材料结构与性能试题及详细答案

《材料结构与性能》试题
一、名词解释（20分）
原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团
原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。

根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。

通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。

电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。

相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。

当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。

而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。

Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。

这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。

二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。

（15分）
答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。

弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。

形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。

弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。

化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。

静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。

三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分）
答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。

它的尺寸在所有方向上均很小。

其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。

此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。

在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。

另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。

四、简述板条马氏体组织的组织形态、组织构成与强度与韧性的关系。

（20
分）
答：板条马氏体的组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列的马氏体板条组成，大致平行的马氏体条组成的领域为板条束。

每个晶粒内一般有3~5个板条束，束的尺寸约为20~35μm。

一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同的惯习面，位向差很小，而板条束之间的界面具有较大的位向差。

块是由惯习面相同且与母相取向关系相同的板条组成的，块与块的界面也具有较大的位向差。

板条马氏体束的尺寸对强度和断裂的作用可视为“有效晶粒”的作用。

马氏体束尺寸越小，马氏体的强度越高，从变形角度来讲，由于束界为了保持界面在变形过程中的连续性，在束界上将增殖位错。

马氏体束尺寸越小，位错增殖就越困难，相应提高了材料屈服强度。

块的尺寸大小对强度有显著影响，尺寸越小，马氏体强度越高。

但是板条尺寸细化对钢的强度的影响作用不大，但可以显著提高韧性。

板条马氏体的冲及韧性取决于板条束的大小。

马氏体束尺寸与断裂小刻面尺寸相近，它与断裂小刻面尺寸相近，与强度和冷脆转变温度均具有d-1/2的关系。

马氏体束的尺寸是控制韧性的重要组织因素。

一个奥氏体晶粒内存在不同位向的板条束，板条束之间是大角度界面，裂纹扩展到束界时，为满足裂纹扩展的晶体学位向，必须改变扩展方向，结果增大了扩展阻力，提高断裂韧性。

因此减小板条束尺寸，相当于减小断裂单元，对提高韧性有利。

五、简述主要的贝氏体组织类型、结构特点以及强韧性。

（15分）
答：钢中主要的贝氏体组织有：上贝氏体、下贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝氏体。

上贝氏体组织由大致平行排列的板条状铁素体和呈粒状或条状的渗碳体组成，光学显微镜下呈羽毛状，电子显微镜下，上贝氏体中碳化物分布在贝氏体铁素体条片间，大致平行于铁素体板条的方向。

大致平行排列的上贝氏体铁素体构成束，不同束间位向差较大，板条间的位向差较小。

下贝氏体组织也由贝氏体铁素体和碳化物组成，下贝氏体铁素体呈条片状，片与片之间相互交叉成一定角度。

碳化物在铁素体内部析出，呈片状、短杆状或粒状，并与铁素体片条主轴呈55~60°夹角。

无碳化物贝氏体钢中含有一定量的硅或铝，贝氏体组织就由贝氏体铁素体和富碳的残余奥氏体组成，这种组织为无碳化物贝氏体。

电镜下可发现，其残余奥氏体以薄膜状的形态存在于贝氏体铁素体条片间，还可能存在于贝氏体铁素体内。

粒状贝氏体为贝氏体铁素体和岛状组织组成，岛状组织呈半连续长条形，近似平行地、有规则地排列在贝氏体铁素体基体上。

岛状组织内部碳含量很高，可达贝氏体铁素体中碳含量的3倍以上。

贝氏体铁素体内存在较高密度的位错缠结，不出现孪晶，且碳含量很低。

强度：贝氏体组织的强度主要与4个因素有关：（1）贝氏体铁素体板条束或板条尺寸，这与位错的可滑移长度有关；（2）贝氏体铁素体板条内的位错亚结构；（3）合金元素的固溶强化；（4）碳化物颗粒的弥散强化。

上贝氏体铁素体板条间的粗大碳化物可以通过阻碍板条内位错的滑移而提高强度，但碳化物弥散强化作用较低。

下贝氏体中碳化物较弥散地分布在铁素体板条内，对强度的贡献较大。

贝氏体铁素体板条宽度决定了对位错滑移的阻碍作
用，宽度越小，贝氏体强度越高，板条束与强度的关系不大。

粒状贝氏体中，除了贝氏体组织的一般强化机理外，M-A岛的存在也起到强化作用，岛状组织总量增加、岛的尺寸及岛间距减小，均可增加强度。

而岛的总量减少，尺寸减小和岛间距增加，韧性提高。

无碳化物贝氏体的板条间或板条内存在稳定的残余奥氏体膜，它的存在使屈服强度有所降低，塑性增大。

韧性：上贝氏体的韧性低于下贝氏体，原因：由于上贝氏体的形成温度较高，贝氏体铁素体板条以及贝氏体铁素体板条束的尺寸较大，而且有较粗大的碳化物分布在贝氏体铁素体板条间，导致裂纹容易形成与扩展，而下贝氏体的形成温度较低，贝氏体铁素体板条尺寸及板条束尺寸较小，碳化物也细小均匀的分布在铁素体板条内，使下贝氏体的强度和韧性均有提高。

六、简述可热处理铝合金的组织结构与强化的关系（15分）
答：（1）固溶强化溶质原子以置换或间隙形式固溶在基体中，由于溶质原子与基体原子的尺寸差别、模量差别或原子价态不同等因素，造成基体材料的强度提高。

（2）析出强化铝合金经过固溶处理后获得过饱和固溶体，然后在一定温度和时间会发生分解，从基体中析出第二相，由于第二相析出造成的合金强化称为析出强化。

第二相析出过程大致为：过饱和固溶体→GP区→θ’’→θ’→θ。

在时效温度较低的情况下，GP区首先析出，随时效时间增加，强度增加，θ’’相较充分地析出时，硬度达到最大值，以后随时效过程的进行，硬度下降，主要为θ’相和平衡相θ析出，平衡相析出充分时，硬度最低。

不同时效阶段，合金强化机理不同，但都和位错与第二相的交互作用有关。

时效初期，第二相粒子尺寸较小，与基体保持共格关系，位错运动过程中能切过粒子。

如果粒子长大超过一临界值尺寸，位错就不能切割粒子，强化作用按照奥罗万机制进行。

（3）位错强化指经过塑性变形的合金，由于基体内位错密度增加和位错亚结构的变化，增强了位错间的交互作用，提高了位错运动的阻力，结果使合金的强度提高。

（4）晶界强化也可视为细晶强化，强化效果可用H-P关系表示。

随晶粒尺寸的减小，屈服强度提高，而且呈现明显的加工硬化现象。