材料科学基础复习题答案

材料科学基础复习题答案2.为什么细金化能提高材料的强度和断裂韧性？答：因为晶粒平均直径越小，位错源到晶界的距离越小，所塞积的位错数目越少，所引起的应力集中不严重。此外，晶粒平均直径较小时，与应力集中作用半径差不多，可使晶内与晶界附近的应力度相差不大，使变形更均匀，因应力集中产生的裂纹机会少，故细金化能提高材料的强度和断裂韧性。4.晶体、非晶体、准晶体的异同？答：晶体：长程有序，短程有序；非晶体：长程无序，短程有序；准晶体材料：长程有序不完善，短程有序；不能平移。5.影响晶体生长形态的外因？（简答型）答：温度、杂质、涡流、黏度、结晶速度、晶体析出先后次序、地质条件。8.晶体的缺陷有哪些？以及各种缺陷对晶体性能的影响？（简答型，或扩展为阐述分析型大题）答：（1）点缺陷、线缺陷和面缺陷。（2）如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷、线缺陷和面缺陷都会造成晶格畸变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。1．在立方系中，晶面族{123}中有24组平面，晶面族{100}中有3组平面。2．获得高能量的原子离开原来的平衡位置，进入其它空位或迁移至晶界或表面，形成肖脱基空位。如果离位原子进入晶体间隙，形成费仑克尔空位。11．金属的热变形是指金属材料在再结晶温度以上的加工变形，在此过程中，金属内部同时进行着加工硬化和回复再结晶软化两个过程。12.扩散的驱动力是化学位梯度；再结晶的驱动力为冷变形所产生的储存能的释放；再结晶后晶粒的长大的驱动力是：晶粒长大前后的界面能差，纯金属结晶的驱动力是温度梯度。15．材料的结合方式有原子键、离子键、金属键和范德华力四种化学键结合方式。17.刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，刃型位错移动的方向与b方向一致。螺型位错的移动方向与柏氏矢量b垂直，螺型位错的柏氏矢量b方向与位错线t的方向平行。20．由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，且取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因。23．材料中质点的扩散机制主要有间隙扩散机制和置换扩散机制两种。24.在过冷度不很大时，形核率主要受形核功因子的控制，当过冷度非常大时，形核率主要受扩散因子控制。29、再结晶的驱动力是冷变形所产生的储存能的释放。30、在金属材料制备工艺中，影响扩散的因素有：温度、固溶类型、晶体结构、浓度、合金元素、短路扩散。31、晶体的缺陷有：点缺陷、线缺陷和面缺陷等。32、Griffith理论认为由于材料中已有现成的裂纹，实际断裂强度达不到理论强度。33、热加工造成混晶的原因是：热变形中止或终止，材料仍处在高温，可发生静态再结晶，其晶粒尺寸比动态再结晶晶粒尺寸约大一个数量级。1、钢件通过加热、保温和冷却，可以改变其组织状态，在钢的热处理工艺中，有临界温度点、加热速度和保温时间等参数是比较重要的工艺条件。8、在冷塑变过程中，外力所作的功大部分转化为热，尚有一部分（约10%）转化为以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能。储存能的具体表现形式有：宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变。4．在粗糙界面和负温度梯度下易生长形成树枝状晶体。（√）5．虽然体心立方金属滑移系多于面心立方，但面心立方金属的可塑性好。（×）7．回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。（√）8．超塑性不靠滑移进行，而是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。（√）10．如果固体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散。（×）12．孪晶关系指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面（孪晶界）构成镜面对称的位向关系。