物理冶金原理：階段復(fù)習(xí)與部分習(xí)題參考答案

1、階段復(fù)習(xí)與部分習(xí)題參考答案材料 Materials有機高分子材料Polymers and Rubbers無機非金屬材料Ceramics and Glass復(fù)合材料 Composites (MMCs, CMCs, PMCs)材料的分類Classifications of Materials金屬材料Metallic Materials(Metals and Alloys)非金屬材料Non-Metallic Materials按功能分類：結(jié)構(gòu)材料（按組成、性質(zhì)、用途）功能材料（磁性材料、電子材料、超導(dǎo)材料、光電子信息材料、催化材料、儲能材料、含能材料）。陶瓷材料的性能優(yōu)點：共價鍵及離子鍵原子間結(jié)合鍵

2、強、化學(xué)穩(wěn)定性高高溫強度高、耐蝕性好、高溫抗氧化性能好硬度高、耐磨性優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱性能好 (TBCs)不導(dǎo)電，絕緣材料陶瓷材料的性能缺點 無塑性、幾乎無韌性、脆性極大、難承受動載荷、應(yīng)用面窄； 對缺陷極其敏感、無損傷容忍性 (No DamageTolerance)、 使用不安全 加工制造困難 (切削加工困難；無法焊接、鍛壓、扎制、錨接、無法修復(fù)等) 回收利用(Recycling)難度大、成本高高分子材料的性能缺點 使用溫度范圍窄 (高溫軟、低溫脆) 高溫力學(xué)性能低、高溫老化 低溫韌性差、低溫脆化； 長期化學(xué)及力學(xué)性能穩(wěn)定性低性能退化 (Degradation) 回收問題 (Recycli

3、ng )Characteristics of Metallic Bond 金屬鍵及其特點 自由電子公有化無方向性無飽和性不選擇結(jié)合對象種類及潛力無窮塑性變形及加工硬化“Gas” of Free Electrons； Metallic Ions自由電子云； 金屬離子金屬材料的特點 Characteristics of Metallic Materials (Metals and Alloys)1、種類繁多(占周期表三分之二) 合金種類及潛力無窮?。‵eAlTiCuMg等很少幾個體系） 金屬間化合物及其合金 用量最大(結(jié)構(gòu)及功能材料)2. 優(yōu)異的物理性能：磁、光、電子、信息、儲能等優(yōu)良的導(dǎo)電性及正

4、的電阻溫度系數(shù)優(yōu)異的導(dǎo)熱性.3. 優(yōu)異的力學(xué)性能配合優(yōu)異的強韌性配合：高強度4000MPa高塑性及加工硬化高韌性及損傷容限使用溫度范圍寬廣(高溫、中溫、室溫、低溫)且力學(xué)性能優(yōu)異優(yōu)異的耐蝕、耐摩、抗氧化、抗熱腐蝕等性能4. 優(yōu)異的成形加工性能Processing ability優(yōu)異與靈活的凝固加工成型性能：鑄造成型：各種復(fù)雜形狀及各種重量的零件焊接成型：同種及異種金屬材料的連接制造獨特的塑性變形及加工硬化特性與優(yōu)異的冷加工成型能力：冷軋、冷沖壓、冷旋壓、冷拔、冷擠壓.冷加工過程中同時實現(xiàn)零件及材料的強化）優(yōu)異的熱加工成型能力：鍛造、熱軋、熱擠壓、5. 獨特的抗過載能力及使用安全性(加工硬化)零

5、件局部過載塑性變形加工硬化材料強度提高不但不會失效、承載能力反而提高、使用安全；加工硬化避免變形集中、均勻變形、均勻承載、零件材料潛力得以充分利用加工硬化避免變形集中、材料均勻變形冷加工熱加工成型成為可能。6. 可以采用很多加工工藝手段改變金屬零件材料組織及性能控制鑄件及鑄錠凝固過程與凝固加工工藝：晶粒尺寸；合金相種類、形態(tài)、尺寸及其分布；化學(xué)成分及組織均勻性；形成各種特殊組織.控制固態(tài)相變過程金屬材料熱處理合金化改變合金成分、材料相組成及性能塑性變形(加工硬化)控制材料性能各種表面強化與表面改性：噴丸強化、表面化學(xué)熱處理、各種表面物理冶金技術(shù)7. 制造技術(shù)成熟、材料可重復(fù)利用鑄、鍛、焊、熱處

