材料科学基础简答题和论述题

第四章固体中原子及分子的运动1.研究扩散的两种方法表象理论——根据所测参数描述物质传输的速率和数量等原子理论——扩散过程中原子是如何迁移的2.柯肯达尔效应定义：因相对扩散系数不同引起原子对接面移动的不均衡扩散现象意义：①否定了置换固溶体扩散的换位机制，支持了空位扩散机制；②揭示了扩散宏观规律和微观机制的内在联系3.引起上坡扩散的情况①弹性应力作用，存在弹性应力梯度使大半径原子跑向点阵伸长部分，小半径原子跑向受压部分，从而造成溶质原子分布不均匀；②晶界内吸附，晶界能量比内部高且排列不均，如果原子溶质原子位于晶界能降低体系自由能，原子会向晶界扩散，造成晶界原子浓度较高；③大电场或温度场，促使原子按一定方向扩散，造成扩散不均匀4.实现空位扩散具备的条件①扩散原子附近有空位；②邻近空位的原子有可越过能垒的自由能5.影响扩散激活能的因素①扩散机制；②晶体结构；③原子结合力；④合金成分6.反应扩散的特点①在相界面处产生浓度突变，突变的浓度对应相图中的极限溶解度②二元系发生反应扩散，扩散中渗层各部分都不可能有两相混合区出现，原因可用相的热力学平衡条件解释：如果出现两相混合区，则两相化学势必然相等，即化学势梯度为零，区域中就没有扩散驱动力，扩散不能进行7.影响扩散的因素①温度，温度越高，扩散系数越大，越容易扩散；②固溶体类型，间隙固溶体——激活能小，扩散容易；置换固溶体——激活能大，扩散困难；③晶体结构，致密度小方向，激活能小；同素异构转变时，扩散系数改变；④晶体缺陷，缺陷处扩散激活能较晶内小；⑤化学成分，不同金属其点阵原子间结合力不同，而原子扩散需破坏邻近原子结合力；⑥应力作用，应力越大，驱动力越大，扩散越快8.离子扩散速率通常远小于金属原子的扩散速率①离子键结合能大于金属键的结合能，扩散所需克服的能垒较大；②为了保持电中性，需产生成对缺陷，增加了额外的能量；③扩散离子只能进入具有同样电荷的位置，迁移距离较长第五章材料的变形与再结晶1.弹性变形的特征①可逆性，加载时变形，卸载后恢复原状②应力应变之间存在线性关系，服从胡克定律③材料最大弹性变形量随材料的不同而异2.弹性不完整性①包申格效应，材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4%），而后同向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低的现象；②弹性后效，在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象；③弹性滞后，应变落后于应力，在曲线σ-ε上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线的现象，弹性滞后表面加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功，多余的即为内耗；④循环韧性，金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力3.滑移系和滑移带的区别与联系①滑移线，每一层晶面滑动后在表面出现的滑移痕迹②多根滑移线构成一个滑移带③光镜下观察到的是滑移带，电镜下观察到的是滑移线4.滑移面和滑移方向往往是晶体中排列最密的晶面和晶向①原子密度最大的晶面其面间距离最大，点阵阻力最小②原子密度最大的晶向，原子间距离最短，位错b最小5.实际测得晶体滑移临界分切应力值较理论计算值低3-4个数量级①晶体滑移并不是晶体一部分相对于另一部分沿滑移面作刚性位移②而是借助位错在滑移面上运动来逐步进行的（孪生借助肖莱克不全位错的运动）6.滑移的特点①滑移后，晶体的点阵类型不变；②晶体内部各部分位向不变；③滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍；④滑移后，在晶体表面出现一系列台阶7.位错运动的阻力（导致晶体强化）①点阵阻力，位错从一个平衡位置运动到另一个平衡位置所克服的势垒；②位错与位错的交互作用产生阻力③运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶对位错有钉扎作用④位错与其他晶体缺陷交互作用产生阻力，如点缺陷、晶界、第二相质点等8.孪生的特点①在切应力作用下发生，所需的临界切应力比滑移大很多②孪生是一种均匀切变③孪晶两部分晶体形成镜面对称的位向关系9.