中南大學材料科學基礎(chǔ)試卷

1、中南大學考試試卷答案2012 2013 學年第二學期 時間 110 分鐘 材料科學與工程 課程 64 學時 4 學分 考試形式：閉卷 專業(yè)年級材料 2000 級 總分 100 分，占總評成績 70%一、填空1、110；(111)；ABCABC.；0.74；12；4；2、異類原子之間相互吸引力大于同類原子之間吸引力；一定的化學成分；較慢的冷卻速度3、升高；降低；降低4、2.11C；2.11C；鐵素體和滲碳體（和Fe3C）；fcc；2.11；0.77；4.3；鐵素體珠光體；珠光體和Fe3CII；液相；先共晶奧氏體；鐵素體；6.695、（101）；6、20%A-40%B-40%C二、名詞解釋（6X5

2、=30分）1.晶帶和晶帶軸2.柱狀晶和等軸晶3.包析反應(yīng)和共析反應(yīng)4.割階和扭折5.冷加工與熱加工1.晶帶和晶帶軸：許多平行于同一晶向的不同的晶面組的總稱為晶帶，而與這些晶面組平行的晶向稱為晶帶軸；2.柱狀晶和等軸晶：金屬晶體結(jié)晶過程中沿著散熱方向優(yōu)先生長形成的長條形晶粒稱為柱狀晶，而如果晶粒長大時沒有擇優(yōu)方向，向各個方向長大速度基本相等所得到的晶粒稱為等軸晶；3.包析反應(yīng)和共析反應(yīng)：由兩個固相反應(yīng)得到一個固相的過程為包析反應(yīng)，而由一個固相分解得到其它兩個固相的反應(yīng)為共析反應(yīng)4.割階和扭折：位錯運動過程中與其它位錯交截后形成一定的位錯交截折線，若交截后的位錯折線在原來位錯的滑移面上，此位錯折線

3、稱為扭折，若交截后的位錯折線垂直于原來位錯的滑移面，此位錯折線稱為割階；5.冷加工與熱加工：通常根據(jù)金屬材料的再結(jié)晶溫度來加以區(qū)分，在再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工，低于再結(jié)晶溫度又是室溫下的加工稱為冷加工。三、（10分） 試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點。根據(jù)冷卻速度對金屬組織的影響，現(xiàn)要獲得非晶，亞穩(wěn)相，請指出其凝固時如何控制。試說明在正溫度梯度下為什么固溶體合金凝固時可以呈樹枝狀方式成長，而純金屬則得不到樹枝狀晶。通常鑄錠組織的特點為外層的細等軸晶，鑄錠表面向里有柱狀晶，心部為粗大等軸晶；要獲得非晶可以以極快速度將金屬液體冷卻，要獲得亞穩(wěn)相也必須使冷卻速度遠遠超過平衡冷卻速度；由于

4、溶質(zhì)原子再分配造成成分過冷使固溶體合金正溫度梯度下凝固時也可以呈樹枝狀方式成長，而純金屬則需要在負溫度梯度下才能得到樹枝狀晶。四、（20分） 如圖3的二元合金相圖，（1） 分析5.6%Cu合金和5.7%Cu合金在平衡結(jié)晶和快速冷卻不平衡結(jié)晶時室溫組織特點；（2） Al為fcc結(jié)構(gòu)，圖中的a相為何種晶體結(jié)構(gòu)？（3） 指出此二元系中比較適合做變形合金何鑄造合金的成分范圍。（4） 計算出亞共晶合金在溫度為TE（共晶反應(yīng)前）時的平衡分配系數(shù)。（5） 設(shè)X合金平衡凝固完畢時的組織為a初晶+(a+)共晶，其中a初晶占80%，則此合金中剛凝固完畢時組元的含量是多少？（6） 繪出T=560溫度時各相的自由能-

