材料科學(xué)基礎(chǔ)簡答題.docVIP

第二部分 簡答題第1章 原子結(jié)構(gòu)1、 原子間的結(jié)合鍵共有幾種？各自的特點如何？【11年真題】 答：（1）金屬鍵：基本特點是電子的共有化，無飽和性、無方向性，因而每個原子有可能同更多的原子結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時不至于破壞金屬鍵，這就使得金屬具有良好的延展性，又由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。（2）離子鍵：正負離子相互吸引，結(jié)合牢固，無方向性、無飽和性。因此，七熔點和硬度均較高。離子晶體中很難產(chǎn)生自由運動的電子，因此他們都是良好的電絕緣體。（3）共價鍵：有方向性和飽和性。共價鍵的結(jié)合極為牢固，故共價鍵晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點高、質(zhì)硬脆等特點。共價結(jié)合的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電能力較差。（4）范德瓦爾斯力：范德瓦爾斯力是借助微弱的、瞬時的電偶極矩的感應(yīng)作用，將原來穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)的原子或分子結(jié)合為一體的鍵合。它沒有方向性和飽和性，其結(jié)合不如化學(xué)鍵牢固。（5）氫鍵：氫鍵是一種極性分子鍵，氫鍵具有方向性和飽和性，其鍵能介于化學(xué)鍵和范德瓦耳斯力之間。2、陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是什么？從結(jié)合鍵的角度解釋陶瓷材料所具有的特殊性能?！灸M題一】 答：陶瓷材料中主要的結(jié)合鍵是離子鍵和共價鍵。由于離子鍵和共價鍵很強，故陶瓷的抗壓強度很高、硬度很高。因為原子以離子鍵和共價鍵結(jié)合時，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運動，故陶瓷材料的熔點很高，抗氧化性好、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高。第2章 固體結(jié)構(gòu)1、 為什么密排六方結(jié)構(gòu)不能稱為一種空間點陣？【11年真題】 答：空間點陣中每個陣點應(yīng)該具有完全相同的周圍環(huán)境。密排六方晶體結(jié)構(gòu)位于晶胞內(nèi)的原子具有不同的周圍環(huán)境。如將晶胞角上的一個原子與相應(yīng)的晶胞之內(nèi)的一個原子共同組成一個陣點，這樣得出的密排六方結(jié)構(gòu)應(yīng)屬于簡單六方點陣。2、 為什么只有置換固溶體的兩個組元之間才能無限互溶，而間隙固溶體則不能？【模擬題一】 答：因為形成固溶體時，溶質(zhì)原子的溶入會使溶劑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生點陣畸變，從而使體系能量升高。溶質(zhì)與溶劑原子尺寸相差較大，點陣畸變的程度也越大，則畸變能越高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越低，溶解度越小。一般來說，間隙固溶體中溶質(zhì)原子引起的點陣畸變較大，故不能無限互溶，只能有限熔解。3、 試證明四方晶系中只有簡單四方點陣和體心四方點陣兩種類型。【模擬題三】 答：可以作圖加以說明。四方晶系表面也含有簡單四方、底心四方、面心四方和體心四方結(jié)構(gòu)，然而根據(jù)選取晶胞的原則，晶胞應(yīng)具有最小的體積，盡管可以從4個體心四方晶胞勾出面心四方晶胞（如下圖1），從4個簡單四方晶胞中勾出1個底心四方晶胞（如下圖2），但它們均不具有最小的體積。因此四方晶系實際上只有簡單四方和體心四方兩種獨立的點陣。4、 空間點陣和晶體點陣有何區(qū)別？