课后思考题答案

第一章

[1]  总结工程材料性能与键合类型的关系？

答：工程材料大致分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。

金属材料主要是以金属键为主。金属键是通过自由电子与正离子之间的库仑引力结合在一起的。金属键键合较强、无方向性。由金属键结合的材料硬度有高有低，导电、导热性好，塑性较好有光泽。

陶瓷材料主要是以共价键和离子键为主。共价键是相邻原子通过共用电子对结合在一起。共价键键合强、有方向性。离子键是阴阳离子通过价电子转移结合在一起的。离子键键合很强、无方向性。陶瓷材料具有高强、高硬度，但塑、韧性较差，熔点很高，在高温下有着极好的稳定性，常用作隔热材料。陶瓷材料也具有良好的绝缘性，因为共价键不导电，而离子键仅在熔态导电。

高分子材料的分子内部以共价键为主，分子间以分子键和氢键为主。分子键是具有极性的分子之间通过静电吸引结合在一起的。分子键较弱，无方向性键。共价键是相邻原子通过共用电子对结合在一起的。共价键键合强、有方向性。高分子材料一般表现为绝缘、熔点低、塑性好。

复合材料：以一种结合键为主，其它结合键或者多种结合键独立存在，可以表现出不同键合的优点；常见的材料有：陶瓷基复合材料、金属基复合材料。以陶瓷基复合材料为例，它是以陶瓷为基底和各种纤维复合而成的材料，在陶瓷材料的原有基础上提升韧性，因而抗疲劳性优于传统的陶瓷材料。

[2]  键合的类型对原子排列方式有何影响？

答：金属键组成的材料一般具有晶体结构，原子规则排列；共价晶体中，原子以一定的角度相邻接，各键之间有确定的方位；依靠离子键排列的原子堆积方式，正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接触时会产生排斥，引力和斥力相等时即形成稳定的离子键，因此原子按长程有序规则排列。分子键和氢键都属于物理键，物理键不影响原子排列但影响物理性质，例如中性分子和惰性气体原子就是靠范德瓦耳斯力凝聚成液体或固体的。

[3]  请总结晶体结构与空间点阵的异同？

答：由实际的原子、分子、离子或各种原子集团，按照一定几何规律的具体排列称为晶体结构。将构成晶体的实际原子、分子、离子等体积忽略，抽象成数学上的几何点，称为阵点或节点。在抽象时，必须使每个阵点周围具有相同的环境，这种由周围环境相同的阵点在空间排列的三维列阵称为空间点阵。

空间点阵是晶体中原子排列的几何抽象，用以描述和分析晶体结构的对称性和周期性。由于各阵点的周围环境相同，因此空间点阵只有14种类型；晶体结构是晶体原子排列的具体表达，因此晶体结构有无数种。

[4]  晶体结构中的小球、空间点阵中的小球分别代表什么？

答：晶体结构中的小球代表实际的原子、分子、离子等；空间点阵中的小球代表数学上的几何点，是一个原子集合群。

[5]  为什么不是每种晶系都有简单、底心、体心、面心结构？

答：在反映对称性的前提下，仅有14种空间点阵。首先，不少于14种，这就是说对于上述14种布拉菲点阵中的任何一种点阵，不可能找到一种连接点的方式能将它的晶胞连接成另一种点阵的晶胞，而仍反映其对称度。其次，如果在某种晶胞的底心、面心或体心放置节点而形成另一种点阵结构，这个新点阵必然属于14种点阵，且不改变其对称度。

[6]  如何表达复杂的晶体结构？

答：利用晶向指数和晶面指数表达复杂晶体结构。晶体结构的复杂主要来自结构基元，所以我们要找准结构基元。

[7]  如何清晰明了地分析、归纳晶体结构、点阵的共同特点？

答：结构单元+点阵=晶体结构

[8]  请写出立方晶系的{123}晶面族和<112>晶向族中全部等价晶面和晶向的具体指数。

答：分别为24和18种。

[9]  如何快速确定晶向族和晶面族包含的各个晶向和晶面？

自己总结的

答：大致分为5种

不带0、不重复【（123）晶面】

1个0、不重复【（120）晶面】有六种不带负号的晶面。

1个0、  重复【（110）晶面】

全部重复的【（111）晶面】有1种不带负号的晶面。

有2个0  【（100）晶面】有三种不带负号的晶面。

【比如：（123）晶面】一共要写出48种晶面，

【比如：（120）晶面】一共要写出24种晶面，

【比如：（110）晶面】一共要写出24种晶面，

【比如：（111）晶面】一共要写出8种晶面，

【比如：（100）晶面】一共要写出6种晶面。

在晶面族中不需要区分正反面。晶向指数类似。

[10]  同一个晶面能否有不同的晶面指数？

答：可以有不同的晶面指数，晶面指数的确定与坐标轴有关，转变坐标轴就可以改变晶面指数。

[11]   六方晶系能否采用常规的直角坐标系？

答：原则上直角坐标系可以适用于任何晶系，但是用三指数表示六方晶系的晶面和晶系有很大的缺点，即晶体学上等价的晶面和晶向不具有类似的指数，因此六方晶系一般用四轴坐标轴表示。

