材料科学基础

四、名词解释：1．结合键：由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。

2．空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，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，即空间点阵。

3．晶带轴：所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。

4.多晶型性：固态金属在不同的温度和压力条件下具有不同晶体结构的特性。

5.固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子所形成的均匀混合的固态溶体，继续保持溶体的晶体结构类型。

6.中间相：两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B 为基的固溶体外，所形成的晶体结构与A、B两组元均不相同的新相，称为中间相。

7.间隙相和化合物：由过渡族金属与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物8.固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力提高的现象。

9.弥散强化：对于两相合金来说，第二相粒子均匀分布在基体相上时，将会对基体相产生明显的强化作用。

10.滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上，不断地作少量的位移（小于一个原子间距）。

11.交滑移：当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移的过程。

是滑移的一种特殊方式。

12.亚晶界：每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。

13.孪晶：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶。

14.多系滑移：晶体的滑移在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。

15.应变时效：低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量的塑形变形后卸载，然后立即重新加载，则可见其不再出现屈服现象。

但如果将试样在常温下放置几天或者200°C左右短时加热后再进行拉伸，则屈服现象又出现，且屈服应力进一步提高，此现象称为应变时效。

16.回复：冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段，在此阶段内物理和力学性能的回复程度是随温度和时间变化的。

17.再结晶过程：通过在变形组织的基体上产生新的无畸变的再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒取代全部变形组织的过程。

18.加工硬化：金属材料在受到外力作用持续变形的过程中，随着变形的增加，强度硬度增加，而塑韧性下降的现象。

19.均匀形核：新相晶核在母相中均匀地生成，即晶核由一些原子团直接形核，不受杂质粒子或外表面的影响的形核过程。

20.非均匀形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。

21.过冷度：晶体材料的实际凝固凝固温度低于理论凝固温度的差值，用∆T表示。

22.连续长大：粗糙界面情况下，液固界面的固相一侧上一半的原子位置空着，液相原子较容易进入这些位置与固相结合，晶体便以连续方式向液相中生长。

23.负温度梯度：液相温度随液固界面的距离增大而降低的温度梯度情况。

24.树枝状生长：在负温度梯度情况下，当部分相界面生长凸出到液相中，由于过冷度更大，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中，液固界面不能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝，同时这些晶枝上又可能会长出二次晶枝。

晶体的这种生长方式称为树枝状生长。

25.匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。

26.共晶转变：液相凝固同时结晶出两个固相的过程。

27.包晶转变：已结晶的固相与剩余液相反应形成另一种固相的过程。

28.平衡凝固：凝固过程每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。

29.非平衡凝固：由于合金浇铸后冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离了平衡条件，称为非平衡凝固。

30.枝晶偏析：固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析。

31.伪共晶：由非共晶成分合金所得到的共晶组织称为伪共晶。

32.离异共晶：两相分离的共晶体称为离异共晶。

原子间的结合键共有几种？各自特点如何？答：1、化学键包括：金属键：电子共有化，既无饱和性又无方向性离子键：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性。

共价键：共用电子对；饱和性；配位数较小，方向性2、物理键如范德华力，系次价键，不如化学键强大3、氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别。

答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。

形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、B、C、N、O等。

间隙固溶体保持溶剂的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。

（2分）间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。

也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同，其成分可在一定范围内波动。

组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。

（2分）当r B/r A<0.59时，通常形成间隙相，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和硬度；当r B/r A>0.59时，形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。

（2分）简述晶体中产生位错的主要来源。

答：晶体中的位错来源主要可有以下几种。

1).晶体生长过程中产生位错。

其主要来源有：（2分）①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。

2).由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。

（1分）3).晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。

简述晶界具有哪些特性？答：1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。

2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。

这就是细晶强化的本质。

3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。

4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。

5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”现象。

6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。

对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（2分）。

推导如下：假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的能量相当于两个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于键合能。

即相同面积下，E晶界>E完整晶体键合能>2倍E表面举例说明影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。

答：1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力的作用简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。

答：加工硬化: 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降。

（1分）腐蚀速度：塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快（1分）密度：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属经塑性变形后可能使密度上升（1分）弹性模量：塑变使弹性模量升高（1分）电阻率：塑性变形使金属的电阻率升高。

变化程度因材质而异。

另外，塑性变形还会引起电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降。

（1分）简述再结晶过程中的晶界弓出形核机制。

答：变形量较小（<20％）的多晶体，其再结晶核心往往以晶界弓出方式形成，或称应变导致的晶界迁移，凸出形核机制。

变形度较小时，多晶粒间变形不均匀性而导致多晶粒内位错密度不同。

为了降低系统的自由能，通过晶界迁移，原来平直的晶界会向位错密度大的晶粒内凸出，通过吞食畸变亚晶的方式形成无畸变的再结晶晶核。

工业生产中怎样确定纯金属的再结晶温度？举例说明影响再结晶温度的因素有哪些。

答：在工业生产中通常以经过大变形量（~70%以上）的冷变形金属，经过1小时退火能完成再结晶（错误！未找到引用源。

）所对应的温度，定为再结晶温度。

影响再结晶温度的因素有：1、变形程度。

随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。

2、原始晶粒尺寸。

在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒尺寸越细小，则变形的抗力就越大，冷变形后储存的能量就越高，再结晶的温度则越低。

3、微量溶质原子。

例如，光谱纯铜50%再结晶温度为140°C，而加入了Sn的光谱纯铜50%再结晶的温度则为315°C。

金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。

答：退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。

（5分）在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。

在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。

图示并分析金属材料凝固组织中树枝晶的生长过程。

（画出液固界面附近的负温度梯度）在负温度梯度情况下，金属凝固过程中液固界面上产生的结晶潜热可通过液相散失，如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则处于过冷度更大的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液相中。

此时，液固界面就不可能保持平面状而是形成许多伸向液相的分枝，同时有可能在这些晶枝上长出二次枝晶臂。

这种方式即为树枝晶生长方式。

与平衡凝固相比较，固溶体的非平衡凝固有何特点？（1）非平衡凝固的固相平均成分线和液相平均成分线与平衡凝固的固相线、液相线不同，冷却速度越快，偏离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，越接近，表明凝固速度越接近平衡凝固条件。

（2）先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶的部分是富低熔点组元。

（3）非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。