湖南大学金属学复试冲刺

一、名词解释（每题5分）间隙相：原子半径较小的非金属元素如C，H，N，B等可与金属元素（主要是过渡族金属）形成间隙相或间隙化合物。这主要取决于非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rx/rm,当rx/rm0.59时，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相；当rx/rm0.59时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。应变能：物体变形过程中以应变和应力的形式贮存在物体内部的势能，又称变形能。界面能：平均在界面单位面积上的超额能量叫界面能。柯垂耳气团（又称柯氏气团）：间隙原子与位错线进行弹性交互作用时，间隙原子将在位错线附近聚集，形成小原子集团，称为柯氏气团。二、简答题（每题8分）1、简述固溶体和中间相(或金属间化合物）的区别。类别成分结构特点力学性能特点固溶体溶质浓度可在固溶度范围内变化保持溶剂的点阵类型强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低，而塑性、韧性较好中间相成分固定或在一定范围内波动，可用化学分子式表示其点阵类型不同于组成它的任一组元熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差2、简要分析韧型位错和螺型位错的异同点。答：刃型位错和螺型位错的异同点：①刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，螺型位错位错线平行于柏氏矢量；②刃型位错柏氏矢量平行于滑移运动方向，螺型位错柏氏矢量垂直于滑移运动方向；③刃型位错可作攀移运动且只有一个滑移面，螺型位错只可作滑移运动但有无数个滑移面；④两者都可以用柏氏矢量表示。3、如图所示，某晶体的滑移面上有一个柏氏矢量为b的位错环，并受到一个均匀的切应力τ的作用。试分析：(1)该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错所受力的大小和方向。(3)在τ的作用下，该位错环将要如何运动。(4)在τ的作用下，若位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？答：1.A为正刃型位错，B为右螺旋位错，C为负刃型位错，D为左螺旋位错，其它为混合型位错。2.各段位错所受的力大小均为τ|b|，方向垂直于位错线指向环外。3.在外加切应力τ的作用下，位错环将向外扩散。4.由公式τ=G|b|/2r得：在τ的作用下，此位错环要稳定不动，其最小半径为rmin=G|b|/2τ，其中G为材料的切边模量。4、简述固态相变和液态相变的相同点和不同点。相同点：①都是相变，由形核、长大组成。②临界半径，临界形核功形式相同。③转变动力学也相同。不同之处：①固态相变过程中，形核阻力中多了应变能一项，造成固态相变的临界半径及形核功增大②固态相变过程中，新相可以出现亚稳相③固态相变过程中，新相-母相之间存在共格、半共格、非共格界面④固态相变过程中，新相-母相之间存在一定的的位向关系⑤固态相变过程中，固相中的形核多为非均匀形核。5、与液-固转变相比，固态形变有哪些特点？出现这些特点的根源何在？构成相变阻力的因素有哪些？答：与液-固转变相比，固态形变有以下特点：①固态相变的阻力大：因为形核时的阻力多了应变能一项，由界面能和应变能组成。②原子迁移率低：固态金属中的原子键合远比液态中牢固，所以固体原子的扩散系数小，其原子的迁移率低。③非均匀形核：诸如非平衡空位、位错、晶粒边界、堆垛层、夹杂物和自由表面等非平衡缺陷都提高了材料的自由能，它们都是合适的形核位置。构成相变阻力的因素有界面能和应变能。6、分析再结晶过程中形核和长大与凝固过程中的行核和长大有何不同点。凝固时形核的驱动力，是新、旧相化学位差，再结晶驱动力只是形变储存能。凝固常是均匀形核；再结晶形核在现有的形变不均匀区，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围。凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时有特定的取向关系。7、简述金属结晶过程的热力学条件、结构条件、能量条件和动力学条件答：热力学条件：固态金属的吉布斯自由能低于液态金属的吉布斯自由能，即Gs-Gl=ΔG0。结构条件：液相中的结构起伏是生成晶核的基础，因此，结构起伏（相起伏）是结晶必须具备的结构条件。能量条件：当形成半径在rk~ro之间的晶核时，需要形核功，形核功由液相中的能量起伏提供。因此，能量起伏是结晶需要具备的能量条件。动力学条件：必须有动态过冷度。8、何为回复，有何特点？何为再结晶，有何特点？答：回复是冷变形金属在低温加热时，其光学显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形之前的过程。回复过程的特点：①回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。②回复过程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除。③回复过程一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。④变形储能在回复阶段部分释放。