13年湖南大学材料科学基础真题

2013年材料科学基础真题

一、名词解释（30分）

1.孪晶：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（称为孪生面）和晶向（称为孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀的切边时所长生的变形。孪生变形后，相邻两部分晶体的取向不同，恰好以孪生面为对称面形成镜像对称，形成孪晶。

2.柯肯达尔效应：在置换式固溶体中，由于两种原子以不同的速度相对扩散而造成标记面飘移的现象。

3.二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，其形态一般沿奥氏体晶界呈网状分布。

4.小角度晶界：界面两侧的晶粒取向差小于10o的晶界，有对称倾侧晶界和非对称倾侧晶界之分。

5.成分过冷：在合金凝固过程中，虽然液相中的实际温度分布一定，但是由于固液界面前沿液相中的溶质富集，导致液相的实际熔点下降。液相的实际凝固温度与熔体中的溶质的实际温度不一致，产生过冷现象。这种过冷是由于成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷呈为成分过冷。

6.施密特（Schmid）因子：拉伸变形时，能够引起晶体滑移的分切应力t的大小取决于该滑移面和晶向的空间位置（）。t与拉伸应力σ间的关系为：

被称为取向因子，或称施密特因子，取向因子越大，则分切应力越大。

二、简答题（任选5题，50分）

1.简述柯垂尔气团和铃木气团的特点

答：溶质与刃型位错之间产生交互作用，形成柯垂尔气团。

溶质原子与层错交互作用形成铃木气团。

当材料的温度升高时，柯垂尔气团容易消失而铃木气团受温度的影响很小。

2.写出FCC、BCC和HCP晶胞中的四面体、八面体间隙数，致密度和原子配位数。

答：（1）间隙

FCC晶胞：4个八面体间隙，8个四面体间隙；

BCC晶胞：6个八面体间隙；12个四面体间隙；

HCP晶胞：6个八面体间隙；12个四面体间隙；

（2）配位数

BCC：最近邻8个，考虑次近邻为（8+6）个

FCC：最近邻12个

HCP：理想状态12个，非理想状态（6+6）个

（3）致密度

BCC：0.68 FCC：0.74 HCP：0.74

3.简述固溶体和中间相的特点

答：（1）固溶体：固溶体保持了溶剂的晶格类型；成分可以在一定范围内变化，但不能用一个化学式来表示；不一定满足原子比或电子数比；在相图上为一个区域；具有明显的金属性质。例如具有一定的导电、导热性质和塑性等。固溶体中的结合键主要是金属键。

（2）中间相：金属与金属，或金属与非金属（氮、碳、氢、硅）之间形成的化合物总称为金属间化合物。由于金属间化合物在相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。

金属间化合物的晶体结构不同于构成它的纯组元，键合方式也有不同的类型，可能有离子键、共价键，但大多数仍然属于金属键类型。

4.相界面结构有哪几种形式，其界面能特点是什么？

答：有共格、半共格和非共格三种。

共格界面的晶格畸变能最高，化学能最低；非共格界面的化学能最高而晶格畸变能最低；半共格界面介于两者之间。

5.变形织构有哪几种类型，对材料的性能有何影响？如何消除？

答：（1）有丝织构和板织构

（2）造成材料的性能产生显著的各异性。如，对于板材，在冲压成型时容易产生制耳。

（3）消除方法：控制加工和热处理制度，得到只有轻微织构的加工组织和得到细晶粒的再结晶组织；改变轧板的生产工艺；如何可以采用多方向交叉扎制以及相应退火的方法。

6.比较位错滑移与孪生的区别与联系

答：（1）相同点：从宏观上看两者都是在剪切力作用下发生的剪切变形。从微观上看，两者都是通过晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶向和晶面平移实现的。都不会改变晶体结构。两者都是晶体中位错运动的结果。

（2）不同点：滑移不改变晶体位向，孪生则改变晶体位向；孪晶经抛光与侵蚀后仍能重现。滑移时原子的位移是沿滑移方向的原子间距的整数倍，故滑移变形时不均匀分布的；孪生是均匀的切边过程，原子滑移的距离是孪生方向原子间距的整数倍。滑移有确定的临近分切应力；孪生则没有实验证据证明是否存在确定的临界分切应力；晶体的对称度越低，越容易发生孪晶。形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体中。此外变形温度越低，加载速率越高（如冲击载荷），也越容易发生孪晶。滑移对晶体的塑性变形有很大贡献；孪生对金属塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体的位向，可以诱发新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。如果晶体主要变形方式为孪生，则它往往比较脆。滑移是全位错运动的结果，而孪生则是部分位错运动的结果。

7.成分偏析的种类及产生机理

答：微观偏析是在一个晶粒范围内成分不均匀的现象。根据凝固时晶体生长形态的不同可分为：枝晶偏析，胞状偏析，晶界偏析

（1）枝晶偏析（晶内偏析）：凝固速度越快，液体的对流扩散越不充分，K o值越小（K o<1），则枝晶偏析越严重。

（2）胞状偏析：成分过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。对于K o<1的合金，在凹陷才胞界处将富集溶质。这种胞内核胞界面处成分不均匀的现象称为胞状偏析。可以通过高温扩散退火消除。

（3）晶界偏析：界面处是液体最后凝固的地方。对于K o<1的合金，最后凝固的液体中溶质含量高。因此凝固结束后晶界处产生溶质富集，形成了晶界偏析。

三、论述题（任选4题，每题15分，共60分）

1.论述位错的运动方式、条件及其对材料变形的影响。

答：(1)运动方式：刃型位错：滑移，攀移；螺型位错：滑移和交滑移

(2)条件：滑移需要临界分切应力，启动单个位错滑移的力为P-N力（派纳力）。攀移运动需要正应力和高温作用。只有螺型位错才能发生交滑移，层错能的大小对交滑移的影响很明显，层错能越高，则扩展层错越窄，位错越容易富集而发生交滑移。

