金屬學(xué)原理題庫

金屬學(xué)原理試題題庫

第一章晶體結(jié)構(gòu)

晶帶軸

在晶胞圖上畫出下列晶面：密排六方點陣（-12-10）,體心立方點陣（112）,并計算這

些晶面的面密度。

在立方晶胞圖上畫出具有下列指數(shù)的晶面和晶向：（001）和［210］,（1-10）和［111］；（321）

和［-236］

一個密排六方（體心立方，面心立方）晶胞中有（）個原子，致密度為（），配位數(shù)為

（）,原子的最近距離為（）。（2分）

畫出NaCl的晶胞（3章），指出它所屬的晶系、晶體點陣、空間點陣。（2+3=5分）04

年

答：立方晶系，體心立方晶體點陣，簡潔立方空間點陣。

在六方晶系的晶胞上畫出下列晶面和晶向:（1012）、［1120］、［1101］,并列出｛1012｝晶

面族中全部晶面的指數(shù)。（5分）

4、既不涉及電子轉(zhuǎn)移，也不涉及電子共用的結(jié)合鍵包括（范德華鍵、氫鍵）；

兩種元素間電負性差大，有利于形成（離子）鍵。

第2章純金屬結(jié)晶一

1、液態(tài)金屬中的結(jié)構(gòu)起伏（2）,非均質(zhì)形核（2）

簡述題：

2、純金屬結(jié)晶粒大小的掌握方法及機理

3、簡述影響純金屬結(jié)晶后晶粒大小的因素和細化晶粒的方法。（10分）

4、在晶體生長過程中，平滑界面在宏觀上呈（臺階狀小平面）特征，微觀上呈（晶體

學(xué)界面或小平面界面）特征。

簡述純金屬結(jié)晶時液固界面前沿液體中溫度分布對生長形態(tài)的影響。

5.金屬凝固時，形核的驅(qū)動力是（液一固兩相的自有能差小于零），形核的阻力是（表面

能增高）。

6.綜述金屬結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能量條件和結(jié)構(gòu)條件。

答：必需同時滿意以下四個條件，結(jié)晶才能進行。

（1）熱力學(xué)條件為AGcO。

只有過冷（熱過冷）才能使AGO。由于AG、.=-LmAT/Tm（AT為過冷度），即金屬結(jié)晶

時，實際開頭結(jié)晶的溫度必需低于理論結(jié)晶己度（EPAT>0）,

（2）動力學(xué)條件為存在動態(tài)過冷。

即液態(tài)金屬結(jié)晶時,液一固界面要不斷地向液相中移動，就必需在界面處有肯定的過冷，

這是在界面處實現(xiàn)從液體到固體的凈原子輸送所必需的條件。

（3）能量條件為具有能量起伏。

一個臨界晶核形成時，五分之一的表面能要靠能量起伏來供應(yīng)。

（4）結(jié)構(gòu)條件為具有結(jié)構(gòu)起伏。

液態(tài)金屬中規(guī)章排列的原子集團時聚時散的現(xiàn)象。它是結(jié)晶核心形成的基礎(chǔ)。

第3章相結(jié)構(gòu)

正常價化合物（3）反相疇界

無限固溶體可以是（置換固溶體、間隙固溶體、有序固溶體、無序固溶體）；

間隙固溶體可以是（有限固溶體、無限固溶體、有序固溶體、無序固溶體）；

無序固溶體可以是（置換固溶體、間隙固溶體、有限固溶體、無限固溶體）；（03年）

指出下列金屬元素可能形成那些合金相？并說明所列每種合金相的形成條件和相的成

分、結(jié)構(gòu)、性能特點。（每種合金相4分，至少列出5種，20分，多列不限，多列加分）

FeCCuAlNAuLiCrMgSi（03年）

Cr為體心立方結(jié)構(gòu)，其點陣常數(shù)與a-Fe相近，試問兩者能形成何種固溶體？影響該固

溶體溶解度的因素有哪些？并說明其影響規(guī)律。（6分）

答：置換固溶體；

影響溶解度的因素：1、原子尺寸--原子半徑尺寸差大，溶解度小；2、電化學(xué)因素一一

組元間負電性差大，溶解度?。?、電子濃度--極限電子濃度約為1。4,溶質(zhì)原子價越高，

溶解度越低。4、晶體點陣--類型相同，溶解度高。

4-6章相圖

一、填空題：（6）

Fe-Fe3c相圖中包括（）個單相區(qū)，（）個雙相區(qū)和（）個三相平衡水平線。其

中：

1、含碳量在（）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（）溫度發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形成單

相（）；

2、含碳量在（）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（）溫度發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成（）

和（）兩相混合的共晶體，稱為（）;

