答案材料科学基础.doc

1、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式=bG1/2，可知强度与位错密度（）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。固溶强化规律：在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。3、第二相强化钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合s=0KS0-1/2的规律，S0片层间距。第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合Gb的规律，粒子之间的平均距离。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。4、细晶强化细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据0n，应力集中越小，所以材料的强度越高。细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式s=0Kd-1/2晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（s）越高。细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。2.简述绝缘体 导体 半导体能带结构有什么不同？答：量子力学计算表明，晶体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中就变成了N条靠得很近的能级,称为能带。对于金属、绝缘体和半导体来说，因其导电性不同，所以其能带结构也不相同。在绝缘体结构中0K时“价带”已被全部占据，导带是全空的，因而价带中的电子于无法进行电荷运输，因为价带中没有空能级。导带中虽有空能级但无电子，因而也不可能进行电荷运输；半导体的电子能带结构与绝缘体相仿，但其禁带宽比绝缘体小得多例如Si为1.1eV，而金刚石为5eV。这一较小的禁带宽度使价带中的电子能较容易地在热或光的作用下激发到高能带即导带中而起导电作用；金属的能带结构又不同，能带或是重叠，或是半填满。固而在一个能带内总是既有电子又有空能态，电子在电场作用下便能自曲地运动，从而导致很高的导电性。3.简述固态相变与液固相变在形核，长大规律方面有何特点从热力学角度来说，固态相变与液固相变相比，一些规律是相同的，其共同点是：相变驱动力都是新旧两相之间的自由能差；相变都包含形核与长大两个基本的过程。而二者在相变特点上的区别在于固态相变的母相为固体，其具有确定形状、有较高切变强度、内部原子按点阵规律排列，并且不同程度地存在着成分不均匀的结构缺陷。相变以晶体为母相，必然与液固相变相比存在一系列新的特征。具体表现在以下几方面：(1) 相变驱动力来源于两相自由能之差，差值越大，越有利于转变的进行。界面能增加相变阻力大 额外弹性应变能：比体积差 扩散困难（新、旧相化学成分不同时）固态相变与固液相变相比，相变阻力更大是因为多出了一项应变能和扩散更难进行。(2) 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系；新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。(3) 惯习现象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成( 沿应变能最小的方向和界面能最低的界面 )。通过降低界面能和应变能而减小相变阻力是惯习现象出现的原因。(4) 母相晶体缺陷促进相变：固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、空位、晶界和亚晶界等。母相中存在缺陷，由于缺陷周围有晶格畸变，自由能较高，在此处形成同样大小的晶核比其他区域获得更大的驱动力，新相晶核往往优先在这些缺陷处形成。母相晶粒越细小，晶界越多，晶内缺陷越多，形核率越高，转变速度越快。(5) 易出现过渡相：过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构介于新相和母相之间。因为固态相比阻力大，原子扩散困难，尤其是当转变温度较低，新、旧相成分相差较远时，难以形成稳定相。过渡相是为了克服相变阻力而形成的一种协调性的中间转变产物。通常是现在母相中形成与母相成分接近的过渡相，然后在一定条件下由过渡相逐渐转变为自由能最低的稳定相。3-21Al2O3在MgO中形成有限固溶体，在低共熔温度1995时约有18wtAl2O3溶入MgO中，假设MgO单位晶胞尺寸变化可忽略不计。试预计下列情况的密度变化。1）Al3+为填隙离子；2）Al3+为置换离子。解：（a）Al3+为填隙离子：缺陷反应为：（1）固溶式分子式：（b）Al3+为置换离子：缺陷反应为：（2）固溶式分子式：（3）取100g试样为基准：（为摩尔数）（m为摩尔数）MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为：2.035MgO0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563（4）（4）式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O（5）由（5）式得x=0.137代入（2）（3）式，对（a）有即（b）有设：固溶前后晶胞体积不变，则密度变化为：（，分别代表固溶前后密度） 所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。