《材料科学基础》考试重点及答案.docx

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《材料科学基础》考试重点及答案

《材料科学基础》考试重点及答案

1晶体点阵有实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或为晶体点阵。

2晶格用以描述晶体中原子排列规律的空间格架。

3配位数原子周围最近邻等距离的原子数目；在离子晶体里，一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。

4晶体缺陷晶体中原子偏离其平衡位置而出现的不完整性区域。

5位错晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。

6位错反应有两个位错合成为一个新位错或有一个位错分解为几个新位错的过程。

7小角晶界两个相邻晶粒位向差小于10度的晶界称为小角晶界。

8晶面能由于晶界上原子排列不规律产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为晶面能。

9固熔体固态下一种组元熔解在另一种组元中而形成的新相。

10间隙相又称为简单间隙化合物非金属原子与过渡族原子的半径的比值小于0.59，化合物具有比较简单的结构称为间隙化合物。

11过冷度实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差称为过冷度。

12均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力由晶胚直接形核的过程。

13非均匀形核在过冷液态金属中，若晶胚是依附在其他物质表面上成核的过程。

14形核率单位时间单位体积内所形成的晶核数目。

15相图又称状态图或平衡图表示材料系统中相得状态与温度及成分之间关系的一种图形。

成分过冷这种有液相成分改变而形成的的过冷。

16伪共晶这种有非共晶成分的合金得到的共晶组织。

17包晶转变当有些合金凝固到达一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余的液相发生反应生成另一种固相，这种转变为共晶转变。

18扩散第一定律：

单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质量（通称为扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。

。

19科肯道尔效应：

由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送的性质。

20本征扩散：

以本征缺陷为媒介发生的扩散称为本征扩散。

（处于热平衡状态的晶体内部总存在一定数量的点缺陷，这类点缺陷也称为本征缺陷）。

21非本征扩散：

受非本征缺陷控制的扩散称为非本征扩散。

（扩散受外界因素，如杂质离子的电价和浓度等控制的而非本征因素，即结构中本征热缺陷提供的空位浓度远小于杂质空位浓度的扩散，称为非本征扩散.

22上坡扩散：

原子由低浓度向高浓度处的扩散。

）

23下坡扩散：

原子由高浓度向低浓度处的扩散。

24反应扩散：

通过扩散使固溶体内的熔质组元超过固溶体极限而不断形成新相的扩散过程，称为反应扩散或称相变扩散。

25滑移：

滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生的平移滑动，滑移后在晶体表面留下滑移台阶。

26滑移系：

一个滑移面和该面上一个滑移方向组成一个滑移系。

27单滑移：

只有一组滑移系处于最有利的取向（m最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移，即单滑移。

28多滑移：

若有几组滑移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值，或者由于滑移时晶体的转动，使另一组滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移就在两组或多组滑移系上同时交替进行，称为多滑移。

29交滑移：

两个或者多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，这种滑移称为交滑移。

30细晶强化：

用细化晶粒来提高材料强度的方法叫细晶强化。

31固溶强化：

当合金由单相固溶体构成时，随熔质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度的不断增加，塑性、韧性的不断下降，这种现象称为固溶强化。

32弥散强化：

弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段.

33变形织构：

在多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取向，又称为变形织构。

34加工硬化：

在塑性变形中，随着金属内部组织结构的变化，金属的机械性能也发生了明显变化，即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变变化。

