2005物理冶金原理思考题

1《物理冶金原理》复习思考题（来自：龙鹕谷QQ:171975803）晶体学基础、金属及合金相结构、固体金属原子扩散1、简述题及基本概念：1）、金属键及金属的性能特点；在金属晶体中，自由电子是所有金属晶体所共有，并在金属正离子之间运动，形成所谓电子云，金属键就是电子云和金属正离子之间的静电引力。金属键特点：自由电子公有化；无方向性；无饱和性；不选择结合对象；→种类及潜力无穷；→塑性变形及加工硬化金属性能特点：一、优异的物理性能：磁、光、电子、信息、储能等；优良的导电性及正的电阻温度系数；优异的导热性；…………….二、优异的力学性能配合：优异的强韧性配合（高强度～4000MPa；高塑性及加工硬化；高韧性及损伤容限）；使用温度范围宽广(高温、中温、室温、低温)且力学性能优异；优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗热腐蚀等性能三、优异的成形加工性能Processingability：优异与灵活的凝固加工成型性能（铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件；焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造）；独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的冷加工成型能力（冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压…；冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）；优异的热加工成型能力（锻造、热轧、热挤压）四、独特的抗过载能力及使用安全性(加工硬化)：零件局部过载塑性变形加工硬化材料强度提高不但不会失效、承载能力反而提高、使用安全；加工硬化避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用；加工硬化避免变形集中、材料均匀变形冷加工热加工成型成为可能。2）、金属晶体及其性质；晶体:原子或原子集团在三维空间周期性无限重复排列的物质性质：高的热力学稳定性；各向异性(AnisotropyofProperties)；宏观性质的均匀性；一定的熔点；规则的外形（外表面为往往低表面能的特殊晶面）3）、金属非晶及性能特点；原子排列长程无序或短程有序Long-rangedisorderorshort-rangeorder无晶界、无成分偏析、成分完全均匀没有固定熔点(玻璃转化温度）各向同性（Isotropic)高强度、无加工硬化、低塑性高弹性、高耐蚀、高耐磨优异的磁性、储氢性能、4）、材料分类方法及各类材料的优缺点；按功能分类：结构材料（按组成、性质、用途……）；功能材料（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料……）。陶瓷材料的性能优点：共价键及离子键原子间结合键强、化学稳定性高高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好硬度高、耐磨性优异导热系数低、隔热性能好(TBCs)不导电，绝缘材料陶瓷材料的性能缺点无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受动载荷、应用面窄；对缺陷极其敏感、无损伤容忍性(NoDamage－Tolerance)、使用不安全加工制造困难(切削加工困难；无法焊接、锻压、扎制、锚接、无法修复等)回收利用(Recycling)难度大、成本高材材料料MMaatteerriiaallss有机高分子材料PolymersandRubbers无机非金属材料CeramicsandGlass复复合合材材料料CCoommppoossiitteess((MMMMCCss,,CCMMCCss,,PPMMCCss))金金属属材材料料MMeettaalllliiccMMaatteerriiaallss((MMeettaallssaannddAAllllooyyss))非非金金属属材材料料NNoonn--MMeettaalllliiccMMaatteerriiaallss2复合材料的性能缺点(金属基及陶瓷基):材料制备工艺复杂、成本高；性能一致性差、质量保障技术；缺乏可靠的制造技术(ManufacturingTechnologies)→切削加工、焊接与连接、锻压、扎制、表面处理、修复等长期性能稳定性及性能退化问题无法回收利用(Recycling)高分子材料的性能缺点：使用温度范围窄(高温软、低温脆)；高温力学性能低、高温老化；低温韧性差、低温脆化；长期化学及力学性能稳定性低性能退化(Degradation)；回收问题(Recycling)5）、复合材料性能特点及存在的问题；复合材料的性能优点•有机结合充分发挥各种材料的性质•凭借高明的设计加工合成灵活控制各种性质•实现任何单一组成无法达到的性能6）、空间点阵、晶胞及点阵常数；把基元看成几何点，这些点在三维空间构成空间点阵（SpaceLattice）在晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。以三个平移基矢为棱所作的平行六面体称为点阵晶胞，或称简单晶胞。如果在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体结构中各原子的位置，这部分原子构成了晶体结构中具有代表性的部分，含有这一附加信息的晶胞称为结构晶胞。三个棱长a\b\c,和棱间夹角\\共六个参数叫做点阵常数或晶格常数。7）、晶体结构符号（Pearson符号）：小写字母(晶系)＋大写字母(晶格类型)＋数字(原子数)8）、晶面指数及晶向指数的求法；晶向指数及其求法过坐标原点作晶向的平行线或将该晶向平移至坐标原点在该晶向上任取一点并以晶格常数为单位求位置坐标值将坐标值化成最小整数并放入方括号中[uvw]负号写在数字上方，符号相反的两晶向方向相反：[112]与[112]9）、晶面族与晶向族；晶面族（FamilyofCrystallographicPlanes）晶体中原子排列规律相同、位向不同的所有晶面（数字相同但次序及负号不同的所有晶面）表示符号：{hkl}晶向族（FamilyofCrystallographicDirections）原子排列特征相同、位向不同的全部晶向:uvw10）、晶带、晶带轴及晶带定理；如果一系列非平行晶面都平行于或包含某一特定方向，则这些晶面(hkl)同属于一个晶带，这个特定方向称为晶带轴[uvw]。晶带定理：hu+kv+lw=011）、配位数、致密度、原子半径;晶体结构中任意原子最近邻的原子数目叫做该晶体结构的配位数在相互接触圆球构成的晶胞模型内，原字所占体积（Vs）于晶胞体积（V）的比值叫做致密度BCC:CN：8+6;/43Ra;η：0.68FCC:CN：12;/42Ra;η：0.74HCP:CN：6+6;/2Ra;η：0.7412）、间隙、间隙半径；密堆积结构中的间隙：四面体间隙数(2)是八面体间隙数(1)的两倍，也是原子数的两倍。四面体间隙：r≈0.225R；八面体间隙：r≈0.414R；晶面指数的求法:(hkl)选定坐标系原点或移动晶面使晶面与三坐标轴相截以晶格常数为单位求晶面与x、y、z三坐标轴的截距取三截距的倒数并化成最小整数:h,k,l放入圆括号中(负号写在数字上方)：(hkl)3FCC&HCP结构中的间隙：四面体间隙：r≈0.291R；八面体间隙：r≈0.155R；间隙数量少、尺寸大BCC结构中的间隙：四面体间隙(6)：r≈0.291R；八面体间隙(3)：r≈0.155R；扁八面体13）、合金(一种金属元素与其他金属元素或非金属元素熔合而成的物质)、组元（系统中表示处于平衡状态每个相成分的独立物质）；14）、相（系统中具有同一聚集状态的任何均匀部分）；15）、固溶体（置换、间隙及有序固溶体）；置换固溶体：溶质原子取代了溶剂原子在晶体结构中的位置间隙固溶体：溶质原子位于溶剂组元晶体中的间隙有序固溶体：异类原子趋于相邻16）、固溶强化（以纯金属为溶剂的固溶体在具有较高强度及硬度的同时，还保持良好的塑性的现象）；17）、中间相（正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相[TCP相]）的结构及其性能特点；正常价化合物(AmBn)：AB型：NaCl型、立方ZnS、六方ZnS；AB2型：CaF2型。