5、成分曲線示意圖。 圖3 （1）5.6%Cu合金在平衡結(jié)晶時室溫組織為，快速冷卻不平衡結(jié)晶時室溫組織還出現(xiàn)少量非平衡共晶組織（）共晶；5.7%Cu合金在平衡結(jié)晶時室溫組織為（）共晶，快速冷卻不平衡結(jié)晶時室溫組織出現(xiàn)離異共晶；（2）fcc結(jié)構(gòu)；（3）Cu含量少于5.65的合金；（4）k00.17（5）9.7（6）T=560溫度時各相的自由能-成分曲線示意圖如圖。五、（10分） 圖4為Fe-W-C三元系的液相面投影圖。寫出1700，1200，1085的四相平衡反應(yīng)式。選擇一個合金成分其組織在剛凝固完畢時只有三元共晶。圖4 圖5各四相平衡反應(yīng)式分別為，1700：LWCW，1200：LWC，1085：L

6、WC；合金成分其組織在剛凝固完畢時只有三元共晶。六、（10分） 圖5所示低碳鋼的三條拉伸曲線，A、塑性變形；B、去載后立即再行加載；C、去載后時效后再加載。 試回答下列問題：1 解釋圖示三曲線的屈服現(xiàn)象及B，C中屈服點上升的原因。2 屈服現(xiàn)象對沖壓制件表面質(zhì)量有何不利影響。1.由于柯垂耳氣團的影響2.屈服現(xiàn)象使得沖壓制件表面不平整。七、（10分）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？不能采用相同的最終熱處理工藝，戶外用的架空銅導(dǎo)線一般用回復(fù)退火，戶內(nèi)電燈用花線采用再結(jié)晶退火。八、（10分）如何提高固溶體合金的強度固溶強化，加工硬化

7、，細晶強化，沉淀強化九、（10分）試說明晶界對材料性能及變形的影響。晶界影響到材料的各個方面，具有晶界能，影響到多晶材料中的第二相的形狀，晶界可以運動，有晶界偏聚，晶界電荷變化，承擔載荷傳遞作用，晶界熔點低，易過燒，晶界是易擴散通道，晶界處易形核，晶界易受腐蝕；晶界對金屬材料在常溫下強化，高溫下弱化十、（10分）簡單說明原子擴散對材料的影響；舉兩個實例說明金屬中的上坡擴散現(xiàn)象。原子擴散對材料的影響如鑄中晶粒形核和長大、晶界運動、氧化.等許多過程均牽涉到原子擴散；金屬中的上坡擴散實例如柯垂耳氣團的形成，調(diào)幅分解過程等。十一、（15分）工業(yè)純銅的熔點為1083e ，在劇烈冷變形后的工業(yè)純銅板上取三

8、個試樣，第一個試樣加熱到200e ，第二個試樣加熱到500e ，第三個試樣加熱到800e ，各保溫一小時，然后空冷。試畫出各試樣熱處理后的顯微組織示意圖，說明它們在強度和塑性方面的區(qū)別及原因。試樣熱處理后的顯微組織示意圖（略，分別為纖維組織，再結(jié)晶組織和晶粒長大組織）；200e 加熱試樣強度高，塑性低，500e 加熱試樣強度低，塑性好，800e 加熱試樣強度更低。中南大學考試試卷答案2003 2004 學年第二學期 時間 110 分鐘 材料科學與工程 課程 64 學時 4 學分 考試形式：閉卷 專業(yè)年級材料 2001 級 總分 100 分，占總評成績 70%1.名詞解釋（3分/個18分）變溫截

9、面：三元相圖中垂直成分三角形的截面；過冷度：T指Tm與Tn的差值二維平面長大；偏析反應(yīng)：a+b®g稱為包析反應(yīng)；固溶體：一個固體組元（溶質(zhì)）溶解在另外一個組元（溶劑）晶格中，保持溶劑晶格特點的物質(zhì)；成分過冷：合金凝固中由于溶質(zhì)原子再分配形成的過冷；形核功：金屬凝固過程中形成晶核需要的額外能量。2. 寫出固溶體的分類（10分）：置換、間隙固溶體；有限、無限固溶體；有序、無序固溶體；一次、二次固溶體；3.試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點及成因。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。

