【材科基总复习】高频简答题复习（上）

（一）

01

示意画出平衡态碳钢的强度随钢含碳量的变化曲线，并从成分—组织—性能的角度定性解释。

答：如图所示，强度随碳含量增加先增高后下降，在碳含量约1.0%时为强度极大值。

强度的这种变化与平衡态碳钢中的组织随碳含量变化有关：当碳含量小于0.77%时，钢中的组织为铁素体+珠光体，且珠光体的分数随碳含量增高而增大，而珠光体在钢中起强化作用，故强度随碳含量增加而增高；  

当碳含量大于0.77%后，钢中的组织为二次渗碳体+珠光体，二次渗碳体以网状分割珠光体，且二次渗碳体的分数随碳含量增高而增大。渗碳体硬而脆，少量的不连续分布的二次渗碳体起强化作用，故强度随碳含量增加继续增高；

但当碳含量大于1.0%后，二次渗碳体的分数增加到呈连续网状分布，则会在外力作用下首先断裂形成微裂纹，故强度下降。 

02

语言的唯一标准，是准确已知727℃时，碳在奥氏体中的溶解度为WC=0.77%，而在铁素体中的极限溶解度仅为WC=0.0218%。请解释二者差别如此明显的原因。

答：奥氏体为面心立方结构，碳原子位于其八面体间隙中；铁素体为体心立方结构，碳原子也位于其八面体间隙中。面心立方的八面体间隙半径与铁原子半径之比（0.414）大于体心立方的八面体间隙半径与铁原子半径之比（0.155），而碳原子半径大于间隙半径，一个碳原子固溶于奥氏体中所引起的晶体能量增高远小于固溶于铁素体中所引起的晶体能量增高。

03

①何谓金属的形变强化？

②用位错理论说明金属形变强化的原因；

③金属的形变强化在材料工程上有何利弊？如何克服所引起的弊端？

答：

1. 金属在塑性变形阶段，其流变应力随变形程度增加而增加的现象。或金属经塑性变形后，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象。
2. 在变形过程中，位错之间相互作用，产生交割，阻碍位错运动；反应生成固定位错，使位错难以运动；位错增殖，位错密度增大，增大了位错运动的阻力。   
3. 利：强化金属的重要手段；使金属材料压力加工得以顺利进行；使金属零构件得以抵抗偶然过载。
   弊： 由于塑性变形后金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这使得进一步压力加工难以进行。   
   克服措施：进一步压力加工之前，对其进行再结晶退火，消除加工硬化，提高其塑性和韧性。

04

什么是低碳钢的应变时效，用位错解释。

答：低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服现象，但如变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时加热，再进行拉伸试验，则屈服点又复出现，且屈服应力提高，这种现象叫做低碳钢的应变时效。

低碳钢在第一次拉伸到塑性变形以后，位错已脱钉，此时若卸载并立即进行第二次拉伸，由于间隙原子来不及扩散到位错线上，位错处于脱钉状态，故在较低的应力下就开始滑移。但是如果卸载后放置了很长时间(即时效)在拉伸，由于间隙原子已经扩散到位错线上重新钉扎，因而在随后拉伸时又出现明显的屈服现象，屈服点升高。

05

材料性能与相图的关系

答：

1. 由相图判断材料的力学性能和物理性能

对于匀晶系，固溶体的强度和硬度均随溶质组元含量的增加而提高，若A,B 组元的强度大致相同，则固溶体的强度最高处应该在溶质含量Wb 等于50%附近，如果某一组元的强度明显大于另一组元，则其强度的最大值稍偏向高强度组元一侧。 

