材料科学基础位错部分知识点
第三章晶体结构缺陷（位错部分）
1.刃型位错及螺型位错的特征
刃型位错特征：
1）刃型位错是由一个多余半原子面所组成的线缺陷；
2）位错滑移矢量(柏氏向量)垂直于位错线，而且滑移面是位错线和滑移矢量所构成唯一平面；
3）位错的滑移运动是通过滑移面上方的原子面相对于下方原子面移动一个滑移矢量来实现的；
4）刃型位错线的形状可以是直线、折线和曲线；
5）晶体中产生刃型位错时，其周围的点阵发生弹性畸变，使晶体处于受力状态，既有正应变，又有切应变。
螺型位错特征：
1)螺型位错是由原子错排呈轴线对称的一种线缺陷；
2)螺型位错线与滑移矢量平行，因此，位错线只能是直线；
3)螺型位错线的滑移方向与晶体滑移方向、应力矢量方向互相垂直；
4)位错线与滑移矢量同方向的为右螺型位错；为此系与滑移矢量异向的为左螺型位错。
刃型位错螺型位错
位错线和柏氏矢量关系（判断位错类型）⊥∥
滑移方向∥b∥b
位错线运动方向和柏氏矢量关系∥⊥
相关概念（ppt上的，大概看一看）：
A.位错运动与晶体滑移：通过位错运动可以在较小的外加载荷下晶体产生滑移，宏观显现为产生塑
性变形。
B.位错线：位错产生点阵畸变区空间呈线状分布。对于纯刃型位错，其可以描述为刃型位错多余半
原子面的下端沿线。为了与其它类型位错统一，位错线可表述为已滑移区与未滑移区的交界线。
C.混合型位错：在外力作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线
既不垂直也不平行滑移方向(柏氏矢量b)，这样的位错称为混合位错。（位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的。）
=l/V；单位面积内位错条数来表示位错密度：
D.错位密度：单位体积内位错线的长度：ρ
v
=n/S。（金属中位错密度通常在106~8—1010~121/c㎡之间。）
ρ
s
2.柏氏矢量：
1）刃型位错和螺型位错的柏氏矢量表示：
2）柏氏矢量的含义：
柏氏矢量反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。通常将柏氏矢量模长称为位错强度，它也表示出晶体滑移时原子移动的大小。柏氏矢量方向表示原子移动方向。
柏氏矢量的守恒性:一个柏氏矢量是固定不变的
推论：
1.一条位错线只有一个柏氏矢量
2.流向节点的各位错的柏氏矢量的和等于流出的总和
3.位错线不能终止于晶体内部
3.位错运动：刃型位错——滑移和攀移；螺型位错——滑移和交滑移
相关概念：
滑移：切应力的作用下，当此力克服位错运动时受到的阻力时，位错便可以沿着特定原子面（滑移面）移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。（位错运动滑移面是该条位错柏氏矢量与其位错线确定的平面。）
可动位错：当该原子面为实际晶体滑移面时位错运动阻力小，可产生滑移运动，称为可移动位错。不可动位错：当该原子面不是实际晶体滑移面时位错运动阻力很大，不可产生滑移运动，称为不可移动位错。
交滑移：由于螺型位错滑移面不唯一，当其滑移运动过程受到阻碍，可沿相同滑移方向在其它滑移面上进行。
攀移：刃型位错还在垂直于滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。
位错运动特征：
刃位错滑移：
A.位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移；
B.滑移量=柏氏矢量的模；
C.外力τ//b，位错线⊥τ，位错线运动方向//τ
D.τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；
E.滑移面唯一。
螺位错滑移：
A.位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移；
B.滑移量=柏氏矢量的模；
C.τ//b，位错线//τ，位错线运动方向⊥τ；
D.τ一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；
E.滑移面不唯一。
刃位错攀移：
A.刃位错垂直于滑移面运动——非守恒运动
B.属扩散过程——需热激活——高温易出现
攀移作用：（攀移只能在刃位错中发生）
原滑移面上运动受阻—攀移—新滑移面—滑移继续
说明：攀移不是位错运动主要机制—但是通过攀移可避开障碍物—便于滑移
结论：攀移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力
位错启动力——派纳力（老师没说）：
位错中心偏离平衡位置引起晶体能量增加，构成能垒－位错运动阻力，Peierls－Nabarro 力
)/2exp(12])1(2exp[12b W G b a G p πννπντ--≈---≈称为位错宽度其中)
1(ν-=a W a 为滑移面的面间距，b 为滑移方向上的原子间距。
密排面（a 大），密排方向（b 小），故派纳力较小
推论：
通过位错滑动而使晶体滑移，τp 较小。当a≈b，v=0.3时，则τp 为(10-3-10-4)G，仅为理想晶体的1/100/--1/1000。
τp 随a 值的增大和b 值的减小而下降，在晶体中，原子最密排面其间距a 为最大，原子最密排方向其b 值为最小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行。
τp 随位错宽度减小而增大
可见强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。
4.位错受力
位错的线张力：
单位位错具有能量，受能量降低影响位错线总是趋于收缩，这使得位错具有线张力。线张力在数值上与位错应变能相等。
2Gb
2
=α
T
W
5.0
Gb≈
=
作用：使位错变直——降低位错能量；相当于物质弹性——称之为位错弹性性质；类似于液体的表面张力。
作用在位错线上的力：
作用在刃型位错线上的滑移力F方向与外切应力τ方向一致，而作用在螺型位错线上的滑移力F方向
Fτ=
与外切应力τ相垂直。共性：指向滑移面的未滑移区。b
外加正应力对位错线的作用：
作用在单位长度刃型位错线上的攀移力Fy的方向和位错线攀移方向一致，垂直于位错线。
Fσ-=压应力促进正攀移，拉应力促进负攀移。
b
5.位错弹性力学性质（应力场+能量）
