[专业课]材料科学基础总结

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1、材料科学基础总结铸造C081张云龙一、 名词解释1、空间点阵：由周围环境相同的阵点在空间排列的三维列阵称为空间点阵。2、晶体结构：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定规律的具体排列方式称为晶体结构，或称为晶体点阵。3、晶格常数：（为了便于分析晶体中的粒子排列，可以从晶体的点阵中取一个具有代表性的基本单元作为点阵的基本单元，称为晶胞。）晶格常数就是指晶胞的边长。4、晶向指数：（在晶格中，穿过两个以上结点的任一直线，都代表晶体中一个原子阵列在空间的位向，称为晶向。）为了确定晶向在晶体中的相对取向，需要一种符号，这种符号称为晶向指数。5、晶面指数：（在晶格中，由结点组成的任一平面都代表晶体的

2、原子平面，称为晶面）为了确定晶面在晶体中的相对取向，需要一种符号，这种符号称为晶面指数。6、晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族。7、配位数：每个原子周围最近邻且等距离的原子的数目称为配位数。8、致密度：计算单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，比值称为致密度。9、各向异性：晶体的某些物理和力学性能在不同方向上具有不同的数值，此为晶体的各向异性。10、晶体缺陷：通常把晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。11、点缺陷：在三维方向上尺寸都有很小的缺陷。12、线缺陷：在两个方向上尺寸很小、令一个尺寸上尺寸较大的缺陷。（指各种类型的位错，是晶体中某处一列或若干列

3、原子发生了有规律的错排现象）13、面缺陷：在一个方向上尺寸很小，令两个方向上尺寸较大的缺陷。14、刃型位错：位错线与滑移方向垂直的位错。15、螺型位错：位错线与滑移方向平行的位错。16、混合型位错：位错线与滑移方向既不垂直也不平行而成任意角度的位错。17、位错的滑移：在切应力的作用下，位错沿滑移面的运动称为位错的滑移。18、位错的攀移：刃型位错在正应力的作用下，位错垂直于滑移面的运动。19、单位位错：柏氏矢量的模等于该晶向上原子的间距的位错则为单位位错。20、部分位错：柏氏矢量的模小于该晶向上原子的间距的位错则为部分位错。21、扩展位错：两个肖克莱部分位错中间夹一层错，这样的位错组态称为扩展位

4、错。22、肖克莱部分位错：层错区与完整晶体区的交线。23、弗克莱部分位错：层错区与右半部分完整晶体之间的边界。24、上坡扩散：扩散由低浓度向高浓度进行而导致成分偏析或形成第二相的扩散。25、下坡扩散：扩散由高浓度向低浓度进行而导致成分均匀的扩散。26、原子扩散：扩散中只形成固溶体而无其它新相形成的扩散。27、反应扩散：扩散中有新相形成的扩散。28、自扩散：在均匀的固溶体或纯金属中原子的扩散，此种扩散不伴有浓度的变化。29、互扩散：在不均匀的固溶体中异类原子的相对扩散，此种扩散伴有浓度的变化。30、体扩散：通过均匀介质的扩散。31、扩散能量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质流量。

5、32、过冷现象：纯金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。33、过冷度：理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之间的温度差T=Tm-Tn，称为过冷度。34、热过冷：液体的过冷度完全取决于实际温度的分布，这种过冷称为热过冷，也称热温过冷。35、动态过冷：固液界面要继续向液体中移动，就必须在固液界面前沿液体中有一定的过冷，这种过冷称为动态过冷。36、相起伏：高温下原子热运动较为剧烈，近程有序原子团只能维持短暂的时间即消散，而新的原子团又同时出现，时聚时散，此起彼伏。这种结构不稳定的现象称为相起伏。37、晶胚：过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构称为晶胚。38、临界晶核：半径为Rk的晶胚称为临界晶核。

