材料科学基础B复习总结

1、11材料科学基础材料科学基础B1Foundations of Materials Science考题类型考题类型一、名词解释（一、名词解释（5 52=102=10分）包含在目录中分）包含在目录中二、选择填空（二、选择填空（15151=151=15分）包含在资料中分）包含在资料中三、判断题（三、判断题（10101=101=10分）包含在资料中分）包含在资料中四、分析和计算（四、分析和计算（5 56 6题，共题，共6565分）课堂例题、每分）课堂例题、每章习题、不同章节综合题。章习题、不同章节综合题。2共分十大问题进行总结共分十大问题进行总结第一章第一章原子结构和晶体结构原子结构和晶体结构第二章第

2、二章 晶体缺陷晶体缺陷第六章第六章 塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶对体心立方和面心立方两种晶体分析计算以下对体心立方和面心立方两种晶体分析计算以下13内容。内容。1.1.标定或画出晶面、晶向指数标定或画出晶面、晶向指数2.2.原子半径与晶格常数关系原子半径与晶格常数关系3.3.滑移系滑移系4.4.金属强化原理及方法金属强化原理及方法31.标定或画出晶面、晶向指数标定或画出晶面、晶向指数晶面指数和晶向指数与体心和面心结构无关晶面指数和晶向指数与体心和面心结构无关, ,但是但是原子排列不同。原子排列不同。晶胞模型晶胞模型晶胞模型晶胞模型4常用晶面常用晶面111110和晶向和晶向 坐标原点可以任意

3、取，但坐标轴的方向不能变！坐标原点可以任意取，但坐标轴的方向不能变！ 面心立方面心立方2个（个（111）晶面）晶面 体心立方体心立方5个（个（111）晶面（不含过原点的晶面）晶面（不含过原点的晶面 过面心的晶面过面心的晶面n=1 ， 不过体心的晶面不过体心的晶面n =1/2 反之反之n=1/2 反之反之n=11.标定或画出晶面、晶向指数标定或画出晶面、晶向指数)111(111 这是指他们的原子排列相同，是等价的晶面这是指他们的原子排列相同，是等价的晶面但是，在计算分切应力时，符号正好相反，也是等价的。但是，在计算分切应力时，符号正好相反，也是等价的。一组晶面不仅一组晶面不仅要过顶点的原要过顶点

4、的原子，对面心立子，对面心立方金属，还必方金属，还必须过面心的原须过面心的原子；而对体心子；而对体心立方，还要过立方，还要过顶点的原子。顶点的原子。2个（111）5个（111）51.标定或画出晶面、晶向指数标定或画出晶面、晶向指数面心立方同时过面心立方同时过顶点和面心原子顶点和面心原子，n=1体心立方同时过体心立方同时过顶点和体心原子顶点和体心原子，n=1110晶面，不存在晶面，不存在n,n,0n1的晶面的晶面无此晶面61.标定或画出晶面、晶向指数标定或画出晶面、晶向指数指数为有理数的晶向都存在。指数为有理数的晶向都存在。72原子半径与晶格常数关系原子半径与晶格常数关系（计算金属的密度、空位密

5、度、晶面间距、柏氏矢量的模）（计算金属的密度、空位密度、晶面间距、柏氏矢量的模）面心立方4r=4个原子a 2a3体心立方4r=2个原子理论密度=3a单个原子质量晶胞原子数实际密度实际密度=理论密度（理论密度（1-空位密度）空位密度）柏氏矢量的模柏氏矢量的模=晶向上相晶向上相邻两个原子之间的距离邻两个原子之间的距离222lkhnadhkl面心立方过面心或体心立面心立方过面心或体心立方过体心的晶面方过体心的晶面n=1否则否则n=1/283.滑移系滑移系（计算单晶体的分切应力，屈服强度、临界切应力）（计算单晶体的分切应力，屈服强度、临界切应力）面心立方面心立方111体心立方体心立方110)(6)(2

