金屬材料考研

1、1.金屬結(jié)構(gòu)及性質(zhì)相關(guān)晶體類(lèi)型原子密排面密排方向晶胞中的原子數(shù)配位數(shù)CN致密度K體心立方（BCC）280.68面心立方（FCC）4120.74密排六方（HCP）6120.74三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)中的間隙晶體類(lèi)型間隙類(lèi)型一個(gè)晶胞內(nèi)的間隙數(shù)原子半徑間隙半徑體心立方（BCC）四面體120.291扁八面體60.155面心立方（FCC）正四面體80.225正八面體40.414密排六方（HCP）四面體120.225正八面體60.414位錯(cuò)的滑移特征類(lèi)型柏氏向量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃型位錯(cuò)線位錯(cuò)線與一致與一致唯一螺位錯(cuò)線位錯(cuò)線與一致與一致多個(gè)混合成一定角度位錯(cuò)線與一致與一致金屬的許

2、多宏觀性質(zhì)都是由于金屬鍵的存在而引起的。金屬中大量的自由電子能在金屬兩端電勢(shì)差的作用下定向流動(dòng)，形成電流，顯示了金屬良好的導(dǎo)電性；溫度升高，金屬正離子振動(dòng)振幅增大，電子運(yùn)動(dòng)受阻，電阻升高，因此金屬具有真的電阻溫度系數(shù)；金屬熱量的傳遞，不僅依靠金屬正離子的振動(dòng)，更由于自由電子的運(yùn)動(dòng)，極大增強(qiáng)了熱量傳遞，所以金屬具有良好的導(dǎo)熱性；自由電子容易吸收可見(jiàn)光的能量，隨后又將吸收的能量輻射出來(lái)，從而使金屬不透明并且具有光澤；金屬兩部分作相對(duì)位移時(shí)，金屬正離子仍始終沉浸在電子云中，保持著金屬鍵的結(jié)合，因此金屬能變性而不斷裂，具有延展性。2.材料強(qiáng)化的主要方法及其機(jī)制a. 固溶強(qiáng)化 通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成

3、固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)化的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。溶入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行；溶質(zhì)原子的引入會(huì)在位錯(cuò)周?chē)煽率蠚鈭F(tuán)，柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用；溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)的偏聚會(huì)阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。使材料強(qiáng)度和硬度提高，但是塑性和韌性有所下降。b. 細(xì)晶強(qiáng)化 工業(yè)上將通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高材料強(qiáng)度的方法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較??；此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。c. 第二相強(qiáng)化 復(fù)相合金

4、與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相的存在。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的顆粒均勻分布于基體相中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用，這種強(qiáng)化作用稱(chēng)為第二相強(qiáng)化。第二相強(qiáng)化的主要原因是它們與位錯(cuò)間的交互作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了合金的變形抗力。彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化均屬于第二相強(qiáng)化的特例。d. 加工硬化（形變強(qiáng)化）金屬材料在再結(jié)晶溫度以下，隨著塑性變形的進(jìn)行，變形抗力升高的現(xiàn)象叫做加工硬化。金屬在塑性變形時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，使位錯(cuò)密度提高，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度?？偨Y(jié)：材料強(qiáng)化的本質(zhì)都是阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，所以可以從以下方面來(lái)考慮：加入雜質(zhì)，把自己釘扎在位

5、錯(cuò)上（固溶強(qiáng)化）；增加晶體中的位錯(cuò)密度（加工硬化）；增加界面的數(shù)目（細(xì)晶強(qiáng)化）；在點(diǎn)陣中嵌入晶體結(jié)構(gòu)與基體材料不同的顆粒( 沉淀強(qiáng)化)3.為什么說(shuō)細(xì)晶粒金屬表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度的同時(shí)還有較好的塑性和韌性？晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此多晶體金屬晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶界越多，為使滑移在相鄰晶粒之間傳播就必須施加更大的外力，消耗更多的能量，其塑性變形抗力即強(qiáng)度也就越高。金屬的晶粒細(xì)小，在一定變形量下，變形就會(huì)分散在很多晶粒內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)晶粒變形量?。淮送?，小晶粒變形也比較均勻些。這使小晶粒變形時(shí)應(yīng)力集中程度較小，因應(yīng)力集中而引起開(kāi)裂的機(jī)會(huì)也較少，從而細(xì)晶粒金屬斷裂前能承受較大的變形量，表現(xiàn)出良好的塑性。細(xì)晶粒金

