材料科学基础考研经典题目

16. 简述金属固态扩散的条件。

答：⑴扩散要有驱动力一一热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性一一前提条件； ⑶足够高温度一一动力学条件；⑷足够长的时间一一宏观迁 移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？

答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改 变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定， 这种过冷称为成分过冷。 成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域， 使液固界面变得不稳定。 当成分过冷 区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长， 使固溶体的生长形态 为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然 突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。 所以成分过冷是造成固溶体合金在 非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？

答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。 间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量 的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所 以间隙固溶体只能是有限固溶体。 而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上， 产生的点阵畸变 较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近， 同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金

凝固的形貌又如何？分析原因

答：正的温度梯度指的是随着离开液一固界面的距离 Z的增大，液相温度T随之升高的情况，即吏 dZ

在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移， 这是由于温度梯度是正的， 当界面上偶尔有 凸起部分而伸入温度较高的液体中时， 它的生长速度就会减慢甚至停止， 周围部分的过冷度较凸起部分 大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液一固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会 产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下， 相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形， 其大小与很多因素 有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。 可以按液固相界面前沿 过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起， 此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖 部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长， 考虑到界面的力学平衡关系，平界面 变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳 定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此 类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？

答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、 间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。 产生的途径： ⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。 空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形 成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由 于位错间有交互作用。 在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷， 如带割阶的位错运动会放出 空位。⑶辐照。高能粒子（中子、 粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击 而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主

要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能， 而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。 再结晶温 度是区分冷热加工的分界线。 动态再结晶后的组织结构虽然也是等轴晶粒， 但晶界呈锯齿状， 晶粒内还 包含着被位错缠结所分割的亚晶粒， 这与静态再结晶后所产生的位错密度很低的晶粒不同， 故同样晶粒 大小的动态再结晶组织的强度和硬度要比静态再结晶的高。动态再结晶后的晶粒大小与流变应力成正 比。此外，应变速率越低，形变温度越高，则动态再结晶后的晶粒越大，越完整。 22. 纯金属凝固、单相固溶体正常凝固时，是否会出现成分过冷？为什么？

答：⑴不会，因为纯金属凝固时，液固界面前沿没有溶质积聚，无边界层存在。 ⑵不会，单相固溶体正常凝固时的液相成分是均匀的，属于完全混合，没有边界层的存在，因此不会产 生成分过冷。

1. 2. 答：

3.

组织：指的是在外界因素、成分等条件一定的情况下，组成合金的不同成分、结构和性能的相的总 体。 请说出常见的三种类型金属晶体结构的任一晶体结构的间隙种类、位置、多少及相对大小 见表格总结 什么是间隙固溶体？形成条件？ 当原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金属或化合物的溶剂中时， 这些小的溶质原子不占有 溶剂点阵中的阵点位置，而是位于间隙位置，形成间隙固溶体。条件：①溶剂：大多数是过渡族元素；

溶质：一般是原子半径小于的非金属元素，如碳、氮、氧、氢、硼等。②保证 R 41% ③电负性相 差不大。 4. 间隙化合物结构有何特点？常见的类型有哪些？

答： R 30%~41% ;电负性相差较大；间隙化合物具有复杂的晶体结构，常见类型：① M 3C 型，

FesC ;② M 7C3 型；③ M 23C6 型；④ M eC 型

5. 晶内偏析和正常偏析的形成原因？冷却速度对它们有何影响？ 答：晶内偏析为显微偏析的一种，它是在固溶

体合金凝固速度较快时，由于原子扩散不充分，使晶粒的 开始形成部分和最后形成部分的化学成分不一致， 从而在一个晶粒内部出现了成分不均匀的现象。 偏析与合金的冷却速度有关，冷却速度越快，原子扩散越难，晶内偏析越严重。但是，若将合金以很快 的速度冷却，直接过冷到固相线以下，反而不会产生晶内偏析，结晶出成分均匀的固溶体。正常偏析为 宏观偏析的一种， 它是由于合金不平衡结晶时， 液固相界面前沿液体中的原子混合不充分， 在相界面前 沿产生了原子的再分布，形成了原子富集峰。合金凝固速度越快，液体原子混合越差，原子富集峰则越 高，凝固以后在整个合金的范围内出现成分不均匀的现象。 由于溶质原子浓度随合金试棒长度方向的分 布符合正常凝固方程，因此将这种偏析称为正常偏析。冷却速度对正常偏析的影响，冷却速度越快，液 体原子混合越差，形成的原子富集峰越高。由于两相在相界面处的局部平衡，使界面固相浓度也升高， 凝固以后的合金浓度偏离原始合金浓度的程度反而越小，正常偏析减小。 间隙相是由金属元素与非金属元素在负电性相差较大时，且原子半径比小于时形成的中间相，它的 晶体结构比较简单， 并与两组元的晶体结构不同， 尽管它的脆性大， 但由于具有很高的硬度和熔点， 是合金工具钢中的主要强化相。 冷变形金属经回复以后，力学性能和物理性能的变化主要是内应力和电阻下降。加热时发生的再结 晶的驱动力是储存能，它的形核主要机制是凸出形核、亚晶合并形核、亚晶界迁移形核三种，再结 晶以后，力学性能的变化是强度、硬度下降和塑性、韧性提高。 阐明单相固溶体的加工硬化的强化机制。

