961材料科学基础答案

2．晶格：为便于理解和描述，常用一些假想的连线将各原子的中心连接起来，把原子看做一个点，这样形成的几何图形称为晶格。

5．晶胞：晶格中的一个基本单元。 6．晶向：晶格中各原子列的位向。

7．单晶体：由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的称为单晶体。 8．晶体缺陷：偏离晶体完整性的微观区域称为晶体缺陷。 9．空位：是指未被原子占据的晶格节点。 10．间隙原子：是指位于晶格间隙中的原子。 11．晶面：在晶格中由一系列原子组成的平面。

12．位错线：是指在晶体中，某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 13．晶界：晶界是位向不同，相邻晶粒之间的过渡层。

14．合金：是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组 成的，具有金属特性的物质。

15．组元：组成合金最基本的独立物质。

16．合金系：一系列相同组员组成的不同成分的合金称为合金系。 17．合金化：采用合金元素来改变金属性能的方法称为合金化。

18．相：合金中具有相同化学成分，相同晶体结构和相同物理或化学性能并与该系统其余部分以界面相互隔开的均匀组成部分。

19．固溶体：是指溶质组员溶入溶剂晶格中而形成的单一的均匀固体。

20．置换固溶体：置换固溶体是指溶质原子取代了溶剂晶格中某些节点上的原子。 21．间隙固溶体：间隙固溶体是溶质原子嵌入溶剂晶格间隙中，不占据晶格节点位置。

22．有限固溶体：在一定条件下，溶质组员在固体中有一定的限度，超过这个限度就不再溶解了。 23．无限固溶体：若溶质可以任意比例融入溶剂，即溶质的的溶解度可达0，则固溶体称为无限固溶体。

24．固溶强化：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态，从而提高合金的强度和硬度。

25．金属化合物：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A或以B为基的固溶体外，还可能相互作用化和形成新相，这种新相通常是化合物，一般可用AmBn表示。

26．晶体相：晶体相是一些以化合物或以化合物为基的固溶体，是决定陶瓷材料物理，化学和力学性能的主要组成物。

31．结晶温度：金属结晶时都存在着一个平衡结晶温度Tm，液体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶入液体中的数目。

32．过冷度：实际结晶温度与平衡结晶温度Tm之差称为过冷度。

33．细晶强化：金属的强度，塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称为细晶强化。

36．共晶反应：共晶反应是指从某种成分固定的合金溶液中，在恒温下同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相反应。

37．共析反应：共析反应是指由一种固相在恒温（共析温度）下同时转变成两种新的固相。

38．铁素体：是碳在α－Fe中形成的间隙固溶体。 39．奥氏体：是碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体。 40．渗碳体：是铁和碳的金属化合物（Fe3C），其碳的质量分数为6.69% 。 41．珠光体：是铁素体与渗碳体的机械混合物。

44．共析钢： 碳的质量分数为0.77%，组织是珠光体。

45．亚共析钢： 碳的质量分数小于0.77%，组织是珠光体和铁素体。 46．过共析钢： 碳的质量分数大于0.77%，组织是珠光体和二次渗碳体。 47．共晶铸铁： 碳的质量分数为4.3%，组织是莱氏体。

48．亚共晶铸铁： 碳的质量分数小于4.3%，组织是莱氏体、珠光体和二次渗碳体。 49．过共晶铸铁： 碳的质量分数大于4.3%，组织是莱氏体和一次渗碳体。 二、填空题。

1．实际金属中存在着的晶体缺陷有 点 缺陷、 线 缺陷和 面 缺陷。 2．世界金属中晶体的点缺陷分为 空位 和 间隙原子 两种。

3．常见合金中存在的相可以归纳为 固溶体 和 金属化合物 两大类。

4．固溶体按照溶质原子在溶剂原子中的位置可以分为 置换 固溶体和 间隙 固溶体。 5．固溶体按照溶解度的大小可以分为 有限 固溶体和 无限 固溶体。

6．固溶体按溶质原子在溶剂晶格中分布的特点分为 无序 固溶体和 有序 固溶体。

8．实际结晶温度总是 低于 平衡结晶温度，两者之差称为 过冷度 。 9．共析钢随温度下降至727C时发生共析反应，有奥氏体中析出 珠光体 和 三次渗碳体 。

10．共晶铸铁随温度下降至1148C时发生共晶反应，有液体中同时析出 莱氏体 和 珠光体 。 11．典型的金属晶体结构有 体心立方晶格 、 面心立方晶格 和 密排六方晶格 三种。

