西北工业大学材料科学基础考研复习课件

1、西北工业大学材料科学基础考研复 习 1 西北工业大学硕士研究生入学考试西北工业大学硕士研究生入学考试 材料科学基础材料科学基础命题规律分析和考点精讲命题规律分析和考点精讲 主讲人：苏俊主讲人：苏俊 西北工业大学材料科学基础考研复 习 2 参考书目 1.材料科学基础（第二版），刘智恩，西北工业大学 出版社，2003 2.材料科学基础，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版 社，2000 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 5.材料科学基础，机械出版社的。带彩图，个人觉得 很有用。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 3

2、大纲要求 在西工大出版的材料科学基础里，我把1,2,5章称为 基础理论，3,4章称为凝固理论，6，7章为变形理论。8,9 章考研大纲不要求。 其中2.5分子相；3.5陶瓷，聚合物的凝固；4.9三元相图 ；6.1金属应力应变曲线;6.6聚合物的变形，6.7陶瓷材料 的塑性变形考研大纲也不要求 西北工业大学材料科学基础考研复 习 4 第一章 工程材料中的原子排列 一. 固体中原子的结合键：（考点一） 金属键，共价键，离子键，分子键，氢键 主要考点：各价键的特点 问题：从结合键角度分析金属塑性优于陶瓷的原因。（2013考题） 二. 原子规则排列： 1.晶体学基础 晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞

3、的定义（看） 布拉菲点阵主要记住立方点阵（体心立方，面心立方）及密排六方 点阵 西北工业大学材料科学基础考研复 习 5 面心立方（fcc） aR 4 2 点阵常数： 最近原子距离 方向 晶胞原子数 配位数：12 致密度： (a为棱长) ad 2 2 462/188/1 %74 6/14 3 3 a d k 西北工业大学材料科学基础考研复 习 6 体心立方（bcc） 点阵常数: 最近原子间距： 方向 晶胞原子数： 配位数：8 致密度：68% （a为棱长） aR 4 3 ad 2 3 21818 西北工业大学材料科学基础考研复 习 7 密排六方（hcp) 点阵常数： 最近原子距离：d=a 方向 晶

4、胞原子数： 配位数：6+6 致密度： 0211 6322/ 1126/ 1 %74 )2/35 . 0(6 6/16 3 caa d k aR 2 1 西北工业大学材料科学基础考研复 习 8 三种点阵的堆垛方式 密排面，密排方向，堆垛方向，堆垛次序的定义 西北工业大学材料科学基础考研复 习 9 晶向指数与晶面指数（考点二） 一.晶向指数（右手系） 求法：定原点建坐标求坐标化最小整数加【】 要把原点放在晶向上（起点上） 注意：化最小整数的方法：除以约数，化为1以内的数。 比如 特点：1.晶向指数代表了一系列相互平行，方向相同的晶向 2.晶向族代表一系列性质相同地位相同的晶向 3.对于立方晶系来说

5、：数字相同，仅正负号、数字排序不同的 属于同一晶向族 . 3 1 1 3 2 231 西北工业大学材料科学基础考研复 习 10 二.晶面指数（右手系） 求法：定原点求截距取倒数化最小整数加（） 原点放在晶面外 特点：1.直接表示任意晶面 2.实际上表示所有相互平行的晶面 牢记三大晶面族100单个面，110对角面，111体对角 对于立方晶系而言：指数数字相同的晶向与晶面互相垂直。 晶面指数与晶向指数的关系 西北工业大学材料科学基础考研复 习 11 三，六方晶系的晶向指数与晶面指数三，六方晶系的晶向指数与晶面指数 321 ,aaa 六方晶系是四轴坐标系 特点： 轴共面，夹 角120只有两个独立 晶

6、向【uvtw】 u+v+t=0 晶面（hkil）h+k+i=0 西北工业大学材料科学基础考研复 习 12 几个非常重要的公式（掌握） 1.两晶面交线的晶向指数公式 2.两相交晶向决定的晶面指数 公式 （hkl） 【uvw】 西北工业大学材料科学基础考研复 习 13 立方晶系晶面间距公式： 正方晶系晶面间距公式： 六方晶系晶面间距公式： 西北工业大学材料科学基础考研复 习 14 两晶向夹角公式： 两晶面夹角公式： 西北工业大学材料科学基础考研复 习 15 相关真题与习题 1.写出112晶面族的等价晶面（2011年考题） 2.写出附图的简单立方晶体中ED、CF的晶向指数和ACH、FGD的晶 面指数

