《材料科学基础》考研—简答题常考题型汇总

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1、材料科学基础简答题考研常考题型汇总1. 原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延 展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。（2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此， 七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好 的电绝缘体。（3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体 具有结构

2、稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电 能力较差。（4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应 作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和 饱和性，其结合不如化学键牢固。（5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介 于化学键和范德瓦耳斯力之间。2. 说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。答：相同点：二者一般都是由过渡族金属与原子半径较小的 C、N、H、O、B 等非金属元素所组成。不同点：（1）晶体结构不同。间隙固溶体属于固溶体相，保持溶剂的晶格类型；间隙化合物属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点

3、阵。（2）间隙固溶体用a、B、Y表示；间隙化合物用化学分子式MX、M2X间隙固溶体的强度、硬度较低，塑性、韧性好；间隙化合物的强度、熔点较高， 塑性、韧性差。3. 为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而 使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸 变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子 引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。4. 试述硅酸盐的结构和特点？答：（1）硅酸盐结构的基本单元是SiO4四面体。Si原子位于0原子的四面 体

4、间隙内，Si、0之间的结合不仅有离子键还有共价键（2）每一个氧最多被两个SiO四面体共有（3）Si四面体可以孤立存在，也可以共顶点互相连接。（ 4） Si-0-Si 形成一折线。 分类：含有有限硅氧团的硅酸盐、岛状、链状、层状、骨架状硅酸盐。5. 为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷件开裂破碎？ 答：由于大多数陶瓷由晶相和玻璃相构成，这两种相的热膨胀系数相差很大，高 温很快冷却时，每种相的收缩程度不同，多造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或 破碎。6. 陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。由于离子键和共价键很强， 故

5、陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电 子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、 耐高温、化学稳定性高。7. 为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。密排六方晶体结构 位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞 之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点 阵。8. 空间点阵和晶体点阵有何区别？答：空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的 周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14 种

6、类型；晶体点阵 又称晶体结构，是指晶体中实际质点的具体排列情况，它们能组成各种类型的排 列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。9. 简述菲克第一定律和第二定律的含义，写出其表达式，并标明其字母的含义。【08年真题】答：菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，即化学扩散。菲克第一定律：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即J = -D空。dx式中，J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向X的单位面积的扩散 物质质量，其单位是kg/(m2*s)； D为扩散系数，其单位为m2/s； p是扩散物质的 质量浓度，其单位为kg/m3。式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度竺 dx 方向相

7、反，即表示物质从高的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。该定律描 述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。菲克第二定律：大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点浓度随时间而变 化，这类扩散过程可以由菲克第一定律结合质量守恒定律推导出的菲克第二定律 来处理。即空= (D空)。dt dx dx10试从扩散系数公式D = Do * exp(- 2)说明影响扩散的因素。【模拟题二】kT答：从公式表达式可以看出，扩散系数与扩散激活能 Q 和温度 T 有关。扩散激活能越低，扩散系数越大，因此扩散激活能低的扩散方式的扩散系数 较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。不同类型的固溶体，原子的扩散机制是 不同的，

8、间隙固溶体的扩散激活能一般均较小。温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易 发生迁移，扩散系数越大。11为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择Y相区中进行？若不在Y相区进行会有 什么结果？答：因为a -Fe中最大的碳溶解度只有0.0218%，对于含碳质量分数大于0.0218%的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯 铁，在a相区渗碳时铁中的浓度梯度很小，在表面也不能获得高的含碳层。另外, 由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。Y-Fe中的碳溶 解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。12.三元系发生扩散时，扩散层内能

9、否出现两相共存区域，三相共存区？为什么？答：三元系扩散层内不可能存在三相共存区，但可以存在两相共存区。原因 是三元系中如果出现三相平衡共存，其三相中成分一定且不同相中同一组分的化 学位相等，化学位梯度为零，扩散不可能发生。三元系在两相共存时，由于自由 度数为 2，在温度一定时，其组成相的成分可以发生变化，使两相中相同组元的 原子化学位平衡受到破坏，引起扩散。13试述孪晶与滑移的异同，比较它们在塑性变形过程中的作用。【07年真题】答：相同点：都是切应力下的剪切变形，都是塑性变形的一种基本方式，都 不改变晶体结构，都是位错运动的结果。不同点：（1）滑移不改变晶体位向；孪生改变晶体位向，形成镜面对称

