第1章 材料的结构与凝固
材料科学基础--凝固ppt课件
能量条件
形成临界晶核时，表面能增量
3 16 2 A * 4 ( r ) k 2 G V
1 G * k A 3
形核功是过冷液体开始形核时的主要障碍 形核功来自何方？在没有外部供给能量的条件 下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给 液体中客观存在的结构起伏和能量起伏是促成 形核的必要因素。
等压时 G-T曲线均为负斜率，但是L 相由于S较大，斜率更大。 在适当温度-熔点，二者相交
dG S 0 dT
结晶的驱动力
在一定温度下 G H T S 因为H=HS-HL -LM; S-LM/TM
T G LM V TM
△T>0, △Gv<0 过冷度越大， 一般越有利于凝固。 △G的绝对值为凝固过程的驱动力。 适度过冷是凝固的必要条件
材料科学基础-凝固
炼钢
浇注
炼铜
凝固：物质从液态到固态的转变过程。 若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。 多数材料都要经过凝固过程。 凝固过程影响材料组织、后续工艺性能、 使用性能和寿命。 了解凝固过程，对控制铸件的质量，提 高金属制品的质量十分有益。 凝固可为其它相变的研究提供基础。
4.1 液态金属的性质
(1) 形核时的能量变化
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体 中出现一个晶胚时，总的自由能变化
43 2 G V G A r G 4 r V V 3
V、A：晶胚的体积及表面面积， ΔGV ：单位体积液、固两相自由能差， 由于体系冷却到熔点以下， ΔGV <0
过冷度越大，临界半径越小。形核要求一定的 过冷度。
（3）形核功
形成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ界尺寸晶核，体系能量上升的幅 度称为形核功
《材料科学基础》习题
1
2．固态下完全不互溶的三元共晶相图如图6-2所示，画出过Am、PQ的垂直截面。若三组元的熔点tA＞tB＞tC，请画出tB ＜t＜tA温度下的水平截面。
3．液相面投影图如图6-3，分析O合金的结晶过程，画出冷却曲线、结晶示意图、注明反应式，并计算室温下组织组成物的相对量。
4．液相面投影图如图6-4，请写出全部四相平衡转变。
4．计算面心立方结构（111）、（110）与（100）面的面密度和面间距。
5．FeAl是电子化合物，具有体心立方点阵，试画出其晶胞，计算电子浓度，画出（112）面原子排列图。
6．合金相VC、Fe3C、CuZn、ZrFe2属于何种类型，并指出其结构特点。
第二章 晶体缺陷
1．铜的空位生成能1.7×10-19J，试计算1000℃时，1cm3铜所包含的空位数，铜的密度8.9g/cm3，相对原子质量63.5，玻尔兹曼常数K=1.38×10-23J/K。
1．何为成份过冷？影响成份过冷的因素有那些？试述区域提纯的原理。
2．简述枝晶偏析形成过程和消除方法。
3．分析0.45%C，1.2%C和2.3%C 的铁碳合金的平衡结晶过程，计算室温下组织组成 物的相对量及两相相对量。
4．根据显微组织分析，一灰口铁内石墨的体积占12%，铁素体的体积占88%，试求该合金的碳含量。
如图2-1所示的位错环，说明各段位错的性质，并指出刃位错多余半原子面的位置。
2．如图2-2，某晶体滑移面上有一个 柏氏矢量为b的位错环，受到均匀切应力τ作用，试分析：
该位错环各段位错的结构类型；
求各段位错所受的力；
在τ的作用下，位错环将如何运动？
在τ的作用下，位错环稳定不动，其最小半径应该多大？
材料科学基础复习总结1
第一章材料的结构一、概念晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的物质。
空间点阵：把质点看成空间的几何点，点所形成的空间阵列。
晶格：用假想的空间直线，把这些点连接起来，所构成的三维空间格架。
晶胞：从晶格中取出具有代表性的最小几何单元。
配位数:指晶格中任一原子周围所具有的最近且等距的原子数。
致密度:合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。
固溶体：指溶质组元溶于溶剂晶格中，并保持溶剂组元晶格类型而形成的均匀固体。
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。
间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体。
间隙相：当r非/r金＜0.59时，形成具有简单晶格的化合物，称为间隙相。
二、思考题1.在单位立方晶胞中画出(112)和(110)晶面，并求出两晶面交线的晶向指数。
2.已知铜的原子半径为0.127nm，求其晶格常数和致密度各为多少？3.在立方晶胞中画出(112) 晶面和[221]，晶向。
第2章晶体缺陷一、概念肖特基缺陷：原子由于热振动脱离正常结点后，跑到晶体表面构成新的一层，这种缺陷称为肖特基缺陷。
弗仑克尔缺陷：原子由于热振动脱离正常结点后，跑到间隙处即产生一个空位的同时，出现一个间隙原子，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
刃型位错：晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错螺型位错：晶体中已滑移区与未滑移区的边界线(即位错线)若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错位错的滑移：在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。
位错的攀移：构成刃型位错的多余半原子面的扩大或缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。
材料成形原理(第2版)(吴树森)第1章
凝固技术发展历程
最古老的艺术、技术之一 —— 冶铸技术 合釐配制、凝固控制、组织控制
