北航考研材料复试文档格式.docx
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1.晶体学基础、金属及合金相结构、固体金属原子扩散
一、简述题及大体概念
1）金属键及金属的性能特点；
在金属晶体中，自由电子是所有金属晶体所共有，并在金属正离子之间运动，形成所谓电子云，金属键确实是电子云和金属正离子之间的静电引力。
金属键特点：
自由电子公有化；
无方向性；
无饱和性；
不选择结合对象；
→种类及潜力无穷；
→塑性变形及加工硬化
金属性能特点：
一、优良的物理性能：
磁、光、电子、信息、储能等；
优良的导电性及正的电阻温度系数；
优良的导热性；
…………….
二、优良的力学性能配合：
优良的强韧性配合（高强度～4000MPa；
高塑性及加工硬化；
高韧性及损伤容限）；
利用温度范围宽广（高温、中温、室温、低温）且力学性能优良；
优良的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗热侵蚀等性能
三、优良的成形加工性能Processingability：
优良与灵活的凝固加工成型性能（铸造成型：
各类复杂形状及各类重量的零件；
焊接成型：
同种及异种金属材料的连接制造）；
独特的塑性变形及加工硬化特性与优良的冷加工成型能力（冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压…；
冷加工进程中同时实现零件及材料的强化）；
优良的热加工成型能力（锻造、热轧、热挤压）
四、独特的抗过载能力及利用平安性（加工硬化）：
零件局部过载◊塑性变形◊加工硬化◊材料强度提高◊不但可不能失效、承载能力反而提高、利用平安；
加工硬化◊幸免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用；
加工硬化◊幸免变形集中、材料均匀变形◊冷加工热加工成型成为可能。
2）金属晶体及其性质；
晶体:
原子或原子集团在三维空间周期性无穷重复排列的物质
性质：
高的热力学稳固性；
各向异性（AnisotropyofProperties）；
宏观性质的均匀性；
必然的熔点；
规那么的外形（外表面为往往低表面能的特殊晶面）
3）金属非晶及性能特点；
●原子排列长程无序或短程有序Long-rangedisorderorshort-rangeorder
●无晶界、无成份偏析、成份完全均匀
●没有固定熔点（玻璃转化温度）
●各向同性（Isotropic）
●高强度、无加工硬化、低塑性
●高弹性、高耐蚀、高耐磨
●优良的磁性、储氢性能、
4）材料分类方式及各类材料的优缺点；
按功能分类：
结构材料（按组成、性质、用途……）；
功能材料（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料……）。
陶瓷材料的性能优势：
Ø
共价键及离子键原子间结合键强、化学稳固性高
高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好
硬度高、耐磨性优良
导热系数低、隔热性能好（TBCs）
不导电，绝缘材料
陶瓷材料的性能缺点
无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难经受动载荷、应用面窄；
对缺点极为灵敏、无损伤容忍性（NoDamage－Tolerance）、利用不平安
加工制造困难（切削加工困难；
无法焊接、锻压、扎制、锚接、无法修复等）
回收利用（Recycling）难度大、本钱高
高分子材料的性能缺点：
