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1、-材料物理复习题-第 9 页材料物理复习题一、名词解释晶带轴：同一晶带中所有晶面与其他面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条平行直线称为晶带轴。 致密度：致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的比值。配位数：配位数(coordination number)是中心离子的重要特征。直接同中心离子(或原子)配位的原子数目叫中心离子(或原子)的配位数。 相：相(phase)是系统中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分固溶体：固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。中间相：两组元A和B组成合金时，除了可形
2、成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。柏氏矢量：柏氏矢量(Burgers vector)是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。刃位错：刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“”；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“”。其实这种正、负之分只具相对意义而无本质的区别。螺位错：一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。肖克莱不全位错：面心立方晶体中，柏氏矢量为
3、1/6的不全位错。弗拉克不全位错：面心立方晶体中，伯格斯矢量为1/3的纯刃形不全位错。肖脱基空位：晶体结构中的一种因原子或离子离开原来所在的格点位置而形成的空位式的点缺陷。弗兰克尔空位：当晶体中的原子由于热涨落而从格点跳到间隙位置时，即产生一个空位和与其邻近的一个间隙原子，这样的一对缺陷-空位和间隙原子，就称为弗兰克尔缺陷。反应扩散：通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而不断形成新相的扩散过程，称为反应扩散或相变扩散。上坡扩散：转变时会发生浓度低的向浓度高的方向扩散，产生成分的偏聚而不是成分的均匀化，这种扩散现象通常称为上坡扩散。均匀形核：是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。非均
4、匀形核：是指体系在外来质点，容器壁或原有晶体表面上形成的核。过冷度：指物质(如金属、合金、晶体)的理论结晶温度Tcyrstalize与实际给定的结晶现场温度Tcurrent的差值，即T=Tcyrstalize-Tcurrent。成分过冷：在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。平衡凝固：平衡凝固是在接近平衡凝固温度的低过冷度下进行的凝固过程。其凝固组织几乎完全按照平衡相图预测的规律变化，溶质也可以充分的扩散。非平衡凝固：在液体结晶并析出固体的过程中，由于降温速度过快，使得液体中所析出
5、固体分子扩散不均匀，导致结晶中固体分子各处浓度不均匀，当温度降到固相线时，仍存在液相的非均匀结晶现象。枝晶偏析：由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同，成为晶内偏析。而金属的结晶多以枝晶方式长大，所以这种偏析多呈树枝状，先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同，又称为枝晶偏析。共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。伪共晶：在不平衡的结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部转变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织称为伪共晶。离异共晶：有共晶反应的合金
6、中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量较多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的依附初晶长大，共晶中另外一个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特征有组织特征的现象滑移系：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。单滑移：单滑移是指只有一个滑移系进行滑移。滑移线呈一系列彼此平行的直线。多滑移：多滑移是指有两组或两组以上的不同滑移系同时或交替地进行滑移。它们的滑移线或者平行，或者相交成一定角度。滑移变形：位错的滑移使材料内部已发生拉伸、压缩、强度已经疲劳、组织结构发生蠕动材料的韧性强度减弱，晶体组织发生改变。孪生变形：孪生变形是晶体特定晶面(孪晶面)的原子沿一定方向(孪生方向)协同位移(
7、称为切变)的结果，但是不同的层原子移动的距离也不同。临界分切应力：把滑移系开动所需要的最小分切应力称为临界分切应力。固溶强化：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化弥散强化：弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高
8、.而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化。它标志金属抗塑性变形能力的增强。应变时效：应变力作用下，材料的组织性能随时间发生变化脆性断裂：脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的，快速断裂过程。韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。回复：回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。再结晶：再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；二、简答题1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？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
9、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，方向性物理键如范德华力：系次价键，不如化学键强大氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性2.简述晶体中产生位错的主要来源。 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； 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； 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。 由
10、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。 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。3.简述晶界具有哪些特性？晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的本质。晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。晶界处成分偏析和内吸附，富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生”过热”现象。晶界能高，
