材料科學基礎2復習題及參考答案

1、|112材料科學基礎2復習題及部分參考答案一、名詞解釋1、再結晶：指經(jīng)冷變形的金屬在足夠高的溫度下加熱時，通過新晶粒的形核及長大，以無畸變的等軸晶粒取代變形晶粒的過程。2、交滑移：在晶體中，出現(xiàn)兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移。3、冷拉：在常溫條件下，以超過原來屈服點強度的拉應力，強行拉伸聚合物，使其產(chǎn)生塑性變形以達到提高其屈服點強度和節(jié)約材料為目的。（筆記聚合物拉伸時出現(xiàn)的細頸伸展過程。）4、 位錯：指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學缺陷）。（書晶體中某處一列或者若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象）5、柯氏氣團：金屬內(nèi)部存在的大量位錯線，在刃型位錯

2、線附近經(jīng)常會吸附大量的異類溶質(zhì)原子（大小不同吸附的位置有差別），形成所謂的“柯氏氣團”。（書溶質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯 周圍，以減小畸變，降低體系的能量，使體系更加穩(wěn)定。）6、位錯密度：單位體積晶體中所含的位錯線的總長度或晶體中穿過單位截面面積的位錯線數(shù)目。7、二次再結晶：晶粒的不均勻長大就好像在再結晶后均勻、細小的等軸晶粒中又重新發(fā)生了再結晶。8、 滑移的臨界分切應力： 滑移系開動所需要的最小分切應力。（書晶體開始滑移時，滑移方向上的分切應力。）9、加工硬化：金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象，又稱冷作硬化。（書隨塑性變形

3、的增大，塑性變形抗力不斷增加的現(xiàn)象。）10、 熱加工：金屬鑄造、熱扎、鍛造、焊接和金屬熱處理等工藝的總稱。（書使金屬在再結晶溫度以上發(fā)生加 工變形的工藝。）11、 柏氏矢量：是描述位錯實質(zhì)的重要物理量。反映岀柏氏回路包含的位錯所引起點陣畸變的總積累。（書揭 示位錯本質(zhì)并描述位錯行為的矢量。）反映由位錯引起的點陣畸變大小的物理量。12、多滑移：晶體的滑移在兩組或者更多的滑移面（系）上同時進行或者交替進行。13、堆垛層錯：晶體結構層正常的周期性重復堆垛順序在某二層間岀現(xiàn)了錯誤，從而導致的沿該層間平面（稱為 層錯面）兩側附近原子的錯排的一種面缺陷。14、位錯的應變能：位錯的存在引起點陣畸變，導致能量

4、增高，此增量稱為位錯的應變能。15、回復：發(fā)生形變的金屬或合金在室溫或不太高的溫度下退火時，金屬或合金的顯微組織幾乎沒有變化，然而性能卻有程度不同的改變，使之趨近于范性形變之前的數(shù)值的現(xiàn)象。（書指冷變形金屬加熱時，尚未發(fā)生光學顯微組織變化前（即再結晶前）的微觀結構及性能的變化過程。）16、全位錯：指伯氏矢量為晶體點陣的單位平移矢量的位錯。17、弗蘭克爾空位：當晶體中的原子由于熱漲落而從格點跳到間隙位置時，即產(chǎn)生一個空位和與其鄰近的一個間隙原子，這樣的一對缺陷一一空位和間隙原子，就稱為弗蘭克爾缺陷。（書存在能量起伏的原子擺脫周圍原子的約束而跳離平衡位置進入點陣的間隙中所形成的空位（原子尺度的空洞

5、）O）18、 層錯能：單位面積層錯所增加的能量。（書產(chǎn)生單位面積層錯所需要的能量。）19、 表面熱蝕溝：金屬長時間加熱時，與表面相交處因張力平衡而形成的熱蝕溝。（書金屬在高溫下長時間加熱時，晶界與金屬表面相交處為了達到表面張力間的平衡，通過表面擴散產(chǎn)生的熱蝕溝。）20、動態(tài)再結晶：金屬在熱變形過程中發(fā)生的再結晶。、填空題1、 兩個平行的同號螺位錯之間的作用力為排斥力，而兩個平行的異號螺位錯之間的作用力為吸引力2、 小角度晶界能隨位向差的增大而 增大；大角度晶界能與位向差 無關。3、柏氏矢量是一個反映由位錯引起的 點陣畸變大小的物理量；該矢量的 模稱為位錯強度4、金屬的層錯能越低，產(chǎn)生的擴展位錯

