材料科學(xué)基礎(chǔ)期末模擬試題集

1、模擬試題1簡答題（每題5分，共30分）1. 已知fcc晶體的致密度比bcc晶體的大，請解釋為什么fcc的固溶度仍比bcc的大？答：間隙分為四面體間隙和八面體間隙。在fcc中八面體間隙較大，而bcc中因八面體間隙為扁八面體間隙，故其四面體間隙較大。因此fcc晶體能夠容納更多的溶質(zhì)原子。2. 請簡述影響固溶體固溶度的因素有哪些。答：1）原子尺寸因素：置換固溶體的溶質(zhì)與溶劑原子尺寸越相近固溶度越大。 間隙固溶體的溶質(zhì)原子與溶劑間隙尺寸越相近固溶度越大。 2）晶體結(jié)構(gòu)因素：置換固溶體溶質(zhì)溶劑的晶體結(jié)構(gòu)相似固溶度越大。 3）電負(fù)性因素：溶質(zhì)與溶劑的電負(fù)性越相近固溶度越大。 4）電子濃度因素：電子濃度越低

2、固溶度越大。3. 均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一表面能，為什么非均勻形核比均勻形核容易？答：非均勻形核與均勻形核的臨界晶核半徑相等，但非均勻形核的臨界晶核體積小。非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一表面能，但非均勻形核的表面能小于均形核的表面能，即非均勻形核的臨界形核功小。因此非均勻形核比較容易。4. 原子的熱運動如何影響擴(kuò)散？答：原子熱運動越強(qiáng)烈，原子的躍遷距離增大，躍遷頻率增大，躍遷幾率增大，將使得擴(kuò)散系數(shù)增大，即促進(jìn)擴(kuò)散。5. 如何區(qū)分金屬的熱變形和冷變形？答：冷、熱變形溫度的分界是再結(jié)晶溫度。6. 基體、增強(qiáng)體和界面在復(fù)合材料中各起什么

3、作用？答：基體：1）固定和粘附增強(qiáng)體2）保護(hù)增強(qiáng)體免受物理化學(xué)損傷3）隔離和阻斷損傷。 增強(qiáng)體：1）承擔(dān)載荷；2）阻礙基體變形。 界面：協(xié)調(diào)變形二、作圖計算題（每題10分，共40分）1. 請分別計算簡單立方晶體與面心立方晶體（100）、（110）和（111）晶面的間距。晶面（100）（110）（111）簡單立方（1分）（2分）（2分）面心立方（1分）（2分）（2分）2. 已知某晶體在500時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù)A0.0539，波耳滋曼常數(shù)K1.381×10-23 J / K）答：3. 請判定在fcc中下列位錯反應(yīng)能否

4、進(jìn)行：答：幾何條件：能量條件：滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以進(jìn)行。4. 已知三元簡單共晶的投影圖，見附圖，1) 請畫出DF代表的垂直截面圖及各區(qū)的相組成；2) 請畫出X合金平衡冷卻時的冷區(qū)曲線，及各階段相變反應(yīng)。答：eABCXFDLLCLB+CLA+B+CA+B+CLL+CL+A+CL+B+CA+B+CDF三、綜合分析題1. 如附圖二所示，請分析：（22分）1) 兩水平線的反應(yīng)類型，并寫出反應(yīng)式；2) 分析Ab、bg、gd、d、 dh、 he、eB七個區(qū)域室溫下的組織組成物（ j點成分小于g點成分）；3) 分析I、II合金的平衡冷卻過程，并注明主要的相變反應(yīng)；4) 寫出合金I平衡冷卻到室溫后

5、相組成物相對含量的表達(dá)式及合金II平衡冷卻到室溫后組織組成物相對含量的表達(dá)式。t/k n jg i d hA b c1 g c2 d h e BIII答：1） 水平線kj為包晶反應(yīng)：水平線gh為共晶反應(yīng)：2） Ab： bg： +II gd： +(+)共+II d： (+)共 dh： +(+)共+IIhe： +II eB： 3） 合金I 合金II LLLL+LLIIL+II4） 合金I相組成：合金II組織組成：2. 請對比分析回復(fù)、再結(jié)晶、正常長大、異常長大的驅(qū)動力及力學(xué)性能變化。（8分）答：回復(fù)再結(jié)晶正常長大異常長大驅(qū)動力存儲能（主要是點陣畸變能）存儲能（主要是點陣畸變能）總界面能總界面能和表

