热分析法；(2)膨胀法(3)磁性法
(4)X 射线结构分析法。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
–配制合金（以Cu-Ni 合金为例）–测定冷却曲线
–确定冷却曲线上合金的临界点–将同类临界点在温度-成分坐标系中连接起来即可得到合金相图
热分析法绘制二元合金相图
工程材料学
第四节
合金的结晶（合金相图）?液相线abc 以上为液相区，固相线a’b’c’以下为固态区，中间固液两相共存区。?以上相图是在无限缓慢冷却条件下获得结晶状态，故又称为平衡相图
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
液相线
固相线
液相区
固相区
☆
请同学们思考：如有处于固液共存区或其他两相共存区，如何能知道固/液相或A 相/B
相各自的成分或比例呢？
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
如图，合金x （即：Ni 的成分为x ％）在温度T 1 处将由两相并存，这时两相的成分和质量可通过杠杆定律求得。
过x 点作水平线交液相线和固相线于a 、c 点，则a 、c 点的成分分别为平衡的液体和固体的成分。
杠杆定律（※）
设m L 和m α分别为两相的质量，它们满足以下杠杆定律：
若m L ＋m α ＝100%，则：m L ＝xc/ac ˙ 100%，
m α ＝ax/ac ˙ 100%。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
1、匀晶相图: 液相无限互溶，固相无限互溶；
2、共晶相图: 液相无限互溶，固相有限互溶；
3、包晶相图: 液相无限互溶，固相有限互溶；
4、共析相图；
几种典型的二元相图及其结晶过程分析工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
匀晶相图：合金系的二组元在液态和固态均无限固溶。合金熔体在凝固时发生匀晶反应（从液相直接结晶出固溶体）的相图－匀晶相图。匀晶反应:L → α无限固溶体
无限互溶：组成体系的溶质和溶剂原子可以任意地相互替代，而不改变溶剂的晶体结构。通常，只有当晶体结构相同、并且原子尺寸差小于15%时，化学性质较接近的两种元素才可能出现无限互溶，构成无限固溶体。如：Cu －Ni ，Ag －Au, Fe －Cr ●两条曲线：
液相线aa 1c ，固相线ac 1c 高于液相相，为液体；低于固相线为固体。
●单相区：L 区为液相，Cu 与Ni 形成的液熔体
α区为Cu 与Ni 形成的无限固熔体●双相区：L+α相
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
尽管合金系处在两相区（L ＋α）中，但在不同温度，L 、α的相对量不同，L 、α的成分不同，固溶体成分随固相线变化，液相成分随液相线变化，如何确定在不同温度下，α、L 相的相对含量，采用杠杆定律。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
共晶反应：在某一温度下，从液体中同时析出两种固溶体。
即：L →α+β；(Pb-Sn 、Al-Si 、Ag-Cu)
组成二元合金的两个组元在液相下无限互溶，在固态有限互溶并发生共晶反应，这种相图称为共晶相图。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
（1）7条线
A E 、BE 为液相线，温度在液相线上，为单一液态；
AC 、BD 为固相线，温度在此以下为单一固溶体；
CED ：共晶反应线，对应L →α+β；CG 、DH 为α，β固溶体的溶解度变化线，即：α，β固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。（2）6个相区
3个单相区：L 、α、β
3个两相区：L+α, L+ β、α+β
注：两个单相区由一个双相区分隔(相律）（3）一个点
E 共晶成分点，液体温度最低点。
成分在E 点以左，为亚共晶（成分在CE 范围）成分在E 点以右，为过共晶（成分在ED 范围）
共晶相图特征
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
?不同成分的Pb-Sn 合金的结晶过程分析；?讨论其室温组成相是什么？?组成相的相对比例又是多少？
合金1
合金2合金3合金4
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
合金1
?合金室温组织：α+βⅡ（双相组织）?其组成相：f 点的α相与g 点的βⅡ相?杠杠定律：
x1f
g
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
合金3
共晶反应点
1)在液体中α和β固溶体同时析出。
2)α和β析出过程中，α和β固溶体交替生长，形成交替的片层结构。3)凝固过程是在恒温下完成。
4)最终得到两相交替的混合组织（共晶体）。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
共晶合金组织的形态，其中两相成分交替变化
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
共晶反应生成相α、β的成分：
α：C M ；
β：C N
共晶反应生成相α、β的质量：
α：M α，
β：M β
杠杠定律：
M α?EM= M β?EN, M α+ M β=100%∴
思考：室温下α、β相的成分和质量是多少？
2
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
合金2
亚共晶合金
?合金室温组织：初生α+（α+β）共晶体+二次β
Ⅱ
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
合金2
过共晶合金
课外思考：请同学们课后自行分析过共晶合金的结晶过程及组成相
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
亚共晶合金（左）与过共晶合金（右）室温组织形貌比较
α
β
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
