材料科學(xué)基礎(chǔ)考研經(jīng)典題目

1、16. 簡(jiǎn)述金屬固態(tài)擴(kuò)散的條件。 答：擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力一一熱力學(xué)條件，化學(xué)勢(shì)梯度、溫度、應(yīng)力、電場(chǎng)等。 擴(kuò)散原子與基體有固溶性一一前提條件；足夠高溫度一一動(dòng)力學(xué)條件；足夠長(zhǎng)的時(shí)間一一宏觀遷 移的動(dòng)力學(xué)條件 17. 何為成分過(guò)冷？它對(duì)固溶體合金凝固時(shí)的生長(zhǎng)形貌有何影響？ 答：成分過(guò)冷：在合金的凝固過(guò)程中，雖然實(shí)際溫度分布一定，但由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生了變化，改 變了液相的凝固點(diǎn)，此時(shí)過(guò)冷由成分變化與實(shí)際溫度分布這兩個(gè)因素共同決定，這種過(guò)冷稱為成分過(guò)冷。 成分過(guò)冷區(qū)的形成在液固界面前沿產(chǎn)生了類似負(fù)溫度梯度的區(qū)域，使液固界面變得不穩(wěn)定。 當(dāng)成分過(guò)冷 區(qū)較窄時(shí)，液固界面的不穩(wěn)定程度較小，界面上偶然突出部

2、分只能稍微超前生長(zhǎng)，使固溶體的生長(zhǎng)形態(tài) 為不規(guī)則胞狀、伸長(zhǎng)胞狀或規(guī)則胞狀；當(dāng)成分過(guò)冷區(qū)較寬時(shí)，液固界面的不穩(wěn)定程度較大，界面上偶然 突出部分較快超前生長(zhǎng)，使固溶體的生長(zhǎng)形態(tài)為胞狀樹(shù)枝或樹(shù)枝狀。所以成分過(guò)冷是造成固溶體合金在 非平衡凝固時(shí)按胞狀或樹(shù)枝狀生長(zhǎng)的主要原因。 18. 為什么間隙固溶體只能是有限固溶體，而置換固溶體可能是無(wú)限固溶體？ 答：這是因?yàn)楫?dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑后，會(huì)使溶劑產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，引起點(diǎn)陣畸變能增加，體系能量升高。 間隙固溶體中，溶質(zhì)原子位于點(diǎn)陣的間隙中，產(chǎn)生的點(diǎn)陣畸變大，體系能量升高得多；隨著溶質(zhì)溶入量 的增加，體系能量升高到一定程度后，溶劑點(diǎn)陣就會(huì)變得不穩(wěn)定，于是溶質(zhì)原子便不

3、能再繼續(xù)溶解，所 以間隙固溶體只能是有限固溶體。而置換固溶體中，溶質(zhì)原子位于溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)上，產(chǎn)生的點(diǎn)陣畸變 較??；溶質(zhì)和溶劑原子尺寸差別越小，點(diǎn)陣畸變?cè)叫?，固溶度就越大；如果溶質(zhì)與溶劑原子尺寸接近， 同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)相同，電子濃度和電負(fù)性都有利的情況下，就有可能形成無(wú)限固溶體。 19. 在液固相界面前沿液體處于正溫度梯度條件下，純金屬凝固時(shí)界面形貌如何？同樣條件下，單相 固溶體合金凝固的形貌又如何？分析原因 p|T 答：正的溫度梯度指的是隨著離開(kāi)液一固界面的距離Z的增大，液相溫度T隨之升高的情況，即0。 dZ 在這種條件下，純金屬晶體的生長(zhǎng)以接近平面狀向前推移，這是由于溫度梯度是正的，當(dāng)界面上偶

4、爾有 凸起部分而伸入溫度較高的液體中時(shí)，它的生長(zhǎng)速度就會(huì)減慢甚至停止，周?chē)糠值倪^(guò)冷度較凸起部分 大，從而趕上來(lái)，使凸起部分消失，這種過(guò)程使液一固界面保持穩(wěn)定的平面形狀。固溶體合金凝固時(shí)會(huì) 產(chǎn)生成分過(guò)冷，在液體處于正的溫度梯度下，相界面前沿的成分過(guò)冷區(qū)呈現(xiàn)月牙形，其大小與很多因素 有關(guān)。 此時(shí)，成分過(guò)冷區(qū)的特性與純金屬在負(fù)的溫度梯度下的熱過(guò)冷非常相似。 可以按液固相界面前沿 過(guò)冷區(qū)的大小分三種情況討論：當(dāng)無(wú)成分過(guò)冷區(qū)或成分過(guò)冷區(qū)較小時(shí)，界面不可能出現(xiàn)較大的凸起， 此時(shí)平界面是穩(wěn)定的，合金以平面狀生長(zhǎng)，形成平面晶。當(dāng)成分過(guò)冷區(qū)稍大時(shí)，這時(shí)界面上凸起的尖 部將獲得一定的過(guò)冷度， 從而促進(jìn)了凸起進(jìn)一

