答案-材料科學(xué)基礎(chǔ).doc

1、形變強(qiáng)化 形變強(qiáng)化：隨變形程度的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強(qiáng)化或加工硬化。 機(jī)理：隨塑性變形的進(jìn)行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運(yùn)動時的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結(jié)等障礙，使位錯運(yùn)動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強(qiáng)度。 規(guī)律：變形程度增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據(jù)公式Δσ=αbGρ1/2，可知強(qiáng)度與位錯密度（ρ）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強(qiáng)化效果越顯著。 方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。 形變強(qiáng)化的實際意義（利與弊）：形變強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強(qiáng)化的材料可以用形變強(qiáng)化的方法提高材料的強(qiáng)度，可使強(qiáng)度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等；形變強(qiáng)化還可提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或過載現(xiàn)象時，使該處產(chǎn)生塑性變形，因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強(qiáng)化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩，變形使強(qiáng)度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來困難，中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火，增加生產(chǎn)成本。 2、固溶強(qiáng)化 隨溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體的強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化機(jī)理：一是溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運(yùn)動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對位錯起釘扎作用，增加了位錯運(yùn)動的阻力；三是溶質(zhì)原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴(kuò)展位錯的運(yùn)動。所有阻止位錯運(yùn)動，增加位錯移動阻力的因素都可使強(qiáng)度提高。 固溶強(qiáng)化規(guī)律：①在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強(qiáng)化作用越大；②溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差越大，強(qiáng)化效果越顯著；③形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素；④溶質(zhì)原子與溶劑原子的價電子數(shù)差越大，則強(qiáng)化作用越大。 方法：合金化，即加入合金元素。 3、第二相強(qiáng)化 鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。 ①網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀Fe3C，降低的鋼機(jī)械性能，塑性、韌性急劇下降，強(qiáng)度也隨之下降； ②第二相為片狀分布時，片層間距越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性也越好。符合σs=σ 0＋KS0-1/2的規(guī)律，S0片層間距。 ③第二相為粒狀分布時，顆粒越細(xì)小，分布越均勻，合金的強(qiáng)度越高，符合Gb的規(guī)律， λ粒子之間的平均距離。第二相的數(shù)量越多，對塑性的危害越大； ④片狀與粒狀相比，片狀強(qiáng)度高，塑性、韌性差； ⑤沿晶界析出時，不論什么形態(tài)都降低晶界強(qiáng)度，使鋼的機(jī)械性能下降。 第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。 方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態(tài)及分布。 4、細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)化晶粒不但可以提高強(qiáng)度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強(qiáng)化材料的方法。 