[12]   金属中常见的晶体结构有哪些？请分析其特点？

此处是一个表格

[13]  不全奇偶面，加奇是体心。

   堆垛方向密着堆

   间隙个数、大小砍一半

[14]   为什么fcc和hcp有相同的致密度和间隙？

答：与原子的堆垛方式有关。fcc和hcp都采用密堆积结构，密堆积结构可以看成二维的密排原子面以最密排的方式堆积起来，不同的堆积方式得到不同的结果。hcp采用ABAB…的堆垛次序，fcc采用ABCABC…方式堆积，虽然堆垛方式不一样，但都采用密堆积结构，因此它的致密度、间隙相同。

[15]   fcc与bcc哪一个容纳异类小原子的能力强？

答：fcc容纳异类小原子的能力比bcc强。虽然fcc的四面体（8个）、八面体间隙（4个）数目都比体心立方的间隙数目相对要少，但是面心立方的间隙较大，溶入小原子后产生的点阵畸变小，体系更稳定。

[16]   晶体中一定存在点缺陷吗？

答：晶体中一定存在点缺陷，可能存在线、面缺陷。晶体中的原子在三维空间呈周期性的规则排列，这仅仅是一种理想情况。在实际晶体中，由于晶体的生长条件、原子的热运动及材料加工过程中各种因素的影响，使原子排列不可能那样规则和完善，往往存在着偏离理想结构的区域。通常把晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将它们分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。

a、点缺陷在三维方向上的尺寸很小，相当于原子数量级，如空位、间隙原子等。点缺陷一方面导致畸变，体系自由能升高，这导致热力学不稳定；而排列的混乱度增大，会导致熵值增高，增加体系的稳定性。因此点缺陷具有一定的热力学平衡浓度，这区别于其他晶体缺陷。

b、线缺陷是指各种类型的位错，它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，错排区是细长的管状畸变区。线缺陷的特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸很大。位错类型有刃型位错、螺型位错、混合位错。在材料的塑性变形时，位错对于强度、断裂等起着决定性的作用；位错对扩散、相变等过程也有影响。

c、面缺陷其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很大。晶体的面缺陷包括两类：一是晶体的外表面；二是晶体的内界面。其中内界面又包括晶界、亚晶界、相界、堆垛层错等。面缺陷对金属的物理、化学和力学性能都有着重要影响。

[17]   点缺陷浓度低于或高于平衡浓度，会有什么影响？

答：点缺陷的浓度高于平衡浓度成为过饱和点缺陷，可以使材料的屈服强度提高。点缺陷主要影响材料的物理性能，比如体积、比热容、电阻率等。点缺陷区对传导电子产生强烈散射，导致体积膨胀、电阻率增大、密度减小；过饱和点缺陷还会提高金属的屈服强度；影响其他物理性质，如扩散系数，内耗，介电常数等。点缺陷低于平衡浓度会通过增加空位等维持体系稳定性。

[18]  晶体中还有哪些缺陷？

答：

a、点缺陷在空间三维方向的尺寸很小，相当于原子数量级，如空位、间隙原子等。点缺陷一方面导致畸变，体系自由能升高，导致热力学不稳定；而排列的混乱度增大，会导致熵值增高，会增加体系稳定性。从而具有一定的热力学平衡浓度，这区别于其他晶体缺陷。

b、线缺陷指各种类型的位错，它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，错排区是细长的管状畸变区域，线缺陷其特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸很大。位错对于材料的塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对扩散、相变等过程也有较大影响。

c、面缺陷其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。晶体的面缺陷包括两类：一是晶体的外表面；二是晶体的内界面。其中内界面又包括晶界、亚晶界、孪晶界、相界等。面缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能都有着重要影响。

[19]         请总结位错类型、柏氏矢量的特点

此处是一个表格

[20]    若将位错线正向定义为原来的反向，该位错的柏式矢量是否改变？

答：若将位错线正向定义为原来的反向，该位错的柏式矢量会改变。柏氏回路是以位错线的正向为轴，从远离位错的任一原子出发，围绕位错做一个右螺旋的闭合回路。故由柏氏回路来确定位错的柏氏矢量的方法得知，若将一位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量将会反向。

