材料科學(xué)基礎(chǔ)試題及答案

1、第一章 原子排列與晶體結(jié)構(gòu)1. fcc結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛順序是 ，致密度為 ，配位數(shù)是 ,晶胞中原子數(shù)為 ，把原子視為剛性球時，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 ；bcc結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ,致密度為 ,配位數(shù)是 ,晶胞中原子數(shù)為 ，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 ；hcp結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛順序是 ，致密度為 ，配位數(shù)是 ,，晶胞中原子數(shù)為 ，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 。2. Al的點陣常數(shù)為0.4049nm，其結(jié)構(gòu)原子體積是 ，每個晶胞中八面體間隙數(shù)為 ，四面體間隙數(shù)為 。3. 純鐵冷卻時在912e 發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變是從

2、 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?結(jié)構(gòu)，配位數(shù) ，致密度降低 ，晶體體積 ，原子半徑發(fā)生 。4. 在面心立方晶胞中畫出晶面和晶向，指出110中位于（111）平面上的方向。在hcp晶胞的（0001）面上標(biāo)出晶面和晶向。5. 求和兩晶向所決定的晶面。6 在鉛的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知鉛為fcc面心立方結(jié)構(gòu)，其原子半徑R=0.175×10-6mm。第二章 合金相結(jié)構(gòu)一、 填空1） 隨著溶質(zhì)濃度的增大，單相固溶體合金的強度 ，塑性 ，導(dǎo)電性 ，形成間隙固溶體時，固溶體的點陣常數(shù) 。2） 影響置換固溶體溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和環(huán)境因素。3） 置換式固溶體的不

3、均勻性主要表現(xiàn)為 和 。4） 按照溶質(zhì)原子進入溶劑點陣的位置區(qū)分，固溶體可分為 和 。5） 無序固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w時，合金性能變化的一般規(guī)律是強度和硬度 ，塑性 ，導(dǎo)電性 。6）間隙固溶體是 ，間隙化合物是 。二、 問答 1、 分析氫，氮，碳，硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶體的類型，進入點陣中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半徑如下：氫：0.046nm，氮：0.071nm，碳：0.077nm，硼：0.091nm，a-Fe：0.124nm，g-Fe ：0.126nm。2、簡述形成有序固溶體的必要條件。第三章 純金屬的凝固1. 填空1. 在液態(tài)純金屬中進行均質(zhì)形核時，需要 起伏和 起伏

4、。2 液態(tài)金屬均質(zhì)形核時，體系自由能的變化包括兩部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的動力；臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為 ，臨界形核功vGK等于 。3 動態(tài)過冷度是指 。4 在工廠生產(chǎn)條件下，過冷度增大，則臨界晶核半徑 ，金屬結(jié)晶冷卻速度越快，N/G比值 ，晶粒越 。5. 獲得非晶合金的基本方法是 。二、 問答1 根據(jù)凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑。2 試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點。3 簡述液態(tài)金屬結(jié)晶時，過冷度與臨界晶核半徑，形核功及形核率的關(guān)系。4 銅的熔點Tm=1356K，熔化熱vHm=1628J/cm2，s=177×107J/cm，點陣常數(shù)a=0.361

5、5nm。求銅vT=100e 時均勻形核的臨界核心半徑。5：何謂過冷，過冷度，動態(tài)過冷度，它們對結(jié)晶過程有何影響？6 根據(jù)冷卻速度對金屬凝固后組織的影響，現(xiàn)要獲得微晶，非晶，亞穩(wěn)相，請指出其凝固時如何控制。7、簡述純金屬凝固時潤濕角、雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)對異質(zhì)形核的影響。第四章 二元合金相圖與合金凝固一、填空1. 固溶體合金凝固時，除了需要結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏外，還要有 起伏。2. 按液固界面微觀結(jié)構(gòu)，界面可分為 和 。3. 液態(tài)金屬凝固時，粗糙界面晶體的長大機制是 ，光滑界面晶體的長大機制是 和 。4 在一般鑄造條件下固溶體合金容易產(chǎn)生 偏析，用 熱處理方法可以消除。5 液態(tài)金屬凝固時，

6、若溫度梯度dT/dX>0（正溫度梯度下），其固、液界面呈 狀，dT/dX<0時（負(fù)溫度梯度下），則固、液界面為 狀。6. 靠近共晶點的亞共晶或過共晶合金，快冷時可能得到全部共晶組織，這稱為 。7 固溶體合金凝固時，溶質(zhì)分布的有效分配系數(shù)ke= ，當(dāng)凝固速率很大時ke趨于 。8. 在二元相圖中，L1a+L2叫 反應(yīng)，bL+a稱為 轉(zhuǎn)變，而反應(yīng)aab稱為 反應(yīng)，a+b®g稱為 反應(yīng)。9 Fe-Fe3C相圖中含碳量小于 為鋼，大于 為鑄鐵；鐵碳合金室溫平衡組織均由 和 兩個基本相組成；根據(jù)溶質(zhì)原子的位置，奧氏體其晶體結(jié)構(gòu)是 ，是 固溶體，鐵素體是 ，其晶體結(jié)構(gòu)是 ，合金平衡結(jié)晶

