材料科学基础重点

第一章

1.1原子的结合有哪些？

1.2工程材料可分为哪几类？

1.3晶向指数、晶面指数能画图，给图能写出。

1.4金属常见的晶格类型、配位数、致密度、原子密排面、密排晶向、结构中的间隙。

1.5晶体中缺陷的种类。

1.6位错的种类、位错方向与柏氏矢量的关系、位错的运动方式。

1.7位错反应条件及计算。

1.8晶界的种类，界面能与晶界的关系。

第二章

2.1影响置换固溶体溶解度有哪些因素？有何规律？

1、原子尺寸因素：溶质和溶剂的尺寸差别越小越容易形成置换固溶体

2、晶体结构因素：同一种间隙原子在fcc的固熔度大于bcc的

3、负电性因素;负电性相差很大时，即亲和力很大，往往比较容易形成比较稳定的化合物；

负电性差不大时，随负电性值增加，有利于增大固溶度

4、电子浓度因素：溶质元素的原子价越高，形成固溶体的极限固溶度越小。

2.2间隙固溶体与间隙相之间的关系。

间隙固熔体式固熔体的一种，间隙相是一种金属间化合物两者的晶体结构也各不相同。

2.3金属间化合物的种类及特点

金属间化合物分为正常价化合物，电子价化合物和间隙化合物；

正常价化合物：电负性差值越大，稳定性越高；

电子价化合物：

间隙化合物：主要受组元的原子尺寸因素控制。通常是由渡族金属与原子半径很小的非金属元素组成，分为简单间隙化合物与复杂间隙化合物，非金属元素处于化合物晶格的间隙中。第三章

3.1金属结晶的热力学条件是什么？

热力学第二定律：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，就是说只有伴随着自由能降低的过程才能自发的进行。

3.2金属结晶的能量条件是什么？

能量起伏（详细看书P85-86）

固态金属自由能低于液态金属自由能。当温度低于Tm时液态的自由能Gl高于固态的自由能，由液态转为固态时，将释放出那份能量而是系统自由能降低，所以过程才能够自动进行。凝固过程一定要在低于熔点温度时才能进行。

3.3金属结晶的结构条件是什么？

结构起伏（详细看书P86-87）

3.4金属结晶时的形核有哪些方式？

均匀形核、非均匀形核

3.5根据凝固理论，如何细化晶粒？

单位体积中的晶粒数取决于两个因素：形核率N和长大速度V；增加过冷度；小制件：增加冷却速度，大制件：采用形核剂；振动。超声波振动和电磁搅拌等措施来细化。

3.6晶体长大时，液-固界面处于那种微观结构？光滑界面、粗糙界面

有哪些长大方式？垂直长大、横向长大

长大方式与微观结构有什么关系？

垂直长大方式是针对粗糙界面结构提出来的。

因为粗糙界面上的空位较多液相扩散而来的原子填入空位中与晶体连接起来垂直于界面生长

横向长大方式是针对光滑界面结构提出来的。

因为光滑界面上空位数目与占位数目之比要么很小要么很大由液相扩散而来的原子不易于晶体牢固连接，依靠小台阶接纳液态原子的向前推移，代表模型：二维晶核台阶生长机制，晶体缺陷台阶生长机制。

