北京科技大学材料学院初试材科考研机构内部讲义文档格式.docx

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10

第4章

金属及合金的凝固与组织

概念、分析

10-30

第5章

金属及合金的形变

概念、简答

10-20

第6章

金属及合金的扩散

第7章

金属及合金的回复与再结晶

分析

第8章

金属及合金的固态转变

第9章

铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织

2、第2本书《材料科学基础》：

30%

原子结构与键合

基本不考

固体结构

概念

20

晶体缺陷

固体中原子及分子的运动

材料的形变和再结晶

30-50

单组元相图及纯晶体的凝固

二元系相图及其合金的凝固

相图

三元相图

材料的亚稳态

第一章概论

第一章作为概述性质的章节，在历年考试中基本不涉及考题，大家作为对材料的了解，读一下即可。

其中涉及到一些概念的部分，入晶粒、晶界、组织等，要着重理解一下，为后面的章节打下基础。

第二章金属和合金的固态结构

本章节包括19个知识点，其中必须掌握的知识点是9个：

1．金属和合金的典型结构模型。

理解面心立方（原子所占体积74%，配位数12）、体心立方（原子所占体积68%，配位数8）和密集六方（原子所占体积74%，配位数12）三种结构模型。

概念：

晶面，金属化合物等；

2．空间点阵，单胞。

这一部分概念比较多，也比较复杂，是难点，但是并不是考试的重点，理解晶向、单胞、点阵参数这些概念就可以了，对于七大晶系，了解一下即可，不是考研的重点；

3．晶面和晶面指数。

这个知识点是考试的重点，一定要清楚什么是晶面指数，晶面族和晶带的概念。

能找到fcc或者bcc的密排方向，fcc是[110]晶向，bcc是[111]晶向。

会画过某一晶向的晶面；

4．合金的晶体结构类型。

掌握影响合金结构的基本因素（1异类原子间的相互作用因素，即电化学因素；

2，原子相对尺寸因素；

3，电子浓度因素；

4，其他因素，如温度、压力等）。

掌握固溶体、中间相的概念，了解间隙相和Laves相的概念；

5．固溶体。

了解固溶体的分类；

掌握影响固溶体的因素（原子尺寸因素，负电性因素，电子浓度因素），在03和04年都考过。

理解点阵畸变和偏聚的概念，对后面知识的理解有很大作用；

固溶体在性能方面的特点（05年）；

6．缺陷的类型（点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷）；

7．晶体中的位错（重点和难点）一定要明白刃型位错和螺型位错的产生过程和结构特点。

这部分内容可以参考上海交大版的材《料科学基础》，讲得很清楚。

理解柏氏矢量的概念，可以简单的理解为原子滑移错动的方向和大小；

8．位错与点缺陷的作用（06年考）。

理解点缺陷与位错的相互作用，掌握柯氏气团的概念；

9．金属晶体中的内外界面（重点，考点）。

掌握小角度晶界、大角度晶界以及其他界面类型。

小角度晶界、大角度晶界是历年考试的重点，05和06年都出了考题，小角度晶界是由位错组成，而大角度晶界的三种结构模型（过度结构模型，小岛结构模型，重合阵点结构模型）。

理解相界面、共格、孪晶、亚晶和层错界的概念。

强化阶段，需要对这一章节有一个大体的了解。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过仔细分析书中内容，结合交大版《材料科学基础》理解重要概念，想象相应的物理过程，从而更加深刻的理解概念，熟悉相应知识点，最后再通过本讲义如下内容对应的例题，从分析、解题、注意易错点到完成老师布置的作业完成相应知识点的掌握过程。

【知识点3】晶面和晶面指数。

【例题1】分别画出立方晶系晶胞内的（110）、（112）晶面和[110]、[111]晶向。

分析：

（112）晶面，x、y、z轴的截距比应该为1:

1:

1/2。

[110]晶向为到x、y、z轴截距分别为1，1和无穷。

解题：

易错点：

Miller晶面指数是截距的倒数比。

【例题2】在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；

再画出过该方向的两个不同的低指数（简单）晶面，写出对应的晶面指数。

这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？

如图所示。

构成晶带关系。

【知识点8】位错与点缺陷的作用

【例题3】点缺陷（如间隙原子或代位原子）和线缺陷（如位错）为何会发生交互作用？

这种交互作用如何影响力学性能？

点缺陷产生畸变，使局部能量升高，附近有弹性应变场；

位错也是如此，但位错周围不同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力；

点缺陷会聚集到位错上使应变能降低，使系统那个能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态；

此时位错被钉扎二难以运动，使强度提高，会产生上下屈服效应。

【知识点9】金属晶体中的内外界面（重点，考点）。

【例题4】单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：

划分为两类晶界的依据是什么？

并讨论构成小角度晶界的结构模型。

依据是按界面两侧晶粒间的取向差，<

15°

的称为小角度晶界，>

的为大角度晶界。

小角度境界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平行刃位错来描述。

而大角度晶界的三种结构模型（过度结构模型，小岛结构模型，重合阵点结构模型）。

第三章金属及合金的相图

本章节包括8个知识点，其中必须掌握的知识点是2个。

1．相，相律的概念；

2．掌握杠杆定律。

强化阶段，需要掌握的知识点2个：

相，相律的概念；

杠杆定律。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过对二元相图的理解，理解相变规律，掌握成分随温度的变化规律，熟悉相应知识点，最后再通过本讲义如下内容对应的例题，从分析、解题、注意易错点到完成老师布置的作业完成相应知识点的掌握过程。

