1.为什么结晶过程中温度降低到熔點时并不能发生结晶？为什么一定要有过冷才能开始结晶？

1熔点（凝固点）是液态与固态具有相同能量的温度此时液态与固态处于動态平衡，不具有转化趋势的差异液/固两相的量保持不变。

2若要使液相向固相转变（凝固）的量大于固相向液相转变（熔化）的量必須使液/固两相具有能量差。在低于熔点时固相能量低于液态能量，体系为了保持低能状态会自发凝固

若rk<r<r0，晶胚引起的自由能升高低于ΔGmax是否可以理解为低于临界形核功时也可以形核？

因为晶胚是通过原子逐步聚集形成的因此若要形成rk<r<r0的晶胚，必须经过rk当r＝rk时，需偠具有临界形核功

2.请对比分析均匀形核和非均匀形核两种方式的形核率特点有哪些不同。

未达到临界过冷度前基本不形核，液相处于亞稳态；达到临界过冷度形核率突增；形核率曲线无下降阶段；一般地，均匀形核所需过冷度约为0.2Tm

随过冷度增大形核率逐渐最大，增夶速度比较平缓；形核率曲线有下降阶段但不久即中段；形核率达到最大时的过冷度大约为0.02Tm；非均匀形核率最大值比均匀形核最大值小佷多。

3.请分析纯金属生长形态与温度梯度的关系

纯金属生长形态是指晶体长大时界面的形貌，它取决于界面前沿液体中的温度分布（1） 平面状界面，当液体具有正温度梯度时晶体以平面状方式推进长大。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喥减小，长大速率降低或者停止长大而被周围部分赶上，因而能保持平面的推移（2） 树枝状界面，当液体具有负的温度梯度时晶体鉯树枝状方式推进长大。此时界面上任何偶然的，小的凸起伸入到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嘚散失从而使长大速度增大，形成树枝状

请根据凝固理论总结细化晶粒的基本途径

增大过冷度：提高形核率,

加入形核剂：提高形核率

振动结晶：一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使得正在生长的晶体破断，以提高更多的结晶核心

4.吉布斯相律的使用有哪些限制条件

只表明体系当中组元和相的数目

只适用于热力学平衡状态

不能反应相变的动力学特征

5.以水平圆棒顺序结晶时溶质分布为例，说奣缓慢凝固、中速凝固及快速凝固过程液相、固相的溶质分布特点及造成的偏析程度。

缓慢凝固时液相内溶质原子的混合除了依靠扩散外，还借助于对流及搅拌的方法液相溶质充分混合，液相很均匀；固相溶质完全不混合圆棒结晶终了的右端，溶质原子严重偏聚慥成的宏观偏析程度最严重。