6、理等熱加工制造技術(shù)車、銑、刨、磨等機械技工技術(shù)旋壓、沖壓、板金、鉚接等各種冷加工制造技術(shù)表面強化與表面加工制造技術(shù)幾乎完全可回收利用 Materials RecyclingFully-Recyclable Environment-Friendly Materials-Ecomaterials課程主要內(nèi)容 金屬的結(jié)構(gòu) 合金相圖與相變 金屬的塑性變形非晶合金的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)原子排列長程無序或短程有序無晶界、無成飛偏析、成分完全均勻沒有固定熔點各向同性高強度、無加工硬化、低塑形高彈性、高耐蝕、高耐磨優(yōu)異的磁性、儲氫性能金屬的結(jié)構(gòu)Structure of Metals and Alloys (Atomic

7、 Arrangements ) 晶體學(xué)基礎(chǔ) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 合金的相結(jié)構(gòu) 晶體缺陷（位錯、界面） 固體中原子的擴散晶體學(xué)基礎(chǔ) 空間點陣、晶胞及點陣常數(shù)晶面指數(shù)及晶向指數(shù)的求法晶面族及晶向族晶帶、晶帶軸及晶帶定理 晶帶軸u v w，晶帶的晶面(h k l) hu+kv+lw=01-2、在面心立方晶胞中，ABCD四點構(gòu)成一個正四面體，四點的坐標(biāo)分別為A (0, 1/2, 1/2), B (1/2, 1, 1/2), C (1/2, 1/2, 0), D (0, 1, 0)， 寫出該四面體中四個面的晶面指數(shù)及六條邊的晶向指數(shù)。 金屬的晶體學(xué)結(jié)構(gòu) fcc、bcc、hcp致密度、配位數(shù)、原子半徑間隙、間

8、隙半徑1-3、求體心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP）晶胞的原子數(shù)、原子半徑、配位數(shù)、致密度、間隙半徑；八面體間隙中心到最近鄰原子中心的方向是 方向四面體間隙中心到最近鄰原子中心的方向是 方向合金的相結(jié)構(gòu) 合金、組元、相及合金分類固溶體：置換固溶體-間隙固溶體；有限固溶體-無限固溶體；有序固溶體-無序固溶體 固溶強化中間相：正常價化合物、電子化合物、間隙相、間隙化合物、TCP相同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：一些金屬，在固態(tài)下隨溫度或壓力的改變，還會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化，即由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化1-5、試述置換式固溶體與間隙式固溶體的形成條件、影響固溶度的主要因素及性能特點。當(dāng)溶劑與溶

9、質(zhì)原子尺寸相近，電負(fù)性相差不大時易形成置換式固溶體，絕大多數(shù)金屬都形成置換式固溶體，固溶度的大小主要取決于晶體結(jié)構(gòu)類型、原子尺寸和化學(xué)親和力等。當(dāng)溶質(zhì)原子足夠小，可以填充溶劑結(jié)構(gòu)的間隙時可以形成間隙固溶體。由于金屬大多是密堆積結(jié)構(gòu)，間隙的尺寸與金屬原子直徑相比是很小的，故只有氫、硼、碳、氮等非金屬元素的原子才能形成間隙固溶體。間隙原子使晶格嚴(yán)重變形，能夠極大地提夠材料的強度。1-6、何謂固溶強化？試分析影響金屬固溶強化效果的因素固溶強化理論最主要的是位錯的釘札機制，即位錯與溶質(zhì)原子的交互作用。溶質(zhì)原子向位錯偏聚，形成溶質(zhì)氣團，降低位錯的應(yīng)變能和系統(tǒng)能量，使位錯難于移動。影響因素：固溶體類型；原

10、子尺寸差；晶體結(jié)構(gòu)；電化學(xué)性質(zhì)；元素固溶度。1-7、試比較間隙固溶體與間隙相的結(jié)構(gòu)特征及性能特點間隙固溶體屬于一次固溶體，位于相圖端部和純組元相連接，它的晶體結(jié)構(gòu)保持純組元的晶體結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙中，只能有一定的溶解度。間隙相：具有完全不同于各組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，各組元原子按一定規(guī)則在晶格中呈有序排列。結(jié)合鍵為金屬鍵與共價鍵的混合。具有較高的硬度和熔點。1-8、組元A具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，組元B固溶于A中形成置換式固溶體，試問A3B還是A2B成分的固溶體更易形成有序固溶體？ 組元B溶于A中，置換面心立方中的頂點位置的A組元，面心位置仍有A組元占據(jù)，每個晶胞中A、B比例符合A3