3、含碳量在（）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（）溫度發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成（）

和（）兩相混合的共析體，稱為（）。

二、推斷題

1、對于任何相圖，三相區(qū)均為一條等溫線，且與三個單相區(qū)均為點接觸（5）。

2、在共晶線上采用杠桿定律可以計算出共晶體的相對含量。而共晶線屬于三相區(qū)，所

以杠桿定律不僅適用于兩相區(qū)，也適用于三相區(qū)。（x）

3、過共析鋼平衡結(jié)晶條件下的室溫組織組成物為（二次滲碳體和珠光體），相組成為（鐵

素體和滲碳體）。

三、計算題：

1、已知兩組元A（熔點ICXXTC）和B（熔點800℃）在液態(tài)無限互溶，固態(tài)時A不溶

于B,而B在A中固態(tài)最大溶解度為40%,室溫溶解度為10%。500℃時，含70%B的液態(tài)

合金發(fā)生共晶反應(yīng)。試繪出該A-B合金相圖，并分析20%B,50%B和80%B合金的結(jié)晶過

程，計算它們在室溫下組織組成物和相組成物的相對含量（04研）。

2、繪出Fe-Fe3c相圖，并計算含碳量分別為0。5%和1。5%碳鋼室溫平衡組織組成物

的相對含量和相組成無的相對含量。（6）

3、今有一2.0%C的鐵碳合金，在室溫下組織觀看到少量的室溫萊氏體，試分析其緣由；

又有一2.2%C的鐵碳合金，室溫下組織為珠光體與厚網(wǎng)狀的游離滲碳體，沒有萊氏體，分

析其緣由。（6）

計算

4、試畫出Fe-C相圖，并計算3.2%亞共晶白口鐵在室溫時的組織珠光體、二次滲碳體

和室溫萊氏體的相對含量，按相組成計算F和Fe3c室溫時的相對含量。（6）

5、AB二元合金系含有如下轉(zhuǎn)變：（20分）（上交大97年題，03年作業(yè)）

共晶轉(zhuǎn)變：L50%B----f55%+p40%（1340℃）

共析轉(zhuǎn)變：典5%——a28%B+y58%B（1180℃）

組元A：熔點1900℃,同素異形轉(zhuǎn)變點1800℃,

組元B：熔點1500℃

a相在700℃時溶解度為8%B,丫相在700℃時溶解度為65%B

（1）示意繪出AB二元合金相圖（大于700℃）,并注明各相區(qū)；

（2）繪出47%B合金的平衡冷卻曲線；

（3）計算47%B合金在700℃下相組成物的相對量和組織組成物的相對含量；

（4）試提出一種測定相固溶度曲線的方法。

6.組元A和B的熔點分別為700℃和500℃,在液態(tài)完全互溶，在固態(tài)部分互溶形成

a和0固溶體，其最大溶解度分別為為5%B和25%A（重量），在零度時溶解度則為2%B

和5%A（重量）。兩金屬形成熔點為750℃的A2B化合物，A和B的原子量分別為30和50。

在450℃和320℃分別發(fā)生液體成分為22%B和60%B（重量）的共晶轉(zhuǎn)變。（1）試依據(jù)相

律繪成平衡相圖并標注各相區(qū)符號及特征點的溫度和成分。（2）假如盼望得到A2B化合物

與。共晶組織加上5%的削的合金，求該合金的成分。05碩士

答案：（1）相圖，x為A原子重量百分比。

4-22首先求出中間化合物中各組元的重量百分數(shù),設(shè)化合物中含4組元為%則含3

組元為由4-21題,可得，

4原子_30'

■5W2^7一

~~50~

由上式解得①20.55,即化合物中含4組元含3組元45wt%。

由此作成相圖如圖4-（11）所示。

設(shè)

合

金的成分為X,

由

題

6

￡

盛

=(x-0.6)/(0.75-0.6)=5%

x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%

8.依據(jù)如圖所示的二元共晶相圖

(1)分析合金I,II的結(jié)晶過程，并畫出冷卻曲線；

(2)說明室溫下合金I,n的相和組織是什么，并計算出相和組織組成物的相對含量？

(3)假如盼望得到共晶組織加上5%的即的合金，求該合金的成分。

(4)合金I,H在快冷不平衡狀態(tài)下結(jié)晶，組織有何不同？

1

依、T/°CJI

答案：I.

