材料科学基础
知识点地图

00开始之前

这门课最怕的是「背了一堆名词，串不起来」。先记住这条逻辑链，后面每个知识点都能挂上去。

01原子结构与键合

结合键的类型，直接决定了材料的熔点、硬度、导电性和塑性——这是一切性能的源头。

一次键（化学键）

二次键（物理键）

• 范德华力：分子间瞬时偶极作用，很弱，决定高分子、惰性气体的熔沸点。
• 氢键：比范德华力强、比化学键弱，有方向性；冰的密度反常、水的沸点偏高都靠它。

键合与性能的对应关系

原子半径与配位数

同一个原子在不同配位数下，算出来的「半径」不一样：配位数越大，原子间距越大，半径值越大。查表时一定要看配位数这个前提，不能混用。

02晶体结构

空间点阵 + 基元 = 晶体结构。金属材料 90% 以上的计算题都落在 FCC / BCC / HCP 这三种结构上。

晶系与点阵

按对称性分为七大晶系；按结点分布共有 14 种布拉菲点阵。金属中最常见的是立方（简单立方、体心立方、面心立方）和六方。

三种典型金属结构对照

晶向指数与晶面指数

1. 晶向 [uvw]：取两点坐标差 → 化最简整数 → 加方括号。负号写在数字上方。
2. 晶面 (hkl)：取截距的倒数 → 化最简整数 → 加圆括号。
3. 六方晶系用四指数 [uvtw]、(hkil)，其中 i = −(h+k)，t = −(u+v)。
4. 晶面族 {hkl}：原子排列相同的等价面。

同素异构转变

纯铁是最典型的例子：室温～912℃ 为 α-Fe（BCC）；912～1394℃ 为 γ-Fe（FCC）；1394℃～熔点 为 δ-Fe（BCC）。这一转变正是钢能通过热处理改性的根本原因。

各向异性

单晶体的性能随方向变化叫各向异性；多晶体由大量随机取向的晶粒组成，宏观上表现为伪各向同性。冷变形后晶粒出现择优取向（织构），又会重新出现各向异性。

03晶体缺陷

没有缺陷就没有性能调控。空位管扩散，位错管塑性，晶界管强化——三个都要认清楚。

点缺陷

• 空位：原子离开正常位置留下的空结点，热力学平衡缺陷。
• 间隙原子：挤进间隙位置的同类原子（自间隙，形成能高）或异类小原子（C、N、H 在 Fe 中）。
• 置换原子：占据正常结点位置的异类原子，形成置换固溶体。

空位不只影响扩散，还会引起点阵畸变、电阻升高、密度下降。

线缺陷：位错

面缺陷

• 晶界：相邻晶粒的过渡区。取向差小于 10°～15° 为小角度晶界（由位错阵列构成），大于则为大角度晶界。
• 亚晶界：晶粒内部的小角度界面，回复过程中形成。
• 孪晶界：两侧原子呈镜面对称。
• 相界：共格、半共格、非共格三类，共格界面弹性畸变能高但界面能低。
• 层错：堆垛顺序出错，如 FCC 中 ABCABC 变成 ABCACABC。层错能低 → 容易孪生；层错能高 → 容易滑移。

晶界既是强化因素（阻碍位错、细化晶粒提高强度），也是薄弱环节（高温扩散通道、晶间腐蚀、沿晶断裂）。

04固体扩散

扩散是固态相变、热处理、渗碳、烧结、蠕变的共同底层过程。抓住两条菲克定律和一个 Arrhenius 式就够了。

菲克第一定律（稳态）

菲克第二定律（非稳态）

其误差函数解给出了最重要的工程结论：扩散距离 x ∝ √(Dt)。想让渗层深一倍，时间要变成四倍。

扩散系数与温度

扩散机制

几个必须知道的现象

• 柯肯达尔效应：Cu–Ni 扩散偶中，界面标记向低熔点一侧移动，证明置换扩散是空位机制（两种原子扩散速率不同）。
• 上坡扩散：原子由低浓度向高浓度迁移，驱动力是化学位梯度而不是浓度梯度（如调幅分解）。
• 反应扩散：扩散过程中伴随新相形成，如渗碳时形成碳化物层。
• 短路扩散：晶界、位错、表面的扩散激活能低，是低温下的主要通道。

