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简答题第一章材料结构的基本知识1、说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义。答:结构转变的热力学条件决定转变是否可行,是结构转变的推动力,是转变的 必要条件;动力学条件决定转变速度的大小,反映转变过程中阻力的大小。2、说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。答:稳态结构与亚稳态结构之间的关系:两种状态都是物质存在的状态,材料得 到的结构是稳态或亚稳态,取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动 力学条件),阻力小时得到稳态结构,阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构 能量最低,热力学上最稳定,亚稳态结构能量高,热力学上不稳定,但向稳定结 构转变速度慢,能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下,亚稳态结构向 稳态结构转变。3、说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。答:离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子(离子或分子)间结合 方式或作用力。离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大 的非金属原于相互作用时,产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。分子键是由分子(或原子)中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时,由金属的正离子 与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。第二章材料的晶体结构1、在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。6个面心构成一个正八面 体,指出这个八面体各个表面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。解 八面体中的晶面和晶向指数如图所示。图中A、B、C、D、E、F为立方 晶胞中6个表面的面心,由它们构成的正八面体其表面和棱边两两互相平行。ABF面平行CDE面,其晶面指数为;ABE面平行CDF面,其晶面指数为;ADF面平行BCE面,其晶面指数为;ADE面平行BCF面,其晶面指数为(111)。棱边 , , ,其晶向指数分别为110, ,011, ,101。对角线分别为,其晶向指数分别为100,010,001图八面体中的晶面和晶向指数2、标出图中ABCD面的晶面指数,并标出AB、BC、AC、BD线的晶向指数。解:晶面指数:ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为3/2a,3a,a,截距倒数比为ABCD面的晶面指数为(213)晶向指数:AB的晶向指数:A、B两点的坐标为A(0,0,1),B(0,1,2/3)(以 a 为单位)则,化简即得AB的晶向指数 同理:BC、AC、BD线的晶向指数分别为,3、 如图所示立方晶胞晶格常数为,AO的长度为2/3a, BD的长度为1/2a, C F的长度为1/3a,标出图中ABC面的晶面指数,并标出AB、BC、AC的晶向指 数。解:ABC面的晶面指数:ABC面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为4,2,2/3,截距倒数比为ABC面的晶面指数为(126)晶向指数:AB的晶向指数:A、B、C点的坐标为A(0,0,2/3),B(1,0,1/2),C(0,1,1/3)(以 a 为单位)则AB的晶向指数或 BC的晶向指数或 AC的晶向指数或 4、求图中所示立方晶胞中ABCD面的指数;并求该晶面与晶胞所交的四边形 四条边和对角线的晶向指数。