7、，并求ACH晶面的晶面间距，以及FGD与ABCD两晶面 之间的夹角。（注：G、H点为二等分点，F点为三等分点）（2010） 3.请分别写出立方晶系中110和100晶面族包括的晶面（2009） 西北工业大学材料科学基础考研复 习 16 原子的不规则排列（考点三最重要最重要） 一。点缺陷 点缺陷主要包括：空位、间隙原子、溶质原子、杂志 两类 ：肖脱基空位（原子跳到界面处）；弗兰克尔空位（原子在间 隙） 问题：在绝对温度以上的任何温度，晶体最稳定的状态是含有一定浓 度的点缺陷状态，为什么？ 平衡浓度计算公式： 规律：温度越高，空位浓度越大。 )/(108 .13, 1 )exp( 24 KJkA k

8、T E A N n c ve v 原子 西北工业大学材料科学基础考研复 习 17 二。线缺陷（重中之重） 1.刃位错 分为：正刃型位错（上压下拉） 负刃型位错（上拉下压） 注意：这图是正视图。我们看到的 位错线只是一个点。上下多出 来的两条线是半原子面。 位错线是上下两个半原子面 的分界线。 问题：寻找下图的位错线。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 18 螺位错 原子面部分错动一个原子间距 形成不吻合过渡区。 螺位错分为左螺位错和右螺位 错，两者有本质区别 位错线只能终止在晶体表面 或晶界上，而不能中断于晶体 的内部，在晶体内部，它只能 形成封闭的环或与其他位错相 遇于节点而形成位错网络。

9、 西北工业大学材料科学基础考研复 习 19 柏氏矢量反映位错区畸变的 方向与程度 求法： （1）包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 （2）将同样的回路置于完整的晶 体中不能闭合 （3）补一矢量（终点指向起点） 使回路闭合柏氏矢量 特性： （1）满足右螺旋和规则时，柏氏 矢量与柏氏回路路径无关唯 一性 （2）用柏氏回路求得的柏氏矢量 为回路中包围的所有位错柏氏矢 量的总和可加性 （3）同一位错，柏氏矢量处处相 同同一性 西北工业大学材料科学基础考研复 习 20 柏氏矢量的表示方法： 对于立方晶系a=b=c 故模： 计算 cwbvauuvw n a b 222 wvu n a b 的矢量和112 6

10、 ,111 3 21 a b a b 西北工业大学材料科学基础考研复 习 21 三种位错柏氏矢量的特点 位错类型柏氏矢量与位错线的关系畸变应力场 刃位错垂直主要是正应力 螺位错平行剪切应力 混合位错一定角度复杂 西北工业大学材料科学基础考研复 习 22 位错正负（左右）的确定 记住：只有先规定位错线方向才有正负左右之意义，位错线方向改变 ，正负，左右随之改变 刃位错： 有晶体图时用右手法则中指指向柏氏矢量方向，食指位错线 方向，则拇指：上正下负 无晶体图时用旋转法柏氏矢量顺时针旋转90，与位错线方 向：顺正逆负（姨夫） 螺位错： 有晶体图时和螺纹判断方法一致左手左螺，右手右螺 无晶体图时用关系

11、法柏氏矢量与位错线方向顺右逆左（ 顺溜） 西北工业大学材料科学基础考研复 习 23 位错运动（重要）记住：塑性变形是靠晶面滑移来实现的，而滑移是靠位错运动实现的！（ 第六章） 一.位错的滑移 刃位错滑移特征 1.位错逐次依次前进，实现两原子面的相对滑移 2.滑移量等于柏氏矢量的模 3.外力b,位错线外力，位错线运动方向 4.一定时，正负位错运动方向相反，但最终效果是一样的（翻转 180） 5.滑移面唯一 西北工业大学材料科学基础考研复 习 24 螺位错滑移特征 1.位错逐次依次滑移，实现两原子面的相对滑移 2.滑移量等于柏氏矢量的模 3.外力b,位错线外力，位错线运动方向 4.一定时，左右螺位

12、错运动方向相反，但最终效果是一样的 5.滑移面不唯一 西北工业大学材料科学基础考研复 习 25 位错滑移特征比较 类型b与位错线 位错线运动 方向 与b与位错线滑移面个数 刃位错法线 唯一 螺位错法线多个 混合位错一定角度法线分量一定角度 西北工业大学材料科学基础考研复 习 26 刃位错的攀移 方式： 原子扩散离开（到）位错线半原子面缩短（伸长）正（负）攀移 特点： 1.刃位错垂直于滑移面运动非守恒运动 2.需要热激活，能量较多，在高温时容易出现，属于扩散过程，成为 “非守 恒运动”（第七章，高温回复） 3.攀移只能是刃位错才能发生。 作用： 原滑移面上运动受阻攀移新滑移面避开障碍物滑移继续。