应力场：
螺位错：螺型位错的应力场中没有正应力分量，只有两个切应力分量，且其大小只与r有关，而与θ，z无关。即螺型位错应力场是轴对称的。注：公式不适用于位错中心处。τ＝Gb/2πr。
刃位错：1.既有正应力分量，又有切应力分量
2.应力大小与位错线距离呈反比
3.与Z坐标无关
4.滑移面为纯剪切应力，滑移面以上受压应力，滑移面以下受拉应力。
5.σxx＞σyy
位错应变能：
位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量的增加。
位错的能量可分为位错中心畸变能和位错应力场引起的弹性应变能。其中弹性应变能约占总能量的90%。
实际分析中，位错的应变能是指中心区域以外的弹性应变能。我们讨论的能量都是指单位长度位错线的能量。刃型位错弹性应变能约为螺型位错的1.5倍。
结论：
位错应变能是由位错中心错排能和弹性应变能两部分组成。
位错的应变能与柏氏矢量的平方成正比。柏氏矢量越小应变能越低，位错越稳定。因此，柏氏量大的位错可能发生分解。
晶体中刃型位错具有的位错能最高，混合位错次之，螺型位错最低，因此，在晶体中最易于形成螺型位错。
直线位错比曲线位错的能量小，位错总有伸直的趋势。
6.位错与其它晶体缺陷的交互作用
位错间交互作用：位错应力场交互作用（位错的抵消、位错的排列分布）
A.位错弹性交互作用(位错线平行）
螺型位错与螺型位错：异号位错相互吸引，同号相互排斥
刃型位错与刃型位错：位于同一滑移面上的刃型位错表现为异号位错相互吸引，同号相互排斥。处于不同滑移面上的位错受应力场相互作用将重新排列。（小角度晶界；多变化过程）
B.运动位错交截(位错线垂直）：割阶、扭折、固定割阶
共性：产生位错线弯曲，增加位错线长度，加大位错运动阻力。
扭折：弯曲段仍在原滑移面上，仍可随原位错滑移运动，易消失。
割阶：不处于原滑移面上，难消失，阻碍位错运动。
固定割阶：不处于原位错面，不随原位错运动。（攀移）
C.位错塞积：（不动位错的产生）
在分切应力?0作用下，由同1个位错源放出的位错在障碍前受阻，形成塞积群。
条数：n=kπτL/Gb（k系数，螺型k=1，刃型k=1-ν；τ滑移面上切应力分量；L位错源至障碍物距离；G剪切弹性模量；b位错柏氏矢量）
影响：后续位错运动受阻；反作用与位错源，使位错源停止开动；产生应力集中，引起相邻晶粒变形或产生裂纹
位错与溶质原子交互作用
1947年Cottrell阐明溶质原子和位错的交互作用（Cottrell气团）并用以解释低碳纲的屈服现象，第一次成功地利用位错理论解决金属机械性能的具体问题。
Snoek气团：BCC晶体中溶质原子在螺型位错周围某些间隙位置聚集。
铃木（Suzuki)气团：FCC晶体中溶质原子在扩展位错层错带中的富集或贫化。
位错与第二相粒子交互作用：切割和绕过机制
切割机制：
滑移面上位错驱动力足够大，可变形沉淀相颗粒产生变形，位错运动切过第二相继续运动。
产生条件：沉淀相具有一定塑性，粒子半径相对较小。
强化机制：沉淀相自身强度；产生新相界；基体与沉淀相滑移面错配；沉淀析出共格晶界破坏。
绕过机制：
驱动力足够大位错绕过不可变形第二相粒子继续运动，并包绕第二相粒子遗留位错环。
产生条件：沉淀相具有高强度，粒子半径比较大。
强化机制：第二相自身强度；增加位错线长度；沉淀相粒子与位错环共同作用加大后续阻力；包绕沉淀相粒子位错环，使颗粒有效距离减小。
7.位错增殖机制
弗兰克-瑞德(F-R)源
增殖过程;
产生方式：刃型位错的攀移；位错的交截形成固定割阶；螺型位错交滑移
开动条件：推动力(外力)>位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力。
当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。弯曲半径r与外力τ成反比。
当位错弯曲成半圆时，r最小，τ最大。Τ=Gb/L。
双交滑移增殖机制
A.螺型位错在(111)面上滑移。
B.因局部切应力变化螺型位错改变了滑移面。
C.又因局部切应力的减弱螺型位错发生交滑移，又回到原来的滑移面上。
有时在第二个(111)面扩展出来的位错圈又可以通过交滑移转移到第三个(111)面上进行增殖。从而使
位错迅速增加，因此，它是比上述的弗兰克一瑞德更有效的增殖机制。
8.实际晶体中的位错（全位错，不全位错，层错）
相关概念：
全位错：即柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错。期中恰好等于点阵矢量的位错称单位位错。不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量的位错。
层错：晶体在某一区域晶面堆垛顺序发生错乱，属于面缺陷。
层错能：形成层错几乎不产生点阵畸变，但其破坏了晶体排列周期性，造成附加能量升高。
金属中产生层错与层错能有关（不锈钢、黄铜层错能低；铝具有较高的层错能）
典型不全位错：
1.肖克莱不全位错
肖克莱不全位错为混合型位错，可在滑移面上滑移。对于具有低层错能金属，很容易扩展成不全位错加层错带结构。
肖克莱不全位错扩展与束集
位错扩展平衡宽度：d=G(b2·b3）/2πγ
2.弗兰克不全位错
插入或抽去一层密排面造成的不全位错，即为弗兰克不全位错。为纯刃型位错，其柏氏矢量为a/3<111>，垂直于滑移面，故弗兰克不全位错不能滑移，只能攀移。
位错反应（重）习题3-11
需满足的条件：
(1)几何条件-柏氏矢量守恒：∑∑=后
前b b (2)能量条件-满足热力学定律：∑∑22后
前〉b b 位错反应生成固定位错：]110[21]011[21]110[21a a a →+FCC 中，一个全位错分解成两个肖克莱不全位错：
]112[6
1]211[61]110[21a a a +→一个肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合成全位错：
]110[2
1]111[31]112[61a a a →+两个全位错合并成另一全位错：
]110[2
1]110[21]011[21a a a →+两个位错合并组合成另外两个位错：
]111[2
1]111[21]010[]100[a a a a +→+
第四章晶态固体中的扩散
1.相关概念：
扩散现象：原子、分子或离子迁移的微观过程以及由此引起的宏观现象。
扩散：扩散是一种由原子、分子或离子热运动引起的物质传输过程。