解:晶面指数:ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为2a,a,2a截距倒数比为ABCD面的晶面指数为(121)晶向指数:AB的晶向指数:A、B两点的坐标为A (1,1/2,0),B (0,1,0)(以 a 为单位)则,AB的晶向指数同理:BC、AC、BD线的晶向指数分别为, 回答下列问题:(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向:(001)与210,(111)与, 与111,与123,与236 06B 06YB(2)在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶 向指数。(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于(101). (011)和(112)晶面上的晶向。解:1、面心立方结构和体心立方结构中有几种间隙,各有几个?答:面心立方结构包含4个正八面体间隙和8个正四面体间隙;体心立方结构包 含6个正八面体间隙和12个正四面体间隙。2、简述同素异构产生原因。答:与该类原子的电子层结构的变化有关,即在不同的温度或压力下,通过参与 键和的外层数分布状态的改变,而引起原子间结合能以致点阵的形式发生改变, 过渡族金属多型性倾向较大,与此结构中的s能级和d能级十分接近有关性能:发生多型性转变,由于晶体点阵致密度不同,伴随热涨,在离子(陶瓷)晶体中正、负离子的堆积方式取决于哪些因素?答:(1)正、负离子的电荷大小晶体必须保持电的中性,即所有正离子的正 电荷应等于所有负离子的负电荷。(2)正、负离子的相对大小由于正、负 离子的外层电子形成闭合的壳层,因此可以把离子看成具有一定半径的刚性圆 球。在离子晶体中,一些原子失去其外层电子而成为正离子另一些则得到外层电 子而成为负离子。(答对(1)、(2)中的任一点5分)2、简要说明硅酸盐的几种结构单元的主要特点。答:第四章晶体缺陷1、为什么位错没有平衡浓度?答:自由能分析:位错是由大量点缺陷串成线,混乱程度受到限制,熵的作用大 减,主要考虑内能,位错总是增加内能,位错越多,越不稳定,热力学要求位错 越少越好,故位错没有平衡浓度。虽然热力学不稳定,但因其呈网状分布,故力 学上是稳定的。2、简述大角晶界特点;答:1.过渡层厚度仅23个原子直径;2.原子排列混乱;3.相对稀疏。3、简述物理吸附机理及特点。答:物理吸附是由范德华耳斯力作用而相互吸引的,特点:任何固体对任何气体或其他原子都有这类吸附作用,(1、吸附无选择性、 多层吸附),只是吸附的程度随气体或其他原子的性质不同而有所差异。2、物 理吸附的吸附热较小。4、某晶体中有一条柏氏矢量为a 001的位错线,位错线的一端露头于晶体表面, 另一端与两条位错线相连接,其中一条的柏氏矢量为,求另一条位错线的柏氏 矢量。答:根据柏氏矢量的守恒性,另一条位错的柏氏矢量为:5、在图4-52所示的晶体中,ABCD滑移面上有一个位错环,其柏氏矢量b平 行于AC(1)指出位错环各部分的位错类型。(2)在图中表示出使位错环向外运动所需施 加的切应力方向。(3)该位错环运动出晶体后,晶体外形如何变化?答:(1)位错环和与AC平行的直线相切的部分为纯螺位错,位错环和与AC 垂直的直线相切的部分为纯刃位错,其余部分为混合位错,作图(2)切应力与b平行,作用在晶体上下两面上。txbW余原子面,作图(3)沿b方向滑出一个柏氏矢量单位的距离第五章材料的相结构及相图1、应用相律时须考虑哪些限制条件?解:(1)相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度应相等(热量 平衡);各相的压力应相等(机械平衡);每一组元在各相中的化学位必须相 同(化学平衡)。