材料科学基础简答题

材料科学基础简答题
1.如何理解点缺陷是一种热力学平衡缺陷？
随着点缺陷数量增加，熵增加导致自由能下降，但是同时内能增加导致自由能增加，所以有一个平衡浓度，此时有最低的自由能值。

2.何谓位错的应变能。

何谓位错的线张力，其估算值为多少。

位错在晶体中引起畸变，使晶体产生畸变能，称之为位错的应变能或位错的能量。

线张力的定义为：位错线增加一个单位长度时，引起晶体能量的增加。

通常用Gb2/2作为位错线张力的估算值。

请问影响合金相结构的因素主要有哪几个。

原子尺寸、晶体结构、电负性、电子浓度。

3.请简要说明：（1）刃型位错周围的原子处于怎样的应力状态（为切应力还是正应力，为拉应力还是压应力）;(2)若有间隙原子存在，则间隙原子更容易存在于位错周围的哪些位置（可以以图示的方式说明）。

(1)刃型位错不仅有正应力同时还有切应力。

所有的应力与沿位错线的方向无关，应力场与半原子面左右对称，包含半原子面的晶体受压应力，不包含半原子面的晶体受拉应力。

(2)对正刃型位错，滑移面上方的晶胞体积小于正常晶胞，吸引比基体原子小的置换式溶质原子或空位；滑移面下方的晶胞体积大于正常晶胞，吸引间隙原子和比基体原子大的置换式溶质原子。

4.铁素体钢在拉伸过程中很易出现屈服现象，请问：（1）产生屈服的原因？（2）如何可以消除屈服平台？
由于碳氮间隙原子钉扎位错，在塑性变形开始阶段需使位错脱离钉扎，从而产生屈服延伸现象；当有足够多的可动位错存在时，或者使间隙原子极少，或者经过预变形后在一段时间内再拉伸。

5.如何提高（或降低）材料的弹性？举例说明，并解释。

选择弹性模量小的材料、或者减小材料的截面积、或者提高材料的屈服强度都可以提高弹性。

6.何谓加工硬化、固溶强化、第二相强化、细晶强化，说明它们与位错的关系
加工硬化：晶体经过变形后，强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。

随着变形的进行，晶体内位错数目增加，位错产生交互作用，使位错可动性下降，强度上升。

固溶强化：由于溶质原子的存在，导致晶体强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。

由于溶质原子的存在阻碍或定扎了位错的运动，导致强度的升高。

第二相强化：由于第二相的存在，导致晶体强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象叫第二相强化。

由于第二相的存在，导致位错移动困难，从而使强度上升。

细晶强化：由于晶粒细化导致晶体强度、硬度上升，塑性、韧性不下降的现象叫细晶强化。

由于晶粒细化，使晶界数目增加，导致位错开动或运动容易受阻，使强度上升；又由于晶粒细化，使变形更均匀，使应力集中更小，所以，细晶强化在提高强度的同时，并不降低塑性和韧性。

7.说明金属在塑性变形后，其组织和性能将发生怎样的变化
金属塑性变形后，组织变化包括晶粒和亚结构的变化，其中，晶粒被拉长，形成纤维组织，晶粒位向趋于一直，形成织构；亚结构细化，缺陷数目大大增加。

另外，畸变能也大大增加。

性能变化包括力学性能和物理化学性能，其中，力学性能变化为强度、硬度上升，塑性、韧性下降，物理化学性能变化为电阻率上升
8.请问，经过冷塑性变形后的金属，在加热过程中，随温度的升高，将发生什么过程，各个过程是如何区分的。

经过冷变形的金属，在加热过程中，随着温度的升高，将发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

各个过程以晶粒来区分，在回复阶段，晶粒不变，保持纤维状，在再结晶过程，有新的等轴晶粒产生，当组织中的畸变晶粒都消失时，则再结晶就完成了，以后就是晶粒的长大过程。

9.何谓临界变形量和再结晶晶粒异常长大。

请描述变形量和退火
温度对再结晶晶粒大小的影响。

在经过较小的变形量变形后，其再结晶晶粒将非常的大，所对应的变形量称为临界变形量。

在经过大变形量变形后，其再结晶晶粒变得异常的大，称为再结晶晶粒异常长大。

冷变形量很小时，没有影响；2%变形时再结晶晶粒很大，为临界变形量；以后随变形量增加，晶粒细化；当变形量很大时，并且退火温度很高时，再结晶晶粒又会很大。

10.回复、再结晶、晶粒长大过程的驱动力分别是什么。

回复、再结晶的驱动力为畸变能下降，晶粒长大的驱动力为晶界能下降。

11.某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时的疏忽，未将钢丝绳取出，而是随同工件一起加热至860℃，保温时间到了，打开炉门，要吊出工件时，钢丝绳发生了断裂，试分析原因。

