2025年材料科学基础题及答案

2025年材料科学基础题及答案一、名词解释（每题3分，共15分）1.肖特基缺陷：晶体中由于原子或离子离开其平衡位置迁移至表面，在原位置留下空位，形成等量的正离子空位和负离子空位的缺陷对。这种缺陷保持晶体电中性，其浓度随温度升高呈指数增加，是离子晶体中最常见的点缺陷类型。2.伪共晶：在非平衡凝固条件下，成分偏离共晶点的合金可能全部转变成共晶组织的现象。当合金液相线与固相线间距较大时，快速冷却会导致界面前沿液相成分过冷，使初生相生长被抑制，剩余液相同时结晶出两种固相，形成类似共晶的组织，但成分与共晶点不同。3.柯肯达尔效应：两种金属组成的扩散偶中，由于原子互扩散系数不同，导致标记面发生移动的现象。例如，Cu-Ni扩散偶中，若Ni向Cu中的扩散速率大于Cu向Ni中的扩散速率，标记面会向Ni一侧移动，反映了置换型固溶体中原子扩散的非对称性，是验证原子扩散机制的重要实验依据。4.应变时效：低碳钢在预变形（如冷加工）后，若在室温或稍高于室温的条件下放置，其屈服强度和硬度升高、塑性下降的现象。本质是预变形产生的位错被间隙原子（如C、N）钉扎，随着时间推移，间隙原子通过扩散重新聚集到位错周围形成柯氏气团，阻碍位错运动，需更大应力才能使位错脱钉继续滑移。5.固溶强化：通过溶入溶质原子形成固溶体，使材料强度、硬度升高的现象。溶质原子与位错产生弹性交互作用（如尺寸效应、化学交互作用），阻碍位错运动。间隙固溶体的强化效果通常比置换固溶体更显著，因为间隙原子与位错的弹性畸变更大。二、简答题（每题8分，共40分）1.比较面心立方（FCC）与体心立方（BCC）结构的配位数、致密度及原子密排面和密排方向。答：面心立方结构配位数为12，致密度0.74，原子密排面为{111}晶面族（每个晶面包含4个原子），密排方向为<110>晶向族（原子间距为√2a/2，a为晶格常数）。体心立方结构配位数为8（若考虑次近邻则为14），致密度0.68，原子密排面为{110}晶面族（晶面原子密度低于FCC的{111}面），密排方向为<111>晶向族（原子间距为√3a/2）。FCC结构因致密度高、滑移系多（12个滑移系），塑性优于BCC；BCC结构因原子堆垛较松散，间隙位置（如四面体间隙、八面体间隙）尺寸较大，更易溶解间隙原子（如钢中的C原子）。2.分析共晶相图中，成分为C₀（C₀介于共晶点C_E与纯组元A的液相线之间）的合金在平衡凝固时的组织转变过程及室温组织。答：该合金为亚共晶合金，凝固过程如下：①温度降至液相线L_A时，从液相中析出初生α固溶体（成分沿固相线α_A变化）；②随着温度下降，α相不断长大，剩余液相成分沿液相线向C_E移动；③温度达到共晶温度T_E时，剩余液相成分达到C_E，发生共晶反应L_E→α_E+β_E，形成共晶体（α+β）；④继续冷却至室温，初生α相和共晶α相均会析出二次β相（β_Ⅱ），但因共晶组织中α与β间距小，β_Ⅱ通常与共晶β结合，不易分辨。室温组织为初生α+（α+β）共晶体+少量β_Ⅱ（可忽略时简化为初生α+共晶体）。例如Pb-Sn合金中，亚共晶焊锡（Sn含量<61.9%）的室温组织即为此类。3.说明间隙扩散与置换扩散的主要区别，并举例说明其应用。答：间隙扩散是原子通过晶格间隙位置迁移的扩散机制，适用于小尺寸溶质原子（如C、N、H在Fe中的扩散）。其特点：①溶质原子尺寸远小于溶剂原子（原子半径比<0.59）；②扩散激活能低（仅需克服间隙位置间的势垒），扩散速率快；③扩散路径为间隙→相邻间隙，无需空位参与。置换扩散是溶剂原子与溶质原子通过交换位置或与空位交换实现的扩散，适用于置换型固溶体（如Cu在Al中的扩散、Fe在Fe基合金中的自扩散）。其特点：①原子尺寸相近（半径比>0.59）；②扩散需空位存在（空位浓度影响扩散速率），激活能高（包括空位形成能和迁移能）；③扩散速率慢于间隙扩散。应用实例：钢的渗碳（C原子间隙扩散，提高表面硬度）、铝合金时效处理（溶质原子置换扩散，形成析出相）。4.位错如何影响材料的塑性变形？说明位错增殖与位错交割对材料加工硬化的作用。答：位错是材料塑性变形的基本载体。当材料受外力时，位错沿滑移面滑移，使原子面发生相对切变，宏观表现为塑性变形。位错增殖机制（如弗兰克-里德位错源）可产生大量新位错，增加位错密度；位错交割会产生割阶或扭折，阻碍位错运动。加工硬化的本质是位错密度增加及位错间交互作用增强：①位错增殖使单位体积内位错数量增多，位错间相遇概率增大，相互交截形成“位错林”，阻碍滑移；②位错交割产生的割阶（尤其是刃型割阶）在滑移时需额外能量（割阶拖曳），增加位错运动阻力；③异号位错相遇可能湮灭，但多数情况下位错缠结形成胞状结构，进一步限制位错运动。例如，金属冷加工时，随着变形量增加，位错密度从10⁶cm⁻²增至10¹²cm⁻²，导致屈服强度显著提高。