我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已 很发达。司母戊斱鼎是当时最大的青铜器。图案、文字 俱全,铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今2400 多年前戓国初期铸造的。 戓国时期的《考工记》记载：“釐有六齐：六分其 釐，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其釐，而锡居其 一，谓之斧斤之齐；四分其釐，而锡居其一，谓这戈戟 之齐；三分其釐，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其 釐，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；釐，锡半，谓之鉴 燧之齐”。是世界上最早的合釐配比觃律。
2．对液态合釐流动阻力的影响 根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300 为层流。Re的数学式为
Re
Dv
设f为流体流动时的阻力系数，则 有
64
64
当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。 釐属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻 力小，液态釐属能顺利地充填型腔，故釐属液在浇注系统 和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期戒夹窄的枝 晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。
3．对凝固过程中液态合釐对流的影响 液态釐属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差 和浓度差而产生浮力，它是液态合釐对流的驱动力。 当浮力大于戒等于粘滞力时则产生对流，其对流强 度由无量纲的栺拉晓夫准则度量，即
可见粘度η越大对流强度越小。液体对流对结晶 组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。
其第一峰值不固态时的衍射线（第一条垂线）极为 接近，其配位数不固态时相当。 第二峰值虽仍较明显，但不固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值不固态 时的偏离也越来越大。 当它不所选原子相距太远的距 离时，原子排列进入无序状态。
机械工程材料作业答案
第一章材料的结构与金属的结晶1．解释下列名词：变质处理P28；细晶强化P14；固溶强化P17。
5．为什么单晶体具有各向异性P12，而多晶体在一般情况下不显示各向异性P13？答：因为单晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致。
而在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各项异性，但各个晶粒在整块金属中的空间位向是任意的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。
6．在实际金属中存在哪几种晶体缺陷P13？它们对力学性能有何影响P14？答：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
缺陷的存在对金属的力学性能、物理性能和化学性能以及塑性变形、扩散、相变等许多过程都有重要影响。
7．金属结晶的基本规律是什么P25？铸造(或工业)生产中采用哪些措施细化晶粒？举例说明。
P27~P28答：金属结晶过程是个形核、长大的过程。
（1）增大过冷度。
降低金属液的浇筑温度、采用金属模、水冷模、连续浇筑等。
（2）变质处理。
向铝合金中加入钛、锆、硼；在铸铁液中加入硅钙合金等。
（3）振动和搅拌。
如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
第二章金属的塑性变形与再结晶1．解释下列名词：加工硬化P40；再结晶P43；纤维组织P38。
2．指出下列名词的主要区别：重结晶、再结晶P43答：再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化，故称为再结晶；而重结晶时晶格类型发生了变化。
另外，再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。
5．为什么常温下晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越好？P38答：晶粒愈细，单位体积内晶粒数就愈多，变形是同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，这样因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率和具有较高的冲击载荷抗力。
6．用冷拔铜丝制作导线，冷拔后应如何处理？为什么？P42答：应该利用回复过程对冷拔铜丝进行低温退火。
《材料科学基础》期末复习
总复习
本章区别概念：
晶体与非晶体 • 空间点阵和晶体结构
相和组织
• 固溶体和中间相 间隙固溶体和置换固溶体 • 间隙固溶体和间隙化合物 间隙相和间隙化合物
• 电子化合物和正常价化合物
总复习
第三章 晶体缺陷
1、各类缺陷的认识（点、线、面缺陷定义和特征）。
2、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置 换原子。点缺陷的特征、平衡浓度公式及应用。 3、线缺陷、位错、位错线、刃型位错、螺型位错、混合 型位错、柏氏矢量、位错运动、滑移、交滑移、双交滑移、 多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积。 • 位错类型（刃型、螺型、混合型位错）的判断及其特征。 • 柏氏矢量的确定方法、特征及表示法。 • 位错线、柏氏矢量、位错运动与作用在位错上的力之间 的关系。
总复习
本章区别概念：
• 滑移、孪生 软位向，硬位向 • 几何硬化和几何软化 沉淀强化、弥散强化 • 纤维组织与带状组织 第一类残余应力 、第二类残余应力 、第三类残余应力 • 静态回复与动态回复 静态再结晶、动态再结晶 • 正常长大、异常长大 冷加工、热加工 • 重结晶、再结晶、二次再结晶
总复习
3、晶界与相界的类型、晶界的特性和作用（对材料性能的
影响）。
总复习
本章区别概念： • 刃型位错和螺型位错 交滑移和多滑移
• 滑移和攀移
割价、扭折
