中南大學材料科學基礎期末考試題01-06年答案

中南大學材料科學基礎期末考試題01-06年答案中南大學考試試卷答案2001——2002學年第二學期時間110分鐘一、名詞解釋（5分×8）1、金屬玻璃2、金屬間化合物3、離異共晶4、晶界偏聚5、科垂爾氣團（CottrellAtmosphere）6、孿生7、反應擴散8、變形織構參考答案：1.金屬玻璃：指金屬從液態(tài)凝固后其結構與液態(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，結構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：由于晶內與晶界上的畸變能差別或由于空位的存在使得溶質原子或雜質原子在晶界上的富集現(xiàn)象；5.科垂爾氣團：溶質原子在刃型位錯周圍的聚集的現(xiàn)象，這種氣團可以阻礙位錯運動，產生固溶強化效應等結果；6.孿生：是晶體塑性變形的一種重要方式，晶體在切應力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分晶體作均勻切變，使得相鄰部分晶體取向不同，并以切變晶面（攣晶面）成鏡面對稱；7.反應擴散：伴隨有化學反應而形成新相的擴散稱為反應擴散，如從金屬表面向內部滲入金屬時，滲入元素濃度超過溶解度出現(xiàn)新相；8.變形織構：經過塑性變形后原來多晶體中位向不同的晶粒變成取向基本一致，形成晶粒的擇優(yōu)取向，擇優(yōu)取向后的晶體結構為織構，若織構是在塑性變形中產生的，稱為變形織構。二、問答題1、（10分）標出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指數(shù)，OC方向、OC方向的晶向指數(shù)。這些晶面與晶向中，那些可構成滑移系？指出最容易產生滑移的滑移系。參考答案：ABCDEF面的晶面指數(shù)為（0001）或（001）；面的晶面指數(shù)為；OC方向的晶向指數(shù)為或[010]；方向的晶向指數(shù)為或[011]；（0001）與、與可構成滑移系；其中滑移系（0001）容易產生滑移。2、（10分）判斷位錯反應在面心立方晶體中能否進行？若兩個擴展位錯的領先位錯發(fā)生上述反應，會對面心立方金屬性能有何影響。參考答案：參照幾何條和能量條要求，位錯反應可以進行；反應后位錯不可動，影響晶體的加工硬化機制和斷裂性能。3、（10分）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。參考答案：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、晶體結構、晶體缺陷、固溶體類型、擴散元素性質、擴散組元濃度等。4、（10分）指出影響冷變形后金屬再結晶溫度的主要因素。要獲得尺寸細小的再結晶晶粒，有那些主要措施，為什么?參考答案：影響冷變形后金屬再結晶溫度的主要因素有：變形程度、微量雜質和合金元素、金屬晶粒度、加熱時間、加熱速度；要獲得尺寸細小的再結晶晶粒主要措施有：加大冷變形程度，加入微量合金元素，提高加熱速度、采用細晶粒金屬。5、（15分）試述針對工業(yè)純鋁、Al－5％Cu合金、Al－5％Al2O3復合材料分別可能采用那些主要的強化機制來進行強化。參考答案：對工業(yè)純鋁主要的強化機制為加工硬化、細晶強化；Al－5％Cu合金的強化機制為固溶強化、沉淀強化、加工硬化、細晶強化；Al－5％Al2O3復合材料的強化機制為加工硬化、細晶強化、彌散強化。6、（15分）請在如下Pb－Bi－Sn相圖中（1）寫出三相平衡和四相平衡反應式；（2）標出成分為5％Pb，65％Bi與30％Sn合金所在位置，寫出該合金凝固結晶過程，畫出并說明其在室溫下的組織示意圖。參考答案：（1）三相平衡反應式：E2E線：L→Bi＋Sn；E1E線：L→Bi＋Pb；E點為四相平衡，其反應式為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。（1）寫出相圖中三條水平線的反應式，并畫出T1溫度下的成分－自由能曲線示意圖；（2）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；（3）非平衡凝固對Cu－5wt％Sn合金的組織性能有何影響，消除？參考答案：（1）相圖中三條水平線的反應式（溫度由高到低）：包晶反應：L＋α→β，共析反應β→α＋γ，共析反應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原子在分配而產生枝晶偏析；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。8、（20分）低層錯能的工業(yè)純銅鑄錠采用T＝0.5T熔點溫度熱加工開坯軋制。（1）畫出該材料分別在高、低應變速率下熱加工時的真應力－真應變曲線示意圖，并說明影響曲線變化的各種作用機制；（2）開坯后該金屬在室溫下繼續(xù)進行軋制，畫出此時的真應力－真應變曲線示意圖，并說明影響曲線變化的機制；（3）開坯后該金屬要獲得硬態(tài)、半硬態(tài)和軟態(tài)制品，最后工序中可采用那些方法，為什么？