材料科学基础复习题

单晶体范性形变的两种基本方式：滑移（slip）和孪生（twinning）两者都为剪应变。

FCC的滑移面都是{111}，滑移方向都是<110>，BCC的滑移面都有{110}，滑移方向都是<111> 滑移方向都是最密排的方向，而滑移面则往往是密排面

Schmid定律：当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值τc时，晶体便开始滑移。P144.

我们把只有一个滑移系统的滑移称为单滑移，具有两个或以上的滑移叫做双滑移或者多滑移。 晶粒和晶粒之间的过渡区域就称晶粒边界或称晶界。 晶粒越细，阻碍滑移的晶界便越多，屈服极限也就越高。（细化晶粒不仅可以提高金属的强度，同时还可以提高其韧性）Hall公式： 拉伸应力变形（tensile stress deformation）

晶体在外力作用下会发生形变，当外力较小时变形是弹性的，即卸载后变形也随之消失，这种可恢复的变形就称为，弹性变形（elastic deformation）当外力超过一定值后，应力和应变就不在成线性关系，卸载后变形也不能完全消失，而会留下一定的残余变形或者永久变形，这种不可恢复的变形就称为，塑性变形（plastic deformation） 低碳钢的拉伸应力——应变曲线（图解计算题） 延伸率（elongation）：断裂前的最大相对伸长。断面收缩率（reduction in cross-section）：断裂前最大的相对面积缩减。晶体的断裂（Crystal fracture） 滑移系统（slip system）：一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成了一个滑移系统。 孪生系统（twinning system）：一个孪生面和该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统。 加工硬化（work hardening）：金属在冷加工过程中，要想不断地塑性变形，就需要不断增加外应力。这表明，金属对塑性变形的抗力是随变形量的增加而增加的，这种流变应力随应变的增加而增加的现象就称为加工硬化（应变硬化）

第八章：固体中的扩散（diffusion in solids）

扩散的分类：均匀程度分，有浓度差的扩散叫互扩散；没有浓度差的扩散叫自由扩散。一般用示踪原子（labelled atom）来研究自扩散过程。 按分散方向分：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散（downhill diffusion）；由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散，又称上坡扩散（uphill diffusion）。 按原子扩散路径分：在晶粒内部进行的扩散称为体扩散（bulk diffusion）；在表面进行的扩散称为表面扩散（surface diffusion）；沿晶界进行的扩散称为晶界扩散（grain boundary diffusion）；一般称前面两种为短路扩散（short circuit diffusion） Fake第一定律：

第二定律：

稳态扩散（stationary diffusion）：在扩散系统中，若对于任一体积元，在任一时刻流入的物质量相等，即任一点的浓度不随时间而变化，则称这种状态为稳态扩散。 俣野面的重要物理意义：物质流经此平面进行扩散，扩散流入的量与扩散流出的量正好相等。 扩散的两种微观机制：间隙机制（interstitial mechanism）间隙机制适用于间隙式固溶体中间隙原子的扩散。其中，发生间隙扩散的主要是间隙原子，点阵上的原子则可以认为是不动的。在间隙扩散机制中，原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置。 空位机制（vacancy concentration）空位机制适用于置换式固溶体的扩散。 扩散系数（diffusion coefficient）D0

扩散的热力学理论：从热力学的角度看，扩散是由于化学位的不同而引起的，各组元的原子总是由高化学位区向低化学位区扩散。扩散的真正推动力不是浓度梯度而是化学位梯度，平衡时各组元的化学位梯度为0

第九章：凝固与结晶（Solidification and crystallization）

液体有一定的体积，无固定的形状，而固体形状、体积都固定，气体二者全部固定，说明液体更接近于固定，原子间有较强的结合力，原子排列较为致密，与气体截然不同。 过冷度（undercool）为理论结晶温度与实际结晶温度的差别。 半径小于r*的原子集团称为晶胚（embryo），r=r*，叫临界晶核（critical nucleus）

能量起伏包括两个含义，一是在瞬时，各微观体积的能量不同，二是对某一微观体积，在不同瞬时，能量分布不同。

只有在一定过冷度下、在高能区、具有大于r*的近程排列的原子集团可以形成固相的稳定核心。

形核率（nucleation rate）单位时间、单位体积生成固相核心的数目。 非均匀形核（heterogeneous nucleation）

回复（reversion）再结晶（recrystallization）变形（transformation）

第十章：回复与再结晶（recovery and recrystallization）

晶粒长大（grain growth） 一般变形需要进行两次退火：第一类为去应力退火，发生回复过程，以消除应力，防止开裂；第二类为软化退火，发生再结晶过程，以提高塑性，恢复变形能力，使工件能进一步变形。 利用回复、再结晶基本规律可获得粗大晶粒或单晶体以进行科学研究和应用，可在无相变的金属和合金中获得细小晶粒使材料强韧化。

