鄭州大學碩士研究生入學考試

《材料科學基礎（三）》考試大綱

命題學院（蓋章）：物理學院 考試科目代碼及名稱：907，材料科學基礎（三）

一、考試基本要求及适用範圍概述

本《材料科學基礎》考試大綱适用于鄭州大學“0702物理學凝聚态物理方向”和“080501材料科學與工程材料物理與化學方向”的碩士研究生入學考試。材料科學基礎是材料科學與工程專業一級學科的基礎課程，主要内容：材料基礎理論知識，諸如材料的原子結構和結合鍵、材料的固體結構、材料的相結構、晶體缺陷、材料中的擴散、相圖與材料的凝固，材料的變形與再結晶、材料的亞穩态。要求考生系統完整地理解和掌握原子結構與原子間的鍵合；晶體學基礎、純金屬的晶體結構及特征，材料的相結構；晶體結構缺陷（包括點缺陷、線缺陷和面缺陷）；擴散現象及本質，擴散定律、擴散定律的解及應用、擴散的微觀機制、擴散驅動力、反應擴散、擴散系數及影響擴散的因素；材料的滑移與孿晶變形、純金屬及合金的變形強化、冷變形金屬的回複與再結晶，金屬的熱變形、動态回複再結晶，材料的強化理論；相律、純金屬的結晶理論，晶核的形成、晶體的成長；二元相圖的幾何規律及分析，勻晶相圖、共晶相圖、包晶二元相圖及其分析，典型二元相圖分析；固溶體的凝固理論、共晶合金的凝固理論等。了解材料科學的最新進展，能綜合運用所學的知識分析問題和解決問題。

二、考試形式

碩士研究生入學《材料科學基礎》（三）考試為閉卷，筆試，考試時間為 180分鐘，本試卷滿分為 150 分。

試卷結構（題型）：名詞解釋、單項選擇題、判斷題、簡答題、問答題及綜合應用題

三、考試内容

1.材料中原子的排列

考試内容1）原子的鍵合特點（金屬鍵、離子鍵、共價鍵、範德華力、氫鍵）。比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、複合材料在結合鍵上的差别。

2）原子間的結合鍵對材料性能的影響，利用結合鍵，解釋材料的一些性能特點。

3）晶體與非晶體的區别。

4）空間點陣和晶胞的基本概念，選取晶胞的原則，七大晶系和14種布拉菲

點陣各自的特點，點陣參數。

5）晶向指數和晶面指數的标定，晶向和晶面的特殊關系；晶帶定理、晶面間距d（hkl）及其求法。

6）典型晶體結構及其晶體學特點（包括晶胞形狀、晶胞内原子數、晶格常數與原子半徑、配位數、緻密度、各類間隙尺寸與個數，面密度和線密度，最密排面和最密排方向，滑移系數目、堆垛方式等），利用典型晶體結構特征進行的相關計算。

7）合金相結構：

（1）固溶體和中間相的結構、鍵型和性能差異。

（2）影響合金相性質的三個因素；

（3）固溶體的分類、特點和性質，影響固溶體固溶度的因素；

（4）中間相的類型、特點和性質；

考試要求

1）掌握基本概念：陣點、空間點陣、晶格、晶胞、晶面、晶面指數、晶面族，晶向、晶向指數、晶向族、晶帶、晶帶定理、晶面間距、配位數、緻密度、八面體間隙、四面體間隙、同素異構體、多晶型性轉變、合金、組元、相、組織、顯微組織、宏觀組織、固溶體、中間相、間隙固溶體、置換固溶體、有序固溶體、無序固溶體、有限固溶體、無限固溶體、一次固溶體、二次固溶體、正常價化合物、電子化合物、間隙相、間隙化合物、電子濃度、

電負性、準晶、非晶。

2）掌握以下概念的區别：晶體與非晶體，空間點陣和晶體結構，各向同性與各向異性，相和組織，固溶體和中間相，間隙固溶體和置換固溶體，有序固溶體和無序固溶體，有限固溶體和無限固溶體，一次固溶體和二次固溶體，間隙相和間隙化合物，電子化合物和正常價化合物

