材料科學基礎期末試題

1、材料科學基礎試卷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系，是系統(tǒng)的平衡條件的數(shù)學表達式:f二GP+22二元系相圖是表示合金系中合金的相與溫度、成分間關系的圖解。3晶體的空間點陣分屬于2_大晶系，其中正方晶系點陣常數(shù)的特點為a=bc,a=p = r =90° ,請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. 原子擴散的驅(qū)動力是：組元的化學勢梯度2. 凝固的熱力學條件為：過冷度3.某金屬凝固時的形核功為AGb其臨界晶核界面能為AG,則和AG的關系為AG* =1/3 AG 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。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074。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)

3、可以歸屈于同一種空間點陣。（J ）3. 結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細化。（V ）4. 合金液體在凝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行形變加匸同時發(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為金屬以李生方式變形時需要的臨界分切應力小。（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，比較它們在塑性過程中的作用。（10分）答：相同點:九宏觀上，都是切應力作用下發(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另一部分的 移動過程；（1分）（1分）C.不改變晶體結(jié)構(gòu)。不同點：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. 對塑性變形的貢獻滑移：對須性變形的貢獻很大，即總變形最大。李生：對晶體塑性變形有限，即總變形量小。（1分）e. 變形應力滑移：有確定的臨界分應力。李生：所需臨界分切應力一般高于滑移所需的臨界分切應力。（1分）f. 變形條件滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形李生：當滑移變形難以進行時，或晶體對稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時。g. 變形機制滑移：全位錯運動的結(jié)果。李

6、生：不全位錯運動的結(jié)果。（1分）2. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ （8分答：置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主要機制，直接 換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2分）間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。（2分）影響擴散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴散速度約快）：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：化學成分（包括濃度、第三組元等）。（4分）3. 簡述材料強化的主要方法、原理及工藝實現(xiàn)途徑。（10分）1. 答案：加工硬化：是隨變形使位錯增殖而導致的硬化：（2分）細晶強化

7、：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)最增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導致的 強化；同時由于滑移分散，也使須性增大。該強化機制是唯一的同時增大強度和須性的機制。彌散強化：乂稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產(chǎn)生的強化。包括切過機 制和繞過機制。（2分）復相強化：由于第二相的相對禽量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化程度取決 于第二相的數(shù)最、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不一定能夠起到強化 作用。（2分）固溶強化：由于溶質(zhì)原子對位錯運動產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互 作用。（2分）分析位錯的增值機制。（5分）2. 答：若某滑移面上有一段刃位錯AB

8、,它的兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點釘住不能運動。（1分）現(xiàn)沿 位錯b方向加切應力，使位錯沿滑移面向前滑移運動，形成一閉合的位錯環(huán)和位錯環(huán)內(nèi)的一 小段彎曲位錯線。（2分）只要外加應力繼續(xù)作用，位錯環(huán)便繼續(xù)向外擴張，同時環(huán)內(nèi)的彎 曲位錯在線張力作用下乂被拉直，恢復到原始狀態(tài)，并重復以前的運動，絡繹不絕地產(chǎn)生新 的位錯環(huán)，從而造成位錯的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。（2分）請簡述回復的機制及其驅(qū)動力。答：低溫機制：空位的消失:中溫機制：對應位錯的滑移（重排、消失）高溫機制：對應多邊化（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）。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？它對液固界面的形貌有何影響？3. 對于金屬金屬型共晶，決定其形貌是片狀或棒狀的因素是什么？1. 答案：因為原子密度最大的晶面其而間距最大，點陣阻力最小，因而容易沿著這些而發(fā)生 滑移：滑移方向為原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子間距最短，即位錯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。它對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、：主要取決于兩個因素：（1）兩相的體積分數(shù)，如果有一相的體積分數(shù)小于27%時, 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，當兩相有固定的位向關系時則可能形成片狀共晶。四、作圖與計算題（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滑移系為QI。、【亍10°（1）請指出

11、引起滑移的單位位錯的柏氏欠量:（2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向;（3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向:（4）假設在該滑移系上作用一大小為0. 7MPa的切應力，試計算單位刃位錯線受力的大小和 方向（取點陣常數(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）計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分數(shù)。材料科學基礎試卷V答案四、作圖與計算題（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）堆積密度會改變，因為只與兩異號離子半徑的比值有關。（4分）2、某面心立方晶體的可動滑移系為（11。、""。（1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢星；（2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向：（3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向；（4）假設在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應

14、力，試計算單位刃位錯線受力的大?。ㄈ?點陣常數(shù)為a=0. 2nm）。b = -110答：（1）柏氏矢量： 2.（2）位錯線方向：112：（3）位錯線運動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，F(xiàn)esC產(chǎn)更匕9ZLxi00%=22.6%(1 分)6.69- 0.773(0=4. 30%時，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%時鐵碳合金在共析反應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