材料科学基础复习要点

《材料科学基础》复习要点

一、主要内容

1. 工程材料中的原子排列

（1） 原子键合，工程材料种类；

（2） 原子的规则排列：晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。

（3） 原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。

2. 固体中的相结构

（1） 固溶体：分类、性能及影响固溶度的因素；

（2） 金属间化合物：分类、性能及特征；

（3） 陶瓷晶体相：分类、结构、性能及特征；

（4） 玻璃相：性能、特征及形成条件。

3. 凝固与结晶

（1） 结晶的基本规律；

（2） 结晶的基本条件；

（3） 晶核的形成：形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；

（4） 晶体的长大：长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；

（5） 凝固理论的应用。

4. 二元相图：

（1） 相图的基本知识；

（2） 二元匀晶相图、共晶相图及包晶相图：二元合金的平衡凝固及非平衡凝固，凝固过程中的成分变化及偏析，成分过冷与固溶体组织，共晶体形成机理及其形态，杠杆定律；

（3） 二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用；

（4） Fe-C相图分析及平衡凝固；

（5） 铸锭组织与偏析。

5. 材料中的扩散：

（1） 扩散定律及其应用；

（2） 扩散的微观机理，影响扩散的因素；

（3） 扩散的热力学理论；

（4） 反应扩散。

6. 塑性变形：

（1） 单晶体的塑性变形；

（2） 多晶体的塑性变形；

（3） 合金的塑性变形；

（4） 冷变形金属的组织与性能。

7. 回复与与结晶：

（1） 冷变形金属在加热时的变化；

（2） 回复：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；

（3） 再结晶：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；

（4） 再结晶后晶粒长大：机制，热力学，动力学，应用及组织控制，影响因素；

（5） 金属的热变形，超塑性。

二、参考书目

1. 《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，2000

2. 《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社 2003

3. 《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，2000

4. 《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998

《材料科学基础》复习纲要

重要概念

- 键合、工程材料

- 晶体、非晶体、各向异性

- 点阵、晶体结构、晶胞、晶系、布拉菲点阵、晶面指数、晶向指数、晶面族、晶向族 - 晶格常数、晶胞原子数、配位数、致密度、间隙

- 堆垛、密排面、密排方向、堆垛次序、堆垛方向

- 缺陷、点缺陷、刃位错、螺位错、混合位错

- 柏氏矢量、滑移矢量

- 位错密度

- 滑移、攀移、交滑移、交割、割阶、扭折、塞积

- 位错应力场、应变能、线张力、位错线上的力

- 位错增殖、位错源

- 全位错、不全位错、堆垛层错、位错反应

- 晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孪晶界

- 相、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体

- 金属间化合物、玻璃相

- 凝固、结晶、短程有序、长程有序

- 结构起伏（相起伏）、能量起伏、成分起伏

- 过冷度、形核过冷度、动态过冷度、临界过冷度、有效形核过冷度

- 均匀形核、非均匀形核、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率

- 光滑界面、粗糙界面、垂直长大、横向长大、温度梯度、树枝状

- 平衡转变（结晶）、非平衡转变（结晶）、正常凝固

- 匀晶、共晶、包晶、共析、包析、脱溶转变

- 平衡分配系数、有效分配系数

- 微观偏析（枝晶偏析）、宏观偏析

- 亚共晶、共晶、过共晶、伪共晶、离异共晶、非平衡共晶、包晶转变不完全性

- 铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体、工业纯铁、钢、铸铁

- 液相线、固相线、液相面、固相面、中间面、液相平均成分线、固相平均成分线 - 浓度三角形

- 垂直截面、水平界面、投影图

- 扩散、空位扩散、间隙扩散、稳态扩散、非稳态扩散

- 扩散系数、扩散激活能、扩散通量、迁移率

- 上坡扩散、反应扩散

- 滑移、滑移线、滑移带、滑移方向、滑移面、滑移系、临界分切应力、取向因子、吕德斯带

- 柯氏气团、屈服、应变时效

- 细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化、加工硬化

- 纤维组织、带状组织、流线、位错胞、变形亚结构、织构

- 回复、再结晶、晶粒长大

- 低、中、高温回复，多边化，去应力退火

- 再结晶温度、再结晶退火

- 临界变形度、热蚀沟、再结晶图

- 动态回复、动态再结晶，热变形

- 复合材料、基体、增强体、界面

各章知识要点

一、工程材料中的原子排列

§1.1 原子键合

原子键合的种类、特点、典型例子

工程材料的分类及其主要键合类型

键合的多重性

§1.2 原子的规则排列

晶体的特点、晶体结构、点阵

晶系、布拉菲点阵

晶面指数、晶向指数（标定和作图）及其特点，晶面族、晶向族

