2022年材料科学基础知识点总结最新版本 .docx

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1、一、金属的晶体结构金属学与热处理总结最新可编辑 word 文档重点内容： 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,八面体、四周体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性；基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,密排面上原子的堆垛次序、晶胞、晶格、金属键的概念；晶体的特点、晶体中的空间点阵；晶格类型间隙类型fccA1正四周体正八面体四周体bccA2扁八面体hcpA3四周体正八面体间隙个数84126126原子半径 r A2a432 a22 a53 a3 a423 a62 aa 221 a间隙半径 r B444442晶胞： 在晶格中选取一

2、个能够完全反映晶格特点的最小的几何单元,用来分析原子排列的规律性, 这个最小的几何单元称为晶胞；金属键：失去外层价电子的正离子与充满其间的自由电子的静电作用而结合起来,这种结合方式称为金属键；位错：晶体中原子的排列在肯定范畴内发生有规律错动的一种特殊结构组态；位错的柏氏矢量具有的一些特性：用位错的柏氏矢量可以判定位错的类型；柏氏矢量的守恒性,即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；位错的柏氏矢量个部分均相同；刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度；晶界具有的一些特性：晶界的能量较高,具有自发长大和使界面平直化,以削减晶界总面积的趋势；原子在晶界上的扩散速度高于晶内,熔点较低；

3、相变时新相优先在晶界出形核；晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；晶界易于腐蚀和氧化； 常温下晶界可以阻挡位错的运动,提高材料的强度；二、纯金属的结晶重点内容：匀称形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法,铸锭三晶区的形成机制； 基本内容：结晶过程、阻力、动力,过冷度、变质处理的概念；铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件,非匀称形核的临界晶核半径、临界形核功；相起伏：液态金属中,时聚时散,起伏不定,不断变化着的近程规章排列的原子集团；过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度；变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂,促使形成大量的非匀称晶核,以细化晶粒的方

4、法；过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程；从热力学的角度上看, 没有过冷度结晶就没有趋动力；依据Rk1T 可知当过冷度T 为零时临界晶核半径Rk 为无穷大,临界形核功（12 ）GT也为无穷大；临界晶核半径Rk 与临界形核功为无穷大时,无法形核,所以液态金属不能结晶；晶体的长大也需要过冷度, 所以液态金属结晶需要过冷度；细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌；铸锭三个晶区的形成机理： 表面细晶区： 当高温液体倒入铸模后,结晶先从模壁开头,靠近模壁一层的液体产生极大的过冷, 加上模壁可以作为非均质形核的基底,因此在此薄层中立刻形成大量的晶核,并同时向各个方

5、向生长, 形成表面细晶区；柱状晶区：在表面细晶区形成的同时,铸模温度快速上升,液态金属冷却速度减慢,结晶前沿过冷都很小,不能生成新的晶核；垂直模壁方向散热最快,因而晶体沿相反方向生长成柱状晶；中心等轴晶区：随着柱状晶的生长,中心部位的液体实际温度分布区域平缓, 由于溶质原子的重新安排,在固液界面前沿显现成分过冷,成分过冷区的扩大,促使新的晶核形成长大形成等轴晶； 由于液体的流淌使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶；三、二元合金的相结构与结晶重点内容：杠杆定律、相律及应用；基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的

6、显微组织；合金、成分过冷；非平稳结晶及枝晶偏析的基本概念；相律： f = c p + 1 其中, f 为 自由度数, c 为 组元数, p 为 相数；伪共晶 ：在不平稳结晶条件下,成分在共晶点邻近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织,这种共晶组织称为伪共晶；合金：两种或两种以上的金属,或金属与非金属,经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质；合金相：在合金中,通过组成元素（组元）原子间的相互作用,形成具有相同晶体结构与性质,并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相；四、铁碳合金重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平稳组织,组织组成物及相组成物的运算；基本内容：铁素体与

7、奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变；钢的含碳量对平稳组织及性能的影响；二次渗碳体、 三次渗碳体、 共晶渗碳体相对量的运算； 五种渗碳体的来源及外形；奥氏体与铁素体的异同点：相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低,塑性韧性高；不同点：铁素体为体心结构,奥氏风光心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%, 奥氏体最高含碳量为2.11%,铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到,奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同；二次渗碳体与共析渗碳体的异同点；相同点：都是渗碳体,成份、结构、性能都相同；不同点：来源不同,二次渗碳体由奥氏体中析出,共析渗碳体是共析

8、转变得到的；外形不同二次渗碳体成网状,共析渗碳体成片状；对性能的影响不同,片状的强化基体,提高强度,网状降低强度；成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢；亚共析钢室温下的平稳组织为FP, F 的强度低,塑性、韧性好,与 F 相比 P 强度硬度高,而塑性、韧性差；随含碳量的增加,F 量削减, P 量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律运算）；所以对于亚共析钢,随含碳量的增加,强度硬度上升,而塑性、韧性下降六、金属及合金的塑性变形与断裂重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能；基本内容：固溶体强化机理与强化规律、其次相的强化机理；霍尔配奇关系式；单晶体塑性变形的方式、滑移的