利用温度范围窄（高温软、低温脆）；
高温力学性能低、高温老化；
低温韧性差、低温脆化；
长期化学及力学性能稳固性低◊性能退化（Degradation）；
回收问题（Recycling）
5）复合材料性能特点及存在的问题；
复合材料的性能优势
•有机结合充分发挥各类材料的性质
•凭借精湛的设计加工合成灵活操纵各类性质
•实现任何单一组成无法达到的性能
复合材料的性能缺点（金属基及陶瓷基）:
•材料制备工艺复杂、本钱高；
•性能一致性差、质量保障技术；
•缺乏靠得住的制造技术（ManufacturingTechnologies）
→切削加工、焊接与连接、锻压、扎制、表面处置、修复等长期性能稳固性及性能退化问题
•无法回收利用（Recycling）
6）空间点阵、晶胞及点阵常数；
把基元看成几何点，这些点在三维空间组成空间点阵（SpaceLattice）
在晶格中，能表现出其结构的一切特点的最小部份称为晶胞。
以三个平移基矢为棱所作的平行六面体称为点阵晶胞，或称简单晶胞。
若是在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体结构中各原子的位置，这部份原子组成了晶体结构中具有代表性的部份，含有这一附加信息的晶胞称为结构晶胞。
三个棱长a\b\c,和棱间夹角α\β\γ共六个参数叫做点阵常数或晶格常数。
7）晶体结构符号（Pearson符号）：
第一个为小写字母代表所属晶系,第二个为大写字母代表点阵类型
a三斜m单斜o正交h六方c立方
P简单G底心I体心F面心R菱方
8）晶面指数及晶向指数的求法；
晶向指数及其求法
●过坐标原点作晶向的平行线或将该晶向平移至坐标原点
●在该晶向上任取一点并以晶格常数为单位求位置坐标值
●将坐标值化成最小整数并放入方括号中[uvw]
●负号写在数字上方，符号相反的两晶向方向相反：
[112]与[112]
晶面指数的求法:
（hkl）
●选定坐标系原点或移动晶面使晶面与三坐标轴相截
●以晶格常数为单位求晶面与x、y、z三坐标轴的截距
●取三截距的倒数并化成最小整数:
h,k,l
●放入圆括号中（负号写在数字上方）：
（hkl）
9）晶面族与晶向族；
晶面族（FamilyofCrystallographicPlanes）
晶体中原子排列规律相同、位向不同的所有晶面（数字相同但顺序及负号不同的所有晶面）表示符号：
{hkl}
晶向族（FamilyofCrystallographicDirections）原子排列特点相同、位向不同的全数晶向:
<
uvw>
10）晶带、晶带轴及晶带定理；
若是一系列非平行晶面都平行于或包括某一特定方向，那么这些晶面（hkl）同属于一个晶带，那个特定方向称为晶带轴[uvw]。
晶带定理：
hu+kv+lw=0
11）三种典型晶体结构配位数、致密度、原子半径;
晶体结构中任意原子最近邻的原子数量叫做该晶体结构的配位数
在彼此接触圆球组成的晶胞模型内，原字所占体积（Vs）于晶胞体积（V）的比值叫做致密度
体心立方BCC:
CN：
8+6;
;
η：
，
面心立方FCC:
12;
密排六方HCP:
6+6;
;
体心立方为非最紧密堆积结构，面心立方和密排六方均为最紧密堆积结构。
依照原子排列顺序面心立方为ABCABCABC结构，密排六方为ABABAB结构。
三种晶体结构各有一组原子密排面和密排方向，别离是面心立方的{111}<
110>
体心立方的{110}<
111>
，密排六方的{0001}<
1120>
。
原子半径:
依照晶体结构中最近邻原子之间的距离S求出r=S%2,由于原子间距随配位数的减少而减少,故不同结构的原子半径应该依照配位数位12的标准密堆积结构进行修正后再进行比较.
