材料科学基础考研大纲解析

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1、材料科学基础考研大纲解析大纲解析及重点知识（自编）【考试大纲解析】绪论部分材料科学与工程：1.材料的主要类型及其基本特性。工程材料主要可以划分为：金属、陶瓷、聚合物、复合材料、半导体。 通常所说的三大固体材料是：金属材料（金属中大量的自由电子能在金属 两端电势差的作用下定向流动，形成电流，显示金属良好的导电性。温度 升高，金属正离子振动振幅增大，电子运动受阻，电阻升高，因此金属具 有正的电阻温度系数。金属热量的传递，不仅依靠金属正离子的振动，更 由于自由电子的运动，极大地增强了热量传递，所以金属具有良好的导热 性。自由电子容易吸收可见光的能量，随后又将吸收的可见光的能量辐射 出来，从而使金属不

2、透明具有光泽。金属的两部分作相对位移时，金属正 离子仍沉浸在电子云中，保持着金属键结合，因此金属能变形而不断裂， 表现出延展性。）、陶瓷材料（也叫无机非金属材料，特性：）、高分子 材料（特性：质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性能好、绝缘性好。） 第1部分材料的原子结构与键合1. 原子结构与原子的电子结构；原子结构、原子排列对材料性能的影 响。决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子 间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，以 及原子集合体的形貌特征等。原子是由质子和中子组成的原子核，以及核 外的电子所构成的。原子的电子结构：电子在原子核外空间作高速旋

3、转运动，就好像带负 电荷的云雾笼罩在原子核周围，故称为电子云。电子既具有粒子性又具有 波动性，即波粒二象性。2. 材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键- 能曲线及其应用。【解析】结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键包括金属键、 离子键和共价键；物理键即范德瓦尔斯力。此外还有一种氢键，性质介于 化学键和范德瓦尔斯力之间。金属中的自由电子与金属正离子相互作用所 构成的键合称为金属键。金属键无饱和性和方向性。离子键一一正负离子 依靠他们之间的静电引力结合在一起。离子键无方向性和饱和性。因此， 决定离子晶体结构的因素就是正负离子的电荷及几何因素。离子晶体中的 离子一般都有较高的

4、配位数。键-能曲线及其应用（老外P24P32,理 解之后再总结）3. 原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。堆垛层错（tackingfault）是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺 陷。它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误， 从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。例如 在立方紧密堆积（CCP ）结构中，其固有的正常堆垛顺序为三层重复 的ABCABCABC，如果局部出现诸如ABCACABC或 者ABCABACABC，则在划线处便是堆垛层错的所在。它们在形 式上也可看成是由一个完整的晶格沿层错面、其两侧晶格间发生非重复周 期平移所导致的结果。堆

5、垛层错：原子在堆垛过程中，某一层的原子层与另外一层的原子层 成发生了错误的堆垛。比如面心ABCABC-ABCACABC产生单位面积层错所需的能量称为层错能。4. 显微组织基本概念和对材料性能的影响。显微组织：采用适当方法（如侵蚀）处理后的金属试样的磨面或其复 型或用适当方法制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织。第2部分材料的晶态结构1. 晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布 拉菲点阵、晶面间距等基本概念。按照原子的排列特征可将固态物质分为晶体和非晶体。晶体中的原子 在空间呈有规则的周期性重复排列，而非晶体原子则是无规则排列的。晶 态与非晶态往往是可以相互转换

6、的。晶体结构的基本特征是，原子在三维 空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。晶体与非晶体在性能上的区别: 晶体融化时具有固定的熔点，而非晶体则无固定熔点，存在一个软化温 度范围。晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。晶体的各向异性 沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性、导热性、弹性、强度等） 并不相同。非晶体的性能不因方向而异，称为各向同性。实例：沿铜单晶 体不同方向测定有关性能的最大值和最小值之比，对弹性模量来说可达 2.86，抗拉强度则为2.70。但是实际用到的金属材料由于一般是多晶体 材料，所以表现不出各向异性。空间点阵（简称点阵）一一阵点在空间呈 周期性规则排列，并具有完全相同的周围