2)相律只能表示体系中组元和相的数目,不能指明组元或相的类型和含量。3)相律不能预告反应动力学(速度)。4)自由度的值不得小于零。2、试指出图5-115中的错误之处,并用相律说明理由,且加以改正。答主要错误如下:a. 两相平衡自由度不为0,b. 纯组元相变,两相平衡,f=0,温度固定;c. 二元合金最多只能三相平衡,不能四相平衡,三相平衡时f=0,相成分唯一, 不能变动。上二元合金最多三相平衡时自由度为零,温度不变,三相平衡线为水平线3、AlCu合金相图,试分析:(1)什么成分的合金适于压力加工,什么成分的合金适于铸造?(2)用什么方法可提高合金的强度?解(1)压力加工时,要求合金有良好的塑性变形能力,组织中不允许有过多的脆 性第二相,所以,要求铝合金中合金元素含量较低,一般不超过极限固溶度的成 分。对A1Cu合金,常选用的合金。该成分合金加热后可处于完全单相状态, 塑性好,适于压力加工。铸造合金要求其流动性好。合金的结晶温度范围愈宽,其流动性愈差。从相图上 看,共晶成分的流动性最好,所以,一般来说共晶成分的合金具有优良的铸造件 能,适于铸造。但考虑到其它多方面因素,一般选用的AlCu合金用于铸造。(2)要提尚合金的强度,可采用以下方法。1) 固溶十时效处理将AlCu合金()加热到单相状态,然后快速冷却,获得 过饱和的固溶体,然后重新加热到一定温度保温.便会析出细小的金属间化合物 ()作为第二相质点,从而提高合金的强度。2) 冷塑性变形通过冷变形,产生加工硬化效应,从而提高合金的强度。第六章材料凝固与气相沉积1、对于有可能进行结晶的材料,决定液体冷却时是否能结晶或形成玻璃的主要 因素有哪些?答:首先,如果冷却速率足够高.任何液体原则上都可以转变为玻璃。其次,如 果晶体结构的基元很难由液相形成,结晶就会延缓而有利于玻璃的形成。例如: 金属、陶瓷和聚合物在这方面有本质上的差别。金属晶体的基元只包含几个原子, 而且大多只含有一个原子,因此很容易进行结晶。陶瓷晶体一般比较复杂,尽管 大多数陶瓷材料可进行结晶,形成玻璃也是常见的,最后,长链高分子的结晶在 结构上有以下两个困难:(1)难得会有简单的基元;(2)已有链段在既不使键断开 也不重新形成的条件下进行重排,只能通过所有各链段的缓慢扩散来完成。2、固溶体凝固与纯金属凝固相比有哪些不同? 、固溶体凝固时,结晶出来的固相成分与原液相成分不同,所以固溶体凝固形 核时,除需要能量起伏和结构起伏外,还需要成分起伏,因而固溶体凝固形核比 纯金属困难;3分、固溶体凝固需要一定的温度范围,在此温度范围的每一温度下,只能凝固出 来一定数量的固相,即固溶体凝固必须依赖异类原子的互相扩散,这需要时间, 所以凝固速率比纯金属慢。5、简述铸锭典型组织答:通常铸锭的晶粒组织由三个区域组成:最外层由细小的等轴晶粒组成,即细 晶粒区;接着是垂直于模壁、长而粗的柱状晶粒区;中心部分也是由等轴晶粒组 成,但是比表层的晶粒大,这个区域叫做等轴晶粒区。细晶粒区总是很薄的一层, 对性能的影响很小。根据凝固条件的不同及其它因素的影响,有时只能见到一个或两个晶粒区。例如, 不锈钢锭通常只有柱状晶粒区,而没有中心等轴晶粒区,细晶粒区也很薄或没有; 而经过晶粒细化处理的铝合金铸锭,其组织全部是等轴晶粒。6、简述二元合金平衡凝固的特点。答:二元合金平衡凝固的特点:1、液相中溶质原子通过迁移(对淋扩散)而分布均匀,固相中溶质原子通过扩 散也分布均匀;2、固相及液相的成分随温度变化而变化,但在任一温度下都达到平衡状态;3、结晶后晶粒内成分均匀,无宏观偏析及微观偏析。第七章扩散与固态相变1、简述晶体结构对扩散的影响。答:晶体结构反映了原子(离子)在空间排列的情况;扩散时原子要发生移动就 必需克服周围原子对它的作用力。原子排列越紧密,原子间的结合力愈强,此时 扩散激活能就越大,而扩散系数D就愈小;因此,晶体结构紧密的物质,扩散 激活能就大,扩散系数小。金属的熔点高低和熔化时潜热的大小都能反映金属内 部原子间作用力的大小,反映激活能的高低。