形成孪晶的方式①机械孪晶/变形孪晶，通过机械变形方式产生，呈透镜状或片状②生长孪晶，晶体自气态、液态或固体中长大时形成的③退火孪晶，变形金属在再结晶退火过程中通过堆垛层错形成的10.滑移方向、滑移面、孪生方向、孪生面孪生发生难易顺序与滑移相反fccbcchcp滑移面{111}{110}{0001}滑移方向110111112_0孪生面{111}{112}{101_2}孪生方向1121111_01111.滑移带和孪晶的显微特征①滑移带不穿过晶界，滑移变形没有破坏晶体内部原子排列规律，可以抛光去除②机械孪晶也在晶粒内，孪晶与基体位向不同，不能抛光去除③退火孪晶以大条状分布于晶内，孪晶界面平直，不能抛光去除12.多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移①任意变形均可用、、、、、6个应变分量表示②塑性变形时，晶体体积不变(∆=++=0)③所以只有5个应变分量，每个应变分量由一个独立滑移系产生13.多晶体塑性变形的特点①各晶粒变形不同时性②各晶粒变形相互协调性③变形的不均匀性14.晶粒大小与性能的关系①晶粒越细，强度越高，晶界越多，位错运动阻力越大，强度越高；②晶粒越细，塑性提高，晶粒越多，变形分散、均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量；③晶粒越细，韧性提高，细晶材料中，应力集中小，裂纹不易产生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量15.霍尔-配奇公式适用性210Kds①亚晶粒大小或片状两相组织层片间距与屈服强度的关系②塑性材料流变应力与晶粒大小的关系③脆性材料的脆断应力与晶粒大小的关系④金属材料的疲劳强度或硬度与晶粒大小之间的关系⑤纳米材料的强度与颗粒度之间的关系(很大范围内满足)16.蠕变机制（恒压下，一定温度下，发生的缓慢而连续的塑性流变现象）①回复蠕变，滑移受阻，加大应力，发生攀移，攀移后继续滑移，使回复过程充分进行②扩散蠕变，空位的移动造成的③晶界滑动蠕变，晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，促进蠕变进行16.细晶粒多晶体另一高温变形机制——空位扩散蠕变机制①设多晶体中的四方晶粒ABCD受拉伸变形，则其受拉晶界AB和CD附近容易形成空位，空位浓度较高；而受压的晶界AD和BC附近形成空位较困难，空位浓度较低。②晶粒内部存在的空位浓度梯度，使空位从高浓度的晶界AB和CD附近向低浓度的晶界AD和BC附近定向移动，而原子则发生反方向的迁移，最终导致晶粒沿拉伸方向伸长。17.固溶强化的影响因素，溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度硬度升高的现象①溶质原子的原子分数越高，强化作用越大，原子分数很低时，强化作用显著；②溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用越大；③间隙型溶质原子比置换原子强化作用大；④溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，强化作用越大18.固溶强化机制①溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用、静电交互作用②塑性变形时，位错运动改变了溶质原子在固溶体结构中以短程有序或偏聚形式分布的状态，引起系统能量增高，增加了变形阻力19.屈服现象的物理本质，应力达到一定值后，应力基本不变，应变急剧增长的现象①固溶体合金中的溶质原子或杂质原子与位错交互作用形成溶质原子气团，即柯氏气团，柯氏气团对位错有钉扎作用②位错要运动，须在更大应力作用下才能挣脱柯氏气团的钉扎，从而形成上屈服点③挣脱之后位错运动较易，应力减少，出现下屈服点和水平台20.不连续屈服现象——位错增值理论①从位错理论中得知，材料塑性变形的应变速率ε与可动位错密度ρ、位错运动平均速度ν以及伯氏矢量b成正比，而位错运动速度ν与位错受到的有效切应力τ成正相关，其中ε接近恒速②塑性变形开始前，位错被钉扎住，ρ很小，要保持ε一定，势必增大ν，使τ提高，因此上屈服点应力较高③塑性变形开始后，位错迅速增值，ρ迅速增大，要保持ε一定，必然导致ν变小，使τ下降，因此下屈服点应力较低21.