材料科学基础重点总结 5材料的强化途径
材料强化机制
材料强化机制材料强化是指通过添加一定的元素或者处理方式，使材料的性能得到提升的过程。
在材料科学领域，强化机制是一个非常重要的研究课题，因为不同的强化机制会对材料的性能产生显著影响。
本文将介绍几种常见的材料强化机制，以及它们在材料科学中的应用。
第一种强化机制是固溶强化。
固溶强化是指通过溶解一定的合金元素，将其溶解在基体晶格中，从而改变基体的晶体结构和原子间的相互作用，从而提高材料的硬度和强度。
这种强化机制常用于金属材料中，例如铝合金和钛合金。
第二种强化机制是析出强化。
析出强化是指在合金材料中，通过控制合金元素的析出过程，形成一定的析出相，从而阻碍位错的移动，提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常用于高强度钢和铝合金中。
第三种强化机制是位错强化。
位错强化是指通过在材料晶格中引入位错，从而增加位错的密度，阻碍位错的移动，提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常用于金属材料和陶瓷材料中。
第四种强化机制是晶界强化。
晶界强化是指通过控制材料的晶界结构和晶界能，从而阻碍位错的移动，提高材料的强度和韧性。
这种强化机制常用于金属材料和陶瓷材料中。
除了以上几种常见的强化机制外，还有许多其他的强化机制，例如纳米颗粒强化、纤维增强等。
这些强化机制在材料科学中有着广泛的应用，可以帮助材料科学家设计出更加优良的材料，满足不同工程领域的需求。
总的来说，材料强化机制是材料科学中的重要课题，通过深入研究不同的强化机制，可以帮助我们更好地理解材料的性能和行为，为材料的设计和应用提供理论基础和技术支持。
希望本文对材料强化机制有所帮助，谢谢阅读。
《材料科学基础》复习大纲(08级)
《材料科学基础》总结及重点第一章 材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、分子键（范德华力）、氢键的特点，并解释材料的一些性能特点。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
用金属键的特征解释金属材料的性能—①良好的延展性；②良好的导电、导热性；③具有金属光泽。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章重要知识点： 1. 金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
第二章 固体结构1、晶体与非晶体（在原子排列上的区别）2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七大晶系及各自的特点，布拉菲点阵（14种） 、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶面指数、晶面族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变） 。
（1）指数相同的晶向.和晶面必然垂直。
如[111]⊥（111）（2）当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl ）时，则必然满足晶带定理：h ·w+k ·v+l ·w =04、能绘出三维的体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）；即：bcc 、fcc 、hcp 的晶格特征及变形能力（结合塑性变形一章的内容你必须知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数）。
给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶面指数的一些规律。
求晶面间距d （hkl ）、晶面夹角。
5、晶面间距：d （hkl ） 的求法：（1）立方晶系：222)(l k h ad hkl ++= （2）正交晶系：222)(1⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl （3）六方晶系：2222)()(341⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=c l a k hk h d hkl （4）四方晶系：2222)()/(/)(1c l a k h d hkl ++=以上公式仅适用于简单晶胞，复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
金属材料强化方法
金属材料强化方法金属材料的强化是指通过制造工艺、合金化、热处理等手段，使金属材料的力学性能显著提高的方法。
金属材料的强化可以分为几种方式，包括晶粒细化、位错增多、相变强化、析出相强化等。
下面将详细介绍这几种金属材料强化方法。
首先，晶粒细化是金属材料强化中最常用的方法之一。
通过减小材料的晶粒尺寸，可以显著提高材料的强度和硬度。
晶粒细化可以通过加热和快速冷却等热处理工艺实现，例如快速冷却可以使晶粒尺寸减小，从而提高材料的力学性能。
其次，位错增多也是一种重要的金属材料强化方法。
位错是金属材料中的一种缺陷，位错的增多会增加材料的强度和硬度。
而通过冷变形等加工工艺，可以在材料中引入更多的位错，从而实现强化。
