胡賡祥《材料科學(xué)基礎(chǔ)》考點(diǎn)講義

目錄課程輔導(dǎo)模塊 1第一章原子的結(jié)構(gòu)與鍵合 6第一節(jié)原子間的結(jié)合鍵 6第二節(jié)結(jié)合鍵與性能 7第二章固體結(jié)構(gòu) 9第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) 9第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 15第三節(jié)合金的相結(jié)構(gòu) 16離子晶體結(jié)構(gòu) 18第三章晶體缺陷 21第一節(jié)點(diǎn)缺陷 21第二節(jié)位錯(cuò) 22第三節(jié)表面和界面 27第四章固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 30第一節(jié)表象理論 30第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論 33第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散 35第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解) 36第五章材料的形變與再結(jié)晶 38第一節(jié)晶體的塑性變形 38第二節(jié)回復(fù)和再結(jié)晶 46第六章單組元相圖及純晶體的凝固 52第一節(jié)單元系相變的熱力學(xué)及相平衡 52第二節(jié)純晶體的凝固 55第七章二元系相圖及合金的凝固 56第一節(jié)相圖的表示和熱力學(xué)基本要點(diǎn) 56第二節(jié)二元相圖分析 58第八章三元相圖 74第一節(jié)三元相圖基礎(chǔ) 74第二節(jié)三元相圖分析 77課程輔導(dǎo)模塊模塊1：考點(diǎn)精講及復(fù)習(xí)思路(20小時(shí))模塊2：名校真題解析及典型題精練(10小時(shí))模塊3：沖刺串講及模擬考卷精講(10小時(shí))主要內(nèi)容： 認(rèn)識(shí)明確兩個(gè)問(wèn)題： (1)課程的性質(zhì)與地位 (2)課程的內(nèi)容與特點(diǎn)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料物理與化學(xué)、材料成型及控制、焊接技術(shù)與工程、材料加工工程等熱加工專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，著重闡述金屬與合金的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、組織與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及在各種條件下的變化規(guī)律。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》在本科學(xué)習(xí)階段在碩士研究生入學(xué)考試中占有重要地位，是材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科或材料加工二級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位研究生的入學(xué)考試科目之一?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》課程比較系統(tǒng)地介紹金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體擴(kuò)散、形變與再結(jié)晶、金屬與合金的相圖與結(jié)晶的基本理論，內(nèi)容分4部分，即晶體學(xué)基礎(chǔ)，擴(kuò)散，形變與再結(jié)晶和凝固相變，其中晶體學(xué)基礎(chǔ)和固體擴(kuò)散是這門(mén)課的基礎(chǔ)。 (二)教材解讀明確兩個(gè)問(wèn)題：—2— (1)教材特點(diǎn) (2)教材內(nèi)容及其各部分之間的關(guān)系根據(jù)近年來(lái)多數(shù)高校考研指定教材，我們選用胡庚祥的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為基本教材。該教材的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面： (1)內(nèi)容豐富全面，包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料的整合，從組織結(jié)構(gòu)角度出發(fā)來(lái)闡明問(wèn)題，本輔導(dǎo)重點(diǎn)放在與金屬材料科學(xué)有關(guān)的基本現(xiàn)象、基本概念、基本規(guī)律和基本方法上； (2)示意圖和顯微照片豐富、新穎、清晰； (3)內(nèi)容延伸到生產(chǎn)科研問(wèn)題，利于深入學(xué)習(xí)理解。2．教材內(nèi)容及其各部分之間的關(guān)系晶體學(xué)部分包括第一章原子鍵合、第二章固體結(jié)構(gòu)、第三章固體缺陷，擴(kuò)散部分包括第四章固體中的原子分子運(yùn)動(dòng)，形變與再結(jié)晶部分包括第五章塑性變形與再結(jié)晶，相變部分包括第六章~第八章的相圖和凝固結(jié)晶等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上針對(duì)熱處理原理和工藝部分可參考《金屬學(xué)與熱處理》(崔忠圻)相關(guān)內(nèi)容。明確以下二個(gè)問(wèn)題： (二)試題題型與內(nèi)容的權(quán)重分布 主要有3種類(lèi)型： 第2類(lèi)：作圖或計(jì)算或公式推導(dǎo)題第1類(lèi)．