北京科技大学《金属学》考试要点

北京科技大学《金属学》考试要点金属学：是关于金属材料（金属和合金）的科学，它的中心内容是研究金属和合金的成分、结构、组织和性能，以及它们之间的相互关系和变化规律。组织：是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。结构：是指原子集合体中各原子的具体组合状态。点阵常数：过单胞任一顶点的三个棱边的长度a、b、c以及三个棱边的夹角α、β、γ，为表征点阵特征的六个参量，叫点阵参数；a、b、c也叫点阵常数。空间点阵与晶体点阵的区别与联系？空间点阵是晶体中质点排列的几何抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型（布拉菲点阵，晶体结构形式，晶形）。晶体点阵：是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。有序固溶体（超结构）：当固溶体有序化到一个程度，以致在整个晶体点阵中演技和溶剂原子都按统一的确定分布时，即达到长程有序时，这样的固溶体就叫有序固溶体，或超结构。界面：界面上的原子所占据的位置相当于这两个晶粒点阵的共有阵点。完全的界面其界面能量最低。形核功：式中，XX为晶核形成功，它需要领先系统的能量涨落来提供，它与（三角形）T成反比例，（三角形）T越大，则（三角形）G越小，便越有利于形核。滑移：滑移是晶体的两部分之间沿着一定的晶面（滑移面）和一定的日币（滑移方向）而发生的一种相对切变。二次再结晶：再结晶完成后，晶粒长大表现出的反常现象。少数圈套的晶粒优先快速长大，逐步吞食其周围的大量小晶粒中，形成非常粗大的组织，好像也是一个生核长大过程。晶体缺陷：实际晶体中原子组合（原子，分子，离子或原子团）的不规则性，不完整性，统称为晶体缺陷。包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。形核功：尺寸的晶胚变为蜾所需的那一部分功，系统能量涨落来提供。亚稳极限：液体中存在最小过冷度。当过冷度小于这个值时，凝固几乎不能进行或难于察觉，液体可以长期牌亚稳状态。临界分切应力：使单晶体中的滑移系启动的分切应力值。在滑移面的滑移方向上，只有当分切应力的值达到或超过某一特定的大小以后，沿这一滑移系才能开始滑移，这个特定的值就是临界分切应力。扩散驱动力：扩散的驱动力是尝试梯度，物质问题从尝试高处向尝试低处迁移。扩散的根本驱动力是化学位梯度。一般条件下，化学位梯度与尝试梯度是一致的（正常扩散），看起来扩散总是向尝试梯度减小的方向进行。但在另一些条件下，如果化学位梯度与浓度梯度相反时（上坡扩散）化学位梯度的本质就充分显露出来。加宽柱状晶：液体的过热度应该大，小的凝固范围，增加温度梯度，减小液体运动，合金熔点高。加宽等轴晶：液体的过热度应该小，大的凝固范围，减小温度梯度，加强液体运动，合金熔点低。菲克第一定律：在扩散过程中，物质的扩散流量，即单位时间内通过单位横截面积所输送的物质的量与其横跨这一截面的浓度梯度成正比。扩散方向与浓度梯度的方向相反，扩散向浓度减小的方向进行。扩散系数Ｄ浓度梯度扩散流量菲克第二定律：物质流入元体积内的量减去流出量必然等于积存在这个体积内的物质量。物质流入元体积的速率，减去流出的速率，应等于这个体积内物质的积存速率。Fick第二定律的一般表达式：当D不随浓度而变化时：冷加工：冷加工过程中只有加硬化，也就是曲线中的OA，到了AB段，材料发生塑性变形。到了BC段，动态恢复与加工硬化几乎抵消，所以BC呈一条趋于水平的线的曲线。柱晶区：粗大的长柱状晶粒，紧接细晶外壳，定向结晶的产物。两个一致性：几何取向的一致性：各柱晶的长轴大致与模壁垂直；晶体学取向的一致性：择尤取向，这种组织叫织构。每个晶粒的长轴都与一个特定的晶向（织构轴）相平行。等轴晶区：较粗大的各方向尺寸近乎一致的晶粒，位于铸锭心部。小角度晶界的结构模型：柏氏矢量平等的同号刃型位错垂直堆起来，晶界两边是对称的，称对称倾转晶界；柏氏矢量相互垂直的刃型位错交叉堆集而成的称为不对称倾转晶界；由同号螺旋位错构成的为氛围晶界。固溶体在强度方面，比两个纯组元的平均值高，单比一般化合物低；在范性和韧性方面，延伸率、面缩率等，比两个纯组元的平均值略低，单比一般的化合物要高得多、又较优越的综合力学性能。凝固过程的成长机理：连续成长：适合于粗糙界面。晶体界面上，原子位置约有一半虚位以待，易于接纳外来原子。晶体依靠原子由液体连续不断地向固体扩散而成长。借台阶侧向扩展成长：适合于具有台阶的平滑界面。台阶处原子附着时配位数大，结合较强，不易再返回液体中。界面上台阶越多，沿法向成长的线速度愈大。界面晶面的原子密度越低，台阶密度愈大。二维晶核式的成长：适合于晶体界面既无台阶也无缺陷，理想平面。