(3)位错滑移和交滑移是材料主要的塑性变形方式，只有在高温和高正应力作用下才能发生正刃型位错的攀移。

2.论述界面能对析出相的形貌的影响。

答：(1)单相组织：界面平直化与转动。减小界面能；界面平衡的热力学，达到平衡时，晶界夹角均为120o。

(2)复相组织：第二相分布在基体晶粒内时，若相界的界面能无明显各向异性，则第二相为球状，这样界面面积最小，总相界能也最小；若相的界面能有明显的各向异性，则第二相将形成以低能量晶面为相界的多面体。

第二相分布基体两晶粒的晶界上时，如果两相间形成非共格界面，当第二相位于基体的晶面上时，常呈双凸透镜的形貌，此时第二相的具体形状与界面能有密切关系。如果α、β两相间形成共格或半共格界面，则因为界面两侧的α相晶粒有不同的位向，所以β相如果和第一个α相晶粒形成共格或半共格界面，则和第二个α相晶粒就不能共格。常见的情况是一个α晶粒形成平直的共格或半共格界面，而另一个α晶粒形成光滑的非共格界面。

3.凝固、扩散、晶粒长大、回复和再结晶的驱动力是什么？

(1)凝固的驱动力是液固两相的自由能差值

(2)扩散的驱动力是元素的化学势差值

(3)晶粒长大的驱动力是晶界能

(4)回复和再结晶的驱动力是晶体在塑性变形时的储能

4.论述冷变形后材料的组织和性能特点。

答：与未变形的材料相比，冷变形材料的晶粒形态的改变，被压扁、拉长，形成纤维组织和带状组织。晶粒内出现大量的滑移带，进行孪生变形的金属还出

现孪晶带。晶粒转动，产生形变带，出现晶粒择优取向（织构）。产生内应力。出现加工硬化效应。物理和力学性能变化显著：如强度和硬度升高、电阻率升高、塑性和韧性下降等。

5.影响再结晶晶粒大小的因素有哪些？在生产实际中如何控制再结晶晶粒大小？

(1)冷变形量，当变形量很小时，所产生的储存能不足以驱动再结晶，故加热后不发生再结晶，晶粒仍为变形前原始晶粒尺寸，当变形量增大到一定变形量（一般金属在2~10%范围内）时，所产生的储存能正好足够驱动再结晶发生，这一变形量称为临界变形量。

(2)塑性变形温度：升高形变温度将减少储存能，从而降低N/G，使再结晶晶粒粗化。

(3)再结晶加热温度：影响不大。因为随温度上升，再结晶形核速率和长大速率的增大速率几乎相同。但再结晶加热温度升高将使金属的临界变形量减小。

(4)原始晶粒大小：原始晶粒愈细，金属中晶界面积愈大，形成再结晶晶核的部位也愈多，造成形核率增大而使再结晶后晶粒尺寸减小。

在实际中应综合考虑各种因素的影响，设法控制再结晶形核速率和晶粒长大速率，便可控制晶粒尺寸。

6.合金强化方法有哪些，其机理是什么？

答：固溶强化、弥散强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、马氏体强化（钢铁）、有序强化。其机理均是通过阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。

(1)固溶强化：固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一点的应力场，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。

(2)沉淀强化和弥散强化：合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀

强化的小颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。

(3)晶界强化：按照Hall-Petch公式，屈服点σs同晶粒直径d之间的关系是σs=σo+kd-1/2，其实质是位错越过晶界需要附加附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。

(4)有序强化：有序合金的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的有序排列赋予有序合金较高的强度。

7.扩散的机制及影响因素。

(1)扩散机制：空位机制、间隙机制、换位机制

(2)凡是与化学位有关的因素，均对扩散有影响。A.温度的影响。温度越高，原子扩散系数越大。B.扩散组元的影响。a.组元特性：固溶体中组元尺寸相差越大，扩散系数越大；组元间亲和力越大，扩散系数越小；组元熔点越高，扩散系数越小。b.组元浓度，通过扩散激活能和扩散常数影响扩散系数。c.第三组元，其影响比较复杂。C.晶体结构的影响，体现在：a.密堆结构的扩散比非密堆结构中慢；b.间隙式扩散较置换式扩散快；c.各向异性时，沿原子密排方向扩散慢，非密排的方向扩散快。D.短路扩散。表面扩散系数远大于晶界扩散系数，二者又远大于体扩散系数。生产实际中，通过提高渗碳温度（在奥氏体态渗碳）和增加渗碳源的碳浓度来提高渗碳效率。

8.论述第二相弥散粒子对合金塑性变形的影响。

答：复相合金一般在固溶体基体上分布有一种或几种其它相，可能是金属间化合物，也可能是另一种固溶体，统称第二相。复相合金的主要变形方式仍然是滑移和孪生，由于合金中第二相的种类、数量、大小、形状、分布特点及与基体界面结合的不同，第二相对塑性变形的影响也很复杂。如果复相合金中两个相都具有塑性，第二相的尺寸大小、变形能力与基体相差不大，则合金的变形决定于两相的体积分数；如果两相中一个是塑性相，而另一个是硬脆相时，合金的塑性变形主要取决于硬脆相的存在情况，第二相粗大或呈大针状，变形只在基体中进行，合金的塑性都不会很高；如果第二相连续分布在固溶体的晶界上，合金很脆，几乎不能进行塑性变形。

弥散分布的第二相能够产生显著的强化作用，使合金获得良好的综合力学性能，强度很高，塑性也很好，这类合金的塑性变形主要在基体相中进行。