包晶相图：两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变：L+α→β。
ac 和bc 为两液相线，与其对应的ad 和bp 为两固相线；
df 和pg 固溶体α、β的溶解度随温度变化线；dpc 为包晶转变线。相图含三个单相区L 、α、β；三个双相区L ＋α、L ＋β、α＋β；一个三相区L ＋α＋β，水平线dpc 为包晶反应线，P 点为包晶点，对应包晶反应：L+α→β。
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
二元包晶反应组织结构转变过程
αII
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）（1）固态反应。（2）类似于共晶反应。（3）共析反应：γ→α＋β（4）α、β为交替的片层结构。（5）α、β的相对含量符合杠杆定律。
共析相图
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
形成稳定化合物的相图
?稳定化合物在相图中表现为一直线，可将其视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。
?如Mg -Si 相图，以Mg 2Si 为界分为两个简单的共晶相图进行分析
。
工程材料学第四节合金的结晶（合金相图）
相图与合金物理、力学性能之间的关系
工程材料学
第四节合金的结晶（合金相图）
合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系
工程材料学第四节合金的结晶（合金相图）
–合金的使用性能(usability)与相图的关系
?固溶体中溶质越多，晶格畸变越大，强度、硬度越高，电阻越大，性能与成分曲线成透镜状
?两相组织合金的性能与成分呈直线关系变化
?形成化合物，组织越细密，强度越高，性能与成分线出现尖峰–合金的工艺(technology)性能与相图的关系
?纯组元和共晶成分合金流动性最好，缩孔集中，铸造性能好?单相合金锻造(forge)性能好
工程材料学
小结
简单相图固态转变反应式匀晶L → α 脱溶α → βII 共晶L → α + β共析γ→ α + β包晶L + α → β
包析
γ+ α → β
双液系气液平衡相图的绘制(华南师范大学物化实验)
双液系气-液平衡相图的绘制 一、实验目的 （1）用回流冷凝法测定沸点时气相与液相的组成，绘制双液系相图。找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。 （2）掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。 （3）了解阿贝折射计的构造原理，熟悉掌握阿贝折射计的使用方法。 二、实验原理 2.1液体的沸点 液体的沸点是液体饱和蒸汽压和外压相等时的温度，在外压一定时，纯液体的沸点有一个确定值。 2.2双液系的沸点 双液系的沸点不仅与外压有关，而且还与两种液体的相对含量有关。理想的二组分体系在全部浓度范围内符合拉乌尔定律。结构相似、性质相近的组分间可以形成近似的理想体系，这样可以形成简单的T-x （y ）图。大多数情况下，曲线将出现或正或负的偏差。当这一偏差足够大时，在T-x （y ）曲线上将出现极大点（负偏差）或极小点（正偏差）。这种最高和最低沸点称为恒沸点，所对应的溶液称为恒沸混合物。 恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图（T －x ），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为3类： （1）一般偏差：混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图1(a)所示。 （2）最大负偏差：存在一个最小蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都小，混合物存在着最高沸点，如盐酸—水体系，如图1(b)所示。 （3）最大正偏差：存在一个最大蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都大，混合物存在着最低沸点，如水-乙醇体系，如图1(c)）所示。 图1. 二组分真实液态混合物气—液平衡相图（T-x 图） 考虑综合因素，实验选择具有最低恒沸点的乙醇-乙酸乙酯双液系。根据相平衡原理，对二组分体系，当压力恒定时，在气液平衡两相区，体系的自由度为1。若温度一定时，则气液亮相的组成也随之而定。当溶液组成一定时，根据杠 t A t A t A t B t B t B t / o C t / o t / o x B x B x B A B A A B B (a) (b) (c)x ' x '
金属的性能、结构与结晶
第一章 金属的性能 一、填空(将正确答案填在横线上。下同） 1、金属材料的性能一般分为两类。一类是使用性能,它包括—————————、、———— ————和—————————等。另一类是工艺性能，它包括————————、、————————、———— ————和————————等。 ２、大小不变或变化很慢的载荷称为———载荷,在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷称为—————载荷，大小和方向随时间发生周期变化的载荷称为—————载荷。 ３、变形一般分为—————变形和—————变形两种。不能随载荷的去除而消失的变形称为—————变形。 ４、强度是指金属材料在————载荷作用下,抵抗———————或—————的能力。 5、强度的常用衡量指标有——————和———————,分别用符号———和———表示。 6、如果零件工作时所受的应力低于材料的———————或——————————，则不会产生过量的塑性变形。 7、有一钢试样其截面积为10０mm 2，已知钢试样的 MPa S 314=σ MPa b 530=σ 。拉伸试验时，当受到拉力为—————— 试样出现屈服现象,当受到拉力为—————— 时，试样出现缩颈。 ８、断裂前金属材料产生—————— 的能力称为塑性。金属材料的—————— 和——————的数值越大,表示材料的塑性越好。 ９、一拉伸试样的原标距长度为50mm,直径为10mm 拉断后试样的标距长度为79ｍｍ,缩颈处的最小直径为4．９ mm,此材料的伸长率为—————，断面收缩率为——————。 10．金属材料抵抗————载荷作用而—————————能力。称为冲击韧性。 １1.填出下列力学性能指标的符号：屈服点———，抗拉强度————，洛氏硬度Ｃ标尺————,伸长率———,断面收缩率————，冲击韧度————,疲劳极限————。 二、判断（正确打√，错误打×。下同) １、弹性变形能随载荷的去除而消失。（ ） 2、所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。（ ) 3、材料的屈服点越低，则允许的工作应力越高。( ） 4、洛氏硬度值无单位。( ） 5、做布氏硬度试验时,当试验条件相同时，其压痕直径越小,材料的硬度越低。( ） 6、材料对小能量多次冲击抗力的大小主要取决于材料的强度和塑性。（ ) ７、布氏硬度测量法不宜于测量成品及较薄零件。( ） 8、洛氏硬度值是根据压头压入被测定材料的压痕深度得出的。( ) 9、铸铁的铸造性能比钢好，故常用来铸造形状复杂的工件。 三.选择(把正确答案填入括号内。下同)
环己烷-异丙醇双液系相图
2．6 环己烷-异丙醇双液系相图 2．6．1 实验目的 1．了解物理化学实验手段中常用的物理方法—光学方法的基本原理。 2．绘制环己烷-异丙醇双液系的沸点～组成图，并找出恒沸点及恒沸点混合物的组成。 3．进一步理解分馏原理。 4．掌握阿贝折射仪的原理及使用方法。 2．6．2 实验原理 单组分液体在一定的外压下沸点为一定值。把两种完全互溶的挥发性液体（组分A和B）混合后，在一定的温度下，平衡共存的气液两相组成通常并不相同。因此在恒压下将溶液蒸馏，测定馏出物（气相）和蒸馏液（液相）的组成，就能找到平衡时气、液两相的成分并绘出T—x图，即所谓的相图。完全互溶双液系在恒定压力下的沸点～组成图可分为三类：（1）液体与拉乌尔定律的偏差不大，沸点介于A、B两纯组分沸点之间（图6一1），如苯~甲苯体系。(2) A、B两纯组分混合后与拉乌尔定律有较大的正偏差，溶液存在最低沸点（图6一2），如水~乙醇；苯~乙醇等体系。（3）实际溶液由于A、B两纯组分相互影响，常与拉乌尔定律有较大负偏差，溶液存在最高沸点（图6一3），如盐酸~水体系；丙酮~氯仿体系。 图6—1 偏差不大的体系图6—2 正偏差很大的体系图6—3 负偏差很大的体系对（2）、（3）类体系有时被称为具有恒沸点的双液系。它与（1）类的根本区别在于，体系处于恒沸点时气、液两相的组成相同。因而也就不能象（1）类那样通过反复蒸馏而使双液系的两个组分完全分离。对（2）、（3）类的溶液进行简单的反复蒸馏只能获得某一纯组分和组成为恒沸点的相应组成的混合物。如要获得两纯组分，需采取其他方法。体系的最低或最高恒沸点即为恒沸温度，恒沸温度对应的组成为恒沸组成。环己烷-异丙醇双液系属于具有最低恒沸点一类。 为了绘制沸点～组成图，可采取不同的方法。比如取该体系不同组成的溶液，用化学 分析方法分析沸腾时该组成的气、液组成，从而绘制出完整的相图。可以想象，对于不同 的体系要用不同的化学分析方法来确定其组成，这种方法是很繁杂的。特别是对于一些体 系还无法建立起精确、有效的化学分析方法，其相图的绘制就更为困难。物理学的方法为 物理化学的实验手段提供了方便的条件，如光学方法。在本实验中的折射率的测定，就是 一种间接获取组成的办法。它具有简捷、准确的特点。 本实验就是利用回流及分析的方法来绘制相图。取不同组成的溶液在沸点仪中回流，测定其沸点及气、液相组成。沸点数据可直接由温度计获得；气、液相组成可通过测其折
金属的结构与结晶
金属的结构与结晶 一、判断题 1、非晶体具有各向同性的特点。( ) 2、金属结晶时，过冷度越大，结晶后晶粒越粗。( ) 3、一般情况下，金属的晶粒越细，其力学性能越差。( ) 4、多晶体中，各晶粒的位向是完全相同的。( ) 5、单晶体具有各向异性的特点。( ) 6、金属的同素异构转变是在恒温下进行的。( ) 7、组成元素相同而结构不同的各金属晶体，就是同素异构体。( ) 8、同素异构转变也遵循晶核形成与晶核长大的规律。( ) 9、金属的同素异构转变也是一种结晶过程。( ) 10、非晶体具有各异性的特点。( ) 11、晶体的原子是呈有序、有规则排列的物质。( ) 12、非晶体的原子是呈无序、无规则堆积的物质。( ) 13、金属分为黑色金属和有色金属。( ) 14、大多数晶格的晶粒都是固定不变得。( ) 15、金银铜铁锌铝等都属于金属而不是合金。( ) 16、金属材料是金属及其合金的总称。( ) 17、最常用的细化晶粒的方法是变质处理。( ) 18、金是属于面心立方晶格。( ) 19、银是属于面心立方晶格。( ) 20、铜是属于面心立方晶格。( ) 21、单晶体是只有一个晶粒组成的晶体。( ) 22、晶粒间交接的地方称为晶界。( ) 23、晶界越多，金属材料的性能越好。( ) 24、结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体状态的过程。( ) 25、纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。( ) 26、金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成。( ) 27、只有一个晶粒组成的晶体成为单晶体。( ) 28、晶体缺陷有点、线、面缺陷。( ) 29、面缺陷分为晶界和亚晶界两种。( ) 30、纯铁是有许多不规则的晶粒组成。( ) 31、晶体有规则的几何图形。( ) 32、非晶体没有规则的几何图形。( ) 33、铝具有密度小熔点低导电性导热性好的性能特点。( ) 34、面缺陷有晶界和亚晶界两大类。( ) 35、普通金属都是多晶体。( )
材料科学基础课后作业第三章 (1)
3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。 答： 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件，要求： 1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称； 2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
