一：知识：
1：晶面和晶向：晶面：（hkl）；晶向：[hkl]；
2：对于能量和熵的判断：
（1）：G=H-TS，高温主要考虑熵作用（熔化等），低温主要考虑能量作用（常温等），较高温度时综合考虑；
（2）：分析：能量分为结合能和应变能。
结合能：可用简单立方系或平面正方点阵，观察过程前后键数量的变化（最近邻假设）；同时原子间距越小结合能越大（越稳定）。
应变能：“偏离平衡状态越远，应变能越高”，同时（同样偏离距离）压应变的数值高于拉应变。
熵：由S=KlnΩ，有：体系微观状态数越大，熵越高（应用此式说明时需注意过程前后体系物质种类及数量不能变化）；可用排列组合比较Ω。一般情况可直观感觉，体系越无序，所受的限制越少，熵越大。
3：“属+种差”：对于词汇“ABC”：C是主要成分，A、B是对C的修饰。
第一章问题
P7-1：已知α-Fe的密度为7.8，其晶胞是立方的，每个晶胞中原子个数为2，求点阵常数。【】
2：在一个晶胞内，画出（123）、（101）、（021）、（111）和[111]、[212]、[301]、[231]。【】
3：根据立方系夹角公式，计算以下界面的夹角：（111）与（111）；（110）和(111)。
【】
5：有一个反派角色问了该问题：（e π2）晶面该怎么画？如何看待他的问题？
答：这个晶面只能近似地作出……但是不必考虑这个问题，因为高指数晶面没有意义。之所以无意义，是因为高指数晶面上的原子间距离很远，相互作用可忽略不计，没有研究价值。
6：说明面心立方中（111）面间距最大，而体心立方中（110）面间距最大。
【】
P9
1：铜的密度为8.9，铝为2.7（8.9/2.7=3.3），但两者的原子量之比为63.5/27=2.35。请问两个比值不同说明了什么？（铜和铝结构相同）
【】
2：画出fcc（111）晶面和bcc（110）晶面的原子分布图。
【】
4：已知金刚石中C-C键长为0.155nm，求其密度。
【】
6：金刚石强度远高于石墨，但熔点却低于石墨。这是为什么？
答：强度：金刚石中碳原子间皆以共价键相连，而石墨中层间作用力为较弱的范德华力（原子间）及离域π键（自由电子），强度取决于结合键中最弱的部分，因此金刚石强度远高于石墨；
熔点：石墨中层间键为sp2杂化，金刚石中键为sp3杂化，sp2中s轨道比例大于sp3中比例，因此sp2键长小于sp3键长，破坏所需能量更高。故石墨熔点高于金刚石。
P13
3：证明金刚石的致密度为34%。
【】
P16
2：Cu、Au的熔化热几乎相等，但弹性模量E Cu=123Gpa，E Au=79Gpa，他们相差较大，请问为什么？
答：是因为，1个Cu原子提供2个自由电子，而Au只能1个，因此Cu中金属键密度大于Au，故弹性模量有较大差异。
P20
1：为什么共价键的金刚石致密度很低，而金属键的Cu等致密度很高？请从结合键的特点给予分析。
答：由于电子云分布的特点，共价键的键角是确定的；这使得共价键晶体不能密排；而金属键是金属正离子与自由电子的作用，两者距离越近能量越低，因此金属键晶体致密度很高。
2：与“12-6”函数相比，“18-9”势函数更适合最近邻假设吗？为什么？
【】？
3：对金刚石晶体，能否用本节的思路（一层一层的）计算晶体的结合能？为什么？
答：不能。因为金刚石中碳原子与最近邻的4个碳原子成共价键，而与其余原子仅有范德华力，因此其结合能几乎全部在最近邻原子上，完全不用考虑其余。
5：面心立方计算到最近邻时，已计算到总结合能的69%。体心立方计算到最近邻时，计算的总结合能占总结合能的比例大于还是小于69%？计算到次近邻呢？
【】
P23
2：白色和橙色的乒乓球均匀混合在一起，放在一个很大的筐里，这样的体系是不是固溶体？它与固溶体的主要差异何在？
答：不是固溶体，因为该体系结构无序，不是晶体。（固溶体的基本要素：一：是晶体；二：该晶体结构不因溶质溶入而改变；三：溶质原子与溶剂原子在原子尺度上随机混合）
3：为什么“A、B原子的半径差越大，形成的置换固溶体溶解度越小”？请用应变能、自由能、稳定性等概念解释。
答：A、B原子的半径差越大，单位B置换A导致的应变能越高，因此在B溶入过程中系统自由能升高速度越快，在B比例更小的情况下G值即超过两相共存情况的G值。
4：A、B电负性差别大会导致什么结果？请用例子说明。
答：电负性差别大，会生成稳定的有序固溶体。例如Fe3C.
