材料科学基础复习重点
1. 何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些基本类型？
答：（1）为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。（2）热处理包括普通热处理和表面热处理；普通热处理里面包括退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
2. 为什么要对钢件进行热处理？
答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热处理可以显
著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。
3. 珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方
面有何特点？
（1）三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。（2）珠光体是过冷奥氏体在550℃以上等温停留时发生转变，它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体是在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠
光体。珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而强度和硬度升高，同时，由
于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧性和
塑性。
4. 钢中的杂质元素有哪些
答：钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加
入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、氢等常称为杂质元素。
5. 钢的淬透性、淬硬性
答：淬透性是指模具在淬火时获得淬硬层深度的能力反映了钢在淬火时能够获得马氏
体的能力淬硬性指模具钢在正常淬火条件下马氏体所能达到的最高硬度
6. 马氏体组织有哪几种基本类型？它们在形成条件、晶体结构、组
织形态、性能有何特点？马氏体的硬度与含碳量关系如何？
（1）两种，板条马氏体和片状马氏体。（2）奥氏体转变后，所产生的M的形态取决于奥氏体中的含碳量，含碳
量＜0.6%的为板条马氏体；含碳量在0.6—1.0%之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大
于 1.0%的为针状马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。随含碳量增加，逐渐从体心
立方向体心正方转变。含碳量较高的钢的晶体结构一般出现体心正方。低碳马氏体强而韧，
而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也较小，故具有良好的综合机械性能。随含碳量增加，马氏体的过饱和度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性和韧性显著降低。（3）随着含碳量的增加，钢的硬度增加。
7. 线型无定型高聚物在不同温度下表现出的三种力学状态
答：玻璃太态，高弹态，粘连态。
8. 奥氏体化的过程
答：将钢加热至临界点以上使形成奥氏体的金属热处理过程。
9. 不锈钢的成份特点
答：含有大量的铬、镍等元素，形成氧化物保护膜并提高基体电极电位。含碳量越低抗腐蚀能力越强。
10. 合金钢按用途可分为三类
答: 合金结构钢合金工具钢和特殊性能钢。
11. 何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完
全退火？
（1）将钢件加热到Ac1以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至
600℃后出炉空冷。
（2）过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难
以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体
和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。
12. 分析CCT连续冷却转变曲线工艺及产物。（书中300页图）
答：从钢的热膨胀特性可知，当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积将发生突变。过冷奥氏体转变为铁素体、珠光体或马氏体时，钢的体积将膨胀；反之，钢的体积
将收缩。冷却速度不同，相变温度不同。
13. 正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退
火？
答：与退火的区别是①加热温度不同，对于过共析钢退火加热温度在Ac1以上30～50℃而正火加热温度在Accm以上30～50℃。②冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢
件尺寸较小时，正火后组织：S，而退火后组织：P。
选择：（1）从切削加工性上考虑
切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。
一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具
磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改
善切削性。
（2）从使用性能上考虑
如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但
若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。
（3）从经济上考虑
正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代
替退火。
14.常用的淬火方法有哪几种？说明它们的主要特点及其应用范围。
答：常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和分级淬火法。
单液淬火法：这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水
中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。适合于小尺寸且形状简单的工件。
双液淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温区冷速快和
油在低温区冷速慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的
冷速，减少组织应力，从而防止工件变形或开裂。适合于尺寸较大、形状复杂的工件。
等温淬火法：它是将加热的工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，