解：1 ）相图如图所示； 2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右） 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量： %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。 解：由题意由（α+β）共晶含量得 01.03226--25.0?=+）（）（）（αβααωωωB B B 6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B
双液系气液平衡相图的绘制
实验三双液系气液平衡相图的绘制姓名：学号: 班级：实验日期：2015年9月21日 提交报告日期：2015年9月28日 1、实验目的 1．了解沸点仪的原理和使用方法。 2．在大气压力下用沸点仪测绘环己烷-乙醇双液系的气相平衡相图。 3．掌握阿贝折射仪的使用方法。 2、实验原理 双液系是指两种液态物质混合而成的物系。双液系可以分为完全互溶双液系、部分互溶双液系和完全不溶双液系。 将两种挥发性液体混合，若该二组分的蒸气压不同，则溶液的组成与其平衡气相的组成不同。在压力保持一定，二组分系统气液达到平衡时，表示液态混合物的沸点与平衡时组成关系的平衡状态图，简称相图。沸点和组成的关系有下列三种：(1)理想液体混合物或接近理想液体混合物的双液系，其液体混合物的沸点介于两纯物质沸点之间；(2)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的负偏差，其溶液有最高恒沸点见；(3)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸点。第(2)、(3)两类溶液在最高或最低恒沸点时的气液两相组成相同，加热蒸发的结果只使气相总量增加，气液相组成及溶液沸点保持不变，这时的温度称恒沸点，相应的组成称恒沸组成。第一类混合物可用一般精馏法分离出这两种纯物质，第(2)、(3)类混合物用一般精馏方法只能分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。 为了测定二元液系的相图，需在气液达到平衡后，同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。 本实验是测定具有最低恒沸点的环己烷—乙醇双液系的相图。方法是用沸点仪直接测定一系列不同组成之溶液的气液平衡温度(即沸点)，并收集少量馏出液(即气相冷凝液)及吸取少量溶液(即液相)，分别用阿
编号123456 7 8 贝折射仅测定其折射率。为了求出相应的组成，必须先测定已知组成的溶液的折射率，作出折射率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折射率的组成。 3、实验仪器和试剂 1.仪器 沸点仪1个、加热电源（0.5kW）1台、阿贝折射仪1台、长颈胶头滴管2支、镜头纸、 超级恒温槽、50~10℃温度计1支。 2.药品 乙醇、环己烷、丙酮。 4、实验操作步骤及方法要点 1．启动超级恒温槽的加热和搅拌系统，把超级恒温槽的控制温度调至27℃。 2．测定标准溶液的折射率 用与超级恒温槽相连接的已经恒温的阿贝折射仪测定标准溶液的折射率，作折射率对组成的工作曲线。 3．溶液沸点及气液平衡组成的测定。 往沸点仪中加入20mL乙醇，通冷却水，打开电源并调电压至12V，加热溶液至沸腾。待其温度计上所指示的温度保持恒定后，读下该温度值，同时停止加热，并立即在小泡中取气相冷凝液，迅速测定其折射率，并用另一滴管取少量液相测定其折射率。 接下来，往沸点仪中分别加入1mL、2mL、2mL、2mL、5mL环己烷，并按前述方法测定气液平衡温度和气液两相的折光率。结束后，将沸点仪中溶液倒入回收瓶并用电吹风把沸点仪烘干。 往沸点仪中加入20mL环己烷，经行实验。在之后往沸点仪中分别加入的是1mL、2mL、2mL、2mL、5mL乙醇。 注意：每次测量折射率后，要将折射仪的棱镜打开晾干，以备下次测定用。 5、实验数据 1）原始实验测量数据 大气压力：97.13kPa 室温：25.5℃ 以下数据测定过程中阿贝折射仪（恒温槽）温度为27.0℃。
玻璃的基本原理
玻璃的基本知识
玻璃结构理论： 晶子学说(1930年Randell) 近程有序（微晶尺寸1.0‐1.5nm) 晶子学说的价值在于它第一次指 出玻璃中存在微不均匀物，及玻 璃中存在一定的有序区域，这对 于玻璃分相、晶化等本质的理解 有重要价值。一、玻璃的结构 [SiO 4 ]石英晶体结构以及石英玻璃、钠硅 酸盐玻璃晶子结构示意图 2 玻璃结构是指玻璃中质点在空间的几何位置、有序程度以及他们之间的结合状态。
1932年W.H.Zachariasen借助V.M. Goldschmidt的离子晶界化学原则，利用晶体结构来阐述玻璃结构，即查氏把离子结晶化学原则和晶体结构知识推演到玻璃结构，描述了离子-共价键的化合物，如熔融石英、硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃。氧化物形成玻璃的四个条件： ?一个氧离子不能和两个以上的阳离子结合——氧的配位数不大于2； ?阳离子周围的阳离子熟不应多过3或4——阳离子的配位数为3或4； ?网络中氧配位多面体之间只能共顶角，不能共棱、共面。 ?如果网络是三维的，则网络中每一个氧配位多面体必须至少有三个氧离子与相邻多面体相连，以形成三维空间发展的无规则网络结构。 根据上述条件，B2O3、SiO2、P2O5是很好的玻璃形成体。不符合上述条件的氧化物则属于网络改良体，如碱金属、碱土金属氧化物。一些氧化物可以部分参与网络结构，称为网络中间体，如BeO、Al2O3、ZrO2 3
无规则网络学说强调了玻璃中多面体之间互相排列的连续性、均匀性和无序性，而晶子学说则强调了不连续性、有序性和微不均匀性。 因此，玻璃的结构是连续性、不连续性，均匀性、微不均匀性，无序性、有序性几对矛盾的对立统一体， 条件变化，矛盾双方可能相互转化。Figure 1. (a) Crystalline material (regular) and (b) glassy material (irregular).无规则网络学说 的玻璃结构模型
双液体系气液平衡相图的绘制及思考题样本