6、面能力學(xué)性能變化基本保持變形后性能恢復(fù)到冷變形前的水平基本保持再結(jié)晶后的水平性能惡化強(qiáng)度、塑性下降模擬試題2簡答題（每題5分，共30分）1 何為空間點陣？它與晶體結(jié)構(gòu)有何異、同？答：空間點陣是對晶體結(jié)構(gòu)按照一定法則進(jìn)行的高度數(shù)學(xué)抽象；晶體結(jié)構(gòu)是對晶體的直觀表示。點陣只有七大類，14種，晶體結(jié)構(gòu)有無限多種。2 請簡述晶界有哪些特征？答：晶界有自發(fā)變直的趨勢；晶界引起晶體強(qiáng)度升高；晶界擴(kuò)散比晶體內(nèi)擴(kuò)散速度快；晶界容易收到腐蝕；晶界容易吸附溶質(zhì)原子和雜質(zhì)；晶界是相變首先發(fā)生的地方。3 何為固溶強(qiáng)化？置換固溶體與間隙固溶體相比,哪個的固溶強(qiáng)化效果強(qiáng)？請簡述影響固溶度的因素。答：溶質(zhì)原子溶入晶格中，阻礙

7、位錯運動，引起強(qiáng)度升高，塑性下降的現(xiàn)象。晶體結(jié)構(gòu)類型、原子尺寸差、電負(fù)性差異、電子濃度都會影響固溶度。4 請簡述二元合金結(jié)晶的基本條件有哪些。答：熱力學(xué)條件；結(jié)構(gòu)條件；能量條件；成分條件。5 什么是反應(yīng)擴(kuò)散？請簡述其特點。答：擴(kuò)散時，元素超過最大固溶度因而形成新相的擴(kuò)散。反應(yīng)快速分為有擴(kuò)散無反應(yīng)層和有反應(yīng)層；兩層之間有明確的界面；反應(yīng)擴(kuò)散速度取決于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度。6 簡述在什么情況下會發(fā)生單滑移、多滑移和交滑移，它們的滑移線形貌特征是什么。答：變形量小或滑移系少的時候發(fā)生單滑移；變形量大或滑移系多時多個滑移系同時或交替開動稱為多滑移；當(dāng)螺位錯為了避開障礙物改變滑移面時稱為交滑移。單滑移滑移

8、線為平行直線；多滑移為交叉的兩組平行直線；交滑移為波紋線二、作圖計算題（每題10分，共40分）1 請計算簡單立方和體心立方晶體的（100）、（110）和（111）晶面的面間距（假設(shè)兩種點陣的點陣常數(shù)都是a）。答：（100）（110）（111）簡單立方（1分）（1分）（2分）體心立方a（2分）（2分）（2分）2 在面心立方晶體中，分別畫出、和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就圖中情況分析它們能否構(gòu)成滑移系？若外力方向為<001>，請問哪些滑移系可以開動？不能構(gòu)成滑移系能構(gòu)成滑移系不能開動能構(gòu)成滑移系能開動3 請判定下列反應(yīng)能否進(jìn)行，若能夠進(jìn)行，則在簡單立方晶胞內(nèi)繪出參加反應(yīng)位錯的柏

9、氏矢量。（1）幾何條件： ，滿足幾何條件能量條件：不滿足能量條件，反應(yīng)不能進(jìn)行。（2）幾何條件：，滿足幾何條件能量條件：滿足能量條件，反應(yīng)可以進(jìn)行。4 已知三元簡單共晶的投影圖，見附圖，3) 請畫出AD代表的垂直截面圖及各區(qū)的相組成；4) 請畫出X合金平衡冷卻時的冷區(qū)曲線，及各階段相變反應(yīng)。eABCXDLL+AL+CL+A+CL+B+CA+B+CL Û ALA + B + CL Û A+CL Û A+B+C三、綜合分析題（每題15分，共30分）1 已知Mg-Ni合金系中一個共晶反應(yīng)：L23.5%NiÛa純Mg+Mg2Ni54.6%Ni設(shè)有C1和C2兩種合

10、金，C1為亞共晶，C2為過共晶。這兩種合金的初生相質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等，但室溫時C1中a(即Mg)的總量是C2中a總量的2.5倍，請確定C1和C2的成分。答：1）見習(xí)題集，圖略2） x1=12.7%, x2=37.8% 2. 某工廠對一大型零件進(jìn)行淬火處理，經(jīng)過1100加熱后，用冷拉鋼絲繩吊掛，由起重吊車送往淬火水槽，行至途中鋼絲突然發(fā)生斷裂。該鋼絲是新的，且沒有瑕疵，是分析該鋼絲繩斷裂的原因。答：冷拉鋼絲處于加工硬化狀態(tài)，強(qiáng)度高。在1100加熱后，發(fā)生再結(jié)晶，強(qiáng)度下降。出爐時，鋼絲承擔(dān)不了工件的重量發(fā)生斷裂，并非因鋼絲瑕疵導(dǎo)致斷裂。模擬試題3簡答題（每題5分，共30分）1. 固溶體晶粒內(nèi)存在偏析，主