參考答案：（1）該材料熱加工時的真應力－真應變曲線示意圖（略），[注意曲線中均應有應力峰值，在高應變速率下出現(xiàn)應力峰值后曲線基本水平，在低應變速率下出現(xiàn)應力峰值后曲線呈波浪]。高應變速率下曲線分三個階段：未發(fā)生動態(tài)再結晶的加工硬化階段，動態(tài)再結晶加劇階段，完全動態(tài)再結晶階段（此時加工硬化與再結晶軟化達到平衡，曲線接近水平，達到穩(wěn)態(tài)流變階段）低應變速率下完全動態(tài)再結晶階段呈波浪形，是反復動態(tài)再結晶軟化－加工硬化－動態(tài)再結晶軟化交替進行的結果；（2）開坯后金屬在室溫下繼續(xù)進行軋制的真應力－真應變曲線示意圖（略）；真應力－真應變曲線一直上升，直至斷裂，主要機制為加工硬化；（3）開坯后要獲得硬態(tài)金屬，可以進行冷加工，機制為加工硬化；獲得軟態(tài)制品，可采用冷加工后再結晶退火；獲得半硬態(tài)制品，可采用冷加工后回復退火，或者完全再結晶退火后適當冷變形。2002——2003學年第二學期時間110分鐘一、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、2.11％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、（）；6、20%A-40%B-40%C二、名詞解釋（6X5=30分）1.晶帶和晶帶軸2.柱狀晶和等軸晶3.包析反應和共析反應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.包析反應和共析反應：由兩個固相反應得到一個固相的過程為包析反應，而由一個固相分解得到其它兩個固相的反應為共析反應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)金屬材料的再結晶溫度來加以區(qū)分，在再結晶溫度以上的加工稱為熱加工，低于再結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；由于溶質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合金在平衡結晶和快速冷卻不平衡結晶時室溫組織特點；（2）Al為fcc結構，圖中的a相為何種晶體結構？（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（共晶反應前）時的平衡分配系數(shù)。（5）設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？（6）繪出T=560℃溫度時各相的自由能-成分曲線示意圖。圖3（1）5.6%Cu合金在平衡結晶時室溫組織為，快速冷卻不平衡結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合金在平衡結晶時室溫組織為α＋θⅡ＋（α＋θ）共晶，快速冷卻不平衡結晶時室溫組織出現(xiàn)離異共晶；（2）fcc結構；（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-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。各四相平衡反應式分別為，1700℃：L＋WC＋W→η，1200℃：L＋η→WC＋γ，1085℃：L→γ＋WC＋γ；Ⅰ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)象對沖壓制表面質量有何不利影響。1.由于柯垂耳氣團的影響2.屈服現(xiàn)象使得沖壓制表面不平整。七、（10分）戶外用的架空銅導線（要求一定的強度）和戶內電燈用花線，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，戶外用的架空銅導線一般用回復退火，戶內電燈用花線采用再結晶退火。八、（10分）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。2003——20xx學年第二學期時間110分鐘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：a+b?g稱為包析反應；固溶體：一個固體組元（溶質）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；成分過冷：合金凝固中由于溶質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，靠內為柱狀晶，最內層為粗大等軸晶。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。