3）區分各類結合鍵及其特點。

4）标注和會求晶體的晶向指數和晶面指數，晶面間距，緻密度、面密度、線密度的計算。

5）掌握三種典型晶體結構的特征及利用晶體結構特征進行的計算。

6）了解固溶體和中間相的類型、特點和性能；影響固溶度的因素。

2.晶體缺陷

考試内容1）晶體中各類缺陷的定義和特征。

2）點缺陷的類型及特征、形成過程及運動、點缺陷平衡濃度及表達式。

3）位錯類型及特征，混合位錯和位錯環；柏氏矢量的确定、特性及表示法。

4）位錯的滑移和攀移，位錯運動時位錯線、柏氏矢量、位錯運動與作用在位錯上的力之間的關系。位錯的交割（割階和扭折）及割階硬化。

5）位錯的應變能、位錯的線張力，作用在位錯上的力。

6）位錯密度及位錯的生成，位錯的增殖機制（F-R源、雙交滑移等）。

7）實際晶體中的伯氏矢量、堆垛層錯，常見的兩種不全位錯及其特點。

8）位錯反應的條件，面心立方晶體中的位錯。

9）晶界的分類及描述晶界位置的方法；小角度晶界的類型和特征，小角度晶界上的位錯距離的計算公式；大角度晶界及其特點。晶界的特性及其對材料性能的影響。

10）孿晶界的類型及特點。

11）相界分類及特點。

考試要求

1）掌握基本概念：點缺陷、線缺陷、面缺陷、Schottky空位、Frankel空位、間隙原子、置換原子、位錯、位錯線、刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯、柏氏矢量、位錯運動、滑移、交滑移、雙交滑移、多滑移、攀移、交割、割階、扭折、位錯塞積、位錯源、割階硬化、位錯密度、位錯生成、位錯增殖、位錯分解與合成、位錯反應、全位錯、肖克萊不全位錯、弗倫克不全位錯、單位位錯、不全位錯（部分位錯）、可動位錯、不可動位錯、堆垛層錯、表面、表面能（或表面張力）、界面、界面能、晶界、相界、小角度晶界、大角度晶界，孿晶界、共格相界、非共格相界和半共格相界，錯配度。

2）掌握以下概念的區别：刃型位錯和螺型位錯，滑移和攀移，割價和扭折；

晶界、相界和孿晶界；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，交滑移和雙交滑移。

3）掌握點缺陷的類型及點缺陷平衡濃度計算公式。

4）掌握位錯類型及其特征；柏氏矢量及其特征。

5）掌握位錯的運動：滑移、攀移、交滑移及位錯的交割，理解實際晶體中的伯氏矢量、堆垛層錯，常見的兩種不全位錯及其特點。

6）掌握位錯的增殖及位錯反應，理解面心立方晶體中的常見位錯。

7）了解晶界與相界的類型及界面特征，掌握晶界的特性及其對材料性能的影響

8）了解位錯的應變能、位錯的線張力，作用在位錯上的力。

3.固體原子及分子的遷移與擴散

考試内容1）擴散的分類及固體中擴散的條件。

2）擴散定律（Fick第一、二定律）的内容和數學表達式、物理意義、适應條件。擴散方程的解及應用。

3）置換固溶體中的擴散，柯肯達爾效應及應用，

4）固相中擴散機制（換位、間隙、空位、晶界擴散、表面擴散機制等）。

5）擴散的驅動力，用擴散理論分析實際問題。

6）擴散系數方程及表達式、擴散激活能的意義及求法。影響擴散的因素。

7）反應擴散的及特點，反應擴散的過程。

8）離子晶體中的擴散特點。考試要求

1）掌握基本概念：擴散、擴散（Fick）第一定律、擴散（Fick）第二定律、穩态擴散、非穩态擴散、擴散通量、柯肯達爾效應、遷移率、擴散系數、擴散激活能、自擴散、互（異）擴散、上坡擴散、下坡擴散、原子擴散、反應擴散、空位擴散、間隙擴散、換位擴散、晶界擴散、表面擴散、短路擴散。2）掌握以下概念的區别：穩态擴散和非穩态擴散，自擴散和互（異）擴散，上坡擴散和下坡擴散，原子擴散和反應擴散，空位擴散和間隙擴散，晶界擴散和表面擴散。

