【材科基总复习】考前还未解决的问题（下）
01
问：当变化条件时，能否继续使用扩散第一定律，简述理由？
02
问：菲克第二定律以及正态分布，误差分布的应用条件？
答：菲克第二定律适用于非稳态扩散：在扩散过程中，和J 都随时间变化。正态分布适用于表面涂敷的扩散，误差分布适用于处理半无限长的问题。
03
问：晶界移动遇到气孔时会出现什么现象，应该怎么控制？
04
问：从化学组成，相组成，结构考虑，比较固溶体与化合物，机械混合物(p Ld)的区别？
答：合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成均匀的固相，这类固相称为固溶体，例碳溶于铁所形成的固溶体。如果组成合金的两种元素，当它们在化学元素周期表上的位置相距较远时，由于彼此间电化学性质差别较大，容易形成化合物，即称为金属化合物。金属化合物与化学上的化合物不同，化学上所指的化合物是由离子键结合的物质，各元素的原子成一定比例，可以用化学式来表示。金属化合物由金属键相结合，其组成的各个元素的成分不是严格不变的，可以在一个范围内变化。这样的金属化合物有：碳化铁、碳化铬、碳化钼、铜锌合金等。 如果合金是由两种不同晶体结构的晶粒彼此机械混合组成，则称它为机械混合物。例如，铁的固溶体和化合物碳化三铁所组成的机械混合物，被称为珠光体，它具有较高的强度和硬度，又具有一定的塑性和韧性。
05
问：试分析镍基高温合金铸造叶片从等轴晶发展到定向凝固柱状晶再发展至单晶的材料科学原理。
答：
叶片形状复杂不易加工，一般用熔模铸造法生产。用传统的铸造生产得到的叶片是由许多细小的等轴晶组成，但这种组织高温强度较低，叶片容易横向断裂（图6-35a）。如采用定向凝固得到全部是柱状组织，晶界与外力作用方向平行（图6-35b），这可以有效地阻止高温下晶界的滑动和空位的定向流动，因而使高温强度明显提高。近年来又采用了更先进的制备技术，将整个叶片做成一个单晶（图6-35c），完全消除了晶界的有害作用。如将图6-35a与图6-35c这两种不同生产方法（材料完全相同）制造出来的叶片作对比，前者工作温度为850，后者则可达到1100。叶片材料为镍基超合金，虽然材料成本较贵，但制造成本更贵，一个涡轮盘上有102个叶片。可见，生产工艺的改进对提高叶片寿命、降低制造成本有多么重要的作用。
06
问：将钢在870℃下渗碳，欲获得与927℃下渗碳10h相同的渗层厚度需多少时间？若两个温度下都渗10h，厚度差多少？
答：
07
问：平衡空位浓度和温度对低温扩散和高温淬火的影响？
答：平衡空位浓度C=Aexp（-Ev/kT），A为材料常数，k=1.38X10-23,Ev为空位形成能。即温度越高，空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温，对低温加热扩散有促进作用。
08
问：定向凝固时，问一下在k0大于1时，合金的溶质分布曲线怎么画?