6、屬中，裂紋不容易產(chǎn)生也不容易擴(kuò)散，斷裂過(guò)程中要吸收更多的能量意味著外力要做更大的功，所以細(xì)晶粒金屬也具有較好的韌性。沿著晶體的不同方向所測(cè)得的性能不同（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、強(qiáng)度等），表現(xiàn)出或大或小的差異，稱(chēng)為晶體的各向異性。由一個(gè)核心（稱(chēng)為晶核）生長(zhǎng)而成的晶體稱(chēng)為單晶體。4. 簡(jiǎn)述原子間四種鍵的各自特點(diǎn)，并從結(jié)合鍵的角度討論金屬的力學(xué)特性。類(lèi)型作用力來(lái)源鍵強(qiáng)度力學(xué)性能特點(diǎn)離子鍵正負(fù)離子間的吸引力最強(qiáng)硬度高、強(qiáng)度大、脆性大共價(jià)鍵相鄰原子價(jià)電子各處于相反的自選狀態(tài)，原子核間的庫(kù)倫引力強(qiáng)硬度高、強(qiáng)度大、脆性大金屬鍵自由電子與金屬正離子間的庫(kù)倫吸引力較強(qiáng)塑性變形能力好，強(qiáng)度高，韌性好二次鍵（分

7、子鍵、氫鍵）原子或分子之間由于誘導(dǎo)或永久電偶極子相互作用而產(chǎn)生弱硬度低，塑性，韌性好金屬鍵由于沒(méi)有方向性和飽和性，對(duì)原子也沒(méi)用選擇性，在外力作用下發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，金屬正離子仍處于電子云的包圍中，金屬鍵不會(huì)受到破壞，因此金屬能夠經(jīng)受形變而不斷裂，具有較好的塑性變形能力。顯微組織概念：顯微組織：采用適當(dāng)方法（如侵蝕）處理后的金屬試樣的磨面或其復(fù)型或用適當(dāng)方法制成的薄膜置于光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的組織。5.晶體與非晶體、晶體結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣、晶格、晶胞、晶格常數(shù)、布拉菲點(diǎn)陣、晶面間距等基本概念。 按照原子的排列特征可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列，而非晶

8、體原子則是無(wú)規(guī)則排列的。晶態(tài)與非晶態(tài)往往是可以相互轉(zhuǎn)換的。晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是，原子在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長(zhǎng)程有序。晶體與非晶體在性能上的區(qū)別：晶體融化時(shí)具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則無(wú)固定熔點(diǎn)，存在一個(gè)軟化溫度范圍。晶體具有各向異性，而非晶體卻為各向同性。晶體的各向異性沿晶體不同方向測(cè)得的性能（例如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、彈性、強(qiáng)度等）并不相同。非晶體的性能不因方向而異，稱(chēng)為各向同性。實(shí)例：沿銅單晶體不同方向測(cè)定有關(guān)性能的最大值和最小值之比，對(duì)彈性模量來(lái)說(shuō)可達(dá)2.86，抗拉強(qiáng)度則為2.70。但是實(shí)際用到的金屬材料由于一般是多晶體材料，所以表現(xiàn)不出各向異性。空間點(diǎn)陣（簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)陣）陣點(diǎn)在空間呈周期

9、性規(guī)則排列，并具有完全相同的周?chē)h(huán)境，這種由他們?cè)谌S空間規(guī)則排列的陣列稱(chēng)為空間點(diǎn)陣。晶格將陣點(diǎn)用一系列平行直線連接起來(lái)，構(gòu)成一空間格架叫晶格。晶胞從點(diǎn)陣中取出一個(gè)能代表點(diǎn)陣特征的最基本單元。 晶格常數(shù)三條棱邊的邊長(zhǎng)，。布拉非點(diǎn)陣（有且只有14種空間點(diǎn)陣），7個(gè)晶系。參考（上交P21）。晶面間距相鄰的兩個(gè)平行晶面之間的距離。通常，低晶面指數(shù)的面間距交大，而高指數(shù)的面間距則較小。此外，晶面間距越大，則該晶面上原子排列越緊密；晶面間距越小，則排列越稀疏。6.合金相結(jié)構(gòu)，固溶體、中間相的基本概念和性能特點(diǎn)。所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉，燒結(jié)或其他方法組合而成，并具有金屬特性

10、的物質(zhì)。組成合金的基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱(chēng)為組元。改變和提高金屬材料的性能，合金化是最主要的途徑。所謂合金相，是指合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。它是由單相合金和多相合金組成。固態(tài)下所形成的合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類(lèi)。固溶體 溶質(zhì)原子溶于固態(tài)溶劑中，并能保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型所形成的合金相稱(chēng)為固溶體。固溶體的性能特點(diǎn) 點(diǎn)陣常數(shù)改變 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化 物理和化學(xué)性能發(fā)生變化中間相 兩組元A和B組成合金時(shí)，除了可以形成以A為基或以B為基的固溶體外，還可能形成晶體結(jié)構(gòu)與A，B兩組元均不相同的新相，由于它們?cè)诙鄨D的位置總是位于中間，通常把這些相稱(chēng)為