概念題(涉及全書(shū)8章內(nèi)容)主要是各章中的核心概念需要注意的是：有些概念往往就是其名稱(chēng)，有些概念往往與某些基本原理緊密相關(guān)，甚至就是基本原理；有些概—3—念與工藝方法緊密相關(guān)；有些概念與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相關(guān)；有些概念有不同的叫法。合金(南航12)(名稱(chēng))偽共晶(河南科大08)(原理相關(guān))柯肯道爾效應(yīng)(華南理工12)(實(shí)驗(yàn)相關(guān))臨界變形度(江蘇大學(xué)12)(工藝相關(guān))時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，稱(chēng)其為 在離子晶體中，負(fù)離子多面體相互間連接時(shí)，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。A共用頂B共用棱C共用面D不共用(河北工大12)簡(jiǎn)述奧氏體的形成過(guò)程及影響奧氏體大小的因素．(哈大11)第2類(lèi)．計(jì)算或作圖或公式推導(dǎo)題計(jì)算題經(jīng)常出現(xiàn)的章節(jié)：計(jì)算題考核內(nèi)容主要集中于：—二元合金室溫組織組成物和相組成物的計(jì)算；—鐵碳合金室溫組織組成物和相組成物的計(jì)算；—臨界剪切應(yīng)力的計(jì)算；—擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。作圖題出現(xiàn)的章節(jié)：—金屬晶體結(jié)構(gòu)；圖；—金屬及合金的塑性變形；考核內(nèi)容主要集中于：—晶面指數(shù)晶向指數(shù)的作圖；—相轉(zhuǎn)變組織示意圖—二元合金相圖的繪制；—三元合金相圖的水平、垂直截面圖公式推導(dǎo)題主要出現(xiàn)的章節(jié)：—金屬晶體結(jié)構(gòu)；—純金屬的結(jié)晶；—4——金屬及合金的塑性變形?？己藘?nèi)容主要集中于：—臨界性和半徑和臨界形核功的推導(dǎo)；—菲克第二定律的推導(dǎo)；—臨界剪切應(yīng)力的推導(dǎo)。例題：并且此合金的α總量為50％。(青島科大10)GKSK—考察學(xué)生用基本原理、基本理論分析實(shí)際問(wèn)題的能力。特點(diǎn)：—范圍較大(即包含的內(nèi)容教多)；—分值高；基本要求：—基本原理的熟練掌握與理解。 (1)畫(huà)出鐵碳相圖。 (2)分析Wc＝5％的過(guò)共晶白口鐵的冷卻過(guò)程，畫(huà)出冷卻曲線(xiàn)，及組織變化示意圖。 (3)計(jì)算(2)中共晶滲碳體、二次滲碳體和共析滲碳體的相對(duì)含量。(哈爾濱工業(yè)大學(xué)2011) (二)試題題型與內(nèi)容的權(quán)重分布明確兩個(gè)問(wèn)題：各個(gè)學(xué)?？荚噦?cè)重點(diǎn)不同，分值比例不同。一般：—5—我國(guó)碩士研究生入學(xué)考試中，各招生院校推薦的復(fù)習(xí)教材和考試側(cè)重點(diǎn)不盡相同，所以要將近年來(lái)的考題與《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的章節(jié)相對(duì)應(yīng)是比較困難的。我們將近年來(lái)不同類(lèi)型考題出現(xiàn)的章節(jié)做一歸納，以便復(fù)習(xí)時(shí)能給予重點(diǎn)關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)：根據(jù)上面幾個(gè)方面的總結(jié)分析可知，在復(fù)習(xí)準(zhǔn)備《材料科學(xué)基礎(chǔ)》這門(mén)課的時(shí)候，要注意以下幾點(diǎn)：通讀教材：理解掌握化學(xué)成分－晶體結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)－工藝－組織結(jié)構(gòu)－性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及各種條件下的變化規(guī)律；熟悉金屬材料在冷(熱)塑性變形、固態(tài)相變、凝固結(jié)晶過(guò)程中的基本現(xiàn)象、基本概念、基本規(guī)律和基本方法，指出提高金屬材料強(qiáng)韌化的途徑；時(shí)間安排：根據(jù)章節(jié)內(nèi)容確定復(fù)習(xí)計(jì)劃；—6—第一章原子的結(jié)構(gòu)與鍵合本章內(nèi)容分析第1節(jié)原子間的結(jié)合鍵類(lèi)型和原子聚集特性第2節(jié)結(jié)合鍵與性能最外層電子結(jié)構(gòu)決定結(jié)合鍵類(lèi)型(最外層電子得失)化學(xué)鍵(主價(jià)鍵)物理鍵(次價(jià)鍵)自由電子，電子得失，電子成鍵飽和性方向性聚集性金屬鍵無(wú)無(wú)密堆積離子鍵無(wú)無(wú)高配位數(shù)共價(jià)鍵有有第一節(jié)原子間的結(jié)合鍵 (1)金屬鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱(chēng)為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。結(jié)合鍵無(wú)方向性、無(wú)飽和性?！优帕汹呌诘湍芰康拿芏逊e結(jié)構(gòu)。 (2)離子鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)金屬原子失去外層價(jià)電子成為正離子，非金屬原子得到價(jià)電子成為負(fù)離子，依靠類(lèi)庫(kù)侖靜電力形成的鍵合。