胡賡祥《材料科學(xué)基礎(chǔ)》考點(diǎn)講義

目錄課程輔導(dǎo)模塊 1第一章原子的結(jié)構(gòu)與鍵合 6第一節(jié)原子間的結(jié)合鍵 6第二節(jié)結(jié)合鍵與性能 7第二章固體結(jié)構(gòu) 9第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) 9第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 15第三節(jié)合金的相結(jié)構(gòu) 16離子晶體結(jié)構(gòu) 18第三章晶體缺陷 21第一節(jié)點(diǎn)缺陷 21第二節(jié)位錯(cuò) 22第三節(jié)表面和界面 27第四章固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 30第一節(jié)表象理論 30第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論 33第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散 35第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解) 36第五章材料的形變與再結(jié)晶 38第一節(jié)晶體的塑性變形 38第二節(jié)回復(fù)和再結(jié)晶 46第六章單組元相圖及純晶體的凝固 52第一節(jié)單元系相變的熱力學(xué)及相平衡 52第二節(jié)純晶體的凝固 55第七章二元系相圖及合金的凝固 56第一節(jié)相圖的表示和熱力學(xué)基本要點(diǎn) 56第二節(jié)二元相圖分析 58第八章三元相圖 74第一節(jié)三元相圖基礎(chǔ) 74第二節(jié)三元相圖分析 77課程輔導(dǎo)模塊模塊1：考點(diǎn)精講及復(fù)習(xí)思路(20小時(shí))模塊2：名校真題解析及典型題精練(10小時(shí))模塊3：沖刺串講及模擬考卷精講(10小時(shí))主要內(nèi)容： 認(rèn)識(shí)明確兩個(gè)問題： (1)課程的性質(zhì)與地位 (2)課程的內(nèi)容與特點(diǎn)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料物理與化學(xué)、材料成型及控制、焊接技術(shù)與工程、材料加工工程等熱加工專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，著重闡述金屬與合金的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、組織與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及在各種條件下的變化規(guī)律?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》在本科學(xué)習(xí)階段在碩士研究生入學(xué)考試中占有重要地位，是材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科或材料加工二級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位研究生的入學(xué)考試科目之一。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程比較系統(tǒng)地介紹金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體擴(kuò)散、形變與再結(jié)晶、金屬與合金的相圖與結(jié)晶的基本理論，內(nèi)容分4部分，即晶體學(xué)基礎(chǔ)，擴(kuò)散，形變與再結(jié)晶和凝固相變，其中晶體學(xué)基礎(chǔ)和固體擴(kuò)散是這門課的基礎(chǔ)。 (二)教材解讀明確兩個(gè)問題：—2— (1)教材特點(diǎn) (2)教材內(nèi)容及其各部分之間的關(guān)系根據(jù)近年來多數(shù)高校考研指定教材，我們選用胡庚祥的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為基本教材。該教材的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面： (1)內(nèi)容豐富全面，包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料的整合，從組織結(jié)構(gòu)角度出發(fā)來闡明問題，本輔導(dǎo)重點(diǎn)放在與金屬材料科學(xué)有關(guān)的基本現(xiàn)象、基本概念、基本規(guī)律和基本方法上； (2)示意圖和顯微照片豐富、新穎、清晰； (3)內(nèi)容延伸到生產(chǎn)科研問題，利于深入學(xué)習(xí)理解。2．教材內(nèi)容及其各部分之間的關(guān)系晶體學(xué)部分包括第一章原子鍵合、第二章固體結(jié)構(gòu)、第三章固體缺陷，擴(kuò)散部分包括第四章固體中的原子分子運(yùn)動(dòng)，形變與再結(jié)晶部分包括第五章塑性變形與再結(jié)晶，相變部分包括第六章~第八章的相圖和凝固結(jié)晶等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上針對熱處理原理和工藝部分可參考《金屬學(xué)與熱處理》(崔忠圻)相關(guān)內(nèi)容。