材料科學基礎(民間整理版,僅供參考)

1、名詞解釋：（每一道題3分）晶體:原子按一定方式在三維空間內(nèi)周期性地規(guī)則重復排列，有固定熔點、各向異性。非晶體:原子沒有長程的周期排列，無固定的熔點，各向同性等。致密度:晶體結構中原子體積占總體積的百分數(shù)。間隙相:當非金屬（X）和金屬（M）原子半徑的比值rX/rM<0.59 時，形成的具有簡單晶體結構的相，稱為間隙相。間隙化合物:當非金屬（X）和金屬（M）原子半徑的比值rX/rM>0.59 時，形成具有復雜晶體結構的相固溶體:是以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原子（溶劑原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持溶劑的晶體結構類型。間隙固溶體:溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成

2、的固溶體稱為間隙固溶體?？臻g點陣:指幾何點在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列，是人為的對晶體結構的抽象?；葡?晶體中一個滑移面及該面上一個滑移方向的組合稱一個滑移系。孿晶:孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為孿晶，此公共晶面就稱孿晶面。肖脫基空位:在個體中晶體中，當某一原子具有足夠大的振動能而使振幅增大到一定程度時，就可能克服周圍原子對它的制約作用，跳離其原來位置，遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結點位置上而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖脫基空位。弗蘭克爾空位:離開平衡位置的原子擠入點陣中的間隙位置，而在晶體中同時形成相等數(shù)目的空位和

3、間隙原子?？驴线_爾效應:反映了置換原子的擴散機制，兩個純組元構成擴散偶，在擴散的過程中，界面將向擴散速率快的組元一側移動。反應擴散:伴隨有化學反應而形成新相的擴散稱為反應擴散。穩(wěn)態(tài)擴散:在穩(wěn)態(tài)擴散過程中，擴散組元的濃度只隨距離變化，而不隨時間變化。非穩(wěn)態(tài)擴散:擴散組元的濃度不僅隨距離x 變化，也隨時間變化的擴散稱為非穩(wěn)態(tài)擴散。非共格晶界:當兩相在相界處的原子排列相差很大時，即錯配度很大時形成非共格晶界。同大角度晶界相似，可看成由原子不規(guī)則排列的很薄的過渡層構成。共格相界：如果兩相界面上的所有原子均成一一對應的完全匹配關系,即界面上的原子同時處于兩相晶格的結點上,為相鄰兩晶體所共有,這種相界就稱

4、為共格相界。柯氏氣團:通常把溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象稱為氣團，是由柯垂爾首先提出，又稱柯氏氣團。非均勻形核:新相優(yōu)先在母相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核。均勻形核:新相晶核是在母相中存在均勻地生長的，即晶核由液相中的一些原子團直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響。過冷度:相變過程中冷卻到相變點以下某個溫度后發(fā)生轉變，平衡相變溫度與該實際轉變溫度之差稱過冷度。結構起伏:液態(tài)結構的原子排列為長程無序，短程有序，并且短程有序原子團不是固定不變的，它是此消彼長，瞬息萬變，尺寸不穩(wěn)定的結構，這種現(xiàn)象稱為結構起伏。相律:相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)與組

5、元數(shù)及溫度、壓力之間的關系。枝晶偏析：液固相線溫度間隔大的固溶體類合金，當凝固冷卻速度較快時，易發(fā)生不平衡結晶，使先結晶成分來不及充分擴散而形成枝晶偏析。 加工硬化：金屬材料在受到外力作用持續(xù)變形的過程中，隨著變形的增加，強度硬度增加，而塑韌性下降的現(xiàn)象。簡答題：（每一道題4分）第1章1. 原子間的結合鍵共有幾種？各自特點如何？（ 分）答：1、化學鍵包括：l 金屬鍵：電子共有化，既無飽和性又無方向性l 離子鍵：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離子相間排列，且無方向性，無飽和性l 共價鍵：共用電子對；飽和性；配位數(shù)較小，方向性2、物理鍵如范德華力，系次價鍵，不如化學鍵強大3、氫鍵：分子間作

6、用力，介于化學鍵與物理鍵之間，具有飽和性第2章2. 試從晶體結構的角度，說明間隙固溶體、間隙相及間隙化合物之間的區(qū)別（ 分）答：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體成為間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如H、B、C、N、O等。間隙固溶體保持溶劑的晶體結構，其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動，不能用分子式表示。（2分）間隙相和間隙化合物屬于原子尺寸因素占主導地位的中間相。也是原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相、間隙化合物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同，其成分可在一定范圍內(nèi)波動。組成它們的組元大致都具有一定的原子組成比，可用化學