• 晶界、相界、孪晶界
小角度晶界、大角度晶界 • 共格相界、非共格相界、半共格相界
总复习
第四章 固体原子及分子的运动
1、固态金属扩散的条件及影响扩散的因素； 2、扩散定律（Fick第一、二定律）的方程、稳态扩散、非稳态扩散、 扩散通量。 扩散定律的内容和表达式、物理意义、适应条件。扩散定律的解及 应用，如：渗碳等； 3、迁移率、柯肯达尔效应、扩散激活能。 4、固相中原子扩散的各种机制（空位机制、间隙机制、换位机制、 晶界扩散机制。扩散的驱动力并用扩散理论分析实际问题。 5、扩散的分类、名称（区别，）；扩散、自扩散、互（异）扩散、 上坡扩散、下坡扩散；原子扩散、反应扩散；空位扩散、间隙扩散、换 位扩散、晶界扩散、表面扩散、短路扩散。 6、扩散系数及表达式（阿累尼乌斯方程）、影响扩散的因素。
材料的凝固与结晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
晶
3.影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素
❖过冷度的影响
❖未熔杂质的影响
4、晶粒大小的概念
晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大 小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来 计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒 度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比 评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的 定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级， 数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平 均截线长来表示。
G / T =- S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
(四）.结晶的一般规律
形核 长大
(四）.结晶的一般规律:形核、长大。
1.晶核的形成
在一定的过冷度下,当G体≥G表时,晶核就
形成。 晶核形成的形式:
*自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核）
三 金ph )转变 反应式:
δ - Fe 1394 °C γ - Fe 912 °Cα - Fe
bcc
fcc
bcc
纯铁的冷却曲线
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃
1394℃ δ - Fe γ - Fe
一般不符合化合价规律， 其晶体结构由电子浓度（价电子 总数与原子总数之比）决定，如下表
2014年《材料科学基础》作业
注意：习题按以下内容结构给出，加深理解本课程的内容和结构。
绪论第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构第二篇材料的晶体结构与缺陷第二章材料的结构第三章晶体结构缺陷第七章晶态固体材料中的界面第三篇材料的组织结构第五章相平衡与相图第四章晶态固体中的扩散第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论材料的结构相图与相变【综合习题】绪论一、填空题1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。
2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。
根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、高分子和复合材料四大类。
第一篇材料的原子结构第一章材料的原子结构一、填空题1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。
第二篇 材料的晶体结构与缺陷第二章 材料的结构一、填空题1、晶体是 基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是 晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序 。
3、晶胞是 晶体结构中的最小单位 。
4、根据晶体的对称性，晶系有 3 大晶族， 7 大晶系， 14 种布拉菲Bravais 点阵， 32 种点群， 230 种空间群。
5、金属常见的晶格类型有 面心立方 、 体心立方 、 密排六方 。
6、fcc 晶体的最密排方向为 【111】 ，最密排面为 （110） ，最密排面的堆垛顺序为 ABCABCABC …… 。
7、fcc 晶体的致密度为 0.84 ，配位数为 12 ，原子在（111）面上的原子配位数为 6 。
8、bcc 晶体的最密排方向为 【110】 ，最密排面为 （111） ，致密度为 0.76 ，配位数为 8 。
9、晶体的宏观对称要素有 对称点 、 对称轴 、 对称面 。
机械工程材料试题 习题及答案
机械工程材料试题习题及答案第1章材料的性能一、选择题1.表示金属材料屈服强度的符号是（ B） A.σ B.σs C.σbD.σ-12.表示金属材料弹性极限的符号是（ A） A.σe B.σs C.σbD.σ-13.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（ B）A.HBB.HRCC.HVD.HS4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（A ） A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性二、填空1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（变形）或（破坏）的能力。
2.金属塑性的指标主要有（伸长率）和（断面收缩率）两种。
3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（塑性变形）和（断裂）三个阶段。