11、导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。4.试总结位错的类型及其在金属材料中的作用。答：刃位错、螺位错、混合位错（可分解为刃型分量和螺型分量）位错对晶体的性能特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大影响，还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切联系。5.何谓成分过冷？成分过冷对晶体生长形态有何影响？答：成分过冷是指固溶体合金在冷却过程中，由于液相中溶质的分布发生变化，合金熔点也随之发生变化，即使实际温度分布不变，固液界面前沿的过冷度也会发生变化，固溶体合金的过冷度是由变化着的合金熔点与实际温度分布两个方面的因素决定的。这种因液相成分变化而形成的过冷称
12、为成分过冷。其特点是在界面处合金熔点最低，过冷度最小，随着S/L界面距离增大，过冷度反而增大，至一定距离后因溶质堆积的边界层消失，过冷区随之消失。产生成分过冷后，即使是正温度梯度下，结晶时也会以胞状晶的方式长大，当过冷度再大时，会产生树枝状生长晶体。6.与平衡凝固相比较，固溶体的非平衡凝固有何特点？答：非平衡凝固的固相平均成分线和液相平均成分线与平衡凝固的固相线、液相线不同，冷却速度越快，偏离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，越接近，表明凝固速度越接近平衡凝固条件。先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶的部分是富低熔点组元。非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。7.简述固溶体
13、合金与纯金属在结晶过程中的区别。解: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。如果界面局部有小的凸起伸向过热的液相中，小凸起将被熔化，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，在固液界面前出现成分过冷区，此时界面如有任一小的凸起将它伸入成分过冷区而获得过冷就能继续生长下去。界面不能保持平直稳定，会出现树枝晶。8.根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径与基本原理。(1)提高过冷度。晶粒大小取决于形核率和核长大速度的相对关系。当过冷度很大时，会出现形核率的增长速度大于核长大的速度，因此
14、提高过冷度使NG，并使两者差距增大，晶粒才会被细化。(2)变质处理。即在浇注前向金属液中添加变质剂，以促进非均匀形核增加晶核数量来细化晶粒。(3)振动、搅拌。振动和搅拌能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进形核，另一方面能使已结晶的晶体在液流冲击下而碎化，增加核心的数量。9.固溶体合金中原子扩散的途径有哪些；举两个实例说明金属中的上坡扩散现象。a) 表面扩散（原子沿晶体表面的迁移）、位错扩散（原子沿位错线的迁移）、晶界扩散（原子沿晶界的迁移）、体扩散（原子在晶体内部的迁移）b) 上坡扩散会使固溶体合金分解为合金元素含量高和合金元素含量低的两种成分不同、结构相同的组织状态。如固溶体中溶质原子的
15、偏聚、调幅分解。10.简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。答：1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力的作用11.试说明多晶体金属塑性变形时，晶粒越小强度越高、塑性越好的原因。解：多晶体金属塑性变形时，晶粒越小强度越高，塑性越好的原因是：由于晶粒细小，各晶粒中可供塞积位错的滑移面较短，塞积位错的数量n也少，由位错塞积引起的应力集中小而数目很多，在相同外力作用下，处于滑移有利方位的晶粒数量也会增多，使众多的晶粒参加滑移，滑移量分散在各个晶粒中，应力集中小，这样在金属变形时引起开裂的机会小，直至断裂之前，能获得较大的塑性变形量。12.何为加工硬化？如何
16、解决加工硬化给后续加工带来的困难？解：金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增加，强度和硬度不断上升，而塑性而韧性不断下降，这一现象称为“加工硬化”。该现象的原因是由于外力增加使得位错不断增值，位错之间相截、反应使得位错的运动变得困难。可以用再结晶退火处理消除加工硬化给后续加工带来的困难。13.为什么金属滑移在最密排面与最密排晶向上进行？解：金属晶体的滑移是在外力的作用下，于原子排列最紧密的晶面和晶向上进行的，这是因为在密排面上原子间距最小，结合力最强，而相邻的两个密排晶面之间距离却最大、结合力最弱。可知在原子排列最紧密的晶面之间进行滑移阻力最小，需要的外力也最小。于是原子排列最紧的晶面和晶向
17、就成了晶体进行滑移的滑移面和滑移方向。14.分析材料发生塑性变形的机制及表现形式？解：材料发生塑性变形通常有三种方式，具体如下：滑移。晶体在切应力的作用下，沿着滑移方向在滑移面上发生相对运动。其位错机制为：由于晶体点阵结构的周期性，当位错沿着滑移面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化，从而使得位错运动遇到点阵阻力。但在实际晶体中，一定温度下，当位错线从能谷位置移向相邻能谷位置时，并不是沿其全长同时越过能峰，在热激活能的帮助下，可以部分先越过，同时位错线形成位错扭折，那么随后位错的运动，借助于扭折位错线会很容易地向旁边侧运动，结果使得整个位错线滑移所需的应力下降许多。滑移过程中，除点阵阻力
18、外，位错与位错的交互作用产生的阻力，位错运动交截后形成的扭折和割阶，位错与其他晶体缺陷交互作用产生的阻力，均会产生阻力，导致晶体滑移时还会产生晶体强化现象。孪生。是晶体在不能滑移时进行的一种塑性变形方式。它也是晶体在切应力的作用下，沿着孪生方向和孪生面发生相对运动。与滑移不同之处在于孪生是一种均匀切变，而且孪晶的两部分晶体形成晶面对称。其位错机制在于晶体中一个不全位错滑动后，使得相互平行并且相邻晶面发生层错而产生孪晶。扭折。当晶体既不能滑移也不能进行孪生时，可以以扭折的方式进行塑变。其特点是扭折晶体的取向发生了不对称性的变化。位错机制是指在塑变过程中，其他区域位错运动过程中，同号刃型位错堆积在
19、一起，位错的汇集处产生了弯曲应力，使得晶体点阵发生弯曲和扭折从而产生扭折区。15.分析加工硬化、细晶强化、固溶强化与第二相强化在本质上有什么异同。解：相同点：都是位错运动受阻，增加了位错滑动的阻力，使得材料得到强化。不同点：加工硬化：位错塞积、邻位错阻力和形成割阶消耗外力所作的功伟其可能机制；细晶强化：增加了晶界，增加了位错塞积的范围；固溶强化：溶质原子沿位错聚焦并钉扎位错；第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错切过或绕过强化相颗粒而额外做功都是分散相强化的位错机制。16.简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。答：(1) 加工硬化: 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬
20、度）显著提高，塑性迅速下降。(2) 腐蚀速度：塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快 (3) 密度：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属经塑性变形后可能使密度上升(4) 弹性模量：塑变使弹性模量升高(5) 电阻率：塑性变形使金属的电阻率升高。变化程度因材质而异。(6) 另外，塑性变形还会引起电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降。17.金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。答：退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。18.为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。答：热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析程度减弱，合晶成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。