金属的熔点越高、熔化时潜热越大, 原子排列就越紧密,扩散激活能就越大,扩散系数就越小。2、调幅分解反应和一般的形核长大机制有何不同?答:调幅分解反应不需要形核,新相成分变化、结构不变,界面宽泛(初期无明 显分界面),组织均匀规则,原子扩散为上坡扩散,形核转变率高;形核不需克 服能垒,但长大需要克服梯度能和表面能;一般的形核长大需要形核,新相成分、结构均发生变化,界面明晰,组织均匀性 差、不规则,原子扩散为下坡扩散,形核转变率低。形核、长大均需克服能垒。第八章材料的变形与断裂1. 简述孪生的主要特点有哪些?答1. .孪生是滑移受阻而引起的应力集中区,临界切应力比滑移大,如Mg的 孪生临界切应力为5.424.3Mpa,滑移:0.49 Mpa;2. 高速形成、爆发式,同时伴随应力集中松弛;3. 孪生本身对晶体形变量小,但改变晶体位向,使不利的滑移面有利于滑移。2、简述孪生和滑移的主要区别答:滑移主要特点:一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切晶体作切变,切变时原子移动 的距离是滑移方向原子间距的整数倍;滑移面两侧晶体位向不变; 滑移所造成的台阶经抛光后,即使侵蚀也不会重现;滑移是一种不均匀切变,它只集中在某一些晶面上大量进行,而各滑移带之 间的晶体并没发生滑移。与之相对应,孪生主要区别如下: 一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切晶变,切变时原子移动距离不 是孪生方向原子间距的整数倍;孪生面两边晶体位向不同,成镜面对称;孪晶经抛光后仍能显现,:孪生改变晶体取向;孪生是一种均匀切变,即在切变区内,与孪晶面平行的每一层原子面均相对于 其比邻晶面沿孪生方向位移了一定距离。3、影响金属及合金再结晶过程的重要因素有哪些?答:影响金属及合金再结晶过程的重要因素:(1)为了能够进行再结晶,必须有一个最小变形量,又称临界变形量。(2)变形 量愈小(超过临界变形量),再结晶温度愈高。(3)提高再结晶退火温度可以缩短 再结晶完成的时间(4)再结晶后的晶粒尺寸取决于变形量。变形量愈大晶温度 愈低,再结晶后的晶粒愈细。(5)原始晶粒尺寸愈大,为了得到相同再结晶温度 所需的变形量也愈大:(6)再结晶温度随着金属纯度的提高而降低。固溶合金 元素的加入总是提高再结晶温度。4、简述影响再结晶的因数有那些?答:1、温度温度越高,再结晶转变速度V再越快,完成再结晶所需时间也越短;2、变形程度。金属变形程度越大,储存能量越多,再结晶驱动力,因此,再结晶温度也越低, 同时,V再也越快,变形量增加至某一程度,再结晶温度基本稳定不变,纯金属 变形后,TminQ0.4Tm(熔点)3、原始晶粒尺寸 其他条件相同,晶粒越细,变形抗力越大,冷变形后储能越多,再结晶温度 越低; 相同变形度,晶粒越细,晶界总面积越大,可供形核场所越多,形核率越大, 故再结晶速率加快。再结晶温度随金属纯度的提高而降低,固溶合金元素的加入总是提高再结晶温 度;微量溶质原子的存在对再结晶有巨大影响,溶质与杂质原子和位错、晶界存 在交互作用,偏聚在位错及晶界,对位错及晶界的迁移起阻碍作用,因此不利于 在结晶晶核的形核与长大,使再结晶温度上升。5、简述影响疲劳寿命的因数答:1、应力集中:如果存在应力集中处,如缺口、孔、键槽或截面突变处,疲 劳强度会大大降低。图824所示的疲劳失效就起源于钢轴的键楷。如果精心设计, 尽可能避免出现应力集中处,就可以使疲劳失效减到最少。2、表面粗糙度:一般地说,金属试样表面加工愈光滑,疲劳强度就愈高。租 糙的表面会造成应力集中处,有利于疲劳裂纹的形成。3、表面状态(化学成分):由于大多数疲劳失效起源于金属表面,任何表面 状态的主要变化都会影响到疲劳强度e例如,钢的表面硬化处理(渗碳、氮化)使 表面硬度提高,从而提高了疲劳寿命。反之,脱碳造成热处理钢件表面软化而使 疲劳强度降低。在金属表面形成残余压应力层也会提高疲劳寿命。4、环境:如果金属在承受周期应力时还有一个腐蚀性环境,所造成的腐蚀会 大大加速裂纹扩展速率。