《材料科学基础》考研—简答题常考题型汇总

材料科学基础简答题考研常考题型汇总1.原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。（2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此，七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。（3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。（4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。（5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。2.说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。答：相同点：二者一般都是由过渡族金属与原子半径较小的C、N、H、O、B等非金属元素所组成。不同点：（1）晶体结构不同。间隙固溶体属于固溶体相，保持溶剂的晶格类型；间隙化合物属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点阵。（2）间隙固溶体用α、β、γ表示；间隙化合物用化学分子式MX、M2X等表示。间隙固溶体的强度、硬度较低，塑性、韧性好；间隙化合物的强度、熔点较高，塑性、韧性差。3.为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。4.试述硅酸盐的结构和特点？答：（1）硅酸盐结构的基本单元是[SiO4]四面体。Si原子位于O原子的四面体间隙内，Si、O之间的结合不仅有离子键还有共价键（2）每一个氧最多被两个[SiO]四面体共有（3）[Si]四面体可以孤立存在，也可以共顶点互相连接。（4）Si-O-Si形成一折线。分类：含有有限硅氧团的硅酸盐、岛状、链状、层状、骨架状硅酸盐。5.为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷件开裂破碎？答：由于大多数陶瓷由晶相和玻璃相构成，这两种相的热膨胀系数相差很大，高温很快冷却时，每种相的收缩程度不同，多造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。6.陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。7.为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。8.空间点阵和晶体点阵有何区别？答：空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型；晶体点阵又称晶体结构，是指晶体中实际质点的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。9.简述菲克第一定律和第二定律的含义，写出其表达式，并标明其字母的含义。【08年真题】答：菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，即化学扩散。菲克第一定律：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即dxdDJ-。式中，J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向X的单位面积的扩散物质质量，其单位是kg/(m2*s)；D为扩散系数，其单位为m2/s；ρ是扩散物质的质量浓度，其单位为kg/m3。式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度dxd方向相反，即表示物质从高的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。该定律描述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。菲克第二定律：大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点浓度随时间而变化，这类扩散过程可以由菲克第一定律结合质量守恒定律推导出的菲克第二定律来处理。即t=)x(Dx。10.试从扩散系数公式)kTQ(-exp*DoD说明影响扩散的因素。【模拟题二】答：从公式表达式可以看出，扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。扩散激活能越低，扩散系数越大，因此扩散激活能低的扩散方式的扩散系数较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的，间隙固溶体的扩散激活能一般均较小。温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。11.为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ相区中进行？若不在γ相区进行会有什么结果？答：因为α-Fe中最大的碳溶解度只有0.0218%，对于含碳质量分数大于0.0218%的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中的浓度梯度很小，在表面也不能获得高的含碳层。另外，由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。γ-Fe中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。12.三元系发生扩散时，扩散层内能否出现两相共存区域，三相共存区？为什么？答：三元系扩散层内不可能存在三相共存区，但可以存在两相共存区。原因是三元系中如果出现三相平衡共存，其三相中成分一定且不同相中同一组分的化学位相等，化学位梯度为零，扩散不可能发生。三元系在两相共存时，由于自由度数为2，在温度一定时，其组成相的成分可以发生变化，使两相中相同组元的原子化学位平衡受到破坏，引起扩散。