11、中間相。大多數(shù)中間相中，原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵相混合的一種結(jié)合方式，因此，它們都具有金屬性。7.點(diǎn)缺陷的類(lèi)型，肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子和置換原子，間隙固溶體和置換固溶體等基本概念，離子晶體中的點(diǎn)缺陷特點(diǎn)，點(diǎn)缺陷的平衡濃度、影響因素及其對(duì)材料性能的影響。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可以將它們分為三類(lèi)： 點(diǎn)缺陷，其特征是三維空間的各個(gè)方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺度，故稱(chēng)零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等。 線缺陷，特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上延伸較長(zhǎng)，也稱(chēng)一維缺陷，如各類(lèi)位錯(cuò)。 面缺陷，特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上擴(kuò)展

12、很大，也稱(chēng)二維缺陷。晶界、相界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)等屬于面缺陷。當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可能克服周?chē)訉?duì)它的制約作用，跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為空位。離開(kāi)平衡位置的原子有三個(gè)去處：一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱(chēng)為肖脫基空位；二是擠入點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，稱(chēng)為弗蘭克爾空位；三是跑到其他空位中，使空位消失或是空位移位。另外，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置而形成間隙原子。點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響：晶體中點(diǎn)缺陷的存在，一方面造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高

13、，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性；另一方面，由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周?chē)拥恼駝?dòng)頻率，引起組織熵和振動(dòng)熵的改變，是晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。固溶體：溶質(zhì)原子溶于固態(tài)溶劑中，并能保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型所形成的合金相稱(chēng)為固溶體，根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中所處的位置，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說(shuō)溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體稱(chēng)為置換固溶體。溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱(chēng)為間隙固溶體。影響固溶體固溶度的因素（上交 P42）：a. 晶體結(jié)構(gòu)、b. 原子尺寸因素、c. 電

14、負(fù)性因素、d. 電子濃度。所謂電子濃度就是合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值，即 ，計(jì)算公式，A,B分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià)，x為溶質(zhì)的原子數(shù)分?jǐn)?shù)（%），還應(yīng)指出，影響固溶度的因素還有溫度。8.擴(kuò)散概念和柯肯達(dá)爾效應(yīng)，擴(kuò)散第一定律、擴(kuò)散第二定律。擴(kuò)散的概念：擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)部由于熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致原子或分子遷移的過(guò)程。 在固體中，原子或分子的遷移只能靠擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行。擴(kuò)散第一定律（菲克第一定律）：當(dāng)固體中存在成分差異是，原子將從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散，擴(kuò)散中原子的通量與質(zhì)量濃度梯度成正比。方程式是 式中的負(fù)號(hào)表示物質(zhì)的擴(kuò)散方向與質(zhì)量濃度梯度方向相反。第一定律描述了一種穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，即質(zhì)量濃度不隨時(shí)間而變化。擴(kuò)散第

15、二定律：大多數(shù)擴(kuò)散過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程，某一點(diǎn)的濃度是隨時(shí)間而變化的。方程式是 ?？驴线_(dá)爾效應(yīng)：在置換固溶體中由于兩組元的原子以不同速率相對(duì)擴(kuò)散而引起標(biāo)記面漂移的現(xiàn)象。上坡擴(kuò)散：物質(zhì)從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致提高了濃度梯度，這種擴(kuò)散稱(chēng)為上坡擴(kuò)散。9.擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力及擴(kuò)散機(jī)制，反應(yīng)擴(kuò)散。從熱力學(xué)分析可知，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)勢(shì)梯度。擴(kuò)散機(jī)制：交換機(jī)制、間隙機(jī)制、空位機(jī)制。大多數(shù)情況下，原子擴(kuò)散是借助空位機(jī)制。反應(yīng)擴(kuò)散：當(dāng)某種元素通過(guò)擴(kuò)散，自金屬表面向內(nèi)部滲透時(shí)，若該元素的含量超過(guò)基體金屬的溶解度，則隨著擴(kuò)散的進(jìn)行會(huì)在金屬表層形成中間相（也可能是另一種固溶體），這種通過(guò)擴(kuò)散形成新相的現(xiàn)象稱(chēng)

