材料科学基础复习资料(3)

8：图2-17（b）中，下面的两个原子如果移到右侧，则形成的“沟槽”不再是[121]方向，而是[011]。请问此时的位错是什么类型的？

答：此时，是混合位错，因为此时位错线与柏氏矢量既不平行也不垂直。

P29：1：对于图2-20中的两类弗兰克位错，当晶体处于高温时，分别会发生怎样的变化？ 答：高温时晶体内空位浓度高，会出现正攀移现象，使位错线向后移动，半原子面逐渐消失；（等效于抽去了一层，将会在原位置留下一个排列错误：A CABC）

2：图2-22中间有4个分位错，它们分别是什么类型的？

答：它们是肖克莱位错，也是混合位错。

P35：3：既然面心立方晶体的(111)面的表面能最低，为什么表面包含一定的（100）面，而不完全由（111）面组成？

答：这是因为，总表面能=单位面积表面能×表面面积；虽然（100）面单位面积表面能高于（111）面，但引入一定量的（100）可以降低表面面积，可使总能量降低。

5：对于金属铝，它的固液界面能与固气界面能哪个更大一些？为什么？

答：它的固气界面能更大，因为液体的致密度大于气体，因此液体分子粘附在表面的数量多于气体分子，表面能量下降得更多，因此固气界面能更大。

6：讲义中说：“与其他界面能相比，表面能的数值是比较高的。同时，表面又是暴露在外的，所以晶体的表面极容易被其他物质（甚至是气体）污染。（1）：为什么表面能高就易被污染？（2）：强调“甚至是气体”是什么意思？ 答：（1）：因为晶体表面有断键，处在不稳定状态，且与其他物质结合可以使能量下降； （2）：气体是十分稳定的，不易与其他物质结合；强调的目的是说明表面易被污染。

8：与金属晶体相比，金属非晶体的表面能是高还是低？为什么？

答：非晶体的表面能低；这是因为，表面由于断键，其结构会进行重排，因此晶体和非晶体的表面能量是相同的；又因为非晶体内部能量高于晶体，所以形成表面能量的升高量是非晶体更低。

P40：4：图2-31（P38）左上角为：1.6J/m2—γ0（铜表面氢气气氛中）。请对这些数据、文字给予解释，如1.6J/m2是代表什么？为什么指明是“氢气氛中”？

答：代表：每生成1m2表面，能量上升1.6J；指明“氢气氛中”，是因为晶体的表面能量高，易与其他物质结合导致能量变化，指出其表面状态可消除这一变量。而且，氢气最有活性，影响最小。

8：典型的金属大角度晶界能在0.32J/m2（铝）到0.87J/m2（镍）之间。试说明为什么镍的晶界能大于铝。

答：因为大角度晶界能主要取决于熔点，而镍的熔点高于铝，因此镍的晶界能大于铝。

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P43：1：说明图2-35会自发转换为图2-36（P42）。注意共格条件：<0.05。

答：图2-35中β部分整体偏移了标准状态，应变能较大；图2-36与图2-35相比，偏移标准状态的区域和程度明显减小，所以转换会使系统应变能降低，所以图2-35会自发转换为图2-36

2：对于图2-4（a）可以忽略应变能，即相界面能只与相界面上的结合键变化有关。该图中的相界面能就是黑白原子之间的结合能吗？ 答：不是，相界面能是形成相界面能量升高的量。

3：接上，能对上问中图黑白原子间的相互作用做出判断吗？ 答：Ω>0,因为这样才能形成偏聚，出现相界面。 P44:

1：间隙固溶体中的界面偏析是否一定是正的(即界面溶质浓度高于体内)，为什么？

答：是，因为界面上空隙比晶体内大，因此间隙原子偏析至晶面可降低体系应变能。因此间隙固溶体中的界面偏析一定为正。

2：对于置换固溶体，界面平衡偏析是否一定为正？请从结合键能与应变能两个方面给予分析。

答：不一定；对于置换固溶体，溶质向界面析出导致A-B键的数量减少，而A-A、B-B键数量增加。因此当Ω<0时，界面平衡偏析可使结合能升高；

3：对于小角度晶界与大角度晶界，哪一个更容易形成平衡偏析？为什么？

答：大角度晶界更易形成平衡偏析；因为大角度晶界相对于小角度晶界晶格畸变量更大。

4：对于三类相界面（共格、半共格、非共格），当存在间隙原子时，哪一种相界面最容易形成平衡偏析？为什么？

答：非共格相界更容易引发平衡偏析；因为非共格相界的晶格畸变量最大。

5：Bi在多晶体Cu的晶界上偏析会导致Cu变脆，请问变脆的原因。（Bi熔点：271.3℃，其性质非常靠近非晶体元素）

答：首先，Bi的熔点低，说明Bi-Bi键键能较低；其性质靠近非金属元素，说明其具有共价键晶体的特征-脆性；综上，Bi在晶界上偏析使晶粒之间的连接易于破裂。

6：晶界与晶粒内部的过饱和空位会发生相互作用。请问作用结果是？ 答：作用结果是：空位向晶界扩散。

请用一句话概括本章内容：

答：从几何和能量的角度研究实际晶体缺陷及其相互作用。

第五章问题： P2：

2：讲义中说：“气体中的扩散都是下坡扩散，因为气体的Ω?0”，为什么气体的Ω?0? 答：因为气体分子间距离很大，分子间相互作用微弱，可以忽略不计。

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4：规则溶液模型的μB=GB+(1-C)2ZΩ+KBTlnC中，没有考虑应变能。问： （1）：如果固溶体的Ω?0，但原子半径不同造成的应变能必须考虑，此时是否会引起上坡

扩散？为什么？ （2）：表达式中的GB对扩散有无影响？

答：（1）：不会引起上坡扩散，因为上坡扩散使溶质向一处聚集，导致该处点阵畸变大增，系统总能量升高（就像空位对的应变能高于两个单独的空位一样），因此在该情况下不会出现上坡扩散。

（2）：无影响，因为，扩散过程是浓度变化的过程，对上式两侧对CB求偏导,GB是纯B的化学势，因此

?GB=0，该项无影响。 ?C

6：固溶于α-Fe中的碳原子偏析到晶界的过程，是上坡扩散还是下坡扩散？ 答：该过程是上坡扩散。

P8：2：（1）：碳在α-Fe中的D0=2×10-5m2/s，激活能Q=1.4×105J/mol，求870℃及927℃时的扩散系数。（2）：若要铁棒中相同的位置得到相同的碳浓度，870℃渗碳所需时间是927℃的多少倍？ 【】

P10：1：说明Fe3(C,N)中碳为什么能够扩散。注意，Fe3C中的碳不能扩散；

答：Fe3C中的C之所以不能扩散，是基于这样的理解：扩散是浓度的变化过程，Fe3C是纯物质，各组分浓度一定，因此不能扩散；Fe3(C,N)中部分碳的位置被N替换，各部分C、N浓度有了差别，C可以扩散了。

2：α-Fe中碳的扩散系数与Fe3(C,N)中碳的扩散系数，哪一个更高一些？为什么？

答：α-Fe中碳的扩散系数更高，因为α-Fe中的碳是间隙扩散，而Fe3(C,N)中的碳是置换扩散。（作为碳原子，在间隙中时周围都是间隙，但在格点上时周围有空位的机会很少，因此间隙扩散系数大于置换扩散系数，具体在书上第五章P15的公式也可看出，置换扩散式右侧多了恒小于1的一项）

问：关于柯肯达尔效应，写出几个关键词。 答：扩散速度差，标记面移动，空位流；

3：最初，柯肯达尔效应是在纯Cu和ωZn=30%的Cu-Zn合金构成的扩散偶中被发现的。 （1）：试判断用Mo丝制作成的标记物向哪个方向移动，为什么？ （2）：使用Mo丝不仅因为它熔点高，还因为它的空位形成能比Cu与Cu-Zn合金都高

出很多。为什么对Mo的空位形成能有这样的要求？

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（3）：为什么选择纯Cu和ωZn=30%的Cu-Zn合金构成扩散偶？换言之，这种选择对Cu-Zn相图靠Cu的一侧有什么要求？ 答：（1）：会向纯Cu一侧移动，因为Cu的熔点高于Cu-Zn合金； （2）：由于置换扩散微观过程为原子与空位交换位置，空位形成能越高，晶体中空位浓度就越低，越不易发生扩散。加入Mo丝的本意是指示标记面的位置，不应该影响扩散过程。 （3）：因为Cu和ωZn=30%的Cu-Zn合金是在同一相区中（书上图示），这样就不会出现涉及多相的反应扩散，简化了问题。