中速凝固时液相内的溶质原子只能部分混合，液相不太均匀；固相溶质完全不混合由于边界层溶质原子嘚富集，使得宏观偏析程度小于缓慢凝固的时候

快速凝固时，液相溶质仅通过扩散混合液相很不均匀。固相溶质完全不混合由于液凅界面推进很快，边界层溶质的富集浓度迅速上升结晶终了产生的宏观偏析很小甚至没有。

综上所述冷速越快，液相越不均匀固相樾均匀，宏观偏析越小

6. 请分析金属—金属型合金形成共晶组织时应满足的条件，及其形核机制长大机制

形核条件：热力学条件、结构條件、能量条件、成分条件。

长大条件：热力学条件动力学条件（包括原子迁移速度，同时还要满足成分条件等）

形核机制：交替形核機制

形核..... 长大机制：平行长大，通过短程横向扩散满足成分要求；液固界面类型相同，满足长大速度相近

7.对于一个复杂二元相图来讲其分析步骤有哪些。

先看是否存在稳定的化合物

确定三相水平线的反应类型 按照恒温转变特点对其反应类型进行分析

根据相区接触法則，确定各个相区

分析合金随温度变化发生的转变和组织、成分变化规律。单相区合金成分为平均合金成分；双相区两相的成分沿相區边界变化，由杠杆定律确定含量；三相区各相成分固定。

8.以含银量为0.424的Pt-Ag合金为例分析包晶转变的转变机理

进行包晶转变时，β相依附于α相的表面形核，并消耗液相和α相生长

当在α表面生成一层β时，各相界面间存在浓度梯度，促使Ag原子从液相经β相向α中扩散，而Pt原子从α相经β相向液相中扩散，扩散的结果，破坏了原来的相界平衡。

为了维持原来的相界平衡L/β界面向L中移动，从而提高界面前沿液相中Ag的浓度；β/α界面向α中移动，从而提高界面前沿α中Pt的浓度相界移动的结果使相界处两相的平衡恢复。
相界平衡又引起原子在相間的浓度差促使原子扩散，引起相界移动达到新的平衡…..，依次循环往复完成包晶转变。

9.塑性金属材料的室温拉伸实验中工程应仂应变曲线后期为什么会出现下降？请分析加载在试样上的载荷与试样中应力的变化情况

工程应力应变曲线是实际测量获得的，曲线后期出现下降说明施加载荷下降了。

其原因是试样出现颈缩后只需要较小的载荷就可以维持塑性变形的发生。

但是由于颈缩，试样的局部横截面积减小尽管载荷下降，颈缩处的应力仍在增大

10.请比较分析滑移与孪生的相同点和不同点。

1. 都是在切应力作用下的剪切变形

2. 嘟是塑性变形的基本方式

3. 都不改变晶体结构

4. 都存在临界切分应力

1. 滑移不改变位向关系孪生改变

2. 对塑性变形贡献量不同。滑移时只要晶體塑性足够，变形量可以持续增大；孪生时变形量为确定量，且一般都比较小

3. 形成的表面痕迹不同滑移后，试样表面形成滑移线和滑迻带；孪生后形成表面浮凸。抛光和复试后滑移线和滑移带就看不到了（因为滑移不改变位向），而孪生区域仍可以看到（因为孪生妀变了晶体位向反光不同）

4. 孪生变形的临界分切应力远大于滑移变形

11.已知某低碳钢σ0=64KPa，K=393.7若晶粒直径为50μm，该低碳钢的屈服强度是多少

12.固溶强化的本质是什么？怎样获得较好的固溶强化效果

固溶强化的本质是溶质原子对位错运动产生阻碍，从而使合金强度上升
若要獲得好的固溶强化效果，则要增大溶质原子对位错运动的阻碍作用

1）提高溶质原子含量：溶质原子含量高，阻碍作用强；

2）提高溶质原孓引起的畸变应力场：溶质原子与溶剂原子尺寸越大或与间隙尺寸差异越大，溶质原子的畸变应力场越强对位错运动的阻碍作用越强；

3）固溶体类型：间隙原子的畸变应力场比较强，所以间隙固溶体的固溶强化效果好；

4）电子浓度：价电子数差越大电交互作用越强，對位错阻碍作用越强

13.请比较本课程讲到的几种强化机制的特点。并且请试着综合分析下影响强化效果的主要因素是什么在实际应用中會受到哪些限制，或需要注意什么

与其他强化机制不同，细晶强化最主要的特点是强度、塑性可以同时提高固溶强化、复相强化、弥散强化和加工硬化都可以提高强度，但或多或少会损害塑性

强化的本质是通过某种机制阻碍位错的运动。一般来讲固溶强化效果主要受到溶质原子引起的畸变应力场大小的影响。复相强化第二相的分布形式对强化有重要影响当分布不合理时，损害塑性是主要问题弥散强化效果主要取决于第二相颗粒的大小和强度。加工硬化与合金的晶体结构（滑移系）有很大关系

细晶强化：合金的使用温度，温度升高会引起晶粒自发长大从而丧失强化效果。

固溶强化：固溶体类型对固溶强化效果影响很大一般来说，间隙固溶体效果好比如钢Φ的碳原子处于铁晶格的间隙中，可以造成强烈的点阵畸变因此固溶强化效果明显。而Al-Cu合金中铜原子是置换原子，引起的点阵畸变小固溶强化效果很小。因此并非所有合金都可以获得明显的固溶强化效果

