北京科技大学《金属学》考试要点

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《金属学》考试要点

金属学：是关于金属材料（金属和合金）的科学，它的中心内容是研究金属和合金的成分、结构、组织和性能，以及它们之间的相互关系和变化规律。

组织：是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

结构：是指原子集合体中各原子的具体组合状态。

点阵常数：过单胞任一顶点的三个棱边的长度a、b、c以及三个棱边的夹角α、β、γ，为表征点阵特征的六个参量，叫点阵参数；a、b、c也叫点阵常数。

空间点阵与晶体点阵的区别与联系？

空间点阵是晶体中质点排列的几何抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。

由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型（布拉菲点阵，晶体结构形式，晶形）。 晶体点阵：是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。

有序固溶体（超结构）：当固溶体有序化到一个程度，以致在整个晶体点阵中演技和溶剂原子都按统一的确定分布时，即达到长程有序时，这样的固溶体就叫有序固溶体，或超结构。

界面：界面上的原子所占据的位置相当于这两个晶粒点阵的共有阵点。完全的界面其界面能量最低。

形核功：式中，XX为晶核形成功，它需要领先系统的能量涨落来提供，它与（三角形）T成反比例，（三角形）T越大，则（三角形）G越小，便越有利于形核。 滑移：滑移是晶体的两部分之间沿着一定的晶面（滑移面）和一定的日币（滑移方向）而发生的一种相对切变。

二次再结晶：再结晶完成后，晶粒长大表现出的反常现象。少数圈套的晶粒优先快速长大，逐步吞食其周围的大量小晶粒中，形成非常粗大的组织，好像也是一个生核长大过

程。

晶体缺陷：实际晶体中原子组合（原子，分子，离子或原子团）的不规则性，不完整性，统称为晶体缺陷。包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

形核功：尺寸的晶胚变为蜾所需的那一部分功，系统能量涨落来提供。

亚稳极限：液体中存在最小过冷度。当过冷度小于这个值时，凝固几乎不能进行或难于察觉，液体可以长期牌亚稳状态。

临界分切应力：使单晶体中的滑移系启动的分切应力值。在滑移面的滑移方向上，只有当分切应力的值达到或超过某一特定的大小以后，沿这一滑移系才能开始滑移，这个特定的值就是临界分切应力。

扩散驱动力：扩散的驱动力是尝试梯度，物质问题从尝试高处向尝试低处迁移。扩散的根本驱动力是化学位梯度。一般条件下，化学位梯度与尝试梯度是一致的（正常扩散），看起来扩散总是向尝试梯度减小的方向进行。但在另一些条件下，如果化学位梯度与浓度梯度相反时（上坡扩散）化学位梯度的本质就充分显露出来。

加宽柱状晶：液体的过热度应该大，小的凝固范围，增加温度梯度，减小液体运动，合金熔点高。

加宽等轴晶：液体的过热度应该小，大的凝固范围，减小温度梯度，加强液体运动，合金熔点低。

菲克第一定律：在扩散过程中，物质的扩散流量，即单位时间内通过单位横截面积所输送的物质的量与其横跨这一截面的浓度梯度成正比。扩散方向与浓度梯度的方向相反，扩散向浓度减小的方向进行。扩散系数Ｄ浓度梯度扩散流量

菲克第二定律：物质流入元体积内的量减去流出量必然等于积存在这个体积内的物质量。物质流入元体积的速率，减去流出的速率，应等于这个体积内物质的积存速率。Fick 第二定律的一般表达式：当D不随浓度而变化时：

冷加工：冷加工过程中只有加硬化，也就是曲线中的OA，到了AB段，材料发生塑性变形。到了BC段，动态恢复与加工硬化几乎抵消，所以BC呈一条趋于水平的线的曲线。

热加工：热加工过程中，在OA曲线上，形迹硬化大于再结晶软化。当形迹达到曲线峰值时也就A点处，形变硬化与再结晶软化几乎相等。之后，形变硬化小于再结晶软化，故曲线开始下降。到了B点后，动态恢复与形变硬化几乎抵消，所以曲线呈一条趋于水平的线的曲线。