11、軸與枝間成分不同，整個晶粒還是不是一個相？答：仍然是一個相，因為固溶體可以有相應(yīng)的成分變化范圍。2. 固體中常見的有哪些相結(jié)構(gòu)？答：固溶體中常見的相結(jié)構(gòu)有固溶體，化合物，非晶相，分子相。3. 何謂平衡結(jié)晶？何謂非平衡結(jié)晶？答：平衡結(jié)晶是指結(jié)晶速度非常緩慢，液相和固相中擴(kuò)散均很充分的情況下的結(jié)晶。非平衡結(jié)晶是指結(jié)晶速度比較快，擴(kuò)散不充分的情況下的結(jié)晶。4. 擴(kuò)散第一定律的應(yīng)用條件是什么？對于濃度梯度隨時間變化的情況，能否應(yīng)用擴(kuò)散第一定律？答：擴(kuò)散第一定律的應(yīng)用條件是穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，即與時間無關(guān)的擴(kuò)散。對于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的情況也可以應(yīng)用擴(kuò)散第一定律，但必須對其進(jìn)行修正。5. 按熱力學(xué)分，固態(tài)相變有哪幾類？分

12、類依據(jù)是什么？鐵碳合金中，F(xiàn)e3CII的形成屬于其中的哪一類？答：按熱力學(xué)分固態(tài)相變分為一級相變、二級相變和高級相變。Fe3CII的形成屬于一級相變。6. 復(fù)合材料按增強(qiáng)體形態(tài)可以分為哪幾類？答：可以分為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。二、作圖計算題（每題8分，共40分）1. 已知H原子半徑r為0.0406nm，純鋁是fcc晶體，其原子半徑R為0.143nm，請問H原子溶入Al時處于何種間隙位置？答：fcc晶體的八面體間隙，四面體間隙。 根據(jù)題意知，因此H原子應(yīng)處于八面體間隙。2. 現(xiàn)有Zn在Cu中的稀固溶體，已知Zn的擴(kuò)散系數(shù)在727時的擴(kuò)散系數(shù)為3.67

13、5;10-11cm2/s，在327時為8.32×10-18cm2/s，請確定Zn在Cu中的擴(kuò)散激活能。（R=8.314J/mol·K）答：；3. 一個fcc晶體在方向在2MPa正應(yīng)力下屈服，已測得開動的滑移系是，請確定使該滑移系開動的分切應(yīng)力。答：4. 對于Cu含量0.04的Al-Cu合金，經(jīng)過80%冷變形后，分別在700K，350K保溫1小時，請畫出緩慢冷卻到室溫后的金相組織，并分析兩組織出現(xiàn)差異的原因。答：700K退火1小時后發(fā)生形成單一相，冷卻是脫溶出相。250K則僅發(fā)生回復(fù)，金相組織保持冷變形的組織形態(tài)。繪圖略5. 請根據(jù)附圖作出簡單三元共晶相圖的垂直截面，并標(biāo)明各

14、個相區(qū)的相組成；繪出合金X的冷卻曲線，并標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)或相組成eABCXFDLLBLA+BLA+B+CA+B+CLL+CL+A+CL+B+CA+B+CDFL+A三、綜合分析題（每題15分，共30分）1. 若需要對純鋁試樣進(jìn)行強(qiáng)化，可以采用什么強(qiáng)化手段？通過何種手段實現(xiàn)？答：細(xì)晶強(qiáng)化，可以通過快速結(jié)晶或變形再結(jié)晶實現(xiàn)； 加工硬化，經(jīng)適當(dāng)?shù)睦渌苄宰冃魏罂梢蕴岣邚?qiáng)度。2. 圖示Cu-Cd二元相圖全圖及其400600范圍的局部放大：1） 請根據(jù)相圖寫出549、547、544、397和314五條水平線的三相平衡反應(yīng)類型及其反應(yīng)式；2） 已知相成分為wcd =46.5，400時相的成分為wcd =5