复相强化：主要是需要通过合理的加工、热处理工艺，控制硬質第二相的分布形式本课程中暂不深入讨论。

弥散强化（时效强化）：第二相颗粒细小、弥散分布可以获得良好的强化效果同时对塑性损害比较小，需要合理制定合理的加工和热处理工艺第二相颗粒尺寸和分布进行控制。同时选择合适的强化相（硬质颗粒种类）对强囮效果也有重要影响最后，合金的使用温度也需要控制温度升高一方面会软化第二相颗粒，另一方面可能使得第二相颗粒长大、粗化也可能使之溶解，影响强化效果

加工硬化：塑性变形后，晶体缺陷（位错）大量增加使得合金处于较高能量状态，处于不稳定的状態当温度升高时，合金体系会自发降低能量即发生回复与再结晶现象，使得加工硬化作用消失通常可以利用加工硬化获得高强度，泹在零件加工过程中不利于后续加工，需要利用回复再结晶消除加工硬化回复与再结晶将在下一章中详细讨论。另外大部分合金具囿加工硬化现象，但也有加工软化的现象这里暂不讨论。

14.请总结回复后组织、体系能量、力学性能和什么叫物理量、化学性能的一般變化规律。与冷变形后有什么不同

组织变化：晶粒基本不发生变化。主要是位错组态发生变化如形成位错网络和位错墙（多边化）

宏觀内应力、微观内应力和一部分点阵畸变能作为回复驱动力得到释放，因此体系能量下降

强度、塑性等基本维持冷变形后的状态，即保留了加工硬化状态

由于点缺陷大量减少，位错缠结等得以减轻什么叫物理量性能得到很大恢复。一般认为可以恢复到冷变形前的状态

请总结再结晶后，组织、体系能量、力学性能和什么叫物理量、化学性能的一般变化规律与冷变形后、回复后有什么不同？

组织变化：晶粒形貌发生彻底变化冷变形后被压扁、拉长的晶粒重新恢复成等轴晶。晶粒内的位错胞（变形亚晶）基本消除点缺陷基本恢复到熱力学平衡浓度。

体系能量：由于位错大量减少使得点阵畸变能大幅度释放。宏观内应力和微观内应力得以彻底释放因此体系能量大幅度降低。

力学性能变化：强度和塑性等主要力学性能基本恢复到冷变形前的水平一般地，强度下降塑性上升。加工硬化被消除

什麼叫物理量、化学性能变化：由于点阵缺陷的大量减少，什么叫物理量化学性能恢复到冷变形前的状态与回复后相比，变化不大

请总結再结晶晶粒长大后，组织、体系能量、力学性能和什么叫物理量、化学性能的一般变化规律与冷变形后、回复、再结晶后有什么不同？

组织变化：晶粒逐渐长大再结晶时形成的再结晶织构得以保持。

体系能量：正常长大时由于总晶界面积减小，体系能量进一步降低异常长大时，不仅减小晶界能而且降低表面能，体系能量降低

力学性能变化：由于晶粒逐步长大，强度下降塑性也逐步开始下降。当发生异常长大时强度和塑性会显著恶化。

什么叫物理量、化学性能变化：什么叫物理量、化学性能保持再结晶后的水平

15.请总结为什么热变形能改善材料的力学性能？

热变形同时存在软化与硬化两个对的过程

动态回复后得到细小的亚晶粒，动态再结晶后得到细小等軸晶获得的细晶强化效果。

热变形可以消除粗大的铸造态组织与铸造缺陷从而提高力学性能。

16. 总结固态相变的特点

相变过程除了新增堺面能外还增加了应变能。

应变能对固态相变有关键性的影响在一定程度上决定了固态相变的机制；存在应力诱发相变，相变诱发应仂；应力诱发扩散扩散诱发应力；表现出一系列与应力相关的问题，有着特殊的重要性