保温足够长的时间使其完成B转变。等温淬火后获得B下组织。下贝氏体与回火马氏体相比，在碳量相近，硬度相当的情况下，前者比后者具有较高的塑性与韧性，适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。
15.为什么工件经淬火后往往会产生变形，有的甚至开裂？减小变形
及防止开裂有哪些途径？
答：淬火中变形与开裂的主要原因是由于淬火时形成内应为。淬火内应力形成的原因不
同可分热应力与组织应力两种。
工件在加热和(或)冷却时由于不同部位存在着温度差别而导致热胀和(或)冷缩不一致所引起的应力称为热应力。热应力引起工件变形特点时：使平面边为凸面，直角边钝角，长的方向变短，短的方向增长，一句话，使工件趋于球形。
钢中奥氏体比体积最小,奥氏体转变为其它各种组织时比体积都会增大,使钢的体积膨胀;工件淬火时各部位马氏体转变-先后不一致,因而体积膨胀不均匀。这种由于热处理过程中各部
位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力,称为相变应力(组织应力)。组织应力引起工件变形的特点却与此相反：使平面变为凹面，直角变为钝角，长的方向变长；短
的方向缩短，一句话，使尖角趋向于突出。
工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强
度时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就产生开裂。
为减小变形或开裂，出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取下列措施：
1.采用合理的锻造与预先热处理
锻造可使网状、带状及不均匀的碳化物呈弥散均匀分布。淬火前应进行预备热处理(如球化退火与正火),不但可为淬火作好组织准备,而且还可消除工件在前面加工过程中产生的内应
力。
2.采用合理的淬火工艺；
正确确定加热温度与加热时间,可避免奥氏体晶粒粗化。对形状复杂或导热性差的高合金钢,应缓慢加热或多次预热,以减少加热中产生的热应力。工件在加热炉中安放时,要尽量保证受热均匀,防止加热时变形;选择合适的淬火冷却介质和洋火方法(如马氏体分级淬火、贝氏体等
温淬火),以减少冷却中热应力和相变应力等。
16. 表面淬火的目的是什么？常用的表面淬火方法有哪几种？比较
它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热处
理。
答：表面淬火的目的是使工件表层得到强化，使它具有较高的强度，硬度，耐磨性及疲劳极
限，而心部为了能承受冲击载荷的作用，仍应保持足够的塑性与韧性。常用的表面淬火方法有：
1.感应加热表面淬火；
2.火焰加热表面淬火。感应加热表面淬火是把工件放入有空心铜管绕成的
感应器（线圈）内，当线圈通入交变电流后，立即产生交变磁场，在工件内形成“涡流”，表层迅速被加热到淬火温度时而心部仍接近室温，在立即喷水冷却后，就达到表面淬火的目的。火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。将工件快速加热到淬火温度，在随后喷水冷却后，获得所需的表层硬度和淬硬层硬度。感应加热表面淬火与火焰加热淬火相比较有如下
特点: 1)感应加热速度极快,只要几秒到几十秒的时间就可以把工件加热至淬火温度,:而且淬火加热温度高(AC3以上80~150℃)。2)因加热时间短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可在表面层获得
极细马氏体,使工件表面层较一般淬火硬度高2~3HRC,且脆性较低。3）感应加热表面淬火后,淬硬层中存在很大残余压应力,有效地提高了工件的疲劳强,且变形小,不易氧化与脱碳。4)生产率高,便于机械化、自动化,适宜于大批量生产。但感应加热设备比火焰加热淬火费用较贵,维修调整比较困难,形状复杂的线圈不易制造表面淬火前应采用退火或正火预先热处理。
17. 化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织有何影响？
答：(1)化学成分
1)碳和硅。碳和硅是强烈促进石墨化元素,铸铁中碳和硅的含量越高,就越容易充分进行石墨化。由于共晶成分的铸铁具有最佳的铸造性能。因此,将灰铸铁的碳当量均配制到4%左右。
2)锰。锰是阻止石墨化的元素,但锰与硫化合成硫化锰,减弱了硫的有害作用,结果又间接促进石墨化的作用。故铸铁中有适量的锰是必要的。
3)硫。硫是强烈阻碍石墨化的元素,它不仅强烈地促使白口化,而且还会降低铸铁的流动性
和力学性能,所以硫是有害元素,必须严格控制其含量。
4)磷。磷是弱促进石墨化的元素,同时能提高铁液的流动性,但磷的含量过高会增加铸铁的
脆性,使铸铁在冷却过程中易开裂,、所以也应严格控制其含量。
(2)冷却速度
生产实践证明,在同一成分的铸铁件中,其表面和薄壁部分易出现白口组织,而内部和厚壁处则容易进行石墨化。由此可见,冷却速度对石墨化的影响很大。冷却速度越慢,原子扩散时间充分,也就越有利于石墨化的进行。冷却速度主要决定于浇注温度、铸件壁厚和铸型材
料。
18. W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃
具所要求的性能？为什么？W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，又是为什么？
答：若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定W18Cr4V 钢淬火加热温度，在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的性能。因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高耐磨性的要求。为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到远远大于Ac1的温度，既1280℃左右。18Cr4V 钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
19. 什么是铝合金的固溶处理和时效处理。
所谓固溶处理，是指将合金加热到高温奥氏体区保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后
快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的主要目的是改善钢或合金的塑
性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。
20. 陶瓷的典型组织由哪几部分组成？它们对陶瓷性能各起什
么作用？
答:(1).由晶相,玻璃相,气相组成(2).晶相:陶瓷的力学,物理,化学性能主要取决于主晶相,陶瓷中的晶相主要有硅酸盐,氧化物和非氧化???. 玻璃相:其主要作用是将分散的晶相粘结在一起,抑制晶粒长大及填充气孔使陶瓷致密等气相:它常以孤立状态分布在玻璃相中,或以细小气孔存在于晶
界或晶内.气孔使组织致密性下降,产生应力集中,导致力学性能降低,脆性增加,并使介电损耗增大, 抗电击穿强度下降.因此,应力求降低气孔的大小和数量,并使气孔均匀分布. 若要求陶瓷材料密度小,绝缘性好时,则希望有一定量气相存在.
