北京科技大學(xué)2014年材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬學(xué)考研復(fù)習(xí)權(quán)威資料

1、北京科技大學(xué)2014年攻讀碩士學(xué)位金屬學(xué)復(fù)習(xí)大綱（適用專業(yè)：材料加工工程、材料學(xué)、材料科學(xué)與工程、材料物理與化學(xué)）一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)1. 原子間的鍵合 1)金屬鍵, 2)離子鍵, 3)共價(jià)鍵2晶體學(xué)基礎(chǔ) 1）空間點(diǎn)陣， 2）晶系及布喇菲點(diǎn)陣， 3）晶向指數(shù)與晶面指數(shù)3金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1）典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)，2）原子的堆垛方式，3）晶體結(jié)構(gòu)中的間隙， 4）晶體缺陷4合金相結(jié)構(gòu) 1）置換固溶體，2）間隙固溶體，3）影響固溶體溶解度的主要因素 4）中間相5晶體缺陷 1）點(diǎn)缺陷, 2)晶體缺陷的基本類型和特征, 3)面缺陷二、金屬與合金的凝固1金屬凝固的熱力學(xué)條件2形核 1）均勻形核，

2、2）非均勻形核3晶體生長(zhǎng) 1）液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)，2）金屬與合金凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)，3）成分 過(guò) 冷4凝固宏觀組織與缺陷三、金屬與合金中的擴(kuò)散1擴(kuò)散機(jī)制2擴(kuò)散第一定律3擴(kuò)散第二定律4影響擴(kuò)散的主要因素四、二元相圖1合金的相平衡條件2相律3相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)4二元相圖的類型與分析五、金屬與合金的塑性變形1單晶體的塑性變形1）滑移，2）臨界分切應(yīng)力,3）孿生，4）紐折2多晶體的塑性變形1）多晶體塑性變形的特點(diǎn)，2）晶界的影響，3.塑性變形對(duì)組織與性能的影響1）屈服現(xiàn)象,2)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及加工硬化現(xiàn)象,3)形變織構(gòu)等六、回復(fù)和再結(jié)晶1回復(fù)和再結(jié)晶的基本概念2冷變形金屬在加熱過(guò)程中的組織與性能變化3再

3、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)4影響再結(jié)晶的主要因素5晶粒正常長(zhǎng)大和二次再結(jié)晶七、鐵碳相圖與鐵碳合金1鐵碳相圖2鐵碳合金3鐵碳合金在緩慢冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變八、固態(tài)相變1固態(tài)相變的基本特點(diǎn) 2固態(tài)相變的分類3擴(kuò)散型相變         1）合金脫溶，2）共析轉(zhuǎn)變，3）調(diào)幅分解4非擴(kuò)散型相變參考書(shū)：1.金屬學(xué)（修訂版）, 宋維錫 主編, 冶金工業(yè)出版社，1998；2.材料科學(xué)基礎(chǔ), 余永寧 主編, 高等教育出出版社，2006；3.材料科學(xué)基礎(chǔ)（第二版）, 胡賡祥等 主編, 高等教育出出版社，2006；4.任何高等學(xué)校材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬學(xué)或

4、材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)參考書(shū)。考試內(nèi)容梳理第一章：金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu) 1)金屬鍵, 2)離子鍵, 3)共價(jià)鍵考點(diǎn)：金屬鍵（2001年，2004年，2007年）簡(jiǎn)述什么是金屬鍵？5分剖析：金屬中自由電子和原子核之間靠靜電作用產(chǎn)生的鍵合力。 晶體學(xué)基礎(chǔ) 10分1) 空間點(diǎn)陣（2008年）在空間中由幾何陣點(diǎn)周期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境，在三維空間規(guī)則排列的陣列成為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。5分 2 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)（2008，2007，2006，2005，2004，2003，2002） 畫(huà)出fcc中（110）晶面原子的排列情況，在體心立方中畫(huà)出一個(gè)最密排方向并表明晶向指數(shù)，再畫(huà)出過(guò)該方向的兩個(gè)不同