5：假设要配制30kg铜和70kg镍的固溶体，可以将纯镍和铜按需要称量，放入坩埚中加热到两者皆熔化，将融化的铜镍液体缓慢冷却，就能得到Cu-Ni固溶体。请从熵的角度分析为什么要熔化？
答：因为，温度达到熔化后，熵起决定性的主导作用，所以镍和铜可以在这种情况下混合成为固溶体。
P26
1：用一句话描述引入相互作用参数的目的。
答：引入相互作用参数Ω的目的是表征键的类型变化引起的结合能变化。
3：在25页图1-18b中，什么温度下同类原子会聚集在一起？假定图1-18b对应温度T1，T2时原子组态有什么变化？（T2>T1）
答：在T=0K时，同类原子聚集在一起；温度升高，溶质原子团的大小会减小。这是因为温度升高熵的影响力增大，而同类原子聚集（与无序分布相比）结合能和熵都降低。因此温度升高，同类原子聚集的程度下降，具体体现在原子团大小减小。
4：能否说：宏观有序则微观一定有序？反过来呢？宏观无序则微观一定无序？反过来呢？请分别予以说明。
答：在材料中：微米尺度为宏观，纳米尺度为微观。
宏观有序时，微观不一定有序；例如非晶态材料，其宏观可以有序，而微观一定无序。
在晶体的所有区域都微观有序且相同时，宏观一定有序。
宏观无序时，微观一定无序；
微观无序时，
P30：1：既然教材介绍了Ω<0时的有序化现象及影响因素，那么Ω>0时会发生什么，此时的可比过程叫做什么？有几个影响因素？这些影响因素与Ω<0时有什么差异？
答：Ω>0时，同类原子会聚集在一起，可将该过程称为偏聚化；有下列影响因素：1：Ω：Ω>0时，A-A键数的增加导致内能降低。
2：温度：T应小于某临界温度。低于该临界温度时内能起主导作用。
3：冷速：偏聚化是原子迁移的过程，因此冷却速度过快可能使偏聚化过程来不及进行。
4：成分：我认为欲发生偏聚化，溶质原子摩尔分数应高于某一临界值，否则溶质原子不能“找到”其他溶质原子形成偏聚。（这一条存疑）
2：间隙固溶体的溶解度与应变能有何关系？应变能是影响溶解度的主要因素吗？
答：应变能越大，溶解度越小；应变能是影响溶解度的主要因素。
P34：
1：VC中钒与碳之间必然互相结合。问他们的结合键主要属于什么类型？（从几何上看，每个C周围有6个V）。
答：结合键主要属于离子键。因为：C周围有等价的6个V，而碳只有4个成共价键的轨道，因此不是共价键；又因为碳不能变为离子和自由电子，故不是金属键。
2：在Fe3C中，碳原子有没有形成sp杂化轨道的可能性？（Fe3C中每个碳原子周围有6个Fe原子）
答：没有，因为碳原子之间相距较远，没有电子云重叠的可能性。
3：计算Fe3C的密度。
【】
P35：说明(Fe,Mn)3(C,N)中Mn、N的含义，并指出它们的差异。
答：Mn、N是溶质，差异为：Mn占据Fe的位置，N占据C的位置。
P37：
1：说明NaCl不可能是纯离子键，即NaCl中多少带有一点共价键的特征。
答：纯离子键是正负离子的相互作用，键长应等于正负离子半径之和；实际上Na+0.102nm，Cl-0.181nm，两者之和略大于NaCl晶格常数的一半，这说明离子间有电子云的重合，这是共价键的特征。
2：NaCl的电阻比金属高十几个数量级，请给予解释。
答：金属中的载流子是自由电子，可自由移动；而NaCl中的载流子正负离子被束缚在格点上不能自由移动，因此有题设结论。
3：MgO、SrO、BaO都具有NaCl结构，为什么他们的熔点会依次降低?请结合周期表，用电子云概念解释。
答：使用电子云概念：由于电子云的半径越相似，电子云的重叠程度就越大，Mg、Sr、Ba 的半径依次增大，因此MgO、SrO、BaO中电子云重叠部分依次减少，熔点依次降低。（By 韩军杰）
6：Li3AlN2具有反CaF2结构，试画出其晶胞并标明三类原子的具体位置。
【】
7：为什么大部分共价键材料密度低，离子键材料密度中等，而金属键材料密度高?