明確以下二個(gè)問題： (二)試題題型與內(nèi)容的權(quán)重分布 主要有3種類型： 第2類：作圖或計(jì)算或公式推導(dǎo)題第1類．概念題(涉及全書8章內(nèi)容)主要是各章中的核心概念需要注意的是：有些概念往往就是其名稱，有些概念往往與某些基本原理緊密相關(guān)，甚至就是基本原理；有些概—3—念與工藝方法緊密相關(guān)；有些概念與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相關(guān)；有些概念有不同的叫法。合金(南航12)(名稱)偽共晶(河南科大08)(原理相關(guān))柯肯道爾效應(yīng)(華南理工12)(實(shí)驗(yàn)相關(guān))臨界變形度(江蘇大學(xué)12)(工藝相關(guān))時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，稱其為 在離子晶體中，負(fù)離子多面體相互間連接時(shí)，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。A共用頂B共用棱C共用面D不共用(河北工大12)簡述奧氏體的形成過程及影響奧氏體大小的因素．(哈大11)第2類．計(jì)算或作圖或公式推導(dǎo)題計(jì)算題經(jīng)常出現(xiàn)的章節(jié)：計(jì)算題考核內(nèi)容主要集中于：—二元合金室溫組織組成物和相組成物的計(jì)算；—鐵碳合金室溫組織組成物和相組成物的計(jì)算；—臨界剪切應(yīng)力的計(jì)算；—擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。作圖題出現(xiàn)的章節(jié)：—金屬晶體結(jié)構(gòu)；圖；—金屬及合金的塑性變形；考核內(nèi)容主要集中于：—晶面指數(shù)晶向指數(shù)的作圖；—相轉(zhuǎn)變組織示意圖—二元合金相圖的繪制；—三元合金相圖的水平、垂直截面圖公式推導(dǎo)題主要出現(xiàn)的章節(jié)：—金屬晶體結(jié)構(gòu)；—純金屬的結(jié)晶；—4——金屬及合金的塑性變形?？己藘?nèi)容主要集中于：—臨界性和半徑和臨界形核功的推導(dǎo)；—菲克第二定律的推導(dǎo)；—臨界剪切應(yīng)力的推導(dǎo)。例題：并且此合金的α總量為50％。(青島科大10)GKSK—考察學(xué)生用基本原理、基本理論分析實(shí)際問題的能力。特點(diǎn)：—范圍較大(即包含的內(nèi)容教多)；—分值高；基本要求：—基本原理的熟練掌握與理解。 (1)畫出鐵碳相圖。 (2)分析Wc＝5％的過共晶白口鐵的冷卻過程，畫出冷卻曲線，及組織變化示意圖。 (3)計(jì)算(2)中共晶滲碳體、二次滲碳體和共析滲碳體的相對含量。(哈爾濱工業(yè)大學(xué)2011) (二)試題題型與內(nèi)容的權(quán)重分布明確兩個(gè)問題：各個(gè)學(xué)?？荚噦?cè)重點(diǎn)不同，分值比例不同。一般：—5—我國碩士研究生入學(xué)考試中，各招生院校推薦的復(fù)習(xí)教材和考試側(cè)重點(diǎn)不盡相同，所以要將近年來的考題與《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的章節(jié)相對應(yīng)是比較困難的。我們將近年來不同類型考題出現(xiàn)的章節(jié)做一歸納，以便復(fù)習(xí)時(shí)能給予重點(diǎn)關(guān)注。一般來說：根據(jù)上面幾個(gè)方面的總結(jié)分析可知，在復(fù)習(xí)準(zhǔn)備《材料科學(xué)基礎(chǔ)》這門課的時(shí)候，要注意以下幾點(diǎn)：通讀教材：理解掌握化學(xué)成分－晶體結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)－工藝－組織結(jié)構(gòu)－性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及各種條件下的變化規(guī)律；熟悉金屬材料在冷(熱)塑性變形、固態(tài)相變、凝固結(jié)晶過程中的基本現(xiàn)象、基本概念、基本規(guī)律和基本方法，指出提高金屬材料強(qiáng)韌化的途徑；時(shí)間安排：根據(jù)章節(jié)內(nèi)容確定復(fù)習(xí)計(jì)劃；—6—第一章原子的結(jié)構(gòu)與鍵合本章內(nèi)容分析第1節(jié)原子間的結(jié)合鍵類型和原子聚集特性第2節(jié)結(jié)合鍵與性能最外層電子結(jié)構(gòu)決定結(jié)合鍵類型(最外層電子得失)化學(xué)鍵(主價(jià)鍵)物理鍵(次價(jià)鍵)自由電子，電子得失，電子成鍵飽和性方向性聚集性金屬鍵無無密堆積離子鍵無無高配位數(shù)共價(jià)鍵有有第一節(jié)原子間的結(jié)合鍵 (1)金屬鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。結(jié)合鍵無方向性、無飽和性。→原子排列趨于低能量的密堆積結(jié)構(gòu)。 (2)離子鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)金屬原子失去外層價(jià)電子成為正離子，非金屬原子得到價(jià)電子成為負(fù)離子，依靠類庫侖靜電力形成的鍵合。離子鍵無方向性、無飽和性?！?fù)離子相間排列，靜電力最大對外顯電中性，原子排列取決于離子電荷及其離子半徑(幾何因素)，趨于配位數(shù)最高。一般離子晶體中正負(fù)離子結(jié)合力較強(qiáng)，其熔點(diǎn)和硬度均較高。 (3)共價(jià)鍵(化學(xué)鍵，主價(jià)鍵)—7—兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對形成的化學(xué)鍵合。－N法則。 (4)范德華力(物理鍵，次價(jià)鍵)電荷位移形成偶極子－庫侖靜電力結(jié)合。靜電力(極性分子團(tuán))、誘導(dǎo)力(極性分子團(tuán)－非極性分子)、色散力(非極性分子的電子運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)極性)結(jié)合鍵無方向性、無飽和性。→吸附性質(zhì)。比化學(xué)鍵的鍵能少1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。高分子聚合物有不同的性能的主要原因。 (5)氫鍵(分子鍵)由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子(O，F(xiàn)，N等)相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵(范德華力)大的鍵力。結(jié)合鍵有方向性、有飽和性?！绊懙礁叻肿拥奶厥獾木w結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)合力介于范德華力和化學(xué)鍵力之間。第二節(jié)結(jié)合鍵與性能熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性程度。共價(jià)鍵、離子鍵化合物的Tm較高。密度與結(jié)合鍵有關(guān)。因?yàn)榻饘儆休^高的相對原子質(zhì)量，金屬鍵結(jié)合沒有方向性，原子趨于密集排列，多數(shù)金屬有高的密度。彈性模量與結(jié)合能有較好的相關(guān)關(guān)系。強(qiáng)度與原子聚集狀態(tài)、結(jié)合能相關(guān)(隨后講述)塑性與原子聚集狀態(tài)有關(guān)(隨后講述)本章名校真題例題：指出下表繪出的四種固態(tài)材料中的：(深大12)—8—2．每種原子或離子的配位數(shù)，(隨后講述)3．并分析說明其中那種材料的彈性模量最高，5．延展性最好。(隨后講述)考點(diǎn)2：結(jié)合鍵判定和性能分析—9—第二章固體結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容分析第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) (空間點(diǎn)陣和晶胞，晶向指數(shù)和晶面指數(shù))第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu) (典型金屬晶體結(jié)構(gòu)，堆垛方式和間隙，多晶型性)第三節(jié)合金相結(jié)構(gòu)(固溶體和中間相)第四節(jié)離子晶體結(jié)構(gòu) (離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則，典型的離子晶體結(jié)構(gòu))第五節(jié)共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)(一般性了解)第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ) (1)空間點(diǎn)陣把晶體中的原子(分子或離子)抽象為規(guī)則排列于空間的具有等同周邊環(huán)境幾何點(diǎn)，并把振動(dòng)中心看成其平衡位置，即可得到一個(gè)由無數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列而成的規(guī)整的陣列，這種陣列稱為空間點(diǎn)陣，這些幾何點(diǎn)稱為陣點(diǎn)。原子堆積模型晶格 (2)晶胞用一系列平行直線將陣點(diǎn)連接起來，形成的一個(gè)三維的空間格架用以描述晶體中原子排列規(guī)律。稱為晶格．—10—從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元來研究晶體結(jié)構(gòu)，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞．晶胞選取原則：a空間點(diǎn)陣的對稱性；b；按照陣點(diǎn)周邊等同環(huán)境和晶胞原則，抽象的空間點(diǎn)陣14種布拉菲點(diǎn)陣(屬于7大晶系)包括：真題舉例畫圖說明一個(gè)面心正方點(diǎn)陣可以被—個(gè)體心正方點(diǎn)陣所代替。(沈工大10)簡要說明為什么十四種布拉菲點(diǎn)陣中不存在面心正方點(diǎn)陣。