16、為反應(yīng)擴(kuò)散或相變擴(kuò)散。由于濃度梯度引起的擴(kuò)散稱(chēng)為化學(xué)擴(kuò)散；不依賴(lài)濃度梯度，僅有熱振動(dòng)而產(chǎn)生的擴(kuò)散稱(chēng)為自擴(kuò)散。10.擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散激活能，影響擴(kuò)散的因素及原理。擴(kuò)散系數(shù)： 式中稱(chēng)為擴(kuò)散常數(shù)，是間隙擴(kuò)散時(shí)溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學(xué)能，該遷移能等于間隙原子的擴(kuò)散激活能Q。置換擴(kuò)散或自擴(kuò)散的激活能均比間隙擴(kuò)散激活能要大。影響擴(kuò)散的因素及原理：溫度 溫度是影響擴(kuò)散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越容易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)也越大。固溶體類(lèi)型 不同類(lèi)型的固溶體，原子的擴(kuò)散機(jī)制是不同的。間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般較小，例如，C，N等溶質(zhì)原子在鐵中的間隙擴(kuò)散激活能（因?yàn)镃,N等原子較小，在鐵中形

17、成間隙固溶體）比Cr，Al等溶質(zhì)原子在鐵中的置換擴(kuò)散激活能（Cr，Al原子在鐵中形成置換固溶體）要小得多，因此，鋼件表面熱處理在獲得同樣滲層濃度時(shí)，滲C，N比滲Cr或Al等金屬周期短，鐵中滲碳或滲氮比滲金屬更容易。晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散有影響，有些金屬存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)它們的晶體結(jié)構(gòu)改變后，擴(kuò)散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。不同結(jié)構(gòu)的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此所造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速率。例如，鋼滲碳通常選取高溫下奧氏體狀態(tài)進(jìn)行，除了由于溫度作用外，還因碳在中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在中的溶解度，這使碳在奧氏體中形成較大的濃度梯度，而有利于加速碳原子的擴(kuò)散以增加滲碳層的深度。晶體

18、缺陷 在實(shí)際使用中的絕大多數(shù)材料是多晶體材料，對(duì)于多晶體材料，擴(kuò)散物質(zhì)通?？梢匝厝N途徑擴(kuò)散，即晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散。以，分別表示晶內(nèi)、晶界和表面擴(kuò)散激活能；，分別表示晶內(nèi)、晶界和表面擴(kuò)散系數(shù)，則一般的規(guī)律是：，所以 。化學(xué)成分 第三組元（或雜質(zhì)）對(duì)二元合金擴(kuò)散原子的影響較為復(fù)雜，可能提高擴(kuò)散速率，也可能降低，或幾乎無(wú)作用。某些第三組元的加入不僅影響擴(kuò)散速率而且影響擴(kuò)散方向。應(yīng)力的作用 如果合金內(nèi)部存在應(yīng)力梯度，應(yīng)力就會(huì)提供原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，那么即使溶質(zhì)分布是均勻的，也可能會(huì)出現(xiàn)化學(xué)擴(kuò)散現(xiàn)象。如果在合金外部施加應(yīng)力，使合金中產(chǎn)生彈性應(yīng)力梯度，這樣也會(huì)促進(jìn)原子向晶體點(diǎn)陣伸長(zhǎng)部分遷移，產(chǎn)生

19、擴(kuò)散現(xiàn)象。11. 擴(kuò)散方程的解12.晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)和相界面等基本概念多數(shù)晶體物質(zhì)由許多晶粒所組成，屬于同一個(gè)固相但位向不同的晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱(chēng)為亞晶界。孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為“孿晶”，此公共晶面就稱(chēng)孿晶面。具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱(chēng)為“相界面”。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為，共格界面、半共格界面、非共格界面。其中共格界面的相界能最低。堆垛層錯(cuò)：原子在堆垛過(guò)程中，某一層的原子層與另外一層的原子層成發(fā)生了錯(cuò)誤的堆垛。比如面心ABCABCAB

20、CACABC。產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱(chēng)為層錯(cuò)能。13.相律的基本概念，相平衡的相律解釋?；靖拍睿鹤杂啥葦?shù)是指在不改變平衡相的數(shù)目的條件下，可以獨(dú)立改變的，影響合金狀態(tài)的因素（如溫度、壓力、平衡相成分）的數(shù)目。在指定溫度和壓力下，若多相體系的各相每一組元的濃度均不隨時(shí)間而變，則體系達(dá)到相平衡，相平衡實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)平衡，從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)看，分子和原子仍在相界處不停地轉(zhuǎn)換，只不過(guò)各相之間的轉(zhuǎn)換速度相同。相律：在平衡條件下，系統(tǒng)中相數(shù)、組元數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。表示自由度數(shù)， 表示組元數(shù)，為平衡相數(shù)。相律的表達(dá)式為 對(duì)于只有固相和液相存在的凝聚系統(tǒng)，壓力對(duì)相平衡系統(tǒng)的影響很小，可以忽略，表達(dá)式為