对于共晶系和包晶系，若形成两项混合物，则混合物种两项的大小及分布都比较均匀时，材料的性能是两组成相的平均值，即性能与成分呈现直线关系

2. 由相图判断材料的工艺性能

1) 铸造性能

液／固相线垂直距离越大，则越易树枝晶长大，熔液流动性越差，分散缩孔越多，枝晶偏析倾向越大，热裂倾向越大；液／固相线水平距离越大，则枝晶偏析程度越大。

2) 焊接性能

液／固相线垂直距离越大，则：越易树枝晶长大，枝晶偏析倾向越大，热裂倾向越大。

3) 压力加工性能

单相固溶体区塑性好，易压力加工成型。

4) 切削加工性能

单相固溶体区硬度低，不利于切削加工。

（二）

01

金属晶体

(1)三种典型金属晶体结构的特征：

(2)晶胞的棱边长a、b、c称为点阵常数。如果把原子看作半径为r的刚性球，则由几何学知识即可求出a、b、c与r之间的关系：

体心立方结构（a=b=c）          a=4（√3/3）r

面心立方结构（a=b=c）          a=2√2 r

密排六方结构（a=b≠c）          a=2 r

(3)三种典型金属晶体结构的间隙

02

结合键种类及其特点

①离子键（极性键）：正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合成。特性：没有方向性、饱和性。

②共价键：相邻原子通过共用电子对结合而成，使各个原子的外电子层都形成稳定的八电子层结构。性质：熔点高、硬度高、质脆，具有方向性、饱和性。

③金属键：由价电子集体（自由电子气）和金属正离子间的静电引力结合而成。性质：没有方向性、饱和性。

④分子键（范德瓦尔斯力）：相邻原子的瞬时感应电场的交互作用而使原子间产生了静电引力。

⑤氢键：分子是极性共价键结合而成，共用电子对远离氢原子，氢原子除去一个共价电子外就剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核，于是这个没有屏蔽的氢原子就对相邻分子中的另一原子外层未共价电子有较强的静电引力。这个引力就是氢键。

03

导体的特点

外电场能改变价电子的速度分布和能量分布，造成电子的定向移动。一种情形是固体中价电子浓度比较低，没有填满价带。另一种导电情形是价带和导带交叠，因而在外电场下，电子能填入导带。

04

绝缘体的特点

价带和导带间存在较大的能隙△Eg，而价带又被电子填满，因而通常情形下外电场不能改变电子的速度和能量分布。

05

半导体的特点

半导体的能带结构和绝缘体类似，即价带被电子填满，它与导带间有一定的能隙△Eg，但比较△Eg小（一般小于2eV）。

06

半导体的三种情形

1. △Eg非常小，热激活能就足以使价带中费米能级以上的电子跃迁到导带底部，同时在价带中留下“电子空穴”。于是，在外电场作用下，导带中的电子和价带中的电子空穴都可以向相邻的能级迁移，从而改变电子的速度和能量分布。这样的半导体称为本征半导体。
2. △Eg比较小，在能隙中存在着由高价杂质元素产生的新能级。热激活足以使电子从杂质能级跃迁到导带底部。于是在外电场作用下，通过导带中的电子的迁移而导电。这样的半导体称为N型半导体。
3. △Eg比较小，在能隙中存在着低价杂质元素产生的新能级。热激活足以使费米能级以上的电子跃迁到杂质能级，从而在价带中留下电子空穴。于是在外电场作用下，通过价带中的电子空穴的迁移也产生电流。由于电子空穴的行为类似于带正电荷的粒子，故这类半导体称为P型半导体。

07

影响合金相结构的主要因素

①原子半径或离子半径

②负电性：表示它在和其它元素形成化合物或固溶体时吸引电子的能力的一个参数。

③价电子浓度：合金中每个原子平均的价电子数。

④其它因素：如对离子和共价晶体：电荷半径比之和。

08

固溶体三个基本特征

①溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且此点阵类型和溶剂点阵类型相同。

②有一定的成分范围，也就是说组元的含量可在一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。某组元在固溶体中的最大含量例称为该组元在该固溶体中的固溶度。