7、分子式來表示。（2分）當rB/rA<0.59時，通常形成間隙相，其結構為簡單晶體結構，具有極高的熔點和硬度；當rB/rA>0.59時，形成間隙化合物，其結構為復雜的晶體結構。（2分）3. 試以表格形式歸納總結3種典型的晶體結構的晶體學特征。（ 分）答：書上表第3章4. 簡述晶體中產(chǎn)生位錯的主要來源。（ 分）答：晶體中的位錯來源主要可有以下幾種。1).晶體生長過程中產(chǎn)生位錯。其主要來源有：由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點陣常數(shù)也有差異，可能形成位錯作為過渡；（1分）由于溫度梯度、濃度梯度、機械振動等的影響，致使生長著的晶體偏轉或彎曲引起相鄰

8、晶塊之間有位相差，它們之間就會形成位錯；（1分）晶體生長過程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時體積變化的熱應力等原因會使晶體表面產(chǎn)生臺階或受力變形而形成位錯。（1分）2).由于自高溫較快凝固及冷卻時晶體內(nèi)存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯。（1分）3).晶體內(nèi)部的某些界面（如第二相質(zhì)點、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近，由于熱應力和組織應力的作用，往往出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，當此應力高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯。（1分）5. 簡述晶界具有哪些特性？答：1）晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程。2）晶界處原子排列不規(guī)則，從而阻礙塑性變

9、形，強度更高。這就是細晶強化的本質(zhì)。3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等），有利原子擴散。4）晶界處能量高，固態(tài)相變先發(fā)生，因此晶界處的形核率高。5）晶界處成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子，因此晶界熔點低而產(chǎn)生“過熱”現(xiàn)象。6）晶界能高，導致晶界腐蝕速度比晶粒內(nèi)部更高。6. 對于同一種晶體，它的表面能與晶界能（相同的面積）哪一個較高？為什么？（ 分）答：對于同一種晶體，晶界能比表面能高（1分）。推導如下：假設晶體的理想光滑的兩個等面積平面合攏，會形成一個晶體內(nèi)界面，該界面的能量相當于兩個外表面之和，且理想狀態(tài)下破壞該界面結合所需要的能量相當于鍵合能。即相同面積下，E晶界>E完整晶體鍵合能

10、>2倍E表面（2分）第4章7. 簡述影響固體中原子和分子擴散的因素有哪幾方面。（ 分）答：1、溫度；2、固溶體類型；3、晶體結構；4、晶體缺陷；5、化學成分；6、應力的作用（各0.5分）第5章8. 簡述金屬材料經(jīng)過塑性變形后，可能會發(fā)生哪些方面性能的變化。（ 分）答：(1) 加工硬化: 塑性變形后，性能上最為突出的變化是強度（硬度）顯著提高，塑性迅速下降。（1分）(2) 腐蝕速度：塑變使擴散過程加速，腐蝕速度加快 （1分）(3) 密度：對含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）的金屬經(jīng)塑性變形后可能使密度上升（1分）(4) 彈性模量：塑變使彈性模量升高（1分）(5) 電阻率：塑性變形使金屬的電阻率

11、升高。變化程度因材質(zhì)而異。（1分）(6) 另外，塑性變形還會引起電阻溫度系數(shù)下降、導磁率下降、導熱系數(shù)下降。（1分）9. 金屬的退火處理包括哪三個階段？簡述這三個階段中晶粒大小、結構的變化。（ 分）答：退火過程分為回復、再結晶和晶粒長大三個階段?；貜褪侵感碌臒o畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結構和性能變化的階段；再結晶是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大是指再結晶結束之后晶粒的繼續(xù)長大。（3分）在回復階段，由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，所以晶粒的形狀和大小與變形態(tài)的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀，從光學顯微組織上幾乎看不出變化。在再結晶階段，首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒

12、的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的、無畸變的細等軸晶粒為止。最后，在晶界表面能的驅動下，新晶粒互相吞食而長大，從而得到一個在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸，稱為晶粒長大階段。（3分）第6章10. 圖示并分析金屬材料凝固組織中樹枝晶的生長過程。（ 分）（畫出液固界面附近的負溫度梯度）在負溫度梯度情況下，金屬凝固過程中液固界面上產(chǎn)生的結晶潛熱可通過液相散失，如果部分的相界面生長凸出到前面的液相中，則處于過冷度更大的液相中，使凸出部分的生長速度增大而進一步伸向液相中。此時，液固界面就不可能保持平面狀而是形成許多伸向液相的分枝，同時有可能在這些晶枝上長出二次枝晶臂。這種方式即