稳态扩散：在稳态扩散中，单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（称为扩散通量）不随时间变化，即任一点的浓度不随时间变化。（dc/dt=0）
非稳态扩散：扩散过程中任一点的浓度随时间而变化。（dc/dt=0）
下坡扩散：扩散由高浓度区向低浓度区进行。
2.菲克第一定律
内容：在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。
dx
dc
D J -=单位：扩散通量，J，atoms/(m2·s)或kg/(m2·s)；扩散系数，D，m2/s；浓度梯度，dc/dx，atoms/(m3·m)或kg/(m3·m)
“-”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散常由高浓度向低浓度区进行(称为下坡扩散）。
3.菲克第二定律非稳态扩散时，在一维情况下，菲克第二定律的表达式为：
22x
c D t c ??=??式中：c 为扩散物质的体积浓度(atoms/m3或kg/m3)；t 为扩散时间（s）；x 为扩散距离（m）。扩散第二方程反映的是扩散物质浓度与时间和空间位置之间的定量关系。
4.扩散方程求解（计算题）
扩散第一方程（稳定扩散）：
dC J D dx =-x
C C
D ?--≈12扩散第二方程：
高斯解：
机械专业基础知识--金属屈服强度、抗拉强度、硬度知识 [日期：2005-03-28编] 来源：Jackyc 原创文稿作者：陈俊光 [字体：大中小] 钢材机械性能介绍 1.屈服点（σs） 钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡 =N/m2） 2.屈服强度（σ0.2） 有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。 3.抗拉强度（σb） 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。 设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo （MPa）。 4.伸长率（δs） 材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。 5.屈强比（σs/σb） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。 6.硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 ⑴布氏硬度（HB） 以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 ⑵洛氏硬度（HR） 当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个支持角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢
第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu的原子直径为A，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar（Al）=，原子半径γ=，求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何
10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120]，[1101]晶向和（1012）晶面，并确定（1012）晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于（101），（011）和（112）晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃，有W C为%的碳溶于fcc铁的固溶体，求100个单位晶胞中有多少个碳原子（已知：Ar(Fe)=，Ar(C)=） 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=，α-Fe在略低于912℃时a=，求：（1）上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R；（2）γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率；（3）设γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化，求此转变时的体积变
《材料科学基础》教学教案导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义
第一章材料结构的基本知识 §1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键 一、一次键 1．离子键 2．共价键 3．金属键 二、二次键 1．范德瓦尔斯键 2．氢键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 §1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 §1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察
二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 §1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构 稳态结构 亚稳态结构阿累尼乌斯方程 第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞 坐标系 二、晶系和布拉菲点阵 7 个晶系 14 个布拉菲点阵 表2-1 三、晶向指数和晶面指数 1．晶向指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4．晶面间距