答：说明：这边只涉及了单相固溶体的匀晶反应（而且是固相无扩散，液相充分混合情况下），可以看出k0＞0时其实和k0＜0图形只是一个对称关系。这边没有涉及到剩余液相发生共晶或其他反应，若有也是对称关系。另外在液相只有扩散无对流情况也是这样的规律。（参见材料科学基础学习辅导范群成主编）
09
问：钨的冷加工与锡的热加工在组织和性能上有什么不同？
答：钨熔点3410℃，锡熔点232℃，根据T再结晶=0.4Tm，可知它们在具体温度下是冷加工还是热加工。
钨冷加工时，晶粒拉长，杂质呈细带状或链状沿受力方向分布，这种组织状态称为纤维组织。各晶粒位向与变形方向趋于一致，现象称为择优取向，组织状态称为形变织构（两者都会造成各向异性）。（说明：还要根据具体冷加工工艺，比如说拉拔成丝的话，则称为丝织构。冷轧的话则为板织构。）此外，变形量大时，晶粒会碎化，亚晶细化。
点缺陷密度和位错密度急剧上升。
性能上，塑变后加工硬化，强度硬度升高，塑性韧性降低，还存在残余应力。密度降低，导电热磁性能降低，耐腐蚀性能降低。
锡热加工时，加工硬化和动态回复再结晶同步进行。热加工后，铸态下的粗大组织会细化成等轴晶，偏析、气孔和疏松会减少。这里说明有些第二相和夹杂物变形后不会因为动态再结晶而恢复，所以它们仍沿变形方向拉长，形成纤维组织或流线，造成各向异性。
10
问：能对比下回答下：准晶与非晶，在结构、形成和性能上的异同嘛？
答：原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。
准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。准晶是具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重复，其对称要素包含与晶体空间格子不相容的对称。
特点：原子长程有序但是不具有平移对称性
性能：坚硬又有弹性、非常平滑，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差
形成：最早是在急冷凝固的Al Mn合金中发现
非晶指的是无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列的物质。无规则的外形和固定的熔点。
特点：具有近程有序而远程无序的结构特征
性能：各向同性，高强度硬度，高韧性，耐蚀性能好
形成：从液态（或气态）急速冷却时，因来不及结晶而在室温或低温保留液态原子无序排列的凝聚状态。
11
问：麻烦解释下亚共晶及过共晶的白口铁在凝固过程中，初晶的成长方式不同，并长成不同的金相形态？
答：亚共晶初晶为奥氏体，一般以树枝晶生长。过共晶初晶为一次渗碳体，一般以规则长条状分布在基体上。
这两种初晶生长方式不同，形态主要取决于它的属性，初晶奥氏体是金属型，为树枝状；一次渗碳体是非金属型，为规则多面体。实际是因为两者的固液界面微观构造引起的，奥氏体是金属型，微观粗糙界面，生长方式为树枝状垂直生长。一次渗碳体为化合物，微观光滑界面，生长方式为二维形核台阶状长大。
12
问：Na2O和CaO为啥不能形成玻璃的网络形成体，而只能为网络改变体？
答：
13
问：怎么画二元共晶，包晶相图的成分自由能曲线？
答：自由能-成分曲线一般是特指某一温度下
基本规则：
一、单相：在某一温度下出现的相的自由能-成分曲线在下方，没有出现的相的自由能-成分曲线在上
二、多相：公切点表示多相平衡时的成分，其成分点与相图是对应的关系（共切线法则：共切线在两条曲线上切点所对应的坐标值，便是恒压下两个相在给定温度的平衡成分）
三、共晶相图的自由能-成分曲线一般多为U型曲线
14
问：a/2[-110]→a/6[-12-1]+a/6[-211],若反映前的位错a/2为[-110]为螺型位错，则反应后的扩展位错可以在(1-11)面发生束集，为什么是在(1-11)面，怎么判断的呢？