【模擬題四】 答：空間點陣是晶體中質(zhì)點排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性，由于各陣點的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型；晶體點陣又稱晶體結(jié)構(gòu)，是指晶體中實際質(zhì)點的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。5、 說明間隙固溶體與間隙化合物有什么異同?！灸M題五】答：相同點：二者一般都是由過渡族金屬與原子半徑較小的C、N、H、O、B等非金屬元素所組成。不同點：（1）晶體結(jié)構(gòu)不同。間隙固溶體屬于固溶體相，保持溶劑的晶格類型；間隙化合物屬于金屬化合物相，形成不同于其組元的新點陣。（2） 表達式不同。間隙固溶體用、表示；間隙化合物用化學(xué)分子式MX、M2X等表示。（3） 機械性能不同。間隙固溶體的強度、硬度較低，塑性、韌性好；間隙化合物的強度、熔點較高，塑性、韌性差。第3章 晶體缺陷第4章 擴散1、 簡述菲克第一定律和第二定律的含義，寫出其表達式，并標明其字母的含義?！?8年真題】答：菲克定律描述了固體中存在濃度梯度時發(fā)生的擴散，即化學(xué)擴散。 菲克第一定律：擴散中原子的通量與質(zhì)量濃度梯度成正比，即。式中，J為擴散通量，表示單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向X的單位面積的擴散物質(zhì)質(zhì)量，其單位是kg/(m2*s)；D為擴散系數(shù)，其單位為m2/s；是擴散物質(zhì)的質(zhì)量濃度，其單位為kg/m3。式中的負號表示物質(zhì)的擴散方向與質(zhì)量濃度梯度方向相反，即表示物質(zhì)從高的質(zhì)量濃度區(qū)向低的質(zhì)量濃度區(qū)方向遷移。該定律描述了一種穩(wěn)態(tài)擴散，即質(zhì)量濃度不隨時間而變化。菲克第二定律：大多數(shù)擴散過程是非穩(wěn)態(tài)擴散過程，某一點濃度隨時間而變化，這類擴散過程可以由菲克第一定律結(jié)合質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)出的菲克第二定律來處理。即= 。2、 將一根高碳鋼長棒與純鐵棒焊接起來組成擴散偶，試分析在擴散偶中碳濃度分布隨擴散時間的變化規(guī)律，并畫出分布曲線的示意圖。【12年真題】答：高碳鋼和純鐵焊接起來組成擴散偶，碳將經(jīng)焊接縫進入純鐵內(nèi)，發(fā)生反應(yīng)擴散，在純鐵內(nèi)部形成滲層組織（中間相或固溶體），且滲層組織中不存在兩相混合區(qū)在界面上的濃度時突變的。分布如下圖所示：3、 試從擴散系數(shù)公式說明影響擴散的因素?！灸M題二】 答：從公式表達式可以看出，擴散系數(shù)與擴散激活能Q和溫度T有關(guān)。 擴散激活能越低，擴散系數(shù)越大，因此擴散激活能低的擴散方式的擴散系數(shù)較大，如晶界和位錯處的擴散系數(shù)較大。不同類型的固溶體，原子的擴散機制是不同的，間隙固溶體的擴散激活能一般均較小。 溫度是影響擴散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大。第5章 形變與再結(jié)晶1、 試述孿晶與滑移的異同，比較它們在塑性變形過程中的作用。【07年真題】答：相同點：均是均勻切變，都沿一定得晶面、晶向進行，不改變晶體結(jié)構(gòu)，都是位錯運動的結(jié)果。不同點：（1）晶體位向不同?；撇桓淖兙w位向；孿生改變晶體位向，形成鏡面對稱關(guān)系。（2） 位移量不同?；莆灰屏枯^大，大于原子間距的 整數(shù)倍；孿生位移量較小，小于孿生方向上的原子間距。（3） 對塑性變形的貢獻不同?；坪艽?，總變形量大；孿生有限，總變形量小。（4） 壓力大小不同?；朴幸欢ㄅR界分切應(yīng)力；孿生所需臨界分切應(yīng)力遠高于滑移。（5） 變性條件不同。