2017年哈尔滨工业大学相图与相变之材料科学基础复试实战预测五套卷
● 摘要
一、名词解释
1． 扩展位错
【答案】一个全位错分解为2个Shockley 不全位错，这样的2个Shockley 位错一起被称为扩展位错。
2． 再结晶退火
【答案】再结晶退火是指经过塑性变形的金属，在重新加热过程中，当温度高于再结晶温度后，形成低缺陷密度的新晶粒，使其强度等性能恢复到变形前的水平，但其相结构不变的过程。
二、简答题
3． 解释施主态、受主态和受主能级。
【答案】非晶态半导体与晶态相比较，其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体的电学和光学性质有着重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃，这两类非晶态半导体的缺陷有着显著的差别。
非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子，正常情况应与近邻的四个桂原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键，在中性悬挂键上有一个未成键的电子。
悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，一个能级不被电子占据时呈中性，被电子占据时带负电，则被称为受主能级。一个能级被电子占据时呈中性，不被电子占据时带正电，则被称为施主能级。
半导体掺施主或受主杂质时会在禁带内引入杂质能级。施主杂质引入施主能级，受主杂质引入受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况，两个电子间的库仑排斥作用，使得受主能级位置高于施主能级，称为正相关能。施主能级重要分布于高于费米能级的能带，受主能级重要分布于低于费米能级的能带。
4． 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
5． 简述回复再结晶退火时材料组织和性能变化的规律；为何实际生产中常需要再结晶退火？
【答案】（1）回复再结晶时材料组织变化：该退火过程主要分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。在回复阶段，由于发生大角度晶界迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是在畸变度大的趋于产生新的无畸变晶粒核心，然后逐渐消耗周围的变形机体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。最后，在表面晶界能的驱动下，新的晶粒互相吞食长大，从而得到在该条件下一个比较稳定的尺寸。
（2）回复再结晶时材料性能变化：在回复阶段，由于金属仍保持很高的位错密度，所以强度和硬度变化很小，但是再结晶后，位错密度显著降低，从而导致强度与硬度明显下降；回复阶段，由于晶体点阵中点缺陷的存在，使电阻明显下降，电阻率明显提高；回复阶段，大部分或全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力则只有通过再结晶方可全部消除；回复前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大；变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧増高。
6． 空间点阵和晶体结构有何区别? 常见金属晶体结构中有哪一种不属于空间点阵? 为什么？
【答案】晶体结构是指自然界中由原子、分子、离子与空间点阵结合而成，实际存在的固体结构。而空间点阵是指阵点在空间呈规律分布，并且每个阵点都具有完全相同的物质环境和几何环境。这样，自然界中的晶体可以抽象为七大晶系14种布拉菲点阵。晶体结构相同的物质，其空间点阵可能不同；同样的空间点阵不同的物质，其晶体结构也可能相同。
密排六方不是空间点阵，原因是不满足几何环境相同的条件。
7． 画出相图。
【答案】如图所示。
图