材料科学基础思考题

材料科学基础思考题第二章1.什么是点阵参数？正方晶系和立方晶系的空间点阵的特征是什么？点阵参数是描述点阵单胞几何形状的基本参数，由六个参数组成，即三个边长a、b、c和它们之间的三个夹角αβγ。

正方晶系的点阵参数特征是a≠b≠c，α＝β＝γ＝90立方晶系的点阵参数特征是a＝b＝c α＝β＝γ＝902.划分大角度晶界和小角度晶界的依据是什么？并讨论构成小角度晶界的结构模型？依据是按界面两侧晶粒间的取向差，小于15度称小角度晶界，大于15度称大角度晶界。

小角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平行的刃位错来描述。

3.为什么固溶体的强度常比纯金属高？因为合金中两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，阻碍位错运动，造成固溶强化。

4.固溶体与中间相的主要差异固溶体保持纯金属的晶体结构，中间相的结构一般与两组元的结构都不同；固溶体原子间以金属键为主，中间相以共价键以及离子键为主；固溶体塑韧性好，，中间相的强度高，韧性较差。

5.小角度晶界由位错构成，其中对称倾转晶界由刃型位错构成，扭转晶界由螺型位错构成。

第三章1.晶体中若是有较多的线缺陷、面缺陷，其强度会明显上升，这些现象称为什么？强度提高的原因？称为形变强化和晶界强化。

原因是两类缺陷的增多都明显阻碍位错的运动，从而提高强度。

2.第四章1.写出非稳态扩散方程式的表达式，说明影响方程式中扩散系数的主要原因，扩散系数的物理意义扩散系数——表示气体（或固体）扩散程度的物理量。

扩散系数是指当浓度为一个单位时,单位时间内通过单位面积的气体量,影响方程中扩散系数的主要原因有温度、晶体结构、晶体结构、晶体缺陷、固溶体类型、扩散元素性质、扩散组元浓度。

2.扩散系数的物理意义？扩散系数的一般表达式，指出各个符号的意义，并指出固溶体类型和晶体类型对扩散有和影响？扩散系数的物理意义是：第五章1、指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。

要获得细小的再结晶晶粒，有哪些主要的措施？①变形程度的影响：随着冷变形程度的增加，储能也增加，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速率也越快。

注意：在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度）。

低于此温度，不再发生再结晶。

②原始晶粒尺寸：在其他条件相同的情况下，金属的原始尺寸晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。

③微量溶质原子：微量溶质原子的存在能显著提高再结晶温度。

（原因是：可能是溶质原子与位错及晶界间存在这交互作用，使溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移和攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和长大，阻碍了再结晶的过程）④第二相粒子：第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶，这主要取决于基体上分散相粒子的大小及其分布。

⑤再结晶退火工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间对再结晶都有不同程度的影响。

若加热速度过于缓慢时，变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复，使点阵畸变度降低，再结晶温度上升，但是，极快速度的加热也会因在各温度下停留时间过短而来不及形核和长大，致使再结晶温度上升。

在变形程度和退火保温时间一定时，退火温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶所需要的时间也越短，再结晶后的晶粒越粗大。

措施：加大冷变形程度、加入魏亮元素、提高加热速度、采用细晶粒金属。

2.再结晶和二次再结晶的区别再结晶将冷压力加工以后的金属加热到一定温度后，在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒，性能恢复到冷压力加工前的软化状态过程。

二次再结晶是指再结晶退火后的金属在更高的温度或者更长的时间的保温下，会有极少数的晶粒迅速吞并其他晶粒长大，结果整个金属由少数比再结晶后晶粒大几十倍至几百倍的特大晶粒所组成的现象。