(沈工大07)寫出七種晶系的名稱及點(diǎn)陣參數(shù)之間的關(guān)系；(北科大12)分別畫出下列離子晶體的布拉菲點(diǎn)陣(下圖中的點(diǎn)陣參數(shù)均為a＝b＝c，α＝β＝γ＝90o)。(北科大12)為坐標(biāo)軸的長度單位。P在相應(yīng)數(shù)字上方?！?2—2．求得待定晶面在三個(gè)晶軸上的截距。三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，記為(hkl)，負(fù)號(hào)標(biāo)在相應(yīng)數(shù)字上方?？键c(diǎn)4：密勒(MiIIer)晶面指數(shù)(六方晶系)晶面指數(shù)建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的對稱性，底面用互成120度的三個(gè)坐標(biāo)選擇其中一個(gè)平行六面體，變成3軸坐標(biāo)系，方法同立方晶系，進(jìn)行標(biāo)注(hkl)，按以下公式還原成4軸坐標(biāo)系即可?！?3—考點(diǎn)5：密勒(MiIIer)晶向指數(shù)(六方晶系)晶向指數(shù)建立坐標(biāo)系同晶面指數(shù)標(biāo)定方法。選擇其中一個(gè)平行六面體，變成3軸坐標(biāo)系，方法同立方晶系，進(jìn)行標(biāo)注[UVW]，按以下公式還原成4軸坐標(biāo)系即可。uv uv＝－一組最近鄰平行晶面間距?！?4—空間關(guān)系晶帶：平行于某一晶向(晶帶軸)所有晶面(晶帶面)的集合．w對于立方晶系：相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直晶帶定律：真題舉例2．致密度。(太科大08)立方晶系中，與晶面(132)平行和垂直的晶向分別是和。(河北工大10)請計(jì)算晶格常數(shù)為a的面心立方晶體的致密度以及其中的丨110丨晶面的面間距。(沈工大在立方晶系中畫出下列晶向指數(shù)和晶面指數(shù)對應(yīng)的晶向和晶面(標(biāo)明X、y、Z軸的方向，并計(jì)算面心立方晶體中(111)的面密度。(深大11)一個(gè)滑移面(HKL)和面上的一個(gè)滑移方向＜uvw＞構(gòu)成一個(gè)滑移系，它們符合什么樣晶體學(xué)位向關(guān)系？試寫出銅單晶體一個(gè)滑移面所對應(yīng)的所有滑移系。(太科大11)—15—第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)—16—真題舉例碳原子溶入α－Fe和γ－Fe中形成間隙固溶體時(shí)，碳原子均占據(jù)八面體間隙位置，簡述原因。金屬在外界條件(溫度、壓力)變化時(shí)，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過程，稱為多晶型性轉(zhuǎn)變，或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為同素異構(gòu)體。第三節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱為合金。組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。如：元素，在研究的范圍內(nèi)穩(wěn)定化合物。相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)均勻組成部分，稱之為相。在固態(tài)材料中，可分為固溶體和化合物兩大類。組織：人們用肉眼或借助某種工具(顯微鏡等)所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。固溶體：一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。中間相：化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)，通常由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也可以是以化合物為基的固溶體(二次固溶體)，其結(jié)合鍵力多為金屬鍵(離子鍵、共價(jià)鍵等)—17—1)置換固溶體溶質(zhì)原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。2)間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置。固溶強(qiáng)化3)正常價(jià)化合物通常是金屬元素與非金屬元素組成，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律。電負(fù)性差值t，化合物穩(wěn)定性t，愈接近離子鍵合。(具有高硬度、高脆性)4)電子濃度化合物按照一定的電子濃度組成一定晶體結(jié)構(gòu)的化合物。由IB族或過渡族元素與A成。(高硬度、高脆性)r~R：拓?fù)涿芏严?金屬原子之間)真題舉例固溶體(太科大11)合金(河北工大12)間隙化合物(河北工大10)細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化(太科大07)簡要說明鐵素體、奧氏體、滲碳體之間的主要區(qū)別。(沈工大10)化合物中，哪個(gè)屬于正常價(jià)化合物？哪個(gè)屬于電子濃度化合物？哪個(gè)屬比較間隙相和間隙化合物兩種原子尺寸因素化合物的不同之處。