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）平衡反應的成分及溫度，反應式為：1495℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反應；1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反應；727℃，A0.77－F0.0218+Fe3C，共析反應；3）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℃時各相的自由能成分曲線示意圖如圖5Cu-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－α20xx——20xx學年第二學期時間110分鐘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1fcc晶胞圖2hcp晶胞參考答案：fcc晶胞如圖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晶中的幾個應用，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0.45％C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Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖如圖3所示。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)＋Fe3CⅢ，F(xiàn)＋P，P，P＋Fe3CⅡ，Ld＋P＋Fe3CⅡ，Ld，Ld＋Fe3CⅠ；c．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＋Fe3CⅡ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，合金中位錯與溶質原子發(fā)生作用形成氣團造成屈服現(xiàn)象和應變時效，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、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和晶界的阻滯效應；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能金屬熱塑性變形主要通過回復軟化，低層錯能金屬熱塑性變形主要通過再結晶軟化，其應力－應變曲線有不同特點。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；反應擴散；面角位錯；晶界偏聚參考答案成分過冷：由于在結晶過程中固溶體合金的溶質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；反應擴散：伴隨有化學反應而形成新相的擴散稱為反應擴散，如從金屬表面向內部滲入金屬時，滲入元素濃度超過溶解度出現(xiàn)新相；面角位錯：在位錯反應中，fcc晶體中不同滑移面上的全位錯分解為不全位錯后，領先不全位錯反應生成新的不可動位錯，導致出現(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：由于晶內與晶界上的畸變能差別或由于空位的存在使得溶質原子或雜質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點反應的反應式；分析圖中合金2的平衡結晶過程，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式分別為，e1P：L→α＋δ；e2P：L→γ＋δ；e3P：L→γ＋β；pP：L＋β→α；PE：L→δ＋βP點反應：L＋α→δ＋β；E點分反應：L→δ＋β＋γ。圖中合金2的平衡結晶過程：L→δ，L→δ＋β，L→δ＋β＋γ，合金2的開始凝固溫度從圖中可以得到為150℃。20xx——20xx學年第二學期時間110分鐘1.名詞解釋螺型位錯：b與位錯線平行的位錯非平衡偏聚：由于空位引起的位錯小角晶界：相鄰晶粒之間同一個晶面間夾角低于10度的晶界滑移系：滑移面與其上的一個滑移方向的總稱變形織構：變形中形成的大部分晶粒位向取向相同的現(xiàn)象再結晶溫度：75％變形量下保溫1h后開始再結晶的溫度動態(tài)再結晶：高層錯能金屬在再結晶溫度以上進行變形時，發(fā)生的軟化過程二、簡答題1.（圖略）分別為：200℃變形組織，強度高，塑性低；500℃：再結晶起始形核組織，仍為纖維組織，強度較高，塑性較好；800℃：再結晶組織，強度低，塑性高；2.戶外用的架空銅導線采用回復退火軟化，只去應力，保留強度；戶內電燈用花線采用再結晶退火軟化3.纖維組織，流線，亞結構為胞狀組織；加工硬化，內應力，織構4.屈服是試樣拉伸中在不變應力下繼續(xù)延展的現(xiàn)象，由于Cotrell氣團引起5.根據(jù)硬度變化，高變形量金屬保溫1h后測量硬度變化6.位錯反應幾何條：b1+b2abcabc能量條：因此位錯反應能進行。