此外，相变强化也可以在金属材料中实现强化。
相变是指材料中的晶体结构由一种类型转变为另一种类型的过程。
不同晶体结构具有不同的力学性能，通过控制相变可以实现材料的强化。
例如，淬火是一种常用的相变强化方法，它可以通过快速冷却使材料的晶体结构发生变化，从而提高材料的强度和硬度。
最后，析出相强化也是一种常用的金属材料强化方法。
析出相是指在合金中形成的一种新的晶体结构，其在晶界和位错附近起到了强化的作用。
通过调整材料中的合金元素含量和热处理工艺，可以促使析出相的形成，从而实现材料的强化。
例如，通过添加适量的合金元素，可以在金属材料中形成均匀分布的析出相，从而提高材料的强度和硬度。
总结起来，金属材料的强化可以通过晶粒细化、位错增多、相变强化和析出相强化等方法实现。
这些方法在工程实践中得到了广泛的应用，可以显著提高金属材料的力学性能，满足不同工程需求。
此外，不同的强化方法可以组合应用，以进一步提高金属材料的性能。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，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，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
材料强化机制
材料强化机制材料强化是指通过添加其他物质或改变原材料的结构，使材料的性能得到提升的过程。
在材料科学领域中，强化机制是一个非常重要的研究课题，能够帮助我们更好地理解材料的性能和行为，从而设计出更加优秀的材料。
本文将从几种常见的强化机制入手，介绍材料强化的原理和方法。
首先，我们来谈谈固溶强化。
固溶强化是指通过溶质原子溶解在基体晶格中，改变晶格参数和原子间距，从而提高材料的硬度和强度。
固溶强化的原理是溶质原子的尺寸不同于基体原子，导致晶格畸变，增加了位错的运动阻力，从而提高了材料的强度。
这种强化机制在合金材料中应用广泛，例如钢铁中的碳固溶强化和铝合金中的镁固溶强化等。
其次，我们来看看析出强化。
析出强化是指在固溶体中析出出一种稳定的固溶相，通过限制位错的移动来增强材料的性能。
在固溶体中，当固溶度超过了固溶极限时，就会发生析出现象，形成一些小的析出相，这些析出相能够有效地阻碍位错的移动，从而提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常常应用于合金材料和金属陶瓷材料中。
另外，还有纳米颗粒强化。
纳米颗粒强化是指在材料的基体中分散添加一些纳米颗粒，这些纳米颗粒能够有效地阻碍位错的移动，从而提高材料的强度。
纳米颗粒的尺寸很小，能够有效地阻止位错的移动，同时由于颗粒的尺寸小，还能够提高材料的塑性。
这种强化机制在金属材料和陶瓷材料中有着广泛的应用。
最后，我们来讨论纤维增强复合材料的强化机制。
纤维增强复合材料是指在基体材料中添加一定比例的纤维增强相，通过纤维增强相的强度和刚度来提高整体材料的性能。
纤维增强复合材料的强化机制是通过纤维与基体之间的力学结合来实现的，纤维能够吸收和传递应力，从而提高了材料的强度和韧性。
总的来说，材料强化机制是一个非常重要的研究领域，通过对材料的强化机制进行深入的研究，能够帮助我们设计出更加优秀的材料，满足不同工程领域的需求。
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金属材料强化的途径
应变
许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变 形都属于弹性变形； 几乎没有塑性变形， l1 l0 100 %
l0 这些材料的冲击功很小；
应用受到极大的限制（如陶瓷Al2O3、ZrO2、Si3N4 等）。
2、金属材料的应力与应变关系
它在断裂前通常有大量塑性变形；
实验证明：这种变形是晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面与晶向的相对滑动。
τ
a.表示两个相邻的滑 移面受切应力作用
τ
b.表示滑移的一个过 渡态（或亚稳态）
c.表示经过b.态到达 另一个稳定态
3、晶体屈服强度的估算
假定晶体的滑移是刚性（整体）的，根据塑性变 形是由某些晶面相对滑动的事实，可以估算出晶体 的屈服强度：
晶体从一稳定状态a，经过亚稳状态b，到达另一 稳定状态c，这样一个滑动的结果使晶面相对滑动了 一个原子距离;
溶质原子在固溶体中的分布是不均匀的
1）实验现象（如屈服现象）用溶质原子均匀分布
模型无法解释；
2）溶质原子B加入溶剂中，由 A---A
εaa
于两种原子之间的键合力与 A---B
εab
相互之间的键合力不一样，
就会产生局部偏聚和有序的 B---B
εbb
现象。
3）实际晶体中存在着大量点阵缺陷、晶界和亚晶界、 层错、位错等。这些缺陷影响所及的区域都是高能 区域，为了降低系统的能量，溶质原子有可能优先 分布在点阵缺陷的附近，形成晶界的内吸附和位错 周围的原子气团。
为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种 种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
强化金属材料的思路 1）点阵阻力：