7、环境，这种由他们在三维空间规则排列的阵列称为空 间点阵。晶格一一将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫 晶格。晶胞一一从点阵中取出一个能代表点阵特征的最基本单元。晶格常 数一一三条棱边的边长a，b，c。布拉非点阵（即14种空间点阵），7个 晶系。参考（上交P21）。晶面间距一一相邻的两个平行晶面之间的距离。 通常，低晶面指数的面间距交大，而高指数的面间距则较小。此外，晶面 间距越大，则该晶面上原子排列越紧密；晶面间距越小，则排列越稀疏。2. 晶体晶向指数与晶面指数的标定方法，。（参考上交P23P26）3. 晶体结构及类型，常见晶体结构（bcc、fcc、hcp）及其几何特征、 配位数、

8、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。（上交P35 P41）金属晶体、共价晶体（金刚石结构，属于面心立方点阵）、离子晶体 （NaCl型结构，荧石结构，纤锌矿结构）金属晶体中存在许多间隙，其中位于6个原子所组成的八面体中间的 间隙称为八面体间隙，位于4个原子所组成的四面体中间的间隙叫四面体 间隙。三种晶体结构中的原子密排面和密排方向，分别是，体心立方 110，面心立方111，密排六方0001，这些原子密 排面在空间一层一层平行地堆垛起来就分别构成这三种晶体结构。通常以 配位数和致密度（堆积因子）两个参数来描述晶体中原子排列的紧密程度。 配位数是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数

9、。致密度是 晶体结构中原子体积占总体积的百分数。晶体结构类型体心立方（BCC， 入2）面心立方（FCC，A1）原子数原子半径/晶格常数致密度配位数间隙类 型四面体间隙0.688八面体间隙四面体间隙0.7412八面体间隙四面体间 隙0.7412八面体间隙间隙数目1268412623ar42a44r密排六方6（HCP，A3）4aar424.合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点。3所谓合金，是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结 或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。组成合金的基本的、独立 的物质称为组元。改变和提高金属材料的性能，合金化是最主要的途径。 所谓合金相，是指合

10、金中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界 面相互隔开的均匀组成部分。它是由单相合金和多相合金组成。固态下所 形成的合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。固溶体溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型 所形成的合金相称为固溶体。固溶体的性能特点点阵常数改变产生固 溶强化物理和化学性能发生变化中间相两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基 的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B两组元均不相同的新相，由于 它们在二元相图的位置总是位于中间，通常把这些相称为中间相。大多数 中间相中，原子间的结合方式属于金属键与其他典型键相混合的一种结合 方式，因此，它们都具有金属性

11、。5. 离子晶体和共价晶体机构，离子晶体结构规则、典型的离子晶体结 构。离子晶体结构（上交P56）:典型的离子晶体是碱金属元素和卤族元 素之间形成的化合物晶体。这种晶体是以正负离子为结合单元的。它们的 结合是依靠离子键的作用，即依靠正、负离子间的库伦作用。为形成稳定 的晶体还必须有某种近距的排斥作用与静电吸引作用相平衡。共价晶体结构（上交P68）共价晶体中相邻原子通过共用电子形成稳 定的电子满壳层结构，因此，共价晶体的共同特点是配位数服从8N法 则，N为原子的价电子数，这就是说结构中每个原子都有8N个最邻近 的原子。这一特点使得共价键结构具有饱和性。另外，共价晶体中各个键 之间都有确定的方位，

12、即共价键具有方向性，这也导致共价晶体中原子的 配位数比金属晶体和离子晶体的小。离子晶体结构规则（上交P57）鲍林在大量的实验基础上，应用离子 键理论，归纳总结出离子晶体结构规则负离子配位多面体原则在离子晶 体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡取决 于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。电价 原则在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价等于或接近等于与 之邻近的各正离子静电键强度的总和。负离子多面体共用顶、棱和面的 规则。不同种类正离子配位多面体间连接规则在含有两种以上正离子的 离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽 量互