11、B，故A3B更易形成有序固溶體。 固體金屬中原子的擴散：在化學(xué)位梯度驅(qū)動下、通過原子的熱激活作用（系統(tǒng)能量起伏、大量原子的無規(guī)則躍遷）、發(fā)生的宏觀物質(zhì)定向傳輸現(xiàn)象 驅(qū)動力：化學(xué)位梯度（濃度梯度） 擴散機制：原子的熱激活擴散固體中原子擴散的條件：a溫度必須足夠高：能量起伏、熱激活過程b時間足夠長：大量原子微觀上無規(guī)則躍遷、物質(zhì)的定向傳輸c擴散原子在溶質(zhì)中須固溶d擴散必須有驅(qū)動力（濃度梯度、化學(xué)位梯度、應(yīng)變能梯度、表面能梯度）1-10.試述固體合金中原子擴散的微觀機制及影響金屬原子擴散的主要因素原子擴散微觀機制：1. 空位機制：置換式溶質(zhì)原子 2. 間隙機制：間隙溶質(zhì)原子 3. 交換機制 4.晶界

12、擴散及表面擴散影響金屬原子擴散的主要因素：溫度： D = Doexp(-Q/RT)擴散元素性質(zhì)：熔點、原子間結(jié)合力，同溶劑原子間的原子尺寸差、化學(xué)親和力等 熔點越高擴散激活能越大擴散系數(shù)越小 原子間結(jié)合力越強擴散激活能越大擴散系數(shù)越小 原子尺寸差越小晶格奇變越小擴散系數(shù)越小 化學(xué)親和力越高（原子間結(jié)合力越強）擴散激活能越大擴散系數(shù)越小溶劑金屬性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、熔點、結(jié)合能 晶體結(jié)構(gòu)致密度越高（BCC與 FCC相差1500倍) 原子擴散激活能越高、擴散系數(shù)越小 熔點越高（原子間結(jié)合力越強）擴散激活能越大擴散系數(shù)越小 與溶質(zhì)原子化學(xué)親和力越高（原子間結(jié)合力越強）擴散激活能越大擴散系數(shù)越小 同溶質(zhì)原子

13、的尺寸差越小晶格奇變越小擴散系數(shù)越小晶體缺陷密度： 空位濃度: 過飽和空位（固溶后不能停留太長時間） 位錯及層錯密度：是擴散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 納米材料（表面納米化滲氮） 相界: 表面曲率：曲率半徑越小、表面自由能越高、擴散驅(qū)動力越大（粉末冶金燒結(jié)、小晶?？s小大晶粒長大）其他合金元素的影響：或增加或減小或無影響溶質(zhì)濃度晶體缺陷（位錯、界面） 點缺陷、線缺陷、面缺陷位錯及其性質(zhì)；刃位錯、螺位錯特征及運動特點柏氏矢量b，方向表示位錯的性質(zhì)與位錯取向，即位錯運動導(dǎo)致晶體滑移的方向，模表示畸變程度，即位錯強度。柏氏矢量的守恒性決定了一根位錯線具有唯一的柏氏矢量，柏氏矢量不僅決定位錯的組態(tài)及

14、運動方向，對位錯的一系列屬性，如位錯的應(yīng)力場、應(yīng)變能、位錯的受力狀態(tài)、位錯的增殖與交互作用，位錯的反應(yīng)(幾何、能量條件)等都有影響。3-1 位錯的定義及基本性質(zhì)位錯是晶體原子排列的一種特殊組態(tài)，是在研究晶體滑移過程時提出的，相當(dāng)于滑移面上已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線1）宏觀上屬“線性”缺陷； 2）在晶體內(nèi)部呈自封閉曲線或終止于晶體表面或晶界，即位錯的連續(xù)性； 3）恒定的柏氏矢量3-2 簡述刃位錯、螺位錯的基本特征及其運動特點刃位錯：柏氏矢量與位錯線垂直滑移面唯一運動 滑移 攀移形狀： 直線、平面曲線 平面折線、環(huán)狀螺位錯：柏氏矢量與位錯線平行滑移面不固定運動 易發(fā)生交滑移 不能攀移形狀： 純螺位

15、錯只能是直線3-4 根據(jù)位錯理論，簡述細晶強化、加工硬化、固溶強化及粒子強化（饒過粒子及切割粒子兩種情況）的微觀機制細晶強化：Hall-Petch關(guān)系 Hall-Petch Equation s = so + kd-(1/2) 細化晶粒，增加晶界，增大了位錯移動的阻力加工硬化：機制：位錯之間的交互作用位錯增殖、位錯密度急劇增加、位錯難于移動 位錯交割形成大量割階、釘扎位錯 位錯交割形成位錯網(wǎng)、釘扎位錯 位錯反應(yīng)形成Lomer或CottrellLomer位錯鎖固溶強化：機制：位錯與溶質(zhì)原子的交互作用 溶質(zhì)原子向位錯偏聚，形成溶質(zhì)氣團，降低位錯的應(yīng)變能（和系統(tǒng)能量），使位錯難于移動！偏聚于刃位錯線