腐蚀和周期应力对金属的综合作用又称腐蚀疲劳。6、陶瓷材料力学性能的特点.特点:1、脆、硬;2、抗拉强度差别大,0.697Gpa,同一材料抗拉、抗压差别大。7、从拉伸试验如何获得常用的力学性能数据?答:拉伸试验可用来测定金属材料的力学性能。在拉伸试验中,试样在比较短的 时间内,以恒定的速率受到拉伸直至断裂。拉伸试验时由记录纸得出的负荷一伸 长曲线可以转换为应力一应变曲线(又称应力一应变图)。从拉伸试验可以获得以 下几项力学性能:弹性模量;规定非比例伸长应力;抗拉强度;断后伸 长率;断面收缩率。这些性能数据对于工程上的结构设计和金属材料检验是很 重要的。8、简述金属或合金成分对再结晶影响?答:再结晶温度随金属纯度的提高而降低,固溶合金元素的加入总是提高再结晶 温度;微量溶质原子的存在对再结晶有巨大影响,溶质与杂质原子和位错、晶界 存在交互作用,偏聚在位错及晶界,对位错及晶界的迁移起阻碍作用,因此不利 于在结晶晶核的形核与长大,使再结晶温度上升。9、简述延性断裂的典型断裂过程及特点。答:金属的延性断裂是在进行了大量塑性变形后发生的,当加在试样上的应力超 过其抗拉强度,经过一定时间,试祥就会断裂。延性断裂可以分为三个截然不同 的阶段:试样形成缩颈,随后孔洞在颈缩区形成;颈缩处的孔洞在试样的中 心处聚集形成裂纹,并沿垂直于外加应力的方向向试样表面扩展;当裂纹接近 表面时,其方向改变并与拉伸轴成45。角,结果形成了杯锥状断口。其特征是裂纹扩展缓慢,断口呈杯锥状。10、一低碳钢拉伸试样进行试验,如图(a)所示。拉伸时,其应力-应变曲线如曲 线1所示,当变形到点E时卸载、应力-应变曲线沿曲线2下降。试问:(1)A1,A2,A3各表示什么意义? AA说明了什么?若卸载后又立即加载,应力-应变曲线应如何变化?解(1) A1表示应力去陈后不能恢复的变形,即塑性变形。&表示应力去除 后能够消除的变形,即弹性变形;与表示屈服前的最大弹性变形量。电 弓说明材料屈服以后,产生了加工硬化现象,强度提南,使得弹性交形量增大。(2)若卸载以后又立即加载,其应力一应变曲线如图b中曲线3所示,在第 次拉伸时,已经产生了冷塑性变形,引起了工硬化效应,在第2次拉伸时,应力 一应变曲线应沿原卸载路线上升。11、陶瓷晶体塑性变形有何特点7解:作为一类材料,陶瓷是比较脆的。晶态陶瓷缺乏塑性是由于其离子键和共 价键造成的。在共价键合的陶瓷中,原子之间的键合是特定的并具有方向性,如 图76(a)所示。当位错以水平方向运动时,必须破坏这种特殊的原子键合,而 共价键的结合力是很强的,位错运动有很高的点阵阻力。因此,以共价键键合的 陶瓷,无论是单晶体还是多晶体,都是脆的。基本上是离子键结合的陶瓷,它的变形就不一样。具有离子键的单晶体,如氧化 铁和氯化钠,在室温受压应力作用时可以进行相当多的塑性变形,但是具有离子 键的多晶陶瓷则是脆的,并在晶界形成裂纹。这是因为可以进行变形的离子晶体, 如图76(b)所示,当位错运动一个原子间距时,同号离子的巨大斥力,使位错 难以运动;但位错如果沿450方向而不是水平方向运动,则在滑移过程中相邻晶 粒面始终由库仑力保持相吸,因而具有相当好的塑性。但是多晶陶瓷变形时,相 邻晶必须协调地改变形状,由于滑移系统较少而难以实现,结果沿晶界产生开裂, 最终导致脆性断裂。12、金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒?解再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料.其目的是改善冷变形后材料 的组织和性能。再结晶退火的温度较低,一般都在临界点以下,若对铸件采用再 结晶退火,其组织不会发生相变,也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能 等),所以不会形成新晶粒,也就不能细化晶粒。
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