一般先發(fā)生滑移，滑移困難時發(fā)生孿生。（6） 變性機制不同?；剖侨诲e運動的結(jié)果，孿生是分位錯運動的結(jié)果。比較滑移與孿生在塑性變形過程中的作用：塑性變形主要通過滑移實現(xiàn)，只有當(dāng)滑移難以發(fā)生時發(fā)生孿生，雖然孿生對塑性變形的直接貢獻不大，但孿晶的產(chǎn)生改變了晶體的位向，使原處于不利的滑移系換到有利于發(fā)生滑移的位置，從而可以激發(fā)進一步的滑移和晶體變形。這樣，滑移和孿生交替進行，相輔相成，可使晶體獲得較大變形量。2、 說明金屬在冷變形、回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大四個階段的行為與表現(xiàn)，并說明各階段促使這些晶體缺陷運動的驅(qū)動力是什么?！?7真題】答：（1）冷變形加工時主要的形變方式是滑移，由于滑移，晶體中空位和位錯密度增加，位錯分布不均勻。缺陷運動驅(qū)動力為切應(yīng)力作用。 （2）回復(fù)過程空位擴散、聚集或消失；位錯密度降低，位錯相互作用重新分布（多樣化）。缺陷運動驅(qū)動力為彈性畸變能。 （3）再結(jié)晶過程毗鄰低位錯密度區(qū)晶界向高位錯密度區(qū)的晶粒擴張。位錯密度減少，能量降低，成為低畸變或無畸變區(qū)。缺陷運動驅(qū)動力為形變儲存能。（4）晶粒長大階段彎曲界面向其曲率中心移動，微量雜質(zhì)原子偏聚在晶界區(qū)域，對晶界移動起到拖曳作用，這與雜質(zhì)吸附在位錯中組成柯氏氣團阻礙位錯運動相似，影響了晶界的活動性。缺陷運動驅(qū)動力為晶粒長大前后總的界面能差，而界面移動的驅(qū)動力是界面曲率。3、試用位錯理論解釋低碳鋼的屈服現(xiàn)象。距離說明呂德斯帶對工業(yè)生產(chǎn)的影響及解決辦法?！?8、09真題】答：由于低碳鋼是以鐵素體為基的合金，鐵素體中的碳原子與位錯交互作用，總是趨于聚集在位錯線受拉應(yīng)力的部位以降低體系的畸變能，形成柯氏氣團對位錯起“釘扎”作用，致使屈服強度升高。而位錯一旦掙脫氣團的釘扎，便可在較小的應(yīng)力下繼續(xù)運動，這時拉伸曲線上又會出現(xiàn)下屈服點。已經(jīng)屈服的試樣，卸載后立即重新加載拉伸時，由于位錯已脫出氣團的釘扎，故不出現(xiàn)屈服點。但若卸載后，放置較長時間或稍加熱后，再進行拉伸時，由于溶質(zhì)原子已通過擴散又重新聚集到位錯線周圍形成氣團，故屈服現(xiàn)象又會重新出現(xiàn)。呂德斯帶會使低碳鋼薄板在沖壓成型時使弓箭表面粗糙不平。解決辦法：可根據(jù)應(yīng)變時效原理，將鋼板在沖壓之前先進行一道微量冷軋（如1%2%壓下量）工序，使屈服點消除，隨后進行沖壓成型，也可向鋼中加入少量Ti、Al及C、N等形成化合物，以消除屈服點。4、 奧氏體不銹鋼能否通過熱處理來強化？為什么？生產(chǎn)中用什么方法使其強化？【09真題】答：熱處理強化機制主要是通過熱處理過程中相變而得到強化，而奧氏體不銹鋼在熱處理時不發(fā)生相變，達不到預(yù)想的強化效果，因而不能通過熱處理來強化。生產(chǎn)中主要借冷加工實現(xiàn)強化的。金屬材料經(jīng)加工變形后，強度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。加工硬化是金屬材料的一項重要特性，可被用作強化金屬的途徑，特別是那些不能通過熱處理強化的材料。5、 簡要說明提高一種陶瓷材料韌性的方法及原理。 答：相比于金屬而言，脆、難以變形是陶瓷的一大特點，為了改善陶瓷的脆性、提高其韌性，目前采取降低晶粒尺寸，使其亞微米或納米化來提高塑性和韌性，采取氧化鋯增韌、相變增韌、纖維增韌或顆粒原位生長增強等有效途徑來改善之。纖維增韌原理：利用一些纖維的高強度和高模量，使之均勻分布于陶瓷材料的機體中，生成一種陶瓷基復(fù)合材料。當(dāng)材料受到外載荷時，纖維可以承擔(dān)部分的負荷，減輕了陶瓷本身的負擔(dān)，同時纖維可以組織或抑制裂紋擴展，從而改善了陶瓷材料的脆性，起到增韌效果。