双液体系气—液平衡相图的绘制 一、 实验目的 1. 绘制环己烷—异丙醇双液体系的沸点组成图, 确定其恒沸组成和恒沸温度。 2. 掌握回流冷凝管法测定溶液沸点的方法。 3．掌握阿贝折射仪的使用方法。 二、 实验原理 两种液体物质混合而成的两组分体系称为双液系。根据两组分间溶解度的不 同, 可分为完全互溶、 部分互溶和完全不互溶三种情况。两种挥发性液体混合形成完全互溶体系时, 如果该两组分的蒸气压不同, 则混合物的组成与平衡时气相的组成不同。当压力保持一定, 混合物沸点与两组分的相对含量有关。 恒定压力下, 真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图( T －x ) , 根据体系对拉乌尔定律的偏差情况, 可分为3类: ( 1) 一般偏差: 混合物的沸点介于两种纯组分之间, 如甲苯－苯体系, 如图 (a)所示。 ( 2) 最大负偏差: 存在一个最小蒸汽压值, 比两个纯液体的蒸汽压都小, 混合物存在着最高沸点, 如盐酸—水体系, 如图 (b)所示。 ( 3) 最大正偏差: 存在一个最大蒸汽压值, 比两个纯液体的蒸汽压都大, 混合 物存在着最低沸点如图 (c)) 所示。 t A t A t A t B t B t B t / o C t / o t / o x B x B x B A B A A B B (a) (b) (c) x ' x '
上图为二组分真实液态混合物气—液平衡相图( T-x图) 后两种情况为具有恒沸点的双液系相图。它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同, 因而不能象第一类那样经过重复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离, 而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。 为了测定双液系的T－x相图, 需在气－液平衡后, 同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。 本实验以环己烷－异丙醇为体系, 该体系属于上述第三种类型, 在沸点仪中蒸馏不同组成的混合物, 测定其沸点及相应的气、液二相的组成, 即可作出T －x相图。 本实验中两相的成分分析均采用折光率法测定。 三、仪器与试剂 1、仪器: 沸点仪1台; 调压变压器1台; 阿贝折射仪1台; 温度计(0-100℃) 1支; 长滴管1个; 短滴管2支; 2、试剂: 环己烷(分析纯); 异丙醇(分析纯) 异丙醇—环己烷标准溶液(异丙醇分别为0.20, 0.40, 0.50, 0.60, 0.80, 0.90) 四、主要实验步骤 1. 测定环己烷、异丙醇及标准溶液的折射率 调节阿贝折射仪, 用一支干燥的短滴管吸取环己烷数滴, 注入折射仪的加液孔内, 测定其折射率n, 读数两次, 取其平均值。然后打开棱镜组, 待环己烷挥发后, 再用擦镜纸轻轻吸去残留在镜面上的液体, 合上棱镜组。
双液系
T/K X液相X气相x=0.00 347 0 0 x=0.05 345.6 0.08 0.196 x=0.15 340.4 0.182 0.315 x=0.30 338.7 0.283 0.396 x=0.45 335.9 0.464 0.445 x=0.55 337.7 0.586 0.576 x=0.65 338.1 0.73 0.634 x=0.80 338.6 0.841 0.768 x=0.95 340.5 0.878 0.924 T/K X液相X气相x=0.00 347 0 0 x=0.05 345.6 0.08 0.196 x=0.15 340.4 0.182 0.315 x=0.30 338.7 0.283 0.396 x=0.45 335.9 0.464 0.445 x=0.55 337.7 0.586 0.576 x=0.65 338.1 0.73 0.634 x=0.80 338.6 0.841 0.768 x=0.95 340.5 0.878 0.924 T/K X液相X气相x=0.00 347 0 0 x=0.05 345.6 0.08 0.196 x=0.15 340.4 0.182 0.315 x=0.30 338.7 0.283 0.396 x=0.45 335.9 0.464 0.445 x=0.55 337.7 0.586 0.576 x=0.65 338.1 0.73 0.634 x=0.80 338.6 0.841 0.768 x=0.95 340.5 0.878 0.924 T/K X液相X气相x=0.00 347 0 0 x=0.05 345.6 0.08 0.196 x=0.15 340.4 0.182 0.315 x=0.30 338.7 0.283 0.396 x=0.45 335.9 0.464 0.445 x=0.55 337.7 0.586 0.576 x=0.65 338.1 0.73 0.634 x=0.80 338.6 0.841 0.768 x=0.95 340.5 0.878 0.924
第三章材料的相结构及相图_材料科学基础
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： (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α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
双液系气液平衡相图的绘制
双液系气液平衡相图的绘制 姓名：陈万东 ..化工班学号：...... 指导教师：栗印环 一、实验目的 1、测定在θp下环己烷-乙醇双液系的气-液平衡相图，了解相图和相率的基本概念； 2、掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法； 3、掌握用折光率确定二元液体组成的方法。 二、实验原理 1、气-液相图： 液体的沸点是指液体的蒸汽压与外界压力相等时的温度。 测定一系列不同配比溶液的沸点及气液两相的组成，就可绘制气-液体系的相图。 2、组成分析： 可用折光率-组成工作曲线来测得平衡体系的两相组成。 三、实验仪器及试剂 沸点测定仪 1只水银温度计 1支 调压变压器 1只超级恒温水浴 1台 数字式Abbe折光仪（棱镜恒温） 1台 玻璃漏斗（直径5cm） 1只长滴管 10支 带玻璃磨口塞试管（5mL） 4个烧杯（50mL，250mL）各1 个 环己烷（分析纯）无水乙醇（分析纯） 重蒸馏水 实验室预先配制环己烷-乙醇系列溶液，以环己烷摩尔分数计大约为0.05、0.15、0.30、 0.45、0.50、0.65、0.80和0.95。 四、实验步骤 1、标准曲线的绘制（实验室已提前绘制好）。 2、安装沸点仪 根据图1所示，将已洗净、干燥的沸点仪安装好。检查带有温度计的软木塞是否塞紧。电阻丝要靠近烧瓶底部的中心。温度计水银球的位置应处在支管之下，但至少要高于电热丝2cm。