4.常用测定硬度的方法有（布氏硬度测试法）、（洛氏硬度测试法）和维氏硬度测试法。
5.疲劳强度是表示材料经（无数次应力循环）作用而（不发生断裂时）的最大应力值。
三、是非题1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。
是2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。
是3.金属材料的机械性能可以理解为金属材料的失效抗力。
四、改正题1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
将冲击载荷改成交变载荷2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。
将HB改成HR3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。
将疲劳强度改成冲击韧性4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。
将冲击韧性改成断面收缩率5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。
将载荷改成冲击载荷五、简答题1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σs、σ0.2、HRC、σ-1、σb、δ5、HBS。
σs: 屈服强度σ0.2：条件屈服强度HRC：洛氏硬度（压头为金刚石圆锥）σ-1: 疲劳极限σb: 抗拉强度σ5：l0=5d0时的伸长率（l0=5.65s01/2）HBS:布氏硬度（压头为钢球）第2章材料的结构一、选择题1. 每个体心立方晶胞中包含有（B）个原子 A.1 B.2 C.3 D.42. 每个面心立方晶胞中包含有（C）个原子 A.1 B.2 C.3 D.43. 属于面心立方晶格的金属有（C） A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒 C.γ-Fe,铜 D.γ-Fe,钒4. 属于体心立方晶格的金属有（B） A.α-Fe,铝B.α-Fe,铬 C.γ-Fe,铝 D.γ-Fe,铬5. 在晶体缺陷中，属于点缺陷的有（A） A. 间隙原子 B.位错 C.晶界 D.缩孔6. 在立方晶系中,指数相同的晶面和晶向(B)A.相互平行B.相互垂直C.相互重叠D.毫无关联7. 在面心立方晶格中,原子密度最大的晶面是(C)A.(100)B.(110)C.(111)D.(122)二、是非题1. 金属或合金中,凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，生产中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进行一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大基本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不相同。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
材料科学基础
14种布拉菲点阵与七个晶系
三. 晶向指数和晶面指数
1. 晶向指数及其确定方法 1) 晶向指数 — 晶体点阵中阵点列的方 向指数。 2) 确定已知晶向的指数 (Miller指数)。
(1) 建坐标．一般为右手坐标，坐标原点 位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶 胞棱边。
正、负离子间相互吸引，时原子结合在一起，这就是离子键。
氯 化 钠 离 子 键
2. 共价键
相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用 共享电子对来达到稳定的电子结构。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键
具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。由于方向性，不允许改变原子的相 对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。
• 第六章 扩散与固态相变
– 第一节 扩散定律及其应用 – 第二节 扩散机制 – 第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力 – 第四节 几个特殊的有关扩散的实际问题 – 第五节 固态相变中的形核 – 第六节 固态相变的晶体生长
• 第七章 陶瓷材料
导论
一·各种材料的概况
工程材料按属性可分为三类：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三个 相互组合而成的复合材料。按使用性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和 主要利用其物理性能的功能材料。
一、一次键
1.离子键 金属元素特别是IA、IIA族金属在满壳层外面有少数价电子，它们很容易逸出；另方面 VIIA、VIA族的非金属原子的外壳层只缺少1~2个电子便成为稳定的电子结构。当两类电子 结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电 子结构，从而降低了体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，
工程材料练习题
工程材料习题第1章材料的结构与性能1.1金属材料的结构与组织（一）解释名词晶格、晶胞、晶粒、亚晶粒、晶界、晶体的各向异性、空位、刃型位错；合金、组元、相、组织、组织组成物、中间相、化合物；固溶体、间隙固溶体、置换固溶体、有限固溶体、无限固溶体；金属化合物、正常价化合物及其特点，电子化合物及其特点，间隙化合物、间隙相及其特点；强度、硬度、塑性、韧性。
（二）填空题2．金属晶体中最主要的面缺陷是和。
3．点缺陷有和两种；面缺陷中存在大量的。
4．γ-Fe、α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为和。
5. 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度。