5、的低指數(shù)晶面，寫出對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)，這兩個(gè)面與其平行的密排方向構(gòu)成什么關(guān)系？20分3晶系及布喇菲點(diǎn)陣（2007年，2004年）考點(diǎn)：7中晶系的點(diǎn)陣參數(shù)，14種布喇菲點(diǎn)陣，晶體結(jié)構(gòu)與布喇菲點(diǎn)陣的區(qū)別。剖析：布喇菲點(diǎn)陣中每個(gè)陣點(diǎn)周圍環(huán)境相同，法國(guó)數(shù)學(xué)家布喇菲經(jīng)過(guò)推倒只可能有14種，也可表訴為除考慮晶胞外形外，還考慮陣點(diǎn)位置構(gòu)成的點(diǎn)陣。難點(diǎn)：空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別 金屬的晶體結(jié)構(gòu)（年年考）20分 1）典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) fcc，bcc，hcp，年年考重中之重，考察晶胞中的原子數(shù)，點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑，配位數(shù)和致密度，要爛熟于胸。2）原子的堆垛方式 體心立方：ABABABA或ACACACAC,面心立方：

6、ABCABCABC或ACBACBACB3）晶體結(jié)構(gòu)中的間隙:四面體間隙和八面體間隙畫(huà)圖（2008）20分 合金相結(jié)構(gòu) 20分1） 置換固溶體，2）間隙固溶體，3）影響固溶體溶解度的主要因素（2007，2006，2005，2004，2003，2001，2000） 所謂固溶體是指溶質(zhì)原子以原子態(tài)溶入金屬溶劑的點(diǎn)陣晶格中所組成的單一均勻固體，其特點(diǎn)是保持溶劑的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類型。置換固VS間隙固溶體？ 影響固溶度的因素有： ：原子尺寸因素。當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子直徑尺寸相對(duì)差小于±15有利于形成大的代為固溶體，當(dāng)兩組元的直徑相對(duì)差大于41時(shí)，有利于形成高的間隙固溶體。 ：負(fù)電性因素。溶劑、溶質(zhì)的負(fù)電性

7、差越小溶解度越大，一般小于0.40.5會(huì)有較大的溶解度。 ：電子濃度因素。有兩方面的含義：一是原子價(jià)效應(yīng)，即同一溶劑金屬中，溶質(zhì)的原子價(jià)越高，溶解度越?。憾窍鄬?duì)價(jià)效應(yīng)即高價(jià)溶質(zhì)融入低價(jià)溶劑是的高于相反的情況。4）中間相(2006,2004,)合金中組元之間形成的、與純組元結(jié)構(gòu)均不同的新相，處在相圖的中間區(qū)域。 晶體缺陷 20分1） 點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷的幾種基本類型，空位，間隙，雜質(zhì)，溶質(zhì)原子等2) 晶體缺陷的基本類型和特征：點(diǎn)缺陷，線缺陷即位錯(cuò)，面缺陷即晶界相界（2007，2006，2005）07：點(diǎn)缺陷和線缺陷為何會(huì)發(fā)生交互作用？這種交互作用如何影響力學(xué)性能？舉例說(shuō)明或畫(huà)圖說(shuō)明什么是小角度晶界

8、的為錯(cuò)模型？描述大角度晶界有何模型？其含義是什么？ 解析答案：1：點(diǎn)缺陷產(chǎn)生畸變，是局部能量升高，附近有彈性應(yīng)變場(chǎng)，為錯(cuò)也是如此，但為錯(cuò)周圍應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)不同，有的為壓應(yīng)力，有的為拉應(yīng)力;點(diǎn)缺陷會(huì)聚集到為錯(cuò)上是應(yīng)變能降低，使系統(tǒng)能量降低，吸附溶質(zhì)的為錯(cuò)是一種穩(wěn)定的組態(tài)，此時(shí)為錯(cuò)被釘扎而難以運(yùn)動(dòng)，使強(qiáng)度提高，會(huì)產(chǎn)生上下屈服點(diǎn)效應(yīng)。 2：小角度晶界可看成是由大量的、兩側(cè)原子完全對(duì)應(yīng)的好區(qū)和一組平行或相互垂直的位錯(cuò)組成，取向差完全是靠為錯(cuò)產(chǎn)生的；晶界能是位錯(cuò)能量的加和。大角度晶界模型有非晶模型、小島模型、重合位置點(diǎn)陣模型，后者的含義是特殊的打角度晶界內(nèi)一部分原子同屬界面兩側(cè)點(diǎn)陣，重合點(diǎn)本身構(gòu)成一超點(diǎn)陣，