12．纯铁具有同素异构性，当加热到912C时，将由 体心立方 晶格的 α-Fe转变为 面心立方 晶格的 γ - Fe ，加热到1394C时，又由 面心立方 晶格的 γ - Fe转变为 体心立方 晶格的 δ - Fe。

14．金属的 平衡结晶温度 与 实际结晶温度 之差，称为过冷度。

16．金属结晶后的晶粒越细小， 强度 、 塑性 和 韧性 越高。 17．合金是由两种或两种以上的 金属元素 或 金属元素 与 非金属元素 组成的具有金属特性的物质，组成合金最基本的独立物质称为组员。18．由于构成合金各组员之间的相互作用不同，合金的结构有 固

溶体 和 金属化合物 两大类。 19．铁碳合金是由铁和碳组成的二元合金，其基本组织有 铁素体、渗碳体、奥氏体、 珠光体、莱氏体。

1.简述金属三种典型晶体结构的特点。

答：体心立方晶格：在立方体的8个顶角上和立方体中心各有1个原子； 面心立方晶格：在立方体的8个顶角上和6个面的中心各有1个原子； 密排六方晶格：在六棱柱的上、下六角形面的顶角上和面的中心各有1个原子，在六棱柱体的中间有3个原子。

2.金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？

答：金属的实际晶体中存在三种晶体缺陷：点缺陷——空位和间隙原子； 线缺陷——位错线；面缺陷——晶界；影响： 一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，而且金属缺陷常常降低金属的耐腐蚀性能，可以通过腐蚀观察金属的各种缺陷。

3.合金元素在金属中的存在形式有哪几种？它们各自具有什么特性？ 答：合金元素在金属中的存在形式有两种：固溶体和金属化合物 特性： 固溶体，保持溶剂的晶格结构，但会引起溶剂晶格不同程度 的畸变，试晶体处于高能状态，从而提高合金个强 度和硬度。

金属化合物，一般都具有高熔点、高硬度，但很脆，可提高 合金的强度、硬度及耐磨性能。

4.什么事固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？

答：固溶强化：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态，从而合金的强度和硬度，即为固溶强化。

8.金属结晶的基本规律是什么？

答：结晶时首先是从液体中形成一些称之为晶核的细小晶体开始的，然后已形成的晶核按各自不同的位向不断长大。同时，在液体中有产生新的晶核并逐渐长大，直至液体全部消失，形成由许多位向不同、外形不规则的晶粒所组成的多晶体。

11.何谓共晶反应、匀晶反应和共析反应？试比较三种反应的异同点。 答：共晶反应：指从某种成分固定的合金溶液中、在恒温下同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的反应；

匀晶反应：从液相中结晶出固溶体的反应；共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相。 14.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？

答：铸造合金常选用接近共晶成分的合金是因为接近共晶成分的合金熔点低，结晶范围小，流动性好，具有良好的铸造性能。进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金是因为单相固溶体成分的合金有良好的塑性，变形抗力小，具有良好的可锻性。

15.何谓α、γ、Fe3C、P、A、Ld（Ld’）？ 它们的结构、组织形态、力学性能有何特点？ 答：α—铁素体： 为体心立方结构，因溶碳能力差，故强度、硬度不高，塑性、韧性良好； γ 、A—奥氏体：为面心立方结构，有一定的溶碳能力，一般硬度较低而塑性较高； Fe3C—渗碳体： 为铁和碳的金属化合物，硬度高，脆性大，塑性和韧性 几乎为零；