7、時，奧氏體的最大含量是 ；珠光體的含碳量是 ，它是由 和 組成的兩相混合物；萊氏體的含碳量是 ；在常溫下，亞共析鋼的平衡組織是 ，過共析鋼的平衡組織是 ，亞共晶白口鑄鐵的平衡組織是 ，萊氏體的相組成物是 ，變態(tài)萊氏體的相組成物是 ，F(xiàn)e3CI是從 中析出的，F(xiàn)e3CII是從 中析出的，F(xiàn)e3CIII是從 中析出的，它們的含碳量為 ，F(xiàn)e3C主要性能特點是 ，A共析反應(yīng)后的生成物稱為 。2 問答1 如圖4-1所示為Ni-Al相圖1） 填出相圖中各相區(qū)的平衡相；2） 指出圖中的穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物；3） 寫出圖中存在的恒溫反應(yīng)，指明反應(yīng)類型；4） 指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷卻時的

8、相變過程，計算室溫下的相組成與組織組成，并計算出其中組織組成物的百分?jǐn)?shù)。5） 試說明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固與非平衡凝固后的顯微組織的不同。6） 設(shè)X合金平衡凝固完畢時的組織為a（Al）初晶+(a+b)共晶，其中a初晶占80%，則此合金中Ni組元的含量是多少？7） 繪出1500e 時Al-Ni合金系的自由能成分曲線示意圖。 圖4-1 圖4-2 2 根據(jù)Cu-Sn相圖（圖4-2），Cu為fcc結(jié)構(gòu)。回答下列問題： 1）a相為何種晶體結(jié)構(gòu)？2）計算212時Cu-90%Sn合金在TE溫度時（共晶反應(yīng)前）的平衡分配系數(shù)。3）Cu-13.47%Sn合金在正常條件下凝固后，a相的晶界

9、上出現(xiàn)少量b相，其原因何在？如何消除b相？4）分析Cu-70%Sn合金平衡凝固過程，并計算共晶反應(yīng)剛完畢時相組成物和組織組成物的相對含量。5）畫出Cu-Sn系合金在450時各相自由能-成分曲線示意圖。 圖4-3 圖4-43 如圖4-3為Mg-Y相圖1） 填相區(qū)組成，寫出相圖上等溫反應(yīng)及Y=5%wt時的合金K在室溫時的平衡組織。2） 已知Mg為hcp結(jié)構(gòu)，試計算Mg晶胞的致密度；3） 指出提高合金K強度的可能方法4） 簡述圖中Y=10%wt之合金可能的強化方法。4 試說明純Al和鋁銅單相固溶體結(jié)晶的異同。5 根據(jù)4-4的鐵碳亞穩(wěn)平衡相圖回答下列問題：1） 寫出下列Fe3CII含量最多的合金；珠光

10、體含量最多的合金；萊氏體含量最多的合金。2） 指出此二元系中比較適合做變形合金和鑄造合金的成分范圍。3） 如何提高壓力加工合金的強度。4） 標(biāo)注平衡反應(yīng)的成分及溫度，寫出平衡反應(yīng)式。5） 分析Fe-1%C合金的平衡凝固過程，并計算室溫下其中相組成物和組織組成物的百分含量，6） 分析Fe-1%C合金在亞穩(wěn)冷卻轉(zhuǎn)變和淬火冷卻轉(zhuǎn)變后組織的差異。7） 根據(jù)Fe-Fe3C狀態(tài)圖確定下列三種鋼在給定溫度下的顯微組織（填入表中）含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織0.4770停留一段時間P+F 900A+F 0.77680P 剛達到770A 1.0700P+Fe3C 剛達到770A+Fe3C 8) 畫出1200時

11、各相的自由能-成分曲線示意圖。 圖4-5 圖4-66：A為金屬元素，B為非金屬元素，形成二元相圖如圖4-5：1）畫出合金平衡冷卻曲線以及平衡結(jié)晶后組織示意圖，計算其室溫下相組成物及組織組成物相對含量。2）試分析不同冷卻速度對下圖中合金凝固后顯微組織的影響。3）合金在工業(yè)條件冷凝后如對合金進行擴散退火，應(yīng)如何確定退火溫度。7：簡述典型金屬凝固時，固/液界面的微觀結(jié)構(gòu)，長大機制，晶體在正溫度梯度下、負(fù)溫度梯度下成長時固/液界面的形態(tài)。8：根據(jù)Pb-Bi相圖（圖46）回答下列問題：1） 把空相區(qū)填上相的名稱。2） 設(shè)X合金平衡凝固完畢時的相組成物為b和(Bi)，其中b相占80%，則X合金中Bi組元的

12、含量是多少？3） 設(shè)Y合金平衡凝固完畢時的組織為(Bi)初晶+b+（Bi）共晶，且初晶與共晶的百分含量相等，則此合金中Pb組元的含量是多少？4） Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室溫下組織與平衡凝固組織有何不同。第五章 三元合金相圖圖81 根據(jù)FeCSi的3.5%Si變溫截面圖（51），寫出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷卻時的相變過程和1100時的平衡組織。圖512 圖52為Cu-Zn-Al合金室溫下的等溫截面和2%Al的垂直截面圖，回答下列問題：1） 在圖中標(biāo)出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分點。Y2） 計算Cu-20%Zn-8%Al和 Cu-25%Zn-6%Al合

13、金中室溫下各相的百分含量，其中相成分點為Cu-22.5%Zn-3.45%Al，相成分點為Cu-18%Zn-11.5%Al。3） 分析圖中Y合金的凝固過程。 圖523 如圖53是A-B-C三元系合金凝固時各相區(qū)，界面的投影圖，A、B、C分別形成固溶體、。 1） 寫出，和單變量線的三相平衡反應(yīng)式。 2） 寫出圖中的四相平衡反應(yīng)式。 3） 說明O合金凝固平衡凝固所發(fā)生的相變。 圖53 圖544 圖54為Fe-W-C三元系的液相面投影圖。寫出e11085，P11335，P21380單變量線的三相平衡反應(yīng)和1700，1200，1085的四相平衡反應(yīng)式。I，II，III三個合金結(jié)晶過程及室溫組織，選擇一個