密排面间距大 5．晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带 定律：hu+kv+lw=0 ? 晶向指数和晶面指数确定练习，例题 §2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式 面心立方：ABCABCAB—C— 密排六方：ABABA—B — 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙 四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性 :-Fe, :-Fe, :-Fe 例：
金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。 钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。 金属材料的机械性能 1、弹性和塑性： 弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力 去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有： 比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。 弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。 塑性阶段的力学性能有： 屈服强度：材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。 屈服点：具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为 N/mm2（MPa）。 上屈服点（Re H）:试样发生屈服而力首次下降前 的最大应力； 下屈服点（Re L）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。 条件屈服强度：某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2 ％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。 规定非比例延伸强度（Rp）:非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，例如Rp0.2 表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 规定总延伸强度（Rt ）：总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。例如Rt0.5 表示规定总延伸率为
材料屈服强度及其影响因素 1. 屈服标准 工程上常用的屈服标准有三种： (1)比例极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。 (2)弹性极限试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以σel表示。应力超过σel时即认为材料开始屈服。 (3)屈服强度以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。 2. 影响屈服强度的因素 影响屈服强度的内在因素有： 结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化； (2)形变强化； (3)沉淀强化和弥散强化； (4)晶界和亚晶强化。 沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。 影响屈服强度的外在因素有： 温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。 3.屈服强度的工程意义 传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。 需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。 屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。 材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化。 4.加工硬化指数n的实际意义 加工硬化指数n反应了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。 对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，否则，在偶然过载的情况下，会产生过量的塑性变形，甚至有局部的不均匀变形或断裂，因此材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。 形变硬化是提高材料强度的重要手段。不锈钢有很大的加工硬化指数n=0.5，因而也有很高的均匀变形量。不锈钢的屈服强度不高，但如用冷变形可以成倍地提高。高碳钢丝经过
材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷 二、选择题（每题2分，共20分） 1．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2]111[. (A) 不能(B) 能(C) 可能 2．原子扩散的驱动力是：( ) (A) 组元的浓度梯度(B) 组元的化学势梯度(C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（） （A）形核率(B)系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（） (A) 氧离子空位(B) 钛离子空位(C)阳离子空位 5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1 材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 金属材料的基本知识综合测试 一、判断题（正确的填√，错误的填×） 1、导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器等零件。