南昌大学材料科学基础2014年期末复习题(3)

五、简答题：

第1章

1. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？（ 分） 答：

1、化学键包括：

? 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 2、物理键如范德华力，系次价键，不如化学键强大

3、氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性

第2章

2. 试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别（ 分）

答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、B、C、N、O等。间隙固溶体保持溶剂的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。（2分） 间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同，其成分可在一定范围内波动。组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。（2分）

当rB/rA<0.59时，通常形成间隙相，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和硬度；当rB/rA>0.59时，形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。（2分） 3. 试以表格形式归纳总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。（ 分） 答：书上表 第3章

4. 简述晶体中产生位错的主要来源。（ 分） 答：晶体中的位错来源主要可有以下几种。 晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：

①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；（ 分）

②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；（ 分）

③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。（ 分）

由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。（ 分）

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。（ 分） 5. 简述晶界具有哪些特性？c 答：

1）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。 2）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。 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。 4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。

5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”现象。 6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。

6. 对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？（ 分） 答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（1分）。推导如下：

假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的能量相当于两个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于键合能。即相同面积下，E晶界>E完整晶体键合能>2倍E表面（2分）

第4章

7. 简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。（ 分） 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

第5章

8. 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。（ 分） 答：

(1) 加工硬化: 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅

速下降。（ 分）

(2) 腐蚀速度：塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快 （ 分） (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（ 分） (4) 弹性模量：塑变使弹性模量升高（ 分）

(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。（ 分）

(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。（ 分） 9. 简述再结晶过程中的晶界弓出形核机制。（ 分）new 答：

变形量较小（<20％）的多晶体，其再结晶核心往往以晶界弓出方式形成，或称应变导致的晶界迁移，凸出形核机制。变形度较小时，多晶粒间变形不均匀性而导致多晶粒内位错密度不同。为了降低系统的自由能，通过晶界迁移，原来平直的晶界会向位错密度大的晶粒内凸出，通过吞食畸变亚晶的方式形成无畸变的再结晶晶核。 10. 简述再结晶过程中的亚晶形核机制。（ 分）new

11. 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。（ 分） 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。（ 分）

在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是在畸变

度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。（ 分）

第6章

12. 图示并分析金属材料凝固组织中树枝晶的生长过程。（画出液固界面附近的负温度梯度） 在负温度梯度情况下，金属凝固过程中液固界面上产生的结晶潜热可通过液相散失，如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则处于过冷度更大的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液相中。此时，液固界面就不可能保持平面状而是形成许多伸向液相的分枝，同时有可能在这些晶枝上长出二次枝晶臂。这种方式即为树枝晶生长方式。

第7章

13. 金属型浇铸的铸锭的宏观组织一般分为哪几个区，分析其形成原因？（ 6分） 答：

a．表层细晶区 当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。（2分）

b．柱状晶区 随着\细晶区\壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的. （2分） C．中心等轴晶区 柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。（2分）

14. 与平衡凝固相比较，固溶体的非平衡凝固有何特点？

（1）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。

（2）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。 （3）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。

15. 试分析包晶反应不平衡组织的形成过程。

实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在参与转变的液相和?相，其中液相在继续冷却过程中可能直接结晶出?相或参与其他反应，而?相仍保留在?相芯部，形成包晶反应的非平衡组织。

六、计算题：

第2章 1. 金刚石为碳的一种晶体，为复杂面心立方结构，晶胞中含有8个原子，其晶格常数

a=0.357nm，当它转换成石墨 (?2 =2.25g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？ 解：金刚石为复杂面心立方结构，每个晶胞含有8个碳原子 金刚石的密度为：??8?12?0.357?10??6.023?10?7323?3.503(g/cm3)

对于单位质量1g碳为金刚石结构时，体积为：v1=1/?1=0.285(cm3) 转变为石墨结构时，体积为：v2=1/?2=0.444(cm3) 故金刚石转变为石墨结构时体积膨胀：

v2?v1?100%?55.8% v1

第3章

2. 在Fe中形成1mol空位需要的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至 850℃时空位数目增加多少倍？ 已知空位在温度T时的平衡浓度为 解：

系数A一般在1~10之间，取A=1，则

，

R=8.31 J/K。

故 空位增加了 （倍）

3. 图解并分析包含刃型位错和螺型位错的混合位错的滑移过程。P95

第4章

4. 一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0

的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设 D=2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)。 (a) 计算渗碳时间（已知erf(0.61)=0.61）； (b) 若将渗层加深一倍，则需多长时间？

(c) 若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？ 解：

(a) 由Fick第二定律得：

t 1.0×104(s) （ 5分）

(b) 由关系式x?ADt，得：x1?AD1t1，x2?AD2t2

两式相比，得：

当温度相同时，D1=D2,于是得：

（ 5分）

（c）

因为： t930=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）

5. 在950℃下对纯铁渗碳，希望在0.1mm的深度得到w1(c)=0.9%的碳含量。假设表面碳

浓度保持在w2(c)=1.20%，扩散系数D?Fe=10-10m2/s。计算为达到次要求至少要渗碳多少时间？

6. 一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个小时后在

0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%，若要在0.08cm的深度达到同样的渗碳浓度，则需

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