材料科學(xué)基礎(chǔ)期末試題

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)試卷V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二GP+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(diǎn)陣分屬于2_大晶系，其中正方晶系點(diǎn)陣常數(shù)的特點(diǎn)為a=bc,a=p = r =90° ,請(qǐng)列舉除立方和正方晶系外其他任意三種晶系的名稱三斜、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 渲班的方式進(jìn)行的。此外還有李生和 扭 撫等方式。狀和樹枝狀。6成分過

2、冷區(qū)從小到大，其固溶體的生長形態(tài)分別為平面狀，胞1. 原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是：組元的化學(xué)勢(shì)梯度2. 凝固的熱力學(xué)條件為：過冷度3.某金屬凝固時(shí)的形核功為AGb其臨界晶核界面能為AG,則和AG的關(guān)系為AG* =1/3 AG 5.金屬液體在凝固時(shí)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(dòng)力是：冷變形過程中的存儲(chǔ)能 9合金鑄錠的缺陷可分為縮孔和偏析兩種。判斷題（正確的打錯(cuò)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074。2. 同一種空間點(diǎn)陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)

3、可以歸屈于同一種空間點(diǎn)陣。（J ）3. 結(jié)晶時(shí)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. 合金液體在凝固形核時(shí)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(shí)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 ）&冷形變金屬在再結(jié)晶時(shí)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進(jìn)行形變加匸同時(shí)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. 金屬非金屈型共晶具有

4、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)。（J ）11. 李生變形的速度很快是因?yàn)榻饘僖岳钌绞阶冃螘r(shí)需要的臨界分切應(yīng)力小。（X ）12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。（ V ）簡答題（28 分）1試述李生和滑移的異同，比較它們?cè)谒苄赃^程中的作用。（10分）答：相同點(diǎn):九宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形;（1分）微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體一部分沿一定晶而和晶向相對(duì)另一部分的 移動(dòng)過程；（1分）（1分）C.不改變晶體結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)：a. 晶體中的取向滑移：晶體中已滑移部分與未滑移部分的位向相同。李生：己李生部分和為李生部分的位向不同，且兩者之間具有特定的

5、位向關(guān)系。（1分）b. 位移的最滑移：沿滑移方向上原子間距的整倍數(shù)，且在一個(gè)滑移面上的總位移較大。李生：原子的位移小于李生方向的原子間距，一般為李生方向原子間距的1/m（1分）c. 變形方式滑移：不均勻切變李生：均勻切變（1分）d. 對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)滑移：對(duì)須性變形的貢獻(xiàn)很大，即總變形最大。李生：對(duì)晶體塑性變形有限，即總變形量小。（1分）e. 變形應(yīng)力滑移：有確定的臨界分應(yīng)力。李生：所需臨界分切應(yīng)力一般高于滑移所需的臨界分切應(yīng)力。（1分）f. 變形條件滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形李生：當(dāng)滑移變形難以進(jìn)行時(shí)，或晶體對(duì)稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時(shí)。g. 變形機(jī)制滑移：全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。李

6、生：不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。（1分）2. 請(qǐng)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(shí)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（包拾致密度、 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）。（4分）3. 簡述材料強(qiáng)化的主要方法、原理及工藝實(shí)現(xiàn)途徑。（10分）1. 答案：加工硬化：是隨變形使位錯(cuò)增殖而導(dǎo)致的硬化：（2分）細(xì)晶強(qiáng)化

7、：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)最增多，尺寸減小，增大了位錯(cuò)連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的 強(qiáng)化；同時(shí)由于滑移分散，也使須性增大。該強(qiáng)化機(jī)制是唯一的同時(shí)增大強(qiáng)度和須性的機(jī)制。彌散強(qiáng)化：乂稱時(shí)效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(duì)禽量與基體處于同數(shù)量級(jí)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)最、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：由于溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互 作用。（2分）分析位錯(cuò)的增值機(jī)制。（5分）2. 答：若某滑移面上有一段刃位錯(cuò)AB

8、,它的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。（1分）現(xiàn)沿 位錯(cuò)b方向加切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一 小段彎曲位錯(cuò)線。（2分）只要外加應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張，同時(shí)環(huán)內(nèi)的彎 曲位錯(cuò)在線張力作用下乂被拉直，恢復(fù)到原始狀態(tài)，并重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)，絡(luò)繹不絕地產(chǎn)生新 的位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。（2分）請(qǐng)簡述回復(fù)的機(jī)制及其驅(qū)動(dòng)力。答：低溫機(jī)制：空位的消失:中溫機(jī)制：對(duì)應(yīng)位錯(cuò)的滑移（重排、消失）高溫機(jī)制：對(duì)應(yīng)多邊化（位錯(cuò)的滑移+攀移）；驅(qū)動(dòng)力：冷變形過程中的存儲(chǔ)能（主要是點(diǎn) 陣畸變能）。1. 為什么滑移而和滑移方向往往是金屈晶體中原子排列最

