材料科学基础复习提纲

修正部分错别字，增删部分重点内容（红字标出）

材料科学基础Ⅰ（贵清部分）

第一章晶体学基础

1.1晶面指数、晶向指数（不包含四指数问题）的标定及晶面间距、晶向长度的计算（公式P40~P41）

1.2晶体结构和空间点阵的区别？

答：晶体结构是晶体中各原子的分布，种类丰富多样，而空间点阵是原子分布规律的

代表点，由这些抽象出来的阵点构成，只有14种结构。

1.3 晶胞选择的条件？

 答：晶胞的选择要尽量满足以下三个条件：1）能反映点阵的周期性；2）能反映点阵的对称性；3）晶胞的体积最小。

1.4 结构胞和原胞的联系和区别？

 答：结构胞和原胞必须都能反映点阵的周期性，结构胞是在保证对称性的前提下选取体积尽量小的晶胞；原胞是保证晶胞体积最小，而不一定反映对称性。

1.5 周期的概念？

 答：无论从哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或者原子集团，这个距离就是周期。

1.6 常见晶体结构中的重要间隙？

 答：FCC晶体中八面体间隙4个，四面体间隙8个；BCC晶体中八面体间隙6个，四面体间隙12个；HCP晶体中八面体间隙6个，四面体间隙12个。

1.7 常见晶体结构的堆垛方式？

 答：BCC和HCP晶体的堆垛方式是ABABAB……；FCC晶体的堆垛方式是ABCABC……。

1.8 晶带方程的表达式？

 答：hu+kv+lw=0。

第二章 固体材料的结构

2.1 什么是合金、组元、合金相、组织以及组元、合金相、组织之间的关系？

 答：合金：由金属和其他一种或几种元素通过化学键合而形成的材料；组元：组成合金

的每种元素称为组元；合金相：具有相同的成分、结构和性能的部分称为合金相或简称相；组织：在一定外界条件下，一定成分的合金可以由若干不同的相组成，这些相的总体便称为组织。

关系：合金相由组元构成，而组织又由合金相组成，单一元素即可以称之为组元又可以

称之为相又也可以称之为组织。

2.2 固溶体和化合物的区别？

 答：固溶体的溶质和溶剂占据一个共同的布拉菲点阵，且此点阵类型和溶剂的点阵类型相同，固溶体有一定的成分范围，组元含量在一定范围内可以变化而点阵类型不变，由于成分可变，固溶体不能用一个化学式表达；化合物是由两种或多种组元按一定比例构成一个新的点阵，它既不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵，化合物通常可以用一个化学式表达，金属与金属形成的化合物往往有一定的成分范围，但比固溶体范围小得多。

2.3 固溶体的分类？

 答：根据固溶体在相图中的位置可分为：端部固溶体、中间固溶体；

 根据溶质原子子在点阵中的位置可分为：间隙式固溶体、置换式固溶体；

 根据固溶度可分为：有限固溶体、无限固溶体；

  根据各组元原子分布的规律可分为：有序固溶体、无序固溶体。

2.4 休姆—罗瑟里规则（不考）

 答：1）如果形成合金的元素的原子半径之差大于14%~15%，则固溶度极为有限；

  ）如果合金组元的负电性相差很大，则固溶度极小。

2.5 简述合金中的间隙式固溶体、置换式固溶体和有序固溶体的概念及特征？

 答：间隙式固溶体：溶质原子进入溶剂组元点阵的间隙中而形成的固溶体，其特点是溶质原子位于组元点阵的间隙中，实际密度大于理论密度；

  置换式固溶体：溶质原子替换溶剂原子，位于点阵节点上而形成的固溶体，其特点是：溶质原子位于节点上，点阵类型不变，实际密度小于理论密度；

  有序固溶体：其中各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵，由各组元的分阵点组成的复杂点阵所对应的固溶体成为有序固溶体，其特点是：整个固溶体就是由各组元分点阵构成的超点阵或超结构。

2.6 固溶体的性能与成分的关系？（不考）

 答：1）点阵常数与成分的关系：Vegard定律：点阵常数正比于任一组元的浓度，在连续固溶体情况下成立，在其他情况有偏离，具体情况参考P101~P102

  ）力学性能与成分的关系：固溶强化：固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性较低，这种现象就成为固溶强化。强化程度不仅取决于成分，还取决于固溶体的类型、结特点、固溶度、组元原子半径差等因素。