这一章节不是很重点，出题也只会结合铁碳相图出题，考察杠杆定律，只要掌握了二元合金相图的一般规律就可以了，前面的相平衡热力学概念知道即可。

三元相图不考。

【知识点1】

【例题1】简述二元系中共晶反应、包晶反应和共析反应的特点；

并计算其各相平衡时的自由度。

共晶反应是：

液相同时凝固出两个不同成分的固相相互配合生长，一般长成片层状。

共析与共晶相似，只是母相是固相，即一个固相同时生成另两个不同成分的固相。

包晶反应是：

液相与一个固相反应生成另一个固相，新生成的固相包住原有的固相，反应需要固相中的扩散，速度较慢。

这三种反应出现时，自由度都是0，即三相成分固定，温度也固定。

第四章金属及合金的凝固与组织

本章节包括28个知识点，其中必须掌握的知识点是2个。

是重点以及难点，很重要的一章。

1.凝固过程的宏观特征。

（宏观现象表现，描述其过程特征，过冷度的概念）；

2.晶核的自发形成——均匀形核（描述均匀形核的机理和过程，ΔG总=-VΔGp+Sσ，结构涨落，晶胚，晶核的概念）；

3.非均匀形核（概念，过程）；

4.晶体的成长（宏观和微观，成长条件，一，二；

晶体的成长机理：

连续成长，借台阶侧向扩展成长，二维晶核式的成长，借晶体缺陷成长）；

5.晶体的形貌（05年）（具有规则几何外形——非金属，金属间化合物，不规则几何外形——金属晶体；

正负温度梯度；

一次晶枝，二次晶枝）；

6.结晶过程中结构缺陷的形成（空位、位错的产生过程，亚晶及亚晶界的形成）；

7.组成过冷——成分过冷（05年）（温度过冷和浓度过冷）；

8.凝固后的组织（显微偏析——晶内偏析即枝晶偏析，晶粒间的偏析，晶界偏析；

晶粒形貌05年考过，1、2、3）；

9.共晶合金的凝固及共晶组织（离异共晶，伪共晶）；

10.铸锭的凝固及组织（考点）（细晶区，柱晶区，等轴晶区；

铸锭的形成机理；

影响铸锭结晶组织的因素）。

【知识点10】

【例题1】铸锭的一般组织可分为哪几个区域？

写出其名称。

并简述影响铸锭结晶组织的因素

分为三晶区：

激冷区、柱状晶区、中心等轴晶区。

影响铸锭结晶组织的因素：

1，液体过冷度，越小越好。

2，凝固温度范围，越大越好，有利于枝晶的破碎。

3，温度梯度，越小越有利于等轴晶。

4，合金熔点低，温度梯度小。

5，搅拌或加孕育剂。

【例题2】简述铸锭的宏观偏析。

宏观偏析：

正常偏析和比重偏析。

正常偏析：

指按合金的分配系数先析出的含溶质低，后凝固的含溶质多。

因铸锭尺寸大，由表面到中心成分不均匀，偏析出现在宏观尺度上，称宏观偏析。

反常偏析：

仍遵守分配系数关系，只是形成大量枝晶后，富集溶质的液相会沿枝晶间的通道逆向反流到先凝固的铸锭表面附近，千万由表面到中心成分分布的反常。

比重偏析：

是凝固时，固相与液相比重不同，而沉积或漂浮，从而造成铸锭下端与上端成分的不均匀，也是宏观尺度。

【知识点2,3】

【例题3】1．相同过冷度下比较均匀形核与非均匀形核的临界半径、临界形核功。

临界晶核体积，哪个大？

2．合金凝固时的液/固界面前沿通常比纯金属液/固界面前沿更容易出现过冷，为什么？

3．典型的金属（如铁）和典型的非金属（如硅，石墨）在液相中单独生长时的形貌差异是什么？

1，临界半径相同；

临界界形核功是均匀形核时高；

临界晶核何体积也是均匀形核时大。

2，合金界面前沿会出现组成过冷，即界面前溶质的富集提高了局部区域的熔点，所以更易出现过冷。

3，因两者分别是粗糙型（铁）和光滑型界面（硅），前者是外形均匀的等轴晶或枝晶，后者为规则多边形、有棱角的形状。

【知识点8】

【例题4】什么是一次带状组织和二次带状组织？

分析一次带状组织和二次带状组织形成的原因。

一次带状组织是凝固时形成枝晶，热轧后成带状而产生的；

在CuCl浸蚀下，黑色条带是枝晶干（含溶质不），白色条带常是富集杂质的枝晶间，也称原始带状。

二次带状是固态转变的产物，在硝酸酒精浸蚀下，白色带状是先共析铁素体，黑色带状是珠光体，也称显微带关组织。

只有在一次带状的基础上才会产生二次带状。

这些带状都与元素的偏析和夹杂物的特殊分布有关。

第五章金属及合金的形变

本章节包括25个知识点，其中必须掌握的知识点是6个。

是必考的一章，也是很重要的一章。

1.滑移的机理（概念：

滑移，滑移带，滑移系，位错线）

2.滑移的临界分切应力τk。

3.形变过程中位错的增殖（增殖过程）

4.晶界在形变中的作用（晶界的切变和协调作用）；

5.晶粒的大小对形变的影响；

6.上、下屈服点和吕德斯带。

强化阶段，需要掌握的知识点6个。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过滑移的基本概念的理解，明确滑移的过程和滑移机理，理解滑移的临界分切应力是如何得到的。

