材料科學(xué)基礎(chǔ)期末試題

1、幾種強(qiáng)化加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。強(qiáng)化機(jī)制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。細(xì)晶強(qiáng)化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的強(qiáng)化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強(qiáng)化：又稱時效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)化。包括切過機(jī)制和繞過機(jī)制。（2分）復(fù)相強(qiáng)化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強(qiáng)化機(jī)制。其強(qiáng)化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強(qiáng)度低于基體則不一定能夠起到強(qiáng)化作用。（2分）固溶強(qiáng)

2、化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用。幾種概念1、滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。2、 交滑移：螺型位錯在兩個相交的滑移面上運(yùn)動，螺位錯在一個滑移面上運(yùn)動遇有障礙，會轉(zhuǎn)動到另一滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。3、 屈服現(xiàn)象：低碳鋼在上屈服點開始塑性變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到上屈服點之后開始應(yīng)力降落，在下屈服點發(fā)生連續(xù)變形而應(yīng)力并不升高，即出現(xiàn)水平臺（呂德斯帶）原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成，位錯的增殖。4、 應(yīng)變時效：低碳鋼經(jīng)過少量的預(yù)變形可以不出現(xiàn)明顯的屈服點，但是在變形后在室溫下放置一段較長時間或在低溫經(jīng)過

3、短時間加熱，在進(jìn)行拉伸試驗，則屈服點又重復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力提高。5、形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，變形多晶體某一晶體學(xué)取向趨于一致的現(xiàn)象。滑移和孿晶的區(qū)別滑移是指在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生相對移動的一種運(yùn)動狀態(tài)。孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。偽共晶：在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近的合金全部變成共晶組織，這種非共晶成分的共晶組織，稱為偽共晶組合。擴(kuò)散驅(qū)動力：化學(xué)位梯度是擴(kuò)散的根本驅(qū)動力。一、填空題（20分，每空格1分）1. 相律是在完全平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的相數(shù)、組元數(shù)和溫度壓力

4、之間的關(guān)系，是系統(tǒng)的平衡條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：f=C-P+22. 二元系相圖是表示合金系中合金的相與溫度、成分間關(guān)系的圖解。3. 晶體的空間點陣分屬于7大品系，其中正方晶系點陣常數(shù)的特點為a=bwc,a=6=丫=90。，請列舉除立方和正方品系外其他任意三種品系的名稱三斜、單斜、六方、菱方、正交（任選三種）。4. 合金鑄錠的宏觀組織包括表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)三部分。5在常溫和低溫下，金屬的塑性變形主要是通過滑移的方式進(jìn)行的。此外還有孿生和扭折等方式。6. 成分過冷區(qū)從小到大，其固溶體的生長形態(tài)分別為平面狀，胞狀和樹枝狀。1原子擴(kuò)散的驅(qū)動力是：組元的化學(xué)勢梯度2凝固的熱力學(xué)條件為：過冷度3

5、.某金屬凝固時的形核功為G*,其臨界晶核界面能為G則4G*和4G的關(guān)系為AG*"?AG5金屬液體在凝固時產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于過冷度。6菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的特征，即濃度不隨變化。7. 冷變形金屬加熱過程中發(fā)生回復(fù)的驅(qū)動力是：冷變形過程中的存儲能9.合金鑄錠的缺陷可分為縮孔和偏析兩種。二、判斷題（正確的打錯誤的打“X”，每題1分，共12分）1 .體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其致密度為。（X）2 .同一種空間點陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空問點陣。（V）3 .結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細(xì)化。（V）4 .合金液體在凝

6、固形核時需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。（V）5 .小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。（x）6 .非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進(jìn)非均勻形核的作用越大。（x）7 .固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。（X）8 .冷形變金屬在再結(jié)晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。（V）9 .動態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進(jìn)行形變加工同時發(fā)生的再結(jié)晶、其形變硬化與再結(jié)晶軟化交替進(jìn)行。（V）10 .金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。（V）11 .孿生變形的速度很快是因為金屬以孿生方式變形時需要的臨界分切應(yīng)力小。

