材料科学基础(东北大学)第六章
(NEW)东北大学材料与冶金学院《829材料科学基础》历年考研真题汇编
目 录
2015年东北大学829材料科学基础考研真题（回忆版）2014年东北大学829材料科学基础考研真题
2013年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2012年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2009年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2008年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2007年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2006年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2005年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2004年东北大学429材料科学基础（A卷）考研真题2003年东北大学材料科学基础考研真题
2002年东北大学427材料科学基础考研真题
2001年东北大学424材料科学基础考研真题
2015年东北大学829材料科学基础考研真题
（回忆版）
一、名词解释
1．裂纹偏转增韧
2．硬取向
3．晶带定律
4．蠕变
5．反应扩散
二、简述热力学条件和动力学条件在材料结构转变的作用、影响，举两个实际生活中利用热力学条件和动力学条件进行相关制备材料的例子。
三、金属在冷变形核和退火过程中的缺陷如何变化及相关变化的驱动力。
四、分别写出纯金属、铝铜合金、三氧化二铝金属基复合材料可以采用的强化措施。
五、写出块型转变、马氏体转变、脱溶分解的界面微观特征。
六、（1）K0＞1时滑出下面三种凝固后固体棒溶质浓度分布图。
（a）固相不能充分扩散，液相可以充分对流。
（b）固相不能充分扩散，液相仅有对流。
（c）固相不能充分扩散，液相对流不充分。
（2）考察一个成分过冷的计算题。
七、分别告诉了A、B组元的扩散常数和扩散激活能（具体数值不记得），由A、B组成扩散偶，问扩散界面会向哪一方移动以及空位会在哪里聚集。
材料科学基础PPT 第六章 回火66
淬火碳钢回火时的组织转变
相状态变化及碳化物聚焦长大（ 五、α相状态变化及碳化物聚焦长大（回火第四阶段） 相状态变化及碳化物聚焦长大 回火第四阶段）
回火温度高于400℃，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大，铁 ℃ 片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， 回火温度高于 素体基体也将发生回复和再结晶。 素体基体也将发生回复和再结晶。 回火索氏体：高于 回火索氏体：高于400℃回火，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， ℃回火，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， 铁素体基体也将发生回复和再结晶， 铁素体基体也将发生回复和再结晶，针条状形态 消失，获得的等轴铁素体加尺寸较大 尺寸较大的粒状渗碳 消失，获得的等轴铁素体加尺寸较大的粒状渗碳 体的混合组织。 体的混合组织。 1. 内应力消失 热应力：工件内外温差造成的； 热应力：工件内外温差造成的； 淬火钢的内应力 组织应力：转变为不同组织时造成的。 组织应力：转变为不同组织时造成的。
淬火碳钢回火时的组织转变
二、马氏体分解（回火第一阶段转变） 马氏体分解（回火第一阶段转变）
回火温度： 回火温度：80~250℃，此时随着回火温度升高及回火时间延 ℃ 长，富碳区的碳原子将发生有序化，继而转变为碳化物析 富碳区的碳原子将发生有序化， 出，即马氏体分解。 即马氏体分解。
结果： 结果： 碳化物析出
回火时机械性能的变化
2. 低碳合金钢 （1）低于 ）低于250℃回火时，在低碳马氏体的基体上均匀沉淀出ε-碳化 ℃回火时，在低碳马氏体的基体上均匀沉淀出ε 碳化 强度和塑韧性接近或略高于淬火态的水平； 物，强度和塑韧性接近或略高于淬火态的水平； （2） 250~400℃回火时，常规的机械性能均有所降低，出现回火脆 ） ℃回火时，常规的机械性能均有所降低， 性； （3）高于 ）高于400℃回火时，则牺牲了强度、硬度而换取了较高的塑性 ℃回火时，则牺牲了强度、 和韧性。 和韧性。
东大材料学初试复试真题
东北大学2001年攻读硕士研究生学位研究生试题
1.在晶格常数为a的面心立方晶胞中，画出{111}晶面族的全部晶面并标出各自的晶面指数，计算面间距。（12′）
