湖南大學(xué)材料考研知識刪減版.doc

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材料科學(xué)基礎(chǔ)知識點總結(jié) 緒論：材料概述及分類 合金：有兩種或者兩種以上的金屬或者金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。 固溶體：以合金中某一組元作為溶劑，在其晶體點陣中融入其它組元原子，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固態(tài)溶體。 置換固溶體：當溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點陣的陣點，或者說溶質(zhì)原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，這種固溶體稱為置換固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。 金屬間化合物：金屬和金屬之間，類金屬和金屬原子之間以共價鍵形式結(jié)合生成的化合物總稱為金屬間化合物，由于金屬間化合物在合金相圖中處于相圖的中間位置，故也稱為中間相。 形成無限固溶體的條件是（即休姆-羅瑟里規(guī)則）： ①溶質(zhì)和溶劑的尺寸差別必須不大于15%，即r1-r2/r1≤15%。 ②兩類原子的電負性必須相近。 ③兩類原子的價必須相似。 ④兩個組分必須具有完全相同的晶體結(jié)構(gòu)類型。 熱塑性聚合物：具有線性和支化高分子鏈結(jié)構(gòu)，在共價鍵聚合鏈間具有二次鍵，加熱后會變軟，可反復(fù)加熱和再成形，例如，PE。 熱固性聚合物：具有三維共價鍵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不溶于任何溶劑，也不能熔融，加熱時維持原有形狀并降解——燒焦或燃燒，一旦定型后不能再改變形狀，無法再生，例如，橡膠。 相關(guān)真題： 2009年論述題5.試從結(jié)合鍵的角度分析工程材料的分類及特點。(15分) 答：金屬材料：簡單金屬（指元素周期表上的主族元素）的結(jié)合鍵完全為金屬鍵，過渡族金屬的結(jié)合鍵為金屬鍵和共價鍵的混合，但以金屬鍵為主；特點：大多數(shù)金屬強度和硬度較高，塑性較好。 陶瓷材料：是由一種或者多種金屬同一種非金屬（通常為氧）相結(jié)合的化合物，其主要結(jié)合方式為離子鍵，也有一定成分的共價鍵，特點：硬、脆，不易變形，熔點高。 高分子材料：大分子內(nèi)的原子之間的結(jié)合方式為共價鍵，而大分子與大分之間的結(jié)合鍵為范德瓦爾鍵和氫鍵。特點：有很高的分子量,質(zhì)輕,密度小,有優(yōu)良的力學(xué)性能、絕緣性能和隔熱性能。 復(fù)合材料：是由兩種或者兩種以上的材料組合而成的物質(zhì)，結(jié)合鍵種類繁多，非常復(fù)雜，性能差異也很大。 2011年簡答題（10分）10.為什么固溶體強度比純金屬的高？ 答：因為合金兩類原子尺寸不同，引起點陣畸變，阻礙位錯運動，造成固溶強化。 2012年簡答題（10分）5.按照形成固溶體的條件來討論MgO-CaO能形成何種固溶體。已知Ca2+和Mg2+離子的半徑分別為0.1nm和0.071nm，Ca和Mg的電負性分別為1.0和1.2。 答：尺寸：(0.1-0.072)/0.1=28%>15%,不符合休姆-羅瑟里規(guī)則；電負性：Ca的電負性分別為1.0和Mg的電負性分別1.2，同一周期上下，接近。晶體結(jié)構(gòu)：MgO和CaO，都為FCCNaCl結(jié)構(gòu)。電子濃度：價電子數(shù)相同。 綜上所述，根據(jù)形成無限固溶體的條件知，MgO-CaO不能形成無限固溶體，可以形成有限固溶體。 補充試題：1.比較固溶體和金屬間化合物在成分、結(jié)構(gòu)和性能方面的差異。 類別 成分 結(jié)構(gòu)特點 力學(xué)性能特點 固溶體 溶質(zhì)濃度可在固溶度范圍內(nèi)變化 保持溶劑的點陣類型 強度、硬度比溶劑高，但總體看強度硬度依然很低，而塑性、韌性較好 金屬間化合物 成分固定或在一定范圍內(nèi)波動，可用化學(xué)分子式表示 其點陣類型不同于組成它的任一組元 熔點較高、硬度高，而塑性、韌性差 第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 金屬鍵 一次鍵 離子鍵 共價鍵 原子鍵（結(jié)合鍵） 范德瓦爾鍵 二次鍵 氫鍵 所有的一次鍵都涉及到或者電子從一個原子向另一個原子的轉(zhuǎn)移，或者電子在原子間的共用。 金屬鍵的本質(zhì)：金屬正離子與自由電子之間的相互吸引。 離子鍵的本質(zhì)：正電性原子和負電性原子之間的相互吸引。 共價鍵的本質(zhì)：共價電子對的結(jié)合。 二次鍵與一次鍵的根本區(qū)別就是二次鍵既不涉及電子的轉(zhuǎn)移，也不涉及電子的共用，二次鍵是來源于某些原子或分子中形成的電偶極子。一次鍵通常比二次鍵強一至兩個數(shù)量級。 金屬?。航饘僬x子與自由電子之間的相互作用構(gòu)成的金屬原子間的結(jié)合力稱為金屬鍵。 離子鍵：電子由正電性原子向負電性原子的轉(zhuǎn)移形成離子鍵，離子鍵無方向性和飽和性。