钢的回火：根据一定的目的，把淬火加热到一定温度下保温一定时间后冷却下来。

奥氏体形成元素：在奥氏体中有圈套的溶解度，并且能使奥氏体稳定的元素。

过冷奥氏体：把奥氏体过冷到A1温度以下，牌热力学上不稳定的奥氏体。

回火触发：对于淬火进行回火，一般是塑性韧性增加。但是，在一定的温度范围内，对回火后，发现塑性韧性反而降低，这种现象称回火触发。分低温回火和高温回火触发。 钢的奥氏体本质晶粒度：表征钢在加热奥氏体化过程中，奥氏体晶粒长大的趋势。奥氏体晶粒容易长大（1—4级）称本质粗晶粒钢，5—8级称本质细晶粒钢。

固溶体的分类

1. 按溶剂分类

（1）一次固溶体：边（端）际固溶体结构类型与主组元结构相同

（2）二次固溶体：中间固溶体结构类型与主、副组元结构都不同

2. 按固溶度（溶解度）分类

（1）有限固溶体：溶质组元的浓度有限度

（2）无限固溶体：溶质可以任何比例溶入溶剂

3. 按溶质原子在晶体点阵中所占的位置分类

（1）代位固溶体：溶质原子与溶剂原子占据等同的点阵位置

（2）间隙固溶体：溶质原子填入溶剂原子间的间隙位置

（3）缺位固溶体：在一些二次固溶体中，当化合物的组元之一溶入化合物时，另一组元形成缺位，如FeO

4. 按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类

（1）无序固溶体：随机分布

（2）有序固溶体：溶质原子按适当比例、并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布

影响固溶度的因素：

1. 原子尺寸因素

2. 负电性因素

3，电子尝试因素。

相同时，高价组元比低价是组元在高组元中的固溶度要大。一般先考虑尺寸因素，再考虑其它因素，另外还会有次要因素影响。。。

单胞：在空间点阵中选取的一个能够反映其特点的最小单元，这样的平行六面体构成了该点阵的基元，称之为单胞或基胞。

空间点阵：晶体是由结构基元在空间呈规则的三维周期排列而形成的。若把每个基元抽象为一个点，这些点具有完全相同的几何环境和物理环境，称为等同点。由构成晶体的结构基元抽象出来的等同点在三维空间中的周期排列称为空间点阵。空间点阵中的各个点又叫做阵点。

晶体学缺陷：在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列

金属键：公有化自由电子的静电作用结合进来

有序固溶体：有序固溶体溶质原子按适当比例、并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布

晶界：意想金属或合金各晶粒间的界面一般称为晶界。

作用：

1. 晶界的切变━对形变直接贡献

2. 晶界的协调作用

3. 晶界对形变的阻碍作用

复相合金形变的特点：

一般多晶体，相邻两晶粒间为同成分、同结构、取向不同，以晶界为界；复相合金，相邻两晶粒间可能为成分和/或结构都不同，以相界为界。在复相合金的形变过程中，不同种的晶粒之间、每一晶粒的中心与边缘之间，形变差异（不均匀性）更大，内应力增大，开裂机会增多，范性下降。第二相为脆性相时，合金的范性1）受相的相对量的影响：原始裂纹总是易于提前在脆性相一侧，或在相界上产生。.2）受第二相的分布状况影响：粒状均匀分布，影响小；连续膜状（网状）沿晶界分布，影响大；应尽量避免断续沿晶界分布或片层状在晶内分布，影响中。

马氏体转变的特点：

(1) 马氏体型转变不会引起化学成分的变化，只产生结构类型的变化，有时还会发生

有序度的变化。马氏体既可以是稳定的平衡相，也可以是亚稳的非平衡相。

滑移系：晶体中一个可滑移的晶面和其上一个可滑移的晶向合称一个滑移系，用{ k h l }< u v w >表示。

孪生：晶体受力后，以产生孪晶的方式而进行的切变过程，称为孪生。

过冷度━金属和合金的实际凝固温度与其熔点之差值，ΔT ΔT=Tm（平衡熔点）-T（实际温度）凝固只能在过冷液体中进行，而且要过冷度大于某一最小值。

结晶潜热：凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称为结晶潜热。

相图，也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡[1]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。