16、Cottrell 氣團 偏聚于擴展位錯層錯區(qū)Suzuki氣團偏聚于螺位錯附近Snoek氣團粒子強化：彌散強化：位錯繞過粒子 強化效果只取決于粒子尺寸及粒子間距！與粒子本性無關(guān)！沉淀強化：位錯切割粒子 強化效果取決于粒子的本性！(界面共格錯配度、界面能、彈性模量差、 層錯能差、有序度等）3-5 簡述位錯的起源機制及增殖機制與觀察位錯的基本方法 位錯的起源機制： 溫度梯度熱應(yīng)力引起塑性變形生長晶體自重引起的塑性變形液體對流引起晶體塑性變形籽晶中位錯的遺傳空位集團的崩塌多相材料線膨脹系數(shù)的差別晶體表面微缺口應(yīng)力集中.觀察位錯的基本方法： 間接測量晶體的物性質(zhì)變化（量熱、XRD）晶體生長表面形貌觀察(

17、Crystal Surface )：表面腐蝕（蝕坑法Etching Pits）：綴飾法（Decoration ）:TEM、HRTEM：STMPlanar Defects面缺陷晶界Grain Boundaries相界Interfaces表面Free Surface小角度晶界（small angle GB）大角度晶界（large angle GB）共格界面 coherent非共格界面 non-coherent半共格界面 semi-coherent 扭轉(zhuǎn)小角度晶界：由兩列柏氏矢量相互垂直的螺位錯組成（螺位錯網(wǎng)）傾斜小角度晶界：由刃位錯墻組成大角度晶界：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重合位置點陣模型（CSL模型）的適用及

18、局限晶界的性質(zhì)：晶界的高能量位錯運動的不可逾越的障礙：Hall-Petch關(guān)系（ts= to + kd-1/2 ss= so + kd-1/2）、細化晶粒同時提高金屬材料常溫強度、塑性與韌性的唯一方法；原子擴散的快速通道：固態(tài)相變形核之場所：溶質(zhì)原子平衡偏聚的場所：晶界偏聚對材料物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及加工制備工藝性能具有重要影響。降低晶界能：晶界結(jié)合力提高：晶界結(jié)合力降低或變脆：腐蝕、氧化、熔化等自晶界開始：晶粒易長大高溫變形之薄弱環(huán)節(jié)：晶界滑動、晶界遷移晶界遷移的驅(qū)動力相鄰晶粒內(nèi)能差 晶界自由能差：小晶粒縮小消失、大晶粒長大 應(yīng)變能差：高應(yīng)變晶?？s小消失、低應(yīng)變晶粒長大表面自由能：表面曲率引

19、起的晶粒內(nèi)部附加壓力 正曲率晶?？s小、負(fù)曲率晶粒長大小晶粒縮小、大晶粒長大（馬太效應(yīng)）影響晶界遷移運動的因素溫度: D=Doexp(-Q/kT)晶界能: 小角度晶界、低能晶界晶粒內(nèi)晶體缺陷密度及均勻性：晶界元素偏析情況晶界第二相：晶界結(jié)構(gòu)（鋸齒狀晶界、彎曲晶界等）晶體性質(zhì)（晶體結(jié)構(gòu)、熔點、原子間結(jié)合力、層錯能等）相界面共格界面半共格界面非共格界面界面能很低、應(yīng)變能很高 碟狀、片狀、針狀：比表面積最大、應(yīng)變能最低沉淀強化：位錯切割粒子，強化效果取決于粒子的本性。故利用共格粒子沉淀 強化是強化高溫結(jié)構(gòu)材料的主要途徑之一彌散強化：位錯繞過粒子，強化效果只取決于粒子的尺寸d(粒子間距)，與粒子 本性無

20、關(guān)。界面能很高、應(yīng)變能很低 球狀：比表面積最小，表面能最低！3-9 從原子擴散及晶界運動觀點出發(fā)，試述強化高溫金屬結(jié)構(gòu)材料可采取的主要方法基體材料：高熔點金屬、高原子間結(jié)合力材料：致密的晶體結(jié)構(gòu)（FCC）、低的層錯能合金元素：加入高熔點、難擴散合金元素固溶強化低界面能共格粒子沉淀強化（粒子不長大）高穩(wěn)定粒子彌散強化：ODS晶界強化：阻止晶界滑動：晶界上析出第二相粒子釘扎晶界、鋸齒狀晶界、彎曲晶界等微合金化降低晶界能（填充晶界空位）：阻止晶界遷移消除橫向晶界：定向凝固柱狀晶合金消除全部晶界：單晶合金4-3 比較滑移與孿晶塑性變形的主要特點 滑移只在晶體表面留下滑移變形痕跡（滑移臺階：滑移線、滑移