（影響因素：原子間的高電負性差值有利于離子鍵的形成） 共價鍵：相鄰原子由于共享電子對所形成的價鍵，具有飽和性和方向性。 鍵-能曲線：將一對原子或離子有關(guān)的能量描述為兩原子或離子之間距離的函數(shù)的關(guān)系曲線稱為鍵能曲線，它是鍵-力曲線的積分。利用鍵-能曲線，可以估算鍵能、平均鍵長、彈性模量和線膨脹系數(shù)等。其他外力或能源（如：施加外載荷、電磁場或溫度變化）作用于系統(tǒng)，鍵長和有效鍵能就有可能改變，從而改變鍵能曲線圖。 在X0處U（x)的大小，即能量勢阱的深度，就是鍵的固有強度，即鍵能的度量；另，平衡間距X0（原子之間中心到中心的平均距離）對應(yīng)于鍵長。鍵能曲線在X0處的曲率正比例彈性模量，曲率半徑越小，彈性模量越大，剛度越大。物理解釋：能量勢阱的兩壁越陡，將原子從平衡位置移動所需的能量越大。線膨脹系數(shù)αth隨鍵能曲線的不對稱的增大而增大。 2009年簡答題(10分)1.一次鍵的種類及其本質(zhì)是什么？ 2009年論述題(15分)1.什么是鍵能曲線？利用鍵能曲線可以得到材料的哪些特性參量。采用哪些方法可以改變鍵能曲線的形狀？ 解：略；略；其他外力或能源（如：施加外載荷、電磁場或溫度變化）作用于系統(tǒng)，鍵長和有效鍵能就有可能改變，從而改變鍵能曲線圖。 2010年簡答題(10分)1.說明離子晶體、共價晶體和金屬晶體中原子間的鍵合特征。影響原子間成鍵類型的重要因素有哪些？ 離子晶體一定含有離子鍵，可能含有共價鍵；共價晶體只含有共價鍵；金屬晶體：簡單金屬晶體只含有金屬鍵，過渡族金屬晶體含有金屬鍵和共價鍵，以金屬鍵為主。 鍵合特征 ①離子鍵：以離子而不是以原子為結(jié)構(gòu)單元，無方向性和飽和性。 ②共價鍵：共用電子對，有飽和性和方向性。 ③金屬鍵：電子共有化，無飽和性和方向性。 影響原子間成鍵類型的重要因素：①電負性②價電子數(shù)。電負性相差大、價電子數(shù)相差很小容易形成離子鍵，電負性相差小、價電子數(shù)相差很大容易形成共價鍵，電負性相差不大不小、價電子數(shù)相差很小容易形成金屬鍵。 2010年簡答題(10分)2.如何根據(jù)材料的鍵能曲線來判斷材料的彈性模量、膨脹系數(shù)的大?。? 彈性模量：曲率半徑越小，彈性模量越大，剛度越大。物理解釋：能量勢阱的兩壁越陡，將原子從平衡位置移動所需的能量越大。 線膨脹系數(shù)αth：隨鍵能曲線的不對稱的增大而增大。 2011年論述題（15分）1.定性比較陶瓷材料、金屬材料和高分子材料的彈性模量高低，并從材料中結(jié)合鍵的角度分析存在差異的原因。 答：彈性模量是表征材料在發(fā)生彈性變形時所需要施加力的大小。在給定應(yīng)力下，彈性模量大的材料只發(fā)生很小的彈性應(yīng)變，而彈性模量小的材料則發(fā)生比較大的彈性應(yīng)變。結(jié)合鍵能是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵之間的結(jié)合鍵能越大，則彈性模量越大。由于陶瓷材料主要含有離子鍵和共價鍵，金屬材料主要含有金屬鍵，而高分子材料分子之間主要是二次鍵起作用，而結(jié)合鍵能的大小順序是離子鍵最高，共價鍵次之，金屬鍵第三，二次鍵最弱，所以這三種材料的彈性模量由高到低依次是：陶瓷材料、金屬材料、高分子材料。實際上，常見的陶瓷的彈性模量為250～600GPa，常見的金屬材料的彈性模量為70～350GPa，而高分子材料的彈性模量為0.7～3.5GPa。 2012年簡答題(10分)1.簡述一次鍵和二次鍵的本質(zhì)特點，并從結(jié)合鍵的角度討論金屬的力學(xué)性能。 所有的一次鍵都涉及到或者電子從一個原子向另一個原子的轉(zhuǎn)移，或者電子在原子間的共用。二次鍵與一次鍵的根本區(qū)別就是二次鍵既不涉及電子的轉(zhuǎn)移，也不涉及電子的共用，二次鍵是來源于某些原子或分子中形成的電偶極子。一次鍵通常比二次鍵強一至兩個數(shù)量級。 金屬材料的結(jié)合鍵主要以金屬鍵為主，而金屬鍵是金屬正離子與自由電子之間的相互作用，金屬鍵無飽和性和方向性，因此金屬對外力響應(yīng)時無需考慮電荷的性質(zhì)，因而原子間可以相對滑動，并且吸收沖擊能量而不至于破壞金屬鍵，所以金屬材料的強韌性好，塑形變形能力強。 第二章 晶體學(xué)基礎(chǔ) 空間點陣：組成晶體的粒子（原子、離子或分子）在三維空間中形成有規(guī)律的某種對稱排列，如果我們用點來代表組成晶體的粒子，這些點的空間排列就稱為空間點陣。 單胞：完全描述空間點陣的最小重復(fù)單元稱為單胞。 陣點：單胞的頂點稱為陣點 點陣常數(shù)：晶胞的大小取決于其三條棱的長度a，b和c，而晶胞的形狀則取決于這些棱之間的夾角 α，β，γ，我們把a，b，c，α，β，γ這六個參量稱為點陣常數(shù)。 基元：處在一個陣點的“物質(zhì)群”稱為基元。 晶體結(jié)構(gòu)：組成晶體的結(jié)構(gòu)基元（分子、原子、離子、原子集團）依靠一定的結(jié)合鍵結(jié)合后，在三維空間做有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。