離子鍵無(wú)方向性、無(wú)飽和性。→正負(fù)離子相間排列，靜電力最大對(duì)外顯電中性，原子排列取決于離子電荷及其離子半徑(幾何因素)，趨于配位數(shù)最高。一般離子晶體中正負(fù)離子結(jié)合力較強(qiáng)，其熔點(diǎn)和硬度均較高。 (3)共價(jià)鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)—7—兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵合。－N法則。 (4)范德華力(物理鍵，次價(jià)鍵)電荷位移形成偶極子－庫(kù)侖靜電力結(jié)合。靜電力(極性分子團(tuán))、誘導(dǎo)力(極性分子團(tuán)－非極性分子)、色散力(非極性分子的電子運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)極性)結(jié)合鍵無(wú)方向性、無(wú)飽和性?！叫再|(zhì)。比化學(xué)鍵的鍵能少1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。高分子聚合物有不同的性能的主要原因。 (5)氫鍵(分子鍵)由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子(O，F(xiàn)，N等)相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵(范德華力)大的鍵力。結(jié)合鍵有方向性、有飽和性。→影響到高分子的特殊的晶體結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)合力介于范德華力和化學(xué)鍵力之間。第二節(jié)結(jié)合鍵與性能熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性程度。共價(jià)鍵、離子鍵化合物的Tm較高。密度與結(jié)合鍵有關(guān)。因?yàn)榻饘儆休^高的相對(duì)原子質(zhì)量，金屬鍵結(jié)合沒(méi)有方向性，原子趨于密集排列，多數(shù)金屬有高的密度。彈性模量與結(jié)合能有較好的相關(guān)關(guān)系。強(qiáng)度與原子聚集狀態(tài)、結(jié)合能相關(guān)(隨后講述)塑性與原子聚集狀態(tài)有關(guān)(隨后講述)本章名校真題例題：指出下表繪出的四種固態(tài)材料中的：(深大12)—8—2．每種原子或離子的配位數(shù)，(隨后講述)3．并分析說(shuō)明其中那種材料的彈性模量最高，5．延展性最好。(隨后講述)考點(diǎn)2：結(jié)合鍵判定和性能分析—9—第二章固體結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容分析第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) (空間點(diǎn)陣和晶胞，晶向指數(shù)和晶面指數(shù))第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu) (典型金屬晶體結(jié)構(gòu)，堆垛方式和間隙，多晶型性)第三節(jié)合金相結(jié)構(gòu)(固溶體和中間相)第四節(jié)離子晶體結(jié)構(gòu) (離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則，典型的離子晶體結(jié)構(gòu))第五節(jié)共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)(一般性了解)第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) (1)空間點(diǎn)陣把晶體中的原子(分子或離子)抽象為規(guī)則排列于空間的具有等同周邊環(huán)境幾何點(diǎn)，并把振動(dòng)中心看成其平衡位置，即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列而成的規(guī)整的陣列，這種陣列稱(chēng)為空間點(diǎn)陣，這些幾何點(diǎn)稱(chēng)為陣點(diǎn)。原子堆積模型晶格 (2)晶胞用一系列平行直線(xiàn)將陣點(diǎn)連接起來(lái)，形成的一個(gè)三維的空間格架用以描述晶體中原子排列規(guī)律。稱(chēng)為晶格．—10—從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元來(lái)研究晶體結(jié)構(gòu)，這個(gè)最小的幾何單元稱(chēng)為晶胞．晶胞選取原則：a空間點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)性；b；按照陣點(diǎn)周邊等同環(huán)境和晶胞原則，抽象的空間點(diǎn)陣14種布拉菲點(diǎn)陣(屬于7大晶系)包括：真題舉例畫(huà)圖說(shuō)明一個(gè)面心正方點(diǎn)陣可以被—個(gè)體心正方點(diǎn)陣所代替。(沈工大10)簡(jiǎn)要說(shuō)明為什么十四種布拉菲點(diǎn)陣中不存在面心正方點(diǎn)陣。(沈工大07)寫(xiě)出七種晶系的名稱(chēng)及點(diǎn)陣參數(shù)之間的關(guān)系；(北科大12)分別畫(huà)出下列離子晶體的布拉菲點(diǎn)陣(下圖中的點(diǎn)陣參數(shù)均為a＝b＝c，α＝β＝γ＝90o)。(北科大12)為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位。