间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著；

溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著；

具有有序—无序转变的中间固溶体，有序状态强度高于无序状态。

  ）物理性能和成分的关系：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都是非线性关系。

2.7 常见化合物的晶体结构及点阵？（※要会画图！！）

 答：1）AB型化合物：

a）NaCl型结构：面心立方点阵；

b）CsCl型结构：简单立方点阵；

c）闪锌矿（ZnS）型结构：面心立方点阵；

2）AB2型化合物：

a）萤石（CaF2）型结构：面心立方点阵；

b）金红石（TiO2）型结构：简单正方点阵。

第四章 晶体中的缺陷

4.1 缺陷的分类？

 答：可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

  点缺陷：在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，可忽略不计；

  线缺陷：某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟，在其它方向上的尺寸可忽略；

  面缺陷：在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比拟，而穿过该面得任何方向上的缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度；

  体缺陷：任意方向上的缺陷区的尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟

4.2 点缺陷的形成原理？

 答：固体中原子绕平衡位置做热振动，某一瞬间获得较大的动能或较大振幅而脱离平衡位置，如果原子在表面上，则脱离固体，次表面原子迁移到表面空位，于是在晶体内形成一个空位（肖脱基空位机制），如果原子在内部，它会从平衡位置进入附近点阵的间隙中，同时形成一个空位和一个间隙原子（弗兰克尔空位机制）。

 （如果只形成空位而不形成等量的间隙原子，这样形成的缺陷成为肖脱基缺陷；如果形成的空位数和间隙原子数相等，这样形成的缺陷成为弗兰克尔缺陷。）

4.3 点缺陷对晶体性能的影响？

 答：1）比容：点缺陷使晶体比容增大；2）比热容：增大；3）电阻率：增大；4）辐照硬化（详见P212）

4.4 过饱和点缺陷的形成方式？

 答：1）淬火；2)冷加工：3）辐照。

4.5 什么是位错？

 答：位错是晶体的一维线缺陷，它是原子错配的过渡区域。

4.6 位错的类型、定义及其基本特征？

 答：刃型位错、螺型位错、混合位错。

  刃型位错：位错线垂直于滑移方向；螺型位错：位错线与滑移方向平行；混合位错：位错线与滑移方向成任意角度α。

基本特征（考判断）：刃型：1）存在一个对称的半原子面。即在完整的晶体中插入半个原子面而形成的，半个原子面的边缘EF即刃位错线，在EF处滑移面上下的原子严重错配；

2）刃位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线。可以是直线、折线或曲线，但是必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量；

3）滑移面必须是由位错线和滑移矢量所确定的平面，在其他晶面上不能产生滑移；

4）刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，也有正应变。对正刃位错而言，滑移面上方受到压应力、下方受拉应力；对负刃位错而言，情况相反。

5）在位错线周围的过渡区每个原子具有较大的平均能量，该过渡区只有几个或十几个原子的宽度。

螺型：1）螺型位错无额外的半原子面，原子错排呈轴对称的；

2）根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错分为右螺型位错和左螺型位错；

3）螺型位错线与滑移矢量平行，因此螺位错线是直线，位错线的移动方向与晶体的滑移方向互相垂直；

4）螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含位错线的晶面都可以作为它的滑移面。但是在实际的滑移过程中，滑移通常在密排面上进行；