簡單的講就是：空間點陣+結(jié)構(gòu)基元=晶體結(jié)構(gòu) 若晶體的性質(zhì)和測量方向無關(guān)，則稱晶體稱為各向同性的；若晶體的性質(zhì)和測量方向有關(guān)，則稱晶體是各向異性的。 配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)。 致密度：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分數(shù)。 原子堆垛因子（APF）：在晶體結(jié)構(gòu)中原子占據(jù)的體積與可利用的總體積的比率定義為原子堆垛因子。APF=在單胞中原子體積/單胞體積 影響配位數(shù)的因素： ①中心原子的大小。中心原子的最高配位數(shù)決定于它在周期表中的周次。 ②中心原子的電荷。中心原子的電荷高，配位數(shù)就大。 ③中心原子的成鍵軌道性質(zhì)和電子構(gòu)型。從價鍵理論的觀點來說，中心原子成鍵軌道的性質(zhì)決定配位數(shù)，而中心原子的電子構(gòu)型對參與成鍵的雜化軌道的形成很重要。 ④配體的性質(zhì)。同一氧化態(tài)的金屬離子的配位數(shù)不是固定不變的,還取決于配體的性質(zhì)。配合物的中心原子與配體間鍵合的性質(zhì)，對決定配位數(shù)也很重要。 晶向族：晶體中的原子排列情況相同，空間位向不同的一組晶向，稱一個晶向族，用表示。 晶面族：晶體中具有相同的條件（這些晶面上的原子排列情況和晶面間距分別完全相同），只是空間位向不同（即不平行）的各個晶面， 總稱為晶面族，用{hkl}表示。 線密度：在晶體方向單位長度上有原子中心的數(shù)目。ρL=在一個單胞內(nèi)沿方向上原子中心的數(shù)目/包含在一個單胞內(nèi)線的長度 面密度：在晶體學(xué)面單位面積上的原子或離子中心的數(shù)目。ρP=在一個單胞內(nèi)中心原子一個面上的原子數(shù)目/包含在一個單胞中的面的面積。 金剛石：金剛石晶體結(jié)構(gòu)的空間點陣就是一個面心立方點陣，但決不能說金剛石晶體結(jié)構(gòu)是由兩個面心立方點陣穿插而成。因為這樣說，就把只有抽象幾何意義的空間點陣看成了由具體的碳原子構(gòu)成了圖形。 常見的幾個晶體類型的參數(shù)（務(wù)必牢記） 晶體結(jié)構(gòu) 每個晶胞內(nèi)的原子數(shù)n 配位數(shù)CN 密排面 原子堆垛因子 密排面間距 密排方向 密排方向最小原子間距 每個晶胞中四面體間隙個數(shù) 每個晶胞中八面體間隙個數(shù) BCC 2 8 {110} 0.68 <111> 12 6 FCC 4 12 {111} 0.74 <110> 8 4 HCP 6 12 {0001} 0.74 <11-20> a 12 6 2010年簡答題（10分5.簡要說明晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的關(guān)系。 答：空間點陣是把晶體的質(zhì)點抽象為陣點，用來描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性，要求各個陣點的周圍環(huán)境相同，它只有14種類型。而晶體結(jié)構(gòu)是指具體的物質(zhì)粒子排列分布，由于結(jié)構(gòu)基元可以是無窮多種，因而構(gòu)成的具體的晶體結(jié)構(gòu)也有無窮多種。兩者之間的關(guān)系可用“空間點陣+結(jié)構(gòu)基元=晶體結(jié)構(gòu)”來描述。（后面可以不用寫，只是幫助理解：在實際晶體中，有晶體結(jié)構(gòu)不同但屬于同一種晶體點陣的情況，例如Cu，NaCl和CaF2的晶體結(jié)構(gòu)不同，但它們都屬于面心立方點陣。另外，類似的晶體結(jié)構(gòu)也可能屬于不同的空間點陣，如W和電子化合物CuZn都是體心立方結(jié)構(gòu)，但CuZn屬于簡單立方點陣，W屬于體心立方點陣。） 2010年簡答題（10分）9.什么是晶體中原子的配位數(shù)？影響配位數(shù)多少的因素是什么？ 答：晶體中原子的配位數(shù)是反映原子排列緊密程度的物理量之一，指晶格中任一原子周圍與其最近鄰且等距離的原子數(shù)目。一般配位數(shù)越大，晶體排列結(jié)構(gòu)越緊密。因素：略。 2012簡答題（10分）2.NaCl的晶體結(jié)構(gòu)是否屬于布拉菲點陣？為什么？如果不是，則其點陣為哪種類型？答：不屬于布拉維點陣。如果把NaCl的晶體結(jié)構(gòu)看成14種布拉維點陣任何一種，則它的每個陣點不可能都具有完全相同的物理環(huán)境和幾何環(huán)境，這不符合空間點陣的定義，所以NaCl的晶體結(jié)構(gòu)不屬于布拉菲點陣。但如果把組元看成質(zhì)點，則其滿足其中一種空間點陣，空間點陣為：面心立方點陣。 2012簡答題（10分）4.面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)中原子的堆垛方式和致密度是否有差異？請加以說明。 面心立方結(jié)構(gòu)式以密排面{111}按ABCABC...順序堆垛而成的，密排六方結(jié)構(gòu)是以密排面{0001}按ABAB...順序堆垛起來的。面心立方結(jié)構(gòu)的致密度為0.74，密排六方結(jié)構(gòu)的致密度也為0.74。 