10、关系。（2）滑移是全位错运动的结果，孪生是不全位错运动的结果。（3）滑移是不均匀切变过程，孪生是均匀切变过程。（4）滑移比较平缓，应力应变曲线较光滑、连续，孪生则呈锯齿状（5）一般先发生滑移，滑移困难时发生孪生。（6）滑移产生的切变较大，而孪生产生的切变较小。作用：塑性变形主要通过滑移实现，孪生对塑性变形的直接贡献不大，但孪 生改变了晶体的位向，使原处于不利取向的滑移系转到新有利于发生滑移的取 向，从而可以激发进一步的滑移和晶体变形。14若单晶体铜的表面恰好为100晶面，假设晶体可以在各个滑移系上进行滑移。试讨论表面上可能见到的滑移线形貌（滑移线的方位和它们之间的夹角）。若单晶体表面为 111

11、面呢？答：铜晶体为面心立方点阵，其滑移系为111110。若铜单晶体的表面 为110晶面，当塑性变形时，晶体表面出现的滑移线应是 111与100 的交线110即在晶体表面上见到的滑移线是相互平行的，或者互相成90夹 角。当铜晶体的在表面为 111晶面族时，表面出现的滑移线为110，它们要么相互平行，要么相互夹角为60。15、沿密排六方单晶体的 0001方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种 情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。答：密排六方金属的滑移面为（0001），而0001方向的力在滑移面上的 分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变 或随后的脆断；压缩时

12、，在弹性变形后，可能有孪生。16、给出位错运动的点阵阻力与晶体结构的关系式。说明为什么晶体滑移通常 发生在原子的最密排晶面和晶向。答：滑移发生在最密排面和密排方向的原因是密排面的面间距最大，点阵阻 力小，因而容易沿着这些面发生滑移。而密排方向的原子间距最小，即 b 最小， 点阵阻力小，也即位错 b 最小。17、什么是单滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移线的形貌各有何特征？答：单滑移指晶体中只有一个滑移系进行滑移。滑移线呈一系列彼此平行的 直线。这是因为单滑移仅有一组滑移系，该滑移系中所有的滑移面都互相平行， 且滑移方向都相同所致。多滑移是指晶体中有两组或以上的不同滑移系同时或交替地进行滑移。它们

13、 的滑移线或者平行，或者相交成一定角度。这是因为这些滑移系的滑移面之间及 滑移方向之间都有一定角度。交滑移是指螺型位错在原滑移面运动受阻时，转到与之相交的另一滑移面继 续滑移的过程。即一般由两个或以上的滑移面沿共同的滑移方向同时或交替的滑 移。它们的滑移线通常为折线或波纹状。这是螺型位错在不同的滑移面上反复进 行“扩展”的结果。18. 用金相分析如何区分“滑移带”、“机械孪晶”、“退火孪晶”。答：滑移带一般不穿越晶界。一般以平行直线和波纹线出现。可以通过抛光 去除。机械孪晶也在晶粒内，一般孪晶区域不大，孪晶与基体位向不同。不能通过 抛光去除。退火孪晶通常以大条块形态分布于晶内，孪晶界面平直。一

14、般在金相磨面上 分布比较均匀。不能通过抛光去除。19. 为什么陶瓷实际的抗拉强度低于理论强度，而陶瓷的压缩强度总是高于抗拉 强度？答：这是由于陶瓷粉末烧结时存在难以避免的显微空隙，在冷却或热循环时 由热应力产生了显微裂纹。在裂纹尖端，会产生严重的应力集中，故其一般在低 于理论强度的应力下就会发生断裂。压缩强度高于抗拉强度是因为，在拉伸时，当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩 展而导致断裂，而压缩时，裂纹或者闭合或者呈稳态地慢慢扩展，并转向平行于 压缩轴。20. 试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如 何区分动、静态回复和动、静态再结晶？答：去应力退火过程中，位错通过攀移和滑