35回复：

冷变形金属热加工时，尚未发生显微组织变化前的微观结构和性能的变化过程。

36再结晶：

冷变形金属在较高温度下结晶时通过晶粒的形核及长大以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。

37再结晶温度：

冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。

38二次再结晶：

少数晶粒突发性的迅速地粗化使晶粒间尺寸显著升高，这种晶粒的反常长大就好像再结晶后等轴晶粒的二次结晶。

39热变形：

金属在再结晶温度以上的加工变形。

40退火孪晶：

一些不易产生形变孪晶的面心立方金属，经再结晶退火后会出现孪晶。

41流线：

在热变形中，某些枝晶偏析、夹杂物、第二相等随组织变化伸长沿变形方向分布，晶粒发生再结晶，而夹杂物等沿变形方向呈纤维状分布。

42带状组织：

热变形后的亚共析钢中的铁素体和P成条带状分布称为带状组织。

43变形织构：

多晶体的塑变中随着变形度的增加，原先任意取向的各个晶粒发生转动，使取向趋于一致，形成择优取向。

44超塑性：

某些材料在特定条件下进行拉伸时，能获得特别大的延伸率，可达200%~2000%，这种性能称为超塑性。

45相变：

固态物质在温度、压力、电场磁场作用下从一种组织结构转成另一种组织结构，这就是固态相变。

46惯习面：

固态相变时新相往往在母相的一定晶面组上形成，这种晶面称为惯习面。

47脱熔转变：

从过饱和固熔体中析出一个成分不同的新相或形成熔质源于亚稳态过渡相的过程。

48连续脱熔：

如果脱熔是在母相中各处同时发生的且随新相的形成母相成分发生连续变化，但其晶粒外形及位向均不改变，脱熔一旦形成时，其周围一定范围内的固溶体立即由过饱和状态变成饱和状态，并与母相原始成分明显分界面。

49不连续脱熔：

。

通过相界面不断发生成分突变，且取向也发生改变，这就是不连续脱熔。

50调幅分解：

过饱和固熔体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两个相的过程。

51复合材料：

由两种或两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。

52复合材料的界面：

一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的，构成彼此结合的，能传递载荷作用的区域。

1.2工程材料可分为哪几类？

金属材料，陶瓷材料，高分子材料，复合材料。

1.5晶体中缺陷的种类

点缺陷，线缺陷，面缺陷

1.6位错的种类、位错方向与柏氏矢量的关系、位错的运动方式。

韧型位错，螺型位错；韧型位错垂直于柏氏矢量，螺型位错平行于柏氏矢量韧型位错攀移滑移，螺型位错是滑移

1.7位错反应条件及计算。

几何条件反应前后柏氏矢量之和相等；能量条件反应前后的总能量大于反应前的总能量。

1.8晶界的种类，界面能与晶界的关系

小角晶界，大角晶界；小角晶界能随位向差的增大而增大，大角晶界面能随基本上是一恒定值与位向差无关。

2.1影响置换固溶体溶解度有哪些因素？

有何规律？

规律1如果形成合金的元素起源自半径之差对溶剂原子半径的比超过14%---15%，则固熔度极为有限；2、熔剂和熔质的电化学性质相近3、两个给定元素的相互固熔度是与它们各自的原子价有关；因素：

1、原子尺寸因素越小越易形成2、晶体结构因素同一种间隙原子在fcc的固熔度大于bcc的3、负电性负电性差越大亲和力越大越是比较稳定的化合物负电性差很小异种原子间的亲和力加强固熔度上升4、电子浓度因素。

2.2间隙固溶体与间隙相之间的关系。

间隙固熔体式固熔体的一种，间隙相是一种金属间化合物两者的晶体结构也各不相同。

2.3金属间化合物的种类及特点

金属间化合物分为正常价化合物，电子价化合物和间隙化合物；

3.1金属结晶的热力学条件是什么？

热力学第二定律：

在等温等压条件下物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变就是说只有伴随着自由能降低的过程才能自发的进行。

