大学期末总复习——材料科学基础知识点汇总

2024年2月21日发(作者：住院日记)

大学期末总复习——材料科学基础知识点汇总

一、名词解释

1、空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。

2、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。

3、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。

4、超结构：长程有序固溶体的通称。

5、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。

6、致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错。

16、派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。

17、过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。

18、过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。

19、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。

20、过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。

21、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。

22、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相变过程。

23、共析转变：单相固溶体于冷却时在某一温度发生等温可逆反应，转变成两个或三个混合的结松不同的新相的转变。

24、平衡分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。

25、固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高,塑性下降的现象。

26、应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后,在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况。

27、孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变,使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生。

28、临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最

小分切应力。

29、变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向,择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生,称为变形织构。

30、再结晶织构：是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构,位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。

31、再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。

32、冷加工与热加工：再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织。

33、加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一道一道的细线。

34、动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。

35、临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系,在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大,对应的冷变形程度称为临界变形度。

36、二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。

37、退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织。

二、简答题

1、晶体宏观对称要素有哪些？

答：回转对称；对称中心；对称面；回转反演轴。

2、影响形成晶体的原子半径的因素有哪些?

答：（1）温度与压力，一般情况下，温度降低和压力增大会使原子半径减小；

（2）结合键的影响；

（3）配位数的影响；

（4）原子核外层电子结构的影响。

3、简述形成有序固溶体的必要条件。

答：（1）异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力；

（2）合金成分符合一定化学式；

（3）低于临界温度(有序化温度)。

4、试述晶界的特性试述晶界的特性

答：晶界具有晶界能,容易发生溶质原子和杂质原子的晶界偏聚,是原子易扩散通道,晶界在加热时会发生迁移，晶界是相变等优先形核的地方，晶界易受腐蚀，晶界增多在室温下强化材料，在高温下弱化材料强度，晶界处易于析出第二相，晶界容易使位错塞积，造成应力集中,晶界上原子排列混乱。

5、试证明一个位错环只能有一个柏氏矢量。

答：如图所示设有一位错环ABCDA，可以将其看成是ABC，CDA两部分组成,ABC的柏氏矢量为b1，CDA的柏氏矢量为b2，由于位错是己滑移和未滑移的交界，故还存在CA的柏氏矢量为b3。对于ABC围成的区域：b1=b2+b3，对于CDA围成的区域:b1=b2+b3，由两式可得b1=b2，所以一个位错环只能有一个柏氏矢量。

6、同一滑移面上的两根正刃形位错，其柏氏矢量为b,相距L，当L远大于柏氏矢量的模时，其总能量为多少?当它们无限接近时总能量又为多少?如果是异号位错，其结果又怎样呢？

7、什么是过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？

答：过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn比理论结晶温度Tm低的现象。过冷度ΔT指Tm与Tn的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。

8、简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶核半径，形核功及形核率的关系？

9、说明晶体成长形状与温度梯度的关系

答：正温度梯度下，传热通过固相，平面状长大，或是锯齿状；负温度梯度下,微观粗糙界面的金属和合金,枝晶长大；微观光滑界面的也是枝晶长大,但是α值大的,可以还是平面状长大。

10、说明获得单晶或全部柱状晶的方法及注意事项

答：控制冷却方向，形成定向散热和凝固。

11、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

答:凝固的基本过程为形核和长大，形核需要能量和结构条件，形核和长大需要过冷度。

细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度，加入形核剂，振动或搅拌。

12、试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点。

答：根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程，可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶，靠内为柱状晶，最内层为粗大等轴晶。

13、根据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶,非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。

答：冷却速度金属凝固后的组织影响极大。冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化，冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。

14、简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。

答：润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好；

润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；

润湿角0°<θ〈180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小,固相粒子促进形核效果越好。

杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时,促进形核效果好，当两者结构不相同时,一般对促进形核效果差或不促进形核。杂质粒子的表面成凹形时,促进形核效果好,成平面状时次之，凸形时最差。

15、试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同。

答:相同点：均需要形核与长大，形核要满足一定热力学条件,形成一定临界晶核半径，即需要能量起伏和结构起伏。

不同点：固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平

衡结晶时产生偏析,一般会产生成分过冷,凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。

16、再结晶与固态相变有何区别?