14、合金成分其組織只有三元共晶。5 如圖55為Fe-Cr-C系含13%Cr的變溫截面）大致估計2Cr13不銹鋼的淬火加熱溫度（不銹鋼含碳量., 含Cr量13）指出Cr13模具鋼平衡凝固時的凝固過程和室溫下的平衡組織（Cr13鋼含碳量2%）寫出（）區(qū)的三相反應(yīng)及e 時的四相平衡反應(yīng)式。 圖55 圖566 如圖56所示，固態(tài)有限溶解的三元共晶相圖的濃度三角形上的投影圖，試分析IV區(qū)及VI區(qū)中合金之凝固過程。寫出這個三元相圖中四相反應(yīng)式。 圖57 7 分析如圖57所示的三元相圖，該合金中E點成分為27Pb18Sn55Bi，相成分取100Bi。1）指出這個三元系的初晶面，寫出四相平衡反應(yīng)式；2）分析該三元

15、合金系中1，2，3，4合金平衡結(jié)晶過程；3）要配制一個初晶為，具有三元共晶而無二元共晶且/三元共晶=0.5的合金，計算該合金的成分。第六章 空位與位錯一、 名詞解釋空位平衡濃度，位錯，柏氏回路，P-N力，擴展位錯，堆垛層錯，弗蘭克-瑞德位錯源， 奧羅萬機制，科垂耳氣團，面角位錯，鈴木氣團，多邊形化 二、 問答1 fcc晶體中，層錯能的高低對層錯的形成、擴展位錯的寬度和擴展位錯運動有何影響？層錯能對金屬材料冷、熱加工行為的影響如何？2. 在鋁單晶體中（fcc結(jié)構(gòu)）， 1） 位錯反應(yīng)®+能否進行？寫出反應(yīng)后擴展位錯寬度的表達式和式中各符號的含義；若反應(yīng)前的是刃位錯，則反應(yīng)后的擴展位錯能進

16、行何種運動？能在哪個晶面上進行運動？若反應(yīng)前的是螺位錯，則反應(yīng)后的擴展位錯能進行何種運動？2） 若（1，1，1）面上有一位錯，與面上的位錯發(fā)生反應(yīng)，如圖61。寫出位錯反應(yīng)方程式，說明新位錯的性質(zhì)，是否可動。3） 寫出（111）與（111）兩個滑移面上兩全位錯所分解為肖克萊不全位錯的兩個反應(yīng)式。4） 如果兩擴展位錯運動，當(dāng)它們在兩個滑移面交線AB相遇時，兩領(lǐng)先不全位錯為和，兩領(lǐng)先位錯能否發(fā)生反應(yīng)，若能，求新位錯柏氏矢量；分析新形成位錯為何種類型位錯，能否自由滑移，對加工硬化有何作用。圖613 螺旋位錯的能量公式為。若金屬材料亞晶尺寸為R=10-310-4cm，r0約為10-8cm，銅的G4

17、15;106N/cm2，b2.5×108cm。（1）試估算Es（2）估算Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量。4 平衡空位濃度與溫度有何關(guān)系？高溫淬火對低溫擴散速度有何影響？5 已知Al的空位形成能為0.76eV，問從27e 升溫到627e 時空位濃度增加多少倍（取系數(shù)A=1）6 在一個刃型位錯附近放置另一個與之平行同號的另一個刃型位錯，其位置如圖62所示1，2，3，問它們在滑移面上受力方向如何？123圖627、位錯對金屬材料有何影響？第七章 金屬塑性變形一 名詞解釋固溶強化，應(yīng)變時效，孿生，臨界分切應(yīng)力，變形織構(gòu)二 問答1 單相合金的冷塑性變形與純金屬的室溫塑性變形相比，有

18、何特點。2 金屬晶體塑性變形時，滑移和孿生有何主要區(qū)別？3 A-B二元系中，A晶體結(jié)構(gòu)是bcc，形成固溶體，B晶體結(jié)構(gòu)是fcc，形成固溶體，A與B形成h相，其晶體結(jié)構(gòu)是hcp：1） 指出a，b，h三個相的常見滑移系；2） 繪出它們單晶變形時應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖，試解釋典型低層錯能面心立方單晶體的加工硬化曲線，并比較與多晶體加工硬化曲線的差別。4 簡述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構(gòu)的成因及對金屬材料性能的影響。5 為什么金屬材料經(jīng)熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好。6 何為加工硬化？列出產(chǎn)生加工硬化的各種可能機制。（不必說明），加工硬化現(xiàn)象在工業(yè)上有哪些作用？7 鋁單晶體拉伸時，其力軸為001，一個

19、滑移系的臨界分切應(yīng)力為0.79MN/m2，取向因子COSfCOSl=0.41,試問有幾個滑移系可同時產(chǎn)生滑移？開動其中一個滑移系至少要施加多大的拉應(yīng)力？圖719 簡要說明第二相在冷塑性變形過程中的作用。10 討論織構(gòu)的利弊及控制方法。11 敘述金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化。 12 圖71所示低碳鋼的三條拉伸曲線，1塑性變形；2去載后立即再行加載；3去載后時效再加載。試回答下列問題：1） 解釋圖示曲線2無屈服現(xiàn)象和曲線3的屈服現(xiàn)象。2） 屈服現(xiàn)象對金屬變形制件表面質(zhì)量有何影響，如何改善表面質(zhì)量。13 退火純Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm時，其屈服點ss=100MNm-2；d=