P在相應(yīng)數(shù)字上方?！?2—2．求得待定晶面在三個(gè)晶軸上的截距。三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，記為(hkl)，負(fù)號(hào)標(biāo)在相應(yīng)數(shù)字上方?？键c(diǎn)4：密勒(MiIIer)晶面指數(shù)(六方晶系)晶面指數(shù)建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的對(duì)稱(chēng)性，底面用互成120度的三個(gè)坐標(biāo)選擇其中一個(gè)平行六面體，變成3軸坐標(biāo)系，方法同立方晶系，進(jìn)行標(biāo)注(hkl)，按以下公式還原成4軸坐標(biāo)系即可。—13—考點(diǎn)5：密勒(MiIIer)晶向指數(shù)(六方晶系)晶向指數(shù)建立坐標(biāo)系同晶面指數(shù)標(biāo)定方法。選擇其中一個(gè)平行六面體，變成3軸坐標(biāo)系，方法同立方晶系，進(jìn)行標(biāo)注[UVW]，按以下公式還原成4軸坐標(biāo)系即可。uv uv＝－一組最近鄰平行晶面間距。—14—空間關(guān)系晶帶：平行于某一晶向(晶帶軸)所有晶面(晶帶面)的集合．w對(duì)于立方晶系：相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直晶帶定律：真題舉例2．致密度。(太科大08)立方晶系中，與晶面(132)平行和垂直的晶向分別是和。(河北工大10)請(qǐng)計(jì)算晶格常數(shù)為a的面心立方晶體的致密度以及其中的丨110丨晶面的面間距。(沈工大在立方晶系中畫(huà)出下列晶向指數(shù)和晶面指數(shù)對(duì)應(yīng)的晶向和晶面(標(biāo)明X、y、Z軸的方向，并計(jì)算面心立方晶體中(111)的面密度。(深大11)一個(gè)滑移面(HKL)和面上的一個(gè)滑移方向＜uvw＞構(gòu)成一個(gè)滑移系，它們符合什么樣晶體學(xué)位向關(guān)系？試寫(xiě)出銅單晶體一個(gè)滑移面所對(duì)應(yīng)的所有滑移系。(太科大11)—15—第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)—16—真題舉例碳原子溶入α－Fe和γ－Fe中形成間隙固溶體時(shí)，碳原子均占據(jù)八面體間隙位置，簡(jiǎn)述原因。金屬在外界條件(溫度、壓力)變化時(shí)，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過(guò)程，稱(chēng)為多晶型性轉(zhuǎn)變，或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為同素異構(gòu)體。第三節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱(chēng)為合金。組元：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱(chēng)為組元。如：元素，在研究的范圍內(nèi)穩(wěn)定化合物。相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的物質(zhì)均勻組成部分，稱(chēng)之為相。在固態(tài)材料中，可分為固溶體和化合物兩大類(lèi)。組織：人們用肉眼或借助某種工具(顯微鏡等)所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類(lèi)型、形組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。固溶體：一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。中間相：化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)，通常由金屬與金屬，或金屬與類(lèi)金屬元素之間形成的化合物，也可以是以化合物為基的固溶體(二次固溶體)，其結(jié)合鍵力多為金屬鍵(離子鍵、共價(jià)鍵等)—17—1)置換固溶體溶質(zhì)原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。2)間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置。固溶強(qiáng)化3)正常價(jià)化合物通常是金屬元素與非金屬元素組成，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律。電負(fù)性差值t，化合物穩(wěn)定性t，愈接近離子鍵合。(具有高硬度、高脆性)4)電子濃度化合物按照一定的電子濃度組成一定晶體結(jié)構(gòu)的化合物。由IB族或過(guò)渡族元素與A成。(高硬度、高脆性)r~R：拓?fù)涿芏严?金屬原子之間)真題舉例固溶體(太科大11)合金(河北工大12)間隙化合物(河北工大10)細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化(太科大07)簡(jiǎn)要說(shuō)明鐵素體、奧氏體、滲碳體之間的主要區(qū)別。(沈工大10)化合物中，哪個(gè)屬于正常價(jià)化合物？哪個(gè)屬于電子濃度化合物？哪個(gè)屬比較間隙相和間隙化合物兩種原子尺寸因素化合物的不同之處。(沈工大10) —18—第四節(jié)離子晶體結(jié)構(gòu)無(wú)方向性和飽和性，趨向于配位數(shù)最大排列，滿(mǎn)足電中性鍵力最強(qiáng)：負(fù)離子之間既不重疊，但又與中心的正離子相接觸。鮑林5規(guī)則：2．