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材料科学基础复习资料整理

一.名词解释

塑性韧性强度弹性比功分子键（空间）点阵固溶体间隙固溶体固溶强化位错多晶体单晶体反应扩散柯肯达尔效应二次结晶共晶转变包晶转变共析转变铁素体（非）均匀形核结构起伏成分过冷过冷度加工硬化再结晶淬透性（过）时效回火脆性调幅分解

二.需掌握的知识点

1.延性断裂和脆性断裂的区分标准—断裂前有无明显塑性变形。

2.原子核外电子分布规律遵循的三个原则。

3.金属键、离子键、共价键、分子键的特点。

4.混合键比例计算与电负性差的关系。

5.fcc、bcc、hcp的常见金属、一个晶胞内原子数、配位数、致密度、常见滑移系等。

6.固态合金相分为两大类：

固溶体（间隙固溶体与置换固溶体）和中间相（区别点）。

7.影响固溶体溶解度的因素。

8.间隙相和间隙化合物的区别。

9.晶体缺陷几何特征分类-点、线、面缺陷。

10.点缺陷的种类及其区别（肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷）。

11.获得过饱和点缺陷的方法及原因。

12.各类位错运动方向与柏氏矢量、切应力、位错线的位向关系。

13.位错的主要运动方式；常温下金属塑性变形的方式。

14.位错的增殖机制：

F-R位错增殖机制、双交滑移增殖机制的主要内容。

15.说明柏氏矢量的确定方法。

掌握利用柏氏矢量和位错线的位向关系来判断位错类型。

16.两根平行的螺型位错相遇时的相互作用情况。

17.刃型位错和螺型位错的不同点。

18.大小角度晶界的位向差、常见类型、模型描述、能量等。

19.扩散第一定律、第二定律的数学表达式及其字母的物理含义。

20.体扩散的主要机制、适用对象、扩散激活能大小等；短路扩散等；反应扩散与原子扩散；多晶材料的三种扩散途径—晶内、晶界、表面扩散。

21.柯肯达尔效应的含义及说明的问题（重要意义）。

22.上坡扩散：

物质由低浓度→高浓度，说明扩散的真正原因是化学势梯度而非浓度梯度。

23.反应扩散定义、特点、扩散层增厚速度的决定因素。

24.影响扩散的主要因素简述及分别叙述。

25.压力加工合金、铸造合金应选取何种成分的合金及原因。

26.铁碳合金分类：

三大类、七小类。

27.亚、共、过共析钢的室温平衡组织组成、相组成及运用杠杆定律求相对含量。

28.结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件。

29.纯金属凝固时，正、负温度梯度与晶体生长形态的关系；实际合金凝固过程中生长形态与成分过冷的关系。

30.结晶的两个过程—晶核形成、晶核长大；纯金属结晶的三个必要条件—过冷、能量起伏（△G*=1/3Aσ的意义）、结构起伏。

31.液固界面结构与晶体生长机制（微观生长方式）的对应关系。

32.凝固速度对枝晶偏析的影响。

33.共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。

34.运用凝固理论细化晶粒（控制晶粒尺寸）的三个途径。

35.铸锭组织的特点。

（铸态宏观组织由三个晶区组成、各区的形成机理）

36.影响弹性模量的主要因素-结合键能。

37.用位错理论解释低碳钢在外力作用下的屈服现象（上下屈服点）、应变时效的物理本质。

38.金属冷塑性变形后的组织与性能变化；热加工对金属组织和性能的影响。

39.冷塑性变形金属在不同温度下（三个阶段）的回复机制，并说明各自与缺陷的哪种运动方式有关。

40.固态相变的基本特点。

41.过饱和固溶体的（有核—）脱溶分解和（无核—）调幅分解转变的定义、主要特征。

42.奥氏体化的四个过程。

43.影响奥氏体转变速度的因素。

44.分辨起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度的不同含义。

45.过冷奥氏体珠光体、贝氏体、马氏体转变（扩散、半扩散、无扩散）（分解、分解、切变）。

46.合金的主要强化途径。

三.常见题型例

1.已知Si、C、Ga和As的电负性分别为1.90、2.55、1.81和2.18，试计算SiC和GaAs中离子键结合的相对值。

2.已知α-Fe的晶格常数为a，试求α-Fe的原子半径和致密度。

3.纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=26.97，原子半径若r=0.143nm，求铝晶体的密度。