答：这是因为：共价键材料原子间须有确定的键角，因此无法密排；对于离子键材料，由于过于密排会导致相同电性的离子相距过近，排斥力过大；金属键材料由于是离子与自由电子的作用，因此可以尽可能的密排。
P41：
4：金刚石的熔点为3550℃，而同结构的Si的熔点仅有1412℃，请简要分析熔点存在差异的原因。同时请判断SiC的熔点，SiC的结构与金刚石一致。
答：熔点存在差异的原因是：C-C键键长小于Si-Si键，电子云结合更紧密，更不易被破坏。
显然可推论SiC熔点在Si和金刚石之间。
5：为什么SiO2的熔点（1710℃）比SiF4（-77℃）高很多？
答：这是因为，SiO2是原子晶体，而SiF4是分子晶体。氧有两个可成共价键轨道，而氟只有1个，因此SiO2之间可以以共价键连接，而SiF4就只能一个个地，在晶体中就像一个个“孤岛”一样。
6：Al的膨胀系数为25×10-6/℃，SiC的膨胀系数为4.3×10-6/℃，请判断哪一种材料的熔点更高，为什么？
答：SiC的熔点更高，因为Al会在更低的温度下膨胀到结合键失效，不能维持晶体结构的地步。
P43：图1-56氩的径向分布函数的解释。（重要）
答：（1）：横纵坐标的含义：横坐标代表到中心原子的距离；
上图中纵坐标是径向数密度除以一个常数。径向数密度是指：一个球壳上的原子总数/该球壳体积（式1-43），因此上图纵坐标的物理意义是：原子出现的概率；
下图中纵坐标其实也是径向数密度，只是写法不同，与上图纵坐标相比少除了一
个常数。考虑到某人的出题爱好，试解释如下：n0是一个归一化系数，可使上图中曲线积分后值为1，具有物理意义。而下图则无此需要，纵轴上没有刻度，是一个定性的图。
对图示线段的认识，参考图下面的一段话。
P44：1：根据标准态理论，非晶中原子的能量一定高于晶体；同时非晶中的混乱度大于晶体。综合考虑能量与熵的因素，请判断非晶与晶体哪一个更为稳定，并说明理由。
答：根据G=H-TS ，低温下晶体更稳定，高温时非晶更稳定。
2：在熔化的金属液体中，原子之间是否仍然存在结合力，他的大小与固态比有什么变化，为什么？
答：一定存在结合力。大小低于固态情况。考查固体和液体的强度即可判断结合力大小^_^（PS ：金属液体中键的情况：金属键和范德华力。）
3：非晶态金属中还有自由电子吗？其导电性与晶体金属比如何？请简要分析。
答：有自由电子(by 吴锵)。其导电性低于晶体金属，因为非晶态金属结构不具有周期性，电子的势能随其位置变化而变化，影响了电子的移动；而晶体金属具有周期性，可以认为其势能不变，电子运动更为自由；同时，晶态金属比非晶态金属致密，电子运动所受阻力更小。
4：固溶体非晶概念应如何解释？
答：（属+种差）首先是非晶，具有非晶体的性质：结构无序。在此基础上具有固溶体的特性：溶质原子随机分布。（固溶体的其余性质与非晶矛盾了）
P46：
1：请简要概括本章内容。
答：从几何和能量角度研究固体结构。
第二章习题：
Q:什么是柯氏气团？
A:通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“柯氏气团”。
P2：
1：根据最近邻假设，估算简单立方晶体中一个空位的形成能。（假定每一个体内原子间的结合能为U 0）
答：首先，简单立方晶体中最近邻原子数为6个，形成一个空位断6根键，空位处原子移至晶体表面成键3根，故空位形成能为021U ；而形成空位后周围原子向空位处偏移导致应变能增加，该移动同时导致结合能的增加。由于该偏移是自发过程，所以能量降低，综上，空位形成能小于02
1U 。
2:自间隙原子的形成能远大于空位形成能。请从应变能和结合能的角度给予分析。
答：自间隙原子的半径远大于间隙尺寸，因此会引起应变能很大的上升；（结合能？）
4：P2图2-2中，假定（b ）图中黑原子半径比白的小10%，而（c ）图中大10%，请问哪种情况下基体内的应变能更大一些？为什么？如果数据由10%变为0.1%，上述结论会变化吗？为什么？
答：（c ）图情况的应变能更大，因为根据结合能曲线，在偏离平衡位置相同的情况下压应变能更大；若数据仅为0.1%，则看不出差别。
5：对于置换固溶体，溶质加入对点阵常数有影响吗？请对溶质原子直径大于溶剂直径的情况予以分析。
答：有影响。溶质原子直径大于溶剂直径时，溶质原子溶入对周围原子施加压应变，使周围原子远离溶质原子，导致晶格常数增大。
P4：
1：Al 2O 3溶入MgO （NaCl 结构）中，形成的非禀性点缺陷在正离子的位置，还是相反？ 答：在正离子位置。由于Al 3+，Mg 2+，因此一个Al 替换Mg 会导致局部电中性无法满足，需要附近Mg 原子成为空位保持局部电中性。
2：当CaO 溶入立方ZrO 2时，随着溶入量的增加，ZrO 2固溶体的密度会发生什么样的变化？为什么？
答：溶入量增加密度降低；因为Ca2+替换Zr4+影响了电中性，会形成非禀性点缺陷，从而使密度降低。
3：图2-3（a ）的画法有些问题，更好的画法是将图中的大小方块画在一起，及正负离子空位出现在一起（参见图6-5）。为什么成对的画法更好些？
答：因为成对画法时的能量更低。虽然该过程应变能上升，但是正负离子空位在一起,减小了晶体中受静电力影响的区域，
P6：3：高温下有可能产生空位对，即两个空位复合在一起。为什么会有这种情况？
答：从能量角度：复合形成空位对会导致结合能降低（断键数减少），应变能升高（空位变大使周围原子偏离平衡位置更多），总体来看能量升高；
从熵的角度：复合形成空位对会导致熵增加；由于空位对与其他空位不同，因此形成少量空位对可使微观状态数Ω上升。（1
10000981000010010000C C C 微观状态数示例，左侧为复合前，右侧为两个空位复合成了一个空位对）
4：金属的空位形成能与其熔点有何关系？为什么？
答：熔点越高，空位形成能越高，这是因为熔点高代表破坏键所需能量高，而形成肖脱基缺陷的过程结合键数量减少。
6：当式2-3中的Ce超过怎样的数值，你认为该式就不适用了？
