2021郑州大学材料科学基础专业研究生考试大纲及参考书目

发布时间:2020-11-21 编辑:考研派小莉 推荐访问:
2021郑州大学材料科学基础专业研究生考试大纲及参考书目

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2021郑州大学材料科学基础专业研究生考试大纲及参考书目 正文

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郑州大学 2021 年硕士研究生入学考试初试自命题
科目考试大纲
学院名称 考试科目 科目名称 考试单元 说明
材料科学与工
程学院
961 材料科学基础
需携带计算器、
尺子、铅笔。
说明栏:各单位自命题考试科目如需带计算器、绘图工具等特殊要求的,请在说明栏里
加备注。 郑州大学硕士研究生入学考试
《材料科学基础》考试大纲
命题学院(盖章):材料科学与工程学院 考试科目代码及名称:961 材料科学基础 一、考试基本要求和适应范围概述
本《材料科学基础》考试大纲适用于郑州大学“080500 材料科学与工程 专业的先
进金属材料及加工方向、新能源材料与器件方向、无机非金属材料方向”和“085600 材
料与化工硕士 专业的材料工程(金属材料与工程)方向、材料工程(新能源材料与工程)
方向、材料工程(无机非金属材料与工程)方向、材料工程(先进靶材料与铝镁资源综
合开发)方向、材料工程(超硬材料及制品)方向”的硕士研究生入学考试。
《材料科学基础是》材料科学与工程专业一级学科的基础课程。要求考生系统完整
的理解和掌握原子结构与原子间的键合;晶体学基础知识、典型金属的晶体结构及特征、
离子晶体的结构与特征、共价晶体的结构与特征、硅酸盐晶体结构与特征以及鲍林规则、
共价晶体的结构、晶体的对称性,合金相结构;晶体结构缺陷(包括点缺陷、线缺陷和
面缺陷),晶体结构缺陷的分类、点缺陷的表示方法,线缺陷的类型、特征、运动及其对
材料性能的影响,表面结构的特征和不同材料的表面特点;扩散现象及本质,扩散定律、
扩散定律的解及应用、扩散的微观机制、扩散驱动力、反应扩散、扩散系数的表达及影
响扩散的因素;材料的变形,滑移与孪晶变形、纯金属及合金的变形强化、冷变形金属
的回复与再结晶,金属的热变形、动态回复再结晶,材料的强化理论;相律及表达式、
单元系相图特征及纯晶体的结晶理论,晶核的形成、晶体的成长;相变热力学与动力学、
成核速率与晶体长大速率的特征与比较。二元相图特征和实际二元相图的特点、二元相
图的几何规律及分析,匀晶相图、共晶相图、包晶二元相图及其分析,典型二元相图分
析;固溶体的凝固理论、共晶合金的凝固理论;初次结晶和二次再结晶的不同、二次再
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结晶的产生以及危害。三元相图特征和特点、三元合金凝固分析。 二、考试形式
硕士研究生入学《材料科学基础》考试采用闭卷、笔试,考试时间为 180 分钟,本
试卷满分为 150 分。
试卷结构(题型):填空题、名词区别、简答题、计算作图题及综合应用题。共计五
个大题,若干小题。 三、考试内容
(一)《金属材料科学基础》部分
第 1 章 原子结构与原子键合
1、原子间的结合键(金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键)的特点。比较金
属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
3、固体材料内结合键和结合能与性能的关系,包括杨氏模量、理论抗拉强度和表面
能。利用结合键,解释材料的一些性能特点。
第 2 章 固体结构
1、晶体与非晶体的区别。
2、晶体学基础(晶体的特点、空间点阵和晶胞、选取晶胞的原则,描述七大晶系和
14 种布拉菲点阵各自的特点,点阵参数及表示法)。
3、晶向指数和晶面指数的标定,晶向和晶面的特殊关系;
(1)指数相同的晶向和晶面必然垂直。
(2)当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面(hkl)时,则必然满足晶带定理:
h·w+k·v+l·w=0
4、晶带定理、晶面间距及其求法。注意立方晶系的面间距公式及附加面的影响。
(1)立方晶系:
2 2 2
( ) h k l a
d hkl ? ?
? (2)正交晶系:
2 2 2
( )
1
?
?
?
?
?
?
? ?
?
?
?
?
?
? ?
?
?
?
?
? ?
c
l
b
k a
h
d hkl (3)六方晶系:
2
2
2 2
( )
( )
3
4
1
?
?
?
?
?
? ?
? ?
?
c
l a
h hk k
d hkl (4)四方晶系:
2 2 2 2
( ) ( )/ ( / )
1
h k a l c
d hkl
? ?