P—珠光体： 铁素体和渗碳体的机械混合物，因渗碳体的强化作用，故具有良好的力学性能； Ld（Ld’）—莱氏体(低温莱氏体) ：莱氏体为奥氏体和渗碳体的化合物， 低温莱氏体为珠光体和渗碳体的产物，二者因渗碳体较多，属脆性组织。

18.渗碳体有哪5种基本形态，它们的来源和形态有何区别？ 答：（1）一次渗碳体：从液体中直接析出，呈长条状；

（2）二次渗碳体：从奥氏体中析出，沿晶界呈网状；

（3）三次渗碳体：从铁素体中析出，沿晶界呈小片或粒状；

（4）共晶渗碳体：同奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的基体； （5）共析渗碳体：同铁素体交互形成，呈交替片状。 19.根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因

（1）碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高； （2）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；

（3）捆扎物体一般用铁丝（镀锌的碳钢丝），而起重机起吊重物却用钢 丝绳（用60、65、70、75等钢制成）；

（4）一般要把刚才加热的高温（约1000-1250℃）下进行热轧或锻造； （5）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜通过铸造成形。

答：（1）ωc=1.0%的钢成分是F+P，而ωc=0.5%的钢成分是P+ Fe3CⅡ。Fe3C

硬度高，脆性大，而F因溶碳能力差，强度、硬度低。所以碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高；

（2）低温莱氏体为珠光体和渗碳体的混合物，因为渗碳体硬度高，脆 性大，所以比珠光体的塑性差；

（3）铁丝中含有较多的珠光体和渗碳体，强度高，但质脆。而钢丝中 含有铁素体和渗碳体，不但强度满足要求，还具有较好的韧性；

（4）把刚才加热的高温（约1000-1250℃）时，其内部组织转化为奥氏 体，塑性较高，易于塑性成形，适合进行热轧或锻造；

（5）钢含有较多的铁素体，含碳量较低，塑性和韧性好，所以宜于通

过压力加工成形，而铸铁含有较多的珠光体和渗碳体，熔点低，结晶范围小，具有良好的铸造性能。 9．结合Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图，说明铁素体、奥氏体的最大、最小溶解度（含碳量）；计算含

碳量为1.0%，1.4%的合金室温平衡组织中二次渗碳体的相对量(%) ，并说明碳钢的含碳量一般不超过1.4%的原因。

铁素体的最大、最小溶解度分别为0.0218%和0.0008%或近似为0 。奥氏体的最大、最小溶解度分别为2.11%和0.77%。 1%C的钢中Fe3CⅡ量设为ＱFe3CFe3C=1.0-0.77/6.69-0.77=4%。1.4%C 的钢中Fe3CⅡ量设为ＱFe3CⅡ，Ｑ，ＱⅡFe3C=1.4-0.77/6.69-0.77=11%.因为，当含碳量大于1.40％以后，二次渗碳体呈严重连续网状分布在晶界上，破坏了基体的连续性，大大降低了钢的强韧性。 实际测得的晶体滑移所需临界切应力比理论计算的数值小得多；为什么呢? ：理论计算是假定滑移面两侧原子发生整体移动，其临界分切应力值大，但实际晶体滑移是位错的运动、并不需正排原子一齐移动，而仅位错附近少数原子作短距离移动，故而所需要的临界分切应力要小得多。 4 在匀晶转变中，结晶的固相，其成分与合金的成分是否一样？与液相的成分是否一样？若不一样，请指出何种成分的含量提高了（以Ni – Cu合金为例）。

固相的成分与合金的成分不同，含有更多的Ni，与液相的成分也不同，也是含有更多的Ni。

5 对于Ni – Cu合金，若以平衡结晶，获得的室温组织的形貌是怎样的？若以不平衡结晶，则获得的室温组织的形貌又是怎样的？并简述原因。（请参考图5-14和图5-17）