③具有比较明显的金属性质。

09

固溶体分类

⑴根据固溶体在相图中的位置

①端部固溶体，也称为初级固溶体。

②中间固溶体，也称为二次固溶体。成分不一定的范围，但并不具有任一组元的结构。二次固溶体又叫中间相。也可以看成是以化合物为基的固溶体。如β黄铜看成是金属间化合物CuZn为基的固溶体。

⑵根据溶质原子中点阵中的位置

①置换式固溶体，其溶质原子位于溶剂原子点阵的结点上，置换了部分溶剂原子。

②间隙式固溶体，溶质原子位于溶剂原子间隙中。

⑶根据固溶度

①有限固溶体，溶质在固溶体的浓度有一定的限度

②无限固溶体，溶质能以任意比例溶入溶剂，无限固溶体只能是置换固溶体。

⑷根据各组元分布的规律性

①无序固溶体，各组元原子的分布是随机的

②有序固溶体，各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵－分点阵，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵－又叫超点阵或超结构。（溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布）

10

置换固溶体固溶度规则

1. 如果形成合金的元素的原子半径之差超过14％－15％，则固溶度极为有限。
2. 如果合金组元的负电性相差很大，固溶度就较小。（负电价效应）
3. 两个给定元素的相互的固溶度是与它们各自的原子价有关的，且高价元素在低价元素中的固溶度大于低价元素在高价元素中的固溶度。（相对价效应）
4. 如果用价电子浓度表示合金的成分，那么ⅡB－ⅤB族元素在ⅠB族溶剂元素中的固溶度都相同——约为e/a=1.36，而与具体的元素种类无关。
5. 两组元形成无限固溶体的必要条件是它们具有相同的晶体结构。

11

影响置换固溶体固溶度的因素

原子尺寸、负电性、电子浓度和晶体结构。

①原子尺寸因素

组元间原子半径越相近，即△r越小，则固溶体的固溶度就越大，△r越大时，则固溶体的固溶度越小。有利于大量固溶的原子尺寸是△r不超过14％－15％，即溶质和溶剂原子的半径比r溶质/r溶剂在0.85－1.15之间。铁基固溶体只有△r小于8％晶体结构相同，才有可能形成无限固溶体；铜基，只有△r小于10％－11％时，才有可能形成无限固溶体。（原因：原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格不稳定，溶质原子越多，畸变能也越高，直达到不能维持，即达到了固溶度极限。）

②负电性因素

溶质原子与溶剂原子的负电性相差很大，即两者间化学亲合力很大，它们往往形成比较稳定的金属化合物，即使形成固溶体，其固溶度也较小。

③电子浓度因素

溶质在溶剂在的溶解度受电子浓度的控制，固溶体电子浓度有一个极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定。

④晶体结构因素

溶质与溶剂的晶体结构类型是相同是它们能形成无限固溶体的必要条件。

（三）

01

扩散分类

1）浓度的均匀程度分（是否发生浓度变化）：

①自扩散：不伴有浓度的变化，与浓度梯度无关。如纯金属和均匀固溶体中晶粒长大，驱动力为表面能的降低。原因晶界迁移时溶质和溶剂原子扩散方向相同

②互扩散：有浓度差的空间扩散，伴有浓度变化，异类原子相对扩散，互相扩散。

2）按扩散方向是否与浓度梯度方向相同分：

①下坡扩散（顺扩散）：由高浓度区向低浓度区扩散，即是沿着浓度降低的方向扩散，如铸锭子均匀化退火、渗碳等。

②上坡扩散（逆扩散）：低浓度区向高浓度区扩散即沿着浓度梯度升高的方向扩散。驱动力为化学位梯度。

3）按原子的扩散路径分：

①体扩散：在晶粒内部的扩散。

②表面扩散：沿表面的进行的扩散。

③晶界扩散：沿晶界进行的扩散。表面扩散和晶界扩散比体扩散速度要快。前两种情况又称为短路扩散。

4）根据扩散过程中是否出现新相分：

①原子扩散：基体晶格不变，没有新相产生。

②反应扩散：通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而形成新相的过程称为反应扩散。反应扩散的特点：①相界面处产生浓度突变②二元系的扩散层中不可能存在两相区。