對照湯姆森四面體，此位錯反應相當于＋→（全位錯）（肖克萊）（弗蘭克）新位錯的位錯線為和的交線位于(001)面上，且系純刃型位錯。由于(001)面系fcc非密排面，故不能運動，系固定位錯。篇2：中南大學材料科學基礎課后習題中南大學材料科學基礎課后習題本文關鍵詞：材料科學，課后，習題，中南大學，基礎中南大學材料科學基礎課后習題本文簡介：第一章原子排列與晶體結構1.fcc結構的密排方向是，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的關系是；bcc結構的密排方向是，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的關系是；hcp結構的密排方向是，中南大學材料科學基礎課后習題本文內容：第一章原子排列與晶體結構1.fcc結構的密排方向是，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的關系是；bcc結構的密排方向是，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的關系是；hcp結構的密排方向是，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的關系是。2.Al的點陣常數(shù)為0.4049nm，其結構原子體積是，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)生同素異晶轉變是從結構轉變?yōu)榻Y構，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面心立方結構，其原子半徑R=0.175×10-6mm。第二章合金相結構一、填空1）隨著溶質濃度的增大，單相固溶體合金的強度，塑性，導電性，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）置換式固溶體的不均勻性主要表現(xiàn)為和。4）按照溶質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。第三章純金屬的凝固1.填空1.在液態(tài)純金屬中進行均質形核時，需要起伏和起伏。2液態(tài)金屬均質形核時，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在工廠生產條下，過冷度增大，則臨界晶核半徑，金屬結晶冷卻速度越快，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)金屬結晶時，過冷度與臨界晶核半徑，形核功及形核率的關系。4銅的熔點Tm=1356K，熔化熱vHm=1628J/cm2，s=177×10－7J/cm，點陣常數(shù)a=0.3615nm。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，請指出其凝固時控制。7、簡述純金屬凝固時潤濕角θ、雜質顆粒的晶體結構和表面形態(tài)對異質形核的影響。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，除了需要結構起伏和能量起伏外，還要有起伏。2.按液固界面微觀結構，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在一般鑄造條下固溶體合金容易產生偏析，用熱處理方法可以消除。5液態(tài)金屬凝固時，若溫度梯度dT/dX>0（正溫度梯度下），其固、液界面呈狀，dT/dX篇3：中南大學材料科學基礎課后習題答案中南大學材料科學基礎課后習題答案本文關鍵詞：材料科學，課后，習題，中南大學，答案中南大學材料科學基礎課后習題答案本文簡介：第一章原子排列與晶體結構1.[110]，(111)，ABCABC…，0.74，12,4，；[111]，(110),0.68,8,2，；，(0001)，ABAB，0.74，12，6，。2.0.01659nm3，4，8。3.FCC，BCC，減少，降低，膨脹，收縮。4.解答：見圖1－15.解答：設所決定的中南大學材料科學基礎課后習題答案本文內容：第一章原子排列與晶體結構1.[110]，(111)，ABCABC…，0.74，12,4，；[111]，(110),0.68,8,2，；，(0001)，ABAB，0.74，12，6，。2.0.01659nm3，4，8。3.FCC，BCC，減少，降低，膨脹，收縮。4.解答：見圖1－15.解答：設所決定的晶面為（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結構，原子半徑R與點陣常數(shù)a的關系為，故可求得a＝0.4949×10-6mm。則（100）平面的面積S＝a2＝0.244926011×0-12mm2，每個（100）面上的原子個數(shù)為2。所以1mm2上的原子個數(shù)＝4.08×2。第二章合金相結構一、填空1）提高，降低，變差，變大。