3.7晶体长大有哪些形态

平面状长大和树枝状长大

平面状长大：正温度梯度——粗糙面结构；P103

树枝状长大：负温度梯度——粗糙面结构——具有特定的方向性，主要取决于晶体结构。P104 第四章

4.1相平衡：某一温度下系统中各相长时间不相互转变处于平衡状态，这种平衡叫做相平衡。相率的表达式是什么？

f=c-p+2 恒压条件下：f=c-p+1 （C组元数、P相数、f自由度）

4.2晶内偏析：固熔体不平衡结晶时，由于从液态中先后结晶出来的固相成分不同，结果使得

一个晶粒内化学成分不均匀这种现象为晶内偏析。

枝晶偏析：由于固熔体一般都以树枝状方式结晶，树枝的结晶轴会高熔点组元较多，而晶枝间含低熔点组元较多，故把晶内偏析又称枝晶偏析。

枝晶偏析的危害：导致合金塑性韧性下降，易引起晶内腐蚀，降低合金的抗蚀性能，特

别是给合金的加热工带来困难

消除方法：将铸态合金加热到略低于固相线的温度进行长时间均匀化退火，使异类原子互相充分扩散均匀。

4.3什么是区域熔炼？将金属棒沿棒的长度方向逐渐从一端向另一端顺序的进行局部熔化提

纯金属；

如何提纯金属？区域熔炼一次就会使圆棒中的杂质从一端向另一端，富集反复进行多次就可使金属材料获得高度的提纯。

4.4什么是成分过冷？由于液相成分改变而形成的过冷。

成分过冷对固溶体生长形态和组织有什么影响？

固熔体合金凝固时，在正温度梯度下，由于固液界面前沿液相中存在过冷并逐渐增长，使

界面生长形态从平直界面向包状晶、包状树枝晶、树枝晶发展。

4.5利用杠杆定律计算组织和相含量。

4.6什么是共晶转变？写出其反应式？画出示意图。

4.7共晶、亚共晶、过共晶合金平衡凝固过程及组织。

4.8什么是包晶转变？写出其反应式？画出示意图。

4.9包晶合金平衡凝固过程及组织。

4.10什么是共析转变？写出其反应式？画出示意图。

4.11什么是偏晶转变？写出其反应式？画出示意图。

4.12什么是熔晶转变？写出其反应式？画出示意图。

4.13什么是包析转变？写出其反应式？画出示意图。

4.14什么是合晶转变？写出其反应式？画出示意图。

4.15什么是同素异构转变？

4.16画出F-Fe3C相图。写出包晶、共晶、共析反应式。分析亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程及冷却过程中相和组织变化，根据杠杆定律计算相和组织的含量。

4.17分析铸锭的组织。

4.18利用杠杆定律和中心法则计算四相平衡时的相和组织含量。

4.19多元合金配料计算。

4.20三元匀晶合金合金凝固时成分变化曲线投影的特点。

4.21三元共晶相图中的相和组织标注，分析结晶过程。

4.22三元共晶相图的等温截面和截面。

4.23三元合金相图相区之间的关系，杠杆定律的应用。

第五章

5.1．扩散第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（扩散通量J）与该截面处的浓度梯度成正比。（公式见书P199）

5.2.科肯道尔效应：置换型扩散偶中，由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送。

5.3限定元公式及其应用P202

5.4恒定元公式及其应用。P202 高斯误差函数及其表格应用。P203

渗碳层厚度与时间关系公式及应用。P204

5.5扩散的两种主要机制:

间隙机制：质点从一个间隙到另一个间隙

空位机制：原子跃迁到与之相邻的空位.

5.6扩散的驱动力:化学位梯度

5.7上坡扩散及其扩散方向与浓度梯度的关系: 扩散沿着与浓度梯度相同的方向进行

5.8 反应扩散：通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而不断形成新相的扩散过程。又称相变扩散。

纯铁在渗碳时组织发生变化情况，写出成分变化式。P212

5.9低碳钢在两相区渗碳，发生什么现象？

两相区之间存在明显的宏观界面，始终没有出现两相组织混合区。二元合金的扩散层不可能出现两相混合组织。P212

5.10合金发生扩散时，合金组元与混合区的关系

二元合金的扩散层不可能出现两相混合组织。三元系中三相区温度渗层中不可能出现三相混合区，但可以有两相混合区域。

5.11扩散系数公式。P213

第六章

6.1常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生

6.2滑移:在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式

6.3滑移系:一个滑移面和该面上一个滑移方向的成一个滑移系。

6.4金属晶格中的滑移系:P221

面心立方晶格的滑移系:

Cu,Al,Ni,Ag,Au 滑移面｛111｝×4 滑移方向<1-10>滑移系个数12

体心立方晶格的滑移系:

α-Fe,W,Moα-Fe,W,Mo α-Fe,K 滑移面 {1-10}×6 {1-21}×12 {2-31}×24

滑移方向＜111＞×2 ＜111＞×1 ＜111＞×1 滑移系数目 12 12 24

6.5临界分切应力及其应用。计算分切应力、取向因子。P223

6.6几何硬化：如果某一滑移系原来处于软取向，在拉伸时，随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力轴夹角越来越远离45°，使滑移变得越来越困难，这种现象称为几何硬化。

6.7 单滑移：只有一组滑移系处于最有利的位置，进行的单系滑移

多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。

交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同个共同的滑移方向同时或交替滑移。

他们与位错的关系：晶体的滑移通过位错运动来实现。

6.8 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分作均匀切变所产生的变形

孪生有什么特点？滑移与孪生有何异同？

相同点：沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。

不同:1、孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的。

2、孪生后的晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向发生变化，而滑移后

晶体各部分的位向并未改变。

3、孪生比滑移的临界切应力高得多。

4、孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。

5、孪生在偏光下或腐蚀后仍能看到孪晶，而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。

6.9细晶强化：多晶体的强度随晶粒细化而提高，这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。

机理：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。

6.10固溶强化：当合金由单相固溶体构成时，随溶质含量的增加，强度、硬度不断提高，

塑性、韧性不断下降的现象。

实质：溶质原子与位错的弹性、电、化学交互作用。

6.11弥散强化材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为弥散强化。

机理：第二相为不可变微粒时，移动的位错与不可变形微粒相遇时，受粒子阻碍而弯曲，位错绕过时既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应力。因此，继续变形时必须增大外应力，从而使流变应力迅速提高。

第二相为不可变微粒时，位错切过机制，造成滑移面上原子错排，要求错排能；位错切过粒子，在滑移面上产生反相畴界，要求反相畴界能；位错切过粒子，生成宽为b的台阶，需要表面能；弹性应力场与位错交互作用，阻碍其运动；位错能量、线张力变化；

6.12变形机构：多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取向，称为变形织构。

6.13加工强化：随变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。

机理：产生加工硬化的主要原因是金属在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部产生残余应力等，因而继续塑性变

形就变得困难，从而引起加工硬化。

第七章

7.1冷变形金属在加时，组织和性能发生什么变化？

显微组织变化：

第一阶段-回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；

第二阶段-再结晶阶段：变形晶粒通过形核和长大过程，完全转变为新的无畸变的等轴晶粒。第三阶段-晶粒长大阶段：再结晶后的等轴晶粒晶界继续移动，晶粒粗化，直至达到相对稳

定的形状和尺寸。

性能变化：力学、化学、物理性能

1、力学性能

回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。

再结晶阶段：强度、硬度显著下降，塑性急剧提高。

晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性在晶粒粗化不十分严重时，仍有继续提高趋势，晶粒粗化严重时，塑性也下降。

2、物理性能

密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。

3、内应力变化：回复阶段，变形金属的内应力可部分消除；再结晶阶段，内应力全部消除。

7.2.回复：冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶前）的微观结构及性能的变化过程。

驱动力：弹性畸变能的降低。

回复时，金属内缺陷如何变化？组织如何变化？

低温回复：0.1Tm~0.3Tm，因温度较低，原子活动能力有限，主要局限于点缺陷的运动。通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度显著下降。

中温回复：0.3Tm~0.5Tm 因为温度稍高，原子活动能力增强，除点缺陷外，位错也被激活。其主要机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异号位错互相抵消，使位错密度有所下降。高温回复：>0.5Tm因温度较高，位错可以被充分激活，发生多变化（同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排成小角度亚晶界），弹性畸变能降低。同号刃型位错塞积于同一滑移面上时，位错间相互排斥，发生攀移，在不同的滑移面上垂直排。异号刃形位错产生的应变部分抵消。随多边化的进行，逐步形成位错网络，构成亚晶界。