5.比较解理断裂与韧性断裂的微观特征及形成条件。答：解理断裂是沿特定晶面（解理面，如BCC的{100}、HCP的{0001}）的脆性断裂，微观特征为河流花样（解理台阶汇合形成的条纹）、舌状花样（二次解理）和扇形花样（多组解理面交截）。形成条件：材料呈体心立方或密排六方结构（塑性差）、低温（位错运动受阻）、高应变速率（无足够时间发生塑性变形）、存在尖锐缺口（应力集中诱发解理裂纹）。例如，低温下的低碳钢冲击断裂常为解理断裂。韧性断裂是材料经显著塑性变形后的断裂，微观特征为韧窝（微孔洞形核、长大、聚合形成的凹坑），根据应力状态可分为等轴韧窝（正应力）、拉长韧窝（切应力）和撕裂韧窝（混合应力）。形成条件：材料塑性好（如FCC金属、部分高分子材料）、温度较高（位错易运动）、应变速率较低（允许微孔洞缓慢生长）。例如，室温下铝合金拉伸断裂的断口可见大量等轴韧窝。三、计算题（每题10分，共20分）1.已知某面心立方金属的X射线衍射图谱中，(220)晶面的衍射角2θ=78.6°（CuKα辐射，λ=0.1542nm），原子量为58.7，密度ρ=8.9g/cm³。计算该金属的晶格常数a及原子半径r，并验证是否符合面心立方结构的理论致密度。解：根据布拉格方程2dsinθ=λ，d为晶面间距。对于面心立方结构，晶面间距d_hkl=a/√(h²+k²+l²)，(220)晶面的h²+k²+l²=8，故d_220=a/√8。已知2θ=78.6°，则θ=39.3°，sinθ=sin39.3°≈0.633。代入布拉格方程：2×(a/√8)×0.633=0.1542nm→a=0.1542×√8/(2×0.633)≈0.1542×2.828/(1.266)≈0.352nm。面心立方结构中，原子半径r与晶格常数a的关系为：面对角线长度=4r=√2a→r=√2a/4≈1.414×0.352/4≈0.124nm。理论致密度=(4×(4/3)πr³)/a³。代入r=√2a/4，得：致密度=(4×(4/3)π((√2a/4)³))/a³=(4×(4/3)π×(2√2a³/64))/a³=((32√2πa³)/(192))/a³=(√2π)/24≈(1.414×3.1416)/24≈4.442/24≈0.74，与面心立方理论致密度0.74一致，验证正确。2.某材料中原子扩散的激活能Q=180kJ/mol，500℃时扩散系数D₁=2×10⁻¹⁴m²/s。求800℃时的扩散系数D₂（气体常数R=8.314J/(mol·K)）。解：根据阿伦尼乌斯公式D=D₀exp(-Q/RT)，取对数得ln(D₁/D₂)=-Q/R(1/T₁-1/T₂)。温度转换为绝对温度：T₁=500+273=773K，T₂=800+273=1073K。计算1/T₁-1/T₂=1/773-1/1073≈(1073-773)/(773×1073)=300/(829,129)≈3.62×10⁻⁴K⁻¹。代入数据：ln(2×10⁻¹⁴/D₂)=-180000/8.314×3.62×10⁻⁴≈-180000×3.62×10⁻⁴/8.314≈-65.16/8.314≈-7.84。则2×10⁻¹⁴/D₂=exp(-7.84)≈3.9×10⁻⁴→D₂=2×10⁻¹⁴/(3.9×10⁻⁴)≈5.13×10⁻¹¹m²/s。四、综合分析题（25分）铝合金（如6061型，主要合金元素Mg、Si）在时效处理中常出现“自然时效”与“人工时效”，其强化效果与析出相的尺寸、分布密切相关。结合过饱和固溶体分解过程，分析时效温度对析出相特征及材料强度的影响，并解释“峰时效”现象。答：铝合金时效强化的本质是过饱和固溶体分解，析出细小弥散的第二相（如Mg₂Si），通过奥罗万机制阻碍位错运动。其分解过程通常为：过饱和α固溶体→GP区（铜原子偏聚区）→过渡相（θ''、θ'）→平衡相（θ）。时效温度对析出过程的影响：①自然时效（室温）：原子扩散速率低，仅能形成GP区（直径1-4nm，厚度0.3-0.6nm，与基体共格）。GP区与基体共格畸变产生应力场，有效阻碍位错滑移，使强度逐渐升高，但达到峰值所需时间长（数天至数月）。②人工时效（100-200℃）：原子扩散速率提高，分解过程加速。低温人工时效（如120℃）时，过渡相（如θ''）优先析出，与基体共格或半共格，尺寸较小（10-50nm），弥散分布，对位错的阻碍作用最强（奥罗万绕过机制所需应力与析出相间距成反比）；高温人工时效（如180℃）时，平衡相（如θ）析出，与基体非共格，尺寸粗大（>100nm），间距增大，位错易切过析出相（切过机制），强化效果下降。峰时效现象：在某一时效时间（或温度）下，析出相尺寸、分布达到最佳状态（细小弥散、与基体共格），材料强度达到最大值。此时，析出相间距最小，奥罗万应力（τ=Gb/λ，G为切变模量，b为柏氏矢量，λ为析出相间距）最