应变时效的物理本质，预塑性变形试样，卸载后立即加载不出现屈服现象，卸载后放置一段时间或在200℃加热后再加载出现屈服现象，屈服应力进一步提高的现象①卸载后立即加载，由于位错已经挣脱出气团钉扎，不出现屈服点②卸载后长时间放置或经时效，溶质原子已经通过扩散重新聚集到位错周围形成气团，故屈服现象又复出现22.第二相分布对塑性变形影响①脆的第二相在晶界上呈不连续网状分布，大大降低塑韧性②第二相在晶粒内部呈片层状分布，使强度，硬度比基体金属高得多，使塑韧性下降23.第二相粒子强化作用，对位错运动的阻碍作用①不可变形粒子，借助粉末冶金方法加入，位错绕过第二相向前运动——弥散强化，强化作用与粒子的间距成反比②可变形粒子，通过时效处理从过饱和固溶体中析出，位错切过第二相向前运动——沉淀强化24.可变形粒子的强化作用①位错切过粒子，产生表面台阶，出现新的表面积，使界面能升高②当粒子是有序结构时，位错切过粒子会打乱滑移面上下的有序排列，产生反相畴界，引起能量升高③由于粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，其宽度会发生变化，引起能量升高④粒子与基体的晶体点阵不同，位错切过粒子会造成滑移面上原子错排，需额外做功，使位错运动困难⑤粒子与基体的比表体积差别，且第二相与母相间保持共格或半共格，在粒子周围产生弹性应力场与位错交互作用，阻碍位错运动⑥由于基体与粒子中滑移面取向不一致，位错切过后会产生割阶，从而阻碍位错线的运动25.塑性变形对材料组织与性能的影响①显微组织变化，随变形量增加，等轴晶粒沿变形方向伸长②亚结构变化，经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，形成位错缠结，进一步增加变形量时，大量位错发生聚集（塞积）；缠结的位错组成胞状亚结构③性能变化，产生加工硬化现象，使强度硬度增加，塑性韧性下降；物理性能变化，电阻率增大，电阻温度系数降低；化学性能变化，抗腐蚀性能降低④形变织构，由于塑性变形的结果而使晶粒有择优取向的组织，拔丝形成丝织构，轧板形成板织构⑤残余应力，塑性变形中外力所做功大部分转化成热，小部分以畸变能的形式储存在形变材料内，这部分能量叫做畸变能，畸变能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变26.加工硬化的机制、限制、利弊加工硬化机制：随塑性变形进行，位错密度增加，位错运动交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等，阻碍位错运动加工硬化的限制：试验温度不能太高，否则由于退火效应，会软化加工硬化利弊：①对于不能热处理强化的金属材料，是提高其强度的重要手段；②材料加工成型的保证；③提高零件或构件的使用安全性能；④变形阻力提高，脆断危险性提高，须用再结晶退火消除27.残余应力①第一类内应力——宏观残余应力，由于工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，其平衡范围包括整个工件，占储存能0.1%左右②第二类内应力——微观残余应力，由于晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性引起的，其作用范围与晶粒尺寸相当③第三类内应力——点阵畸变，由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷引起的，作用范围是几十到几百纳米，占储存能的80%-90%；这部分能量导致变形金属能量增加，处于热力学不稳定状态；也是回复与再结晶的驱动力28.冷变形金属在退火过程中的组织、性能和能量的变化组织变化：①回复阶段，保持纤维状或扁平状；②再结晶阶段，形成新的无畸变的等轴晶粒；③长大阶段，新晶粒相互吞并长大性能变化：①强度和硬度，回复阶段变化很小，再结晶后，明显下降；②电阻，回复阶段由于点缺陷浓度明显减少，电阻率明显下降；③内应力，回复阶段大部分宏观内应力可以消除，微观应力只有通过再结晶消除；④亚晶粒尺寸，回复前期变化不大，接近再结晶时，显著增大；⑤密度，再结晶阶段由于位错密度显著降低，变形金属密度急剧增高；⑥储能释放，温度达到应力松弛时，储能释放，回复阶段释放较小，再结晶晶粒出现的温度对应储能释放高峰29.回复过程特征①组织无变化；②宏观内应力全部消除，微观内应力大部分消除（弹性应变基本消除）；③强度硬度下降不多（位错密度下降不多），电阻率显著降低（空位减少、位错应变能降低）；④储存能少量释放30.回复动力学特征——弛豫过程特征①无孕育期；②一