熵恒为正值温度升高原子活动能力增加故其排列的有序度降低熵值增加所以相的自由能随温度的升高而降低。

3.2金属结晶的能量条件是什么？

固态金属自由能低于液态金属自由能。

当温度低于Tm时液态的自由能Gl高于固态的自由能，由液态转为固态时，将释放出那份能量而是系统自由能降低，所以过程才能够自动进行。

凝固过程一定要在低于熔点温度时才能进行。

3.3金属结晶的结构条件是什么？

过冷是金属结晶的必要条件，因为只有过冷才能造成固态金属自由能低于液态能的条件，只有过冷才能使液态金属中短程规则规则排列结构成为晶胚。

3.4金属结晶时的形核有哪些方式？

均匀形核、非均匀形核

3.5根据凝固理论，如何细化晶粒？

单位时间的晶粒数单位面积的晶粒数增加过冷度会提高N/Vg的比值使Zv增大从而达到细化晶粒的目的；小制件：

增加冷却速度细化晶粒；大制件：

加形核剂增大形核率。

3.6晶体长大时，液-固界面处于那种微观结构？

有哪些长大方式？

长大方式与微观结构有什么关系？

光滑界面和横向长大方式

垂直长大方式和横向长大方式

垂直长大方式时针对粗糙面结构提出来的因为粗糙界面上的空位较多液相扩散而来的原子填入空位中与晶体连接起来垂直于界面生长

横向长大方式是针对光滑界面结构提出来的，因为光滑界面上空位数目与占位数目之比要么很小要么很大由液相扩散而来的原子不易于晶体牢固连接，依靠小台阶接纳液态原子的向前推移，代表模型：

二维晶核台阶生长机制，晶体缺陷台阶生长机制。

3.7晶体长大有哪些形态

平面状长大和树枝状长大

平面状长大：

正温度梯度——粗糙面结构；树枝状长大：

负温度梯度——粗糙面结构具有特定的方向性主要取决与晶体结构。

4.1什么是相平衡？

相率的表达式是什么？

某一温度下系统中各相长时间不相互转变处于平衡状态，这种平衡叫做相平衡。

相率是指热力学平衡条件下，系统中的组元数、相数和自由度数之间的关系。

f=c-p+1

4.2什么是晶内偏析？

什么枝晶偏析？

枝晶偏析的危害及消除方法。

固熔体不平衡结晶时，由于从液态中先后结晶出来的固相成分不同，结果使得一个晶粒内化学成分不均匀这种现象为晶内偏析。

由于固熔体一般都以树枝状方式结晶，树枝的结晶轴会高熔点组元较多，而晶枝间含低熔点组元较多故把晶内偏析又称枝晶偏析。

危害：

导致合金塑性韧性下降，易引起晶内腐蚀，降低合金的抗蚀性能，特别是给合金的加热工带来困难

消除方法：

将铸态合金加热到略低于固相线的温度进行长时间均匀化退火，使异类原子互相充分扩散均匀。

4.3什么是区域熔炼？

如何提纯金属？

将金属棒沿棒的长度方向逐渐从一端向另一端顺序的进行局部熔化提纯金属；

区域熔炼一次就会使圆棒中的杂质从一端向另一端4富集反复进行多次就可使金属材料获得高度的提纯。

4.4什么是成分过冷？

成分过冷对固溶体生长形态和组织有什么影响？

由于液相成分改变而形成的过冷。

固熔体合金凝固时，在正温度梯度下，由于固液界面前沿液相中存在过冷并逐渐增长，是界面生长形态从平直界面向包状晶包状树枝晶树枝晶等轴晶发展。

5.1．第一定律描述：

单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（扩散通量J）与该截面处的浓度梯度成正比。

5.2.科肯道尔效应：

置换型扩散偶中，由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送。

:

5.4.扩散的两种主要机制:

间隙机制：

质点从一个间隙到另一个间隙.间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。

空位机制：

原子跃迁到与之相邻的空位.条件：

原子近旁存在空位。

金属和置换固溶体中原子的扩散。

5.6.扩散的驱动力:

扩散的驱动力为化学位梯度

5.7.上坡扩散:

扩散沿着与浓度梯度相同的方向进行,热力学因子

5.8.反应扩散：

通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而形成新相的扩散过程。

又称相变扩散。

反应扩散析出的新相与原来的基体之间存在明显的宏观界面。

5.10.低碳钢在两相区渗碳，发生什么现象？

两相区之间存在明显的宏观界面，始终没有出现两相组织混合区。

二元合金的扩散层不可能出现两相混合组织。

5.11.合金发生扩散时，合金组元与混合区的关系

二元合金的扩散层不可能出现两相混合组织。

三元系种三相区温度渗层中不可能出现三相混合区，但可以有两相混合区域。

6.1.常温下塑性变形的主要方式：

滑移、孪生、（扭折）

6.2.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

6.3.滑移系:

一个滑移面和该面上一个滑移方向的成一个滑移系。

6.4.金属晶格中的滑移系:

面心立方晶格的滑移系:

Cu,Al,Ni,Ag,Au滑移面｛111｝×4滑移方向＜1，-1,0＞滑移系个数12

体心立方晶格的滑移系

α-Fe,W,Moα-Fe,W,Moα-Fe,K滑移面{1.-1.0}×6{1.-2.1}×12{2-31}×24滑移方向＜111＞×2＜111＞×1＜111＞×1滑移系数目121224

6.5.几何硬化：

如果某一滑移系原来处于软取向，在拉伸时，随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力轴夹角越来越远离45°，使滑移变得越来越困难，这种现象称为几何硬化。

6.6.单滑移：

只有一组滑移系处于最有利的位置，进行的单系滑移

多滑移：

在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。

交滑移：

晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。

晶体的滑移通过位错运动来实现。

6.7.孪生：

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。

6.8.孪生变形的特点

相同点：

沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。

不同：

滑移不改变晶体位向对抛光面观察无重现性）。

位移量是滑移方向上原子间距的整数倍，较大。

对塑变贡献很大，总变形量大。

有一定的临界分切压力，一般先发生滑移，全位错运动的结果。

孪生：

改变晶体位向

，形成镜面对称关系,对抛光面观察有重现性，位移量小于孪生方向上的原子间距，较小。

对塑变贡献有限，总变形量小。

所需临界分切应力远高于滑移，滑移困难时发生，部分位错运动的结果

6.9细晶强化：

多晶体的强度随晶粒细化而提高，这种用细化晶粒来提高材料材料强度的方法称为细晶强化。

机理：

晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。

固溶强化：

固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。

机理：

晶格畸变，阻碍位错运动。

实质：

溶质原子与位错的弹性、电、化学交互作用。

弥散强化：

材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法，称为弥散强化。

机理：

第二相为不可变微粒时，移动的位错与不可变形微粒相遇时，受粒子阻碍而弯曲，位错绕过时既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应力。

位错绕过机制。

第二相为不可变微粒时，位错切过机制，造成滑移面上原子错排，要求错排能。

位错切过粒子，在滑移面上产生反相畴界，要求反相畴界能，位错切过粒子，生成宽为b的台阶，需要表面能，弹性应力场与位错交互作用，阻碍其运动，位错能量、线张力变化

6.10.变形机构：

多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取向，称为变形织构。

6.11，加工强化：

随变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。

机理：

产生加工硬化的主要原因是金属在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部产生残余应力等，因而继续塑性变形就变得困难，从而引起加工硬化

7.1冷变形金属在加时，组织和性能发生什么变化

显微组织变化

第一阶段-回复阶段：

显微组织仍为纤维状，无可见变化；

第二阶段-再结晶阶段：

变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。

第三阶段-晶粒长大阶段：

晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。

1力学性能

回复阶段：

强度、硬度略有下降，塑性略有提高。

再结晶阶段：

强度、硬度明显下降，塑性明显提高。

晶粒长大阶段：

强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。

2物理性能

密度：

在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：

电阻在回复阶段可明显下降。

3、储存能变化

储存能：

存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。

弹性应变能（3～12％）

存在形式位错（80～90％）点缺陷驱动力

储存能的释放：

原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。

内应力变化回复阶段：

大部分内应力消失；再结晶阶段：

内应力可完全消除

回复：

冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前的微观结构及性能的变化过程。

驱动力：

弹性畸变能的降低。

低温回复：

0.1Tm~0.3Tm，因温度较低，原子活动能力有限，主要局限于点缺陷的运动。

通过空位迁移至晶界位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度显著下降。

中温回复：

0.3Tm~0.5Tm因为度较高，原子活动能力增强，除点缺陷外，位错也被激活。

其主要机制是位错导致重新组合，以及异号位错互相抵消，使位错密度有所下降。

高温回复>0.5Tm：

因温度较高，位错可以被充分激活使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排成小角度亚晶界，弹性畸变能降低。