2012簡答題（10分）8.畫出立方晶系的[100]、[101]晶向和（111）（1-11）晶面。 第三章 晶體的范性形變（塑性變形） 塑性變形：在外載力作用下引起晶體中原子的永久位移稱為塑性變形。 （滑移）臨界分切應(yīng)力：使塑性變形開始發(fā)生的切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力，用τCR表示。它是一個定值，與材料本身性質(zhì)有關(guān)，與外力取向無關(guān)。 Schmid（施密特）定律：對不同晶體取向的正應(yīng)力與發(fā)生塑性變形的切應(yīng)力之間的關(guān)系的方程，即 σc=τCR/COSθ*COSφ,其中θ為拉力與滑移方向的夾角，φ為拉力與滑移面法線的夾角 ，μ=COSθ*COSφ 稱為施密特因子。 滑移系：晶體通過滑移產(chǎn)生塑性變形時，由一個滑移面和位于該滑移面上的一個滑移方向所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為一個滑移系。用{hkl}來表示。例如，在FCC金屬，（111）[110]是滑移系，相應(yīng)的滑移族是{111}<110>。 關(guān)于滑移系請注意：(l)滑移面總是晶體的密排面, 而滑移方向也總是密排方向。這是因為密排面之間的面間距離最大, 面與面之間的結(jié)合力較小, 滑移的阻力小, 故易滑動。而沿密排方向原子密度大,原子從原始位置達到新的平衡位置所需要移動的距離小, 阻力也小。(2)每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移。一般來說, 滑移系的多少在一定程度上決定了金屬塑性的好壞。然而, 在其它條件相同時, 金屬塑性的好壞不只取決于滑移系的多少, 還與滑移面原子密排程度及滑移方向的數(shù)目等因素有關(guān)。 常見的幾種晶體的滑移系(和P8表格一起記憶）： 晶體結(jié)構(gòu) 滑移面 滑移方向 滑移系數(shù)目 BCC {110} {112} {123} <111> 48 FCC {111} <110> 12 HCP {0001} {10-10} <11-20> 3 2009年名詞解釋（5分）8.臨界分切應(yīng)力：晶體中的某個滑移系是否發(fā)生滑移，決定于力在滑移面內(nèi)沿滑移方向的分切應(yīng)力，當分切應(yīng)力達到某一臨界值時，滑移才能開始，此應(yīng)力即為臨界分切應(yīng)力，它是滑移系開動的最小分切應(yīng)力。材料的臨界分切應(yīng)力取決于材料的本身性質(zhì)，但和溫度以及材料的純度等也有關(guān)系。 2010年名詞解釋（5分）施密特（Schmid）因子：拉伸變形時，能夠引起晶體滑移的分切應(yīng)力t的大小取決于該滑移面和晶向的空間位置（φ和θ）。t與拉伸應(yīng)力σ間的關(guān)系為：τCR=σc*COSθ*COSφ，其中COSθ*COSφ被稱為取向因子，或稱施密特因子，取向因子越大，則分切應(yīng)力越大。 2011簡答題（10分）3.在面心立方（FCC）晶胞中畫出（101）和[110],并分析他們能否構(gòu)成滑移系？ 解：圖略。不能構(gòu)成滑移系，因為（101）和[110]不在一個平面上。 第四章 晶體中的缺陷 弗侖克爾空位：離位原子進入晶體間隙而形成的空位。 空位 點缺陷（零維缺陷） 肖特基空位：離位原子進入其他空位或遷移至晶界或 表面而形成的空位。 間隙原子：位于原子點陣間隙的原子 置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子 刃型位錯 線缺陷(一維缺陷） 缺陷 （表現(xiàn)為各種位錯） 螺型位錯 混合位錯 表面 孿晶界 面缺陷 晶界 小角度晶界： 晶粒位相差小于10 的晶界。 （二維缺陷） 界面 大角度晶界：晶粒位相差大于10 的晶界。 亞晶界 相界：相鄰兩個相之間的界面。 堆垛層錯：是指在密排晶體結(jié)構(gòu)中的整層密排面上的原子發(fā)生了錯排，它是 實際晶體在滑移過程中造成的一種面缺陷，例如，在FCC晶體的 正常堆垛順序為ABCABC...,如果在晶體的某個區(qū)域的堆垛是 ABCBCAABC...，那么在這個區(qū)域就認為含有堆垛層錯。 等等 弗侖克爾缺陷：離位原子進入點陣的間隙位置，而在晶體中同時形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，這種點缺陷稱為弗侖克爾缺陷，出于尺寸的考慮，大多數(shù)的弗侖克爾缺陷都涉及正離子。（注意與弗侖克爾空位的區(qū)別） 肖特基缺陷：在離子固體中形成的小的正離子和負離子空位的叢集。在這些叢集中正離子：負離子的比率要調(diào)整維持電的中性。 位錯：晶體中普遍存在的線缺陷，是晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。位錯是引起塑性變形的主要原因。 位錯滑移：指在外力作用下，位錯線在自身的滑移面（即位錯線與伯氏矢量b構(gòu)成的晶面）上的移動，結(jié)果導(dǎo)致晶體永久變形，位錯的這種運動不涉及物質(zhì)的輸運。 