再结晶过程新晶粒的形成是通过生核和核心长大（Core grow up）两个基本过程。首先在变形基体中形变无畸变的再结晶核心，然后核心在变形基体中扩张、长大，最后变形基体消失，全部形成新晶粒。

在刚刚开始得以发生再结晶并形成粗大晶粒的变形度叫临界变形度（critical degree of deformation）

正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温的过程中，在界面曲率驱动力的作用下，晶粒发生均匀长大的过程。

第十一章：固态相变（solid-state phase changes）

固体从一种固相转变到另一个固相伴随的三个过程：晶体结构的变化、化学成分的变化、有序程度的变化。

奥氏体（austenite）珠光体（pealite）珠光体分为两种：一种是片状珠光体，它是由一片铁素体和一片渗碳体相间排列而成；另一种是粒状珠光体，其中渗碳体颗粒状分布在铁素体的基体上。

贝氏体转变（bainite transformation）钢在珠光体转变温度的低温一侧或其一下，马氏体（martensitic）转变温度以上的温度范围内，过冷奥氏体将发生贝氏体转变，又称中转温度。 有序——无序转变（Order-Disorder Transition）

固溶体中一种原子的最近邻为异类原子的结构，叫做有序结构；趋于有序结构的过程叫做有序化，所形成的有序结构的固溶体叫做有序固溶体。

第十二章：马氏体相变（martensitic transformation）

马氏体相变中没有原子的混合和在混合，新相保留了与母体完全相同的成分。

第六章：凝固与晶体生长（Solidification and crystal growth）

1. 金属凝固的过程和现象(Process and phenomenon of melt solidification)液态金属由

“进程有序”的原子集团组成，这些原子集团是不稳定的，瞬时形成，瞬时消失，时聚时散，与系统的能量起伏相对应。这些原子集团的尺寸也是不同的，，形成结构上的起伏。在过冷的条件下，这些不稳定的具有短程有序排列的原子集团的液态结构就会转变为长程有序的晶体结构。金属凝固的过程也可以说是金属结晶的过程，首先是形核然后是晶体生长，这两个过程是同时进行的，即在已经形成晶核长大的同时，又形成新的晶核，直至结晶完了，由晶核长大的晶体相互接触为止。

2. 凝固和结晶的热力学条件(Thermodynamics conditions for solidification and

crystallization )

3. 凝固和结晶的热力学条件是有一定的过冷度。ΔG=GS-GL<0，转变驱动力由单位体积

吉布斯自由能差ΔGV=LV·ΔT/Tm确定，过冷度越大，转变驱动力越大，凝固过程越易进行。

4. 过冷度(Degree of supercooling,)：理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。 5. 临界晶核半径(critical nucleus radius)：在给定过冷度的过冷母相中能够稳定存在的最

小晶体颗粒的半径。

6. 临界形核功(Critical nucleation energy )：形成临界晶核所需的能量ΔG*称为临界形核

功

7. 形核率(nucleation rate)：是指在单位时间内，单位体积的金属液体中形成的晶核数。 8. 均匀形核(homogeneous nucleation,)：是指新相晶核在母相中均匀地生成，即晶核由

液相中的一些cluster直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。

9. 非均匀形核(heterogeneous nucleation)：是指新相优先在母相中存在的异质处形核，

即依附于液相中的杂质或外来表面形核，也称异质形核。

10. 成分过冷(constitutional supercooling)：在合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发

生变化而改变了凝固温度。界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷

11. 纯金属的长大：宏观长大方式：平面长大，树枝状方式长大(Dendrite growth);微观长

大方式

12. 宏观长大：晶体长大中液-固界面的形态取决于界面前言液体中的温度分布。

13. 1.平面长大：液-固界面保持稳定的平面形态。在液体具有正温度梯度的情况下，晶

体以平界面方式推移长大。界面上任何偶然的、小的突起，深入液体，使其过冷度减小，长大速率降低或停止长大，而被周围部分赶上，因而能保持平界面的推移。长大中晶体沿平行温度梯度的方向生长，或散热反方向生长，而其他方向的生长则受到抑制。