6、 指出材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中的含義。并解釋為什么在附近，應(yīng)力會發(fā)生多次微小的波動？【10年真題】 答：為彈性極限，當(dāng)應(yīng)力小于時試樣發(fā)生彈性形變，當(dāng)應(yīng)力超過時試樣發(fā)生塑性形變。為屈服強度，當(dāng)應(yīng)力達到時試樣開始屈服。為抗拉強度，當(dāng)應(yīng)力達到時，試樣發(fā)生斷裂。 在附近，應(yīng)力的多次微小的波動時屈服伸長現(xiàn)象。這是因為當(dāng)拉伸試樣開始屈服時，應(yīng)力隨即突然下降，并在應(yīng)力基本恒定的情況下繼續(xù)發(fā)生屈服伸長，所以拉伸曲線出現(xiàn)應(yīng)力平臺區(qū)。在發(fā)生屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的。這種變形帶沿試樣長度方向不斷形成與擴展，從而產(chǎn)生拉伸曲線平臺的屈服伸長。其中，應(yīng)力的每一次微小波動，即對應(yīng)一個新變形帶的形成。當(dāng)屈服擴展到整個試樣標距范圍時，屈服延伸階段就告結(jié)束。7、 六方晶系的滑移系通常是什么？FCC晶體的滑移系是什么？從晶體滑移角度上分析，為什么FCC晶系的多晶體塑性變形能力通常比六方晶系的多晶體的變形能力大?！?1年真題】答：滑移系是由一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來的，滑移面和滑移方向通常是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向。因為原子密度最大的晶面其面間距最大，點陣阻力最小，因而容易沿著這些面發(fā)生滑移；滑移方向為原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子間距最短，及位錯b最小。所以六方晶系的滑移系通常是：滑移面為0001、滑移方向；FCC晶體的滑移系通常為：滑移面111、滑移方向。每一個滑移系表示晶體在進行滑移時可能采取的一個空間取向。在其他條件相同時，晶體中的滑移系越多，滑移過程可能采取的空間取向便越多，滑移容易進行，它的塑性便越好。據(jù)此，面心立方的滑移系共有11143=12個，而密排六方晶體的滑移系僅有000113=3個.由于FCC滑移系數(shù)比六方晶系的多，所以FCC晶系的多晶體塑性變形能力通常比六方晶系的多晶體的變形能力大。8、 在室溫（20）下對鉛板進行軋制，請問這個加工過程是冷加工還是熱加工，為什么？（鉛的熔點是327.50）【11年真題】答：熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程，在再結(jié)晶溫度以下的加工過程為冷加工。鉛的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此在室溫下對鉛板進行加工屬于熱加工。9、 某工廠用冷拉鋼絲繩將一大型鋼件調(diào)入熱處理爐內(nèi)，由于一時疏忽，未將鋼絲繩取出，而是隨同工件一起加熱至860（該溫度高于鋼絲繩的再結(jié)晶溫度），保溫時間到了，打開爐門，要吊出工件時，鋼絲繩發(fā)生斷裂，試分析原因?！?2年真題】答：冷拉鋼絲繩是經(jīng)大變形量的冷拔鋼絲絞合而成，加工過程的冷加工硬化是鋼絲的強度、硬度大大提高，從而能承載很重的鋼件。但是當(dāng)其加熱至860時，其溫度已遠遠超過鋼絲繩的再結(jié)晶溫度，以致產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，加工硬化效果完全消失，強度、硬度大大降低。再把它用來起重時，一旦負載超過其承載能力，必然導(dǎo)致鋼絲繩斷裂事故。10、請對比分析加工硬化、細晶強化、彌散強化、復(fù)相強化和固溶強化的特點和機理有何異同?！灸M題二】答：（1）加工硬化：隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。