介稳相和稳定相之间的转变是可逆转变还是不可逆转变

可逆的

亚稳相又称介稳相。在热力学上虽不最稳定、但却是相对稳定的相。在合的自由能一成分曲线上，亚稳相的分对应于自由能曲线的极值点，但非最小值点（稳定相，或平衡相，则应于最小值点）。因此，亚稳相在加热时就会逐步过渡到稳定的平衡相。

这种物相由于制备工艺、缺陷等条件暂时存在，并有着向稳定相转变的趋势。亚稳相的吉布斯自由能较稳定相高，如果经过足够长的时间，亚稳相可以转变为稳定相。马氏体是一种著名的亚稳相，马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。

考试科目名称：材料科学与工程基础 考试科目代码：840

“材料科学与工程基础” 为材料科学与工程一级学科考试科目，答题时间为180分钟，共150分，内容分为两部分。第一部分为公共知识部分，内容为“大学物理学”，占50分；第二部分为选答题部分，占100分，选答题部分分为六组，考生根据选报的二级学科或研究方向选择六组试题中的之一。

公共知识部分考试大纲

“大学物理学（必答）”部分考试大纲

一、考试要求

“大学物理学”部分满分为50分，是报考哈尔滨工业大学材料科学与工程学院各二级学科考生必答部分。大学物理学考题主要包括力学、热学和电磁学三大部分，主要参考教材为张三惠主编《大学物理学》（第一～三册，清华大学出版社出版）。

大学物理学试题部分的基本要求是：（1）物理概念清晰，理解并掌握力学、热学和电磁学的基本物理原理和方法；（2）能够利用物理学的基本原理和方法解决相关的物理问题。

二、考试内容

1）力学部分

a:动量与角动量：质点系的动量定理，动量守恒定律，质心运动定理，质点及质点系角动量定理及守恒定理。

b:功和能：保守力与势能、机械能守恒定律，碰撞。

2）热学部分

a:气体动理论：温度的微观意义，能量均分定理，麦克斯韦速率分布定律，气体分子平均自由程。

b:热力学第一定律：功、热量和热力学第一定律，热容，绝热过程，卡诺循环。

c:热力学第二定律：热力学概率与自然过程的方向，热力学第二定律及其微观意义，玻耳兹曼公式及熵增加原理。

3）电磁学部分

a:静止电荷的电场：库仑定律与叠加原理，电通量及高斯定理，静电场分布。

b:静电场中的电介质：电介质的极化，电容器及其电容。

c:磁力：磁与电荷运动，磁场与磁感应强度，带电粒子在磁场中的运动。

d:磁场中的磁介质：原子磁矩，磁介质的磁化。

三、试卷结构

a）满分：50分

b）题型结构

a:概念及简答题（40%）

b:论述题（60%）

c）内容结构

a:力学（30%）

b:热学（30%）

c:电磁学（40%）

四、参考书目

《大学物理学》（第一～三册），张三惠主编，清华大学出版社

选答题部分考试大纲

第一组：“材料结构与力学性能（选答）”部分考试大纲

(材料学学科，金属材料与陶瓷材料方向选答部分；材料物理与化学学科，材料物理与化学方向)

一、考试要求

试卷内容分为两部分：第一部分为材料结构与缺陷；第二部分为材料力学性能。

材料结构与缺陷部分的基本要求是应考者需全面掌握晶体材料结构及其缺陷的基本概念、基本规律、基本原理，要求能灵活运用材料结构与缺陷的基本理论综合分析材料结构与性能的相关性。

材料力学性能的基本要求是：(1)理解并掌握材料弹性变形、塑性变形与断裂等基本力学行为的宏观规律及微观本质，并进一步了解应力状态、试样几何因素以及环境因素对材料力学行为的影响；(2)熟悉材料常用力学性能指标的意义、测试原理、影响因素及其应用范围，具有按照实际工作条件和相关标准、规范等正确选择试验方法和指标进行材料测试、评价及选择材料的能力，并了解改善材料力学性能的基本方法和途径。

二、考试内容

1）材料结构与缺陷部分

a:晶体学基础：原子的结合键、结合能；结合键的特点、与性能的关系；晶体学的基本概念；晶面指数、晶向指数的标定；晶面间距的计算；晶体的对称性。

b:晶体结构：典型纯金属的晶体结构；合金相的晶体结构；离子晶体结构；共价晶体结构；亚稳态结构。

c:晶体缺陷：晶体缺陷的分类、结构、表征、运动特性；空位和间隙原子形成与平衡浓度；位错的基本类型与表征、位错的运动与增殖、位错的弹性性质、实际晶体中的位错；界面、相界、孪晶界；位错及位错与其他晶体缺陷的交互作用。

d:相图：相图的基本规律、分析方法与应用；分析各种类型的二元相图及其晶体的结晶过程和组织；三元相图的基本知识。

2）材料力学性能部分

a:材料基本力学性能试验：(1) 掌握静载拉伸试验方法与拉伸性能指标的含义及测定，熟悉典型材料拉伸变形断裂行为与应力－应变曲线；(2) 熟悉压缩、弯曲、扭转试验原理、特点及应用，了解应力状态对材料力学行为的影响；(3) 掌握布氏、洛氏、维氏硬度试验原理、特点及应用范围。

b:材料变形行为与变形抗力：(1)掌握弹性变形行为及其物理本质，熟悉材料的弹性常数及其工程意义；(2)熟悉材料塑性变形行为及其微观机制，了解材料物理屈服现象；(3)了解材料的理论与实际屈服强度、微观与宏观屈服应力及宏观屈服判据；(4)了解材料强化的基本途径与常用方法。

c:材料断裂行为：(1)了解材料常见断裂形式及其分类方法；(2)熟悉金属延性断裂行为及微观机制；(3)熟悉解理和沿晶断裂行为及微观机制；(4)了解断裂的宏观强度理论。

d:材料的脆性及脆化因素：(1)了解材料脆性的本质及表现，熟悉微观脆性与宏观脆性的联系与区别；(2)熟悉缺口顶端的应力和应变特征，了解缺口试样拉伸行为及缺口敏感性；(3)了解冲击载荷特征与冲击变形断裂特点，掌握缺口试样冲击试验与冲击韧性的意义及应用；(4)了解材料低温脆性的本质及其评定方法。