9-4马氏体相变具有什么特征？它和成核生成相变有何差别?解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。成核生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。10-25影响烧结的因素有哪些？最易控制的因素是哪几个？解：（1）粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。（2）外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。（3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。（4）盐类的选择及其煅烧时条件的影响：盐类的选择：用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛的MgO的原料盐来获得活性MgO，其烧结活性良好。煅烧时条件：煅烧温度愈高，烧结活性愈低的原因是由于MgO的结晶良好，活化能增高所造成的。（5）气氛的影响：氧化，还原，中性。（6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。除上述六点以外，还有生坯内粉料的堆积程度、加速热度、保温时间、粉料的粒度分布等。8-7由Al2O3和SiO2粉末形成莫来石反应，由扩散控制并符合扬德方程，实验在温度保持不变的条件下，当反应进行1h的时候，测知已有15的反应物发生了反应。（1）将在多少时间内全部反应物都生成产物？（2）为了加速莫来石的生成，应采取什么有效措施？解：（1）由杨德尔方程，得反应完全(G=1)所需的时间为h（2）可以采用一切有利扩散的因素来加速莫来石的生成：减小粒度，采用活性反应物(如Al2O33H2O)，适当加压等等研究晶体的意义1、物质的化学性质是由共结构决定的，所以结构化学包括结晶化学，是研究和解决许多化学问题的指南。2、由于晶体内的粒子排列得很有规则，所以晶态是测定化学物质的结构最切实易行的状态，分子结构的实际知识（如键长、键角数据）的主要来源是晶体结构。3、它们是生物化学和分子生物学的支柱。4、晶体学和结晶化学是固体科学和材料科学的基石。高分子材料的发展趋势高分子材料正向功能化、智能化、精细化方向发展，使其由结构材料向具有光、电、声、磁、生物医学、仿生、催化、物质分离及能量转换等效应的功能材料方向发展，分离材料，智能材料，贮能材料，光导材料，纳米材料，电子信息材料等的发展表明了这种发展趋势，与此同时，在高分子材料的生产加工中也引进了许多先进技术，如等离子体技术，激光技术，辐射技术等。而且结构与性能研究也由宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态，正逐步实现在分子设计水平上合成并制备达到所期望功能的新型材料。同时，随着各项科学技术的发展和进步，高分子材料学科、高分子与环境科学等理论实践相得益彰，材料科学和新型材料技术是当今优先发展的重要技术，高分子材料已成为现代工程材料的主要支柱，与信息技术，生物技术一起，推动着社会的进步。二、金属材料的现状金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。当前，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属材料又称为钢铁材料，包括工业纯铁、铸铁、碳钢材料，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢等钢材。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金材料。有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金材料，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属材料等，有色合金材料的强度和硬度一般比纯金属材料高，并且具有电阻大、电阻温度系数小的特点。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。同时，我们也形成了对金属材料研究的一系列系统方法。把金属的表面磨光抛光,然后放在酸中浸蚀、在显微镜下即可观察不同的花样也就是显微组织结构，从而研究金属的性能形成了金相学。金相学的出项帮助人们揭示金属材料微观的奥秘。X射线的出现及应用于观察金属中原子的排列促使人们了解各种金属中原子在空间分布的规律，加深了人们对金属的微观结构的认识通过金相和X光衍射等手段，人们对金属材料的成分、显微组织结构和性能间的关系进行了大量研究，发现了许多规律，解释了大量过去不可思议的现象，奠定了金属材料科学的基础，并大大推动了合金钢及热处理等科学技术的发展。三、金属材料的未来当下社会，金属材料在人类社会中的地位受到了前所未有的挑战。一方面是高分子材料和陶瓷材料对传统金属材料造成冲击。首先是高分子材料。高分子材料尤其是工程塑料，从性能到应用的许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上其原料丰富、价格便宜、产量惊人，已经迅速崛起。其次是陶瓷材料，陶瓷材料在现代电子工业中占有异常重要的地位。另一方面金属材料自身对能源、资源和环境三方面造成的消耗很大。金属材料经过数千年的发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张、高质量的金属矿产很快减少、低质量的矿物使能源消耗和成本增加，这些都使金属工业成为