(沈工大10) —18—第四節(jié)離子晶體結(jié)構(gòu)無方向性和飽和性，趨向于配位數(shù)最大排列，滿足電中性鍵力最強(qiáng)：負(fù)離子之間既不重疊，但又與中心的正離子相接觸。鮑林5規(guī)則：2．電價(jià)規(guī)則(電中性)在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)負(fù)離子電價(jià)Z—等于或接近與之鄰接的各正離子靜電價(jià)強(qiáng)度的總和． (同性相斥)4．不同種類正離子配位多面體間的連接規(guī)則(均勻法則)同種正離子配位多面體之間盡量有互不連接的趨勢。5．節(jié)約規(guī)則(密堆積法則)同一晶體中，同種正離子與同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度的趨于一致，以便于形成密堆積?！?9—真題舉例分別畫出下列離子晶體的布拉菲點(diǎn)陣(下圖中的點(diǎn)陣參數(shù)均為a＝b＝c，α＝β＝γ＝90o)。(北科大12)面體相互間連接時(shí)，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。本章小結(jié)固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類。晶體的性能是與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的?？臻g點(diǎn)陣、晶胞的概念。根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同”和六個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將晶，14種布拉菲點(diǎn)陣。不同方向的晶向和晶面可用密勒指數(shù)加以標(biāo)注。fccbcchcp其中fcc和hcp系密排結(jié)構(gòu)?！?0—1．負(fù)離子配位多面體規(guī)則(能量最低)2．電價(jià)規(guī)則(電中性)3．負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則(同性相斥)4．不同種類正離子配位多面體間連接規(guī)則2．晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的標(biāo)注；子堆垛間隙；6．固溶體的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；7．中間相的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；—21—第三章晶體缺陷本章內(nèi)容分析第一節(jié)點(diǎn)缺陷 (形成，平衡濃度)第二節(jié)位錯(cuò) (柏氏矢量，位錯(cuò)的類型和特征，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的生成和增殖，實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò))第三節(jié)表面和界面 第一節(jié)點(diǎn)缺陷晶體缺陷—偏離了晶體周期性排列的局部區(qū)域1．點(diǎn)缺陷：在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。包括：空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點(diǎn)缺陷．考點(diǎn)2：點(diǎn)缺陷的熱力學(xué)平衡濃度造成點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性增大了原子排列的混亂程度(組態(tài)熵ΔSc)，并改變了其周圍原子的振動(dòng)頻率(振動(dòng)熵ΔSf)，引起組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變，使晶體熵值增大，有利于熱力學(xué)穩(wěn)定性。—22—真題舉例1．為什么在一定溫度下點(diǎn)缺陷具有一定的平衡濃度，而位錯(cuò)沒有平衡密度？(河北工大11)2．在晶體中形成空位的同時(shí)又產(chǎn)生間隙原子，這樣的缺陷稱為：A肖特基缺陷B弗侖克爾缺陷C線缺陷。(深大12)第二節(jié)位錯(cuò)1)晶體生長過程中產(chǎn)生位錯(cuò)：①點(diǎn)陣失配：由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點(diǎn)陣常數(shù)也有差異，形成位錯(cuò)作為過渡；②位相差：由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)等的影響，致使生長著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰位相差，形成位錯(cuò)；③生長應(yīng)力：晶體生長過程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力變形而形成位錯(cuò)。2)點(diǎn)缺陷：由于自高溫較快凝固及冷卻時(shí)晶體內(nèi)大量過飽和空位的聚集能形成位錯(cuò)。