15、移重新排列，从高能态转变为低 能态；动态回复过程中，则是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移，使异号 位错相互抵消，保持位错增值率与位错消失率之间的动态平衡。从显微组织上观察，静态回复时可见到清晰的亚晶界，静态再结晶时会形成 等轴晶粒；而动态回复时形成胞状亚结构，动态再结晶时等轴晶中又形成位错缠结胞，比静态再结晶晶粒更细。21. 某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提 出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成的带状组织的因素。答:一是不在两相区变形；二是减少夹杂元素的含量；三是采用高温扩散退 火，消除元素偏析。对于已经出现带状组织的材料，在单相区加热、正火处理， 则

16、可以予以消除和改善。22. 为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态为佳？答:金属材料在热加工过程中经历了动态变形和动态回复及再结晶过程，柱 状晶区和粗等轴晶区消失了，代之以较细小的等轴晶粒；原铸锭中许多分散缩孔、 微裂纹等由于机械焊合作用而消失，显微偏析也由于压缩和扩散得到一定程度的 减弱，故使材料的致密性和力学性能提高。23. 陶瓷晶体塑性变形有何特点？答:陶瓷一般是多晶陶瓷，且是比较脆的，其化学键主要是离子键和共价键 在共价键键合的陶瓷中，原子之间的键合具有方向性，位错想要运动必须破坏这 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。 使得陶瓷有很大的脆性。但是离

17、子键键合的单晶陶瓷具有一定的塑性。如图，当位错运动一个原子间 距时，同号离子的巨大斥力，使得位错难以运动。但位错如果沿45方向运动， 则在滑移过程中相邻晶面始终由库仑引力保持相吸，因而具有很好的塑性。24. 图表示再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前的冷加工量之间的关系。图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否矛盾？答:不矛盾。再结晶终了的晶粒尺寸是指再结晶刚好完成但未发生长大时的 晶粒尺寸。但晶粒大小是退火温度的弱函数，故图中曲线再结晶终了的晶粒尺寸 与退火温度关系不大。再结晶完成以后，若继续保温，会发生晶粒长大的过程。 对这一过

18、程而言，退火温度越高，退火后晶粒越大。因为温度越高，晶界移动的 激活能就越低晶界的平均迁移率就越高，晶粒长大速率就越快，退火后晶粒越粗 大。25、灯泡中的钨丝在非常高的温度下工作，故会发生显著的晶粒长大。当形成 横跨灯丝的大晶粒时，灯丝在某些情况下就变得很脆，并会在因加热与冷却时 的热膨胀所造成的应力下发生破断。试找出一种能延长钨丝寿命的方法。可以在钨丝中形成弥散、颗粒状的第二相（如ThO2）以限制晶粒长大。因 为若ThO2的体积分数为半径为r时，晶粒的极限尺寸R=，若选择合适的 和r,使R尽可能小，即晶粒不再长大，使灯丝的脆性大大降低而不易破断，从 而有效地延长了灯丝的寿命。26. 说明金属

19、在冷变形、回复、再结晶和晶粒长大四个阶段的行为与表现，并说 明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。【07真题】答：（1）冷变形加工时：主要的形变方式是滑移，由于滑移，晶体中空位和 位错密度增加，位错分布不均匀。缺陷运动驱动力为切应力作用。（2）回复过程：空位扩散、聚集或消失；位错密度降低，位错相互作用，重 新分布（多样化）。缺陷运动驱动力为弹性畸变能。3）再结晶过程：毗邻低位错密度区晶界向高位错密度区的晶粒扩张。位错 密度减少，能量降低，成为低畸变或无畸变区。缺陷运动驱动力为形变储存能。（4）晶粒长大阶段：弯曲界面向其曲率中心移动，微量杂质原子偏聚在晶 界区域，对晶界移动起到拖曳作用，这

