材料科學(xué)基礎(chǔ)匯總

名詞解釋：（每一道題3分）晶體:原子按一定方式在三維空間內(nèi)周期性地規(guī)則重復(fù)排列，有固定熔點(diǎn)、各向異性。非晶體:原子沒有長(zhǎng)程的周期排列，無固定的熔點(diǎn)，各向同性等。致密度:晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。間隙相:當(dāng)非金屬（X）和金屬（M）原子半徑的比值rX/rM<0.59時(shí)，形成的具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的相，稱為間隙相。間隙化合物:當(dāng)非金屬（X）和金屬（M）原子半徑的比值rX/rM>0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相固溶體:是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子（溶劑原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。間隙固溶體:溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。空間點(diǎn)陣:指幾何點(diǎn)在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列，是人為的對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的抽象。滑移系:晶體中一個(gè)滑移面及該面上一個(gè)滑移方向的組合稱一個(gè)滑移系。孿晶:孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為孿晶，此公共晶面就稱孿晶面。肖脫基空位:在個(gè)體中晶體中，當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定程度時(shí)，就可能克服周圍原子對(duì)它的制約作用，跳離其原來位置，遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖脫基空位。弗蘭克爾空位:離開平衡位置的原子擠入點(diǎn)陣中的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成相等數(shù)目的空位和間隙原子?？驴线_(dá)爾效應(yīng):反映了置換原子的擴(kuò)散機(jī)制，兩個(gè)純組元構(gòu)成擴(kuò)散偶，在擴(kuò)散的過程中，界面將向擴(kuò)散速率快的組元一側(cè)移動(dòng)。反應(yīng)擴(kuò)散:伴隨有化學(xué)反應(yīng)而形成新相的擴(kuò)散稱為反應(yīng)擴(kuò)散。穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散:在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散組元的濃度只隨距離變化，而不隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散:擴(kuò)散組元的濃度不僅隨距離x變化，也隨時(shí)間變化的擴(kuò)散稱為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。非共格晶界:當(dāng)兩相在相界處的原子排列相差很大時(shí)，即錯(cuò)配度δ很大時(shí)形成非共格晶界。同大角度晶界相似，可看成由原子不規(guī)則排列的很薄的過渡層構(gòu)成。共格相界：如果兩相界面上的所有原子均成一一對(duì)應(yīng)的完全匹配關(guān)系,即界面上的原子同時(shí)處于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上,為相鄰兩晶體所共有,這種相界就稱為共格相界?？率蠚鈭F(tuán):通常把溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用后，在位錯(cuò)周圍偏聚的現(xiàn)象稱為氣團(tuán)，是由柯垂?fàn)柺紫忍岢觯址Q柯氏氣團(tuán)。非均勻形核:新相優(yōu)先在母相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核。均勻形核:新相晶核是在母相中存在均勻地生長(zhǎng)的，即晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響。過冷度:相變過程中冷卻到相變點(diǎn)以下某個(gè)溫度后發(fā)生轉(zhuǎn)變，平衡相變溫度與該實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度之差稱過冷度。結(jié)構(gòu)起伏:液態(tài)結(jié)構(gòu)的原子排列為長(zhǎng)程無序，短程有序，并且短程有序原子團(tuán)不是固定不變的，它是此消彼長(zhǎng)，瞬息萬變，尺寸不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏。相律:相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)與組元數(shù)及溫度、壓力之間的關(guān)系。枝晶偏析：液固相線溫度間隔大的固溶體類合金，當(dāng)凝固冷卻速度較快時(shí)，易發(fā)生不平衡結(jié)晶，使先結(jié)晶成分來不及充分?jǐn)U散而形成枝晶偏析。加工硬化：金屬材料在受到外力作用持續(xù)變形的過程中，隨著變形的增加，強(qiáng)度硬度增加，而塑韌性下降的現(xiàn)象。簡(jiǎn)答題：（每一道題4分）第1章原子間的結(jié)合鍵共有幾種？各自特點(diǎn)如何？（分）答：1、化學(xué)鍵包括：金屬鍵：電子共有化，既無飽和性又無方向性離子鍵：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性共價(jià)鍵：共用電子對(duì)；飽和性；配位數(shù)較小，方向性2、物理鍵如范德華力，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大3、氫鍵：分子間作用力，介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性第2章試從晶體結(jié)構(gòu)的角度，說明間隙固溶體、間隙相及間隙化合物之間的區(qū)別（分）答：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體成為間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如H、B、C、N、O等。間隙固溶體保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動(dòng)，不能用分子式表示。（2分）間隙相和間隙化合物屬于原子尺寸因素占主導(dǎo)地位的中間相。也是原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相、間隙化合物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同，其成分可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。組成它們的組元大致都具有一定的原子組成比，可用化學(xué)分子式來表示。（2分）當(dāng)rB/rA<0.59時(shí)，通常形成間隙相，其結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)，具有極高的熔點(diǎn)和硬度；當(dāng)rB/rA>0.59時(shí)，形成間隙化合物，其結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。（2分）試以表格形式歸納總結(jié)3種典型的晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征。（分）答：書上表第3章簡(jiǎn)述晶體中產(chǎn)生位錯(cuò)的主要來源。（分）答：晶體中的位錯(cuò)來源主要可有以下幾種。1).晶體生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生位錯(cuò)。其主要來源有：①由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點(diǎn)陣常數(shù)也有差異，可能形成位錯(cuò)作為過渡；（1分）②由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)等的影響，致使生長(zhǎng)著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會(huì)形成位錯(cuò)；（1分）③晶體生長(zhǎng)過程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力變形而形成位錯(cuò)。（1分）2).由于自高溫較快凝固及冷卻時(shí)晶體內(nèi)存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯(cuò)。（1分）3).晶體內(nèi)部的某些界面（如第二相質(zhì)點(diǎn)、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，往往出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)此應(yīng)力高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時(shí)，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)。（1分）簡(jiǎn)述晶界具有哪些特性？答：而a相仍保留在b相芯部，形成包晶反應(yīng)的非平衡組織。補(bǔ)充：簡(jiǎn)述再結(jié)晶過程中的晶界弓出形核機(jī)制。（分）new答：變形量較?。?lt;20％）的多晶體，其再結(jié)晶核心往往以晶界弓出方式形成，或稱應(yīng)變導(dǎo)致的晶界遷移，凸出形核機(jī)制。變形度較小時(shí)，多晶粒間變形不均勻性而導(dǎo)致多晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度不同。為了降低系統(tǒng)的自由能，通過晶界遷移，原來平直的晶界會(huì)向位錯(cuò)密度大的晶粒內(nèi)凸出，通過吞食畸變亞晶的方式形成無畸變的再結(jié)晶晶核。