20、1/64mm時ss=250MNm-2。d=1/16mm時，根據(jù)霍爾配奇公式求其ss為多少？第八章 回復(fù)與再結(jié)晶1 名詞變形織構(gòu)與再結(jié)晶織構(gòu)，再結(jié)晶全圖，冷加工與熱加工，帶狀組織，加工流線，動態(tài)再結(jié)晶，臨界變形度，二次再結(jié)晶，退火孿晶2 問答1 再結(jié)晶與固態(tài)相變有何區(qū)別？2 簡述金屬冷變形度的大小對再結(jié)晶形核機制和再結(jié)晶晶粒尺寸的影響。3 燈泡中W絲在高溫下工作，發(fā)生顯著晶粒長大性能變脆，在熱應(yīng)力作用下破斷，試找出兩種延長鎢絲壽命的方法？4 戶外用的架空銅導(dǎo)線（要求一定的強度）和戶內(nèi)電燈用花線，在加工之后可否采用相同的最終熱處理工藝？為什么？5 純鋁經(jīng)90%冷變形后，取三塊試樣分別加熱到70e

21、，150e ，300e ，各保溫一小時后空冷，純鋁的熔點為660e。1） 分析所得組織，畫出示意圖；2） 說明它們強度、硬度的高低和塑性方面的區(qū)別并簡要說明原因。7 今有工業(yè)純鈦、純鋁和純鉛鑄錠，試問如何選擇它們的軋制開坯溫度？開坯后，將它們在室溫（20）進行軋制，它們的塑性誰好誰壞？為什么？它們在室溫下可否連續(xù)軋制下去？鈦、鉛、鋁分別怎樣才能軋成很薄的帶材？ 已知：工業(yè)純金屬的再結(jié)晶溫度T再=（0.3-0.4）T熔，鈦熔點1672，883以下為hcp，883以上為bcc；鋁熔點為660，fcc結(jié)構(gòu)（面心立方）；鉛熔點為327，fcc結(jié)構(gòu)（面心立方）。8 試說明晶粒大小對金屬材料室溫及高溫力學(xué)

22、性能的影響，在生產(chǎn)中如何控制材料的晶粒度。9 如何提高固溶體合金的強度10 試用位錯理論解釋固溶強化，彌散強化，以及加工硬化的原因。第九章 表面與界面1 名詞正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析2 問答1 試說明界面對復(fù)合材料結(jié)合強度的影響。2 試述晶界的特性。3 分析晶界能的變化。4 分析影響晶界遷移的因素第十章 原子擴散1、 簡要說明影響溶質(zhì)原子在晶體中擴散的因素。2、Ni板與Ta板中有0.05mm厚MgO板作為阻擋層，1400時Ni通過MgO向Ta中擴散，此時Ni在MgO中的擴散系數(shù)為D=9×1012cm2/s，Ni的點陣常數(shù)為3.6×108cm。問每秒鐘通過MgO阻

23、擋層在2×2cm2的面積上擴散的Ni數(shù)目，并求出要擴散走1mm厚的Ni層需要的時間。3、對含碳0.1齒輪氣體滲碳強化，滲碳氣氛含碳1.2，在齒輪表層下0.2cm處碳含量為0.45%時齒輪達到最佳性能。已知鐵為FCC結(jié)構(gòu)，C在Fe中的D00.23，激活能Q32900cal/mol，誤差函數(shù)如表101。1）試設(shè)計最佳滲碳工藝；2）在滲碳溫度不變，在1000時滲碳，要將滲碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm處滲碳后碳含量為0.45%所需滲碳時間。表101 與erf()的對應(yīng)值erf()erf()erf()0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80

24、.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.99534 一塊厚度10毫米，含碳量0.77%的鋼在強脫碳氣氛中加熱到800，然后緩慢冷卻，試指出試樣從表面到心部的組織分布。5 一塊用作承載重物的低碳鋼板，為提高其表面硬度采用表面滲碳，試分析：1) 滲碳為什么在g-Fe中進行而不在a-Fe中進行，即滲碳溫度選擇要高于727e ，為什么？2) 滲碳溫度高于1

25、100e 會出現(xiàn)什么問題？6 銅-鋅基單相固溶體進行均勻化處理，試討論如下問題：1) 在有限時間內(nèi)能否使枝晶偏析完全消失？2) 將此合金均勻化退火前進行冷加工，對均勻化過程是加速還是無影響？說明理由。7 原子擴散在材料中的應(yīng)用8 何謂上坡擴散，舉兩個實例說明金屬中上坡擴散現(xiàn)象。9、簡述固溶體合金的擴散機制第一章 原子排列與晶體結(jié)構(gòu)6. 110， (111)， ABCABC， 0.74 ， 12 , 4 ， ； 111， (110) , 0.68 , 8 , 2 ， ； ， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ， 。7. 0.01659nm3 ， 4 ， 8 。8. FC

26、C ， BCC ，減少 ，降低 ，膨脹 ，收縮 。9. 解答：見圖1110. 解答：設(shè)所決定的晶面為（hkl），晶面指數(shù)與面上的直線uvw之間有hu+kv+lw=0，故有：h+k-l=0,2h-l=0?？梢郧蟮茫╤kl）（112）。6 解答：Pb為fcc結(jié)構(gòu)，原子半徑R與點陣常數(shù)a的關(guān)系為，故可求得a0.4949×10-6mm。則（100）平面的面積Sa20.244926011×0-12mm2，每個（100）面上的原子個數(shù)為2。所以1 mm2上的原子個數(shù)4.08×1012。第三章 合金相結(jié)構(gòu)一、 填空1） 提高，降低，變差，變大。2） （1）晶體結(jié)構(gòu)；（2）元素之