02

柯根达尔效应

1947年，克根达尔和斯密吉加斯用实验证明了在互扩散过程中组元的扩散系数不同，以及置换式扩散的空位机制。实验中，在黄铜与其镀层铜中包入钼丝，其中钼丝仅作标志物，在整个过程中不参加扩散反应。扩散组元是铜和锌，二者构成置换式固溶体。在置换式固溶体的扩散过程中，放置在原始界面上的标志物朝着低熔点的方向移动，移动距离与时间成抛物线关系。造成现象原因是：低熔点的组元扩散快，高熔点组元扩散慢，正是这种不等量的原子交换造成了柯根达尔效应。

03

扩散微观机制

1)直接换位机制的否定：这种换位势必使交换原子对附近的晶格发生强烈的畸变,固此种机制存在可能性不大。

2）间隙机制：适用于间隙固溶体中间隙原子的扩散。其中发生间隙扩散的主要是间隙原子，阵点上的原子则可以认为是不动的。C、H、N、B、O等尺寸较小的原子在固溶体中的扩散是按照一个间隙位置跳动到近邻的另一个间隙位置的方式进行的。

3）空位机制：空位机制适用于置换式固溶体的扩散。它是FCC金属中扩散的主要机构，在BCC和HCP金属、离子化合物和氧化物中，也起重要作用。

4）其它类型扩散机制：

①环形扩散机制：3个以上原子呈环形转动、循环交换位置，其畸变能比两个原子的直接交换位机制要低得多。

②填隙子机制：较大原子进入间隙位置，如辐照后形成的缺陷，它不是跳入另外的间隙中，而是将其相邻近的处于平衡位置的原子推入到间隙中，它自己则占据这个空下的平衡位置，如此反复进行，就会不断地发生扩散。如Ag在AgBr中的扩散。

③挤列子机制：两个原子共享一个格点。

04

扩散系数D与温度的关系

D=e-Q/RT。

和Q物质的成分和结构，与温度无关。

扩散常数，Q扩散激活能。

一般来说，空位机制比间隙机制需要更大的扩散激活能。

05

影响扩散的因素

1）温度的影响：由扩散系数的表达式D=D0e-Q/RT，D0和Q物质的成分和结构，与温度无关。可知扩散系数与温度呈指数关系，T对D有强烈的影响。温度越高，原子的能量越大，越容易迁移，因此扩散系数越大。许多卤化物、氧化物等离子化合物的扩散系数与离子电导在某一温度会发生突变，这反映在高于或低于这一温度受两种不同的扩散机制所控制。高温区以热缺陷引起的扩散为主，（包括弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷）称为本征扩散；低温区一般以杂质产生或控制的缺陷所引起的扩散为主，称为非本征扩散。

2）成分的影响

①组元特性：原子在点阵中扩散需要的克服能垒，即需要部分地破坏邻近原子的结合键才能实现跃迁。微观上讲，固溶体中组元原子的原子尺寸相差愈大，畸变就越大，扩散容易， 则Q越小，而D值越大；组元间亲合力强，负电性相差越大，则溶质原子扩散越难；溶解 度越小的元素扩散越容易；对于一价贵金属（如银）为溶剂的合金中，溶质元素的原子价大于溶剂，则其激活能小于基体金属的扩散激活能；并且溶质原子序数越大，激活能就越小。Tm（熔点）,Lm（熔化潜热）,Ls（升化潜热）越高，或κ（体积膨胀系数）、α（体积压缩系数）越小，则Q越大。溶质使溶剂的熔点下降，则D增加，使B的熔点升高，则D下降。