（√）1.应力：单位面积上所承受的附加内力。2.加工硬化：从机械性能能看，材料通过加工后，形变量越大，形变金属的强度和硬度越高，而塑性韧性下降，这便是加工硬化。3.形变织构：金属冷塑性变形时，晶体要发生转动，使金属晶体中原为任意取向的各晶粒逐渐调整到取向彼此一致，这就形成了晶体的择优取向，称为形变织构。4.硬取向：晶体中有些滑移系与外力取向偏离45º很远，需要较大的σs值才能滑移，称为硬取向。5.上坡扩散：强调扩散的驱动力不是浓度大的向浓度小的地方扩散，而是浓度小的向浓度大的地方扩散。6.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。7.再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程。2、根据公式KIC=σ(πa)1/2讨论细晶化对材料断裂韧性的影响？答：细晶化可使晶粒变小，一方面晶界应力变少，另一方面晶界变多，晶界处位错吸收更多能量。要想材料断裂，则外加应力σ要加大，由公式知，断裂韧性KIC变大。7、热加工造成混晶的原因及措施（P157面）？答：（1）原因：热变形终止，由于材料仍然处在高温，可发生静态再结晶，静态再结晶粒尺寸比动态再结晶晶粒尺寸大约一个数量级。（2）措施：通过调整热加工工艺温度、变形度、应变速率或变形后的冷却速度可控制动态再结晶过程，改善材料性能。8、简要阐述：（1）超塑性的含义；（2）材料获得超塑性的条件。（P158面）答：（1）某些金属材料在特定条件下拉伸可获得特别大的延伸率，这种性能称为超塑性。（2）条件：①变形一般在0.5-0.65T熔进行②应变速率应加以控制，通常（1%-0.1%）·s-1③在超塑性变形温度下，材料具有细微等轴晶粒（≤10um）的组织。④金属具有超塑性时，其流变应力σ和应变速率ε满足：σ=K·ε^m2、某一材料晶体结构为离子键结合，半径小的质点取代晶格中半径大的质点后，试分析：（1）对材料内部应力场的影响,(2)对材料力学性能和失效的影响。3、（1）根据晶体材料中晶体的概念和特征，阐述晶体、非晶体和准晶体的差异，（2）用相关温度曲线分析高温熔体在冷却中制备成晶体、非晶体的原理和工艺措施。答：（1）晶体是内部质点在三维空间周期性的重复排列构成的固体物质，具有远程规律；而非晶体，其中内部质点的排列虽然也遵从一定晶体结构的框架，但它只是在小范围内是完全规则的，而在大范围内则不是，具有近程规律；准晶体的内部质点排列具有远程规律，但没有平移周期，物态介于晶体与非晶体之间。（2）在高温合金熔体冷却中，使金属熔体缓慢冷却，以致形成有序的晶态合金；使金属熔体在瞬间冷凝，以致金属原子还处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”，形成非晶态合金。熔体结晶时，其比容发生突变，转变为非晶态时比容连续变化，通过提高冷速、增大过冷度来减小Tm-Tg间隔，促进非晶态合金形成。2、晶间断裂和晶内断裂的内容晶间断裂：当沿晶断裂断口形貌呈粒状时又称晶间颗粒断裂3、滑移系数目与材料塑性的关系：（1）一般滑移系越多，塑性越好；（2）滑移面密排程度和滑移方向个数有关7、对高温合金熔体进行急冷，可能获得非晶态合金、微晶合金和准晶合金，请阐述：（1）这三种形态合金的结构差别，（2）在高温合金熔体冷却中形成晶态和非晶态合金的工艺有什么不同？（结合结晶学和书本P61的理论和图形3.20）答：.（1）非晶态合金：在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序结构的非晶态金属。微晶合金：利用急冷技术获得晶粒尺寸达微米和纳米的超细晶粒合金材料。准晶合金：具有五次对称轴的晶体，其原子在晶体内部是长程有序的具有准周期性，是介于晶体与非晶体之间的一类晶体。（2）在高温合金熔体冷却中，使金属熔体缓慢冷却，以致形成有序的晶态合金；使金属熔体在瞬间冷凝，以致金属原子还处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”，形成非晶态合金。熔体结晶时，其比容发生突变，转变为非晶态时比容连续变化，通过提高冷速、增大过冷度来减小Tm-Tg间隔，促进非晶态合金形成。