13、不结合的趋势。节约规则在同一晶体中，同种正离子与同种负离子 的结合方式应最大限度地趋于一致。典型的离子晶体结构（上交P59）1.AB型化合物结构CC型结构是离 子晶体结构中最lC和Cl的配位数均为8，简单的一种，属于立方晶系简 单立方点阵，一个晶胞内含有C和Cl各一个。NaCl型结构自然界中有几 百中化合物都属于NaCl型结构，NaCl属立方晶系，面心立方点阵，每个 钠离子被6和氯离子包围，每个晶胞的离子数为8,4个Na和4个Cl。立 方ZnS型结构，又称闪锌矿型，属立方晶系，面心立方点阵2.AB2型化 合物结构CaF2（萤石）型结构，属立方晶系，面心立方点阵；TiO2（金 红石）型结4构；方

14、晶石型结构。3.A2B3型化合物典型代表是刚玉（A1203），每 个晶胞中含有4个Al3和6个O24.CaTiO3 （钙钛矿）型结构；方解石 （CaCO3）型结构5.尖晶石（MgAlO4）6. 高分子材料的组成和结构的基本特征（上交P8），高分子材料结 晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的 结构特征与分类。结晶度：结构复杂的高分子链很难形成十分完善的晶体，即使在严格 条件下培养的单晶也有许多晶体缺陷。实际上高分子的结晶体总是由晶区 和非晶区两部分组成。结晶度是指试样中结晶部分的质量分数或体积分数。高分子结构的基本特征：独特的链结构高分子链具有柔顺性高 分子结构具有多

15、分散性高分子聚集态结构具有复杂性高分子材料结晶形态：（上交P70）:高分子结晶结构特征：高分子 的结晶是分子的结晶；结晶速度慢和结晶不完整性；晶内存在大量的缺陷; 一个大分子可以穿过若干个晶胞，甚至可以从结晶区到非结晶区再穿入结 晶区。高分子材料结晶形态：高分子单晶、高分子球晶、高分子树枝状晶、 高分子串晶、伸直链晶体。高分子链在晶体中的构象：对于高分子链，无规线团构象是一种比较 低能的状态，在熔体、熔体及非晶态固体中的聚合物分子力图作无规线团 构象。只有结晶体具有最低能量。高分子材料晶态结构模型（上交P72）:缨状微束模型、折叠链模型、 伸直链模型、串晶的结构模型、球晶的结构模型液晶态的结构

16、特征与分类（上交P77）:由固态向液态转化过程中存 在的取向有序流体，兼有晶体和液体的部分性质的中间态称为液晶。分类: 近晶型、向列型、胆甾型、柱状型第3部分点缺陷和扩散1. 点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷 特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类：点缺陷，其特征是三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约 为一个或几个原子尺5度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。线缺陷，特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长， 也称一维缺陷，

17、如各类位错。面缺陷，特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大， 也称二维缺陷。晶界、相界、挛晶界和堆垛层错等属于面缺陷。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能 克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点， 称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表 面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基空位；二是挤 入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称 为弗兰克尔空位；三是跑到其他空位中，使空位消失或是空位移位。另外， 在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成 间隙原子

18、。离子晶体中的点缺陷特点（上交P84）。点缺陷的平衡浓度：设N个 原子组成的晶体中含C有n个空位（或是间隙原子），则点缺陷的平衡浓度EnAe某p（v）NkT其中A系由振动熵决定的系数，Ev为形成一个空位或间隙原子所需的能量，k为玻 耳滋曼常数，T为绝对温度。同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度要 比空位的平衡浓度低得多。可见影响点缺陷平衡浓度的主要外部因素是温 度。点缺陷对材料性能的影响：晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸 变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；另一方面，由于增 大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组织熵 和振动熵的改变，是晶体熵值增大，增加了