位錯攀移： 當空位遷到刃型位錯多余半原子面的邊緣時，刃型位錯發(fā)生的移動，稱為位錯攀移，攀移導(dǎo)致位錯轉(zhuǎn)移到臨近的平行滑移面上，攀移要求物質(zhì)運輸。 柏氏回路：繞著位錯通過無缺陷材料的回路稱為柏氏回路，如果在回路中沒有位錯，它通常是閉合的。 柏氏矢量b:用來描述位錯引起晶格畸變的物理量,它是連接柏氏回路終點到開始點的矢量。該矢量的模是層錯的強度，表示晶格總畸變的大小，其方向表示晶格點畸變的方向。一般情況下，該矢量越大，晶體畸變的程度越大。柏氏矢量是位錯的一個不變的性質(zhì)。 全位錯：柏氏矢量等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯稱為全位錯。（其中 實際晶體中的位錯 柏氏矢量恰好等于單位點陣矢量的位錯稱為單位位錯） 不全位錯：柏氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯稱為不全位錯。（其中柏 氏矢量小于點陣矢量的位錯稱為部分位錯或者分位錯） 晶界：當兩個任意取向的晶粒，沿一個任意表面接合時發(fā)生的界面稱為晶界。晶界是一種面缺陷。 共格界面：所謂共格界面，是指界面上的原子同時位于兩相晶格的結(jié)點上，即兩相的晶格是彼此鏈接的，界面上的原子為兩者共有。 2008年名詞解釋（5分）全位錯；共格界面 2009年名詞解釋（5分）1.位錯3.晶界4.柏氏矢量 2010年名詞解釋（5分）3.位錯滑移6肖特基（Schttky）空位 2010論述題（15分）3.位錯有哪些類型？其位錯線與柏氏矢量間的關(guān)系如何？請分析下圖中AB、BC、CD、DA位錯線的位錯類型。 2010論述題（15分）4.論述面缺陷的種類及對材料力學(xué)性能的影響。 解：面缺陷包括：表面、晶界、相界、堆垛層錯等。影響：界面阻礙為錯的運動，引起界面強化，從而提高了材料的強度。界面阻礙變形，使變形分布均勻，提高了材料的塑性。強度和塑性的提高相應(yīng)使材料的韌性得到改善，因此界面的增加得到細晶組織，可大大改善材料的力學(xué)性能。 2011年名詞解釋（5分）位錯滑移，共格界面 2011年簡答題（10分）6.比較說明刃型位錯與螺型位錯的異同點 答：刃型位錯和螺型位錯的異同點：①刃型位錯位錯線垂直于柏氏矢量，螺型位錯位錯線平行于柏氏矢量；②刃型位錯柏氏矢量平行于滑移運動方向，螺型位錯柏氏矢量垂直于滑移運動方向；③刃型位錯可作攀移運動且只有一個滑移面，螺型位錯只可作滑移運動但有無數(shù)個滑移面；④兩者都可以用柏氏矢量表示。 2012年名詞解釋（5分）4.堆垛層錯 9.弗侖克爾點缺陷 2012年簡答題（10分）6.在位錯滑移運動時，請分析刃型位錯、螺型位錯、混合位錯的位錯線l與柏氏矢量b，位錯運動方向與位錯線l及柏氏矢量b之間的關(guān)系。 答：（備注：畫位錯環(huán)） 位錯 類型 l與b的關(guān)系 位錯運動方向與l關(guān)系 位錯運動方向與b關(guān)系 刃型位錯 垂直 垂直 平行 螺型位錯 平行 垂直 垂直 混合位錯 成一定角度，既不垂直又不平行 垂直 成一定角度，既不垂直又不平行 第五章 材料強化機制 應(yīng)變硬化：金屬在冷加工過程中流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。其機理是：金屬在形變過程中位錯密度不管增加，使強性應(yīng)力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，因而位錯的運動越來越困難。 應(yīng)變硬化在生產(chǎn)實際中有何意義？ 在生產(chǎn)實際中，應(yīng)變硬化有不利方面，也有有利方面。不利方面是：（1）由于金屬在加工過程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率；（2）由于應(yīng)變硬化使金屬變脆，因而在冷加工過程中需要多次中間退火，使金屬軟化，能夠繼續(xù)加工而不致裂開；（3）有些金屬盡管某些性能很好，但由于解決不了加工問題，其應(yīng)用受到很大限制。 有利方面：（1）有些加工方法要求金屬必須有一定的加工硬化；（2）可以通過冷加工控制產(chǎn)品的最后性能；（3）有些零部件在工作條件表面會不斷硬化，以達到表面耐沖擊、耐磨損的要求。 材料的主要強化機制有哪幾種？其強化機制是什么？ 答：固溶強化、細晶強化、第二相強化、形變強化。其機理均是通過在金屬中引入大量的缺陷，阻礙位錯的運動來提高材料的強度。不同的強化方法的機理有其特殊性。 固溶強化：利用點缺陷對位錯的阻力使金屬基體獲得強化的一種方法。具體方法是通過在金屬基體中融入一種或數(shù)種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強度、硬度升高。溶質(zhì)元素可以使材料得到強化的微觀機制在于：無論是間隙式固溶原子還是置換式固溶原子都會使溶劑金屬的晶格產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生一內(nèi)應(yīng)力，位錯在此內(nèi)應(yīng)力場中運動會受到阻力。 細晶強化：又稱晶界強化，是指細化晶粒來提高金屬的強度。其原理在于晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng)。