21. 试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨
地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于
基体,石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的
现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。
22. 复合材料的增强机制是什么？并说明界面的作用。
23. 现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的最终热处理方法(或使用状态). 零件名称:自行车架,连杆螺
栓,车厢板簧,滑动轴承,变速齿轮,机床床身,柴油机曲轴.可选材料:60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2, T12A, 40Cr, HT200, 16Mn, 20CrMnTi.
答：自行车架：16Mn 焊接连杆螺栓：40Cr 最终热处理方法：调质；车厢板簧：60Si2Mn 最终热处理方法：淬火+中温回火；滑动轴承：ZQSn6-6-3 使用状态：铸造；变速齿轮：20CrMnTi 最终热处理方法：渗碳后淬火、低温回火；机床床身：HT200 最终热处理方法：去应力退火；
柴油机曲轴：QT600-2 最终热处理方法：等温淬火。
24.拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：锻造—热处理—机
加工—热处理—磨加工
（1）试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用；
答: ( 1 ) 球化退火，作用：利于切削加工。得到球状珠光体，均匀组织，细化晶粒，为后面淬火处理作组织准备。淬火+ 低温回火，作用：使零件获得较高的硬度、耐磨性和韧性，消除淬火内应力，稳定组织和尺寸。
（2）指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；
答：显微组织：M 回+ C m ，大致硬度： 6 0 H R C .
（3）制定最终热处理工艺规定（温度、冷却介质）
C 回火
C 水淬+ 2 0 0 °
答：工艺规范：7 6 0 °
25. 有一传动轴(最大直径φ20mm)受中等交变拉压载荷作用要求沿
截面性能均匀一致,
(1)选择合适的材料,(2)编制简明工艺路线,(3)说明各热处理工艺的主
要作用(4)指出最终组织.可供选择材料:16Mn, 20CrMnTi, 45, 40Cr, 40CrNiMo, T12
(1)答：选用20CrMnTi
(2)答：简明工艺路线：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→机械加工。（3）答：热处理工艺的主要作用如下：正火：主要为了消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善
切削加工性，同时也均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做组织准备。渗碳：为了保证传动
轴表层的含碳量及渗碳层深度的要求。淬火+低温回火：提高表面的硬度和耐磨性，而心部具
有足够的韧性，其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。
26. 某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有良好的韧性（Ak>40J），原采用45钢调质处理再在凸轮
表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明：
（1）原45钢各热处理工序的作用：
答：正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；调质处理可获得高的综合机械性能
和疲劳强度；局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。
（2）改用15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求？
为什么？
答：不能。改用15钢后按原热处理工序会造成心部较软，表面硬，会造成表面脱落
（3）改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺？
答：渗碳。
(完整版)厦大材料科学基础知识点总结
第一章原子结构和键合 原子中一个电子的空间和能量的描述 （1）主量子数ni：决定原子中电子能量和核间平均距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q （2）轨道动量量子数li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，s，p，d，f （3）磁量子数mi：给出每个轨道角动量数或轨道数，决定原子轨道或子云在空间的伸展方向 （4）自旋角动量量子数si：表示电子自旋的方向，取值为+1/2 或-1/2 核外电子的排布规律 （1）能量最低原理：电子总是占据能量最低的壳层，使体系的能量最低。而在同一电子层，电子依次按s,p,d,f的次序排列。 （2）Pauli不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全一样的两个电子。因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2电子。 （3）Hund原则：在同一个亚能级中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。 原子间的键（见作业） 第二章固体结构 晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列。即存在长程有序。性能上两大特点：（1）固定的熔点；（2）各向异性 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点）即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境 晶胞：代表性的基本单元（最小平行六面体） 选取晶胞的原则： Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。 晶体结构与空间点阵的区别： 空间点阵是晶体中质点的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各点阵的周围环境相同，只有14种。 晶体是指晶体中实际质点（原子、离子和分子）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。 晶带 所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”。此直线称为晶带轴，所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴[u v w]与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系 hu＋kv＋lw＝0 ————晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以[u v w]为晶带轴的晶带