21、；若指定溫度或壓力，所以表達(dá)式才是經(jīng)常用來(lái)解釋相平衡的。所以對(duì)于單組元系統(tǒng)，最多允許三相共存。14.純晶體的凝固，晶體凝固的熱力學(xué)條件，形核、晶體長(zhǎng)大過(guò)程，凝固動(dòng)力學(xué)及凝固組織。（上交P229）純晶體的凝固 凝固是指物質(zhì)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。液態(tài)結(jié)構(gòu)的最重要特征是原子排列為長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序，并且短程有序原子集團(tuán)不是固定不變的，它是一種此消彼長(zhǎng)、瞬息萬(wàn)變、尺寸不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為結(jié)構(gòu)起伏，這有別于晶體長(zhǎng)程有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。晶體凝固的熱力學(xué)條件 晶體凝固通常是在常壓下進(jìn)行的，從相律可知，在純晶體凝固過(guò)程中，液固兩相共存，自由度等于零，故溫度不變。按熱力學(xué)第二定律，在等溫等壓下，過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的方

22、向是體系自由能降低的方向。所以，實(shí)際凝固溫度應(yīng)低于熔點(diǎn)，即需要過(guò)冷度（）。形核 晶體凝固過(guò)程包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。形核可以分為兩類(lèi)：均勻形核和非均勻（異質(zhì)）形核。 均勻形核 新相在母相中均勻地生成，即晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響。 非均勻形核 新相優(yōu)先在母相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外表面來(lái)形核。均勻形核 當(dāng)過(guò)冷液體中出現(xiàn)晶胚時(shí)，一方面，由于在這個(gè)區(qū)域中原子由液態(tài)的聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的排列狀態(tài)，使體系內(nèi)的自由能降低（），這是相變的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，由于晶胚構(gòu)成新的表面，又會(huì)引起自由表面能的增加，這構(gòu)成相變的阻力?？偟淖杂赡茏兓?+式子中為比表面

23、能，可用表面張力表示 ，為體積自由能（負(fù)值），為表面自由能（正值）。當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)晶核所對(duì)應(yīng)的半徑稱(chēng)為臨界半徑，用表示，此時(shí)總的自由能用（形核功）表示。半徑為的晶核稱(chēng)為臨界晶核。在過(guò)冷液體()中，不是所有的晶胚都能成為穩(wěn)定的晶核，只有達(dá)到臨界半徑的晶胚才能實(shí)現(xiàn)。為形成臨界晶核所需的功，簡(jiǎn)稱(chēng)形核功，它與成反比，過(guò)冷度越大，所需的形核功越小。經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)計(jì)算得到 由此可見(jiàn)，形成臨界晶核時(shí)自由能仍是增高的（），其增值相當(dāng)于其表面能的，即液固兩相之間的體積自由能之差只能補(bǔ)償（抵消）形成臨界晶核表面所需能量的，而不足的則需依靠液相中存在的能量起伏來(lái)補(bǔ)充。能量起伏是指體系中每個(gè)微小體積所實(shí)際具有的能量，會(huì)偏離

24、體系平均能量水平而瞬時(shí)漲落的現(xiàn)象。形核率：?jiǎn)挝惑w積液體內(nèi)，在單位時(shí)間所形成的晶核數(shù)。形核率受兩個(gè)因素的控制，即形核功因子和原子擴(kuò)散的幾率因子。在過(guò)冷度較小時(shí)，形核率主要受形核率因子的控制，當(dāng)過(guò)冷度繼續(xù)增大時(shí)，由于原子在較低溫度下難以擴(kuò)散，此時(shí)，形核率受擴(kuò)散的幾率因子所控制。非均勻形核實(shí)際凝固方式主要是非均勻形核。非均勻形核中涉及到潤(rùn)濕角，是在之間變化，當(dāng)時(shí)，其形核功等于均勻形核功，基底對(duì)形核不起作用；當(dāng)時(shí)，非均勻形核不需要形核功，即為完全潤(rùn)濕的情況。一般情況下，為小于的某個(gè)值，故必然小于1，形成非均勻形核所需的形核功小于均勻形核功，故過(guò)冷度小。晶體長(zhǎng)大形核之后，晶體長(zhǎng)大，其涉及長(zhǎng)大的形態(tài)，長(zhǎng)大