6、的寬度越寬，交滑移越難進行5、 螺型位錯的應力場有兩個特點，一是沒有正應力分量，二是徑向?qū)ΨQ分布。6、冷拉銅導線在用作架空導線時，應采用 去應力退火，而用作電燈花導線時，則應采用 再結晶退火。拉應力的方向低，在晶體中越穩(wěn)定7、為了保證零件具有較高的力學性能，熱加工時應控制工藝使流線與零件工作時受到的最大 一致，而與外加的 切應力方向垂直。8、位錯的應變能與其柏氏矢量的 模的平方成正比，故柏氏矢量越小的位錯，其能量越10、 當晶粒長大的驅(qū)動力為畸變能差時，晶界的移動方向為背向曲率中心，當晶粒長大的驅(qū)動力為界面能差時，晶界 的移動方向為向著曲率中心。11、由于兩者的滑移 方向數(shù)不同，導致體心立方晶

7、格金屬與面心立方晶格金屬在塑性上的差別。12、 聚合型兩相合金，第二相為硬脆相，它呈細片狀分布在基體上，合金的綜合力學性能最好，它呈較粗顆粒狀分布 于基體上，合金的塑性最好。13、位錯的柏氏矢量越小，其能量 低，在晶體中越 穩(wěn)定。14隨冷變形量的增加，金屬的強度 提高，塑性降低。15、 對于冷變形度較小的金屬，再結晶核心一般采用晶界突岀形核方式形成。16、 晶體經(jīng)過塑性變形后，岀現(xiàn)了交叉的滑移帶，則晶體中一定發(fā)生了多滑移，岀現(xiàn)了波紋狀的滑移帶，則晶體中一 定發(fā)生了交滑移。17、 某位錯的柏氏矢量與位錯線平行，方向與位錯線的正方向一致，該位錯為右位錯，方向與位錯線的正方向相反，該位錯為左位錯。1

8、8、 如果兩個平行螺位錯之間的作用力為吸引力，則它們是異號螺位錯，如果兩個平行螺位錯之間的作用力為排斥力，則它們是同號螺位錯。19、 柏氏矢量是一個反映由 位錯引起的點陣畸變大小的物理量；該矢量的模稱為位錯強度。20、 晶界能隨位向差的增大而增大的晶界一般是小角晶界；而晶界能與位向差無關的晶界一般是大角晶界。21、 在三種典型的金屬晶體結構中，金屬晶體的晶格類型為面心時，其塑性最好，晶格類型為 密排時，其塑性最差。22、螺型位錯的運動方式是只可 滑移，不可攀移。23、多晶體的晶粒越細，則其強度 高，塑性好。24、 對于冷變形度較大的金屬，相鄰亞晶的取向差較小時，再結晶核心一般采用亞晶界合并方式

9、形成，相鄰亞晶的取 向差較大時，再結晶核心一般采用 亞晶界遷移方式形成。25、 動態(tài)再結晶的組織與靜態(tài)再結晶的組織比較晶粒更細，晶粒內(nèi)部還有 位錯殘積。26、 某位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，將其順時針旋轉(zhuǎn)90°后，方向與位錯線的正方向一致，該位錯為正，方向與位錯線的正方向相反，該位錯為負。27、 在金屬中，當分散相粒子的體積分數(shù)越大，粒子尺寸越小，金屬晶粒的極限平均晶粒尺寸越小。28、 冷變形金屬在要求保持其較高硬度時，應采用 去應力退火，而在要求恢復塑性以便于進一步變形時，則應采用再 結晶退火。29、 為了保證零件具有較高的力學性能，熱加工時應控制工藝使流線與零件工作時受到的最大拉

