材料科学基础汇总

名词解释：（每一道题3分）晶体:原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。非晶体:原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等。致密度:晶体结构中原子体积占总体积的百分数。间隙相:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM<0.59时，形成的具有简单晶体结构的相，称为间隙相。间隙化合物:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM>0.59时，形成具有复杂晶体结构的相固溶体:是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶剂原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持溶剂的晶体结构类型。间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。空间点阵:指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。滑移系:晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合称一个滑移系。孪晶:孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为孪晶，此公共晶面就称孪晶面。肖脱基空位:在个体中晶体中，当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定程度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来位置，迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上而使晶体内部留下空位，称为肖脱基空位。弗兰克尔空位:离开平衡位置的原子挤入点阵中的间隙位置，而在晶体中同时形成相等数目的空位和间隙原子。柯肯达尔效应:反映了置换原子的扩散机制，两个纯组元构成扩散偶，在扩散的过程中，界面将向扩散速率快的组元一侧移动。反应扩散:伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。稳态扩散:在稳态扩散过程中，扩散组元的浓度只随距离变化，而不随时间变化。非稳态扩散:扩散组元的浓度不仅随距离x变化，也随时间变化的扩散称为非稳态扩散。非共格晶界:当两相在相界处的原子排列相差很大时，即错配度δ很大时形成非共格晶界。同大角度晶界相似，可看成由原子不规则排列的很薄的过渡层构成。共格相界：如果两相界面上的所有原子均成一一对应的完全匹配关系,即界面上的原子同时处于两相晶格的结点上,为相邻两晶体所共有,这种相界就称为共格相界。柯氏气团:通常把溶质原子与位错交互作用后，在位错周围偏聚的现象称为气团，是由柯垂尔首先提出，又称柯氏气团。非均匀形核:新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。均匀形核:新相晶核是在母相中存在均匀地生长的，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。过冷度:相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。结构起伏:液态结构的原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子团不是固定不变的，它是此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。相律:相律给出了平衡状态下体系中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系。枝晶偏析：液固相线温度间隔大的固溶体类合金，当凝固冷却速度较快时，易发生不平衡结晶，使先结晶成分来不及充分扩散而形成枝晶偏析。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。简答题：（每一道题4分）第1章原子间的结合键共有几种？各自特点如何？（分）答：1、化学键包括：金属键：电子共有化，既无饱和性又无方向性离子键：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性共价键：共用电子对；饱和性；配位数较小，方向性2、物理键如范德华力，系次价键，不如化学键强大3、氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性第2章试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别（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。间隙固溶体保持溶剂的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。（2分）间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同，其成分可在一定范围内波动。组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，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，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和硬度；当rB/rA>0.59时，形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。（2分）试以表格形式归纳总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。（分）答：书上表第3章简述晶体中产生位错的主要来源。（分）答：晶体中的位错来源主要可有以下几种。1).晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；（1分）②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；（1分）③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。（1分）2).由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。（1分）3).晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分）简述晶界具有哪些特性？答：而a相仍保留在b相芯部，形成包晶反应的非平衡组织。补充：简述再结晶过程中的晶界弓出形核机制。（分）new答：变形量较小（<20％）的多晶体，其再结晶核心往往以晶界弓出方式形成，或称应变导致的晶界迁移，凸出形核机制。变形度较小时，多晶粒间变形不均匀性而导致多晶粒内位错密度不同。为了降低系统的自由能，通过晶界迁移，原来平直的晶界会向位错密度大的晶粒内凸出，通过吞食畸变亚晶的方式形成无畸变的再结晶晶核。