12）间隙、间隙半径；
密堆积结构中的间隙：
四面体间隙数
（2）是八面体间隙数
（1）的两倍，也是原子数的两倍。
四面体间隙：
r≈；
八面体间隙：
FCC&
HCP结构中的间隙：
间隙数量少、尺寸大
BCC结构中的间隙：
四面体间隙（6）：
八面体间隙（3）：
扁八面体
面心立方A1
体心立方A2
密排六方A3
点阵常数
A
a，c（c/a=）
原子半径
晶胞内原子数
4
2
6
配位数
12
8
致密度
四面体间隙数量
大小
八面体间隙数量
大小
<
100>
13合金：
是指有两种或两种以上的金属或非金属晶熔炼‘烧结获其他方式组合而成并具有金属特性的物质
组元：
系统中表示处于平稳状态每一个相成份的独立物质；
14）、相（系统中具有同一聚集状态和晶体结构，均匀或持续转变的成份，一致的性能并有界面与其他部份分开的均匀组成部份）
相变的三种情形：
晶体结构转变，成份发生不持续转变，发生有序程度转变。
15）、固态下所形成的合金相包括固溶体和中间相两大类
固溶体（置换、间隙及有序固溶体）；
置换固溶体：
溶质原子取代了溶剂原子在晶体结构中的位置
间隙固溶体：
溶质原子位于溶剂组元晶体中的间隙有序固溶体：
异类原子趋于相邻
阻碍固溶强化的因素很多，要紧取决于以下几个因素：
a：
晶体结构：
晶体结构相同是组员间形成无穷固溶体的必要条件
b：
原子尺寸因素：
大量实验说明，原子尺寸差
时，容易形成溶解度较大的固溶体，而当
时，
越大，那么溶解度越小。
c:
化学亲和力（电负性因素），溶剂与溶质组员的化学亲和力越强，即金属组元间电负性差越大，偏向于生成化合物而无益于形成固溶体，生成的化合物越稳固那么固溶体的溶解度越小
d原子价因素：
比较复杂详见上交教材45页
另外阻碍固溶度的因素除上述讨论的因素外，固溶度还与温度有关，大多数情形下，温度升高固溶度升高
16）、固溶强化（以纯金属为溶剂的固溶体在具有较高强度及硬度的同时，还维持良好的塑性的现象）；
固溶强化的缘故：
溶质原子由于原子尺寸与溶剂不一样，引入晶格中后会造成晶格畸变，造成专门大的应变成和内应力和弹性应力场会阻碍位错的运动，另外溶质原子容易偏聚于位错线周围，也会使位错在更大的应力下才能运动，从而提高材料强度。
详见上交教材183页
17）、中间相（正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相[TCP相]）的结构及其性能特点；
正常价化合物（AmBn）：
AB型：
NaCl型、立方ZnS、六方ZnS；
AB2型：
CaF2型。
通常熔点、硬度及脆性均较高。
电子化合物（e=（xN+yM）/100）：
具有典型的金属性质
间隙相（Ri/Rm<
→间隙相（FCC,BCC,HCP））高熔点、高硬度、高稳固性、高耐磨、各类强化相；
间隙化合物（Ri/Rm>
→间隙化合物（复杂晶体结构））晶体结构复杂、稳固性相对较低、硬度相对较低；
拓扑密堆相[TCP相]：
CN>
12（14,15,16）；
间隙全数为四面体间隙；
无八面体间隙；
原子间结合力很强－共价键；
高硬度、高耐磨、高耐蚀等（包括：
AB2LavesPhases；
ABσphase；
A3B:
Cr3Si）
LavesPhasesRA/RB=几何条件不是充分条件
σphase成份不固定、结构很复杂、硬而脆、常常为有害相
Cr3SiRA/RB=~
18）、同素异晶转变及意义；
同素异晶性是指有些元素在温度或压力转变时，晶体结构发生转变的一种特性
同素异构转变在固态相变中和金属可否通过热处置操作来改变它的性能具有重要意义。
2、在面心立方晶胞中，ABCD四点组成一个正四面体，四点的坐标别离为A（0,1/2,1/2）,B（1/2,1,1/2）,C（1/2,1/2,0）,D（0,1,0），写出该四面体中四个面的晶面指数及六条边的晶向指数；
答：
晶面指数ABC（1
1）,ABD（
11）,ACD（111）,BCD（11
）,
晶向指数AB[110]）,AC[10
],BC[0
],BD[
],CD[
10],AD[01
]
3、已知某晶带的晶带轴为[111]，判定以下晶面中，哪些属于该晶带：
（010）,（110）,（110）,（101）,（111）,（121）,（112）,（211）,（132）.