答：1%。研究二章第六页图2-4，U为一条斜直线，说明每个空位导致的能量升高值相同；这意味着每个空位的周围情况是相同的。如果空位浓度过大，那么会出现空位离得过近的情况，此时“每个空位导致的能量升高值相同”这一假设不再适用。
10：考虑了振动熵的概念后，平衡空位浓度增加，即A是大于1的，为什么？
答：
13：NaCl与MgO的结构相同，但肖脱基缺陷形成能分别为2.2eV/个与6eV/个。为什么数据差异如此之大？请根据这两个数据对他们的肖脱基缺陷的浓度情况作出判断。
答：数据差异来源于：(1):键的数量：单位MgO中键的数量为NaCl的2倍；（2）：离子半径Mg、O分别小于Na、Cl，因此MgO中的键键能高于NaCl；综上，NaCl晶体中肖脱基缺陷的浓度大于MgO晶体。
P12：
2：有一个位错环（即位错线呈环状）存在于某一平面内，该位错环的各个部分可能都是刃位错吗？可能都是螺位错吗？为什么？
答：可能都是刃位错，但不可能都是螺位错。因为刃位错的柏氏矢量垂直于位错线，因此只要柏氏矢量垂直于该平面即可；而螺位错柏氏矢量平行于位错线，无法作出满足条件的柏氏矢量。
3：位错对材料的密度有何影响？
答：（1）：刃位错会使材料的密度降低；虽然（正刃位错）位错线上方受压应力，α下降，下方受拉应力，α升高，但是由于压应变能量大于拉应变，因此拉应变的程度更大，所以材料密度降低。
（2）：螺位错不影响材料的密度。因为螺位错只产生剪切应力，剪切应力体现在原子间角度的变化，没有晶格常数的变化。
P15:
1：从几何的角度分析，为什么刃位错中的σx总是大于σy。参考图2-5。
2：从几何的角度分析，为什么刃位错中的τxz=τyz=0。参考图2-5。
3：从几何的角度分析，为什么在刃位错中，当y>0时，σx<0;当y<0时，σx>0.参考图2-5. 5：螺位错应力场中没有正应力分量。请对此给予解释。
上述问题答：正应力存在是因为出现了正应变，剪切应力存在是因为出现了角度的偏离（偏离90°）；
研究书上2-5图可以得出结论。（注意坐标轴）
P17：
2:如果外应力场是纯剪切应力，问它对立方系的空位会产生作用吗？
答：不会产生作用。因为立方系的空位只产生正应力分量，与纯剪切应力无相互作用。
3：对于一根直螺位错，它对溶入八面体间隙的碳原子，会产生作用吗？为什么？
答：考虑简单立方系情况，八面体间隙在XYZ方向皆对称，因此溶入的碳原子只有正应力分量；而螺位错只有剪切应力分量，两者无相互作用。
4：（1）：对于一根直刃位错，它对溶入γ-Fe八面体间隙的碳原子，会产生作用吗？为什么？（2）：如果有相互作用，结局会怎样？
答：（1）：会产生作用；因为溶入间隙的碳原子和刃位错都会产生正应力，因此有相互作用。
（2）：因为位错线下方的晶格常数会增大，所以碳原子会向该晶格间隙中移动。移动会减小应变能，因此系统总能量降低。
5：同一滑移面上有两个相互平行的正刃位错，他们相互吸引还是相互排斥？为什么？
答：它们将相互排斥。因为正刃位错的应力场会产生相互作用，两位错之间的部分应变能很高。两位错的远离可以降低中间部分的应变能，因此其互相排斥。
6：一个直螺位错平行于一个直刃位错，说明这两个位错之间没有相互作用。
答：螺位错（位错线沿Z轴）只有τzxτyz分量，而刃位错则有τxyσxσyσz分量，两者恰好不同，因此无相互作用。
P19：
3：上述分析（分析的是刃位错的滑移）中，为何总是强调小的位移？这里位移与正应力相关，还是与剪切应力相关？
答：这是因为，小的位移需要的驱动力很小，易于发生；过程中原子移动的距离虽小，但是位错移动的距离大；刃位错的滑移是由小的位移组成的。这里的位移与剪切应力相关。
5:对于没有位错的理想单晶体，沿密排面中的密排方向最容易产生滑移，为什么？
答：因为密排面的面间距是最大的，面间的相互作用力最小，因此最容易产生滑移。
8：平行的刃位错与螺位错之间没有相互作用，当刃位错的柏氏矢量转动90°时也成立，请结合坐标系给予具体分析：
答：对于位错线皆沿Z轴的刃位错、螺位错，螺位错只有τzxτyz分量，而刃位错则有τxyσxσyσz 分量，两者不同，因此无相互作用；若将刃位错的柏氏矢量转动90°，刃位错的应力分量变为τyxσxσyσz，仍然无影响。
P21：1：负攀移相当于什么的扩散？
答：相对于正攀移相当于空位的扩散，负攀移相当于自间隙原子的扩散。
2：负攀移通常可以忽略不计，为什么？
答：因为晶体中自间隙原子浓度远小于空位浓度。
3：对于没有位错的理想晶体，假定它的平衡浓度处于平衡状态，现向这个晶体中引入一根刃位错，并假定整个体系达到新的状态。问：对空位分布而言，新平衡状态与先前的平衡状态有什么差异？请画两张图表示这种差异。
【】
4：对于A、B两种原子组成的固溶体，假定Ω=0，但A与B的原子半径不同。当没有位错时，A、B原子随机分布（如温度较高时，应变能的作用相对较小，而熵的作用较大）。问：固溶体中存在刃位错时，A、B的分布状况有什么变化？请画两张图表示这种变化。【】
P22：
2：Cu形成一个空位的能量为0.9eV，远低于位错应变能的4eV，请简要说明原因。
答：主要是因为压应变应变能高于压应变。刃位错相当于在两层之间插入了半原子面，会产生压应变，且插入的原子与原来的半径相同；在同样偏离距离时，压应变的数值高于拉应变。
3：刃位错的应变能通常大于螺位错，请根据应力分量概念给予解释。
答：在两者柏氏矢量相同的情况下，刃位错有4个应力分量，而螺位错只有2个，因此刃位错的应变能通常大于螺位错。
P26：1：与抽出一层相比，同时抽出两层（101）显然会增大位错线附近的应变能。请从能量角度分析同时抽出两层的合理性。2：假定单位位错线是[121],请设想在图1-8（a）中
其倒三角（111）面上，同时抽出两层（101）会抽出那些原子？
【】
3：为什么分解后的两个分位错会互相排斥？请具体分析。
答：首先分解后的两个分位错的主要部分是相同方向的刃位错，两者的应力场有相互作用导致分位错有互相排斥的动力；同时，相同方向的刃位错相互远离会降低晶体中的应变能，因此排斥是自发过程。
4：请从能量角度验证式2-8.