?
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以上公式仅适用于简单晶胞,复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
5、三种典型晶体结构
(1)能绘出三维的体心立方、面心立方和密排六方晶胞。根据原子半径计算出金属
的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
(2)三种典型晶体结构(BCC、FCC、HCP)的特征【包括:晶胞形状、晶格常数、
晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度及计算、各类间隙尺寸与个数,最密排面(滑
移面)和最密排方向(滑移方向)的指数与个数,滑移系数目、堆垛方式等】。致密度、
面密度、线密度的计算。
(3)知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数,判断常见金属的塑性变形能力,
能给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
(4)能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
(5)利用典型晶体结构的特征进行的相关计算,致密度、面密度、线密度的计算。
6、同素异构体(多晶型性)、多晶型性转变(同素异构转变)及特点、晶体中的各
向同性与各向同性,晶体具有各向异性的原因,实际晶体的伪各向异性。
7、合金相结构
(1)掌握固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、有限固溶体和无限固溶体、
一次固溶体和二次固溶体、间隙相和间隙化合物的形成条件。
(2)固溶体的分类、特点和性质,影响固溶体固溶度的因素;碳原子在铁中占据的
位置和固溶度大小;金属原子在铁中占据的位置和固溶度大小。
(3)中间相的类型、结构、特点和性能及应用。
(4)固溶体和中间相的结构、键型和性能差异。影响置换固溶体固溶度的四个因素。
(5)比较间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的结构和性能。
(6)固溶体的溶质浓度对其力学性能、点阵常熟的影响。
8、离子晶体结构(5 类离子晶体结构特点、典型的代表物质以及性能特点)。
9、离子晶体的结构规则(鲍林规则的描述及物理意义)。如何解释硅酸盐晶体结构
特点。典型的离子晶体的结构与性能特点。
10、典型离子晶体结构的类型、结构与性能。硅酸盐晶体结构的类型、组成、结构
及性能特点。
11、共价晶体及其特征、8-N 配位法则,典型的共价晶体。
12、非晶态结构的特点,金属玻璃的概念。
13、区别概念:
晶体与非晶体 空间点阵和晶体结构
各向同性与各向异性 相和组织
固溶体和中间相 间隙固溶体和置换固溶体
有序固溶体和无序固溶体 有限固溶体和无限固溶体
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一次固溶体和二次固溶体 间隙固溶体、间隙相和间隙化合物
电子化合物和正常价化合物 间隙相和间隙化合物
第 3 章 晶体缺陷
1、晶体中各类晶体缺陷的定义、分类和特征。
2、与点缺陷有关
(1)点缺陷的类型、特征和形成过程
(2)点缺陷的平衡浓度公式及应用;
(3)点缺陷的运动,点缺陷对材料性能的影响。
3、与位错有关:
(1)位错类型(刃型、螺型位错)的判断及其特征。刃型位错和螺型位错的差异;
混合位错和位错环,错环的特点和形成机制。
(2)柏氏矢量的确定方法、特征及表示法。柏氏矢量与位错类型之间的关系。
(3)位错运动的方式:滑移和攀移。晶体中滑移、攀移及交滑移的条件、过程、机
制和结果。位错的滑移机制和攀移机制。影响位错运动的因素。
(4)位错线、柏氏矢量、运动与作用在位错上的力之间的关系。
(5)滑移系、滑移面和滑移方向的概念。
(6)滑移线和位错线的异同点及关系。
(7)位错的交割(割阶和扭折)及割阶硬化;位错交割后形成扭折和割阶的位错类
型及判断。
(8)位错的生成和位错密度、位错的增殖机制(F-R 源、双交滑移过程及图示)
(9)位错的运动特性、位错反应的条件(结构条件和能量条件)。
(10)实际晶体中的位错及其伯氏矢量,堆垛层错。常见的两种不全位错:肖克莱