15、7，請計算400時wCd50合金的相組成。答： 1）549：包晶反應(yīng)，（Cu）+ L 547：包晶反應(yīng)， + L 544：共晶反應(yīng)，L + 397：包晶反應(yīng)， + L 314：共晶反應(yīng)，L +（Cd）2） 或 模擬試題4簡答題（每題6分，共30分）7. 請簡述工程材料的分類。答：金屬材料，陶瓷材料，高分子材料，復(fù)合材料。8. 請簡述滑移和孿生變形的特點？答： 滑移變形特點：1）平移滑動：相對滑動的兩部分位向關(guān)系不變2）滑移線與應(yīng)力軸呈一定角度3）滑移不均勻性：滑移集中在某些晶面上4）滑移線先于滑移帶出現(xiàn)：由滑移線構(gòu)成滑移帶5）特定晶面，特定晶向?qū)\生變形特點：1) 部分晶體發(fā)生均勻切變2) 變形

16、與未變形部分呈鏡面對稱關(guān)系，晶體位向發(fā)生變化3) 臨界切分應(yīng)力大4) 孿生對塑變貢獻(xiàn)小于滑移5) 產(chǎn)生表面浮凸9. 若將一位錯線的正方向定義為原來的反向，此位錯的柏氏矢量是否改變？位錯的類型是否改變？答：柏氏矢量反向。位錯類型不變，符號改變。10. 動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶后的組織有何差別？力學(xué)性能有何差別？答：動態(tài)再結(jié)晶后獲得中心有畸變的等軸晶，晶粒內(nèi)部有被纏結(jié)位錯分割的亞晶。靜態(tài)再結(jié)晶后獲得低位錯密度的等軸晶。一般，動態(tài)再結(jié)晶后的強(qiáng)度、硬度比靜態(tài)再結(jié)晶的高。11. 請簡述金屬間化合物的一般特性。答：金屬間化合物種類繁多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，一般具有極高的硬度，較高的熔點，塑形差。往往具有特殊的物理化學(xué)

17、性質(zhì)。二、作圖計算題（每題10分，共40分）6. 設(shè)有一條內(nèi)徑為30mm的厚壁管道，被壁厚0.1mm的鐵膜隔開。由管子一端通入氮氣，保持鐵膜一側(cè)活性氮原子濃度為1200 mol/m3，另一側(cè)為100 mol/m3。如果在700下測得通過管道的氮氣流量為2.8×10-4 mol/s，求此時氮原子在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)。答：滿足擴(kuò)散第一定律應(yīng)用條件，得：活性氮原子通量為：鐵膜中活性氮原子濃度梯度為：由擴(kuò)散第一定律：7. 請在立方晶胞中繪出和兩晶面，并計算其夾角。答：=19.1°8. 請分別繪出室溫下，共析鋼、過共晶白口鑄鐵平衡組織；Al-5.0wt%Cu合金平衡組織；Al-13%Si

18、合金平衡組織。答：略9. 已知簡單三元共晶的投影圖，且A-B共晶溫度最高，B-C共晶溫度稍低，A-C共晶溫度最低。請繪出介于B-C和A-C共晶溫度之間的等溫截面，以及AE垂直截面圖，并標(biāo)注各區(qū)域的相組成。eABCE答：ABCLL+A+BL+AL+BL+B+CL+CEALL+AL+CL+B+CA+B+CL+A+C三、綜合分析題（每題15分，共30分）1. 請以層片狀共晶組織為例，論述二元共晶時如何滿足成分條件。答：首先通過成分起伏獲得某一組元的富集并形成共晶中的某一相（領(lǐng)先相），此時會在其周圍形成另一組元的富集，比較容易滿足另一相的形成條件，從而形成共晶中的另一相。如此反復(fù)，滿足成分條件，交替形

19、核，而形成共晶。形核后，兩相與液相的界面處均會形成溶質(zhì)原子的富集，溶質(zhì)原子通過橫向擴(kuò)散，滿足兩相生長所需的成分條件，實現(xiàn)液固界面的推進(jìn)。2. 根據(jù)Al-Zr二元相圖回答：1) 寫出1490、1250、975、940的相變反應(yīng)，并判斷反應(yīng)類型。2) 畫出x50.0合金平衡結(jié)晶的冷卻曲線，并標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)。3) 計算x30.0合金平衡結(jié)晶到室溫下的相組成。答：1) 1490：L Al3Zr + Al2Zr 共晶反應(yīng)1250：Al3Zr4 + Al3Zr2 AlZr 包析反應(yīng)975：-Zr + AlZr2 AlZr3 包析反應(yīng)940：-Zr + AlZr3 -Zr 包析反應(yīng)LLAl3Zr2Al