若平衡结晶，获得的室温组织形貌为等轴晶，以不平衡结晶，组织形貌为树枝晶。因为：不平衡结晶时，先结晶的固相富含高熔点组元，形成树枝晶的枝干，最后结晶的固相富含低熔点组元，处于枝干之间，腐蚀时不同成分的腐蚀程度不同，所以显示出树枝晶形貌。

一名词解释

1、 致密度：表示晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值，是衡量原子排列紧密程度的参数， 致密度越大，晶体中原子排列越紧密，晶体结构越致密。

2、 相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构、成分基本相同、并有明确界面与其他部 分相分开的均匀组成部分。

3、 固溶体：指以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后所形成的 一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类型，结点上或间隙中含有其他组元原子。

4、 离异共晶：成分点靠近共晶转变线两端的亚共晶和过共晶合金，结晶后组织中初晶量多，

共晶体数量少，而且共晶体中与初晶相同的一相与初晶结合在一起，将共晶体中另一相推至晶界，造成的共晶体两相分离的非平衡组织。

5、 平衡分配系数：固溶体合金在结晶过程中具有选分结晶的特点。因此在一定温度下平衡

时，固相成分与液相成分之比称为平衡分配系数。该参数反映了溶质在固液两相中的分配系数及溶质对合金熔点的影响程度。

6、 反应扩散：在固态扩散的过程中，如果渗入元素在金属中溶解度有限，随着扩散原子增

多，当渗入原子的浓度超过饱和溶解度时则形成不同于原相的固液体或中间相，从而使金属表层分为出现新相和不出现新相的两层，这种通过扩散而形成新相的过程称为反应扩散。

7、 固溶强化：当形成固溶体后，溶剂晶格中因溶有溶质原子而产生晶格畸变，溶质原子的

应力场会与位错产生交互作用而阻碍位错运动，增大了位错运动的阻力，使得临界分切应力远比纯金属打，滑移系开动比纯金属困难，使材料的塑性变形抗力提高，硬度、强度上升，而塑性、韧性下降的现象称为固溶强化。

8、 退火：将金属及其合金加热至相变温度以上，保温一段时间，然后以较为缓慢的速度冷 却，以获得近于平衡组织的热处理工艺称为退火。

9、 柏氏矢量：用来描述位错引起晶格畸变的物理量。该矢量的模是位错的强度，表示晶格

总畸变的大小，其方向表示晶格点畸变的方向。一般情况下，该矢量越大，晶体畸变的程度越大。 10、 成分过冷：固溶体合金凝固时，由于液相中溶质的分布发生变化，合金熔点也发生

变化，即使实际温度分布不变，固液界面前沿的过冷度也会发生变化。所以固溶体合金的过冷度是由变化着的合金的熔点与实际温度分布两个方面的因素共同决定的。这种因液相成分变化而形成的过冷称为成分过冷。

11、 配位数：是反映原子排列紧密程度的物理量之一，指晶格中任一原子周围与其最近 邻且等距离的原子数目。一般配位数越大，晶体排列结构越致密。

12、 临界分切应力：晶体中的某个滑移系是否发生滑移，决定于力在滑移面内沿滑移方

向上的分切应力，它是使滑移系开动的最小分切应力。材料的临界分切应力取决于材料的本身性质，但和温度以及材料的纯度等也有关系。

13、 中间相：指合金组元间相互作用，当超过固溶体的固溶极限时可形成晶格结构和特 性完全不同于任一组元的具有金属特性的新相。由于在相图中往往处于中间部位，因此又称为中间相。 14、 枝晶偏析：是材料的一种微观偏析，即固溶体在非平衡冷却条件下，匀晶转变后新

得的固溶体晶粒内部的成分是不均匀的，先结晶的内核含较多的高熔点的组元原子，后结晶的外缘含较多的低熔点的组元原子，而通常固溶体晶体以树枝晶方式长大，这样，枝干含高熔点组元较多，枝间含低熔点组元原子多，造成同一晶粒内部成分的不均匀现象。

