材料科学与工程试题总结

1.纳米材料有哪些微观结构特点？这些结构特点为什么会引起宏观物理性能的变化？纳

米材料有哪些特殊性？

答：所有的纳米材料具有3个共同的结构特点：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面以及各纳米单元之间存在着或强或弱的交互作用。

在纳米尺度内，分子和原子相互作用强烈影响材料的宏观物理性能，

纳米材料之所以能具备独到的特殊性，是由于当组成物质的某一项的某一维的尺度缩小到纳米级别时，物质的物理性能将出现根本不是其任一组份所能比拟的改变。

纳米材料的特性：（1）表面与界面效应，这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。（2）小尺寸效应，当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。（3）量子尺寸效应，当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。（4）宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

2.具备什么性能的材料称为半导体？表征载流子特性的主要参数有哪些？如何定义？

半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质称为半导体。

本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

P型半导体的导电特性：它是靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半导体。

表征载流子特性的主要参数有载流子浓度和迁移率。

载流子浓度：单位体积的载流子数目。在室温无补偿存在的条件下等于电离杂质的浓度。迁移率：在单位电场强度下，引起载流子的平均漂移速度的数值。

3.什么是压敏电阻器？常用压敏电阻材料有哪几种？举例说明其典型应用。

压敏电阻器:具有非线性伏安特性并有抑制瞬态过电压作用的固态电压敏感元件。当端电压低于某一阈值时，压敏电阻器的电流几乎等于零；超过此阈值时，电流值随端电压的增大而急剧增加。压敏电阻器的非线性伏安特性是由压敏体（或称压敏结）电压降的变化而引起的，所以又称为非线性电阻器。

常用压敏电阻材料有碳化硅、氧化锌、硅等。

压敏电阻器主要用于限制有害的大气过电压和操作过电压，能有效地保护系统或设备。用氧化锌压敏材料制成高压绝缘子,既有绝缘作用,又能实现瞬态过电压保护。此外，压敏电阻器在电子电路中可用于消火花、消噪音、稳压和函数变换等。

4.溶液法、熔体法和气相法晶体生长的原理是什么？试用热力学原理分析这几种方法实现

晶体生长的条件。

溶液法：溶液法晶体生长是首先将晶体的组成元素（溶质）溶解在另一溶液（溶剂）中，然后通过改变温度、蒸汽压等状态参数，获得过饱和溶液，最后使溶质从溶液中析出，形成晶体的方法。

熔体法：在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。气相法：将拟生长的晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气态，然后再适当条件下使其成为过饱和蒸汽，经过冷凝结晶生长出晶体。

热力学原理：晶体生长的原理基于物种晶相化学势与该物种在相关物相中化学势间准平衡关

系的合理维持。如在溶液中的晶体生长要求在平衡溶解度附近溶质有一定合宜的过饱和度。

5.电子化合物，间隙相，间隙化合物，金属间化合物，拓扑密堆相。

电子化合物：由IB族或过渡族金属元素与IIB族、IIIA族、IV A族金属元素形成的金属化合物（中间相），虽可用分子式表示，但大多不遵守化合价规律，而按一定的电子浓度值形成化合物，电子浓度不同，形成的化合物晶格类型也不同。电子化合物中以金属键为主，故有明显的金属特性。

尺寸因素化合物：这类中间相主要受组元的原子尺寸因素控制，分为间隙相和间隙化合物，拓扑密堆相。

间隙相及间隙化合物：间隙化合物通常是由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素组成，后者处于化合物晶格的间隙中，按照非金属（X）和金属原子（M）半径之比分类，R X/R M<0.59时，形成具有简单结构的简单间隙化合物（间隙相），R X/R M>0.59，形成复杂结构的相，称为复杂间隙化合物。

拓扑密堆相：由两种大小不同的金属原子所构成的一类中间相，通过适当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构。

金属间化合物：各种金属元素按一定比例相互化合形成的，晶体结构不同于组元，往往只有长程有序的超点阵结构。

6.简述纯金属的形核与长大方式。

纯金属凝固时，晶核的形成过程是各种物理和热力学条件的综合结果，按形核的方式分为均匀形核、非均匀形核，实际结晶时，大多为非均匀形核。

均匀形核：在均一液相中靠自身在一定的过冷度下的结构起伏和能量起伏等条件形成晶核。非均匀形核：实际结晶中，常常依附在液相中的外来固体表面形核（包括容器壁），称为非均匀形核，非均匀形核比均匀形核更容易进行，尤其是杂质与新晶体的结构相似或相同时，更有利于形核。