e:材料裂纹体的断裂及其抗力：(1)了解材料的理论断裂强度，掌握Griffith强度理论及应用；(2)掌握线弹性断裂力学的基本概念与基本原理，了解裂纹尖端塑性区及其修正； (3)了解裂纹体的断裂过程与断裂韧性的测定及其影响因素。

f:材料的疲劳：(1)熟悉高周、低周疲劳行为,s-N与-N疲劳曲线及其经验规律，掌握疲劳抗力的意义及表征； (2)了解疲劳断裂过程、特征及微观机制；(3)掌握疲劳裂纹扩展的断裂力学处理思路与Paris方程；(4)了解材料疲劳抗力的影响因素。

g:材料高温力学性能：(1)了解高温下材料力学性能特点、高温蠕变行为、断裂过程及其微观机制；(2)掌握蠕变极限与持久强度指标的含义、评价方法及影响因素。

三、试卷结构

a）满分：100分 （材料结构与缺陷、材料力学性能各占50分）

b）题型结构

a:材料结构与缺陷部分（50分）

(1)概念题（名词解释、多项选择、填空、改错等）（10分）

(2)简答题（10分）

(3)计算题（10分）

(4)综合论述及应用题（20分）

b:力学性能部分（50分）

（1）基本术语解释（10分）

（2）多项选择（5分）

（3）简答题（15分）

（4）综合论述与计算题（20分）

四、参考书目

1．《材料科学基础》，胡赓祥、蔡珣主编，上海交通大学出版社，2000年

2．《材料科学基础》，潘金生、仝健民、田民波编，清华大学出版社，1998年

3．《材料的力学性能》（第2版），郑修麟主编，西北工业大学出版社，2000年

4．《材料力学性能》，石德珂、金志浩编，西安交通大学出版社, 1998年

第二组：“无机材料物理化学（选答）”部分考试大纲

(材料学学科，无机非金属材料方向选答部分)

一、 考试要求：

要求学生熟练掌握本大纲所求的内容，并能够利用相关原理，解决工程中所遇到的实际问题。

二、考试内容：

1）热力学第一定律：热力学第一定律、焓、热容、热力学第一定律对理想气体的应用、热化学。

2）热力学第二定律：熵的概念、熵变的计算、Helmholz自由能和Gibbs自由能、化学反应方向的确定、热力学对单组分体系的应用、偏摩尔量与化学势、化学势与化学平衡。

3）溶液：概念、拉乌尔定律、亨利定律、混合溶液各组分的化学势、混合气体各组分的化学势。

4）相平衡：相平衡条件、相律、水的相图、二组分相图的组成原理、杠杆规则、二元凝聚体系相图、形成化合物的二元相图；三组分体系相图的构成原理、三组分固熔体系相图分析。

5）化学平衡：化学反应的平衡条件、液相与气相的反应平衡常数、化学反应平衡常数与标准生成Gibbs自由能。

6）界面现象：表面自由能和表面张力、弯液面下的附加压力、弯液面上的蒸汽压、吉布斯吸附公式、润湿现象和接触角、表面活性剂。

7）热力学应用：热力学势函数及应用。

8）相变：液固相变热力学，液固相变动力学，均匀成核与非均匀成核。

9) 烧结：烧结过程动力学，烧结过程中的物质传递。

三、 试卷结构：

a) 满分：100分

b) 题型结构

a:选择题（20分）

b:问答题（30分）

c:计算题（50分）

四、 参考书目

《物理化学》，傅献彩、沈文霞、姚天扬主编，高等教育出版社，2000年

《无机材料科学基础》陆佩文 编著 武汉工业大学出版社，1996年

第三组：“高分子材料（选答）”部分考试大纲

(材料学学科，树脂基复合材料方向；材料物理与化学学科，高分子材料方向选答部分)

