材料科學(xué)基礎(chǔ)精析試卷

名詞解釋金屬玻璃金屬間化合物離異共晶晶界偏聚參考答案：1.金屬玻璃：指金屬從液態(tài)凝固后其結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬相同的固體；2.金屬間化合物：金屬與金屬、金屬與某些非金屬之間形成的化合物，結(jié)構(gòu)與組成金屬間化合物的純金屬不同，一一般具有熔點高、硬度高、脆性大的特點。3.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，使得共晶組織失去其特有組織特征的現(xiàn)象；4.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；二、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)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)三、1.變溫截面2.過冷度3.偏析反應(yīng)4.固溶體5.成分過冷6.形核功。1.名詞解釋（3分/個＝18分）變溫截面：三元相圖中垂直成分三角形的截面；過冷度：ΔT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。一、填空（0.5X30=15分）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___，把原子視為半徑為r的剛性球時，原子的半徑是點陣常數(shù)a的關(guān)系為_________。2、形成有序固溶體的必要條件是：（1）________，（2）_________，（3）________。3、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_________________。4、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；奧氏體其晶體結(jié)構(gòu)是____，合金平衡結(jié)晶時，奧氏體的最大含碳量是______；珠光體的含碳量是_____；萊氏體的含碳量為____；在常溫下，亞共析鋼的平衡組織是_____，過共析鋼的平衡組織是_____；Fe3CI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_____5、圖1為簡單立方點陣晶胞，其中ABC面的面指數(shù)是______，AD的晶向指數(shù)是_______。6、圖2是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是_______________。BBAABCD圖1 圖圖2一、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(xué)成分；較慢的冷卻速度3、升高；降低；降低4、2.11％C；2.11％C；鐵素體和滲碳體（α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；6.69％5、（101）；6、20%A-40%B-40%C問答題1寫出非穩(wěn)態(tài)擴散方程的表達式，說明影響方程中擴散系數(shù)的主要因素。非穩(wěn)態(tài)擴散方程的表達式為，若擴散系數(shù)D不隨濃度變化，則可以簡化為；影響方程中擴散系數(shù)的主要因素有溫度、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固溶體類型、擴散元素性質(zhì)、擴散組元濃度等。2試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點。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；3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。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4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。由于溶質(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。寫出固溶體的分類置換、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；6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。鑄錠組織控制、單晶體制備、非晶體制備等……。如何提高固溶體合金的強度固溶強化，加工硬化，細晶強化，沉淀強化看圖題6、（15分）請在如下Pb－Bi－Sn相圖中寫出三相平衡和四相平衡反應(yīng)式；標(biāo)出成分為5％Pb，65％Bi與30％Sn合金所在位置，寫出該合金凝固結(jié)晶過程，畫出并說明其在室溫下的組織示意圖。（1）三相平衡反應(yīng)式：E2E線：L→Bi＋Sn；E1E線：L→Bi＋Pb；E點為四相平衡，其反應(yīng)式為L→Bi＋Sn＋Pb。（2）合金所在位置（略）；該合金凝固過程為：析出初晶L→Bi，剩余液相析出二元共晶，L→Bi＋Sn，再從多余液相中析出三元共晶L→Bi＋Sn＋Pb；室溫下的組織為Bi初晶＋（Bi＋Sn）二元共晶＋（Bi＋Sn＋Pb）三元共晶，室溫下的組織示意圖（略）。7、（20分）Cu－Sn合金相圖如圖所示。寫出相圖中三條水平線的反應(yīng)式，并畫出T1溫度下的成分－自由能曲線示意圖；說明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固過程，分別畫出室溫下組織示意圖；非平衡凝固對Cu－5wt％Sn合金的組織性能有何影響，如何消除？