材料工程基础考试重要知识点

材料工程基础考试重要知识点

材料工程基础考试重要知识点 (1)

第一章、材料的性能及应用 (2)

第二章、原子结构和结合键 (4)

第三章、晶体结构 (4)

第四章、晶体缺陷 (7)

第五章、固体材料中原子的扩散 (8)

第六章、相平衡与相图原理 (9)

第七章、材料的凝固 (10)

第八章、材料的变形与回复再结晶 (12)

第一章、材料的性能及应用

1、常用的力学性能：

σs（屈服点和屈服强度）：在外力作用下，材料产生屈服现象的极限应力值即为屈服点σS。

σb（抗拉强度）：材料在受力过程中，所能承受的最大载荷Fb时所对应的应力值。

σe（弹性极限）：是指在完全卸载后不出现任何明显的微量塑性变形的极限应力值。

σp（比例极限）：在弹性形变阶段，应力与应变关系完全符合胡克定律的极限应力。

弹性模量E及其主要影响因素：

1、原子结构的影响；

2、温度的影响；

3、变形的影响；

4、合金元素的影响。刚度：材料对弹性变形的抵抗能力。

强度：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。

塑性：指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

硬度：是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

塑性指标的意义：

塑性指标有伸长率和断面收缩率

1、消减应力峰、缓和应力集中，防止零件出现未能预测的早期破坏；

2、遭受不可避免的偶然过载时，发生塑性变形和随之而引起的形变强化可保证零件的安全以避免断裂，即具有抵抗过载的能力；

3、零件遭受意外过载时，零件可以发生塑性变形过渡而不至于发生突然断裂，即使最终要断裂，但在此之前也要吸收大量的能量（即塑性变形功）；

4、材料具有一定塑性可保证某些成形工艺和修复工艺的顺利进行；

5、塑性指标还能反映材料的冶金质量的好坏。

不同材料所适用的硬度（HB、HR、HV）测量方法：

布氏硬度：优点：测量误差小；缺点：压痕面积大。

洛氏硬度：优点：压痕小，操作简洁，缺点：数据分散度大。

维氏硬度：可采用统一的硬度指标，测量从很软到很硬的材料的硬度，但测量麻烦。

第二章、原子结构和结合键

1、结合键的类型(主要为金属键、离子键、共价键)及其主要特点，它们对材料性能的主要影响

金属键：没有饱和性和方向性。

具有良好的导电性、导热性、塑性、与金属之间能够互相溶解的能力

离子键：无方向性，无饱和性；键能最高，结合力很大。

硬度高，熔沸点高；熔融或水溶后能导电；脆性大。

共价键：具有明显的饱和性和方向性。

硬度高、熔沸点高、导电性能差。

第三章、晶体结构

1、晶面与晶向的标注和识别：P59

2、BCC 、FCC 、HCP ：

BCC （体心立方晶胞原子个数为2，原子半径为r= 3α/4，配位数CN 为8，致密度为0.68）

FCC （面心立方晶胞原子个数为4，原子半径为r= 2α/4，配位数CN 为12，,致密度公式74.061433=?==α

πd V nv K ） HCP （密排六方晶胞原子个数为6，配位数CN 为12，致密度为0.74，其轴比c/a=1.633）

3、相、固溶体、中间相、固溶强化、中间相：

相：是指合金中具有同一化学成分，同一聚集状态，同一结构且以界面互相分开的各个均匀的组成部分。

固溶体：是溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相

中间相：是当组元之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过在溶剂中的溶解度时，合金中往往会出现新相，其晶格类型和特性不同于合金中任一组元，这种新相称为中间相。

固溶强化：由于溶质元素的溶入使固溶体强度和硬度升高的现象。

固溶体的分类：

按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置：置换固溶体和间隙固溶体；

金属溶剂中的溶解度：有限固溶体和无限固溶体；

金属溶剂中的相对分布情况：有序固溶体和无序固溶体；

（间隙固溶体一定是有限固溶体并且一定是无序的，无限固溶体一定是置换固溶体）

中间相的分类：

正常价化合物

电子化合物

间隙相和间隙化合物：熔点高、硬度高、脆性大。

固溶体和中间相的主要区别：固溶体最大特点是保留原有溶剂组元的晶体结构，在此基础上分为置换和间隙固溶体两类；中间相的晶体结构与任何组元均不相同，它是一种新相。中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体成为二次固溶体。固溶体与溶剂有相同的晶体结构，晶格常数稍有变化；而中间相的晶体