《材料科学基础》复习提纲剖析
《材料科学基础》复习提纲 一、（共20分）名词解释（每个名词2分） 简单正交点阵、晶向族、无限固溶体、配位数、交滑移、大角度晶界、上坡（顺）扩散、形核功、回复、滑移系 底心正交点阵、晶面族、有限固溶体、致密度、攀移、小角度晶界、下坡（逆）扩散、形核率、再结晶、孪生 二、（共30分）简要回答下列问题 1、计算面心立方晶体的八面体间隙尺寸。 2、简述固溶体与中间相的区别。 3、已知两个不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2），求出其所属的晶带轴。 4、计算面心立方晶体{111}晶面的面密度。 5、简述刃型位错线方向、柏氏矢量方向、位错运动方向及晶体运动方向之间的关系。 6、简述刃型位错攀移的实质。 7、简述在外力的作用下，螺型位错的可能运动方式。 8、当碳原子和铁原子在相同温度的 -Fe中进行扩散时，为何碳原子的扩散系数大于铁原子的扩散系数？ 9、简述单组元晶体材料凝固的一般过程。 10、如图，已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O 合金在冷却过程中将进行二相共晶反应和三相共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50% A、10%B、40%C，写出图中I和P合金的室温平衡组织。 1、计算体心立方晶体的八面体间隙尺寸。 2、简述决定组元形成固溶体与中间相的因素。 3、已知二晶向[u1v1w1]和[u2v2 w2]，求出由此二晶向所决定的晶面指数。· 4、计算体心立方晶体{110}晶面的面密度。 5、简述螺型位错线方向、柏氏矢量方向、位错运动方向及晶体运动方向之间的关系。 6、简述刃型位错滑移的实质。 7、简述在外力的作用下，刃型位错的可能运动方式。 8、当碳原子和铁原子在相同温度的a-Fe 中进行扩散时，为何碳原子的扩散系数大于铁原子的扩散系数？ 9、简述纯金属凝固的基本条件。 10、如图，已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合 金在冷却过程中将进行二相共晶反应和三相共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为 %、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。 50% A、10%B、40%C，试计算A 初
《材料科学基础》经典习题及答案全解
材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。
材料科学基础期末试题
材料科学基础考题 I卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷答： 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的a相依附于初生a相生长，将共晶体中另一相B推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶体。 成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分） 1. 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错（A ）分解为a/2[111]+a/2[l11]. （A）不能（B）能（C）可能 2. 原子扩散的驱动力是：（B ） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度 3?凝固的热力学条件为：（D ） （A）形核率（B）系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4?在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（A） （A）氧离子空位（B）钛离子空位（C）阳离子空位 5?在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两 组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6?有效分配系数k e表示液相的混合程度，其值范围是（B ） （A）1vk e 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看， 823 材料科学基础考试大纲 一、考试目的 材料科学基础考试是南开大学材料科学与工程学院招收材料物理与化学、材料学、材料工程硕士研究生的入学资格考试之专业基础课。根据考生参加本考试的成绩和其他三门考试的成绩总分来选择参加第二轮，即复试的考生。 二、考试的性质与范围 本考试是测试考生掌握材料化学、材料物理专业知识以及综合运用的能力。考试范围包括本大纲规定的内容。 三、考试基本要求 1. 具备材料化学、材料物理相关的基础专业知识。 2. 具有扎实的基本功。 3. 具备一定的运用基础知识分析、解决实际问题的能力。 四、考试形式 本考试采取客观试题与主观试题相结合，单项技能测试与综合技能测试相结合的方法，强调考生掌握材料化学基础知识以及综合运用的能力。 考试时间为180分钟，答题方式为闭卷考试（可以使用数学计算器）。 五、考试内容 本考试包括两个部分：材料化学、材料物理。 一、材料化学部分 1、化学热力学 热力学第一、二、三定律及其应用；各种变化过程（单纯pVT变化过程、相变化过程和化学变化过程）的方向和限度的判别；相平衡体系和化学平衡体系中的应用；二组分体系相图的绘制及解析。 2、化学动力学 具有简单级数的反应的特点；反应级数及速率方程的确定；各种因素对反应速率及速率常数的影响；复合反应的近似处理方法及其应用；根据反应机理推导速率方程；化学动力学基本原理在气相反应、多相反应、溶液中反应、催化反应和光化学反应体系中的应用。 3、电化学 电解质溶液的导电能力—电导、电导率、摩尔电导率及其应用；可逆电池、可逆电极的能斯特公式及其应用；可逆电池的热力学；电池电动势的测定及其应用；极化与超电势及其应用；分解与分解电压；金属电沉积；不可逆电极过程的基本原理及其应用。 4、界面化学 表面自由能和表面张力；润湿现象与接触角；毛细管现象；新相的生成和亚稳定状态；固体表面的吸附及非均相催化反应。 