25、方式和長(zhǎng)大速率。液固界面構(gòu)造 按照原子尺度，把相界面結(jié)構(gòu)分為粗糙界面和光滑界面兩類(lèi)。 光滑界面，從微觀上看是光滑的，但是在宏觀上它往往由不同位向的小平面組成，故呈折線狀，這類(lèi)界面也稱(chēng)小平面界面。所謂粗糙界面，從微觀上來(lái)看是高低不平的，存在幾個(gè)原子層厚度的過(guò)渡層。但由于過(guò)渡層很薄，因此從宏觀來(lái)看，界面顯得平直。根據(jù)粗糙和光滑界面的定量模型得出：金屬和某些低熔化熵的有機(jī)化合物，時(shí)，其液固界面為粗糙界面；多數(shù)無(wú)機(jī)化合物及亞金屬，時(shí)，其液固界面為光滑界面。長(zhǎng)大方式（生長(zhǎng)機(jī)制） 連續(xù)長(zhǎng)大 二維晶核長(zhǎng)大 借螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大 形核率 。在不同溫度下的開(kāi)始相變所需不同的孕育時(shí)間，稱(chēng)為孕育期。純晶體凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)

26、 純晶體凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)不僅與液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且取決于界面前沿液相中溫度分布情況，溫度分布可有兩種情況：正的溫度梯度和負(fù)的溫度梯度。 在正的溫度梯度下的情況 正的溫度梯度指的是隨著離開(kāi)液固界面的距離Z的增大，液相溫度T隨之升高的情況，即。在這種條件下，結(jié)晶潛熱只能通過(guò)固相而散出，相界面的推移速度受固相傳熱速度所控制。晶體的生長(zhǎng)以接近平面狀向前推移，這是由于溫度梯度是正的，當(dāng)界面上偶爾有凸起部分而伸入溫度較高的液體中時(shí)，它的生長(zhǎng)速度就會(huì)減慢甚至停止，周?chē)糠值倪^(guò)冷度較凸起部分大，從而趕上來(lái)，使凸起部分消失，這種過(guò)程使液固界面保持穩(wěn)定的平面形狀 在負(fù)的溫度梯度下的情況 負(fù)的溫度梯度指的是

27、隨著離開(kāi)液固界面的距離Z的增大，液相溫度T隨之降低，即。當(dāng)相界面處的溫度由于結(jié)晶潛熱的釋放而升高，使液相處于過(guò)冷條件時(shí)，則可能產(chǎn)生負(fù)的溫度梯度。此時(shí)，相界面上產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱既可通過(guò)固相也可通過(guò)液相而散失。如果部分相界面生長(zhǎng)凸出到前面的液相中，則能處于溫度更低（即過(guò)冷度更大）的液相中，是凸出部分的生長(zhǎng)速度增大而進(jìn)一步伸向液體中。在這種情況下，液固界面會(huì)形成許多液體的分枝（沿一定的晶向軸），同時(shí)在這些枝晶上又可能會(huì)長(zhǎng)出二次枝晶，在二次枝晶上再長(zhǎng)出三次枝晶。晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。樹(shù)枝狀生長(zhǎng)在具有粗糙界面的金屬晶體中表現(xiàn)最為顯著；而對(duì)于光滑界面的物質(zhì)，在負(fù)的溫度梯度下，樹(shù)枝狀生長(zhǎng)往往不明顯

28、。15.二元相圖中的勻晶、共晶、包晶、偏晶等相圖的結(jié)構(gòu)分析；共析、包析反應(yīng)；二元相圖的平衡結(jié)晶過(guò)程分析、冷卻曲線；二元合金中勻晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡組織特點(diǎn)；杠桿定律及其應(yīng)用。（上交P263）平衡凝固是指凝固過(guò)程中的每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，即在相變過(guò)程中有充分的時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)到平衡相的成分。由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程成為勻晶轉(zhuǎn)變，例如勻晶相圖。液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為共晶轉(zhuǎn)變，表達(dá)式為 ，例如共晶相圖。包晶轉(zhuǎn)變是指已結(jié)晶出的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變，例如包晶相圖。偏晶轉(zhuǎn)變是指由一個(gè)液相分解為一個(gè)固相和另一成分的液相的恒溫轉(zhuǎn)變。例如，

29、二元相圖，在發(fā)生偏晶轉(zhuǎn)變： 共析轉(zhuǎn)變的形式類(lèi)似共晶轉(zhuǎn)變，是一個(gè)固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨蓚€(gè)固相。包析轉(zhuǎn)變類(lèi)似于包晶轉(zhuǎn)變，為一個(gè)固相與另一個(gè)固相反應(yīng)形成第三個(gè)固相的恒溫轉(zhuǎn)變。細(xì)化金屬鑄件晶粒的途徑：增加過(guò)冷度 由公式知，形核率N越大，晶粒越細(xì)；晶粒長(zhǎng)大速率越大，則晶粒越粗。但是過(guò)冷度增加時(shí)，N迅速增大，且比更快，因此在一般凝固條件下，增加過(guò)冷度可使凝固后的晶粒細(xì)化。形核劑的作用 振動(dòng)促進(jìn)形核 ，其主要作用是振動(dòng)促使枝晶破碎，這些碎片又可作為結(jié)晶核心，使形核增殖。單晶制備的基本要求就是防止凝固時(shí)形成許多晶核，而是凝固中只存在一個(gè)晶核，由此生長(zhǎng)獲得單晶體。方法：垂直提拉法和尖端形核法。在塑性變形中，隨