6、22zyxwzvyuxlzkyhxxyz为拉伸轴方向为拉伸轴方向切应力为负数和正数等价切应力为负数和正数等价 临界临界发生塑性变形发生塑性变形 = 临界临界对应的拉应力对应的拉应力为屈服强度为屈服强度 对密排六方金属，对密排六方金属，拉伸轴方向不同，屈拉伸轴方向不同，屈服强度差别较大。服强度差别较大。 但对面心立方和体但对面心立方和体心立方金属，拉伸轴心立方金属，拉伸轴方向影响较小。方向影响较小。94.金属强化原理及方法金属强化原理及方法固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化强化方法涉及强化方法涉及 第第3章凝固原理章凝固原理 第第4章固态扩散章固态扩

7、散 第第6章塑性变形再结晶章塑性变形再结晶 第第7章合金的相结构与结晶章合金的相结构与结晶10（1）固溶强化固溶强化溶质原子使晶格发生畸变，形成应力场溶质原子使晶格发生畸变，形成应力场，以及向位错偏聚形成柯氏气团钉扎位错，这种应力场与位错发，以及向位错偏聚形成柯氏气团钉扎位错，这种应力场与位错发生交互作用，阻碍位错运动，产生强化作用，即固溶强化。生交互作用，阻碍位错运动，产生强化作用，即固溶强化。分类：分类： 置换原子置换原子置换固溶体。置换固溶体。 间隙原子间隙原子间隙固溶体。间隙固溶体。效果：效果： 与溶质原子浓度成正比，且置换固溶体强化效果小，间隙与溶质原子浓度成正比，且置换固溶体强化效

8、果小，间隙固溶体强化效果很大。固溶体强化效果很大。方法：方法： （1 1）合金化）合金化在纯金属或二元合金基础上加入其它合金元在纯金属或二元合金基础上加入其它合金元素。如纯素。如纯FeFeFeFe-C-C Fe-C+NFe-C+N、SiSi、MnMn、CrCr、NiNi等。等。 （2 2）固溶处理）固溶处理得到过饱和固溶体得到过饱和固溶体 （3 3）淬火）淬火得到得到C C过饱和马氏体（下学期介绍）过饱和马氏体（下学期介绍）4.金属强化原理及方法金属强化原理及方法11（2 2）细晶强化细晶强化位错不能直接通过晶界，阻碍位错运动，位错不能直接通过晶界，阻碍位错运动，在晶界处塞积，从而提高强度。在

9、晶界处塞积，从而提高强度。 分类：分类： 晶界（大角度晶界）晶界（大角度晶界）晶粒与晶粒之间的界面晶粒与晶粒之间的界面 亚晶界（小角度晶界）亚晶界（小角度晶界）晶粒内的倾斜、扭转晶粒内的倾斜、扭转 晶界。晶界。 孪晶界（大角度晶界）孪晶界（大角度晶界）孪晶之间的界面孪晶之间的界面 相界相界不同相之间的界面。又分为共格、半共格不同相之间的界面。又分为共格、半共格 和非共格三种。和非共格三种。 效果：效果： dd晶粒、亚晶粒平均直径晶粒、亚晶粒平均直径 树枝晶晶轴、二次晶轴间距树枝晶晶轴、二次晶轴间距 孪晶尺寸孪晶尺寸 层片状的共晶、共析组织的片间距层片状的共晶、共析组织的片间距 第二相颗粒间距第

10、二相颗粒间距 4.金属强化原理及方法金属强化原理及方法2/10kds组织细化组织细化强度提高强度提高124.金属强化原理及方法金属强化原理及方法方法：方法： 凝固（铸造）方面：凝固（铸造）方面： a) a)提高冷却速度（增大过冷度）提高冷却速度（增大过冷度）增大形核率。增大形核率。 b b）孕育、变质处理（孕育剂、变质剂）孕育、变质处理（孕育剂、变质剂）增大增大 形核率，改变组织形态。形核率，改变组织形态。 c c）振动、搅拌）振动、搅拌增大形核率。增大形核率。 塑性变形塑性变形再结晶和动态再结晶。主要适合纯金属和低合金金再结晶和动态再结晶。主要适合纯金属和低合金金属。与变形温度（冷加工、热加

