南昌大学光伏学院材料科学基础期末重点50分.docx

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南昌大学光伏学院材料科学基础期末重点50分

材料科学与基础

（二）

1.辨析点缺陷

它在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷。

如空位，间隙原子或异类原子。

2.缺陷方程式

位置关系质量平衡电中性

3.生成无限固溶体充分必要条件

①粒子半径差小于15%②组元间晶体结构相同

形成固溶体后对晶体性质影响：

①稳定晶格阻止某些晶型转变发生

②活化晶格

③固溶强化

④强度硬度提高，塑性降低

4.菲克尔第一、二定律

单位时间通过垂直于扩散方向单位截面的物质流量，与该处的浓度梯度成正比

J=-Ddc/dt-----菲克尔第一定律

只要有浓度梯度存在，就会有扩散现象。

扩散的宏观流动总是从溶质浓度高的向浓度低的方向进行。

（稳态扩散材料内部各处的溶质浓度不随时间而变）

扩散第二定律：

包含时间因素在内的非稳态扩散的定律

5.晶体强化机制

①固溶强化②时效强化③细晶强化④沉淀弥散强化⑤加工硬化

6.扩散机制

1.易位扩散2.环形扩散3.间隙扩散4.准间隙扩散5.空位扩散

间隙扩散：

指碳氢氧氮这类尺寸小的原子在金属晶体内的扩散。

是从一个八面体间隙运动到邻近的另一个八面体间隙。

空位扩散：

空位扩散是指晶体中的空位路迁入邻近原子，而原子反向迁入空位；

7.柯肯达尔效应

由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为克肯达尔效应

发生的条件

对结构的影响：

产生柯肯达尔效应时，若晶体收缩完全，原始界面会发生移动。

若晶体收缩不完全，在低熔点金属一侧会形成分散的或集中的空位。

其总数超过平衡空位浓度，形成孔洞，甚至形成柯肯达尔孔。

而在高熔点金属一侧的空位浓度将减少至平衡空位浓度，从而改变了晶体的密度。

扩散系数的计算

扩散系数影响因素：

D=D0exp（-Q/RT）.从关系式上看，扩散系数主要决定于温度和激活能。

影响激活能的主要因素：

扩散机制晶体结构原子结合力合金成分

8.固相反应

影响因素

①化学组成与结构②颗粒尺寸③温度，压力，气氛④矿化剂（温度、细粒、材料特性）

9.马氏体相变

定义：

①无扩散的②点阵畸变式的③以切变分量为主④动力学和形态受应变能控制

特点：

①马氏体相变无扩散性②切变共格性和表面浮凸现象③位向关系与惯习面④马氏体相变得可逆性与形状记忆效应

对性能的影响（强度硬度变大、塑性降低）

CaTi矿结构相变

10.均匀成核：

在均一的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程。

非均匀成核：

形核依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容器壁）上形成的过程。

11.抗磁体、顺磁体、铁磁体

抗磁体：

特点是原子中的电子壳层全部填满。

无磁矩存在的物质称为抗磁性物质，当抗磁体放入外磁场内，在此介质内感生一个磁矩，按照楞次定律其方向应与外磁场正方向相反，此种性质称为抗磁性。

Cu、Ag、Au

顺磁体：

在原子结构上的特点是具有未填满电子的电子壳层，因而每个原子的电子磁距总矢量和不为零，原子具有净磁矩或永久磁矩。

大多数物质的原子和离子中，全部电子的磁效应（包括电子轨道运动和电子自旋产生的两种磁效应）相互抵消，不存在磁矩，因而不显现磁性。

铁氧体或铁磁体：

晶体内由于磁性的反平行取向而导致的抵消作用，通常并不一定会使磁性完全消失而变成反铁磁体。

Fe、Co、Ni

12.剩磁

磁场完全去除后，表面有剩磁。

磁场强度降低时，磁畴壁的运动是可逆的，去磁时，磁化强度沿着原路线减少，磁场强度再增加时，磁畴壁的运动是不可逆的。

这种不可逆的运动方式决定了去磁时必定会有剩磁存在。

材料缺陷对磁学性能的影响

13.自由发射：

没有外界光子的作用，电子自发的从高能级跃迁到低能级并产生辐射

受激发射：

材料在外界电子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，这是光的吸收过程，人原处于高能态的电子在外界光子的作用下又返回低能级，并放出一个光子hv=E2-E1这称为受激发射