13、為樹枝晶生長方式。第7章11. 金屬型澆鑄的鑄錠的宏觀組織一般分為哪幾個區(qū)，分析其形成原因？（ 分）答：a表層細晶區(qū)（0.5分） 當液態(tài)金屬注人錠模中后，型壁溫度低，與型壁接觸的很薄一層熔液產(chǎn)生強烈過冷，而且型壁可作為非均勻形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，這些晶核迅速長大至互相接觸，形成由細小的、方向雜亂的等軸晶粒組成的細晶區(qū)。（1.5分）b柱狀晶區(qū)（0.5分） 隨著"細晶區(qū)"殼形成，型壁被熔液加熱而不斷升溫，使剩余液體的冷卻變慢,并且由于結晶時釋放潛熱,故細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變得困難，只有細晶區(qū)中現(xiàn)有的晶體向液體中生長。在這種情況下，只有一次軸（即生長速

14、度最快的晶向）垂直于型壁（散熱最快方向）的晶體才能得到優(yōu)先生長，而其他取向的晶粒，由于受鄰近晶粒的限制而不能發(fā)展，因此，這些與散熱相反方向的晶體擇優(yōu)生長而形成柱狀晶區(qū)。各柱狀晶的生長方向是相同的. （1.5分）C中心等軸晶區(qū)（0.5分） 柱狀晶生長到一定程度，由于前沿液體遠離型壁，散熱困難，冷速變慢，而且熔液中的溫差隨之減小，這將阻止柱狀晶的快速生長，當整個熔液溫度降至熔點以下時，熔液中出現(xiàn)許多品核并沿各個方向長大，就形成中心等軸晶區(qū)。（1.5分）12. 與平衡凝固相比較，固溶體的非平衡凝固有何特點？（1）非平衡凝固的固相平均成分線和液相平均成分線與平衡凝固的固相線、液相線不同，冷卻速度越快，

15、偏離固、液相線越嚴重；反之，冷卻速度越慢，越接近，表明凝固速度越接近平衡凝固條件。（2）先結晶部分總是富高熔點組元，后結晶的部分是富低熔點組元。（3）非平衡凝固總是導致凝固終結溫度低于平衡凝固時的終結溫度。13. 試分析包晶反應不平衡組織的形成過程。實際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應所依賴的固體中原子擴散往往不能充分進行，導致包晶反應的不完全性，即在低于包晶溫度下，將同時存在參與轉變的液相和a相，其中液相在繼續(xù)冷卻過程中可能直接結晶出b相或參與其他反應，而a相仍保留在b相芯部，形成包晶反應的非平衡組織。補充：簡述再結晶過程中的晶界弓出形核機制。（ 分）new答：變形量較?。?lt;20）的多晶體，

16、其再結晶核心往往以晶界弓出方式形成，或稱應變導致的晶界遷移，凸出形核機制。變形度較小時，多晶粒間變形不均勻性而導致多晶粒內(nèi)位錯密度不同。為了降低系統(tǒng)的自由能，通過晶界遷移，原來平直的晶界會向位錯密度大的晶粒內(nèi)凸出，通過吞食畸變亞晶的方式形成無畸變的再結晶晶核。計算題：（每一道題10分）第2章1. 金剛石為碳的一種晶體，為復雜面心立方結構，晶胞中含有8個原子，其晶格常數(shù)a=0.357nm，當它轉換成石墨 (r2 =2.25g/cm3)結構時，求其體積改變百分數(shù)？解：金剛石為復雜面心立方結構，每個晶胞含有8個碳原子金剛石的密度為：對于單位質(zhì)量1g碳為金剛石結構時，體積為：v1=1/r1=0.285

17、(cm3)轉變?yōu)槭Y構時，體積為：v2=1/r2=0.444(cm3)故金剛石轉變?yōu)槭Y構時體積膨脹：第3章2. 在Fe中形成1mol空位需要的能量為104.675kJ，試計算從20升溫至 850時空位數(shù)目增加多少倍？ 解：空位在溫度T時的平衡濃度為 系數(shù)A一般在110之間，取A=1，則 故 空位增加了 （倍）第4章3. 一塊含0.1%C的碳鋼在930滲碳，滲到0.05cm的地方碳的濃度達到0.45%。在t>0的全部時間，滲碳氣氛保持表面成分為1%，假設 D=2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)。(a) 計算滲碳時間；(b) 若將滲層加深一倍，則需多