10、4.根據(jù)鐵碳亞穩(wěn)平衡相圖回答下列問題：解答： Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖如圖。圖 Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖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）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)；3）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%。4）三種鋼在給定溫度下的顯微組織如

11、表。1200時各相的自由能-成分曲線示意圖如圖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 5 Cu-Zn-Al合金室溫下的等溫截面和2%Al的垂直截面圖，回答問題：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-

12、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，中南大學考試試卷答案2004 2005 學年第二學期 時間 110 分鐘 材料科學與工程 課程 64 學時 4 學分 考試形式：閉卷 專業(yè)年級材料 2002 級 總分 100 分，占總評成績 70%1. （10分）畫出fcc晶胞中（111）晶面上的所有110晶向；在hcp晶胞中畫出晶向和晶面。 OACBD圖1 fcc晶胞 圖2 hcp晶胞參考答案： fcc晶

13、胞如圖1，ACE所在晶面為（111）晶面，110晶向為OD方向。hcp晶胞如圖2，晶向為Oa3反方向， 晶面為ABCD面。2. （10分）舉出凝固理論在金屬材料結(jié)晶中的幾個應(yīng)用，加以簡單說明。參考答案：鑄錠組織控制、單晶體制備、非晶體制備等。3. （10分）畫出Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖，根據(jù)相圖回答下列問題：a. 標出合金在室溫下的組織組成；b. 寫出相圖中三個等溫反應(yīng)式；c. 分析含碳量為0.45的合金的平衡冷卻過程；計算其在室溫下的組織組成物的相對百分含量；d. 畫出0.45C的合金在1148時的成分自由能曲線示意圖；e. 試分析元素C及Cr在Fe中的可能存在形式及其作用。參考答案a畫F

14、e-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖如圖3所示。圖3 Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖b合金在室溫下的組織組成：相圖中從左到右依次為：F，F(xiàn)Fe3C，F(xiàn)P，P ， PFe3C，LdPFe3C，Ld，LdFe3C；c含碳量為0.45的合金的平衡冷卻過程為：L，LA，A，AFe3C，AP ，室溫下得到PFe3C組織；d略e元素C在Fe中可以固溶在Fe中，起到強化作用，與Fe形成化合物如Fe3C，分布形態(tài)不好會降低合金強度與塑性；Cr可以固溶在Fe中，起到強化作用，Cr也可與Fe、C形成合金碳化物。4. （10分）試總結(jié)位錯在金屬材料中的作用。參考答案要點位錯在金屬材料中可以起到強化作用，通過位錯運動完成塑性變形，合

15、金中位錯與溶質(zhì)原子發(fā)生作用形成氣團造成屈服現(xiàn)象和應(yīng)變時效，位錯是第二相形核的擇優(yōu)場所，位錯影響擴散速度。5. （10分）分析原子擴散在金屬材料中的作用。參考答案要點液態(tài)金屬的凝固、成分的均勻化、擴散型固態(tài)相變、表面化學熱處理、氧化與脫碳、粉末燒結(jié)、高溫蠕變等。6. （10分）分析多晶體金屬的變形過程及影響多晶體金屬變形的因素。參考答案要點多晶體金屬的變形過程中每個晶粒的變形主要是滑移，還可能出現(xiàn)孿生和扭折，需要開動多個滑移系，出現(xiàn)交滑移，由于晶界的影響還有位向差效應(yīng)和晶界的阻滯效應(yīng)；影響因素主要有晶粒大小，變形溫度，變形速度。7. （10分）分析層錯能對金屬熱塑性變形的影響。參考答案要點高層錯