9、晶界過(guò)其密排面是能量最低。第二章：金屬與合金的凝固1金屬凝固的熱力學(xué)條件：G0,對(duì)任何一個(gè)反應(yīng)，只有放出能量反應(yīng)才能發(fā)生，金屬的凝固和相變同樣如此。2形核1）均勻形核，2）非均勻形核均勻形核：指不依靠外來(lái)表面，而在晶體內(nèi)部自發(fā)形核，過(guò)冷度要求比較大。非均勻形核：依靠外來(lái)表面或孕育劑形核，過(guò)冷度要求較小。3.晶體生長(zhǎng)1）液固界面的微觀結(jié)構(gòu)， 2）成分過(guò)冷如圖 液固界面的微觀結(jié)構(gòu)2） 成分過(guò)冷 指凝固時(shí)，液固界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布決定的凝固溫度時(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷，稱為成分過(guò)冷。4凝固宏觀組織與缺陷金屬鑄錠的組織1表層細(xì)晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3中心等軸晶區(qū) 各個(gè)晶區(qū)是如何形成的，都有什么特點(diǎn)？

10、 第三章：金屬與合金中的擴(kuò)散1擴(kuò)散機(jī)制：交換機(jī)制、間隙機(jī)制、空位機(jī)制、晶界擴(kuò)散及表面機(jī)制，其中空位機(jī)制是置換固溶體中最重要機(jī)制。2菲克第一定律：J=-Dd ，它表示了物質(zhì)從高的質(zhì)量濃度區(qū)向低的質(zhì)量濃度區(qū)方向遷移。菲克第一定律描述了一種穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，即濃度質(zhì)量不隨時(shí)間而改變。3菲克第二定律 ，是一種非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，某點(diǎn)的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的改變而改變。4影響擴(kuò)散的主要因素 1：溫度：是影響擴(kuò)散最主要的因素，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)D越大。 2：固溶體類型：置換固溶體激活能大，擴(kuò)散的慢；間隙固溶體擴(kuò)散激活能小，擴(kuò)散的快。 3：晶體結(jié)構(gòu)：低對(duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)中，存在擴(kuò)散的各向異性，如六方結(jié)構(gòu)晶體，平行與垂直基面（000

11、1）的擴(kuò)散系數(shù)不同 4：晶體缺陷：界面表面及位錯(cuò)是擴(kuò)散的快速通道。 5：熔點(diǎn)。同一合金系中，同一溫度下熔點(diǎn)高的合金中擴(kuò)散慢，熔點(diǎn)低的擴(kuò)散快。第四章：二元相圖1合金的相平衡條件及相律：處于平衡狀態(tài)下的多相（p個(gè)相）體系，每個(gè)組元（共有c個(gè)組元）在各相中的化學(xué)勢(shì)都必須相等。從相平衡條件可知，處于平衡狀態(tài)的多元系中可能存在的相數(shù)有一定的限制。這種限制可用吉布斯相律表示為：f=c-p+2f為體系的自由度數(shù)，c為體系的組元數(shù)，p為相數(shù)。對(duì)于不含氣相的體系，壓力一般可認(rèn)為是常數(shù)，因此相律又可寫成：f=c-p+1相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)和組元數(shù)及溫度、壓力之間的關(guān)系，對(duì)分析和研究相圖有重要的指導(dǎo)