重点掌握在形变过程中位错的增殖，以及晶粒和晶界对形变的影响这些内容。

熟悉相应知识点，最后再通过本讲义如下内容对应的例题，从分析、解题、注意易错点到完成老师布置的作业完成相应知识点的掌握过程。

这一章节很重要，每年都会考察内容，而且考察可以比较灵活，所以要灵活掌握。

【知识点6】

【例题1】1．常温下金属塑性变形有哪些主要机制？

他们间的主要差异是什么？

2．什么是上、下屈服点效应（在纯铁或低碳钢中）？

原因是什么？

1．主要形变机制是滑移和孪生；

滑移产生的切变量是原子间距的整数倍，孪生产生的切变量是原子间距的一个分数；

由此产生一系列其他方面的差异。

2．含C、N间隙原子的低碳钢形变时，滑移启动时的后抗力较大（上屈服点），滑移进行时的抗力较小（下屈服点），在应力应变曲线上可明显看出。

原因是间隙原子聚集在位错上（柯氏气团）钉扎了位错，出现上屈服点，位错一旦摆脱钉扎后便不受影响（对应下屈服点）。

【知识点3】

【例题2】写出面心立方金属的一个具体的滑移系；

多晶体变形时，在一定的型变量下，为何有的晶粒内是单系滑移而另一些晶粒内是多系滑移？

为何有的晶粒内滑移量大而另一些晶粒内滑移量小？

如（111）[

10]；

只是因为形变的不均匀性；

晶粒中某一滑移系相对于力轴的取向因子大时先滑移开动，取向因子小时后滑移开动，所以各晶粒的形变量不同；

硬取向力轴引起多系滑移，如﹤111﹥、﹤100﹥、﹤110﹥方向，软取向力轴对应单系滑移，如﹤123﹥方向。

【知识点4】

【例题3】什么是形变织构？

有哪几类？

如何表示？

形变过程导致晶粒发生转动，最后各晶粒内的某些晶向趋于平行，这种因形变而导致取向择优称为形变织构。

织构分为板织构和丝织构；

板织构表示为{HKL}﹤UVW﹥,表示经轧制变形后，晶粒的{HKL}面转向平行于轧面，晶粒的﹤UVW﹥方向转到平行于轧向。

丝织构表示为﹤UVW﹥。

（答轧制织构、拔丝织构也得分。

）

第六章金属及合金的扩散

本章节包括13个知识点，其中必须掌握的知识点是4个。

1.菲克第一定律（描绘了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间变化）；

2.菲克第二定律；

3.扩散机理（了解：

间隙机理、交换机理和轮换机理、空位机理）；

4.影响扩散的因素（温度，界面，缺陷结构，化学成分——上坡扩散，扩散的各向异性）；

强化阶段，需要掌握的知识点4个。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，菲克第一定律和菲克第二定律是很基本也很重要的概念，经常会出现在考题中，所以这两个知识点一定要掌握。

还要重点掌握影响扩散的因素，熟悉每个因素影响扩散的原因，一定结合书上的图，来理解知识点，争取做到看到图片，就知道相应的知识点。

【知识点1、4】

【例题1】写出菲克第一定律的数学表达式，并说明其意义。

简述影响扩散的因素。

一维下，J=-D

；

J：

扩散流量，单位时间通过单位面积扩散的物质量，g/s.m2;

D：

扩散系数，m2/s;

：

浓度梯度，g/m4：

其意义为物质扩散量与该物质的浓度梯度成正比，方向相反。

影响扩散的因素：

1，温度，满足D=D0e-Q/RT的关系，T升高，D增加。

2，界面表面及位错，是扩散的快速通道。

3，第三组元，可对二元扩散有不同影响，如Mo、W降低C在γ-Fe中的扩散系数，Co、Si加速C扩散，Mn影响不大。

4，晶体结构，低对称性的晶体结构中，存在扩散的各向异性，如六方结构晶体，平等与垂直于基面（0001）的扩散系数不同。

5，熔点，同一合金系中，同一温度下熔点高的合金中扩散慢，熔点低的扩散快。

第七章金属及合金的回复与再结晶

本章节包括18个知识点，其中必须掌握的知识点是10个。

1.显微组织的基本变化（回复阶段，再结晶阶段，晶粒长大阶段）——02年

2.存储能的变化（杂质原子和合金组元能偶显著推迟基体金属的再结晶过程）

3.性能的变化（硬度的变化，电阻的变化，密度的变化）

4.回复机理（低温，中温，高温；

位错的攀移）

5.再结晶核心的形成与长大（再结晶与相变的区别——驱动力和阻力；

晶核形成方式——原晶界推移成核和亚晶成核；

6.影响晶核的形成速率

和长大线速度

的因素（

——形变量，原始晶粒小则

大，杂质起阻碍作用，与温度成正比；

——形变量，原始晶粒尺寸，杂质多则

大，与温度成正比）

7.再结晶温度与晶粒大小控制（T再、临界形变量的概念；

影响T再的因素——与形变量成反比，杂质可使再结晶温度升高，与温度成反比；

再结晶晶粒大小影响因素——预形变量，原始晶粒尺寸，退火温度升高引起晶粒粗化，杂质，形变温度）

8.晶粒的正常长大（长大机理；

杂质影响晶界活动的原因；

9.晶粒的反常长大——二次再结晶（二次再结晶概念，与再结晶（一次再结晶）区别；

二次再结晶的条件；

10.热加工的概念（T>

T再）

强化阶段，需要掌握的知识点10个。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过明晰显微组织变化和从能量角度分析晶粒生长演化过程，从而掌握金属及合金的回复与再结晶的机理和过程。

【知识点5】

【例题1】简述形变金属在退火过程中显微组织、存储能及其力学性能和物理性能的变化。

随退火温度的升高或时间延长，出现亚晶合并长大，再结晶武术及长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒，然后是晶粒正常长大。