19、晶体的热力学稳定性。固溶体：溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类 型所形成的合金相称为固溶体，根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置， 可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。当溶质原子溶入溶剂中形成固 溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵 的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格 间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。影响固溶体固溶度的因素（上交 P42）： a.晶体结构、b.原子尺寸因素、c.电负性因素、d.电子浓度。所 谓电子浓度就是合金中价电子数目与原子数A（100某）B某目的比值，即ea，计算公式ea, A,B分别为溶剂和溶

20、质的原子价，100某为溶质的原子数分数（），还应指出，影响固溶度的因素还 有温度。62. 扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。扩散的概念：扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过 程。在固体中，原子或分子的迁移只能靠扩散来进行。扩散第一定律（菲克第一定律）：当固体中存在成分差异是，原子将 从高浓度处向低浓度处扩散，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。 方程式是JDddd某式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度d某方向相反。第一定律描述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。扩散第二定律：大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是 随时间而变化的。方程2D2某

21、式是t柯肯达尔效应：在置换固溶体中由于两组元的原子以不 同速率相对扩散而引起标记面漂移的现象。上坡扩散：物质从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果导致提高了 浓度梯度，这种扩散称为上坡扩散。3. 扩散驱动力及扩散机制，反应扩散。从热力学分析可知，扩散的驱动力是化学势梯度u。某扩散机制：交换机制、间隙机制、空位机制。大多数情况下， 原子扩散是借助空位机制。反应扩散：当某种元素通过扩散，自金属表面 向内部渗透时，若该元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进 行会在金属表层形成中间相（也可能是另一种固溶体），这种通过扩散形 成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。4. 离子晶体中的扩散、聚合物中的扩

22、散机制。上交P157P165老外P106107离子晶体中的扩散机制为了维 持电中性，在离子晶体中扩散必须牵涉至少两种带电物（离子和带电的空 位）。另外，空位浓度随着杂质的加入而急剧增加。附加空位对扩散影响 的程度取决于这些空位必须紧密地保留与杂质离子联结的程度。若空位可 以自由地从它取代的杂质原子位置移开，这些空位可以显著地增加离子晶 体中的扩散速率。在离子晶体中，由于离子键的结合能一般大于金属键的 结合能，扩散离子所需克服的能垒比金属原子大得多，而且为了保持局部 电中性，必须产生成对的缺陷，这就增加了额外的能量，再则扩散离子只 能进7入具有同样电荷的位置，迁移的距离较长，这些都导致了离子扩散

23、速 率通常远小于金属原子的扩散速率。阳离子的扩散系数一般大于阴离子。聚合物中的扩散机制聚合物中扩散机制与其他材料显著不同。由于在 聚合物链中单个原子是不能单独自由移动的，在聚合物中自扩散概念必然 相当于整个热塑性链的移动。在晶态区域内这种移动是极端困难的。在金属、离子和共价晶体中的杂质扩散是由单个原子或离子穿过点阵进行的， 而在非晶态聚合物区域的相对开放的结构中则整个分子可以穿过点阵扩散。5. 扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理。DD0e某p(UQ)D0e某p()kTkT式中D0称为扩散常数，U是间隙扩散扩散系数：时溶质原子跳跃所需额外的热力学能，该迁移能等于间隙原子的扩散 激活能Q。

24、置换扩散或自扩散的激活能均比间隙扩散激活能要大。影响扩散的因素及原理：温度温度是影响扩散速率的最主要因素。 温度越高，原子热激活能量越大，越容易发生迁移，扩散系数也越大。 固溶体类型不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。间隙固溶体的 扩散激活能一般较小，例如，C，N等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能 (因为C,N等原子较小，在铁中形成间隙固溶体)比Cr，Al等溶质原子 在铁中的置换扩散激活能(Cr，Al原子在铁中形成置换固溶体)要小得 多，因此，钢件表面热处理在获得同样渗层浓度时，渗C，N比渗Cr或 Al等金属周期短，铁中渗碳或渗氮比渗金属更容易。晶体结构晶体结 构对扩散有影响，有些金属存在

