金属学-知识点

金属是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而增加。

晶体的三个特性：原子按一定的规律周期性地重复排列着；具有一定的熔点；各向异性（异向性）

空间点阵：由这些阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。 晶格：将阵点用直线连接起来形成空间格子 晶格常数/点阵常数：晶胞的棱边长度

布拉菲点阵：14种类型，7个晶系，常见类型：体心立方结构a-Fe Cr V、面心立方结构r-Fe Cu Ni、密排六方结构 Zn Mg Be

配位数：晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目 致密度：原子排列的紧密程度，原子所占体积与晶胞体积之比。 晶向指数和晶面指数——画图

晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向

晶向[uvw]与晶面(hkl)平行 hu+kv+lw=0 垂直 u=h v=k w=l 晶面间距公式P17

伪等向性：多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被互相抵消，因此在一般情况下整个晶体不显示各向异性。 晶体缺陷：点、线、面缺陷。

点缺陷：1、原子迁移到晶体的表面上，肖脱基空位。2、迁移到晶格间隙中，弗兰克尔空位 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行 晶体内部位错线是封闭的

晶界特性：高温弱化，低温强化。

过冷度：金属理论结晶温度与实际结晶温度之差。 结晶的过程是形核、长大两个过程交错重叠

结构起伏/相起伏：不断变化着的短程有序原子集团。 晶核形成：均匀形核、非均匀形核。

晶体长大机制：1、二维晶核长大机制 2、螺型位错长大机制（光滑界面长大）；3、连续长大机制（粗糙界面长大）

晶体长大的要点：1、具有粗糙界面的金属，其长大机制为连续长大，长大速度大，多需过冷度小。2、具有光滑界面的金属化合物、半金属或非金属等，其长大机制两种：二维长大和螺型位错长大，长大速度慢，所需过冷度大。3、晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，正温度梯度是，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿张；粗糙界面的形态为平行于Tm等温的平直界面，呈平面长大方式；在负的温度梯度下长大时，一般金属和非金属都呈树枝状，只有杰克逊因子a值较高的物质保持光滑界面形态。 细晶强化：细化建立来提高材料强度的方法

细化晶粒的方法：1、控制过冷度2、变质处理3、振动或搅动

铸锭组织：1、细晶区。2、柱状晶区。3、等轴晶区(可能部分铸锭没有)。 穿晶组织：柱状晶长大到铸锭中心，直到与其他柱状晶相遇而止的铸锭组织。 铸锭、铸件缺陷：缩孔、气泡、夹杂物

晶体的结构特点分为：固溶体和金属化合物。

固溶体晶格类型与溶剂的晶格类型相同，金属化合物是新相

固溶强化：固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶度的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。晶格畸变程度大，固溶强化程度高 匀晶相图：两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图 固溶体合金的结晶特点：1、异分结晶2、固溶体合金的结晶需要一定的温度范围 晶内偏析/枝晶偏析：晶粒内部化学成分不均匀的现象。

消除晶内偏析——均匀化退火

伪共晶组织：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金，也可能得到全部共晶组织，这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织。 离异共晶：两相分离的共晶 相图特征P103

等温截面——等边三角形

金属塑性变形通过滑移进行（滑移是在切应力作用下发生的） 滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来。 软取向：滑移面的法向与外力轴的夹角接近45°

几何硬化：如果某一滑移系的取向处于软取向，那么，在拉伸时随着晶体取向的改变，滑移面的法向和外力轴的夹角越来远离45°，从而使滑移系越来越困难（反之为几何软化） 面心立方的金属很少发生孪生变形。

塑性变形对组织结构的影响：1、显微组织的变化 2、亚结构的细化 3、形变织构

塑性变形对金属性能的影响：1、加工硬化(再结晶退火处理) 2、对物理和化学性能的影响 再结晶温度T再≈δTm δ=0.25-0.35 Tm熔点（两个温度均以热力学温度） 晶体长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。 冷拔之后的应力去除——去应力退火 8.1.何谓扩散，固态扩散有哪些种类？

答：扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输 的一种方式。 固态扩散根据扩散过程是否发生浓度变化可以分为自扩散和 异扩散；根据扩散是否与浓度梯度的方向相同可分为上坡扩散和 下坡扩散；根据扩散过程是否出现新相可分为原子扩散和反应扩 散。 8.3.扩散系数的物理意义是什么 影响因素有哪些？

