1、LJD 整理 材料科学基础（上）1简答题1.空间点阵与晶体点阵有何区别？晶体点阵也称晶体结构，是指原子的具体排列；而空间点阵则是忽略了原子的体积，而把它们抽象为纯几何点。2.金属的 3 种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？密排六方结构。3.原子半径与晶体结构有关。当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化？原子半径发生收缩。这是因为原子要尽量保持自己所占的体积不变或少变，原子所占体积 VA原子的体积(4/3r 3+间隙体积)，当晶体结构的配位数减小时，即发生间隙体积的增加，若要维持上述方程的平衡，则原子半径必然发生收缩。4.在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环？不能。因为位错
2、环是通过环内晶体发生滑 移、环外晶体不滑移才能形成。5.计算位错运动受力的表达式为，其中是指什么？外力在滑移面的滑移方向上的分切应力。6.位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么方向？始终是柏氏矢量方向。7.位错线上的割阶一般如何形成？位错的交割。8.界面能最低的界面是什么界面？共格界面。9. “小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？否，扭转晶界就由交叉的同号螺型位错构成10.为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固熔体则不能？这是因为形成固熔体时，熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。熔质与熔
3、剂原子尺寸相差越大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，熔解度越小。一般来说，间隙固熔体中熔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。综合题1. 作图表示立方晶体的（123） （0 -1 -2） （421）晶面及-102-211346晶向。2. 写出立方晶体中晶向族，等所包括的等价晶向。3. 写出立方晶体中晶面族100，110，111 ，112等所包括的等价晶面。4.总结 3 种典型的晶体结构的晶体学特征 。5. 在立方晶系中画出以001为晶带轴的所有晶面。6. 面心立方晶体的(100),(110),(111)等晶面的面间距和面密度，并指出面间距最大的面。7.
4、Ni 的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为 r =0.1243 求 Ni 的晶格常数和密度。8. Mo 的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数 a=0.3147nm，试求 Mo 的原子半径 r。9. 在 Fe 中形成 1mol 空位的能量为 104. 67kJ，试计算从 20升温至 850时空位数目增加多少倍?10. 判断下列位错反应能否进行。1) a/210-1+a/6-121a/311-1 2) a100a/2101+a/210-13) a/3112+a/2111a/611-1 4) a100a/2111+a/21-1-111. 若面心立方晶体中有 b=a/2-101的单位位错及 b=a/
5、612-1的不全位错，此二位错相遇产生位错反应。1) 问此反应能否进行？为什么？2) 写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的类型。12.已知柏氏矢量 b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1 及 10，求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论？LJD 整理 材料科学基础（上）213. 计算 fcc 和 bcc 晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小(用原子半径尺表示)，并注明间隙中心坐标。指出溶解在 -Fe 中 C 原子所处的位置，若此位置全部被 C 原子占据，那么，间在此情况下，-Fe 能溶解 C 的质量分数为多少?实际上碳在铁中的最大溶解质量分数是多少?二者在数值上有差异的原因
6、是什么?14.试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别。15.何谓玻璃？从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在?16.有序合金的原子排列有何特点？这种排列和结合键有什么关系？为什么许多有序合金在高温下变成无序？17.试分析 H、N、C、B 在 Fe 和 Fe 中形成固熔体的类型、存在位置和固溶度（摩尔分数） 。各元素的原子半径如下：H 为 0.046nm，N 为 0.071nm，C 为 0.077nm，B 为 0.091nm，Fe为 0.124nm， Fe 为 0.126 nm。18.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 19.什么叫临
7、界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 20. 试分析单晶体形成的基本条件。 21.铸件组织有何特点？ 22.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？ 23.欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡，从而有较低共晶温度的二元系？24.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 25.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。26.简述纯金属晶体长大的机制。 27. 指出下列概念的错误之处，并改正。 (1)所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2)金属结晶时，原子从液相无序排列