10、應力的方向一致，而 與外加的剪應力方向垂直。30、 當晶粒長大的驅(qū)動力為 畸變能之差時，晶界的移動方向為背向率中心，當晶粒長大的驅(qū)動力為界面能之差時，晶 界的移動方向為向著曲率中心。三、問答題1、加工硬化、細晶強化、固溶強化及彌散強化在本質(zhì)上有何異同？答：加工硬化是由于位錯塞積、纏結及相互作用，阻止了位錯的進一步運動。細晶強化是由于晶界上的原子排列不規(guī)則，且雜質(zhì)和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過；且晶粒細小時，變形均勻，應力集中小，裂紋不易萌生和傳播。固熔強化是由于位錯與熔質(zhì)原子交互作用，即柯氏氣團阻礙位錯運動。彌散強化是由于位錯繞過、切過第二相粒子，需要增加額外的能量（如表面能或錯排能）；同

11、時，粒子周圍的彈性應力場與位錯產(chǎn)生交互作用，阻礙位錯運動。2、什么是加工硬化、細晶強化、固溶強化及彌散強化，它們在本質(zhì)上有何異同？答：加工硬化 是指金屬冷變形時，隨著型變量的增加，其強度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。細晶強化是指隨著晶粒細化，金屬材料力學性能（強度）提高的現(xiàn)象。固熔強化是指熔質(zhì)原子融入基體后，使其強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。彌散強化是指細小彌散分布的第二項質(zhì)點顯著提高材料強度的現(xiàn)象。本質(zhì)見上題3、試分析金屬的四種基本強化機制在本質(zhì)的異同點。答案見第1題4、若面心立方晶體中有b >1(ba）的單位位錯及2101b -121(b6a ）的不全位錯，此二位錯相遇后

12、，產(chǎn)生位錯反應，寫岀合成位錯的柏氏矢量，此反應能否進行？為什么？a -b -1216說明合成位錯的性質(zhì)。5、金屬發(fā)生冷變形以后，其組織和性能會發(fā)生怎樣的變化？答：金屬經(jīng)冷塑性變形后，除了外形和尺寸發(fā)生改變外，其顯微組織與各種性能也發(fā)生了變化。光學顯微組織的變化：塑性變形后，每個晶粒內(nèi)部岀現(xiàn)大量滑移帶、孿生帶；隨變形量的增加，原來的等軸晶粒逐漸沿變形方向伸長為扁平晶粒。當變形量很大時，成為纖維組織 （晶粒變得模糊不清，晶粒已難以分辨，而成為的一片纖維狀條紋）。亞結構的變化隨變形量的增加，晶體中的位錯密度迅速增加，經(jīng)嚴重冷變形后，位錯密度可從原先退火態(tài)的10101012m-2增至10151016m

13、-2。經(jīng)一定量的塑性變形后，晶體中的位錯通過運動和交互作用，開始呈現(xiàn)紛亂的不均勻分布，并形成位 錯纏結。進一步增加變形度，大量位錯聚集，并由纏結的位錯組成胞狀亞結構（位錯胞）.隨變形量增大，位錯胞也沿變形方向伸長，且數(shù)量增多，尺寸減小。性能變化：金屬冷變形時，隨變形量增加，其強度、硬度上升，而塑性、韌性下降6、說明金屬在冷變形、回復、再結晶各階段的顯微組織、亞結構及力學性能特點。答：冷變形見上題顯微組織:I.回復階段：顯微組織幾乎看不岀任何變化，晶粒仍保持冷變形后的纖維狀組織。II.再結晶階段：變形晶粒通過形核和長大過程，完全轉(zhuǎn)變成新的無畸變的等軸晶粒。亞結構：I.回復階段：II.再結晶階段：

14、 力學性能的變化：I. 回復階段：強度、硬度略有下降，塑性略有上升；II. 再結晶階段：強度、硬度顯著下降，塑性急劇上升；7、金屬在冷變形、回復、再結晶各階段，其力學性能、物理性能、化學性能及內(nèi)應力會發(fā)生哪些變化？答：冷變形見第5題物理性能的變化：密度：回復階段略有增大，再結晶階段急劇升高電阻：回復階段已明顯下降，再結晶階段仍有顯著下降 化學性能：內(nèi)應力的變化：在回復階段明顯下降，在再結晶階段完全消除。8、 © 10mm勺銅棒，經(jīng)充分退火后分別壓縮20% 50% 70%以后，說明其組織發(fā)生的變化。9、銅單晶體拉伸時，若力軸為001方向，臨界分切應力為，問需要多大的拉伸應力才能使晶體開