（） 2、一般，金属材料导热性比非金属材料差。（） 3、精密测量工具要选用膨胀系数较大的金属材料来制造。（） 4、易熔金属广泛用于火箭、导弹、飞机等。（） 5、铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等。（） 6、δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。（） 7、维氏硬度测试手续较繁，不宜用于成批生产的常规检验。（） 8、布氏硬度不能测试很硬的工件。（） 9、布氏硬度与洛氏硬度实验条件不同，两种硬度没有换算关系。（） 10、布氏硬度试验常用于成品件和较薄工件的硬度。 11、在F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径的大小有关，直径愈小，硬度值愈大。（） 12、材料硬度越高，耐磨性越好，抵抗局部变形的能力也越强。（） 13、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 14、20钢比T12钢的含碳量高。（） 15、金属材料的工艺性能有铸造性、锻压性，焊接性、热处理性能、切削加工性能、硬度、强度等。（） 16、金属材料愈硬愈好切削加工。（） 17、含碳量大于0.60%的钢为高碳钢，合金元素总含量大于10%的钢为高合金钢。（） 18、T10钢的平均含碳量比60Si2Mn的高。（） 19、一般来说低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢最差。（） 20、布氏硬度的代号为HV，而洛氏硬度的代号为HR。（） 21、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 22、某工人加工时，测量金属工件合格，交检验员后发现尺寸变动，其原因可能是金属材料有弹性变形。（） 二、选择题 1、下列性能不属于金属材料物理性能的是（）。 A、熔点 B、热膨胀性 C、耐腐蚀性 D、磁性 2、下列材料导电性最好的是（）。 A、铜 B、铝 C、铁烙合金 D、银 3、下列材料导热性最好的是（）。 A、银 B、塑料 C、铜 D、铝 4、铸造性能最好的是（）。 A、铸铁 B、灰口铸铁 C、铸造铝合金 D、铸造铝合金 5、锻压性最好的是（）。 1.固相烧结：固态粉末在适当的温度，压力，气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。 液相烧结：有液相参加的烧结过程。 2.金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。 3.离子键：金属原子自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样正负离子靠它们之间的静电引力结合在一起。 共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。氢键：由氢原子同时与两个电负性相差很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。 弗兰克缺陷：间隙空位对缺陷 肖脱基缺陷：正负离子空位对的 奥氏体：γ铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。 布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。 不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。 玻璃化转变温度：过冷液体随着温度的继续下降，过冷液体的黏度迅速增大，原子间的相互运动变得更加困难，所以当温度降至某一临界温度以下时，即固化成玻璃。这个临界温度称为玻璃化温度Tg。 表面能:表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。 半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 柏氏矢量:描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也使位错扫过后晶体相对滑动的量。 柏氏矢量物理意义： ①从位错的存在使得晶体中局部区域产生点阵畸变来说：一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。 ②从位错运动引起晶体宏观变形来说：表示该位错运动后能够在晶体中引起的相对位移。 部分位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错 包晶转变：在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。 包析反应:由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应。 包析转变：两个一定成分的固相在恒温（T）下转变为一个新的固相的恒温反应。包析转变与包晶转变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只有固相。 粗糙界面：界面的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据而另一半位置空着，这时界面称为微观粗糙界面。 重合位置点阵：当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。 成分过冷；界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷。 金属材料抗拉强度测量不确定度分析 1．试验依据 GB228-2002（金属材料拉伸试验方法） 试验采用RGM-100型万能材料试验机，以20～30MPa/s 速率加荷直至将试样拉伸至断裂。试样拉断时的最大力所对应的应力即为金属材料的抗拉强度。 2．钢材抗拉强度测量的影响因素 根据钢材抗拉强度的计算公式为： 24d F πσ= （1） 式中：σ －抗拉强度，单位MPa （N/mm 2）； F －拉力，单位 N ； d －钢材直径，单位mm 。 