2.晶粒直径为50um，若在晶界萌生位错所需要的应力约为G/30，晶粒中部有位错源，问要多大的外力才能使晶界萌生位错？（13′）
3. 含碳量为百分之3.5的铁－碳合金，在室温时由哪两个相组成？各占的重量百分数是多少？并计算室温时珠光体和莱氏体的百分含量。（12′）
4.再结晶后的晶粒大小如何计算?与哪些因素有关？为何多数金属材料再结晶后晶粒尺寸随预定形变量的关系会在百分之10变形量附近出现一个峰值？（13′）
5.材料发生蠕变时通常符合的指数定律，对于同一种材料讨论说明式中的n 会不会随试验温度变化？试验测定n值的目的是什么？在例如800摄氏度的试验温度下，金属材料和陶瓷材料的n值由什么不同？（13′）
6.什么是电子的分子轨道？为什么有的同类原子会形成分子？有的同类原子不形成分子？是否原子间核外电子越多，形成的分子就轨道越多？是否形成的分子轨道越多，形成的分子的结合键就越强？回答问题并给予简单讨论。（12分）
7.解释名词
（1）复合强化（2）晶界偏析（3）应变疲劳（4）扩散激活能（20′）东北大学2002年攻读硕士研究生学位研究生试题
1.画出面心立方体的（111）和（100）面，计算面间距和面密度。证实晶面的间距越大，原子面密度越高。（15′）
2.假定一块钢进行热处理时，加热到850摄氏度后，快冷到室温，铁中空位的形成能是104Kj/mol,R=8332J/K mol.。试计算，从20摄氏度加热到850摄氏度以后，空位的数目应当增加多少倍？扼要解释快速淬冷到室温后，这些“额外”的空位会出现什么情况？如果缓慢冷却呢？（12′）
2014_东北大学材料科学基础考研真题
东北大学
2014年研究生入学考试试题
考试科目：材料科学基础（829）
一、解释名词（20′）
1、小角度晶界
2、不全位错
3、变形织构
4、熟化
5、不连续脱溶
二、对于面心立方单晶体中b=a[101]∕2。位错线方向为[¯1¯21]的刃位错。试计算当沿[110]方向施家100MPa拉力时，单位长度位错线沿滑移和攀移方向所受的力，已知a=0.40nm。
三、（1）分析成分为5.6%Cu和5.7%Cu的合金在平衡结晶和快速冷却非平衡结晶时的室温组织特点。
（2）设x合金平衡凝固完毕的组织为α初晶+（Α+θ）共晶，其中α初晶占60% ，则合金中刚凝固完毕的θ相的含量是多少？
（3）绘出温度T=560℃时各相自由能-成分曲线示意图
（4）指出此二元系中比较适合作变形合金和铸造合金的成分范围。
（5）成分为4%的Cu的合金经80%冷变形后，分别在550℃和250℃退火1小时，试分析其组织有何不同。
四、材料结合键的类型有哪些？结合键的类型和结合键的大小对材料的力学性能有何影响？
五、一台蒸汽涡轮机的低压转子是用Cr-Mo-V合金钢材料制成的，工作温度是565℃，转速为3400转/分钟，在运行106000小时之后发生断裂，请分析其失效的可能原因是什么？
六、T温度下A-B二元合金系α相和γ相的摩尔吉布斯自由能Gm-成分曲线如图所示，由合金Ⅰ和合金Ⅱ组成的扩散偶在此温度下扩散。分析原子扩散方向，如果合金Ⅰ和合金Ⅱ的混合成分为X
分析通过扩散达到平衡后，系统的摩尔吉
B,
布斯自由能Gm的变化，并画出示意图。
七、Mg-Sn-Zn系液相面投影图
第5章 凝固-材料科学基础东北大学
(Chapter 6 Solidification of Materials ) 凝固（Solidification）：物质从液态到固态的转变过程； 如果固态下，材料的结构为晶体，则也称为结晶过程
§6.1 晶体材料凝固的基本规律 1 液态的结构 (structure of liquid)
3 非均匀形核 非均匀形核： 依附于母相中某种界面上的形核过程。 这种界面可能是外来固体质点的界面， 也可能是铸锭的模壁。 设晶核与基底面的接触角为θ， σL/S、σS/B、σL/B为液体-晶核、晶核-基底、 液体-基底的表面能， ΔGhom 、ΔGhet分别 为均匀形核功和非均匀形核功：
考虑到：新形成了L/S和S/B界面，消失了L/B界面
●
ΔG =ΔGv•4/3•πr3 + σ•4πr2
3
● 临界晶核形成时自由能是升高的，液固两相体积自由能的差只能补偿
形成临界晶核表面所需能量的2/3，另外的1/3需要靠液相中的 能量起伏来补充。
● 形核的条件：结构起伏和能量起伏达到一定临界值
原子扩散几率因子
2 形核率(nucleation ratio) 控制形核率的主要因素： 1) 形核功因子： exp（―ΔGk/（RT））， 体系中出现高于能量ΔGk所出现的几率 2) 原子扩散几率因子： exp（―ΔGA/（RT））， ΔGA为原子越过液固相的激活能. 形核率
东北大学材料科学基础2014真题
东北大学材料科学基础2014真题
一、名词解释：（25’）
小角度晶界 不全位错 形变织构 熟化 不连续脱溶 二、计算面心立方结构[]1012