4.计算面心立方结构的四（八）面体间隙的间隙半径，并用间隙半径和原子半径之比rB/rA表示间隙的大小。

5.画出体心立方结构中的八面体间隙和四面体间隙。

6.在简单立方晶胞中画出[

02]、[210]、[111]、[20

]、[110]、[01

]晶向和{111}、（221）、（463）、（1

1）、（

22）、（100）晶面。

7.在Fe中形成1mol空位的能量为104.675KJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍？

8．柏氏矢量与刃型位错及螺型位错的位错线间存在什么位向关系？

请分析如图所示的位错圆环各部分位错的类型。

9.若将一位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？

位错的类型性质是否变化？

一个位错环上各个点的位错类型是否相同？

10.一个位错环能否各部分都是螺位错？

能否各部分都是刃位错？

为什么？

11.如图所示为一个简单立方晶体，滑移系统是{100}〈001〉。

今在（011）面上有一空位片ABCDA，又从晶体上部插入半原子片EFGH，它和（010）面平行，请分析：

（1）各段位错的柏氏矢量和位错的性质；

（2）哪些是定位错？

哪些是可滑位错？

滑移面是什么？

（写出具体的晶面指数）；

（3）如果沿[0

1]方向拉伸，各位错将如何运动？

12.在晶体中平行某原子面插入一方形原子层，会形成一个间隙位错环；同样在某原子面抽出一个方形原子层，亦可形成一个空位位错环。

假定这两个位错的位错线方向l为顺时针方向，定出柏氏矢量b的方向，试利用l和b的关系来说明一个位错环是间隙的还是空位的。

13.在Al的单晶体中，若（111）面上一位错b=

[10

]与（11

）面上的位错b=

[011]发生反应，

（1）写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位错反应进行的方向；

（2）说明新位错的性质。

14.当存在过饱和空位浓度时，请证明任意取向的位错环都受一力偶作用，这力偶使位错转动变成纯刃位错。

15.图示某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环并受到一均匀切应力τ的作用，试分析：

（1）该位错环各段位错的结构类型；

（2）各段位错线所受力的大小并确定其方向；

（3）在τ作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最小半径为多大?

16.三元系发生扩散时，扩散层内能否出现两相、三相共存区？

为什么？

17.为什么钢铁零件渗碳温度一般选择在奥氏体相区进行？

若不在此相区会有什么结果？

18.直接换位机制是不是扩散的主要机制？

为什么？

19.含碳0.1%的碳钢在930℃渗碳，3小时渗层厚度为0.4mm，某人欲获得0.8mm的渗层，计划用6小时，该人的计划是否正确？

为什么？

20.假设对一个原始碳浓度为0.25%的钢件进行渗碳处理，要求渗碳层厚度为0.5mm处的碳浓度为0.8%，渗碳气体的碳浓度为1.2%，在950℃进行渗碳处理，应用菲克第二定律计算可以知道，需要时间约7小时。