機(jī)理：晶粒越細(xì)小，位錯塞集群中位錯個數(shù)（n）越小，根據(jù)0n，應(yīng)力集中越小，所以材料的強(qiáng)度越高。 細(xì)晶強(qiáng)化的強(qiáng)化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細(xì)，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式σs=σ0＋Kd-1/2晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強(qiáng)度（σs）越高。 細(xì)化晶粒的方法：結(jié)晶過程中可以通過增加過冷度，變質(zhì)處理，振動及攪拌的方法增加形核率細(xì)化晶粒。對于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細(xì)化晶粒?？梢酝ㄟ^正火、退火的熱處理方法細(xì)化晶粒；在鋼中加入強(qiáng)碳化物物形成元素。 2.簡述絕緣體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)有什么不同？ 答：量子力學(xué)計算表明，晶體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,在晶體中就變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。 對于金屬、絕緣體和半導(dǎo)體來說，因其導(dǎo)電性不同，所以其能帶結(jié)構(gòu)也不相同。在絕緣體結(jié)構(gòu)中0K時“價帶”已被全部占據(jù)，導(dǎo)帶是全空的，因而價帶中的電子于無法進(jìn)行電荷運(yùn)輸，因為價帶中沒有空能級。導(dǎo)帶中雖有空能級但無電子，因而也不可能進(jìn)行電荷運(yùn)輸；半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相仿，但其禁帶寬比絕緣體小得多．例如Si為1.1eV，而金剛石為5eV。這一較小的禁帶寬度使價帶中的電子能較容易地在熱或光的作用下激發(fā)到高能帶即導(dǎo)帶中而起導(dǎo)電作用；金屬的能帶結(jié)構(gòu)又不同，能帶或是重疊，或是半填滿。固而在一個能帶內(nèi)總是既有電子又有空能態(tài)，電子在電場作用下便能自曲地運(yùn)動，從而導(dǎo)致很高的導(dǎo)電性。 3. 簡述固態(tài)相變與液固相變在形核，長大規(guī)律方面有何特點(diǎn) 從熱力學(xué)角度來說，固態(tài)相變與液固相變相比，一些規(guī)律是相同的，其共同點(diǎn)是：相變驅(qū)動力都是新舊兩相之間的自由能差；相變都包含形核與長大兩個基本的過程。 而二者在相變特點(diǎn)上的區(qū)別在于固態(tài)相變的母相為固體，其具有確定形狀、有較高切變強(qiáng)度、內(nèi)部原子按點(diǎn)陣規(guī)律排列，并且不同程度地存在著成分不均勻的結(jié)構(gòu)缺陷。相變以晶體為母相，必然與液固相變相比存在一系列新的特征。具體表現(xiàn)在以下幾方面： (1) 相變驅(qū)動力來源于兩相自由能之差，差值越大，越有利于轉(zhuǎn)變的進(jìn)行。 界面能增加 相變阻力大 額外彈性應(yīng)變能：比體積差 擴(kuò)散困難（新、舊相化學(xué)成分不同時） 固態(tài)相變與固液相變相比，相變阻力更大是因為多出了一項應(yīng)變能和擴(kuò)散更難進(jìn)行。 (2) 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系；新相的某一晶面和晶向分別與母相的某一晶面、晶向平行。 (3) 慣習(xí)現(xiàn)象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成( 沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界面 )。通過降低界面能和應(yīng)變能而減小相變阻力是慣習(xí)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。 (4) 母相晶體缺陷促進(jìn)相變：固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷，如位錯、空位、晶界和亞晶界等。母相中存在缺陷，由于缺陷周圍有晶格畸變，自由能較高，在此處形成同樣大小的晶核比其他區(qū)域獲得更大的驅(qū)動力，新相晶核往往優(yōu)先在這些缺陷處形成。母相晶粒越細(xì)小，晶界越多，晶內(nèi)缺陷越多，形核率越高，轉(zhuǎn)變速度越快。 (5) 易出現(xiàn)過渡相：過渡相是一種亞穩(wěn)定相，其成分和結(jié)構(gòu)介于新相和母相之間。因為固態(tài)相比阻力大，原子擴(kuò)散困難，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低，新、舊相成分相差較遠(yuǎn)時，難以形成穩(wěn)定相。過渡相是為了克服相變阻力而形成的一種協(xié)調(diào)性的中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。