材料科學基礎複習總結 **： ☆張帥☆的日誌
第一章材料的結構
一、概念
晶體：物質的質點（分子、原子或離子）在三維空間呈規則的週期性重複排列的物質。
空間點陣：把質點看成空間的幾何點，點所形成的空間陣列。
晶格：用假想的空間直線，把這些點連線起來，所構成的三維空間格架。
晶胞：從晶格中取出具有代表性的最小幾何單元。
配位數: 指晶格中任一原子周圍所具有的最近且等距的原子數。
致密度:
合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。
固溶體：指溶質組元溶於溶劑晶格中，並保持溶劑組元晶格型別而形成的均勻固體。
置換固溶體：溶質原子佔據溶劑晶格的某些結點位置而形成的固溶體。
間隙固溶體：溶質原子佔據溶劑晶格間隙而形成的固溶體。
間隙相：當r非/r金＜0.59時，形成具有簡單晶格的化合物，稱為間隙相。
二、思考題
1.在單位立方晶胞中畫出(112)和(110)晶面，並求出兩晶面交線的晶向指數。
2.已知銅的原子半徑為0.127nm，求其晶格常數和致密度各為多少？
3.在立方晶胞中畫出(112) 晶面和[221]， 晶向。
第2章晶體缺陷
一、概念
肖特基缺陷：原子由於熱振動脫離正常結點後，跑到晶體表面構成新的一層，這種缺陷稱為肖特基缺陷。
弗侖克爾缺陷：原子由於熱振動脫離正常結點後，跑到間隙處即產生乙個空位的同時，出現乙個間隙原子，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。
刃型位錯：晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線（即位錯線）若垂直於滑移方向，則會存在一多餘半排原子面，它象一把刀刃插入晶體中，使此處上下兩部分晶體產生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯
螺型位錯：晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線(即位錯線)若平行於滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺旋麵，即位錯線附近的原子是按螺旋形式排列的，這種晶體缺陷稱為螺型位錯
位錯的滑移：在外加切應力作用下，通過位錯中心附近的原子沿柏氏向量方向在滑移面上不斷地作少量位移（小於乙個原子間距）而逐步實現的。
位錯的攀移：構成刃型位錯的多餘半原子面的擴大或縮小，它是通過物質遷移即原子或空位的擴散來實現的。
二、思考題：
1. 什麼是晶體缺陷，按幾何特點晶體缺陷可分為幾類？各有何特點？舉例。
晶體缺陷：晶格不完整的部位。按幾何特點晶體缺陷可分為三類：點、線、面缺陷。
點缺陷：指空間三維尺寸都很小。如肖特基缺陷、弗侖克爾缺陷。
線缺陷：指二維尺寸小，第三維尺寸大。如刃型位錯、螺型位錯和混合型位錯。
面缺陷：指二維尺寸大，第三維尺寸小。如外表面、晶界與亞晶界、相界。
2. 試比較弗倫克爾和肖特基缺陷的特點？
肖特基缺陷：原子由於熱振動脫離正常結點後，跑到晶體表面構成新的一層，這種缺陷稱為肖特基缺陷。
特點：有體積變化
弗侖克爾缺陷：原子由於熱振動脫離正常結點後，跑到間隙處即產生乙個空位的同時，出現乙個間隙原子，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。
特點：成對產生，無體積變化
3. 刃型位錯和螺型位錯的特徵是什麼？
刃型位錯：
①有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯；
②可理解為是已滑移區與未滑移區的邊界線，可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移向量垂直；
③只能在同時包含有位錯線和滑移向量的滑移平面上滑移，即滑移面是唯一的；
④位錯周圍點陣發生彈性畸變，有切應變，也有正應變；
⑤位錯畸變區只有幾個原子間距，是狹長的管道，故是線缺陷。
螺型位錯：
①無額外的半原子面，分右旋和左旋螺型位錯；
②一定是直線，與滑移向量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；
③滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；
④位錯周圍點陣也發生彈性畸變，但只有平行於位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮；
⑤位錯畸變區也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。
第3章純金屬的凝固
一、概念
過冷現象：金屬的tn總低於tm這種現象，叫過冷現象。
過冷度 ：金屬的實際結晶溫度（tn）與理論結晶溫度（tm）之差，稱為過冷度，用δt表示。
臨界過冷度 ： 結晶可能開始進行的最小過冷度。大小：δt* = 0.2tm （k）
結構起伏：
形核功：
臨界形核功 ：形成臨界晶核所需要的能量稱為臨界形核功。
變質處理：
二、思考題
1.分析均勻形核時δg－r曲線，求出其臨界晶核半徑的大小。
→1）r < r* 的晶胚
因為一切自發過程都朝著δg↓的方向進行，r < r* 的晶胚長大，使δg↑，只有重新熔化才能使δg↓。這種尺寸的晶胚不穩定，瞬時出現，又瞬時消失，不能長大。
2）r > r* 的晶胚