5：α-Fe中的碳原子会从高浓度向低浓度扩散。你认为扩散的主要动力是熵还是应变能？为什么？

答：我认为是熵，因为扩散速度很大程度上受温度的影响，温度升高扩散速度显著加快，而由G=U-TS，熵的影响随温度升高而增大，所以我认为主要动力是熵。

7：试判断在VC与TiC构成的扩散偶中，是否会发生柯肯达尔效应，为什么？

答：会发生（发生扩散的是V和Ti原子），因为两侧的物质种类不同，扩散系数不同。柯肯达尔效应表现为标记面的移动，实质是空位的单向流动。在该情况下是可以发生的。（离子晶体内的扩散主要是空位参与的置换扩散）

8：间隙化合物（如（Fe、Mn）3C、VC-TIC中，的各原子以什么机制扩散，为什么？

答：以置换扩散的形式扩散，因为Fe、Mn、C、V、Ti均位于晶体的格点上，而不是间隙。

P13：1：对于纯金属，能不能说有空位处的原子化学势高于没有空位处的原子化学势？为什么？

答：不能，因为晶体中有个平衡空位浓度，无论是高是低，偏离平衡浓度时化学势升高。而不是如题所说。

3：与Cu的自扩散相比，晶体Si的扩散系数更小一些吗？为什么？晶体Si与金刚石相比呢？哪一个更大一些？

答：是的，因为Si原子间通过sp3共价键结合，空位出现会导致周围原子处于不稳定状态，因此空位形成能高于Cu；所以Si的扩散系数更小一些。因为金刚石熔点高于Si，因此金刚石空位形成能高于Si，扩散系数更小。

P15：2：用文字解释式（5-26），即指出置换扩散的主要过程是什么？

答：置换扩散的主要过程是原子与空位的位置交换。

3：激活能就是物理化学中的活化能。请比对上面的扩散系数公式与物理化学的阿累尼乌斯公式，以便解释激活能（活化能）的物理含义，如为什么称为“激活”或“活化”？

答：阿累尼乌斯公式：；活化能的物理含义：分子从常态转变为容易发生

化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。

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P17：3：SiC晶体结构与金刚石类似，其熔点在2800℃，Si-C键是典型的共价键。问：铁-碳-硅固溶体中，Si与C之间的结合键还是共价键吗？结合键类型对C的扩散系数有什么影响？

答：在铁-碳-硅固溶体中，Si与C之间的结合键不是共价键，因为Si和C位于铁晶体的间隙，不可能近邻，使电子云重叠。

5：讲义中说：“在927℃下，碳在铁中的扩散系数随碳含量而增加。这是因为，随碳含量的增加，点阵畸变增加，能垒降低。”问：为什么“点阵畸变增加，能垒降低？” 答：因为点阵畸变增加，晶体结构就会变得松散、不稳定，因此能垒降低。（??）

7：当刃位错与螺位错分别作为快扩散通道时，哪一个的扩散系数更大一些？为什么？ 答：刃位错的扩散系数更大，因为刃位错位错线下方晶格常数增大，间隙尺寸增大，间隙原子移动变得容易。

8：非晶合金中的扩散系数与相应的晶态比，哪一个更大一些？为什么？

答：非晶的扩散系数更大，因为相对晶态而言，非晶的排列更松散一些，扩散更为容易；

11：含元素B的Fe如果渗碳，其渗碳速度与不含B的情况相比快还是慢？为什么？ 答：含硼的Fe渗碳速度更慢。因为B容易向Fe晶体的晶界偏析，导致晶界原子排布更为密集，间隙尺寸减小；而碳在晶体中扩散主要是通过晶界、位错这样的快扩散通道，通道被堵塞导致其渗碳速度变慢。

PS：我水平有限，上面的题肯定很多都做错了，如果感到不太对的话一定要找高手或锵讨论??

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