铸锭的一般组织

组织特征：三个晶区

(1)细晶粒外壳（激冷层）：沿模壁一薄层液体中产生大量晶核，形成细小的等轴晶粒。

区域很窄。

(2)柱晶区：粗大的长柱状晶粒，紧接细晶外壳，定向结晶的产物。

两个一致性：

几何取向的一致性：各柱晶的长轴大致与模壁垂直；

晶体学取向的一致性：择尤取向，这种组织叫织构。

每个晶粒的长轴都与一个特定的晶向（织构轴）相平行。

(3)等轴晶区：较粗大的各方向尺寸近乎一致的晶粒，位于铸锭心部。

小角度晶界的结构模型：柏氏矢量平等的同号刃型位错垂直堆起来，晶界两边是对称的，称对称倾转晶界；柏氏矢量相互垂直的刃型位错交叉堆集而成的称为不对称倾转晶界；

由同号螺旋位错构成的为氛围晶界。

固溶体在强度方面，比两个纯组元的平均值高，单比一般化合物低；在范性和韧性方面，延伸率、面缩率等，比两个纯组元的平均值略低，单比一般的化合物要高得多、又较优越的综合力学性能。

凝固过程的成长机理：

(1)连续成长：适合于粗糙界面。晶体界面上，原子位置约有一半虚位以待，易于接纳

外来原子。晶体依靠原子由液体连续不断地向固体扩散而成长。

(2)借台阶侧向扩展成长：适合于具有台阶的平滑界面。台阶处原子附着时配位数大，

结合较强，不易再返回液体中。界面上台阶越多，沿法向成长的线速度愈大。界

面晶面的原子密度越低，台阶密度愈大。

(3)二维晶核式的成长：适合于晶体界面既无台阶也无缺陷，理想平面。单个孤立原子

很难稳定在晶体表面，结合牢靠。靠系统能量涨落形成一个具有单原子厚度、并

具有一定宽度（临界晶核尺寸）的平面原子集团，同时落在平滑界面上。二维晶

核形成后，周围出现台阶晶体借台阶侧向扩展成长

凝固过程的宏观特征：液体必须具有一定的过冷度，凝固才能发生；凝固过程中伴随着潜热的释放，结晶潜热。

区域偏析（宏观偏析）：

1. 正常偏析：K0<1的合金系，先凝固区域的溶质（或杂质）浓度低于后凝固区域。正

常偏析一般发生在柱晶范围内,溶质分布随液、固相扩散混匀能力而变化。

2. 反常偏析：枝晶之间残留液体随枝晶横向扩展而浓度升高、熔点下降、凝固缓慢，

枝晶之间若断若续留有隧道和暗流。凝固收缩产生负压，使柱晶间富集溶质或杂质的液体向外倒流，而后凝固。

3. 比重偏析：固、液相间有成分和比重的差异，结晶过程中发生了浮、沉现象，造成

偏析。绝大部分金属和合金的固相比重大于液相结晶体总是往下沉→“结晶雨” 。异分凝固时不一定。

结晶后的组织中产生显微偏析的原因，采取什么措施能减弱和消除偏析？

显微偏析：固溶体的结晶只要偏离平衡态，都会引起偏析，一般发生在几个晶粒距离范围内，称为显微偏析。

消除办法：产生后可用扩散退火法消除掉，快冷。一般来说，快冷大多可使显微偏析减弱。当冷却速度很大时（如近代激冷技术），可获得近似非扩散凝固，可得到超细晶粒、超饱和度、低偏析或无偏析、甚至非晶态组织。