计算题：（每一道题10分）第2章金刚石为碳的一种晶体，为复杂面心立方结构，晶胞中含有8个原子，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨(r2=2.25g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？解：金刚石为复杂面心立方结构，每个晶胞含有8个碳原子金刚石的密度为：对于单位质量1g碳为金刚石结构时，体积为：v1=1/1=0.285(cm3)转变为石墨结构时，体积为：v2=1/2=0.444(cm3)故金刚石转变为石墨结构时体积膨胀：第3章在Fe中形成1mol空位需要的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍？解：空位在温度T时的平衡浓度为系数A一般在1~10之间，取A=1，则故空位增加了（倍）第4章一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设D=2.0×10-5exp(-140000/RT)(m2/s)。(a)计算渗碳时间；(b)若将渗层加深一倍，则需多长时间？(c)若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？解：(a)由Fick第二定律得：t1.0×104(s)（5分）(b)由关系式，得：，两式相比，得：当温度相同时，D1=D2,于是得：（5分）（c）因为：t930=t870,D930=1.67×10-7(cm2/s)D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143)=8.0×10-8(cm2/s)所以：（倍）（5分）一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个小时后在0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%，若要在0.08cm的深度达到同样的渗碳浓度，则需多长时间？a解：由Fick第二定律得：即由题意可知，两种情况下渗碳前后浓度相同且渗碳温度相同，即（5分）故（10分，不准确扣1分）要在0.08cm深度达到同样的渗碳深度，需28.16小时。有两种激活能分别为E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的扩散反应。温度从25℃升高到600℃时，这两种扩散的扩散系数有何变化，并对结果作出评述。解：由得：对于温度从298K提高到873K，扩散速率D分别提高4.6×109和9.5×1028倍，显示出温度对扩散速率的重要影响。激活能越大时，扩散速率对温度的敏感性越大。补充：（1）在950下对纯铁渗碳，希望在0.1mm的深度得到w1(c)=0.9%的碳含量。假设表面碳浓度保持在w2(c)=1.20%，扩散系数DFe=10-10m2/s。计算为达到次要求至少要渗碳多少时间？（2）分析题：对于晶界扩散和晶内扩散，假设扩散激活能Q晶界=1/2Q晶内，试画出其LnD相对温度导数1/T的曲线，并指出约在哪个温度范围内晶界扩散起主导作用。第5章已知H70黄铜（30%Zn）在400℃的恒温下完成再结晶需要1小时，而在390℃完成再结晶需要2小时，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？解：再结晶是一热激活过程，故再结晶速率，而再结晶速率和产生某一体积分数所需的时间t成反比，即，故。两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，两边取对数同理有 已知t1=1小时，t2=2小时，代入上式可得t3=0.26（小时）铁的回复激活能为88.9kJ/mol，如果经冷变形的铁在400℃进行回复处理，使其残留加工硬化为60%需160分钟，问在450℃回复处理至同样效果需要多少时间？解：同上题，有故已知单相黄铜400℃恒温下完成再结晶需要1小时，而350℃恒温时，则需要3小时，试求该合金的再结晶激活能。已知R=8.314J/(mol﹒K)。a解：再结晶是一热激活过程，故再结晶速率，而再结晶速率和产生某一体积分数所需的时间t成反比，即，故。两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，故(KJ/mol)已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的a-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa，问平均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？解：根据Hall-Petch公式： 解得 ∴已知条件：v=0.3,GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa，指出Cu与a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子间距以及点阵阻力。解：Cu：滑移面为{111}，滑移方向<110>因此，d{111}=，b<110>=Fe：滑移面为{110}，滑移方向<111>因此，d{110}=，b<111>=第6章已知条件：铝的熔点Tm=933K，单位体积熔化热Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ=93×10-3J/m2，原子体积V0=1.66×10-29m3。考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200K，计算：(a)

临界晶核尺寸；(b)

半径为r*的晶核个数；(c)

从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔG*（形核功）；(d)

从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化ΔGv(形核功)。将不同ΔT情况下得到的计算结果列表。1℃10℃100℃200℃r*/nm94.59.450.9450.472N/个2.12×1082.12×1052.12×10226.5ΔG*/(J/m3)-1.97×106-1.97×107-1.97×108-3.93×108ΔGv/J3.43×10-153.43×10-173.43×10-190.87×10-19已知液态纯镍在1.013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热Lm=18075J/mol，摩尔体积V=6.6cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。解：1mol材料的熔化潜热，凝固过程中（1）液-固界面能=0.253(J/cm2)（2）临界形核功，G*=1.06*10-18(J)第7章Pb-Sn二元合金的平衡相图如下图所示，已知共晶点为Sn%=61.9。试利用杠杆原理计算Pb-40Sn及Pb-70Sn两种合金共晶反应完成后，凝固组织中相和相的成分百分比。Mg-Ni系的一个共晶反应为：L(23.5Wt.%Ni)——>α(纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)，如图所示。设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的α总量为C2合金中的α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。23.523.554.6506℃Mg质量比Mg2Ni解：C1和C2合金的先共晶相分别为α-Mg和Mg2Ni