储存能逐渐被释放，硬度及强度下降，伸长率上升，电阻降低，密度提高。

再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。

【例题2】

给出金属发生再结晶的基本条件（驱动力）；

指出再结晶、结晶、固态相变之间的主要区别；

图示画出一种常见的再结晶形核机制，请解释该地点优先形核的原因和形核过程。

1，要有一定的形变储存能，一定的温度。

2，再结晶只是一种组织变化，没有结构弯化，驱动力是形变储存能；

结晶是从非晶态的液相气相或固态非晶体中形成晶体的过程；

固态相变是固/固相的结构变化。

后两者的驱动力都是化学自由能差。

3，这是应变诱导晶界迁移机制；

晶界两侧应变量不同，位错密度不同，形变储存能不同，千万高应变能的一侧被低应变能的一侧吃掉，形成新晶粒。

【例题3】简述回复再结晶退火时材料组织和性能变化的规律；

为何实际生产中常需要再结晶退火？

随退火温度的升高或退火时间的延长，形变组织中的位错缠结演变为亚晶。

亚晶进行合并并长大；

在形变不均匀区内发生再结晶形核及长大，等轴晶取代形变长条晶粒；

随后是晶粒正常长大；

在性能上，强度、硬度下降，电阻下降；

塑、韧性提高，密度提高。

这些过程在再结晶阶段比回复阶段更显著。

材料不断的塑性变形造成强烈的加工硬化，难以继续加工；

同时，形变组织不稳定，韧性、塑性差，使用性能不好；

再有，强的形变织构的形成也是不希望的。

【知识点5,6】

【例题4】再结晶形核地点有什么特点或特征？

哪些地点可能是优先的形核地点？

局部高的位错密度/形变储存能，或有大的位错密度差异；

高迁移率大角晶界附近。

优先形核地点为：

原始晶界、形变时形成的新大角晶界处或通过亚晶长大而逐步形成的大角晶界、第二相粒子附近等。

第八章金属及合金中的固态转变

本章节包括13个知识点，其中必须掌握的知识点是12个。

这一章既是重点，也是难点。

1．相变（扩散型，非扩散型，马氏体转变）；

2．固态相变阻力方面的特点（驱动力，阻力；

比液态结晶的阻力大原因①多出一项应变能，②扩散较困难）；

3．形核方面的特点（非均匀形核；

核心的取向关系；

共格界面及半共格界面）；

4．新相成长方面的特点（惯习现象，魏氏组织；

形核的取向关系和成长的惯习现象区别）；

5．过渡相；

6．非扩散转变——马氏体转变（马氏体转变概念，特点）；

7．固溶体的脱溶（α过饱和→α饱和+β）过程；

8．脱溶的分类（连续脱溶，不连续脱溶；

普遍脱溶，局部脱溶）；

9．脱溶过程（脱溶序列α→GP区→θ’’→θ’→θ以及各个相得形成过程；

时效的概念）；

10．脱溶后的组织（仿晶界形，粗块状任意形，魏氏组织片状或针状）；

11．脱溶相的聚集和形貌转化（条幅分解）；

12．脱溶强化（*时效硬化曲线，时效强化效果：

共格型过渡相>

GP区>

平衡相；

时效强化机理——位错的环绕作用）。

强化阶段，需要掌握的知识点12个。

在复习每一个知识点的过程中，首先要了解基本概念，这对理解固态转变有很大帮助。

通过比较金属凝固、再结晶和固态转变在相变驱动力、阻力以及形核方面的异同，加强对固态转变的理解。

【知识点2】

【例题1】简述固态相变与液态相变的相同点与不同点。

相同点：

都是相变，由形核、长大组成。

临界半径，临界形核功形式相同。

转变动力学也相同。

不同之处：

形核阻力中多了应变能一项，千万固态相变的临界半径及形核功增大，新相可以亚稳方式出现，存在共格，半共格界面，特定的取向关系，非均匀形核。

【知识点2,3,4】

【例题2】简述固态相变的一般特点。

1，相变阻力中多了应变能一项。

2，形核方面：

非均匀形核，存在特定的取向关系，常为共格或半共格界面。

3，生长方面：

出现惯习现象，即有脱溶贯序；

特殊/规则的组织形态，如片状、针关。

4，有亚稳相出现以减少相变阻力。

【例题3】分析固态相变和回复再结晶过程的驱动力。

固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差，回复再结晶的驱动力是形变储存能。

【知识点12】

【例题4】05-9下图为两组铝铜合金的时效强化曲线；

讨论成分变化及时效温度对力学性能（这里是硬度值）的影响，分析可能的原因。

随铝中含铜量提高，过饱和度加大