二、 考试要求：

要求学生熟练掌握本大纲所求的内容，并能够利用相关原理，解决实际问题。《高分子材料学》满分100分。

高分子化学部分

第一章 绪论

「掌握内容」

1 基本概念：单体、聚合物、聚合反应、结构单元、重复单元、单体单元、链节、聚合度、均聚物、共聚物。

2加成聚合与缩合聚合；连锁聚合与逐步聚合。

3 从不同角度对聚合物进行分类。

4 常用聚合物的命名、来源、结构特征。

5线性、支链形和体形大分子。

6 聚合物相对分子质量及其分布。

7大分子微结构。

8聚合物的物理状态和主要性能。

「熟悉内容」

1 系统命名法。

2 典型聚合物的名称、符号及重复单元。

3 聚合物材料和机械强度。

第二章 自由基聚合

「掌握内容」

1自由基聚合的单体。

2自由基基元反应每步反应特征；自由基聚合反应特征。

3常用引发剂的种类；引发剂分解动力学；引发剂效率；影响引发剂效率的因素；引发剂选择原则。

4聚合动力学研究方法；自由基聚合微观动力学方程推导；自由基聚合反应速率常数；自动加速现象。

5无链转移反应时的分子量；链转移反应对聚合度的影响。

6影响聚合反应速率和分子量的因素（温度、压力、单体、引发剂）。

7阻聚与缓聚。

8聚合热力学。

「熟悉内容」

1 热聚合、光引发聚合、辐射聚合。

2 聚合过程中速率变化的类型。

3 自由基聚合的相对分子质量分布。

4反应速率常数的测定。

第三章 自由基共聚合

「掌握内容」

1 共聚合基本概念：

无规共聚物，接枝共聚物，交替共聚物，嵌段共聚物，竟聚率，恒比点。

2共聚物的分类和命名。

3二元共聚组成微分方程推导。

4 理想共聚、交替共聚、非理想共聚（有或无恒比点）的定义，根据竟聚率值判断两单体对的共聚类型及共聚组成曲线类型。

5 共聚物组成控制方法。

6共聚物微观结构与链段分布。

7 单体和自由基活性的表示方法，取代基的共轭效应、极性效应及位阻效应对单体和自由基活性的影响。

「熟悉内容」

1共聚合的意义及典型共聚物。

2影响竟聚率的因素和竟聚率测定方法。

3共聚物的组成与转化率的关系。

4多元共聚。

5共聚合速率。

第四章 聚合方法

「掌握内容」

1 四种聚合实施方法的基本组成及优缺点。

2 悬浮聚合与乳液聚合的机理及动力学。

「熟悉内容」

1 典型聚合物的聚合实施方法。

2 聚合方法的选择。

第五章 阳离子聚合

「掌握内容」

1阳离子聚合常见单体与引发剂。

2阳离子聚合机理。

3影响阳离子聚合因素

第六章 阴离子聚合

「掌握内容」

1阴离子聚合常见单体与引发剂。

2阴离子聚合机理，聚合速率及聚合度。

3影响阴离子聚合因素。

4活性阴离子聚合聚合原理、特点及应用。

5 阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合的比较。

第九章 逐步聚合反应

「掌握内容」

1 逐步聚合的基本概念：

官能团，平均官能度，线形缩聚，反应程度，当量系数，体型缩聚，无规预聚物，结构预聚物，凝胶化作用，凝胶点。

2缩聚反应的类型及典型聚合物的命名。

3 逐步聚合反应的特点。

4 逐步聚合官能团等活性理论。

5缩聚反应聚合物分子量的控制。

6 典型线性和体型缩聚物的合成方法。

7 线形逐步聚合与体型逐步聚合的比较。

8 逐步聚合与连锁聚合的比较。

「熟悉内容」

1 线形逐步聚合动力学。

2 缩聚物的分子量分布。

3 影响聚合反应动力学方程的因素。

第十章 聚合物的化学反应

「掌握内容」

1 聚合物化学反应的基本概念：

几率效应，邻近基团效应。

2 聚合物与小分子反应活性的比较及影响因素。

3 典型的聚合物的化学反应

聚乙酸乙酯的反应

芳香烃的取代反应

4制备嵌段聚合物及接枝聚合物常用的方法。

5 聚合物交联反应：橡胶的硫化、饱和聚烯烃的过氧化物交联。

6 典型聚合物的热降解反应。

「熟悉内容」

1 纤维素的反应、卤化反应、环化反应。

2 光致交联固化。

3 氧化降解、聚合物老化机理及老化的防止与利用。

4 功能高分子的定义及主要种类。

高分子物理部分

第一章 高分子链的近程结构

「掌握内容」

1化学组成：基团（极性与非极性），单体单元（均聚与共聚）及末端基；梯形与螺旋型结构。

2键接结构：头－头（尾－尾）及头－尾结构。

3构型（旋光异构，几何异构）。

4支化与交联

「熟悉内容」

1高分子链构型的测定方法。

第二章 高分子链的远程结构

「掌握内容」

1基本概念：

均方末端距，高斯链，构象。

2高分子链长、末端距的计算方法； 高分子链的柔顺性及本质。

「熟悉内容」

1高分子链的旋转及构象统计。

第三章聚合物的聚集态结构

「掌握内容」

1基本概念：

单晶，片晶，球晶，纤维状晶，串晶，伸直链晶体；结晶度，取向，取向度；内聚能密度，相容性。

2Keller折叠链模型；无规线团模型；局部有序模型。

3高分子链结晶动力学。

4结晶度及取向的测定方法，液晶的表征。

5高分子合金

「熟悉内容」

1不同晶型的形成条件。

2取向对聚合物材料的影响。

第四章 高分子的运动

「掌握内容」

1高聚物分子运动的特点。

2玻璃化转变。

4 玻璃化温度与链结构的关系。

5 玻璃态的分子运动。

6 晶态高聚物的分子运动。

「熟悉内容」

1 高聚物分子运动的研究方法。

第五章 高聚物的力学性能

一、高弹性

「掌握内容」

1基本概念：

杨氏模量，切变模量，本体模量，熵弹性。

2橡胶高弹形变的特点与本质。

「熟悉内容」

1 橡胶弹性动力学分析及统计理论。

2典型的热塑性弹性体。

二、聚合物的粘弹性

「掌握内容」

1基本概念：

蠕变，应力松弛，动态粘弹性， 滞后与阻尼，Boltzmann叠加原理，时-温等效原理，松弛（迟后）时间及其松弛（迟后）时间谱。

2 高分子材料（包括高分子固体，熔体及浓溶液）的力学行为特性，粘弹性本质。

3描述聚合物粘弹性的力学模型及所描述的聚合物的力学过程。

「熟悉内容」

1 Maxwell模型与Voigt（或Kelvin）模型的数学推导。

2 WLF方程及应用。

3 粘弹性的研究方法。

三、聚合物的屈服和断裂

「掌握内容」

1 基本概念：

屈服应力，断裂应力，冲击强度，疲劳， 银纹，剪切带，脆性断裂，韧性断裂，应力集中。

2 晶态、非晶态及取向聚合物应力－应变特点。

3 聚合物的屈服与增韧机理。

4 影响聚合物强度的因素与增强途径、机理。

「熟悉内容」

1 断裂理论。

第六章 聚合物的电学性能、热性能、光学性能

「掌握内容」

1基本概念：

介电极化，介电松弛，掺杂，压电系数， 焦电系数， 聚合物压电体。

2高聚物的导电率、导电聚合物的结构与导电性。

3高聚物的热稳定性、热膨胀、热传导，热变形温度。

4折光指数，透明度，雾度，双折射，散射。

「熟悉内容」

1高聚物的电击穿，高分子的静电现象。

第七章 高分子溶液

「掌握内容」

1基本概念：

溶度参数，Huggins参数，θ温度，第二维利系数A2，聚合物增塑，凝胶，冻胶。

2高分子的溶解过程；溶剂对聚合物溶解能力判定原则；高分子溶液与理想溶液的偏差；Flory-Huggins高分子溶液理论；Flory-Krigbaum稀溶液理论。

3Huggins参数、θ温度及第二维利系数A2之间的关系；θ溶液与理想溶液。

4高分子浓溶液及应用。

「熟悉内容」

1 Flory-Huggins晶格理论的假定条件及局限性。

第八章 聚合物的分子量和分子量分布

「掌握内容」

1基本概念：

相对粘度，增比粘度，比浓粘度，比浓对数粘度，特性粘度，数均分子量、重均分子量、粘均分子量、Z均分子量。

2聚合物分子量的统计意义；常用的统计平均相对摩尔质量。

3相对摩尔质量分布宽度及表示方法。

4聚合物分子量的测定原理；不同测定方法的适用范围。

5特性粘度和相对摩尔质量的关系。

6高分子的分级方法。

参考书目

1、潘祖仁编，《高分子化学》（第三版），化学工业出版社，2004

2、何曼君等编，《高分子物理》（第二版），复旦大学出版社，2000

第四组：“复合材料基础（选答）”部分考试大纲

(航天学院材料学学科，复合材料方向选答部分)