2）（1）晶體結構；（2）元素之間電負性差；（3）電子濃度；（4）元素之間尺寸差別3）存在溶質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時形成的復雜結構的化合物。二、問答1、解答：a-Fe為bcc結構，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R＝0.0361nm，八面體間隙半徑為0.154Ra，即R＝0.0191nm。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[110]方向R=0.633Ra，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結構，間隙數(shù)目少，間隙半徑大，四面體間隙半徑為0.225Ra，即R＝0.028nm，八面體間隙半徑為0.414Ra，即R＝0.0522nm。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：異類原子之間的結合力大于同類原子之間結合力；合金成分符合一定化學式；低于臨界溫度（有序化溫度）。第三章純金屬的凝固1.填空1.結構和能量。2表面，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，形核需要能量和結構條，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，靠內為柱狀晶，最內層為粗大等軸晶。3解答：液態(tài)金屬結晶時，均勻形核時臨界晶核半徑rK與過冷度vT關系為，臨界形核功vGK等于。異質形核時固相質點可作為晶核長大，其臨界形核功較小，，θ為液相與非均勻形核核心的潤濕角。形核率與過冷度的關系為：，其中N為形核率，C為常數(shù)，ΔGA、ΔGk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，可以近似認為LM=vHm,根據(jù)均勻形核時臨界晶核半徑rK與過冷度vT關系為，可以計算得到r＝0.79×10－7cm＝0.79nm。5：解答：過冷是指金屬結晶時實際結晶溫度Tn比理論結晶溫度Tm低的現(xiàn)象。過冷度ΔT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。6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、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θ＝0°，形核功為0，固相粒子促進形核效果最好；潤濕角θ＝180°，異質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°，b相的常見滑移系為{111}，h相的常見滑移系為（0001）。2）它們單晶變形時應力-應變曲線示意圖如圖。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。當切應力達到晶體的臨界分切應力時，其應力-應變曲線近似為直線，稱為易滑移階段，此時加工硬化率很小，滑移線細長，分布均勻；隨后加工硬化率顯著增加，稱為線性硬化階段，滑移系在幾組相交的滑移系上發(fā)生，位錯彼此交截，滑移線較短；第三階段稱為拋物線硬化階段，加工硬化隨應變增加而減少，出現(xiàn)許多碎斷滑移帶，滑移帶端部出現(xiàn)交滑移痕跡。多晶體加工硬化曲線一般不出現(xiàn)易滑移的第一階段，而加工硬化率明顯高于單晶體。4簡答：冷加工纖維組織是純金屬和單相合金在冷塑性變形時和變形度很大的條下，各晶粒伸長成纖維狀；帶狀組織是復相合金在冷塑性變形和變形度大的條下第二相被破碎或伸長，沿變形方向成帶狀分布而形成的；變形織構是金屬和合金在在冷塑性變形時晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向而形成的。上述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構都使材料的性能具有方向性，即在各個方向上的性能不均，對使用性能有不良影響，但少數(shù)金屬材料，如用作變壓器的硅鋼片，各向異性能更好滿足使用要求。5簡答：金屬材料經熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好的主要原因是熱加工時的高溫、大變形量使氣泡、疏松和微裂紋得到機械焊合，提高了材料的致密性，消除了鑄造缺陷，同時改善夾雜物和脆性相的形態(tài)、大小和分布，使枝晶偏析程度減弱，合金成分均勻性提高，熱加工中形成合理的加工流線，熱加工還可使金屬顯微組織細化，這些都可以提高金屬材料的性能。6簡答：金屬材料經冷加工后，強度增加，硬度增加，塑性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。