结构不同于此相中的任一组员

第四章、晶体缺陷

1、晶体缺陷的分类及特点：

1、点缺陷：空位、间隙原子、异类原子。

2、线缺陷

3、面缺陷

位错的含义分类及特点：

位错：晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。

位错分为：刃型位错、螺型位错、混合位错。

位错（及点缺陷）密度的变化对材料性能（主要是力学性能）的影响：

在外力的作用下，金属材料的变形量增大，晶粒破碎和位错密度增加，导致金属的塑性变形抗力迅速增加，对材料的力学性能影响是：

硬度和强度显著升高；塑性和韧性下降，产生所谓的“加工硬化”现象。

位错密度：单位体积内，位错线的总长度。

2、晶界原子排列的特点及其分类：

根据相邻晶粒之间位向差的大小，晶界可分为：小角度晶界、大角度晶界。

晶界的特性：

1、晶界处原子排列不规则；

2、晶界具有较高的动能；

3、晶界更易腐蚀。

相界的分类：共格相界、半共格相界、非共格相界。

润湿：附着润湿（沾湿）、浸渍润湿（浸润）、铺展。

第五章、固体材料中原子的扩散

1、Fick第一定律的含义：

在一个扩散系统中，若任一点的浓度不随时间而变化，即任一时刻流入和流出该系统中任一体积元的物质量相等，称之为稳态扩散。

非稳态扩散的误差函数解的应用计算：P124

2、扩散的机制：间隙机制、空位机制、换位机制。

影响扩散的主要因素：温度的影响、原子键合力的影响、固溶体类型的影响、晶体结构的影响、化学成分的影响、晶体缺陷的影响。

以及在工业上的应用（如：工业渗碳为何在奥氏体状态下进行）：

因为当温度升高至奥氏体温度范围内后，奥氏体对碳元素具有更大溶解度。只有在奥氏体区域，铁中碳的温度才可能有很大范围的变动，碳的扩散才能再单向的奥氏体中进行

第六章、相平衡与相图原理

1、Gibbs相律含义：

相律是描述平衡体系中可以平衡共存的相的数量、独立组元的数量及影响体系平衡状态的外界和内部因素与体系自由度之间关系的数学表达式。即：-

=C

f

Φ

N

+

二元匀晶相图、共晶相图分析；

杠杆定律的应用计算；

相图与合金使用性（强度、硬度）的关系：

形成固溶体的合金其强度、硬度随成分按抛物线状变化；

形成两相机械混合物的共晶系合金，其性能则是两组成相的加权平均值，即性能与成分呈线性关系，其强度、硬度均有所提高；

形成稳定化合物（中间相）时，其性能具有硬而脆的特点。

相图与工艺性（铸造）的关系：合金的流动性与凝固温度范围有很大的关系。凝固温度范围小，流动性好；随凝固温度范围增大，流动性降低。由于共晶合金或纯金属的熔点较低，且是恒温转变，所以流动性好，凝固后易形成集中缩孔，致密度高，故铸造合金宜选择共晶成分或接近共晶成分。

2、铁碳相图（简化版）及其标注上面主要的成分点和温度及相；

不同含碳量的合金从高温到室温下组织的变化，

利用杠杆定律计算组织组成物和相组成物的含量（主要针对C%<2.11%的合金，即钢）

第七章、材料的凝固

1、液态合金结构的特点:存在起伏现象：能量起伏，结构起伏和成分起伏。过冷度及其与冷却速率的关系

?G V=?L m(T m?T)

T m

=?