一、考试要求

复合材料基础满分为100分。主要考察学生对材料科学和复合材料学基础知识的掌握程度。

二、考试内容

1）复合材料的基本概念及原理

a:基本概念

b:分类方法

c:性能特点

d:基本设计原理

2）复合材料的基体

a:聚合物

b:金属

c:陶瓷

3）复合材料的增强相的形态及制造工艺

a:纤维

b:颗粒

4）复合材料的界面

a:基本概念

b:粘结机制

c:陶瓷相变增韧

5）聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料

a:聚合物基复合材料的制造工艺、性能特点及应用

b:金属基复合材料的制造工艺、性能特点及应用

c:陶瓷基复合材料的制造工艺、性能特点及应用

6）复合材料的性能分析及测试

a:性能分析

b:性能测试

三、试卷结构

a) 满分：100分

b) 题型结构

a:概念题（20分）每题4分，共5题。

b:简答题（40分）每题8分，共5题。

c:论述题（40分）每题20分，共2题。

四、参考书目

1．《复合材料概论》，王荣国、武卫莉、谷万里编著，哈尔滨工业大学出版社，2003年1月

2．《高性能复合材料学》，郝元凯、肖加余编著，化学工业出版社，2004年1月

第五组：“固体物理（选答）”部分考试大纲

(材料物理与化学学科，材料物理与化学方向选答部分)

一、考试要求

要求考生系统地掌握固体物理的基本概念和基本原理，并能利用固体物理的基本原理分析固体的物理性能。要求考生对晶体结构与晶体结合、晶格热振动及固体的热性质、固体电子论（特别是能带结构）等基本原理有很好的掌握，并能熟练应用固体物理的基本原理分析固体的导电性质与磁性质等物理性质。

二、考试内容

1）固体结构与固体结合

a:晶体结构

b:晶体衍射与倒易点阵

c:布里渊区

d:固体键合的物理本质

2）晶格热振动及晶体的热性质

a:格波，声学和光学格波，声子

b:固体比热

c:固体热传导

3）自由电子理论及能带理论

a:费米面

b:霍尔效应

c:固体能带的基本概念

d:导体、绝缘体和半导体的物理本质

4）半导体晶体

a:半导体的有效质量

b:p型和n型半导体

c:载流子浓度

d:p-n结

三、试卷结构

a）满分：100分

b）题型结构

a:概念及简答题（40分）

b:论述题（60分）

c）内容结构

a:固体结构与固体结合（15分）

b:晶格热振动及晶体的热性质（30分）

c:自由电子理论及能带理论（30分）

d:半导体晶体（25分）

四、参考书目

《固体物理学》，黄昆原著、韩汝琦改编，高等教育出版社

第六组：“金属学与热处理（选答）”部分考试大纲

(材料加工工程学科，材料加工工程方向选答部分)

一、 考试要求

要求考生全面、系统地掌握“金属学与热处理”课程的基础理论，基本知识和基本技能，并能灵活运用金属学热处理理论分析和解决工程实际的问题的综合能力。

二、考试内容

1）金属学理论

a:金属与合金的晶体结构及晶体缺陷

b:纯金属的结晶理论

c:二元合金相图及二元合金的结晶

d:铁碳合金及Fe-Fe3C相图

e:三元合金相图

f:金属的塑性变形理论及冷变形金属加热时的组织性能变化

2）热处理原理及工艺

a:钢的加热相变理论

b:钢的冷却相变理论

c:回火转变理论

d:合金的时效及调幅分解

e:钢的普通热处理工艺及钢的淬透性

三、试卷结构

a）满分：100分

b）题型结构

a:基本知识与基本概念题 （约20分）

b:理论分析论述题（约40分）

c:实际应用题（约20分）

d:计算与作图题（约20分）

c）内容结构

a:金属学理论（约60分）

b:热处理原理及工艺（约40分）

d）试题形式

a:选择题

b:判断题

c:简答与综合题等

四、参考书目：

《金属学与热处理原理》，崔忠圻、刘北兴编，哈尔滨工业大学出版社，2004年修订版

华中科技大学硕士研究生入学考试《材料科学基础》考试大纲

第一部分 考试说明

一、考试性质

《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重讲述材料的微观组织与性能之间的关系。本课程强调晶体材料中的共性基础问题，对于理解现有材料和开发新材料都具有重要的指导意义。因此，该课程被指定为材料学科专业硕士研究生的入学专业基础考试课程。

二、考试的学科范围

详细要点见第二部分，重在掌握基本概念及其应用，强调晶体材料的共性知识。

三、评价目标

考试的目标是考查学生对《材料科学基础》基本理论的掌握程度以及应用基本理论分析材料问题的能力。

四、考试形式与试卷结构

考试时间180分钟，闭卷笔试。包括概念填空、简单计算和分析论述等不同形式的题目。

五、参考书目

主要参考书为上海交通大学胡赓祥等编写的《材料科学基础》2006年第二版，也可参考其它同类教材，如西安交大石德柯等编《材料科学基础》，清华潘金生等编《材料科学基础》，哈工大李超编《金属学原理》，中南矿冶曹明盛编《物理冶金基础》等等。