產生加工硬化的各種可能機制有滑移面上平行位錯間的交互作用的平行位錯硬化理論，以及滑移面上位錯與別的滑移面上位錯林切割產生割階的林位錯強化理論。加工硬化在實際生產中用來控制和改變金屬材料的性能，特別是對不能熱處理強化的合金和純金屬尤為重要，可以進行熱處理強化的合金，加工硬化可以進一步提高材料的強度；加工硬化是實現(xiàn)某些工和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也會帶來塑性降低，使變形困難的影響，還會使材料在使用過程中尺寸不穩(wěn)定，易變形，降低材料耐蝕性。7簡答：可有8個滑移系同時產生滑移（可以通過計算fcc的滑移系與[001]方向的夾角得到此結果）。開動其中一個滑移系至少要施加的拉應力為9簡答：第二相在冷塑性變形過程中的作用一般是提高合金強度，但還取決于第二相的種類數(shù)量顆粒大小形狀分布特點及與基體結合界面結構等，對塑性變形影響復雜。第二相強度高于基體但有一定塑性，其尺寸、含量與基體基本接近，則合金塑性是兩相的變形能力平均值。第二相硬、脆，合金變形只在基體中進行，第二相基本不變形；第二相均勻、彌散分布在固溶體基體上，可以對合金產生顯著強化作用。10簡答：織構由晶粒擇優(yōu)取向形成，變形織構對再結晶織構形成有主要影響，織構造成材料性能各向異性。各向異性在不同情況需要避免或利用。織構控制可以通過控制合金元素的種類和含量、雜質含量、變形工藝（如變向軋制）和退火工藝等多種因素的配合。11簡答：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主要有晶粒被拉長，形成纖維組織，冷變形程度很高時，位錯密度增高，形成位錯纏結和胞狀組織，發(fā)生加工硬化，，變形金屬中出現(xiàn)殘余應力，金屬在單向塑性變形時出現(xiàn)變形織構。12簡答：1）屈服現(xiàn)象是由溶質原子與位錯交互作用產生氣團產生的，在外力作用下使位錯掙脫溶質原子的釘扎，材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，曲線2在位錯脫離釘扎后溶質原子來不及重新聚集形成氣團，故無屈服現(xiàn)象；曲線3在出現(xiàn)屈服后時效再加載，溶質原子可以重新聚集形成氣團，故又出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；2）屈服現(xiàn)象使金屬材料在拉伸和深沖過程中變形不均勻，造成工表面不平整?？梢酝ㄟ^加入與溶質原子形成穩(wěn)定化合物的其它元素，減少間隙溶質原子含量，減少氣團，消除或減輕屈服現(xiàn)象，或在深沖之前進行比屈服伸長范圍稍大的預變形，使位錯掙脫氣團的釘扎，然后盡快深沖。13簡答：根據(jù)霍爾—配奇公式：，則按照題意有：和，可以解得s0＝50，k＝25，故可求得當d=1/16mm時，根據(jù)霍爾—配奇公式求得ss＝50＋25×＝150MNm-2。第八章回復與再結晶1名詞變形織構：多晶體中位向不同的晶粒經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)取向后的晶體結構稱為變形織構，織構在變形中產生，稱為變形織構；再結晶織構是具有變形織構的金屬經過再結晶退火后出現(xiàn)的織構，位向于原變形織構可能相同或不同，但常與原織構有一定位向關系。再結晶全圖：表示冷變形程度、退火溫度與再結晶后晶粒大小的關系（保溫時間一定）的圖。冷加工與熱加工：再結晶溫度以上的加工稱為熱加工，低于再結晶溫度又是室溫下的加工稱為冷加工。帶狀組織：多相合金中的各個相在熱加工中可能沿著變形方向形成的交替排列稱為帶狀組織；加工流線：金屬內部的少量夾雜物在熱加工中順著金屬流動的方向伸長和分布，形成一道一道的細線；動態(tài)再結晶：低層錯能金屬由于開展位錯寬，位錯難于運動而通過動態(tài)回復軟化，金屬在熱加工中由溫度和外力聯(lián)合作用發(fā)生的再結晶稱為動態(tài)再結晶。臨界變形度：再結晶后的晶粒大小與冷變形時的變形程度有一定關系，在某個變形程度時再結晶后得到的晶粒特別粗大，對應的冷變形程度稱為臨界變形度。二次再結晶：某些金屬材料經過嚴重變形后在較高溫度下退火時少數(shù)幾個晶粒優(yōu)先長大成為特別粗大的晶粒，周圍較細的晶粒逐漸被吞掉的反常長大情況。退火孿晶：某些面心立方金屬和合金經過加工和再結晶退火后出現(xiàn)的孿晶組織。2問答1簡答：再結晶是一種組織轉變，從變形組織轉變?yōu)闊o畸變新晶粒的過程，再結晶前后組織形態(tài)改變，晶體結構不變；固態(tài)相變時，組織形態(tài)和晶體結構都改變；晶體結構是否改變是二者的主要區(qū)別。2簡答：變形度較小時以晶界弓出機制形核，變形度大的高層錯能金屬以亞晶合并機制形核，變形度大的低層錯能金屬以亞晶長大機制形核。冷變形度很小時不發(fā)生再結晶，晶粒尺寸基本保持不變，在臨界變形度附近方式再結晶晶粒特別粗大，超過臨界變形度后隨變形度增大，晶粒尺寸減少，在很大變形度下，加熱溫度偏高，少數(shù)晶粒發(fā)二次再結晶，使部分晶粒粗化。