材料科学基础考试内容.docx

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材料科学基础考试内容

稳态扩散：

扩散体系中，各点的浓度不随时间而变的扩散。

固容处理：

先加热至a单项区，保温后急处理，得到饱和的a。

一级相变：

化学势的一阶偏导数（焓、体积）发生相变的过程，即相变时有体积变化同时有热量吸收和释放，所有一级相变均需要形核长大过程。

临界分切应力：

能引起滑移或孪生所需要的最小分切应力。

组织：

只在结晶过程中形成一定的形貌清晰轮廓的独立组成部分。

点阵：

实在空间上的任何方向上，均为周期排布的无线个共同点的集合是由晶体结构抽象而得到的几何图形。

调幅分解：

分解时无形核阶段只是通过自发的成分涨落和上坡扩散使溶质成分的涨幅不断增加分解成结构与固相相同但成分不同的两个新相的过程。

准晶体：

具有5次对称及其他有取向毫无平移序的物质为准晶体。

不全位错：

柏氏矢量不等于点阵矢量的位错。

成分过冷：

当用面前沿液体内实际温度是正梯度时就可形成形的过冷区这种与液体内溶质浓度相关的过冷称为成分过冷。

孪生：

晶体受力后。

以产生孪晶的方式进行的切变过程。

临界晶核的形成功：

形成临界晶核所需的功。

空间点阵：

由一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为空间点阵。

：

点群：

晶体形态中全部对称要素的组合称为该晶体形态的对称型或点群。

再结晶：

是指无畸变的等轴新晶粒逐渐取代变形晶粒的过程。

冷变形对金属组织和性能有何影响：

一：

组织的变化：

1晶粒形状的变化，金属经冷加工变形后其晶粒形状发生变化，变化趋势大体与金属宏观变化一样2：

晶体产生亚结构3：

晶体位相改变（形成织构）二：

性能的变化：

其中最显著的是金属的机械性能即随着变化程度的增加金属的强度，硬度增加而塑形韧性降低这种现象称为加工硬化。

能带理论，可分为三种能带：

导带，禁带和价带，对于导体它的大量电子处于导带能自由移动的电场作用下成为载流子，因此，导体载流子浓度很大，半导体电子大多数处于价带不能自由移动，但在热光等外界因素下，可使少量价带中电子越过禁带，跃迁到导带上成为载流子。

体心立方：

a（100）面心立方：

a（100）密排立方：

a（10001）

晶带轴：

所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。

固溶体：

以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子所形成的均匀混合的固态溶体，继续保持溶体的晶体结构类型。

间隙相：

由过渡族金属与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物

加工硬化：

金属材料在受到外力作用持续变形的过程中，随着变形的增加，强度硬度增加，而塑韧性下降的现象。

共晶转变：

由液相同时结晶出两种固相的过程称为共晶转变。

该转变为恒温转变。

伪共晶：

在非平衡凝固条件下，由某些亚共晶或过共晶成分的合金在过冷条件下也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。

可肯达尔效应：

垂直于扩散方向的任何一平面都有扩散原子的净流量流过，如果阵点数保持不变，则扩散区域内的每个平面都必须发生移动，这种现象称为可肯达尔效应。

固态相变：

固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改变时所发生的转变统称为固态相变。

间隙相间隙化合物晶格类型既不同于组元A也不同于组元B且间隙相结构简单间隙化合物结构复杂

显微组织液体金属结晶固体金属重结晶过程相关相组织形态

调幅分解分解时无形核阶段通过自发的成分涨落通过上坡扩散使溶质成分的波幅不断增加分解成结构均与母相相同但成分不同的两种固溶体

1：

金属晶体中的点缺陷包括（空位）（间隙原子）（置换原子）线缺陷包括（位错）面缺陷包括（晶面）（相面）（表面）

2：

二元相图发生包析转变的反应式为（r+b=a）生成物为（a）按相率计算自由度为（f=c-p+n=2）

3：

大角度晶界包括（共格孪晶界）和（非共格孪晶界）

4：

再结晶驱动力为（储有能）形核阻力为（表面自由能的增大）

5:

固态相变形核的驱动力是【新相与母相间的自由熔之差】阻力是【界面能和应变能】

6：

萤石（caf2）的点群为3L44L36L29Pc，其中3L4表示【3个4次对称轴】C表示【对称中心】{111}晶相属于【4】次旋转轴，由此断定caf2属于【高级】晶族【立方】晶系。