20、3Zr2 + Al3Zr4Al3Zr4 + Al3Zr2 AlZrAlZrL Al3Zr2 + Al3Zr42) x30.0合金室溫下相組成為：AlZr3 AlZr2 AlZr3中含Al25，AlZr2中含Al33.3簡答題（每題5分，共30分）12. 什么是柏氏矢量？它有哪些特征？答：柏氏矢量是描述晶體中位錯性質(zhì)及其引起畸變方向、程度的一種數(shù)學(xué)方法。 它具有唯一性、同一性和可加性。 13. 固溶體的固溶度受哪些因素的影響？答：原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性、電子濃度。14. 請總結(jié)并簡要回答二元合金平衡結(jié)晶過程中，單相區(qū)、雙相區(qū)和三相區(qū)各相成分的變化規(guī)律。答：單相區(qū)：相成分為合金平均成分，不隨溫

21、度變化； 雙相區(qū)：兩相成分分別位于該相區(qū)的邊界，并隨溫度沿相區(qū)邊界變化； 三相區(qū)：三相具有確定成分，且不隨結(jié)晶過程變化。 15. 什么是上坡擴(kuò)散？哪些情況下會發(fā)生上坡擴(kuò)散？ 答：由低濃度處向高濃度處擴(kuò)散的現(xiàn)象稱為上坡擴(kuò)散。 應(yīng)力場作用、電場磁場作用、晶界內(nèi)吸附作用和調(diào)幅分解反應(yīng)等情況下可能發(fā)生上坡擴(kuò)散。 16. 何為固溶強(qiáng)化？請簡述其強(qiáng)化機(jī)制。答：固溶強(qiáng)化就是溶質(zhì)原子通過某種方式阻礙位錯運動，從而使合金強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。其主要機(jī)制包括：（1）柯氏氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子與基體原子尺寸不同，產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場對位錯運動產(chǎn)生阻礙；（2）玲木氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子降低了基體的層錯能，使位錯分解稱為擴(kuò)展位錯，阻礙位錯運

22、動；（3）電交互作用，即溶質(zhì)原子為帶電粒子，與位錯形成靜電作用力，阻礙位錯運動。 17. 室溫下對某種金屬材料進(jìn)行塑性變形，能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶嗎？為什么？答：可能。若再結(jié)晶溫度低于室溫，則室溫下的變形屬于熱變形，就可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。二、作圖計算題（每題8分，共40分）10. 請比較FCC晶體中和兩位錯的畸變能哪個較大。答： 故：b1能量較低。 11. 面心立方晶體沿001方向拉伸，可能有幾個滑移系開動？請寫出各滑移系指數(shù)，并分別繪圖示之。答：可能開動的有8個。分別是： 、 、 、 、12. 假設(shè)某合金平衡結(jié)晶時形成的臨界晶核為邊長為a的立方體。已知該合金體系液固界面能為，單位體積自由能差為GB

23、。請推導(dǎo)均勻形核時臨界晶核邊長a*和臨界形核功G*的表達(dá)式。答：G = a3GB + 6a2 13. 500時，Al在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)為2.6×10-17 m2/s；1000時則為1.6×10-12 m2/s。計算該擴(kuò)散偶的D0和擴(kuò)散激活能Q。（R=8.314J/mol·K）答： Q=180435.396 J/mol =3×10-19 J/atom D0=4.056×10-5 m2/s 14. 請根據(jù)附圖作出簡單三元共晶相圖中AF所代表的垂直截面，并標(biāo)明各個相區(qū)的相組成；繪出合金X的冷卻曲線，并標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)或相組成eABCXFLLBLA

24、+BLA+B+CA+B+CLL+CL+A+CL+B+CA+B+CAFL+A三、綜合分析題（每題15分，共30分）3. 請分析回復(fù)、再結(jié)晶、正常長大、二次再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動力和動力學(xué)特征。答：熱力學(xué)驅(qū)動力動力學(xué)特征回復(fù)存儲能（點陣畸變能）馳豫過程再結(jié)晶存儲能（點陣畸變能）形核長大正常長大總界面能長大二次再結(jié)晶總界面能總表面能長大4. Al-Cu相圖的局部如附圖所示，請分析并回答：3） 分析5.6%Cu合金和5.8%Cu合金在平衡結(jié)晶和快速冷卻不平衡結(jié)晶時，室溫下的組織特征。4） 已知Al為FCC結(jié)構(gòu)，請問圖中的a相是什么晶體結(jié)構(gòu)？為什么？5） 請計算亞共晶合金在共晶反應(yīng)前一刻的平衡分配系數(shù)。6）