对于钢材抗拉强度检测，只要温度在室温（25～35℃）附近变化不大，温度对试验结果的影响就可以忽略不计；另外，只要加荷速率控制在规范允许范围内（规范允许范围：10-30MPa/s ；实际加荷速率：20-30MPa/s ），加荷速率的影响也可以忽略不计。能够对试验测试结果产生影响的因素主要有：重复测试（同一批试件在相同试验条件下重复测量结果的差异性）、试件截面积变化（归结为直径d 偏差）、荷载测量的精度以及测量结果的数据修约。上述影响因素中，试件材质非均匀性直接表现在测量结果的数据变化上，属于A 类不确定度评定；其余影响因素都是由于影响量的误差而导致试验测试量的偏差，均属B 类不确定度评定。金属材料抗拉强度测量不确定度影响因素汇总于表1中。 表1 影响金属材料抗拉强度测量准确性的主要因素 3．标准不确定度评定 3.1 样品不均匀性引起的标准不确定度R u 从根据这10个测试数据进行钢材抗拉强度测量不确定度的评定，属于A 类不确定度评定，相应的测量不确定度称为重复测量不确定度R u ，可采用贝塞尔法按（2）式进行评定： R u ＝∑=--n i i n n 1 2)()1(1σσ （2） 式中：n 为重复测量次数，σ i 为第i 次测量的材料强度测量值，σ为同一材料的试件强度各次测量结果的平均值。按式（2）计算，重复测量导致的试件抗拉强度测量标准不确定度为：R u 3.2 试件尺寸导致的测量标准不确定度d u 由于试件直径偏差导致的试件抗拉强度测量不确定度属B 类不确定度。 对于偏差为±a 的影响量x 的不确定度)(x u ，可按式（4）进行评定： )(x u ＝k a （3） 直径尺寸出现在区间d ±αmm 内各点的概率相等，即直径误差分布为均匀分布，所以其包含因子k =3。根据式（4），试件直径d 的测量不确定度)(d u 为： k a d u =)( （mm ） （4） 试件抗拉强度 σ 对试件直径 d 的灵敏系数d c ＝ d ??σ可以通过对式（1）求偏导数得到： d c ＝d ??σ＝38d F π-＝d σ2 （5） 取 σ ＝σ，d 取标称尺寸，代入上式中得d c MPa/mm ） 由试件直径偏差引起的试件抗拉强度测量标准不确定度d u 为： d u ＝d c ?)(d u （6） 3.3 试验机拉力误差引起的试件抗拉强度测量标准不确定度F u 一.名词解释 塑性韧性强度弹性比功分子键（空间）点阵固溶体间隙固溶体固溶强化位错多晶体单晶体反应扩散柯肯达尔效应二次结晶共晶转变包晶转变共析转变铁素体（非）均匀形核结构起伏成分过冷过冷度加工硬化再结晶淬透性（过）时效回火脆性调幅分解 二. 需掌握的知识点 1. 延性断裂和脆性断裂的区分标准—断裂前有无明显塑性变形。 2. 原子核外电子分布规律遵循的三个原则。 3. 金属键、离子键、共价键、分子键的特点。 4. 混合键比例计算与电负性差的关系。 5. fcc、bcc、hcp的常见金属、一个晶胞内原子数、配位数、致密度、常见滑移系等。 6. 固态合金相分为两大类：固溶体（间隙固溶体与置换固溶体）和中间相（区别点）。 7.影响固溶体溶解度的因素。 8.间隙相和间隙化合物的区别。 9. 晶体缺陷几何特征分类-点、线、面缺陷。 10. 点缺陷的种类及其区别（肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷）。 11.获得过饱和点缺陷的方法及原因。 12. 各类位错运动方向与柏氏矢量、切应力、位错线的位向关系。 13. 位错的主要运动方式；常温下金属塑性变形的方式。 14. 位错的增殖机制：F-R位错增殖机制、双交滑移增殖机制的主要内容。 15.说明柏氏矢量的确定方法。掌握利用柏氏矢量和位错线的位向关系来判断位错类型。 16.两根平行的螺型位错相遇时的相互作用情况。 17.刃型位错和螺型位错的不同点。 18. 大小角度晶界的位向差、常见类型、模型描述、能量等。 19. 扩散第一定律、第二定律的数学表达式及其字母的物理含义。 20. 体扩散的主要机制、适用对象、扩散激活能大小等；短路扩散等；反应扩散与原子扩散；多晶材料的三种扩散途径—晶内、晶界、表面扩散。 21.柯肯达尔效应的含义及说明的问题（重要意义）。 22. 上坡扩散：物质由低浓度→高浓度，说明扩散的真正原因是化学势梯度而非浓度梯度。 23. 反应扩散定义、特点、扩散层增厚速度的决定因素。 24. 影响扩散的主要因素简述及分别叙述。 25. 压力加工合金、铸造合金应选取何种成分的合金及原因。 26. 铁碳合金分类：三大类、七小类。 27.亚、共、过共析钢的室温平衡组织组成、相组成及运用杠杆定律求相对含量。 28.结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件。 29.纯金属凝固时，正、负温度梯度与晶体生长形态的关系；实际合金凝固过程中生长形态 与成分过冷的关系。 30. 结晶的两个过程—晶核形成、晶核长大；纯金属结晶的三个必要条件—过冷、能量起伏 （△G*=1/3Aσ的意义）、结构起伏。 31. 液固界面结构与晶体生长机制（微观生长方式）的对应关系。 32. 凝固速度对枝晶偏析的影响。 材料科学基础考题 I卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷答： 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的a相依附于初生a相生长，将共晶体中另一相B推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶体。 成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分） 1. 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错（A ）分解为a/2[111]+a/2[l11]. （A）不能（B）能（C）可能 2. 原子扩散的驱动力是：（B ） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度 3?凝固的热力学条件为：（D ） （A）形核率（B）系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4?