5、步向液體深處生長(zhǎng)， 考慮到界面的力學(xué)平衡關(guān)系， 平界面 變得不穩(wěn)定，合金以胞狀生長(zhǎng)，形成胞狀晶或胞狀組織。當(dāng)成分過(guò)冷區(qū)較大時(shí)，平界面變得更加不穩(wěn) 定，界面上的凸起將以較快速度向液體深處生長(zhǎng)，形成一次軸，同時(shí)在一次軸的側(cè)向形成二次軸，以此 類推，因此合金以樹(shù)枝狀生長(zhǎng)，最終形成樹(shù)枝晶。 20. 純金屬晶體中主要的點(diǎn)缺陷類型是什么？試述它們可能產(chǎn)生的途徑？ 答：純金屬晶體中， 點(diǎn)缺陷的主要類型是空位、 間隙原子、 空位對(duì)及空位與間隙原子對(duì)等。 產(chǎn)生的途徑： 依靠熱振動(dòng)使原子脫離正常點(diǎn)陣位置而產(chǎn)生。 空位、間隙原子或空位與間隙原子對(duì)都可由熱激活而形 成。這種缺陷受熱的控制，它的濃度依賴于溫度，隨溫度升

6、高，其平衡態(tài)的濃度亦增高。冷加工時(shí)由 于位錯(cuò)間有交互作用。 在適當(dāng)條件下， 位錯(cuò)交互作用的結(jié)果能產(chǎn)生點(diǎn)缺陷， 如帶割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)放出 空位。輻照。高能粒子（中子、粒子、高速電子）轟擊金屬晶體時(shí)，點(diǎn)陣中的原子由于粒子轟擊 而離開(kāi)原來(lái)位置，產(chǎn)生空位或間隙原子。 21. 簡(jiǎn)述一次再結(jié)晶與二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，并如何區(qū)分冷熱加工？動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶后的組 織結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是什么？ 答：一次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是基體的彈性畸變能， 而二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是來(lái)自界面能的降低。 再結(jié)晶溫 度是區(qū)分冷熱加工的分界線。 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的組織結(jié)構(gòu)雖然也是等軸晶粒， 但晶界呈鋸齒狀， 晶粒內(nèi)還 包含著被位錯(cuò)纏結(jié)所分割的亞

7、晶粒， 這與靜態(tài)再結(jié)晶后所產(chǎn)生的位錯(cuò)密度很低的晶粒不同， 故同樣晶粒 大小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織的強(qiáng)度和硬度要比靜態(tài)再結(jié)晶的高。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒大小與流變應(yīng)力成正 比。此外，應(yīng)變速率越低，形變溫度越高，則動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒越大，越完整。 22. 純金屬凝固、單相固溶體正常凝固時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)成分過(guò)冷？為什么？ 答：不會(huì)，因?yàn)榧兘饘倌虝r(shí)，液固界面前沿沒(méi)有溶質(zhì)積聚，無(wú)邊界層存在。 不會(huì)，單相固溶體正常凝固時(shí)的液相成分是均勻的，屬于完全混合，沒(méi)有邊界層的存在，因此不會(huì)產(chǎn) 生成分過(guò)冷。 1. 組織：指的是在外界因素、成分等條件一定的情況下，組成合金的不同成分、結(jié)構(gòu)和性能的相的總 體。 2. 請(qǐng)說(shuō)出常見(jiàn)的三

8、種類型金屬晶體結(jié)構(gòu)的任一晶體結(jié)構(gòu)的間隙種類、位置、多少及相對(duì)大小 ? 答：見(jiàn)表格總結(jié) 3. 什么是間隙固溶體？形成條件？ 答：當(dāng)原子半徑比較小的非金屬元素作為溶質(zhì)溶入金屬或化合物的溶劑中時(shí)， 這些小的溶質(zhì)原子不占有 溶劑點(diǎn)陣中的陣點(diǎn)位置，而是位于間隙位置，形成間隙固溶體。條件：溶劑：大多數(shù)是過(guò)渡族元素； 溶質(zhì)：一般是原子半徑小于的非金屬元素，如碳、氮、氧、氫、硼等。保證R 41% 電負(fù)性相 差不大。 4. 間隙化合物結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？常見(jiàn)的類型有哪些？ 答： R 30%41% ;電負(fù)性相差較大；間隙化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)類型：M3C型, Fe3C ； M 7C3 型； M 23C6 型；