单个孤立原子很难稳定在晶体表面，结合牢靠。靠系统能量涨落形成一个具有单原子厚度、并具有一定宽度（临界晶核尺寸）的平面原子集团，同时落在平滑界面上。二维晶核形成后，周围出现台阶晶体借台阶侧向扩展成长凝固过程的宏观特征：液体必须具有一定的过冷度，凝固才能发生；凝固过程中伴随着潜热的释放，结晶潜热。区域偏析（宏观偏析）：1.正常偏析：K0<1的合金系，先凝固区域的溶质（或杂质）浓度低于后凝固区域。正常偏析一般发生在柱晶范围内,溶质分布随液、固相扩散混匀能力而变化。2.反常偏析：枝晶之间残留液体随枝晶横向扩展而浓度升高、熔点下降、凝固缓慢，枝晶之间若断若续留有隧道和暗流。凝固收缩产生负压，使柱晶间富集溶质或杂质的液体向外倒流，而后凝固。3.比重偏析：固、液相间有成分和比重的差异，结晶过程中发生了浮、沉现象，造成偏析。绝大部分金属和合金的固相比重大于液相结晶体总是往下沉→“结晶雨”。异分凝固时不一定。结晶后的组织中产生显微偏析的原因，采取什么措施能减弱和消除偏析？显微偏析：固溶体的结晶只要偏离平衡态，都会引起偏析，一般发生在几个晶粒距离范围内，称为显微偏析。消除办法：产生后可用扩散退火法消除掉，快冷。一般来说，快冷大多可使显微偏析减弱。当冷却速度很大时（如近代激冷技术），可获得近似非扩散凝固，可得到超细晶粒、超饱和度、低偏析或无偏析、甚至非晶态组织。凝固以后减小或消除偏析：扩散退火均匀化，即在高温较长时间加热和保温。固溶体结晶过程的特点：1）结晶过程发生在一个温度范围内2）结晶过程所形成的晶体与其紑化学成分不一样，而且无论是晶体或是液体的成分，都随着温度的下降而不断地变化着。韧性自然就会提高。相界面：在复相合金中，一个晶粒周围可以出现成分结构都不相同的另一种晶粒，它们间的界面为相界面。结晶与再结晶吕德斯：某些含有溶质组元的单晶体或多晶体的应力-应变曲线：滑移启动的抗力较大（上屈服点），而滑移进行的抗力较小（下屈服点）。一旦滑移开动进来，就可以在较低的应力下进行，直到发生较明显的加工硬化后，应力才会进一步增加。消除吕德斯带：消除柯氏气团，避免上、下屈服点的出现。预变形法：预先摆脱溶质原子气团的作用；消除溶质元素或加入一些固定溶质的元素。影响扩散的因素：1.温度与扩散系数的关系，成指数关系2.界面对扩散的影响：D表面>D界面>D晶内。3.晶体结构和结构缺陷对扩散的影响：密堆结构点阵中扩散比非密堆点阵中扩散慢。各种结构缺陷都会使扩散系数增大，扩散速度加快。空位对扩散的影响：空位机理是扩散过程的重要机理，凡是能够提高空位浓度的有效方法，都能加速扩散。位错对扩散的影响D错>D内4.化学成分对扩散的影响：一般说来，合金元素与溶剂的差别越大，它在溶剂中的扩散速度也盐碱。5.扩散的异性：扩散在异性的晶体中，由于各个方向上原子的排列不同，原子跳动的频率就会有差异，这最终会反应在各个方向上的扩散速度的差异上，称为扩散的异性。回复与再结晶过程中组织和性能的变化特征（形变金属或合金退火过程中的一般变化）一、显微组织的基本变化回复阶段：光学显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长或偏平状，电镜下的精细组织可显示出变化。再结晶阶段：形变晶粒内部发生了新晶粒的生核和成长过程，直到形变组织完全改组为新的等轴晶粒为止。再结晶是一个无畸变晶粒在畸变基本中的生核和成长过程，这个阶段宏观性能变化最剧烈。晶粒长大阶段：新晶粒逐步相互吞食而长大，直到达到一个较为稳定的尺寸。二、储存能的变化同一金属，再结晶阶段对应能量释放最大峰值。不同金属，回复过程释放的能量：对纯金属来说很小（3％），再结晶驱动力大，对合金来说很大（70％），再结晶驱动力小。杂质原子或合金组元能够显著推迟基体金属的再结晶过程。三、性能的变化1.硬度(位错起作用)：回复阶段变化小,约占总变化的1/5；再结晶阶段变化大,约占总变化的4/5.强度变化相似.2.电阻(点缺陷起作用)：回复阶段和再结晶阶段变化相似.点缺陷密度显著下降.3.密度(空位起作用)：回复阶段和再结晶阶段变化相似.空位浓度和刃型位错密度减小.回复阶段：力学性能变化小（硬度、强度）物理性能变化大（电阻、密度）。再结晶阶段：宏观性能变化大粗大再结晶晶粒措施：再结晶：是一个显微组织彻底重新改组的过程。（是无畸变能或畸变能较低的晶粒在畸变能较高的若何中进行生核和成长的过程，驱动力是畸变能差，阻力则来自晶界能）再结晶温度：再结晶温度不象结晶或其它的相恋温度那样确定不变，它受许多因素影响，可以随条件的不同而在一个相当宽的范围内变化。通常所说的再结晶温度是指在规定的时间内（如一个小时）通匪免冠地结晶，或再结晶达到规定程度（如94%）的最低温度。即再结晶温度包含时间和再结晶量两个因素在内。强度：影响金属材料强度的因素主要是温度