. 3、测定混合物的沸点 1)借助玻璃漏斗由支管加入0.05组成的混合液，使液面达到温度计水银球的中部，注意使电热丝达到温度计水银球的中部。打开冷却水，接通电源，调节电压为10V 左右，慢慢加热，使蒸汽在冷凝管中回流的高度不能超过1/2，温度计读数达到稳定后再稳定3~5min 使体系达到平衡，记下此时温度计的读数。 2)切断电源，停止加热，用冷水使沸点仪底部冷却，用干燥的吸管分别吸取冷凝管和圆底烧瓶底部的冷凝液，在数字式阿贝折光仪上分别测定两者的折光率，并由标准曲线读出对应的组成，此数值可认为分别是气相和液相的组成，测定完后将溶液倒入指定的储液瓶里。 3)按上述步骤分别测组成为摩尔百分比为0.15，0.30，0.45，0.50，0.65，0.80，0.95的环己烷-乙醇混合物在沸点下的气相和液相的组成。 4、用测定的数据绘制T-x 图 图.沸点仪的结构图 1.温度计； 2.加样口； 3.电热丝； 4.气相冷 凝液取样口；5.凹形小槽
第三章 二元合金相图和合金的凝固
第三章二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有、、。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因 素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两 条相线，、、三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两 个基本过程。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。 10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。 11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较 高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。 12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。 13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度，液体
双液系的气—液平衡相图预习思考题
实验五双液系的气—液平衡相图预习思考题 一、思考题： 1.作乙醇—正丙醇标准液的折光率—组成曲线的目的是什么？ 答：求平衡体系的两相组成，组分与沸点之间的关系。 2.如何判断已达气液平衡？ 答：温度计读数不再变化。 3.测定一定沸点下的气液相折光率时为什么要将待测液冷却？ 答：因为折射率与被测物的温度有关。阿贝折光仪测折光率时，温度是恒定在30°C，故冷却待测液。 4.本实验加入沸石的目的是什么？ 答：避免局部过热，防止爆沸。 5.乙醇—正丙醇的折光率—组成工作曲线为一直线，两点即可定一线，本实验为何还要进 行多点测定？ 答：进行多点测定可减少偶然误差。 6.简述本实验是如何测定双液系的气—液平衡相图的？ 答：先测出其标准溶液的折光率-组分曲线，再根据折光率计算出组分，便能得出气液平衡相图。 7.本实验在测定双液系的沸点和组成时，每次加入沸点仪中的两种液体是否应按记录表规 定精确计量？为什么？ 答：否。因为双液系的沸点和组分成曲线关系的，不因组分的改变而改变，可以根据折射率得到其组分。 8.我们测得的沸点和标准大气压下的沸点是否一致？为什么？ 答:不一致。因为通常外界压力并不恰好等于标准压力。 9.简述用阿贝折光仪测定液体折光率的步骤。 答：P37. 10.双液系的沸点—组成图分为哪几类？本实验属于哪一类？ 答：（1）混合液的沸点介于A,B二纯组分沸点之间；（2）有最低恒沸点体系；（3）有最高恒沸点体系。属于第一类
二、操作题： 1. 如何进行打开冷凝水至适当位置操作？为什么？ 答： 2. 如何进行沸点仪在开始加热和温度接近沸点时的操作？ 3. 如何进行测定沸点后蒸馏瓶水浴冷却操作？ 答：用塑料盆盛自来水，冷却至温度计读数与超级恒温槽接近为止。 4. 如何进行沸点仪气、液相取样操作？ 答：气相取样：打开气态冷凝液磨口塞，用弯钩滴管吸出气相收集小液体球；液相取样：用直的滴管吸取部分液相样品。 5. 折光仪在加样时应注意什么？如何操作？ 答： 6. 如何进行折光仪加样后的调节操作？ 答： 7. 如何进行折光仪读数操作？ 答：左目镜读数。 8. 如何进行折光仪测定前上下棱镜的乙醇清洗操作？为何要清洗？ 答：用待测液察洗上下棱镜，水平滴加让待测液平辅在棱镜上。 9. 为何要进行温度露颈校正？如何校正？ 答：根据其控制温度的差异，调节调节器，顺时针调高，逆时针调低，反复进行，直至温度为希望温度值，固定螺丝。 10. 如何设定超级恒温槽温度为30℃（实控温度）？ 答：调节调节器使指示温度比30°C低2-3°C，如槽中温度不低于30°C，则根据差值调节调节器，使槽中温度显示为30°C。 11.本实验中超级恒温槽的作用是什么？ 答：保证折光仪测光率时被测物温度恒定。 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
复习思考题(铁碳合金相图)