通常是現(xiàn)在母相中形成與母相成分接近的過渡相，然后在一定條件下由過渡相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡茏畹偷姆€(wěn)定相。 3-21Al2O3在MgO中形成有限固溶體，在低共熔溫度1995℃時．約有18wt％Al2O3溶入MgO中，假設(shè)MgO單位晶胞尺寸變化可忽略不計。試預(yù)計下列情況的密度變化。1）Al3+為填隙離子；2）Al3+為置換離子。 解：（a）Al3+為填隙離子： 缺陷反應(yīng)為：?。?） 固溶式分子式： （b）Al3+為置換離子： 缺陷反應(yīng)為：（2） 固溶式分子式：（3） 取100g試樣為基準(zhǔn)：（為摩爾數(shù)） （m為摩爾數(shù)） ∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式為： 2.035MgO0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563（4） （4）式各項除以2.563得Mg0.794Al0.137O（5） 由（5）式得x=0.137代入（2）（3）式， 對（a）有 即 （b）有 設(shè)：固溶前后晶胞體積不變，則密度變化為： （，分別代表固溶前后密度） 所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。 9-4馬氏體相變具有什么特征？它和成核－生成相變有何差別? 解：馬氏體相變是替換原子經(jīng)無擴(kuò)散切變位移(均勻或不均勻)并由此產(chǎn)生形狀改變和表面浮凸、曾不變平面應(yīng)變特征的一級形核、長大的相變。 特征：具有剪切均勻整齊性、不發(fā)生原子擴(kuò)散、相變速度快、相變有一定范圍、有很大的切變型彈性應(yīng)變能。 成核－生長過程中存在擴(kuò)散相變，母相與晶相組成可相同可不同，轉(zhuǎn)變速度較慢，無明顯的開始和終了溫度。 10-25影響燒結(jié)的因素有哪些？最易控制的因素是哪幾個？ 解：（1）粉末的粒度。細(xì)顆粒增加了燒結(jié)推動力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，從而導(dǎo)致燒結(jié)過程的加速。 （2）外加劑的作用。在固相燒結(jié)中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進(jìn)缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)（如粘度，組成等），促進(jìn)燒結(jié)。 （3）燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)合也越牢固，離子擴(kuò)散也越困難，燒結(jié)溫度越高。保溫時間：高溫段以體積擴(kuò)散為主，以短時間為好，低溫段為表面擴(kuò)散為主，低溫時間越長，不僅不引起致密化，反而會因表面擴(kuò)散，改變了氣孔的形狀而給制品性能帶來損害，要盡可能快地從低溫升到高溫，以創(chuàng)造體積擴(kuò)散條件。 （4）鹽類的選擇及其煅燒時條件的影響：鹽類的選擇：用能夠生成粒度小、晶格常數(shù)較大、微晶較小、結(jié)構(gòu)松弛的MgO的原料鹽來獲得活性MgO，其燒結(jié)活性良好。煅燒時條件：煅燒溫度愈高，燒結(jié)活性愈低的原因是由于MgO的結(jié)晶良好，活化能增高所造成的。 （5）氣氛的影響：氧化，還原，中性。 （6）成形壓力影響：一般說成型壓力越大顆粒間接觸越緊密，對燒結(jié)越有利。 除上述六點(diǎn)以外，還有生坯內(nèi)粉料的堆積程度、加速熱度、保溫時間、粉料的粒度分布等。 8-7由Al2O3和SiO2粉末形成莫來石反應(yīng)，由擴(kuò)散控制并符合揚(yáng)德方程，實驗在溫度保持不變的條件下，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行1h的時候，測知已有15％的反應(yīng)物發(fā)生了反應(yīng)。（1）將在多少時間內(nèi)全部反應(yīng)物都生成產(chǎn)物？（2）為了加速莫來石的生成，應(yīng)采取什么有效措施？ 解：（1）由楊德爾方程，得 反應(yīng)完全(G=1)所需的時間為h （2）可以采用一切有利擴(kuò)散的因素來加速莫來石的生成：減小粒度，采用活性反應(yīng)物(如Al2O33H2O)，適當(dāng)加壓等等 研究晶體的意義 　　1、物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由共結(jié)構(gòu)決定的，所以結(jié)構(gòu)化學(xué)包括結(jié)晶化學(xué)，是研究和解決許多化學(xué)問題的指南。 　　2、由于晶體內(nèi)的粒子排列得很有規(guī)則，所以晶態(tài)是測定化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)最切實易行的狀態(tài)，分子結(jié)構(gòu)的實際知識（如鍵長、鍵角數(shù)據(jù)）的主要來源是晶體結(jié)構(gòu)。 　　3、它們是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的支柱。 　　4、晶體學(xué)和結(jié)晶化學(xué)是固體科學(xué)和材料科學(xué)的基石。 