9、密的晶面和晶向。2. 什么是成分過冷？它對(duì)液固界面的形貌有何影響？3. 對(duì)于金屬金屬型共晶，決定其形貌是片狀或棒狀的因素是什么？1. 答案：因?yàn)樵用芏茸畲蟮木嫫涠g距最大，點(diǎn)陣阻力最小，因而容易沿著這些而發(fā)生 滑移：滑移方向?yàn)樵用芏茸畲蟮姆较蚴怯捎谧蠲芘欧较蛏系脑娱g距最短，即位錯(cuò)b最小。答案：成分過冷：在合金的凝固過程中，由界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布所 決定的凝固溫度時(shí)產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。它對(duì)液固界面的形貌影響為：成分過冷由小到 大，液固界面的形貌由平面狀過渡到胞狀再到樹枝狀。（1）若其離子半徑r，+=0. 066nm,=0. 140nm,則其原子堆積密度為多少？3答案

10、：主要取決于兩個(gè)因素：（1）兩相的體積分?jǐn)?shù)，如果有一相的體積分?jǐn)?shù)小于27%時(shí), 則形成棒狀共晶，否則形成片狀共晶：（3分）（2）兩相之間的界面能，界面能小，則形 成片狀共晶。一般情況下，當(dāng)兩相有固定的位向關(guān)系時(shí)則可能形成片狀共晶。四、作圖與計(jì)算題（40分，每題10分）1、氧化鎂（Mg0）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有02離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問:（1）若其離子半徑r'/?+=0. 066nm, °一 =0. 140nm,則其原子堆積密度為多少?（2）如果°宀/。-=0. 41，則原子堆積密度是否改變?2、某面心立方晶體的可動(dòng)滑移系為QI。、【亍10°（1）請(qǐng)指出

11、引起滑移的單位位錯(cuò)的柏氏欠量:（2）若滑移由刃位錯(cuò)引起，試指出位錯(cuò)線的方向;（3）請(qǐng)指出在（2）的情況下，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向:（4）假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0. 7MPa的切應(yīng)力，試計(jì)算單位刃位錯(cuò)線受力的大小和 方向（取點(diǎn)陣常數(shù)為a=0. 2nm）。2. 畫出 Fe-FesC 相圖，并根據(jù) Fe-FesC 相圖,（1）分別求3 （C）=2. 11%, 3 （C） =4. 30%的二次 滲碳體的析出量。（2）畫出3 （C） =4. 30%的冷卻曲線。3. 圖（a）為固態(tài)互不溶解的三兀共晶相圖的濃度三角形，其中三兀共晶點(diǎn)E的成分為 3（A）=20%, o（B）=30%, 3（C）=50%。圖（b

12、）為某一溫度（高于TE）的水平截面圖。問：（1）A, E和C三組元的熔點(diǎn)誰最低？（2）若有一液態(tài)成分為3（A）=60%, 3（E）=15%, 3（0=25%的合金（其B/C成分比三元共晶合金 相同）平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。（3）計(jì)算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。材料科學(xué)基礎(chǔ)試卷V答案四、作圖與計(jì)算題（40分，每題10分）1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有02離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問:（1）若其離子半徑r，+=0. 066nm,=0. 140nm,則其原子堆積密度為多少？（2）如果,+ /-=0.41,則原子堆積密度是否改變?答：（1）點(diǎn)陣常數(shù)&qu

13、ot;=2（“ + 0.） = 0.412 肋7（3分）（1）若其離子半徑r，+=0. 066nm,=0. 140nm,則其原子堆積密度為多少？（1）若其離子半徑r，+=0. 066nm,=0. 140nm,則其原子堆積密度為多少？（3分）（2分）（2分）（2分）（4分）堆積密度（2）堆積密度會(huì)改變，因?yàn)橹慌c兩異號(hào)離子半徑的比值有關(guān)。（4分）2、某面心立方晶體的可動(dòng)滑移系為（11。、""。（1）請(qǐng)指出引起滑移的單位位錯(cuò)的柏氏矢星；（2）若滑移由刃位錯(cuò)引起，試指出位錯(cuò)線的方向：（3）請(qǐng)指出在（2）的情況下，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向；（4）假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應(yīng)

14、力，試計(jì)算單位刃位錯(cuò)線受力的大小（取 點(diǎn)陣常數(shù)為a=0. 2nm）。b = -110答：（1）柏氏矢量： 2.（2）位錯(cuò)線方向：112：（3）位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向平行于柏氏矢量;（4）F = tb = 9.899 x!0'nMN/m3. 畫出Fe-FesC相圖，并根據(jù)Fe-FesC相圖,（1）分別求3（0=2.11%, 3（0=4.30%的二次 滲碳體的析出量。（2）畫出3 （C）=4. 30%的冷卻曲線。答案：(1) 3 (C)=2. 11%時(shí)，F(xiàn)esC產(chǎn)更匕9ZLxi00%=22.6%(1 分)6.69- 0.773(0=4. 30%時(shí)，共晶中奧氏體的量為：/ = 6 69 430 X

15、100%=52.18%(1 分)6.69- 2.11則共晶中奧氏體可析出FesC”的量為：FesCu=52. 18X1-0,77 =11.8%(1分)6.69- 0.77或者先求3 （C）=4. 30%時(shí)鐵碳合金在共析反應(yīng)前的滲碳體的總量為4 3-0 77(FeC) t=- U，Z/ X10Q%=6C%6.69- 0.77然后從(FejC) t中減去共晶中FeC的量，即得FeG的量P / 4.3 0.774.3 2.11、v - nnQL . gFesCn= () X 100% =11. 8%6.69-0.776.69-2.11(C) =4. 30%的冷卻曲線(2分)（i分）（i 分）Y +Fe3CFesCn> a+Fe3CaAFesCm答：(1 ) C最低(2) A+(A+B4C)4-圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