3）掌握擴散定律的内容和表達式、物理意義、适應條件。擴散定律的解及應用。

4）掌握固态金屬擴散的條件及影響擴散的因素。了解柯肯達爾效應及應用。

5）掌握擴散的分類，了解擴散的應用。

6）掌握擴散系數及其物理意義、表達式。

7）掌握固相中原子擴散的驅動力，擴散的各種機制，用擴散理論分析實際問題。

8）了解反應擴散及特征，反應擴散的過程。

4.材料的變形、回複與再結晶

考試内容1）材料應力—應變曲線及曲線上所對應的強度指标；2）彈性變形的特征、彈性模量及影響因素。

3）塑性變形的基本概念：滑移、孿生、滑移線、滑移帶、滑移系、滑移面、滑移方向、多滑移與交滑移。滑移系與晶體結構的關系，三種典型晶體結構的滑移系個數和指數。

4）臨界分切應力的概念及意義、臨界分切應力的公式及相關計算、取向因子及對塑性變形的影響、P－N力的意義。滑移的位錯機制。

5）孿生過程和特點，孿晶的形成和分類，孿生的位錯機制；滑移和孿生的區别。

6）多晶體塑性變形的特點。晶界對材料的性能和塑性變形有什麼影響？Hall-Petch公式。

7）單相合金的塑性變形特點；固溶強化、本質、機制及影響因素。屈服現象及其産生的原因，對生産的影響，防止和消除的方法。應變時效及其産生的原因。

8）多相合金的塑性變形特點；第二相強化（沉澱強化和彌散強化）、本質、機制及影響因素。

9）材料冷塑性變形時内部組織和性能的變化。

10）形變織構的兩種主要類型及特點。

11）冷變形金屬或合金在加熱時組織結構和性能的變化。

12）回複的類型和回複機制，回複動力學，回複多邊化過程。

13）再結晶過程，再結晶溫度及确定再結晶溫度的方法和影響再結晶溫度因素。

14）影響再結晶後晶粒的大小的因素及在生産中控制再結晶晶粒大小的方法。

15）重結晶、結晶、再結晶、二次再結晶的區别。

16）回複、再結晶和晶粒長大在生産上的意義。細化晶粒的意義及方法。

17）熱加工對組織結構和性能的影響。

18）熱加工、溫加工、冷加工；動态回複和動态再結晶。

考試要求

1）掌握基本概念：彈性變形、彈性極限、彈性模量、屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、塑性變形、滑移、滑移帶、滑移線、滑移系、滑移面、滑移方向、多滑移、交滑移、孿生、孿晶、孿晶面、孿生方向、變形孿晶、生長孿晶、退火孿晶、扭折；臨界分切應力、軟位向、硬位向、幾何硬化、幾何軟化、取向因子、P－N力、固溶強化、細晶強化、第二相強化、沉澱強化、彌散強化、形變強化、加工硬化、相變強化、Controll氣團、聚合型兩相合金、彌散型兩相合金、屈服現象、呂德斯帶、應變時效、纖維組織、帶狀組織，形變織構、闆織構、絲織構、亞結構、宏觀殘餘應力、微觀殘餘應力、殘餘應力、低溫回複、中溫回複、高溫回複、再結晶、二次再結晶、晶粒長大、正常長大、異常長大、再結晶溫度、臨界變形度、多邊化、冷加工、溫加工、熱加工、靜态回複、動态回複、靜态再結晶、動态再結晶。

2）掌握以下概念的區别：滑移和孿生，多滑移與交滑移，軟位向和硬位向，幾何硬化和幾何軟化，沉澱強化和彌散強化，纖維組織與帶狀組織，闆織構和絲織構，宏觀殘餘應力、微觀殘餘應力、殘餘應力，重結晶、再結晶和二次再結晶，正常長大和異常長大，冷加工、溫加工和熱加工，靜态回複與動态回複，靜态再結晶和動态再結晶，第一類殘餘應力、第二類殘餘應力和第三類殘餘應力，