第二部分 考查要点

一、原子结构与键合

1．原子结构

（1）物质的组成

（2）原子的结构

（3）原子的电子结构

2．原子间的键合

（1）金属键

（2）共价键

（3）离子键

（4）范德华力

（5）氢键

3．高分子链

二、晶体结构

1晶体学基础

(1) 空间点阵和晶胞

(2) 晶向指数和晶面指数

(3) 晶体的对称性

2金属的晶体结构

(1) 三种典型的金属晶体结构

(2) 晶体的原子堆垛方式和间隙

(3) 多晶型性

3合金相结构

(1) 固溶体

(2) 中间相

4．离子晶体结构

5．共价晶体结构

三、晶体缺陷

1点缺陷

(1) 点缺陷的形成

(2) 点缺陷的平衡浓度

(3) 点缺陷的运动

2位错

(1) 位错的基本类型和特征

(2) 伯氏矢量

(3) 位错的运动

(4) 位错的弹性性质

(5) 位错的生成和增殖

(6) 实际晶体结构中的位错

3表面及界面

(1) 外表面

(2) 晶界和亚晶界

(3) 孪晶界

(4) 相界

四、扩散

1表象理论

(1) 菲克第一定律

(2) 菲克第二定律

(3) 扩散方程的解

(4) 置换型固溶体中的扩散

(5) 扩散系数D与浓度相关时的求解

2扩散的热力学分析

3扩散的原子理论

(1) 扩散机制

(2) 原子跳跃和扩散系数

4扩散激活能

5无规则行走与扩散距离

6影响扩散的因素

7反应扩散

五、形变与再结晶

1晶体的塑性变形

(1) 单晶体的塑性变形

(2) 多晶体的塑性变形

(3) 合金的塑性变形

(4) 塑性变形对材料组织与性能的影响

2回复和再结晶

(1) 冷变形金属在加热时的组织与性能变化

(2) 回复

(3) 再结晶

(4) 晶粒长大

(5) 再结晶退火后的组织

3热变形与动态回复、再结晶

(1) 动态回复与动态再结晶

(2) 热加工对组织性能的影响

六、单组元相图及纯晶体的凝固

1单元系相变的热力学及相平衡

(1) 相平衡条件和相律

(2) 单元系相图

2纯晶体的凝固

(1) 液态结构

(2) 晶体凝固的热力学条件

(3) 形核

(4) 晶体长大

(5) 结晶动力学及凝固组织

七、二元系相图及其合金的凝固

1相图的表示和测定方法

2相图热力学的基本要点

(1) 固溶体的自由能-成分曲线

(2) 多相平衡的公切线原理

(3) 混合物的自由能和杠杆法则

(4) 从自由能-成分曲线推测相图

(5) 二元相图的几何规律

3二元相图分析

(1) 匀晶相图和固溶体凝固

(2) 共晶相图及其合金凝固

(3) 包晶相图及其合金凝固

(4) 溶混间隙相图与调幅分解

(5) 复杂二元相图的分析方法

(6) 根据相图推测合金的性能

4二元合金的凝固理论

(1) 固溶体的凝固理论

(2) 共晶凝固理论

(3) 合金铸锭(件)的组织与缺陷

八、三元相图

1三元相图的基础

(1) 三元相图成分表示方法

(2) 三元相图的空间模型

(3) 三元相图的截面图和投影图

(4) 三元相图中的杠杆定律及重心定律

2固态互不溶解的三元共晶相图

3固态有限互溶的三元共晶相图

4两个共晶型二元系和一个匀晶型二元系构成的三元相图

5包共晶型三元系相图

6具有四相平衡包晶转变的三元系相图

第三部分 考试样题

可以参考近年的考试试题，但不要以此去推测考试侧重点。不同教师出题风格是不同的，考试题不是教学的全部内容，但出题范围原则上不会超出大纲。

（一）析出的晶体与熔体成分相同

1连续生长机制

这里讨论的是粗糙界面上的连续生长，粗糙界面上处处都是生长位置，流体中原子几乎是连续地进入界面上的结晶位置，故粗糙界面的生长称为“连续生长”。当稳定晶核形成以后，在一定的温度和过饱和度条件下，晶体按一定的速度生长。晶体生长类似扩散过程，它取决于分子或原子从熔体（液相）中分出向界面扩散的能力（如图9-12）。界面上液体一侧中一个原子或分子的自由能为Gl，晶体侧一个原子或分子的自由能为Gc，迁移一个原子到固相时自由能的变化为：Gl-Gc=VΔGV。这里，V为形成的晶核的体积。原子或分子从液体通过界面移到晶体时的活化能为ΔGa。这时的晶体生长速度公式为（浙江大学等，1980）

实验及理论岩石学

这里，f是附加因子，是晶体界面上能附着原子的位置，λ为原子间距，μ0为跃迁频率，K是波兹曼常数。该式表明生长速度与过冷度ΔT间呈线性关系（U=AΔT）。

2层状生长机制

光滑界面的层状生长又包括二维成核和螺旋位错生长机制。

（1）二维成核生长

如果固-液界面平滑（晶面完整）到一个原子大小的尺度（图9-13），则晶体的成长速度决定于二维晶核形成的速率。晶体在熔体中生长时，生长速度为（闵乃本，1982）这里，A=hsμ0，B=π（σLS）2/KT，各参数中除了已给出的外，h为二维核高度；s为生长面积。在这里生长速度U与ΔT呈指数关系。

图9-12 从液相迁移一个原子到固相时自由能的变化

图9-13 在晶体表面形成二维晶核

实验及理论岩石学

（2）螺旋位错生长

在晶面有缺陷时，晶体生长过程不是简单地在晶面上层层添加，而是绕着一个垂直于某晶面的轴旋转长大的，生长中心是螺旋位错（图9-14）。这时

图9-14 晶体按螺旋形生长

实验及理论岩石学

可见生长速度和（ΔT）2成正比（浙江大学等，1980），在许多系统中，生长速度近似地和过冷度的平方成正比（U=AΔT 2）（抛物线律）。图9-15是不同成分的钾长石在不同水含量条件下的生长速度曲线，生长速度也是随着过冷度增加由低到高，到一个峰值后又逐渐下降。该生长速度曲线具有抛物线的形态。图9-16是8kbar压力下含水的人工合成花岗质熔体中主要造岩矿物的生长速度与过冷量关系曲线，这些生长曲线同样呈抛物线的形态，在熔体成分相同时，各种矿物的生长速度随水含量增加而减少。

图9-15 25kbar压力下含水量不同的碱性长石的生长速度与过冷度的关系

图9-16 8kbar压力下含不同量水的人工合成花岗岩熔体中矿物的生长速度与过冷度关系

（二）析出的晶体和熔体组成不同

以众所周知的An-Ab二元无限混熔固溶体系列为例。平衡结晶中，熔体中的Ab组分起了降低液相线温度的作用。在一定温度下，熔体中的Ab含量高于平衡的斜长石中的Ab含量（即Csl，Cs、Cl分别为共存的固体和液体中同一组分的浓度）。熔体中的An组分则相反，起到提高液相线温度的作用，在一定温度下液体中An含量低于平衡的斜长石中的An含量（Cs>Cl）。结晶过程中，（Cs>Cl）组分优先进入晶体，而（Csl）组分则在晶体边缘形成浓度较高的“边界层”（图9-17）。边界层内的熔体的液相线温度因此低于周围的熔体的液相线温度，对于相同的结晶温度来说，边界层内的过冷度与周围熔体的过冷度是不同的。这种因结晶过程中熔体成分变化形成的过冷现象成为“组分过冷”（constitutional undercooling）（Lofgreen，1980；闵乃本，1982）。在中酸性火山岩中也有反映岩浆结晶中组分过冷现象的报道（周金城，1990）。

