材料科学导论复习要点(完结篇)

复习要点(Emphasisofrevision)1.考试是以PPT和上述参考书内容为主。2.试题一共10题，有一半简单计算一半概念题。3.试题内容包含在上述复习要点中。的部分为重点复习内容PPT第二讲(英文参考书第二章）原子结构的回顾电子，质子，中子，原子的量子力学，电子态，周期表固体中的原子键合键能键能（BondEnergy）通常是指在101.3KPa和298K下将1mol气态分子拆开成气态原子时，每个键所需能量的平均值，键能用E表示。是表征化学键强度的物理量，可以用键断裂时所需的能量大小来衡量。基本的原子键离子键，共价键，金属键正负离子间的静电相互作用是离子键的根源。共价键的本质在于两个原子各有一个自旋相反的未成对的电子，由于原子轨道相重叠而构成价键轨道，导致体系的能量下降。金属键在本质上和共价键有类似的地方，但是其外层电子比共价键更公有化，电子自由游移于正离子之间，遍及整个晶体，构成近自由电子，这就像是正离子浸在近自由电子的海洋之中。金属键和共价键最明显的区别就是金属键缺乏方向性和饱和性。二次键（范德华力）PPT第三讲(英文参考书第三章）结构基元：通过周期性重复排列而组成晶体的最基本的重复单元。晶体结构偶极矩的感作用近原子相互作用→荷位移→偶极子(dipoles）范德力面心立方结构，体心立方结构，六角密堆结构原子堆积因素原子堆积系数APF=原子总体积／结构基元体积配位数：相邻原子周围没有电子轨道重叠的参考原子（离子）的数量。（1）面心立方结构：配位数CN=12每个结构基元的原子数，n=4面上：6×1／2=3角上原子数：8×1／8=1原子堆积系数APF=0.68总体积:结构基元的体积:（2）体心立方结构：a=4R√3配位数CN=8每个结构基元的原子数，n=2中间原子数：1×1=1角上原子数：8×1／8=1原子堆积系数APF=0.68（3）六角密堆结构：配位数CN=12每个结构基元的原子数，n=6中间原子数：1×3=3角上原子数：12×1／6=2角上原子数：2×1／2=1原子堆积系数APF=0.7原子堆积系数密度计算：其中：Vc=a3(FCC和BCC)，a=2R√2(FCC)；a=4R√3(BCC)；n—原子中的结构基元数；A---分子量；NA=6.023×1023atoms/mol.晶面指数结晶取向PPT第四讲(英文参考书第四、五章）点缺陷：包括（空缺，间隙，杂质）晶体中的点缺陷是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷。空缺数目NV=NSexp(-QV/KBT),NS:规则晶格位置的数目；QV：形成完整晶格空位所需的能量；KB：玻尔兹曼常量；T：开尔文温度位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。位错对材料的力学性能如塑性形变、强度、断裂等起着决定性作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错分类：刃位错、螺位错、混合位错伯格矢量b:表征位错线的性质、总畸变的积累、位错强度刃位错的伯格矢量与位错线垂直；螺位错的伯格矢量与位错线平行晶界：晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面。晶界分类：根据相邻晶粒间位向差的大小不同分为：（1）小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于10°的晶界。（2）大角度晶界（占90%以上）：相邻晶粒的位向差大于10°的晶界。孪晶界：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面称为孪晶面。扩散机制扩散：质点通过热运动进行定向位移。扩散机制：（1）间隙机制：间隙质点沿晶格间隙进行的迁移。间隙扩散机制适用于间隙固溶体中间隙质点的扩散。（2）空位机制：在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过空位交换位置而迁移。（3）换位机制：指两个相邻原子直接换位而达到原子迁移的效果。