3)應(yīng)力集中：晶體內(nèi)部的某些界面(如第二相質(zhì)點(diǎn)、孿晶、晶界等)和微裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的應(yīng)力集中高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時(shí)，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)。位錯(cuò)(線缺陷)：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。(刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò))1)首先選定位錯(cuò)線的正向，規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)的正方向?！?3—2)在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)(避開位錯(cuò)線附近的嚴(yán)重畸變區(qū))以一定的步數(shù)作右螺旋閉合回路(柏氏回路)。3)在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量，刃型位錯(cuò)：柏氏矢量┴位錯(cuò)線?；旌衔诲e(cuò)夾角非0或90度。1)柏氏矢量模|b|表示了畸變的程度－位錯(cuò)的強(qiáng)度。其方向表示位錯(cuò)的性質(zhì)與位錯(cuò)的取向。2)柏氏矢量與回路起點(diǎn)及其具體途徑無關(guān)，守恒性。3)一根不分岔的位錯(cuò)線，其柏氏矢量都相同，唯一性。5)柏氏矢量滿足矢量運(yùn)算。全位錯(cuò)：柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量。不全位錯(cuò)：柏氏矢量不等于(小于)點(diǎn)陣矢量。刃型位錯(cuò)：滑移：在外力作用下，在滑移面(b和滑移線決定)上運(yùn)動(dòng)。攀移：在熱缺陷和外力作用下，位錯(cuò)在垂直滑移面的運(yùn)動(dòng)。螺型位錯(cuò)：—24—滑移：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直于位錯(cuò)線和柏氏矢量，有多個(gè)滑移面，(交滑移)。在位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)過程中，位錯(cuò)線往往很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)全長運(yùn)動(dòng)。若由此形成的曲折線段就在位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，稱為扭折；若該曲折線段垂直于位錯(cuò)的滑移面時(shí)，稱為割階。運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交割后，每根位錯(cuò)線上都可能產(chǎn)生一扭折或割階，其大小和方向取決于另一位錯(cuò)的柏氏矢量，但保持原位錯(cuò)線的柏氏矢量。所有的割階都是刃型位錯(cuò)，而扭折可以是刃型也可是螺型的。扭折與原位錯(cuò)線在同一滑移面上，可隨主位錯(cuò)線一道運(yùn)動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生阻力，且在線張力作用下易于消失。但割階則與原位錯(cuò)線不在同一滑移面上，故除非割階產(chǎn)生攀移，否則割階就不能跟隨主位錯(cuò)線一道運(yùn)動(dòng)，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，通常稱此為割階硬化。割階“釘扎效應(yīng)”對于刃形位錯(cuò)要弱于螺形位錯(cuò)?？键c(diǎn)6：位錯(cuò)的應(yīng)變能(位錯(cuò)反應(yīng))位錯(cuò)彈性引力場存在，導(dǎo)致晶體能量上升－位錯(cuò)(應(yīng)變)能。應(yīng)力場的彈性能：由單位位錯(cuò)長度位錯(cuò)做功計(jì)算Ee—25—位錯(cuò)反應(yīng)條件：2能量條件：反應(yīng)后能量小于等于0bb后|E前E前E后∴給位錯(cuò)反應(yīng)可以進(jìn)行1)位錯(cuò)的應(yīng)變能與b2成正比。從能量的觀點(diǎn)來看，晶體中具有最小b的位錯(cuò)應(yīng)該是最穩(wěn)定的，由此，滑移方向總是沿著原子的密排方向．3)位錯(cuò)的能量是以單位長度的能量來定義的，故位錯(cuò)的能量還與位錯(cuò)線的形狀有關(guān)。由于兩點(diǎn)間以直線為最短，所以位錯(cuò)線有盡量變直和縮短其長度的趨勢。4)位錯(cuò)的存在均會(huì)使體系的內(nèi)能升高，雖然位錯(cuò)的存在也會(huì)引起晶體中熵值的增加，但相對來說，熵值增加有限。因此，位錯(cuò)的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，位錯(cuò)是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的晶體缺陷。1)兩平行螺位錯(cuò)的交互作用，相互遠(yuǎn)離。