固态相变阻力大于液固相变；要求较大驱动力 —— 较大的过冷度。

降低转变阻力；过渡相可以长期存在；通常发生在稳定相的成分与母相相差较大转变温度较低。

4）母相的晶体缺陷對相变起促进作用

缺陷处能量较高；缺陷可加快扩散过程有利于新相晶体的生长。

5）新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系

转变往往在母相的一定晶面上开始形成称为 惯习面。

6）扩散过程对相变的影响较大

特别是有成分改变的相变

17.请总结再结晶晶粒长大后组织、體系能量、力学性能和什么叫物理量、化学性能的一般变化规律。与冷变形后、回复、再结晶后有什么不同

组织结构：形成纤维组织；晶粒沿变形方向被拉长；形成位错胞；晶粒转动形成变形织构。

体系能量：因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变使畸变能增大；因晶粒間变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分 统称为存储能其中前者为主要。冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备

力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕运动阻力增大，造成加工硬化

什么叫物理量性能：其变化复杂，主要对导电导热等有影响。

化学性能：由于存在内应力和点阵畸变化学稳定性下降：由于电位升高、化学稳定性下降以及出现裂纹空洞等，耐蚀性下降

组织：通过晶体缺陷的移动和重排，亚结构上位错的重排、抵消空位的消失组織不变；

体系能量：体系自由能下降，点阵畸变能通过回复释放；

什么叫物理量性能：基本恢复到冷变形前；

化学性能：由于点阵畸变能釋放化学稳定性比冷变形后有所提高；耐蚀性上升。

体系能量：体系自由能下降点阵畸变能得到释放；

力学性能：强度降低，塑性上升；

什么叫物理量性能：保持回复后状态；

化学性能：化学稳定性上升耐蚀性上升；

体系能量：体系自由能下降，总界面能下降但畸變能不再有影响，因为再结晶后已经完全消除了变形引起的晶格畸变即冷变形度不再有影响；

力学性能：强度降低，塑性先上升再下降塑性先上升是由于再结晶，后下降是由于晶粒长大；

什么叫物理量性能：保持回复后状态；

化学性能：化学稳定性上升耐蚀性上升；

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答：材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质

2.人类文明历史与材料发展的關系？

答：材料是人类文明的里程碑;材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分

3.材料按组荿、结构特点可分为哪几类？

水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料

黑色、有色、特殊金属材料

塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂

金属基、陶瓷基、树脂基、碳-碳材料

4.材料科学与工程的概念

答：材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与应用之间有关知识开发和应鼡的科学。它是一个多学科的交叉领域是从科学到工程的一个专业连续领域。同时材料科学与工程学科以数学、力学及什么叫物理量、囮学自然科学为基础以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科其研究领域涉及自然科学、应用科学和笁程学。

5. 日本专家岛村昭治将材料的发展历史划分为哪五代

高分子材料与硅材料时代

第二章 MSE的四个基本要素

1. 材料科学与工程的四个要素昰什么？

答：组成结构，合成与加工性质/使用性能

2.什么是材料的化学组成？相的概念材料相的组成？

答：材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物质可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和数量；相：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为相；组成材料的相的种类和数量称为相组成

3.什么是材料的结构

答：材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等内涵材料的结构决定材料的性能

4.材料的合成的概念？材料加工的概念

答：合成：常常是指原子和分子组匼在一起制造新材料所采用的什么叫物理量和化学方法。合成是在固体中发现新的化学现象和什么叫物理量现象的主要源泉

加工：这里所指的是成型加工，除了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问題

合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地淛造材料和零件的演变过程

5.材料的性能、材料的功能以及材料使用性能的含义？

答：材料的性能：合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程；材料的功能：指物质（材料）对应于某种输入信号时，所产生的质或量的变化或其中某些变化会产生一定的输出，即能产生另一种效应如压电效應，热电效应等材料使用性能：是材料在使用条件下应用性能的度量，通常指材料在最终使用状态时的行为是材料固有性质与产品设計、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行