15、始塑性變形?10、鋁單晶體拉伸時，若力軸為100方向，臨界分切應力為，問需要多大的拉伸應力才能使晶體開始塑性變形?11、今有純Ti，Al，Pb三種鑄錠，試判斷它們在室溫（20C）軋制的難易順序，是否都可以連續(xù)軋制下去。如果不能， 應采取什么措施才能使之軋制成薄板。已知Ti的熔點為1672C，在883C以下為密排六方，在 883C以上為面心立方； Al的熔點為660C，面心立方; Pb的熔點為328C，面心立方。12、今有純Ti，Cu, Pb三種鑄錠，試判斷它們在室溫（20C）軋制的難易順序，是否都可以連續(xù)軋制下去。如果不能， 應采取什么措施才能使之軋制成薄板。已知Ti的熔點為1672 C，在8

16、83 C以下為密排六方，在 883 C以上為面心立方； Cu的熔點為1083 'C,面心立方; Pb的熔點為328C，面心立方。13、今有純Zr，Ag，Pb三種鑄錠，試判斷它們在室溫（20C）軋制的難易順序，是否都可以連續(xù)軋制下去。如果不能， 應采取什么措施才能使之軋制成薄板。已知Zr的熔點為1865 C，在865 C以下為密排六方，在 865C以上為體心立方； Ag的熔點為961 C，面心立方；Pb 的熔點為328 C，面心立方。（12分）14、為細化某純鋁件晶粒，將其冷變形5%后于650 C退火1h，組織反而粗化；增大冷變形量至80%再于650 C退火1h，仍然得到粗大晶粒。試分析

17、其原因，指岀上述工藝不合理處，并根據(jù)工業(yè)純鋁的再結晶圖（見下圖）制定一種合理的 晶粒細化工藝。工業(yè)純鋁的再結晶圖嘟瑤由fBff弼徐菠形蝦,竝蜩狀齡廁輔亂,WR 冊駄.鈾即涌騙耿時襯髓斷瓠隕躺腦t 產(chǎn)聞HTi=Kr師躺S41® 魁嫻由于鷄頒業(yè)L： Ih， 贈師怨尢15、已知柏氏矢量的大小為 b=,如果對稱傾側晶界的取向差B=1°和10 °,求晶界上位錯之間的距離。從計算結果可得到什么結論？16、位錯反應必須滿足的兩個基本條件是什么？判斷如下的位錯反應能否進行a1102aa-211 12166a 1102|110a211 a1216 6a121 a2116 617、簡

18、述金屬分別在冷變形、動態(tài)回復、連續(xù)動態(tài)再結晶、間斷動態(tài)再結晶、超塑性時的真應力-應變曲線主要特點。 答：真應力-應變曲線主要特征：冷變形時，隨應變增大，曲線顯著上升，達到最大載荷后，（b T, £ T）曲線繼續(xù)上升，直至斷裂。動態(tài)回復 時，當溫度一定，變形速率增大時，曲線整體向上移動，即穩(wěn)定流變的應力增大；當變形速率一定，溫度升 高時，曲線整體向下移動，即穩(wěn)定流變應力下降；連續(xù)動態(tài)再結晶 時，0<£ <£ c：加工硬化階段；£ C< £ < £ S：動態(tài)再結晶初始階段；£ >£ S：穩(wěn)

19、定流變階段，（形變硬化與再結晶軟化達到動態(tài)平衡 ）。£ C開始發(fā)生動態(tài)再結晶的臨界變形量。間斷動態(tài)再結晶時，應變速率低，位錯增殖速度小，在發(fā)生動態(tài)再結晶引起軟化后，位錯密度來不及增長到足以使再 結晶達到與加工硬化相抗衡的程度，故重新發(fā)生加工硬化，曲線上升，直到位錯密度積累到又能使再結晶占據(jù)主導地 位時，曲線才又下降。這一過程不斷重復，并呈周期性的變化，曲線呈波浪狀，其周期大體相同，但振幅逐漸衰減。 超塑性時，真實應力-應變曲線上，真應力幾乎不隨變形程度的增加而變化。18-3連續(xù)動態(tài)再結晶真應力一真應變曲線18-4間斷動態(tài)再結晶真應力一真應變曲線18-5超塑性時的真應力一真應變曲線。1