7、（X）12 .相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。（，）1. 請簡述擴(kuò)散的微觀機(jī)制有哪些？影響擴(kuò)散的因素又有哪些？（8分）答：置換機(jī)制：包括空位機(jī)制和直接換位與環(huán)形換位機(jī)制，其中空位機(jī)制是主要機(jī)制，直接換位與環(huán)形換位機(jī)制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2分）間隙機(jī)制：包括間隙機(jī)制和填隙機(jī)制，其中間隙機(jī)制是主要機(jī)制。（2分）影響擴(kuò)散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴(kuò)散速度約快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學(xué)成分（包括濃度、第三組元等）2. 請對比分析加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、復(fù)相強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的特點和機(jī)理答案：加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑

8、性變形時強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。強(qiáng)化機(jī)制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。細(xì)晶強(qiáng)化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的強(qiáng)化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強(qiáng)化：又稱時效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)化。包括切過機(jī)制和繞過機(jī)制。（2分）復(fù)相強(qiáng)化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強(qiáng)化機(jī)制。其強(qiáng)化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強(qiáng)度低于基體則不一定能夠起到強(qiáng)化作用。（2分）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高

9、而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用。3. 請簡述回復(fù)的機(jī)制及其驅(qū)動力。答：低溫機(jī)制：空位的消失；中溫機(jī)制：位錯的重排和消失高溫機(jī)制：位錯的滑移攀移；驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能）。一、名詞解釋（任選5題，每題4分，共20分）單位位錯：柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯稱為單位位錯。稱為交滑移。交滑移：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，滑移系：一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來叫做一個滑移系。偽共品：在非平衡凝固條件下，某些亞共晶或過共晶成分的合金也能得全部的共晶組織，這種由非共品成分的合金所得到的共晶組織稱為偽共品。離異共晶

10、：由于非平衡共晶體數(shù)量較少，通常共晶體中的民相依附于初生民相生長，將共晶體中另一相B推到最后凝固的晶界處，從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶體稱為離異共晶。奧氏體：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶體。成分過冷：在合金的凝固過程中，將界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。二、選擇題（每題2分，共20分）1 .在體心立方結(jié)構(gòu)中，柏氏矢量為a110的位錯（A）分解為a/2111+a/2llj.（A）不能（B）能（C）可能2 .原子擴(kuò)散的驅(qū)動力是：（B）（A）組元的濃度梯度（B）組元的化學(xué)勢梯度（C）溫度梯度3 .凝固的熱力學(xué)條件為：（D）

11、（A）形核率（B）系統(tǒng)自由能增加（C）能量守衡（D）過冷度4 .在TiO2中，當(dāng)一部分Ti4+還原成Ti3+,為了平衡電荷就出現(xiàn)（A）（A）氧離子空位（B）鈦離子空位（C）陽離子空位5 .在三元系濃度三角形中，凡成分位于（A）上的合金，它們含有另兩個頂角所代表的兩組元含量相等。（A）通過三角形頂角的中垂線（B）通過三角形頂角的任一直線（C）通過三角形頂角與對邊成45。的直線6 .有效分配系數(shù)ke表示液相的混合程度，其值范圍是（B）（A）1<ke<k0（B）k0<ke<1（C）ke<k0<17. A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，測得界面向A試樣方向移動，

12、則（A）（A）A組元的擴(kuò)散速率大于B組元（B）與（A）相反（C）A、B兩組元的擴(kuò)散速率相同8. A和B組成的二元系中出現(xiàn)a和B兩相平衡時，兩相的成分（x）-自由能（G）的關(guān)系為（B）（A）G=Gb（B）dG=dGe（C）G=Gb9凝固時不能有效降低晶粒尺寸的是以下那種方法？（B）（A）加入形核劑（B）減小液相的過冷度（C）對液相進(jìn)行攪拌10菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的特征，即濃度不隨（B）變化。（A）距離（B）時間（C）溫度1. 簡述塑性變形對材料組織和性能的影響。答：組織結(jié)構(gòu)：（1）形成纖維組織：晶粒沿變形方向被拉長；（2）形成位錯胞；（3）晶粒轉(zhuǎn)動形成變形織構(gòu)。力學(xué)性能：位錯密度增大，位錯