5）螺型位错线周围的点阵同样发生了弹性畸变，但是只存在切应变、无正应变，不会引起体积变化。在垂直于位错线的平面上投影，看不到原子的位移，也看不到缺陷；

6）螺型位错周围的点阵畸变也只有几个或十几个原子的宽度。

4.7 位错形成的方式？

 答：局部滑移和局部位移。

4.8 柏氏矢量的物理意义？

 答：1）b是位错的滑移矢量或位移矢量；2）b是在有缺陷的晶体中沿着柏氏回路的弹性变形的叠加；3）b越大，由于位错引起的晶体弹性能越高。

4.9 柏氏矢量的守恒性？

 答：若干条位错线交于一点，那么流入节点的位错线的柏氏矢量之和必等于流出节点的位错线柏氏矢量之和，即∑b入，i=∑b出，j 

4.10 位错的运动方式？

    答：刃型位错的运动方式：滑移和攀移；螺型位错的运动方式：只能滑移，不能攀移；混合位错：滑移，也可以一边滑移一边攀移。

4.11 位错密度的定义？

    答：位错密度是单位体积内位错线的总长度，可以由单位面积上位错线的露头数来计算。

4.12 位错密度与晶体强度的关系？

    答：位错密度较低时，随位错密度增加晶体强度降低；位错密度较高时，随位错密度增加晶体强度升高，U型曲线关系。

4.13 位错的基本几何性质？（可能出判断）

    答：位错线必须是连续的，它或者起止于晶体表面（或晶界），或形成封闭回路，或者在结点出和其他位错相连，不能终止于晶粒内部。（1/7，其余6条参考教材P233了解）

4.14 柯氏气团的定义，用柯氏气团解释体心立方明显屈服现象（或应变时效现象）？

    答：择优分布在刃型位错的张力区并紧靠位错线的点缺陷便形成所谓的柯氏气团。

明显屈服现象：在体心立方晶体中由间隙式元素原子形成的柯氏气团将位错扎钉住，因而在σ<σy,u时，位错不能启动，因为不发生塑性变形。只有当σ=σy,u时，应力才足以使位错从柯氏气团中脱钉出来而变成自由位错，产生塑性形变，脱钉后的自由位错在较低的应力下便可运动，故屈服极限下降至σy,1。

应变时效现象：金属在第一次拉伸到塑性形变后，位错已经脱钉，此时若立即进行第二次拉伸，由于间隙原子来不及扩散到位错线上，位错仍处于脱钉状态，故在较低应力下就开始滑移，因而屈服强度为σy,1 ，但如果卸载后放置较长时间再拉伸，则由于间隙原子扩散到位错线上将位错重新扎钉，故重新出现明显屈服现象，屈服强度又提高到σy,u 。