30、著變形程度的增加，各個(gè)晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形變方向轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸使多晶體中原來(lái)互不相同的各個(gè)晶粒在空間取向上呈現(xiàn)一定程度的規(guī)律性，這一現(xiàn)象稱(chēng)為擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱(chēng)為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)由于加工變形方式的不同，可分為兩種類(lèi)型：拔絲時(shí)形成的織構(gòu)稱(chēng)為絲織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一方向大致與拔絲方向相平行；軋板時(shí)形成的織構(gòu)稱(chēng)為板織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向分別趨于同軋面和軋向相平行。塑性變形中外力所做的功除大部分轉(zhuǎn)化為熱之外，還有一小部分以畸變能的形式儲(chǔ)存在形變材料內(nèi)部，這部分能力叫做儲(chǔ)存能。具體表現(xiàn)為：宏觀殘余應(yīng)力（第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力）、微觀殘余應(yīng)力（第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力）、點(diǎn)陣畸變（占80

31、%90%）。說(shuō)明材料中的結(jié)合鍵與材料性能的關(guān)系。材料中的結(jié)合鍵的類(lèi)型及結(jié)合能的大小對(duì)材料的性能有重要的影響，特別是對(duì)物理性能和力學(xué)性能。結(jié)合鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高，熱膨脹系數(shù)就越小，密度也越大。金屬具有光澤、高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、較好的機(jī)械強(qiáng)度和塑性，且具有正的電阻溫度系數(shù)，這就與金屬的金屬鍵有關(guān)。陶瓷、聚合物一般在固態(tài)下不導(dǎo)電，這與其非金屬結(jié)合有關(guān)。工程材料的腐蝕實(shí)質(zhì)是結(jié)合鍵的形成和破壞。晶體材料的硬度與晶體的結(jié)合鍵有關(guān)。一般共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵結(jié)合的晶體比分子鍵結(jié)合的晶體硬度高。結(jié)合鍵之間的結(jié)合鍵能越大，則彈性模量越大。工程材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系。一般結(jié)合鍵能高，強(qiáng)度也高一些。材料的

32、塑性也與結(jié)合鍵有關(guān)，金屬鍵結(jié)合的材料具有良好的塑性，而離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料塑性變形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。固溶體合金的凝固過(guò)程與純金屬凝固過(guò)程的異同。相同點(diǎn)：都需要過(guò)冷度，能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，并以形核長(zhǎng)大的方式進(jìn)行凝固；不同點(diǎn)：純金屬在恒溫下凝固，而固溶體合金是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)凝固，具有變溫凝固的特征。這也是固溶體凝固的重要規(guī)律之一?？梢杂孟嗦蓙?lái)證明，因?yàn)閷?duì)于二元合金，組元素,在液、固兩相共存區(qū)平衡相數(shù)，則自由度，這說(shuō)明在液、固兩相區(qū)，溫度和成分只有一個(gè)是可以獨(dú)立可變的因素，當(dāng)合金的成分一定時(shí)，溫度成為唯一可獨(dú)立改變的因素，因此合金的凝固是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，是變溫凝固過(guò)程。另外純

33、金屬形核時(shí)只需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，而固溶體合金形核時(shí)不僅需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，還要成分起伏。成分起伏是指液態(tài)合金中某些微小區(qū)域的成分時(shí)起時(shí)伏地偏離其平均成分的現(xiàn)象。根據(jù)相圖判斷合金的性能固溶體合金的強(qiáng)度和硬度一般均高于純金屬，并隨溶質(zhì)組元濃度的增加而增加；但導(dǎo)電性低于純金屬，并隨溶質(zhì)濃度的升高而降低。對(duì)于兩相合金在不平衡凝固時(shí)，由于凝固速度越快，兩組成相越細(xì)小，因此其強(qiáng)度，硬度越高。由相圖還可以判斷合金的鑄造性能。合金的鑄造性能主要指合金的流動(dòng)性和縮孔性。若合金的液、固兩相線距離越大（即成分間隔和溫度間隔越大），合金的流動(dòng)性越差。因此，固溶體合金的流動(dòng)性比純金屬和共晶合金差。單相固溶體合金

