2005物理冶金原理思考题

《物理冶金原理》复习思考题（来自：龙鹕谷QQ:171975803）

晶体学基础、金属及合金相结构、固体金属原子扩散

1、简述题及基本概念：

1）、金属键及金属的性能特点；

在金属晶体中，自由电子是所有金属晶体所共有，并在金属正离子之间运动，形成所谓电子云，金属键就是电子云和金属正离子之间的静电引力。

金属键特点：自由电子公有化；无方向性；无饱和性；不选择结合对象；→种类及潜力无穷；→塑性变形及加工硬化

金属性能特点：

一、优异的物理性能：磁、光、电子、信息、储能等；优良的导电性及正的电阻温度系数；优异的导热性；…………….

二、优异的力学性能配合：优异的强韧性配合（高强度～4000MPa；高塑性及加工硬化；高韧性及损伤容限）；使用温度范围

宽广(高温、中温、室温、低温)且力学性能优异；优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗热腐蚀等性能

三、优异的成形加工性能Processing ability：优异与灵活的凝固加工成型性能（铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件；

焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造）；独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的冷加工成型能力（冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压…；冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）；优异的热加工成型能力（锻造、热轧、热挤压）

四、独特的抗过载能力及使用安全性(加工硬化)：零件局部过载?塑性变形?加工硬化?材料强度提高?不但不会失效、承

载能力反而提高、使用安全；加工硬化?避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用；加工硬化?避免变形集中、材料均匀变形?冷加工热加工成型成为可能。

2）、金属晶体及其性质；

晶体: 原子或原子集团在三维空间周期性无限重复排列的物质

性质：高的热力学稳定性；各向异性( Anisotropy of Properties)；宏观性质的均匀性；一定的熔点；规则的外形（外表面为往往低表面能的特殊晶面）

3）、金属非晶及性能特点；

●原子排列长程无序或短程有序Long-range disorder or short-range order

●无晶界、无成分偏析、成分完全均匀

●没有固定熔点(玻璃转化温度）

●各向同性（Isotropic )

●高强度、无加工硬化、低塑性

●高弹性、高耐蚀、高耐磨

●优异的磁性、储氢性能、

4）、材料分类方法及各类材料的优缺点；

按功能分类：结构材料（按组成、性质、用途……）；功能材料（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料……）。

陶瓷材料的性能优点：

共价键及离子键原子间结合键强、化学稳定性高 高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好

硬度高、耐磨性优异

导热系数低、隔热性能好(TBCs)

不导电，绝缘材料陶瓷材料的性能缺点

无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受动载荷、应用面窄；

对缺陷极其敏感、无损伤容忍性(No Damage－Tolerance)、使用不安全

加工制造困难(切削加工困难；无法焊接、锻压、扎制、锚接、无

法修复等)

回收利用(Recycling)难度大、成本高

高分子材料的性能缺点： 使用温度范围窄 (高温软、低温脆)； 高温力学性能低、高温老化；低温韧性差、低温脆化； 长期化学及力

学性能稳定性低?性能退化 (Degradation)； 回收问题 (Recycling )

5）、复合材料性能特点及存在的问题；

复合材料的性能优点

? 有机结合充分发挥各种材料的性质

? 凭借高明的设计加工合成灵活控制各种性质 ? 实现任何单一组成无法达到的性能

6）、空间点阵、晶胞及点阵常数；

把基元看成几何点，这些点在三维空间构成空间点阵（Space Lattice ） 在晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。

以三个平移基矢为棱所作的平行六面体称为点阵晶胞，或称简单晶胞。

如果在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体结构中各原子的位置，这部分原子构成了晶体结构中具有代表性的部分，含有这一附加信息的晶胞称为结构晶胞。

三个棱长a\b\c ,和棱间夹角α\β\γ共六个参数叫做点阵常数或晶格常数。

7）、晶体结构符号（Pearson 符号）：小写字母(晶系)＋大写字母(晶格类型)＋数字(原子数)

晶向指数及其求法

● 过坐标原点作晶向的平行线或将该晶向平移至坐标原点 ● 在该晶向上任取一点并以晶格常数为单位求位置坐标值 ● 将坐标值化成最小整数并放入方括号中[uvw]

● 负号写在数字上方，符号相反的两晶向方向相反： [112]

与[112]

9）、晶面族与晶向族；

晶面族（Family of Crystallographic Planes ）

晶体中原子排列规律相同、位向不同的所有晶面（数字相同但次序及负号不同的所有晶面）表示符号：{hkl} 晶向族（Family of Crystallographic Directions ）原子排列特征相同、位向不同的全部晶向:

10）、晶带、晶带轴及晶带定理；

如果一系列非平行晶面都平行于或包含某一特定方向，则这些晶面(hkl)同属于一个晶带，这个特定方向称为晶带轴[uvw]。 晶带定理：hu + kv + lw = 0

11）、配位数、致密度、原子半径;

晶体结构中任意原子最近邻的原子数目叫做该晶体结构的配位数

在相互接触圆球构成的晶胞模型内，原字所占体积（Vs ）于晶胞体积（V ）的比值叫做致密度 BCC: CN ：8 + 6; /43 R a =;η：0.68

FCC: CN ：12 ; /42 R a =

;η：0.74

HCP: CN ：6 + 6; /2 R a =

;η：0.74

12）、间隙、间隙半径；

密堆积结构中的间隙：四面体间隙数(2)是八面体间隙数(1)的两倍，也是原子数的两倍。四面体间隙：r ≈0.225R ；八面体间隙：r ≈0.414R ； FCC&HCP 结构中的间隙：四面体间隙：r ≈0.291R ；八面体间隙：r ≈0.155R ；间隙数量少、尺寸大

BCC结构中的间隙：四面体间隙(6)：r≈0.291R；八面体间隙(3)：r≈0.155R；扁八面体

13）、合金(一种金属元素与其他金属元素或非金属元素熔合而成的物质)、组元（系统中表示处于平衡状态每个相成分的独立物质）；14）、相（系统中具有同一聚集状态的任何均匀部分）；

15）、固溶体（置换、间隙及有序固溶体）；

置换固溶体：溶质原子取代了溶剂原子在晶体结构中的位置

间隙固溶体：溶质原子位于溶剂组元晶体中的间隙有序固溶体：异类原子趋于相邻

16）、固溶强化（以纯金属为溶剂的固溶体在具有较高强度及硬度的同时，还保持良好的塑性的现象）；

17）、中间相（正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相[TCP相]）的结构及其性能特点；

正常价化合物(A m B n)：AB 型：NaCl型、立方ZnS、六方ZnS；AB2型：CaF2型。通常熔点、硬度及脆性均较高。

电子化合物（e=(xN + yM)/100）：具有典型的金属性质

间隙相（R i/Rm<0.59→间隙相(FCC,BCC,HCP)）高熔点、高硬度、高稳定性、高耐磨、各种强化相；

间隙化合物（Ri/Rm>0.59→间隙化合物(复杂晶体结构)）晶体结构复杂、稳定性相对较低、硬度相对较低；

拓扑密堆相[TCP相]：CN >12 (14, 15, 16)；间隙全部为四面体间隙；无八面体间隙；原子间结合力很强－共价键；高硬度、高耐磨、高耐蚀等（包括：AB2 Laves Phases；AB σ phase；A3B: Cr3Si ）

Laves Phases R A/R B=1.225几何条件不是充分条件

σ phase 成分不固定、结构很复杂、硬而脆、常常为有害相

Cr3Si R A/R B=1.12~0.84

18）、同素异晶转变及意义？；

同素异晶性是指有些元素在温度或压力变化时，晶体结构发生变化的一种特性

2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A (0, 1/2, 1/2), B (1/2, 1, 1/2), C (1/2, 1/2, 0), D (0, 1, 0)，写出

该四面体中四个面的晶面指数及六条边的晶向指数；

3、已知某晶带的晶带轴为[111]，判断下列晶面中，哪些属于该晶带：

(010), (110), (110), (101), (111), (121), (112), (211), (132).

5、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP）晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；

