固体物理—简答题

1试述位错反应及其能否进行的条件。答：由几个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为几个新位错的过程称为位错反应。位错反应能否进行，取决于两个条件：⑴几何条件，即反应前各位错的柏氏矢量之和应等于反应后的柏氏矢量之和。⑵能量条件，即反应后各位错的总能量应小于反应前的总能量。由于位错的能量正比于柏氏矢量的平方，故此条件可写为22bb后前2解释在固熔强化效果上间隙机制优于置换机制的原因。答：间隙式熔质原子的强化效果一般要比置换式熔质原子更显著。这是因为间隙式熔质原子往往择优分布在位错线上，形成间隙原子“气团”，将位错牢牢钉扎住，从而造成强化。相反，置换式熔质原子往往均匀分布，虽然由于熔质和熔剂原子尺寸不同，造成点阵畸变，从而增加位错运动的阻力，但这种阻力比间隙原子气团的钉扎力小得多，因而强化作用也小得多。3简述纯金属晶体长大的机制及其与固－液界面结构的关系。答：晶体长大机制是指晶体微观长大方式，它与液－固界面结构有关。具有粗糙界面得物质，因界面上约有50％的原子位置空着，这些空位都可接受原子，故液体原子可以单个进入空位与晶体相连接，界面沿其法线方向垂直推移，呈连续式长大。具有光滑界面的晶体长大，不是单个原子的附着，而是以均匀形核的方式，在晶体学小平面上形成一个原子层厚的二维晶核与原界面形成台阶，单个原子可以在台阶上填充，使二维晶核侧向长大，当该层填满后，则在新的界面上形成新的二维晶核，继续填满，如此反复进行。若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头，则该界面称为螺旋面，并形成永不消失的台阶，原子附着到台阶上使晶体长大。4脱熔分解与调幅分解在形成析出相时最主要的区别是什么？答：两者在形成析出相时最主要的区别在于形核驱动力和新相的成分变化。脱熔分解时，形成新相要有较大的浓度起伏，新相与母相的成分相比较有突变，因而产生界面能，这也就需要较大的形核驱动力以克服界面能，亦即需要较大的过冷度。而对调幅（Spinodal）分解，没有形核过程，没有成分的突变，任意小的浓度起伏都能形成新相而长大。5.何谓同素异构现象？试以铁为例加以阐述，并分析a-Fe¾®g-Fe的体积变化情况。答：材料在不同的条件下（非成分）改变其结构（空间点阵或分子结构）的现象。a-Fe¾®g-Fe相变后其致密度增大，即体积缩小。6.为何亚共析钢的正常淬火加热温度应在Ac3以上适当的温度，而过共析钢的正常淬火加热温度应在Ac1和Accm之间一定的温度？答：亚共析钢的正常淬火加热温度在Ac3以上适当的温度便可实现完全A化。过共析钢的正常淬火加热温度在Ac1和Accm之间一定的温度便可实现A化又使二次渗碳体有适量的溶解配位数：它是表示晶体中原子排列紧密程度的方法之一，计算每个原子周围最近邻且等距离的原子数目。固熔体：固态下一种组元（熔质）熔解在另一种组元（熔剂）中而形成的新相，其特点是具有熔剂组元的点阵类型。动态过冷度：晶核生长时液－固界面要继续向液体中移动，就必须在液－固界面前沿液体中有一定的过冷，这种过冷度称为动态过冷度。伪共晶：在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。自扩散：纯物质晶体中的扩散称为自扩散。由于不存在浓度梯度，自扩散产生于晶体中原子的无规则随机运动。滑移变形：晶体的一部分相对于另一部分的滑动所形成的变形；其机理是位错移动。固溶强化：溶质原子对固溶体造成的晶格畸变致使固溶体强度升高的现象。组织细化强化：由相变、塑变等工艺措施致使材料组织细化（晶粒、亚晶粒、畴等）造成材料强度升高的现象。单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。线缺陷（Lineardefects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成点缺陷（Pointdefects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位vacancies、间隙原子interstitialatoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。面缺陷（Planardefects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grainboundaries、相界phaseboundaries、孪晶界twinboundaries、堆垛层错stackingfaults等。晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermalequilibriumdefects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturatedpointdefects)。位错：当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。刃型位错线可以理解为已滑移区和未滑移区的分界线，它不一定是直线螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的。螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式。柏氏矢量b:用于表征不同类型位错的特征的一个物理参量，是决定晶格偏离方向与大小的向量，可揭示位错的本质。位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量b方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现。交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。