【】
6:（1）：为什么说层错能数值很低？
答：因为层错能是因为次近邻原子的错位导致的，并没有涉及到主要部分，因此数值低。
（2）：分摊到每个原子的层错能与空位形成能相比，哪个更大一些？为什么？
答：空位形成能更大，因为空位形成能涉及到最近邻部分，因此大于层错能。
8：图2-17（b）中，下面的两个原子如果移到右侧，则形成的“沟槽”不再是[121]方向，而是[011]。请问此时的位错是什么类型的？
答：此时，是混合位错，因为此时位错线与柏氏矢量既不平行也不垂直。
P29：1：对于图2-20中的两类弗兰克位错，当晶体处于高温时，分别会发生怎样的变化？
答：高温时晶体内空位浓度高，会出现正攀移现象，使位错线向后移动，半原子面逐渐消失；（等效于抽去了一层，将会在原位置留下一个排列错误：A CABC）
2：图2-22中间有4个分位错，它们分别是什么类型的？
答：它们是肖克莱位错，也是混合位错。
P35：3：既然面心立方晶体的(111)面的表面能最低，为什么表面包含一定的（100）面，而不完全由（111）面组成？
答：这是因为，总表面能=单位面积表面能×表面面积；虽然（100）面单位面积表面能高于（111）面，但引入一定量的（100）可以降低表面面积，可使总能量降低。
5：对于金属铝，它的固液界面能与固气界面能哪个更大一些？为什么？
答：它的固气界面能更大，因为液体的致密度大于气体，因此液体分子粘附在表面的数量多于气体分子，表面能量下降得更多，因此固气界面能更大。
6：讲义中说：“与其他界面能相比，表面能的数值是比较高的。同时，表面又是暴露在外的，所以晶体的表面极容易被其他物质（甚至是气体）污染。（1）：为什么表面能高就易被污染？（2）：强调“甚至是气体”是什么意思？
答：（1）：因为晶体表面有断键，处在不稳定状态，且与其他物质结合可以使能量下降；
（2）：气体是十分稳定的，不易与其他物质结合；强调的目的是说明表面易被污染。
8：与金属晶体相比，金属非晶体的表面能是高还是低？为什么？
答：非晶体的表面能低；这是因为，表面由于断键，其结构会进行重排，因此晶体和非晶体的表面能量是相同的；又因为非晶体内部能量高于晶体，所以形成表面能量的升高量是非晶体更低。
P40：4：图2-31（P38）左上角为：1.6J/m2—γ0（铜表面氢气气氛中）。请对这些数据、文字给予解释，如1.6J/m2是代表什么？为什么指明是“氢气氛中”？
答：代表：每生成1m2表面，能量上升1.6J；指明“氢气氛中”，是因为晶体的表面能量高，易与其他物质结合导致能量变化，指出其表面状态可消除这一变量。而且，氢气最有活性，影响最小。
8：典型的金属大角度晶界能在0.32J/m2（铝）到0.87J/m2（镍）之间。试说明为什么镍的晶界能大于铝。
答：因为大角度晶界能主要取决于熔点，而镍的熔点高于铝，因此镍的晶界能大于铝。
P43：1：说明图2-35会自发转换为图2-36（P42）。注意共格条件：<0.05。
答：图2-35中β部分整体偏移了标准状态，应变能较大；图2-36与图2-35相比，偏移标准状态的区域和程度明显减小，所以转换会使系统应变能降低，所以图2-35会自发转换为图2-36
2：对于图2-4（a）可以忽略应变能，即相界面能只与相界面上的结合键变化有关。该图中的相界面能就是黑白原子之间的结合能吗？
答：不是，相界面能是形成相界面能量升高的量。
3：接上，能对上问中图黑白原子间的相互作用做出判断吗？
答：Ω>0,因为这样才能形成偏聚，出现相界面。
P44:
1：间隙固溶体中的界面偏析是否一定是正的(即界面溶质浓度高于体内)，为什么？
答：是，因为界面上空隙比晶体内大，因此间隙原子偏析至晶面可降低体系应变能。因此间隙固溶体中的界面偏析一定为正。
2：对于置换固溶体，界面平衡偏析是否一定为正？请从结合键能与应变能两个方面给予分析。
答：不一定；对于置换固溶体，溶质向界面析出导致A-B键的数量减少，而A-A、B-B键数量增加。因此当Ω<0时，界面平衡偏析可使结合能升高；
3：对于小角度晶界与大角度晶界，哪一个更容易形成平衡偏析？为什么？
答：大角度晶界更易形成平衡偏析；因为大角度晶界相对于小角度晶界晶格畸变量更大。
4：对于三类相界面（共格、半共格、非共格），当存在间隙原子时，哪一种相界面最容易形成平衡偏析？为什么？
答：非共格相界更容易引发平衡偏析；因为非共格相界的晶格畸变量最大。
5：Bi在多晶体Cu的晶界上偏析会导致Cu变脆，请问变脆的原因。（Bi熔点：271.3℃，其性质非常靠近非晶体元素）
答：首先，Bi的熔点低，说明Bi-Bi键键能较低；其性质靠近非金属元素，说明其具有共价键晶体的特征-脆性；综上，Bi在晶界上偏析使晶粒之间的连接易于破裂。
6：晶界与晶粒内部的过饱和空位会发生相互作用。请问作用结果是？
答：作用结果是：空位向晶界扩散。
请用一句话概括本章内容：
答：从几何和能量的角度研究实际晶体缺陷及其相互作用。
第五章问题：
P2：
2：讲义中说：“气体中的扩散都是下坡扩散，因为气体的Ω≈0”，为什么气体的Ω≈0? 答：因为气体分子间距离很大，分子间相互作用微弱，可以忽略不计。
4：规则溶液模型的μB =G B +(1-C)2Z Ω+K B TlnC 中，没有考虑应变能。问：
（1）：如果固溶体的Ω≈0，但原子半径不同造成的应变能必须考虑，此时是否会引起上坡
扩散？为什么？
（2）：表达式中的G B 对扩散有无影响？
答：（1）：不会引起上坡扩散，因为上坡扩散使溶质向一处聚集，导致该处点阵畸变大增，系统总能量升高（就像空位对的应变能高于两个单独的空位一样），因此在该情况下不会出现上坡扩散。
（2）：无影响，因为，扩散过程是浓度变化的过程，对上式两侧对C B 求偏导,G B 是纯B 的化学势，因此C
G B ??=0，该项无影响。
6：固溶于α-Fe 中的碳原子偏析到晶界的过程，是上坡扩散还是下坡扩散？
答：该过程是上坡扩散。
P8：2：（1）：碳在α-Fe 中的D0=2×10-5m 2/s ，激活能Q=1.4×105J/mol ，求870℃及927℃时的扩散系数。（2）：若要铁棒中相同的位置得到相同的碳浓度，870℃渗碳所需时间是927℃的多少倍？
【】
P10：1：说明Fe 3(C,N)中碳为什么能够扩散。注意，Fe 3C 中的碳不能扩散；