移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡 位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运 动时所受的摩擦阻力； 2）点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键 合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高， 所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构 成了位错运动的主要障碍； 3）对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不 足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力 时可以把这个因素忽略的；
材料的强化
材料的强化材料的强化是指通过不同的方法和技术，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能等特性，以满足不同工程领域对材料性能的要求。
一种常见的材料强化方法是热处理。
热处理能够使材料的晶粒细化、晶界清晰，从而提高材料的强度和韧性。
通过加热材料至一定温度，保温一段时间后再进行冷却，可以使材料内部发生相变，使晶粒尺寸减小，从而提高材料的强度。
此外，热处理还可以改变材料的组织结构，增加材料晶界的清晰度，从而提高材料的韧性和抗疲劳性能。
另一种常见的材料强化方法是加工变形。
通过塑性变形可以使材料的晶粒产生形变和畸变，从而增加材料的位错密度，使晶界产生位错和畸变，从而提高材料的强度。
加工变形包括冷加工和热加工两种方式。
冷加工是指在室温下进行塑性变形，可以产生较高的强度和硬度；热加工是指在高温下进行塑性变形，可以使材料的晶粒再结晶，从而提高材料的韧性和可塑性。
此外，还有其他的材料强化方法，如表面强化、合金强化、纳米材料强化等。
表面强化是指通过表面处理技术，使材料表面形成一层高硬度、高耐磨的薄膜，从而提高材料的耐磨损性能和抗腐蚀能力。
合金强化是指将不同成分的材料进行混合，通过固溶、沉淀等相变方式，改变材料的力学性能和物理性能。
纳米材料强化是指通过制备纳米级的材料，使材料的晶粒尺寸缩小到纳米级别，从而提高材料的硬度和强度。
综上所述，通过热处理、加工变形、表面强化、合金强化、纳米材料等各种方法和技术，可以对材料进行强化处理，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能，满足不同工程应用领域对材料性能的要求。
材料的强化在工程实践中具有重要意义，可以提高材料的使用寿命、降低成本、提高安全性，推动材料科学的发展进步。
同济材料科学基础6页
重点一、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，材料的强度、硬度升高，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，给继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、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbG ρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
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，使金属均匀变形，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；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出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，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，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，固溶体的强度硬度升高，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。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③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；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
材料科学基础第五章
晶体的滑移过程不仅没有降低位错数量，反而大 大增加，这意味着，在变形过程中位错以某种机制 增殖了。 （1）Frank－Read 位错源 （Frank－Read Source）
由弗兰克－瑞德源提出的一种位错增殖机制
F-R源动作过程 材料科学基础第五章
刃位错AB的两端A和B被位错用结点钉扎住
塑性变形
外形尺寸变化
内部组织、性能变化
材料科学基础第五章
※ 1. 弹性和粘弹性(Elasticity and Viscoelasticity)
一. 弹性变形(Elastic Deformation)
二. 低碳钢的拉伸试验
三. 弹性变形: 可逆性
四.
外力去处后可完全恢复
五.