二者的本质区别：再结晶时形核与长大的过程，二次再结晶只是长大过程。

发生再结晶的驱动力为储存能，二次再结晶为界面能。

再结晶后强度，硬度下降而塑韧性提高，二次再结晶后材料的强度、塑韧性都会下降。

3.简述形变金属在加热时的回复和再结晶过程及其组织与性能的变化。

①强度和硬度：回复阶段的硬度变化很小，约占总变化的五分之一，而再结晶阶段则下降较大，强度具有和硬度相似的变化。

②电阻：变形金属的电阻在回复阶段一表现明显的下降趋势。

③内应力：在回复阶段，大部和全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力则只是通过再结晶方可全部消除。

④亚晶粒尺寸：在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，，但是在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。

⑤密度：变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增加。

⑥储能释放：当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。

4.金属材料的变形金属材料在拉伸变形中通常经历弹性变形、塑性变形、最终可能断裂。

金属材料的每一个单晶体中主要变形形式以滑移为主，部分金属在变形中也会出现孪生变形。

滑移和孪生变形的微观机制可以用位错的观点进行解释。

多晶体材料则是由于晶界的阻滞作用和相邻晶粒位相差的不同通常会影响位错运动，导致多晶体材料变形相对单晶体材料困难。

单相固溶体合金则因为溶质原子的作用出现固溶强化，体心立方金属在拉伸过程中有屈服现象和应变时效现象。

多相合金第的塑性变形特点与第二相的数量、尺寸和分布有关，一般细小弥散、均匀分布的第二相会增强合金强度，是变形困难。

5.二次再结晶造成二次再结晶的原因是：原料粒径不均匀、烧结温度偏高、烧结速率太快。

防止二次再结晶的方法：控制烧结温度，烧结时间，控制原料粒径的均匀性，引入烧结添加剂。

6.低碳钢出现屈服现象的原因是当拉伸试样开始屈服时，应力随即突然下降，并在应力基本恒定的情况下继续发生屈服伸长，所以拉伸曲线出现应力平台区。

开始屈服与下降时所对应的应力值分别是上下屈服点，在发生屈服延伸阶段，试样的应变是不均匀的。

当应力达到下屈服点时，首先在试样的应力集中处开始塑性变形，并在试样表面产生一个与拉伸轴成45度交角的变形带----吕德斯带，与此同时，应力下降到屈服点，随后，这种变形带沿试样长度方向不断形成与扩展，从而产生拉伸曲线平台的屈服伸长。

六章1．论述纯金属与固溶体合金在凝固过程中表现出的异同点，并解释原因纯金属在结晶时其界面是粗糙的，在正温度梯度下进行长大。

由于晶体长大时通过固相模壁散热，固液界面是等温的，若取得动态过冷度界面就向前移动。

如果面局部有小的凸起伸向过热的液相中，小凸起将被融化，界面一直保持平直，晶体以平面状长大。

固溶体结晶时会出现成分过冷，固液界面前出现成分过冷区，此时界面如有任一小的凸起，它将伸入成分过冷区面获得过冷就能继续长大下去。

界面不能保持平稳而出现树枝晶。

2.凝固过程中形核和长大与再结晶过程中形核和长大主要区别是什么？简述再结晶过程中核心的产生方式。

凝固时形核和长大的驱动力是新、旧相化学位差，再结晶形核和长大的驱动力只是形变储存能。

凝固时的形核常为均匀形核；再结晶形核常在现有的形变不均匀区中，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围；凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可能有一定的取向关系。

3.简述凝固过程的宏观特征凝固时宏观特征是：要有一定的过冷度，会放出明显的结晶潜热。

4.相同过冷度下比较均匀形核与非均匀形核的临界半径、临界形核功、临界晶核体积，哪个大？临界半径相同；临界形核功是均匀形核高；临界晶核体积也是均匀形核时大。

5.金属材料的凝固过程金属结晶通常分为两个阶段，即形核和形核后的长大阶段。

金属的形核通常在金属熔体中的小尺寸有序原子集团基础上，通过原子扩散而形成能够稳定长大的晶核，即纯金属的形核过程一般需要满足能量条件和结构条件，而合金的形核还要一定的成分条件。