答：Fe 3C 中的C 之所以不能扩散，是基于这样的理解：扩散是浓度的变化过程，Fe 3C 是纯物质，各组分浓度一定，因此不能扩散；Fe 3(C,N)中部分碳的位置被N 替换，各部分C 、N 浓度有了差别，C 可以扩散了。
2：α-Fe 中碳的扩散系数与Fe 3(C,N)中碳的扩散系数，哪一个更高一些？为什么？ 答：α-Fe 中碳的扩散系数更高，因为α-Fe 中的碳是间隙扩散，而Fe 3(C,N)中的碳是置换扩散。（作为碳原子，在间隙中时周围都是间隙，但在格点上时周围有空位的机会很少，因此间隙扩散系数大于置换扩散系数，具体在书上第五章P15的公式也可看出，置换扩散式右侧多了恒小于1的一项）
问：关于柯肯达尔效应，写出几个关键词。
答：扩散速度差，标记面移动，空位流；
3：最初，柯肯达尔效应是在纯Cu 和ωZn =30%的Cu-Zn 合金构成的扩散偶中被发现的。
（1）：试判断用Mo 丝制作成的标记物向哪个方向移动，为什么？
（2）：使用Mo 丝不仅因为它熔点高，还因为它的空位形成能比Cu 与Cu-Zn 合金都高
出很多。为什么对Mo 的空位形成能有这样的要求？
（3）：为什么选择纯Cu和ωZn=30%的Cu-Zn合金构成扩散偶？换言之，这种选择对Cu-Zn相图靠Cu的一侧有什么要求？
答：（1）：会向纯Cu一侧移动，因为Cu的熔点高于Cu-Zn合金；
（2）：由于置换扩散微观过程为原子与空位交换位置，空位形成能越高，晶体中空位浓度就越低，越不易发生扩散。加入Mo丝的本意是指示标记面的位置，不应该影响扩散过程。
（3）：因为Cu和ωZn=30%的Cu-Zn合金是在同一相区中（书上图示），这样就不会出现涉及多相的反应扩散，简化了问题。
5：α-Fe中的碳原子会从高浓度向低浓度扩散。你认为扩散的主要动力是熵还是应变能？为什么？
答：我认为是熵，因为扩散速度很大程度上受温度的影响，温度升高扩散速度显著加快，而由G=U-TS，熵的影响随温度升高而增大，所以我认为主要动力是熵。
7：试判断在VC与TiC构成的扩散偶中，是否会发生柯肯达尔效应，为什么？
答：会发生（发生扩散的是V和Ti原子），因为两侧的物质种类不同，扩散系数不同。柯肯达尔效应表现为标记面的移动，实质是空位的单向流动。在该情况下是可以发生的。（离子晶体内的扩散主要是空位参与的置换扩散）
8：间隙化合物（如（Fe、Mn）3C、VC-TIC中，的各原子以什么机制扩散，为什么？
答：以置换扩散的形式扩散，因为Fe、Mn、C、V、Ti均位于晶体的格点上，而不是间隙。
P13：1：对于纯金属，能不能说有空位处的原子化学势高于没有空位处的原子化学势？为什么？
答：不能，因为晶体中有个平衡空位浓度，无论是高是低，偏离平衡浓度时化学势升高。而不是如题所说。
3：与Cu的自扩散相比，晶体Si的扩散系数更小一些吗？为什么？晶体Si与金刚石相比呢？哪一个更大一些？
答：是的，因为Si原子间通过sp3共价键结合，空位出现会导致周围原子处于不稳定状态，因此空位形成能高于Cu；所以Si的扩散系数更小一些。因为金刚石熔点高于Si，因此金刚石空位形成能高于Si，扩散系数更小。
P15：2：用文字解释式（5-26），即指出置换扩散的主要过程是什么？
答：置换扩散的主要过程是原子与空位的位置交换。
3：激活能就是物理化学中的活化能。请比对上面的扩散系数公式与物理化学的阿累尼乌斯公式，以便解释激活能（活化能）的物理含义，如为什么称为“激活”或“活化”？
答：阿累尼乌斯公式：；活化能的物理含义：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。
P17：3：SiC晶体结构与金刚石类似，其熔点在2800℃，Si-C键是典型的共价键。问：铁-碳-硅固溶体中，Si与C之间的结合键还是共价键吗？结合键类型对C的扩散系数有什么影响？
答：在铁-碳-硅固溶体中，Si与C之间的结合键不是共价键，因为Si和C位于铁晶体的间隙，不可能近邻，使电子云重叠。
5：讲义中说：“在927℃下，碳在铁中的扩散系数随碳含量而增加。这是因为，随碳含量的增加，点阵畸变增加，能垒降低。”问：为什么“点阵畸变增加，能垒降低？”
答：因为点阵畸变增加，晶体结构就会变得松散、不稳定，因此能垒降低。（……）
7：当刃位错与螺位错分别作为快扩散通道时，哪一个的扩散系数更大一些？为什么？
答：刃位错的扩散系数更大，因为刃位错位错线下方晶格常数增大，间隙尺寸增大，间隙原子移动变得容易。
8：非晶合金中的扩散系数与相应的晶态比，哪一个更大一些？为什么？
答：非晶的扩散系数更大，因为相对晶态而言，非晶的排列更松散一些，扩散更为容易；
11：含元素B的Fe如果渗碳，其渗碳速度与不含B的情况相比快还是慢？为什么？答：含硼的Fe渗碳速度更慢。因为B容易向Fe晶体的晶界偏析，导致晶界原子排布更为密集，间隙尺寸减小；而碳在晶体中扩散主要是通过晶界、位错这样的快扩散通道，通道被堵塞导致其渗碳速度变慢。
PS：我水平有限，上面的题肯定很多都做错了，如果感到不太对的话一定要找高手或锵讨论……
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， 课程 材料科学基础 （共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画,直接做在试卷上） 一、填空题（1.5×20=30分） 1. 结晶学晶胞是（ ）。 2. 扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。 3. 晶面族是指（ ）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的（）。 4. 向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。 5. 根据烧结时有无液相出现，烧结可分为（ ），在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。 6. 依据硅酸盐晶体化学式中（ ）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（ ）。 