北京科技大學2014年材料科學與工程專業(yè)金屬學考研復習權(quán)威資料

1、北京科技大學2014年攻讀碩士學位金屬學復習大綱（適用專業(yè)：材料加工工程、材料學、材料科學與工程、材料物理與化學）一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)1. 原子間的鍵合 1)金屬鍵, 2)離子鍵, 3)共價鍵2晶體學基礎 1）空間點陣， 2）晶系及布喇菲點陣， 3）晶向指數(shù)與晶面指數(shù)3金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1）典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)，2）原子的堆垛方式，3）晶體結(jié)構(gòu)中的間隙， 4）晶體缺陷4合金相結(jié)構(gòu) 1）置換固溶體，2）間隙固溶體，3）影響固溶體溶解度的主要因素 4）中間相5晶體缺陷 1）點缺陷, 2)晶體缺陷的基本類型和特征, 3)面缺陷二、金屬與合金的凝固1金屬凝固的熱力學條件2形核 1）均勻形核，

2、2）非均勻形核3晶體生長 1）液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)，2）金屬與合金凝固時的生長形態(tài)，3）成分 過 冷4凝固宏觀組織與缺陷三、金屬與合金中的擴散1擴散機制2擴散第一定律3擴散第二定律4影響擴散的主要因素四、二元相圖1合金的相平衡條件2相律3相圖的熱力學基礎4二元相圖的類型與分析五、金屬與合金的塑性變形1單晶體的塑性變形1）滑移，2）臨界分切應力,3）孿生，4）紐折2多晶體的塑性變形1）多晶體塑性變形的特點，2）晶界的影響，3.塑性變形對組織與性能的影響1）屈服現(xiàn)象,2)應力-應變曲線及加工硬化現(xiàn)象,3)形變織構(gòu)等六、回復和再結(jié)晶1回復和再結(jié)晶的基本概念2冷變形金屬在加熱過程中的組織與性能變化3再

3、結(jié)晶動力學4影響再結(jié)晶的主要因素5晶粒正常長大和二次再結(jié)晶七、鐵碳相圖與鐵碳合金1鐵碳相圖2鐵碳合金3鐵碳合金在緩慢冷卻時組織轉(zhuǎn)變八、固態(tài)相變1固態(tài)相變的基本特點 2固態(tài)相變的分類3擴散型相變         1）合金脫溶，2）共析轉(zhuǎn)變，3）調(diào)幅分解4非擴散型相變參考書：1.金屬學（修訂版）, 宋維錫 主編, 冶金工業(yè)出版社，1998；2.材料科學基礎, 余永寧 主編, 高等教育出出版社，2006；3.材料科學基礎（第二版）, 胡賡祥等 主編, 高等教育出出版社，2006；4.任何高等學校材料科學與工程專業(yè)金屬學或

4、材料科學基礎教學參考書?？荚噧?nèi)容梳理第一章：金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu) 1)金屬鍵, 2)離子鍵, 3)共價鍵考點：金屬鍵（2001年，2004年，2007年）簡述什么是金屬鍵？5分剖析：金屬中自由電子和原子核之間靠靜電作用產(chǎn)生的鍵合力。 晶體學基礎 10分1) 空間點陣（2008年）在空間中由幾何陣點周期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境，在三維空間規(guī)則排列的陣列成為空間點陣，簡稱點陣。5分 2 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)（2008，2007，2006，2005，2004，2003，2002） 畫出fcc中（110）晶面原子的排列情況，在體心立方中畫出一個最密排方向并表明晶向指數(shù)，再畫出過該方向的兩個不同

5、的低指數(shù)晶面，寫出對應的晶面指數(shù)，這兩個面與其平行的密排方向構(gòu)成什么關系？20分3晶系及布喇菲點陣（2007年，2004年）考點：7中晶系的點陣參數(shù)，14種布喇菲點陣，晶體結(jié)構(gòu)與布喇菲點陣的區(qū)別。剖析：布喇菲點陣中每個陣點周圍環(huán)境相同，法國數(shù)學家布喇菲經(jīng)過推倒只可能有14種，也可表訴為除考慮晶胞外形外，還考慮陣點位置構(gòu)成的點陣。難點：空間點陣與晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別 金屬的晶體結(jié)構(gòu)（年年考）20分 1）典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) fcc，bcc，hcp，年年考重中之重，考察晶胞中的原子數(shù)，點陣常數(shù)與原子半徑，配位數(shù)和致密度，要爛熟于胸。2）原子的堆垛方式 體心立方：ABABABA或ACACACAC,面心立方：