8、金属材料的使用性能是指、金属材料的工艺性能是指。
9、屈服极限指标是，抗拉强度指标是。
10、表示塑性的指标是和。
（三）是非题1．因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。
（）（四）选择正确答案1．晶体中的位错属于：a。
体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。
2．α-Fe和γ-Fe分别属于什么晶格类型：a．面心立方和体心立方；b．体心立方和面心立方；c．均为面心立方；d．均为体心立方。
3. 固溶体的晶体结构与a．溶剂；b．溶质；c．其它晶型相同。
第二章金属材料组织和性能的控制2.1 纯金属的结晶（一）解释名词结晶、过冷度、自发晶核、非自发晶核、变质处理、同素异构转变。
（二）填空题1．结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是和。
2．在金属学中，通常把金属从液态过渡为固体晶态的转变称为；而把金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为。
3．过冷度是指，其表示符号为。
4．过冷是结晶的条件。
5．细化晶粒可以通过、、和等途径实现。
6、在一般情况下，晶粒越小，则金属的、越好。
所以工程上使晶粒细化，是提高重要途径之一。
（三）是非题1．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
（）2．室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。
（）（四）选择正确答案1．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：a．越高；b．越低；c．越接近理论结晶温度。
《材料科学基础》综合复习题
《材料科学基础》复习思考题第一章：材料的结构空间点阵、晶格、晶胞配位数致密度共价键离子键金属键组元合金、相、固溶体中间相间隙固溶体置换固溶体固溶强化第二相强化。
1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）2、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。
3体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。
4、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。
5、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有（）。
6、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。
7、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。
8、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
9、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
三、作图表示出立方晶系（123）、（0）、（421）等晶面和[02]、[11]、[346]等晶向。
四、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
五、体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
六、已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
七、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。
材料科学基础习题及答案
第一章材料的结构一、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。
二、填空题1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）。
2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成（）。
3、我们把原子在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（），（），（）。
4、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。
5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。
6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。
7、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有（）。
8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。
9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
12、金属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、脆性（），因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相（）作用。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），（），（）。
14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（），（），（），（）。
材料科学基础课后习题答案
《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。
其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。
二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。