因为钢丝绳发生了再结晶，导致其强度下降，无法再承受这一载荷，导致钢丝绳断裂。

12.何谓结合键；简述离子键、共价键、金属键、分子键和氢键与电子分布的关系；指出形成离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源。

所谓结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。

离子键：得、失电子形成正负离子，外层电子结构成为稳定的八电子层结构。

正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合。

共价键：相邻原子通过共用一对或几对价电子使各原子的外层电子结构都成为稳定的八电子层（或1s2）结构
金属键：各原子都贡献出其价电子而次外层则为“八电子层”，形成金属正离子。

通过自由电子气与正离子实之间的库仑引力而结合。

分子键：由共价键结合而成双原子的分子，外层电子结构成为稳定的八电子层结构。

分子间通过形成瞬时电偶极矩，产生瞬时电场，而结合。

氢键：氢原子核与极性分子间的库仑引力
13.简述波尔理论和波动力学理论分别是如何描述原子核外电子的运动轨道。

波尔理论认为核外电子是在确定的轨道上运动的，符合牛顿定律。

波动力学认为电子具有波粒二象性，电子有可能出现在核外的各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。

14.点缺陷有哪几种？形成点缺陷的驱动力是什么？
点缺陷主要有空位、间隙原子和置换原子。

使原子脱离平衡位置的动力，称为形成点缺陷的驱动力，可以是温度、离子轰击、冷加工等
15.点缺陷的存在，对晶体结构将造成怎样的影响？对晶体的性能将造成怎样的影响？
点缺陷周围，原子间的相互作用力失去平衡，出现弹性畸变区。

导致电阻上升、密度的减小、比热和机械性能的变化
16碳具有哪些晶体结构？分别具有怎样的性能？
石墨、金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

石墨是元素碳的一种同素异形体，石墨为层状结构，一层中每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，层之间以范德华力结合，构成分子晶体。

由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。

石墨是其中一种最软的矿物。

它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂等。

金刚石是自然界中最坚硬的物质。

金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。

碳可以在高温、高压下形成金刚石。

碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。

每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。

由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。

在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，
形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。

C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。

其相对分子质量约为720。

处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。

碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状。

每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。

分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。

C60具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀、在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。

碳纳米管是典型的富勒烯，又称巴基管，是一种管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米。

据理论计算，碳纳米管纤维的强度是钢的100倍，而质量仅为钢的1/7，如果能做成碳纤维，将是理想的轻质高强度材料。

碳纳米管还具有极强的储气能力，可以在燃料电池储氢装置上。

孪生与滑移的主要区别
1 孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形
部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向改变。

2 孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。

3 孪生所需要的切应力比滑移大得多，变形速度大得多
回复阶段退火的作用：提高扩散促进位错运动释放内应变能
回复退火产生的结果：电阻率下降硬度、强度下降不多降低内应力
结构起伏与能量起伏是对应的。

粗糙界面长大机制：连续长大，晶体沿界面的法线方向向液相中
生长。

这种长大方式叫做垂直长大，或连续长大。

1原子间的一次结合键共有几种？各自的特点如何？
（1）金属键：绝大多数金属，基本特点是电子的共有化。

（2）离子键：大多数盐类、碱类和金属化合物，基本特点是离子为结合单位。

（3）共价键：亚金属、聚合物和无机非金属，主要特点是共用电子对。

2比较说明间隙固溶体、间隙化合物
间隙固溶体：于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。

当溶质原子半径很小，使溶质与溶剂的原子半径差Δr > 41%时可形成间隙固溶体，通常引起晶格畸变，为有限固溶体；同纯金属相比，会产生固溶强化；导致物理、化学性能的变化。

间隙化合物：非金属元素和金属元素的原子半径比值大于0.59时，形成具有复杂晶体结构的相称为间隙化合物。

如Fe3C、Cr7C3，Fe3W3C等。

间隙化合物中原子间结合建为共价键和金属键，其熔点和硬度均较高（但不如间隙相）。

3分析纯金属生长形态与温度梯度的关系
纯金属生长形态是指晶体宏观长大时界面的形貌。

界面形貌取决于前沿液体中的温度分布。

（1）平面状长大：当液体具有正温度梯度时，晶体以平直界面方式推移长大。

（2）树枝状长大：当液体具有负温度梯度时，晶体以枝晶方式长大。

4铁素体与奥氏体的根本区别在于晶体结构不同，前者为BCC，后者为FCC。

5回复和再结晶过程中材料性能的变化
强度与硬度：回复时变化小，再结晶时明显减小
电阻：回复时明显下降
内应力：回复时宏观消失，再结晶时微观再消失
亚晶粒尺寸：回复时前期小后期大
6什么叫临界晶核半径？它的物理意义？
答案: 临界晶核半径是指ΔG为最大值时的晶核半径。

r0，晶核不能自动形成。

r>rc 时，ΔGv占优势，故ΔG<0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长。

7比较刃型位错和螺型位错的异同。

为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？
答案: （1）相同：线缺陷、应力场、畸变能；
不同：位错线与柏氏矢量的相对位向、应力场的性质、运动方式。

