金属学原理（物理冶金原理）为北航材料学院2009年考研新加科目，考试内容为大二必修课《物理冶金原理》，参考书目上海交通大学出版的《材料科学基础》。本资料参考物理冶金原理思考题整理，由朱言言录入，期间参考了魏然，郭旭东，赵觅等同学提供的相关资料。希望大家复习时仍以课件和教材为主，时间仓促，整理者水平有限，难免纰漏，本资料答案仅供参考。

目录
1.    晶体学基础、金属及合金相结构、固体金属原子扩散    1
2.    纯金属的凝固、二元合金、三元合金相图及凝固    8
3.    位错基本理论、界面    14
4.    金属的塑性变形    19
5.    变形金属的回复与再结晶    22
6.    2008年物理冶金原理期末考试试题    26
7.    2001年物理冶金原理期末考试试题    29
8.    2003年物理冶金原理期末考试试题    31


1.    晶体学基础、金属及合金相结构、固体金属原子扩散
1、简述题及基本概念
1）金属键及金属的性能特点；
     在金属晶体中，自由电子是所有金属晶体所共有，并在金属正离子之间运动，形成所谓电子云，金属键就是电子云和金属正离子之间的静电引力。
金属键特点：自由电子公有化；无方向性；无饱和性；不选择结合对象；→种类及潜力无穷；→塑性变形及加工硬化
金属性能特点：
一、    优异的物理性能：磁、光、电子、信息、储能等；优良的导电性及正的电阻温度系数；优异的导热性；…………….
二、    优异的力学性能配合：优异的强韧性配合（高强度～4000MPa；高塑性及加工硬化；高韧性及损伤容限）；使用温度范围宽广(高温、中温、室温、低温)且力学性能优异；优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗热腐蚀等性能
三、    优异的成形加工性能Processing ability：优异与灵活的凝固加工成型性能（铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件；焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造）；独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的冷加工成型能力（冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压…；冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）；优异的热加工成型能力（锻造、热轧、热挤压）
四、    独特的抗过载能力及使用安全性(加工硬化)：零件局部过载à塑性变形à加工硬化à材料强度提高à不但不会失效、承载能力反而提高、使用安全；加工硬化à避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用；加工硬化à避免变形集中、材料均匀变形à冷加工热加工成型成为可能。
2)金属晶体及其性质；
晶体: 原子或原子集团在三维空间周期性无限重复排列的物质
性质：高的热力学稳定性；各向异性 ( Anisotropy of Properties)；宏观性质的均匀性；一定的熔点；规则的外形（外表面为往往低表面能的特殊晶面）
3）金属非晶及性能特点；
    原子排列长程无序或短程有序Long-range disorder or short-range order
    无晶界、无成分偏析、成分完全均匀
    没有固定熔点(玻璃转化温度）
    各向同性（Isotropic )
    高强度、无加工硬化、低塑性
    高弹性、高耐蚀、高耐磨
    优异的磁性、储氢性能、
4)材料分类方法及各类材料的优缺点；
   按功能分类：结构材料（按组成、性质、用途……）；功能材料（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料……）。
陶瓷材料的性能优点：
    共价键及离子键原子间结合键强、化学稳定性高
    高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好
    硬度高、耐磨性优异
    导热系数低、隔热性能好 (TBCs)
    不导电，绝缘材料
陶瓷材料的性能缺点
    无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受动载荷、应用面窄；
      对缺陷极其敏感、无损伤容忍性 (No Damage－Tolerance)、 使用不安全
     加工制造困难 (切削加工困难；无法焊接、锻压、扎制、锚接、无法修复等)
