材料科学基础

一、名词解释1. 2〔原子、分子或离子〕体。晶相，这种固溶体称为间隙固溶体。空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在肯定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。移动一个原子间距，使起点与终点重合。P-N力：周期点阵中移动单个位错时，抑制位错移动阻力所需的临界切应力堆垛层错：密排晶体构造中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。弗兰克-点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，相互邻近的位错线抵消后产生位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生位错的，这个不断产生位错、被钉扎的位错线即为弗兰克 -瑞德位错源。Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬其次相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子四周留下一个位错环使材料得到强化的机制。化效果。铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度上升。面角位错：在fee晶体中形成于两个｛111｝面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。16变形织构：多晶体再结晶织构：是具有变形织构的金属经过再结晶退火后消灭的织构，位向于原变形织构可能一样或不同，但常与原织构有肯定位向关系。再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系〔保温时间一定〕的图。加工称为冷加工。带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织；加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流淌的方向伸长和分布，形成一道一道的细线；动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有肯定关系，在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。二次再结晶：某些金属材料经过严峻变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，四周较细的晶粒渐渐被吞掉的反常长大状况。退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后消灭的孪晶组织。固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，变曲线上升，塑性下降的现象；

应力-应应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重拉伸又消灭屈服效应的状况；孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一局部晶体沿着肯定的晶面〔孪晶面〕和肯定的晶向〔孪生方向〕相对于另外一局部晶体作均匀的切变，使相邻两局部的孪晶的过程称为孪生；临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力；晶带轴：全部平行或相交于同始终线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。多晶型性：固态金属在不同的温度和压力条件下具有不同晶体构造的特性。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，连续保持溶体的晶体构造类型。中间相：两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基的固溶体外，所形成的晶体构造与A、B两组元均不一样的相，称为中间相。间隙相：由过渡族金属与CNH、B等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物弥散强化：对于两相合金来说，其次相粒子均匀分布在基体相上时，将会对基体相产生明显的强化作用。回复：冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段，在此阶段内物理和力学性能的回复程度是随温度和时间变化的。再结晶：随着温度上升，在变形组织的基体上产生的无畸变再结晶晶核，并渐渐长大形成等轴晶粒，从而取代纤维状变形组织的过程。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。均匀形核：相晶核在目相中均匀地生成，即晶核由一些原子团直接形核，不受杂质粒子或外外表的影响的形核过程。38形核。过冷度：晶体材料的实际凝固凝固温度低于理论凝固温度的差值， 用订表示。连续长大：粗糙界面状况下，液固界面的固相一侧上一半的原子位置空着，液相原子较简洁进入这些位置与固相结合，晶体便以连续方式向液相中生长。负温度梯度：液相温度随液固界面的距离增大而降低的温度梯度状况。树枝状生长：在负温度梯度状况下，当局部相界面生长凸出到液相中，由于过冷度更大，使凸出局部的生长速度增大而进一步伸向液体中， 液固界面不能保持平面状而会形成很多伸向液体的分枝，同时这些晶枝上又可能会长出二次晶枝。晶体的这种生长方式称为树枝状生长。平衡凝固：指凝固过程中的每个阶段都能到达平衡，即在相变过程中有充分时间进展组元间的集中，以到达平衡相的成分。非平衡凝固：在实际工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。枝晶偏析：固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析。共晶转变：由液一样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离异共晶：在平衡凝固条件下应为单相固溶体的合金，在快速冷却条件下出现的少量共晶组织称为非平衡共晶，或称为离异共晶。二、简答题试从晶体构造的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区分、答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、B、C、N、O等。间隙固溶体〔2分〕的原子组成比，可用化学分子式来表示。〔2分〕当rB/rA<0.59时，通常形成间隙相，其构造为简洁晶体构造，具有极高的熔点和硬度；当rB/rA>0.59时，形成间隙化〔2分〕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。晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；〔1分〕邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；〔1分〕力等缘由会使晶体外表产生台阶或受力变形而形成位错。〔1分〕〔1分〕晶体内部的某些界面〔如其次相质点、孪晶、晶界等〕和微裂纹的四周，由于热应力时，就在该区域产生位错。〔1分〕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:塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度〔硬度〕性快速下降。〔1分〕腐蚀速度：塑变使集中过程加速，腐蚀速度加快 〔1分〕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〔1分〕弹性模量：塑变使弹性模量上升〔1分〕〔1分〕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。〔1分〕与平衡凝固相比较，固溶体的非平衡凝固有何特点？非平衡凝固的固相平均成分线和液相平均成分线与平衡凝固的固相线、液相线不同，接近平衡凝固条件。先结晶局部总是富高熔点组元，后结晶的局部是富低熔点组元。非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。1〕冷却速度：冷速增大，过冷度增大，形核率增加，晶粒细化；变质处理：人为参加形核剂；增加非自发晶核的形核数目：形核率增加，晶粒细化；晶粒细化。金属热处理的根本工艺？答：退火：将组织偏离平衡态的金属或合金加热到适宜温〔退火的目的是降低钢〕正火：将钢材加热到AC3或ACcm以上的温度，保持适当时间或在空气中冷却以得到珠光体类组织；〔正火与退火相像，退火后机械强度略高〕淬火：将钢材加热到AC1或AC3以上温度，保温并随之以大于临界冷却速度降〔〕回火：将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温。〔淬火后回火能保证得到较高的强度、硬度和韧性〕能？答案:〔1〕力场的性质、运动方式。〔2〕面，因此当螺位错滑移受阻时，他可以在另外一个晶面上进展滑移。而刃位错的柏氏矢量上滑移，故不能发生交滑移。&依据凝固理论，试述细化晶粒的根本途径解答：凝固的根本过程为形核和长大，形核需要能量和构造条件，形核和长大需要过简述纯金属凝固时润湿角9、杂质颗粒的晶体构造和外表形态对异质形核的影响。解答：纯金属凝固时900,固相粒子促进形核效果最好；9180。，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；0。<9<180。，形核功比均匀形核的形核功小，9越小，固相粒子促进形核效果越好。杂质颗粒的晶体构造与晶核一样或相近时，促进形核效果好，当两者构造不一样时，一般对促进形核效果差或不促进形核。杂质粒子的外表成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。位错对金属材料有何影响？解答：位错是晶体中的缺陷，对材料有很多重要影响。对变形影响。通过位错运动完成塑性变形；对性能影响，与其次相粒子，通过切过或绕过机制强化材料，冷加工中位错密度增加也阶、面角位错等使材料强化；对再结晶中的晶核形成机制有影响；是优先集中通道。金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区分?简答：滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍,孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪移难于进展时发生。再结晶与固态相变有何区分？织形态转变，晶体构造不变；固态相变时，组织形态和晶体构造都转变；晶体构造是否转变是二者的主要区分。试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的缘由固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎， 增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团， 扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加， 位错难于束集，交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序，位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量上升，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度上升。弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格其次相的Orowan机制和切割较软、与基体共格的其次相粒子的切割机制。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学1简答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall—Petch公式二-