16、能金屬熱塑性變形主要通過回復(fù)軟化，低層錯能金屬熱塑性變形主要通過再結(jié)晶軟化，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有不同特點。8. （10分）提高金屬材料強度的途徑有哪些?參考答案要點細晶強化、固溶強化、加工硬化、沉淀強化、彌散強化等。9. （10分）解釋下列名詞：成分過冷；離異共晶；反應(yīng)擴散；面角位錯；晶界偏聚參考答案成分過冷：由于在結(jié)晶過程中固溶體合金的溶質(zhì)原子再分配造成固溶體合金在正溫度梯度下，其凝固界面前沿的液相中在合適的溫度梯度下也有過冷現(xiàn)象出現(xiàn)，稱為成分過冷；離異共晶：有共晶反應(yīng)的合金中，如果成分離共晶點較遠，由于初晶數(shù)量多，共晶數(shù)量很少，共晶中與初晶相同的相依附初晶長大，共晶中另外一個相呈現(xiàn)單獨分布，使

17、得共晶組織失去其特有組織特征的現(xiàn)象；反應(yīng)擴散：伴隨有化學反應(yīng)而形成新相的擴散稱為反應(yīng)擴散，如從金屬表面向內(nèi)部滲入金屬時，滲入元素濃度超過溶解度出現(xiàn)新相；面角位錯：在位錯反應(yīng)中，fcc晶體中不同滑移面上的全位錯分解為不全位錯后，領(lǐng)先不全位錯反應(yīng)生成新的不可動位錯，導(dǎo)致出現(xiàn)的三個不全位錯之間夾雜兩個層錯的不可動位錯組態(tài)；晶界偏聚：由于晶內(nèi)與晶界上的畸變能差別或由于空位的存在使得溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子在晶界上的富集現(xiàn)象；10. （10分）如圖Pb-Sn-Bi三元合金相圖，試寫出圖中五條單變量線及P點、E點反應(yīng)的反應(yīng)式；分析圖中合金2的平衡結(jié)晶過程，指出它的開始凝固溫度。參考答案圖中五條單變量線的反應(yīng)式分

18、別為，e1P：L；e2P：L；e3P：L；pP：L；PE：LP點反應(yīng)：L；E點分反應(yīng)：L。圖中合金2的平衡結(jié)晶過程：L，L，L，合金2的開始凝固溫度從圖中可以得到為150。中南大學考試試卷 2011學年 上 學期 時間110分鐘材料科學基礎(chǔ) 課程 96 學時 6 學分 考試形式： 閉卷 卷 專業(yè)年級： 粉冶工程試驗0901 總分100分，占總評成績70%注：此頁不作答題紙，請將答案寫在答題紙上一、名詞解釋（24分）1. 晶界軸2. 偽共晶組織3. 定向凝固4. 包共晶反應(yīng)5. 再結(jié)晶6. 柯肯達爾（Kirkendall）效應(yīng)7. 滑移系8. 機械合金化二、請在立方晶系中寫出面OBC、ODDO的

19、晶面指數(shù)和OB、OD晶向指數(shù)（AD=1/2AB）（8分）三、請從原子排列、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面對比刃位錯、螺位錯的主要特征（16分）四、對于晶界擴散和體內(nèi)擴散，假定擴散激活能Q晶界1/2Q體積，試畫出其lnD與溫度倒數(shù)1/T的曲線，并指出約在哪個溫度范圍內(nèi)晶界擴散起主導(dǎo)作用（10分）五、請簡述回復(fù)的機制及其驅(qū)動力。 （12分）六、根據(jù)Fe-C合金相圖回答下列問題。（15分）（1） 說明相、相和相的晶體結(jié)構(gòu)類型；（2） 寫出圖中各實線水平線的平衡反應(yīng)式（注明反應(yīng)時的溫度）；（3） 說明Fe-0.35%C合金平衡凝固過程，并說明室溫時的組織組成物與相組成物。七. 分析如圖所示的三元相圖：（1）

20、寫出這個三元系中P點與E點四相平衡反應(yīng)式；(2)畫出這個三元系中50%Pb，15%Sn，35%Bi的合金的成分點；（3）分析2合金結(jié)晶過程（15分）2010-2011年材料科學基礎(chǔ)期末考試題一、簡答題1.簡述空間點陣和晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別空間點陣是由周圍環(huán)境相同的陣點在空間排列的三維列陣，其中一個節(jié)點可以為原子、分子、離子或原子集團；晶體結(jié)構(gòu)是在點陣晶胞的范圍內(nèi)，標出相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)中各原子的位置，即其中一個點代表一個原子?？臻g點陣將構(gòu)成晶體的實際質(zhì)點的體積忽略，抽象成為純粹的幾何點，晶體結(jié)構(gòu)是指原子的具體排列。2.簡述間隙固溶體、間隙化合物和間隙相的區(qū)別間隙固溶體屬于固溶體，保持溶劑的晶格類型，表達

