材料科学基础简答题

1.如何理解点缺陷是一种热力学平衡缺陷？

随着点缺陷数量增加，熵增加导致自由能下降，但是同时内能增加导致自由能增加，所以有一个平衡浓度，此时有最低的自由能值。

2.何谓位错的应变能。何谓位错的线张力，其估算值为多少。

位错在晶体中引起畸变，使晶体产生畸变能，称之为位错的应变能或位错的能量。线张力的定义为：位错线增加一个单位长度时，引起晶体能量的增加。

通常用Gb2/2作为位错线张力的估算值。

请问影响合金相结构的因素主要有哪几个。

原子尺寸、晶体结构、电负性、电子浓度。

3.请简要说明：（1）刃型位错周围的原子处于怎样的应力状态（为切应力还是正应力，为拉应力还是压应力）;(2)若有间隙原子存在，则间隙原子更容易存在于位错周围的哪些位置（可以以图示的方式说明）。

(1)刃型位错不仅有正应力同时还有切应力。所有的应力与沿位错线的方向无关，应力场与半原子面左右对称，包含半原子面的晶体受压应力，不包含半原子面的晶体受拉应力。

(2)对正刃型位错，滑移面上方的晶胞体积小于正常晶胞，吸引比基体原子小的置换式溶质原子或空位；滑移面下方的晶胞体积大于正常晶胞，吸引间隙原子和比基体原子大的置换式溶质原子。

4.铁素体钢在拉伸过程中很易出现屈服现象，请问：（1）产生屈服的原因？（2）如何可以消除屈服平台？

由于碳氮间隙原子钉扎位错，在塑性变形开始阶段需使位错脱离钉扎，从而产生屈服延伸现象；当有足够多的可动位错存在时，或者使间隙原子极少，或者经过预变形后在一段时间内再拉伸。

5.如何提高（或降低）材料的弹性？举例说明，并解释。

选择弹性模量小的材料、或者减小材料的截面积、或者提高材料的屈服强度都可以提高弹性。

6.何谓加工硬化、固溶强化、第二相强化、细晶强化，说明它们与位错的关系

加工硬化：晶体经过变形后，强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。随着变形的进行，晶体内位错数目增加，位错产生交互作用，使位错可动性下降，强度上升。

固溶强化：由于溶质原子的存在，导致晶体强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。由于溶质原子的存在阻碍或定扎了位错的运动，导致强度的升高。

第二相强化：由于第二相的存在，导致晶体强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象叫第二相强化。由于第二相的存在，导致位错移动困难，从而使强度上升。

细晶强化：由于晶粒细化导致晶体强度、硬度上升，塑性、韧性不下降的现象叫细晶强化。

由于晶粒细化，使晶界数目增加，导致位错开动或运动容易受阻，使强度上升；又由于晶粒细化，使变形更均匀，使应力集中更小，所以，细晶强化在提高强度的同时，并不降低塑性和韧性。

7.说明金属在塑性变形后，其组织和性能将发生怎样的变化

金属塑性变形后，组织变化包括晶粒和亚结构的变化，其中，晶粒被拉长，形成纤维组织，晶粒位向趋于一直，形成织构；亚结构细化，缺陷数目大大增加。另外，畸变能也大大增加。性能变化包括力学性能和物理化学性能，其中，力学性能变化为强度、硬度上升，塑性、韧性下降，物理化学性能变化为电阻率上升

8.请问，经过冷塑性变形后的金属，在加热过程中，随温度的升高，将发生什么过程，各个过程是如何区分的。

经过冷变形的金属，在加热过程中，随着温度的升高，将发生回复、再结晶和晶粒长大过程。各个过程以晶粒来区分，在回复阶段，晶粒不变，保持纤维状，在再结晶过程，有新的等轴晶粒产生，当组织中的畸变晶粒都消失时，则再结晶就完成了，以后就是晶粒的长大过程。

9.何谓临界变形量和再结晶晶粒异常长大。请描述变形量和退火温度对再结晶晶粒大小的影响。

在经过较小的变形量变形后，其再结晶晶粒将非常的大，所对应的变形量称为临界变形量。

在经过大变形量变形后，其再结晶晶粒变得异常的大，称为再结晶晶粒异常长大。

冷变形量很小时，没有影响；2%变形时再结晶晶粒很大，为临界变形量；以后随变形量增加，晶粒细化；当变形量很大时，并且退火温度很高时，再结晶晶粒又会很大。

10.回复、再结晶、晶粒长大过程的驱动力分别是什么。

回复、再结晶的驱动力为畸变能下降，晶粒长大的驱动力为晶界能下降。

11.某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时的疏忽，未将钢丝绳取出，而是随同工件一起加热至860℃，保温时间到了，打开炉门，要吊出工件时，钢丝绳发生了断裂，试分析原因。

因为钢丝绳发生了再结晶，导致其强度下降，无法再承受这一载荷，导致钢丝绳断裂。

12.何谓结合键；简述离子键、共价键、金属键、分子键和氢键与电子分布的关系；指出形成离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源。所谓结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。

离子键：得、失电子形成正负离子，外层电子结构成为稳定的八电子层结构。正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合。

共价键：相邻原子通过共用一对或几对价电子使各原子的外层电子结构都成为稳定的八电子层（或1s2）结构

金属键：各原子都贡献出其价电子而次外层则为“八电子层”，形成金属正离子。通过自由电子气与正离子实之间的库仑引力而结合。

分子键：由共价键结合而成双原子的分子，外层电子结构成为稳定的八电子层结构。分子间通过形成瞬时电偶极矩，产生瞬时电场，而结合。

氢键：氢原子核与极性分子间的库仑引力

13.简述波尔理论和波动力学理论分别是如何描述原子核外电子的运动轨道。

波尔理论认为核外电子是在确定的轨道上运动的，符合牛顿定律。波动力学认为电子具有波粒二象性，电子有可能出现在核外的各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。

14.点缺陷有哪几种？形成点缺陷的驱动力是什么？

点缺陷主要有空位、间隙原子和置换原子。

使原子脱离平衡位置的动力，称为形成点缺陷的驱动力，可以是温度、离子轰击、冷加工等

15.点缺陷的存在，对晶体结构将造成怎样的影响？对晶体的性能将造成怎样的影响？

点缺陷周围，原子间的相互作用力失去平衡，出现弹性畸变区。

导致电阻上升、密度的减小、比热和机械性能的变化

16碳具有哪些晶体结构？分别具有怎样的性能？

石墨、金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

石墨是元素碳的一种同素异形体，石墨为层状结构，一层中每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，层之间以范德华力结合，构成分子晶体。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物。它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂等。

金刚石是自然界中最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。碳可以在高温、高压下形成金刚石。碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。

C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量约为720。

处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。C60具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化