25、同素异构转变，当它们的晶体结构改变后， 扩散系数也随之发生较大的变化。不同结构的固溶体对扩散元素的溶解度 是不同的，由此所造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速率。例如，钢渗 碳通常选取高温下奥氏体状态进行，除了由于温度作用外，还因碳在Fe 中的溶解度远远大于在Fe中的溶解度，这使碳在奥氏体中形成较大的浓 度梯度，而有利于加速碳原子的扩散以增加渗碳层的深度。晶体缺陷在 实际使用中的绝大多数材料是多晶体材料，对于多晶体材料，扩散物质通 常可以沿三种途径扩散，即晶内扩散、晶界扩散和表面扩散。以QL，分 别表示晶内、晶界和表面扩散激活能；DL，数，则一般的规律是：QLQBQS, QBDS, DB分别表示

26、晶内、晶界和表面扩散系QS，所以DSDBDL。化学成分第三组元（或杂质）对二元合金扩散原子的影响较为复杂，可能提高扩散速率，也 可能降低，或几乎无作用。某些第三组元的加入不仅影响扩散速率而且影 响扩散方向。应力的作用如果合金内部存在应力梯度，应力就会提供原 子扩散的驱动力，那么即使溶质分布是均匀的，也可能8会出现化学扩散现象。如果在合金外部施加应力，使合金中产生弹性 应力梯度，这样也会促进原子向晶体点阵伸长部分迁移，产生扩散现象。第4部分线、面和体缺陷1. 位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏 格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。位错类型：刃型位错、螺型位错。刃型位错

27、：设含有位错的晶体为简单立方晶体，在滑移面上多出一个 半原子面，像一把刀刃插入晶体中，使滑移面上下两部分晶体之间产生了 原子错排，称为“刃型位错”，多余的半原子面与滑移面的交线就称为刃 型位错线。刃型位错线与滑移方向垂直。多余的半原子面在滑移面上边称 为正刃型位错，反之为负刃型位错。螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的，这种位错称为螺型位 错。螺型位错平行于滑移方向。位错线：已滑移区和未滑移区得边界线。因此，位错具有一个重要的 性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括 晶界）。为了便于描述晶体中的位错，以及更为确切地表征不同类型位错的特 征，柏格斯提出了采用伯氏回路

28、来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏 矢量来揭示位错的本质。螺型位错的柏氏矢量（b）与位错线平行，同向 平行为右螺旋位错，反向平行为左螺旋位错。在好区中围绕位错作一闭合 回路，回路的每一步，都连接相邻的同类原子，并且始终保持在晶体的好 区，这个回路称Burger回路柏氏矢量的物理意义：柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积 的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致 晶体滑移的方向；而该矢量的模b表示了畸变的程度，称为位错的强度。 由此，我们也可以把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。2. 金属晶体中的滑移面和滑移方向。金属材料发生塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运

29、动，这些晶 面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。滑移面和滑移方向往往是 金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向（即密排面和密排方向）。这是因 为原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些 面滑移；至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子 间距最短，即位错b最小。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。体心立 方有48个滑移系，面心立方12个，密排六方3个。晶体结构滑移面110112123111（0001）滑移方向 滑移系数目（总数）BCC48FCCHCP1233.离子 晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错（老外P130）离子晶体中的位错一般而言

30、，无论是滑移方向还是滑移面都不是密排 的。结果，位错在离子晶体中的移动的阻力比金属晶体高。另外，同一类 离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体中的滑移系数目，这些因素都 会降低位错在离子晶体中的活动性。共价晶体中的位错共价化合物中的滑移系有某些与离子晶体相同的特 性。如离子晶体那样，它的柏氏矢量比较长，位错移动的固有点阵阻力值 高。此外，位错移动时必须破坏高的共价键能，从而使得它有高的强度。聚合物晶体中的位错位错在聚合物的晶态区域存在。因为聚合物单胞 尺寸很大，其几何关系比较复杂，所以，其柏氏矢量比其它晶体结构的大 很多。聚合物中分子内的共价键比分子之间的二次键强很多，这导致主滑 移方向倾向沿