a 的柏氏矢量。（15’） 若位错线[]
121，施加100MPa []110方向的力，求滑移力和攀移力。（a=0.4nm ）
三、Al-Cu 相图如下（35’）
（大体外形就是这样，具体可查找相关课本）
（1）计算含Cu 5.6％，5.7％的合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶的组织特点（15’）
（2）画出500℃各自由能成分曲线（5’）
（3）写出适合做变形合金和铸造合金的成分范围（5’）
（4）若某成分下组织为初晶α和共晶（α＋θ），初晶α含量为40％，求共晶析出的θ含量。
（5）若4％Cu 合金作80％冷变形，分析在250℃和500℃下退火一小时其组织特点。
四、物质的结合键有哪些？（15’）
分析结合键类型和键能大小对物体力学性能的影响。
五、某合金钢Cr-Mn-V ，在565℃下，以4000min r 速度， 工作1000h 后，发生断裂失效，分析其失效原因。（10’）
六、课本原题P357，第7题
七、三元相图（30’）
（1）写出图中四相平衡反应类型及其表达式12’
（2）写出P点各相成分含量，估计其结晶温度8’
（3）
（4）若Q点Sn形成bct(Sn)固溶体，而对其他成分基本不溶，分析其冷却结晶过程。
东北大学材料科学基础晶体结构f12-new
cos
u1u2 v1v2 w1w2
u12 v12 w12 u22 v22 w22
cos
h1h2 k1k2 l1l2
h12 k12 l12 h22 k22 l22
cos
hu kv lw
u2 v2 w2 h2 k 2 l2
2 、 锡 晶 体 具 有 体 心 四 方 点 阵 ， 其 点 阵 常 数 为 a=b=5.8Å， c=3.2Å。求出[201]与[203]晶向间的夹角。
h : k : l (v1w2 v2w1) : (w1u2 w2u1) : (u1v2 u2v1)
O
5、晶面间距：
a h
bk
c l
(hkl)
B
A
P
立方晶系： dhkl
a h2 k2 l2
正交晶系： dhkl
1
h2 a2
k2 b2
l2 c2
六方晶系： dhkl
1
4 3
h2
hk a2
(2
2r 2
2r)(4r)
0.555
[001]
[001]
[100]
[010]
[100]
FCC
最密排面{111} 最密排方向<110>
[010]
体心立方（ Body-Centered Cubic, BCC ）
东北大学材料科学基础2002答案
2002年《材料科学基础》参考答案
1.如图2001年第一题，面ACD 1为（111）面，面ABB 1A 1为（100）面。
（111）：d=a/3； ρ=2/a 2
33 (110)：d=a ； ρ=2/a 2
2.n 1/N=Aexp(-E v /kT 1)---① n 2/N=Aexp(-E v /kT 2)---②
②/①,得 n 2/n 1=exp[E v /k (1/T 1-1/T 2)]=1.03
3.
根据相律，三元系四相平衡时自由度为零，因此三元系中的四相平衡反应是一个不变反应，反应前后的温度及各相的成分不变，三元系中的四相区为一平面，称四相反应平面。
4.(1)bx=-b, by=bz=0, tx=1, ty=tz=0, Mx=-σxxb, My=-σyx, Mz=0, f=σyxb =D k b =D b 22222)()(Y X Y X X +-k 22222)
()(Y h Y h h +-k (2) by=-b, bx=bz=0, ty=1, tx=tz=0, Mx=-σxyb, My=-σyyb , Mz=0, f=-σxyb =-D k b =-D b 22222)()(Y X Y X X +-k 2
2222)()(Y h Y h h +-k 5. 电价键是靠静电的库仑力作用而形成的化学键，其中主要是离子键。
共价键是由两个或多个原子共有若干电子所构成。
金属键是由金属中的自由电子和构成空间点阵的正离子相互作用所形成的。
构成共价键的原子主要是非金属原子，而构成离子键和金属键的原子多以金属原子为主，故通常共价键晶体的密度比其他两种键的晶体密度低。
东北大学材料科学基础名词解释
第一章晶体结构
1、晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排
列所形成的物质。
2、晶体多面体：这种具有规则外形的单晶体称为晶体多面体。
3、对称：就是几何形状中相同部分有规律的重复出现。
4、对称变换（对称操作）：对称形体经一定变换后恢复原状，此种变换称为对称
变换。
5、对称元素：任一对称变换总是要凭借一几何点（点、直线、平面）进行，这些
几何元素称为对称元素。
6、宏观对称：晶体多面体是有限图形，它所具有的对称称为宏观对称。
7、微观对称：原子之间的排列，所具有的对称。