8、到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3)在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。(4)在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都是核。(5)所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚的大小。(6)在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测值与用公式 T=0.2Tm 计算值基本一致。(8) 某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率 N1提高，非均匀形核率 N2也提高，故总的形核率为 N= N1 +N2。(9) 若在过冷液体中，外加
9、 10 000 颗形核剂，则结晶后就可以形成 10 000 颗晶粒。(10) 从非均匀形核功的计算公式 A 非A 均中可以看出，当润湿角 00 时，非均匀形核的形核功最大。(11) 为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。(12) 非均匀形核总是比均匀形核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不象后者那样形成界面，而引起自由能的增加。(13) 在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。(14) 纯金属生长时，无论液固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一个一个LJD 整理 材料科学
10、基础（上）3地沿着固相面的垂直方向连接上去。(15) 无论温度如何分布，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。(16) 氮化铵和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。(17) 人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推理。(18) 液体纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。(19) 纯金属结晶时若呈垂直方式长大，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。(20) 从宏观上观察，若液固界面是平直的称为光滑界面结构，若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。(21) 纯金属结晶时以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化熵无关。(22
11、) 金属结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。解析：1. 2. 100十010+001， 共 3 个等价晶向。110十-110+101+-101+011+0-11， 共 6 个等价晶向。111+-111+1-11+11-1， 共 4 个等价晶向。3. 100(100)+(010)+(001)， 3 个等价面。110(110)+(-110)+(101)+ (-101)+(011)+(0-11)， 共 6 个等价面。111(111)+(-111)+(1-11)+(11-1)， 共 4 个等价面。112=(112)+(-112)+(1-12)+(11-2)+(121)+
12、(-121)+(1-21)+(12-1)+(211)+(-211)+ LJD 整理 材料科学基础（上）4(2-11)+(21-1) 共 12 个等价面。 4. 5. 晶带轴uvw与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系: hu+kv+lw=0;将晶带轴001代人，则 h*0+k*0+l*1=0;当 l=0 时对任何 h,k 取值均能满足上式，故晶带轴001的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0).6.在面心立方晶体中，当(hkl)不全为奇数或偶数时，有附加面。LJD 整理 材料科学基础（上）5从上面计算结果得知，原子排列最密排的(111)晶面的面间距最大7.8. 9. LJD 整理 材料科学
13、基础（上）610. (1) 能。 几何条件： b 前 b 后 ； 能量条件： b 前 2 b 后 2 (2) 不能。 能量条件： b 前 2 b 后 2，两边能量相等。(3) 不能。几何条件： b 前 a/b557， b 后 a/b11-1，不能满足。(4) 不能。能量条件： b 前 2 b 后 2(2) b 合 a/3-111；该位错为弗兰克不全位错。 12.当 1，D14 nm；10，D1.4 nm 时，即位错之间仅有 56 个原子间距，此时位错密度太大，说明当 角较大时，该模型已不适用。13. fcc 八面体间隙半径: 间隙中心坐标为：1/2,1/2,1/2 fcc 四面体间隙半径：间隙
14、中心坐标为：3/4,1/4,3/4bcc 八面体间隙半径：间隙中心坐标为：1/2,1/2,1 bcc 四面体间隙半径：LJD 整理 材料科学基础（上）7-Fe 为 fcc 结构 ，八面体间隙半径较大，所以 -Fe 中的 C 原子一般处于八面体间隙位置。 由于 fcc 结构中八面体间隙数与原子数相等，若此类位置全部被 C 原子占据，则-Fe 中 C 的原子数分数为 50%，质量分数为 17. 6%。而实际上 C 在 -Fe 中 最大质且分数为 2. 11%，大大小于理论值，这是因为 C 原子半径为 0. 077nm，大于八面体间隙半径(0. 054nm) ,所以碳的溶人会引起 -Fe 晶格畸变，
15、这就妨碍了碳原子进一步的溶人。14. 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为 间隙固溶体 。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于 0.1nm 的非金属元素，H,B,C,N,O 等。间隙固溶体保持母相(溶剂)的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。间隙相和间隙化合物属原子尺寸因素占主导地位的中间相。它们显然也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同。它们的成分可在一定范围内波动.但组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。当 RB/RA0.59 时，则形成间隙化合物，其结构为复