在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（A） （A）氧离子空位（B）钛离子空位（C）阳离子空位 5?在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两 组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6?有效分配系数k e表示液相的混合程度，其值范围是（B ） （A）1vk e 2)HRC,负荷150公斤的测量值; 3)HRB,用带1/16寸钢球压头,负荷100公斤的测量值. ⑶维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV） 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC的区别 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C为三种不同的标准，称为标尺A、标尺B、标尺C。洛氏硬度试验是现今所使用的几种普通压痕硬度试验之一，三种标尺的初始压力均为(合10kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至(合60kgf)；标尺B使用的是直径为(1/16英寸)的钢球作为压头，然后加压至(合100kgf)；而标尺C使用与标尺A相同的球锥菱形作为压头，但加压后的力是1471N(合150kgf)。因此标尺B适用相对较软的材料，而标尺C适用较硬的材料。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。 但各种材料的换算关系并不一致硬度換算公式: 1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12 2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15 3.勃式硬度(BHN)= 洛克式硬度(HV) 4.洛式硬度(HRC)= 勃式硬度(BHN)/10-3 硬度測定範圍: HS<100HB<500HRC<70HV<1300(80~88)HRA, (85~95) HRB, (20~70)HRC 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C为三种不同的标准，称为标尺A、标尺B、标尺C。洛氏硬度试验是现今所使用的几种普通压痕硬度试验之一，三种标尺的初始压力均为(合10kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至(合60kgf)；标尺B使用的是直径为(1/16英寸)的钢球作为压头，然后加压至(合100kgf)；而标尺C使用与标尺A相同的球锥菱形作为压头，但加压后的力是1471N(合150kgf)。因此标尺B适用相对较软的材料，而标尺C适用较硬的材料。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。但各种材料的换算关系并不一致。硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。 常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 2.洛氏硬度(HR) 当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB：是采用100kg载荷和直径淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 3 .维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。『HK=?P/L2。式中：HK－努普硬度，Mpa；P－荷重，kg；L－凹坑对角线长度，mm。我国和欧洲各国采用维氏硬度，美国则采用努普硬度。兆帕（MPa）是显微硬度的法定计量单位，而kg/mm2是以前常用的硬度计算单位。它们之间的换算公式为1kg/mm2=。洛氏硬度(HRC)、布氏硬度(HB)等硬度具体区别和换算硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度HB、洛氏硬度HRA，HRB，HRC、维氏硬度HV，橡胶塑料邵氏硬度HA,HD等硬度其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度Hl、肖氏硬度HS 则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 含意是洛式硬度C标尺， 和HB在生产中的应用都很广泛 适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650 若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。布式硬度上限值HB650,不能高于此值。 4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。布氏硬度计之压头为淬硬 - 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3Cu 的原子数。 （ 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=，原子半径γ=，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。 一．名词解释 1，E,弹性模量，表征材料对弹性变形的抗力， 2，δs：呈现屈服现象的金属拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长的应力，表征材料对微量塑性变形的抗力。 3，σbb：是灰铸铁的重要力学性能指标，是灰铸铁试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲里 （按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力） 4δ：延伸率，反应材料均匀变形的能力。 