8、非晶体：固体物质的结构基元仅有短程有序的排列，而没有长程有序的排列的
固体物质。
9、单晶体：连续的、均匀的、各向异性的晶体。
10、多晶体：单晶体通过晶界和相界聚合而成的晶体。
11、准晶体：具有5次对称及其它有取向序而无平移序的物质。
12、纳米晶：利用极冷技术可以获得的晶粒尺寸达到微米和纳米的超级晶粒。
13、阵点：是把原子或原子集团按某种规律抽象成一个几何点，这些点称为阵点。
14、空间点阵（晶体点阵）：为了便于研究晶体中的原子、分子的排列情况，近似
将其抽象为规则排列于空间的无数几何点，这些点的周围环境相
同，这些点的空间排列称为空间点阵。
15、同素异形（构）（晶）转变：同一种元素，不同的晶体结构在一定条件下将发生相互转变，称为同素异形转变。
16、晶胞：从晶体中选取一个能够完全反应晶格特征的最小几何单元。
17、晶格：是一个空间点阵用不在同一平面上的三个方向的平行直线束串接起来，构成一空间格架。
18、晶体结构：是指组成晶体的结构基元（分子、原子、离子、原子集团）依靠一定的结合键结合后，在三维空间作有规律的周期性重复排列方式。（晶体结构=空间点阵+结构基元）
东北大学材料科学基础2009答案
2009年《材料科学基础》参考答案
一、名词解释
1.晶格:通过空间点阵的阵点作平行的直线或平面，形成网格，称为格子或晶格
2.Schmid因子:cosΦcosλ
3.如果由于某种原因使密排面的堆垛次序遭到破坏，使整个一层密排面上的原子都发生
了错排，这种缺陷称为层错。
4.金属的实际开始凝固温度了T n总是低于理论凝固温度了T m，这种现象称为过冷、二者
之间的温度差ΔT＝T m -T n称为过冷度。过冷度是金属凝固的必要条件。
5.非共析成分的合金在非平衡结晶条件下得到的共析组织称伪共析。
6.非均匀形核是在非均一的熔体中，以某种界面为依附衬底而形成晶核的过程。其特点
是：依附已有界面形核，所需的驱动力较小。
二、
d=a/3 ρ=2/a2
33
三、析出硬化型合金能在一定温度下发生淬火软化，因为在时效的初期，随时效时间增长，亚稳平衡析出粒子长大，材料强度会增高，时间进一步增长或温度提高，一旦亚稳析出相粒于转变为平衡析出相粒子后，粒子的共格应变就会消失，强化作用显著降低，材料强度降低，而且随时效时间的延长，平衡相粒子粗化，强度将进一步降低。
过饱和固溶体合金易产生时效。
泠变形使过饱和固溶体容易产生时效。
四、多晶材料形变的基本过程与单晶相同，但复杂得多。其复杂性源自晶界以及邻接晶粒的限制作用。换言之，外加应力是通过周围晶粒传输到个别晶粒的，同时一个晶粒的形变必然涉及到各邻接晶粒的形变，多晶材料的强度显然应高于单晶。由此也可推断，细化晶粒必能提高材料的强度与硬度。施于任何给定晶粒的载荷对于每一可能的滑移系都可分解成切应力和正应力。当切应力超过材料的临界切应力时，就会造成位错的产生与运动从而产生材料的塑性变形。：材料变形时，正应力分量会造成每个晶粒都在转动，使运行中的滑移方向愈趋近拉力方向。多晶体金属的变形是各晶粒联合变形的总结果。多晶体金属变形涉及沿滑移面和沿晶界的两种运动，这就更增加了复杂性，因为在正常情况下滑移改变着晶界的方向。
2014东北大学材料学 真题材料科学基础(829)真题 回忆版 [
2014东北大学材料学真题材料科学基础(829)真题回忆版
[这次估计没啥机会了,想想在考场上就抄了一份题在答题卡上,准备明年该继续二战啦
给大家分享一下但是最后一个相图题我没有抄还有倒数第二个算扩散的记不太清了我先写一个望大家在补充吧
一、名词解释
1 小角度晶界 2不全位错 3变形织构 4熟化 5不连续脱溶
二、对于面心立方晶体中，b=a[101]/2,位错线方向为[-1 2 1]的刃位错,试计算当沿[110]方向施加100mpa的拉应力时,单位长度位错线沿滑移和攀移方向所受的力(a=0.40nm) 三、这有一个二元相图铝铜合金图我在网上找的，形状是这样，不过数据不太相同（仅供参考参考），最好还是看看有没有人发真题的图吧。。
问：（1）分析成分为5.6%Cu和5.7%Cu的合金在平衡结晶和快速冷却非平衡结晶时室温组织特点(10分)
(2)设x合金平衡凝固完毕时的组织为α初晶和(α+θ)共晶,其中α初晶占60%,则次合金中刚凝固完毕时θ相的含量是多少?(5分)
(3)绘出温度T=560℃时各相自由能—成分曲线示意图(5分)
(4)指出此二元系中比较适合作变形合金的成分范围
(5)成分为4%Cu的合金经80%冷变形后,分别在550℃和250℃退火一小时,试分析其组织有何不同
四(15分)材料结合键的类型有哪些?结合键的类型和结合键能大小对材料力学性能有何影响
五、这个题也有一个图这个题记不太清了有三问，我只记得一点
题：有一个零件(涡轮?)是Cr-Mo-V合金钢做的，工作温度是565℃，转速3400转/分,运行106000小时候发生断裂,分析失效的可能原因.