同号刃型位错塞积于同一滑移面上时，位错间相互排斥，发生攀移，在不同的滑移面上垂直排。

异号刃形位错产生的应变部分抵消。

随多边化的进行，逐步形成位错网络，构成亚晶界

冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。

显微组织彻底改组，变形储存能充分释放，性能显著变化。

随着保温时间的延长，新的等轴晶粒逐渐增多并长大，直到完全代替了变形晶粒。

驱动力：

变形储存能充分释放

7.5再结晶有哪些形核机制晶界凸出形核亚晶形核机制

退火温度：

温度越高，再结晶速度越大

变形量：

变形量越大，再结晶温度越低；变形量增大到一定值，再结晶温度趋于稳定。

变形量大,退火时的再结晶速度也快.

原始晶粒尺寸：

晶粒越小，驱动力越大,再结晶温度降低；晶界越多，有利于再结晶形核

微量溶质元素：

阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶

分散相粒子：

间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。

驱动力：

晶粒长大后总的界面能的下降组织：

大晶粒吞食小晶粒。

二次结晶：

少数晶粒突发性地、迅速地粗化，不正常的长大。

二次再结晶位置：

大晶粒；具有织构的组织中非择优取向的晶粒；晶界微粒溶解的晶粒；热蚀沟钉扎的薄板中表面能低的晶粒。

热变形：

金属在再结晶温度以上的加工变形。

实质：

加工硬化与动态软化同时进行，不显示硬化作用。

7.10.动态回复与变形速率和温度有何关系？

当变形温度一定时，应变速率越大，达到稳定的应力和应变越大。

当应变速率一定时，变形温度越高，达到稳定的应力和应变越小

应变速率低、变形温度高时，晶粒尺寸大。

流线：

在热变形中，某些枝晶偏析、夹杂物、第二相等随组织变形而伸长，沿变形方向分布，晶粒发生再结晶，而夹杂物等沿变形方向呈纤维状分布，称为流线。

使金属机械性能出现各向异性，沿纵向变形方向和横向变形方向性能不同，纵向具有较高的机械性能，特别是塑性和韧性为了保证零件具有较高的机械性能，热加工时应控制工艺使流线与零件工作时受到的最大拉应力的方向一致，而与外加的剪切应力和冲击方向相垂直。

热变形后共析钢中的铁素体和珠光体成条带状分布

固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。

8.2什么是惯习面？

固态相变时，新相往往在母相的一定晶面族上形成，这组晶面称为惯习面

8.3固态相变的阻力是什么？

固态相变的驱动力也为新相与母相的自由能差，与结晶过程相比，固态相变有其自身特点.

8.4固态相变均匀形核时，核的形状与界面有什么关系？

具有低表面能和高应变能的共格晶核，倾向于盘状或片状。

具有高表面能和低应变能的非共格晶核，可能呈球形或等轴状

形核时因体积胀大而引起应变能显著增加，晶核趋于呈片状或针状

8.5什么是脱溶？

脱溶（沉淀）：

从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程。

8.6什么是调幅分解？

其特点和条件。

调幅分解：

又称增幅分解，指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程

特点：

通过上坡扩散实现成分变化，不经历形核阶段，不存在明显的相界面，分解速度快。

条件：

起始成分在两个化学拐点之间；每个原子有足够的相变驱动力△Gv。

8.7马氏体相变的特点？

马氏体相变的分类和马氏体的种类。

一，马氏体与基体的自由表面交截时，表面出现浮凸

二，存在不变平面，即惯习面。

相变产生的变形是均匀的。

三，马氏体相变中，新旧相之间有一定的位相关系。

四，马氏体具有亚结构

9.1什么是复合材料？

复合材料是由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。

9.2有哪些复合效应？

线性效应

非线性效应

界面效应

尺寸效应各向异性效应

9.3有哪些复合思想？

复合材料增强思想：

仿生思想、绿色材料思想、充分利用协同效应思想、智能材料思想

9.4什么复合材料的界面？

一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为界面。

9.5如何改进复合材料的界面？

1.降低界面残余应力

2.基体改性、纤维表面改善

3.选则合理的复合工艺和使用条件

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