长大方式有两种：

平面长大：晶核各表面几乎同时向液相中推进，形成以密排面围城的规则形状的晶粒。

树枝状长大：晶核上易于扩散和散热的地方，优先向液体内长大，从而形成一个“晶轴”，从一个晶轴上又可长成与其垂直的晶轴，整个晶核像树枝一样长大。

7.纯金属凝固时的凝固界面的微观结构与晶核长大机制的关系。

按照原子尺度，可以把固/液相界面结构分为粗糙界面和光滑界面两类。

粗糙界面上有一半位置被固相原子占据，一半为空位，从微观上看，界面是粗糙的，高低不平，界面由几个原子厚度的过渡层组成，宏观上看界面是平直的。

光滑界面上几乎没有空位，从微观上看，界面是光滑的，界面为一个原子厚度的过渡层，固液相截然分开，由于界面各处的晶面取向不同，从宏观上看界面是曲折、锯齿形的小平面。晶核长大机制：

(1)垂直长大机制：在粗糙界面上，约有一半原子位置空着，故液相的原子可以进入这些空

位与晶体结合，晶体便连续地向液相生长，称为垂直长大。

(2)二维晶核长大机制：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，在晶体学小平面界面上形成一个原子层厚的二维晶核与原界面间形成台阶，单个原子可以在台阶上填充，使二维晶核侧向长大，在该层填满后，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。

(3)螺型位错长大机制：若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头，则该界面成为螺旋面，

并形成永不消失的台阶，原子附着到台阶上使晶体长大。

8.说明冷变形金属的低温、中温、高温回复机制，包括发生条件、变化过程、组织特征、

性能特点等。

回复：金属在加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些微结构和性能的变化过程。一般认为回复是点缺陷和位错在加热时发生运动从而改变它们组态分布和数量的过程。

低温回复时（0.1T m-0.3T m，T m为金属熔点）：原子活动能力有限，点缺陷主要是空位比较容易移动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度明显下降。

中温回复时（0.3T m-0.5T m）：原子活动能力增强，除点缺陷外，位错也开始运动，主要机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异号位错互相抵消，位错密度有所下降。

高温回复时（大于0.5T m）：位错不但可以滑移，还可以攀移，分布于滑移面上的同号刃位错相互排斥，沿垂直于滑移面的方向排列成位错墙，构成小角度亚晶界，在变形晶粒中形成回复亚晶。

回复过程中金属的纤维组织无显著变化，晶粒仍保持变形组织形态，金属机械性能变化不大，但某些物理化学性能发生明显改变，如电阻减小，抗蚀性能提高，第一应力基本消除。

9.说明冷变形金属再结晶的三种形核机制，发生条件、变化过程、组织特征等。

再结晶：当冷变形金属热处理温度高于回复温度时，在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大，形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织，这个过程称为再结晶。

再结晶热处理后，金属强度、硬度明显下降，塑性、韧性提高，应力完全消除，金属复原到冷变形之前的状态。

亚晶形核机制：回复阶段由多边形化产生的小角晶界所包围的某些无畸变的较大晶粒可以通过两种方式生长为再结晶的形核。(a)通过某些局部位错密度很高的亚晶界的迁移，吞并相邻的变形基体和亚晶粒而成长为再结晶晶核。(b)通过两亚晶粒之间亚晶界的消失，使两相邻的亚晶粒合并而形核，此时亚晶界的消失是亚晶粒边界上的位错通过攀移和滑移，并转移到邻近的晶界或亚晶界中去。亚晶的生长是包围着它的亚晶界位向差越来越大，变为大角度晶界，由大角晶界包围的无畸变晶体就成为再结晶的核心（一般发生在冷变形度>20%的金属中）。

晶界凸出形核机制：金属变形程度较小时（<20%），金属的变形不均匀，各晶粒的位错密度互不相同，再结晶退火时，现有的大角度晶界上有一段通迁移向亚晶粒细小、位错密度高的一侧，在其前沿扫过的区域留下无畸变的晶体，成为再结晶核心。

当变形晶粒完全消失，被新生的无畸变的再结晶晶粒代替时，再结晶结束。

再结晶织构是由于材料经退火后导致的，其晶粒形成择优取向的现象。使材料宏观性能有明显的方向性，再结晶织构是在变性组织的基础上产生的。其织构即可以与变形织构一致，也可以不一致，新织构与变形织构大多有一定的位向关系，有时也是随机的。

一次再结晶后形成的再结晶织构，其中大部分晶粒间为小角度晶界，迁移率较小，仅有少数大角度晶界有较高的迁移率，此处晶粒能迅速长大。这种再结晶完成后，少数晶粒突发性地、迅速地粗化，好像在再结晶后均匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶，称为二次再结晶。

