2017年中山大学S3105021材料科学基础复试仿真模拟三套题
● 摘要
一、名词解释
1． 空间点阵
【答案】为了便于分析研宄晶体中质点的排列规律性，可将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何质点，称之为阵点。这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵。
2． 上坡扩散
【答案】上坡扩散是指原子从低浓度向高浓度处的扩散，扩散的驱动力是化学位梯度。
二、简答题
3． 解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。
【答案】冷变形金属加热时，各自特点如下：
（1）回复过程的特征
①回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。
②回复过程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除。
③回复过程中一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
④变形储能在回复阶段部分释放。
（2）再结晶过程的特征
①组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。
②力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。
③变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力（点阵畸变）清除，位错密度降低。
（3）晶粒长大过程的特征
①晶粒长大。
②引起一些性能变化，如强度、塑性、初性下降。
③伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。
4． 为什么金属材料经过大塑性变形量变形后会形成织构，变形织构的形成对金属材料的力学性能有何影响？
【答案】因为在塑性变形中，随着变形量的増加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向变形方向移动，使多晶体中原来位相不相同的各个晶粒调整到空间位相逐渐趋于一致，这一现象称为择优取向，所以形成了织构。由于织构造成了各向异性，使其沿各个方向变形呈现不均匀性，而强度、
硬度没有太大差别。
5． 根据单相固溶体凝固的一维模型回答下列问题（可以用图解说明）：
（1）为什么在凝固过程中会出现边界层？
（2）分别叙述平衡分配系数和有效分配系数的物理意义；
（3）什么情况下出现正常凝固？什么情况下凝固后的铸锭内成分最均匀？什么情况下最不均匀？ （4）用图解说明出现成分过冷的临界条件，并解释如果是正常凝固会不会出现成分过冷。
【答案】（1）合金凝固时，液态合金因具有低黏度和高密度而存在自然对流，其倾向使液体浓度均匀化；然而正是液体流动时的一个基本特性却部分地妨碍对流作用。当液体以低速流过一根水管时，液体中的每一点都平行于管壁流动，这称为层流。流速在管中心最大，并按抛物线规律向管壁降低，制止管壁处的液体流速为零为止。因此在管壁处总是存在着一个很薄的层流液体的边界层。
（2）如图1（a ）中虚线所示，在边界层以外，通过对流可使液体质量浓度快速均匀化，由于在界面上达到局部平衡可知溶质聚集使
比不存在溶质聚集时快。
平衡分配系数是指随着溶质不断聚集，边界层的浓度梯度也随之增大，于是通过扩散方式穿越边界层的传输速度增大，直至界面处固体中排入边界层中溶质的量与从边界层扩散到对流体中溶质的量相等，聚集才停止。
于是用在平衡凝固时固相与液相中溶质浓度之比表示平衡分配系数如图6-5（b ）所示，
即
有效分配系数是指在平衡凝固时，当边界层建立后, 边界固相侧溶质浓度和边界层
以外的液相区中溶质浓度之比，即图中
迅速上升，必使也迅速上升，因此固体浓度上升要
图1
（3）若时，贝U 出现正常凝固，此时没有边界层，液相内成分完全均匀；当
时，则正常凝固时成分最不均匀。 时，铸锭内成分最均匀；当
（4）如图2虚线所示，当边界层中温度梯度与边液相实际温度即界层浓度分布曲线相切时，是成分过冷的临界条件。当温度分布曲线斜率小于切线斜率时则有成分过冷，反之则没有成分过冷。由于正常凝固要求液固面为平直界面，所以要很慢的凝固速度和溶质质量分数，不在发生成分过
冷区的阴影中，故正常凝固不会发生成分过冷。
图2
6． 在FCC 晶体的滑移面上画出螺型Shockley 分位错附近的原子组态。
【答案】如图所示 。
图 晶体中螺型Shockley 分位错附近的原子组态
7． 金属的加工硬化特性对金属材料的使用带来哪些利弊？
【答案】有利方面：作为提高金属材料强度的一种手段；便于金属材料塑性成形；使金属零件得以抵抗偶然过载。不利方面：使金属难以进一步冷塑性变形。
8． 影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简单说明。
【答案】影响晶态固体中原子扩散的因素主要有：
（1）温度。温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，有利扩散，对固体中扩散型相变、晶粒长大，扩散速率越快。
（2）晶体缺陷。晶体通过短路扩散即原子沿点、线、面缺陷扩散速率比沿晶内体扩散速率大，而
沿面缺陷的扩散（界面、晶界）原子规则排列受破坏，产生畸变，能量高，所需扩散激活能最低。
低温下明显，高温下空位浓度多，晶界扩散被晶内扩散掩盖晶粒尺寸小，晶界多，扩散系数明显增加。
（3）晶体结构的影响。同素异晶转变的金属中，扩散系数随晶体结构改变，例
如
致密度低，且易形成空位。
（4）固溶体类型。间隙原子扩散激活能小于置换式原子扩散激活能，缺位式固溶体中缺位数多，扩散易进行。