答：再结晶：经过塑性变形的金属，在重新加热过程中，当温度高于再结晶温度后，形成低缺陷密度的新晶粒，使其强度等性能恢复到变形前的水平，但其结构不变的过程。再结晶过程的特点：①组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。②力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。③变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力（点阵畸变）清除，位错密度降低。9、简述放置一段时间后退火与马上退火时对再结晶温度的影响。答：对于连续退火来说，加热速度越快，即在不同温度下停留的时间越短，则再结晶温度越高；放置一段时间后，再结晶温度下降，10、材料的主要强化机制有哪几种？其强化机制是什么？答：固溶强化、细晶强化、第二相强化、形变强化。其机理均是通过在金属中引入大量的缺陷，阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。固溶强化：利用点缺陷对位错的阻力使金属基体获得强化的一种方法。具体方法是通过在金属基体中融入一种或数种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。溶质元素可以使材料得到强化的微观机制在于：无论是间隙式固溶原子还是置换式固溶原子都会使溶剂金属的晶格产生畸变，从而产生一内应力，位错在此内应力场中运动会受到阻力。细晶强化：又称晶界强化，是指细化晶粒来提高金属的强度。其原理在于晶界对位错滑移的阻滞效应。细晶强化的微观机制在于：对于多晶体来说，位错运动必须克服晶界的阻力。这是由于晶界两侧位错的取向不同，所以在某一个晶粒中滑移的位错不能直接穿越晶界进入相邻的晶粒，只有在晶界处塞集了大量位错后引起应力集中，才能激发相邻晶粒中已有位错的运动产生滑移。所以晶粒越细，晶界越多，材料的强度就越高。第二相强化：指在金属基体（通常是固溶体）中还存在另外一个或者几个相，这些相的存在使金属的强度得到提高。因获得第二相的工艺不同，第二相强化分为①沉淀强化：通过相变热处理获得第二相②弥散强化：通过粉末烧结或内氧化获得。第二相强化的微观机制是：位错在运动过程中遇到第二相，需要切过（沉淀强化的小颗粒和弥散强化的颗粒；强度低，有一定塑性）或者绕过（沉淀强化的大颗粒；颗粒硬，不宜变形）第二相，从而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错的运动。形变强化：材料屈服以后，随着形变量的增加，所需的应力是不断增加的，这种现象叫形变强化，也叫加工强化。其机理是：金属在形变过程中位错密度不管增加，使强性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难。11、晶体固体中扩散的主要机制有哪些？影响扩散的因素有哪些？扩散的微观机制有：间隙机制，空位机制，交换机制等。影响扩散的因素：①温度的影响：温度越高，扩散越快。②晶体结构的影响：结构不同，扩散系数不同。③固溶体类型对扩散的影响：不同的固溶体，原子的扩散和机制不同。④固溶体浓度对扩散的影响：浓度越大，扩散越易进行。⑤晶体缺陷的影响：晶界、位错、空位都会对扩散产生影响。⑥化学成分对扩散的影响：加入化学元素对扩散会产生阻碍。⑦应力的作用：不管合金内部还是外部存在应力，都会促使扩散的进行。三、计算论述题。（1）Fe-C合金相图略见课本（2）什么是柯肯达尔效应？若Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向哪个方向移动。指出柯肯达尔效应再实践中的意义。在置换式固溶体的扩散过程中，由于两组元扩散系数不同而造成界面向低熔点组元一侧漂移的现象称为柯肯达尔效应。当Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向着Al的方向移动。柯肯达尔效应的实际意义有：（1）揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的的内在联系，具有普遍性；（2）直接否认了置换式固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制；（3）扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数；（4）柯肯达尔效应往往产生负效应，如收缩不完全会造成柯肯达尔孔等，这些负效应再实际当中往往产生不利的影响，因而应设法加以控制。（专业面试试题）XRD是用来测什么的？扫描电镜是用来测什么的？ＸＰＳ是用来测什么的？解析：１、XRD（X射线衍射分析）：分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等），不同结构相的含量及内应力。可以定性分析（哪些相）和定量分析（不同相的含量）。２、电子显微镜（EM）①透射电子显微镜（TEM）可以在观察样品微观组织的同时，对所观察的区域进行晶体结构鉴定（同位分析）。②扫描电子显微镜（SEM）最常用来观察样品微观组织表面形貌（断口等），还可以观察样品表面的成分分布情况。可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场、磁场等等。③扫描投射电子显微镜（STEM）同时具备SEM和TEM的双重功能３、XPS（Ｘ射线光电子能谱）用来测定固体表面的化学成分。可以定性分析（哪些元素及化学价态）、定量分析。