材料科学基础第五章
本质:可从原子间结合力的 角度来了解之
材料科学基础第五章
转动的原因 两对力偶：
s1 -s2
为上下两滑移面的法向分应力
在该力偶作用下，使滑移面转至轴 向平行
t1-t2 垂直于滑移方向的分切应力
在该力偶作用下，使滑移方向转到最大 分切应力方向
t1 -t2 是//滑移方向的真正引起滑
移的有效分切应力
材料科学基础第五章
晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化 分切应力值变化
几何 硬 化现象 软
5. 多系滑移 Multiple slip
外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且te tc的滑 移系－原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴 随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利（硬取向） 滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑 移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称 为多系滑移。
材料科学基础重点知识
第5章 纯金属的凝固1、金属结晶的必要条件：过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差；结构起伏-大小不一的近程有序排列的此起彼伏；能量起伏-温度不变时原子的平均能量一定，但原子的热振动能量高低起伏的现象；成分起伏-材料内微区中因原子的热运动引起瞬时偏离熔液的平均成分，出现此起彼伏的现象。
结晶过程：形核和长大过程交替重叠在一起进行2、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。
从热力学看，没有过冷度结晶就没有趋动力。
根据T R k ∆∝1可知当过冷度T ∆=0时临界晶核半径R *为无穷大，临界形核功（21T G ∆∝∆）也为无穷大，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。
孕育期：过冷至实际结晶温度，晶核并未立即产生，结晶开始前的这段停留时间3、均匀形核和非均匀形核均匀形核：以液态金属本身具有的能够稳定存在的晶胚为结晶核心直接成核的过程。
非均匀形核：液态金属原子依附于固态杂质颗粒上形核的方式。
临界晶核半径：ΔG 达到最大值时的晶核半径r *=-2γ/ΔGv 物理意义：r<rc 时， ΔGs 占优势，故ΔG>0，晶核不能自动形成。
r>rc 时， ΔGv 占优势，故ΔG<0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长。
临界形核功：ΔGv *=16πγ3/3ΔGv 3 形核率：在单位时间单位体积母相中形成的晶核数目。
受形核功因子和原子扩散机率因子控制。
4、正的温度梯度：靠近型壁处温度最低，凝固最早发生，越靠近熔液中心温度越高。
在凝固结晶前沿的过冷度随离界面距离的增加而减小。
纯金属结晶平面生长。
负的温度梯度：过冷度随离界面距离的增加而增加。
纯金属结晶树枝状生长。
5、光滑界面即小平面界面：液固两相截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面，微观上看界面光滑，宏观上看由不同位向的小平面组成故呈折线状的界面。
粗糙界面即非小平面界面：固液两相间界面微观上看高低不平，存在很薄的过渡层，故从宏观上看界面反而平直，不出现曲折小平面的界面。
第5章 金属材料强化的途径
的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出；
5、流变应力
流变应力的组成 对流变应力有贡献的阻力主要是两类： 1）抑制位错源开动的应力，称之源硬化。 2）前面谈到的阻力是位错开始运动之后才起作用的，对位
错的运动起着妨碍的作用，称为摩擦阻力。
提高流变应力的方法 为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种种努力不 外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
第二节 形变强化
举例2：下图为冷变形对工业纯铜性能的影响，随变形量增 大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。
σs
工 程 应 力
σs
工 程 力 学
强度提高 Δ σs
纯铜材料（Cu)
工程应变
工程应变
第二节 形变强化
上述的现象说明形变可以强化金属。 金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量 很大时，晶粒难以分辨。
第三节 固溶强化
（5）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体， 在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。 引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作 为代价的。
5、流变应力
(2) 其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中 d 应变硬化速率 d 和塑性变形量 f l 来决定。所以，在断 裂前的最大强度大致可按下式计算：
max l
f
l
d ( )d d
工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件
第二节 形变强化
形变强化是金属材料强化常用的方法。
适用对象是不再经受热处理并且使用温度远低于再结 晶温度的金属材料；
塑性变形对金属物理、化学性能的影响： 经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性能也将发生明显 的变化。通常使金属的导电性、电阻温度系数和导热性下降。 塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但矫顽力增加。塑性变 形提高金属的内能，使化学活性提高，耐腐蚀性下降。
第三版胡赓祥材料科学基础的知识点总结及课后答案
第三版胡赓祥材料科学基础的知识点总结及课后答案第一章材料科学基础概念知识点总结1. 材料的定义与分类：材料是制造各种结构和器件的物质基础，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。
2. 材料的性能：包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等，是评价材料性能好坏的重要指标。
3. 晶体结构：晶体是由原子、离子或分子按照一定的空间点阵排列成的周期性结构，常见的晶体结构有金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。
4. 材料的制备方法：包括合成、加工、处理等，如熔炼、铸造、轧制、挤压、拉伸、热处理、腐蚀等。
5. 材料的设计与性能调控：根据材料的使用性能要求，进行结构、组成和制备工艺的设计，以实现性能的优化。
课后答案1. 材料是什么？请举例说明。
答案：材料是制造各种结构和器件的物质基础，如钢铁、水泥、塑料、玻璃等。
2. 材料的性能有哪些？它们对材料的用途有何影响？答案：材料的性能包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等，不同的性能影响材料在不同领域的应用。
例如，塑料的具有良好的柔韧性和耐腐蚀性，广泛应用于包装、建筑等领域；金属材料具有良好的导电性和导热性，广泛应用于电子、能源等领域。
3. 晶体结构有哪些类型？请简要介绍。
答案：晶体结构有金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等类型。