電價(jià)規(guī)則(電中性)在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)負(fù)離子電價(jià)Z—等于或接近與之鄰接的各正離子靜電價(jià)強(qiáng)度的總和． (同性相斥)4．不同種類(lèi)正離子配位多面體間的連接規(guī)則(均勻法則)同種正離子配位多面體之間盡量有互不連接的趨勢(shì)。5．節(jié)約規(guī)則(密堆積法則)同一晶體中，同種正離子與同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度的趨于一致，以便于形成密堆積?！?9—真題舉例分別畫(huà)出下列離子晶體的布拉菲點(diǎn)陣(下圖中的點(diǎn)陣參數(shù)均為a＝b＝c，α＝β＝γ＝90o)。(北科大12)面體相互間連接時(shí)，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。本章小結(jié)固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。晶體的性能是與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的?？臻g點(diǎn)陣、晶胞的概念。根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相同”和六個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將晶，14種布拉菲點(diǎn)陣。不同方向的晶向和晶面可用密勒指數(shù)加以標(biāo)注。fccbcchcp其中fcc和hcp系密排結(jié)構(gòu)?！?0—1．負(fù)離子配位多面體規(guī)則(能量最低)2．電價(jià)規(guī)則(電中性)3．負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則(同性相斥)4．不同種類(lèi)正離子配位多面體間連接規(guī)則2．晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的標(biāo)注；子堆垛間隙；6．固溶體的分類(lèi)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；7．中間相的分類(lèi)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；—21—第三章晶體缺陷本章內(nèi)容分析第一節(jié)點(diǎn)缺陷 (形成，平衡濃度)第二節(jié)位錯(cuò) (柏氏矢量，位錯(cuò)的類(lèi)型和特征，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的生成和增殖，實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò))第三節(jié)表面和界面 第一節(jié)點(diǎn)缺陷晶體缺陷—偏離了晶體周期性排列的局部區(qū)域1．點(diǎn)缺陷：在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。包括：空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點(diǎn)缺陷．考點(diǎn)2：點(diǎn)缺陷的熱力學(xué)平衡濃度造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性增大了原子排列的混亂程度(組態(tài)熵ΔSc)，并改變了其周?chē)拥恼駝?dòng)頻率(振動(dòng)熵ΔSf)，引起組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變，使晶體熵值增大，有利于熱力學(xué)穩(wěn)定性?！?2—真題舉例1．為什么在一定溫度下點(diǎn)缺陷具有一定的平衡濃度，而位錯(cuò)沒(méi)有平衡密度？(河北工大11)2．在晶體中形成空位的同時(shí)又產(chǎn)生間隙原子，這樣的缺陷稱(chēng)為：A肖特基缺陷B弗侖克爾缺陷C線(xiàn)缺陷。(深大12)第二節(jié)位錯(cuò)1)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò)：①點(diǎn)陣失配：由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過(guò)程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點(diǎn)陣常數(shù)也有差異，形成位錯(cuò)作為過(guò)渡；②位相差：由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)等的影響，致使生長(zhǎng)著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰位相差，形成位錯(cuò)；③生長(zhǎng)應(yīng)力：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力變形而形成位錯(cuò)。2)點(diǎn)缺陷：由于自高溫較快凝固及冷卻時(shí)晶體內(nèi)大量過(guò)飽和空位的聚集能形成位錯(cuò)。3)應(yīng)力集中：晶體內(nèi)部的某些界面(如第二相質(zhì)點(diǎn)、孿晶、晶界等)和微裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的應(yīng)力集中高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時(shí)，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)。