4.15 位错的增值机制？

    答：1）L型位错增殖机制；2）F-R位错源增殖机制（U型增殖机制）；3）多次交滑移增殖机制；4）基于位错攀移的增殖机制。

4.16 多次交滑移增殖的条件？

    答：要想通过多次（至少两次）交滑移使位错增殖并产生大量的塑性形变，要求位错线的一部分（而不是整个位错线）发生交滑移。

4.17 超割阶的概念？分类？

    答：长度大于一个原子间距的割阶叫做超割阶，超割阶分为短割阶（长度为几个原子间距）；长割阶（长度大于60个原子间距）；中割阶（介于短割阶和长割阶之间）。

4.18 全位错和分位错的概念？

    答：柏氏矢量为沿着滑移方向的原子间距的整数倍的位错称为全位错；柏氏矢量小于滑移方向上原子间距的位错称为分位错。 

4.19 扩展位错的概念？

    答：人们把两条平行Shockley分位错、中间夹着一片层错区所组成的缺陷组态称为扩展位错。

4.20 Frank分位错的特点？

    答：1）Frank分位错位于{111}面上，可以是任何形状、曲线和封闭环，但一定是刃型位错；

        2）Frank分位错不能滑移，只能攀移。

4.21 自发位错反应的条件？

    答：见P284 太麻烦不打了。

4.22小角度晶粒边界的分类？

答：倾侧晶界、扭转晶界、一般小角度晶界。倾侧晶界是由刃型位错组成的，扭转晶界

是由螺型位错组成的。

第七章 界面

7.1 界面的类型？

    答：1）按界面两边物质状态分类：表面，晶界、亚晶界，相界；

        2）按界面两边晶体取向差角度分类：小角晶界、大角晶界；

        3）按界面上原子排列情况和吻合程度分类：共格界面、半共格界面、复杂半共格晶面、非共格晶面

7.2 影响界面便聚的因素？

    答：1）晶内溶质的浓度，C0越大，C也越大；

2）温度，温度越高，C越低；

3）畸变能差和最大固溶度，畸变能差越大，晶界便聚的溶质浓度C越高；最大固溶度越小，C越大。

4）溶质元素引起界面能的变化 

7.3 研究晶面便聚的意义？

    答：对强韧性、晶间腐蚀、应力腐蚀、蠕变断裂强度、钢回火脆性、钢渗透性有重要影响。

7.4 晶界迁移的驱动力？

    答：变形储能和界面曲率。

7.5 影响晶界迁移速度的因素？

    答：溶质原子、第二相质点、温度、晶粒间位相差。

7.6 对于二维晶粒如何保持120°角平衡状态？

    答：六边形晶粒为平直界面，晶粒大小不变；小于六边形的晶粒为外凸界面，晶粒变小；大于六边形的晶粒为内凹界面，晶粒长大。

7.7 晶界的特性？

    答：1）晶界处存在着晶界能，晶界能影响晶界的迁移和形状；

        2）晶界常温下强化，高温下弱化；

        3）晶界是易扩散通道

        4）晶界易形核

        5）晶界熔点低，易过烧或过热

        6）晶界易受腐蚀

第九章 凝固与结晶

9.1 均匀形核和非均匀形核的概念？

    答：均匀形核：金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形成核心；

        非均匀形核：依靠外来夹杂所提供的异相界面非自发不均匀地形核。

9.2 成分过冷的原理及对固溶体凝固组织的影响？

    答：由于在不平衡凝固时，液相中溶质分布不均匀，在正温度梯度下，也会引起过冷，这种由于成分分布不均匀引起的过冷叫成分过冷。

        影响：无成分过冷，形成稳定的平界面；小成分过冷，平界面不稳定，界面上偶然凸起，进入冷液体长大，不产生侧向分枝，形成胞状晶界面，最后出现胞状结构；成分过冷很大时，晶体以树枝状方式长大。

9.3 晶体偏析的类型？

    答：宏观偏析；胞状偏析；树枝状偏析。

9.4 说明控制铸件组织晶粒细化的方法和原理？

    答：1）冷却速度：冷速增大，过冷度增大，形核率增加，晶粒细化；

        2）变质处理：人为加入形核剂；

        3）增加非自发晶核的形核数目：形核率增加，晶粒细化；

        4）液体金属的振动：模壁上的细晶脱落，柱状晶局部折断，增加晶核数目使晶粒细化。

第三章 晶体的范性形变 & 第十章 回复与再结晶（只有2分） @小册子

1.单晶体塑性变形的方式？

    答：滑移、孪生、扭折。

2.固溶强化的概念、及其强化机制？

    答：溶质原子的存在及其固溶度的增加使机体金属的变形抗力随之提高（合金的强度、硬度提高而塑性有所下降）即产生固溶强化效果。强化机制：晶格畸变，阻碍位错运动；柯氏气团强化。

3.多相合金的两种塑性变形方式？

    答：聚合型合金的塑性变形；弥散分布型合金的随行变形。

4.加工硬化的概念及加工硬化的实际意义？

    答：金属材料经冷加工变形后强度（硬度）显著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。

        加工硬化的意义：使金属具有一定的抗偶然过载能力；加工硬化和塑性变形的适当配合可使金属进行均匀的塑性变形；是强化金属的重要手段之一。

5．塑性变形中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。

6.残余应力的分类及产生原因？

    答：1）宏观残余应力：由工件不同部分的宏观变形不均匀性所引起的；

2）微观残余应力：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性引起；

3）点阵畸变：由工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷引起。

7．残余应力的优缺点？

    答：缺点：对工件的变形、开裂和应力腐蚀产生影响和危害，故必须及时采取消除措施，如去应力退火处理；

        优点：表面喷丸处理，强化表面，提高疲劳寿命。

8. 试说明冷变形金属在加热后退火过程的三个阶段及其概念？

答：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；

再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；

晶粒长大：再结晶结束之后晶粒的继续长大过程。

9. 回复动力学曲线的特点（图5.47）？

答：没有孕育期；开始变化快，随后变慢；长时间处理后，性能趋于一平衡值。

10. 简述因加热温度不同，冷变形金属的回复机制？

答：低温回复，主要与点缺陷有关；中温回复，主要与位错的滑移有关；

高温回复， 刃型位错产生攀移。

11. 再结晶动力学曲线的特点（图5.52）?

答：有孕育期; 温度越高,变形量越大孕育期越短;在体积分数为0.5时速率最大，然后

减慢。

12. 简述晶粒长大的分类和特点?

答：正常晶粒长大与异常晶粒长大（二次再结晶），前者表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大；而后者则为少数晶粒突发性的不均匀长大。