（2）螺位错的柏氏矢量与位错线平行，因此包含位错线的所有晶面都可以是螺位错的滑移面，因此当螺位错滑移受阻时，他可以在另外一个晶面上进行滑移。

而刃位错的柏氏矢量与位错线垂直，他的滑移面就只有由位错线和柏氏矢量构成的平面，所以他只能在这个面上滑移，故不能发生交滑移。

8原子扩散的驱动力是浓度梯度
9．晶体材料在力的作用下，主要表现为: 线弹性变形、非线弹性变形、均匀塑性变形、非均匀塑性变形、断裂五个过程。

10.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随时间变化
11马氏体是C在α-Fe中的过饱和间隙式固溶体。

具有体心立方点阵。

马氏体相变属于位移型无扩散相变。

12固态相变按热力学可分为一级相变、二级相变，按原子迁移方式可分为扩散型、切变型，按相变方式可分为有核相变、无核相变。

13在点阵中选取晶胞的原则有哪些？
反映对称性；相等的棱和角最多；直角最多；体积最小。

14简述柏氏矢量的物理意义与应用。

代表位错；判断位错类型；表示晶体滑移的方向与大小；守+恒性及其推论。

15二元相图中有哪些几何规律？
相区接触法则；三相区是一条水平线…；三相区中间是由它们中相同的相组成的两相区；单相区边界线的延长线进入相邻的两相区。

16材料结晶的必要条件有哪些？
过冷；结构起伏；能量起伏；成分起伏（合金）。

17细化材料铸态晶粒的措施有哪些？
提高过冷度；变质处理；振动与搅拌。

18简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。

(1) 伪共晶-非共晶合金得到的完全共晶组织; 条件: 冷却速度快, 合金成分位于共晶点附件.(2) 不平衡共晶-共晶线以外的合金得到的共晶组织; 条件: 冷却速度快, 合金成分位于共晶线以外端点附近..(3) 离异共晶-两相分离的共晶组织; 条件: 不平衡条件下, 合金成分位于共晶线以外端点附近;平衡条件下, 合金成分位于共晶线以内端点附近.
19晶体中的滑移系与其塑性有何关系？
(1) 一般滑移系越多,塑性越好;(2) 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关;(3) 与同时开动的滑移系数目有关.
20马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？
固溶强化; 细晶强化; 相变强化.
21哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？
点缺陷. 因为在一定浓度点缺陷存在的情况下晶体的能力可达到最低状态.
Q试论材料强化的主要方法及其原理。

固溶强化. 原理:晶格畸变、柯氏气团，阻碍位错运动；方法：固溶处理、淬火等。

细晶强化：原理：晶界对位错滑移的阻碍作用。

方法：变质处理、退火等。

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退火、变质处理等。

相变强化：原理：新相为高强相或新相对位错的阻碍。

方法：淬火等。

加工硬化；原理：形成高密度位错等。

方法：冷变形等。

1柏氏矢量的确定方法，如何利用柏氏矢量和位错线来判断位错的类型？
答：首先在位错线周围作一逆时针回路,然后在无位错的晶格内作
同样的回路,该回路必不闭合,连接终点与起点即为柏氏矢量. 位错线与柏氏矢量垂直的是刃型位错,平行的是螺型位错.
2简要说明成分过冷的形成及其对固溶体组织形态的影响。

答: 固溶体凝固时,由于溶质原子在界面前沿液相中的分布发生变化而形成的过冷.
3为什么晶粒细化既能提高强度，也能改善塑性和韧性？
答: 晶粒细化减小晶粒尺寸,增加界面面积,而晶界阻碍位错运动,提高强度; 晶粒数量增加,塑性变形分布更为均匀,塑性提高; 晶界多阻碍裂纹扩展,改善韧性. 4共析钢的奥氏体化有几个主要过程？合金元素对奥氏体化过程有什么影响？
共析钢奥氏体化有4个主要过程: 奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化、晶粒长大。

合金元素的主要影响通过碳的扩散体现，碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化速度。

5提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些？为什么说Cr是不锈钢中最重要的合金元素？答：提高钢材耐蚀性的主要方法有：在表面形成致密氧化膜、提高基体电极电位、形成单相组织。

Cr可形成表面致密氧化膜Cr2O3,可提高电极电位，可形成单相铁素体。