树枝状方式长大：在负温度梯度下，界面上偶然的突起将伸入过冷的液体，液体有更大的过冷度有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成枝晶的一级轴，一个枝晶的形成，

其潜热使临近液体温度升高，过冷度降低，一级枝晶的结晶潜热使侧面又产生负的温度梯度生成二次晶轴，以此类推，此类晶体长大方式称为树枝状生长。

微光长大方式：晶体的长大微观上是液体原子转移到固相界面上的过程，即液体原子依附到晶体的表面上，并按照晶面原子排列的要求与晶体表面原子结合起来。这种原子转移的微观方式取决于液—固界面的结构。

液—固界面的结构及晶体生长形态(Interface structure and morphology) 按微观结构可分为光滑界面和粗糙界面。

光滑界面(smooth interface)：是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的，但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。

光滑界面晶体长大机制①二维形核：光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长，如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这种机制的晶体长大速率很慢。②螺型位错长大：液相原子可以直接添加到界面上由于晶体缺陷而形成的台阶上，从而使晶体不断长大。如螺型位错在界面露头就可以提供台阶。当一个面的台阶被原子进入后，又出现螺旋型的台阶，这样就使晶体表面呈现由螺型型台阶形成的卷线。由于界面上台阶数量有限，这种机制下晶体生长速率也很小。 （2）粗糙界面(rough interface)：在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层，但是宏观上看，界面反而是平直的。粗糙界面晶体长大机制——连续长大：粗糙界面上，约有50 %的结晶位置空着，液相原子可以直接进入这些位置，从而使整个固-液界面垂直地向液相中推进，即晶体沿界面的法线方向向液相中生长。这种长大方式叫做垂直长大(vertical growth)，或连续长大，这样的晶体生长速率很快。

成分过冷对晶体生长形态的影响当液-固界面前沿存在成分过冷时，即便是小的成分过冷区，也会破坏晶体的平面生长，使界面形成胞状组织；如果存在大的成分过冷，就会长成树枝状组织。成分过冷可使合金在正的温度梯度下凝固得到树枝状组织，而在纯金属凝固中，要得到树枝状组织，必须是在负的温度梯度下。因此，成分过冷是合金凝固有别于纯金属凝固的主要特征。

单相固溶体的长大(Single-phase solid solution)

单项固溶体凝固中，有成分的变化，即除过冷度、能量起伏、结构起伏外还有成分起伏。成分起伏对合金的凝固方式和晶体的生长形态产生重要的影响，而且会引起偏析。

1、正常凝固：合金完全熔化后进行定向凝固，合金凝固时，要发生溶质的重新

kk(1)s00分布 Lx012、区域熔炼：合金自左向右局域熔化

s0[1(1k0)ek0xl]3、有效分配系数ke：表征液体混合程度

4、合金凝固中的成分过冷：成分过冷可使合金在正的温度梯度下凝固得到树枝

状组织

1. 两相共晶体的长大(Eutectics)

多数是金属-金属型的共晶，其两相与液相之间的液-固界面都是粗糙界面，界面为平直

状生长。但并非两相同时出现，而是某一相在液体中领先形核和生长，称为领先相。若领先相为a，则B组元就会在结晶前沿的液体中富集，促使b相在a相上形核长大，b相的析出又使得A组元在结晶前沿的液体里富集，导致a相又依附于b相形核生长。这样反复，通过交替形核生长，最终形成a和b相间排列的组织。这种形核的机制为“搭桥”机制。

2. 金属和合金铸锭组织的形成和控制

铸锭：若合金浇注成方或圆的，即得到铸锭，然后开坯，再通过热轧或热锻，最后机加工和热处理。 铸锭组织的形成

1. 表层细晶区 chill zone：在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。

2. 柱状晶区 columnar zone：在表层细晶区形成后，由于结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。

3. 中心等轴晶区 central equiaxed zone：柱状晶区形成时也释放大量潜热，使散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至实际结晶温度以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 对铸锭组织的控制

合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，但当浇注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同, 甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。

1、通常有利于柱状晶区发展的因素有：快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。 2、有利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。

合金凝固区别于纯金属凝固的最典型特征：成分过冷constitutional supercooling)，在正温度梯度下可实现树枝状生长。金属铸锭的组织，各组织的形成特性以及对组织的控制。

纳米材料的定义：纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料 量子尺寸效应（The quantum size effect）：--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。

小尺寸效应(Small size effect)，当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。英文翻译：Surface Effect