位錯(cuò)(線(xiàn)缺陷)：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。(刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò))1)首先選定位錯(cuò)線(xiàn)的正向，規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)的正方向?！?3—2)在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)(避開(kāi)位錯(cuò)線(xiàn)附近的嚴(yán)重畸變區(qū))以一定的步數(shù)作右螺旋閉合回路(柏氏回路)。3)在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量，刃型位錯(cuò)：柏氏矢量┴位錯(cuò)線(xiàn)?；旌衔诲e(cuò)夾角非0或90度。1)柏氏矢量模|b|表示了畸變的程度－位錯(cuò)的強(qiáng)度。其方向表示位錯(cuò)的性質(zhì)與位錯(cuò)的取向。2)柏氏矢量與回路起點(diǎn)及其具體途徑無(wú)關(guān)，守恒性。3)一根不分岔的位錯(cuò)線(xiàn)，其柏氏矢量都相同，唯一性。5)柏氏矢量滿(mǎn)足矢量運(yùn)算。全位錯(cuò)：柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量。不全位錯(cuò)：柏氏矢量不等于(小于)點(diǎn)陣矢量。刃型位錯(cuò)：滑移：在外力作用下，在滑移面(b和滑移線(xiàn)決定)上運(yùn)動(dòng)。攀移：在熱缺陷和外力作用下，位錯(cuò)在垂直滑移面的運(yùn)動(dòng)。螺型位錯(cuò)：—24—滑移：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直于位錯(cuò)線(xiàn)和柏氏矢量，有多個(gè)滑移面，(交滑移)。在位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位錯(cuò)線(xiàn)往往很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。若由此形成的曲折線(xiàn)段就在位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，稱(chēng)為扭折；若該曲折線(xiàn)段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí)，稱(chēng)為割階。運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后，每根位錯(cuò)線(xiàn)上都可能產(chǎn)生一扭折或割階，其大小和方向取決于另一位錯(cuò)的柏氏矢量，但保持原位錯(cuò)線(xiàn)的柏氏矢量。所有的割階都是刃型位錯(cuò)，而扭折可以是刃型也可是螺型的。扭折與原位錯(cuò)線(xiàn)在同一滑移面上，可隨主位錯(cuò)線(xiàn)一道運(yùn)動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生阻力，且在線(xiàn)張力作用下易于消失。但割階則與原位錯(cuò)線(xiàn)不在同一滑移面上，故除非割階產(chǎn)生攀移，否則割階就不能跟隨主位錯(cuò)線(xiàn)一道運(yùn)動(dòng)，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，通常稱(chēng)此為割階硬化。割階“釘扎效應(yīng)”對(duì)于刃形位錯(cuò)要弱于螺形位錯(cuò)?？键c(diǎn)6：位錯(cuò)的應(yīng)變能(位錯(cuò)反應(yīng))位錯(cuò)彈性引力場(chǎng)存在，導(dǎo)致晶體能量上升－位錯(cuò)(應(yīng)變)能。應(yīng)力場(chǎng)的彈性能：由單位位錯(cuò)長(zhǎng)度位錯(cuò)做功計(jì)算Ee—25—位錯(cuò)反應(yīng)條件：2能量條件：反應(yīng)后能量小于等于0bb后|E前E前E后∴給位錯(cuò)反應(yīng)可以進(jìn)行1)位錯(cuò)的應(yīng)變能與b2成正比。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，晶體中具有最小b的位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定的，由此，滑移方向總是沿著原子的密排方向．3)位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來(lái)定義的，故位錯(cuò)的能量還與位錯(cuò)線(xiàn)的形狀有關(guān)。由于兩點(diǎn)間以直線(xiàn)為最短，所以位錯(cuò)線(xiàn)有盡量變直和縮短其長(zhǎng)度的趨勢(shì)。4)位錯(cuò)的存在均會(huì)使體系的內(nèi)能升高，雖然位錯(cuò)的存在也會(huì)引起晶體中熵值的增加，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，熵值增加有限。因此，位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，位錯(cuò)是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的晶體缺陷。1)兩平行螺位錯(cuò)的交互作用，相互遠(yuǎn)離?！?6—2)兩平行刃型位錯(cuò)的交互作用考點(diǎn)8：位錯(cuò)的增殖(位錯(cuò)釘扎)真題舉例1．