东北大学材料科学基础复习重点
第十一章
1、固态相变的分类和特点
2、脱溶析出时相变驱动力和形核驱动力的表示方法和差异
3、弹性应变能和界面如何影响析出相的形状
4、为什么固态相变往往以非均匀形核方式在缺陷处形核
5、新想长大由哪些方式控制？举例说明
6、说明过冷度对扩散型相变和非扩散型相变的力学影响
7、以Al-Cu合金为例说明过饱和固溶体的脱溶析出过程，各阶段
析出相对金属硬度有哪些影响？
8、无析出区是怎样形成的
9、解释Ostwald熟化现象
10、连续脱溶与不连续脱溶有何区别
11、调幅分解和有序-无序转变有何联系
12、扩散在共析相变中的作用
13、比较珠光体相变、马氏体相变和贝氏体相变的主要特征
14、什么是热弹性马氏体什么是形状记忆效应
15、陶瓷材料相变增韧机理是什么
16、温度对贝氏体相变形态有何影响
17、块状转变和马氏体相变有何异同
第九章
1、纯金属均匀形核的必要条件是什么
2、纯金属均匀形核和非均匀形核的热力学条件和动力学影响因素
是什么
3、晶体长大体制有哪几种
4、固溶体合金均匀形核的必要条件是什么
5、固溶体合金非平衡凝固的特点是什么
6、描述平衡凝固和非平衡凝固液相完全混合、完全不混合及半混
合几种条件下的液相及固相成分分布规律
7、液固界面稳定性和固相生长形态取决于什么因素
8、什么是成分过冷？他是怎样产生的？其影响因素是什么
9、常规铸态组织有哪些部分组成？是如何形成的？性能特点如何
10、铸锭组织中有哪些宏观偏析和微观偏析？是如何形成的？
11、细化铸态组织有哪些方法
12、影响共晶组织片间距的固态因素是什么
13、什么是伪共晶和离异共晶
东北大学材料科学基础
固态材料中的扩散虽然比气体和液体中的慢，但 也控制着固态材料中的一些重要物理化学过程。
合金成分均匀化、钢的化学热处理、金属的扩散 焊接等与扩散有关
从浓度变化角度来定义固体中的扩散： 稳态扩散—扩散过程中各点的浓度不随时间改变 非稳态扩散—扩散过程中各点的浓度随时间变化
10.1.2 菲克第二扩散定律及应用
在菲克第一扩散定律的基础上利用扩散物质质量平衡原理
定律表达式
C (D C ) t x x
(10-8)
当D为常数时
三维情况下
C D 2C
t
x 2
(10-9)
C C C C
t
x (Dx
x ) y (Dy
2C x2
x
( dC
d
)
x
1 4Dt
d 2C
d2
将式(10-11)与(10-12)代入式(10-9)
2t
dC
d
D
1 4Dt
d 2C
d2
d 2C 2 dC
d 2
d
(10-11) (10-12)
(10-13)
令P=dC/dβ，则有dP/P=-2 βd β，积分得
由菲克第一定律得到
JA
材料科学基础(东北大学)第六章
金属材料 • 结构材料 陶瓷材料 高分子材料 最重要的性能指标：强度 材料强度按失效的形式可分为屈服强度、 断裂强度、抗拉强度和疲劳强度等。 从性能特点来说，材料总可以分为塑性材 料和脆性材料两大类。
对结构材料，最重要的性能指标是强度和韧性。 * 强 度：材料抵抗变形和断裂的能力； * 韧 性：材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
最佳粒子半径rc=(G· b2)/(2· σs)
6.1.6 复合强化
• 1、长纤维增强原理
可以用混合定则很好地描述和预测复合材料的性能。
Pc=f1p1n+f2p2n+f3p3n+f4p4n+…… Pc ：复合材料的某一性质，如强度，模量，热导率等。 pi ：组成复合材料的基体或增强体的某性质 Fi：体积分数， f1+f2+f3+f4+…=100% n：常数，由实验确定，范围为-1≤n≤1。
相变增韧的贡献
应力pA
粒子尺寸温 度等 P/=ET
(b)
临界转变 裂纹
原始裂纹位置 P/=EU 应变A W
W
应力(PAii)c
不受约束 时作用区
受约束时 作用区
(c)
裂纹
应力
K I / 2r
裂纹
a
转变区表面
K ILocal / 2r
材料科学基础PPT课件
第7页/共52页
材料的分类
按组成和化学键（或基本组成）分类 根据材料的性能分类 按材料服役的领域来分类 按材料结晶状态分类 按材料材料的尺寸分类
第8页/共52页
按组成和化学键（或基本组成）分类：
第12页/共52页
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即普通陶 瓷和特种陶瓷
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷 制品可分为陶器和瓷器
第13页/共52页
特种陶瓷
用于各种现代工业及尖 端科学技术领域的陶瓷 制品
包括结构陶瓷和功能陶 瓷
结构陶瓷主要用于耐磨 损、高强度、耐高温、 高刚性、低膨胀、隔热 等场所
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大 小、晶界的性质有密切的关系。
非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材 料，如玻璃、高分子材料。
第24页/共52页
按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为： 零维材料 一维材料 二维材料 三维材料