25、 設(shè)X合金平衡結(jié)晶完成時的組織為a初+(a+)共，其中a初占80%。請問，該合金剛剛凝固完畢時相的含量有多少。答：1） 5.6%Cu合金平衡結(jié)晶至室溫組織為a初+II ，快速冷卻至室溫將還出現(xiàn)少量非平衡共晶組織 ；5.8%Cu合金平衡結(jié)晶組織為a初+(a+)共+II ，快冷組織會出現(xiàn)離異共晶 。2） a相仍然是FCC結(jié)構(gòu) 。a相為固溶體，保持Al的晶體結(jié)構(gòu)。 X=11.2%Cu模擬試題5簡答題（每題5分，共30分）18. 什么是柏氏矢量？它有哪些特征？答：柏氏矢量是描述晶體中位錯性質(zhì)及其引起畸變方向、程度的一種數(shù)學(xué)方法。 它具有唯一性、同一性和可加性。 19. 固溶體的固溶度受哪些因素的影響？

26、答：原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性、電子濃度。20. 請總結(jié)并簡要回答二元合金平衡結(jié)晶過程中，單相區(qū)、雙相區(qū)和三相區(qū)各相成分的變化規(guī)律。答：單相區(qū)：相成分為合金平均成分，不隨溫度變化； 雙相區(qū)：兩相成分分別位于該相區(qū)的邊界，并隨溫度沿相區(qū)邊界變化； 三相區(qū)：三相具有確定成分，且不隨結(jié)晶過程變化。 21. 什么是上坡擴(kuò)散？哪些情況下會發(fā)生上坡擴(kuò)散？ 答：由低濃度處向高濃度處擴(kuò)散的現(xiàn)象稱為上坡擴(kuò)散。 應(yīng)力場作用、電場磁場作用、晶界內(nèi)吸附作用和調(diào)幅分解反應(yīng)等情況下可能發(fā)生上坡擴(kuò)散。 22. 何為固溶強(qiáng)化？請簡述其強(qiáng)化機(jī)制。答：固溶強(qiáng)化就是溶質(zhì)原子通過某種方式阻礙位錯運動，從而使合金強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。其主要

27、機(jī)制包括：（1）柯氏氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子與基體原子尺寸不同，產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場對位錯運動產(chǎn)生阻礙；（2）玲木氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子降低了基體的層錯能，使位錯分解稱為擴(kuò)展位錯，阻礙位錯運動；（3）電交互作用，即溶質(zhì)原子為帶電粒子，與位錯形成靜電作用力，阻礙位錯運動。 23. 室溫下對某種金屬材料進(jìn)行塑性變形，能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶嗎？為什么？答：可能。若再結(jié)晶溫度低于室溫，則室溫下的變形屬于熱變形，就可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。二、作圖計算題（每題8分，共40分）15. 請比較FCC晶體中和兩位錯的畸變能哪個較大。答： 故：b1能量較低。 16. 面心立方晶體沿001方向拉伸，可能有幾個滑移系開動？請寫出各滑移系指數(shù)，并

28、分別繪圖示之。答：可能開動的有8個。分別是： 、 、 、 、17. 假設(shè)某合金平衡結(jié)晶時形成的臨界晶核為邊長為a的立方體。已知該合金體系液固界面能為，單位體積自由能差為GB。請推導(dǎo)均勻形核時臨界晶核邊長a*和臨界形核功G*的表達(dá)式。答：G = a3GB + 6a2 18. 500時，Al在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)為2.6×10-17 m2/s；1000時則為1.6×10-12 m2/s。計算該擴(kuò)散偶的D0和擴(kuò)散激活能Q。（R=8.314J/mol·K）答： Q=180435.396 J/mol =3×10-19 J/atom D0=4.056×10-5

29、 m2/s 19. 請根據(jù)附圖作出簡單三元共晶相圖中AF所代表的垂直截面，并標(biāo)明各個相區(qū)的相組成；繪出合金X的冷卻曲線，并標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)或相組成eABCXFLLBLA+BLA+B+CA+B+CLL+CL+A+CL+B+CA+B+CAFL+A三、綜合分析題（每題15分，共30分）5. 請分析回復(fù)、再結(jié)晶、正常長大、二次再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動力和動力學(xué)特征。熱力學(xué)驅(qū)動力動力學(xué)特征回復(fù)存儲能（點陣畸變能）馳豫過程再結(jié)晶存儲能（點陣畸變能）形核長大正常長大總界面能長大二次再結(jié)晶總界面能總表面能長大6. Al-Cu相圖的局部如附圖所示，請分析并回答：7） 分析5.6%Cu合金和5.8%Cu合金在平衡結(jié)

