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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