12、作用。2相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)了解固溶體的成份自由能曲線，如圖<0時(shí)：曲線為U形，只有一個(gè)最小值=0時(shí)：曲線也為U形，只有一個(gè)最小值>0時(shí)：曲線為形，有兩個(gè)最小值，即固溶體有一定的溶混間隙多相平衡的公切線原理 在二元系中，當(dāng)兩相（例如固相和）平衡時(shí)，熱力學(xué)條件為 ，即兩組元分別在兩相中的化學(xué)勢(shì)相等。因此，兩相平衡時(shí)的成分由兩相成分自由能曲線的公切線確定。如圖杠桿法則：和兩相共存時(shí)，可用杠桿法則計(jì)算兩相的相對(duì)量，應(yīng)用杠桿法則時(shí)要找準(zhǔn)三個(gè)點(diǎn)，即兩個(gè)相點(diǎn)和一個(gè)成分點(diǎn)。3二元相圖的類型與分析勻晶相圖：由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的固液轉(zhuǎn)變圖稱為勻晶相圖。共晶相圖：兩組元在液態(tài)是

13、無(wú)限固溶，液相線從兩端純組元向中間凹下，兩液相線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，在該溫度下液相通過(guò)共晶凝固同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相，這兩相的混合物稱為共晶組織或共晶體。這種股也轉(zhuǎn)變圖稱為共晶相圖。共晶相圖共晶合金的平衡凝固及其組織是考試重點(diǎn)。第五章 金屬與合金的塑性變形1 單晶體的塑性變形 滑移：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)晶體的彈性極限時(shí)，晶體中就會(huì)產(chǎn)生層片之間的相對(duì)滑移，大量的滑移線組成滑移帶。臨界分切應(yīng)力：滑移系開(kāi)動(dòng)所需要的最小分切應(yīng)力，它是一個(gè)定值，與材料本身性質(zhì)有關(guān)，與外力取向無(wú)關(guān)。孿生：晶體受力以后，以產(chǎn)生孿晶的方式進(jìn)行的均勻切變過(guò)程叫孿生，切變區(qū)與未切變區(qū)呈晶面對(duì)稱的取向。紐折：當(dāng)晶體不能進(jìn)行滑移變形，若此

14、時(shí)孿生過(guò)程也因阻力太大無(wú)法進(jìn)行時(shí)，隨著外力繼續(xù)增大，超過(guò)某一臨界值時(shí)晶體會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性的局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域稱為扭折帶。 滑移是單晶體變形的主要方式，孿生和扭折是滑移不能進(jìn)行時(shí)的協(xié)調(diào)性變形。2多晶體的塑性變形1）多晶體塑性變形的特點(diǎn)：多晶體中，每個(gè)晶粒與周圍晶粒取向不同，處于有利位相的先滑移，故滑移開(kāi)始的早晚不同，滑移系的數(shù)目也不相同。不同位相晶?；葡等∠虿煌品较蛞膊幌嗤?，故滑移不可能從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒。為了使多晶體中各晶粒之間的變形得到相互協(xié)調(diào)與配合，每個(gè)晶粒不只是在取向有利的方向進(jìn)行，而且必須在幾個(gè)非有利的滑移系上進(jìn)行才能使其形狀做各種改變。多晶體是否

15、能夠塑性變形取決于它是否具備5個(gè)以上獨(dú)立的滑移系來(lái)滿足各晶粒變形時(shí)相互協(xié)調(diào)的要求。FCC有12滑移系，BCC有48個(gè)滑移系，它們的多晶體有很好的塑性；而FCP只有3個(gè)獨(dú)立滑移系，晶粒間協(xié)調(diào)性很差，所以其多晶體塑性變形能力低。如2） 晶界的影響：晶界上原子排列不規(guī)則，是嚴(yán)重錯(cuò)排區(qū)，位錯(cuò)不能通過(guò)，形成位錯(cuò)塞積群。即晶界阻礙滑移的進(jìn)行。由于晶界數(shù)量取決于晶粒的大小，因此晶界對(duì)多晶體起始塑變抗力的作用可通過(guò)晶粒大小直接體現(xiàn)。多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒細(xì)化而提高。多晶體的強(qiáng)度與晶粒平均直徑的符合霍爾佩奇公式：第六章 回復(fù)和再結(jié)晶1回復(fù)和再結(jié)晶的基本概念回復(fù)是指冷變形金屬在加熱時(shí)新的無(wú)畸變的晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的