計(jì)算題：（每一道題10分）第2章金剛石為碳的一種晶體，為復(fù)雜面心立方結(jié)構(gòu)，晶胞中含有8個(gè)原子，其晶格常數(shù)a=0.357nm，當(dāng)它轉(zhuǎn)換成石墨(r2=2.25g/cm3)結(jié)構(gòu)時(shí)，求其體積改變百分?jǐn)?shù)？解：金剛石為復(fù)雜面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞含有8個(gè)碳原子金剛石的密度為：對(duì)于單位質(zhì)量1g碳為金剛石結(jié)構(gòu)時(shí)，體積為：v1=1/1=0.285(cm3)轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)時(shí)，體積為：v2=1/2=0.444(cm3)故金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)時(shí)體積膨脹：第3章在Fe中形成1mol空位需要的能量為104.675kJ，試計(jì)算從20℃升溫至850℃時(shí)空位數(shù)目增加多少倍？解：空位在溫度T時(shí)的平衡濃度為系數(shù)A一般在1~10之間，取A=1，則故空位增加了（倍）第4章一塊含0.1%C的碳鋼在930℃滲碳，滲到0.05cm的地方碳的濃度達(dá)到0.45%。在t>0的全部時(shí)間，滲碳?xì)夥毡３直砻娉煞譃?%，假設(shè)D=2.0×10-5exp(-140000/RT)(m2/s)。(a)計(jì)算滲碳時(shí)間；(b)若將滲層加深一倍，則需多長(zhǎng)時(shí)間？(c)若規(guī)定0.3%C作為滲碳層厚度的量度，則在930℃滲碳10小時(shí)的滲層厚度為870℃滲碳10小時(shí)的多少倍？解：(a)由Fick第二定律得：t1.0×104(s)（5分）(b)由關(guān)系式，得：，兩式相比，得：當(dāng)溫度相同時(shí)，D1=D2,于是得：（5分）（c）因?yàn)椋簍930=t870,D930=1.67×10-7(cm2/s)D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143)=8.0×10-8(cm2/s)所以：（倍）（5分）一塊含0.1%C的碳鋼在930℃、1%碳濃度的氣氛中進(jìn)行滲碳處理，經(jīng)過11個(gè)小時(shí)后在0.05cm的地方碳的濃度達(dá)到0.45%，若要在0.08cm的深度達(dá)到同樣的滲碳濃度，則需多長(zhǎng)時(shí)間？a解：由Fick第二定律得：即由題意可知，兩種情況下滲碳前后濃度相同且滲碳溫度相同，即（5分）故（10分，不準(zhǔn)確扣1分）要在0.08cm深度達(dá)到同樣的滲碳深度，需28.16小時(shí)。有兩種激活能分別為E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的擴(kuò)散反應(yīng)。溫度從25℃升高到600℃時(shí)，這兩種擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)有何變化，并對(duì)結(jié)果作出評(píng)述。解：由得：對(duì)于溫度從298K提高到873K，擴(kuò)散速率D分別提高4.6×109和9.5×1028倍，顯示出溫度對(duì)擴(kuò)散速率的重要影響。激活能越大時(shí)，擴(kuò)散速率對(duì)溫度的敏感性越大。補(bǔ)充：（1）在950下對(duì)純鐵滲碳，希望在0.1mm的深度得到w1(c)=0.9%的碳含量。假設(shè)表面碳濃度保持在w2(c)=1.20%，擴(kuò)散系數(shù)DFe=10-10m2/s。計(jì)算為達(dá)到次要求至少要滲碳多少時(shí)間？（2）分析題：對(duì)于晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散，假設(shè)擴(kuò)散激活能Q晶界=1/2Q晶內(nèi)，試畫出其LnD相對(duì)溫度導(dǎo)數(shù)1/T的曲線，并指出約在哪個(gè)溫度范圍內(nèi)晶界擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。第5章已知H70黃銅（30%Zn）在400℃的恒溫下完成再結(jié)晶需要1小時(shí)，而在390℃完成再結(jié)晶需要2小時(shí)，試計(jì)算在420℃恒溫下完成再結(jié)晶需要多少時(shí)間？解：再結(jié)晶是一熱激活過程，故再結(jié)晶速率，而再結(jié)晶速率和產(chǎn)生某一體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間t成反比，即，故。兩個(gè)不同的恒定溫度產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)晶時(shí)，兩邊取對(duì)數(shù)同理有 已知t1=1小時(shí)，t2=2小時(shí)，代入上式可得t3=0.26（小時(shí)）鐵的回復(fù)激活能為88.9kJ/mol，如果經(jīng)冷變形的鐵在400℃進(jìn)行回復(fù)處理，使其殘留加工硬化為60%需160分鐘，問在450℃回復(fù)處理至同樣效果需要多少時(shí)間？解：同上題，有故已知單相黃銅400℃恒溫下完成再結(jié)晶需要1小時(shí)，而350℃恒溫時(shí)，則需要3小時(shí)，試求該合金的再結(jié)晶激活能。已知R=8.314J/(mol﹒K)。a解：再結(jié)晶是一熱激活過程，故再結(jié)晶速率，而再結(jié)晶速率和產(chǎn)生某一體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間t成反比，即，故。兩個(gè)不同的恒定溫度產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)晶時(shí)，故(KJ/mol)已知平均晶粒直徑為1mm和0.0625mm的a-Fe的屈服強(qiáng)度分別為112.7MPa和196MPa，問平均晶粒直徑為0.0196mm的純鐵的屈服強(qiáng)度為多少？解：根據(jù)Hall-Petch公式： 解得 ∴已知條件：v=0.3,GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa，指出Cu與a-Fe兩晶體易滑移的晶面和晶向，并分別求出它們的滑移面間距、滑移方向上的原子間距以及點(diǎn)陣阻力。解：Cu：滑移面為{111}，滑移方向<110>因此，d{111}=，b<110>=Fe：滑移面為{110}，滑移方向<111>因此，d{110}=，b<111>=第6章已知條件：鋁的熔點(diǎn)Tm=933K，單位體積熔化熱Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ=93×10-3J/m2，原子體積V0=1.66×10-29m3。考慮在一個(gè)大氣壓下液態(tài)鋁的凝固，對(duì)于不同程度的過冷度，即：ΔT=1，10，100和200K，計(jì)算：(a)