金属晶体是由金属原子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的强度和韧性；离子晶体是由正负离子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的熔点和硬度；共价晶体是由共价键连接的原子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的硬度和脆性；分子晶体是由分子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较低的熔点和脆性。
4. 材料的制备方法有哪些？它们对材料性能有何影响？答案：材料的制备方法包括合成、加工、处理等，如熔炼、铸造、轧制、挤压、拉伸、热处理、腐蚀等。
不同的制备方法对材料的性能有不同的影响。
例如，熔炼法制备的金属材料具有较高的纯度和均匀性；热处理工艺可以改变金属材料的组织结构和性能，如提高硬度和强度等。
金属材料学-第五章 金属材料的强化方法
第五章金属材料的强化方法一、金属材料的基本强化途径许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。
而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。
它在断裂前通常有大量塑性变形。
它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。
但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。
如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。
如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。
各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。
这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。
位错是实际晶体中存在的真实缺陷。
现已可以直接观察到位错。
图5-2 位错结构图5-3 位错参与的滑移过程位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。
由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。
由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。
现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。
这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。
由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。
事实并不是这样。
如图5-4所示。
图5-4 强度和位错与其它畸变可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。
这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。
金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。
吉林大学,考研,材料科学金属材料的强化方法
1固溶强化纯金属由于强度低 ,很少用作结构材料,在工业上合金的应用远比纯金属广泛。
合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。
形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变 ,但晶体结构的基本类型不变。
固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体 ;按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体;按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。
绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。
替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。
间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。
纯金属一旦加入合金组元变为固溶体, 其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的 , 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大 ,从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后,不仅使晶格发生畸变,同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用,使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷 , 使位错线弯曲 , 从而使位错滑移的阻力增大。
在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用 , 也是固溶强化的原因之一。
固溶强化遵循下列规律 : 第一 , 对同一合金系 , 固溶体浓度越大 , 则强化效果越好。
表1 列出了几种普通黄铜的强度值 , 它们的显微组织都是单相固溶体 , 但含锌量不同 , 强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时 , 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素 , 例如在铝合金中加入铜、镁 ; 在镁合金中加入铝、锌 ; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍 ; 在钛合金中加入铝、钒等。
材料科学基础重点知识
第5章纯金属的凝固1、金属结晶的必要条件：过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差；结构起伏-大小不一的近程有序排列的此起彼伏；能量起伏-温度不变时原子的平均能量一定，但原子的热振动能量高低起伏的现象；成分起伏-材料内微区中因原子的热运动引起瞬时偏离熔液的平均成分，出现此起彼伏的现象。
结晶过程：形核和长大过程交替重叠在一起进行2、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。
从热力学看，没有过冷度结晶就没有趋动力。
根据R k 1T可知当过冷度T=0时临界晶核半径R为无穷大，临界形核功（G 1T2）也为无穷大，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。
孕育期：过冷至实际结晶温度，晶核并未立即产生，结晶开始前的这段停留时间3、均匀形核和非均匀形核均匀形核：以液态金属本身具有的能够稳定存在的晶胚为结晶核心直接成核的过程。
非均匀形核：液态金属原子依附于固态杂质颗粒上形核的方式。
临界晶核半径:△ G达到最大值时的晶核半径r*=-2 丫/ △ Gv物理意义：r<rc时，△ Gs占优势，故△ G>0晶核不能自动形成。
r>rc时，△ Gv占优势，故△ G<0晶核可以自动形成，并可以稳定生长。
临界形核功：△ GV=16ny 3/3 △ Gv形核率：在单位时间单位体积母相中形成的晶核数目。
受形核功因子和原子扩散机率因子控制。
4、正的温度梯度:靠近型壁处温度最低，凝固最早发生，越靠近熔液中心温度越高。
在凝固结晶前沿的过冷度随离界面距离的增加而减小。
纯金属结晶平面生长。
负的温度梯度：过冷度随离界面距离的增加而增加。
纯金属结晶树枝状生长。
5、光滑界面即小平面界面:液固两相截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面，微观上看界面光滑，宏观上看由不同位向的小平面组成故呈折线状的界面。