答:再结晶是一种组织转变,从变形组织转变为无畸变新晶粒的过程，再结晶前后组织形态改变，晶体结构不变；固态相变时，组织形态和晶体结构都改变；晶体结构是否改变是二者的主要区别。

17、简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。

答：变形度较小时以晶界弓出机制形核，变形度大的高层错能金属以亚晶合并机制形核，变形度大的低层错能金属以亚晶长大机制形核。冷变形度很小时不发生再结晶,晶粒尺寸基本保持不变,在临界变形度附近方式再结晶晶粒特别粗大,超过临界变形度后随变形度增大，晶粒尺寸减少，在很大变形度下，加热温度偏高，少数晶粒发二次再结晶，使部分晶粒粗化。

18、灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法?

答:灯泡中W丝在高温下工作，晶粒长大后在热应力作用下破断,延长钨丝寿命的方法可以加入第二相质点阻止晶粒在加热时长大,如加入ThO2颗粒；或在烧结中使制品中形成微细的空隙也可以抑制晶粒长大，如加入少量K、Al、Si等杂质，在烧结时汽化形成极小的气泡。

19、户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？

答：户外用的架空铜导线要求一定的强度可以进行回复退火，只去应力，保留强度；户内电灯用花线可以进行再结晶退火,软化金属，降低电阻率。

20、金属晶体塑性变形时,滑移和孪生有何主要区别？

答：滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍,孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍;滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪生面两边的晶体位向不同，以孪晶面形成镜像对称；滑移时需要的临界分切

应力小，孪生开始需要的临界分切应力很大,孪生开始后继续切变时需要的切应力小，故孪生一般在滑移难于进行时发生。

21、单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。

答：纯金属变形主要借助位错运动，通过滑移和孪生完成塑性变形，开动滑移系需要临界切应力，晶体中还会发生扭转；单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的，但会出现固溶强化,开动滑移系需要临界切应力较大,还有屈服和应变时效现象。

（2）它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时,其应力—应变曲线近似为直线，称为易滑移阶段,此时加工硬化率很小，滑移线细长，分布均匀；随后加工硬化率显著增加，称为线性硬化阶段，滑移系在几组相交的滑移系上发生，位错彼此交截，滑移线较短;第三阶段称为抛物线硬化阶段,加工硬化随应变增加而减少，出现许多碎断滑移带，滑移带端部出现交滑移痕迹。多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段，而加工硬化率明显高于单晶体。

23、简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。

简答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性,即在各方向上的性能不均,对使用性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足

使用要求。

24、为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。

简答：金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析程度减弱，合金成分均匀性提高,热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。

25、何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明）,加工硬化现象在工业上有哪些作用？

简答：金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论,以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要,可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低,使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。

26、简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。

答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等,对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性,其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形;第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。

27、讨论织构的利弊及控制方法。

答:织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过

控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制)和退火工艺等多种因素的配合。

28、叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。

答:金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化,，变形金属中出现残余应力,金属在单向塑性变形时出现变形织构。

29、如图所示，低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；2－去载后立即再行加载；3－去载后时效再加载。试回答下列问题:

（1）解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。

（2）屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。

答:（1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的,在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象;曲线3在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象。

（2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素,减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。

30、试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响,在生产中如何控制材料的晶粒度。

答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall－Petch公式描述，晶粒越细小,材料强度越高；高温下由于晶界产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑

动，并产生扩散蠕变,晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。

生产中可以通过选择合适的合金成分获得细小晶粒，利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷度等措施细化铸锭晶粒,利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数控制晶粒长大。

31、如何提高固溶体合金的强度

答：固溶强化，细晶强化，加工硬化，第二相强化，相变(热处理）强化等。

32、试用位错理论解释固溶强化,弥散强化，以及加工硬化的原因。

答：固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎,增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团，溶质原子与扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加，位错难于束集,交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序,位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度升高。

弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格第二相的Orowan机制和切割较软、与基体共格的第二相粒子的切割机制。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。

33、试说明界面对复合材料结合强度的影响。

答：复合材料由颗粒或纤维与基体构成，存在大量界面。按照显微结构，其界面层可以区分为基体与复合物的机械固体啮合结合、形成化学反应的化合层结合、形成完全或部分固溶体的结合几种情况。结合层的结合面体积分数越大，结合层强度越高，基体与复合物之间的结合键力越大，结合强度越高。

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