金属材料考研

1 1.金属结构及性质相关 晶体类型 原子密排面 密排方向 晶胞中的原子数 配位数CN 致密度K 体心立方（BCC） 110 111 2 8 0.68

面心立方（FCC） 111 110 4 12 0.74

密排六方（HCP） 0001 0211 6 12 0.74

三种典型金属晶体结构中的间隙 晶体类型 间隙类型 一个晶胞内的间隙数 原子半径Ar 间隙半径Br ABrr

体心立方（BCC） 四面体 12 43a 0.291 扁八面体 6 0.155 面心立方（FCC） 正四面体 8 42a 0.225 正八面体 4 0.414 密排六方（HCP） 四面体 12 244aa 0.225 正八面体 6 0.414

位错的滑移特征 类型 柏氏向量 位错线运动方向 晶体滑移方向 切应力方向 滑移面个数 刃型 ⊥位错线 ⊥位错线 与b一致 与b一致 唯一 螺 ∥位错线 ⊥位错线 与b一致 与b一致 多个 混合 成一定角度 ⊥位错线 与b一致 与b一致

金属的许多宏观性质都是由于金属键的存在而引起的。①金属中大量的自由电子能在金属两端电 2

势差的作用下定向流动，形成电流，显示了金属良好的导电性；②温度升高，金属正离子振动振幅增大，电子运动受阻，电阻升高，因此金属具有真的电阻温度系数；③金属热量的传递，不仅依靠金属正离子的振动，更由于自由电子的运动，极大增强了热量传递，所以金属具有良好的导热性；④自由电子容易吸收可见光的能量，随后又将吸收的能量辐射出来，从而使金属不透明并且具有光泽；⑤金属两部分作相对位移时，金属正离子仍始终沉浸在电子云中，保持着金属键的结合，因此金属能变性而不断裂，具有延展性。 2.材料强化的主要方法及其机制 a. 固溶强化 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。①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；②溶质原子的引入会在位错周围生成柯氏气团，柯氏气团对位错有钉扎作用；③溶质原子在层错区的偏聚会阻碍扩展位错的运动。使材料强度和硬度提高，但是塑性和韧性有所下降。 b. 细晶强化 工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。①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；②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。 c. 第二相强化 复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相的存在。当第二相以细小弥散的颗粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用，这种强化作用称为第二相强化。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特例。 d. 加工硬化（形变强化）金属材料在再结晶温度以下，随着塑性变形的进行，变形抗力升高的现象叫做加工硬化。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，使位错密度提高，阻碍了位错的运动，从而提高材料的强度和硬度。 总结：材料强化的本质都是阻碍位错的运动，所以可以从以下方面来考虑：⑴加入杂质，把自己钉扎在位错上（固溶强化）；⑵增加晶体中的位错密度（加工硬化）；⑶增加界面的数目（细晶强化）；⑷在点阵中嵌入晶体结构与基体材料不同的颗粒( 沉淀强化) 3.为什么说细晶粒金属表现出较高的强度的同时还有较好的塑性和韧性？ 晶界阻碍位错运动，因此多晶体金属晶粒越细，单位体积内晶界越多，为使滑移在相邻晶粒之间传播就必须施加更大的外力，消耗更多的能量，其塑性变形抗力即强度也就越高。金属的晶粒细小，在一定变形量下，变形就会分散在很多晶粒内进行，每个晶粒变形量小；此外，小晶粒变形也比较均匀些。这使小晶粒变形时应力集中程度较小，因应力集中而引起开裂的机会也较少，从 3

而细晶粒金属断裂前能承受较大的变形量，表现出良好的塑性。细晶粒金属中，裂纹不容易产生也不容易扩散，断裂过程中要吸收更多的能量意味着外力要做更大的功，所以细晶粒金属也具有较好的韧性。 沿着晶体的不同方向所测得的性能不同（如导电性、导热性、热膨胀性、强度等），表现出或大或小的差异，称为晶体的各向异性。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体称为单晶体。 4. 简述原子间四种键的各自特点，并从结合键的角度讨论金属的力学特性。 类型 作用力来源 键强度 力学性能特点