粗糙界面即非小平面界面：固液两相间界面微观上看高低不平，存在很薄的过渡层，故从宏观上看界面反而平直，不出现曲折小平面的界面。
材料的强化
1. 材料强化的类型：主要有晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀强化和弥散强化、相变强化等。
2. 强化机制：(1) 晶界强化：晶界分为大角度晶界(位向差大于10o)和小角度晶界(亚晶界，位向差1~2o)。
晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。
晶界处位错密度较大，对金属滑移(塑性变形)、位错运动起阻碍作用，即晶界处对塑性变形的抗力较晶内为大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也困难。
因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈服强度也越高。
方法：根据晶界强化的原理，在热处理工艺方法上发展了采用超细化热处理的新工艺，即细化奥氏体(A)晶粒或碳化物相，使晶粒度细化到十级以上。
由于超细化作用，使晶界面积增大，从而对金属塑性变形的抗力增加，反映在力学性能方面其金属强韧性大大提高。
如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热处理新技术方法有以下三种。
①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理。
由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提高，在10-2~1s 的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A)状态，此时A 的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达104℃/s 以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一般高频淬火比较硬度可高出Hv50，而变形只有高频淬火的1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。
②利用奥氏体(A)的逆转变钢件加热到 A 后，淬火成M，然后快速(20s)内重新加热到 A 状态，如此反复3~4 次，晶粒可细化到13~14级。
③采用A-F两相区交替加淬火采用亚温淬火(F+A 双相区加热)，在提高材料强韧性的同时显著降低临界脆化温度，抑制回火脆性。
在A-F两相区交替加热，可使A/F相界面积大大增加，因而使奥氏体形核率大大增多，晶粒也就越细化。
(2) 固溶强化：是利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
金属材料的四种强化方式最全总结
金属材料的四种强化方式最全总结固溶强化1. 定义合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
2. 原理溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
3. 影响因素溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
4. 固溶强化的程度主要取决于以下因素基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。
尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
合金元素的量。
加入的合金元素越多，强化效果越大。
如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。
这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。
间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
5. 效果屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；大部分情况下，延展性低于纯金属；导电性比纯金属低很多；抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。
加工硬化1. 定义随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。
2. 简介金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。
又称冷作硬化。
产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。
材料科学基础重点总结5材料的强化途径
材料科学基础重点总结5材料的强化途径材料的强化强韧化意义希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得。
提高材料的强度和韧性，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提高金属材料强度途径强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高强度可通过以下两种途径： 1 完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度 2 大量增加材料内部的缺陷，提高强度增加材料内部缺陷，提高强度，即在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动四种强化方式：固溶强化细晶强化形变强化（加工硬化) 第二相粒子强化实际上，金属材料的强化常常是多种强化方式共同作用的结果。
材料强度缺陷数量冷加工状态退火状态无缺陷的理论强度材料强度与缺陷数量的关系固溶强化：当溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体时，使材料强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。
强化本质：利用点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使金属基体获得强化强化机理：1溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上的运动的位错有阻碍作用；2位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。
影响因素不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别，影响因素主要有：1 溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。
2溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
3间隙溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。
4溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
固溶强化效果与溶质原子的质量分数成正比关系。
大多数溶质原子在室温的溶解度比较小，为了提高固溶度从而提高固溶强化的效果，可以将其加热到较高温度，经过保温后快速冷却到室温，使溶质原子来不及析出而得到过饱和固溶体，这就是固溶处理。
经过固溶处理后还可以经过时效处理进一步提高其强度。
对过饱和固溶体在适当温度下进行加热保温，析出第二相，使强度硬度升高的热处理工艺称为时效。
时效硬化的本质是从过饱和固溶体中析出弥散第二相，属于第二相强化途径。
金属材料强化的途径