9.Mg—Ni系的一個共晶J展？4^I

4.235.a純Mg+Mg2Ni。5卜：70℃)/

設(shè)WN/=a為亞共晶不粉卬病一。為爸而哈金，這兩相噌稱為先共晶

相的質(zhì)量分數(shù)相等，但。合/門的a總量為C2臺金中a總量為2.5/，試計算

。和C2的成分。/

10.依據(jù)A-B二元相圖/

(1)寫出圖中的液相固卜線、a和［34的溶解度曲線1全M的扇相區(qū)及

三相恒溫轉(zhuǎn)變線；A52n50xn9nR

WB/%

(2)平衡凝固時，計算A-25B(weight%)￡皿.、，，一人)凝固后粗晶p相在鑄

錠中的相對含量；

(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖。

11.下圖為一勻晶相圖，試依據(jù)相圖確定：

(1)w=0.40的合金開頭凝固出來的固相成分為多少？

(2)若開頭凝固出來的固體成分為w=0.60,合金的成分約為多少？

(3)成分為w=0.70的合金最終凝固時的液體成分約為多少？

(4)若合金成分為w=0.50,凝固到某溫度時液相成分儲=0.40,固相成分

為w=0.80,此時液相和固相的相對量各為多少？

第11題答案

12.指出下列相圖中的錯誤:

2題W

相圖?

:,即.

J結(jié)晶

相都U.的成分

7

TL

L

是范圍，這是錯誤的。

13.試述二組元固溶體相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲線的特點？

第13題答案：

第7章合金的凝固

1、有效安排系數(shù)（7）

2、何謂成分過冷？試述影響成分過冷的因素。

3、已知A-B二元共晶合金的共晶溫度為600℃,共晶點成分為60版，固態(tài)下B在A中

的最大溶解度為30%B,純金屬A的熔點為900℃,將20%B的合金在固相無集中、液相完全

不混合的條件下凝固，若要形成胞狀液-固界面，合金在凝固過程中液-固界面處液相的溫度

梯度的最大值是多少？在什么狀況下液-固界面在整個凝固過程中處于平直狀態(tài)？（12分）

（4,7）03年作業(yè)，04期中

4.固溶體合金凝固時;治質(zhì)分布的有效安排系數(shù)K。的定義是（凝固過程中，固體在界

面處的濃度與此時邊界層外液體的平均濃度的比值）。當凝固速率無限緩慢時，Ke趨于（平衡

安排系數(shù)Ko）；當凝固速度很大時，則Ke趨于（1）。

5.Al-Cu合金相圖如下圖所示，假設(shè)安排系數(shù)k和液相線斜率均為常數(shù)。試求：

（l）Cu含量為1%的固溶體進行緩慢地正常凝固，當凝固體積分數(shù)為50%時所凝固出的固

體成分。（2）假設(shè)液體無對流，Cu含量為0.5%的合金開頭凝固時的界面溫度。（3）假設(shè)液

體無對流，測得鑄件的凝固速率為R=3xl0-4cm/s,溫度梯度G=30℃/cm,集中系數(shù)D=

3xl0-5cm/s時，合金凝固時能保持平面界面的最大含銅量。

(2)T=To-mCo/ko=66O.37-32OxO.OO5/0.16650.37℃

(3)臨界條件為

GDk。

Rml-k0=0.18%

6、固溶體合金在非平衡凝固過程中，液/固界面上液相與固相的成分將分別沿著液相平

均成分線和固相平均成分線變化。（x）

7、合金鑄錠組織一般是由（表層細晶區(qū)）、（柱狀晶區(qū)）和（中心等軸區(qū)）幾部分組成,

其中（中心等軸晶區(qū)）的形成機制主要有成分過冷理論和（籽晶成核）理論，在實際凝固條

件下，各區(qū)晶粒均以（樹枝狀方式）長大。

第8章集中

1、集中通量

2、伴隨新相消失的集中過程稱為（反應(yīng)集中或相變集中）；碳原子在鐵晶格中的集中

機制是（間隙集中）；鐵原子的自集中機制是（空位集中）。

3、在一種柯肯達爾集中中，假定：晶體為簡潔立方結(jié)構(gòu)，單位體積（cm3）中原子數(shù)