不全位错(可动位错)和弗伦克不全位错及其特点。
(11)作用在位错上的力,位错应力场、应变能及单位长度位错应变能与伯氏矢量
的关系;线张力、作用在位错上的力。
(12)为何滑移的理论临界应力远远大于实际测量的值。
4、表面与界面
(1)外表面、表面张力和表面能;
(2)晶界的分类及描述晶界位置的方法;
(3)小角度晶界的类型和特征,小角度晶界上的位错距离的计算公式;
(4)大角度晶界及其特点。晶界的特性及其对材料性能和塑性变形的影响。
(5)孪晶界、相界的类型及特点。
(6)界面能的分类、界面能与晶界结构的关系。
5、比较概念:
刃型位错和螺型位错 滑移和攀移
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割价和扭折 晶界、相界和孪晶界
小角度晶界和大角度晶界 共格相界、非共格相界和半共格相界
交滑移和双交滑移。
第 4 章 固体原子及分子的运动
1、扩散的分类及固体中扩散的条件。
2、扩散定律(Fick 第一、二定律)的内容和数学表达式、物理意义、适应条件。
3、扩散方程的解及应用,如渗碳。
4、置换固溶体中的扩散,柯肯达尔效应及应用(Al-Cu)。
5、固相中原子扩散的各种机制(空位机制、间隙机制、换位机制、晶界扩散机制等)。
各种扩散机制下的扩散速率的差别。用扩散理论分析实际问题。空位(置换)机制和间
隙机制的差异。
6、扩散热力学和扩散的驱动力,用扩散理论分析实际问题。
7、扩散系数及其物理意义和表达式(阿累尼乌斯方程)。空位(置换)机制和间隙
机制的差异、原因和应用。扩散激活能的意义及求法。
8、影响扩散的因素。扩散的路径及扩散系数(扩散速率)的大小。
9、反应扩散的概念、过程及反应扩散的特征。
11、比较概念:
稳态扩散和非稳态扩散 自扩散和化学扩散
自扩散和互(异)扩散 上坡扩散和下坡扩散
原子扩散和反应扩散 空位扩散和间隙扩散
晶界扩散和表面扩散
第 5 章 材料的形变和再结晶
1、塑性变形、材料应力—应变曲线及曲线上所对应的强度指标;屈服强度及代表的
意义。抗拉强度及代表的意义。
2、弹性变形(的特征)、弹性模量、包申格效应、弹性后效、弹性滞后、粘弹性。
3、滑移和孪生
(1)基本概念:滑移带、滑移线、滑移系、滑移面、滑移方向、滑移面。
(2)三种典型晶体结构的滑移系个数和指数。三种典型晶体结构的塑性差异及原因。
(3)滑移在滑移方向和滑移面的特征及沿密排面和密排方向的原因。
(4)塑性变形的方式—滑移和孪生。晶体的滑移和孪生的条件、主要特点;滑移和
孪生的区别及联系。滑移过程及其位错机制、孪生过程及其位错机制。
(5)临界分切应力的公式。取向因子(施密特因子)及其对塑性变形的影响。注意
分切应力和临界分切应力代表不同的意义。利用临界分切应力的概念及意义、公式进行
的计算。
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(6)P-N 力的意义。
(7)为什么理论临界应力>>实际测量的值。
(8)用位错理论在解释各类塑性变形等问题。
4、多晶体塑性变形的特点。晶界对材料的性能和塑性变形有什么影响?(晶粒取向
和晶界的影响、细晶强化及机制),Hall-Petch 公式。
5、合金的塑性变形:单相固溶体合金的塑性变形(固溶强化机制及影响因素、屈服
现象和应变时效),多相固溶体合金的塑性变形(第二相强化及机制:沉淀强化和弥散强
化;切过机制和绕过机制)。
6、各种强化方式:各种强化(固溶强化、细晶强化、第二相强化、弥散强化、沉淀
强化、形变强化)的基本概念及强化的本质。
(1)固溶强化的强化机理及影响因素。
(2)细晶强化的强化机理及其对材料性能的影响。Hall-Petch 公式及适应范围。
(3)第二相强化(沉淀强化、弥散强化)的强化机理及影响因素。切过机制和绕过
机制的特点及对强化的作用。
(4)形变强化(加工硬化)的强化机理及其对材料性能的影响。
7、屈服强度概念及意义;屈服现象及其特征和产生的原因(柯氏气团理论和位错增
殖理论),对生产的影响,防止和消除的方法。屈服过程在应力—应变曲线上的特征。应
变时效及其产生的原因。吕德斯带形成的原因及解决办法。
8、材料冷塑性变形时内部组织和性能的变化。形变强化及机制、形变织构。
9、回复和再结晶问题:
(1)回复的类型和回复机制;回复多边化的条件和多变化过程。
(2)再结晶过程,再结晶温度及影响因素;在实际生产中如何确定再结晶温度?