如果将渗碳层厚度由0.5mm提高到1.0mm，则需要多少时间？

21.对含碳量0.1%的钢在920℃下进行渗碳。

渗碳时钢件表面碳浓度保持为1.2%C，要求在其表面以下2mm处有0.45%C，试求渗碳所需要的时间。

（已知碳在γ-Fe中920℃时的扩散激活能为133984J/mol,D0=0.23cm2/s,erf（0.71）=0,68）

22.分析以下概念中的错误。

（1）因固体原子每次跳动方向是随机的，所以在任何情况下扩散流量为零。

（2）晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。

（3）间隙固溶体中溶质浓度越高，则溶质所占据的间隙越多，供扩散的空余间隙越少，即z值越小，导致扩散系数下降。

（4）体心立方比面心立方晶体的配位数要小，故由D=

fzPa2关系式可见，α-Fe原子的扩散系数要小于γ-Fe中的扩散系数。

23.以空位机制进行扩散时，原子每次跳动一次相当于空位反向跳动一次，并未形成新的空位，而扩散激活能中却包含着空位形成能。

此说法正确否？

请给出正确解释。

24.补全铁碳相图。

25.已知A组元熔点1084℃，B组元熔点1455℃，A、B在液态和固态时都能无限互溶，试绘出A-B二元相图。

26.已知Pb熔点327.5℃，Sn熔点231.9℃，Pb和Sn液态时无限互溶。

固态时Sn在Pb中的最大固溶度为ωSn=0.19.室温时为ωSn=0.02；而Pb在Sn中的最大固溶度为ωPb=0.025室温时几乎为0。

ωSn=0.619的Pb-Sn合金在183℃时发生共晶反应。

试绘出Pb-Sn二元相图。

27.根据Pb-Sn二元相图，计算ωSn=50%合金共晶转变结束时相组分和组织组分的相对量。

28.铁碳合金中可能出现的渗碳体有哪几种？

并指出它们分别通过什么反应生成。

29.根据Fe-Fe3C相图，试分析45钢（T12钢）的结晶过程，指明45钢（T12钢）的室温组织。

（从单一奥氏体区开始分析）

30.试计算碳含量为1.2%的铁碳合金室温时相组分中铁素体和渗碳体的相对量及组织组分中珠光体和二次渗碳体的相对量。

（忽略三次渗碳体的量）

31.指出含碳量为0.2%的铁碳合金缓慢冷却到室温时的相组成物和组织组成物，并求出各组织组成物的含量。

32.在下图所示相图中请指出：

（1）水平线上反应的性质。

（2）分析合金I的冷却过程。

33．同样形状和大小的两块铁碳合金，一块为低碳钢，另一块为白口铸铁。

试问用什么简便方法可迅速将它们区分开来？

34.简单说明含碳量对钢硬度、强度和塑性的影响，试比较45、T8、T12钢的硬度、强度和塑性有何不同。

35.指出二元合金相图的三种主要类型，并写出它们各自发生的主要转变的定义。

36.根据三元共晶相图，画出T=TE时的水平截面图。

37.假设某纯金属液体按均匀形核方式结晶，晶胚呈边长为a的立方体，晶胚的单位面积表面能为σ，液、固两相单位体积的吉布斯自由能差为△GV。

求临界晶核边长a*和临界晶核形成功△G*的表达式。

38.液态金属凝固时，若过冷液体中形成的晶胚是任意形状的，则体系的自由能变化可以表示为△G=n△Gn+ξn2/3σ式中，n为晶胚的原子个数；△Gn为液、固相间每个原子的自由能差，ξ为形状因子（即ξn2/3为晶胚的表面积）；试证明：

△G*=

39.已知液态纯镍在1大气压，过冷度为319℃时发生均匀形核。

设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热△Hm=18075J/mol,摩尔体积Vs=6.6cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

40.液态金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化是否会出现过热？

41.已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的纯铁的屈服强度分别为112.7MPa和196Mpa，问平均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？

42.试根据纯铝的熔点（660℃）与再结晶温度的实验关系，确定工业纯铝的再结晶退火温度。

（再结晶退火温度比最低再结晶温度高200℃）

43.试用多晶体塑变理论解释室温下金属的晶粒越细，其强度越高，塑性也越好的现象（Hall-Petch公式）。

44.若单晶体铜的表面恰好为{100}晶面，假设晶体可在各个滑移系上进行滑移。

试讨论表面上可能见到的滑移线形貌（滑移线方位和它们之间的夹角），若单晶体表面为{111}晶面呢？

45.将一个楔形铜片，置于间距恒定的两个轧辊之间轧制，如图所示。

（1）分析此铜片完全再结晶之后晶粒的变化情况。

（2）如果在较低的温度退火，何处先发生再结晶，为什么？

46.分析滑移和孪生的异同，比较它们在塑变过程中的作用。

47.根据Fe-Fe3C相图和C曲线，对共析钢进行以下处理，试析：

（Vk为淬火临界冷却速度）

（1）加热至760℃，保温均匀后的相和成分。

（2）760℃加热均匀后，用0.5s冷到680℃，保温100s后以大于Vk的速度冷至室温的组织。

（3）760℃加热均匀后，在0.5s内冷到680℃，保温1h后空冷至室温的组织。

（4）760℃加热均匀后，在1s内冷到320℃，保温1h后空冷至室温的组织。

（5）760℃加热均匀后，以大于Vk的速度冷至室温的组织。

若再分别进行低温、中温、高温回火，又各获得什么组织？