②组元浓度：一般扩散系数是浓度的函数，某些元素在铜中的扩散系数与浓度与正比，Ni,Mn,C在γ-Fe中的扩散随浓度呈正比，铁的自扩散系数随含碳量的升高而增大；相反情况如Au-Ni合金中，随着镍含量的增加，D,DNi,DAu均明显降低。实验证明，溶质浓度对扩散系数的影响是通过Q和D0两个参数起作用的。通常是Q值增加，D0值也增加；而Q值减小，D0值也减小。

③第三组元的影响：合金元素对碳在奥氏体中的扩散的影响如Co增加扩散系数，W和Mo降低扩散系数，Mn和Ni对扩散系数的影响不大。原因是：改变了碳的活度；引起点阵畸变、改变了碳原子的迁移率，从而改变了扩散激活能；细化晶粒，增加了短路扩散的通道；合金元素使空位浓度改变，由于短程交互作用，改变了杂质近邻原子的跃迁几率等。硅对碳在钢中的影响是：使碳从低碳浓度区向高浓度区流动，发生上破扩散。这种现象原因是由于硅增加了碳的活度，从而增加了碳的化学位。

3）晶体结构的影响

①结构的类型：在致密度较小的结构中，无论是自扩散还是合金元素的扩散都易于进行。

②固溶体类型：置换式原子的扩散激活能比间隙原子大得多。

③各向异性：对称性较低、原子和间隙位置的排列呈各向异性的晶体中，扩散速率也是各向异性。对称性较高的立方晶系中，扩散系数各向同性。

4）短路扩散：扩散沿着表面、界面、位错等缺陷部位进行。温度较低时，短路扩散起主要作用；温度较高时，点阵内部扩散起主要作用。温度较低且一定时，晶粒越细扩散系数越大，这是短路扩散在起作用。一般来说，表面扩散系数最大，其次是晶界扩散系数，而点阵扩散系数最小。

①表面扩散。

②晶界扩散：具有结构敏感性，在一定温度下，晶粒越小，晶界扩散越显著；晶界扩散与晶粒位向、晶界结构有关，其扩散深度与晶界两侧晶粒间的位相差有关，θ在10∘至80∘之间，晶界上的扩散深度大于晶粒内部，θ=45度时出现最大值。

③过饱和空位及位错的影响：对较低的温度下扩散起很大作用，使扩散速率显著提高。

06

二元系中扩散区不存在双相区的相律解释

f=c-p+2式中，由于压力及扩散温度是一事实上的，故应去掉两个自由度的数目，此时f=c-p。在单相时，f =2-1=1，说明该相的浓度是可以改变的，因此，在扩散过程中可以是有浓度梯度，即扩散过程是可以发生。

然而若出现平衡共存的双相区，f =2-2=0，意味着每一相的浓度均不能改变，说明在此双相区中不存在浓度梯度，扩散在此区域不能发生。

07

固态金属扩散的条件

1）温度足够高：固态扩散是依靠原子的热激活而进行的过程。温度越高，原子热振动越激烈，原子被热激活而进行迁移的几率就越大，低于一定温度，表面不出物质输送的宏观效果，如同扩散被“冻结”一样。

2）时间要足够长。

3）扩散原子要固溶：扩散原子在基体中必须有一定的固溶度，能够溶入基体晶格，形成固溶体，才能进行固态扩散。

4）扩散要有驱动力：扩散的驱动务不是浓度，而是化学位梯度。此外在温度梯度、应力梯度、表面自由能差、以及电场和磁场的作用下，也可以引起扩散。

08

固态烧结

热力学角度，烧结而导至材料致密化的基本驱动力是表面、界面的减少从而系统表面、界面能的下降。从动力学角度，要通过各种复杂的扩散传质过程。

欢迎加入材料科学基础总群：324840917

动动手转发给身边的小伙伴，一起来学习呀~

推荐阅读