7：

按热力学分类可得将固态相变分为【一级相变】和【二级相变】。

8：

金属间化合物的晶体结构包括【正常化合物】【电子化合物】【受原子尺寸因素控制的金属化合物】。

9：

影响变形储存能的主要因素有【变形程度】【金属纯度】【原始晶粒大小】【温度】。

10：

固态金属中，原子扩散的驱动力为【浓度梯度】阻力为【扩散激活能】。

11：

【32】点群【3】晶族【7】晶系【14】布拉格点阵【230】空间群。

12：

NaCl点群为【3L44L36L29Pc】其中3L4表示【3个4次对称轴】9P表示【9个对称面】体对角线为【四】轴。

13：

CsCl型点群为3L44L36L29Pc其中它是【高级】晶族【立方】晶系。

14：

位错的运动方式【滑移】和【攀移】。

15：

多晶体塑型变形时，晶界的作用为【协调作用】阻塞作用为【起裂作用】。

16：

再结晶的形核方式【已存晶界的方出形核】和【亚晶合并形核】。

17：

共晶转变反应式【L—a+b（贝塔）】自由度【f=2-3+1=0】它表示【恒温转变】。

产物为【包晶转变混合物】

18：

相界面的种类：

【共格】【伴共格】【非共格】。

晶界的作用协调作用阻塞作用起裂作用

小角度晶界对称倾转晶界不对称倾转晶界扭转晶界

大角度晶界任意大角度晶界特殊大角度晶界

１：

如何控制Ｇ和Ｒ来获得平面状晶和树枝状晶？

MLC。

/D（1—k。

）/K。

《G/R平面状晶，增大G/R，增大G，减小R。

（1）G一定，减小R，增大模璧保温

（2）R一定，增大G，减小局部放热，提高浇注温度。

MLC。

/D（1—K。

）/K。

》G/R树枝状晶，减小G/Ｒ，减小Ｇ，增大Ｒ

（1）Ｇ一定，增大Ｒ，减小模璧保温

（2）Ｒ一定，减小Ｇ，增大局部放热，降低浇注温度。

:

２：

如何区分间隙固溶体，间隙相，间隙化合物？

相同点：

溶质原子进入溶剂的晶格的间隙中

异同点：

间隙固溶体保持了溶剂的晶格类型，间隙相、间隙化合物晶格类型即不同于组元A也不同于组元B且间隙相结构简单间隙化合物结构复杂。

３：

指出三种典型金属晶体中的全位错（各指出一个）。

1：

能量较高的位错不稳定，可以通过位错反应分解为能量较低的位错。

2：

以最短的点阵矢量即单位位错为矢量的位错在晶体最稳定。

3：

还有一些位错的相氏矢量不等于点阵矢量，这种位错称为不全位错。

４：

根据固体的电子能带结构理论区分导体、半导体、绝缘体。

导体：

价带与导带重合，价电子跃迁到导带。

半导体：

价带与导带有较小的禁带，当外界有能量时，价电子容易跃迁到导带

绝缘体：

价带与导带有较宽禁带，价电子难以跃迁。

５：

如何使固溶体合金提纯和均匀化？

提纯：

使用对流加搅拌的方法采取区域熔炼，从左至右缓慢移动加热装置，反复4~5次，使溶质推到右端并切断左端为纯金属。

均匀化：

仅靠扩散的方法，从左至右缓慢移动加热装置采取区域熔炼把左右两端切掉，留下中间成分均匀的部分。

６：

脱溶沉淀的过程

脱溶沉淀顺序：

a。

-----a1+Gp区---a2+（塞塔）“---a3+塞塔‘---a4+塞塔

（1）GP区：

Cu原子的偏聚区，晶体结构与基体相同，形态蝶形薄片，与母相共格，从而引起共格畸变，使基体硬度上升。

（2）塞塔“相：

随时效时间增加，形成介稳相塞塔“成分接近CuAL2，形成盘状沉淀物，与母相仍为共格，硬度继续增加。

７：

冷变形对金属组织和性能有何影响？

冷变形对金属结构的影响？

1：

从组织形貌上看，退火态的等轴晶粒沿变形方向被拉长，形变量大时甚至会使晶界拉长成纤维状，一些硬质颗粒或夹杂因无法变形而沿伸长方向呈带状分布，这种纤维组织沿其变形方向强度、硬度增加，横向则不然，出现了性能的各向异性。

2：

从显微结构看，冷变形增加了结构缺陷（如空位和位错）位错密度可以退火态的10-6~10-8cm-2增加至10-11~10-12cm-2，位错的组态和分布也发生变化，因位错的增值以及运动过程中的交割和相互作用，造成位错缠结，使其组态变得错综复杂，进而构成胞状结构。