9、M 6C 型 5. 晶內(nèi)偏析和正常偏析的形成原因？冷卻速度對(duì)它們有何影響？ 答：晶內(nèi)偏析為顯微偏析的一種，它是在固溶體合金凝固速度較快時(shí)，由于原子擴(kuò)散不充分，使晶粒的 開(kāi)始形成部分和最后形成部分的化學(xué)成分不一致， 從而在一個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了成分不均勻的現(xiàn)象。 晶內(nèi) 偏析與合金的冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，原子擴(kuò)散越難，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。但是，若將合金以很快 的速度冷卻，直接過(guò)冷到固相線以下，反而不會(huì)產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，結(jié)晶出成分均勻的固溶體。正常偏析為 宏觀偏析的一種， 它是由于合金不平衡結(jié)晶時(shí)， 液固相界面前沿液體中的原子混合不充分， 在相界面前 沿產(chǎn)生了原子的再分布，形成了原子富集峰。合金凝固速度越

10、快，液體原子混合越差，原子富集峰則越 高，凝固以后在整個(gè)合金的范圍內(nèi)出現(xiàn)成分不均勻的現(xiàn)象。由于溶質(zhì)原子濃度隨合金試棒長(zhǎng)度方向的分 布符合正常凝固方程，因此將這種偏析稱為正常偏析。冷卻速度對(duì)正常偏析的影響，冷卻速度越快，液 體原子混合越差，形成的原子富集峰越高。由于兩相在相界面處的局部平衡，使界面固相濃度也升高， 凝固以后的合金濃度偏離原始合金濃度的程度反而越小，正常偏析減小。 6. 間隙相是由金屬元素與非金屬元素在負(fù)電性相差較大時(shí)，且原子半徑比小于時(shí)形成的中間相，它的 晶體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 并與兩組元的晶體結(jié)構(gòu)不同， 盡管它的脆性大， 但由于具有很高的硬度和熔點(diǎn)， 是合金工具鋼中的主要強(qiáng)化相。

11、7. 冷變形金屬經(jīng)回復(fù)以后，力學(xué)性能和物理性能的變化主要是內(nèi)應(yīng)力和電阻下降。加熱時(shí)發(fā)生的再結(jié) 晶的驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存能，它的形核主要機(jī)制是凸出形核、亞晶合并形核、亞晶界遷移形核三種，再結(jié) 晶以后，力學(xué)性能的變化是強(qiáng)度、硬度下降和塑性、韌性提高。 8. 闡明單相固溶體的加工硬化的強(qiáng)化機(jī)制。 答：加工硬化是指固溶體合金隨著冷塑性變形量的增加，強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象。 加工硬化是由于位錯(cuò) 的不斷增殖以及位錯(cuò)之間和位錯(cuò)與晶界之間的交互作用導(dǎo)致位錯(cuò)的滑移受阻所致。在外力作用下，當(dāng)外 力分解到滑移面及滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力時(shí)，固溶體中的各種位錯(cuò)增殖源不斷陸續(xù)開(kāi) 動(dòng)，增殖出大量位錯(cuò)，使位錯(cuò)密度迅速增加

12、。由于位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生交割而產(chǎn)生大量 的割階和扭折，割階往往會(huì)阻礙位錯(cuò)的滑移。位錯(cuò)之間還會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成許多固定位錯(cuò)，這些固定 位錯(cuò)不僅自身難以運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作為障礙也會(huì)阻礙其他位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 9. 為什么凝固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)邊界層？ 答：根據(jù)相圖，固相從液相中結(jié)晶時(shí)，成分與液相不同，因此在結(jié)晶過(guò)程中不斷排除溶質(zhì)原子，導(dǎo)致在 液一固界面液相側(cè)溶質(zhì)原子積聚。此時(shí)原子的運(yùn)動(dòng)路線是固相一界面一液相。開(kāi)始時(shí)，固相中排除的原 子比從界面層向液相排出的原子多，導(dǎo)致界面層上溶質(zhì)原子濃度升高，此時(shí)稱為初瞬態(tài)。當(dāng)溶質(zhì)原子在 界面層上的濃度高達(dá)一定程度時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即從固相到界面與從界面到液相中的原子流量

