《材料科学基础》总复习(完整版)

《材料科学基础》上半学期内容重点

第一章固体材料的结构基础知识

键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念；

晶体的特性（5个）；

晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类；

晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子；

第二章晶体结构与缺陷

晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体；

典型金属晶体结构；

离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）；

晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）；

第三章材料的相结构及相图

相的定义

相结构

合金的概念：

固溶体

置换固溶体

（１）晶体结构

无限互溶的必要条件—晶体结构相同

比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明）

（２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变；

（３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体

（一）间隙固溶体定义

（二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素

（三）间隙固溶体的点阵畸变性

中间相

中间相的定义

中间相的基本类型：

正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法

电子化合物：电子化合物、电子化合物种类

原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物

二元系相图：

杠杆规则的作用和应用；

匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）

型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点；

三元相图：

三元相图成分表示方法；

了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义；

第四章材料的相变

相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）；

按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点；

马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、陶瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、陶瓷马氏体相变性能的不同――作为题目）有序-无序相变的定义

玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变；

按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变

第5章 金属材料的显微结构特征

一、纯金属的凝固及结晶

1、结晶的热力学条件

? 结晶后系统自由能下降。

? 结晶的热力学条件是系统的过冷度

ΔT ＞0。

? 结晶驱动力与过冷却度的关系

m

m V T T L G ?-=? 2、形核

（1）液相结构

长程无序

短程有序：液体内某时刻有许多微小体积内的质点有序排列，每一微小体积维持有序排列的时间非常短暂，不断在不同位置有新的有序排列微小体积产生，但又瞬间消失，称为结构起伏。

（2）晶胚

熔点以下的微小体积的有序排列称为晶胚

（3）表面能

? 晶胚与液相结构不同，已经具有明确的表面

? 晶胚的表面能增加了系统的能量

晶胚的表面能是结晶的阻力

? 当晶胚尺寸较小时，表面能的增加量要大于自

由能下降值，因此晶胚还会消失，是不稳定的

小晶体（晶胚的不稳定性）

（5）形核

? 尺寸r ＜r*的晶胚，随晶胚尺寸增加系统能量增加，晶胚是不能长大。 ? 当晶胚尺寸r ≥ r*，如果晶胚长大，系统总自由能下降，因此晶胚可以

长大。 ? 以尺寸r*为界，晶胚性质发生改变，称r*为临界半径。

? 将半径大于r*可以长大成为晶体核心的晶胚称为晶核

? 半径等于r*的晶核称为临界晶核

（6）临界半径与过冷却的关系：T

L T r m m ???=σ2* ? 形核功（ΔG*）：临界晶核最大能量增加值。

? 体积自由能下降只抵消了表面能的2/3，尚有1/3表面能没有抵消就开始

结晶了

? 能量起伏：系统内各点能量实际不是均匀的，在液相能量高于平均能量

的位置形核，局部可以获得比平均能量位置更大的驱动力（更多的体积自由能下降值）

（7）形核率

? 定义：单位时间在单位体积液体内形成的晶核数（N ）

? 影响因素：

? 形核功：阻力越大，形核时的形核功（ΔG*）也越大，形核率将减少 ? 扩散激活能：形核过程需要质点运动到晶胚表面，并在表面运动排列，

质点运动过程作功越多，形核越困难，形核率也越低。质点位移大于晶格常数的运动称为扩散，扩散的难易程度用扩散需要的能量大小表示，称为扩散激活能（Q ）。扩散激活能越大，形核率越来小。

? 温度：温度越低，过冷度越大，形核功越小，形核率因此增加；温度降

低，扩散困难（扩散激活能增加），形核率因此减少。

? 导致形核率急剧增加的温度和过冷度称为有效形核温度和有效形核过

冷度。

（8）结晶形核的分类

? 均匀形核（自发形核）：液相同时在许多位置随机形核，晶核在液相均

匀分布。均匀形核要比较大的过冷度(0.2Tm)。

? 非均匀形核（非自发形核）：晶核在液相中已经存在的一些其它固体表

面（型壁，外来其它晶体颗粒）上生成。非均匀形核减少了表面能形核阻力。

? 非均匀形核的形核功：

()θθθf G G G het *hom 3*

hom *

4cos cos 32?=???

? ??+-?=? ? 当θ=180°时：完全不湿润情况，基底无作用（相当与均匀形核）； ? 当θ=0°时：完全湿润情况，（基底本身已经是一个晶核，无需再形核）

? 一般情况：*het G ?<*hom G ?，形核功小，形核时过冷度也相应减小。

（9）非均匀形核与均匀形核的过冷度及形核率比较：

? 非均匀形核的过冷度比均匀形核率小很多。

? 如纯铁均匀形核的过冷度高达295℃，而非均匀形核的过冷度低于

20℃ 。金属结晶一般均为非均匀形核。

? 形核率--过冷度曲线比较：非均匀形核率在0.02Tm 已经达到最达形核

率，由低形核率到高形核率过度略平缓，到最大形核率结晶没有结束，

(基底消耗)

3、晶体长大

? 晶体长大的条件

（1）动态过冷：晶体长大也需要一定的过冷度，长大所需的界面过冷度称

为动态过冷度，用?T k 表示。动态过冷度不大，约0.01～

2℃。

? 长大过程的过冷却度与形核时的过冷却度不同：形核过冷度用来克服

形核功，长大过程过冷度用来克服原子扩散激活能。

（2）足够的温度：过冷度太大要发生玻璃态转变。

? 晶体长大速度：界面在单位时间向液相前推移的垂直距离称为长大线速

度。

?晶体长大速度与界面结构有关系：

（1）光滑界面：所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的，但是从宏观

来看，界面由若干不同指数晶面小平面组成（小平面界面）。

（截面呈现呈锯齿状的折线）

（2）粗糙界面：粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层，但是宏观上看，界面反而是平直的。

?晶体长大机制：

（1）粗糙界面的连续长大（垂直生长）：

?不断有液态原子就位晶体位置(不再游离)，结果是界面向垂直界面的方向长大（垂直长大）。长大过程需要动态过冷度ΔTk。

?对于大多数金属长大，需要动态过冷度很小。

?金属的生长速率与过冷度成正比，比如10度过冷却时，每秒长大100mm。

?（2）光滑界面的横向长大：光滑界面的台阶结构、光滑界面的侧向长大过程、二维形核长大机制、螺旋长大（依靠晶体缺陷长大机制）

纯晶体凝固时的生长形态：

(1)影响生长形态的主要因素

①界面结构

②界面前沿附近的液相内的温度梯度：

?正的温度梯度：结晶潜热要靠固体散热，生长速度取决于固体热传导速度，不会产生局部凸前的界面

?负的温度梯度：结晶潜热作用大

正的温度梯度情况下的生长形态：

?光滑界面结构的晶体：整体界面为有角度差的光滑晶面折面，整体界面与等温面平行。

?粗糙界面结构的晶体：与等温面平行的平面状态推进。

负的温度梯度情况下的生长形态：

?负梯度对晶体生产的影响：固液两端均可散热，如果界面局部生长凸入前沿，长大更快，结果是形成树枝状结晶（树枝生长）。沿生产方向晶体部分称为晶枝或者晶轴：一次晶轴、二次晶轴、三次晶轴；晶枝有固定晶体取向。

?粗糙界面结构的晶体：金属为典型的树枝状结晶。

?光滑界面结构的晶体：树枝状结晶不明显，依然为小平面特征。