31、着高分子键的轴方向，位错在聚合物变形中并不起主要作用。4.晶界、亚晶界、挛晶界、堆垛层错和相界面等基本概念多数晶体物质由许多晶粒所组成，属于同一个固相但位向不同的晶粒 之间的界面称为晶界。而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒 所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。挛晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面 对称的位向关系，这两个晶体就称为“挛晶”，此公共晶面就称挛晶面。 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界面”。按结构特点可以分为， 共格界面、半共格界面、非共格界面。堆垛层错：原子在堆垛过程中，某一层的原子层与另外一层的原子层 成发生了错误的堆垛。比如面心ABCA

32、BC-ABCACABC。产生单位面积层错 所需的能量称为层错能。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量晶粒度是指晶粒大小的量度，常用单位体积中的晶粒数目Zv或单位 面积上晶粒的数目Z来表示。晶粒尺寸：片晶的大小。常用的晶粒尺寸的量度是美国材料协会及测 试协会（ASTM）的晶粒尺寸级别N，方程式：戒数目。N1其中n是在放大倍数100下每in（英寸）的晶粒210G某1某A3某由此可见，形成临界晶核时自由能仍是增高的（G10）， 其增值相当于其表面能的，3即液固两相之间的体积自由能之差只能补偿（抵消）形成临界晶核 表面所需能量的不足的2,而31则需依靠液相中存在的能量起伏来补充。能量起伏是指体系 中每

33、个微小体积所实际3具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨 落的现象。形核率：单位体积液体内，在单位时间所形成的晶核数。形核率受两 个因素的控制，即形核功因子和原子扩散的几率因子。在过冷度较小时， 形核率主要受形核率因子的控制，当过冷度继续增大时，由于原子在较低 温度下难以扩散，此时，形核率受扩散的几率因子所控制。非均匀形核实际凝固方式主要是非均匀形核。非均匀形核中涉及到润湿角，是在 0180之间变化，当180时，其形核功等于均匀形核功，基底对形核不起作用； 当0时，非均匀形核不需要形核功，即为完全润湿的情况。一般情况下， 为小于180的某个值，故f()必然小于1，形成非均匀形核所需的形核功

34、小于均匀形核功，故 过冷度小。晶体长大形核之后，晶体长大，其涉及长大的形态，长大方式和长大速率。液 一固界面构造按照原子尺度，把相界面结构分为粗糙界面和光滑界面两类。 光滑界面，从微观上看是光滑的，但是在宏观上它往往由不同位向的小平 面组成，故呈折线状，这类界面也称小平面界面。所谓粗糙界面，从微观 上来看是高低不平的，存在几个原子层厚度的过渡层。但由于过渡层很薄， 因此从宏观来看，界面显得平直。长大方式(生长机制)连续长大二维晶核长大借螺型位错长大形核率N形成的晶核数单位时间。在不同温度下的开始相变所需不同 的孕育时未转变的体积间，称为孕育期。纯晶体凝固时的生长形态纯晶体凝固时的生长形态不仅与

35、液一固界面的微观结构有关，而且取 决于界面前沿液相中温度分布情况，温度分布可有两种情况：正的温度梯 度和负的温度梯度。在正的温度梯度下的情况正的温度梯度指的是随着离开液一固界面 的距离Z的增大，液相温度T随之升高的情况，即dT0。在这种条件下，结晶潜热只能通过固相而散出，dZ相界面的推 移速度受固相传热速度所控制。晶体的生长以接近平面状向前推移，这是 由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中 时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大， 从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使16液一固界面保持稳定的平面形状在负的温度梯度下的情况负的温度梯度指的是随着

36、离开液一固界面 的距离Z的增大，液相温度T随之降低，艮口dT0。当相界面处的温度由于结晶潜热的释放而升高，使液相dZ处于 过冷条件时，则可能产生负的温度梯度。此时，相界面上产生的结晶潜热 既可通过固相也可通过液相而散失。如果部分相界面生长凸出到前面的液 相中，则能处于温度更低（即过冷度更大）的液相中，是凸出部分的生长 速度增大而进一步伸向液体中。在这种情况下，液一固界面会形成许多液 体的分枝（沿一定的晶向轴），同时在这些枝晶上又可能会长出二次枝晶， 在二次枝晶上再长出三次枝晶。晶体的这种生长方式称为树枝状生长。树 枝状生长在具有粗糙界面的金属晶体中表现最为显著；而对于光滑界面的 物质，在负的温