扩散系数 D=D0e(-Q/RT)， 其物理意义相当于浓度梯度为 1 时的扩散 通量，D 的值越大，则扩散越快。影响因素？

8.4.固态金属中要发生扩散必须满足哪些条件。

固态金属要发生扩散，必须满足： 1）扩散要有驱动力 2）扩散原子要固溶 3）温度要足够高 4）时间要足够长

7.1.用冷拔铜丝制成导线，冷拔之后应如何处理，为什么？

答：冷拔之后应该进行退火处理。因为冷拔是在再结晶温度以下 进行加工，因此会引起加工硬化，所以要通过回复再结晶，使金属的强度和硬度下降，提高其塑性。 7. 3.已知 W、Fe、Cu 的熔点分别为 3399℃、1538℃和 1083℃，试估算 其再结晶温度。 其再结晶温度。 解：T再≈δTm，其中σ=0.35~0.4，取 σ =0.4，则 W、Fe、Cu 的 再结晶温度分别为 3399℃×0.4=1 359.6℃、1538℃×0.4=615.2℃和 1083℃×0.4=433.2℃

7.7.一块纯锡板被枪弹击穿，经再结晶退火后， 一块纯锡板被枪弹击穿 何特征，并说明原因。

答：晶粒异常长大，因为受子弹击穿后，大孔周围产生了较大的 变形度，由于变形度对再结晶晶粒大小有着重大影响，而且在受击穿 空洞的周围其变形度呈现梯度变化， 因此当变形度达到某一数值的时 候，就会得到特别粗大的晶粒了。 7-8钢丝断裂原因？

答：颚板温度为1000°高于铁的再结晶温度，冷拔钢丝绳的钢材内部发生了再结晶，金属的强度和硬度下降，塑性提高，发生断裂。

6.4试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、 晶粒越细强度越高 好的原因是什么？

答：由 Hall-Petch 公式可知，屈服强度 σs 与晶粒直径平方根的 倒数 d v2 呈线性关系。 在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒 转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞 积群所 产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起 来，从而进行协调性的多滑移。 由 τ=nτ0 知，塞积位错数目 n 越大， 应力集中 τ 越大。 位错数目 n 与引起塞积的晶界到位错源的距离成正 比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应 力下，小晶粒需要在较大的外加应 力下才能使相邻晶粒发生塑性变 形。 在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行， 晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引 起的应力集中减小，材料 在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另 外，晶粒 细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸 收更多能量，表现出较高的韧性。

3.1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长， 在正温度梯度下 体合金却能呈树枝状成长？

答 纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必需在负的温度梯度下；在 正的温度梯度下，只能以平面状长大。而固溶体实际凝固时，往往会 产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。

3.4.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？

在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前 沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于 实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。长大方式：由平面状生长变为胞状或树枝状生长。铸锭组织：大的过冷度使形核率增加，细晶区厚度增大。

3.5共晶点与共晶线的关系?共晶组织的形态？如何形成的？

共晶点是共晶线上的一个点，成分在此点处的合金结晶全部为共晶组织。

共晶组织的形态：层片状、棒状、球状、针片状、螺旋状等。共晶组织中的两个组成相的本质是其形态的决定性因素。

2.3 为什么金属结晶时一定要有过冷度，影响过冷度的因素是什么，固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？

答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自 由度是否低于液相的自由度，即 ?G =GS-GL<0；只有当温度低于理 论结晶温度 Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能， 液态 金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过 冷度。

影响过冷度的因素：1）金属的本性， 金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高， 过 冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。

固态金属熔 化时会出现过热度。原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否 发生，取决于液相自 固态金属熔化时会出现过热度。固相自由度是 否低于固相的自由度，即 ?G = GL-GS<0；只有当温度高于理论结晶 温度 Tm 时，液态金属的自 由能才低于固态金属的自由能，固态金 属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。 2.4.试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。

相同点：均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均 匀形核的临界形核功也等于三分之一 . 不同点：非均匀形核要克服的位垒比均匀形核的小得多，在相变 的形核过程通常都是非均匀形核优先进行。 核心总是倾向于以使其总 的表面能和应变能最小的方式形成， 因而析出物的形状是总应变能和 总表面能综合影响的结果。

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