通常熔点、硬度及脆性均较高。电子化合物（e=(xN+yM)/100）：具有典型的金属性质间隙相（Ri/Rm0.59→间隙相(FCC,BCC,HCP)）高熔点、高硬度、高稳定性、高耐磨、各种强化相；间隙化合物（Ri/Rm0.59→间隙化合物(复杂晶体结构)）晶体结构复杂、稳定性相对较低、硬度相对较低；拓扑密堆相[TCP相]：CN12(14,15,16)；间隙全部为四面体间隙；无八面体间隙；原子间结合力很强－共价键；高硬度、高耐磨、高耐蚀等（包括：AB2LavesPhases；ABphase；A3B:Cr3Si）LavesPhasesRA/RB=1.225几何条件不是充分条件phase成分不固定、结构很复杂、硬而脆、常常为有害相Cr3SiRA/RB=1.12~0.8418）、同素异晶转变及意义？；同素异晶性是指有些元素在温度或压力变化时，晶体结构发生变化的一种特性2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A(0,1/2,1/2),B(1/2,1,1/2),C(1/2,1/2,0),D(0,1,0)，写出该四面体中四个面的晶面指数及六条边的晶向指数；3、已知某晶带的晶带轴为[111]，判断下列晶面中，哪些属于该晶带：(010),(110),(110),(101),(111),(121),(112),(211),(132).5、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP）晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；6、碳在-Fe（BCC）及-Fe（FCC）中的最大固溶度（原子百分数）分别为0.1%和8.9%，若碳原子均位于八面体间隙中，试分别计算-Fe及-Fe中八面体间隙被碳原子占据的百分数；7、试述置换式固溶体与间隙式固溶体的形成条件、影响固溶度的主要因素及性能特点。8、何谓固溶强化？试分析影响金属固溶强化效果的因素；9、试比较间隙固溶体与间隙相的结构特征及性能特点10、组元A具有面心立方晶体结构，组元B固溶于A中形成置换式固溶体，试问A3B还是A2B成分的固溶体更易形成有序固溶体？11、基本概念：扩散，扩散激活能，扩散驱动力，扩散系数。12、试述固体合金中原子扩散的微观机制及影响金属原子扩散的主要因素。纯金属的凝固、二元合金、三元合金相图及凝固1、简述液态金属的结构特点；2、何谓液态金属的过冷现象？影响液态金属凝固过冷度的主要因素有哪些？3、简述通过控制合金凝固过程细化金属晶粒度的主要方法及机理；4、简述平整界面、粗造界面液－固界面结构与生长特性及晶体凝固生长形态的关系；5、分别简述影响纯金属与单相合金凝固时凝固平界面稳定性的主要因素；46、相图、相律、建立合金相图的基本方法及基本原理。合金相图与合金组织、力学性能及工艺性能（铸造性能、热处理及塑性加工性能等）的关系。平衡凝固、非平衡凝固、杠杆定律、溶质元素再分配、分配系数、凝固偏析、晶内偏析、枝晶偏析、宏观偏析；简述凝固偏析的原因及减小凝固偏析的主要方法；7、何谓成分过冷？简述成分过冷产生的条件及其凝固界面形态及凝固组织的影响；8、伪共晶、离异共晶、共生生长。包晶转变的特点及非平衡包晶转变在材料科学与工程中的应用。9、画出铁碳二元合金状态图。含碳量为3％的Fe-C合金按Fe-Fe3C亚稳系平衡凝固凝固，分析其凝固组织形成过程并画出其冷却曲线及其凝固组织示意图，计算共晶反应结束时出生奥氏体树枝晶与共晶组织的相对含量及室温组织中组织组成与相组成的重量百分数。10、成分三角形、直线法则、重心法则。三元相图中水平投影图、水平截面图及垂直截面图的特点及用途。11、三元合金两相平衡、三项平衡、四项平衡的特点。12、分析固态下完全不互溶三元共晶相图水平投影图中各典型成分合金的凝固过程，画出过gh、Ab等线的垂直截面图、标明各相区的相组成、分析各标明合金的凝固过程（画出冷却曲线及凝固组织形成过程示意图）并计算a、b、c、d各合金凝固组织组织组成及相组成的相对重量百分数。位错基本理论、界面1.根据位错的定义，简述位错的基本性质。2.简述刃位错、螺位错的基本特征及其运动特点。3.基本概念：位错的应变能及线张力;刃位错及螺位错的应力场特点及其与溶质原子的交互作用特点;攀移