6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？答：材料的密度与结合键类型有关。
一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。
相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。
共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。
9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。
即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。
两相组织是指具有两相的组织。
单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。
单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。
等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。
对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。
如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。
如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。
(完整版)工程材料及材料成型技术基础
§1-1 材料原子(或分子)的相互作用
1、离子键 当正电性金属原子与负电性非金属
原子形成化合物时，通过外层电子的重 新分布和正、负离子间的静电作用而相 互结合，故称这种结合键为离子键。
离子晶体硬度高，强度大，脆性大。 如氯化钠，陶瓷。
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2、共价键 当两个相同的原子或性质相差不大的
原子相互接近时，它们的原子间不会有电 子转移。此时原子间借共用电子对所产生 的力而结合，这种结合方式称为共价键。
14
3．陶瓷材料 ① 普通陶瓷—主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料. ② 特种陶瓷—高熔点的氧化物、碳化物、氮化物
等烧结材料。 ③ 金属陶瓷—用生产陶瓷的工艺来制取的金属与
碳化物或其它化合物的粉末制品。 4．复合材料 是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 ①按基体相种类分：聚合物基、金属基、 陶瓷基、 石墨基等。 ②按用途分：结构、功能、智能复合材料。
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本部分重点
1)工程材料的概念
– 制造工程结构和机器零件使用的材料
2)工程材料的分类
• 金属材料
钢铁材料 有色金属及其合金
• 有机高分子材料
塑料 橡胶等
• 陶瓷材料 • 复合材料
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第一章 工程材料的结构与性能
§1-1 材料原子(或分子)的相互作用
当大量原子(或分子)处于聚集状态时， 它们之间以键合方式相互作用。由于组成 不同物质的原子结构各不相同，原子间的 结合键性质和状态存在很大区别。
8
绪论
一、材料的发展史
材料(metals) 是人类用来制作各种产品的物质，是 先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。 反映人类社会文明的水平。
1 . 石器时代 ：古猿到原始人的漫长进化过程。原料： 燧石和石英石。 2. 新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器。 3. 青铜器时代：夏(公元前2140年始)以前就开始了 4. 铁器时代：春秋战国时期(公元前770～221年)开始 大量使用铁器
材料的结构与性能(共64张PPT)
是金属，也可是金属与非金
属。
组成合金的元素相互作用可 形成不同的相。
Al-Cu两相合金
单相
合金
两相 合金
⑴ 固溶体
固溶体。习惯以、、表示。
溶剂
溶质
固溶体是合金的重要组成相，实际合 金多是单相固溶体合金或以固溶体 为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体 和间隙固溶体。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
2)确定晶面指数的步骤如下：
由结点形成的空间点的阵列称空间点阵
〔1〕设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶 但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性那么要高得多。
分为刃型位错和螺型位错。
胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常 溶质原子在固溶体中的极限浓度。
⑸ 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。
② 线缺陷—晶体中的位错
位错：晶格中一局部晶体相对于 另一局部晶体发生局部滑移，滑 移面上滑移区与未
位错。分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃位错的形成
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个 原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面 的边缘就是刃型位错。
空位
间隙原子 置换原子
a. 空位： b. 间隙原子：
可以是基 体金属原子，也可以是 外来原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
c. 置换原子：
点缺陷破坏了原子的平衡状态，
使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
材料科学基础之材料的凝固