14.产生激光的机理

（粒子数反转：

高能级的原子数大于低能级的原子数，使受激发射的几率大于吸收几率。

受激发射...枪）

发光过程：

光束照射到某种材料上时，将产生光的反射，折射，光的吸收与透射过程。

发光：

材料吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围内向外发射，这称为发光。

激光：

材料在外界电子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，这是光的吸收过程，人原处于高能态的电子在外界光子的作用下又返回低能级，并放出一个光子hv=E2-E1这称为激光

15.什么是吸收

16.热容（CR是常数推导）热膨胀（机理）热导（导热机理）

什么是摩尔热？

什么是热传导？

摩尔热容：

1mol的材料温度升高1°C或1K所需的热量。

热膨胀现象：

由原子的非简谐运动产生

热传导：

当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象就称为热传导。

17.单晶：

官能度：

一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目

聚合度：

大分子链中链节的重复次数。

n=M/m.

18.晶态聚合物的结构

1.缨状胶束结构模型2.折迭链结构模型

非晶态聚合物的结构

1.无序结构模型：

a）无规线团模型　b）折迭链缨状胶粒模型

2.局部有序结构模型

超离子导电性：

一部分离子晶体的扩散激活能很低，在室温下有较高的导电率，称为超离子导电性。

形核率：

单位时间、单位体积内液相中所形成的晶核数目

扩展位错：

两个不全位错中间夹一层错的位错组态

平均分配系数：

合金平衡凝固时，固相的成分与液相成分的比值

同素异构：

同种组分金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构的现象，也称为同素异构体

第三章

1、高分子链的化学组成？

1.碳链；2.杂链；3.元素有机高分子

2、高分子结构单元的键接方式和构型

键接方式：

a）无规共聚　b）交替共聚　c）嵌段共聚　d）接枝共聚

空间构型：

全同立构、间同立构、无规立构

3、高分子链的几何形状

a）线型：

线型高分子材料是指单个的链中单体单元首尾相接形成的高分子材料。

　b）支化：

主链上带有侧链的高分子材料，称为支化高分子材料。

c）梳形　d）星形　

e）交联：

在交联高分子材料中，相邻线型高分子材料链被共价键在很多位置上连结在一起

f）体型：

三官能单体单元，即有三个活性共价键的单体，形成三维网状，被称为网状高分子材料。

2、晶态聚合物的结构

1.缨状胶束结构模型2.折迭链结构模型

5、非晶态聚合物的结构

1.无序结构模型：

a）无规线团模型　b）折迭链缨状胶粒模型

2.局部有序结构模型

第九章

4、根据物质被磁化后对磁场所产生的影响可分为哪几类？

a.使磁场减弱的物质称为抗磁性物质

b.使磁场略有增强的称为顺磁性物质；

c.使磁场急剧增加的称为铁磁性物质。

2、a.顺磁体：

在原子结构上的特点是具有未填满电子的电子壳层，因而每个原子的电子磁距总矢量和不为零，原子具有净磁矩或永久磁矩。

大多数物质的原子和离子中，全部电子的磁效应（包括电子轨道运动和电子自旋产生的两种磁效应）相互抵消，不存在磁矩，因而不显现磁性。

b.抗磁体：

特点是原子中的电子壳层全部填满。

无磁矩存在的物质称为抗磁性物质，当抗磁体放入外磁场内，在此介质内感生一个磁矩，按照楞次定律其方向应与外磁场正方向相反，此种性质称为抗磁性。

Cu、Ag、Au

C.铁氧体或铁磁体：

晶体内由于磁性的反平行取向而导致的抵消作用，通常并不一定会使磁性完全消失而变成反铁磁体。

Fe、Co、Ni

3、发光过程，如何发光？

激光的产生？

光束照射到某种材料上时，将产生光的反射，折射，光的吸收与透射过程。

材料吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围内向外发射，这称为发光。

材料在外界电子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，这是光的吸收过程，人原处于高能态的电子在外界光子的作用下又返回低能级，并放出一个光子hv=E2-E1这称为激光。