16、杂的晶体结构。15. 所谓 玻璃 ，是指具有玻璃化转变温度的非晶态固体。玻璃与其他非晶态的区别就在于有无玻璃化转变温度。玻璃态也指非晶态金属和合，它实际上是一种过冷状态液体金属。从内部原子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列，即存在长程有序，而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点。从性能上看，晶体具有固定熔点和各向异性，而非晶体则无固定熔点，且系各向同性。16.有序固熔体 ，其中各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵 称为分点阵，整个固熔体LJD 整理 材料科学基础（上）8就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，也叫超点阵或超结构。这种排列和原子之间的结合能(键) 有关。结合
17、能愈大，原子愈不容易结合。如果异类原子间结合能小于同类原子间结合能，即 EAB 0，才有GBrk 的晶胚才有可能成核；而 rr k 的晶胚既可能消失，也可能稳定长大。因此，半径为 rk 的晶胚称为临界晶核。其物理意义是，过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团，当其尺寸 rrk 时，这样的原子团便可成为晶核而长大。临界晶核半径 rk，其大小与过冷度有关，则有20.形成单晶体的基本条件是使液体金属结晶时只产生一个核心(或只有一个核心能够长大)并长大成单晶体。 21. 在铸锭组织中，一般有三层晶区：（1）最外层细晶区。其形成是由于模壁的温度较低，液体的过冷度交大，因此 形核率较高 。 （2）中间为柱状
18、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，且沿垂直于模壁风向的散热较为有利。在细晶区中取向有利的晶粒 优先生长为柱状 。 （3）中心为等轴晶区 。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；同时，未熔杂质、破断枝晶等易集中于剩余液体中，这些都促使了 等轴晶 的形成。应该指出，铸锭的组织并不是都具有 3 层晶区。由于凝固条件的不同，也会形成在铸锭中只有某一种晶区，或只有某两种晶区。LJD 整理 材料科学基础（上）923.23. 金属玻璃是通过超快速冷却的方法，抑制液固结晶过程，获得性能异常的非晶态结构。玻璃是过冷
19、的液体。这种液体的黏度大，原子迁移性小，因而难于结晶，如高分子材料(硅酸盐、塑料等)在一般的冷却条件下，便可获得玻璃态。金属则不然。由于液态金属的黏度低，冷到液相线以下便迅速结晶，因而需要很大的冷却速度(估计1010s)才能获得玻璃态。为了在较低的冷速下获得金属玻璃，就应增加液态的稳定性，使其能在较宽的温度范围存在。 实验证明，当液相线很陡从而有较低共晶温度时，就能增加液态的稳定性，故选用这样的二元系(如 FeB，FeC，hP，FeSi 等)。为了改善性能，可以加入一些其他元素(如 Ni，Mo，Cr，Co 等)。24. 实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差，称为过冷度(TTm 一 Tn)。
20、它是相变热力学条件所要求的，只有 AT0 时，才能造成固相的自由能低于液相自由能的条件，液、固相间的自由能差便是结晶的驱动力。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(T*)。显然，当实际过冷度TT*时，才能均匀形核。所以，临界过冷度是形核时所要求的。晶核长大时，要求液固界面前沿液体中有一定的过冷，才能满足 (dNdt)F(dNdt)M，这种过冷称为动态过冷度(T kTm 一 Ti)，它是晶体长大的必要条件。25.纯金属生长形态是指晶体宏观长大时界面的形貌。界面形貌取决于界面前沿液体中的温度分布。 (1) 平面状长大：当液体具有正温度梯度时，晶体以平直界面方式推移长
21、大。此时，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液体时，都会使其过冷度减小，长大速率降低或停止长大，而被周围部分赶上，因而能保持平直界面的推移。长大中晶体沿平行温度梯度的方向生长，或沿散热的反方向生长，而其他方向的生长则受到抑制。(2) 树枝状长大：当液体具有负温度梯度时，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液体时，由于前方液体有更大的过冷度，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成枝晶的一次轴。 一个枝晶的形成，其潜热使邻近液体温度升高，过冷度降低，因此，类似的枝晶只在相邻一定间距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高，如附图 27(a)中所示的 AA 断面上丁 A丁 n，这种负
22、温度梯度使一次轴上又长出二次轴分枝，如附图2.7(b)所示。 同样，还会产生多次分枝。枝晶生长的最后阶段，由于凝固潜热放出，使枝晶周围的液体温度升高至熔点以上，液体中出现正温度梯度，此时晶体长大依靠平界面方LJD 整理 材料科学基础（上）10式推进，直至枝晶间隙全部被填满为止。26. 晶体长大机制是指晶体微观长大方式，它与液固界面结构有关。具有粗糙界面的物质，因界面上约有 50的原子位置空着，这些空位都可接受原子，故液体原子可以单个进入空位，与晶体相连接，界面沿其法线方向垂直推移，呈连续式长大。具有光滑界面的晶体长大，不是单个原子的附着，而是以均匀形核的方式，在晶体学小平面界面上形成一个原子层
23、厚的二维晶核与原界面间形成台阶，单个原子可以在台阶上填充，使二维晶核侧向长大，在该层填满后，则在新的界面上形成新的二维晶核，继续填满，如此反复进行。若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头，则该界面成为螺旋面，并形成永不消失的台阶，原子附着到台阶上使晶体长大。27. (1)在冷却曲线上出现的实际结晶温度与熔点之差液-固界面前沿液态中的温度与熔点之差。(2)使体系自由能减小(3)在过冷液体中，液态金属中出现的(4)在一定过冷度下(5)就是体系自由能的减少能够补偿 23 表面自由能(6)不能成核，即便是有足够的能量起伏提供，还是不能成核。(7)测定某纯金属均匀形核时的有效过冷度(8)那么总的形核率 NN 2。(9)则结晶后就可以形成数万颗晶粒。(10)非均匀形核的形核功最小。(11)则只要在工艺上采取对厚处加快冷却(如加冷铁)就可以满足。(12)因为前者是以外加质点为基底，形核功小(13)主要寻找那些熔点高，且(14)若液固界面呈粗糙型，则其液相原子(15)只有在负温度梯度条件下，常用纯金属(16)结晶终了时的组织形态不同，前者呈树枝晶(枝间是水)，后者呈一个个(块状)晶粒。(17)生长过程，但可以通过实验方法，如把正在结晶的金属剩余液体倒掉，或者整体淬火等进行观察，所以关于树枝状生长形态不是一种推理。(18)其生长形态不会发生改变。(19)其界面是粗糙型的。