11、工）、变形量、再结晶退火温度和保属。与变形温度（冷加工、热加工）、变形量、再结晶退火温度和保温时间有关。温时间有关。 合金化和固态相变（下学期介绍）合金化和固态相变（下学期介绍）134.金属强化原理及方法金属强化原理及方法（3 3）位错强化）位错强化运动运动位错与林位错的交割、位错位错与林位错的交割、位错缠结形成位错胞，从而增加了位错运动阻力，提高了强缠结形成位错胞，从而增加了位错运动阻力，提高了强度。度。效果：效果：方法：方法： 冷加工：冷轧、冷拔；对零件表面喷丸、滚压。冷加工：冷轧、冷拔；对零件表面喷丸、滚压。 热加工：热轧、热拔。（效果小）热加工：热轧、热拔。（效果小） 马氏体相变（下学

12、期讲）马氏体相变（下学期讲） 2/10k14（4 4）第二相强化）第二相强化位错绕过位错绕过不变形粒子不变形粒子形成位错环形成位错环或切过或切过可变形第二相（粒子）可变形第二相（粒子）增加新的界面，都需要增加增加新的界面，都需要增加新的能量，从而产生强化效应。新的能量，从而产生强化效应。分类：分类： 不可变形粒子不可变形粒子 可变形粒子可变形粒子 可变形第二相（与基体相尺寸相当）可变形第二相（与基体相尺寸相当）效果：效果： 不可变形粒子不可变形粒子粒子间距越小强化效果越大粒子间距越小强化效果越大 可变形粒子可变形粒子粒子本身强度越高或体积分数越粒子本身强度越高或体积分数越大大 则强化效果越大。

13、则强化效果越大。 可变形第二相可变形第二相本身强度越高或体积分数越大本身强度越高或体积分数越大则则 强化效果越大。强化效果越大。4.金属强化原理及方法金属强化原理及方法154.金属强化原理及方法金属强化原理及方法方法：方法： 粉末冶金法：将纳米级不可变形颗粒（如粉末冶金法：将纳米级不可变形颗粒（如WCWC等）等） 与纯金属或合金粉混合、压制、烧结与纯金属或合金粉混合、压制、烧结弥散强化弥散强化 固溶固溶- -时效：先固溶，再进行时效处理。固溶强时效：先固溶，再进行时效处理。固溶强 化效果减小，第二相强化效果增大。共格界面和化效果减小，第二相强化效果增大。共格界面和 不可变形粒子时效强化大，而非

14、共格界面和可变不可变形粒子时效强化大，而非共格界面和可变 形粒子强化效果小，甚至小于固溶强化效果（只形粒子强化效果小，甚至小于固溶强化效果（只 固溶，不进行时效）固溶，不进行时效） 形成双相组织（下学期介绍）：如形成双相组织（下学期介绍）：如F+PF+P、F+MF+M、 M+B M+B、黄铜等。、黄铜等。16 第第3 3章凝固原理章凝固原理 第第4 4章固态扩散章固态扩散 第第6 6章塑性变形与再结晶章塑性变形与再结晶 第第7 7章合金的相结构与结晶章合金的相结构与结晶5.5.固溶体和金属间化合物固溶体和金属间化合物6.6.形核形核7.7.长大长大8.8.平衡结晶平衡结晶9.9.杠杆定律杠杆定

15、律10.10.非平衡结晶非平衡结晶175.固溶体和金属间化合物固溶体和金属间化合物固溶体固溶体：合金结晶时组元相互溶解所形成的晶体结构与组成合金结晶时组元相互溶解所形成的晶体结构与组成 合金的某一组元相同合金的某一组元相同的的固相。固相。金属间化合物金属间化合物：两组元两组元A和和B组成合金时形成组成合金时形成的的晶体结构与晶体结构与A 或或B组元均不相同的新相。组元均不相同的新相。（1 1）固溶体的分类）固溶体的分类 按溶质原子的位置分：间隙固溶体和置换固溶体。按溶质原子的位置分：间隙固溶体和置换固溶体。 按溶解度分：有限固溶体和无限固溶体。按溶解度分：有限固溶体和无限固溶体。 按溶质原子是