5、无机化学中的化学原理 （1）掌握化学反应中的质量和能量关系； （2）了解酸碱理论，熟悉溶液中的单相与多相离子平衡，掌握弱酸、弱碱溶液中离子浓度、盐类水解和沉淀平衡的计算； 第1页（共11页） ########2018-2019学年第二学期 ########专业####级《材料科学基础》期末考试试卷 （后附参考答案及评分标准） 考试时间：120分钟 考试日期：2019年6月 题 号 一 二 三 四 五 六 总 分 得 分 评卷人 复查人 一、单项选择题（请将正确答案填入表中相应题号处，本题13小题，每小题2分，共26分） 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 题号 11 12 13 答案 1. 在形核-生长机制的液-固相变过程中，其形核过程有非均匀形核和均匀形核之分，其形核势垒有如下关系（ ）。 A. 非均匀形核势垒 ≤ 均匀形核势垒 B. 非均匀形核势垒 ≥ 均匀形核势垒 C. 非均匀形核势垒 = 均匀形核势垒 D. 视具体情况而定，以上都有可能 2. 按热力学方法分类，相变可以分为一级相变和二级相变，一级相变是在相变时两相自由焓相等，其一阶偏导数不相等，因此一级相变（ ）。 A. 有相变潜热改变，无体积改变 B. 有相变潜热改变，并伴随有体积改变 C. 无相变潜热改变，但伴随有体积改变 D. 无相变潜热改变，无体积改变 得分 专业 年级 姓名 学号 装订线 3. 以下不是材料变形的是（）。 A. 弹性变形 B. 塑性变形 C. 粘性变形 D. 刚性变形 4. 在固溶度限度以内，固溶体是几相？（） A. 2 B. 3 C. 1 D. 4 5. 下列不属于点缺陷的主要类型是（）。 A. 肖特基缺陷 B. 弗伦克尔缺陷 C. 螺位错 D. 色心 6. 由熔融态向玻璃态转变的过程是（）的过程。 A. 可逆与突变 B. 不可逆与渐变 C. 可逆与渐变 D. 不可逆与突变 7. 下列说法错误的是（）。 A. 晶界上原子与晶体内部的原子是不同的 B. 晶界上原子的堆积较晶体内部疏松 C. 晶界是原子、空位快速扩散的主要通道 D. 晶界易受腐蚀 8. 表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生，微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要，微裂纹长度，断裂强度。（） A. 越长；越低 B. 越长；越高 C. 越短；越低 D. 越长；不变 9. 下列说法正确的是（）。 A. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度上升 B. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度下降 C. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度上升 D. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度下降 10. 下列材料中最难形成非晶态结构的是（）。 A. 陶瓷 B. 金属 C. 玻璃 D. 聚合物 第2页（共11页） 2018年硕士研究生招生考试大纲 考试科目名称：材料科学基础考试科目代码：875 一、考试要求 材料科学基础考试大纲适用于北京工业大学材料科学与工程学院（0805）材料科学与工程和（085204）材料工程（专业学位）；激光工程研究院（0803）光学工程与（085202）光学工程（专业学位）；以及固体微结构与性能研究所（0805）材料科学与工程学科的硕士研究生入学考试。此课程是材料科学与工程学科的重要基础理论课，是理解并学习各种材料其结构、加工工艺与性能之间联系的基础。材料科学基础的考试内容主要包括各类材料共性基础知识部分（原子结构与结合键、晶体结构、晶体缺陷、相图与相平衡、材料的凝固）、金属材料基础知识部分（金属晶体中位错、表面与界面、塑性变形与再结晶、金属晶体中扩散、固态相变、金属材料强韧化）和无机材料基础知识部分（无机材料化学键结构与晶体结构、无机材料的缺陷、无机材料的相图与相变过程、无机材料的基本制造加工原理、无机材料的机械性能、无机材料的光学和电学性能），要求考生对其中的基本概念和基础理论有深入的理解，系统掌握各类基本概念、理论及其计算和分析的方法，具有综合运用所学知识分析和解决材料科学与工程实际问题的能力。 二、考试内容 考试内容分为材料共性知识、金属材料基础知识和无机材料基础知识三大部分，总分150分。其中，材料共性知识部分所有学生均需作答，共105分；金属材料基础知识部分和无机材料基础知识部分考生需根据自己的专业背景二选一作答，不能混做，共45分。题型一般包括名词解释、填空、判断正误、问答、计算、分析题等。 （一）材料共性知识部分 1.原子结构与结合键 (1)熟练掌握电离能、电子亲和能、电负性、金属间化合物、电子化合物等概念，熟练掌握原子核外电子排布，理解光的波粒二象性、测不准原理、泡利不相容原理、洪特规则、能量最低原理、电子能带结构理论； 材料科学基础考研经 典题目 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19.在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样 条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 期末总复习 一、名词解释 空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。 配位数：直接与中心原子连接的配体的原子数目或基团数目。 对称：物体经过一系列操作后，空间性质复原；这种操作称为对称操作。 超结构：长程有序固溶体的通称 固溶体：一种元素进入到另一种元素的晶格结构形成的结晶，其结构一般保持和母相一致。 致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能； 小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界； 晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 肖脱基空位：脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位。 弗兰克耳空位：晶体中原子进入空隙形而形成的一对由空位和间隙原子组成的缺陷。 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。 柏氏矢量：用来表征晶体中位错区中原子的畸变程度和畸变方向的物理量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。 过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠金属本身的能量起伏获得成核驱动力的形核过程。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 形核功：形成临界晶核时，由外界提供的用于补偿表面自由能和体积自由能差值的能量。 