晶面间距

典型金属结构（fcc、bcc、hcp）（晶胞原子数、点阵常数、配位数、致密度）

（间隙种类及其特点）（堆垛方式）

多晶型性、同素异晶转变

陶瓷晶体结构（离子键晶体、共价键晶体）（结构规则、不等径刚球密堆原理）

§1.3 原子的不规则排列

缺陷的种类

点缺陷的种类

空位的平衡浓度

点缺陷对晶体性能的影响

位错的类型、特点

柏氏矢量（柏氏回路）

位错的运动方式、特点

位错的力学性能（应力场、畸变能、位错线上的力、线张力）

位错的交互作用（位错与点、线、面缺陷的交互作用）

位错增殖

实际晶体中的位错（全位错、不全位错、单位位错、部分位错、堆垛层错、弗兰克位错、肖克来位错）

位错反应

面缺陷（类型及其结构模型、界面能、界面的特点）

二、固体中的相结构

§ 2.1 固溶体

- 固溶体的概念、分类

- 影响固溶度的因素

- 固溶体的均匀性

- 固溶体的性能

§ 2.2 金属间化合物

- 化合物的概念、分类

- 化合物的性能

§ 2.3 陶瓷晶体相

- 陶瓷的概念、特征

§ 2.4 玻璃相

- 陶瓷的概念、形成条件

三、凝固§ 3.1 金属结晶的基本规律 - 微观规律（形核、长大、）- 宏观规律（过冷） § 3.2 金属结晶的基本条件

- 热力学条件（ΔG < 0、ΔT ）- 动力学条件（形核：结构条件、能量条件、成分条件）（长大：速度条件）

§ 3.3 晶核的形成- 形核的方式（均匀形核、非均匀形核）- 结晶时的体系能量变化- 形核的驱动力和阻力- 临界晶核的概念- 临界晶核半径及其计算- 临界形核功及其计算- 形核率（概念、影响因素、特点）- 两种形核方式的比较

§ 3.4 晶体的长大- 液固界面的微观结构- 晶体的长大机制- 温度梯度- 晶体长大的形态

§ 3.6 凝固理论的应用- 铸锭晶粒组织及其控制- 单晶体的制备- 定向凝固- 非晶合金的制备- 微晶合金的制备

四、相图

§ 4.1 相、相平衡及相图制作- 相的定义- 相平衡的定义- 成分的表示方法（质量分数、摩尔分数）- 相图的制作方法

§ 4.2 匀晶相图- 相图分析- 成分变化（平衡、非平衡）（微观偏析、宏观偏析）- 成分过冷（概念、形成原因）- 固溶体形貌

§ 4.3 共晶相图- 相图分析- 共晶转变特点- 典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）- 成分变化（平衡、非平衡）- 共晶形成机理（形核机理、长大机理）- 共晶体形貌特征（平衡、非平衡）- 杠杆定律计算（相组成、组织组成）

§ 4.4 包晶相图- 相图分析- 包晶转变特点- 典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）- 成分变化（平衡、非平衡）- 包晶形成机理- 杠杆定律计算（相组成、组织组成） § 4.5 其它相图- 相图分析方法、步骤- 典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）- 成分变化（平衡、非平衡）- 杠杆定律计算（相组成、组织组成）

§ 4.6 Fe-C相图- 相图分析- 典型合金的平衡结晶过程- 成分变化- 典型合金的名称- 杠杆定律计算（相组成、组织组成）

§ 4.8 铸锭组织与偏析- 偏析的类型

§ 4.9 三元合金相图- 成分表示法（浓度三角形）- 三元匀晶相图（立体图、投影图）- 三元匀晶相图（垂直截面、水平截面）- 三元匀晶相图平衡结晶过程- 简单三元共晶相图（立体图、投影图）- 简单三元共晶相图（垂直截面、水平截面）- 简单三元共晶相图平衡结晶过程

五、材料中的扩散§ 5.1 扩散定律及其应用 - 扩散第一定律及其应用条件- 扩散第二定律及其应用条件

§ 5.2 扩散的微观机理- 扩散的微观机理- 原子热运动对扩散的影响- 晶态、非晶态化合物中的扩散

§ 5.3 扩散的热力学理论- 扩散的驱动力- 上坡扩散（概念、诱因）- 扩散系数 § 5.4 反应扩散- 反应扩散（概念、特点）陶瓷的概念、特征

§ 5.5 扩散的影响因素- 影响因素及其机理

六、塑性变形§ 6.1 应力－应变曲线 - 工程应力应变曲线、真应力应变曲线及二者差别- 强度及塑性指标，硬化系数

§ 6.2 单晶体的塑性变形- 滑移现象（滑移线、滑移带、滑移特征）- 滑移系- 临界分切应力- 滑移的微观机理- 晶体的转动、多滑移、交滑移及滑移线形貌- 孪生的概念、特点

§ 6.3 多晶体的塑性变形- 位向差及晶界对塑变的影响- 细晶强化机理、特征- 霍尔－配奇公式

§ 6.4 合金的塑性变形- 固溶强化机理- 屈服及应变时效- 复相强化机理及特征- 弥散强化机理

§ 6.5 冷变形金属的组织和性能- 组织变化（显微组织、变形亚结构、变形织构）- 能量变化（内应力、畸变能）- 力学性能（加工硬化）- 物理、化学性能变化

七、回复与再结晶§ 7.1 加热时的变化- 显微组织变化- 能量变化- 力学性能变化- 物理、化学性能变化

§ 7.2 回复- 回复机制- 回复热力学- 回复动力学- 回复应用

§ 7.3 再结晶- 再结晶机制（形核机制、长大机制）- 再结晶热力学- 再结晶动力学- 再结晶温度及其影响因素- 再结晶组织及其影响因素

§ 7.4 再结晶后晶粒长大- 长大方式- 晶粒长大（特征、热力学、动力学）- 晶粒长大影响因素- 再结晶应用

八、固态相变- 固态相变的分类

九、复合效应与界面- 复合材料定义、分类- 复合材料的构成、各部分的作用- 复合效应- 界面结合种类

热处理改变钢的性能的原因是因为采用不同的加热、保温、冷却方式使钢内部结构发生改变，从而获得所需性能。如果再热处理过程中无结构变化，则该钢就不能热处理。奥氏体热处理没有相变发生。

奥氏体是通过加工硬化来进行强化的，也就是通过冷加工变形处理提高强度(在经低温去应力退火）

吕德斯带产生是工件变形屈服阶段产生的，宏观上出现表现是的受力不均产生“制耳”现象。防止的方法可以对工件进行预变形处理，使工件越过屈服阶段。