第25页/共52页
材料科学的核心——材料观
组成+加工工艺 微观组织结构
性能 用途
第26页/共52页
材料观-组成
公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术
2006年东北大学材料科学基础考研真题(回忆版)【圣才出品】
2006年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）
1．名词解释
晶带上坡扩散不连续脱熔加工硬化伪共晶
2．T＝0K时，金属中的自由电子有没有热振动？为什么？
3．在立方晶体中画出以下晶面和晶向：【112】，【－210】，（102）（11－2）
4．在面心立方晶体中，同一个（111）面上的两个位错a/2[00-1]和a/2[-110]在相互靠近时是否稳定？将发生什么变化？写出位错反应。
5．a,b,c三个相相交与一个三叉结点，a相所张的二面角为82°，b相所张的二面角为110°，ab表面能为0.3J/m2,求ac和bc表面能。
6．分别列出对纯金属和合金可能采取的强化机制。
7．Al-Mn相图如图所示，写出相图中的全部恒温转变反应式及类型。
（图类似于P245图8－31，会这种类型的题目）
8．850摄氏度渗碳与950摄氏度渗碳相比，优点是热处理后产品晶粒细小。
a)计算上述两个温度下碳在r-Fe中的扩散系数，已知D0=2.0*10-5m2/s
Q=140*103J/mol.。
b）850摄氏度渗碳需用多长时间才能获得950摄氏度渗碳5小时的渗层厚度（不同温度下碳在r-Fe中的溶解度的差别可忽略）
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强化机理
不易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反 的A、B相遇抵 消，留下位错环， 位错增殖
位错线绕过 粒子，恢复 原态，继续 向前滑移
裂纹尖端应力场变化，(d)裂纹扩展进入转变区受到残余应力作用
6.2.2 微裂偏转增韧
材料结构中的微裂纹：制成材料从高温冷却过程中因热膨胀失配或相变
都可能会诱发出显微裂纹；裂纹在扩展过程中其尖端区域形成的应
力诱发相变导致的微裂纹。
材料结构中的微裂纹的作用： 当材料受到张应力的作用时 ,
在主裂纹的
尖端形成塑性区 , 在塑性区内 , 原先存在大量的微裂纹发生延伸 ,
强化机理
易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错切割机制
位错切过粒子的示意图
Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过 Ni3Al粒子的透射电子显微像
切过粒子引起强化的机制
短程交互作用
位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能
位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产 生反相畴界能
⑤ ④
2R c
③ ② ① d D
裂纹被第二相粒子钉扎和脱开过程
裂纹弯曲示意图
①Approaching, ②encountering and pinning, ③protruding, ④combining, ⑤divorcing
(a)
(b)
(c)
(d)
200MPa冷等静压成型然后1300℃无压烧结LTA陶瓷复合材料的裂纹扩展路径SEM照片
f
Y ZrO2 1 Al2O3
y
D
2
mc
裂纹
ac
显微裂纹
y
C/2
X
过程区
裂纹尖端过程区的应力分布及第二相粒子诱发微裂纹示意图
6.2.3 复合韧化机制
几种韧化机制相伴而生的韧化机制。如裂纹扩展时，伴随相变 增韧的还有微裂纹萌生、裂纹偏折和弯曲、裂纹分支以及残余 热应力韧化等情况。 几种机制的相互作用使增韧效果变得复杂，有的韧化机制可以 相互叠加，有的却是相消的。一般说来，相变增韧与裂纹偏折 增韧是严格相加的，而相变增韧与微裂纹增韧则是非加性的。 利用第二相粒子韧化陶瓷基体时，经常是几种韧化机制同时 在起作用，要根据具体的情况而定。
6.1 塑性材料的强化机制
增加材料内部的缺陷，提高强度
即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 固溶强化 形变强化 细晶强化 第二相变强化 复合强化
6.1.1 固溶强化
定义 本质
利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化
强化机理
间隙固溶体 碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙 中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应 间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交 互作用，使金属获得强化。
定义 强化机理
晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加 之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易 穿过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