細晶強化的微觀機制在于：對于多晶體來說，位錯運動必須克服晶界的阻力。這是由于晶界兩側(cè)位錯的取向不同，所以在某一個晶粒中滑移的位錯不能直接穿越晶界進入相鄰的晶粒，只有在晶界處塞集了大量位錯后引起應(yīng)力集中，才能激發(fā)相鄰晶粒中已有位錯的運動產(chǎn)生滑移。所以晶粒越細，晶界越多，材料的強度就越高。 第二相強化：指在金屬基體（通常是固溶體）中還存在另外一個或者幾個相，這些相的存在使金屬的強度得到提高。因獲得第二相的工藝不同，第二相強化分為①沉淀強化：通過相變熱處理獲得第二相②彌散強化：通過粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得。第二相強化的微觀機制是：位錯在運動過程中遇到第二相，需要切過（沉淀強化的小顆粒和彌散強化的顆粒；強度低，有一定塑性）或者繞過（沉淀強化的大顆粒；顆粒硬，不宜變形）第二相，從而第二相（沉淀相和彌散相）阻礙了位錯的運動。 形變強化：材料屈服以后，隨著形變量的增加，所需的應(yīng)力是不斷增加的，這種現(xiàn)象叫形變強化，也叫加工強化。其機理是：金屬在形變過程中位錯密度不管增加，使強性應(yīng)力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，因而位錯的運動越來越困難。 2008年論述題（15分）1.介紹合金強化的四種主要機制及其強化原因。 2009名詞解釋（5分）應(yīng)變硬化 2009年論述題（15分）3.材料的主要強化機制有哪幾種？其強化機制是什么？ 2010年簡答題（10分）10.何謂應(yīng)變硬化？在實際生產(chǎn)中有何意義？ 2011論述題（15分）6.利用位錯理論分析論述第二相粒子對金屬塑性變形行為及強度的影響。 2012名詞解釋（5分）應(yīng)變硬化 2012年論述題（15分）1.提高金屬材料強度的途徑有哪些？其強化機制是什么？ 第5章 固體中原子及分子的運動 上坡擴散：在化學(xué)位差為驅(qū)動力的條件下，原子由低濃度位置向高濃度位置進行的擴散。 下坡擴散：原子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散叫順擴散，又稱下坡擴散。 菲克第一定律：在穩(wěn)態(tài)條件下，通過某一截面的擴散流量與垂直這個截面方向上的濃度梯度成正比，其方向與濃度降低方向一致，其數(shù)學(xué)表達式為： 其中J表示擴散通量，單位g/c㎡s,D是擴散系數(shù)，單位是c㎡/s, dC/dx表示沿x軸的濃度梯度,單位是g/cm4。 菲克第二定律：在非穩(wěn)態(tài)條件下，擴散物質(zhì)濃度的變化速率等于擴散通量隨位置的變化率，其一般形式為： 擴散的驅(qū)動力：原子擴散的真正驅(qū)動力是化學(xué)位梯度，而不是濃度梯度。 晶體固體中，擴散的微觀機制有：間隙機制，空位機制，交換機制，填隙機制等 離子晶體的擴散機制：①空位擴散②間隙擴散③亞晶格間隙擴散。 影響擴散的因素： ①溫度的影響：溫度越高，擴散越快。 ②晶體結(jié)構(gòu)的影響：結(jié)構(gòu)不同，擴散系數(shù)不同。 ③固溶體類型對擴散的影響：不同的固溶體，原子的擴散和機制不同。 ④固溶體濃度對擴散的影響：濃度越大，擴散越易進行。 ⑤晶體缺陷的影響：晶界、位錯、空位都會對擴散產(chǎn)生影響。 ⑥化學(xué)成分對擴散的影響：加入化學(xué)元素對擴散會產(chǎn)生阻礙。 ⑦應(yīng)力的作用：不管合金內(nèi)部還是外部存在應(yīng)力，都會促使擴散的進行。 2008年名詞解釋（5分）上坡擴散 2009年簡答題（10分）3.在MgO晶體中中摻入Li2O后，晶體的空位濃度如何變化？ 答：晶體中氧的空位濃度增加。因為每個Li+置換一個Mg2+，導(dǎo)致?lián)p失一個正電荷，如果沒有間隙產(chǎn)生，這損失的正電荷必須由產(chǎn)生負離子空位來平衡。電荷中性要求每兩個Li+雜質(zhì)產(chǎn)生一個氧空位濃度。所以最終結(jié)果是即使在MgO晶體中中摻入少量的Li2O，晶體中會產(chǎn)生比熱空位濃度大的多的氧空位濃度。 2009年簡答題（10分）4.簡述菲克第一定律和菲克第二定律的含義，寫出表達式，指明其字母的物理意義。 2009年論述題（15分）2.離子晶體中的擴散機制有哪些？影響因素有哪些？ 2010年簡答題（10分）7.在氧化物陶瓷中摻雜其它氧化物時，氧空位濃度會如何變化？ 2010論述題（15分)2.擴散的驅(qū)動力是什么？擴散的微觀機制有哪些？結(jié)合擴散理論，談?wù)勆a(chǎn)實際中如何提高鋼鐵材料的滲碳效率。略；略；從外部來講：加熱至高溫，增加CO/CO2氣體比率；從內(nèi)部講：提高擴散系數(shù)D，增加擴散激活能。 2011年簡答題（10分）5.在MgO晶體中中摻入Li2O后，晶體的空位濃度如何變化？ 2011論述題（15分)3.分析和討論影響固態(tài)晶體中原子擴散的主要因素。 2012簡答題（10分）9.提高ZrO2晶體的氧空位濃度可以提高其電導(dǎo)率，請闡述摻雜哪類價態(tài)的氧化物可以提高其氧空位濃度？ 2012年論述題（15分）4.論述原子擴散在金屬材料中的應(yīng)用。 ①固溶強化：合金元素通過擴散形成間隙固溶體或置換固溶體，達到強化金屬的目的，例如C、Cr等元素的作用。 ②時效強化：合金中的元素通過擴散，在金屬基體中偏聚，形成第二相強化金屬，例如Cu-Al合金 ③擴散焊接：兩種不同的材料通過擴散達到焊接的目的，多在HIP（熱等靜壓）條件下進行 ④熱處理⑤固態(tài)燒結(jié) 第七章 相圖 相：在沒有外力作用下，物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同、成分相同的均勻物質(zhì)的聚集態(tài)稱為相，相與相之間有明確的物理界面。關(guān)于“相”要注意：①水的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)是三個相。②氣體在平衡狀態(tài)下，無論有多少組分，均是均勻的，因此氣相只有一種。③一個相中可能含有不止一種物質(zhì)，如空氣，固溶體，NaCl溶液等。④一種物質(zhì)可以有幾種相的存在，如冰水混合物。 相圖：反應(yīng)材料在平衡狀態(tài)下相的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)）與溫度及成分關(guān)系的綜合圖形，也稱為平衡圖，狀態(tài)圖，平衡狀態(tài)圖。所謂平衡，是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對質(zhì)量不再變化所達到的一種狀態(tài)。 相律：是物質(zhì)發(fā)生相變所遵循的規(guī)律之一，它是表示材料在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的自由度數(shù)f與組元數(shù)C和平衡相數(shù)P三者之間關(guān)系的定律。當壓力不變時，f=C-P+1。 組元：組成材料最基本、獨立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是純元素，如金屬元素（Fe，Cu，Al) ；非金屬元素(C,N,O），也可以是化合物（SiO2）。材料可以由單一組元組成，如純鐵，純銅，也可以由多種組元組成，如鋼是由Fe和C兩種組元組成。 杠桿規(guī)律：根據(jù)合金及存在的相的成分計算在兩相區(qū)所存在的兩個相的相對量的方程。ML/Ms=杠桿右端長/杠桿左端。 共晶反應(yīng)：一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)。 包晶反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）：包晶反應(yīng)是指一定成分的固相和一定成分的液相，在恒溫下轉(zhuǎn)變成一個新的一定成分的固相的過程，包晶反應(yīng)用符號表示為：L+αβ。 均勻形核：金屬結(jié)晶時的形核方式之一，是在金屬液體中依靠自身的結(jié)構(gòu)均勻自發(fā)地形核。 非均勻形核：金屬結(jié)晶時的形核方式之一，是依靠外來雜質(zhì)所提供的固相界面非自發(fā)、不均勻地形核。 二元相圖的基本類型：二元勻晶反應(yīng)：Lα和下表 等溫轉(zhuǎn)變類型 反應(yīng)式 合金實例 分解型（共晶式） 二元共晶反應(yīng) Lα+β Pb-Sn 二元偏晶反應(yīng) L1L2+β Cu-Pb 二元熔晶反應(yīng) βα+L Fe-S 二元共析反應(yīng) γα+β　 Cu-Al 二元單析（偏析）反應(yīng) α1α2+β　 Al-Zn 合成型（包晶式） 二元包晶反應(yīng) L+αβ Cu-Zn 二元包析反應(yīng) α+βγ Fe-W 二元合晶反應(yīng) L1+L2γ Fe-Sn 相圖的分析： ①相圖中所有的線條都是代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度和平衡相的成分。合金在加熱或冷卻過程中，每碰到一條線，都表示將發(fā)生某種相轉(zhuǎn)變，并且成分隨溫度的改變也沿著這條線變化。這些線條包括：液相線、固相線、固溶度線、三相恒溫線（亦為固相線）。 ②相圖中由線條圍城相區(qū)，每一種相區(qū)代表相型相同的相區(qū)。二元相圖中的相區(qū)分為單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)。單相區(qū)代表一種具有獨特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相的成分和溫度的范圍，若單相區(qū)為一直線，則表示相的成分不變。兩相區(qū)的兩個相就是兩邊相鄰的兩個相區(qū)的相。在二元相圖中，三相區(qū)必為一水平線，表示等溫反應(yīng)，三個單向區(qū)分別交于水平線的三個點，即水平線的兩個端點和線中間的一點，水平線上下分別與三個兩相區(qū)毗鄰。 關(guān)于相圖必須遵守的一個規(guī)律：與水平線端點毗鄰的單相區(qū)邊界線的延長線必須進入兩相區(qū)內(nèi)。 分析復(fù)雜相區(qū)的方法：相圖中有穩(wěn)定化合物時，以穩(wěn)定化合物為界，把相圖分為幾部分分別進行分析。成分固定的化合物在相圖中為一垂直線，以垂直線為界，把相圖分開；成分可變的穩(wěn)定化合物在相圖中為一相區(qū)，此時可以用虛線（垂線）把相圖分開。