原因：隨變形量增加, 位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使得位錯難以繼續(xù)運動，從而使變形抗力增加。 （2）細晶強化：通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。因為晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒 數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也越大，因而其韌性也比較好。該強化機制是唯一的同時增大強度和塑性的機制。 （3）彌散強化：當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。原因：由于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。 （4）固溶強化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。原因：由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。包括彈性交互作用（柯氏氣團）、電交互作用（玲木氣團）和化學(xué)交互作用。 （5）復(fù)相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不一定能夠起到強化作用。 11、 纖維組織和織構(gòu)是怎樣形成的？它們有何不同？對金屬的性能有什么影響？【模擬題三】答：材料經(jīng)冷加工后，除使紊亂取向的多晶材料變成有擇優(yōu)取向的材料外，還使材料中的不熔雜質(zhì)、第二相和各種缺陷發(fā)生變形。由于晶粒、雜質(zhì)。第二相、缺陷等都沿著金屬的主變形方向被拉長成纖維狀，故稱為纖維組織。一般說來，纖維組織使金屬縱向（纖維）方向強度高于橫向方向。這是因為在橫斷面上雜質(zhì)、第二相、缺陷等脆性、低強度“組元”的截面面積小，而在縱斷面上截面面積大。當(dāng)零件承受較大載荷或承受沖擊和交變載荷時，這種各向異性就可能引起很大的危險。金屬在冷加工以后，各晶粒的位向就有一定的關(guān)系。如某些晶面或晶向彼此平行，且都平行于零件的某一外部參考方向，這樣一種位向分布就稱為擇優(yōu)取向或簡稱為織構(gòu)。形成織構(gòu)的原因并不限于冷加工，而這里主要是指形變織構(gòu)。無論從位向還是從性能看，有織構(gòu)的多晶材料都介于單晶體和完全紊亂取向的多晶體之間。由于織構(gòu)引起金屬各向異性，在很多情況下給金屬加工帶來不便，如冷軋鎂板會產(chǎn)生（0001） ，若進一步加工很容易開裂；深沖金屬杯的制耳，金屬的熱循環(huán)生長等。但有些情況下也有其有利的一面。12、 金屬鑄件能否通過再結(jié)晶退火來細化晶粒？【模擬題四】 答：再結(jié)晶退火必須用于經(jīng)冷變形加工的材料，其目的是改善冷變形后材料的組織和性能。再結(jié)晶退火的溫度較低，一般在臨界點以下。若對鑄件采用再結(jié)晶退火，其組織不會發(fā)生相變，也沒有形成新晶核的驅(qū)動力（如冷變形儲存能等），所以不會形成新晶粒，也就不能細化晶粒。13、 冷變形金屬在加工時經(jīng)過哪三個階段，它們各自特點是什么？【模擬題四】答：經(jīng)過的三個階段是回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大。（1） 回復(fù)：不發(fā)生大角度晶界遷移，晶粒的形狀和大小與變形態(tài)相同。（2） 再結(jié)晶：首先在畸變度答的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒核心，然后消耗周圍的變形基體長大，直到完全變成無畸變的細等軸晶粒，但晶體結(jié)構(gòu)并沒有改變，性能發(fā)生明顯變化并恢復(fù)到變形前的情況。（3） 晶粒長大：在晶界表面能的驅(qū)動下，新晶?