答：b=a[-110]/2的螺位错运动过程中遇到障碍物而发生交滑移，理论上能在任何面上交滑移，但实际上只能在与原滑移面相交于位错线的fcc密排面（滑移面）上交滑移，而束集之后才能发生交滑移。 实际本题就是找交滑移面。
本题有问题，首先对于螺形位错，伯氏矢量和位错线平行。Fcc晶体中，滑移系为｛111｝【110】，其中滑移面晶面族只有4个面。b=a[-110]/2的螺位错要滑移只有两个滑移面可以让它滑移，分别为（111）和（-1-11），（1-11）是不会成为b=a[-110]/2螺位错的交滑移面的。
15
问：以纯钛、纯铜、纯铁或其合金中某一个具体成分金属材料为例，利用塑性变形与回复再结晶理论，论述如何制备出纳米晶与微米晶共存的金属材料。
答：由于多了一个组元，三元合金比二元合金多了一个自由度。在压力恒定的情况下，对于匀晶转变二元合金的自由度等于1。因此只有温度一个自由变量，二元匀晶转变过程中（L+α两相区内），任一给定温度下，液相与α相成分由液相线和固相线唯一确定。三元匀晶转变有2个自由度，因此在平衡转变过程中L相与α相成分不能单纯用几何法确定，只有L、α相中任何一相的平衡成分确定的情况下，才有可能确定另一相的平衡成分。在平衡状态下L相与α相的平衡成分点分别构成液相面与固相面，给定的合金发生匀晶转变过程中，所有共轭线在浓度三角形上的投影形成“蝴蝶形”花样。
对于二元合金的共晶转变，L→α+β自由度为0，共晶平衡转变只能在确定的共晶转变TE下进行，且转变过程中反应相L和生成相α、β相平衡成分是确定的。对于三元合金，其两相共晶转变L→α+β，L→α+γ，L→γ+β有一个自由度，因此，三元合金的两相共晶可在一定温度范围内进行，转变过程中参加反应的3个平衡相成分是确定的，三元系中的三相共晶转变L→α+β+γ的自由度为0，所以平衡转变只能在确定的三相共晶转变温度下进行，且所有反应相成分也是确定的。
16
问：以纯钛、纯铜、纯铁或其合金中某一个具体成分金属材料为例，利用塑性变形与回复再结晶理论，论述如何制备出纳米晶与微米晶共存的金属材料。
答：
理论基础为：塑性变形（轧制）后晶粒碎化，然后短时再结晶退火以使部分纳米晶长大至微米晶。
17
问：试分别举例说明不同种类的相变对材料性能与应用的影响；如何利用仪器分析的手段研究材料的相变过程？
答：1.相变类型
（1）液固转变 从液态到固态，比如发生共晶反应，可以利用共晶反应制备自生原位复合材料。
（2）固态相变
一级相变如马氏体相变，钢铁材料由奥氏体变成马氏体后强度、硬度大大提高，可以利用此性能对钢进行淬火处理，进行强化。
Al-Cu合金在脱溶分解的过程中出现亚稳相Θ‘’相和Θ‘相，二者可以提高合金的强度硬度，因此可以用固溶+时效的手段强化Al-Cu合金
二级相变 如Fe在加热到居里点的时候有铁磁性变成顺磁性，由此转变导致的磁致伸缩可以制作低膨胀系数的合金
2.分析手段
（1）分析在相变的过程中是否有新相生成，可以使用XRD进行分析
（2）使用原位透射电镜，可以动态分析在整个变化过程中物相变化
（3）对于二级相变，可以用热分析，如DSC、DMTA等手段。
18
问：请问一下，A、B不是理想气体，1molA与1molB组成的混合气体中，A和B的分压相同，为啥分体积不同？
答：理想气体指的是不考虑分子间相互作用，且不考虑分子本身体积。对于A、B两种气体混合，设总气压为P，分压分别为PA、PB，体积分数分别为yA、yB，则PA=yAP，PB= yBP。若PA=PB，则二者体积分数相同。对于非理想气体混合，考虑A和B分子之间的相互作用力，理想气体规律不再适用，因此引入偏摩尔量的概念。
19
问：912°a-Fe,其晶格常数为0.02464，转变为r-Fe,其晶格常数为0.0486时的体积是膨胀，收缩，还是不变？
答：
注：要计算平均每个原子的体积变化，而不是晶胞的体积变化。（上述数据不对，正常情况下奥氏体的比容最小，铁素体变成奥氏体应该收缩）
20