13、 结论： 攀移能力越强，滑移能力越强，进一步影响塑性变形。 作用于半原子面的正应力有利于攀移的进行（拉正压负） 西北工业大学材料科学基础考研复 习 27 螺位错的交滑移 螺位错和混合位错不能发生攀移。 交滑移仍在滑移面上滑移守恒运动。 作用： 原滑移面上运动受阻交滑移新滑移面避开障碍物 滑移继续。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 28 位错之间的交互作用与位错塞积 一。相互平行的位错之间的交互作用 1.同号位错 情况一：两位错相距很远时，应变能 ： 情况二：两位错相聚较近时，看成两位错柏氏矢量相加，应变能 ： 同号位错相斥，导致体系能量下降。 2.异号位错 异号位错会相互合并，抵消或者b减

14、小，原因是异号位错会相互吸 引，使缺陷降低，体系能量降低，趋于稳定。 2 b2Gw 总 2 )2( bGw 总 西北工业大学材料科学基础考研复 习 29 二.相互垂直的位错之间的交互作用位错交割（13年 考点） 形成割阶与扭折 割阶：不在原滑移面上的拐折 扭折：在原滑移面上的拐折。特点：不稳定，易消失，不影响滑移。 对于刃位错：两柏氏矢量平行时扭折原滑移面，大小方向等于对方b 两柏氏矢量垂直时割阶不在愿滑移面，大小方向等于对方 b（平扭垂割） (见附图) 西北工业大学材料科学基础考研复 习 30 西北工业大学材料科学基础考研复 习 31 刃位错与螺位错交割 图中AA为刃位错，MMb2.大小等于

15、b2的模。割阶，MM为刃位错。 AMMA运动受阻 BB螺位错。NNb2.大小等于b1的模。扭折。NN为刃位错。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 32 两柏氏矢量相互垂直的螺位错交割。 螺位错AA：形成割阶，刃位错MM。MM大小与b2相等，方向平行。 BB：形成割阶，刃位错NN。NN大小与b1相等，方向平行。 综述 所有的割阶都是刃位错。扭折既有刃位错也有螺位错。 割阶不能随主位错线运动。扭折易运动且易消失。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 33 位错的增殖 F-R源 开动条件： 外力大于位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力。 弯曲半径r与外力成反比。当位错弯曲成半圆时，r最小，最大。 r k

16、Gb r kGb r T b 2 西北工业大学材料科学基础考研复 习 34 实际晶体位错 形成单位位错的条件： 结构条件：柏氏矢量为两原子面平衡位置的连线。 能量条件：b越小，位错能量越小，稳定性越高。 记：全位错：fcc a/2;bcc a/2;hcp a/3 堆垛层错（看） 不全位错 一.肖克莱位错：（特点） 1.柏氏矢量在滑移面上，可以滑移。 2.位错运动相当于层错面的扩大或缩小。 3.肖克莱位错的类型刃位错，螺位错，混合位错。 4.位错线，柏氏矢量，滑移面共面肖克莱位错线为平面曲线 西北工业大学材料科学基础考研复 习 35 二.弗兰克位错（特征） 1.柏氏矢量垂直于滑移面不可滑移，只能

17、攀移。 2.位错运动相当于层错面的扩大或缩小。 3.弗兰克位错类型纯刃位错 4.可以是空间曲线 位错反应 1.几何条件。2.能量条件 西北工业大学材料科学基础考研复 习 36 面缺陷 晶界特征 1.晶界畸变晶界能向低能量状态转化晶 粒长大、晶界变直晶界面积较小 2.阻碍位错运动强度值升高引起细晶强化 3.位错、空位等缺陷多晶界扩散速度高 4.晶界能量高，结构复杂容易满足固态相变的条件 固态相变的首发地 5.化学稳定性晶界容易受腐蚀 6.微量元素、杂质富集 西北工业大学材料科学基础考研复 习 37 相关真题及习题 （附有答案） 简述位错增殖（F-R源）过程 空间点阵与晶体结构有什么区别 C可以渗

18、入铁中形成间隙固溶体，试分析-Fe与-Fe哪个熔C多。（ 10考研） 为什么在无外力情况下，位错线总是有自发变直的倾向 说明位错的多滑移、交滑移、攀移。（密卷） 密排六方是不是一种点阵，为什么？ “小角度晶界都是由刃位错排成墙而构成的”这说法对不对 晶界与亚晶界的异同 西北工业大学材料科学基础考研复 习 38 简述位错增殖（F-R源）过程 A.B段位错两端A.B被钉扎不能移动，当外加切应力作用时，AB将受到F=b 的作用，因为两端固定，故只能向前弯曲，两端则分别绕A.B发生回旋， 当两端弯曲出来的线段相互靠近时，由于该两段位错平行于b，属于左螺 位错和右螺位错，它们会相互抵消，形成一闭合的位错