4、什么是摩尔热？

什么是热传导？

1mol的材料温度升高1°C或1K所需的热量。

当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象就称为热传导。

第七章

1、扩散的定义：

固体中原子或离子不断改变位置出现由一处向另一处无规则迁移运动。

特点1.流体：

随机的、各向同性、2.固体：

各向异性、速率低

当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而触发（导致）的质点定向迁移即所谓的扩散

2、影响扩散的因素：

温度、固溶体类型、晶体结构、浓度、合金元素的影响

3、扩散机制：

1.易位扩散2.环形扩散3.间隙扩散4.准间隙扩散5.空位扩散

4、间隙扩散：

间隙扩散是指碳氮氢氧这类尺寸很小的原子在金属晶体的扩散，它们一般位于晶体的八面体间隙中。

5、空位扩散：

空位扩散是指晶体中的空位路迁入邻近原子，而原子反向迁入空位；

6、克肯达尔效应：

由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为克肯达尔效应

7、离子晶体的两种点缺陷和两种扩散：

1、肖特基，扩散类似于金属中的空位扩散机制;

2、弗兰克尔缺陷，主要为自间隙扩散

8、烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。

第1章材料结构的基本知识

1、名词解释：

固溶体：

溶液中各处的成分与结构相同，是单一的相，在固体状态时称为固溶体。

二、辨析：

相与组织

→组织：

指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状分布等形貌特征，有多相组织、单相组织。

相：

结构相同，物理和化学性质完全均匀的部分，

特点：

①相与相之间存在有明显的界面②界面两端，物质性质有飞跃性的改变③一个体系中可以存在一个或多个相。

第2章材料中的晶体结构

一、名词解释：

1、多晶型转变（同素异构转变）：

当外界条件（主要指温度和压力）改变时，元素的晶体结构可以发生转变。

（金属的这种性质被称为多晶型性）

2、离子晶体：

离子晶体是由正负离子通过离子键按一定方式堆积起来形成的晶体。

二、简答：

请写出七大晶系中的4种晶系，十四种布拉菲点阵中的8种布拉菲点阵。

→三斜晶系：

简单三斜布拉菲点阵

单斜晶系：

简单单斜、底心单斜布拉菲点阵

正交晶系：

简单正交、底心正交、体心正交、面心正交布拉菲点阵

六方晶系：

简单六方布拉菲点阵

菱方晶系：

简单菱方布拉菲点阵

四方晶系：

简单四方、体心四方布拉菲点阵

立方晶系：

简单立方、体心立方、面心立方布拉菲点阵。

第3章晶体缺陷

一、名词解释：

1、交滑移：

螺位错在滑移面上滑移受阻后，绕到与此滑移面相交的另一个滑移面上滑移，称为交滑移。

2、全位错：

位错的柏氏矢量等于点阵矢量的整数倍的位错。

3、不全位错：

柏氏矢量小于单位点阵矢量的位错。

4、小角度晶界：

晶界两侧晶粒的位相差很小（<10°）的晶界，小角度晶界基本上由位错组成。

二、辨析：

1、肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷

→肖脱基缺陷：

晶体中某结点上的原子脱位，一般进入其它空位或者逐渐迁移至晶界或表面，其脱位产生的空位称为肖脱基缺陷。

弗兰克尔缺陷：

晶体中的原子脱位挤入结点间的间隙，形成间隙原子，其原处结点产生空位。

将这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克尔缺陷。

同：

都是点缺陷

异：

两种缺陷中脱位原子迁移的位置不一样，且弗兰克尔缺陷包含间隙原子及空位两种点缺陷。

2、热力学平衡点缺陷和过饱和点缺陷的异同

→同：

两种缺陷都包含空位和间隙原子

异：

热力学平衡点缺陷是由晶体热振动产生点缺陷，且在体系自由能最低时点缺陷浓度达到平衡；过饱和点缺陷指晶体中点缺陷数目明显超过平衡值，是由高温淬火、辐照、冷加工等过程引起的。