這樣把復(fù)雜的相圖分為幾個簡單的基本相圖，分別進行分析。 2008年名詞解釋（5分）包晶轉(zhuǎn)變 2008年簡答題（8分）指出相圖的錯誤。（圖略） （1） 三相區(qū)必為一水平線，表示等溫反應(yīng)。 （2） 二元系三相平衡時自由度為零，三個相均有確定的成分，即三相平衡時的焦點唯一。 （3） 任何溫度下做連接線都必須分別交于液相線和固相線，不能交于單一液相線或單一固相線。 2009年名詞解釋（5分）共晶反應(yīng) 2009年簡答題（10分）8.二元相圖中可能發(fā)生的固固相平衡的反應(yīng)有哪些？寫出相應(yīng)的平衡反應(yīng)式。 2010名詞解釋（5分）相圖杠桿定律，包晶反應(yīng)，非均勻形核 2011名詞解釋（5分）非均勻形核，相圖杠桿定律 2011年簡答題（10分）8.比較二元共晶轉(zhuǎn)變和包晶轉(zhuǎn)變的異同。 答：形同點：①均是恒溫、恒成分轉(zhuǎn)變②兩種轉(zhuǎn)變反映在相圖上均為水平線③都有兩個固相和一個液相參與反應(yīng)。 不同點：①共晶反應(yīng)為分解型反應(yīng)，包晶反應(yīng)為合成型反應(yīng) ②共晶反應(yīng)全是固相線，包晶反應(yīng)只有部分是固相線。 ③共晶三角在水平線上，包晶三角在水平線下。 2012名詞解釋（5分）非均勻形核 2012年簡答題7.簡述二元系統(tǒng)中共晶反應(yīng)、包晶反應(yīng)和共析反應(yīng)的特點，并計算三相平衡的自由度。 共晶反應(yīng)為分解型反應(yīng)，其反應(yīng)特點為：Lα+β，自由度為：f=2-3+1=0。 包晶反應(yīng)為合成型反應(yīng)，其反應(yīng)特點為：L+αβ，自由度為：f=2-3+1=0。 共析反應(yīng)為分解型反應(yīng)，其反應(yīng)特點為：γα+β，自由度為：f=2-3+1=0。 第8章 非晶態(tài)與半晶態(tài)材料 聚合物的數(shù)均摩爾質(zhì)量：按分子數(shù)統(tǒng)計平均的相對摩爾質(zhì)量稱為數(shù)均相對摩爾質(zhì)量。 重均相對摩爾質(zhì)量：按重量統(tǒng)計平均的相對摩爾質(zhì)量稱為重均相對摩爾質(zhì)量。 Z均相對摩爾質(zhì)量：按Z值統(tǒng)計平均的相對摩爾質(zhì)量稱為Z均相對摩爾質(zhì)量。 聚合物構(gòu)型：用于表述側(cè)基之間關(guān)系的術(shù)語，三種常見的構(gòu)型是無規(guī)立構(gòu)、全同立構(gòu)、間同立構(gòu)。 聚合物的結(jié)晶度：聚合物都只是部分結(jié)晶的，聚合物結(jié)晶度就是指結(jié)晶部分占總數(shù)的百分比，它是表征聚合物材料的一個重要參數(shù)，聚合物結(jié)晶度變化的范圍很寬，一般從30%～80%。 玻璃轉(zhuǎn)變溫度：對任何一個無定形固體，在試驗時間內(nèi)區(qū)分玻璃行為和橡膠行為的臨界溫度稱為玻璃轉(zhuǎn)變溫度。玻璃轉(zhuǎn)變溫度是所有非晶態(tài)材料的特征。 決定聚合物結(jié)晶度的因素： ①側(cè)基的尺寸：具有尺寸和容積大的側(cè)基不能有效的堆垛，所以很難形成晶體。 ②鏈分支的程度：有分支的鏈要比無分支的鏈形成晶體難得多。 ③立構(gòu)規(guī)整度：無規(guī)立構(gòu)不易排成晶態(tài)材料所要建立的長程有序方式，而全同立構(gòu)和間同立構(gòu)則容易得多。 ④重復(fù)單元的復(fù)雜性：具有長的重復(fù)單元的聚合物，它晶化比較慢。 ⑤平行鏈段之間二次鍵合的程度：極性側(cè)基有利于聚合物晶態(tài)區(qū)域的形成。 玻璃的網(wǎng)絡(luò)修飾體：一個離子它與其近鄰不能形成三個或更多的鍵，這里通常是指氧化物玻璃。打斷三維網(wǎng)絡(luò)，它們不是良好的玻璃形成體。 2009年名詞解釋（5分）玻璃磚化溫度，聚合物的構(gòu)型 2009年論述題（15分）4.決定聚合物結(jié)晶度的因素有哪些。 2010年名詞解釋（5分）玻璃的網(wǎng)絡(luò)修飾體 2010簡答題（10分）9.影響聚合物結(jié)晶度的因素有哪些？ 2011年名詞解釋（5分）玻璃轉(zhuǎn)變溫度 2011簡單題（10分）7.什么叫玻璃的網(wǎng)絡(luò)修飾體？其對玻璃的結(jié)構(gòu)和性能有何影響？ 2011年論述題（15分）5.什么是聚合物的結(jié)晶度？影響聚合物結(jié)晶度的因素有哪些？ 2012名詞解釋（5分）聚合物的數(shù)均摩爾質(zhì)量 2012年論述題（15分）3.論述提高聚合物結(jié)晶度的措施有哪些？ 要提高聚合物的結(jié)晶度，從結(jié)構(gòu)來說，可以： ①增加分子鏈的對稱性；②增加分子鏈的立體規(guī)整性；③增加重復(fù)單元的排列有序性，即無規(guī)共聚； ④增加分子鏈內(nèi)含的氫鍵；⑤降低分子鏈的支化度或交聯(lián)度； 從外部因素來看，可以在工廠實施的方法： ①退火，緩慢降溫可以提高結(jié)晶度②注意應(yīng)力的影響，如橡膠和纖維，應(yīng)力條件下就加速結(jié)晶； ③溶劑的選擇，良溶劑中不易結(jié)晶。