7. 液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法是（ ）的，因为（ ）。 8. 二级相变是指（ ），发生二级相变时，体系的（ ）发生突变。 9. 驰豫表面是指（ ），NaCl单晶的表面属于是（ ）。 10. 固态反应包括（ ），化学动力学范围是指（ ）。 11．从熔体结构角度，估计a长石、b辉石(MgO·SiO2)、c镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（ ）。 二、CaTiO3结构中，已知钛离子、钙离子和氧离子半径分别为 0.068nm， 0.099nm， 0.132nm。（15分） 1. 晶胞中心的钛离子是否会在八面体空隙中“晃动”； 2. 计算TiCaO3的晶格常数； 3. 钛酸钙晶体是否存在自发极化现象，为什么？ 三、在还原气氛中烧结含有TiO2的陶瓷时，会得到灰黑色的TiO2-x：（15分） 1．写出产生TiO2-x的反应式； 2．随还原气氛分压的变化，该陶瓷材料的电导率和密度如何变化？ 3．从化学的观点解释该陶瓷材料为什么是一种n型半导体。 四、选择题：下列2题任选1题（12分） 1. 简述金属材料、无机非金属材料以及高分析材料腐蚀的特点。 2. 试述材料疲劳失效的含义及特点。 五、现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能如下：（15分） 材料最佳性能用途 Y2O3透明，光线传递光学激光杆 Si3N4高温强度，抗蠕变燃气轮机部件 含Co铁氧体较顽力高能量永久磁铁 在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制显微结构因素和工艺条件上应主要考虑哪些相关因素？ 六、熔体结晶时：（1）图示核化速率-温度、晶化速率-温度关系及其对总结晶速率的的影响； （2）核化速率与晶化速率的不同对新相的显微结构有何影响，为什么？ （3）指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？（12分） 七、X射线给出立方MgO的晶胞参数是0.4211nm，它的密度是3.6g/cm3。（Mg2+和O2-、Al3+摩尔质量分别是24.3和16、27）（12分） 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） 第一章材料中的原子排列 第一节原子的结合方式 1 原子结构 2 原子结合键 （1）离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。 （2 ）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。 （3 ）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。 （3 ）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 氢键：（离子结合）X-H---Y （氢键结合），有方向性，如O-H —O （4 ）混合键。如复合材料。 3 结合键分类 （1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。 （2）二次键（物理键）：分子键和氢键。 4 原子的排列方式 （1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。 （2 ）非晶体：--------------------- 不规则排列。长程无序，各向同性。 第二节原子的规则排列 一晶体学基础 1 空间点阵与晶体结构 （1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5 特征：a 原子的理想排列；b 有14 种。 其中：空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。 （2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。 2 晶胞图1－6 （1 ）―――:构成空间点阵的最基本单元。 （2 ）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角； d 体积最小。 （3 ）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角a , B表示。 （4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。 3布拉菲点阵图1 —7 14 种点阵分属7 个晶系。 4 晶向指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通 用米勒指数标定晶向和晶面。 （1）晶向指数的标定 a建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。 b 求坐标。u' ,v ' ,w '。 c化整数。u,v,w. d 加［］。［uvw］。 说明： a指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。b负值： 标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。 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。 