—26—2)兩平行刃型位錯(cuò)的交互作用考點(diǎn)8：位錯(cuò)的增殖(位錯(cuò)釘扎)真題舉例1．一個(gè)環(huán)形位錯(cuò)(可以，不可以)各部分均為螺型位錯(cuò)。(沈工大10)2．在外加應(yīng)力作用下，刃型位錯(cuò)除了可以沿其自身滑移面發(fā)生滑移外，還可以發(fā)生(攀移，交滑移)(沈工大10)4．位錯(cuò)交割(沈工大07，10)位錯(cuò)攀移(沈工大10)6．全位錯(cuò)能夠分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)(河北工大12)fccbcc，并比較二者哪一個(gè)引起的畸變較大。(西工大10)9．FCC晶體中有的單位位錯(cuò)和的不全位錯(cuò)，這兩個(gè)位錯(cuò)相遇能否發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)？(河北工大11)—27—第三節(jié)表面和界面界面通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，系二維結(jié)構(gòu)分布，故稱為晶體的面缺陷。界面的存在對晶體的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。包括外表面(自由表面)和內(nèi)界面。表面是指固體材料與氣體或液體的界面，它與磨損、腐蝕、偏錯(cuò)及相界面等。晶體表面單位面積自由能的增加稱為表面能(J／m2)原子密排的表面具有最小的表面能。所以自由晶體暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。(結(jié)晶學(xué)平面)按照位向差：小角度晶界(θ＜10°)大角度晶界(θ＞10°)θ－晶粒位向差φ－晶界相對于點(diǎn)陣某一平面夾角?！?8—1)晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。因此，晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界面積，是一個(gè)自發(fā)過程。2)晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度愈高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化；而高溫下則相反，因高溫下晶界存在一定的粘滯性，易使相鄰晶粒產(chǎn)生相對滑動(dòng)。3)晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò)等，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快得多。4)在固態(tài)相變過程中，由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核。原始晶粒愈細(xì)，晶界愈多，則新相形核率愈高。5)由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，晶界富集雜質(zhì)原子，往往晶界熔點(diǎn)較低。6)由于晶界能量較高，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，其腐蝕速度較快。真題舉例2．以晶界兩側(cè)晶體的位向差是大于還是小于度來區(qū)別大、小角度晶界，小角度晶界的可動(dòng)性大角度晶界。(河北工大11)3．小角度晶界(沈工大11)4．大角度晶界(沈工大12)本章小結(jié)基本概念：本章重點(diǎn)及難點(diǎn)：—29—)3．位錯(cuò)源、位錯(cuò)的增殖(F－R源、雙交滑移機(jī)制等)和運(yùn)動(dòng)、交割(割階釘扎位錯(cuò))本章主要公式：m晶格失配度：—30—第四章固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)本章內(nèi)容分析第一節(jié)表象理論： 置換型固溶體中的擴(kuò)散，擴(kuò)散中的熱力學(xué)分析)第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論： (擴(kuò)散機(jī)制，原子跳躍和擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散激活能、擴(kuò)散距離、影響擴(kuò)散的因素)第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解)第一節(jié)表象理論擴(kuò)散：由構(gòu)成物質(zhì)的微粒(離子、原子、分子)的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散通量與濃度梯度正比而反向J－單位時(shí)間單位面積通過物質(zhì)的量， (當(dāng)D與沈度無關(guān)時(shí))—31—考點(diǎn)2：菲克第二定律定解及其應(yīng)用(計(jì)算題)菲克第二定律＝－)＝D(1855)濃度隨時(shí)間變化與擴(kuò)散通量梯度正比而反向x一維偏微分方程通解：C＝＋B0的時(shí)間？