6、（Rk为临界晶核的半径）39、形核率（N）：指单位时间、单位体积内所形成的晶核数目。40、伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。41、离异共晶：两相分离的共晶称为伪共晶。42、枝晶偏析（晶内偏析）：固溶体不平衡结晶时，由于从液体中先后结晶出来的固相成分不同，结果使一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为枝晶偏析，又称晶内偏析。43、正偏析：先凝固的外层溶质含量低于后凝固的内层，这种偏析称为正偏析。44、负偏析（反偏析）：对于K01的合金铸锭，在其表层的一定范围内，先凝固的外层溶质含量反而比后凝固的内层溶质含量高，这种偏析称为负偏析，或称为反偏析。45、密度偏析：铸锭上、下区域之

7、间存在的成分差别称为密度偏析。46、宏观偏析：沿长度方向存在的溶质偏析现象称为宏观偏析。47、平衡分配系数（K0）：在一定温度下，液、固两平衡相中溶质浓度的比值称为平衡分配系数。48、有效分配系数：49、成分过冷：由于液相成分改变而形成的过冷称为成分过冷。50、临界分切应力：单晶体单向拉伸时开始滑移所需要的最小分切应力。51、滑移系：一个滑移面和其上的滑移方向组成一个滑移系。52、双滑移：晶体在切应力的作用下，两组滑移系或多组滑移系在不同滑移面上同时或交替并沿着各自的滑移面上的滑移方向滑移从而形成双滑移。（刃型位错和螺型位错均可形成双滑移）53、交滑移：晶体在切应力的作用下，两组滑移系或多组滑

8、移系在不同滑移面上同时或交替沿同一滑移方向进行的滑移称为交滑移。（只有螺型位错才能形成交滑移）54、固溶强化：固溶体材料随溶质含量的提高其强度和硬度提高而其塑性和韧性稍下降的现象。55、细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。56、加工硬化：随着变形量的增大，金属的强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降的现象。57、动态回复：冷变形金属在高温变形过程中产生的再结晶。58、热加工：在再结晶温度以上的加工，加工后没有加工硬化的现象。59、冷加工：在再结晶温度以下的加工，加工后有加工硬化的现象。60、再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶

9、粒来取代变形晶粒的过程。61、动态再结晶：冷变形金属在高温变形过程中产生的再结晶。62、回复：指冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶）的微观结构及性能的变化过程。（该过程的驱动力是弹性畸变能的降低）63、再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。64、固溶体：固态下一种组元（溶质）溶解在另一种组元（溶剂）中而形成的新相。（其特点是固溶体具有溶剂组元点阵的类型）65、铁素体：碳在Fe中形成的间隙固溶体，通常用或F表示。66、奥氏体：碳溶入Fe中形成的间隙固溶体，通常用或A表示。67、渗碳体：即Fe3C，是一种间隙化合物，属于正交晶系。68、莱氏体：共晶转变的

10、产物（+Fe3C）称为莱氏体，用符号Ld表示。69、珠光体：共析转变的产物（+Fe3C）称为珠光体，用符号P表示。70、白口铸铁：全部碳都以Fe3C形式存在时称为白口铸铁。71、三次渗碳体：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。72、直线法则：三元合金在某温度下处于两相平衡共存，合金成分与两个平衡相成分共线。73、重心法则：三元合金在某温度下处于三相平衡共存，合金成分位于三个平衡相成分组成的三角形重心位置。74、孪生：孪生是金属塑性变形中的一种较为常见的方式，在孪生过程中形成变形孪晶。、75、孪生变形：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定晶向（孪生方向）相对于另一部分作均匀

11、的切变所产生的变形。76、纤维组织：变形量很大时，各晶粒已不能分辨而成为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。77、相：在一个系统中，具有同一种聚集状态的均匀部分成为相。（不同相之间有明显的界面分开）78、玻璃相：一般指从液态凝固下来的，结构与液态连续的非晶态固体。79、相平衡：在某一温度下，系统中的各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。80、匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。81、杠杆定律：详见课本P115。82、包晶转变：当有些液相合金凝固达到一定温度时，已结晶出来的一部分固相与剩余的液相发生反应生成另一种固相，这种转变称为包晶转变。83、包晶