高分子材料的發(fā)展趨勢 高分子材料正向功能化、智能化、精細(xì)化方向發(fā)展，使其由結(jié)構(gòu)材料向具有光、電、聲、磁、生物醫(yī)學(xué)、仿生、催化、物質(zhì)分離及能量轉(zhuǎn)換等效應(yīng)的功能材料方向發(fā)展，分離材料，智能材料，貯能材料，光導(dǎo)材料，納米材料，電子信息材料等的發(fā)展表明了這種發(fā)展趨勢，與此同時，在高分子材料的生產(chǎn)加工中也引進(jìn)了許多先進(jìn)技術(shù)，如等離子體技術(shù)，激光技術(shù)，輻射技術(shù)等。而且結(jié)構(gòu)與性能研究也由宏觀進(jìn)入微觀，從定性進(jìn)入定量，從靜態(tài)進(jìn)入動態(tài)，正逐步實現(xiàn)在分子設(shè)計水平上合成并制備達(dá)到所期望功能的新型材料。同時，隨著各項科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，高分子材料學(xué)科、高分子與環(huán)境科學(xué)等理論實踐相得益彰，材料科學(xué)和新型材料技術(shù)是當(dāng)今優(yōu)先發(fā)展的重要技術(shù)，高分子材料已成為現(xiàn)代工程材料的主要支柱，與信息技術(shù)，生物技術(shù)一起，推動著社會的進(jìn)步。 二、金屬材料的現(xiàn)狀 金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。當(dāng)前，金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。黑色金屬材料又稱為鋼鐵材料，包括工業(yè)純鐵、鑄鐵、碳鋼材料，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金不銹鋼等鋼材。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金材料。有色金屬材料是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金材料，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬材料等，有色合金材料的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬材料高，并且具有電阻大、電阻溫度系數(shù)小的特點(diǎn)。特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復(fù)合材料等。同時，我們也形成了對金屬材料研究的一系列系統(tǒng)方法。把金屬的表面磨光拋光,然后放在酸中浸蝕、在顯微鏡下即可觀察不同的花樣也就是顯微組織結(jié)構(gòu)，從而研究金屬的性能形成了金相學(xué)。金相學(xué)的出項幫助人們揭示金屬材料微觀的奧秘。X射線的出現(xiàn)及應(yīng)用于觀察金屬中原子的排列促使人們了解各種金屬中原子在空間分布的規(guī)律，加深了人們對金屬的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識通過金相和X光衍射等手段，人們對金屬材料的成分、顯微組織結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)了許多規(guī)律，解釋了大量過去不可思議的現(xiàn)象，奠定了金屬材料科學(xué)的基礎(chǔ)，并大大推動了合金鋼及熱處理等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 三、金屬材料的未來 當(dāng)下社會，金屬材料在人類社會中的地位受到了前所未有的挑戰(zhàn)。一方面是高分子材料和陶瓷材料對傳統(tǒng)金屬材料造成沖擊。首先是高分子材料。高分子材料尤其是工程塑料，從性能到應(yīng)用的許多方面已能和傳統(tǒng)的金屬材料相抗衡，加上其原料豐富、價格便宜、產(chǎn)量驚人，已經(jīng)迅速崛起。其次是陶瓷材料，陶瓷材料在現(xiàn)代電子工業(yè)中占有異常重要的地位。另一方面金屬材料自身對能源、資源和環(huán)境三方面造成的消耗很大。金屬材料經(jīng)過數(shù)千年的發(fā)展，某些主要的金屬礦產(chǎn)資源日漸緊張、高質(zhì)量的金屬礦產(chǎn)很快減少、低質(zhì)量的礦物使能源消耗和成本增加，這些都使金屬工業(yè)成為能源的最重要消耗者，同時也是嚴(yán)重的環(huán)境污染者?；谝陨系脑?，金屬材料的發(fā)展可以在以下兩個方面進(jìn)行： 一是對已有的金屬材料要最大限度地提高它的質(zhì)量，挖掘它的潛力，使其產(chǎn)生最大的效益。這要求金屬材料的制造技術(shù)要有飛躍性的進(jìn)步。冶煉技術(shù)、爐外精煉技術(shù)、鑄造技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、近終形加工成型技術(shù)、熱處理技術(shù)、粉末冶金技術(shù)等傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)，加上微量雜質(zhì)的控制技術(shù)、微量元素的合金化技術(shù)、高純凈度低偏析技術(shù)等的發(fā)明，都使金屬材料煥發(fā)了第二春。 二是希望金屬材料能夠開拓出新的功能，以適應(yīng)更高的使用要求。如鈦合金的記憶性以及生物親和性等，都是傳統(tǒng)金屬材料在未來發(fā)展的新方向。