20、9、什么是單滑移、多滑移和交滑移？三者滑移線的形貌有何特征？答：單滑移：在具有多組滑移系的晶體中，當只有一組滑移系處于最有利的取向時，分切應力最大，便進行但系滑移。(只有一個滑移系進行滑移。)滑移線是一系列彼此平行的直線。多滑移：晶體的滑移在兩組或者更多的滑移面(系)上同時進行或者交替進行。其滑移線或者平行，或者交叉。交滑移：在晶體中，岀現(xiàn)兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移。其滑移線通常呈折線或波紋狀。20、 試區(qū)別單滑移、多滑移和交滑移，三者滑移線的形貌有何不同？(答案見上題)21、銀紋與裂紋有什么區(qū)別？答：銀紋不同于裂紋，裂紋的兩個張開面間完全是空的，而銀紋面間是由高度取

21、向的纖維束和空位組成，仍具有一定 的強度。銀紋的形成是材料在張應力作用下局部屈服和冷拉造成的。22、什么是冷拉？已冷拉的玻璃態(tài)高聚物和部分結晶高聚物分別加熱到什么溫度之上，冷拉中產(chǎn)生的變形才能恢復？答：冷拉：在常溫條件下，以超過原來屈服點強度的拉應力，強行拉伸聚合物，使其產(chǎn)生塑性變形以達到提高其屈服 點強度和節(jié)約材料為目的。(筆記聚合拉伸時岀現(xiàn)的細頸伸展過程)退火溫度再結晶溫度23、比較陶瓷晶體的彈性模量與金屬的彈性模量之間的差異。 答：陶瓷晶體的彈性模量比金屬大得多，常高岀幾倍。陶瓷晶體的彈性模量是組織敏感參量，與結合鍵有關，還與相的種類、分布及氣孔率有關。24、試述陶瓷晶體塑性變形的特點。

22、答：共價鍵晶體：共價鍵具有方向性，而且結合力很強，位錯運動時必須破壞原子的鍵合，位錯運動有很高的點陣阻力。不論是單晶體 還是多晶體，都是 比較脆的。離子鍵晶體：單晶體：在室溫受壓應力作用時可有較大的塑性變形，因為位錯沿45°方向運動，則在滑移過程中相鄰晶面始終由庫 侖力保持相吸。多晶體：相鄰晶粒必須協(xié)調(diào)地改變形狀，由于滑移系較少難以實現(xiàn)，結果在晶界產(chǎn)生開裂，最終導致脆性斷裂。25、與金屬材料相比，陶瓷晶體具有哪些特點？答：陶瓷晶體的彈性模量比金屬大得多，常高岀幾倍。陶瓷晶體的彈性模量是組織敏感參量，與結合鍵有關，還 與相的種類、分布及氣孔率有關。陶瓷的壓縮強度高于抗拉強度一個數(shù)量級。

23、陶瓷的理論強度和實際斷裂強度相差13個數(shù)量級。陶瓷晶體在高溫下具有良好的抗蠕變性能，而且在高溫下也具有一定的塑性。26、確定下列情況下的工程應變£和真應變£，說明何者更能反映真實的變形特性。(1)由1L伸長到1.1L ;(2)由1h壓縮到；(3)由1L伸長到2L;(4)由1h壓縮到1/2h ;27、金屬經(jīng)熱變性后，其組織和性能有哪些變化？答： I、提高材料致密性和力學性能 熱加工可消除鑄造材料中的某些缺陷，如焊合氣孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱狀晶和樹枝晶；改善夾 雜物或脆性相的形態(tài)與分布。提高材料的致密性，細化晶粒，提高材料的力學性能，特別是塑、韌性比鑄態(tài)有顯著提 高。II 、形成流線，使材料出現(xiàn)各向異性順流線方向性能高 （ 特別是塑、韌性 ） ，垂直于流線方向性能較差。III 、形成帶狀組織 加工時存在兩相，兩個相都沿變形方向伸長，在縱切面上形成兩相相間的條帶狀組織。 由偏析造成的，壓延時偏析區(qū)沿變形方向伸長成條帶狀，冷卻時偏析區(qū)成分不同，轉(zhuǎn)變成的組織不同。 非金屬夾雜物也會在加工中被拉長 （或碎成 小粒成串鏈狀 ），先共析 F 通常會依附于它們而析出，形成帶狀組織。