12、偏析：因包晶转变的不完全性而产生的组织变化与成分偏析现象，称为包晶偏析。84、间隙固溶体：溶剂元素占据溶质晶格间隙所形成的固溶体。（有限、无序的固溶体）85、置换固溶体：溶剂元素占据溶质元素晶格结点位置所形成的固溶体。（无限固溶体）86、间隙相：原子半径较小的非金属原子溶入原子半径较大的金属原子的间隙位置，所形成的结构不同于任一组元且具有简单晶体结构的金属化合物。87、间隙化合物：尺寸很小的非金属元素C、N、B等与过渡族金属元素组成的化合物。88、结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。二、简答题1、晶面与晶向、晶面与晶面、晶向与晶向平行、垂直的条件各是什么？答：（1）晶向与晶向 平行条件：

13、当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，指数必满足hukvlw=0； 垂直条件：指数相同的晶向或晶面必然垂直。 （2）晶面与晶面 平行条件：晶面指数相同或晶面指数相同而正负号相反的两个晶面必然平行； 垂直条件：晶面指数相乘得零的两个晶面必然垂直。 （3）晶向与晶向平行条件：晶向指数相同或晶向指数相同而正负号相反的两个晶向必然平行；垂直条件：晶向指数相乘得零的两个晶向必然垂直。2、什么是晶带、晶带面和晶带轴？晶带面和晶带轴的位向关系是什么？答：晶带是相交于同一晶向的一组晶面；晶带面是该组晶面；晶带轴是该晶向。 晶带轴与晶带面的关系是：令晶带轴表示为uvw，晶带面表示为（hkl），则有hu

14、kvlw=0， 即晶带面与晶带轴平行。 3、如何已知晶带面求晶带轴，已知两个晶带轴求晶带面？ 答：已知两个晶带面分别为（h1k1l1）和（h2k2l2），求晶带轴uvwU= k1 l2k2 l1 V= l1 h2l2 h1 W= h1 k2h2 k1 已知两个晶带轴分别为u1v1w1和u2v2w2，求晶带面（hkl）h= v1 w2v2 w1 k= w1 u2w2 u1 l= u1 v2u2 v14、在切应力的作用下，刃型位错滑移运动的方向与柏氏矢量、切应力及位错线的位向关系如何？ 在正应力的作用下，螺型位错滑移运动的方向与柏氏矢量、切应力及位错线的位向关系如何？ 答：刃型位错滑移运动方向与切

15、应力和柏氏矢量平行，与位错线垂直； 螺型位错的滑移运动的方向与切应力、柏氏矢量以及位错线均垂直。5、综述金属结晶的热力学条件、能量条件、结构条件以及动力学条件。答：热力学条件：过冷是结晶的必要热力学条件； 能量条件：由热力学第二定律知，只有伴随着自由能降低的过程才能自发进行； 结构条件：相起伏是出现结晶的必要结构条件； 动力学条件：两相的自由能差值是两相间发生转变的驱动力。6、为什么说过冷是结晶的热力学条件？答：因为凝固过程一定要在低于熔点的温度时才能进行。过冷度越大，液态和固态的自由能差值也就越大，即相变驱动力越大 ，所以凝固速度越快。这就从本质上说明了为什么液态金属结晶时一定需要过冷的原因

16、。7、试说明在正温度梯度下，为什么固溶体合金凝固时一定呈树枝状方式长大，而纯金属却得不到树枝状晶体？答：因为固溶体合金凝固时，粗糙界面，在正温度梯度下凝固，由于前沿液相溶质分布变化，从而引起凝固温度变化而产生成分过冷使dTdX0，因此呈树枝状长大并长成树枝晶。而纯金属凝固时，粗糙界面，也是在正温度梯度下进行，但是凝固时没有成分的变化，只受正温度梯度的控制，因此为平面长大，长成平面状，而得不到树枝晶。8、分析亚共晶合金和过共晶合金白口铁无完全凝固时，初晶A呈树枝状的原因和一次渗碳体（Fe3C1）呈白条状的原因。答：A初晶时为固溶体，各向异性生长不明显，粗糙界面，dTdX0，成分过冷，所以呈树枝状