3）掌握滑移系，滑移和孿生的特點、區别及相互關系，臨界分切應力的公式及相關計算。

4）掌握材料的強化理論、各種強化的本質。細化材料晶粒的意義和方法；

5）掌握材料塑性變形時内部組織和性能的變化。

6）了解屈服強度概念及意義；屈服現象及特征、原因、利害、防止和消除。

7）掌握應變時效及其産生的原因，了解呂德斯帶形成的原因及解決辦法。

8）掌握冷變形金屬或合金加熱時組織和性能的變化；

9）掌握回複的類型、機制，回複動力學及多邊化過程。

10）掌握再結晶溫度的定義和影響再結晶溫度因素，了解确定再結晶溫度的方法。

11）掌握影響再結晶後晶粒的大小的因素，了解在生産中控制再結晶晶粒大小的方法

12）了解熱加工處理後對材料組織結構和性能的影響。

5、單元相圖及純晶體的凝固

考試内容

1）相平衡條件、相律及表達式和應用。

2）純金屬凝固的過程和現象；過冷度對結晶過程和結晶組織的影響；結晶的驅動力，純晶體結晶的條件。

3）結晶的形核方式：均勻形核與非均勻形核。臨界形核功和臨界晶核半徑的計算；形核率的公式和影響形核率的因素。體積自由能的變化與表面自由能的關系。

4）影響接觸角θ的因素有哪些？選擇什麼樣的異相質點可以大大促進結晶過程。

5）晶體長大的條件和長大的機制。結晶時液固界面的類型和特點；結晶時液固界面的溫度梯度類型及對結晶的影響。枝晶的形成條件和長大過程。

6）能用結晶理論說明實際生産問題：細化鑄件晶粒的方法，控制結晶組織的措施。

考試要求

1）掌握基本概念：凝固、結晶、相、組織、相變、固态相變、組元、系、相圖、單元相圖、相平衡、相律、形核、過冷、過冷度、理論凝固溫度、實際凝固溫度、臨界過冷度、有效過冷度、動态過冷度、均勻形核、非均勻形核、結構（相）起伏、能量起伏、濃度起伏、晶胚、晶核、臨界晶核、臨界晶核半徑、臨界形核功，臨界晶核半徑、形核率、接觸角（潤濕角）、光滑界面、粗糙界面、正溫度梯度、負溫度梯度、平面長大、樹枝長大、形核劑、變質處理

2）掌握以下概念的區别：凝固與結晶，理論凝固溫度和實際凝固溫度，臨界過冷度、有效過冷度和動态過冷度，均勻形核與非均勻形核，晶胚和晶核，光滑界面和粗糙界面，正溫度梯度和負溫度梯度，平面長大、台階長大和樹枝長大。

3）掌握金屬結晶的熱力學條件、動力學條件、能量條件和結構條件；

4）掌握臨界形核功和臨界晶核半徑的概念與計算；形核率的公式和影響形核率的因素。

5）掌握影響過冷度和接觸角θ的因素有哪些？過冷度、異相質點如何促進結晶過程。

6）掌握界面的生長形态與L/S界面結構類型、L/S界面前沿的溫度梯度的關系。

7）掌握純金屬枝晶的形成條件和長大過程。

8）掌握細化鑄态金屬晶粒的方法。

6、二元相圖及合金的凝固

考試内容

1）相圖的表示與測定方法，二元相圖中相律應用，熱力學曲線的公切線原

理。杠杆定律及應用，相接觸法則。

2）二元相圖的幾何規律及複雜相圖的分析方法。

3）幾種基本相圖：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖及共析相圖的分析。（1）分析點、線和平衡反應，會寫出反應式；

（2）分析相應合金的結晶過程及結晶後的組織組成和相組成；

（3）熟練杠杆定律在這幾種相圖中的應用，計算相組成物與組織組成物的百分含量；

（4）典型合金的平衡結晶轉變過程和不平衡結晶轉變過程及轉變組織；（5）明确合金結晶過程與純金屬結晶過程的異同點；

（6）非平衡共晶、離異共晶和僞共晶的組織特點、形成條件；

（7）偏析及其解決辦法。

4）根據相圖與組織結構和合金性能的關系，來判斷合金的性能。

5）典型二元相圖分析：

（1）Fe-Fe3C相圖；

（2）SiO2-Al2O3相圖

6）正常凝固，平衡分配系數的基本概念和表達式。

7）成分過冷及成分過冷的臨界條件和判據。區域熔煉（區域提純）及應用。

成分過冷對結晶生長形态的影響。

8）合金結晶與純金屬結晶過程的異同點。

9）共晶組織的分類及形成機制。

10）鑄錠（件）的宏觀組織特點及形成機制，鑄錠（件）的缺陷類型及形成原因。

11）對于Fe-Fe3C相圖要求：

（1）非常熟練的掌握并會畫出Fe-Fe3C相圖；标出各特性點、線、相區。說明各特性點的溫度、碳濃度及意義；各特性線的溫度、意義（三個恒溫反應）。各相與組織的結構；