臨界晶核尺寸；(b)

半徑為r*的晶核個(gè)數(shù)；(c)

從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)，單位體積的自由能變化ΔG*（形核功）；(d)

從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)，臨界尺寸r*處的自由能的變化ΔGv(形核功)。將不同ΔT情況下得到的計(jì)算結(jié)果列表。1℃10℃100℃200℃r*/nm94.59.450.9450.472N/個(gè)2.12×1082.12×1052.12×10226.5ΔG*/(J/m3)-1.97×106-1.97×107-1.97×108-3.93×108ΔGv/J3.43×10-153.43×10-173.43×10-190.87×10-19已知液態(tài)純鎳在1.013×105Pa(1個(gè)大氣壓)，過冷度為319℃時(shí)發(fā)生均勻形核。設(shè)臨界晶核半徑為1nm，純鎳的熔點(diǎn)為1726K，熔化熱Lm=18075J/mol，摩爾體積V=6.6cm3/mol，計(jì)算純鎳的液-固界面能和臨界形核功。解：1mol材料的熔化潛熱，凝固過程中（1）液-固界面能=0.253(J/cm2)（2）臨界形核功，G*=1.06*10-18(J)第7章Pb-Sn二元合金的平衡相圖如下圖所示，已知共晶點(diǎn)為Sn%=61.9。試?yán)酶軛U原理計(jì)算Pb-40Sn及Pb-70Sn兩種合金共晶反應(yīng)完成后，凝固組織中相和相的成分百分比。Mg-Ni系的一個(gè)共晶反應(yīng)為：L(23.5Wt.%Ni)——>α(純鎂)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)，如圖所示。設(shè)C1為亞共晶合金，C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的重量分?jǐn)?shù)相等，但C1合金中的α總量為C2合金中的α總量的2.5倍，試計(jì)算C1和C2的成分。23.523.554.6506℃Mg質(zhì)量比Mg2Ni解：C1和C2合金的先共晶相分別為α-Mg和Mg2Ni