6、ABCABCABC或ACBACBACB3）晶體結(jié)構(gòu)中的間隙:四面體間隙和八面體間隙畫圖（2008）20分 合金相結(jié)構(gòu) 20分1） 置換固溶體，2）間隙固溶體，3）影響固溶體溶解度的主要因素（2007，2006，2005，2004，2003，2001，2000） 所謂固溶體是指溶質(zhì)原子以原子態(tài)溶入金屬溶劑的點陣晶格中所組成的單一均勻固體，其特點是保持溶劑的點陣結(jié)構(gòu)類型。置換固VS間隙固溶體？ 影響固溶度的因素有： ：原子尺寸因素。當溶劑、溶質(zhì)原子直徑尺寸相對差小于±15有利于形成大的代為固溶體，當兩組元的直徑相對差大于41時，有利于形成高的間隙固溶體。 ：負電性因素。溶劑、溶質(zhì)的負電性

7、差越小溶解度越大，一般小于0.40.5會有較大的溶解度。 ：電子濃度因素。有兩方面的含義：一是原子價效應，即同一溶劑金屬中，溶質(zhì)的原子價越高，溶解度越?。憾窍鄬r效應即高價溶質(zhì)融入低價溶劑是的高于相反的情況。4）中間相(2006,2004,)合金中組元之間形成的、與純組元結(jié)構(gòu)均不同的新相，處在相圖的中間區(qū)域。 晶體缺陷 20分1） 點缺陷：點缺陷的幾種基本類型，空位，間隙，雜質(zhì)，溶質(zhì)原子等2) 晶體缺陷的基本類型和特征：點缺陷，線缺陷即位錯，面缺陷即晶界相界（2007，2006，2005）07：點缺陷和線缺陷為何會發(fā)生交互作用？這種交互作用如何影響力學性能？舉例說明或畫圖說明什么是小角度晶界

8、的為錯模型？描述大角度晶界有何模型？其含義是什么？ 解析答案：1：點缺陷產(chǎn)生畸變，是局部能量升高，附近有彈性應變場，為錯也是如此，但為錯周圍應力場狀態(tài)不同，有的為壓應力，有的為拉應力;點缺陷會聚集到為錯上是應變能降低，使系統(tǒng)能量降低，吸附溶質(zhì)的為錯是一種穩(wěn)定的組態(tài)，此時為錯被釘扎而難以運動，使強度提高，會產(chǎn)生上下屈服點效應。 2：小角度晶界可看成是由大量的、兩側(cè)原子完全對應的好區(qū)和一組平行或相互垂直的位錯組成，取向差完全是靠為錯產(chǎn)生的；晶界能是位錯能量的加和。大角度晶界模型有非晶模型、小島模型、重合位置點陣模型，后者的含義是特殊的打角度晶界內(nèi)一部分原子同屬界面兩側(cè)點陣，重合點本身構(gòu)成一超點陣，

9、晶界過其密排面是能量最低。第二章：金屬與合金的凝固1金屬凝固的熱力學條件：G0,對任何一個反應，只有放出能量反應才能發(fā)生，金屬的凝固和相變同樣如此。2形核1）均勻形核，2）非均勻形核均勻形核：指不依靠外來表面，而在晶體內(nèi)部自發(fā)形核，過冷度要求比較大。非均勻形核：依靠外來表面或孕育劑形核，過冷度要求較小。3.晶體生長1）液固界面的微觀結(jié)構(gòu)， 2）成分過冷如圖 液固界面的微觀結(jié)構(gòu)2） 成分過冷 指凝固時，液固界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷，稱為成分過冷。4凝固宏觀組織與缺陷金屬鑄錠的組織1表層細晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3中心等軸晶區(qū) 各個晶區(qū)是如何形成的，都有什么特點？

