实际晶体中的恶点缺陷线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响
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09-10-27 &匿名提问
纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。此外，纳米晶体材料的光伏特性和磁场作用下的发光效应也是纳米材料光学性质研究的热点。通过以上两种性质的研究，可以获得其他光谱手段无法得到的一些信息
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晶体缺陷对晶体的力学性能有何影响?
晶体缺陷对晶体的力学性能既有有利的方面,也有不利的方面通常工业上应用的多晶体材料通过增加缺陷数目都可以提高材料的机械性能.比如加入合金元素形成固溶体可以产生固溶强化,提高强度,这主要是增加了点缺陷造成的；金属经过冷加工变形也可以提高强度,这是通过增加线缺陷--位错数目来实现的；金属通过细化晶粒提高强度的原因：增加了面缺陷：晶界的数目. 位错等缺陷的存在,会使材料易于断裂,比近于没有晶格缺陷的晶体的抗拉强度,降低至几十分之一
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扫描下载二维码导读：第一部分工程材料，四、简答题，1．什么是工程材料？按其组成主要分为哪些类型?，答：工程材料主要指用于机械工程和建筑工程等领域的材料，按其组成主要分为：金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料，提高材料的塑性和韧性，②提高材料的塑性和韧性，答：正火：消除锻造时产生的内应力或调整材料的硬度，调质处理：提高材料的综合机械性能，局部表面淬火+低温回火：局部表面淬火是为了局部提高材料表面的硬度，同
四、简答题
1．什么是工程材料？按其组成主要分为哪些类型?
答：工程材料主要指用于机械工程和建筑工程等领域的材料。
按其组成主要分为：金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料。
2．金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？
答：在实际金属中存在的缺陷有点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）3种类型。
一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，但是晶体缺陷的存在常常降低金属的抗腐蚀性能。
3．什么是细晶强化？生产中主要采取哪些措施细化晶粒？
答：一般情况下金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称细晶强化。因此，在生产中常采取增加冷却速度和变质处理来细化晶粒以改善力学性能。
生产中主要采取以下3种措施细化晶粒：
（1）增加冷却速度可增大过冷度，使晶核生成速率大于晶粒长大速率，因而使晶粒细化。但增加冷却速度受铸件的大小、形状的限制。
（2）变质处理是在液态金属中加少量变质剂(又称孕育剂)作为人工晶核，以增加晶核数，从而使晶粒细化。
（3）在结晶过程中采用机械振动、超声波振动和电磁振动，也有细化晶粒的作用。
4．什么是金属的热处理？有哪些常用的热处理工艺？
答：金属热处理就是通过加热、保温和冷却来改变金属整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的工艺方法。
金属热处理工艺可分为普通热处理（主要是指退火、正火、淬火和回火等工艺）、表面热处理（包括表面淬火和化学热处理）和特殊热处理（包括形变热处理和真空热处理等）。
5．钢退火的主要目的是什么？常用的退火方法有哪些？
答：钢退火的主要目的是：
①细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；
②降低硬度，改善切削加工性；
③消除残余内应力，避免钢件在淬火时产生变形或开裂；
④提高塑性、韧性 ，便于塑性加工
⑤为最终热处理做好组织准备。
常用的退火方法有
完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火、再结晶退火。
6．钢正火的主要目的是什么？正火与退火的主要区别是什么？如何选用正火与退火？ 答：钢正火的主要目的是
①细化晶粒，改善组织，提高力学性能；
②调整硬度，便于进行切削加工（↑HB)；
③消除残余内应力，避免钢件在淬火时产生变形或开裂；
④为球化退火做好组织准备。
正火与退火的主要区别是冷却速度不同。
正火与退火的选用：