马氏体转变：是一种无扩散型相变，通过切变方式由一种晶体结构转变另一种结构，转变过程中，表面有浮凸，新旧相之间保持严格的位向关系。或者：由奥氏体向马氏体转变的 2010级材料科学基础复习参考材料 一、名词解释 第二章 2-1 Crystalline and Non-crystalline 结晶态与非晶态 Crystalline: The state of a solid material characterized by a periodic and repeating three-dimensional array of atoms,ions,or molecules. Non-crystalline:The solid state wherein there is no long-range atomic order.sometimes the terms amorphous,glassy,and vitreous are used synonymously. 2-2 Single crystalline materials and polycrystalline materials 单晶与多晶材料 Single crystalline materials:A crystalline solid for which the periodic and repeated atomic pattern extends throughout its entirety without interruption. polycrystalline materials:Referring to crystalline materials that are composed of more than one crystal or grain. 2-3 Crystal structure, point lattice and unit cell 晶体结构、空间点阵、单位晶胞 Crystal structure:For crystalline materials,the manner in which atoms or ions are arrayed in space.It is defined in terms of the unit cell geometry and the atom positions within the unite cell. point lattice:The regular geometrical arrangement of points in crystal space. unit cell:The basic structural unit of a crystal structure.It is generally defined in terms of atom(or ion) positions within a parallelepiped volume. 2-4点群与空间群 点群：是指宏观晶体中对称要素的集合。它包含了宏观晶体中全部对称要素的总和以及它们相互间的组合关系。 空间群：晶体内部结构中全部对称要素的集合。 2-5 Direction indices and plane indices 晶向指数与晶面指数 晶向指数：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点直线组，质点等距离地分布在直线上。位于一条直线上的质点构成一个晶向。用表示，其中u v w是晶向矢量在参考坐标系X Y Z轴上的矢量分量等比例化简而得到。 晶面指数：可将晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面，即晶面，用表示,h l k是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距倒数的互质整数比。 2-6 Coordination number and coordination polyhedron配位数与配位多面体 配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目为原子或离子的配位数 配位多面体：由原子（或离子）与其配位原子（或异号离子）组成的多面体结构为配位多面体。 《材料科学基础》考试试卷（第一套） 课程号 6706601060 考试时间 120 分钟 一、 名词解释（简短解释，每题2分，共20分） 空间点阵 线缺陷 吸附 渗碳体组织 适用专业年级（方向）： 材 料 科 学 与 工 程 专 业 2006 级 考试方式及要求： 闭 卷 考 试 固态相变 稳态扩散 形核率 调幅分解 霍尔-配奇方程 平衡凝固 二、选择题（只有一个正确答案，每题1分，共10分） 1、弯曲表面的附加压力△P 总是( ) 曲面的曲率中心。 A.指向 B.背向 C.平行 D.垂直 2、润湿的过程是体系吉布斯自由能( )的过程。 A.升高 B.降低 C.不变 D.变化无规律 3、一级相变的特点是，相变发生时，两平衡相的( )相等，但其一阶偏微分不相等。 A.熵 B.体积 C.化学势 D.热容 4、固溶体合金的凝固是在变温下完成的，形成于一定温度区间，所以在平衡凝固条件下所得到的固溶体晶粒( ) A.成分内外不均匀 B.不同温度下形成的各晶粒成分是不同的 C.晶粒内外，晶粒形成不分先后，同母液成分是一致的 5、强化金属材料的各种手段，考虑的出发点都在于( ) A.制造无缺陷的晶体或设置位错运动的障碍 B.使位错增殖 C.使位错适当的减少 6、既能提高金属的强度，又能降低其脆性的手段是( ) A.加工硬化 B. 固溶强化 C. 晶粒细化 7、根据显微观察，固液界面有两种形式，即粗糙界面与光滑界面，区分两种界面的依据是值大小( ) A. α<=2为光滑界面 B. α>=1为光滑界面 C. α>=5为光滑界面 8、渗碳处理常常在钢的奥氏体区域进行，这是因为( ) A. 碳在奥氏体中的扩散系数比在铁素体中大 B. 碳在奥氏体中的浓度梯度比在铁素体中大 C. 碳在奥氏体中的扩散激活能比在铁素体中小 9、界面能最低的相界面是( ) A. 共格界面 B. 孪晶界 C. 小角度晶界 10、铁碳合金组织中的三次渗碳体来自于( ) 上海大学2018年硕士《材料科学基础》考试大纲复习要求： 要求考生掌握金属材料的结构、组织、性能方面的基本概念、基本原理；理解金属材料的结构、组织、性能之间的相互关系和基本变化规律。 二、主要复习内容： （一）晶体学基础 理解晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵的差异；掌握晶面指数和晶向指数的标注方法和画法；掌握立方晶系晶面与晶向平行或垂直的判断；掌握立方晶系晶面族和晶向族的展开；掌握面心立方、体心立方、密排六方晶胞中原子数、配位数、紧密系数的计算方法；掌握面心立方和密排六方的堆垛方式的描述及其它们之间的差异。 重点：晶体中原子结构的空间概念及其解析描述(晶面和晶向指数)。 （二）固体材料的结构 掌握波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。掌握波粒两相性的基本方程。