27、間電負(fù)性差；（3）電子濃度 ；（4）元素之間尺寸差別3） 存在溶質(zhì)原子偏聚 和短程有序 。4） 置換固溶體 和間隙固溶體 。5） 提高 ，降低 ，降低 。6） 溶質(zhì)原子溶入點陣原子溶入溶劑點陣間隙中形成的固溶體，非金屬原子與金屬原子半徑的比值大于0.59時形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物。三、 問答 1、 解答： a-Fe 為bcc結(jié)構(gòu)，致密度雖然較小，但是它的間隙數(shù)目多且分散，間隙半徑很小，四面體間隙半徑為0.291Ra，即R0.0361nm，八面體間隙半徑為0.154Ra，即R0.0191nm。氫，氮，碳，硼由于與a-Fe的尺寸差別較大，在a-Fe中形成間隙固溶體，固溶度很小。a-Fe的八面體間隙的

28、110方向R=0.633 Ra，間隙元素溶入時只引起一個方向上的點陣畸變，故多數(shù)處于a-Fe的八面體間隙中心。B原子較大，有時以置換方式溶入a-Fe。 由于g-Fe為fcc結(jié)構(gòu)，間隙數(shù)目少，間隙半徑大，四面體間隙半徑為0.225 Ra，即R0.028nm，八面體間隙半徑為0.414 Ra，即R0.0522nm。氫，氮，碳，硼在g-Fe 中也是形成間隙固溶體，其固溶度大于在a-Fe中的固溶度，氫，氮，碳，硼處于g-Fe的八面體間隙中心。2、簡答：異類原子之間的結(jié)合力大于同類原子之間結(jié)合力；合金成分符合一定化學(xué)式；低于臨界溫度（有序化溫度）。第三章 純金屬的凝固2. 填空1. 結(jié)構(gòu)和能量。2 表面

29、，體積自由能 ,，。3 晶核長大時固液界面的過冷度。4 減少，越大，細小。5. 快速冷卻。二、 問答1 解答： 凝固的基本過程為形核和長大，形核需要能量和結(jié)構(gòu)條件，形核和長大需要過冷度。細化晶粒的基本途徑可以通過加大過冷度，加入形核劑，振動或攪拌。2 解答： 根據(jù)金屬結(jié)晶過程的形核和長大理論以及鑄錠的散熱過程，可以得出通常鑄錠組織的特點為最外層為細小等軸晶，靠內(nèi)為柱狀晶，最內(nèi)層為粗大等軸晶。3 解答： 液態(tài)金屬結(jié)晶時，均勻形核時臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為，臨界形核功vGK等于。異質(zhì)形核時固相質(zhì)點可作為晶核長大，其臨界形核功較小，為液相與非均勻形核核心的潤濕角。 形核率與過冷度的關(guān)系為：

30、 ，其中N為形核率，C為常數(shù)，GA、Gk分別表示形核時原子擴散激活能和臨界形核功。在通常工業(yè)凝固條件下形核率隨過冷度增大而增大。4 解答： 在金屬凝固時，可以近似認(rèn)為LM=vHm,根據(jù)均勻形核時臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為，可以計算得到r0.79×107cm0.79nm。5： 解答： 過冷是指金屬結(jié)晶時實際結(jié)晶溫度Tn比理論結(jié)晶溫度Tm低的現(xiàn)象。過冷度T指Tm與Tn的差值。動態(tài)過冷度指晶核長大時的過冷度。金屬形核和長大都需要過冷，過冷度增大通常使形核半徑、形核功減少，形核過程容易，形核率增加，晶粒細化。7 解答： 冷卻速度極大影響金屬凝固后的組織。冷卻快一般過冷度大，使形核半徑

31、、形核功減少，形核過程容易，形核率增加，晶粒細化，冷卻非?？鞎r可以得到非晶，在一般工業(yè)條件下快速冷卻可以得到亞穩(wěn)相。7、 解答： 純金屬凝固時潤濕角0°，形核功為0，固相粒子促進形核效果最好；潤濕角180°，異質(zhì)形核功等于均勻形核功，固相粒子對形核無促進作用；潤濕角0°<<180°，形核功比均勻形核的形核功小，越小，固相粒子促進形核效果越好。雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與晶核相同或相近時，促進形核效果好，當(dāng)兩者結(jié)構(gòu)不相同時，一般對促進形核效果差或不促進形核。雜質(zhì)粒子的表面成凹形時，促進形核效果好，成平面狀時次之，凸形時最差。第四章 二元合金相圖與合金凝

32、固一、填空1. 成分2. 光滑界面 ,粗糙界面3. 垂直長大機制，二維平面長大 , 依靠晶體缺陷長大4 枝晶 ，均勻化退火 5 平直狀 ， 樹枝 。6. _偽共晶_。7 ， 1 。8. 共晶 ， 熔晶 ， 偏析 ，包析9 0.0218% ， 4.3% ； P 和 Fe3C ； FCC， 間隙 ， 間隙固溶體 ， BCC ， 2.11% ； 0.77 ， 珠光體 和 滲碳體 ； 4.3% ； P+F， P+Fe3C ， Ld ， A+ Fe3C ， P+Fe3C +Fe3CII ， 液相 ， A ， F ， 6.69 ， 硬、脆 ， P 。2 問答1 解答： 1）見圖中標(biāo)注。兩相區(qū)由相鄰的兩個單

