2020年中国科学技术大学材料科学基础考研复试核心题库之简答题精编

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一、2020年中国科学技术大学材料科学基础考研复试核心题库之简答题精编

1．何谓成分过冷？成分过冷对晶体生长形态有何影响？

【答案】成分过冷是指固溶体合金在冷却过程中，由于液相中溶质的分布发生变化，合金熔点也随之发生变化，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，固溶体合金的过冷度是由变化着的合金熔点与实际温度分布两个方面的因素决定的。这种因液相成分变化而形成的过冷称为成分过冷。其特点是在界面处合金熔点最低，过冷度最小，随着S/L界面距离增大，过冷度反而增大，至一定距离后因溶质堆积的边界层消失，过冷区随之消失。

产生成分过冷后，即使是正温度梯度下，结晶时也会以胞状晶的方式长大，当过冷度再大时，会产生树枝状生长晶体。

2．说明合金强化的主要机制。

【答案】(1)细晶强化：通过增加晶粒数目，提高晶界对移动位错的阻碍作用，从而达到强化的效果。

(2)固溶强化：即将溶质原子溶入基体金属中，使基体金属产生点阵畸变，从而抑制位错源的活动以提高基体金属的强度。

(3)形变强化：即当晶体经过形变之后，使晶体内部的位错发生塞积或缠结，难以运动，从而达到强化基体的目的。

(4)第二相强化：即通过第二相粒子均匀弥散分布在基体上，阻止位错的运动或增加位错运动的阻力，提高合金的强度。

3．何为传统上的“陶瓷”？何为特种陶瓷？两者在成分上有何异同。

【答案】普通陶瓷是以天然的硅酸盐矿物为原料(如粘土、长石、石英)经过原料加工ёё成型——烧结而得到的无机多晶固体材料。因此，这类陶瓷又叫硅酸盐陶瓷。为了改善普通陶瓷的性能，入们发现天然原料中带来的杂质颇为不利，因此采用了纯度较高的人工合成原料，并沿用普通陶瓷的成型、烧结工艺而制得新的陶瓷品种。这类陶瓷称为特种陶瓷，例如氧化物陶瓷、压电陶瓷等。成分异同:(1)传统陶瓷以粘土、长石、石英为原料。(2)特种陶瓷:采用人工合成原料(无杂质或杂质较少的各种化合物，例如氧化物、氮化物、碳化物)经传统工艺成型及烧结而成，其成分特点是比传统陶瓷杂质少，由于采用人工合成的粉粒，故成分可以调整。

4．动态回复与动态再结晶的真应力-真应变曲线有什么差异？试解释之。

【答案】高层错能金属材料，扩展位错宽度d小，不全位错易束集，故易交滑移。热变形时，动态回复是其主要或者惟一的软化机制，其真应力－真应变曲线如图1所示。热加工开始，随着真应变的增加，位错密度不断增加，变形抗力增高，当变形进行到了一定程度，位错密度增加速率减小，直到进入稳定态，这时因为热变形产生的加工硬化与动态回复同步进行。稳定态的时候，增殖的位错与回复消失的位错呈现动态平衡，随着变形的进行，流变应力保持恒定。增加应变速率，稳态流变应力将增高。

低层错能金属材料，不全位错不易束集，不易交滑移，热加工时，可以积累很高的位错密度，再结晶

驱动力大，从而出现动态再结晶。其真应力－真应变如图2。高应变速率下，应力随着应变不断增大，直到峰值后，又随着应变的增加而下降，最后达到稳定态。峰值之前加工硬化占主导，金属中只发生部分动态再结晶。随着变形量增加，位错密度不断增高,使得动态再结晶加快，软化作用增强。当软化作用开始大于加工硬化的时候，曲线开始下降;当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡的时候,曲线进入稳定态。低应变速率的时候，其对应的稳定态阶段曲线呈现波浪变化，这是由于低的应变速率或者是髙的变形温度，使位错增加速率小，动态再结晶之后，必须进一步加工硬化，积累位错，才能再一次进行再结晶的形核，此种情况下，动态再结晶与加工硬化交替进行，使得曲线呈现波浪式。

图1

图2

5．简述单晶体塑性形变的施密特定律(Schmid’slaw)，画图并写出表达式，说明每一个量所代表的物理意义。

【答案】用一根正断面积为的单晶试棒进行拉伸试验，如图1所示。假定拉力F与滑移面法线n 之间的夹角为，F与滑移方向b之间的夹角为，则由图1很容易求得作用在滑移面上的沿着滑移方向的分切应力为：

式中，为拉应力；，称为取向因子或者Schmid因子。

图1

用同种材料但不同取向(不同值)的单晶试棒进行拉伸试验，结果发现，尽管不同试棒的不同，但开始滑移时的分切应力都相同ёё等于某一确定值，换言之，晶体开始滑移所需的分切应力是：

式中，称为临界分切应力，是个材料常数。公式就称为Schmid定律，即当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时晶体便开始滑移。