图9-17 晶-液界面附近的边界层中（Csl）组分浓度变化及组分过冷（ΔT）的出现

中国东南沿海早白垩世的流纹英安质“碎斑熔岩”中有一种特殊的结构，碎斑熔岩中“钾长石碎斑”边缘增生了光性方位相同的“钾长石边”，在这种钾长石生长边内，有细粒石英嵌布，这种钾长石生长边因此被命名为“珠边”。珠边内嵌布的石英颗粒的光性方位各不相同，但靠近钾长石碎斑的石英颗粒细，靠近基质一侧的石英颗粒较粗（图9-18），并与基质中石英粒径相接近。珠边内由内向外石英粒径由细变粗，从无例外。碎斑熔岩中这种特殊的珠边被解释为超浅成或熔岩流底部酸性岩浆结晶中“组分过冷”的产物，是“组分过冷”造成了这种特殊的结构，“珠边”是超浅成的中酸性岩浆作用的岩相学标志。随着钾长石碎斑在这样环境中进一步生长，岩浆中SiO2不断地被生长中的钾长石排除出来，在钾长石周围的熔体中形成了一种富SiO2的“边界层”，在“边界层”内，越靠近晶体的熔体越富SiO2，随着远离晶体，熔体的SiO2逐渐与周围的流纹英安质岩浆趋于一致。“边界层”内富SiO2的岩浆的液相线温度要低于周围流纹英安质岩浆的液相线温度，两者的差异构成“组分过冷”，类似于图9-17，在“边界层”内，靠近钾长石碎斑一侧过冷度小，靠近熔体（即碎斑熔体基质）一侧，过冷度较大。图9-16a表明，在含一定量水的花岗闪长质（流纹英安质）熔体中，过冷度小时，石英的生长速度并不大，过冷度适当增加后，石英的生长速度增加，因而“组分过冷”程度的差别造成“珠边”内石英颗粒粗细的规则变化（周金城等，1999）。这样的解释有待低压下石英生长速度实验资料的进一步证实。

图9-18 碎斑熔岩中钾长石碎斑周围的“珠边”简图

（三）生长机制的判断

总的来看，每种生长机制的生长速度对温度T和过冷度ΔT都有特定的依赖关系。在ΔT较小时，原则上可以通过测量生长速度来确定生长机制。可以用生长速度的减少值与过冷度的关系来区分不同的生长机制。生长速度的减少值Ur（reduced growth rate）可以认为是那些能用以附着原子的位置所占比例的一种度量（Kirkpatrick et al，1976）。有公式：

实验及理论岩石学

其中，Ur为生长速度减少值；Uη，熔体粘度；L，潜热；T，K氏温度；ΔT，过冷度；R，气体常数；TL，液相线温度。假如没有可信的潜热资料能被应用，可用公式：

实验及理论岩石学

进行计算。在Ur对ΔT标绘的结果中，对于连续生长来说，将产生一条水平线；对于螺旋位错机制来说，将产生一条经过原点且具正斜率的直线；对于二维表面成核来说，将产生一条具正曲率的曲线。

TTT曲线也称为C曲线，是钢从奥氏体冷却下来发生各种组织转变的开始线和终了线组合，影响TTT曲线位置和形状的因素主要就是合金元素的种类和含量，不同的合金元素对C曲线的影响非常复杂而各不相同，例如除了Co之外，大部分合金元素都将使C曲线右移，而对碳钢而言，亚共析钢随着含碳量增加，C曲线右移，过共析钢则随着含碳量增加而左移，一些合金元素如Cr还可改变C曲线形状，使珠光体区和贝氏体区分离，此外，奥氏体化也不同程度地影响C曲线。

矿物相平衡主要用于研究矿物和矿物共生组合时的物理化学条件。它一方面可以在给定的物理化学条件下研究可能稳定的矿物组合(包括流体相),另一方面对已知的矿物组合确定其稳定的物理化学条件。相平衡计算及编制相图是热力学研究矿物相平衡关系的重要手段,相平衡计算常用的方法有以下三种:

(1)平衡常数法:用单变反应平衡常数计算平衡线的热力学条件与在相图中的位置。

(2)化学位相等法:当两个或多个相共存并达到平衡时,任何组分在各相中的化学位应该都相等,由此可计算出各相平衡的条件及其与相组成的关系。该方法常用于有固溶体矿物存在的体系。

(3)自由能最小原理法:当一体系处于平衡态时,体系的自由能最小,据此可以确定体系中稳定的相、各相的组成及各相相对的量。这种方法适用于多组分多相的复杂体系。

当体系所有的相反应都达到平衡时,体系的自由能一定最小,同一组分在各相的化学位也一定相等,因此以上三种方法的原理是一致的。

4321 矿物的相转变和相平衡曲线的计算

43211 原理

矿物的相转变按相律公式属单变平衡,矿物相转变的计算原理是:相转变反应遵循吉布斯函数方程。即:

地球化学

式中:△Gm为反应总自由能改变;△Vm为反应体积变化;△Sm为反应总熵变。反应达平衡时,存在d△Gm=0,故有:

地球化学

式(463)就是克劳修斯-克拉佩龙(Clausius-Clapeyron)方程式。对该式积分,将△Vm、ΔSm看成常数,则有:

地球化学

由式(464)可知,当温度从T1转变到T时,存在:

地球化学

在标准状态下,P0为1大气压(1atm=105Pa),若P▓P0,P0可忽略不计,则有:

地球化学

在一般情况下,P1是未知的。现假定P1是T=298K时压力轴上的截距,当反应达到平衡时应有:

地球化学

43212 应用举例

文石(Ar)和方解石(Cal)的化学组成相同,它们发生相转变与温度、压力条件有关,故可以通过计算相转变的温度-压力条件,编制文石-方解石相转变的P-T图解。文石-方解石相转变的反应方程式为:

地球化学

表44列出了文石-方解石的热力学参数。

在已知文石(Ar)和方解石(Cal)的热力学参数后,首先用公式计算T1,计算结果为 ,T1为负值,只有数学意义,表明方解石在常压下不能自发转变成文石。

表44 文石(Ar)和方解石(Cal)的热力学参数

在进行非标准条件下Cal-rA相变计算时,将已有数据代入,则有:

地球化学

设定温度T(K)分别为298、500、700、900、1000K,将它们代入上式,计算出不同温度条件下发生相变的压力条件(表45)。

表45 不同温度条件下文石(Ar)和方解石(Cal)相变的温压条件

用以上计算结果可编制两相转变的P-T相图(图44),从图中可以看出文石(Ar)和方解石(Cal)的相转变只能在高压条件下进行,而且随温度升高,相转变要求的压力急剧增大。因此,在地表条件下方解石相比文石相更稳定。

下面以硬玉(Jd)、石英(Q)和钠长石(Ab)的反应为例,来说明发生了相成分变化的P-T相图的编制方法。三矿物间的相平衡反应式为:

地球化学

图44 文石(Ar)和方解石(Cal)的相转变的P-T相图

当反应达到平衡时,反应自由能为零。即下列等式成立:

地球化学

将矿物的热力学数据代入,就可解出当硬玉+石英和钠长石单变反应达平衡时的P-T条件(图45,计算过程略)。

图45 Jd+Q=Ab反应的单变线

解上述方程一般需要计算机来完成,在压力和温度不是太高的情况下,作为一种近似可假定ΔCP=0,这样方程467可写作:

地球化学

并可导出: ,式中:Peq和Teq分别为平衡压力和平衡温度,应用式(471)比较容易计算出平衡时的P、T条件,图45中实线是按方程(471)计算的结果,虚线是假定△CP=0计算的结果,在较低的温度、压力条件下,两者的偏差可以被忽略。

以上所编制的P-T图解是研究矿物相平衡时热力学条件的相图,它常应用于岩石学和矿物学研究。在地球化学研究中,逸度-逸度图、活度-活度图和pH-hE图的应用有更广泛意义。以下分别举例介绍这些图件编制方法。

4322 相图及相界面的实质

43221 自由能曲面及其相交性质

以G-T-P空间为例,对任何稳定的矿物组合(可以是单矿物相,下同),在G--TP空间上其吉布斯自由能的表达式为:

地球化学

在一定的P、T条件下,S和V都是单值,所以一个稳定的矿物组合,其自由能在空间上是一个单值的、连续的且不与G、P或T轴平行的曲面,叫做吉布斯自由能曲面(自由能面)。由式(472)可得:

地球化学

由于S和V总是有限的正值,因此对于任何一个稳定的矿物组合,当P一定时,在G-T截面上将得到一条斜率永远是有限负值的连续曲线,而当T一定时,在G-P截面上将得到一条斜率永远是有限正值的连续曲线。单体系中两个相关的自由能面相交于一条曲线,三个相关面相交于一点,均须满足只能相交一次的条件。两个自由能曲面的交线即为单变反应曲线,它在P-T平面上的垂直投影就是相图的单变P-T曲线,交点就是无变度点。

当两个自由能面在G-T-P空间相交时,在交线以外的地方,必然一个曲面在上方,一个曲面在下方。所以在相同的P-T条件下,一个组合的自由能比另一个低,自由能较低的组合稳定。而且由于一个自由能面若在相交线的一侧处于较低位置,在相交线的另一侧必将处于较高位置,即一个矿物组合若在交线的一侧为稳定的组合,在交线另一侧将为不稳(或亚稳)定的组合。

43222 质量作用定律

质量作用定律:当一个反应达到平衡时,各物种(矿物相)的活度积是一个常数,各物种活度积的比值也为常数,后者称为平衡常数,表达式如下:

地球化学

式中:K为平衡常数;ci为第i物质的浓度(可以是在固相中的浓度、溶液中的浓度或气相中的分压);γi为其活度系数;vi为其反应计量系数。按常例规定产物赋正值,反应物赋负值。

反应平衡常数与标准反应自由能存在如下关系:

地球化学

标准反应自由能的大小通过参加反应的各物质的标准自由能来求得,即:

地球化学

式中: 为第i相的标准自由能;vi含义同前。对于固相:

地球化学

在地壳的温压条件下,由于随深度的变化,温度升高导致的体积膨胀与压力增加导致的体积减小大部分可抵消,因此作简化处理时不考虑体积的变化。即在地壳的温压范围内以25℃和1×105Pa条件下矿物相的体积来近似代替任意温压下的体积,即:

地球化学

这种近似处理引起的误差一般来说较小,20多种常见造岩矿物的计算误差均小于1%,但当温度和压力较高时,这种近似计算就不再适用。

温度升高引起自由能的变化可以用比热的积分求得,计算公式如下:

地球化学

在大多数情况下,

式中:a、b、c是据实验资料拟合得到的比热系数。

4323 逸度-逸度图的编制方法

下面以Fe-Si-O2-S2体系为例,说明有气相参与的反应。该体系中有四个独立组分和存在以下10个独立反应:

地球化学

在25℃及105Pa条件下,对反应式(483)有:lgK55=1/2和lgfS=-241,在图46中为平行于横坐标lgfO轴的一条直线,反应式(482)和式(484)也是平行于lgfO轴的直线。反应式(485)和式(486)与硫逸度无关,是平行于纵坐标lgfS轴的直线。反应式(487)情况有些不同,lgK59=lgfO-lgfS,反应是斜率为1的直线方程。由于lgK59已知,可以直接在图46中画出。其余反应基本都可参照此平衡线绘出(图46),由于图中两坐标分别为氧逸度fO和硫逸度fS2,故称为逸度-逸度图。相图中线的交点称为不变点,在所研究的条件下为三相点。如A点为铁、橄榄石和磁黄铁矿共存,点B为橄榄石、磁铁矿和磁黄铁矿共存等。图中的线为单变反应线,在线上两相共存,如B、C点之间的连线上磁黄铁矿和磁铁矿共存。图中被单变线分割的区域称为双变区,每个区域内仅有一相稳定,如黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿和橄榄石等各自有自己的稳定区域,各区内fO和fS都可以在一定范围变化。

