材料科学基础复习题

山东大学材料学院考研复习资料

1 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？

答：金属键是由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，金属的延展性就是由于在金属被锻造的时候，只是引起了金属阳离子的重新排布，而由于自由电子可以在整块金属内自由流动，金属键并未被破坏。由于自由电子的存在使金属很容易吸收光子而发生跃迁，发出特定波长的光波，因而金属往往有特定的金属光泽。

2 柯氏气团是如何形成的？它对材料行为有何影响？P13

金属内部存在的大量位错线，在位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别），形成所谓的“柯氏气团”。

气团的形成会导致位错运动阻力的增加，进而提高材料的强度。

3简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点

合金相从结构上可将其分为固溶体，化合物，陶瓷晶体相，玻璃相及分子相5类。

结构：虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但若与纯组元相比，结构还是发生了变化，有的变化还相当大，主要表现在以下凡个方面：晶格畸变；偏聚与有序；有序固溶体 性能，固溶强化：随着溶质浓度的增加强度硬度升高塑性韧性下降

强化效果： 1. 原子尺寸相差越大晶格畸变越大强化效果越好

综合起来看，固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机械性能，因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。

4固溶体与纯金属的结晶有何不同？

和纯金属不同，固溶体合金的结晶有其显著特点，主要表现在以下两个方面：异分结晶，固溶体合金的结晶需要一定的温度范围

（1）异分结晶 异分结晶和同分结晶： 固溶休合金结品时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。 而纯金属结晶时，所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，所以称之为同分结晶。

（2）固溶体合金的结晶需要一定的温度范围 固溶体合金的结晶要在一定的温度范围内进行：在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相的成分和液相的成分分别沿固相线和液相线而连续地改变，直至固相线的成分与原合金的成分相同时，才结晶完毕。这就意味着固溶体合金在结晶时始终进行溶质和溶剂原子的扩散过程。固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散

5试述含碳量对平衡组织和性能的影响

1．碳含量对平衡组织的影响 不同成分的铁碳合金在共析温度以下都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化，所以，不同成分的铁碳合金室温下具有不同的组织和性能。其室温组织变化情况如下： F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Ld′

+Fe3C

2．含碳量对力学性能的影响 钢中铁素体为基体，渗碳体为强化相，而且主要以珠光体的形式出现，使钢的强度和硬度提高，故钢中珠光体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧性相应降低。但过共析钢中当渗碳体明显地以网状分布在晶界上，特别在白口铁中渗碳体成为基体或以板条状分布在莱氏体基体上，将使铁碳合金的塑性和韧性大大下降，以致合金的强度也随之降低，这就是高碳钢和白口铁脆性高的主要原因。

6指出Fe-Fe3C相图中适合锻造、铸造、冷塑变、热处理加工的成分范围，说明原因。 7渗碳为什么在奥氏体中而不在铁素体中进行？

虽然碳原子在α-Fe比γ-Fe中扩散系数大（１分），但钢的渗碳通常在奥氏体区进行，因为可以获得较大的渗层深度。因为：奥氏体的溶碳能力大，1148℃时最大值可达2.11%，远比铁素体(727℃，0.0218%)大。

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8试分析材料强化的常用方法，机制及适用条件。

1.形变强化

形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。

方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。

形对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。

2.固溶强化

随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。 强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

方法：合金化，即加入合金元素。

3、第二相强化

钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。

①网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；

②第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合σs=σ0＋KS0-1/2的规律，S0 片层间距。

③第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合 Gb

的规律，

λ粒子之间的平均距离。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；

④片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；

⑤沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。

第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。

方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。

4、细晶强化

细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。

细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。 机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据 n 0，应力集中越小，所以材料的强度越高。

细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式σs=σ0＋Kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（σs）越高。

细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。

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9. 为何晶粒越细、材料的强度越高，其塑韧性也越好？

晶粒越细小，晶界越多，其阻碍位错运动阻力越大，故强度提高。

晶粒越细，在变形的同时可以分散在更多晶粒内变形，且应力集中较小，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，故体现出较好的塑性。

晶粒越细，裂纹越不容易萌生（应力集中较小），越不容易传播（晶界多 并且曲折）因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。

10热加工和冷加工是如何划分的，分析热加工和冷加工过程中的组织与性能变化。 冷加工是指在再结晶温度以下的变形。变形后具有明显的加工硬化现象(冷变形强化)。 如冷挤压、冷轧、冷冲压等。

热加工是指在再结晶温度以上的变形。在其变形过程中，其加工硬化随时被再结晶所消除。因而，在此过程中表现不出加工硬化现象。

如热轧、热锻、热挤压等。

冷加工：（1）金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。

（2）金属经大的塑性变形时， 由于位错的密度增大并发生交互作用，大量位错堆积在局部地区， 并相互缠结， 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块， 从而在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）