6．何谓珠光体片间距和珠光体领域？他们受那些因素影响？说明其对力学性能的影响。

【答案】片状珠光体中相邻两片渗碳体(或铁素体)中心之间的距离或一对铁素体和渗碳体片的总厚度，称为珠光体片间距，用So表示。在片状珠光体中，铁素体与渗碳体交替排列成层片状，其层片方向大致相同的区域称为珠光体领域或珠光体团。

它们主要受珠光体形成温度影响，温度越低，珠光体团尺寸越小，珠光体片间距越小，如。

形成温度越低，珠光体团及片间距尺寸越小，珠光体组织越细，强度越高。

7．试述高速钢热处理工艺的制定依据，说明热处理过程中的组织有何变化？

【答案】依据是化学成分及高速钢过冷奥氏体转变曲线，退火不仅可降低硬度，利于切削加工，而且可获得碳化物均匀分布的粒状组织，为以后的淬火做好组织上的准备;淬火可获得马氏体+粒状碳化物+较多的残余奥氏体;三次回火获得回火马氏体+粒状碳化物。

8．金属发生塑性变形后，显微组织、结构发生什么变化？性能发生哪些变化？

【答案】金属发生塑性变形后，显微组织形态上，原等轴晶粒沿变形方向被拉长，在大形变量时晶界甚至呈纤维状，如存在硬脆的第二相颗粒或夹杂，常沿变形方向呈带状分布。

显微结构上，缺陷(空位和位错)密度明显增大。由于变形过程中位错的增殖及运动过程中位错的交割和交互作用，形成位错缠结，异号位错相消后构成胞状结构。随形变量增加，位错胞数量增多，尺寸减小，晶体内部的储存能增大。

性能上，冷变形金属将发生加工硬化，表现为强度显著提高、塑性明显下降。

9．谈谈你所了解的新材料、新工艺。

【答案】材料的种类繁多，把那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料称之为传统材料或基础材料，如钢铁、水泥、塑料等。而把那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料称之为

先进材料或新材料。传统材料通过釆用新技术、提高性能可以成为新材料，新材料经过长斯生产和应用之后也就成为传统材料。目前新材料往往与新的加工技术联系在一起，如通过一种快速冷却或机械合金化等加工方法，可以制备非晶态的金属合金，而在这之前人们不知道金属还可以做成非晶态；其他如喷射沉积技术、半固态加工技术、净形薄带连续铸造技术等都是新的加工技术。某些高分子材料，釆用挤压成丝工艺以后，使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提髙；采用CVD+熔融或离子交换制备新型光纤材料等等。

其中铝合金制备新技术有：热顶铸造、气隙铸造及电磁铸造技术，铝合金电磁铸轧技术，大型铝合金型材挤压技术，特宽铝合金中厚板轧制技术，半固态金属成形技术，铝合金显微组织结构预测及性能控制技术。

10．简述等大球体的二种最紧密堆积方式，并说明其中的空隙的种类和数量关系。

【答案】等大球体的二种最紧密堆积方式：主要有立方最紧密堆积和六方最紧密堆积和六方最紧密堆积方式是密排面按ABCABC……的方式排列，六方最紧密堆积方式是密排面按ABAB……的方式排列。

空隙的种类和数量关系：等大球体作最紧密堆积时，空隙主要有八面体空隙和四面体空隙，当有n个球作最紧密堆积时就会产生n个八面体空隙和2n个四面体空隙。

11．为什么多元合金凝固时会出现成分过冷？成分过冷对合金的凝固组织有什么影响？

【答案】多元合金凝固过程中熔点高的元素先凝固，如果合金搅拌不够充分，将会使低熔点的元素富集在凝固界面前沿，降低凝固界面前沿液相的实际凝固温度，这时即使是正的温度梯度，凝固界面前沿也可能出现过冷度随离开界面距离增加而增大的现象，这种现象称为成分过冷现象。成分过冷现象的出现将使多元合金即使在正的温度梯度下也可能出现胞状组织或枝晶组织。

12．什么叫超导体、超导体的临界温度？并说明超导体的主要用途。

【答案】一般金属的直流电阻率随温度的降低而减小，在接近绝对零度时,其电阻率就不再继续下降而趋于一个有限值。但某些导体的直流电阻率在某一低温下陡降为零，被称为零电阻现象或超导电现象。通常将具有这种超导电性质的物体称之为超导体。电阻突变为零的温度则称为超导体转变温度或临界温度。超导体不但可用于超导发电机，而且在超导电动机、超导输电、超导贮能、磁浮列车、磁流体发电、

核聚变等应用领域富有成效。

13．利用派-纳力公式解释为什么晶体滑移通常发生在原子最密排面最密方向。

【答案】P-N力公式

其中G表示切变模量，ν表示泊松比，a表示晶面间距，b表示滑移方向原子间距。由公式可知，a最大、b最小的时候最小，因此为了减少滑移阻力，滑移方向一定是最密排方向，滑移面一定是面间距a 最大的密排晶面。由图可以看出，密排程度越髙的晶面，晶面间距也就越大，结合力也就越弱,滑移阻力小;同理最密排方向的两列原子结合力也最小，因此滑移方向一定是最密排方向，滑移面一定是最密排面。