晶内 6. 7. 8. 答：加工硬化是指固溶体合金随着冷塑性变形量的增加， 强度和硬度升高的现象。 加工硬化是由于位错 的不

断增殖以及位错之间和位错与晶界之间的交互作用导致位错的滑移受阻所致。 在外力作用下， 当外 力分解到滑移面及滑移方向上的分切应力达到临界分切应力时， 固溶体中的各种位错增殖源不断陆续开 动，增殖出大量位错，使位错密度迅速增加。①由于位错密度的增加，位错之间会发生交割而产生大量 的割阶和扭折，割阶往往会阻碍位错的滑移。②位错之间还会发生反应，生成许多固定位错，这些固定 位错不仅自身难以运动，同时作为障碍也会阻碍其他位错的运动。 9. 为什么凝固过程中会出现边界层？

答：根据相图，固相从液相中结晶时，成分与液相不同，因此在结晶过程中不断排除溶质原子，导致在 液一固界面液相侧溶质原子积聚。 此时原子的运动路线是固相一界面一液相。 开始时，固相中排除的原 子比从界面层向液相排出的原子多， 导致界面层上溶质原子浓度升高， 此时称为初瞬态。当溶质原子在 界面层上的浓度高达一定程度时，达到动态平衡，即从固相到界面与从界面到液相中的原子流量相同， 此时在液固相间形成了一定溶质原子浓度高于液相的过渡层，称为边界层。 10. 分别叙述平衡分配系数和有效分配系数的物理意义。

非平衡凝固时，当边界层建立后，边界固相侧溶质浓度和边界以外的液相中的溶质浓度之比。 11. 试比较单晶铜和多晶铜的塑性变形特点。

答：⑴单晶铜塑性变形能力呈各向异性，而多晶铜呈各向同性。⑵单晶铜的应力应变水平低于多晶铜， 因而单晶铜易滑移，多晶铜滑移困难。⑶单晶铜滑移时，首先是由一组滑移系启动，而多晶铜滑移时， 是多个晶粒、多个滑移系协同作用，因此单晶铜滑移有三个阶段，而多晶铜不出现第一阶段。 12. 何谓上坡扩散？其产生条件是什么？

答：溶质原子自低浓度处向高浓度处迁移的现象，称为上坡扩散。从热力学角度来看，扩散是由于化学 势的不同而引起的，各组元的原子总是由高化学势区向低化学势区扩散， 扩散的真正驱动力不是浓度梯 度而是化学势梯度。 13. 画出Frank_Read源位错增殖过程示意图。

14. 扩展位错：由一个全位错分解成两个不全位错，中间夹着一片堆垛层错区的整个位错组态称为扩展 位错

15. 冷加工纤维组织：金属冷塑性变形时，随着变形量的增大，等轴晶粒沿变形方向被拉长，塑性夹杂 物也沿变

形方向被拉长，脆性夹杂物沿变形方向被碎化并呈点链状分布，这种组织称为冷加工纤维 组织。 16. 比较间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点。

答：

合金相 R 电负性差 相的种类 相同点 间隙化合物 30%~41% 较大 化合物 都是小的非金属 原子

溶解到大的 过渡族金属 间隙相 >41% 较大 化合物

间隙固溶体 >41% 不大 固溶体

17. 说明影响冷塑性变形金属再结晶的主要因素及其对再结晶速度的影响。 答：温度：温度升高，再结晶速度

快； 变形程度：冷变形程度大，储存的能量多，再结晶速度快； 原始晶粒尺寸：晶粒越小，能量越高，易形核，再结晶速度快； 微量溶质原子：微量溶质原子阻碍再结晶； 分散相粒子：大粒子促进再结晶，小粒子阻碍再结晶。