扩散方程菲克第一定律：物质从高浓度区向低浓度区迁移所遵循的规律：在单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面的物质流量（扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。设扩散沿x方向进行，Fick第一定律表达式：CJDXD:扩散系数，单位为m2·s-1；C：扩散组元的体积浓度，单位为㎏·m-3或mol·m-3；菲克第二定律：在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即，将代入上式，得。如果扩散系数D与浓度无关，则上式可以写成PPT第五讲(英文参考书第六章）应力和应变张力:受到拉力作用时，物体内部任一截面两侧存在的相互牵引力。弹性变形弹性模量:材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。泊松比:材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。塑性变形屈服强度:材料开始产生宏观塑性形变时的应力。PPT第六讲(英文参考书第七章）脱位和塑性变形塑性变形：材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那部分变形。单晶单晶的滑动,分解施加到滑动系统上的外加应力。多晶材料：比单晶强加强机制减少晶粒尺寸晶界是位错运动的障碍：小角度晶界阻止位错效果不大；大角度晶界阻止滑移，增加材料的强度。固溶强化填隙式或替代式杂质引起晶格应变，因此，这些杂质与位错应变场作用，阻止了位错运动。应变硬化通过增加位错密度来增强。在适当熔点以下的塑性形变，使韧性金属变强。应变硬化的原因：塑性形变使位错密度增加。回复、再结晶和晶粒长大当外力移除，大部分位错、晶粒变形和应变能被保留了。冷加工前的恢复原状可通过热处理实现，包括两个过程：修复和重结晶。然后是晶畴生长。修复过程：加热-增加扩散-增加位错运动-减少位错密度，形成低能位错结构-减少内部应变能重结晶:固态金属及合金在加热(或冷却)通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。晶畴生长:驱动力：整个晶界区域的减少导致系统能量的减少，大晶粒形成。PPT第七讲(英文参考书第八章）韧性与脆性断裂脆性固体的断裂强度与原子间的凝聚力有关。韧性材料-广泛的塑性变形和断裂前能量吸收（“韧性”）脆性材料-小的塑性变形和断裂前的低能量吸收脆性断裂过程：无明显的塑性变形→裂纹扩展速度非常快→裂缝传播几乎垂直于外加应力方向→裂缝往往沿原子键的特定晶面解理面方向传播裂解。断裂力学的原理应力集中对于一个长的裂缝面向垂直外加应力裂纹尖端附近的最大应力是：其中：σ0—外加应力，a—裂缝的半长，ρT—裂纹尖端的曲率半径。（注意，a是内部缺陷的半长，是表面缺陷的全长）应力集中系数是：疲劳（循环应力）材料、零件、构件在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展突然完全断裂的过程。影响疲劳的因素：①应力大小；②表面质量蠕变（随时间变化的变形）蠕变是在高温的恒定负载时，材料随着时间的变化发生永久变形的现象。例如：涡轮叶片，蒸汽发生器。蠕变的过程：1、瞬时变形，主要是弹性的。2、初级/瞬态蠕变。应变、斜率随时间的变化而变化：加工硬化。3、二次/稳态蠕变。劳损率是常数：加工强度平衡和回复4、第三。应变率迅速增加直至破坏：内部裂缝，空洞，晶界分离形成等。PPT第八讲(英文参考书第九章）定义和基本概念相和微观结构相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）相图：用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。二元匀晶系统（完整的固体溶解度）杠杆规则杠杆定律是一种机械的比喻的质量平衡计算。在两相间的联络线是类似于一个支点平衡的杠杆。