８：

为什么金属材料具有良好的延展性、导电和导热能？

绝大多数金属均以金属键方式结合，即金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成的键合，它的基本特点是：

电子共有化，无饱和性，无方向性。

因而每个原子可能同更多的原子相结合。

并趋于形成低能量的密堆结构，当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，从而使金属具有良好的延展性，同时由于自由电子的存在，金属具有良好的导电。

导热能。

９：

塑型变形对材料组织和性能的影响？

冷变形金属的组织和结构：

（1）组织形貌：

退火态的等轴晶沿变形方向被拉长且随变形量增加，晶界被拉长为纤维状，一些硬质的第二相因无法变形而沿伸长方向呈带状分布。

（2）微观结构：

随变形的进行位错密度大幅度增加，位错会交织缠结形成胞状结构且随变形量进一步增加，胞的数目量增加，尺寸变小，（3）性能变形为2布---1：

加工硬化：

强度硬度显著提升，塑型明显降低2：

各向异性：

沿变形方向的强度远大于横向。

１０：

冷变形金属的回复（退火）

定义：

亚结构与性能变化的过程

（1）组织不发生变化，仍为拉长的组织形态，但可观察到位错能的规整化过程

（2）可完全消除宏观残余应力，部分消除微观残余应力。

（3）力学性能变化较小

（4）物理性能变化较大

１１：

冷变形金属的再结晶

定义：

无畸变的等轴新晶粒逐渐取代变形晶粒的过程

（1）组织和性能的变化：

再结晶完成后冷变形金属的储存能全部释放，组织彻底改变，各项性能指标基本恢复到变形的水平

（2）再结晶的过程：

形核，核长大过程，但它不是相变，晶体结构没有改变，只是组织发生了变化。

１２：

论述材料强化的主要方法及原理？

1：

固溶强化：

原理：

晶体畸变，柯氏气团，阻碍位错运动。

方法：

固溶处理，淬火。

2：

弥散强化：

原理：

第二相离子对位错的阻碍作用。

方法：

形成第二硬质相如球化淬火，变质处理。

3：

结晶强化：

原理：

晶界对位错滑移的阻碍作用。

方法：

变质处理，退火等。

4：

相变强化：

原理：

新相为高强相或新相对位错的阻碍。

方法：

淬火

5：

加工硬化：

原理：

形成高密度位错等。

方法：

冷变形等。

１３：

简述晶体中产生位错的主要来源。

答：

晶体中的位错来源主要可有以下几种。

1）.晶体生长过程中产生位错。

其主要来源有：

①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；（1分）

②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；（1分）

③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。

（1分）

2）.由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。

3）.晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。

１４：

简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。

（1）加工硬化:

塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降。

（2）腐蚀速度：

塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快

（3）密度：

对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属经塑性变形后可能使密度上升

（4）弹性模量：

塑变使弹性模量升高

（5）电阻率：

塑性变形使金属的电阻率升高。

变化程度因材质而异。

（6）另外，塑性变形还会引起电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降。

计算题模板

1.金刚石为碳的一种晶体，为复杂面心立方结构，晶胞中含有8个原子，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨（2=2.25g/cm3）结构时，求其体积改变百分数？

解：

金刚石为复杂面心立方结构，每个晶胞含有8个碳原子

金刚石的密度为：

对于单位质量1g碳为金刚石结构时，体积为：

v1=1/1=0.285（cm3）

转变为石墨结构时，体积为：

v2=1/2=0.444（cm3）

故金刚石转变为石墨结构时体积膨胀：

2.一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。

在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设D=2.0×10-5exp（-140000/RT）（m2/s）。

（a）计算渗碳时间；（b）若将渗层加深一倍，则需多长时间？

（c）若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？

解：

（a）由Fick第二定律得：

t

1.0×104（s）

（b）由关系式

，得：

，

两式相比，得：

，当温度相同时，D1=D2,于是得：

（c）因为：

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）

3.一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个小时后在0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%，若要在0.08cm的深度达到同样的渗碳浓度，则需多长时间？