因為長大，使δg↓能自發進行。所以一旦出現，不在消失，能長大成為晶核。
當 r > r0時，因為δg < 0 為穩定晶核。當 r 在r* ~ r0 之間時，長大使δg↓但δg > 0, 為亞穩定晶核。
3）r = r* 的晶胚
長大與消失的趨勢相等，這種晶胚稱為臨界晶核。r* 為臨界晶核半徑。 可見，在過冷液體中，不是所有的晶胚都能成為穩定晶核，只有達到臨界半徑的晶胚才可能成為晶核。
2.何為臨界形核功？求出均勻形核時其大小，並說明其意義。
→形成臨界晶核所需要的能量稱為臨界形核功。
意義：形成臨界晶核時，體積自由能δgvl-s↓只能補償2/3表面能δga↑，還有1/3的表面能必須由系統的能量起伏來提供。
1. 3. 非均勻形核時臨界形核功受哪些因素的影響？討論潤濕角對臨界形核功的影響。
→非均勻形核的δg*非受r*非與θ兩個因素的影響。
1）θ= 0時, δg*非 = 0 說明雜質本身就是晶核,不需要形核功。
2）θ= 180°時, δg*非 =δg*, 相當於均勻形核, 基底不起作用。
3）一般θ在0-180°之間變化。
4. 純金屬結晶時以何種方式生長？其條件是什麼？
→a) 平面生長：晶體始終保持平的表面向前生長，並保持規則的幾何外形。
b) 枝晶生長：晶體向樹枝那樣向前生長，不斷分支發展。
晶體是以平面方式生長還是以枝晶方式生長，主要取決於液固介面前沿液體中的溫度梯度。
l中存在正的溫度梯度，以平面方式生長。
l中存在負的溫度梯度，以枝晶方式生長。
5.細化金屬鑄件晶粒的方法有哪些？說明其用途。
→(1) 提高δt：只對小型或薄壁鑄件有效，較大的厚壁鑄件或形狀複雜的件不適用。
(2) 變質處理：在澆注前往液態金屬中加入形核劑，促進形成大量的非均勻形核來細化晶粒。此法用於大型鑄件。
(3) 振動、攪拌：機械振動，電磁振動，加壓澆注等。用於薄壁形狀較複雜的鑄件。
第4章二元相圖
枝晶偏析：乙個晶粒內或乙個枝晶間化學成分不同的現象。
晶間偏析：各晶粒之間化學成分不均勻的現象叫晶間偏析。
共晶轉變：由固定成分的l,在恆溫下同時結晶出兩種固定成分的固相的轉變，稱為共晶轉變。
包晶轉變 ：由一定成分的固相與一定成分的液相在恆溫下生成另乙個一定成分的固相轉變叫包晶轉變。
共析轉變：一定成分的固相在恆溫下生成另外兩個一定成分的固相轉變。
鐵素體：c溶於α-fe中形成的間隙固溶體，稱鐵素體。
奧氏體：c溶於γ-fe中形成的間隙固溶體，稱奧氏體。
平衡分配係數：
成分過冷：將介面前沿液體中的實際溫度低於由溶質分布所決定的凝固溫度時產生的過冷，叫成分過冷。
偽共晶：由共晶成分附近的非共晶成分的合金，經快冷後得到全部的共晶組織，稱為偽共晶
離異共晶 ：先結晶相的量》共晶組織的量，使共晶組織中與先結晶相相同的那一相，依附在先結晶相上生長，剩下的另一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織特徵消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。
二、思考題
1.已知a（熔點600℃）與b（熔點500℃）在液態無限互溶，在300℃時a溶於b的最大溶解度為30%，室溫時為10%，但b不溶於a；在300℃時含40%b的液態合金發生共晶反應，現要求：①作出a-b合金相圖；
②分析20%a，45%a，80%a合金的結晶過程， 並確定室溫下組織及相組成物的相對量。
2.乙個二元共晶反應如下：l(75%b) →α(15%b)+ β(95%b)
求：① 含50%b的合金凝固後：a. 初晶α與共晶體（α+β）的質量分數。 b. α相與β相的質量分數。
② 若共晶反應後β初晶和（α+β）共晶各佔一半，問該合金成分如何？
3． 在正的溫度梯度下，為什麼純金屬凝固時不能呈樹枝狀生長，而固溶體合金凝固時卻能呈樹枝狀生長？
純金屬晶體的生長形態主要受t梯度的影響（正溫度梯度以平面方式長大，負溫度梯度以枝晶方式長大）。
固溶體合金的生長形態，除了受t梯度影響外，主要受成分過冷的影響。
4.鐵碳合金，隨著含碳量的增加，力學效能如何變化? 為什麼?
hb：隨c%↑而↑。 ∵fe3c相↑，受相的硬度及相對量的影響。
σb：開始隨c%↑而↑，含碳量接近0.9%時達到最高值，隨後c%↑，σb↓。∵含碳量》0.9%時，fe3cⅱ在晶界處形成連續網路。δ、αk 隨c%↑而↓。
5.只是共析鋼在冷卻過程中才有共析轉變，對嗎？為什麼？
不對。只要通過共析轉變線都會發生共析轉變。
6．正常凝固與區域熔煉的異同點是什麼？
相同點：正常凝固與區域熔煉都能起到提純的作用，
不同點：正常凝固是將質量濃度為co的固溶體合金，整體融化→定向凝固。
區域熔煉是將質量濃度為co的固溶體合金，區域性融化→區域性凝固。
7．畫出0.6％c、 0.77％c、 1.2％c、 4.3 ％c的fe－c合金從高溫緩冷到室溫的冷卻轉變曲線及室溫組織示意圖，並計算其組織及相組成物的相對百分含量。
8．乙個二元共晶反應如下： l（75％b）→α（15％b）＋β（95％b）
求：①含85％b的合金凝固後，初晶β與共晶體（α＋β）的質量分數；
②若共晶反應後，初晶α和共晶體（α＋β）各佔一半，問該合金成分如何？
9．成分過冷對固溶體結晶時晶體長大方式有何影響？
1）l-α介面前沿沒有成分過冷時，呈平面生長。長大速度完全由散熱條件控制。
2）l-α介面前沿有較小的成分過冷時，呈胞狀生長，見圖4-12。
材料科學基礎複習總結
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