一個(gè)環(huán)形位錯(cuò)(可以，不可以)各部分均為螺型位錯(cuò)。(沈工大10)2．在外加應(yīng)力作用下，刃型位錯(cuò)除了可以沿其自身滑移面發(fā)生滑移外，還可以發(fā)生(攀移，交滑移)(沈工大10)4．位錯(cuò)交割(沈工大07，10)位錯(cuò)攀移(沈工大10)6．全位錯(cuò)能夠分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)(河北工大12)fccbcc，并比較二者哪一個(gè)引起的畸變較大。(西工大10)9．FCC晶體中有的單位位錯(cuò)和的不全位錯(cuò)，這兩個(gè)位錯(cuò)相遇能否發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)？(河北工大11)—27—第三節(jié)表面和界面界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，系二維結(jié)構(gòu)分布，故稱(chēng)為晶體的面缺陷。界面的存在對(duì)晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。包括外表面(自由表面)和內(nèi)界面。表面是指固體材料與氣體或液體的界面，它與磨損、腐蝕、偏錯(cuò)及相界面等。晶體表面單位面積自由能的增加稱(chēng)為表面能(J／m2)原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。(結(jié)晶學(xué)平面)按照位向差：小角度晶界(θ＜10°)大角度晶界(θ＞10°)θ－晶粒位向差φ－晶界相對(duì)于點(diǎn)陣某一平面夾角?！?8—1)晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。因此，晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化都能減少晶界面積，是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。2)晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度愈高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。3)晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。4)在固態(tài)相變過(guò)程中，由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核。原始晶粒愈細(xì)，晶界愈多，則新相形核率愈高。5)由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，晶界富集雜質(zhì)原子，往往晶界熔點(diǎn)較低。6)由于晶界能量較高，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，其腐蝕速度較快。真題舉例2．以晶界兩側(cè)晶體的位向差是大于還是小于度來(lái)區(qū)別大、小角度晶界，小角度晶界的可動(dòng)性大角度晶界。(河北工大11)3．小角度晶界(沈工大11)4．大角度晶界(沈工大12)本章小結(jié)基本概念：本章重點(diǎn)及難點(diǎn)：—29—)3．位錯(cuò)源、位錯(cuò)的增殖(F－R源、雙交滑移機(jī)制等)和運(yùn)動(dòng)、交割(割階釘扎位錯(cuò))本章主要公式：m晶格失配度：—30—第四章固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)本章內(nèi)容分析第一節(jié)表象理論： 置換型固溶體中的擴(kuò)散，擴(kuò)散中的熱力學(xué)分析)第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論： (擴(kuò)散機(jī)制，原子跳躍和擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散激活能、擴(kuò)散距離、影響擴(kuò)散的因素)第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解)第一節(jié)表象理論擴(kuò)散：由構(gòu)成物質(zhì)的微粒(離子、原子、分子)的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。擴(kuò)散通量與濃度梯度正比而反向J－單位時(shí)間單位面積通過(guò)物質(zhì)的量， (當(dāng)D與沈度無(wú)關(guān)時(shí))—31—考點(diǎn)2：菲克第二定律定解及其應(yīng)用(計(jì)算題)菲克第二定律＝－)＝D(1855)濃度隨時(shí)間變化與擴(kuò)散通量梯度正比而反向x一維偏微分方程通解：C＝＋B0的時(shí)間？解：用半無(wú)限長(zhǎng)棒擴(kuò)散來(lái)解—32—考點(diǎn)3:置換型固溶體中的擴(kuò)散(柯肯達(dá)爾效應(yīng))間隙擴(kuò)散類(lèi)型：間隙固溶體中溶質(zhì)的擴(kuò)散(不會(huì)引起溶劑基體中晶格數(shù)量和位置的變化，如：鋼和鐵焊接形成擴(kuò)散)置換擴(kuò)散類(lèi)型：置換固溶體中溶質(zhì)的擴(kuò)散(一種原子進(jìn)入晶格同時(shí)另外原子離開(kāi)，當(dāng)進(jìn)入和離開(kāi)鋁形成擴(kuò)散偶)柯肯達(dá)爾效應(yīng)(1947)：在置換固溶體擴(kuò)散偶界面埋入一個(gè)惰性標(biāo)記，由于溶劑、溶質(zhì)組元擴(kuò)散能力不等，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散后會(huì)引起標(biāo)記的移動(dòng)的現(xiàn)象。