6、碳在α-Fe（BCC）及γ-Fe（FCC）中的最大固溶度（原子百分数）分别为0.1%和8.9%，若碳原子均位于八面体间隙中，试分别计算

α-Fe及γ-Fe中八面体间隙被碳原子占据的百分数；

7、试述置换式固溶体与间隙式固溶体的形成条件、影响固溶度的主要因素及性能特点。

8、何谓固溶强化？试分析影响金属固溶强化效果的因素；

9、试比较间隙固溶体与间隙相的结构特征及性能特点

10、组元A具有面心立方晶体结构，组元B固溶于A中形成置换式固溶体，试问A3B还是A2B成分的固溶体更易形成有序固溶体？

11、基本概念：扩散，扩散激活能，扩散驱动力，扩散系数。

12、试述固体合金中原子扩散的微观机制及影响金属原子扩散的主要因素。

纯金属的凝固、二元合金、三元合金相图及凝固

1、简述液态金属的结构特点；

2、何谓液态金属的过冷现象？影响液态金属凝固过冷度的主要因素有哪些？

3、简述通过控制合金凝固过程细化金属晶粒度的主要方法及机理；

4、简述平整界面、粗造界面液－固界面结构与生长特性及晶体凝固生长形态的关系；

5、分别简述影响纯金属与单相合金凝固时凝固平界面稳定性的主要因素；

6、相图、相律、建立合金相图的基本方法及基本原理。合金相图与合金组织、力学性能及工艺性能（铸造性能、热处理及塑性加工性能

等）的关系。平衡凝固、非平衡凝固、杠杆定律、溶质元素再分配、分配系数、凝固偏析、晶内偏析、枝晶偏析、宏观偏析；简述凝固偏析的原因及减小凝固偏析的主要方法；

7、何谓成分过冷？简述成分过冷产生的条件及其凝固界面形态及凝固组织的影响；

8、伪共晶、离异共晶、共生生长。包晶转变的特点及非平衡包晶转变在材料科学与工程中的应用。

9、画出铁碳二元合金状态图。含碳量为3％的Fe-C合金按Fe-Fe3C亚稳系平衡凝固凝固，分析其凝固组织形成过程并画出其冷却曲线及

其凝固组织示意图，计算共晶反应结束时出生奥氏体树枝晶与共晶组织的相对含量及室温组织中组织组成与相组成的重量百分数。

10、成分三角形、直线法则、重心法则。三元相图中水平投影图、水平截面图及垂直截面图的特点及用途。

11、三元合金两相平衡、三项平衡、四项平衡的特点。

12、分析固态下完全不互溶三元共晶相图水平投影图中各典型成分合金的凝固过程，画出过gh、Ab等线的垂直截面图、标明各相区的相

组成、分析各标明合金的凝固过程（画出冷却曲线及凝固组织形成过程示意图）并计算a、b、c、d各合金凝固组织组织组成及相组成的相对重量百分数。

位错基本理论、界面

1.根据位错的定义，简述位错的基本性质。

2.简述刃位错、螺位错的基本特征及其运动特点。

3.基本概念：

位错的应变能及线张力; 刃位错及螺位错的应力场特点及其与溶质原子的交互作用特点; 攀移，交滑移; 割阶对位错运动的影响; 扩展位错，层错能，全位错与分位错（Shockley, Frank分位错的特征及其性质）; 位错在应力场中的受力及位错间的交互作用; 位错反应的条件，Lomer位错，Lomer-Cotrell位错，Cottrell气团、Suzuki气团

4.根据位错理论，简述细晶强化、加工硬化、固溶强化及粒子强化（饶过粒子及切割粒子两种情况）的微观机制。

5.简述位错的起源机制及增殖机制与观察位错的基本方法。小角度晶界、大角度晶界，小角度晶界的位错模型，大角度晶界的CSL模

型，晶界偏析。

6.试述晶界对金属材料常温及高温力学性能的影响规律并分析其机理。

7.晶界迁移的驱动力及影响晶界运动的主要因素。

8.共格、半共格及非共格相界面结构及相界面结构对相形态的影响。

9、从原子扩散及晶界运动观点出发，试述强化高温金属结构材料可采取的主要方法。

金属的塑性变形

１、滑移、滑移系、滑移线、滑移带、交滑移、多滑移

２、分切应力与临界分切应力、影响临界分切应力的主要因素

３、比较滑移与孪晶塑性变形的主要特点

４、比较单晶与多晶金属塑性变形的特点

５、何谓加工硬化、固溶强化、细晶强化与粒子强化（弥散强化、沉淀强化）？从位错理论出发简述其强化的微观机制。

６、画出ＦＣＣ金属单晶体的典型加工硬化曲线，简述该曲线三个阶段的基本特征及其位错机制，分析晶体位相、晶体结构等因素对单

晶体加工硬化曲线的影响。

７、简述金属塑性变形后的组织与性能变化

８、写出Hall-Petch关系式。简述金属材料的细晶强韧化机理。

变形金属的回复与再结晶

１、再结晶、二次再结晶、动态回复与动态再结晶、形变织构与再结晶织构、冷加工与热加工

２、试述冷变形金属加热过程中（回复、再结晶过程中）组织结构及性能变化情况。

３、试述影响再结晶过程及再结晶晶粒度的主要因素；简述回复过程及再结晶形核的微观机制

４、A、B三种金属在室温下塑性变形，变形后发现Ａ具有纤维状晶粒且其亚结构为位错胞，Ｂ具有细小的等轴晶组织，试分析其原因。５、简述固态相变的分类方法。

６、与凝固过程相比，试述金属固态相变的主要特点

７、简述扩散性相变的动力学特点

８、以Al-4.5%Cu合金为例，简述过饱和固溶体时效（沉淀析出）过程的一般特点、时效过程中组织结构的变化及其对性能的影响

９、简述马氏体相变的基本特征

１０、综合运用物理冶金原理，试述细化金属材料晶粒的基本方法及机理。