；ハ嗤淌扯L大，從而得到在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸。第6章 凝固1、 討論形成晶相和玻璃相的條件，指出為什么大多數(shù)陶瓷材料可以結(jié)晶，形成玻璃相也是常見的，而金屬很容易進行結(jié)晶，但很難形成玻璃相？【08年真題】 答：對于有可能進行結(jié)晶的材料，決定液體冷卻時是否能結(jié)晶或者形成玻璃的外部條件是冷卻速度，內(nèi)部條件是黏度。如果冷卻速度足夠高，任何液體原則上都可以轉(zhuǎn)化為玻璃。特別是對那些分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料熔融態(tài)時黏度很大的液體，冷卻時原子遷移擴散困難，則晶體的形成過程很難進行，容易形成過冷液體。溫度下降至Tg以下時，過冷液體固化成玻璃。金屬材料由于其晶體結(jié)構(gòu)比較簡單，且熔融時黏度小，冷卻時很難阻止結(jié)晶過程的發(fā)生，故固態(tài)下的金屬大多為晶體；但如果冷卻很快時，能阻止某些合金的結(jié)晶過程，此時過冷液態(tài)的原子排列方式保留至固態(tài)，原子在三維空間則不呈周期性的規(guī)則排列。陶瓷材料晶體一般比較復(fù)雜，特別是能形成三維網(wǎng)絡(luò)的SiO2等，盡管大多數(shù)陶瓷材料可進行結(jié)晶，但也有一些是非晶體，這主要是指玻璃和硅酸鹽結(jié)構(gòu)。2、 鑄錠的一般組織可分為哪幾個區(qū)域？寫出其名稱，并簡述影響鑄錠結(jié)晶組織的因素?！?8年真題】 答：在鑄錠組織中，一般有三層晶區(qū)： （1）表層細晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度較低，液體的過冷度較大，因此形核率較高。 （2）柱狀晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度升高，晶核的成長速率大于晶核的形核率，且沿垂直于模壁方向的散熱較為有利。在細晶區(qū)中取向有利的晶粒優(yōu)先生長為柱狀晶粒。 （3）中心等軸區(qū)。其形成是由于模壁溫度進一步升高，液體過冷度進一步降低，剩余液體的散熱方向性已不明顯，處于均勻冷卻狀態(tài)；同時，未熔雜質(zhì)、破斷枝晶等易集中于剩余液體中，這些都促使了等軸晶的形成。影響鑄錠結(jié)晶組織的因素：冷卻速度、澆注溫度。通?？斓睦鋮s速度，高的澆注溫度和定向散熱有利于柱狀晶的形成；如果金屬純度較高、鑄錠截面較小時，柱狀晶快速成長，有可能形成穿晶。相反，慢的冷卻速度，低的澆注溫度，加入有效形核劑或攪動等均有利于形成中心等軸晶。3、合金凝固時發(fā)生成分過冷的原因是什么？請畫出成分過冷的溫度分布曲線?！?0年真題】答：在合金的凝固的過程中，由于液相中溶質(zhì)的分布發(fā)生變化而改變了凝固凝固溫度，這可由相圖中的液相相來確定，因此，界面前沿的液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時，產(chǎn)生過冷，即成分過冷。K01成分過冷的溫度分布示意圖如下圖所示：4、 分別寫出固溶體的自由能公式中的混合熵、混合焓的表達式。畫圖示意出當(dāng)相互作用參數(shù)不同時自由能成分曲線的形狀有何不同？【10年真題】 答：5、什么叫臨界晶核？它的物理意義及過冷度的定量關(guān)系如何？【11年真題】答：半徑為r*的晶核稱為臨界晶核，r*為臨界半徑。它的物理意義：由Gr曲線可知，G有最大值，當(dāng)晶胚的r小于r*時，則其長大將導(dǎo)致體系自由能的增加，故這種尺寸晶胚不穩(wěn)定，難以長大，最終熔化而消失。當(dāng)rr*時，晶胚的長大使體系自由能降低，這些晶胚就稱為穩(wěn)定的晶核。因此臨界晶核是晶胚可以長大地半徑最小的晶核。r*與過冷度的定量關(guān)系：,即臨界半徑由過冷度決定，過冷度越大，r*越小，則形核的幾率增大，晶核的數(shù)目也增多。