1）所有材料必须是在某一个相或其他相：Wα+WL=12）混合相质量=一相的质量＋另一相的质量：WαCα+WLCL=Co3）由上述方程得到杠杆定律。WL=(Cα-Co)/(Cα-CL)；Wα=(Co-CL)/(Cα-CL)PPT第九讲金属的相变(英文参考书第十章）相变（微结构的变化）能被分为三种：1相变成分和相的数量呈现出无变化的扩散型相变（熔化，纯金属固化，再结晶）2相变成分和相的数量呈现出变化的扩散型相变（共晶或共晶的变化）3非扩散相变（结构中所有原子的相对位移）相变动力学相变涉及到结构和成分（对多相系统）的变化，所以会使原子重新整理和再分布。相变过程包括：新相的成核、在原相基础上新相的生长（s形曲线，时间的对数为x轴，材料的变化百分比为y轴）。成核：均相（在过冷的相中固体颗粒自发的形成）和非均相（新相出现在容器壁上、杂质颗粒等）成核吉布斯自由能G=H-TS,H=U+PV，h是焓，s是熵r*是临界核的大小,一个临界尺寸r*固体核的形成会有一个的屏蔽能阿伦尼乌斯方程：Vd是原子从液体依附到固体核的频率。△G*太高，成核被抑制△G*-1/△T2随着TD的下降，均相成核显著增加太小，低原子的移动能力抑制了成核速率。对于非均相成核：非均相成核在一个更低的过冷温度下核屏障临界核的大小相变速率和相的增长一旦新相的一个稳定的核超过了临界尺寸，它将开始增长，并利用原子能不断向粗糙界面迁移。相变速率由成核速率和增长速率共同决定的。高温条件下，接近Tm时，成核速率低，增长速率高，低温是相反。定量描述相变率rate=1/t0.5亚稳态和平衡状态相变动力学均相和非均相成核核屏障临界核的大小亚稳态和平衡状态PPT第十讲(英文参考书第十一章）金属合金的类型金属制备金属合金的热加工退火，消除应力钢的热处理沉淀硬化合金的类型：金属合金根据组成不同分为两类：铁合金和非铁合金。铁合金中铁是主要成分，包括钢和铸造铁铁合金的产量远大于其他种类的金属，主要原因有三个：（1）地壳中含铁的化合物产量大（2）金属铁和钢合金可以通过相对节约的提炼，合金和制造技术生产（3）金属合金功能多样，适应于广泛的机械和物理性能铁合金最大的缺陷是容易腐蚀。合金的分类：一．铁合金1.钢（1）钢是一种可能含有明显其他元素的铁碳合金，成千上万的合金具有不同的组成和热处理。（2）机械性质随碳元素含量不同而较敏感，含量基本少于1.0%；一些更相近的钢通过含碳量的不同而被命名为低碳，中碳和高碳型。（3）简单碳钢含有的杂质较少，含有少量的锰。1.1低碳钢（1）总体碳含量低于0.25%，对于热处理不敏感，强度通过冷处理而加强。（2）微结构由铁素体和珠光体组成。(3)因此，这些合金相对较软且脆弱但是却具有杰出的可塑性和韧性；除此之外，它们易于焊接，是所有钢中生产成本最低的。(4)典型的应用包括自动化躯体组成，结构塑型,薄板被用于管道，建筑物，桥梁和罐头盒。1.2中碳钢（1）碳含量在0.25~0.60%之间，基本需要经过热处理用于提高机械强度。（2）主要用于温和条件。（3）经过热处理的合金强度高于低碳钢，但是可塑性和韧性却降低。（4）应用主要是车轮，跑道，齿轮和其他机器部件。1.3高碳钢（1）碳含量在0.60~1.40%之间（2）主要用于温和和坚硬条件，通常用于切割工具和工具成型模具。1.4不锈钢不锈钢在不同条件下都具有很高的耐腐蚀性，最显著的元素是铬，至少含有11%2.铸铁总体上铸铁中碳含量高于2.14%，实际上大部分含量在3.0%~4.5%之间，易于融化和铸造。二．非铁合金1.铜合金：拥有良好的物理性能2.铝合金：具有低密度，高导电性和热传导性，某些情况下较好的耐腐性。3.镁合金：最突出的性质是低密度，所有金属中最低的4.钛合金：是一种新工程材料，具有一些特有性质，强度很高，具有较高的可塑性，易于锻造。5.难熔金属：熔点很高。金属制造方法：制造方法一般包括精炼，合金和热处理。一．成型处理成型处理时通过塑性变形改变金属片段的方法，当温度很高的情况下结晶出现从而实现形变。金属变形通过锻造，摇晃，喷出和定型。二．铸造金属热处理1.退火：使材料在高温下停留一段时间然后以一定速率冷却的过程。目的：（1）释放内部压力（2）增加可塑性，韧性和柔软度（3）产生特殊微结构2.钢的热处理问题：在冷却过程中很难保持钢铁所有部分保持相同的环境，表面冷却快于内部。