16、否有序分：有序固溶体和无序固溶体。按溶质原子是否有序分：有序固溶体和无序固溶体。 （2 2）固溶体的特性固溶体的特性 固溶强化。固溶强化。 固溶体综合固溶体综合力学力学性能很好性能很好，常作为结构合金的常作为结构合金的基体相基体相。 间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体的强化效果。间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体的强化效果。185.固溶体和金属间化合物固溶体和金属间化合物（3 3）金属间化合物的分类：）金属间化合物的分类： 正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。（4 4）金属间化合物的性质）金属间化合物的性质 金属金属间间化合物一般熔点

17、较高化合物一般熔点较高，硬度高硬度高，耐磨性好、，耐磨性好、脆性脆性大。大。作为结构合金的作为结构合金的强化强化相相和耐磨相和耐磨相。196.6.形核形核（1 1）概念：）概念：液态金属结晶时，首先形成一些微小而稳液态金属结晶时，首先形成一些微小而稳定的晶体，它们就是晶体长大的核心，故称为晶核。定的晶体，它们就是晶体长大的核心，故称为晶核。（2 2）分类：）分类：均匀形核和非均匀形核。均匀形核和非均匀形核。（3 3）临界晶核半径和形核功）临界晶核半径和形核功2v3cvcv22v33162084dd434GGGrrGrrGrGrG得2m2m2m3cmmmv)1(316)(TTLTGTTTLG20

18、6.6.形核形核（4 4）形核率）形核率 概念：概念：单位体积在单位时间内形成的核心数。单位体积在单位时间内形成的核心数。 计算公式：计算公式：)1(316exp()exp()exp()exp(2m2m2m30c0c0RTTTLTQIRTGQIRTGRTQII217.7.长大长大（1 1）概念：）概念：晶体长大速度指新相与母相（液体或固体）晶体长大速度指新相与母相（液体或固体）界面向母相推进的速度。界面向母相推进的速度。（2 2）界面结构：）界面结构：光滑界面和粗糙界面两种。光滑界面和粗糙界面两种。（3 3）粗糙界面长大机理：）粗糙界面长大机理：垂直长大。垂直长大。（4 4）光滑界面长大机理：

19、）光滑界面长大机理：多种方式。多种方式。（5 5）长大速度：）长大速度：)|exp(1)exp(mmm0RTTTTLRTQuu228.8.平衡结晶平衡结晶（1 1）概念：）概念：在结晶过程中有充分时间（冷却非常缓慢）在结晶过程中有充分时间（冷却非常缓慢） 进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。（2 2）平衡结晶冷却曲线类型及反应式、组织、性能）平衡结晶冷却曲线类型及反应式、组织、性能 1 1）纯金属、共晶合金）纯金属、共晶合金 纯金属强度最低，塑性最好；无法通过热纯金属强度最低，塑性最好；无法通过热处理进行强化，但可进行形变强化或塑性变形处理进行强化，但可

20、进行形变强化或塑性变形+ +回复、再结晶细化晶粒。回复、再结晶细化晶粒。共晶合金适合铸造，强度高，塑性差，不能进行塑性加工，不能通过热共晶合金适合铸造，强度高，塑性差，不能进行塑性加工，不能通过热处理改变组织和性能。处理改变组织和性能。LL (纯金属）纯金属）L（ + ） (共晶合金，得到共晶组织）共晶合金，得到共晶组织）无变化无变化室温相组成：室温相组成： ( (纯金属）纯金属） + (共晶合金）共晶合金）室温组织：室温组织： (纯金属）纯金属） （ + + ）共晶组织）共晶组织( (共晶合金）共晶合金） 232 2）纯匀晶转变纯匀晶转变 只有固溶强化作用，塑性好。无只有固溶强化作用，塑性好