20、与杂质吸附在位错中组成柯氏气团阻碍位 错运动相似，影响了晶界的活动性。缺陷运动驱动力为晶粒长大前后总的界面能 差，而界面移动的驱动力是界面曲率。27. 试用位错理论解释低碳钢的屈服现象。距离说明吕德斯带对工业生产的影响 及解决办法。【08、09真题】答：由于低碳钢是以铁素体为基的合金，铁素体中的碳原子与位错交互作用， 形成柯氏气团对位错起“钉扎”作用，致使屈服强度升高。而位错一旦挣脱气团 的钉扎，便可在较小的应力下继续运动，这时拉伸曲线上又会出现下屈服点。已 经屈服的试样，卸载后立即重新加载拉伸时，由于位错已脱出气团的钉扎，故不 出现屈服点。但若卸载后，放置较长时间或稍加热后，再进行拉伸时，由

21、于溶质 原子已通过扩散又重新聚集到位错线周围形成气团，故屈服现象又会重新出现。吕德斯带会使低碳钢薄板在冲压成型时使工件表面粗糙不平。解决办法：可 根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷轧（如 1%2%压下量） 工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型，也可向钢中加入少量Ti、Al及C、N 等形成化合物，以消除屈服点。28. 奥氏体不锈钢能否通过热处理来强化？为什么？生产中用什么方法使其强 化？【09真题】答：热处理强化机制主要是通过热处理过程中相变而得到强化，而奥氏体不 锈钢在热处理时不发生相变，达不到预想的强化效果，因而不能通过热处理来强 化。生产中主要借冷加工实现强化的。金属材料经

22、加工变形后，强度（硬度）显 著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。加工硬化是金属材料的一 项重要特性，可被用作强化金属的途径，特别是那些不能通过热处理强化的材料。29. 简要说明提高一种陶瓷材料韧性的方法及原理。答：相比于金属而言，脆、难以变形是陶瓷的一大特点，为了改善陶瓷的脆 性、提高其韧性，目前采取降低晶粒尺寸，使其亚微米或纳米化来提高塑性和韧 性，采取氧化锆增韧、相变增韧、纤维增韧或颗粒原位生长增强等有效途径来改 善之。纤维增韧原理：利用一些纤维的高强度和高模量，使之均匀分布于陶瓷材料 的机体中，生成一种陶瓷基复合材料。当材料受到外载荷时，纤维可以承担部分 的负荷，减轻了陶瓷本

23、身的负担，同时纤维可以组织或抑制裂纹扩展，从而改善 了陶瓷材料的脆性，起到增韧效果。30指出材料拉伸应力一应变曲线图中oe、os、ob的含义。并解释为什么在os附 近，应力会发生多次微小的波动？【10年真题】答：oe为弹性极限，当应力小于oe时试样发生弹性形变，当应力超过oe时 试样发生塑性形变。os为屈服强度，当应力达到os时试样开始屈服。ob为抗拉 强度，当应力达到ob时，试样发生断裂。在os附近，应力的多次微小的波动时屈服伸长现象。这是因为当拉伸试样 开始屈服时，应力随即突然下降，并在应力基本恒定的情况下继续发生屈服伸长， 所以拉伸曲线出现应力平台区。在发生屈服延伸阶段，试样的应变是不均

24、匀的。 这种变形带沿试样长度方向不断形成与扩展，从而产生拉伸曲线平台的屈服伸 长。其中，应力的每一次微小波动，即对应一个新变形带的形成。当屈服扩展到 整个试样标距范围时，屈服延伸阶段就告结束。31六方晶系的滑移系通常是什么？ FCC晶体的滑移系是什么？从晶体滑移角度 上分析，为什么FCC晶系的多晶体塑性变形能力通常比六方晶系的多晶体的变 形能力大。【11年真题】答：滑移系是由一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来的，滑移面和滑 移方向通常是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。因为原子密度最大的晶面 其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；滑移方向为原子 密度最大的方向是由于最密