掌握离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的结构差异。了解结合键与电子分布的关系和键合作用力的来源。掌握影响相结构的因素。了解不同固溶体的结构差异。 重点：一些重要类型固体材料的结构特点及其与性能的关系。 （三）晶体中的缺陷 掌握缺陷的类型；掌握点缺陷存在的必然性；掌握点缺陷对晶体性能的影响及其应用。理解位错的几何结构特点；掌握柏矢量的求法；掌握用位错的应变能进行位错运动趋势分析的方法。掌握位错与溶质原子的交互作用，掌握位错与位错的交互作用。掌握位错的运动形式。掌握位错反应的判断；了解弗兰克不全位错和肖克莱不全位错的形成。 重点：位错的基本概念和基本性质。 （四）固态中的扩散 理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散第一定律和第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。掌握几种重要的扩散机制适用的对象，了解柯肯达尔效应的意义。掌握温度和晶体结构对扩散的影响。 重点：扩散的基本知识及其在材料科学中的应用 （五）相图 掌握相律的描述和计算，及其对相平衡的解释；掌握二元合金中匀晶、共晶、包晶、共析、二次相析出等转变的图形、反应式；掌握二元典型合金的平衡结晶过程分析、冷却曲线；掌握二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织名称、相对量的计算；掌握铁－渗碳体相图及其典型合金的平衡冷却曲线分析、反应式、平衡相计算、平衡组织计算、组织示意图绘制；掌握简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析；定性的掌握单相固溶体自由能的求解方法，掌握单相固溶体自由能表达式，掌握固溶体的自由能－成分曲线形式，掌握混合相自由能表达式，了解相平衡条件表达式，掌握相平衡的公切线法则。 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0>dZ dT 。在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液—固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下，相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形，其大小与很多因素有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。可以按液固相界面前沿过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起，此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长，考虑到界面的力学平衡关系，平界面变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？ 答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。产生的途径：⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由于位错间有交互作用。在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷，如带割阶的位错运动会放出空位。⑶辐照。高能粒子（中子、α粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温 材料科学基础期末总结复习资料 1、名词解释 （1）匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。 （2）共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称 为共晶转变。 （3）包晶转变：成分为H点的δ固相，与它周围成分为B点的液相L，在一定的温度时，δ固相与L液相相互作用转变成成分是J 点的另一新相γ固溶体，这一转变叫包晶转变或包晶反应。即HJB---包晶转变线，LB+δH→rJ （4）枝晶偏析：合金以树枝状凝固时，枝晶干中心部位与枝晶间的溶质浓度明显不同的成分不均匀现象。 （5）晶界偏析：晶粒内杂质原子周围形成一个很强的弹性应变场,相应的化学势较高,而晶界处结构疏松,应变场弱,化学势低,所以晶粒内杂质会在晶界聚集,这种使得溶质在表面或界面上聚集的现象称为晶界偏析 （6）亚共晶合金：溶质含量低于共晶成分，凝固时初生相为基体相的共晶系合金。 （7）伪共晶：非平衡凝固时，共晶合金可能获得亚（或过）共晶组织，非共晶合金也可能获得全部共晶组织，这种由非共晶合金所获得的全部共晶组织称为伪共晶组织。 （8）离异共晶：在共晶转变时，共晶中与初晶相同的那个相即附着在初晶相之上，而剩下的另一相则单独存在于初晶晶粒的晶界处，从而失去共晶组织的特征，这种被分离开来的共晶组织称为离异共晶。 （9）纤维组织：当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，这称为纤维组织。 （10）胞状亚结构：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，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结，进一步增加变形度时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构。 （11）加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬 度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。 （12）结构起伏：液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序、短程有序，并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长、瞬息万变、尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。 （13）能量起伏：能量起伏是指体系中每个微小体积所实际具 有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。 （14）垂直长大：对于粗糙界面，由于界面上约有一半的原子 位置空着，故液相的原子可以进入这些位置与晶体结合起来，晶体便连续地向液相中生长，故这种长大方式为垂直生长。 （15）滑移临界分切应力：晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移 点缺陷1范围分类1点缺陷.