解：用半無限長棒擴(kuò)散來解—32—考點(diǎn)3:置換型固溶體中的擴(kuò)散(柯肯達(dá)爾效應(yīng))間隙擴(kuò)散類型：間隙固溶體中溶質(zhì)的擴(kuò)散(不會(huì)引起溶劑基體中晶格數(shù)量和位置的變化，如：鋼和鐵焊接形成擴(kuò)散)置換擴(kuò)散類型：置換固溶體中溶質(zhì)的擴(kuò)散(一種原子進(jìn)入晶格同時(shí)另外原子離開，當(dāng)進(jìn)入和離開鋁形成擴(kuò)散偶)柯肯達(dá)爾效應(yīng)(1947)：在置換固溶體擴(kuò)散偶界面埋入一個(gè)惰性標(biāo)記，由于溶劑、溶質(zhì)組元擴(kuò)散能力不等，經(jīng)過擴(kuò)散后會(huì)引起標(biāo)記的移動(dòng)的現(xiàn)象?？键c(diǎn)4:空位擴(kuò)散機(jī)制解釋柯肯達(dá)爾效應(yīng)富鋁側(cè)和富銅側(cè)產(chǎn)生空位。鋁原子擴(kuò)散能力高于銅原子。富銅側(cè)的空位被遷移過來的鋁原子填充，富鋁側(cè)的空位來不及被填充，—33—標(biāo)記面向富鋁側(cè)運(yùn)動(dòng)，形成柯肯達(dá)爾效應(yīng)?？键c(diǎn)5:擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力-化學(xué)勢梯度濃度梯度是擴(kuò)散現(xiàn)象，化學(xué)勢梯度才是擴(kuò)散的動(dòng)因。在固體材料中，物質(zhì)的遷移(擴(kuò)散)會(huì)出現(xiàn)從低濃度向高濃度處聚集，這種反向的擴(kuò)散稱為“上坡擴(kuò)散”飽和固溶體的脫溶析出第二相，帶電離子在電場或磁場的作用下，彈性應(yīng)力場，晶界內(nèi)吸附等。真題舉例溶解度差別忽略不計(jì)，請計(jì)算在927℃滲碳多少小時(shí)后才能達(dá)到在滲碳10小時(shí)的滲碳層深度？(已知2．材料中發(fā)生擴(kuò)散的根本原因是：A溫度的變化，B存在濃度梯度，C存在化學(xué)勢梯度．(深大uAlMo4．自擴(kuò)散與互擴(kuò)散(太科大09)第二節(jié)擴(kuò)散的原子理論考點(diǎn)1：擴(kuò)散的原子理論(微觀機(jī)制)—34—考點(diǎn)3：影響擴(kuò)散系數(shù)D的因素(微觀機(jī)制)擴(kuò)散過程引起的物質(zhì)流量除了與濃度梯度(和化學(xué)位梯度)有關(guān)外，另一個(gè)重要的因素就是擴(kuò)散系數(shù)。真題舉例解釋為什么滲碳鋼滲碳時(shí)滲碳溫度一般要選擇在900℃左右。(太科大09)請簡述在固態(tài)條件下，晶體缺陷、固溶體類型對溶質(zhì)原子擴(kuò)散的影響。(西工大10)根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式，分析影響擴(kuò)散的主要因素。(太科大08)請簡述影響擴(kuò)散的主要因素有哪些。(深大11)碳原子和鐵原子在相同溫度的γ－Fe中進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，為何碳原子的擴(kuò)散系數(shù)大于鐵原子的擴(kuò)散系數(shù)？(沈工大10)置換固溶體中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散是通過實(shí)現(xiàn)。ABC．空位機(jī)制D．傳導(dǎo)機(jī)制(河北工大12)—35—第三節(jié)反應(yīng)擴(kuò)散在擴(kuò)散中由于成分的變化，通過擴(kuò)散伴隨著新相的形成(或稱有相變發(fā)生)的擴(kuò)散過程，也稱為“相變擴(kuò)散”1．在一定的溫度下擴(kuò)散過程進(jìn)行中，不形成兩相混合區(qū)。度不斷增加。4．單獨(dú)依靠擴(kuò)散從固體中析出另一新相，新相的層深和時(shí)間的關(guān)系為：δ∝^δ1而生長速度則為：v∝t＝^真題舉例為何二元系反應(yīng)擴(kuò)散后的擴(kuò)散層組織中不存在兩相混合區(qū)(沈工大09)FeNN1)相變擴(kuò)散(沈工大08)—36—第四節(jié)離子晶體中的擴(kuò)散(概念性了解)在離子晶體中，擴(kuò)散離子只能進(jìn)人具有同樣電荷位置。離子擴(kuò)散只能依靠空位來進(jìn)行，為了保持局部電荷平衡，需要同時(shí)形成不同電荷的兩種缺陷。肖脫基(Schottky)型離子空位對弗蘭克間隙離子－空位對。肖脫基型離子空位對弗蘭克間隙離子－空位對離子鍵的結(jié)合能遠(yuǎn)大于金屬鍵為了保證電中性，必須產(chǎn)生成對的缺陷擴(kuò)散離子只能進(jìn)人具有同樣電荷的位置陽離子的擴(kuò)散系數(shù)通常比陰離子大(在NaCl中，氯離子的擴(kuò)散激活能約是鈉離子的2倍)真題舉例離子化合物中，陽離子比陰離子擴(kuò)散能力強(qiáng)的原因在于：(深大12)C．陽離子的原子價(jià)與陰離子不同本章小結(jié)(基本概念)擴(kuò)散的機(jī)制(間隙、空位)、4．影響擴(kuò)散系數(shù)的主要因素及其原理—37—10．柯肯達(dá)爾效應(yīng)及其空位擴(kuò)散機(jī)制對其的解釋本章小結(jié)(本章重點(diǎn)及難點(diǎn))2．半無限桿擴(kuò)散方程(滲碳時(shí)間、滲層厚度等求解)本章小結(jié)(本章主要公式)—74—第八章三元相圖本章內(nèi)容分析第一節(jié)三元相圖基礎(chǔ)元相圖表示：成分三角形三元相圖的制作第二節(jié)三元相圖分析四相平衡反應(yīng)類型 (恒溫截面圖，