优点 裂纹偏折和弯曲不受温度和粒子尺寸的影响
当裂纹扩展遇到不可穿越障碍物（impenetrable）时，有两种并存的主要扰动作 用，即裂纹偏折和裂纹弯曲。 裂纹偏折产生非平面裂纹，而裂纹弯曲产生非线形裂纹前沿。
裂纹偏折
裂纹偏折过程可以看作分两步进行
（1）首先是裂纹尖端的倾斜（tilt），产生裂纹偏转（图a）； （2）随后由于裂纹前沿的不同部分向不同方向倾斜，进一步的裂纹扩展 将导致裂纹面的扭曲（twist），产生非平面裂纹（图b）。
相变增韧的贡献
应力pA
粒子尺寸温 度等 P/=ET
(b)
临界转变 裂纹
原始裂纹位置 P/=EU 应变A W
W
应力(PAii)c
不受约束 时作用区
受约束时 作用区
(c)
裂纹
应力
K I / 2r
裂纹
a
转变区表面
K ILocal / 2r
与裂纹尖端距离r
(a)
(d)
(a)裂纹尖端应力场引起的转变区，(b)典型马氏体相变应力应变行为，(c)
不利方面
金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的 冷加工需要消耗更多的功率 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
限制
使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性 能
6.1.3 细晶强化
霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式
σy ＝ σi＋ky· d-1/2
Baidu Nhomakorabeaσi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径
常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm） 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，
在纳米晶粒，晶界核心
区原子所占的比例可高 达50% 理论模拟的结果显示存 在一个临界尺寸dc
第六章 材料的强化与增韧
金属材料 • 结构材料 陶瓷材料 高分子材料 最重要的性能指标：强度 材料强度按失效的形式可分为屈服强度、 断裂强度、抗拉强度和疲劳强度等。 从性能特点来说，材料总可以分为塑性材 料和脆性材料两大类。
对结构材料，最重要的性能指标是强度和韧性。 * 强 度：材料抵抗变形和断裂的能力； * 韧 性：材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的 派-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
长程交互作用（作用距离大于10b）
由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同）， 导致共格界面失配，从而造成应力场
第二相粒子强化的最佳粒子半径
• 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的
1/ 2
式中E1为主裂纹尖端含有微裂纹材料的弹性模量，fs为显微裂纹密 度，W为过程区宽度的一半，为显微裂纹引起的膨胀应变。
微裂纹增韧同样对温度和粒子尺寸很敏感，合适的颗粒尺寸是大于应力诱 发相变的临界尺寸而小于自发产生危险裂纹的临界尺寸，并且应减小 基质与粒子间的热失配，使其产生最大的相变张应力。 微裂纹的密度大到一定程度后，就会使裂纹相互连接，形成大裂纹，反而 使韧性下降。
Al2O3 A
LiTaO3
0.2m
LiTaO3颗粒内裂纹发生大角度偏转的TEM照片
Domain Crack
LiTaO3 Particle
激发相变外力 所付出的能量
四方和单斜氧 化锆间的化学 自由能差
相变弹性应 变能的变化 相变阻力
相变动力
四方相t-ZrO2 能否向单斜相m-ZrO2 发生转变， 取决于转化后的系统自由能是否下降。
G Gchem UT U a 0
Gchem UT U a
应力诱发t-m相变的增韧公式
替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球 面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小
6.1.2 形变强化（加工硬化）
定义 强化机理
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应 力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位
错的运动越来越困难—位错强化
作用
提高材料的强度
使变形更均匀
防止材料偶然过载引起破坏
提高材料的强度和韧性，可以节约材料、降低 成本、增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿 命，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。