25、排方向上的原子间距最短，及位错 b 最小。所以六方 晶系的滑移系通常是：滑移面为0001、滑移方向vll-20； FCC晶体的滑移系 通常为：滑移面111、滑移方向。每一个滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向。在其他条件 相同时，晶体中的滑移系越多，滑移过程可能采取的空间取向便越多，滑移容易 进行，它的塑性便越好。据此，面心立方的滑移系共有11143=12 个，而 密排六方晶体的滑移系仅有000113=3 个.由于 FCC 滑移系数比六方晶 系的多，所以 FCC 晶系的多晶体塑性变形能力通常比六方晶系的多晶体的变形 能力大。32在室温（20C ）下对铅板进行轧制，请问这个加工过程是

26、冷加工还是热加工, 为什么？（铅的熔点是327.50C）【11年真题】答：热加工是指在再结晶温度以上的加工过程，在再结晶温度以下的加工过 程为冷加工。铅的再结晶温度低于室温，因此在室温下对铅板进行加工属于热加 工。33. 某工厂用冷拉钢丝绳将一大型钢件调入热处理炉内，由于一时疏忽，未将钢 丝绳取出，而是随同工件一起加热至860C (该温度高于钢丝绳的再结晶温度)， 保温时间到了，打开炉门，要吊出工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。【12 年真题】答：冷拉钢丝绳是经大变形量的冷拔钢丝绞合而成，加工过程的冷加工硬化 是钢丝的强度、硬度大大提高，从而能承载很重的钢件。但是当其加热至860C 时，其温

27、度已远远超过钢丝绳的再结晶温度，以致产生回复再结晶现象，加工硬 化效果完全消失，强度、硬度大大降低。再把它用来起重时，一旦负载超过其承 载能力，必然导致钢丝绳断裂事故。34. 请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、和固溶强化的特点和机理有何 异同。答：(1)加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高的现象称 加工硬化。原因：随变形量增加, 位错密度增加，位错之间的相互堆积、缠结， 使得位错难以继续运动，从而使变形抗力增加。(2) 细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的 方法称细晶强化。原因：因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的 晶粒数目也越多，变形

28、越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同 时增加。(3) 弥散强化：当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均 匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化。 原因：由于位错绕过、切过第二相粒子需要增加额外的能量，因而会使位错的运 动变得困难，提高了变形抗力。4)固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，称固溶强化。 原因：由于溶质原子与位错相互作用的产生柯氏气团，阻碍位错运动，提高了抗 变形能力。35. 纤维组织和织构是怎样形成的？它们有何不同？对金属的性能有什么影响？答：材料经冷加工后，除使紊乱取向的多晶材料变成有择优取向的材料外， 还使

29、材料中的不熔杂质、第二相和各种缺陷发生变形。由于晶粒、杂质。第二相、 缺陷等都沿着金属的主变形方向被拉长成纤维状，故称为纤维组织。一般说来， 纤维组织使金属纵向（纤维）方向强度高于横向方向。金属在冷加工以后，各晶粒的位向就有一定的关系。如某些晶面或晶向彼此 平行，且都平行于零件的某一外部参考方向，这样一种位向分布就称为择优取向 或简称为织构。形成织构的原因并不限于冷加工，而这里主要是指形变织构。由于织构引起 金属各向异性，在很多情况下给金属加工带来不便，如冷轧镁板会产生（0001） 织构 ，若进一步加工很容易开裂；深冲金属杯的制耳，金属的热循环生 长等。但有些情况下也有其有利的一面。36. 金

30、属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？如果不能，那用什么方法？【模 拟题四】答：再结晶退火必须用于经冷变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料 的组织和性能。若对铸件采用再结晶退火，由于铸件没有经过塑性变形处理，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。37. 冷变形金属在加工时经过哪三个阶段，它们各自特点是什么？答：经过的三个阶段是回复、再结晶、晶粒长大。1）回复：不发生大角度晶界迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同。（2）再结晶：首先在畸变度答的区域产生新的无畸变晶粒核心，然后消耗 周围的变形基体长大，直到完全变成无畸变的细等轴