[21]  若将位错线正向定义为原来的反向，该位错的类型性质是否改变？

答：若将位错线正向定义为原来的反向，由于位错线和柏氏矢量均反向，所以该位错的柏式矢量类型性质不会改变。

[22]   位错是否是热力学平衡缺陷？

答：位错不是热力学平衡缺陷。位错是晶体中原子排列的一种特殊组态，是一种线缺陷。位错密度是反映位错量的指标，数学表达式是ρ=，影响位错密度的因素有很多，比如温度、晶界、其他位错等，显然，位错已经不只是温度的函数了。

[23]    请对比总结位错滑移机制（请总结对比位错滑移特点）

答：对于刃型位错和螺型位错滑移，当位错线沿滑移面滑过整个晶体时，会在晶体表面沿柏氏矢量方向产生一个滑移台阶，其宽度等于柏氏矢量b。在滑移时，刃型位错的滑移方向垂直于位错线且与柏氏矢量平行；刃型位错的滑移面是位错线与柏氏矢量组成的平面，是唯一确定的；螺型位错的滑移方向与位错线和柏氏矢量都垂直，由于位错线与柏氏矢量平行，因此滑移面不唯一；混合位错的滑移方向仍与位错线垂直，但与柏氏矢量既不平行也不垂直，成一定角度。

[24]    位错是否都可以滑移？

答：不是，如果没有与滑移面平行的切分应力τ，则位错无法滑移。

[25]   攀移、交滑移的作用是什么？

答：刃型位错在垂直于其滑移面方向的运动称为攀移。当位错在原滑移面上运动受到阻碍，可通过攀移到新的滑移面上继续滑移。在晶体中，两个或多个滑移面沿着共同的滑移方向同时或交替的进行滑移称为交滑移。如果滑移在原滑移面上受阻，就会产生交滑移，使位错滑移继续。

[26]   刃型位错、螺型位错的应力场有什么特点？

答：刃型位错的应力场特点：

1)    既有正应力也有切应力

2)    与z轴有关的切应力均为零

螺型位错的应力场特点：

1)    仅有与z轴有关的切应力，无正应力

2)    切应力与θ无关，随r增大而减小

3)    化为直角坐标时，仅存在与z轴有关的切应力

[27]  位错线张力的作用是什么？

答：位错的弹性应变能与位错线长度成正比，为了降低体系能量，位错有缩短位错线长度的倾向，从而产生了位错线张力。其作用是使位错线由曲变直，由长变短，降低体系能量。这与表面能和表面张力的关系相似。

[28]  一大一小两个位错环具有相同的力，哪一个更容易运动呢？

答：根据外加切应力公式τmax=可知，每一个位错环都有使其开动的临界分切应力τmax，当τ≤τmax时，位错环处于稳定状态；当τ＞τmax时位错环不再保持稳定状态，会在切应力的作用下不断扩展。由公式可知，位错环半径越小，τmax越大，位错环半径越大，τmax越小。因此，在相同的切应力作用下，半径大的位错环越容易开动。

[29]   请自己分析位错交割的不同情况

答：在晶体塑性变形过程中，任意一条位错线的运动，除了受与其相连接的位错线的阻碍，还受到来自不同滑移面滑移方向的其他位错线的阻碍，因此产生了位错线的交割。如果两个相互垂直刃型位错发生交割，既可能形成割阶也可能形成扭折，还可能形状不变，仅仅发生变长或变短；如果相互垂直的刃型位错和螺型位错发生交割，刃型位错形成割阶，螺型位错形成扭折；如果两个相互垂直螺型位错发生交割，两者都产生割阶。割阶和扭折的大小取决于对方柏氏矢量。对于原位错的影响：扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一起运动，几乎不产生阻力，在线张力的作用下，易于消失。割阶与原位错线不在同一滑移面上，除非割阶产生攀移，否则不能随原位错线一起运动，成为位错的阻碍。

[30]   位错与位错、位错与面缺陷交互作用的共同点是什么？

答：都会影响位错的运动使体系处于低能量态。

[31]   位错的增殖有何作用？对晶体有什么影响？

答：位错增殖使材料中的位错数目或位错密度在运动中不断增多，分别在滑移、攀移过程中起作用；在晶体塑性变形时，位错数量增多，可以提高材料的屈服强度。

[32]   bcc晶体沿着密排面<110>方向堆垛，能否产生层错？

答：能产生层错，但数量很少。堆垛层错也称为层错，是指在实际的晶体中，密排面的正常堆垛顺序有可能发生破坏或者重排。层错是一种晶格缺陷，它会破坏晶体周期的完整性，引起体系能量升高。通常把产生单位面积层错所需要的能量称为层错能。层错几乎不产生点阵畸变，层错能较小。如果某种金属的层错能较小，相对应的层错出现的概率较大。

[33]  实际晶体中的位错有哪些？

答：根据位错柏氏矢量的模与晶向上原子间距的关系可分为全位错和不全位错。全位错是指柏氏矢量的模等于同晶向上原子间距的位错。不全位错是指柏氏矢量的模小于同晶向上原子间距的位错。根据柏氏矢量与位错线的关系可分为刃型位错、螺型位错和混合位错。