30、晶和快速冷卻不平衡結(jié)晶時，室溫下的組織特征。8） 已知Al為FCC結(jié)構(gòu)，請問圖中的a相是什么晶體結(jié)構(gòu)？為什么？9） 請計算亞共晶合金在共晶反應(yīng)前一刻的平衡分配系數(shù)。10） 設(shè)X合金平衡結(jié)晶完成時的組織為a初+(a+)共，其中a初占80%。請問，該合金剛剛凝固完畢時相的含量有多少。答：3） 5.6%Cu合金平衡結(jié)晶至室溫組織為a初+II ，快速冷卻至室溫將還出現(xiàn)少量非平衡共晶組織 ；5.8%Cu合金平衡結(jié)晶組織為a初+(a+)共+II ，快冷組織會出現(xiàn)離異共晶 。4） a相仍然是FCC結(jié)構(gòu) 。a相為固溶體，保持Al的晶體結(jié)構(gòu)。 X=11.2%Cu模擬試題6簡答題（每題6分，共30分）1. 請簡述

31、刃型位錯、螺型位錯的主要特征答：刃型位錯：晶體中有一個額外原子面，形如刀刃插入晶體刃型位錯周圍的點陣發(fā)生了彈性畸變位錯線可以是折線或曲線, 但位錯線必與滑移（矢量）方向垂直只有一個確定的滑移面位錯線的移動方向與晶體滑移方向平行（一致）位錯線與柏氏矢量垂直螺型位錯：上下兩層原子發(fā)生錯排，錯排區(qū)原子依次連接呈螺旋狀位錯線周圍點陣產(chǎn)生了彈性畸變；螺型位錯與晶體滑移方向平行，故位錯線一定是直 線螺型位錯的滑移面是不確定的，凡是包含螺型位錯的平面均可作為它的滑移面；位錯線的移動方向與晶體滑移方向相互垂直。位錯線與柏氏矢量平行2. 相互垂直的位錯運動后發(fā)生交割，原位錯可能會發(fā)生什么變化？在后續(xù)的

32、位錯運動中可能會有什么影響？答：交割后在原位錯線上留下對方柏氏矢量大小、方向的扭轉(zhuǎn)或割接，但是該位錯線仍是原柏氏矢量。所有的割階都是刃型位錯，而扭折可以是刃位錯也可以是螺位錯在后續(xù)位錯運動中，由于：扭折與原位錯同一滑移面，可隨主位錯線一起運動，幾乎不產(chǎn)生阻力，并在線張力的作用下易消失割階與原位錯線不在同一滑移面，故除非割階產(chǎn)生攀移，否則割階就不能跟隨主滑移線一起運動，成為位錯運動的障礙，稱為割階硬化3. 什么是離異共晶？如何發(fā)生的？答：在共晶水平線的兩個端部附近，由于共晶量少，領(lǐng)先相相依附在初生相上，另一相獨立存在于晶界，在組織學(xué)上失去共晶體特點，稱為離異共晶。有時，也將端部以外附近的合金，在

33、非平衡凝固時得到的少量共晶，稱為離異共晶。4. 簡述平衡結(jié)晶與非平衡結(jié)晶的不同之處。答：平衡結(jié)晶是指結(jié)晶速度非常緩慢，液相和固相中擴(kuò)散均很充分的情況下的結(jié)晶。非平衡結(jié)晶是指結(jié)晶速度比較快，擴(kuò)散不充分的情況下的結(jié)晶。5. 形成無限固溶體的條件是什么？簡述原因。答：形成固溶體時，溶質(zhì)原子的溶入會使溶劑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生點陣畸變，使體系自由能升高。間隙固溶體中溶質(zhì)原子溶入溶劑間隙中引起的點陣畸變較大，故不能形成無限互溶；置換固溶體中溶質(zhì)原子取代了溶劑原子的位置，晶格畸變較小。當(dāng)溶質(zhì)、溶劑尺寸相差越小，晶格畸變越小，能量越低，溶解度越大；兩組元具有相同的晶體結(jié)構(gòu)可形成無限互溶。6. 在固態(tài)下晶體的線缺陷對溶質(zhì)原

34、子的擴(kuò)散有何影響？答：管道機(jī)制陷阱機(jī)制二 作圖計算題（共30分）1、根據(jù)Fe-Fe3C相圖畫出含碳0.65的鐵碳合金的冷卻曲線。指出平衡冷卻，室溫下相組成物、組織組成物是什么？并計算其相對含量。（12分）參考答案： L g g g aa Fe3CIIIg (aFe3C）共析相組成： a + Fe3C 組織組成：F + P + Fe3CIII（少量、忽略）室溫下，相的相對含量： 室溫下，組織相對含量： 忽略2、在A滑移面上有一環(huán)形位錯，所受切應(yīng)力如圖所示，試分析在平面位錯環(huán)上各段屬于哪種類型的位錯？作圖表示位錯運動的方向？（俯視觀看）（8分）答： bb正刃負(fù)刃右螺左螺位錯運動方向3、下圖為Cu-