31、晶粒，但晶体结构并没有改 变，性能发生明显变化并恢复到变形前的情况。（3）晶粒长大：在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得 到在该条件下较为稳定的尺寸。38. 讨论形成晶相和玻璃相的条件，指出为什么大多数陶瓷材料可以结晶，形成 玻璃相也是常见的，而金属很容易进行结晶，但很难形成玻璃相？【08年真题】答：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者形成玻璃 的外部条件是冷却速度，内部条件是黏度。如果冷却速度足够高，任何液体原则 上都可以转化为玻璃。特别是对那些分子结构复杂、材料熔融态时黏度很大的液 体，冷却时原子迁移扩散困难，则晶体的形成过程很难进行，容易形成过冷液体。 温

32、度下降至 Tg 以下时，过冷液体固化成玻璃。金属材料由于其晶体结构比较简单，且熔融时黏度小，冷却时很难阻止结晶 过程的发生，故固态下的金属大多为晶体；但如果冷却很快时，能阻止某些合金 的结晶过程，此时过冷液态的原子排列方式保留至固态，原子在三维空间则不呈 周期性的规则排列。陶瓷材料晶体一般比较复杂，特别是能形成三维网络的 SiO2 等，尽管大多 数陶瓷材料可进行结晶，但也有一些是非晶体，这主要是指玻璃和硅酸盐结构。39. 铸锭的一般组织可分为哪几个区域？写出其名称，并简述影响铸锭结晶组织 的因素。【08年真题】答：在铸锭组织中，一般有三层晶区：（1）表层细晶区。其形成是由于模壁的温度较低，液体

33、的过冷度较大，因此 形核率较高所致。（2）柱状晶区。其形成是由于模壁的温度升高，晶核的成长速率大于晶核的 形核率，且沿垂直于模壁方向的散热较为有利。在细晶区中取向有利的晶粒优先 生长为柱状晶粒。（3）中心等轴区。其形成是由于模壁温度进一步升高，液体过冷度进一步降 低，剩余液体的散热方向性已不明显，处于均匀冷却状态，溶液中出现许多晶核 并沿各个方向生长，就形成了中心等轴区。影响铸锭结晶组织的因素：冷却速度、浇注温度。通常快的冷却速度，高的 浇注温度和定向散热有利于柱状晶的形成；如果金属纯度较高、铸锭截面较小时， 柱状晶快速成长，有可能形成穿晶。相反，慢的冷却速度，低的浇注温度，加入 有效形核剂或

34、搅动等均有利于形成中心等轴晶。40. 什么叫临界晶核？它的物理意义及过冷度的定量关系如何？【11年真题】答：半径为临界晶核半径的晶核为临界晶核，它实质上能形成稳定晶核并长 大的最小尺寸晶胚。它的物理意义：由AGr曲线可知，r=r*时厶6有最大值，当晶胚的rVr* 时，其长大将导致体系自由能的增加，故这种尺寸晶胚不稳定，难以长大，最终 熔化而消失。当r三r*时，晶胚的长大使体系自由能降低，这些晶胚就称为稳定 的晶核。因此临界晶核是晶胚可以长大地半径最小的晶核。r*与过冷度的定量关系：r* =，即临界半径由过冷度AT决定，过冷Lm -AT度越大，r*越小，则形核的几率增大，晶核的数目也增多。41.

35、 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。【12年真题】答：在正温度梯度的情况下，晶体以平直界面的方式推移长大。这是由于温 度梯度是正的，当界面上偶尔有突起部分伸入温度较高的液体中时，会使其过冷度减小，它的生长速度就会减缓甚至停止，而被周围部分赶上，因而晶体以保持 平直界面的方式生长。长大中晶体沿平行温度梯度的方向生长，或沿散热方向生 长，而其他方向的生长则受到抑制。在负温度梯度时，如果界面上出现突起部分伸入到前面温度更低的液体中 时，由于过冷度更大，使得凸出部分的生长速度增大而进一步的伸向液体中，形 成一次晶枝轴，同时在这些晶枝上有可能会长出二次晶枝、三次晶枝。在这种情 况下，液固界面将以树枝状