问：请问:列举几种金属材料的晶体结构和显微组织的表征方法，分别指出这些方法的优缺点？
答：表征方法
（1）使用XRD，可以测出金属（合金）中有哪些物相
优点：测试简单快捷，对于简单合金的衍射非常容易确定物相
缺点：对于多元合金，衍射峰一般多而杂乱，不易区分和标定，且被测试样品不能太小，有尺寸限制
（２）使用SEM 利用二次电子像观察表面形貌，用背散射电子像根据不同衬度区分有几种不同物相，结合EDS确定成分以及各种元素比例
优点：可以和EDS等联合使用，不仅可以确定物相而且可以观察组织的形状特征，可以观察到裂纹等缺陷。
缺点：EDS对于轻元素检测不准确，对于同样的化学计量数比值的不同相需要结合XRD才能确定，比如有α、β、γ三种不同的ＡｍBｎ相，需要结合XRD才能确定是哪种。
（３）TEM可以通过衍衬象非常精确的确定物相，通过高分辨成像确定组织形貌
优点：精确度高，分辨率高，可以观察到极细微的组织
缺点：样品制备困难，设备操作、维护复杂
21
问：布拉格方程和劳厄方程的异同？
答：相同：二者都是对晶体过X射线衍射的条件进行推导，具有一致性
不同：劳厄方程是把空间点阵看作不相互平行的三组直线的组合进行推导，由此推导出劳厄方程组。布拉格是把空间点阵看作相互平行、间距相等的点阵平面的组合，由此推导出布拉格方程。
22
问：如果单晶铜只开动了（-1 1 1）面会产生什么现象?为什么?它对随后进一步的变形有什么影响？
答：主要考虑单晶在开始变形后，滑移面会转动，使得取向因子变小，需要的应力变大，因此对后续变形的影响是使得变形所需的应力增大。
23
问：结晶陶瓷晶体中，组元离子那些特征影响其最终的晶体结构，如何影响？
答：1、原子半径和离子半径；2、配位数和配位多面体；3、离子的极化；4、晶体中质点的堆积 具体影响请参考https://wenku.baidu.com/view/98edd995561252d381eb6e06.html
24
问：成分均匀化的角度，分析二元匀晶相图形状对该二元系合金在平衡凝固条件下的凝固过程及室温显微组织的影响？
答：二元匀晶相图中，固相线和液相线之间的距离越大，凝固时候，形成的固相偏离合金成分越远，形核后周围液相成分偏离合金液相成分越远，均匀化需要的时间越长。容易形成树枝晶。
25
问：为什么面心立方滑移面的原子堆积密度大，滑移阻力小，原子堆积密度是怎样影响滑移？
答：因为晶体的原子密度最大的晶面上，原子结合力最强，而面与面之间的间距最大，故密排面之间的原子结合力最弱，滑移阻力最小，因而易滑移，故称滑移面。
原子堆积密度越大，则体积越小，密排面之间的距离越大，因而滑移阻力越小，易产生滑移。
26
问：对于平衡分配系数k0＞1，他的宏观偏析的规律又是怎么样的？
答：偏析值指的是合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。K0=CS/CL或者用质量分数表示K0=wS/wL,总之就是固相溶质含量和液相溶质含量的比值，所以在K0>1时凝固的过程中先凝固成固体中溶质含量比液体中的含量多，导致液体继续凝固时后凝固的固体中溶质含量少。
宏观偏析分为正常偏析、反偏析、比重偏析。
正常偏析：K0>1时，先凝固的部分溶质含量高后凝固的部分溶质含量低，因此铸锭表层溶质含量高，中心含量低，这是正常现象，叫做正常偏析。
反偏析和正常偏析相反，在K0>1时，先凝固的部分溶质含量低后凝固的部分溶质含量高，和正常偏析相反，叫做反偏析。对于结晶范围宽、结晶时铸件冷却缓慢、树枝晶粗大、金属液含气量比较高时一出现反偏析。
比重偏析，比重偏析取决于出生树枝晶和液态金属的相对密度，当二者密度相差较大时，出生树枝晶便会上浮或者下沉，导致铸锭最终上下的成分不同。
27
问：请问分子链越长，柔顺性越好，分子链越长，强度越高。这不矛盾吗？
柔顺性指的是分子链，不是材料，分子链越长，可运动的单元就越多，链的柔顺性就越好；
答：强度是材料抵抗破坏的能力，由于分子链柔顺性好，在受到外力时容易发生变形，从而不会直接破坏，因此强度高。