10、 第三章：金屬與合金中的擴散1擴散機制：交換機制、間隙機制、空位機制、晶界擴散及表面機制，其中空位機制是置換固溶體中最重要機制。2菲克第一定律：J=-Dd ，它表示了物質(zhì)從高的質(zhì)量濃度區(qū)向低的質(zhì)量濃度區(qū)方向遷移。菲克第一定律描述了一種穩(wěn)態(tài)擴散，即濃度質(zhì)量不隨時間而改變。3菲克第二定律 ，是一種非穩(wěn)態(tài)擴散，某點的質(zhì)量濃度隨時間的改變而改變。4影響擴散的主要因素 1：溫度：是影響擴散最主要的因素，溫度越高，擴散系數(shù)D越大。 2：固溶體類型：置換固溶體激活能大，擴散的慢；間隙固溶體擴散激活能小，擴散的快。 3：晶體結(jié)構(gòu)：低對稱性的晶體結(jié)構(gòu)中，存在擴散的各向異性，如六方結(jié)構(gòu)晶體，平行與垂直基面（000

11、1）的擴散系數(shù)不同 4：晶體缺陷：界面表面及位錯是擴散的快速通道。 5：熔點。同一合金系中，同一溫度下熔點高的合金中擴散慢，熔點低的擴散快。第四章：二元相圖1合金的相平衡條件及相律：處于平衡狀態(tài)下的多相（p個相）體系，每個組元（共有c個組元）在各相中的化學勢都必須相等。從相平衡條件可知，處于平衡狀態(tài)的多元系中可能存在的相數(shù)有一定的限制。這種限制可用吉布斯相律表示為：f=c-p+2f為體系的自由度數(shù)，c為體系的組元數(shù)，p為相數(shù)。對于不含氣相的體系，壓力一般可認為是常數(shù)，因此相律又可寫成：f=c-p+1相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)和組元數(shù)及溫度、壓力之間的關系，對分析和研究相圖有重要的指導

12、作用。2相圖的熱力學基礎了解固溶體的成份自由能曲線，如圖<0時：曲線為U形，只有一個最小值=0時：曲線也為U形，只有一個最小值>0時：曲線為形，有兩個最小值，即固溶體有一定的溶混間隙多相平衡的公切線原理 在二元系中，當兩相（例如固相和）平衡時，熱力學條件為 ，即兩組元分別在兩相中的化學勢相等。因此，兩相平衡時的成分由兩相成分自由能曲線的公切線確定。如圖杠桿法則：和兩相共存時，可用杠桿法則計算兩相的相對量，應用杠桿法則時要找準三個點，即兩個相點和一個成分點。3二元相圖的類型與分析勻晶相圖：由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變，對應的固液轉(zhuǎn)變圖稱為勻晶相圖。共晶相圖：兩組元在液態(tài)是

13、無限固溶，液相線從兩端純組元向中間凹下，兩液相線交點對應的溫度稱為共晶溫度，在該溫度下液相通過共晶凝固同時結(jié)晶出兩個固相，這兩相的混合物稱為共晶組織或共晶體。這種股也轉(zhuǎn)變圖稱為共晶相圖。共晶相圖共晶合金的平衡凝固及其組織是考試重點。第五章 金屬與合金的塑性變形1 單晶體的塑性變形 滑移：當應力超過晶體的彈性極限時，晶體中就會產(chǎn)生層片之間的相對滑移，大量的滑移線組成滑移帶。臨界分切應力：滑移系開動所需要的最小分切應力，它是一個定值，與材料本身性質(zhì)有關，與外力取向無關。孿生：晶體受力以后，以產(chǎn)生孿晶的方式進行的均勻切變過程叫孿生，切變區(qū)與未切變區(qū)呈晶面對稱的取向。紐折：當晶體不能進行滑移變形，若此

14、時孿生過程也因阻力太大無法進行時，隨著外力繼續(xù)增大，超過某一臨界值時晶體會產(chǎn)生適應性的局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域稱為扭折帶。 滑移是單晶體變形的主要方式，孿生和扭折是滑移不能進行時的協(xié)調(diào)性變形。2多晶體的塑性變形1）多晶體塑性變形的特點：多晶體中，每個晶粒與周圍晶粒取向不同，處于有利位相的先滑移，故滑移開始的早晚不同，滑移系的數(shù)目也不相同。不同位相晶粒滑移系取向不同，滑移方向也不相同，故滑移不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒。為了使多晶體中各晶粒之間的變形得到相互協(xié)調(diào)與配合，每個晶粒不只是在取向有利的方向進行，而且必須在幾個非有利的滑移系上進行才能使其形狀做各種改變。多晶體是否

