材料科学基础考点归纳.docx

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材料科学基础考点归纳

第一章材料中的原子排列

第一节原子的结合方式

1原子结构

2原子结合键

（1）离子键与离子晶体

原子结合：

电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；

离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。

如氧化物陶瓷。

（2）共价键与原子晶体

原子结合：

电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；

原子晶体：

强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。

如高分子材料。

（3）金属键与金属晶体

原子结合：

电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；

金属晶体：

导电性、导热性、延展性好，熔点较高。

如金属。

金属键：

依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。

（3）分子键与分子晶体

原子结合：

电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。

分子晶体：

熔点低，硬度低。

如高分子材料。

氢键：

（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O

（4）混合键。

如复合材料。

3结合键分类

（1）一次键（化学键）：

金属键、共价键、离子键。

（2）二次键（物理键）：

分子键和氢键。

4原子的排列方式

（1）晶体：

原子在三维空间内的周期性规则排列。

长程有序，各向异性。

（2）非晶体：

――――――――――不规则排列。

长程无序，各向同性。

第二节原子的规则排列

一晶体学基础

1空间点阵与晶体结构

（1）空间点阵：

由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。

图1-5

特征：

a原子的理想排列；b有14种。

其中：

空间点阵中的点－阵点。

它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。

描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。

（2）晶体结构：

原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。

特征：

a可能存在局部缺陷；b可有无限多种。

2晶胞图1－6

（1）――－：

构成空间点阵的最基本单元。

（2）选取原则：

a能够充分反映空间点阵的对称性；

b相等的棱和角的数目最多；

c具有尽可能多的直角；

d体积最小。

（3）形状和大小

有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。

（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。

4晶向指数与晶面指数

晶向：

空间点阵中各阵点列的方向。

晶面：

通过空间点阵中任意一组阵点的平面。

国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。

（1）晶向指数的标定

a建立坐标系。

确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。

b求坐标。

u’,v’,w’。

c化整数。

u,v,w.

d加[]。

[uvw]。

说明：

a指数意义：

代表相互平行、方向一致的所有晶向。

b负值：

标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。

c晶向族：

晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。

用表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。

（2）晶面指数的标定

a建立坐标系：

确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。

b量截距：

x,y,z。

c取倒数：

h’,k’,l’。

d化整数：

h,k,k。

e加圆括号：

（hkl）。

说明：

a指数意义：

代表一组平行的晶面；

b0的意义：

面与对应的轴平行；

c平行晶面：

指数相同，或数字相同但正负号相反；

d晶面族：

晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。

用{hkl}表示。

e若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;

f若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l。

二典型晶体结构及其几何特征

1三种常见晶体结构

面心立方（A1,FCC）体心立方（A1,BCC）密排六方（A3,HCP）

晶胞原子数426

点阵常数a=2/2ra=4/3/3ra=2r

配位数128（8＋6）12

致密度0.740.680.74

堆垛方式ABCABC..ABABAB..ABABAB..

结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体

（个数）84126126

（rB/rA）0.2250.4140.290.150.2250.414

配位数（CN）：

晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。

致密度（K）：

晶体结构中原子体积占总体积的百分数。

K=nv/V。

相（phase）：

合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。

合金中的相结构主要有固溶体和中间相

合金：

由两种以上的元素所组成的具有金属特性的物质固溶体概念：

合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。

如，Fe（C）固溶体。

（1）固溶体的类型按溶质原子在溶剂晶格的位置：

置换~、间隙~按溶质在溶剂中的溶解度：

有限~、无限~按溶质原子在溶济中的相对分布情况：

有序~、无~间隙固溶体一定是有限固溶体，并且一定是无序的无限固溶体一定是置换固溶体

（2）影响固溶体溶解度的因素电负性差:

差越大，固溶体溶解度越小原子尺寸:

尺寸相近（半径差<15%），置换固溶度高；尺寸相差大，间隙固溶体可溶性强（半径小的原子易进入间隙）电子浓度:

价电子差别越大，溶解度越小。

晶体结构:

相同的晶体结构是形成无限固溶的必要条件。

固溶强化：

通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

中间相：

由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为金属间化合物。

1位错的基本类型

（1）刃型位错

模型：

滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。

）

分类：

正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。

（2）螺型位错

模型：

滑移面/位错线。

（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。

）

分类：

左螺型位错；右螺型位错。

（3）混合位错

模型：

滑移面/位错线。

3柏氏矢量

（1）确定方法（避开严重畸变区）

a在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。

b在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。

c在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。

（2）柏氏矢量的物理意义

a代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。

b表示晶体滑移的方向和大小。

c柏氏矢量的守恒性（唯一性）：

一条位错线具有唯一的柏氏矢量。

d判断位错的类型。

（3）柏氏矢量的表示方法

a表示:

b=a/n[uvw]（可以用矢量加法进行运算）。

b求模：

/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。

4位错密度

（1）表示方法：

ρ＝K/V

ρ＝n/A

（2）晶体强度与位错密度的关系（τ-ρ图）。

（3）位错观察：

浸蚀法、电境法。

5位错的运动

（1）位错的易动性。

（2）位错运动的方式

a滑移：

位错沿着滑移面的移动。

刃型位错的滑移：

具有唯一的滑移面

螺型位错的滑移：

具有多个滑移面。

位错环的滑移：

注重柏氏矢量的应用。

b攀移：

刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。

机制：

原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。

分类：

正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、原子加入）。

应力的作用：

（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。

（3）作用在位错上的力（单位距离上）

滑移：

f=τb；

攀移：

f=σb。

三面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。

1晶界

（1）晶界：

两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。

（2）分类

大角度晶界：

晶粒位向差大于10度的晶界。

其结构为几个原子范围

内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。

小角度晶界：

晶粒位向差小于10度的晶界。

其结构为位错列，又分

为对称倾侧晶界和扭转晶界。

亚晶界：

位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。

为位错结构。

孪晶界：

两块相邻孪晶的共晶面。

分为共格孪晶界和非共格孪晶界。

2相界

（1）相界：

相邻两个相之间的界面。

（2）分类：

共格、半共格和非共格相界。

3表面

（1）表面吸附：

外来原子或气体分子在表面上富集的现象。

（2）分类

物理吸附：

由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。

化学吸附：

由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。

4界面特性

（1）界面能会引起界面吸附。

（2）界面上原子扩散速度较快。

（3）对位错运动有阻碍作用。

（4）易被氧化和腐蚀。

（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。

第六章固体中的扩散

第二节扩散定律

1菲克第一定律

（1）第一定律描述：

单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量（扩散通量J）与浓度梯度成正比。

（2）表达式：

J=-D（dc/dx）。

（C－溶质原子浓度；D-扩散系数。

）

（3）适用条件：

稳态扩散，dc/dt=0。

浓度及浓度梯度不随时间改变。

2菲克第二定律

一般：

C/t=（DC/x）/x

二维：

（1）表达式特殊：

C/t=D2C/x2

三维：

C/t=D（2/x2+2/y2+2/z2）C

稳态扩散：

C/t=0，J/x=0。

（2）适用条件：

非稳态扩散：

C/t≠0，J/x≠0（C/t=－J/x）。

3扩散第二定律的应用

（1）误差函数解

适用条件：

无限长棒和半无限长棒。

表达式：

C=C1－（C1-C2）erf（x/2√Dt）（半无限长棒）。

在渗碳条件下：

C:

x,t处的浓度；C1:

表面含碳量;C2:

钢的原始含碳量。

（2）正弦解

Cx=Cp-A0sin（πx/λ）

Cp:

平均成分；A0：

振幅Cmax-Cp；λ:

枝晶间距的一半。

对于均匀化退火，若要求枝晶中心成分偏析振幅降低到1/100,则：

[C（λ/2,t）-Cp]/（Cmax-Cp）=exp（-π2Dt/λ2）=1/100。

第三节扩散的微观机理与现象

1扩散机制

间隙－间隙；

（1）间隙机制平衡位置－间隙－间隙：

较困难；

间隙－篡位－结点位置。

（间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。

）

方式：

原子跃迁到与之相邻的空位；

（2）空位机制条件：

原子近旁存在空位。

（金属和置换固溶体中原子的扩散。

）

直接换位

（3）换位机制

环形换位

（所需能量较高。

）

第四节影响扩散的主要因素

1温度

D=D0exp（-Q/RT）

可以看出，温度越高，扩散系数越大。

2原子键力和晶体结构

原子键力越强，扩散激活能越高；致密度低的结构中扩散系数大（举例：

渗碳选择在奥氏体区进行）；在对称性低的结构中，可出现明显的扩散各向异性。

3固溶体类型和组元浓度的影响

间隙扩散机制的扩散激活能低于置换型扩散；提高组元浓度可提高扩散系数。

4晶体缺陷的影响

（缺陷能量较高，扩散激活能小）

空位是空位扩散机制的必要条件；

位错是空隙管道，低温下对扩散起重要促进作用；

界面扩散－（短路扩散）：

原子界面处的快速扩散。

如对银：

Q表面=Q晶界/2=Q晶内/3

5第三组元的影响

如在钢中加入合金元素对碳在中扩散的影响。

强碳化物形成元素，如W,Mo,Cr,与碳亲和力大，能显著组织碳的扩散；

弱碳化物形成元素，如Mn，对碳的扩散影响不大；

固溶元素，如Co,Ni,提高碳的扩散系数；Si降低碳的扩散系数。

第三章凝固与结晶

凝固：

物质从液态到固态的转变过程。

若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。

凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。

凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。

第一节材料结晶的基本规律

1液态材料的结构

结构：

长程有序而短程有序。

特点（与固态相比）：

原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。

2过冷现象

（1）过冷：

液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。

（见热分析实验图）

（2）过冷度：

液体材料的理论结晶温度（Tm）与其实际温度之差。

△T=Tm-T（见冷却曲线）

注：

过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行）。

3结晶过程

（1）结晶的基本过程：

形核－长大。

（见示意图）

（2）描述结晶进程的两个参数

形核率：

单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。

用N表示。

长大速度：

晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。

用G表示。

第二节材料结晶的基本条件

1热力学条件

（1）G-T曲线（图3－4）

a是下降曲线：

由G-T函数的一次导数（负）确定。

dG/dT=-S

b是上凸曲线：

由二次导数（负）确定。

d2G/d2T=-Cp/T

c液相曲线斜率大于固相：

由一次导数大小确定。

二曲线相交于一点，即材料的熔点。

（2）热力学条件

△Gv=－Lm△T/Tm

a△T>0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。

b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。

c△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。

2结构条件

结构起伏（相起伏）：

液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。

是结晶的必要条件（之二）。

第三节晶核的形成

均匀形核：

新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。

非均匀形核：

新相晶核依附于其它物质择优形成。

1均匀形核

（1）晶胚形成时的能量变化

△G＝V△Gv+σS

=（4/3）πr3△Gv+4πr2σ（图3－8）

〔2〕临界晶核

d△G/dr=0

rk=-2σ/△Gv

临界晶核：

半径为rk的晶胚。

（3〕临界过冷度

rk=-2σTm/Lm△T

临界过冷度：

形成临界晶核时的过冷度。

△Tk.