21、式為、，強度硬度較低，塑性、韌性好；間隙相與間隙化合物屬于金屬間化合物，形成與其組元不同的新點陣，用分子式MX、M2X等表示，強度硬度高，塑性韌性差。間隙相和間隙化合物的主要區(qū)別是原子半徑比不同，用rx、rm分別表示化合物中的金屬與非金屬的原子半徑，當rx/rm<0.59時，形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的相，稱為間隙相；當rx/rm>0.59時，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，稱為間隙化合物。3.在正溫度梯度下，純金屬和單相固溶體凝固形貌的區(qū)別在正溫度梯度下，純金屬以平直界面方式推移長大（此時，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液體時，都會使其過冷度減小、長大速率減小或者停止生長，即被周圍部分趕上，

22、保持平直界面的推移），長大中晶體沿平行溫度梯度方向生長或者沿散熱方向反向生長，其他方向生長受到抑制。單相固溶體中不僅存在熱過冷，還可能存在成分過冷，當G/R<mv0(1-k0)/Dk0時，即存在成分過冷，平面生長被破壞。當成分過冷較小時，凸起部分不可能有較大的伸展，使界面形成胞狀組織；若成分過冷區(qū)較大，則界面可形成樹枝狀組織。溫度梯度較小不形成成分過冷時，仍可保持平直狀生長。4.鋁板在軋制一天后和四天后在同一溫度下進行退火，退火時間相同，將它們進行再結(jié)晶時溫度有何不同，為什么？放置四天后的鋁板再結(jié)晶溫度較高。原因：再結(jié)晶驅(qū)動力是變形金屬儲存的畸變能，畸變能越大，驅(qū)動力越大，再結(jié)晶溫度越低

23、。放置四天后的鋁板由于時效作用，釋放出部分畸變能，因而再結(jié)晶驅(qū)動力減小，再結(jié)晶溫度升高。5.許多金屬材料的塑性比陶瓷好，為什么？純鐵和純銅的相比，誰的塑性比較好，為什么？金屬材料的塑性好，因為陶瓷燒結(jié)過程中具有很多先天性微裂紋，在拉伸時，裂紋尖端會產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中，當裂紋達到臨界尺寸時就會失穩(wěn)擴展而斷裂；且構(gòu)成陶瓷晶體相的主要為離子鍵和共價鍵，共價鍵的飽和性和方向性使陶瓷的塑性較低。（加上金屬材料主要是金屬鍵。）純銅的塑性好，因為純銅是FCC結(jié)構(gòu)，純鐵是BCC結(jié)構(gòu),雖然BCC的滑移系較多，但是滑移方向較FCC的少，且BCC滑移面原子的密排程度較低，所以面心立方的塑性高于體心立方。6.簡述影響再結(jié)晶后晶粒長大的晶粒大小的因素1.溫度，退火溫度是影響晶粒長大的最主要因素；2.分散相微粒，分散相微粒阻礙晶界遷移，晶界受釘扎，長大速率減小；3.微量熔質(zhì)或雜質(zhì)，金屬中固熔的微量熔質(zhì)或雜質(zhì)的存在能阻礙晶界的移動；4.晶粒間位向差，晶粒間位向差影響晶界活性從而影響晶粒長大速度；5.表面熱蝕溝，熱蝕溝的存在對晶界運動增加了一個約束力從而影響晶粒大小。二、計算題1.在金屬中形成一個空位所需要的激活能為2.0eV(或者0.32*10-18J).在800時，1*104個原子中有一個空位，在何種溫度時，1000個原子中含有1個空位？2.畫出鐵碳相圖畫出滑痕、單滑移