在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小的晶体缺陷.2线缺陷在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级),另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷.其具体形式就是晶体中的位错3面缺陷在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外一个方向上的尺寸很小的晶体缺陷 2点缺陷的类型1空位.在晶格结点位置应有原子的地方空缺,这种缺陷称为“空位”2.间隙原子.在晶格非结点位置,往往是晶格的间隙,出现了多余的原子.它们可能是同类原子,也可能是异类原子3.异类原子.在一种类型的原子组成的晶格中,不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置3点缺陷的形成弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位和间隙原子.肖特基缺陷:只形成空位不形成间隙原子.（构成新的晶面）金属:离子晶体:1 负离子不能到间隙2 局部电中性要求 4点缺陷的方程缺陷方程三原则: 质量守恒, 电荷平衡, 正负离子格点成比例增减. 肖特基缺陷生成:0＝V M,,+ V O··弗仑克尔缺陷生成: M M＝V M,,+ M i ·· 非计量氧化物:1/2O2(g)＝V M,,+ 2h·+ O O不等价参杂:Li2O＝2Li M,+ O O + V O··Li2O+ 1/2O2 (g) ＝2Li M, + 2O O + 2h· .Nb2O5＝2Nb Ti ·+ 2 e, + 4O O + 1/2O2 (g) 5过饱和空位.晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值.如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位,快速冷却到一较低的温度,晶体中的空位来不及移出晶体,就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值.过饱和空位的存在是一非平衡状态,有恢复到平衡态的热力学趋势,在动力学上要到达平衡态还要一时间过程. 6点缺陷对材料的影响.原因无论那种点缺陷的存在,都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡即造成小区域的晶格畸变.效果1提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱),增加了阻力,加速运动提高局部温度(发热)2加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站3形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞,集中一片的塌陷形成位错4改变材料的力学性能.空位移动到位错处可造成刃位错的攀移,间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力.会使强度提高,塑性下降. 位错 7刃型位错若将上半部分向上移动一个原子间距,之间插入半个原子面,再按原子的结合方式连接起来,得到和(b)类似排列方式(转90度),这也是刃型位错. 8螺型位错若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距,再按原子的结合方式连接起来(c),同样除分界线附近的一管形区域例外,其他部分基本也都是完好的晶体.而在分界线的区域形成一螺旋面,这就是螺型位错 9柏氏矢量.确定方法,首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路,也称为柏氏回路,这个回路包含了位错发生的畸变.然后将同样大小的回路置于理想晶体中,回路当然不可能封闭,需要一个额外的矢量连接才能封闭,这个矢量就称为该位错的柏氏矢10柏氏矢量与位错类型的关系刃型位错,柏氏矢量与位错线相互垂直.(依方向关系可分正刃和负刃型位错).螺型位错,柏氏矢量与位错线相互平行.(依方向关系可分左螺和右螺型位错).混合位错,柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度. 柏氏矢量守恒1同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关.2位错不可能终止于晶体的内部,只能到表面,晶界和其他位错,在位错网的交汇点, 11滑移运动--刃型位错的滑移运动在晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体上部向有发生移动的趋势.假如晶体中有一刃型位错,显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易.因此,①位错的运动在外加切应力的作用下发生;②位错移动的方向和位错线垂直;③运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移);④位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶.螺型位错的滑移在晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势.假如晶体中有一螺型位错,显然位错在晶体中向后发生移动,移动过的区间右边晶体 《材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 __C___。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于 __B___。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无 _A____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _B____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 __C___。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 _B____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为 __A___。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 __A___。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值围是 _____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1材料科学基础知识点总结
823材料科学基础考试大纲
《材料科学基础》期末考试试卷及参考答案,2019年6月
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