1、 1 第一章 原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系， 14 种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律 六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属 晶体结构： fcc、 bcc、 hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度
2、，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构： MgO 陶瓷及 NaCl，共价键晶体结构： SiC 陶瓷， As、 Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 1. fcc 结构的密排方向是 _，密排面是 _，密排面的堆垛顺序是 _致密度为 _配位 数是 _晶胞中原子数为 _，把原子视为刚性球时，原子的半径是 _； bcc 结构的密排方向是 _，密排面是 _致密度为 _配位数是 _ 晶胞中原子数为 _，原子的半径是 _； hcp 结构的密
3、排方向是 _，密排面是 _，密排面的堆垛顺序是 _，致密度为 _配位数是 _，晶胞中原子数为_，原子的半径是 _。 2. bcc 点阵晶面指数 h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是 _。 3. Al 的点阵常数为 0.4049nm，其结构原子体积是 _。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是 _。 5. 在 fcc 晶胞中，八面体间隙中心的坐标是 _。 6. 空间点阵只可能有 _种，铝晶体属于 _点阵。 Al 的晶体结构是_ ， -Fe 的 晶 体 结 构是 _ 。 Cu 的晶体结构是_， 7 点阵常数是指 _。 8 图 1 是 fcc 结构的 (-1,1,0 )面，其中 AB和 AC 的
4、晶向指数是 _， CD 的晶向指数分别是 _， AC 所在晶面指数是 -。 9 晶胞中每个原子平均占有的体积称为 _。 10 FCC 包含有 晶向的晶面是 _。 11. 图 2 为简单立方点阵晶胞，其中 ABC 面的指数是 _， AD 的晶向指数是_。 A B C D 1 图 1 A B C D 图 2 2 12. 在空间点阵中选取晶胞的原则是：（ 1）_(2)_(3)_(4)_。 13 以点阵常数 a 为单位， fcc 晶体的原子半径是 _， bcc 晶体的原子半径是_， fcc 晶体（ 110）面的晶面间距是 _， 110方向的原子间距为 _， fcc 晶体的结构原子体积为 _。 14 金
5、刚石的晶体 _，每个晶胞中的原 子数为 _。 15 （ h1k1l1）和（ h2k2l2）两晶面的晶带轴指数 uvw为 _。 16 面心立方结构每个晶胞中八面体间隙数为 _，四面体间隙数为 _。 17 立方晶系晶面间距计算公式是 _。 18 Zn 室温的点阵常数 a=2.6649A， c=4.9468A，其轴比为 _，配位数为 _。 19 工业多晶体金属 不呈现性能的各向异性，其原因是 _。 20 纯铁冷却时在 912 发生同素异晶转变是从 _结构转变为 _结构，其原子半径发生 _变化。 21. 原子排列最密的晶面，其面间距 _（最大或最小）。 22. 公式 d=a/h2+k2+l2只适用于计
6、算 _结构相平行晶面间的距离。 2. 判断 1. -Fe 致密度比 -Fe 小，所 以 -Fe 溶解碳比 -Fe 多。（ ） 2. 立方晶系中具有相同指数的晶面与晶向必定相互垂直。（ ） 3. 原子半径大小与其在晶体中配位数无关。（ ） 4. 密排六方结构不能称作一种空间点阵。（ ） 5. 铁素体的点阵常数比 a-Fe 的点阵常数小。（ ） 6. 金属键无方向性及饱和性。（ ） 7. 在立方晶系中， -111（ 1-1-1）。（ ） 8. 在 fcc 和 bcc 结构中，一切相邻的平行晶面间的距离可用公式： d=a/ h2+k2+l2 ( ) 9. 结构原子体积是指结 构晶胞中每个原子的体积。