金属形核后的长大通常需要一个较小的过冷度，原子向晶核扩散而长大，在长大过程中结晶界面是粗糙界面，因此金属长大速度一般很快，而结晶界面结构、温度梯度和结晶速度会影响到长大后的晶核形状和大小，，对于合金通常还会造成合金结晶后出现成分偏析等问题。

6.为什么多元合金凝固时候会出现成分过冷多元合金凝固过程中熔点高的元素先凝固，如果合金搅拌不够充分，将会降低熔点的元素富集在凝固界面前沿，降低凝固界面前沿液相的实际凝固温度，这时即使是正的温度梯度，凝固界面前沿也可能出现过冷度随离开界面距离增加而增大的现象，这种现象称为成分过冷现象。

成分过冷现象的出现将使国院金属即使在正的温度梯度下也可能出现胞状组织或者枝晶组织。

7.简述铸锭表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区产生的机理和性能特点。

答：①表面细晶区：组织是很细小的等轴晶粒，形成原因是型壁形成很大的过冷。

主要影响因素有模壁形核能力和模壁处所能达到的过冷度。

性能特点：该区晶粒十分细小，组织致密，机械性能好，但是很薄，没有多大的实际意义。

②柱状晶区：组织是垂直于模壁的柱状晶，形成的原因主要是晶粒的择优生长，外因：传热的方向性。

内因：晶体生长的各向异性。

生长方向垂直模壁指向中心区。

也可以答：①金属凝固后的收缩，空气层，冷却减缓。

②过冷度小，形核困难，依附原有晶核，继续长大。

③横向发展困难，纵向发展。

性能特点：组织致密，有方向性，但易形成杂质、气泡等脆弱界面。

③中心等轴晶区：组织是等轴晶，形成原因一方面是心部液态金属温度低，另一方面杂质原子在结晶时被排斥到结晶前沿分布中心形成晶核。

生长方式是枝晶间相互交叉。

性能特点：性能好，各向同性，无明显脆弱界面，但易产生缩孔、缩松等缺陷。

第七章1.离异共晶：失去共晶组织，特征的两粗大晶粒的混合体。

（可能在平衡凝固得到，也可能在非平衡凝固得到）出现：成分点远离共晶点的亚共晶合金。

2. 若是退火前预先进行变形加工，是否有助于加速均匀化过程，为什么？冷加工会造成铸件表层加工硬化，合金存储了畸变能，这是一种不稳定的热力学状态，在高温下，原子获得了足够的活动能力，开始扩散，这种畸变能应该是扩散的动力之一，所以是加速了均匀化的过程。

但是，由于均匀化退火的时间长、温度高，合金被氧化的很严重，所以表层都被氧化掉了。

从这个角度说，影响非常有限吧。

3.平衡分配系数平衡分配系数k0定义为平衡凝固时固相的质量分数w s和液相质量分数w t 之比。

如图图一是k0＜1的情况，也就是随着溶质增加合金凝固的开始温度和终结温度降低；随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高，此时k0＞1。

4.伪共晶在平衡条件下，只是共晶成分的合金才能得到全部的共晶组织。

然而在非平衡凝固的条件下，某些亚共晶或者过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金说得到的共晶组织成为伪共晶。

随着过冷度的增加，伪共晶区也扩大。

伪共晶区在相图中的配置对于不同的合金可能有很大的差别，。

若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区一般呈现对称分布；若合金中两住院熔点相差很大时，则伪共晶区将偏向高熔点组元一侧，一般认为其原因是，由于共晶中两组成相的成分和液态合金不同，它们的形核和长大都需要两组元的扩散，而以低熔点为基的组成相的成分与液态合金成分差别较小，则通过扩散而能达到该组成的成分较为容易，其结晶速度较大，所以，在共晶点偏于低熔点相时，为满足两组成相形成对扩散的要求，伪共晶区的位置必须偏向高熔点相一侧。