3、刃型位错与螺型位错

→刃型位错：

柏氏矢量与位错线垂直的位错。

螺型位错：

柏氏矢量平行于位错线的位错。

同：

都为线缺陷，都可以在外力的作用下发生滑移运动，运动的结果都是在位错线滑移过的区域之中，造成了上下两半晶晶体整体相对位移过一个b的距离都具有易动性。

异：

刃型位错畸变发生在与位错线垂直的方向上，伯氏矢量b与位错线垂直；螺型位错畸变发生在与位错线平行的方向上，伯氏矢量与位错线平行；螺型位错中不存在多余半原子面，而是垂直于位错线的原子平面发生了螺旋状的扭曲；螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错，与正负刃位错不同，左右螺型位错不能相互转化，旋转方向不变。

4、滑移与交滑移

→滑移：

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。

交滑移：

螺型位错在滑移面上滑移受阻后，绕到与此滑移面相交的另一个滑移面上滑移，称为交滑移。

同：

都是部分晶体产生相对位移，不破坏内部原子排列规律性塑变方式。

异：

滑移是所有位错共有的运动方式，交滑移却是螺型位错特有的运动方式。

5、堆垛层错与扩展层错

→扩展位错：

两个不全位错中间夹一层错的位错组态。

堆垛层错：

实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏而错排，称为堆垛层错，简称层错。

同：

均含层错，属于面缺陷。

异：

扩展位错由全位错分解产生两个肖克莱分位错及层错，有线缺陷和面缺陷；堆垛位错只属于面缺陷。

6、小角度晶界和大角度晶界

→小角度晶界：

晶界两侧晶粒的位相差很小（<10°）的晶界，小角度晶界基本上由位错组成。

大角度晶界：

相邻两晶粒的位相差大于10度的晶界。

同：

均由晶界两侧晶粒的位相差定义。

异：

小角度晶界晶界两侧晶粒位相差小于10度，大角度晶界大于10度。

小角度晶界的晶界基本上由位错组成，位错模型却不适用于大角度晶界。

3、简答：

1、离子晶体中的点缺陷有哪些特点？

点缺陷对离子晶体和金属晶体的导电性各有什么影响？

→离子晶体点缺陷的特点：

多原子性、缺陷是带电的、晶体呈电中性。

对离子晶体的导电性增强，金属晶体的导电性减弱。

离子晶体的导电是通过离子通过空穴迁移而导电，金属晶体靠电子定向运动而导电，点缺陷使得电子运动式的非平衡阻力增加，阻碍电子的定向运动，导电性降低。

3、位错的运动方式有哪些？

→刃型位错：

滑移、攀移；螺型位错：

滑移、交滑移

3、判断下列位错反应能否进行，并说明理由。

→位错反应的两个条件为

（1）几何条件

（2）能量条件

解题过程参考课本P119页例题

第五章材料的相结构及相图

一、名词解释：

1、固溶体：

以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。

（与第一章中解释相互参照）

2、置换固溶体：

溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置，所形成的固溶体。

3、超点阵（超结构）：

溶质原子呈完全有序分布的固溶体，为有序固溶体。

4、有序化：

有序固溶体在某一温度以上可以转变成无序固溶体，重新冷却到该温度以下时又转变成有序固溶体，这一转变过程为有序化。

5、共晶转变：

由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。

6、包晶转变：

由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。

7、珠光体：

铁碳平衡相图的共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物。

2、辨析：

1、间隙固溶体与间隙化合物

间隙固溶体：

属于固溶体，小原子位于间隙位置。

间隙化合物：

属于中间相的一种，非金属原子也处于化合物的间隙位置。

同：

小原子都处于间隙位置。

异：

一个属于固溶体，一个属于中间相化合物。

2、置换固溶体与间隙固溶体

置换固溶体：

溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。

间隙固溶体：

溶质原子进入溶剂晶格的间隙所形成的固溶体。

3、一次固溶体和二次固溶体

一次固溶体：

溶剂原子为单质（纯元素）的固溶体。

二次固溶体：

溶剂为化合物（中间相）的固溶体。

第七章扩散与固态相变

名词解释：

1、均匀形核：

在均一的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程。

2、非均匀形核：

形核依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容器壁）上形成的过程。

第八章材料的变形与断裂

一、名词解释：

1、形变织构：

在塑性变形中，随着变形量的增加，多晶体中原来为向互不相同的晶粒在空间位向上呈现一定程度的一致（或者说它们的取向趋于一致）。

2、固溶强化：

由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫做固溶强化。

二、辨析：

滑移与孪生

→滑移：

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。

孪生（孪晶变形）：

晶体在切应力作用下，沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（孪晶方向），在一个区域内发生连续的切变，使已变形的晶体部分与未变形的晶体部分保持镜面对称的关系，即产生孪晶的过程，称为孪生。