13、相互纏繞，運(yùn)動阻力增大，造成加工硬化。物理化學(xué)性能：其變化復(fù)雜，主要對導(dǎo)電，導(dǎo)熱，化學(xué)活性，化學(xué)電位等有影響。（2分）體系能量：包括兩部分：（1）因冷變形產(chǎn)生大量缺陷引起點陣畸變，使畸變能增大；（2）因晶粒間變形不均勻和工件各部分變形不均勻引起的微觀內(nèi)應(yīng)力和宏觀內(nèi)應(yīng)力。這兩部分統(tǒng)稱為存儲能，其中前者為主要的。2. 試用位錯理論解釋低碳鋼冷拉伸變形時的屈服現(xiàn)象。答：低碳鋼中的少量碳、氮原子與晶體中的位錯發(fā)生交互作用，形成柯氏氣團(tuán)，對位錯起釘扎作用，使其運(yùn)動阻力增大，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)上屈服點，當(dāng)位錯擺脫柯氏氣團(tuán)的釘扎作用后，應(yīng)力下降出現(xiàn)下屈服點。即柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成，位錯的增殖

14、。一、名詞解釋（20分，每題4分）全位錯：伯什矢量等于點陣矢量的位錯。再結(jié)晶：經(jīng)受形變的材料在加熱時發(fā)生的以無畸變晶粒取代變形晶粒的過程珠光體：鐵碳合金共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是共析鐵素體和共析滲碳體的層片狀混合物。形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，變形多晶體某一晶體學(xué)取向趨于一致的現(xiàn)象。離異共晶：由于非平衡共晶體數(shù)量較少，通常共晶體中的民相依附于初生民相生長，將共晶體中另一相B推到最后凝固的晶界處，從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶體稱為離異共晶。二、填空題（17分，每空1分）1 .原子擴(kuò)散的驅(qū)動力是：組元的化學(xué)勢梯度2 .凝固的熱力學(xué)條件為：過冷度3 .某金屬凝固時的形核功為G*

15、,其臨界晶核界面能為G則4G叫口的關(guān)系為:4G*=1/34G4 .在常溫和低溫下，金屬的塑性變形主要是通過滑移的方式進(jìn)行的。此外還有孚生和扭折等方式。5 .金屬液體在凝固時產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于過冷度。6 .菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的特征，即濃度不隨時間變化。7 .冷變形金屬加熱過程中發(fā)生回復(fù)的驅(qū)動力是：冷變形過程中的存儲能8 .合金鑄錠的宏觀組織包括表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)三部分。9 .合金鑄錠的缺陷可分為縮金和偏析兩種。10 .相圖是表示合金系中合金的相與溫度、成分間關(guān)系的圖解。三、選擇題（20分，每題2分）1.在體心立方結(jié)構(gòu)中，柏氏矢量為a110的位錯（A）分解為a

16、/2111+a/2111.（A）不能（B）能（C）可能2在置換型固溶體中，原子擴(kuò)散的方式一般為（A.原子互換機(jī)制B.間隙機(jī)制C.空位機(jī)制3. A和B組成的二元系中出現(xiàn)a和B兩相平衡時，兩相的成分（x）-自由能（G）的關(guān)系為（B）（A）G=Gb（B）dG=dGe（C）G=Gb4. A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，測得界面向A試樣方向移動，則（A）（A）A組元的擴(kuò)散速率大于B組元（B）與（A）相反（C）A、B兩組元的擴(kuò)散速率相同5凝固時不能有效降低晶粒尺寸的是以下那種方法？（B）（A）加入形核劑（B）減小液相的過冷度（C）對液相進(jìn)行攪拌6. 從金屬與合金的角度看，冷加工和熱加工一般是以（B）