7、（ ） 10. 立方晶系的 (100)，（ 010）和（ 001）面属于同一个晶带。（ ） 11. 由 -Fe 转变为 -Fe 时，原子半径增大（ ），发生体积膨胀（ ）。 12. Fcc 和 bcc 结构中的八面体间隙均为正八面体。（ ） 13. 空间点阵中每个阵点周围具有等同的环境。（ ） 14 一个面心立方结构相当于体心正方结构。（ ） 15. 从实用观点来看体心立方金属中的空隙比面心立方金属中的更为重要。（ ） 3、 简述 金属键，晶体，同素异晶转变（并举例），晶胞，点 阵常数， 晶面指数，晶面族，晶向指数，晶向族（举例）， 晶带和晶带轴，配位数，致密度，晶面间距， 面心立方结构，体心
8、立方结构，密排六方结构， 4、 问答 1：在简单立方晶胞中画出 (1-2 1)晶面和 11-2晶向，在 hcp 晶胞的（ 0001）面上标出（ -12-10）晶面和 -12-10晶向。 2：求 11-1和 20-1两晶向所决定的晶面。 3 在铅的（ 100）平面上， 1mm2 有多少原子？已知铅为 fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.17510-6mm。 4 在面心立方 fcc 晶胞中， 110方向中 位于（ 111）平面上的有哪些方向。 5 画出一个体心立方晶胞，在晶胞上画出： 1 发生滑移的一个晶面 2 在这个面上发生滑移的几个滑移方向。 6 写出图 3 中 ABCD 四面体各面的晶面
9、指数和 BC， CA 的晶向指数。 3 7. 在图 4 中画出 (1 1 2 0)晶面和 1 2 1 0 晶向。求图示密排六方晶胞 OA， OB晶向指数及ABC 的晶面指数。 8：画出 fcc 中具有下列密勒指数的晶面和晶向。 1（ 111） 111； 2（ 321） -236 9：画出 hcp 晶胞，并画出 (10-10)晶面及 11-20晶向。 10：画出 bcc 晶胞下列晶面上原子平面排列情况：（ 110），（ 111） 12：画出两个面心晶胞组成的体心正方晶胞，并画出（ 111） fcc，（ 011）体心正方晶面与-211fcc， 01-1体心正方晶向，并指出两晶面与两晶向存在何种关系
10、。 第二章 合金相结构 本章的主要内容： 固溶体：固溶体的分类有置换固溶体及影响固溶度因素，间隙固溶体，缺位固溶体 中间相：正常价化合物，电子化合物，间隙相与间隙化合物，金属间化合物的性质与应用 固溶体的微观不均匀性：超 结构，以 fcc、 bcc 及 hcp 为基的超结构，有序参数 1.填空 1. 形成无限固溶体的必要条件是：（ 1） _，（ 2） _-，（ 3）_。 2. 形成有序固溶体的必要条件是：（ 1） _，（ 2） _，（ 3） _。 3. 影响正常价化合物形成的主要因素是 _。 4. C 原子半径为 0.77A， Cr 的原子半径为 1.28A，则 Cr23C6是 _化合物。 5
11、. 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 _，塑性 _，导电性 _。 6. 如图是铜金有序固溶体的晶胞，其分子式为 _。 7 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是： （ 1） _； （ 2） _; （ 3） _； （ 4） _和环境因素。 8 形成置换固溶体时，两组元原子半径的相对差小于 _，是有利于大量固溶O B A C 图 3 A B C D 图 4 图 1 4 的因素之一。 9 Cu 是一价， Sn 是四价，则 Cu3Sn 化合物的电子浓度为 _。 10 铁碳合金中奥氏体的晶体结构是 _ ，铁素体的晶体结构是_。 11 置换式固溶体的不均匀性主要表现为存在 _和_。 12. 电子化合
12、物的形成条件为 _，晶型 _，例如_。 13 间隙相的形成元素为 _ ，晶型为 _ 例如_。 14 高速钢中 VC 相结构为 _，黄铜中 CuZn 相结构为 _。 15 填隙固溶体溶质溶于溶剂金属点阵的 _，只能形成 _固溶体。 16 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 _和_。 17 元素的负电性是指 _，在周期表中，同一周期元素的负电性由左向右逐渐 _，而同一族元素的负电性由上到下逐渐_。二元合金中两组元的 电负性差越大，越易形成 _，越不易形成 _。 18. 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是：强度和硬度 _，塑性 _，导电性 _。 19 电子浓度是指
