西北工业大学材料科学基础考研复习第一章

西北工业大学硕士研究生入学考试《材料科学基础》命题规律分析和考点精讲主讲人：苏俊参考书目•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。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）及密排六方点阵面心立方（fcc）aR42•点阵常数：•最近原子距离•110方向•晶胞原子数•配位数：12•致密度：•(a为棱长)ad22462/188/1%746/1433adk体心立方（bcc）点阵常数:最近原子间距：111方向晶胞原子数：配位数：8致密度：68%（a为棱长）aR43ad2321818密排六方（hcp)•点阵常数：•最近原子距离：d=a•方向•晶胞原子数：•配位数：6+6•致密度：02116322/1126/1%74)2/35.0(66/163caadkaR21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：数字相同，仅正负号、数字排序不同的属于同一晶向族.]31132[]231[•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•晶向【uvtw】u+v+t=0•晶面（hkil）h+k+i=0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】•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：•两晶向夹角公式：•两晶面夹角公式：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、C’F的晶向指数和ACH、FGD’的晶面指数，并求ACH晶面的晶面间距，以及FGD’与A’B’C’D’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）原子的不规则排列（考点三最重要）•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(24KJkAkTEANncvev原子•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。•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。•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•柏氏矢量的表示方法：•对于立方晶系a=b=c故模：计算cwbvauuvwnab][222wvunab的矢量和]112[6],111[321abab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法——柏氏矢量与位错线方向——顺右逆左（顺溜）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τ∥b,位错线⊥外力τ，位错线运动方向∥τ4.τ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τ∥b,位错线∥外力τ，位错线运动方向⊥τ4.τ一定时，左右螺位错运动方向相反，但最终效果是一样的5.滑移面不唯一位错滑移特征比较类型b与位错线位错线运动方向τ与bτ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•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。•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）•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。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。2b2Gw总2)2(bGw总•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)•刃位错与螺位错交割图中AA'为刃位错，MM'∥b2.大小等于b2的模。割阶，MM'为刃位错。AMM'A'运动受阻BB'螺位错。NN'∥b2.大小等于b1的模。扭折。NN‘为刃位错。•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。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τ成反比。当位错弯曲成半圆时，r最小，τ最大。rkGbrkGbrTb2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：fcca/2110;bcca/2111;hcpa/311-20•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•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可以渗入铁中形成间隙固溶体，试分析α-Fe与γ-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τ作用时，AB将受到F=τb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τ作用下继续释放位错环。答案•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α-Fe与γ-Fe哪个熔C多。（10考研）γ-Fe中容碳多。α-Fe为体心立方结构，其八面体间隙为扁八面体，相比而言四面体间隙较大；γ-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α-Fe中引起较大的畸变，因此碳原子的溶解度比γ-Fe小得多。221GbT•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