18、長時間？(c) 若規(guī)定0.3%C作為滲碳層厚度的量度，則在930滲碳10小時的滲層厚度為870滲碳10小時的多少倍？解： (a) 由Fick第二定律得： t 1.0×104(s) （ 5分） (b) 由關系式，得：，兩式相比，得：當溫度相同時，D1=D2,于是得：（ 5分） （c） 因為： t930=t870, D930=1.67×10-7(cm2/s)D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143) =8.0×10-8(cm2/s)所以： （倍）（ 5分）4. 一塊含0.1%C的碳鋼在930、1%碳濃度的氣氛中進行滲碳處理，經(jīng)

19、過11個小時后在0.05cm的地方碳的濃度達到0.45%，若要在0.08cm的深度達到同樣的滲碳濃度，則需多長時間？ a解：由Fick第二定律得：即由題意可知，兩種情況下滲碳前后濃度相同且滲碳溫度相同，即 （5分）故 （10分，不準確扣1分）要在0.08cm深度達到同樣的滲碳深度，需28.16小時。5. 有兩種激活能分別為E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的擴散反應。溫度從25升高到600時，這兩種擴散的擴散系數(shù)有何變化，并對結果作出評述。解：由 得：對于溫度從298K提高到873K，擴散速率D分別提高4.6×109和9.5×1028倍，顯示出溫度對擴散速

20、率的重要影響。激活能越大時，擴散速率對溫度的敏感性越大。補充：（1）在950下對純鐵滲碳，希望在0.1mm的深度得到w1(c)=0.9%的碳含量。假設表面碳濃度保持在w2(c)=1.20%，擴散系數(shù)DgFe=10-10m2/s。計算為達到次要求至少要滲碳多少時間？（2）分析題：對于晶界擴散和晶內(nèi)擴散，假設擴散激活能Q晶界=1/2Q晶內(nèi)，試畫出其LnD相對溫度導數(shù)1/T的曲線，并指出約在哪個溫度范圍內(nèi)晶界擴散起主導作用。第5章6. 已知H70黃銅（30%Zn）在400的恒溫下完成再結晶需要1小時，而在390完成再結晶需要2小時，試計算在420恒溫下完成再結晶需要多少時間？解：再結晶是一熱激活過程

21、，故再結晶速率 ，而再結晶速率和產(chǎn)生某一體積分數(shù)所需的時間t成反比，即，故。兩個不同的恒定溫度產(chǎn)生同樣程度的再結晶時，兩邊取對數(shù) 同理有已知t1=1小時，t2=2小時，代入上式可得t3=0.26（小時）7. 鐵的回復激活能為88.9 kJ/mol，如果經(jīng)冷變形的鐵在400進行回復處理，使其殘留加工硬化為60%需160分鐘，問在450回復處理至同樣效果需要多少時間？解：同上題，有 故 8. 已知單相黃銅400恒溫下完成再結晶需要1小時，而350恒溫時，則需要3小時，試求該合金的再結晶激活能。已知R=8.314 J/(molK)。a解：再結晶是一熱激活過程，故再結晶速率 ，而再結晶速率和產(chǎn)生某一體

22、積分數(shù)所需的時間t成反比，即，故。兩個不同的恒定溫度產(chǎn)生同樣程度的再結晶時，故 (KJ/mol)9. 已知平均晶粒直徑為1mm和0.0625mm的a-Fe的屈服強度分別為112.7MPa和196MPa，問平均晶粒直徑為0.0196mm的純鐵的屈服強度為多少？ 解：根據(jù)Hall-Petch公式： 解得 10. 已知條件：v=0.3, GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa，指出Cu與a-Fe兩晶體易滑移的晶面和晶向，并分別求出它們的滑移面間距、滑移方向上的原子間距以及點陣阻力。解：Cu：滑移面為111，滑移方向<110>因此，d111=，b<110>=Fe

23、：滑移面為110，滑移方向<111>因此，d110=，b<111>= 第6章11. 已知條件：鋁的熔點Tm=933K，單位體積熔化熱Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能=93×10-3J/m2，原子體積V0=1.66×10-29m3?？紤]在一個大氣壓下液態(tài)鋁的凝固，對于不同程度的過冷度，即：T=1，10，100和200K，計算：(a)    臨界晶核尺寸；(b)    半徑為r*的晶核個數(shù)；(c)    從液態(tài)轉變到固態(tài)時，單位體積的自由能變化G*（形核功）；(d)    從液態(tài)轉變到固態(tài)時，臨界尺寸r*處的自由能的變化 Gv(形核功)。將不同T情況下得到的計算結果列表。110100200r* /nm94.59.450.9450.472N /個2.12×1082.12×1052.12×10226.5G*/ (J/m3)-1.97×106-1.97×107-1.97×108-3.93×108Gv/ J3.43×10-153.43×10-173.43×