13、_之比， CuZn 型超结构的电子浓度等于_，属于 _空间点阵。 20 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 _，塑性 _，导电性 _。 2. 选择与判断 1 形成间隙固溶体时，溶剂的点阵常数 _。 A 增大 B 减小 C 不变 2.在固溶体自由能与成分的关系式中，两组元相互作用参数的表达式为 _。 A NZ(eAB+(eAA+eBB)/2) B NZ(eAB-(eAA+eBB)/2) C EAB=(eAA+eAB)/2 3. 图 2 是铜金有序固溶体的结构晶胞， 此有序固溶体的分子式为 _。 A Cu2Au5 B CuAu2 C CuAu 3. 钨（ W）的原子半径为 1.41A， 碳的
14、原子半径为 0.77A，则 WC 为 _ A 间隙固溶体， B 间隙相， C 间隙化合物 5. -Co 为 hcp 结构， -Co 为 FCC 结构， 则 Fe-Co 无限固溶体为 _结构。 A FCC ， B BCC， C hcp 6. 在有序固溶体中，异类原子结合力小于同类原子结合力。（ ） 7. 所有金属间化合物都能提高合 金的强度。（ ） 8. Nb 的原子半径为 1.47A， C 原子半径为 0.77A，则 NbC 为间隙化合物（ ） 9. 纯金属发生同素异性转变将产生成分和有序度方面的改变。（ ） 10. 与固溶体相比，金属化合物具有高硬度低塑性。（ ） 11. 在拓扑相中，半径较
15、大的原子构成密排主层（ ），次层一般是半径较小的原子（ ）。 3.名词解释 置换固溶体，有序固溶体，无序固溶体， 间隙固溶体和间隙化合物，间隙相与间隙化合物， 正常价化合物，电子浓度，电子化合物 图 2 5 4.问答 1：分析氢，氮，碳，硼在 -Fe 和 -Fe 中形成固溶体的类型， H2, N, C, B进入点阵中的位置。元素的原子半径如下：氢： 0.46A 氮： 0.71A 碳： 0.77A 硼： 0.91A 2：指出固溶体与金属化合物在晶体结构和机械性能方面的区别。 第三章 纯金属的凝固 本章主要内容： 液态金属的结构； 金属结晶过程：金属结晶的条件，过冷，热力学分析，结构条件 晶核的形
16、成：均匀形核：能量分析，临界晶核，形核功，形核率 非均匀形核：形核功，形核率 晶体的长大：动态过冷度（晶体长大的条件），固液界面微观结构，晶体长 大机制，晶体长大形态：温度梯度，平面长大，树枝状长大 陶瓷、聚合物的凝固 结晶理论的应用实例：铸锭晶粒度的控制，单晶制备，定向凝固，非晶态金属 1. 填空 1. 在液态金属中进行均质形核时，需要 _起伏和 _能量起伏。 2. 金属凝固的必要条件是 _。 3. 液态金属凝固时，均质形核的条件是：（ 1） _；（ 2）_，（ 3） _。 4. 细化铸锭晶粒的基本方法是：（ 1 ） _ ，（ 2 ）_，（ 3） _。 5 形成临界晶核时体积自由能的减小只能
17、补偿新增表面能的 _。 6 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 _自由能是形核的阻力， _自由能是形核的动力；临界晶核半 径 rK与过冷度 T 呈 _关系，临界形核功 GK等于 _。 7 动态过冷度是 _。 8 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 _，金属结晶冷却速度越快， N/G比值 _，晶粒越 _。 9 制备单晶的基本原理是 _，主要方法有 _法和 _法 。 10. 获得非晶合金的基本方法是 _。 11 铸锭典型的三层组织是 _, _, _。 12 根据凝固理论，为了细化铸锭晶粒，对于小尺寸的铸锭一般可采用 _方法，对于大尺寸的铸锭则采用 _方法。 13 纯金属
18、凝固时，其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于 _。 14 液态金属凝固时，异质形核需要的过冷度比均质形核小，这是因为 _。 （异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小。） 2 名词解释 过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，能量起伏，形核功，形核率，变质处理， 柱状晶带，等轴晶，异质形核，非晶态金属 3 判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（ ） 2 临界半径 rK大小仅与过冷度有关。（ ） 3 液态金属凝固时，临界晶核半径与过冷度成反比。（ ） 4 在液态金属中形成临界晶核时，体系自由能的变化为零。（ ） 5 任何温度下 液态金属中出现最大结构起伏是晶胚。（