（3）在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称为形变织构。

（4）在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密度减少，是造成金属显微裂纹的根源。

热加工：

（1）改善组织，提高性能

改造铸态组织---压缩（焊合）铸态金属的组织的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷。细化晶粒---轧制破坏粗大柱状晶、树枝晶，通过热变形与再结晶形成细小等轴晶粒，甚至亚晶组织。破碎夹杂物---破碎夹杂物和第二相并改变它们的分布状态，有效改善材料性能

（2）热变形形成加工流线，出现各项异性---热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的力学性能特别是塑性和韧性具有方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。

（3）形成带状组织---复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替呈带状分布的组织。往往是由于枝晶偏析或夹杂物在压力加工过程中被拉长所造成的。

11固态相变与凝固两过程有何异同？

与液态金属结晶凝固相比较，有相同之处，也有相异之处

相同之处：相变驱动力都是新旧两相之间的自由能差；相变都包含形核与长大两个基本的过程

相异之处：

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12说明固态相变比液态材料结晶阻力大的原因P114

13说明晶体缺陷促进固态相变形核的原因

晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、空位、晶界和亚晶界等。母相中存在缺陷，由于缺陷周围有晶格畸变，自由能较高，在此处形成同样大小的晶核比其他区域获得更大的驱动力，新相晶核往往优先在这些缺陷处形成。母相晶粒越细小，晶界越多，晶内缺陷越多，形核率越高，转变速度越快。

14再结晶和调幅分解是相变过程吗，为什么？

再结晶虽然是形核—长大过程，但晶体点阵类型并未改变，故不是相变过程。

调幅分解(也称为增幅分解) 是指过饱和固熔体在一定温度下分解成结构相同、成分不同 两个相的过程。是相变过程。

15试述马氏体高强度、高硬度的原因

马氏体具有高硬度和高强度的原因是多方面的，其中主要包括固溶强化、相变强化、时效强化以及晶界强化等。

(1)固溶强化。首先是碳对马氏体的固溶强化。过饱的间隙原子碳在a相晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个强烈的应力场。该应力场与位错发生强烈的交换作用，阻碍位错的运动从而提高马氏体的硬度和强度。

(2)相变强化。其次是相变强化。马氏体转变时，在晶格内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都阻碍位错的运动，使得马氏体强化。这就是所谓的相变强化。

(3)时效强化。时效强化也是一个重要的强化因素。马氏体形成以后，由于一般钢的点Ms大都处在室温以上，因此在淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自回火。即碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉轧位错，使位错难以运动，从而造成马氏体的时效强化。

16固态相变与凝固所涉及的能量变化有何异同

与液固相变相比，除界面能以外，固态相变形核增加了一项应变能。

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17晶体缺陷对材料行为的影响

促进非均匀形核

晶体缺陷对材料性能的影响

（1）点缺陷对材料性能的影响

空位是金属晶体结构中固有的点缺陷。点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等。

1. 比容:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，导致晶体体积增大

2．比热容:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。

3．电阻率:在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。

4. 电阻：增加电阻，晶体点阵的有序结构被破坏，使原子对自由电子的散射效果提升。

（2）线缺陷对材料性能的影响

位错是一种及重要的晶体缺陷，他对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用，塑性变形就其原因就是位错的运动，而强化金属材料的基本途径之一就是阻碍位错的运动，另外，位错对金属的扩散、相变等过程也有重要影响。

（3）面缺陷对材料性能的影响

1. 面缺陷的晶界处点阵畸变大，存在晶界能，晶粒长大与晶界平直化使晶界面积减小，晶界总能量降低，这两过程通过原子扩散进行，随温度升高与保温时间增长，有利于这两过程的进行。

2. 面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化，而高温下刚好相反，高温下晶界又粘滞性，使相邻晶粒产生相对滑动。

3. 面缺陷处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处也有较多缺陷，故晶界处原子的扩散速度比晶内快

4. 固态相变中，晶界能量较高，且原子活动能力较大，新相易于在晶界处优先形核，原始晶粒越细，晶界越多，新相形核率越大。

5．由于成分偏析和内吸附现象，晶界富集杂质原子情况下，晶界熔点低，加热过程中，温度过高引起晶界熔化与氧化，导致过热现象。

6. 晶界处能量较高，原子处于不稳定状态，及晶界富集杂质原子的缘故，晶界腐蚀速度较快。

18材料组织结构、加工工艺、化学成分和性能四者之间的关系

金属材料的性能首先取决于其内部组织结构，而内部组织结构又取决于化学成分和加工工艺条件。