36、生长。42. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什 么？答：固态金属熔化时不一定出现过热。如熔化时，液相若与气相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时，就会很快覆盖在整个表面（因为液体金属总是 润湿同一种固态金属），由下图表面张力平衡可知r cos 0 +r =r，而实验指出LV SL SVr +r r，说明在熔化时，自由能的变化（表面）0,才有 G0。即只有BTmB过冷才能使 G0。动力学条件为液一固界面前沿液体的温度T0时，才能造成固相的自由 能低于液相自由能的条件，使得 GVO,发生结晶。过冷液体中，能够形成等于临界晶核半径的晶胚时的过冷度，称为临界过冷 度

37、（显然，当实际过冷度T *时，才能均匀形核。晶核长大时，要求液固界面前沿液体中有一定的过冷，这种过冷称为动态 过冷度，它是晶体长大地必要条件。46. 杠杆定律与重心法则有什么关系？在三元相图的分析中怎样运用杠杆定律和 重心法则？【07 年真题】答：杠杆定律与重心法则的关系：杠杆定律应用于三元相图两相平衡时，而 重心法则则是应用于三元系统处于三相平衡时，当设想先把三相中的任意两相， 混合成一体，然后再把这个混合体和第三相混合成合金，那么这两部分即可应用 杠杆定律中的推论，即当给定材料在一定温度下处于两相平衡状态时，若其中一 相的成分给定，另一相的成分点必在两已知成分点连线的延长线上。结合直线定

38、律，再进一步应用杠杆定律，可推导出合金成分正好位于成分三角形（三相平衡 的三相成分点构成）的质量重心，即重心法则。可见，重心法则是由一定假设， 借助直线法则、杠杆定律而推导出来的。杠杆定律用来计算三元系中两相平衡时，两个相的质量分数；另外可以由直 线法则及杠杆定律作出有用的推论：当给定材料在一定温度下处于两相平衡时， 若其中一相的成分给定，另一相的成分点必在两已知成分点连线的延长线上；若 两个平衡相的成分点已知，材料的成分点必然位于此两个成分点的连线上。重心法则可用来计算三元系中三相平衡时，三个相的质量分数。47试比较45、T8、T12钢的硬度，强度和塑性有何不同？答:随着钢中碳含量的增加，钢

39、中的渗碳体增多，硬度也最随之升高，基本呈直线上升。在3c=0.0077以前，强度也是呈直线上升的。在3c=0.0077时组织 全部为珠光体，强度最高；但在3c=0.0077以后随碳含量的增加，组织中将会出 现网状渗碳体，使强度很快下降；在必=0.0211后，组织中出现共晶莱氏体，强 度将很低。而塑性是随碳含量增加而单调下降的。所以，综上所述，T12钢的硬度最高，塑性最差；45钢硬度最低，塑性最好。 而 T8 钢的强度最高，硬度和塑性居中。48. 由 Al-Cu 合金相图，试分析: 什么成分的合金适用于压力加工。什么成分的 合金适用于铸造？用什么方法可提高合金的强度？答:当压力加工时，要求合金有

40、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Al-Cu合金，常选用Cu=0.04的合金，该成分合金加热后可处于完 全单相a状态，塑性好，适用于压力加工。铸造合金要求其流动性好，合金的结晶温度范围越宽，其流动性越差。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性能， 适于铸造。由于其他方面的因素，一般选用Cu=0.10的Al-Cu合金用于铸造。 通过冷变形，产生加工硬化效应，从而提高合金的强度。49. 三元相图的垂直截面与二元相图有何不同？为什么杠杆定律可以应用于二元 相图而不能应用于三元相图的垂直截面图？【09 年真题】答：二元相图是二元系相平衡的图解，它直接反应二元系的相平衡关系而三 元相图的垂直截面只是特定平面与三元相图的交截图，它一般不反映三元系的相 平衡关系，因此前者中可以用杠杆定律计算二元系相平衡反应的各相相对量，后 者则不能。