19、） 6 任何过冷度下液态金属中出现的最大结构起伏却是晶核。（ ） 7 湿润角 =180 时，异质形核最容易进行。（ ） 8 枝臂间距是指相邻两树枝晶一次轴之间的距离。（ ） 9 为了细化晶粒，工艺上采用增大过冷度的方法，这只对小件或薄件有效，而对较大厚壁铸6 件并不适用。（ ） 10 从非均匀形核计算公式： A 非均匀 =A 均匀 （ 2-3cos+cos3） /4 看出当 =00时固相杂质相当于现成的大晶核。（ ） 11 理论凝固温度与固 /液界面处温度之差，称为动态过 冷度。（ ） 12 动态过冷度是指结晶过程中实际液相温度熔点之差。（ ） 13 液态金属结晶时，其临界晶粒半径 rK是不变
20、的恒定值。（ ） 14 液态金属结晶时，其理论结晶温度与固 /液界面处温度之差称为临界过冷度。（ ） 4 问答 1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。 2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。 3 试说明在铸锭中获得细等轴晶组织可以采取的措施。 4 回答液态金属凝固时均质形核的有关问题： （ 1） 写出临界晶核半径 k的表达式； （ 2） 画出 k与过冷度 T 的关系曲线示意图； （ 3） 写出形核功 Gk与 临界晶核界面能的关系式； （ 4） 简述均质形核的必要条件。 5 简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶粒半径，形核功及形核率的关系。 6 简述湿润角 ，杂质粒子的晶体结构和表面形态
21、对异质形核的影响。 7 铜的熔点 Tm=1356K，熔化热 Hm=1628J/cm2， =177erg/cm2，点阵常数 a=0.3615nm。求铜 T=100 时均匀形核的临界核心半径和每个临界核心的原子数目。 8 欲获得铸锭整个断面为细等轴晶或整个断面为柱状晶，各需要采取哪些措施？ 9：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何 影响？ 10：根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。 第四章 二元合金相图与合金凝固 本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组
22、织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙 粗糙界面 ,粗糙 光滑界面 ,光滑 光滑 界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织 包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转
23、变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例： Fe-Fe3C 亚稳平衡相图 ， Al-Mn 相图， Al2O3-SiO2二元系相图 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能 成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分 自由能曲线绘制二元相图 1.填空 1 相律表达式为 _。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有 _起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为 _和 _。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大 机制是 _，光滑界面晶体的长大机制是 _和 _。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生 _偏析，用 _热处理7 方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯
24、度 dT/dX0（正温度梯度下），其固、液界面呈_状， dT/dX的可能性最大 。（ ） 7 存在晶内偏析的固溶体相由于其晶粒内各处成分不同，所以不能看成一个相。（ ） 8 成分过冷愈大，树枝组织愈发达。（ ） 9 任何合金的不平衡结晶总是先结晶的固溶体晶粒含高熔点组元多，而后结晶的固溶体枝晶含低熔点组元多。（ ） 10 任何成分的亚共晶和过共晶合金不平衡结晶条件下所获得的组织与平衡组织比较，其中初生相相对量较少，而共晶体量相对较多。（ ） 11 伪共晶区往往偏向晶格简单粗糙界面一边。（ ） 1 离异共晶只能在非平衡条件下产生。（ ） 1 过冷度越大，比重偏 析越严重。（ ） 1 扩散退火可消
25、除区域偏析。（ ） 15 在过冷度相同的条件下，共晶反应的速度比包晶反应快。（ ） 16 二元合金中的稳定化合物有一定熔点。（ ）在熔点以下不发生分解（ ）不稳定化合物都是共析反应的生成物。（ ） 17 在图中， C0合金冷到 t2温度时，溶质 B含量为 Co=C0/k0( )，若将合金棒由左向右进9 行区域熔炼后，则棒的左边一段得到 A的提纯。（ ） 18 如图是 A-B二元固溶体合金凝固时产生成分过冷的示意图。其中 To 是 A组 元的熔点（ ）， Ti是固 /液界面处的温度（ ），曲线是界面前沿液态合金的液相线温度（ ）， G 是界面前沿的温度梯度，当 G 增大时，成分过冷度增大。（ ）
26、 19 二元相图中三相平衡时温度恒定，而平衡三相成分可变。（ ） 20 宏观上观察，若固 /液界面是平直的称为光滑界面结构；若是金属界面呈锯齿形称为粗糙界面结构。（ ） 21 无论平衡或非平衡凝固，只要初晶的量很多，共晶的量很少，就可能出现离异共晶。（ ） 22 Cs(x)=K0C0(1-x/l)k0-1称为稳态凝固方程。（ ） 23 固溶 体合金凝固时，成分过冷的临界条件方程是： G/R=mc0/D (1-k0)/k0 ( )，只有当G/Rmc0/D (1-k0)/k0时才产生成分过冷。（ ） 24 如图 5 的相图（二元共晶）的画法是正确的（ ） 25 在二元合金中，铸造性能最好的是共晶合
27、金。（ ） 26 固溶体合金凝固时，在正温度梯度下晶体也可能以树枝晶长大。（ ） 27 无论何种成分碳钢组织中铁素体相对量随 C%增加而减少，珠光体相对量则增加。（ ） 28 在 Fe-Fe3C 相图中的所有合金，凝固时都可产生成分过冷 。（ ） 29 莱氏体和变态莱氏体存在的温度范围不同（ ），除此之外，二者无其他差别（ ）。 30 铸铁平衡结晶过程只有共晶转变而没有共析转变。（ ） 31 Fe-Fe3C 相图中，含碳量低于 0.0218%的合金平衡结晶组织中才有三次 Fe3C 存在。（ ） 32 铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，铁素体少而奥氏体多。（ ） 5 问答 1 由 Al-C
28、u 合金相图（图 7），试分析：适合压力加工和铸造的合金的成分是什么，用什么方法可提高合金强度。 2 试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝 固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得B 图 3 图 4 图 5 图 6 10 不到树枝状晶。 3 如图 7 二元合金，（ 1）分析合金 I 在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时的组织不同点；（ 2）分析合金 II 在平衡结晶后室温下相及组织，计算组织组成物的含量分布。 4 如图 8 所示为 Ni-Al 相图 1） 填出相图中各相区的平衡相 2） 图中的 相和 相是何种晶体结构？ 3） 指出图中的稳定化合物和不稳定化合物。 4 ）写出图中存在的恒温反应，指明反应类型 5 ）计算含 Ni 30%(重量 )的合金在在冷却时的相变过程，室温下的相组成与组织组成，并计算出其中组织 组成物的百分数。 6 ）试说明含 Ni89%（重量）的 Ni-Al 合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。 7） 绘出 1500 时 Al-Ni 合金各相的自由能 成分曲线示意图。 I II 图 7 图 8