9、本质；塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主；滑移：晶体的一部分沿着肯定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动；滑移的本质是位错的移动；体心结构的滑移系个数为12,滑移面： 110 ,方向 ；面心结构的滑移系个数为12,滑移面： 111 ,方向 ；金属塑性变形后的组织与性能：显微组织显现纤维组织,杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状,光学显微镜分辨不清晶粒和杂质；亚结构细化,显现形变织构；性能：材料的强度、硬度上升,塑性、韧性下降；比电阻增加,导电系数和电阻温度系数下降,抗腐蚀才能降低等；七、金属及合金的回复与再结晶重点内容：金属的热加工的作用；变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化,储存能的变化

10、；基本内容：回复、再结的概念、变形金属加热时储存能的变化；再结晶后的晶粒尺寸；影响再结晶的主要因素性能的变化规律；变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化：随温度的上升,金属的硬度和强度下降,塑性和韧性提高；电阻率不断下降,密度上升；金属的抗腐蚀才能提高,内应力下降；再结晶： 冷变形后的金属加热到肯定温度之后,在原先的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒,而性能也发生了明显的变化,并复原到完全软化状态,这个过程称之为再结晶；热加工的主要作用（或目的）是：把钢材加工成所需要的各种外形,如棒材、板材、线材等；能明显的改善铸锭中的组织缺陷,如气泡焊合,缩松压实,使金属材料的致密度增加；使粗大的柱状晶变

11、细,合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其匀称分布；减轻或排除成分偏析,匀称化学成分等；使材料的性能得到明显的改善；影响再结晶的主要因素：再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间肯定时）,再结晶后的晶粒越粗大；冷变形量： 一般冷变形量越大,完成再结晶的温度越低,变形量达到肯定程度后,完成再结晶的温度趋于恒定；原始晶粒尺寸：原始晶粒越细,再结晶晶粒也越细；微量溶质与杂质原子,一般均起细化晶粒的作用；其次相粒子,粗大的其次相粒子有利于再结晶,弥散分布的细小的其次相粒子不利于再结晶；形变温度,形变温度越高,再结晶温度越高,晶粒粗化；加热速度,加热速度过快或过慢,都可能使再结晶温度上升；塑性变形后的金属随加

12、热温度的上升会发生的一些变化：显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破裂的或纤维组织转变成等轴晶粒,亚晶尺寸增大；储存能降低,内应力放松或被排除；各种结构缺陷削减；强度、硬度降低,塑性、韧度提高；电阻下降,应力腐蚀倾向显著减小；八、扩散重点内容：影响扩散的因素；扩散第肯定律表达式；基本内容：扩散激活能、扩散的驱动力；柯肯达尔效应,扩散其次定律表达式；柯肯达尔效应：由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应；影响扩散的因素：温度：温度越高,扩散速度越大； 晶体结构：体心结构的扩散系数大于面心结构的扩散系数； 固溶体类型：间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩

13、散速度； 晶体缺陷：晶体缺陷越多,原子的扩散速度越快； 化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度,有些可以减慢扩散速度；扩散第肯定律表达式：扩散第肯定律表达式：JD dCdx其中, J 为扩散流量； D 为扩散系数；dC 为浓度梯度；dx扩散的驱动力为化学位梯度,阻力为扩散激活能九、钢的热处理原理重点内容：冷却时转变产物（P、B、M）的特点、性能特点、热处理的概念；基本内容：等温、连续C- 曲线；奥氏体化的四个过程；碳钢回火转变产物的性能特点；热处理： 将钢在固态下加热到预定的温度,并在该温度下保持一段时间,然后以肯定的速度冷却下来,让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺；转变产物（

14、P、B、M）的特点、性能特点：片状P 体,片层间距越小,强度越高,塑性、韧性也越好；粒状P 体, Fe3C 颗粒越细小, 分布越匀称, 合金的强度越高； 其次相的数量越多, 对塑性的危害越大； 片状与粒状相比, 片状强度高, 塑性、韧性差； 上贝氏体为羽毛状, 亚结构为位错, 韧性差； 下贝氏体为黑针状或竹叶状, 亚结构为位错, 位错密度高于上贝氏体, 综合机械性能好；低碳马氏体为板条状,亚结构为位错,具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状,亚结构为孪晶,强度硬度高,塑性和韧性差；等温、连续 C- 曲线；一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法；1、形变强化形变强化：随变形程度的增加,