材料科学基础之材料的凝固引言材料的凝固过程是材料科学中的重要基础知识之一。
凝固是将液态物质转变为固态物质的过程，在材料制备和性能控制中起着至关重要的作用。
本文将介绍材料的凝固过程及其在实际应用中的影响。
1. 凝固的概念凝固是物质从液态向固态转变的过程。
在凝固过程中，原子、分子或离子进入有序排列的结构，形成固态晶体。
凝固过程通常伴随着能量的释放，因为凝固过程降低了分子之间的自由度。
2. 凝固的类型材料的凝固可以分为两类：晶体凝固和非晶体凝固。
2.1 晶体凝固晶体凝固是指原子、分子或离子按照一定的方式排列，形成有序的凝固体。
晶体凝固过程中，物质的结构和性质与晶体的结构密切相关。
晶体凝固常见的类型包括共晶凝固、细小晶粒凝固和晶体生长等。
2.2 非晶体凝固非晶体凝固是指物质形成无序而没有周期性的凝固体。
非晶体凝固的材料通常具有高度的无定形性和非晶性。
非晶体凝固过程中，由于缺乏有序结构，凝固速率较高。
3. 凝固过程的影响因素凝固过程受许多因素的影响，包括温度、压力、成分和凝固速率等。
3.1 温度温度是影响材料凝固的重要因素之一。
温度的改变会导致凝固过程的快慢和凝固体的结构特征的变化。
通常情况下，较高的温度会加快凝固过程，而较低的温度则会延缓凝固。
3.2 压力在一定温度下，增加压力可以使凝固过程的速率加快。
这是因为增加压力可以提高原子、分子或离子之间的相互作用力，促进有序凝固结构的形成。
3.3 成分凝固过程的成分也对凝固行为产生重要影响。
不同成分的物质由于其分子结构和相互作用的差异，会表现出不同的凝固特点。
例如，共晶物质的凝固温度会比单一组分物质的凝固温度低一些。
3.4 凝固速率凝固速率是指物质由液态向固态转变的速度。
凝固速率受到温度、成分和凝固体的结构特征等因素的影响。
通常情况下，快速冷却会增加凝固速率，而慢速冷却则会降低凝固速率。
4. 凝固在实际应用中的重要性材料的凝固在实际应用中具有重要作用。
凝固过程直接影响材料的结构和性能。
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第一章
2、晶体结构的描述
晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。 理想晶体的晶体学抽象: 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结 点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元） 点阵常数：a,b,c; α,β,γ:
3、晶胞的描述 按点阵常数的特征对晶体的分类。
立方
六方
四方 菱方
第一章
体心立方晶格
金属的晶体结构
第一章
原子半径：晶胞中原子密度最大
方向上相邻原子间距的一半。
晶胞原子数：一个晶胞内所包含
的原子数目。
配位数：晶格中与任一原子距离
最近且相等的原子数目。
致密度：晶胞中原子本身所占的
体积百分数。
金属的晶体结构
第一章
体心立方晶格的参数
金属的晶体结构
第一章
体心立方晶格的参数
实际金属的晶体结构
第一章
3、面缺陷－晶界、亚晶界和表面
晶界：不同位向，相邻晶粒的过度部位。看作由 空位、间隙原子及位错堆积的层面缺陷。 晶粒越细小，晶界越多，晶界面积越大。
1Cr17不锈钢的多晶体
晶界原子排列的示意图
实际金属的晶体结构
第一章
3、面缺陷－晶界与亚晶界
亚晶界 组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小 (10 ～2 )的晶粒之间的交界面。亚晶界也 可看作位错壁。
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
金属的晶体结构
第一章
三、晶面、晶向和晶体的各向异性
由一系列原子所组成的平面称为晶面。表示晶面的符号 称为晶面指数； 任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为 晶向。表示晶向的符号称为晶向指数。
金属的晶体结构
第一章
1、晶面指数的确定方法
1)选坐标 以晶格中某一原子为原点（注意不要把 原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维 坐标的坐标轴。 2)求截距 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶 面在三个坐标轴的截距。 3)取倒数 求三个截距值的倒数。 4)化整数 将所得数值化为最简单 的整数，并用圆括号括起，即为晶面 指数，如图所示，其形式为（hkl）。
晶向指数的确定
金属的晶体结构
第一章
晶向指数的确定
例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直
线的晶向指数。
将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。 例二、已知晶向指数为[110], 画出该晶向。
找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。
金属的晶体结构
第一章
注意： 1) (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的且 位相（方向）相同的晶向和晶面。 2)指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向 和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw> 表示。
正交
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
单斜
三斜
金属的晶体结构
第一章
二、
典型金属的晶体结构
常见结构： 体心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密排六方 cph Close-packed hexagonal
金属的晶体结构
3)在立方晶系中，指数相
同的晶面与晶向相互垂 直。 4) 遇到负指数，“-”号 放在该指数的上方。
[110]
Z
[110]
(221)
[221]
Y X
金属的晶体结构
第一章
立方晶系常见的晶向：
100 : [100]、 ]、 ] [010 [001 110 : [110]、 ]、 ]、 10]、 01]、 1 1] [101 [011 [1 [1 [0 111 : [111]、 11]、 1 1]、 1] [1 [1 [11