7.4.再结晶：冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。

再结晶时，金属内缺陷如何变化？组织如何变化？

显微组织彻底改组，变形储存能充分释放，性能显著变化。随着保温时间的延长，新的等轴晶粒逐渐增多并长大，直到完全代替了变形晶粒。

再结晶的驱动力：

7.5再结晶有哪些形核机制：晶界凸出形核亚晶形核机制

7.6.影响再结晶有哪些因素？如何影响？

退火温度：温度越高，再结晶速度越大。

变形量：变形量越大，再结晶温度越低；变形量增大到一定值，再结晶温度趋于稳定。变形量大,退火时的再结晶速度也快。

原始晶粒尺寸：晶粒越小，驱动力越大,再结晶温度降低；晶界越多，有利于再结晶形核。微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。

分散相粒子：间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。

7.7.再结晶后长大时，金属内缺陷如何变化？组织如何变化？再结晶后长大的驱动力是什么？

驱动力：晶粒长大后总的界面能的下降组织：大晶粒吞食小晶粒。

7.8二次结晶：少数晶粒突发性的、不均匀的长大。

什么情况下易发生二次再结晶（4种）：大晶粒；具有织构的组织中非择优取向的晶粒；

晶界微粒溶解的晶粒；热蚀沟钉扎的薄板中表面能低的晶粒；

7.9热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形。

热变性的实质是什么：加工硬化与动态软化同时进行，形变硬化为动态硬化所抵消，不显示硬化作用。

7.10.动态回复与变形速率和温度有何关系？

当变形温度一定时，应变速率越大，达到稳定的应力和应变越大。

当应变速率一定时，变形温度越高，达到稳定的应力和应变越小。

7.11动态再结晶与变形速率和温度有何关系？应变速率低、变形温度高时，晶粒尺寸大。

7.12流线：在热变形中，某些枝晶偏析、夹杂物、第二相等随组织变形而伸长，沿变形方向分布，晶粒发生再结晶，形成新的等轴晶粒，而夹杂物等沿变形方向呈纤维状分布称为流线。他对力学性能有什么影响？

使金属机械性能出现各向异性，沿纵向变形方向和横向变形方向性能不同，纵向具有较高的机械性能，特别是塑性和韧性为了保证零件具有较高的机械性能，热加工时应控制工艺使流线与零件工作时受到的最大拉应力的方向一致，而与外加的剪切应力和冲击方向相垂直。7.13什么是带状组织：热变形后共析钢中的铁素体和珠光体成条带状分布

第八章

8.1相变固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。

8.2惯习面：固态相变时，新相往往在母相的一定晶面族上形成，这组晶面称为惯习面

8.3固态相变的阻力是什么？固态相变时的应变能与表面能。

8.4固态相变均匀形核时，核的形状与界面有什么关系？

具有低表面能和高应变能的共格晶核，倾向于盘状或片状。

具有高表面能和低应变能的非共格晶核，可能呈球形或等轴状，若形核时因体积胀大而引起应变能显著增加，晶核趋于呈片状或针状

8.5脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程。

8.6调幅分解：又称增幅分解，指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程

特点：通过上坡扩散实现成分变化，不经历形核阶段，不存在明显的相界面，分解速度快。条件：起始成分在两个化学拐点之间；每个原子有足够的相变驱动力△Gv。

8.7马氏体相变的特点？

一、马氏体与基体的自由表面交截时，表面出现浮凸。

二、存在不变平面，即惯习面。相变产生的变形是均匀的。

三、马氏体相变中，新旧相之间有一定的位相关系。

四、马氏体具有亚结构。

马氏体相变的分类和马氏体的种类。等温马氏体、变温马氏体

第九章

9.1复合材料：复合材料是由两种或两种以上在物理、化学性质完全不同的物质复合起来而得到的一种具有优越性能的固体材料。

9.2有哪些复合效应？

线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应、各向异性效应

9.3有哪些复合思想？

仿生思想、绿色材料思想、充分利用协同效应思想、智能材料思想

9.4什么复合材料的界面？

一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为界面。

9.5如何改进复合材料的界面？

1、降低界面残余应力

2、基体改性

3、纤维表面改善

4、选则合理的复合工艺和使用条件