16、亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐步取代變形晶粒的過(guò)程；晶粒長(zhǎng)大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大；2冷變形金屬在加熱過(guò)程中的組織與性能變化組織變化：隨退火溫度的升高或時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)亞晶的合并并長(zhǎng)大，再結(jié)晶形核及長(zhǎng)大，無(wú)位錯(cuò)的等軸再結(jié)晶晶粒取代長(zhǎng)條狀高位錯(cuò)密度的形變晶粒，然后是晶粒的正常長(zhǎng)大性能的變化：形變儲(chǔ)存能逐漸被釋放，特別是再結(jié)晶階段釋放的最顯著硬度及強(qiáng)度下降，延伸率上升電阻降低，密度提高在結(jié)晶時(shí)各種性能的變化都比回復(fù)時(shí)強(qiáng)烈的多。3再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)橫坐標(biāo)是再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)是時(shí)間。再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)公式為：，再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)取決于形核率和長(zhǎng)大速率的大小。上圖為恒溫時(shí)的動(dòng)

17、力學(xué)曲線，成典型的“”形。4再結(jié)晶溫度及影響再結(jié)晶的主要因素再結(jié)晶溫度是指經(jīng)過(guò)大變形量的冷變形金屬，經(jīng)過(guò)1退火能能完成在結(jié)晶（>95）所對(duì)應(yīng)的溫度定義為再結(jié)晶溫度。影響再結(jié)晶的主要因素：變形程度的影響：冷變形程度越大，儲(chǔ)存能越多，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也越大，因此再結(jié)晶溫度越低，同時(shí)等溫退火時(shí)的再結(jié)晶速度也越快。原始晶粒尺寸：其他條件相同時(shí)，金屬的原始晶粒越細(xì)小，變形抗力越大，冷變形后儲(chǔ)存的能量越高，再結(jié)晶溫度也越低。溶質(zhì)原子：溶質(zhì)原子傾向于在位錯(cuò)及晶界處偏聚，阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移及晶界的遷移第二相粒子：第二相粒子較大時(shí)促進(jìn)再結(jié)晶，第二相粒子較小時(shí)阻礙再結(jié)晶再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：加熱溫度，加熱速度與

18、保溫時(shí)間等退火工藝參數(shù)，對(duì)變形金屬的再結(jié)晶有著不同程度的影響。5 晶粒正常長(zhǎng)大和二次再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大：再結(jié)晶完成以后，大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)逐漸均勻長(zhǎng)大的過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力是總的界面能的降低。二次再結(jié)晶：也稱為晶粒的異常長(zhǎng)大，是指再結(jié)晶結(jié)束以后正常長(zhǎng)大過(guò)程被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。其驅(qū)動(dòng)力是界面能的降低。第七章、鐵碳相圖與鐵碳合金1鐵碳相圖 鐵碳相圖是考試重點(diǎn)，每年都會(huì)考，考點(diǎn)：畫(huà)出鐵碳相圖，只畫(huà)實(shí)線部分即可，實(shí)線是冷卻，虛線是加熱溶解標(biāo)出圖中各點(diǎn)的字母和成分必須和原圖一樣，不得更改字母標(biāo)出包晶溫度、共晶溫度和共析溫度以及各相區(qū)的相組成會(huì)用杠桿法則計(jì)算某一點(diǎn)的相含量和組織含量2鐵碳合金及其在緩慢冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變根據(jù)碳含量的增加，鐵碳合金有以下組織及轉(zhuǎn)變過(guò)程： 工業(yè)純鐵室溫為鐵素體：緩慢冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變：共析珠光體0.77%C 室溫組織：鐵素體和滲碳體層片交替的混合物，白色薄片是鐵素體，黑色薄片是滲碳體緩慢冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變：亞共析鋼 室溫組織是先共析鐵素體和珠光體 200倍，白色先共析鐵素體，黑色珠光體過(guò)共析鋼 室溫組織是網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體 白色是二次滲碳體呈網(wǎng)狀分