(3)回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力;
(4)回复、再结晶和晶粒长大的动力学及应用。
(5)回复过程中点缺陷和位错运动的特点。
(6)再结晶过程:形核和长大;形核的方式、长大的方式。但再结晶不是相变。
(7)结合热处理,去应力退火与再结晶退火工艺的制定与应用(在生产上的意义)。
(8)再结晶温度及影响因素,再结晶后晶粒的大小及影响因素。
(9)在生产中控制再结晶晶粒大小的方法,细化晶粒的意义及方法。
(10)晶粒正常长大及影响因素、异常晶粒长大及二次再结晶。
8、多晶型转变(重结晶)、结晶、再结晶、二次再结晶的区别。
9、冷变形金属或合金在加热时组织结构和性能的的变化。
10、晶粒细化可以同时提高金属材料的强度和韧性。叙述细化金属材料晶粒的方法。
11、热加工和温加工
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(1)加热时对金属进行变形组织结构和性能的的变化;
(2)热加工、温加工、冷加工的区别 。
(3)动态回复和动态再结晶过程及其动力学曲线。
(4)热加工的组织和力学性能。
12、热变形与动态回复、再结晶(动态回复和动态再结晶、热加工对组织结构和性
能的影响及应用)。
13、比较概念:
滑移和孪生 多滑移与交滑移
软位向和硬位向 几何硬化和几何软化
沉淀强化和弥散强化 切过机制和绕过机制
分切应力和临界分切应力 纤维组织与带状组织
板织构和丝织构 宏观残余应力、微观残余应力、残余应力
重结晶、再结晶和二次再结晶 正常长大和异常长大
冷加工、温加工和热加工 静态回复与动态回复
第一类残余应力 、第二类残余应力和第三类残余应力
静态再结晶和动态再结晶
第 6 章 单组元相图及纯晶体的凝固
1、相变的有关概念,相平衡条件、相律及表达式和应用。单元系相图。
2、单元系统相图及分析(掌握单元系统的相图的点、线、面的关系,掌握实际单元
SiO2相图,并能根据实际相图简单分析材料的生产过程)
2、纯金属结晶的过程、结晶过程的宏观和微观现象;过冷度对结晶过程和结晶组织
的影响;
3、结晶的驱动力。纯晶体结晶的条件:热力学条件、动力学条件、能量条件和结构
条件;包括:一些更要的公式及其应用。
4、形核:
(1)液态结构的特点。
(2)结晶的形核方式(均匀形核与非均匀形核),均匀形核的条件。(2)临界形核
功和临界晶核半径的计算;形核率的公式和影响形核率的因素。
(3)结晶过程的能量变化,如何满足?体积自由能的变化与表面自由能的关系。
(4)均匀形核与非均匀形核有何异同点。
(5)非均匀形核时影响接触角θ的因素有哪些?选择什么样的异相质点可以大大促
进结晶过程。
5、晶体长大:
(1)晶体长大的条件和长大的机制。纯晶体结晶的条件。
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(2)结晶时液固界面(光滑界面、粗糙界面)的类型和结构特点;
(3)结晶时液固界面的温度梯度类型(正温度梯度、负温度梯度)及对结晶的影响。
(4)纯晶体凝固时的生长形态与 L/S 前沿的界面结构、温度梯度有何关系?)
(5)晶体长大的方式和长大速率。
(6)纯金属枝晶的形成条件和长大过程。
(7)结晶动力学及凝固组织。影响纯晶体形核和长大的因素。
7、能用结晶理论说明实际生产问题(凝固理论的主要应用)。
(1)细化铸件晶粒的方法。
(2)控制结晶组织的措施。
10、比较概念:
凝固与结晶 理论凝固温度和实际凝固温度
临界过冷度、有效过冷度和动态过冷度 均匀形核与非均匀形核
晶胚和晶核 光滑界面和粗糙界面
正温度梯度和负温度梯度 平面长大、台阶长大和树枝长大
第 7 章 二元系相图及其合金的凝固
1、二元相图的表示与测定方法。
2、二元合金固溶体的自由能-成分曲线,热力学曲线的公切线原理,杠杆定律及应
用,相接触法则。二元相图的几何规律及复杂相图的分析方法。
3、几种基本相图:匀晶相图、共晶相图、包晶相图及共析相图的分析。
(1)掌握二元系统的相图的特点,分析点、线和平衡反应,会写出反应式;匀晶反
应、共晶反应、包晶反应。三相平衡与相律的关系。
(2)分析相应合金的平衡结晶过程;会进行二元合金平衡组织的分析。三相平衡与
相律的关系。
(3)熟练杠杆定律在匀晶相图、共晶相图、包晶相图中的应用,并利用杠杆定律计
算相组成物与组织组成物的百分含量;
(4)典型合金的平衡和不平衡的结晶转变过程及转变组织;能画出平衡结晶转变过
程的冷却曲线。包括:固溶体合金的平衡凝固和非平衡凝固;共晶类合金的平衡凝固和
非平衡凝固,非平衡共晶、离异共晶和伪共晶,共晶组织的分类、特点及形成机制;包
晶类合金的平衡凝固和非平衡凝固,包晶转变的应用。
(5)明确固溶体合金结晶过程与纯金属结晶过程的异同点。
(6)平衡结晶后的室温组织及其相组成物和组织组成物的区别。相和组织的区别。
(7)非平衡共晶、离异共晶和伪共晶的组织特点、形成条件。
(8)偏析及其解决办法。
4、掌握实际复杂二元相图的分析方法及应用。如 A12O3-SiO2 系统相图,并能根据
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实际相图简单分析无机非材料的生产过程。
5、固溶体凝固:
(1)成分过冷及成分过冷的临界条件和判据;
(2)合金结晶与纯金属结晶过程的异同点。
(3)平衡分配系数的基本概念和表达式。
(4)区域熔炼(区域提纯)及应用。
(5)成分过冷对结晶生长形态的影响。枝晶生长形成的条件及应用。
(6)单相固溶体合金凝固时的偏析形成、偏析类型及影响因素。如何消除偏析?