由晶带定理（hkl）
【uvw】，uh+vk+wl=0得：
110，101，121，132属于该晶带
5、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP）晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；
晶胞内原子数在此处键入公式。
6、碳在α-Fe（BCC）及γ-Fe（FCC）中的最大固溶度（原子百分数）别离为%和%，假设碳原子均位于八面体间隙中，试别离计算α-Fe及γ-Fe中八面体间隙被碳原子占据的百分数；
α-Fe（BCC）晶胞中：
2个Fe原子，6个八面体间隙，那么
γ-Fe（FCC）晶胞中：
4个Fe原子，4个八面体间隙，那么
7、试述置换式固溶体与间隙式固溶体的形成条件、阻碍固溶度的要紧因素及性能特点。
答案：
置换式固溶体形成的条件：
溶质与溶剂原子尺寸相近|δ|<
15%，电化学性质相似
阻碍因素：
晶体结构类型阻碍，原子或离子尺寸阻碍，电负性阻碍，电子浓度因素
间隙式固溶体形成条件：
溶质原子较溶剂原子小的多，溶质间隙较大
间隙尺寸与形状，溶质原子大小
性能特点：
二者都能够使强度、硬度高于各组元，塑性降低，但一样间隙固溶体较置换固溶体的固溶强化更显著，且随溶质原子增多，电阻升高
八、何谓固溶强化？
试分析阻碍金属固溶强化成效的因素；
固溶强化：
固溶体的硬度、强度往往高于各组元，而塑性较低的现象
a.溶质原子的浓度越高，固溶强化的作用越大。
b.溶质与基体金属的原子尺寸相差越大，单位浓度溶质原子所引发的点阵畸变越严峻，固溶强化成效也就越显著。
C间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有较大的固溶强化成效，且由于间隙原子在体心立方中的点阵畸变属于非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；
可是间隙原子的固溶度很有限，因此实际的强化成效也有限
d.溶质与基体金属的价电子数相差越大固溶强化作用越强，即固溶体的屈服强度随着合金电子浓度的增加而提高。
e.固溶体的有序化是使原子处于低能量的配置状态，但有序固溶体滑移时原子排列受到扰动，系统的能量将要升高，因此变形抗力必然增加。
9、试比较间隙固溶体与间隙相的结构特点及性能特点
间隙固溶体与间隙相均是原子半径很小的非金属元素处于金属元素间隙而形成，但间隙固溶体形成后其金属晶体结构仍未改变，而间隙相形成后，金属原子那么会形成与其本身晶格类型不同的一种新结构。
都具有极高的硬度，较高的熔点，而塑性很差，有些间隙相具有很特殊的物理化学性质，如电学性质、磁学性质、声学性质、催化性质等
10、组元A具有面心立方晶体结构，组元B固溶于A中形成置换式固溶体，试问A3B仍是A2B成份的固溶体更易形成有序固溶体？
A3B成份的固溶体更易形成有序固溶体，B占据极点8*1/8=1个A占据面心6*1/2=3个，面心立方结构中，A3B更易形成有序固溶体.