图46 Fe-Si-O2-S2体系相图

通过图46可以了解不同铁矿物稳定时对应的fO和fS范围。上述编图过程由于并没有给出各矿物的热力学参数,相图中只能得出各反应平衡线的相对位置,这样的相图称为拓扑相图。在矿物的热力学参数还不能满足计算和编图要求时,拓扑相图的编制简便易行。如果能获得各矿物的热力学参数,并将其代入相应反应式进行计算,编制出的相图将可以得到各个相反应平衡线的准确位置。

在前述计算和作图过程中都假定固相的活度为1,对较纯的矿物这个假定产生的误差并不大,但对磁黄铁矿、橄榄石等固溶体类矿物进行相平衡研究时,矿物的相成分变化应该在相应的方程中用其活度进行修正。

如,磁黄铁矿的组成与生成时的硫逸度存在如下关系(Toulmin和Barton,1964):

地球化学

式中:x为FeS在磁黄铁矿中的摩尔分数。

又如,可用共存的磁铁矿、铁尖晶石固溶体(Fe3O4-Fe2TiO4)和钛铁矿-赤铁矿固溶体(FeTiO3-Fe2O3)的组成,来确定其形成的氧逸度和温度条件。Spencer和Liudsly(1981)给出了由共存的磁铁矿和钛铁矿的成分确定其生成温度和氧逸度的方法(图47)。图中U后面的数字是磁铁矿中钛尖晶石的摩尔百分数,I后面的数字是钛铁矿中钛铁矿的摩尔百分数。

图47 共存磁铁矿和赤铁矿固溶体的温度-氧逸度图

在图47中,U、I的等值线和T-P相图中的平衡反应线都是曲线(直线可以视为曲线的特例),实际上它们是自由能曲面与研究设定的二维平面的交线。

4324 lgfO-pH图(或Eh-pH图)的编制

以Fe-O2-S2-H2O体系为例说明lgfO-pH图(或Eh-pH图)的编制。

在一定的条件下,该体系有四个稳定的矿物相——磁黄铁矿、黄铁矿、磁铁矿和赤铁矿,各个矿物相间的平衡关系如下:

地球化学

反应式(493)在H2S0优势场范围内为:

地球化学

假定溶液中总硫的浓度为10-2mol,在H2S0优势场范围内,假定a(H2S0)=a(∑S),则lgfO=-382。在靠近H2S0/HS-平衡线附近,a(H2S0)=a(HS-)的假定将出现较大的误差,此时可计算出在一定总硫浓度条件下的a(H2S0),如图48中的实线即按此方法计算的。图中的虚线是按a(H2S0)=a(∑S)的条件计算的,虚实两条线大部分是重叠的,只是在H2S0/HS-平衡线附近才出现偏离。编制相图时,首先绘出硫的各种溶解类型的优势场,然后考虑各矿物相的稳定关系。

图48 Fe-O2-S2-H2O体系的相图

Eh和lgfO所代表的物理化学意义都是体系的氧化还原状态,两者可以互换。lgfO-pH与Eh-pH图互换的方法有两种,一种是把包含有O2参加的反应改写为带有得失电子的氧化还原反应。如反应式(493)可改写为:

地球化学

由第3章已知Eh-pH间的关系为:

地球化学

式中:n为反应得失电子的数目;F为法拉第常数,F=96484J/(V·mol);R为气体常数,R=83143J/(K·mol);Eh0为标准氧化还原电位,可由标准反应自由能计算:Eh0=△Gr/nF;[氧化态]为反应氧化状态一侧的活度积;[还原态]为反应还原状态一侧的活度积。

反应式(498)可改写成下式:

地球化学

用此式可以将所有反应的Eh-pH关系都计算出来,并据此绘制成Eh-pH相图。

另一个方法是利用Eh和lgfO的换算关系。因为经常讨论的是含水体系,水是稳定存在的相,因此在任何情况下,下面的平衡关系式均成立:

地球化学

Eh和lgfO可通过上式互相换算,表46列出了相关的常数。

表46 Eh和lgfO换算所需的常数

4325 活度-活度图的编制

下面以Na2O-K2O-Al2O3-SiO2-H2O体系为例,介绍活度-活度图的编制方法。

表47列出了该体系中的主要矿物(i=Na或K),含钾矿物出现的顺序与溶液的组成有关。在SiO2饱和的溶液中,钾长石在K+最富的溶液中出现,高岭石在最贫K+的溶液中出现。含钠矿物的情况相似,按这个顺序可写出各矿物的反应式如下:表47 Na2O-K2O-Al2O3-SiO2-H2O体系中的主要矿物

表中i为Na或K。

图49 Na2O-K2O-Al2O3-SiO2-H2O体系的活度-活度相图

由反应式(499)可写出:lg(aK/aNa)=1/2(lgK73),即钾长石与白云母的转变由溶液中的K+的活度与H+活度的比值所决定,在图中表现为一条直线(图49)。反应式(4100)、(4101)和(4102)与反应式(493)相似,反应式(4103)有:

地球化学

由此式可看出白云母与Na蒙脱石的相界线在相图中是斜率为23的直线。同样可得出白云母与钠长石、钾长石与钠长石的相界线特征,并可了解这些矿物共生和变化的物理化学条件。

你好：

大多数固态相变都需经历形核和生长两个阶段。在无扩散型相变中为非热激活形核（变温形核）；扩散型相变的形核与凝固类似，符合经典形核方式；极个别的是无核转变，如调幅分解。新相的形核也有均匀形核和非均匀形核两种方式。均匀形核　在均匀母相中，也存在着各种起伏。如果母相中的组态、成分、密度起伏与新相近似时，则在这些区域中就可能形成新相胚芽，当这些胚芽大到一定尺寸时，就可作为稳定晶核而长大。　固态转变时，由于新相与母相的比容不同，会产生应变能( ε )，在固-固相变时起着重要作用。设晶胚是半径为 r 的球形，则形成晶胚所引起系统自由能的变化。△G=(-4/3)π(r^3)(△Gv+ε)+4π(r^2)σ　将上式中△ G 与 r 之间的函数关系作图。当△ G v +ε <0时，△ G 曲线有极大值△ G ，称为临界形核功；△ G 所对应的 r 称为临界晶核半径。