13、相同， 此時(shí)在液固相間形成了一定溶質(zhì)原子濃度高于液相的過(guò)渡層，稱為邊界層。 10. 分別敘述平衡分配系數(shù)和有效分配系數(shù)的物理意義。 答：平衡分配系數(shù)是指在平衡凝固時(shí)固相與液相中溶質(zhì)濃度之比，即k0 CS ；有效分配系數(shù)是指在 Cl 非平衡凝固時(shí)，當(dāng)邊界層建立后，邊界固相側(cè)溶質(zhì)濃度和邊界以外的液相中的溶質(zhì)濃度之比。 11試比較單晶銅和多晶銅的塑性變形特點(diǎn)。 答：?jiǎn)尉с~塑性變形能力呈各向異性，而多晶銅呈各向同性。單晶銅的應(yīng)力應(yīng)變水平低于多晶銅， 因而單晶銅易滑移，多晶銅滑移困難。單晶銅滑移時(shí)，首先是由一組滑移系啟動(dòng)，而多晶銅滑移時(shí)， 是多個(gè)晶粒、多個(gè)滑移系協(xié)同作用，因此單晶銅滑移有三個(gè)階段，而多晶

14、銅不出現(xiàn)第一階段。 12何謂上坡擴(kuò)散？其產(chǎn)生條件是什么？ 答：溶質(zhì)原子自低濃度處向高濃度處遷移的現(xiàn)象，稱為上坡擴(kuò)散。從熱力學(xué)角度來(lái)看，擴(kuò)散是由于化學(xué) 勢(shì)的不同而引起的，各組元的原子總是由高化學(xué)勢(shì)區(qū)向低化學(xué)勢(shì)區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的真正驅(qū)動(dòng)力不是濃度梯 度而是化學(xué)勢(shì)梯度。 13. 畫(huà)出Frank Read源位錯(cuò)增殖過(guò)程示意圖。 14. 擴(kuò)展位錯(cuò)：由一個(gè)全位錯(cuò)分解成兩個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一片堆垛層錯(cuò)區(qū)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱為擴(kuò)展 位錯(cuò) 15. 冷加工纖維組織：金屬冷塑性變形時(shí)，隨著變形量的增大，等軸晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)，塑性?shī)A雜 物也沿變形方向被拉長(zhǎng)，脆性?shī)A雜物沿變形方向被碎化并呈點(diǎn)鏈狀分布，這種組織稱為冷加工纖

15、維 組織。 16比較間隙固溶體、間隙相、間隙化合物的異同點(diǎn)。 答： 合金相 R 電負(fù)性差 相的種類 相同點(diǎn) 間隙化合物 30%41% 較大 化合物 都是小的非金屬 間隙相 41% 較大 化合物 原子溶解到大的 間隙固溶體 41% 不大 固溶體 過(guò)渡族金屬 17. 說(shuō)明影響冷塑性變形金屬再結(jié)晶的主要因素及其對(duì)再結(jié)晶速度的影響。 答：溫度：溫度升高，再結(jié)晶速度快； 變形程度：冷變形程度大，儲(chǔ)存的能量多，再結(jié)晶速度快； 原始晶粒尺寸：晶粒越小，能量越高，易形核，再結(jié)晶速度快； 微量溶質(zhì)原子：微量溶質(zhì)原子阻礙再結(jié)晶； 分散相粒子：大粒子促進(jìn)再結(jié)晶，小粒子阻礙再結(jié)晶。 18. 簡(jiǎn)述晶界的特性。 答：晶界

16、處點(diǎn)陣畸變大，存在著晶界能。因此晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直化都能減少晶界面積，從而降低 晶界的總能量，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。 晶界處原子排列不規(guī)則，因此在常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，致使塑性變形抗力 提高，宏觀表現(xiàn)為晶界較晶內(nèi)有較高的強(qiáng)度和硬度。 晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷，如空穴、雜質(zhì)原子和位錯(cuò) 等，故晶界處的原子擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快的多。 在固態(tài)相變過(guò)程中，由于晶界能量較高且原子活動(dòng)能力較大，所以新相易于在晶界處優(yōu)先形核。 由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象， 特別是晶界富集雜質(zhì)原子情況下， 往往晶界熔點(diǎn)較低， 故在加熱過(guò)程中， 因溫度過(guò)高將引起“過(guò)熱”現(xiàn)

17、象。 由于晶界能量較高，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，與晶內(nèi)相比，晶界的腐蝕 速度一般較快。 19. 滑移和孿生的比較。 答：相同點(diǎn) （a）宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形。（b）微觀上，都是晶體塑性變形的基 本形式，是晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)另一部分的移動(dòng)過(guò)程。 不同點(diǎn) a. 晶體滑移不改變晶體的位向，孿生改變了晶體位向。b. 滑移是全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，孿生 是不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 c. 滑移是不均勻切變過(guò)程，孿生是均勻切變過(guò)程。 d. 滑移比較緩慢，應(yīng)力應(yīng) 變曲線較光滑、連續(xù)，孿生則成鋸齒狀。 e. 兩者發(fā)生的條件不同，孿生所需要的臨界分切應(yīng)力值遠(yuǎn)大 于滑移，因此只有在滑移受阻的情況下晶體才以孿生形式變形。f. 滑移產(chǎn)生的切變較