L m?T

T m

式中，?T=T m?T，T是实际相变（凝固）时的温度。

欲使凝固（结晶）过程能够进行，?G V<0，则需?T>0，即T

过冷度不是一个恒定值，而是与金属的性质、纯度及冷却速率等许多因素有关。对于同一种液态金属，冷却速率越大，过冷度亦越大，也就是实际凝固开始的温度越低。

2、晶体形核及长大的主要方式以及它们的特点:

晶体的形核有两种形式：均质形核与非均质形核。

均质形核：晶核是通过结构（相）起伏，由液相中“近程有序”的原子集团直接形成的。

非均质形核：晶核是通过依附于液相中的杂质或外来质点的表面作为基底而形成的。

3、晶体生长形态分类及主要原因:

1、平面状生长：液-固界面前沿液相内温度分布始终呈现正的温度梯度。

2、枝晶状生长：液-固界面前沿液相内温度分布呈负的温度梯度。

3、胞状生长

4、等轴枝晶状生长

溶质分配系数：

溶质再分配：合金材料凝固时，溶质要发生重新分布，这不仅会形成宏观和微观偏析，而且会对晶体的生长形态产生影响。

溶质再分配系数k的定义是：凝固过程中固-液界面处固相溶质含量C S?与液相溶质含量C L?之比，即k=C S?

C L?

成分过冷：过冷度既与实际温度分布有关，又与溶质分布有关，此即“成分过冷”。

4、凝固中晶粒尺寸的控制：控制晶粒尺寸的主要途径有：提高冷却速率、孕育处理、振动处理。

铸态宏观组织：由三个区组成：表层细晶区、内部柱状晶区、中心等轴晶区。常见偏析（宏观偏析：正偏析、密度偏析；微观偏析：枝晶偏析）的特点及主要原因。

第八章、材料的变形与回复再结晶

1、塑性变形的机制（主要方式）：滑移、孪生、扭折。

滑移与孪生的主要区别点：

孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移只集中在一些晶面上；

孪生后晶体变形部分的位向关系发生了改变，而滑移后晶体的位向关系并未改变；孪生变形是通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此孪生的临界切应力比滑移时大得多；

孪生对塑性变形的作用比滑移小得多。

滑移的实质（位错的运动）

2、Schmid定律的含义：当σ=σS=F/A，τ=τk，则：

τk=σS cos?cosλ

当在滑移面的滑移方向上的分切应力达到临界分切应力时，晶体开始屈服，此时σ=σS

临界分切应力：开始滑移所需的最小分切应力。

单滑移：指只有一个滑移系上的分切应力最大并达到了临界分切应力而进行的滑移。

多滑移：指晶体上有两个或两个以上的滑移系满足施密特定律的条件，各自滑移面上位错同时启动。

交滑移：螺位错在两个相交的滑移面上运动，当螺位错在一个滑移面上运动受阻时，会转移到另一滑移面上继续滑移，滑移的方向保持不变。

3、多晶体塑性变形的主要特点

⑴各晶粒变形的不同步性；⑵各晶粒变形的不均匀性；⑶各晶粒变形的协调性；加工强化：随塑性变形程度的增加，材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降。

弥散强化：当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。

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

产生强化的主要原因：在相同的外力作用下，晶粒越细小，各个晶粒变形越均匀，应力集中的几率较小，裂纹不易萌生和扩展，在断裂前可承受较大的变形量，故室温下常利用细晶强化来提高材料的强韧性，称为细晶强韧化。

4、冷加工后金属力学性能上的主要变化：随塑性变形程度的增加，材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降。

5、回复、再结晶：

回复：是指冷塑性变形金属加热时，尚在发生光学显微组织变化前所产生的亚结构与性能变化的过程。

再结晶：是指无畸变的等轴新晶粒逐渐取代变形晶粒的过程。

回复、再结晶后对力学性能的主要影响：回复过程中力学性能变化不大；再结晶后金属的强度、硬度下降，塑性、韧性得以回升。

影响再结晶的因素：

1、温度

2、变形程度

3、微量溶质原子

4、原始晶粒大小

5、第二相粒子

热加工与冷加工的区别标准：

金属的冷变形加工和热变形加工是以再结晶温度来划分的，凡在金属的再结晶温度以上进行的加工称为热加工，而在再结晶温度以下进行的加工称为冷加工。