（2）純鐵的同素異構轉變：δ－Fe←→γ－Fe←→α－Fe；

（3）P、A、F、Fe3C、Ld、L’d、一次Fe3C、二次Fe3C、三次Fe3C、共晶

Fe3C、共析Fe3C。機械混合物（P、Ld’）；

（4）鐵碳合金中七大類合金合金的平衡結晶過程分析，室溫組織組成物和相組成物；利用杠杆定律計算：平衡結晶過程中相組成物與組織組成物的百分含量的計算；

（5）結合實驗會給出各類Fe-Fe3C合金的室溫顯微組織；（6）碳鋼中的碳含量對Fe-Fe3C合金組織和性能的影響；

（7）一次、二次、三次、共析、共晶滲碳體的的形态、形成條件；

（8）Fe-Fe3C相圖的應用。

考試要求

1）掌握基本概念：二元合金、二元相圖、相區、平衡相、二元勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖、共析相圖、包析相圖、二元勻晶反應、共晶反應、包晶反應、溶混間隙、共析反應、包析反應、熔晶反應、偏晶反應、合晶反應、調幅分解、脫溶轉變，平衡結晶（凝固）、平衡結晶組織、不平衡結晶（凝固）、晶内偏析、枝晶偏析、相組成物、組織組成物、杠杆定

律、相接觸法則、共晶體、共晶點、僞共晶、離異共晶、共析體、共析點；共晶合金、亞共晶合金、過共晶合金、共析合金、亞共析合金、過共析合金、穩定化合物、不穩定化合物、熱過冷、成分過冷、平衡分配系數、有效分配系數、正常凝固、區域熔煉（提純）、枝晶生長、枝晶偏析、Fe-Fe3C相圖、Fe-Fe3C相圖中的相與組織、各概念（A1溫度（PSK線）、A3溫度（GS線）、Acm溫度（ES線）、工業純鐵、碳鋼、合金鋼、共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、鑄鐵、共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵、重結晶、鐵素體、奧氏體、滲碳體、一次滲碳體、共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體、三次滲碳體、萊氏體、低溫（變态）萊氏體、珠光體。

2）掌握以下概念的區别：熱過冷和成分過冷，共晶反應和共析反應，包晶反應和包析反應，平衡結晶（凝固）和不平衡結晶（凝固），相組成物與組織組成物，穩定化合物和不穩定化合物，一次滲碳體、共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體和三次滲碳體，萊氏體和低溫（變态）萊氏體，A1溫度、A3溫度和Acm溫度。

3）掌握幾種基本相圖：勻晶、共晶、包晶相圖的特點，分析平衡結晶過程和室溫相組成，并利用杠杆定律計算相組成百分比，相圖與材料性能的關系

（1）分析點、線和平衡反應；

（2）分析相應合金的結晶過程；

（3）熟練杠杆定律在這幾種相圖中的應用，計算相組成物與組織組成物的百分含量；

（4）不平衡的結晶轉變過程及轉變組織；

（5）會作相圖

4）掌握固溶體合金結晶過程和特點，成分過冷條件和判據，合金結晶過程與純金屬結晶過程的異同點。

5）Fe-Fe3C相圖：

（1）熟練的掌握并會畫出Fe-Fe3C相圖，相關的概念；了解純鐵的同素異構轉變及特點。

（2）掌握各特性點、線、相區。說明各特性點的溫度、碳濃度及意義；（3）掌握各特性線的溫度、意義（三個衡溫反應式）。

（4）熟練掌握Fe-Fe3C圖中各區域相組成物和組織組成物。七大類合金室溫組織的區别。

（5）掌握鐵碳合金中七大類合金合金的平衡結晶過程分析，室溫組織及特征；熟悉五類滲碳體形（一次、二次、三次滲碳體、共析滲碳體、共晶滲碳體）的形态、形成條件。

（6）掌握利用杠杆定律計算七大類合金平衡結晶過程中的相組成物與組織組成物的百分含量。二次滲碳體、三次滲碳體的最大含量計算。

（7）結合實驗會給出各類Fe-Fe3C合金的室溫顯微組織。

（8）含碳量對鐵碳合金組織、力學性能、工藝性能的影響，鐵碳合金相圖的實際應用。

四、考試要求

碩士研究生入學考試科目《材料科學基礎（三）》為閉卷，筆試，考試時間為180分鐘，本試卷滿分為150分。試卷務必書寫清楚、符号和西文字母運用得當。答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙上無效。

五、主要參考教材（參考書目）

《材料科學基礎教程》（2009年第三版），趙品，謝輔洲，孫振國編著，哈爾濱工業大學出版社。

《材料科學基礎》（2010年第三版），胡赓祥、蔡珣、戎詠華 編著，上海交通大學出版社