33、相區(qū)所構(gòu)成。水平線代表三相區(qū)，見3）中的恒溫反應(yīng)式。2）穩(wěn)定化合物為、，不穩(wěn)定化合物為、。3）1455，L，包晶反應(yīng)；1387，LNi，共晶反應(yīng)；1135，L，包晶反應(yīng)；855，L，包晶反應(yīng)；640，LAl，共晶反應(yīng)；4）Ni 30%(重量)的合金在平衡冷卻時的相變過程：L；855，L，包晶反應(yīng)；L；640，LAl，共晶反應(yīng)；室溫下相組成為Al，,=1-Al%=71.4%。室溫下組織組成為+(Al)共晶，(Al)共晶=1-%=28.6%。5）含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固時室溫組織為Ni和Ni中析出的，非平衡凝固后會出現(xiàn)非平衡共晶組織，即為Ni和少量的1387反應(yīng)生成的L（Ni

34、）共晶。6）X合金平衡凝固完畢時的組織a初晶占80%，則(a+b)共晶20，設(shè)此合金中Ni組元的含量是X，,可以求得X0.01%。7）1500e 時Al-Ni合金系的自由能成分曲線示意圖如圖。2 解答： 1）a相晶體結(jié)構(gòu)與Cu的結(jié)構(gòu)保持一致，為fcc結(jié)構(gòu)；2）共晶反應(yīng)前的平衡分配系數(shù)；3) Cu-13.47%Sn合金在正常條件下凝固后，由于固相平均成分線相對于固相線下移，在合金凝固過程中剩余少量液相出現(xiàn)非平衡結(jié)晶，發(fā)生包晶反應(yīng)而出現(xiàn)少量b相。這些少量b相可以通過均勻化退火消除。4）Cu-70%Sn合金平衡凝固過程為L，L92.4+38.259.0，L，L99.360.9+（Sn），共晶反應(yīng)剛完

35、畢時相組成物為+（Sn），組織組成物為+（+Sn）共晶。相組成物的相對含量為：和組織組成物的相對含量：（+Sn）共晶123.7。5）合金在450時各相自由能-成分曲線示意圖如圖所示。 3 解答： 1）相區(qū)填寫如圖所示。相圖中各等溫反應(yīng)如下：935：L+（Y）；780：L+；776：（Y）（Y）；635：L+； 557：L（Mg）。Y=5%wt時的合金K在室溫時的平衡組織為（Mg）固溶體。2）Mg為hcp結(jié)構(gòu)，因為ra/2，一個hcp晶胞中有6個原子，設(shè)，則致密度為3）提高合金K強度的可能方法有細化晶粒，加工硬化。4）Y=10%wt之合金可能的強化方法有細化晶粒，加工硬化和固溶時效。4 解答：

36、相同點：均需要形核與長大，形核要滿足一定熱力學(xué)條件，形成一定臨界晶核半徑，即需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。 不同點：固溶體合金形核除需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏外，還需要成分起伏，非平衡結(jié)晶時產(chǎn)生偏析，一般會產(chǎn)生成分過冷，凝固過程是在一個溫度區(qū)間進行，而純金屬凝固在等溫進行。5 解答： 1）Fe3CII含量最多的合金、珠光體含量最多的合金、萊氏體含量最多的合金的合金成分分別為含碳量2.11%，0.77%，4.3%。2）二元系中比較適合做變形合金和合金為單相固溶體，適合作為鑄造合金的成分范圍為含有較多共晶體的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以經(jīng)過加熱得到單相合金適合作為變形合金，含碳量大于4.3的合金

37、有共晶反應(yīng)適合作為鑄造合金。3）提高壓力加工合金的強度的方法主要有加工硬化，合金元素固溶產(chǎn)生的固溶強化，細化晶粒強化，熱處理強化，第二相強化，彌散質(zhì)點的彌散強化。4）平衡反應(yīng)的成分及溫度，反應(yīng)式為1495，L0.530.09A0.17，包晶反應(yīng)；1148，L4.3A2.11Fe3C，共晶反應(yīng)；727，A0.77F0.0218+Fe3C，共析反應(yīng)；5）凝固過程：935：L，F(xiàn)e3C，F(xiàn)Fe3C（P）室溫下相組成為FFe3C，其中；室溫下組織組成為PFe3C，其中，F(xiàn)e3C1P1.9%。6）亞穩(wěn)轉(zhuǎn)變后組織為PFe3C，淬火冷卻后C在Fe中形成過飽和固溶體（馬氏體相變）。7) 三種鋼在給定溫度下的顯

38、微組織如表。8）1200時各相的自由能-成分曲線示意圖如圖。 6： 解答： 1）合金的平衡冷卻曲線和組織如圖；室溫下相組成物為，其中，188.2%，組織組成為（）共晶，（）共晶125；2） 合金在平衡凝固時室溫組織為，工業(yè)條件冷卻時出現(xiàn)少量非平衡共晶組織，室溫組織為少量（）共晶。3） 可以根據(jù)相圖估計，在共晶溫度下盡可能高的溫度進行退火。7： 解答： 1）金屬固液界面的微觀結(jié)構(gòu)為粗糙界面，長大機制為垂直長大方式，在正溫度梯度下固液界面保持平直，在負(fù)溫度梯度下成長時固/液界面不穩(wěn)定，結(jié)晶后容易長成樹枝狀晶。8： 解答： 1）相區(qū)填充如圖；2）設(shè)X合金中Bi組元的含量是x，依題意有，可以解得x53