考點(diǎn)4:空位擴(kuò)散機(jī)制解釋柯肯達(dá)爾效應(yīng)富鋁側(cè)和富銅側(cè)產(chǎn)生空位。鋁原子擴(kuò)散能力高于銅原子。富銅側(cè)的空位被遷移過(guò)來(lái)的鋁原子填充，富鋁側(cè)的空位來(lái)不及被填充，—33—標(biāo)記面向富鋁側(cè)運(yùn)動(dòng)，形成柯肯達(dá)爾效應(yīng)?？键c(diǎn)5:擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力-化學(xué)勢(shì)梯度濃度梯度是擴(kuò)散現(xiàn)象，化學(xué)勢(shì)梯度才是擴(kuò)散的動(dòng)因。在固體材料中，物質(zhì)的遷移(擴(kuò)散)會(huì)出現(xiàn)從低濃度向高濃度處聚集，這種反向的擴(kuò)散稱(chēng)為“上坡擴(kuò)散”飽和固溶體的脫溶析出第二相，帶電離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，彈性應(yīng)力場(chǎng)，晶界內(nèi)吸附等。真題舉例溶解度差別忽略不計(jì)，請(qǐng)計(jì)算在927℃滲碳多少小時(shí)后才能達(dá)到在滲碳10小時(shí)的滲碳層深度？(已知2．材料中發(fā)生擴(kuò)散的根本原因是：A溫度的變化，B存在濃度梯度，C存在化學(xué)勢(shì)梯度．(深大uAlMo4．自擴(kuò)散與互擴(kuò)散(太科大09)第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論考點(diǎn)1：擴(kuò)散的原子理論(微觀機(jī)制)—34—考點(diǎn)3：影響擴(kuò)散系數(shù)D的因素(微觀機(jī)制)擴(kuò)散過(guò)程引起的物質(zhì)流量除了與濃度梯度(和化學(xué)位梯度)有關(guān)外，另一個(gè)重要的因素就是擴(kuò)散系數(shù)。真題舉例解釋為什么滲碳鋼滲碳時(shí)滲碳溫度一般要選擇在900℃左右。(太科大09)請(qǐng)簡(jiǎn)述在固態(tài)條件下，晶體缺陷、固溶體類(lèi)型對(duì)溶質(zhì)原子擴(kuò)散的影響。(西工大10)根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式，分析影響擴(kuò)散的主要因素。(太科大08)請(qǐng)簡(jiǎn)述影響擴(kuò)散的主要因素有哪些。(深大11)碳原子和鐵原子在相同溫度的γ－Fe中進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，為何碳原子的擴(kuò)散系數(shù)大于鐵原子的擴(kuò)散系數(shù)？(沈工大10)置換固溶體中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散是通過(guò)實(shí)現(xiàn)。ABC．空位機(jī)制D．傳導(dǎo)機(jī)制(河北工大12)—35—第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散在擴(kuò)散中由于成分的變化，通過(guò)擴(kuò)散伴隨著新相的形成(或稱(chēng)有相變發(fā)生)的擴(kuò)散過(guò)程，也稱(chēng)為“相變擴(kuò)散”1．在一定的溫度下擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行中，不形成兩相混合區(qū)。度不斷增加。4．單獨(dú)依靠擴(kuò)散從固體中析出另一新相，新相的層深和時(shí)間的關(guān)系為：δ∝^δ1而生長(zhǎng)速度則為：v∝t＝^真題舉例為何二元系反應(yīng)擴(kuò)散后的擴(kuò)散層組織中不存在兩相混合區(qū)(沈工大09)FeNN1)相變擴(kuò)散(沈工大08)—36—第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解)在離子晶體中，擴(kuò)散離子只能進(jìn)人具有同樣電荷位置。離子擴(kuò)散只能依靠空位來(lái)進(jìn)行，為了保持局部電荷平衡，需要同時(shí)形成不同電荷的兩種缺陷。肖脫基(Schottky)型離子空位對(duì)弗蘭克間隙離子－空位對(duì)。肖脫基型離子空位對(duì)弗蘭克間隙離子－空位對(duì)離子鍵的結(jié)合能遠(yuǎn)大于金屬鍵為了保證電中性，必須產(chǎn)生成對(duì)的缺陷擴(kuò)散離子只能進(jìn)人具有同樣電荷的位置陽(yáng)離子的擴(kuò)散系數(shù)通常比陰離子大(在NaCl中，氯離子的擴(kuò)散激活能約是鈉離子的2倍)真題舉例離子化合物中，陽(yáng)離子比陰離子擴(kuò)散能力強(qiáng)的原因在于：(深大12)C．陽(yáng)離子的原子價(jià)與陰離子不同本章小結(jié)(基本概念)擴(kuò)散的機(jī)制(間隙、空位)、4．影響擴(kuò)散系數(shù)的主要因素及其原理—37—10．柯肯達(dá)爾效應(yīng)及其空位擴(kuò)散機(jī)制對(duì)其的解釋本章小結(jié)(本章重點(diǎn)及難點(diǎn))2．半無(wú)限桿擴(kuò)散方程(滲碳時(shí)間、滲層厚度等求解)本章小結(jié)(本章主要公式)—74—第八章三元相圖本章內(nèi)容分析第一節(jié)三元相圖基礎(chǔ)元相圖表示：成分三角形三元相圖的制作第二節(jié)三元相圖分析四相平衡反應(yīng)類(lèi)型 (恒溫截面圖，