6、分析純金屬生長形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系?！?2年真題】答：在正溫度梯度的情況下，結(jié)晶潛熱只能通過固相而散開，相界面的推移速度受固相傳熱速度所控制，晶體的生長接近于平面狀向前推移，這是由于溫度梯度是正的，當(dāng)界面上偶爾有突起部分，而伸入溫度較高的液體中時，它的生長速度就會緩解甚至停止，周圍部分的較凸起部分大而會趕上來，使凸起部分消失，這種過程使得液固界面保持平面狀態(tài)。在負溫度梯度時，相界面上產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱可以通過固相也可以通過液相而消失，相界面的推移不止由傳熱速度所控制，在這種情況下，如果部分的相界面生長凸起，到前面的液體中，則能處于溫度更低的液相中，使得凸出部分的生長速度增大而進一步的伸向液體中，在這種情況下，液固界面將以樹枝狀生長。7、液體金屬凝固時都需要過冷，那么固態(tài)金屬熔化時是否會出現(xiàn)過熱，為什么？【模擬題一】 答：固態(tài)金屬熔化時不一定出現(xiàn)過熱。如熔化時，液相若與氣相接觸，當(dāng)有少量液體金屬在固相表面形成時，就會很快覆蓋在整個表面（因為液體金屬總是潤濕同一種固態(tài)金屬），由下圖表面張力平衡可知rLVcos+rSL=rSV，而實驗指出rLV+rSLrSV，說明在熔化時，自由能的變化G（表面）0，即不存在表面能障礙，也就不必過熱。實際金屬多屬于這種情況。如果固體金屬熔化時液相不與氣相接觸，則有可能使固體金屬過熱，然而，這在實際上是難以做到的。8、簡述金屬晶體長大地機制?！灸M題二】答：晶體長大機制是指晶體微觀長大方式，它與液固界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。具有粗糙界面的物質(zhì)，因界面上約有50%的原子位置空著，這些空位都可接受原子，故液體原子可以單個進入空位，與晶體相連接，界面沿其法線方向垂直推移，呈連續(xù)式長大。具有光滑界面的晶體長大，不是單個原子的附著，而是以均勻形核的方式，在晶體學(xué)小平面界面上形成一個原子層后的二維晶核與原界面間形成臺階，單個原子可以在臺階上填充，使二維晶核側(cè)向長大，在該層填滿后，則在新的界面上形成新的二維晶核，繼續(xù)填滿，如此反復(fù)進行。若晶體的光滑界面存在有螺型位錯的露頭，則該界面成為螺旋面，并形成永不消失的臺階，原子附著到臺階上使晶體長大。9、試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能量和結(jié)構(gòu)條件?！灸M題四】 答：分析結(jié)晶相變時系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條件為G0，才有GB0。即只有過冷才能使G0。動力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度T0時，才能造成固相的自由能低于液相自由能的條件，液、固相間的自由能差便是結(jié)晶的驅(qū)動力。過冷液體中，能夠形成等于臨界晶核半徑的晶胚時的過冷度，稱為臨界過冷度（T*）。顯然，當(dāng)實際過冷度TT*時，才能均勻形核。所以，臨界過冷度是形核時所要求的。晶核長大時，要求液固界面前沿液體中有一定的過冷，才能滿足 （）F=()M ，這種過冷稱為動態(tài)過冷度（Tk=Tm-Ti）,它是晶體長大地必要條件。第7章 相圖1、 杠桿定律與重心法則有什么關(guān)系？在三元相圖的分析中怎樣運用杠桿定律和重心法則？【07年真題】答：杠桿定律與重心法則的關(guān)系：杠桿定律應(yīng)用于三元相圖兩相平衡時，而重心法則則是應(yīng)用于三元系統(tǒng)處于三相平衡時，當(dāng)設(shè)想先把三相中的任意兩相，混合成一體，然后再把這個混合體和第三相混合成合金，那么這兩部分即可應(yīng)用杠桿定律中的推論，即當(dāng)給定材料在一定溫度下處于兩相平衡狀態(tài)時，若其中一相的成分給定，另一相的成分點必在兩已知成分點連線的延長線上。