如果交滑移后的位错再转回到和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=L/V(cm-2)一般，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目=n/A(cm-2)位错滑移的特点1)刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与位错线平行；2)无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（伯氏矢量方向代表晶体的滑移方向）3)刃型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向一致，而螺型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向垂直；4)位错滑移的切应力方向与柏氏矢量一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。5)对螺型位错，如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移(双交滑移）派-纳力：晶体滑移需克服晶体点阵对位错的阻力，即点阵阻力位错的攀移（非守恒运动）：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动，主要是通过原子或空位的扩散来实现的（滑移过程基本不涉及原子的扩散）。位错在某一滑移面上运动时，对穿过滑移面的其它位错（林位错）的交割。包括扭折和割阶。扭折：位错交割形成的曲折线段在位错的滑移面上时，称为扭折。割阶：若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。位错交割的特点1)运动位错交割后，在位错线上可能产生一个扭折或割阶，其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量，但具有原位错线的柏氏矢量(指扭折或割阶的长度和方向)2)所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。3)扭折与原位错线在同一滑移面上，可随位错线一道运动，几乎不产生阻力，且在线张力的作用下易于消失；4）割阶与原位错不在同一滑移面上，只能通过攀移运动，所以割阶是位错运动的障碍---割阶硬化位错的应变能：位错周围点阵畸变引起的弹性应力场，导致晶体能量的增加，称为位错的应变能或位错的能量。重合位置点阵：当两个相邻晶粒的位相差为某一值时，若设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律的相互重合。由这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。全位错Perfectdislocation：柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错，全位错滑移后晶体原全位错滑移后晶体原子排列不变不全位错Imperfectdislocation：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错，不全位错滑移后晶体原子排列规律变化部分位错Partialdislocation：柏氏矢量小于点阵矢量的位错堆垛层错：实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错，简称层错。位错反应：位错线之间可以合并或分解，称为位错反应界面interface：通常包含几个原子层厚的区域，其原子排列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维结构分布，也称为晶体的面缺陷。包括：外表面和内界面外表面：指固体材料与气体或液体的分界面。它与摩擦、吸附、腐蚀、催化、光学、微电子等密切相关。内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、层错、相界面等。表面能：晶体表面单位面积自由能的增加，可理解为晶体表面产生单位面积新表面所作的功γ=dW/ds小角度晶界：（Low-anglegrainboundary）相邻晶粒的位相差小于10º亚晶界一般为2º左右。对称倾斜晶界：(symmetrictiltboundary)晶界两侧晶体互相倾斜晶界的界面对于两个晶粒是对称的，其晶界视为一列平行的刃型位错组成。大角度晶界：（High-anglegrainboundary）相邻晶粒的位相差大于10º孪晶Twins：两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶；这一公共晶面称为孪晶面(孪晶界)Twinplane(boundary)。相界：具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”非共格界面(non-coherentinterface)：当两相邻晶体在界面处的晶面间距相差很大时，这种相界与大角度晶界相似，可看成是由原子不规则排列的薄过渡层构成变形塑性变形的方式：主要通过滑移和孪生、还有扭折。滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移带：滑移线的集合构成滑移带，滑移带是由更细的滑移线所组成，滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系临界切应力：滑移只能在切应力的作用下发生，产生滑移的最小切应力称临界切应力。滑移是通过滑移面上的位错的运动来实现的孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面孪生与滑移的主要区别1孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向改变。2孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。3孪生所需要的切应力比滑移大得多，变形速度大得多退火孪晶：由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶位错的塞积：当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也越大