15、 动态再结晶：在金属塑性变形过程中发生的再结晶，即形变硬化与再结晶软化同时

进行的过程。这样可以不断形成位错密度很低的新晶粒，得到的组织细小，综合力学性能好。 二填空

1、典型金属的晶体结构有（fcc）（bcc）和（hcp），其配位数相应为（12）（8）和（12）。 2、置换固溶体的溶解度与原子尺寸因素、（电负性）、电子浓度因素和（晶体结构）有关。 4，??r?G?πr）3、当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化△G可写为（

当d△G/dr=0时，所得的r值称为（临界晶核半径）其大小决定于（过冷度）和（比表面能），r*变小意味着形核数目（增多）。

4、根据相律三元系最大平衡相数为（4）此时自由度为（零）在相图上表现为（平面） 5、位错在滑移面上的运动称为（滑移），作垂直滑移面的运动称为（攀移）螺旋位错不能进行（攀移） 6、面心立方金属的滑移面是（{111}），滑移方向是（＜110＞）可组成（12）个滑移系。 7、扩散第一定律适用于稳态扩散，其数学表达式可写成（J=-Ddc/dx）。扩散通量的单位是 2（1/cm·s），符号为（负号）表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。

8、溶质原子半径与溶剂原子半径相近的可形成（置换）固溶体，两者半径相差较大时是（间隙）固溶体，铁素体是一种（间隙）固溶体。

9、奥氏体形核时不仅需要（结构）起伏、（能量）起伏，此外还需要（成分）起伏。

10、晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面，按照长大速度由慢到快其长大方式依次为（二维晶核长大）（晶体缺陷长大）和（垂直长大）

12、位错的两种基本类型为（刃型位错）和（螺型位错），其中刃型位错的位错的位错线方向与柏氏矢量的关系为（垂直）。

14、上坡扩散室指扩散原子从（低浓度）向（高浓度）的扩散，产生上坡扩散的原因是合金系中存在着（化学为梯度）。 4332

16、多晶体塑性变形的特点是（不等时）性、（协调）性和（不均匀）性。

17、多晶体中的晶界有大角与小角晶界之分，通常大角与小角晶界的鉴定角度是（10），其角度的含义是（相邻晶粒的位向差）。对于小晶界按其特征又划分为（扭转）（倾侧）和（重合）等多种类型。

18、根据相律，三元系最大平衡相数为（4），此时自由度（0），在相图上表现为（水平面）。 0）dt?19、扩散第一定律只适合于（稳态）条件，第一定律所表达的基本含义是：在（dc

的条件下，制药浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成（正比）变化。扩散流动方向是由（高）浓度向（低）浓度。

20、固溶体合金结晶过程中遵循形核和核长大规律，但它不同于纯金属的是形核时还额外需要（成分）起伏，它也是在（变温）过程中进行的，同时在结晶过程中海始终伴随着（异质原子/溶质原子）的扩散。

21、晶体长大方式与（界面结构）有关，而晶体长大形态与（界面结构）有关，同时也与界面前沿的（温度梯度）分布有关。

22、单晶体在发生塑性变形时，常见的方式有（滑移）、（孪生）和（扭折）。

23、动态回复与动态再结晶是指在高温下进行形变，即变形过程中（形变硬化与软化）同时进行。 24、冷变形后，再结晶后晶粒度大小的控制与（冷变形度）、原始晶粒尺寸、（再结晶温度）和杂质等有关。

25、晶体在外力作用下内部运动着的位错会产生交截现象，即产生割阶与就这，其长度与相交截位错的（柏氏矢量的模）相同，而如果割阶的滑移与主位错线的滑移不一致，主位错线会拖拽割阶产生攀移运动，从而产生（割阶硬化）。

26、（11）金属塑性变形过程中发生孪生后，孪晶面两边的晶体位向呈现（对称关系），并且晶体是（均匀）切变的。

27、（13）冷塑变金属低温回复时，主要是（点缺陷的消失），高温回复时，主要是发生（多边形化）。 28、（15）动态回复与动态再结晶是指在变形过程中（软化与形变硬化）同时进行 三判断 1、 结晶、重结晶和再结晶三者在概念上有何区别？