c

解：

由Fick第二定律得：

即

由题意可知，两种情况下渗碳前后浓度相同且渗碳温度相同，即

（5分）

故

要在0.08cm深度达到同样的渗碳深度，需28.16小时。

立方晶体的滑移面ＡＢＣＤ上有一个长方向位错环，且ｂ平行ＡＢ

ａｂ：

右螺位错　　　　　　　　　ａ：

右螺位错

ｃｄ：

正刃位错　　　　　　　　　ｂ：

正刃位错

ｂｃ：

左螺位错　　　　　　　　　ｃ：

左螺位错

ｄａ：

负刃位错　　　　　　　　　ｄ：

负刃位错

其他：

混合位错　　　　　　　　　其他：

混合位错

相图中的ABCD为液相线，AHJECF为固相区，有5个单相区，7个两相区，3条水平线，2条磁性转变线。

5个单相区：

ABCD以上---为液相线（L）AHNA---ζ固溶体区（ζ）

NJESGN---奥氏体区（γ或A）GPQG---铁素体区（a或F）

DFK---渗碳体区（Fe3C或Cm）

7个两相区：

L+ζ、L+γ、L+Fe3C、ζ+γ、γ+a、a+Fe3C、γ+Fe3C

3条水平线

HJB---包晶转变线

ECF---共晶转变线

PSK---共栖转变线

2条磁性转变线：

MO虚线为铁素体的磁性转变线，230℃虚线为渗碳体的磁性转变线。

1、用固体能带理论解释绝缘体、导体和半导体的区别？

答：

绝缘体的禁带宽度较大，价带顶的电子难以跃迁到导带底成为自由电子，故电导率较低；

导体的禁带宽度较小，价带顶的电子容易跃迁到导带底成为自由电子，同时在价带顶形成空穴，故电导率较高；

半导体禁带宽度介于二者之间，故电导率也介于二者之间

2、如何区分间隙固溶体、间隙相和间隙化合物？

相同点：

溶质原子进入溶剂晶格的间隙中

间隙固溶体-----保持了溶剂的晶格类型。

间隙相、间隙化合物----它们的晶格类型、即不同于A也不同B

间隙相------结构简单,具有很高的硬度和熔点，但很脆，有明显的金属性。

间隙化合物-----结构复杂，硬度很高，脆性较大

3、如何使固溶体合金提纯和均匀化？

区域熔炼：

用感应加热装置，从左到右缓慢移动对试棒局部加热。

区域提纯：

对流，根据固溶体合金向凝固时溶质再分布原理，使水平试样左端和右端一个溶质贫化一个溶质富聚。

溶区宽度l与试样长度L之比小于0.1。

均匀化：

冷却和凝固的速度均较慢，液相内部溶质通过搅拌和扩散可充分混合使成分均匀化。

4、根据（mC/D）[（1-k）/k]=G/R为形成成分过冷的临界条件，如何控制G和R来获得平面状晶或树状晶？

G>=G1，无成分过冷区，界面稳定，成为平面状；（mLC0/D）[（1-k）/k]<=G/R,界面稳定，呈平面状晶。

G一定，R减小，加大膜壁保温；R一定，G增大，减小内部放热提高浇注温度。

呈柱状晶。

G=G3，成分过冷区较大，失去界面稳定，呈树枝状晶。

5、脱溶沉淀过程

脱溶沉淀过程受溶质扩散控制，在该过程中形成一系列的介稳相，例Al-CU合金，成分为Al-CU[ω=4.5%]的脱溶沉淀顺序为α0→α1+GP区→α2+θ”→α3+θ’→α4+θ

GP区：

Al-CU合金GP区的形状是蝶形薄片，GP区是溶质原子Cu偏聚区，

6、A冷变形对材料组织和结构性能的影响

从组织形貌上看，退火态的等轴晶粒沿边形方向被拉长，形变量大时甚至会使晶界拉长成纤维状，一些硬质颗粒或夹杂因无法变形而沿伸长方向呈带状分布。

从显微结构看，随着型变量的进一步增加，错位胞的数量增加，幅度增大，错位缠结，形成胞状结构尺寸减小，在位错胞内部，位错密度很低，大部分位错都缠结在位错胞壁。

导致材料性能的变化：

加工硬化，各向异性。

B回复过程对组织和结构性能的影响

回复指冷变形金属加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能变化的过程。

回复过程中组织不发生改变，胞状位错缠结转变成亚晶。

经过回复可完全消除宏观残余内应力但微观残余内应力仍部分残存。

回复过程中力学性能变化不大，位错密度变化不大，强度、硬度变化很小。

物理性能的影响较大。

C再结晶对组织和结构性能的影响

再结晶是指无畸变的等轴新晶粒逐渐取代变形晶粒的过程。

再结晶完成后，冷变形金属的储存能全部释放，组织彻底改变，各项性能指标基本恢复到变形前的水平。

再结晶虽然也是形核、长大过程，但它不是相变，晶体结构没有改变，只是组织发生了变化。