19、环和位错环内的一 小段弯曲位错线。在外力继续作用下，位错环将向外扩张，移出晶面，产 生一个b的滑移，而环内的弯曲曲线，在线张力作用下变直，重新形成一 个位错源，在作用下继续释放位错环。 答案 西北工业大学材料科学基础考研复 习 39 空间点阵与晶体结构有什么区别 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，由于各阵点周围环境相同 ，故只有14钟类型。而晶体结构式晶体中实际质点的排列 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。 C可以渗入铁中形成间隙固溶体，试分析-Fe与-Fe哪 个熔C多。（10考研） -Fe中容碳多。-Fe为体心立方结

20、构，其八面体间隙 为扁八面体，相比而言四面体间隙较大；-Fe为面心立 方，其八面体间隙大。体心立方四面体间隙比八面体间隙 小得多。当碳原子渗入时在-Fe中引起较大的畸变，因 此碳原子的溶解度比-Fe小得多。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 40 2 2 1 GbT 为什么在无外力情况下，位错线总是有自发变直的倾向 位错弯曲时，位错两端的线张力 将产生一个指向曲率 中心的恢复力，驱使位错变直 。 说明位错的多滑移、交滑移、攀移。 晶体的滑移在两组或者更多的滑移面上同时进行或者交替进 行。 原滑移面上运动受阻交滑移新滑移面避开障 碍物滑移继续。（螺位错） 原滑移面上运动受阻攀移新滑移面避开障碍

21、 物滑移继续。（刃位错） 密排六方是不是一种点阵，为什么 密排六方是不是一种点阵，为什么不是一种点阵，因为位于 晶胞内的原子与晶胞角上的原子具有不同的周围环境。若将晶 胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子组成一个点阵 ，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 41 “小角度晶界都是由刃位错排成墙而构成的”这说法对不 对 不对。小角度晶界有两种：1.对称倾侧晶界。可看成由一 系列相隔一定距离的刃型位错组成。2.扭转晶界：是由两 组螺型位错交叉成网络构成，晶界两侧的原子位置在位错 出不吻合，而其余位置是吻合的。 晶界与亚晶界的异同 相同点：都属于面缺陷

22、 不同点：晶界是多晶体的相邻晶粒之间的界面，根据位向 差的分为小角度晶界和大角度晶界。而亚晶界是一个晶粒 内部，原子排列也并不是多么规整，其中会出现位向差很 小的亚结构，亚结构之间的交界属于亚结构，并属于小角 度晶界。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 42 第二章 固体中的相结构 大纲要求 （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；（基本不考） （4）玻璃相：性能、特征及形成条件。（基本不考） 西北工业大学材料科学基础考研复 习 43 2.1固熔体 1.固熔体的定义。（保持溶剂点阵结构） 2.固熔度的定义

23、。（摩尔分数） 3.固熔体的分类：两种。置换固熔体=无限固熔体 4.影响置换固熔度的因素： （1）组元晶体结构：越相似，固熔度越大。 （2）原子尺寸因素：差异小，点阵畸变小，稳定性高，有 利于原子进一步溶入。 （3）电负性因素：差异小，化学亲和力小，有利于形成固 熔体，不利于形成化合物。 （4）原子价因素：电子浓度低（=价电子总数/原子总数） ，有利于溶入。 总结：三个相似一个低总结：三个相似一个低。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 44 间隙固熔体 定义：溶质原子尺寸与溶剂间隙尺寸相似 问题：为什么bcc晶体的间隙数量多，致密度低，但溶解小 原子的能力却远远不及fcc晶体？ 体心立方的致

24、密度虽然比面心立方要低，但正因为它的间 隙数量多，因此单个间隙半径反而比面心立方的要小。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 45 有序固熔体 同类异类原子间亲和力相同，使原子随机分布完全无序 同类原子亲和力大，异类间小，同类原子偏聚偏聚分布 同类原子亲和力小，异类间大，相间排列有序排列 长程有序 西北工业大学材料科学基础考研复 习 46 固熔体的点阵畸变 1.置换式 溶质原子溶剂原子膨胀点阵常数增大 溶剂原子溶质原子收缩点阵常数减小 2.间隙式 溶质原子一般大于间隙撑开点阵常数增大 西北工业大学材料科学基础考研复 习 47 2.2金属间化合物 金属化合物定义:A+B=C 特点： 1.按一定的原子比结合（可以有一部分偏差），故可以用化 学方程式表示。 2.电负性差异大，异类原子亲和力强，因此是有序排列。 3.由于结构与A.B不同，故性能也不同于A.B组元。 4.原子尺寸差，电子浓度，电负性决定化合物类型。 西北工业大学材料科学基础考研复 习 48 主要类型 一.正常价化合物 特点：1.符合原子价规律 2.电负性越大，稳定性越高 3.离子键、共价键，也可以有金属键 4.不易变形，硬脆，一般由金属与非金属组成 例子：NaCl,ZnS 二.电子化合物 特点：1.结构主要取决于电子浓度，原子