10.简述动态回复与动态再结晶。

动态回复：热加工时由于温度很高，金属在变形的同时发生回复，同时发生加工硬化和软化两个相反的过程。这种在热变形时由于温度和外力联合作用下发生的回复过程称为“动态回复”。是金属热塑性变形过程中通过热激活，空位扩散、位错运动(滑移、攀移)相消和位错重排的过程。对一些层错能高的金属以及一些密排金属，在热加工过程中容易发生动态回复动态再结晶是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。与热变形各道次之间以及变形完毕后加热和冷却时所发生的静态再结晶相比，动态再结晶的特点是：

（1）动态再结晶要达到临界变形量和在较高的变形温度下才能发生；

（2）与静态再结晶相似，动态再结晶易在晶界及亚晶界形核；

（3）动态再结晶转变为静态再结晶时无需孕育期；

（4）动态再结晶所需的时间随温度升高而缩短。

11.简述包晶合金凝固特点和原理。

包晶合金凝固转变时是指在一定温度条件下，由一定成分的液相和一定成分的固相生成一定成分的新固相的凝固过程。

包晶合金的特点：

（1）包晶合金与共晶合金一样都是恒温过程。

（2）反应过程中，3个共存相成分不变。

（3）反应过程中生成新的固相，新固相依附原固相表面形核，并把原固相包围起来，通过消耗液相和原固相生长。

（4）在一般冷却条件下，包晶反应很难进行到底，这种不平衡冷却形成的成分不均匀现象，称为包晶偏析，是一种微观偏析，可以通过退火消除。

12.说明伪共晶、不平衡共晶、离异共晶的概念和形成条件。

伪共晶：非共晶成分在不平衡结晶条件下形成100%的共晶组织成为伪共晶。

不平衡共晶：在固溶体最大固熔点内侧附近的合金不平衡凝固时，由于固相线下移，在冷却到共晶温度时，仍有少量液相存在，这些液相将发生共晶转变，形成不平衡共晶。

离异共晶：在有共晶反应的合金中，如果成分偏离共晶点较远，由于初晶相数量较多，共晶相数量较少，共晶相中与初晶相相同的那一相将依附于初晶相长大，另外一相单独分布于晶界处，使共晶组织特征消失，这种两相分离的共晶成为离异共晶。

13.简述扩散的微观机制以及影响扩散的主要因素。

原子扩散可以沿晶体的表面进行，也可以沿晶体中的缺陷（如晶界、相界、位错等）进行，或者在晶体内部通过晶格点阵进行。

间隙机制：位于点阵间隙的原子跃迁到邻近的间隙位置。

空位机制：原子与空位相互交换位置，相当于空位反向迁移到原子的位置。

填隙机制：两个原子同时易位运动，其中一个是间隙原子，另一个是点阵上的原子，间隙原子将点阵上的原子挤入间隙位置，自己占据格点位置。

交换机制：相邻原子直接交换位置。

另外还有环形换位机制。

影响扩散的因素：

温度：温度越高，扩散速率越快。

晶体结构：在致密度小的晶体结构中扩散激活能越小，扩散易于进行。

固溶体类型：不同类型的固溶体原子扩散机制不同，间隙固溶体中的扩散激活能一般较小。各项异性：晶体的各向异性也影响扩散系数，尤其是对称性较低的晶体结构，扩散系数的各向异性相当显著。

晶体缺陷：缺陷处点阵畸变大，原子处于较高的能量状态，易于跳动，因而表面、晶界、位错迁移的扩散系数恒大于原子穿越点阵内部的体扩散系数。

化学成分：第三组元的加入对扩散系数的影响比较复杂，有的促进，有的阻碍。

应力作用：提供原子扩散的驱动力，驱使溶质分布均匀，在应力作用下也会出现化学扩散。

14.简述晶界结构的类型和特点。

晶界：属于同一固相但位向不同的不同晶粒之间的界面。

亚晶界：每个晶粒内有时又由若干位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒件的界面成为亚晶界。

按照相邻晶粒间的位向差大小不同，晶界分为小角度晶界（小于10°，亚晶界一般小于2°）和大角度晶界（大于10°，多晶体中的晶界多属于此类）。

按相邻晶粒位向差的形式不同，又可分为倾斜晶界，扭转晶界和重合晶界等。

晶界特点：

（1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能，因此晶粒的长大和界面的平直化都能减小晶面面积，从而降低界面能，这是一个自发过程。

（2）晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会阻碍位错的运动，导致变形抗力增加，宏观表现为晶界处较晶内有更高的强度和硬度。