5，韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力（或指材料抵抗裂纹扩展能力）6低温脆性:某些金属及中低强度钢，在实验的温度低于某一温度Tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔集聚型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状态变为结晶状，这就是低温脆性 7 Kic：断裂韧度，为平面应变的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂变失稳扩展的能力 8 弹性比功（弹性比能）：表示单位体积金属材料吸收变形功的能力 9σ-1：疲劳极限，表明试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂所对应的能力 10循环韧性(消振性)：表示材料吸收不可逆变形功的能力（塑性加载） 11Ψ：断面收缩率，缩经处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 12Ak：冲击功、，冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收的总能量 13蠕变：材料在长时间的恒温应力作用下，（即使应力低于屈服强度）也会缓慢地产生塑性变形的现象。 14σtて：在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（て）而不发生断裂的最大应力。 15：氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。 17.δ0.2：屈服强度 18.△K th：疲劳裂纹扩展门槛值，表征阻止裂纹开始扩展的能力 19δbc：抗拉强度，式样压至破坏过程中的最大应力。 20.包申效应：金属材料经过预加载产生少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余应力减低的现象，称为包申效应。 21．NSR：缺口敏感度，缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb之比。 22.力学行为：材料在外加载荷，环境条件及综合作用下所表现出的行为特征。 23.强度 24：应力腐蚀：金属在拉应力和特定化学介质共同作用下，进过一段时间后所产生的应力脆断现象。 25．滞弹性：（弹性后效）在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生附加弹性应变的现象。 二、填空题 17、断裂可以分为（裂纹形成）与（扩展）两个阶段。静拉伸断裂宏观断口分为（纤维区）、（放射区）、（剪切唇）三个区域。该断口微观特征：（纤维状）对于脆性穿晶断裂断口主要特征：（放射状）和（结晶状） 18、典型疲劳断裂的宏观断口分为三个区（疲劳源）（疲劳区）（瞬间区）疲劳断口宏观特征（贝纹线、海滩花样）、微观特征（疲劳条带） 19、应力腐蚀微观断口可以看到呈（枯树枝状）的微观裂纹，呈（泥状花样）的腐蚀产物和（腐蚀抗） 20微孔聚集型断裂的微观特征（韧窝），解理断裂的微观特征主要有（解理台阶）和（河流花样），沿晶断裂的微观特征(冰糖状) 断口和(晶粒状)断口。 21应力状态系数值越大，表示应力状态越（软），材料越容易产生（塑性）变形和（韧性）断 第七章回复再结晶，还有相图的容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑 晶体缺陷 单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。 多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成 点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。 线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。 面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。 晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies 肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。 晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。 热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。 过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。 位错：当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线 螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线 混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式。 柏氏矢量b: 用于表征不同类型位错的特征的一个物理参量，是决定晶格偏离方向与大小的向量，可揭示位错的本质。 位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现。 交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。如果交滑移后的位错再转回到和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。 位错滑移的特点 1) 刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与位错线平行； 2) 无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（伯氏矢量方向代表《材料科学基础》经典习题及答案全解
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