影响扩散的因素：温度（最强）、晶体结构（间隙扩散 > 置换扩散；BCC 中 C 的扩散比 FCC 快）、晶体缺陷、浓度、第三组元。

05相图与凝固

相图是「平衡态的地图」，凝固是「到达地图上某点的过程」。考试最爱考铁碳相图 + 杠杆定律。

相律

二元相图的基本类型

• 匀晶：两组元无限互溶，液相线与固相线之间为两相区（Cu–Ni）。
• 共晶：L → α + β，恒温反应，如 Pb–Sn。
• 包晶：L + α → β，如 Fe–C 中 1495℃ 的包晶反应。
• 共析：γ → α + β 的固态恒温转变，如 Fe–C 中 727℃ 的珠光体转变。

杠杆定律

纯金属凝固

• 必须过冷才能形核，ΔT 为过冷度。
• 均质形核 vs 异质形核：实际凝固几乎都是异质形核（杂质、器壁降低形核功）。
• 临界晶核半径：r* = −2γT_m / (L·ΔT)，过冷度越大，临界半径越小，形核率越高。
• 长大方式：平面状（纯金属、小过冷）与树枝状（合金、大过冷）。
• 铸锭三区：表面细晶区 → 柱状晶区 → 中心等轴晶区。

铁碳相图（必背）

室温组织随含碳量的变化

06塑性变形与再结晶

冷变形 → 加工硬化 → 退火（回复 + 再结晶）→ 软化。这条循环是所有冷加工工艺的基础。

滑移与施密特定律

• 滑移沿密排面和密排方向进行：FCC 有 12 个滑移系（4 个 {111} × 3 个 <110>），BCC 有 12 个（{110}×<111>，实际更多），HCP 只有 3 个（基面滑移）。
• 滑移系越多 → 塑性越好：FCC 的 Cu、Al 塑性好，HCP 的 Mg、Zn 塑性差。

孪生

在低温、高应变率或 HCP 金属中，滑移难以进行时发生孪生——晶体一部分沿孪晶面镜面对称切变。孪生变形量小，但能改变晶体取向，为后续滑移开路。

多晶体变形特点

• 各晶粒取向不同，软取向晶粒先屈服，需要协调变形。
• 晶界阻碍位错运动，产生位错塞积 → 晶界附近应力集中。
• 晶粒越细，强度越高、塑性韧性也越好（细晶强韧化）。

冷变形后的退火三阶段

加工硬化

随变形量增加，位错密度升高、相互缠结、晶粒被拉长，强度硬度升高、塑性下降。这是唯一能同时提高强度和硬度、又不用添加合金元素的手段，但会给后续加工带来困难，所以需要中间退火。

07固态相变与热处理

钢的热处理本质就是「控制固态相变的路径」。冷却速度决定了你拿到珠光体、贝氏体还是马氏体。

固态相变分类

马氏体转变的特点

• 无扩散：碳原子来不及扩散，被强制固溶，形成碳在 α-Fe 中的过饱和固溶体。
• 切变共格：点阵发生切变，表面出现浮凸。
• 有确定的惯习面和位向关系（K–S 关系、N–W 关系）。
• 转变在 Ms～Mf 之间进行，降温才继续转变，等温不能完成。
• 转变不完全：总有残余奥氏体。
• 马氏体硬度高、脆性大，必须回火后才能用。

TTT 与 CCT 曲线

• TTT（等温转变）曲线呈 C 形：鼻尖温度附近转变最快，因为扩散与过冷度此消彼长。
• CCT（连续冷却）曲线整体向右下移动，是实际淬火/正火的依据。
• 冷却速度大于临界冷却速度才能获得马氏体；临界冷速越小，淬透性越好。
• 常用冷却方式：退火（炉冷）、正火（空冷）、淬火（水/油冷）、回火（加热保温后冷却）。

回火

08性能与强化机制

四种强化手段各管一段，考大题时先分类再讲机理，分数就稳了。

力学性能指标

• 弹性模量 E：由键合强度决定，对组织不敏感——热处理改不了它，只有换材料才行。
• 屈服强度 σs、抗拉强度 σb：对组织极其敏感，是强化的主要对象。
• 塑性：延伸率 δ、断面收缩率 ψ。
• 硬度：与强度大致成正比，常用布氏/洛氏/维氏。
• 韧性：吸收塑性变形功和断裂功的能力，冲击试验测定。

四种强化机制

断裂与失效

• 韧性断裂：有明显塑性变形，断口呈韧窝。
• 脆性断裂：无明显变形，断口为解理面或沿晶界（沿晶断裂常与晶界弱化有关）。
• 低温、高应变率、粗晶、存在缺口 → 倾向脆断（冷脆转变温度）。
• 疲劳：交变载荷下裂纹萌生与扩展，断口有海滩纹/疲劳条带。

09自测

点题目展开答案。答不上来的，回到对应章节再看一遍。