（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，故晶界处原子扩散速度较快。

（4）晶界处能量较高，原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。

（5）由于成分偏析和吸附现象，晶界处往往熔点较低，在加热过程中易于引起晶界熔化和氧化，导致过热现象的发生。

（6）晶界处的腐蚀一般较快。

15.对比说明外表面、晶界、相界结构。

外表面：晶体最表面大约几个原子层内，其结构、性质与晶体内部不相同，这层物质叫表面。晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面，属于内界面。可分为小角度晶界、大角度晶界等。晶界处原子排列紊乱，使能量增高，产生界面能。

相界：具有不同结构的两相之间的分界叫相界，根据界面上原子排列不同，可分为共格相界、半共格相界、非共格相界，界面能依次增加。

16.简述固溶体合金凝固时，冷却速度、分配系数等对宏观偏析（正常偏析、反常偏析、比

重偏析）和显微偏析（胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析）的影响。

偏析：由于凝固、固态相变以及元素密度差异、晶体缺陷与完整晶体的能量差异等原因引起的在多组元合金中的成分不均匀现象。

宏观偏析亦称为“区域偏析”，指金属铸锭（铸件）中各宏观区域化学成分不均匀的现象。包括正常偏析、反常偏析和比重偏析。

正常偏析：当合金的分配系数小于1时，先凝固的外层中溶质含量比内层低，因此合金铸件中心所含溶质浓度较高的现象是凝固过程中的正常现象，称为正常偏析。

反常偏析：与正常偏析相反，即分配系数大于1的合金铸件中溶质浓度在铸件中的分布是表面比中心高。

比重偏析：通常发生在结晶早期，由于初生相与溶液之间的密度相差悬殊，轻者上浮，重者下沉，导致上下成分不均匀，称为比重偏析。

显微偏析指发生在一个或几个晶粒之内，包括枝晶偏析、晶间偏析、晶界偏析和胞状偏析。胞状偏析：当成分过冷较小时，固溶体晶体呈胞状方式生长，如果合金分配系数小于1，在胞壁处将富集溶质，分配系数大于1时，在胞壁处溶质贫化，称为胞状偏析。

枝晶偏析：由于非平衡凝固造成的，使得先凝固的枝干和后凝固的枝干间的成分不均匀，影响枝晶偏析的主要因素有：凝固速度越大，晶内偏析越严重，偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，凝固范围越宽，晶内偏析越大。

晶界偏析：晶界偏析是由于溶质原子（分配系数小于1）富集在最后凝固的晶界部分造成的。影响晶界偏析的因素大致有：溶质元素含量越高，结晶速度越慢，非树枝晶凝固，都会增加界面偏析程度。

冷却速度大，凝固速度也就越大，二次枝晶间距变小，减轻了显微偏析，减少了夹杂物的集聚，晶界较纯，机能高，抗裂纹的性能提高。

17.简述合金的塑性变形，进一步说明溶质，第二相强化机理。

合金的塑性变形行为与纯金属的变形行为有较大区别，其塑性变形行为不仅与晶粒大小、尺寸、分布有关，还与溶质原子性质（半径、晶格类型等）各相的性质及各相的相对量、分布密切相关。一般塑性变形是通过位错实现的，但在合金中，由于存在溶质原子或第二相，当位错滑移时，与之产生弹性交互作用，增加了位错运动的阻力。

溶质强化（固溶强化）的机理：溶质原子溶于溶剂晶中，引起晶格畸变，增加了位错运动的

阻力，同时由于溶质原子与位错的弹性交互作用，还可造成溶质原子沿位错线形成科垂尔/史诺克气团，对位错产生钉扎作用，使材料强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

第二相强化机理：第二相粒子的本性和尺寸决定了强化机制对不可变形的第二相粒子，位错采用绕过机制，对于可变形粒子，位错采用切过机制，无论采用何种机制，都增加了位错运动的阻力，使材料强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

18.简述成分过冷对晶体生长形貌的影响。

成分过冷：在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。成分过冷对合金凝固组织形态的影响：

随着成分过冷度从小变大，使界面成长形状从平直界面向胞状和树枝状发展。

在固液界面液相侧存在有一个非常狭窄的成分过冷区时，界面出现的任何凝固扰动，都将使产生的凸起面临较大的过冷，而以更快的速度进一步长大，结果使溶质汇集于凹谷部位，从而降低了该部位液相的凝固温度，故凸起的晶体横向生长受到抑制，于是不稳定的平界面就破裂成一种稳定的，近似于网络状凸起圆胞或凹陷沟槽构成的新界面，胞状界面。

成分过冷区进一步加宽时，原胞状凸起的前端，面临更大的成分过冷，而向过冷区内伸得更远。同时，大量溶质进一步汇集在晶胞周围，晶胞逐渐呈现具有强烈晶体学特性的凸缘，甚至产生二次或三次分枝，结果形成了柱状树枝晶。