定义：实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为 晶体缺陷。 晶体缺陷按范围分类： 1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺 寸大小的晶体缺陷（0维）。空位、间隙原子等。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷（一维）。位错。 3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷（二维）。晶界、亚晶界和表面等。
1)设坐标 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系， 通过原点作平行于所求晶向的直线。 2)求坐标值 以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意 一点的三个坐标值。 3)化整数 将所求坐标值化为最简
整数，并用方括号括起，即为所求的晶
向指数。具体晶向指数如图所示，
其形式为[uvw]。
金属的晶体结构
第一章
立方晶系常见的晶向：
[111] [111] Z [111]
[111]
Y X
金属的晶体结构
第一章
立方晶系常见的晶面：
{100} : (100)、 ( 010)、 ( 001) {110} : (110)、 (101)、 ( 011)、 10)、 01)、 1 1) (1 (1 (0 {111} : (111)、 11)、 1 1)、 1) (1 (1 (11
实际金属的晶体结构
第一章
3、面缺陷－晶界与亚晶界
晶界对材料性能的影响 原因：阻碍位错运动，是强化部位。 细晶强化：晶粒越细，晶界越多，金属的强 度越大、塑性变形能力越大，综合性能好。
纯金属的结晶与铸锭组织
第一章
§1.3
纯金属的结晶与铸锭组织
物质从液态经冷却转变为固态的过程叫凝固。 物质凝固后的固态物质是晶体，则凝固的过程称为结晶。 凝固时是否形成晶体，取决于液体粘度和冷却速度。 粘度越大，越不易结晶。如：石英，大分子链聚合物。 冷却速度越大，越不易结晶。大于107℃/s时，获得非晶、 准晶态金属材料。
实际金属的晶体结构
第一章
1、点缺陷
点缺陷的类型 ：
1) 空位 未被原子占据的晶格节点。 2) 间隙原子 位于晶格间隙的原子。 它们可能是同类原子，也可能是异 类原子。 3) 置换原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
实际金属的晶体结构
第一章
晶格畸变: 空位引起的晶格畸变
纯金属的结晶与铸锭组织
第一章
一、结晶温度
理论结晶温度：无限缓慢冷却条件下的 结晶温度。 实际结晶温度：冷却速度较大。
理论结晶温度Tm与开始结晶温度Tn之 差叫做过冷度，用Δ T表示。 ΔT= Tm—Tn
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径： r 3 a 4
原子个数：2
配位数： 8
致密度：0.68
常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
金属的晶体结构
第一章
面心立方晶格
金属的晶体结构
第一章
面心立方晶格的参数
金属的晶体结构
第一章
面心立方晶格的参数
晶格常数：a
2a 原子半径：r
4 原子个数：4
金属的晶体结构
第一章
§ 1.1 金属的晶体结构
决定材料性质最为本质的内在因素： • • 组成材料各元素原子结构 原子间相互作用，相互结合-原子键合
• 原子或分子在空间的排列，运动规律，以及原 子集合体的形貌特征－晶体结构
金属的晶体结构
第一章
固体材料的原子排列方式
短程有序(近程有序)——非晶态结构 特点： （1）结构无序，物理性质表现为各 向同性; （2）无固定熔点; （3）导热性和热膨胀性均小; （4）塑性形变大; （5）组成的变化范围大。
液态金属的结构特征
金属的晶体结构
第一章
固体材料的原子排列方式
长程有序（远程有序）——晶体结构 （1）结构有序，物理性质表现为各向异性; （2）具有固定的熔点; （3）晶体的排列状态是由构成原子或分子的 几何学形状和键的形式决定的; （4）一般当晶体的外形发生变化时，晶格类 型并不改变。
金属的晶体结构
是晶体的各向异性。
原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。
金属的晶体结构
第一章
三种常见晶格的密排面和密排方向
面 心 立 方 晶 格
金属的晶体结构
第一章
ห้องสมุดไป่ตู้
三种常见晶格的密排面和密排方向
底面对角线
密 排 六 方 晶 格
六方底面
金属的晶体结构
第一章
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面 体心立方晶格 面心立方晶格 数量 密排方向 数量
金属的晶体结构
第一章
晶面指数的确定
金属的晶体结构
第一章
晶面指数的确定
例一、求截距为、1、晶面的指数
截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）
例二、画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1， 即为X、Y、Z三坐标轴上的截距
金属的晶体结构
第一章
2、晶向指数的确定方法
立方晶系常见的晶面
Z （110） （011） （011） （101）
（101） Y （110）
X
金属的晶体结构
第一章
3、晶体的各向异性
单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力 不同，使晶体沿不同方向显示出性能上的差异，就
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
实际金属的晶体结构
第一章
2、线缺陷－位错
螺型位错
实际金属的晶体结构
第一章
2、线缺陷－位错
位错对材料性能的影响
原因：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因 此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。