37、度梯度下，树枝状生长往往不明显。3. 二元相图中的匀晶、共晶、包晶、偏晶等相图的结构分析；共析、 包析反应；二元相图的平衡结晶过程分析、冷却曲线；二元合金中匀晶、 共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织特点；杠杆定律及其应用。（上交P263）平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡， 即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。由液相结晶出单相固溶体的过程成为匀晶转变，例如CuNi匀晶相图。 液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变称为共晶转变，表达式为LEMN， 例如PbSn共晶相图。包晶转变是指已结晶出的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转 变，例如PtAg包晶相图

38、。LCDP偏晶转变是指由一个液相L1分解为一个固相和另一成分的液相L2的 恒温转变。例如，C发生偏晶转变：CuPb 二元相图，在955。L36CuL87共析转变的形式类似共晶转变，是一个固相在恒温下转变为另外两个 固相。包析转变类似于包晶转变，为一个固相与另一个固相反应形成第三 个固相的恒温转变。4. 基本相图的分析和应用。175. 三元相图的基本概念，成分三角形、等温截面、垂直截面的概念， 三元匀晶的平衡转变过程分析。第7部分固态相变基础固态相变的特点及分类；均匀形核和非均匀形核等基本概念。相变驱 动力，界面能与畸变能在形核中的作用。固态相变分类：按热力学可分为一级相变和二级相变；按动力学（

39、即 原子迁移方式）分为扩散型相变、过渡型相变、非扩散型相变；按长大方 式分为形核一一长大型相变和连续型相变固态相变区别于液体结晶的特征：一、原子的扩散速度对于扩散型固 态相变，由于新旧两相的化学成分不同，相变时必须有原子的扩散。众所 周知，固态金属中原子的扩散速度远低于液态金属的扩散速度。因此固态 相变时原子的扩散速度成为相变的控制因素。二、形核特点1.非均匀形核固态相变主要是非均匀形核，这是因为 固态介质中有各种点、线、面、体结构缺陷，这些缺陷分布很不均匀，能 量水平不同，从而为非均匀形核创造了条件，非均匀形核是固态相变按阻 力最小进行的有效途径之一。2.共格界面固态相变时，在新旧两相之间形

40、 成界面，三种主要的相界面类型：共格界面、半共格界面、非共格界面3. 晶核的位向关系固态相变时，新旧相间往往存在一定的位向关系。三、长 大特点1.惯析现象固态相变时，新相多易沿母相一定的晶面和晶向优先形成，这种现象 称为惯析现象，这个晶面称为惯析面，这个晶向称为惯析方向。2.共格性 长大和非共格性长大对于扩散型相变，新相长大是通过非共格相界面的扩 散性移动，即使在形核阶段形成了界面能低的共格界面，从而促进了形核， 但是共格界面扩散性移动困难，所以在长大过程中变成了累赘，共格界面 也就逐渐消失，演变为非共格界面。对于非扩散型相变，新相长大是依靠 相界面按切变方式进行的，只有在维持两相的共格关系时才能长大，不论 在形核阶段还是在长大阶段都必须维持界面的共格性。四、过渡相固态相变的另一特点就是容易产生过渡相。过渡相是晶体结构或化学 成分，或者两者都处于新旧两相之间的一种亚稳相。有些固态相变甚至产生的都是过渡相，不出现稳定相；有些固态相变有不只一种过渡相，甚至 两个或者更多。均匀形核和非均匀形核等基本概念在母相中随机地形核称为均匀形核， 而新相择优地在母相中的某些特殊位置（如晶界、位错或外来物等）形核 时，称为非均匀形核。相变驱动力是新旧两相自由能之差界面能在形核中起阻碍作用，畸变 能促进形核。18