北京航空航天大学材料学院金属学原理复习要点

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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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