4）除点阵阻力外，金属材料中位错运动阻力是随 组织的变化而大幅度变化的。一切合金化、加工和 热处理所引起的流变应力的提高主要是依靠对组织 敏感的阻力的变化来实现的。 提高金属材料强度的方法是阻止金属晶体中位错 的运动 1）在工业上尚不能制得大尺寸的、接近于理论强 度的、无缺陷完整晶体；只能制晶须，但它性能不 稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降。 2）设法改变合金的键合类型，从而提高金属晶体 内的点阵阻力，使位错的运动增加困难；（没有采 用）
举例：使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值） 为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。
各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～ 4个数量级；
这两者的巨大差异，不能否定晶体滑移的事实 （因为是实验结果！）；
迫使人们去探求晶体滑移的微观机理问题，即金 属晶体滑移的机理是什么？？？；
20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了 这种差异。
TEM下观察到的位错
位错模型
正刃型位错引起滑移 刃型位错线 负刃型位错引起滑移
左螺型位错引起滑移 螺型位错线 右螺型位错引起滑移
4、金属中位错数量与强度的关系
由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少， 则其强度愈高；
举例：现在已经能制造出位错数量极少的金属 晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的 直径在1μm数量级，称之为晶须。
亚稳状态b时，两晶面的相对切应变γ=a/2a=1/2;
当所加切应力使两晶面切应变到达此值后，晶面 就能自动地滑到最终的稳定态。
根据虎克定律，要发生γ=1/2切应变所需的切应力τ为：
τ =Gγ=G/2
如果把晶面能发生相对滑动的最小切应力作为屈服 强度的估算，那么屈服强度大约为切变模量的一半。
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材料的强化
强韧化意义
希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得。
提高材料的强度和韧性，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
提高金属材料强度途径
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高强度可通过以下两种途径： 1 完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度 2 大量增加材料内部的缺陷，提高强度
增加材料内部缺陷，提高强度，即在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动
四种强化方式： 固溶强化 细晶强化
形变强化（加工硬化) 第二相粒子强化
实际上，金属材料的强化常常是多种强化方式共同作用的结果。
材料强度
缺陷数量
冷加工状态
退火状态
无缺陷的理论强度
材料强度与缺陷数量的关系
固溶强化：当溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体时，使材料强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。
强化本质：利用点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使金属基体获得强化
强化机理：1溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上的运动的位错有阻碍作用；2位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。
影响因素
不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别，影响因素主要有：
1 溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。
2溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
3间隙溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。
4溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
固溶强化效果与溶质原子的质量分数成正比关系。
大多数溶质原子在室温的溶解度比较小，为了提高固溶度从而提高固溶强化的效果，可以将其加热到较高温度，经过保温后快速冷却到室温，使溶质原子来不及析出而得到过饱和固溶体，这就是固溶处理。
经过固溶处理后还可以经过时效处理进一步提高其强度。
对过饱和固溶体在适当温度下进行加热保温，析出第二相，使强度硬度升高的热处理工艺称为时效。
时效硬化的本质是从过饱和固溶体中析出弥散第二相，属于第二相强化途径。
固溶和时效广泛用于有色金属的强化，如铜合金，铝合金，镁合金，钛合金等。
定义 — 用细化晶粒的方法提高材料强度的方法称为细晶强化。
细晶强化最显著的特点： 不仅可以提高材料的强度硬度，也可以提高塑性韧性。
强化机理
晶粒越细，阻碍滑移的晶界便越多(或晶界面积越大)，变形过程中晶界处位错塞积数目越多，对位错运动的阻碍越大，强度也就越高。
一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒，从而具有良好的综合力学性能。
大多数金属的屈服极限和晶粒度符合Hall-Petch 公式：
σy ＝ σi ＋ky ·2
1
d
σi 和ky 是两个和材料有关的常数，d 为晶粒直径
三．形变强化（加工硬化）
定义
金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。
这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。
强化机理：
金属发生塑性变形时，位错密度大量增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，使位错运动的阻力增大，引起塑性变形抗力提高。
另一方面由于亚晶界的增多，使强度得以提高。
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
加工硬化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工而不致裂开。
四．第二相粒子强化
分类
通过相变（热处理）获得—析出硬化、沉淀强化或时效强化
通过粉末冶金法（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
强化机理（第二相质点的存在阻碍基体中的位错运动）
第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级的块状分布（聚合型）：一般认为，块状第二相阻碍滑移使基体产生不均匀塑性变形，由于局部塑性变形约束而导致强化。
第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中（弥散型）：
可将第二相粒子分为不可变形的和可变形的粒子
不可变形的粒子
根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相粒子，为此，必须克服弯曲位错的线张力。
绕过粒子的位错线在粒子周围留下位错环，随着绕过粒子的位错数量增加，位错环增多，相当于粒子的间距减小，对位错线运动的阻力就越大。
可变形的粒子
对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起产生变形，由此也能提高屈服强度。
这是因为质点与基体间晶格错排及位错线切过第二相质点产生新的界面需要做功等原因造成的。
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
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。