21、帶），不改變晶體位向，在晶體內(nèi)部沒有變形之痕跡（但位錯、空位等晶體缺陷密度增加） 孿晶變形后在晶體表面形成表面浮凸或表面傾側(cè)，晶體內(nèi)部晶體取向改變，在晶體內(nèi)部留下變形痕跡滑移變形極不均勻（變形局部化）：滑移集中于滑移帶中，滑移帶之間晶體不發(fā)生任何變形 孿晶變形使晶體整體發(fā)生均勻切變，相鄰晶面間位移小于一個原子間距，原子間位鄰關(guān)系不變滑移的變形量幾乎不受限制，可以很大（無窮大、超塑性） 孿晶本身變形量很小，對變形的貢獻在于改變晶體之取向，使原來處于硬取向方向的晶體轉(zhuǎn)向可滑移的軟取向方向4-4 比較單晶與多晶金屬塑性變形的特點 單晶體塑性變形的兩個基本方式是滑移和孿生?；坪蛯\生都是切應(yīng)變，而且只

22、有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體的臨界分切應(yīng)力時才能開始。多晶塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。必須有至少五個以上的滑移系同時開動，才能保證變形過程中晶界處的連續(xù)性及相鄰晶粒變形的協(xié)調(diào)性（Deformation Accommodation and Continuum at Grain Boundaries ）多晶材料一開始變形就處于多滑移階段，加工硬化指數(shù)高！位錯受晶界的強烈阻礙，屈服應(yīng)力高！不同晶粒位向不同，變形不同時性與不均勻性4-6 畫出金屬單晶體的典型加工硬化曲線，簡述該曲線三個階段的基本特征及其位錯機制，分析晶體位相、晶體結(jié)構(gòu)等因素對單晶體加工硬化曲線的影響Stage I: Single-Slip

23、 Stage： 只有一個滑移系開動，滑移容易，加工硬化指數(shù)很低，晶體表面出現(xiàn)細長均勻的滑移線；Stage II: Multi-Slip Stage：由于晶體轉(zhuǎn)動，兩個以上滑移系同時開動，多個滑移系之間發(fā)生位錯交割（形成割階、網(wǎng)絡(luò)、纏結(jié)）、位錯反應(yīng)（形成L-C位錯鎖等）：加工硬化強烈、加工硬化指數(shù)高，由于層錯能低，難交滑移，線性硬化階段很長Stage III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 在外力作用下，擴展位錯束集，位錯發(fā)生交滑移，異號位錯抵消，加工硬化指數(shù)隨應(yīng)變增加而降低FCC晶體 ：屈服應(yīng)力低，但難交滑移， 加工硬化指數(shù)高，線性硬化階段

24、很長BCC晶體： 屈服應(yīng)力高，極易交滑移， 加工硬化指數(shù)低，第二階段很短HCP晶體： 屈服應(yīng)力低，滑移系很少， 第一階段很長4-7 簡述金屬塑性變形后的組織與性能變化 組織變化：晶粒拉長：形成纖維組織、帶狀組織晶體轉(zhuǎn)動與拉長：產(chǎn)生變形織構(gòu)、性能各向異性晶體內(nèi)部位錯密度、孿晶密度、空位濃度急劇提高，形成各種位錯亞結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)增加某些金屬可能產(chǎn)生應(yīng)變誘發(fā)相變性能變化：機械性能加工硬化強度顯著提高、塑性顯著降低晶格嚴(yán)重奇變產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力物理性能密度降低、電阻增加、導(dǎo)熱性降低化學(xué)性能耐蝕性降低純晶體的凝固 液態(tài)結(jié)構(gòu)：更接近固體，近程有序、能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏晶體凝固的熱力學(xué)條件：過冷（過冷度？影響過冷度的因素？）形核：均勻形核、非均勻形核、臨界形核功、晶胚、形核率及其主要影響因素晶體生長：熱力學(xué)條件（過冷）、生長機制（液固界面結(jié)構(gòu)與Jackson因子）晶體長大速率與長大方式有關(guān)，連續(xù)長大方式生長速率大于二維形核和螺型位錯形核純晶體凝固的生長形態(tài)還取決于界面前沿液體中的溫度分布情況。正的溫度梯度下，光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，生長形態(tài)