為常數(shù)并等于1（）23,A、B原子的跳動頻率分別為IO%」和109sLA、B原子任意跳動落到

其它晶面上的幾率為1/6,點陣常數(shù)為0.25nm,濃度梯度為1（）3%（原子）cm」，界面面積為

0.25cm2?求A、B原子通過標志界面的集中通量。（D=a2pr）

4、將原子尺寸相近的A金屬和B金屬制成的棒對焊起來構(gòu)成一集中偶，并在焊接面上

鑲嵌一列惰性金屬絲作為界面的標記，然后加熱至高溫使之充分集中（忽視焊接時引起的集

中）。（2分——8章）

（1）假如集中系數(shù)DQDB,畫圖并說明集中前后金屬絲的位置；（0。5）

（2）用集中機制解釋這種現(xiàn)象；（0。6）

（3）指出構(gòu)成這種集中偶的兩種金屬應(yīng)具備什么樣的條件？（0。5）舉出幾對可能

和不行能消失這種現(xiàn)象的集中偶的例子。（每例0。2分一0。4）

5、寫出集中第肯定律的數(shù)學(xué)表達式，并說明式中各符號的含義及該定律的適用范圍（8

章，6分）

答：J=-D（dC/dx）

J：集中通量，一：集中方向與濃度梯度方向相反；D：集中系數(shù)；dC/dx：濃度梯度。

適用于穩(wěn)態(tài)集中。

第9章晶體缺陷

1、肖脫基空位弗倫克爾空位弗蘭克不全位錯肖克萊不全位錯重合位置點陣

2、畫出面心立方晶體（111）面及該面上可能的滑移方向。若該面上某一位錯運動引起

晶體沿[110]方向切變2"2a/2,圖示并寫出該單位位錯的柏氏矢量。若該位錯為刃型或螺

型位錯時，圖示并寫出位錯線的方向，指出哪根位錯可能交滑移、哪根位錯可能攀移。（1、

9章）

3、-

畫圖說明（1）面心立方晶體（111）面及該面上可能的滑移方向。（2）若該面上某一位

錯運動引起晶體沿[110]方向切變2T?a,圖示并寫出該單位位錯的柏氏矢量。（3）若該位

錯為刃型或螺型位錯時，分別圖示并寫出位錯線的方向，指出哪根位錯可能滑移、交滑移和

攀移。（1、9、10章）（4）若發(fā)生攀移,指出攀移面的指數(shù)，攀移的方向。（5）若發(fā)生交滑

移，指出交滑移的晶面指數(shù)。

答:⑴[110][011][-101];（2）b=a/2[110];（3）為刃型位錯時，[1T-2],可滑移和攀

移;為螺型位錯時，[110],可滑移、交滑移；（4）（110）,[111];（5）（110）,[1-11]

3、離位原子遷移至表面所形成的空位稱為（肖脫基）空位；離位原子遷移至晶界所形

成的空位稱為（肖脫基）空位；離位原子遷移至間隙處所形成的空位稱為（弗蘭克爾）空位;

4、在點陣常數(shù)約為0.404nm的鋁試樣中測得晶粒內(nèi)部位錯密度為5X109cm4假定位

錯全部集中在亞晶界上，每個亞晶粒的截面均為正六邊形，亞晶間的傾斜角為5度，若全部

是刃型位錯b=a/2[101],試求亞晶界上的位錯間距和亞晶的平均尺寸。

5、在面心立方晶體中存在三個單位位錯L”L?和L：“若Li和Ls的柏氏矢量〃[T10]

晶向，L位錯線方向〃[11-2],L2/7[-110],L：,位錯線方向〃[111],其柏氏矢量〃[110]

晶向?（1）推斷三個位錯的性質(zhì)，寫出他們的柏氏矢量，求出它們可能滑移的晶面指數(shù)和多

余原子面指數(shù)（若存在多余原子面），并圖示之（1分）；（2）若L2位錯發(fā)生分解形成擴展位

錯，寫出可能的位錯反應(yīng)并圖示（1分）；（3）在L,位錯的滑移面上作用一與其柏氏矢量平

行的切應(yīng)力，該位錯能否運動？為什么？（1,9）03年作業(yè)

6、畫圖說明下列位錯的運動方向。

7、（共15分）假定在立方晶系中有一柏氏矢量在[011]晶向的刃型位錯L1沿（0-11）晶

面滑移，另有一位錯L2的滑移面為（011）,柏氏矢量方向和位錯線方向均為[0-

11]晶向，請指出：

1、L1位錯線的方向；

2、L2位錯的性質(zhì)；

3、L1與L2交截后L2產(chǎn)生的折線是扭折還是割階？

4、該折線的滑移面指數(shù)。

答：1、[00-1]或[001]（3分）

2、螺型位錯（4分）

3、LIL2產(chǎn)生的折線是刃型割階（4分）。

4、（001）（4分）

第10章

1、單晶體的塑性變形可劃分為（易滑移、線性硬化、拋物線型硬化）幾個階段。

2、可變形質(zhì)點的強化作用來自哪幾方面？（可變形粒子為什么能起到強化作用？）

3、何謂應(yīng)變時效？試用位錯理論解釋應(yīng)變時效現(xiàn)象。（如何解釋應(yīng)變時效現(xiàn)象？）

4、列舉你所知道的金屬晶體的強化途徑，試用位錯理論說明其強化機理。

5、有一合金試樣其晶界能為0.5J/O?,在退火前原始晶粒直徑為2.6X10-3c