     回收利用(Recycling)难度大、成本高
高分子材料的性能缺点： 使用温度范围窄 (高温软、低温脆)； 高温力学性能低、高温老化；低温韧性差、低温脆化； 长期化学及力学性能稳定性低à性能退化 (Degradation)； 回收问题  (Recycling )
5)复合材料性能特点及存在的问题；
复合材料的性能优点
•    有机结合充分发挥各种材料的性质
•    凭借高明的设计加工合成灵活控制各种性质
•    实现任何单一组成无法达到的性能
复合材料的性能缺点(金属基及陶瓷基) :
•      材料制备工艺复杂、成本高；
•      性能一致性差、质量保障技术；
•     缺乏可靠的制造技术(Manufacturing Technologies )
→切削加工、焊接与连接、锻压、扎制、表面处理、修复等长期性能稳定性及性能退化问题
•    无法回收利用(Recycling )
6)空间点阵、晶胞及点阵常数；
    把基元看成几何点，这些点在三维空间构成空间点阵（Space Lattice）
    在晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。
    以三个平移基矢为棱所作的平行六面体称为点阵晶胞，或称简单晶胞。
    如果在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体结构中各原子的位置，这部分原子构成了晶体结构中具有代表性的部分，含有这一附加信息的晶胞称为结构晶胞。
    三个棱长a\b\c,和棱间夹角\\共六个参数叫做点阵常数或晶格常数。
7)晶体结构符号（Pearson符号）：
第一个为小写字母代表所属晶系,第二个为大写字母代表点阵类型
  a 三斜 m 单斜 o 正交 h 六方 c 立方
P 简单 G 底心 I 体心 F 面心 R 菱方
8)晶面指数及晶向指数的求法；
晶向指数及其求法
    过坐标原点作晶向的平行线或将该晶向平移至坐标原点
    在该晶向上任取一点并以晶格常数为单位求位置坐标值
    将坐标值化成最小整数并放入方括号中[uvw]
    负号写在数字上方，符号相反的两晶向方向相反： [112]与[112]
晶面指数的求法: (h k l)
    选定坐标系原点或移动晶面使晶面与三坐标轴相截
    以晶格常数为单位求晶面与x、y、z三坐标轴的截距
    取三截距的倒数并化成最小整数: h, k, l
    放入圆括号中(负号写在数字上方)：(hkl)
9)晶面族与晶向族；
晶面族（Family of Crystallographic Planes）
晶体中原子排列规律相同、位向不同的所有晶面（数字相同但次序及负号不同的所有晶面）表示符号：{hkl}
晶向族（Family of Crystallographic Directions）原子排列特征相同、位向不同的全部晶向: <uvw>
10)晶带、晶带轴及晶带定理；
如果一系列非平行晶面都平行于或包含某一特定方向，则这些晶面(hkl)同属于一个晶带，这个特定方向称为晶带轴[uvw]。
晶带定理：hu + kv + lw = 0
11)三种典型晶体结构 配位数、致密度、原子半径;
晶体结构中任意原子最近邻的原子数目叫做该晶体结构的配位数
在相互接触圆球构成的晶胞模型内，原字所占体积（Vs）于晶胞体积（V）的比值叫做致密度
体心立方BCC: CN：8 + 6;  ;η：0.68，
面心立方FCC: CN：12    ;  ;η：0.74
密排六方HCP: CN： 6 + 6;      ;η：0.74
体心立方为非最紧密堆积结构，面心立方和密排六方均为最紧密堆积结构。按照原子排列顺序面心立方为ABCABCABC结构，密排六方为ABABAB结构。三种晶体结构各有一组原子密排面和密排方向，分别是面心立方的{111}<110>,体心立方的{110}< 111>，密排六方的{0001} <1120>。
原子半径:根据晶体结构中最近邻原子之间的距离S 求出r=S%2,由于原子间距随配位数的减少而减少,故不同结构的原子半径应该按照配位数位12的标准密堆积结构进行修正后再进行比较.
12)间隙、间隙半径；
密堆积结构中的间隙：四面体间隙数(2)是八面体间隙数(1)的两倍，也是原子数的两倍。四面体间隙：r≈0.225R；八面体间隙：r≈0.414R；
FCC&HCP结构中的间隙：四面体间隙：r≈0.291R；八面体间隙：r≈0.155R；间隙数量少、尺寸大
BCC结构中的间隙：四面体间隙(6)：r≈0.291R；八面体间隙(3)：r≈0.155R；扁八面体
 

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