13.试述孪晶与滑移的异同，比较它们在塑性变形过程中的作用。【07年真题】答：相同点：都是切应力下的剪切变形，都是塑性变形的一种基本方式，都不改变晶体结构，都是位错运动的结果。不同点：（1）滑移不改变晶体位向；孪生改变晶体位向，形成镜面对称关系。（2）滑移是全位错运动的结果，孪生是不全位错运动的结果。（3）滑移是不均匀切变过程，孪生是均匀切变过程。（4）滑移比较平缓，应力应变曲线较光滑、连续，孪生则呈锯齿状（5）一般先发生滑移，滑移困难时发生孪生。（6）滑移产生的切变较大，而孪生产生的切变较小。作用：塑性变形主要通过滑移实现，孪生对塑性变形的直接贡献不大，但孪生改变了晶体的位向，使原处于不利取向的滑移系转到新有利于发生滑移的取向，从而可以激发进一步的滑移和晶体变形。14.若单晶体铜的表面恰好为｛100｝晶面，假设晶体可以在各个滑移系上进行滑移。试讨论表面上可能见到的滑移线形貌（滑移线的方位和它们之间的夹角）。若单晶体表面为｛111｝面呢？答：铜晶体为面心立方点阵，其滑移系为｛111｝〈110〉。若铜单晶体的表面为〈110〉晶面，当塑性变形时，晶体表面出现的滑移线应是｛111｝与｛100｝的交线〈110〉。即在晶体表面上见到的滑移线是相互平行的，或者互相成90º夹角。当铜晶体的在表面为｛111｝晶面族时，表面出现的滑移线为〈110〉，它们要么相互平行，要么相互夹角为60º。15、沿密排六方单晶体的［0001］方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。答：密排六方金属的滑移面为（0001），而［0001］方向的力在滑移面上的分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性变形后，可能有孪生。16、给出位错运动的点阵阻力与晶体结构的关系式。说明为什么晶体滑移通常发生在原子的最密排晶面和晶向。答：滑移发生在最密排面和密排方向的原因是密排面的面间距最大，点阵阻力小，因而容易沿着这些面发生滑移。而密排方向的原子间距最小，即b最小，点阵阻力小，也即位错b最小。17.什么是单滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移线的形貌各有何特征？答：单滑移指晶体中只有一个滑移系进行滑移。滑移线呈一系列彼此平行的直线。这是因为单滑移仅有一组滑移系，该滑移系中所有的滑移面都互相平行，且滑移方向都相同所致。多滑移是指晶体中有两组或以上的不同滑移系同时或交替地进行滑移。它们的滑移线或者平行，或者相交成一定角度。这是因为这些滑移系的滑移面之间及滑移方向之间都有一定角度。交滑移是指螺型位错在原滑移面运动受阻时，转到与之相交的另一滑移面继续滑移的过程。即一般由两个或以上的滑移面沿共同的滑移方向同时或交替的滑移。它们的滑移线通常为折线或波纹状。这是螺型位错在不同的滑移面上反复进行“扩展”的结果。18.用金相分析如何区分“滑移带”、“机械孪晶”、“退火孪晶”。答：滑移带一般不穿越晶界。一般以平行直线和波纹线出现。可以通过抛光去除。机械孪晶也在晶粒内，一般孪晶区域不大，孪晶与基体位向不同。不能通过抛光去除。退火孪晶通常以大条块形态分布于晶内，孪晶界面平直。一般在金相磨面上分布比较均匀。不能通过抛光去除。19.为什么陶瓷实际的抗拉强度低于理论强度，而陶瓷的压缩强度总是高于抗拉强度？答：这是由于陶瓷粉末烧结时存在难以避免的显微空隙，在冷却或热循环时由热应力产生了显微裂纹。在裂纹尖端，会产生严重的应力集中，故其一般在低于理论强度的应力下就会发生断裂。压缩强度高于抗拉强度是因为，在拉伸时，当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩展而导致断裂，而压缩时，裂纹或者闭合或者呈稳态地慢慢扩展，并转向平行于压缩轴。20.试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？答：去应力退火过程中，位错通过攀移和滑移重新排列，从高能态转变为低能态；动态回复过程中，则是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移，使异号位错相互抵消，保持位错增值率与位错消失率之间的动态平衡。从显微组织上观察，静态回复时可见到清晰的亚晶界，静态再结晶时会形成等轴晶粒；而动态回复时形成胞状亚结构，动态再结晶时等轴晶中又形成位错缠结胞，比静态再结晶晶粒更细。21.某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成的带状组织的因素。答:一是不在两相区变形；二是减少夹杂元素的含量；三是采用高温扩散退火，消除元素偏析。对于已经出现带状组织的材料，在单相区加热、正火处理，则可以予以消除和改善。22.为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态为佳？答:金属材料在热加工过程中经历了动态变形和动态回复及再结晶过程，柱状晶区和粗等轴晶区消失了，代之以较细小的等轴晶粒；原铸锭中许多分散缩孔、微裂纹等由于机械焊合作用而消失，显微偏析也由于压缩和扩散得到一定程度的减弱，故使材料的致密性和力学性能提高。23.陶瓷晶体塑性变形有何特点？答:陶瓷一般是多晶陶瓷，且是比较脆的，其化学键主要是离子键和共价键。在共价键键合的陶瓷中，原子之间的键合具有方向性，位错想要运动必须破坏这种特殊的原子键合，而共价键的结合力是很强的，位错运动有很高的点阵阻力。使得陶瓷有很大的脆性。但是离子键键合的单晶陶瓷具有一定的塑性。如图，当位错运动一个原子间距时，同号离子的巨大斥力，使得位错难以运动。但位错如果沿45°方向运动，则在滑移过程中相邻晶面始终由库仑引力保持相吸，因而具有很好的塑性。24.图表示再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前的冷加工量之间的关系。图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否矛盾？答:不矛盾。再结晶终了的晶粒尺寸是指再结晶刚好完成但未发生长大时的晶粒尺寸。但晶粒大小是退火温度的弱函数，故图中曲线再结晶终了的晶粒尺寸与退火温度关系不大。再结晶完成以后，若继续保温，会发生晶