2” kd 描述，晶粒越0产生集中蠕变，晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。生产中可以通过选择适宜的合金成分获得细小晶粒， 利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷度等措施细化铸锭晶粒，利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数掌握晶粒长大。15■原子集中在材料中的应用7大：合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反响非平衡凝固时保存高温组织的特点， 固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理〔渗C、N等〕，粉末冶金，涂层等各方面。16■何谓上坡集中，举两个实例说明金属中上坡集中现象。解答：上坡集中是集中过程中集中元素从低浓度向高浓度出集中;原子气团的形成和共析反响产物的形成均为上坡集中。

如各种溶质仃■、简述固溶体合金的集中机制简答：间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙集中,在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现集中的空位机制。18•依据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何掌握。解答：冷却速度极大影响金属凝固后的组织。冷却快一般过冷度大，使形核半径、形核功削减，形核过程简洁，形核率增加，晶粒细化，冷却格外快时可以得到非晶，在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。、填空题fee构造的密排方向是」110]_，密排面是—〔111〕_，密排面的堆垛挨次是_ABCABC ，致密度为—0.74_，配位数是—12晶胞中原子数为4_，把原子视为刚性球时，原子的半径 r与点阵常数a的关系是—2~4a ；bee构造的密排方向是_[111],_，密排面是[110] ,4致密度为_0.68_^配位数是—8抒

，2，原子的半径r-4a与点阵常数a的关系是r= _；hep构造的密排方向是_[11204a排面是_〔0001〕_,,致密度为—0.74 ，配位数是_12_,，晶胞中原a子数为6_，原子的半径r与点阵常数a的关系是 r=2。—。随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度提高 ，塑性降低，导电变差，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数变 。影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是 〔1〕晶体构造;〔2〕元素之间电负性差;〔3〕电子浓度 ；〔4〕元素之间尺寸差异和环境因素。45隙固溶体6无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度置换式固溶体的不均匀性主要表现为存在溶质原子偏聚 和短程有序。提高，塑性降低 ，导电性降低。在液态纯金属中进展均质形核时，需要—构造起伏和—能量 起伏。液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两局部，其中外表自由能是形核的阻力， 体积自由能 是形核的动力;动态过冷度是指—晶核长大时固液界面的过冷度。 o在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径减小冷却速度越快，,金属结晶N/G比值越大 ，晶粒越 越细。按液固界面微观构造，界面可分为 粗糙界面和 光滑界面 。液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是 垂直长大机制 ，光滑界面晶体的长大机制是制 。

二维台阶长大 和

晶体缺陷生长机在一般铸造条件下固溶体合金简洁产生退火 热处理方法可以消退。

枝晶〔晶内〕偏析，用

均匀化液态金属凝固时，假设温度梯度dT/dX>0〔正温度梯度下〕，其固、液界面呈」 面 状，dT/dXvO时〔负温度梯度下〕，则固、液界面为树枝状。_1.o在置换型固溶体中，原子集中的方式- 般为 空位机制