[34]   简单立方晶体中能否产生不全位错？

答：不可以，只有全位错。

[35]   请总结肖克莱位错和弗兰克位错的特点？

答：以面心立方为例

面心立方晶体中位于{111}面上的柏氏矢量为<112>的不全位错，称为肖克莱不全位错。特点为：

a)     是层错区域和无层错区域的边界

b)    可以是刃型、螺型、混合型位错

c)     即使是刃型位错也不能攀移，即使是螺型位错也不能交滑移，只能通过局部滑移形成

d)    可以在{111}面上滑移，滑移使层错面扩大或缩小

面心立方晶体中位于{111}面上的柏氏矢量<111>的不全位错称为弗兰克不全位错。特点为：

a)     是层错区域和无层错区域的边界

b)    位于{111}面上，总是刃型位错

c)     即使是刃型位错也不能攀移，即使是螺型位错也不能交滑移，只能通过局部滑移形成

d)    可以在{111}面上滑移，滑移使层错面扩大或缩小

e)     相当于在晶体局部区域插入一层或抽去一层{111}密排面

[36]   为什么会发生位错反应？

答：位错具有很高的能量，能量越高越不稳定，满足几何条件和能量条件后可以发生位错反应。不稳定的位错可以转化为稳定的位错；具有不同柏氏矢量的位错线可以合并为一条位错线，反之，一条位错线也可以分解为两个或多个位错线。通常将位错之间的转化称为位错反应。

[37]   位错反应的条件是什么？

答：位错反应能否进行，决定于是否满足如下两个条件：

a)     几何条件：按照柏氏矢量守恒性的要求，反应后的柏氏矢量之和应与反应前的柏氏矢量之和相等，即=

b)    能量条件：从能量角度，位错反应变形是一个伴随着能量降低的过程。所以反应后各个位错的总能量一定要小于反应前的总能量，即＜。

[38]   扩展位错的运动性能特点是什么？

答：一个全位错分解为两个不全位错，中间夹杂着一个层错的位错组态称为扩展位错。扩展位错的宽度d与层错能r成反比。r越大，d越小。层错能高，难以形成扩展位错，形成的扩展位错的宽度越窄，易于发生交滑移；层错能越低则容易形成扩展位错，形成的扩展位错宽度越宽，难以交滑移。

[39]   晶界与亚晶界有什么异同？

答：晶体内点阵相同、取向不同的相邻晶粒的边界称为晶界。相邻亚晶之间的界面称为亚晶界。按相邻晶粒位相差的大小可将晶界分为小角度晶界与大角度晶界。一般将相邻晶粒位相差小于10°的晶界称为小角度晶界，分为对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界和扭转晶界。

[40]   请总结小角度晶界的位错组态

答：小角度晶界：相邻两个晶粒间的位相差小于10°，由位错构成，位错密度越高，位相差越大，晶格畸变越大，晶界能越高。小角度晶界可分为对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界和扭转晶界。

对称倾侧晶界：对应刃位错模型，由一组垂直排列的同号刃型位错组成。不对称倾侧晶界：由两组相互垂直的同号刃型位错排列组成。扭转晶界：由两组相互垂直的螺型位错交叉成网络状组成。

[41]    孪晶界与相界有哪些异同？

答：孪晶界：两个相邻晶粒或一个晶粒内两个相邻部分的原子关于公共晶面形成对称排列的晶界。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。共格孪晶界的界面能很低，而非共格孪晶界的界面较高，约为大角晶界能的。

相界是相邻两个相之间的界面，相界可以是共格、半共格、非共格界面。

[42]   晶界有什么特点？

答：根据相邻晶粒位相差的大小，可把晶界分为小角度晶界和大角度晶界两种类型。其中小角度晶界又可分为对称侧倾晶界、不对称侧倾晶界和扭转晶界。

晶界的特点：（六个）

a)     细晶强化：晶界处原子排列不规则，因此，常温下晶界的存在会对位错运动起阻碍作用，致使晶体的强度提高。

b)    扩散速度快：晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多缺陷，与晶内相比，晶界处原子扩散速度较快。

c)     易相变：在相变过程中，由于晶界处能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。

d)    耐腐蚀性差：由于晶界处的原子能量较高即活性大，原子处于不稳定状态，与晶内相比，晶界的腐蚀速度更快。

e)     晶界的内吸附：由于晶界结构复杂，缺陷较多，因此，较容易容纳异类原子和杂质原子。这些原子的应力场会与晶界的应力场发生复合，从而降低体系的能量。

f)      富集微量元素和杂质元素：由于界面上的缺陷多，杂质等易于集中在晶界上，进而会发生应力场复合，使体系能量下降。