6、其他类型的二元相图(溶混间隙与调幅分解、具有化合物的二元相图、具有固溶
体多晶型转变、具有共析转变的相图、具有包析转变的相图)。
7、根据相图与组织结构和合金性能的关系,来判断合金的性能。
8、对于 Fe-Fe3C 相图要求:
(1)非常熟练的掌握并会画出 Fe-Fe3C 相图;标出各特性点、线、相区。说明各特
性点的温度、碳浓度及意义;各特性线的温度、意义。三个衡温反应;各区域相组成物
和组织组成物,各相的结构。
(2)纯铁的同素异构转变:δ-Fe←→γ-Fe←→α-Fe;
(3)珠光体 P、奥氏体 A、铁素体 F、渗碳体 Fe3C、莱氏体 Ld、低温莱氏体 L’d、
一次渗碳体 Fe3CⅠ、二次渗碳体 Fe3CⅡ、三次渗碳体 Fe3CⅢ、共晶渗碳体 Fe3C、共析渗碳
体 Fe3C。机械混合物(P、Ld’);
(4)叙述铁碳合金中七大类合金(工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶
白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁)的平衡结晶过程(反应、冷却曲线、室
温组织及形貌特征),室温组织组成物和相组成物;利用杠杆定律计算平衡结晶过程中相
组成物与组织组成物的百分含量;
(5)结合实验能绘出七大类铁碳合金的室温显微组织(包括:放大倍数、腐蚀剂);
(6)含碳量对铁碳合金组织、力学性能、工艺性能的影响,Fe-Fe3C 相图的应用。
(7)五类渗碳体(一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共析渗碳体、共晶渗碳
体)的的形态、形成条件;
10、铸锭(铸件)的宏观组织特点及形成机制、缺陷类型及形成原因。
11、比较概念:
热过冷和成分过冷 共晶反应和共析反应
包晶反应和包析反应 平衡结晶(凝固)和不平衡结晶(凝固)
相组成物与组织组成物 稳定化合物和不稳定化合物
莱氏体和低温(变态)莱氏体
一次渗碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体和三次渗碳体
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A1温度(PSK 线)、A3温度(GS 线)和 Acm温度(ES 线)
第 8 章 三元相图
1、三元相图成分表示法、空间模型和截面图、三元相图中的直线法则、杠杆定律、
重心定律、相区接触法则。
2、三元匀晶相图中合金的结晶过程分析。
3、固态下互不溶解的三元共晶相图及其不同区域合金的结晶过程分析,任意温度的
水平截面和图内任意直线的垂直变温截面。等温(水平)截面和变温(垂直)截面的认
识和分析。
4、三元系相图的规律及典型三元相图分析。 四、考试要求
硕士研究生入学考试《材料科学基础》考试采用闭卷、笔试,考试时间为 180 分钟,
本试卷满分为 150 分。
试卷结构(题型):填空题、名词区别、简答题、计算作图题和综合应用题。
考生答卷时注意:答卷务必书写清楚,符号和西文字母运用得当,答案必须写在考
点统一发的答题纸上,否则无效。 五、主要参考教材(参考书目)
1、《材料科学基础》(第三版),胡赓祥 蔡珣 戎咏华 编著,上海交通大学出版社。
2、《材料科学基础辅导与学习》(第三版),蔡珣 戎咏华 编著,上海交通大学出版
社。
编制单位:郑州大学
编制日期:2020年9月12日
郑州大学

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