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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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