15、能夠塑性變形取決于它是否具備5個以上獨立的滑移系來滿足各晶粒變形時相互協(xié)調(diào)的要求。FCC有12滑移系，BCC有48個滑移系，它們的多晶體有很好的塑性；而FCP只有3個獨立滑移系，晶粒間協(xié)調(diào)性很差，所以其多晶體塑性變形能力低。如2） 晶界的影響：晶界上原子排列不規(guī)則，是嚴重錯排區(qū)，位錯不能通過，形成位錯塞積群。即晶界阻礙滑移的進行。由于晶界數(shù)量取決于晶粒的大小，因此晶界對多晶體起始塑變抗力的作用可通過晶粒大小直接體現(xiàn)。多晶體的強度隨其晶粒細化而提高。多晶體的強度與晶粒平均直徑的符合霍爾佩奇公式：第六章 回復和再結(jié)晶1回復和再結(jié)晶的基本概念回復是指冷變形金屬在加熱時新的無畸變的晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的

16、亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指新的無畸變的等軸晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長大；2冷變形金屬在加熱過程中的組織與性能變化組織變化：隨退火溫度的升高或時間的延長，出現(xiàn)亞晶的合并并長大，再結(jié)晶形核及長大，無位錯的等軸再結(jié)晶晶粒取代長條狀高位錯密度的形變晶粒，然后是晶粒的正常長大性能的變化：形變儲存能逐漸被釋放，特別是再結(jié)晶階段釋放的最顯著硬度及強度下降，延伸率上升電阻降低，密度提高在結(jié)晶時各種性能的變化都比回復時強烈的多。3再結(jié)晶動力學橫坐標是再結(jié)晶的體積分數(shù)，縱坐標是時間。再結(jié)晶的體積分數(shù)公式為：，再結(jié)晶動力學取決于形核率和長大速率的大小。上圖為恒溫時的動

17、力學曲線，成典型的“”形。4再結(jié)晶溫度及影響再結(jié)晶的主要因素再結(jié)晶溫度是指經(jīng)過大變形量的冷變形金屬，經(jīng)過1退火能能完成在結(jié)晶（>95）所對應的溫度定義為再結(jié)晶溫度。影響再結(jié)晶的主要因素：變形程度的影響：冷變形程度越大，儲存能越多，再結(jié)晶驅(qū)動力也越大，因此再結(jié)晶溫度越低，同時等溫退火時的再結(jié)晶速度也越快。原始晶粒尺寸：其他條件相同時，金屬的原始晶粒越細小，變形抗力越大，冷變形后儲存的能量越高，再結(jié)晶溫度也越低。溶質(zhì)原子：溶質(zhì)原子傾向于在位錯及晶界處偏聚，阻礙位錯的滑移與攀移及晶界的遷移第二相粒子：第二相粒子較大時促進再結(jié)晶，第二相粒子較小時阻礙再結(jié)晶再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：加熱溫度，加熱速度與

18、保溫時間等退火工藝參數(shù)，對變形金屬的再結(jié)晶有著不同程度的影響。5 晶粒正常長大和二次再結(jié)晶晶粒長大：再結(jié)晶完成以后，大多數(shù)晶粒幾乎同時逐漸均勻長大的過程，其驅(qū)動力是總的界面能的降低。二次再結(jié)晶：也稱為晶粒的異常長大，是指再結(jié)晶結(jié)束以后正常長大過程被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長大的現(xiàn)象。其驅(qū)動力是界面能的降低。第七章、鐵碳相圖與鐵碳合金1鐵碳相圖 鐵碳相圖是考試重點，每年都會考，考點：畫出鐵碳相圖，只畫實線部分即可，實線是冷卻，虛線是加熱溶解標出圖中各點的字母和成分必須和原圖一樣，不得更改字母標出包晶溫度、共晶溫度和共析溫度以及各相區(qū)的相組成會用杠桿法則計算某一點的相含量和組織含量2鐵碳合金及其在緩慢冷卻時組織轉(zhuǎn)變根據(jù)碳含量的增加，鐵碳合金有以下組織及轉(zhuǎn)變過程： 工業(yè)純鐵室溫為鐵素體：緩慢冷卻時組織轉(zhuǎn)變：共析珠光體0.77%C 室溫組織：鐵素體和滲碳體層片交替的混合物，白色薄片是鐵素體，黑色薄片是滲碳體緩慢冷卻時組織轉(zhuǎn)變：亞共析鋼 室溫組織是先共析鐵素體和珠光體 200倍，白色先共析鐵素體，黑色珠光體過共析鋼 室溫組織是網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體 白色是二次滲碳體呈網(wǎng)狀分