結(jié)合直線定律，再進一步應(yīng)用杠桿定律，可推導(dǎo)出合金成分正好位于成分三角形（三相平衡的三相成分點構(gòu)成）的質(zhì)量重心，即重心法則?？梢?，重心法則是由一定假設(shè)，借助直線法則、杠桿定律而推導(dǎo)出來的。杠桿定律用來計算三元系中兩相平衡時，兩個相的質(zhì)量分數(shù)；另外可以由直線法則及杠桿定律作出有用的推論：當(dāng)給定材料在一定溫度下處于兩相平衡時，若其中一相的成分給定，另一相的成分點必在兩已知成分點連線的延長線上；若兩個平衡相的成分點已知，材料的成分點必然位于此兩個成分點的連線上。重心法則可用來計算三元系中三相平衡時，三個相的質(zhì)量分數(shù)。2、 三元相圖的垂直截面與二元相圖有何不同？為什么杠桿定律可以應(yīng)用于二元相圖而不能應(yīng)用于三元相圖的垂直截面圖？【09年真題】 答：盡管三元相圖的垂直截面圖與二元相圖的形狀很相似，但是它們之間存在著本質(zhì)的差別，二元相圖的液相線與固相線可以用來表示合金在平衡凝固過程中液相與固相濃度隨溫度變化的規(guī)律，而三元相圖的垂直截面就不能表示相濃度隨溫度而變化的關(guān)系，只能用于了解冷凝過程中額相變溫度，不能應(yīng)用直線法則來確定兩相的質(zhì)量分數(shù)，也不能用杠桿定律計算兩相的相對量。3、 三元勻晶相圖中，如果是一個兩相區(qū)，根據(jù)相律，該相區(qū)的自由度是多少？如果一個合金成分位于該相區(qū)，如何知道兩相的成分和含量？【12年真題】 答：（1）有相律可知f=c-p+1=2，即自由度為2. （2）可用直線法則、杠桿定律、重心定律計算兩相的成分和含量。 直線法則：在一定溫度下三組元材料兩相平衡時，材料的成分點和其兩個平衡相的成分點必然位于成分三角形內(nèi)的一條直線上。如下圖所示，設(shè)在一定溫度下成分點o的合金處于+兩相平衡狀態(tài)，相及相的成分點分別為a、b。由圖中可讀出三元合金o、相中B組元的含量分別為Ao1、Aa1、Ab1；C組元的含量分別為Ao2、Aa2、Ab2。由含量關(guān)系可推導(dǎo)出解析幾何中三點共線的關(guān)系式：。由此可證明o、a、b必在一條直線上。同樣在等邊成分三角形中，上述關(guān)系依然存在。杠桿定律：由前面推導(dǎo)還可以得出重心定律：成分為R的三元合金在某一溫度下,分解成,三個相,則R的成分點必定位于的重心位置上。如圖，合金成分o，三相、成分分別為P、Q、S，則由杠桿定律可以得到各相的質(zhì)量分數(shù)為：。O點正好位于成分三角形PQS的質(zhì)量重心。4、第8章 綜合、一、概念辨析題（說明下列各組概念的異同。任選六題，每小題3分，共18分）1 晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣 2 熱加工與冷加工 3 上坡擴散與下坡擴散4 間隙固溶體與間隙化合物 5 相與組織 6 交滑移與多滑移7 金屬鍵與共價鍵 8 全位錯與不全位錯 9 共晶轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變答：1 晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣 異：點的屬性、數(shù)目、有無缺陷；同：描述晶體中的規(guī)律性。2 熱加工與冷加工 異：熱加工時發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶與加工硬化；冷加工只發(fā)生加工硬化； 同：發(fā)生塑性變形。 3 上坡擴散與下坡擴散 異：擴散方向； 同：驅(qū)動力化學(xué)位梯度。4 間隙固溶體與間隙化合物 異：結(jié)構(gòu)與組成物的關(guān)系； 同：小原子位于間隙位置。 5 相與組織 異：組織具有特定的形態(tài)；同：都是材料的組成部分。 6 交滑移與多滑移 異：多個滑移系的滑移； 同：交滑移中滑移系具有相同的滑移方向。7 異：電子共用范圍不同, 金屬鍵中電子屬所有原子共用, 共價鍵中