39、.44，即Bi組元的含量是53.44。3）設(shè)Y合金中Bi組元的含量是y，依題意有共晶含量，可以解得y78.15，即Pb組元的含量是21.85。4）Pb-30%Bi合金平衡凝固過程為L，L，L，Bi，室溫下平衡組織為Bi，非平衡凝固下由于L包晶反應(yīng)很難進行完全，故在晶粒內(nèi)部會保留部分，室溫下組織為殘留Bi。第五章 三元合金相圖圖81 解答： 0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷卻時的相變過程為L，L，L，1100時的平衡組織為。2 解答： 1）Cu-30%Zn-10%Al合金的成分點見圖中X點。2）Cu-20%Zn-8%Al合金，位于+兩相區(qū)邊界線上，由兩相組成。Cu-25Zn-6Al合金

40、位于的三相區(qū)中，由的三相區(qū)組成，可以從圖中讀出各相成分點：Cu-22.6Zn-3.45Al, ：Cu-18Zn-11.5Al, ：Cu-30Zn-4Al故Cu-20Zn-8Al合金中×10043.50%156.5%Cu25Zn6Al合金中×100=50%=(1-)×43.5%=21.75%,=(1-)×56.5%=28.25%3) Y合金凝固過程：L，L， 3 解答： 1) ：L+：L+：L+2) L+3）O合金凝固過程：L,L+,L+,同析。4 解答：e1085：LFeC+；P1335：L+；1380：L+FeW21700 LWCW1200 L+WC1

41、085 LFe3CWC5 解答： 1) 2Cr13.不銹鋼的淬火加熱在相區(qū)，從圖上估計為10501300；2）2C，13Cr剛的平衡凝固過程為：L,L+C；C（P）；C； 室溫下組織為C+P。3) 1區(qū)的三相反應(yīng)是：L+795的四相平衡的反應(yīng)式：C+ C6 解答：區(qū)合金凝固過程為：L,L，互析；區(qū)合金凝固過程為：L,L，L+,隨后，同析；四相反應(yīng)式為：L7 解答：四相反應(yīng)式為137.4時P點：Lp+99.5時E點 L2三元系初晶面有、的四個初晶面；2）三元合金中合金1的結(jié)晶過程為：L，L+；合金2的結(jié)晶過程為：L，L+，L+； 合金3的結(jié)晶過程為：L，L+,L+；合金4的結(jié)晶過程為:：L, L

42、+。3）由題意分析可知改合金成分位于(Bi)與E點的連線上，設(shè)其Bi含量為x,故有50%=×100%，故Bi含量為77.5%，即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分線過Bi的頂點，故所求合金中可求得Pb%=9%，Sn=13.5%。第六章 空位與位錯一、 名詞解釋空位平衡濃度：金屬晶體中，空位是熱力學(xué)穩(wěn)定的晶體缺陷，在一定的空位下對應(yīng)一定的空位濃度，通常用金屬晶體中空位總數(shù)與結(jié)點總數(shù)的比值來表示。位錯：晶體中的一種原子排列不規(guī)則的缺陷，它在某一個方向上的尺寸很大，另兩個方向上尺寸很小。柏氏回路：確定柏氏族矢量的過程中圍繞位錯線作的一個閉合回路，回路的每一步均移動一個原子間距，使起點與終

43、點重合。P-N力：周期點陣中移動單個位錯時，克服位錯移動阻力所需的臨界切應(yīng)力擴展位錯：兩個不全位錯之間夾有層錯的位錯組態(tài)堆垛層錯：密排晶體結(jié)構(gòu)中整層密排面上原子發(fā)生滑移錯排而形成的一種晶體缺陷。弗蘭克-瑞德位錯源：兩個結(jié)點被釘扎的位錯線段在外力的作用下不斷彎曲弓出后，互相鄰近的位錯線抵消后產(chǎn)生新位錯，原被釘扎錯位線段恢復(fù)到原狀，不斷重復(fù)產(chǎn)生新位錯的，這個不斷產(chǎn)生新位錯、被釘扎的位錯線即為弗蘭克-瑞德位錯源。Orowan機制：合金相中與基體非共格的較硬第二相粒子與位錯線作用時不變形，位錯繞過粒子，在粒子周圍留下一個位錯環(huán)使材料得到強化的機制?？拼?fàn)枤鈭F：圍繞刃型位錯形成的溶質(zhì)原子聚集物，通常阻礙

44、位錯運動，產(chǎn)生固溶強化效果。鈴木氣團：溶質(zhì)原子在層錯區(qū)偏聚，由于形成化學(xué)交互作用使金屬強度升高。面角位錯：在fcc晶體中形成于兩個111面的夾角上，由三個不全位錯和兩個層錯構(gòu)成的不能運動的位錯組態(tài)。多邊形化：連續(xù)彎曲的單晶體中由于在加熱中通過位錯的滑移和攀移運動，形成規(guī)律的位錯壁，成為小角度傾斜晶界，單晶體因而變成多邊形的過程。二、 問答1 解答：層錯能高，難于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度窄，易于發(fā)生束集，容易發(fā)生交滑移，冷變形中線性硬化階段短，甚至被掩蓋，而拋物線硬化階段開始早，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)恢復(fù)軟化；層錯能低則反之，易于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度較寬，難于發(fā)生束