凝固以后减小或消除偏析：扩散退火均匀化，即在高温较长时间加热和保温。

固溶体结晶过程的特点：

1）结晶过程发生在一个温度范围内

2）结晶过程所形成的晶体与其紑化学成分不一样，而且无论是晶体或是液体的成分，都随着温度的下降而不断地变化着。韧性自然就会提高。

相界面：在复相合金中，一个晶粒周围可以出现成分结构都不相同的另一种晶粒，它们间的界面为相界面。

结晶与再结晶

吕德斯：某些含有溶质组元的单晶体或多晶体的应力-应变曲线：滑移启动的抗力较大（上屈服点），而滑移进行的抗力较小（下屈服点）。一旦滑移开动进来，就可以在较低

的应力下进行，直到发生较明显的加工硬化后，应力才会进一步增加。

消除吕德斯带：消除柯氏气团，避免上、下屈服点的出现。

1）预变形法：预先摆脱溶质原子气团的作用；

2）消除溶质元素或加入一些固定溶质的元素。

影响扩散的因素：

1.温度与扩散系数的关系，成指数关系

2.界面对扩散的影响：D表面>D界面>D晶内。

3.晶体结构和结构缺陷对扩散的影响：密堆结构点阵中扩散比非密堆点阵中扩散慢。各

种结构缺陷都会使扩散系数增大，扩散速度加快。空位对扩散的影响：空位机理是扩散过程的重要机理，凡是能够提高空位浓度的有效方法，都能加速扩散。位错对扩散的影响D错>D内

4.化学成分对扩散的影响：一般说来，合金元素与溶剂的差别越大，它在溶剂中的扩散

速度也盐碱。

5.扩散的异性：扩散在异性的晶体中，由于各个方向上原子的排列不同，原子跳动的频

率就会有差异，这最终会反应在各个方向上的扩散速度的差异上，称为扩散的异性。 回复与再结晶过程中组织和性能的变化特征（形变金属或合金退火过程中的一般变化）

一、显微组织的基本变化

回复阶段：光学显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长或偏平状，电镜下的精细组织可显示出变化。

再结晶阶段：形变晶粒内部发生了新晶粒的生核和成长过程，直到形变组织完全改组为新的等轴晶粒为止。再结晶是一个无畸变晶粒在畸变基本中的生核和成长过程，这个阶段宏观性能变化最剧烈。

晶粒长大阶段：新晶粒逐步相互吞食而长大，直到达到一个较为稳定的尺寸。

二、储存能的变化

同一金属，再结晶阶段对应能量释放最大峰值。不同金属，回复过程释放的能量：对纯

金属来说很小（3％），再结晶驱动力大，对合金来说很大（70％），再结晶驱动力小。

杂质原子或合金组元能够显著推迟基体金属的再结晶过程。

三、性能的变化

1.硬度(位错起作用)：回复阶段变化小,约占总变化的1/5；再结晶阶段变化大,约占总变

化的4/5.强度变化相似.

2.电阻(点缺陷起作用)：回复阶段和再结晶阶段变化相似.点缺陷密度显著下降.

3.密度(空位起作用)：回复阶段和再结晶阶段变化相似.空位浓度和刃型位错密度减小.

回复阶段：力学性能变化小（硬度、强度）物理性能变化大（电阻、密度）。再结晶阶段：宏观性能变化大

粗大再结晶晶粒措施：

再结晶：是一个显微组织彻底重新改组的过程。（是无畸变能或畸变能较低的晶粒在畸变能较高的若何中进行生核和成长的过程，驱动力是畸变能差，阻力则来自晶界能） 再结晶温度：再结晶温度不象结晶或其它的相恋温度那样确定不变，它受许多因素影响，可以随条件的不同而在一个相当宽的范围内变化。通常所说的再结晶温度是指在规定的时间内（如一个小时）通匪免冠地结晶，或再结晶达到规定程度（如94%）的最低温度。

即再结晶温度包含时间和再结晶量两个因素在内。

强度：影响金属材料强度的因素主要是温度和外力，金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出；

提高强度的主要途径是通过热处理和添加元素，改变原有材料的分子结构。

强化途径有固溶强化、弥散强化、细晶强化、时效强化四种。

影响因素包括晶粒大小，显微组织的均匀程度，材料的成分和加工工艺等。

具体的请参照材料热处理方面的资料。