第三章复习思考题（铁碳合金相图） 一．名词解释 铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、高温莱氏体、低温莱氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、A3线、A cm线、PQ线、渗碳体 二．填空题 1．碳在奥氏体中的溶解度随温度而变化，在1148℃时溶碳量可达，在727℃时为。 2．铁碳合金相图是表示在情况下，随温度变化的图形。 3．含碳量小于的铁碳合金称为钢，根据室温组织的不同，钢可以分为三类：钢，其组织是；钢，其组织是；钢，其组织是。 4．共析钢当加热后冷却到S点时会发生转变，从奥氏体中同时析出和组成的混合物，称为。 5．分别填出下列组织的符号：奥氏体，铁素体，渗碳体，珠光体，高温莱氏体，低温莱氏体。 6．奥氏体和渗碳体组成的共晶产物称为，其含碳量为，当温度低于727℃时，转变为珠光体和渗碳体，又称为。 7．亚共晶白口铸铁的含碳量为，其室温组织为。 8．铁素体是碳溶入中的固溶体，奥氏体是碳溶入中的固溶体，渗碳体是。 9．工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁在室温下的平衡组织分别是，，，，，，。 10．在Fe-Fe3C相图中，HJB线、ECF线、PSK线分别称为，，。 11．根据含碳量和组织特点，可将铁碳合金分为三大类，分别是，，。 12．渗碳体的塑性，脆性，但高。 13．Fe-Fe3C相图中有个单相区，分别是；有个双相区，分别是。 14．纯铁有三种同素异晶状态，分别是，，。 三．选择题 1．铁素体的晶格类型为（） A．面心立方B．体心立方C．密排六方D．复杂的八面体 2．奥氏体的晶格类型为（） A．面心立方B．体心立方C．密排六方D．复杂的八面体 3．渗碳体的晶格类型为（） A．面心立方B．体心立方C．密排六方D．复杂的八面体 4．含碳量1.3%的铁碳合金，在950℃时的组织为（），在650℃时的组织为（） A．珠光体B．奥氏体C．铁素体+珠光体D．珠光体+渗碳体 5．铁碳合金相图中ES线，其代号用（）表示，PSK线用代号（）表示。 A．A1B．A3C．A0D．A cm 6．铁碳合金相图中的共析线是（），共晶线是（） A．ES B．PSK C．ECF D．HJB 7．从奥氏体中析出的渗碳体是（），从液相中结晶出的渗碳体为（） A．一次渗碳体B．二次渗碳体C．三次渗碳体D．共晶渗碳体 8．奥氏体是（） A．碳在γ- Fe 中的间隙固溶体B．碳在α- Fe 中的间隙固溶体 C．碳在α- Fe 中的置换固溶体D．碳在δ- Fe 中的间隙固溶体 9．珠光体是一种（） A．单相固溶体B．两相混合物C．Fe 与C 的化合物D．两相固溶体 四．判断题
第三章多元凝聚系统相图及其应用(精)
第三章多元凝聚系统相图及其应用 和传统化学不同，本书不讨论含水系统，而把注意力集中在凝聚态相图同时，和金属物理或物理冶金学不同，本书主要是讨论金属氧化物系统相图。无机材料化学是一门应用学科，因此，本书除了介绍一些必要的基本原理外，重点放在解释如何分析相图，以及讨论相图对实际过程的指导意义。 多元凝聚系统的相律表达式为f * = C–Φ+ 1，f*为条件自由度，C为独立组元数，Φ为相数，数字1代表温度变量。本书采用大多数无机材料化学类文献[3~7]约定俗成的说法，在下文中把f *称为自由度，并以通常代表自由度的符号f来表示。于是，凝聚系统相律便写成为 f = C –Φ+ 1 。（3–1） 对于二元凝聚系统，C = 2，于是（3–1）式便成为f = 3–Φ。可见在二元凝聚系统中，平衡共存的相最多只有3个，最大自由度f = 2，是温度和任意1个浓度项这2个热力学强度因素。 §3.1 二元系统相图 3.1.1KF–BaTiO3系统和提拉法低温制备单晶 图3–1 KF–BaTiO3相图，纵标为温度T， 横标为BaTiO3的物质的量分数x[7] 参见Karan C, Skinner B J. J. Chem. Phys., 1953, 21: 2 225[8] 图3–1为KF–BaTiO3系统相图。这是一种最简单的具有一个低共熔点(eutectic point)的二元系统相图[1]，或称为二元固态不互溶凝聚系统相图[2]。本书相图（二元系统及下文的
三元系统立体相图）纵标单位一般为绝对温度T（个别相图仍保留摄氏温度t），横标为物质的量分数x或质量分数w等。 由图3–1可见，如欲将BaTiO3熔融，用提拉法生长BaTiO3单晶，温度要求高达1 885 K。若加入一定量的KF，就可在比1 106 K略高一点的温度，提拉出质量合格的BaTiO3单晶[7]，而使制备温度下降700 K左右。通常配料控制在靠近BaTiO3的一侧。但BaTiO3含量过高时，拉制温度会过高[7]，这是由于此种情况下在比1 106 K稍高一点的温度时，系统的液相量过少。一般可通过实验确定最佳的原料配比和提拉温度。 3.1.2 CaO–Al2O3系统和转熔过程的包晶反应 一、CaO–Al2O3系统 此系统的相图如图3–2所示。本书和大部分无机材料化学类文献[3, 7, 8]一样，把分子式为CaAl2O4的化合物，写成CaO·Al2O3，简写为CA，其他以此类推。系统中CA、CA2、六铝酸钙CA6和铝酸三钙C3A均为不一致熔融化合物（物理化学教科书往往称它们为不稳定化合物[12,]），它们各自的分解温度［或称为转熔温度(peritectic temperatures)］亦已在图中标出。七铝酸十二钙C12A7在通常的温度下为一致熔融化合物(或称为稳定化合物[1, 2]、同成分熔融化合物)。有的文献认为它的熔点为1 665 K[7, 9]，但较为经典的文献则认为它的熔点为1 728 K[10]，后一个数据与图3–2中C12A7组成附近的两个低共熔点温度较为相符。C3A 和CA在完全干燥的空气中于1 633 K时，能生成质量分数50.65%Al 2O3和49.35%的CaO两者的低共熔混合物(eutectic mixture)[7]，在此种情况下，C12A7在相图中当然没有稳定的相区。最近报道C12A7具有宝贵的电性能。 此相图的化合物与水泥密切相关。C12A7虽然在硅酸盐水泥和矾土水泥中均有存在，但它的水化活性较差，是水泥中不希望有的矿物组成。此外，C12A7还是一种良的导体，但是好的电导体却很少是透明的[26]。Nature（03 Oct. 2002）报道了在氢气气氛中，通过热处理，可把氢离子结合进C12A7，从而把它做成透明的。C3A与水反应强烈，硅酸盐水泥中C3A含量较高时，水化速度较快。CA是矾土水泥的主要矿物，CA和水化合时反应较快，产物强度也较高，所以矾土水泥也称为快硬高强水泥。此外，CA2常作为耐火水泥的主要矿物。
双液系相图数据处理