1一、大体概念：
扩散，扩散激活能，扩散驱动力，扩散系数。
扩散：
物质中的原子或分子由于能量升高而迁移到临近位置，这种微观进程及由此引发的现象称为扩散
扩散机制：
原子热激活
扩散激活能：
原子从原子位置转移到新位置去是所增加的内能▲E
扩散驱动力化学位梯度
扩散系数：
J=-D（dc/dx）.D是扩散系数。
表示单位浓度梯度下的扩散通量
固体中原子扩散的条件：
a温度必需足够高：
能量起伏、热激活进程
b时刻足够长：
大量原子微观上无规那么跃迁、物质的定向传输
c扩散原子在溶质中须固溶
d扩散必需有驱动力（浓度梯度、化学位梯度、应变能梯度、表面能梯度）
1二、试述固体合金中原子扩散的微观机制及阻碍金属原子扩散的要紧因素。
扩散的微观机制：
（1）间隙机制:
在间隙固溶体中，溶质原子从一个间隙未知跳到另外一个间隙位置的扩散。
碳，氮氢等小的间隙原子更易采纳间隙机制扩散
（2）空位机制：
晶体中存在着空位。
纯金属中的自扩散和置换固溶体中的扩散确实是通过原子与空位互换位置实现的。
这种扩散方式称为空位机制.大多数情形下原子扩散是借助空位机制实现的。
（3）互换机制，需要的激活能较大，一样较少
（4）晶界相界表面位错等缺点处的扩散，扩散速度较晶内大得多
阻碍扩散的因素：
（PPT上比较详细）：
a温度：
D=Do×
exp（-Q/RT）
b扩散元素性质：
熔点、原子间结合力，同溶剂原子间的原子尺寸差、化学亲和力等
→熔点越高→扩散激活能越大→扩散系数越小
→原子间结合力越强→扩散激活能越大→扩散系数越小
→原子尺寸差越小→晶格奇变越小→扩散系数越小
→化学亲和力越高（原子间结合力越强）→扩散激活能越大→扩散系数越小
c溶剂金属性质：
晶体结构、熔点、结合能
→晶体结构致密度越高（BCC与FCC相差1500倍）→原子扩散激活能越高、扩散系数越小
→熔点越高（原子间结合力越强）→扩散激活能越大→扩散系数越小
→与溶质原子化学亲和力越高（原子间结合力越强）→扩散激活能越大→扩散系数越小
→同溶质原子的尺寸差越小→晶格奇变越小→扩散系数越小
d晶体缺点密度
→空位浓度:
过饱和空位（固溶后不能停留太长时刻）
→位错及层错密度：
是扩散的快速通道
→晶界（晶粒尺寸）:
纳米材料（表面纳米化－渗氮）
→相界:
e表面曲率曲率半径越小、表面自由能越高、扩散驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大
f其他合金元素的阻碍或增加或减小或无阻碍
g溶质浓度
（上交教材上简单一点）：
a温度，温度是阻碍扩散速度最要紧的因素，温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移
b固溶体类型，间隙固溶体的扩散激活能比置换固溶体的小，更易扩散
c晶体结构，体心立方结构的致密度较小，原子更易迁移
d晶体缺点，位错晶界表面对原子扩散起着快速通道的作用
e化学成份，熔点高的金属自扩散激活能大，杂质对组元的扩散也有阻碍
f应力的作用，应力能够提供原子扩散的驱动力
2.纯金属的凝固、二元合金、三元合金相图及凝固
1、简述液态金属的结构特点；
1液体中原子间具有较强的结合力，具有与固态相近似的结构，原子的排列比较紧密。
可是不象固体那样规那么。
但在相邻原子中心距不能小于原子直径。
任何间隙不能大到能够在插入一个原子的约束下。
系统能量起伏，液态金属中存在必然数量大小不等随机取向的短程有序原子
金属晶体形核进程热力学分析（详见教材228）
形核的热力学条件:
过冷
Gv=（
Hm/Tm）.
T。
形核包括均匀形核和非均匀形核两大类
均匀形核：
当冷夜中显现一个晶胚时系统自由能转变为
在临界半径
时达到最大，临界形核功为
由此可见形成临界晶核时自由能仍是升高的，其增值相当于其表面能的1/3,即液固之间的体积自由能差只能补偿形成临界晶核表面所需能量的2/3，而不足的1/3那么依托液相中存在的能量起伏来补充。
由以上的分析可知，液相必需在必然的过冷条件时方能结晶，而液体中客观存在结构起伏和能量起伏是促成均匀形核的必要因素。
非均匀形核：
即形核在容器壁或液相中杂质上进行，非均匀形核时临界球冠的曲率半径与均匀形核时刘杰球形晶核的半径公式相同，而非均匀形核所需要的形核功小于均匀形核的形核功，因此所需要的过冷度较均匀形核小。
非均匀形核大约在的过冷度时，形核率达到最大，非均匀形核率由低向高的过度较为平缓，达到最大值后结晶并未终止，形核率下降质凝固完毕。
这是因为非均匀形核所需要的适合的基地随着新相晶核的增多而减少，在基地减小到必然程度是将使形核
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