①不同的退火方法有不同的应用范围和目的，可根据零件的具体要求选用；
②正火可用于所有成分的钢，主要用于细化珠光体组织．其室温组织硬度比退火略高，比球化退火更高；
③一般来说低碳钢多采用正火来代替退火。为了降低硬度，便于加工，高碳钢应采用退火处理。
7．淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪几种？
答：淬火是将钢奥氏体化后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。
淬火的目的主要是为了获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。它是强化钢材最重要的热处理方法。
常用的淬火方法有：单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火。
8. 淬火后，为什么一般都要及时进行回火？回火后钢的力学性能为什么主要是决定于回火温度而不是冷却速度？
答：淬火钢一般不宜直接使用，必须进行回火以消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性，稳定组织和工件尺寸。
由于回火后钢的力学性能取决于回火后的组织与结构，而回火后的组织与结构是由回火温度而不是由冷却速度决定的。
9．回火的目的是什么？常用的回火操作有哪些？试指出各种回火操作得到的组织、性能及应用范围。
答：回火的目的是：
①消除淬火时产生的残余内应力；
②提高材料的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能；
③稳定组织和工件尺寸。
常用的回火方法有以下三种：
（1）低温回火（250℃以下）
组织：回火组织为回火马氏体。
性能：基本上保持了淬火后的高硬度（一般为58～64 HRC）和高耐磨性。
应用：主要用于高碳工具钢、模具、滚动轴承、渗碳、表面淬火的零件及低碳马氏体钢和中碳低合金超高强度钢。
（2）中温回火（350～500 ℃ ）
组织：回火组织为回火屈氏体。
性能：回火屈氏体的硬度一般为35～45 HRC，具有较高的弹性极限和屈服极限。它们的屈强比（σs／σb）较高，一般能达到0．7以上，同时也具有一定的韧性。 应用：主要用于各种弹性元件。
（3）高温回火（500～650℃）
组织：回火组织为回火索氏体。
性能：其综合力学性能优良，在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。硬度一般为25～35 HRC。
应用：广泛用于综合力学性能要求高的各种机械零件，例如轴、齿轮坯、连杆、高强度螺栓等。
10．什么是调质处理？调质的主要目的是什么？钢在调质后是什么组织？
答：通常在生产中将各种钢件淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。 调质的主要目的是提高零件的综合机械性能。
钢在调质后的组织是：回火索氏体
11．说明下列零件毛坯进行正火的主要目的及正火后的组织：
（l）20钢锻造的齿轮毛坯；
（2）45钢锻造用的机床主轴毛坯；
（3）T12轧制而成的锉刀毛坯（组织为网状 Fe３CⅡ和片状珠光体）。
答：（1） 20钢齿轮正火后的组织为：S+F
目的：提高硬度，避免粘刀，改善切削加工性。
（2） 45钢锻造用的机床主轴毛坯正火后的组织为：S+F
目的：（正火代替完全退火，节约时间和能源）细化晶粒，改善组织，改善机械性能。
（3） T12钢轧制而成的锉刀毛坯正火前的组织为网状Fe3CⅡ和片状珠光体，正火后的组织为：S+ Fe3CⅡ
目的：细化晶粒，改善组织，减少或消除网状渗碳体，为后续工序（球化处理）做好组织准备。
12．指出下列工件的淬火及回火温度，并说明其回火后获得的组织及其大致硬度。 （l）45 钢小轴（要求综合性能）；
（2）60 弹簧钢；
（3）T12 锉刀。
13. 45钢轴的生产工艺过程如下，试说明其中各热处理工序的目的。
锻造正火粗加工调质精加工
局部表面淬火 + 低温回火磨削
答：正火：消除锻造时产生的内应力或调整材料的硬度，使其便于切削加工。
调质处理：提高材料的综合机械性能。
局部表面淬火 + 低温回火：局部表面淬火是为了局部提高材料表面的硬度，从而提高其耐磨性；低温回火是为了消除残余内应力，防止工件变形开裂，同时保持材料淬火后的高硬度。
14. 试分析下列零件的工作条件和主要力学性能要求，选择相应的材料(写出2―3种材料的牌号)：
（2）汽车变速箱小齿轮
（3）机床传动用大齿轮
（4）轻载载货汽车发动机曲轴
（5）钳工用的锉刀
（6）高速切削刀具
（7）机床主轴 （8）机床床身
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