17、生长；Fe3C1初晶时为间隙化合物，光滑界面，受各向异性的影响，长成有规则外形的组织。9、冷变形金属回复与再结晶的驱动力是什么？晶粒长大阶段的驱动力是什么？答：回复的驱动力是弹性畸变能的降低； 再结晶的驱动力主要是相邻晶粒间的畸变能差； 晶粒长大阶段的驱动力是晶粒长大后总的界面能的下降。10、空位扩散比间隙扩散更难进行，为什么？（答案不确定）答：因为与间隙扩散相比，空位扩散一般拥有更高的扩散激活能和更低的扩散系数。11、根据凝固理论，试叙述工业中细化晶粒的基本措施及其机理。答：（1）提高冷却速度冷速增加，过冷度加大，形核率升高；（2）变质处理在液体中人为地加入形核剂来增加非自发形核数目的处理方

18、法，变质处理可以达到显著细化晶粒的效果；（3）使液体振动机械振动、电磁搅拌、超声波振动等，可以使枝晶破碎。12、试说明晶体生长形态与固相界面形貌、前沿液相温度梯度的关系。 答：固相界面形貌是影响晶体生长的内因，界面前沿液相的温度分布是影响晶体生长的外因。 在正温度梯度时，结晶潜热只能通过固相散出，相界面的推移速度受固相传热速度所控制；在负温度梯度时，相界面上产生的结晶潜热可通过固、液两相的两个方向散热，相界面的推移不再为固相的传热速度所控制。13、判断位错能否反应的依据是什么？答：（1）几何条件即反应前各位错的柏氏矢量之和应该等于反应后的柏氏矢量之和；（2）能量条件即反应后各位错的总能量小于反

19、应前各位错的总能量。14、适用位错理论解释固溶强化。 答：固溶体的硬度、强度往往高于组成它的各组元，而塑性则较低，这种现象叫做固溶强化。 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。其中最 主要的是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。15、对于纯金属的结晶能否说“过冷度越大，形核率越高”？答：不能。 因为形核率受两个因素的影响，即形核功（G*）因素和原子扩散因素。 当T较大时，G*很小，但原子不易扩散，从而形核率较小； 当T较小时，原子扩散容易，但G*很大，形核率也小； 当T适中时，形核率才较大，因此，金属的结晶、过冷度与形核率呈“山”形的关系。 （其中G

20、*代表形核功，T代表过冷度。）16、有一含碳量为2.0%的铁碳合金试样，室温组织中观察到少量莱氏体，试分析其原因，答：共晶反应时，非平衡结晶，冷却速度快，固相线沿低于JE的线变化，液相线沿低于BC的线变化，在液相没完全消失前，会产生少量莱氏体。17、综述铸锭组织三晶区的形成、组织特点及特性。答：（1）细晶粒区形成过程：浇铸时，由于激冷，使T，模壁促进非自发形核，在极端时间内形成大量晶核，晶核向各个方向长大，且相互阻碍，形成等轴细晶粒区。组织特点：组织致密，但很薄。性能特点：细晶粒区成分均匀、强度高。（2）柱状晶区形成过程：随着细晶粒区的形成，使T，N，且散热出现了方向性，垂直于模壁方向的散热快并择优长大。激冷区形成后，散热减慢，且使T，重新形核困难，只有已结晶故乡的长大；纯金属常含有杂质，因此形成柱状晶区。组织特点：晶粒相互平行，组织致密，缺陷少，柱晶交界处含有杂质。性能特点：出现了方向性，在柱状晶交界处产生了脆弱面，裂纹易于扩散，但压力加工可以焊接。（3）中心粗等轴区形成过程：形成理论包括成分过冷理论、籽晶卷入理论和枝状脱熔漂移理论。组织特点：性能特点：6