28
问：小角度晶界和大角度晶界中的原子排列的特点，以及对动力学扩散的影响？
答：
小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10°的晶界；
大角度晶界：相邻晶粒位向差大于10°的晶界。
原子排列特点：小角度晶界分为三种类型，对称倾斜晶界、不对称倾斜晶界、扭转晶界。
对称倾斜晶界：可以看作是晶界两侧晶体互相倾斜的结果。；两侧位向差很小，其晶界可以看作是一系列平行的刃型位错构成，原子按照各自的晶体结构对称排列，对称倾斜晶界的形成如图1，晶体模型如图2
不对称倾斜晶界：将对称倾斜晶界绕着垂直于纸面的轴旋转一定角度φ，此时两个晶粒仍然位向差为θ，但是晶界的平面相对于两个晶粒时不对称的，称之为不对称倾斜晶界。原子排列如图3
扭转晶界：可以看成是两部分晶体绕着某一轴在一个共同晶面上相对扭转一个θ角度所构成的，扭转轴垂直于这一公共晶面。其模型如图4，原子排列如图5所示
大角度晶界的两个晶粒之间的位向差比较大，分界面上既包含有同时属于两个晶粒的原子D，也包含由不属于任一晶粒的原子A；既包含有压缩去B，也包含扩张区C。晶界上原子受到位相不同的两个晶粒的原子的同时作用。其晶界模型和原子排列如图6和图7。
晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的能量，并且晶界处存在较多的缺陷，所以能够成为原子快速扩散的通道，形成短路扩散。因此晶界处原子扩散更快，而且大角度晶界基小角度晶界处更有利于原子扩散。
29
问：Fe 在 1100℃时从铁板向模板扩散，中间经过一层 0.05cm 厚的 NiZn 板，此时 Fe 的 扩散系数为 1.1×10 -11cm2 s -1，晶格常数为 0.35nm，求 3×3cm 单位时间通过的原子个数 及扩散 1mmFe 所需要的时间？
答：
在1100℃，Fe为奥氏体，面心立方结构，因此一个晶胞里有4个Fe原子.其扩散模型如下图
30
问：三种玻璃（金属玻璃，离子玻璃，共价玻璃）的主要成分和形成条件
答：金属玻璃即非晶合金，一般认为是在快速冷却的时候将液态金属的结构保留下来，形成非晶态。所以其成分一般为多元合金，多元合金中原子之间相互阻碍扩散易形成非晶，纯金属很难获得；而且熔体的组成原子具有较大的原子半径差异，至少为15%。形成条件必须在快速冷却才能形成，冷却速度要达到临街冷却速度。
另外两个查都查不到，学无机非的同学也表示没有听说过，怀疑是不是同学的问题有什么地方表达不对，或者建议给出是哪个学校哪年的考题。
31
问：三元四相反应的特点有哪些？
答：根据相律，三元四相平衡的自由度为零，即平衡温度和平衡相的成分都是固定的。
三元系四相平衡大致可以分为三类：
（1）共晶型转变Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ包括
共晶转变：L=α+β+γ
共析转变：δ=α+β+γ
（2）包共晶转变 I+Ⅱ=Ⅲ+Ⅳ 包括
包共晶转变：L+α=β+γ
包共析转变：δ+α=β+γ
（3）包晶型转变 I+Ⅱ+Ⅲ=Ⅳ 包括
包晶转变：L+α+β=γ
包析转变：δ+α+β=γ
四相平衡区再三元相图中是一个水平面，再垂直界面中是一条水平线，
四相平面以4个平衡相的成分点分别与4个单相区相连；以2个平衡相的共轭线与两相区为界，一共与6个两相区相连；同时又与4个三相区以相界相隔。
32
问：在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。这个怎么理解？
答：该问题是一个再结晶的动力学的问题，对再结晶过程的动力学进行研究可以得出下面的式子：
1/T=A+Blnt