35、Zn相圖，圖中有多少三相平衡，寫出它們的反應(yīng)式。（8分）答：包晶反應(yīng)+ L;包晶反應(yīng)+ L;包晶反應(yīng)+ L;包晶反應(yīng)+ L;包晶反應(yīng)+ L;共析反應(yīng)r +;4、已知單晶銅的111滑移系的臨界分切應(yīng)力k為1MPa，請問：要使面上產(chǎn)生方向的滑移，則在方向上應(yīng)施加多大的應(yīng)力？假設(shè)在單晶銅中只開動滑移系，那么隨著滑移的進(jìn)行，拉伸試樣中面會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？它對隨后的進(jìn)一步變形有何影響？（10分）答：（1）滑移面的法線方向和拉力軸 的夾角與拉力軸的夾角需要施加的力 （2）（111）面會發(fā)生轉(zhuǎn)動。晶面轉(zhuǎn)動使晶體位相發(fā)生改變，使滑移面和滑移方向逐漸趨于平行拉伸軸線方向，從而使后續(xù)塑性變形所需外力進(jìn)一步增大。三

36、綜合題（每題15分，共30分）1、為了細(xì)化純鋁板晶粒，采用冷變性的方法將其變形35，之后采用620退火1，組織反而粗化，增大冷變形至80以上，再于620退火1，組織仍然粗大。分析其原因，指出上述工藝不合理之處并擬定一種合理的晶粒細(xì)化工藝。（再0.4溶 純鋁熔點為660 ）答：前一種為臨界變形度下變形，高溫退火再結(jié)晶驅(qū)動力小，形核少，晶粒粗大；后種工藝，在大變形下，根據(jù)再0.4溶 計算，T再100，故再結(jié)晶溫度不得大于200為宜，由于采用了620高溫退火，晶粒異常長大（二次再結(jié)晶），造成晶粒粗大。正確工藝：70%以上冷變形，之后150退火1h2、簡述60#鋼（含碳0.6%）平衡結(jié)晶（假設(shè)為均勻形

37、核）需要滿足的條件答：體積自由能變化DGv < 0結(jié)構(gòu)條件：能量條件：驅(qū)動力晶核形核功能量起伏來自要求要求結(jié)構(gòu)起伏熱力學(xué)條件：過冷度T0需要形成晶胚晶胚能否形成穩(wěn)定晶核成分條件：選分結(jié)晶液固相成分不同存在溶質(zhì)原子再分配模擬試題7簡答題（每題6分，共30分）1原子的結(jié)合鍵有哪幾種？各有什么特點？離子鍵：正負(fù)離子相互吸引；鍵合很強(qiáng)，無方向性；熔點、硬度高，固態(tài)不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性差。共價鍵：相鄰原子通過共用電子對結(jié)合；鍵合強(qiáng)，有方向性；熔點、硬度高，不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性有好有差。金屬鍵：金屬正離子于自由電子相互吸引；鍵合較強(qiáng)，無方向性；熔點、硬度有高有低，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好。分子鍵：分子或分子團(tuán)顯弱電性，相互

38、吸引；鍵合很弱，無方向性；熔點、硬度低，不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性差。氫   鍵：類似分子鍵，但氫原子起關(guān)鍵作用XH-Y；鍵合弱，有方向性；熔點、硬度低，不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性好。2面心立方晶體和體心立方晶體的晶胞原子數(shù)、配位數(shù)和致密度各是多少？ 晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度面心立方41274%體心立方2868%3立方晶系中，若位錯線方向為001，試說明該位錯屬于什么類型。因位錯線方向垂直于柏氏矢量，所以是刃位錯。4請說明間隙化合物與間隙固溶體的異同。相同點：小原子溶入不同點：若小原子溶入后，大小原子數(shù)量成比例，在選取點陣時，大小原子點陣可以合并，這實際上改變了大原子的點陣結(jié)構(gòu)，因此認(rèn)為形成新相，稱為間隙相（間隙化合物）。若小原子溶入后，分布隨機(jī)，大小原子點陣不能合并，仍然保留大原子點陣，稱為間隙固溶體。5試從擴(kuò)散系數(shù)公式說明影響擴(kuò)散的因素。從公式表達(dá)形式可以看出擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散激活能Q和溫度T有關(guān)。擴(kuò)散激活能越低擴(kuò)散系數(shù)越大，因此激活能低的擴(kuò)散方式的擴(kuò)散系數(shù)較大，如晶界和位錯處的擴(kuò)散系數(shù)較大