材料科学基础（小新部分）

第六章 相图 （※计算题）

6.1 相率、杠杆定律、二元及复杂相图分析及计算、三元相图的简单标定。

6.2 相图的判断：参考相率、相区接触法则（详见P337）

第八章 固体中的扩散

8.1 扩散的分类？

    答：1）按浓度的均匀程度分：有浓度差的空间扩散叫互扩散；无浓度差的扩散叫自扩散；

        2）按扩散方向分：由高浓度向低浓度扩散叫顺扩散，又称下坡扩散；由低浓度向高浓度扩散叫逆扩散，又称上坡扩散；

        3）按原子的扩散路径分：在晶粒内部的扩散称体扩散；在表面进行的扩散称为表面扩散；沿晶界进行的扩散称为晶界扩散。

8.2 菲克第一定律、第二定律理解P434~P437

8.3非稳态扩散的计算 P437~P446

8.4 俣野面的物理意义？

    答：物质流经此平面进行扩散，扩散流入的量与扩散流出的量正好相等。

8.5 克根达尔效应产生的原因？

    答：低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，正是这种不等量的原子交换造成了克根达尔效应。

8.6 理解克根达尔效应

8.7 达肯公式

8.8 影响扩散的因素？

    答：1）温度：温度是影响扩散的主要因素，随着T的升高，D成指数升高；

        2）成分的影响：a 组元特性：加A于B，若使B的熔点下降，则D增加，若使B的熔点升高，则D下降；b 组元浓度：扩散系数是浓度的函数，浓度增大时，扩散系数增大或减小，如在γ-Fe中加入Ni、Mn、C使D增大，在Au-Ni中加入Ni使D减小；c 第三组元的影响： 如在γ-Fe中加入Co促进扩散，加入Mo、W阻碍扩散；

        3）结构因素：a 结构类型：在致密性很小的结构中，无论是自扩散还是合金元素扩散都易于进行，反之则不易扩散；b 固溶体类型：间隙式固溶体的扩散速度大于置换式固溶体的扩散速度；c 各向异性：对称性低、原子和间隙的排列各向异性的晶体中，扩散速率也是各向异性的。

8.9 短路扩散的定义？

    答：沿着表面、界面、位错等缺陷部位进行的扩散称为短路扩散。

其扩散速度关系：表面扩散 > 界面扩散 > 点阵扩散

8.10 离子中晶体的扩散有关空位的计算问题。

第十一章 固态相变 —— 扩散性相变

11.1 时效的概念？

    答：金属急冷淬火，单相固溶体来不及分解，在室温得到亚稳的过饱和固溶体，此过饱和固溶体在室温或高温下保持，发生分解反应，这一现象叫做过饱和固溶体分解，也叫时效。

11.2 调幅分解和脱溶时效的区别？

    答：

    答：1）碳含量：随着碳含量的增加，奥氏体的稳定性增大，C曲线的位置向右移；

        2）合金元素：除Co和Al（ωAl > 2.5%）以外，所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移；

        3）奥氏体状态的影响：钢的原始组织越细小，成分越不均匀，加热温度越低，加热速度越快，保温时间越短，未溶第二相越多，过冷奥氏体分解的孕育期越短，等温转变速度越快，使C曲线左移；

        4）应力和塑性形变的影响：过冷奥氏体发生转变时伴随比容增大，因此加拉应力会促使奥氏体转变，C曲线右移。

11.4 珠光体分类？

    答：根据渗碳体的形状：片状珠光体、粒状珠光体；

        根据片层间距的大小：珠光体、索氏体、屈氏体。

11.5 第二相强化的机制？

    答：1）通过相变热处理获得的，称为析出硬化、沉淀强化或时效硬化；2）通过粉末烧结获得的，成为弥散硬化。

11.6 珠光体相变、贝氏体相变、马氏体相变的异同？

12.1 马氏体相变的特点？

    答：1）点阵畸变式无扩散型相变；2）相变过程中只有晶格改变而没有成分变化；3）新相总是沿表面能最低的晶体学面（惯析面），靠切变维持共格联系；4）产生浮凸效应

12.2 钢的编号？

     答：T系列为千分之一，T7为C含量为0.7%；

        #系列为万分之一，20#为C含量0.2%；

        Mn13 Mn含量为13%；

        55SiMn C含量0.55%、Si、Mn含量小于1%

        GCr15 1.5%的Cr

白口铸铁中的C元素是存在于Fe3C 中的碳；

        灰口铸铁中的C元素是存在于石墨中的碳。

12.3 简述形状记忆合金原理？

    答：发生马氏体相变的合金形变后，加热到逆相变终了温度以上，使低温马氏体逆变为高温母相，而恢复到形变前固有形状，随后冷却过程中，通过内部弹性能释放，又返回到马氏体形状。

12.4 金属热处理的基本工艺？

    答：退火：将组织偏离平衡态的金属或合金加热到合适温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接衡状态的组织；（退火的目的是降低钢的硬度，改善切削性能；细化晶粒，减少组织不均匀性，消去工件在锻造、铸造过程中出现的内应力）

        正火：将钢材加热到AC3或ACcm以上的温度，保持适当时间或在空气中冷却以得到珠光体类组织；（正火与退火相似，退火后机械强度略高）

        淬火：将钢材加热到AC1或AC3以上温度，保温并随之以大于临界冷却速度降温，以得到马氏体或下贝氏体组织；（淬火的目的是为了提高钢的硬度和强度）

        回火：将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温。（淬火后回火能保证得到较高的强度、硬度和韧性）