其中T为再结晶温度，t为完成再结晶的时间，由上式可以看出再结晶温度和保温时间对数成反比关系，在一定范围内保温时间保温时间越长，需要的再结晶温度越短。比如H70牌号的黄铜在400℃恒温下再结晶需要1h；在300℃下保温需要1.97h。（这句话理解的时候可以反着理解，比如“在300℃下延长了保温时间，就可以在比400℃更低的情况下再结晶”）
*关于再结晶动力学的具体推导，几乎任何一本材料科学基础上都会有涉及，不再赘述。
33
问：如何理解平衡分配系数和有效分配系数，以及它们的应用？
答：平衡分配系数：是平衡凝固时候固相的质量分数和液相质量分数的比值，即
k0=ws/wl
K0<1时表示凝固过程中固相比液相溶质含量低，即先凝固的固体比后凝固的固体溶质含量低；反之则情况相反。
平衡凝固意味着溶质能够充分扩散，即液相中完全混合均匀，不存在浓度差的溶质再分配，但是这种情况很难遇到，即使进行强烈搅拌，固液界面仍然会有一个很薄扩散层,在扩散层内，溶质原子不能和扩散层外的溶质原子充分混合均匀，引入有效分配系数Ke，表征液体中的混合程度。
其中，K0为平衡分配系数，v为凝固速度，为扩散层厚度。根据上式，当凝固速度很慢，而对流很强时，即v和很小，乘积接近0，此时溶质能更加充分的扩散，K0≈Ke。
二者的应用视具体情况而定，当凝固条件为平衡凝固时，用K0进行计算，当液相中存在对流和扩散两种情况，不是溶质完全混合时，使用Ke去计算。
34
问：非晶形成难易与玻璃化温度和平衡凝固温度之比的关系？
答：非晶合金的形成需要一定的冷却速度，当冷却速度大于临界冷却速度Rc时，可以形成非晶合金。Tg为玻璃化转变温度，Tf为平衡凝固温度，Rc与Tg/Tf的比值有关，该比值越小，Rc越小，越容易形成非晶合金。
35
问：麻烦问下划痕，滑移线，交滑移线，变形孪晶，退火孪晶的金相组织，和形貌？
答：
如图所示，a）为单滑移，b）为多滑移，滑移线会相交，c）为交滑移线，呈典型波纹状。
退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。金相形貌特征：孪晶界面平直，孪晶片较厚，贯穿整个晶粒。
变形孪晶(或机械孪晶)：通过机械变形而产生的孪晶。金相形貌特征：透镜状或片状，多数发源于晶界，终止于晶内。
退火孪晶尺寸在微米级，变形孪晶在纳米级。
36
问：基于抗蠕变和持久强度的要求，试提出改善发动机涡轮叶片用等轴晶高温合金高温强度的措施，并解释原理。
答：（1）固溶强化：加入固溶强化元素W、Mo、Re等元素
原理：加入固溶元素降低了堆垛层错能，提高高温持久强度；加入的固溶元素改变了晶格常数，从而形成晶格畸变产生应力场，阻碍位错运动；加入的合金元素降低了元素的扩散，提高了高温蠕变强度。
（2）沉淀强化 加入沉淀强化元素Al、Ti、Cr等形成第二相粒子
原理：析出相和基体共格，发生共格应变强化；Orowan绕过强化机制运动中心位错在滑移面上受到第二相质点阻碍时，如质点尺寸和间距较大，则位错线将绕其弯曲，且形成包围质点的位错环，同时原位错继续前进，但位错间这种方式运动所受阻力大；位错切割机制，第二相强度不大时，可随基体一起变形，且第二相质点与位错间作用力不足以把位错组织在质点处时，位错会直接切过质点使质点分成两部分， 除质点周围应力场阻碍位错运动外，质点本身对位错亦有阻力。
（3）晶界强化
在低温下，晶界是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。
但是在高温下，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的塞积位错容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑动与迁移。这样高温下晶界就成为薄弱环节。因此必须设法尽量减少甚至消除晶界。
使用定向凝固技术，消除横向晶界形成了柱状晶合金；使用螺旋选晶器或者其他单晶制备技术铸造单晶合金，消除全部晶界。
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