所以人们在利用材料的力学性能时，总希望材 料既具有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材 料往往二者不可兼得。 理解材料的强化和韧化机理，以提高材料的强度 和韧性。
6.2.4 钝化裂纹增韧
颗粒、纤维晶须增 韧、自增韧原理
上图中，由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加了 裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。
裂纹偏折和弯曲增韧机制是指基体中第二弥散相的存在会扰动裂纹 尖端附近应力场，使裂纹产生偏折和弯曲，从而减小了驱动力，增 加了新生表面区域，提高了韧性。
6.2 脆性材料的增韧机制
相变增韧 微裂偏转增韧 复合增韧 钝化裂纹
6.2.1 相变增韧
而相变颗粒的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变, 使裂纹停止延伸 , 以致需要更大的能量才使主裂纹扩展。 即在裂纹尖端应力场的作用下, ZrO2 粒子发生四方相单斜相的相变而 吸收了能量, 外力做了功, 从而提高了断裂韧性。 另外，相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。
K IC
式中
0 K IC
2 REV i ( G U sef ) 0 2 ( K IC ) 2 1
C
1/ 2
为无相变基体材料的断裂韧性，
GC 为化学驱动力，
U sef 为残留相应变能。
R 为相变区宽度， E 为弹性模量， 为波松比， Vi 为可转变t相的体积分数，
y
z x
A
A
A
1
A
(a)
(b)
裂纹偏折示意图 (a)裂纹倾斜，(b)裂纹扭转
裂纹偏折增韧的效果依赖于第二相粒子的体积分数和形状，特别是第 二相粒子的纵横比（R）。纵横比为121时棒状粒子的增韧效果为佳， 并在10%体积分数时达到饱和。
裂纹弯曲
裂纹端与细分散第二相粒子间的相互作用，弥散分布的第二相有钉 扎裂纹端的作用，使裂纹前端在两粒子间向外突出弯曲。裂纹前端 形状的改变、长度的增加以及新裂纹表面的形成都消耗了能量。 弥散颗粒含量大、平均间距小且颗粒半径较大时，微裂纹弯曲增韧作 用较大。
如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹
的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。
ZrO2 颗粒弥散在其他陶瓷 ( 包括 ZrO2 本身 ) 基体中，由于两者具有不同
的热膨胀系数，烧结完成后，在冷却过程中，ZrO2颗粒周围则有不同的
受力情况，当它受到压抑，四方相ZrO2（t-ZrO2）的相变也将受到压抑。 使得瓷体中部分t- ZrO2 在烧成冷却过程中以亚稳态保存下来。 在室温时, ZrO2 颗粒仍以四方相存在, 它有一种力图膨胀而变成单斜相 的自发倾向； 当外力作用时, 陶瓷的内应力可使四方相的ZrO2粒子解除约束,发生四方 相ZrO2( t- ZrO2) 转变成单斜相( m- ZrO2) 的马氏体相变, 引起体积膨胀。
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间
反Hall-Petch效应
分类
6.1.4-6.1.5 第二相粒子强化
通过相变（热处理）获得
析出硬化、沉淀强化或时效强化
通过粉末烧结或内氧化获得
弥散强化
强化效果
相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响 第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
• 增强体的高强，高摸提高了复合材料的强度和
•
模量，是增强的主要原因。 另外复合效应，即受力时纤维和基体的变形互 相牵制，使纤维和基体都得到强化也是强化原 理。
• 2、短纤维和晶须增强复合材料 • 增强效果不如连续纤维增强复合材料，但成本
低，各向异性程度小。 • 增强原理：受力时，基体和纤维由于紧密结合， 纤维限制基体的变形，在界面产生剪应力，通 过剪应力将复合材料承受的载荷分配在纤维和 基体上，纤维受到比基体更大的拉应力。
增加许多新的裂纹表面 , 吸收大量的弹性应变能, 从而引起材料断
裂韧性的增加。在张应力作用下, 延伸后形成的较大微裂纹将与主 裂纹汇合, 导致主裂纹的扩展路径发生扭曲和分叉 , 增加裂纹的扩 展路径, 吸收更多的弹性应变能, 从而导致材料断裂韧性的进一步 提高。
微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为
K ICM 0.25E1 f sW
最佳粒子半径rc=(G· b2)/(2· σs)
6.1.6 复合强化
• 1、长纤维增强原理
可以用混合定则很好地描述和预测复合材料的性能。
Pc=f1p1n+f2p2n+f3p3n+f4p4n+…… Pc ：复合材料的某一性质，如强度，模量，热导率等。 pi ：组成复合材料的基体或增强体的某性质 Fi：体积分数， f1+f2+f3+f4+…=100% n：常数，由实验确定，范围为-1≤n≤1。