15、材料的强度、硬度上升,塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化；机理：随塑性变形的进行,位错密度不断增加,因此位错在运动时的相互交割加剧,结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍,使位错运动的阻力增大,引起变形抗力增加,给连续塑性变形造成困难,从而提高金属的强度；规律：变形程度增加,材料的强度、硬度上升,塑性、韧性下降,位错密度不断增加,依据公式=bG 1/2 ,可知强度与位错密度（ ）的二分之一次方成正比,位错的柏氏矢量（b）越大强化成效越显著；方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）；形变强化的实际意义（利与弊） ：形变强化是强化金属的有效方法,对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材

16、料的强度, 可使强度成倍的增加； 是某些工件或半成品加工成形的重要因素,使金属匀称变形, 使工件或半成品的成形成为可能, 如冷拔钢丝、 零件的冲压成形等； 形变强化仍可提高零件或构件在使用过程中的安全性, 零件的某些部位显现应力集中或过载现象时, 使该处产生塑性变形, 因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性； 另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦,变形使强度上升、塑性降低,给连续变形带来困难,中间需要进行再结晶退火,增加生产成本；2、固溶强化随溶质原子含量的增加,固溶体的强度硬度上升,塑性韧性下降的现象称为固溶强化；强化机理： 一是溶质原子的溶入, 使固溶体的晶格发生畸变, 对滑

17、移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用, 增加了位错运动的阻力； 三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动；全部阻挡位错运动,增加位错移动阻力的因素都可使强度提高；固溶强化规律： 在固溶体溶解度范畴内,合金元素的质量分数越大, 就强化作用越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大, 强化成效越显著； 形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大,就强化作用越大；方法：合金化,即加入合金元素；3、其次相强化钢中其次相的外形主要有三种,即网状、片状和粒状；网状特殊是沿晶界析出的连续网状Fe3C,降低的钢机

18、械性能,塑性、韧性急剧下降,强度也随之下降；其次相为片状分布时,片层间距越小,强度越高,塑性、韧性也越好；符合s= 0 KS0 -1/2 的规律, S0 片层间距；Gb其次相为粒状分布时,颗粒越细小,分布越匀称,合金的强度越高,符合的规律, 粒子之间的平均距离；其次相的数量越多,对塑性的危害越大；片状与粒状相比,片状强度高,塑性、韧性差；沿晶界析出时,不论什么外形都降低晶界强度,使钢的机械性能下降；其次相无论是片状仍是粒状都阻挡位错的移动；方法：合金化,即加入合金元素,通过热处理或变形转变其次相的外形及分布；4、细晶强化细晶强化：随晶粒尺寸的减小,材料的强度硬度上升,塑性、韧性也得到改善的现象

19、称为细晶强化；细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性,是一种较好的强化材料的方法；机理：晶粒越细小,位错塞集群中位错个数（n）越小,依据n 0 ,应力集中越小,所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律：晶界越多,晶粒越细,依据霍尔-配奇关系式 s= 0 Kd -1/2 晶粒的平均直（ d）越小,材料的屈服强度（ s）越高；细化晶粒的方法： 结晶过程中可以通过增加过冷度,变质处理,振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒；对于冷变形的金属可以通过掌握变形度、 退火温度来细化晶粒；可以通过正火、 退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素；二、改善塑性和韧性的机理晶粒越细小,晶粒内部和

20、晶界邻近的应变度差越小,变形越匀称,因应力集中引起的开裂的机会也越小；晶粒越细小, 应力集中越小,不易产生裂纹；晶界越多,易使裂纹扩展方向发生变化,裂纹不易传播,所以韧性就好；提高或改善金属材料韧性的途径：尽量削减钢中其次相的数量；提高基体组织的塑性；提高组织的匀称性； 加入 Ni 及细化晶粒的元素；防止杂质在晶界偏聚及其次相沿晶界析出；三、 FeFe3C 相图,结晶过程分析及运算1. 分析含碳 0.530.77的铁碳合金的结晶过程,并画出结晶示意图； 点 之 上 为液 相L； 点开头 L ； 点结晶完毕；点之间为单相 ；点开头 转变 ； 点开头 P 共析转变；室温下显微组织为+ P；结晶示意

21、图：2. 计算 室 温 下 亚共析钢（含碳量为 x ）的组织 组 成 物 的相对量；组织组成物为、P ,相对量为：Wx0.0218P100% ,W1WP 或W0.77x100%0.770.02180.770.02183. 分析含碳 0.772.11的铁碳合金的结晶过程；点之上为液相 L ；点开头 L ；之间为 L+ ；点结晶完毕；点之间为单相 ；点开头 Fe 3C 转变； 点开头 P 共析转变；室温下显微组织为P + Fe 3C；结晶过程示意图；4. 运算室温下过共析钢（含碳量为x ）的组织组成物的相对量；组织组成物为 P 、Fe 3 C,相对量为：W6.69P6.69x 0.77100% ,WFe3C1WP或WFe 3Cx 6.690.770.77100%5.分析共析钢的结晶过程,并画出结晶示意图；点之上为液相 L；点开头 L ；点结晶完毕；点之间为单相 ；点 P 共析转变；室温下显微组织为 P；