双液系的气——液平衡相图数据处理 一、蒸馏水、乙酸乙酯和无水乙醇的折光率值 室温：295K 大气压：101.325KPa 样品 n 1 n 2 n 3 n 平均 n 理论 △n n 校正 H 2O 1.33280 1.33290 1.33280 1.33283 1.33281 0.00002 —— 乙酸乙酯 1.37120 1.37130 1.37130 1.37137 —— —— 1.37135 无水乙醇 1.36070 1.36090 1.36080 1.36090 —— —— 1.36088 无水乙醇方程：y=-9551.1x+13098； 乙酸乙酯方程：y= 9551.1x-12998。 根据所测得实验过程中的折光率，查上图的工作曲线，可得下表2。 二、未知液的组成 溶液 沸点/℃ 液相 气相 n 1 n 2 n 3 n 平均校 正 x 乙酸乙 酯 n 1 n 2 n 3 n 平均校 正 y 乙酸乙 酯 0.05 77.43 1.3611 1.3611 1.3612 1.361213 0.022286 1.3628 1.3624 1.3624 1.362113 0.156001 0.20 75.05 1.362 1.3619 1.3621 1.36208 0.105062 1.3634 1.3634 1.3636 1.363647 0.245145 0.30 73.99 1.3626 1.3626 1.3624 1.362947 0.156001 1.3647 1.3649 1.3647 1.36518 0.369309 0.40 73.06 1.3633 1.3632 1.3634 1.363813 0.229226 1.3653 1.3652 1.3653 1.366713 0.417065 0.50 7 2.46 1.3646 1.3645 1.3647 1.36468 0.353391 1.3659 1.3657 1.3657 1.368247 0.46482 0.60 72.12 1.3659 1.3658 1.366 1.365547 0.477555 1.366 1.3662 1.3662 1.36978 0.499841
第五章 材料的相结构及相图
第五章材料的相结构及相图 (材料的相结构已提前在§2材料中的晶体结构中讲过) Unit 1相图基本知识、单元系相图、二元系相图 【目标与要求】 1．掌握组元、合金系、相、相变、固态相变、相平衡、相图 凝固与结晶等基本概念 2．掌握二元系相图的测定方法 3．掌握相律，杠杆定律及其应用 【内容】 1．相图基本知识 2．单元系相图 3．二元系相图的建立 【重点、难点】 1．相变、固态相变、相平衡、相图、凝固与结晶等基本概念 2．相律、杠杆定律及其应用 【方法及手段】 采用多媒体辅助教学，并结合提问和启发相结合的方式。利用动画来演示相图的测定。【进程】 §5.1 相图的基本知识 一、组元、合金系 1. 组元（component）：组成合金最基本的、可以独立存在的物质。 一元合金：纯Fe、纯Cu 二元合金：Fe-C、Cu-Zn、Cu-Ni 三元合金：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 2. 合金系（alloy system）：一系列成分不同的合金 二（三、多）元系合金 二、相、相变、相平衡、相律 1. 相（phase）： 单相合金：如单相 A 体不锈钢，单相黄铜（30％Zn） 多相合金：如双相不锈钢（A+F、A+M）、双相黄铜（40％Zn） 2. 相变（phase transformation）：旧相→新相的转变过程 固态相变（solid phase transformation ）。 从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。 若凝固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。 金属转变过程为：汽态←液态←→固态 3. 相平衡（phase equilibrium）：没有量的增减和成份的改变。 实际上是一种动态平衡 相平衡条件：每个组元在各相中的化学势都彼此相等。 4. 相律（phase rule) 相律数学表达式：f=c-p+2
双液系的气-液平衡相图
双液系的气-液平衡相图 1. 简述由实验绘制环己烷-乙醇气-液平衡T-x相图的基本原理。 答：通过测定不同沸点下组分的气、液相的折射率，在标准的 工作曲线上找出该折射率对应的浓度，结合其沸点画出平衡相图。2. 在双液系的气-液平衡相图实验中，作环己烷-乙醇的标准折光率-组成曲线的目的是什么？ 答：作标准曲线的目的是通过测气、液相相得折射率从而在标 准工作曲线上找出对应的浓度。 3. 用精馏的方法是否可把乙醇和环己烷混合液完全分离，为什么？ 答：不能完全分离。因为环己烷-乙醇二组分具有最低恒沸点。 4. 测定纯环己烷和纯乙醇的沸点时，沸点仪中有水或其它物质行吗？ 答：有水和其他物质都是不行的。因为有水和其他物质会使所 测沸点改变。 5. 为什么工业上常生产95％酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获得无水酒精？ 答：因为水-乙醇二组分具有最低恒沸点，所以工业上常生产95%的酒精。用精馏的方法无法获得无水酒精，只能获得95%的酒精。 6. 在双液系的气-液平衡相图实验中，如何判断气-液相达平衡状态？ 答：观察贝克曼温度计的读数，如果读数稳定3-5分钟，说明 已达平衡状态。
7. 在双液系的气-液平衡相图实验中，每次加入沸点仪中的环己烷或乙醇是否应按记录表所规定的体积精确计量？为什么？ 答：不需要按记录表的加。因为组分的浓度不是按所加物质的 量计算得来的，而是通过测折射率间接得到的。 8. 在双液系的气-液平衡相图实验中，在测定沸点时，溶液出现分馏现象，将使绘出的相图图形发生什么变化？ 答：出现馏分将使测得的沸点偏高，使相图向上移动。 9. 在双液系的气-液平衡相图实验中，蒸馏器中收集气相冷凝的小球大小对结果有何影响？ 答：小球太小难以收集气相，小球太大，小球内的组分更新太慢，产生馏分，导致实验误差。 10. 在双液系的气-液平衡相图实验中，通过测定什么参数来测定双 液系气-液平衡时气相和液相的组成？ 答：通过测定组分的折射率来测定双液系气-液平衡时气相和液相的组成。 11. 在双液系的气-液平衡相图中，如何通过测定溶液的折光率来求 得溶液的组成？ 答：通过测得的折射率在标准曲线上找出对应的浓度，根据气、液相平衡浓度与测得的沸点作出平衡相图。