离子键 正负离子间的吸引力 最强 硬度高、强度大、脆性大

共价键 相邻原子价电子各处于相反的自选状态，原子核间的库伦引力 强 硬度高、强度大、脆性大 金属键 自由电子与金属正离子间的库伦吸引力 较强 塑性变形能力好，强度高，韧性好 二次键（分子键、氢键） 原子或分子之间由于诱导或永久电偶极子相互作用而产生 弱 硬度低，塑性，韧性好

金属键由于没有方向性和饱和性，对原子也没用选择性，在外力作用下发生相对移动时，金属正离子仍处于电子云的包围中，金属键不会受到破坏，因此金属能够经受形变而不断裂，具有较好的塑性变形能力。

显微组织概念：显微组织：采用适当方法（如侵蚀）处理后的金属试样的磨面或其复型或用适当方法制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织。 5.晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。 按照原子的排列特征可将固态物质分为晶体和非晶体。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列，而非晶体原子则是无规则排列的。晶态与非晶态往往是可以相互转换的。晶体结构的基本特征是，原子在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。晶体与非晶体在性能上的区别：①晶体融化时具有固定的熔点，而非晶体则无固定熔点，存在一个软化温度范围。②晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。晶体的各向异性——沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性、 4

导热性、弹性、强度等）并不相同。非晶体的性能不因方向而异，称为各向同性。实例：沿铜单晶体不同方向测定有关性能的最大值和最小值之比，对弹性模量来说可达2.86，抗拉强度则为2.70。但是实际用到的金属材料由于一般是多晶体材料，所以表现不出各向异性。空间点阵（简称点阵）——阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由他们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵。晶格——将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。晶胞——从点阵中取出一个能代表点阵特征的最基本单元。 晶格常数——三条棱边的边长a，b，c。布拉非点阵（有且只有14种空间点阵），7个晶系。参考（上交P21）。晶面间距——相邻的两个平行晶面之间的距离。通常，低晶面指数的面间距交大，而高指数的面间距则较小。此外，晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密；晶面间距越小，则排列越稀疏。 6.合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点。 所谓合金，是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。组成合金的基本的、独立的物质称为组元。改变和提高金属材料的性能，合金化是最主要的途径。所谓合金相，是指合金中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。它是由单相合金和多相合金组成。固态下所形成的合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。 固溶体 溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型所形成的合金相称为固溶体。固溶体的性能特点 ①点阵常数改变 ②产生固溶强化 ③物理和化学性能发生变化 中间相 两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B两组元均不相同的新相，由于它们在二元相图的位置总是位于中间，通常把这些相称为中间相。大多数中间相中，原子间的结合方式属于金属键与其他典型键相混合的一种结合方式，因此，它们都具有金属性。 7.点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置 换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。

根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类： ⑴ 点缺陷，其特征是三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。 ⑵ 线缺陷，特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错。 ⑶ 面缺陷，特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等属于面缺陷。 5

当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基空位；二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗兰克尔空位；三是跑到其他空位中，使空位消失或是空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成间隙原子。 点缺陷对材料性能的影响：晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组织熵和振动熵的改变，是晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 固溶体：溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型所形成的合金相称为固溶体，根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。 当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。影响固溶体固溶度的因素（上交 P42）：a. 晶体结构、b. 原子尺寸因素、

c. 电负性因素、d. 电子浓度。所谓电子浓度就是合金中价电子数目与原子数目的比值，即ae ，计算公式100)100(BxxAae，A,B分别为溶剂和溶质的原子价，x为溶质的原子数分数（%），还应指出，影响固溶度的因素还有温度。 8.扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。 扩散的概念：扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程。 在固体中，原子或分子的迁移只能靠扩散来进行。 扩散第一定律（菲克第一定律）：当固体中存在成分差异是，原子将从高浓度处向低浓度处扩散，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。方程式是