45、集和交滑移，冷變形中線性硬化階段明顯，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化。2. 解答： 1）對于位錯反應(yīng)，需要同時滿足能量條件和幾何條件，反應(yīng)才能進行。在®+中，滿足能量條件；同時，滿足幾何條件，故反應(yīng)能進行。擴展位錯寬度，G為切彈性模量，b1、b2為不全位錯柏氏矢量，為層錯能。若反應(yīng)前的是刃位錯，則反應(yīng)后的擴展位錯只能在原滑移面上進行滑移；若反應(yīng)前的是螺型位錯，反應(yīng)后形成的擴展位錯可以進行束集，與其相交面如面相交處束集，而后過渡到面上進行運動，并有可能再次分解為擴展位錯。2）若（1，1，1）面上位錯與面上的位錯相遇，它們之間能滿足能量條件和幾何條件，可以發(fā)生位錯反應(yīng)，反應(yīng)式為：。新位錯

46、位于（001）面上，是純?nèi)行臀诲e，由于不在其滑移面111面上，為不可動位錯。3）（111）與（111）兩個滑移面上全位錯分解為肖克萊不全位錯的兩個反應(yīng)式為：（111）晶面上：，面上的位錯4）如果兩擴展位錯運動分解后的兩個領(lǐng)先不全位錯為和，兩領(lǐng)先位錯之間依據(jù)能量條件和幾何條件要求，可以判斷位錯反應(yīng)可以進行。新位錯柏氏矢量為；新形成位錯為在（001）面上刃型位錯，牽制到其它兩個不全位錯和兩個層錯均不能運動，會引起冷加工中的加工硬化。3 解答：1）將各參數(shù)帶入公式中可以計算得到Es0.730.92Gb2；2）Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量約為（1.7252.3）×1011J/

47、cm2。4 解答：平衡空位濃度，A為材料常數(shù)，k1.38×1023 J/K，Ev為空位形成能。，即溫度越高，空位濃度越大。高溫淬火后由于高濃度空位被保留至低溫，對低溫加熱擴散有促進作用。5 解答：平衡空位濃度，Al的空位形成能為0.76eV0.76×（1.602×1019 J），k1.38×1023 J/K，系數(shù)A=1。計算可得27e （300K）時空位濃度C11.7×1013，627e 時空位濃度為C25.54×105，故從27e 升溫到627e 時空位濃度增加倍。6 解答：兩平行同號刃型位錯之間滑移面上的受力：，G為切彈性模量，b

48、，為兩刃型位錯的柏氏矢量，為泊松比。故位置1位錯受斥力，位置2位錯處于亞穩(wěn)平衡，偏離該位置則遠離或運動到與原點處位錯垂直的地方。位置3處第二個位錯處于與原點處位錯垂直的上方，處于穩(wěn)定態(tài)。7、解答：位錯是晶體中的缺陷，對材料有許多重要影響。1） 對變形影響。通過位錯運動完成塑性變形；2） 對性能影響，與第二相粒子，通過切過或繞過機制強化材料，冷加工中位錯密度增加也能強化材料，或通過形成科垂?fàn)枤鈭F強化材料，以及位錯運動中相互交截，或形成割階、面角位錯等使材料強化；3） 對再結(jié)晶中的晶核形成機制有影響；是優(yōu)先擴散通道。第七章 金屬塑性變形一 名詞固溶強化：固溶體中的溶質(zhì)原子溶入基體金屬后使合金變形抗

49、力提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線升高，塑性下降的現(xiàn)象；應(yīng)變時效：具有屈服現(xiàn)象的金屬材料在受到拉伸等變形發(fā)生屈服后，在室溫停留或低溫加熱后重新拉伸又出現(xiàn)屈服效應(yīng)的情況；孿生：金屬塑性變形的重要方式。晶體在切應(yīng)力作用下一部分晶體沿著一定的晶面（孿晶面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另外一部分晶體作均勻的切變，使相鄰兩部分的晶體取向不同，以孿晶面為對稱面形成鏡像對稱，孿晶面的兩邊的晶體部分稱為孿晶。形成孿晶的過程稱為孿生；臨界分切應(yīng)力：金屬晶體在變形中受到外力使某個滑移系啟動發(fā)生滑移的最小分切應(yīng)力；變形織構(gòu)：多晶體中位向不同的晶粒經(jīng)過塑性變形后晶粒取向變成大體一致，形成晶粒的擇優(yōu)取向，擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為變

50、形織構(gòu)，織構(gòu)在變形中產(chǎn)生，稱為變形織構(gòu)。二 問答1 簡答：純金屬變形主要借助位錯運動，通過滑移和孿生完成塑性變形，開動滑移系需要臨界切應(yīng)力，晶體中還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)；單相合金的基本變形過程與純金屬的基本過程是一樣的，但會出現(xiàn)固溶強化，開動滑移系需要臨界切應(yīng)力較大，還有屈服和應(yīng)變時效現(xiàn)象。2 簡答：滑移時原子移動的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍，孿生時原子移動的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍；滑移時滑移面兩邊晶體的位向不變，而孿生時孿生面兩邊的晶體位向不同，以孿晶面形成鏡像對稱；滑移時需要的臨界分切應(yīng)力小，孿生開始需要的臨界分切應(yīng)力很大，孿生開始后繼續(xù)切變時需要的切應(yīng)力小，故孿生一般在滑移難于進行時發(fā)生。3 簡答：1）的滑移系為110<111>，b相的常見滑移系為111<110>，h相的常見滑移系為（0001）<110>。2）它們單晶變形時應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖如圖。典型的面心立方單晶體的加工硬化曲線可以分為三個階段。當(dāng)切應(yīng)力達到晶體的臨界分切應(yīng)力時，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線，稱為易滑移階段，