△T≥△Tk是结晶的必要条件。

（4）形核功与能量起伏

△Gk＝Skσ/3

临界形核功：

形成临界晶核时需额外对形核所做的功。

能量起伏：

系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。

（是结晶的必要条件之三）。

（5）形核率与过冷度的关系

N=N1.N2（图3－11，12）

由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。

2非均匀形核

（1）模型：

外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。

（2）自由能变化：

表达式与均匀形核相同。

（3）临界形核功

计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。

△Gk非/△Gk=（2-3cosθ+cos3θ）/4

aθ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；

b180>θ>0时,△Gk非<△Gk,杂质促进形核；

cθ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。

（4）影响非均匀形核的因素

a过冷度：

（N-△T曲线有一下降过程）。

（图3－16）

b外来物质表面结构：

θ越小越有利。

点阵匹配原理：

结构相似，点阵常数相近。

c外来物质表面形貌：

表面下凹有利。

（图3－17）

第四节晶核的长大

1晶核长大的条件

（1）动态过冷

动态过冷度：

晶核长大所需的界面过冷度。

（是材料凝固的必要条件）

（2）足够的温度

（3）合适的晶核表面结构。

2液固界面微结构与晶体长大机制

粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：

垂直长大。

光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：

二维晶核长大、依靠缺陷长大。

3液体中温度梯度与晶体的长大形态

（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）

粗糙界面：

平面状。

光滑界面：

台阶状。

（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）

粗糙界面：

树枝状。

光滑界面：

树枝状－台阶状。

第五节凝固理论的应用

1材料铸态晶粒度的控制

Zv=0.9（N/G）3/4

（1）提高过冷度。

降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。

（2）化学变质处理。

促进异质形核，阻碍晶粒长大。

（3）振动和搅拌。

输入能力，破碎枝晶。

2单晶体到额制备

（1）基本原理：

保证一个晶核形成并长大。

（2）制备方法：

尖端形核法和垂直提拉法。

3定向凝固技术

（1）原理：

单一方向散热获得柱状晶。

（2）制备方法。

4急冷凝固技术

（1）非晶金属与合金

（2）微晶合金。

（3）准晶合金。

第四章二元相图

相：

（概念回顾）

相图：

描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。

二元相图：

第一节相图的基本知识

1相律

（1）相律：

热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。

（2）表达式：

f=c-p+2;压力一定时，f=c-p+1。

（3）应用

可确定系统中可能存在的最多平衡相数。

如单元系2个，二元系3个。

可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。

纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。

2相图的表示与建立

（1）状态与成分表示法

状态表示：

温度－成分坐标系。

坐标系中的点－表象点。

成分表示：

质量分数或摩尔分数。

（2）相图的建立

方法：

实验法和计算法。

过程：

配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。

相图结构：

两点、两线、三区。

3杠杆定律

（1）平衡相成分的确定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。

）

（2）数值确定：

直接测量计算或投影到成分轴测量计算。

（3）注意：

只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。

第二节二元匀晶相图

1匀晶相同及其分析

（1）匀晶转变：

由液相直接结晶出单相固溶体的转变。

（2）匀晶相图：

具有匀晶转变特征的相图。

（3）相图分析（以Cu-Ni相图为例）

两点：

纯组元的熔点；

两线：

L,S相线；

三区：

L,α,L+α。

2固溶体合金的平衡结晶

（1）平衡结晶：

每个时刻都能达到平衡的结晶过程。

（2）平衡结晶过程分析

①冷却曲线：

温度－时间曲线；

②相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。

）；

③组织示意图；

④成分均匀化：

每时刻结晶出的固溶体的成分不同。

（3）与纯金属结晶的比较

1相同点：

基本过程：

形核－长大；

热力学条件：

⊿T>0；

能量条件：

能量起伏；

结构条件：

结构起伏。

②不同点：

合金在一个温度范围内结晶（可能性：

相率分析，必要性：

成分均匀化。

）

合金结晶是选分结晶：

需成分起伏。

3固溶体的不平衡结晶

（1）原因：

冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。

（2）结晶过程特点：

固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）；

结晶的温度范围增大；

组织多为树枝状。

（3）成分偏析：

晶内偏析：

一个晶粒内部化学成分不均匀现象。

枝晶偏析：

树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。

（消除：

扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。

）

4稳态凝固时的溶质分布

（1）稳态凝固：

从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。

（2）平衡分配系数：

在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。

k0=Cs/Cl

（3）溶质分布：

液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a;

固相不混合、液相完全混合－b;

固相不混合、液相完全不混合－c；

固相不混合、液相部分混合－d。

（4）区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）

5成分过冷及其对晶体生长形态的影响

（1）成分过冷：

由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。

（2）形成：

界面溶质浓度从高到低－液相线温度从低到高。

（图示：

溶质分布曲线－匀晶相图－液相线温度分布曲线－实际温度分布曲线－成分过冷区。

）

（3）成分过冷形成的条件和影响因素

条件：

G/R

合金固有参数：

m,k0;

实验可控参数：

G,R。

（4）成分过冷对生长形态的影响

（正温度梯度下）G越大，成分过冷越大－生长形态：

平面状－胞状－树枝状。

第三节二元共晶相图及合金凝固

共晶转变：

由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。

共晶相图：

具有共晶转变特征的相图。

（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。

共晶组织：

共晶转变产物。

（是两相混合物）

1相图分析（相图三要素）

（1）点：

纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶成分分界点）等。

（2）线：

结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。

（3）区：

3个单相区；3个两相区；1个三相区。

2合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）

（1）Wsn<19％的合金

①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

②二次相（次生相）的生成：

脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。

③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。

（2）共晶合金

①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

2共晶线上两相的相对量计算。

3室温组织（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相对量计算。

（3）亚共晶合金

①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

②共晶线上两相的相对量计算。

③室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。

4组织组成物与组织图

组织组成物：

组成材料显微组织的各个不同本质和形态的部分。

组织图：

用组织组成物填写的相图。

3不平衡结晶及其组织

（1）伪共晶

①伪共晶：

由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。

②形成原因：

不平衡结晶。

成分位于共晶点附近。

③不平衡组织

由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。

共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。

（伪共晶区偏移）

（2）不平衡共晶

1不平衡共晶：

位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。

2原因：

不平衡结晶。

成分位于共晶线以外端点附件。

（3）离异共晶

1离异共晶：

两相分离的共晶组织。

2形成原因

平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。

不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。

3消除：

扩散退火。

4共晶组织的形成

（1）共晶体的形成

成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长

两相交替分布

共晶组织

（2）共晶体的形态

粗糙－粗糙界面：

层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相）

粗糙－平滑界面：

具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同）

所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。

可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。

非金属相与液相成分差别大。

形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。

（3）初生晶的形态：

金属固溶体：

粗糙界面－树枝状；非金属相：

平滑界面－规则多面体。

第四节二元包晶相图

包晶转变：

由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。

包晶相图：

具有包晶转变特征的相图。

1相图分析

点、线、区。

2平衡结晶过程及其组织

（1）包晶合金的结晶

结晶过程：

包晶线以下，L,α对β过饱和－界面生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－全部转变为β。

室