17、溫度為界限區(qū)分的。A.結(jié)晶B.再結(jié)晶C.相變7. 運(yùn)用區(qū)域熔煉方法可以（D）A.使材料的成分更均勻B.可以消除晶體中的微觀缺陷C.可以消除晶體中的宏觀缺陷D.可以提高金屬的純度8. 單晶體的臨界分切應(yīng)力值與（A）有關(guān)。A.外力相對于滑移系的取向B.拉伸時的屈服應(yīng)力C.晶體的類型和純度D.拉伸時的應(yīng)力大小9. 能進(jìn)行攀移的位錯可能是（B）。A.肖克利位錯B.弗蘭克位錯C.螺型全位錯D.前三者都不是10. 鑄鐵與碳鋼的區(qū)別在于有無（A）A萊氏體B.珠光體C.鐵素體D.滲碳體1 .Mn的同素異構(gòu)體有一為立方結(jié)構(gòu)，其品格常數(shù)為，密度為7.26g/cm3,原子半徑r等于，問Mn晶胞中有幾個原子，其致密度

18、為多少？答案解析：習(xí)題冊P92-22.2 .如圖1所示，設(shè)有兩個相晶粒與一個相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知相所張的兩面角為80C,界面能為，試求相與相的界面能0答案解析：習(xí)題冊P173-42.3 .有兩種激活能分別為Qi=mol和Q2=201kJ/mol的擴(kuò)散反應(yīng)，觀察在溫度從25c升高到800c時對這兩種擴(kuò)散的影響，并對結(jié)果進(jìn)行評述。有兩種激活能分別為Q1=mol和、2=151kJ/mol的擴(kuò)散反應(yīng)，觀察在溫度從30c升高到600c時對這兩種擴(kuò)散的影響，并對結(jié)果進(jìn)行評述。答案解析：習(xí)題冊P214-8.4請對比分析加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、復(fù)相強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的特點和機(jī)理答：加

19、工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。強(qiáng)化機(jī)制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。細(xì)品強(qiáng)化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的強(qiáng)化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強(qiáng)化：又稱時效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)化。包括切過機(jī)制和繞過機(jī)制。（2分）復(fù)相強(qiáng)化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強(qiáng)化機(jī)制。其強(qiáng)化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強(qiáng)度低于基體則不一定能夠起到強(qiáng)化作用。（2分）固溶強(qiáng)化：固溶體

20、材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用5. 請簡述回復(fù)的機(jī)制及其驅(qū)動力。答：（1）回復(fù)是冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化，但物理性能、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過程。（2）低溫機(jī)制：空位的消失；中溫機(jī)制：位錯的重排和消失高溫機(jī)制：位錯的滑移攀移；驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能）。7. 簡述一次再結(jié)晶與二次再結(jié)晶的驅(qū)動力，并說明如何區(qū)分冷、熱加工？動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶后的組織結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是什么？試舉例說明動態(tài)再結(jié)晶在實際生產(chǎn)中的一個實例。答案解析：習(xí)題冊P315-44.8. 請簡述擴(kuò)散的微觀機(jī)制有哪

21、些？影響擴(kuò)散的因素又有哪些？答：（1）置換機(jī)制：包括空位機(jī)制和直接換位與環(huán)形換位機(jī)制，其中空位機(jī)制是主要機(jī)制，直接換位與環(huán)形換位機(jī)制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2）間隙機(jī)制：包括間隙機(jī)制和填隙機(jī)制，其中間隙機(jī)制是主要機(jī)制。（3）影響擴(kuò)散的主要因素有：溫度（溫度越高，擴(kuò)散速度越快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學(xué)成分（包括濃度、第三組元等）。擴(kuò)散驅(qū)動力：化學(xué)位梯度是擴(kuò)散的根本驅(qū)動力。9. 試分析冷塑性變形對合金組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、體系能量的影響。答：（1）組織結(jié)構(gòu)：形成纖維組織；晶粒沿變形方向被拉長；形成位錯胞；晶粒轉(zhuǎn)動形成變形織構(gòu)。（2）力學(xué)性能：位錯密度增大，位錯相互纏繞，運(yùn)動阻力增大，造成加工硬化。（3）物理化學(xué)性能：其變化復(fù)雜，主要對導(dǎo)電，導(dǎo)熱，化學(xué)活