34、一般不采用鑄造成型，而多采用鍛造，即具有較高的鍛造性。而純金屬和共晶合金都是在恒溫下凝固，并且共晶合金具有較低的熔點(diǎn)，所以合金成分越靠近共晶點(diǎn)，其流動(dòng)性越好，鑄造性能優(yōu)良。成分過(guò)冷：在合金的凝固過(guò)程中，雖然實(shí)際溫度分布一定，但由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生了變化，改變了液相的凝固點(diǎn)，此時(shí)過(guò)冷由成分變化與實(shí)際溫度分布這兩個(gè)因素共同決定，這種過(guò)冷稱(chēng)為成分過(guò)冷。1. 范德瓦爾斯力的三種成鍵方式：靜電力、誘導(dǎo)力、色散力。靜電力是由極性原子團(tuán)或分子的久偶極之間的靜電相互作用引起的，其大小與絕對(duì)溫度和距離7次方成反比；誘導(dǎo)力是當(dāng)極性分子和非極性分子相互作用時(shí)，非極性分子中產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極與極性分子的永久偶極間的相互作

35、用力，其大小與溫度無(wú)關(guān)，但與距離的7次方成反比；色散力是由于某些電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原子瞬時(shí)偶極間的相互作用力，其大小與溫度無(wú)關(guān)，但與距離的7次方成反比。2. 所有平行或相交于某一晶向直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱(chēng)為晶帶軸，屬此晶帶的晶面稱(chēng)為共帶面。3. 影響置換固溶體溶解度的因素，以及如何影響？晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無(wú)限固溶體的必要條件。只有組元A和B的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同時(shí)，B原子才有可能連續(xù)不斷地置換A原子。原子尺寸因素 在其他條件相近時(shí)，原子半徑差時(shí)，有利于形成較大溶解度的固溶體。 電負(fù)性因素 只有電負(fù)性相近的元素才可能具有大的溶解度。電子濃度 所謂電子濃度是指合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目

36、的比值。溶質(zhì)的原子價(jià)越高，其溶解度越小。4. 固溶體微觀不均勻性：完全無(wú)序、偏聚、部分有序、完全有序。5. 固溶體的性質(zhì)：點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生改變 形成固溶體時(shí)，雖然仍保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，但由于溶質(zhì)和溶劑原子大小不同，總會(huì)引起點(diǎn)陣畸變并導(dǎo)致點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生變化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化 溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高。物理和化學(xué)性能的變化 固溶體合金隨固溶度的增加，點(diǎn)陣畸變?cè)龃?，一般固溶體的電阻率升高，同時(shí)降低電阻溫度系數(shù)。6. 間隙相和間隙化合物 原子半徑較小的非金屬元素如C，H，N，B等可與金屬元素形成間隙或間隙化合物。當(dāng)0.59 時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的相，稱(chēng)為間隙相，間隙相幾乎全部具有高熔點(diǎn)和高

37、硬度的特點(diǎn)，在合金中是重要組成相；當(dāng)時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，稱(chēng)為間隙化合物，其熔點(diǎn)和硬度也較高（但不如間隙相），間隙化合物是鋼中的主要強(qiáng)化相。7. 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：滑移和攀移。刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可以在垂直滑移面的方向上運(yùn)動(dòng)，即發(fā)生攀移，分正攀移和負(fù)攀移。切應(yīng)力 8.位錯(cuò)的生成 晶體中位錯(cuò)的來(lái)源主要有以下幾種：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò)。由于自高溫較快凝固或冷卻時(shí)，晶體內(nèi)存在大量過(guò)飽和空位，空位的聚集能形成位錯(cuò)。晶體內(nèi)部的某些界面和裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，往往出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。當(dāng)此應(yīng)力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)。9. 位錯(cuò)的增

38、殖機(jī)制：弗蘭克里德位錯(cuò)源、雙交滑移增殖、攀移增殖。10. 擴(kuò)展位錯(cuò) 通常把一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱(chēng)為擴(kuò)展位錯(cuò)。11. 孿晶是指兩個(gè)晶體沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為孿晶，此公共晶面稱(chēng)為孿晶面。孿晶界分為共格孿晶界和非共格孿晶界。共格孿晶界：在孿晶面上的原子同時(shí)位于兩個(gè)晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個(gè)晶體所共有，屬于自然的完全匹配，是無(wú)畸變的完全共格晶面，因此它的界面能很低，很穩(wěn)定。 非共格孿晶界：孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有，因?yàn)樵渝e(cuò)排較嚴(yán)重，這種晶界能量相對(duì)較高。12. 刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)均能生成割階和扭折。刃型位錯(cuò)形成的割階部分為刃型位錯(cuò)，扭折部分為螺型位錯(cuò)； 螺型位錯(cuò)形成的割階和扭折部分均為刃型位錯(cuò)。13. 在金屬晶體中，滑移面和滑移方向往往為其密排面和密排方向。這是因?yàn)樵用芏茸畲蟮木嫫涿骈g距最大，點(diǎn)陣阻