21、。无法通过热处理进行强化，但可进行法通过热处理进行强化，但可进行形变强化或塑性变形形变强化或塑性变形+回复、再结回复、再结晶细化晶粒。晶细化晶粒。8.8.平衡结晶平衡结晶LL 或或 无变化无变化 LL+ L+ LL+ + LL+ L+ + 室温只有一种室温只有一种相、一种组织相、一种组织243 3）匀晶转变）匀晶转变+ +析出第二相析出第二相 具有固溶强化和第二相强化作用。强度较高、塑性较好。可进行塑性具有固溶强化和第二相强化作用。强度较高、塑性较好。可进行塑性加工。加工。 强化方法：塑性变形、固溶处理、时效处理；强化方法：塑性变形、固溶处理、时效处理；固溶处理固溶处理+塑性变形塑性变形+回复

22、回复、再结晶。、再结晶。L 或或 室温相：室温相： + 室温室温组织组织： + 或或 + L+ LL+ + LL+ L+ + L 或或 单相区单相区254 4）匀晶转变）匀晶转变+ +共晶（包晶）转变共晶（包晶）转变+ +析出第二相析出第二相 强度高、塑性差。不能进行塑性加工。一般不能通过热处理改变组织强度高、塑性差。不能进行塑性加工。一般不能通过热处理改变组织和性能。和性能。L 室温相：室温相： + 室温室温组织组织： + + +(+( + + )()(亚共晶）亚共晶） + + +(+( + + )()(过共晶）过共晶） + + + )(亚包晶）亚包晶） L+ LL+ + LL+ L+ +

23、L 或或 L( + ) )L+ 269.9.杠杆定律杠杆定律室温下是单一的相和组织（室温下是单一的相和组织（100%100%）室温下：室温下： + 两两种相种相 + 两种组织（质量分数与相的两种组织（质量分数与相的质量分数相同）质量分数相同）在共晶转变温度，共晶转变开始前在共晶转变温度，共晶转变开始前 L+ 两种相两种相 （不考虑组织）（不考虑组织） 共晶转变结束：共晶转变结束： + 两种相两种相: 初生相初生相+共晶组织共晶组织 初生初生 和和1- 155cccc11233LccccC C为合金成分，为合金成分，下同下同 L+ L + L+ c1c2c3c4c51244cccc室温下两种相，

24、三种组织。室温下两种相，三种组织。1155cccc )(1512)(232)(1)(1 (cccccccc两种相，一种组织两种相，一种组织2710.10.非平衡结晶非平衡结晶（1 1）概念：）概念：冷却速度较快，扩散不能充分进行的结晶过程。冷却速度较快，扩散不能充分进行的结晶过程。（2 2）平衡结晶与非平衡结晶过程的主要区别）平衡结晶与非平衡结晶过程的主要区别 1)1)平衡结晶过程不存在温度梯度，因而在宏观上不存结晶的先后次序问平衡结晶过程不存在温度梯度，因而在宏观上不存结晶的先后次序问题，在微观上和宏观上的成分及组织均无差异。题，在微观上和宏观上的成分及组织均无差异。 2 2）非平衡结晶过程存在温度梯度，因而在宏观上存在结晶的先后次序问非平衡结晶过程存在温度梯度，因而在宏观上存在结晶的先后次序问题，出现宏观上组织不尽相同（如铸锭宏观组织出现三个区域）。题，出现宏观上组织不尽相同（如铸锭宏观组织出现三个区域）。 3 3）因为扩散不能充分进行，在宏观上（如因为扩散不能充分进行，在宏观上（如区域熔炼区域熔炼）和微观上（）和微观上（晶内偏晶内偏析、晶间偏析、枝晶偏析析、晶间偏析、枝晶偏析）出现成分不均匀。）出现成分不均匀。 4 4）非平衡结晶过程中温度梯度大小以及固非平衡结晶过程中温度梯度大小以及固-液界面附近液相一侧的浓度液界面附近液相一侧的浓度分布（分布（成分过冷现象成分过冷现