（1）相圖中三條水平線的反應(yīng)式（溫度由高到低）：包晶反應(yīng)：L＋α→β，共析反應(yīng)β→α＋γ，共析反應(yīng)γ→α＋δ；T1溫度下的成分－自由能曲線示意圖（略）；（2）Cu－10wt％Sn合金平衡凝固過程：析出初晶α，凝固后得到單相固溶體α，Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固過程：析出初晶α，發(fā)生包晶反應(yīng)L＋α→β形成β，β分布在α枝晶間隙，隨后還發(fā)生共析反應(yīng)β→α＋γ和γ→α＋δ，最后形成α枝晶之間分布有塊狀δ或（α＋δ）共析體；室溫下組織示意圖（略）。（3）Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固時由于溶質(zhì)原子在分配而產(chǎn)生枝晶偏析；造成合金鑄錠強度低、加工塑性差，枝晶偏析還使合金耐腐蝕性能降低；消除枝晶偏析可以采用將鑄錠在略低于固相線溫度長時間均勻化退火。四、（20分）如圖3的二元合金相圖，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；Al為fcc結(jié)構(gòu)，圖中的a相為何種晶體結(jié)構(gòu)？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。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)。設(shè)X合金平衡凝固完畢時的組織為a初晶+(a+θ)共晶，其中a初晶占80%，則此合金中剛凝固完畢時θ組元的含量是多少？繪出T=560℃溫度時各相的自由能-

（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（α＋θ）共晶；5.7%Cu合金在平衡結(jié)晶時室溫組織為α＋θⅡ＋（α＋θ）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）k0＝0.17（5）9.7％（6）T=560℃溫度時各相的自由能-五、（10分）圖4為Fe-W-C三元系的液相面投影圖。寫出1700℃，1200℃，各四相平衡反應(yīng)式分別為，1700℃：L＋WC＋W→η，1200℃：L＋η→WC＋γ，1085℃：L→γ＋WC＋γ四.根據(jù)Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖回答下列問題：（40畫出Fe-Fe3C寫出下列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。標(biāo)注平衡反應(yīng)的成分及溫度，寫出平衡反應(yīng)式。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，根據(jù)Fe-Fe3C含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織0.4770℃9000.77680剛達到7701.0700剛達到770畫出1200℃時各相的自由能---解答：Fe-Fe3C圖Fe-Fe3C1）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℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反應(yīng)；1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反應(yīng)；727℃，A0.77－F3）凝固過程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P室溫下相組成為F＋Fe3CⅡ，其中；室溫下組織組成為P＋Fe3CⅡ，其中，F(xiàn)e3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。4）三種鋼在給定溫度下的顯微組織如表。1200℃時各相的自由能---含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織0.4770℃P+F900A+F0.77680P剛達到770A1.0700P+Fe3CⅡ剛達到770A+Fe3C五.圖為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：（20分）1）在圖中標(biāo)出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分點。2）計算Cu-20%Zn-8%Al和Cu-25%Zn-6%Al合金中室溫下各相的百分含量，其中α相成分點為Cu-22.5%Zn-3.45%Al，γ相成分點為Cu-18%Zn-11.5%Al。3）分析圖中Y合金的凝固過程。YY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α+γ兩相區(qū)邊界線上，由α＋γ兩相組成。Cu-25Zn-6Al合金位于α＋＋γ的三相區(qū)中，由α＋＋γ的三相區(qū)組成，可以從圖中讀出各相成分點：α：Cu-22.6Zn-3.45Al,γ：Cu-18Zn-11.5Al,β：Cu-30Zn-4Al故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%Cu－25Zn－6Al合金中＝×100％=50%α%=(1-)×43.5%=21.75%,γ％=(1-)×56.5%=28.25%3)Y合金凝固過程：L－α，L－α＋β，β－α（10分）畫出Fe-Fe3C標(biāo)出合金在室溫下的組織組成；寫出相圖中三個等溫反應(yīng)式；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；畫出0.45％C的合金在1148℃試分析元素C及Cr在Fe中的可能存在形式及其作用。圖3Fe-Fe3Cb．合金在室溫下的組織組成：相圖中從左到右依次為：F，F(xiàn)＋Fe3CⅢ，F(xiàn)＋P，P，P＋Fe3CⅡ，Ld＋P＋Fe3CⅡ，Ld，Ld＋Fec．含碳量為0.45％的合金的平衡冷卻過程為：L，L→A，A，A→Fe3CⅡ，A→P，室溫下得到P＋Fe3Cd．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