同：

均为塑性变形

异：

滑移不改变晶体取向，孪生改变晶体取向。

三、简答：

简述铸锭组织的三晶区的特点

外表层的细晶区：

晶粒细小、组织致密、力学性能良好；

中间的柱状晶区：

晶粒取向、组织致密、缺陷聚集、塑性较差；

心部的等轴晶区：

晶粒无方向性、树枝状晶体、组织不够致密、性能一般。

5、论述：

1、如图为低碳钢退火后的三条拉伸曲线，请问这是什么现象？

解释该现象产生的原因。

1）碳钢预塑性变形；2）去载后立即加载；3）去载后放置一段时间或200度加热后加载

→现象：

当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形后卸载，然后立即重新加载拉伸，则可见其拉伸曲线不再出现屈服点，此时试样不会发生屈服现象。

如果将预变性试样在常温下放置几天或经200℃左右短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高。

此现象通常称为应变时效。

原因：

1）图线解释：

一方面低碳钢中的间隙碳原子会与位错发生交互作用，在刃位错下方的拉伸区偏聚，形成柯氏气团，对位错产生强烈的钉扎作用，使位错应变能减小，不易运动。

位错要从气团中挣脱出来需要较大的力，形成上屈服点。

当气团挣脱之后位错的运动较容易，应力下降，出现下屈服点和水平台。

另一方面碳钢的塑性变形产生位错增殖，造成了屈服降落。

2）图线解释：

卸载后加载使低碳钢产生少量塑性变形，不足以产生明显的屈服点。

3）图线解释：

去载一段时间或200度短时间加热后位错摆脱气团的钉扎，位错应变能增大，屈服应力增大。

重新加载后，碳原子又重新形成柯氏气团，屈服现象重新出现。

2、下图描述了金属材料强化的不同形式：

（a）图描述了Cu-Ni合金中的Ni元素对其力学性能的影响，横坐标为Ni元素含量，纵坐标为力学性能；（b）图描述了金属Cu和Al的力学性能受晶粒材料大小的影响情况，横坐标表征晶粒大小，纵坐标表征材料的屈服强度；（c）图为冷加工量对材料力学性能的影响；（d）Al-Cu合金是热处理强化的合金，该图显示了时效工艺对合金材料力学性能的影响，试指出（a）-（d）各采用了什么强化方式，并讨论强化机理。

→a）强化方式：

固溶强化。

机理：

溶质原子造成点阵畸变，其应力场与位错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动,使变形抗力提高。

溶质原子吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。

b）强化方式;细晶强化。

机理：

通过细化晶粒使金属材料力学性能提高，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑形、和韧性。

细晶粒受到外力发生塑形变形可分散到更多的晶粒内进行，塑形变形均匀，应力集中较小。

细晶的强化规律：

晶界越多，晶粒越细，晶粒的平均值越小，材料的屈服强度就越高。

c）强化机制：

变形强化（加工硬化）机理：

在外力的作用下，晶粒的形状随着工件外形的变化而变化。

当工件的外形被压扁或拉长时，其内部的晶粒的形状也随着被压扁或拉长，导致晶体发生畸变，使金属进一步滑移的阻力增大，因此金属的强度和硬度显著提高，塑形和韧性下降

d）强化机制：

沉淀强化。

机理：

整个曲线规律与合金的蠕变有关，平滑的那段位错滑移产生的加工硬化与攀移产生的高温回复速率相等，蠕变速率恒定。

30%曲线，合金尺寸较小与基体共格，能被位错切过，会增加表面能，和共格应力场使合金强化，而45%那条第二相尺寸增大，与基体失去共格，位错不能切过，派-纳力增大，维氏硬度较30%高。