一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低， 《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( ) 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 3Mg/m 74.1=mg 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) 13m 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》考研2021年考研考点归纳与考研 真题 第1章材料概论 1.1 考点归纳 一、材料的分类 工程材料按属性可分为四类：金属材料、陶瓷材料、高分子材料及由前三类相互组合而成复合材料； 按使用性能可分为两大类：主要利用其力学性能的结构材料和主要利用其物理性能的功能材料。 1．金属材料 （1）金属材料中包括两大类型：钢铁材料和有色金属。有色金属主要包括铝合金、钛合金、铜合金、镍合金等； （2）在有色金属中，铝及其合金用得最多，这主要是因为铝及其合金的以下特性： ①重量轻，只有钢的1/3； ②有好的导热性和导电性，在远距离输送的电缆中多用铝； ③耐大气腐蚀，可用来制作容器和包装品、建筑结构材料及导电材料。 2．陶瓷材料 （1）传统的陶瓷材料是由粘土、石英、长石等成分组成，主要作为建筑材料使用；（2）新型的结构陶瓷材料，其化学组成和制造工艺都大不相同，其成分主要是 A12O3、SiC、Si3N4等； （3）新型结构陶瓷在性能上的优点： ①重量轻； ②压缩强度高，可以和金属相比，甚至超过金属； ③熔点高，耐高温； ④耐磨性能好，硬度高； ⑤化学稳定性高，有很好的耐蚀性； ⑥电与热的绝缘材料。 （4）新型结构陶瓷在性能上的缺点： ①容易脆断； ②不易加工成形。 3．高分子材料 （1）高分子材料又称聚合物； （2）按用途可分为：塑料、合成纤维和橡胶三大类型； （3）塑料又分为：通用塑料和工程塑料。 4．复合材料 （1）金属、聚合物、陶瓷自身都各有其优点和缺点，如把两种材料结合在一起，就产生了复合材料； （2）复合材料可分为三大类型：塑料基的复合材料、金属基和陶瓷基的复合材料；5．电子材料、光电子材料和超导材料 （1）电子材料是指在电子学和微电子学中使用的材料，主要包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料等； （2）光电子材料； （3）超导材料。 二、材料性能与内部结构的关系 材料科学基础习题 叶荷 11 及材料班2013-1-10 第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数ko；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 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 2020届材料科学基础期末必考知识点总结 第一章材料中的原子排列 第一节原子的结合方式 1.原子结合键 （1）离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性； 离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。 （2）共价键与原子晶体 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性； 原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。 （3）金属键与金属晶体 原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性； 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。 金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。 （3）分子键与分子晶体 原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O （4）混合键。如复合材料。 2. 结合键分类 （1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。 （2）二次键（物理键）：分子键和氢键。 3.原子的排列方式 （1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。 （2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。 第二节原子的规则排列 一晶体学基础 1 空间点阵与晶体结构 （1）空间点阵：由几何点做周期性规则排列所形成的三维阵列。 特征：a 原子的理想排列；b 有14种。 其中： 空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。 描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。 空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。 （2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。 2.晶胞 （1）――－：构成空间点阵的最基本单元。 （2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角； d 体积最小。 （3）形状和大小 有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。 （4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。 3. 晶向指数与晶面指数 晶向：空间点阵中各阵点列的方向。 晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。 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知识点总结
武汉理工大学材料科学基础06研究生入学考试试题
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