3簡答：燈泡中W絲在高溫下工作，晶粒長大后在熱應力作用下破斷，延長鎢絲壽命的方法可以加入第二相質點阻止晶粒在加熱時長大，如加入ThO2顆粒；或在燒結中使制品中形成微細的空隙也可以抑制晶粒長大，如加入少量K、Al、Si等雜質，在燒結時汽化形成極小的氣泡。4簡答：戶外用的架空銅導線要求一定的強度可以進行回復退火，只去應力，保留強度；戶內電燈用花線可以進行再結晶退火，軟化金屬，降低電阻率。5簡答：1）純鋁經90%冷變形后在70e，150e，300e保溫后空冷的組織示意圖如圖。2）純鋁試樣強度、硬度以70e退火后最高，150e退火試樣的強度、硬度次之，300e保溫后強度、硬度最低，而塑性則以70e退火后最低，150e退火試樣的居中，300e保溫后塑性最好；工業(yè)純金屬的再結晶溫度一般可用T再＝（0.3~0.4）T熔估計，故純鋁的再結晶溫度為100e左右，在70℃保溫合金只是發(fā)生回復，顯微組織仍保持加工狀態(tài)，強度。硬度最高，塑性差，組織為纖維組織；150e加熱發(fā)生再結晶，強度、硬度下降，塑性好，300e保溫后發(fā)生晶粒長大，強度、硬度進一步下降，塑性很好。7簡答：可計算得到三種純金屬的再結晶溫度大約為純鈦：550℃，純鋁：100℃，純鉛低于0℃。金屬的軋制開坯溫度要在再結晶溫度以上進行，故工業(yè)純鈦、純鋁和純鉛鑄錠的軋制開坯溫度可分別取200℃，800℃，室溫即可。開坯后在室溫軋制，鉛的塑性最好，鋁的塑性也較好，鈦的塑性最差。在室溫下純鋁和純鉛可以連續(xù)軋制，并獲得很薄的帶材，但純鈦不能繼續(xù)軋制，要獲得很薄的帶材需要在再結晶溫度以上反復進行軋制。8簡答：晶粒大小對金屬材料的室溫力學性能可用Hall－Petch公式描述，晶粒越細小，材料強度越高；高溫下由于晶界產生粘滯性流動，發(fā)生晶粒沿晶界的相對滑動，并產生擴散蠕變，晶粒太細小金屬材料的高溫強度反而降低。生產中可以通過選擇合適的合金成分獲得細小晶粒，利用變質處理，振動、攪拌，加大過冷度等措施細化鑄錠晶粒，利用加工變形細化晶粒，合理制訂再結晶工藝參數(shù)控制晶粒長大。9簡答：固溶強化，細晶強化，加工硬化，第二相強化，相變（熱處理）強化等。10簡答：固溶強化的可能位錯機制主要是溶質原子氣團對位錯的釘扎，增加了位錯滑移阻力。如溶質原子與位錯的彈性交互作用的科垂爾氣團和斯諾克氣團，溶質原子與擴展位錯交互作用的鈴木氣團使層錯寬度增加，位錯難于束集，交滑移困難；溶質原子形成的偏聚和短程有序，位錯運動通過時破壞了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位錯的阻力，以及溶質原子與位錯的靜電交互作用對位錯滑移產生的阻力使材料強度升高。彌散強化也是通過阻礙位錯運動強化材料，如位錯繞過較硬、與基體非共格第二相的Orowan機制和切割較軟、與基體共格的第二相粒子的切割機制。產生加工硬化的各種可能機制有滑移面上平行位錯間的交互作用的平行位錯硬化理論，以及滑移面上位錯與別的滑移面上位錯林切割產生割階的林位錯強化理論。1名詞正吸附：材料表面原子處于結合鍵不飽和狀態(tài)，以吸附介質中原子或晶體內部溶質原子達到平衡狀態(tài)，當溶質原子或雜質原子在表面濃度大于在其在晶體內部的濃度時稱為正吸附；晶界能：晶界上原子從晶格中正常結點位置脫離出來，引起晶界附近區(qū)域內晶格發(fā)生畸變，與晶內相比，界面的單位面積自由能升高，升高部分的能量為晶界能；小角度晶界：多晶體材料中，每個晶粒之間的位向不同，晶粒與晶粒之間存在界面，若相鄰晶粒之間的位向差在10°～2°之間，稱為小角度晶界；晶界偏聚：溶質原子或雜質原子在晶界或相界上的富集，也稱內吸附，有因為尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。2問答1簡答：復合材料由顆粒或纖維與基體構成，存在大量界面。按照顯微結構，其界面層可以區(qū)分為基體與復合物的機械固體嚙合結合、形成化學反應的化合層結合、形成完全或部分固溶體的結合幾種情況。結合層的結合面體積分數(shù)越大，結合層強度越高，基體與復合物之間的結合鍵力越大，結合強度越高。2簡答：晶界具有晶界能，容易發(fā)生溶質原子和雜質原子的晶界偏聚，是原子易擴散通道，晶界在加熱時會發(fā)生遷移，晶界是相變等優(yōu)先形核的地方，晶界易受腐蝕，晶界增多在室溫下強化材料，在高溫下弱化材料強度，晶界處易于析出第二相，晶界容易使位錯塞積，造成應力集中，晶界上原子排列混亂。3簡答：一般金屬的晶界能與晶粒位向差有關，并隨位向差增大而增大，小角度晶界的晶界能小于大角度晶界的晶界能，但大角度晶界能一般可以看成常數(shù)，約為（5～6）×10－5J/cm2。4簡答：影響晶界遷移的因素主要有界面能、溶質原子、第二相質點數(shù)量、尺寸和溫度。界面能降低是晶界遷移的驅動力，與晶界曲率半徑成反比，與界面的表面能成正比，因此大角度晶界遷移率總是大于小角度晶界的遷移率；溶質原子阻礙晶界遷移；第二相質點數(shù)量越多、尺寸越小對晶界的遷移阻礙作用越大，溫度越高晶界遷移越快。第十章原子擴散1簡答：影響擴散的因素主要有溫度，溫度越高，擴散越快；晶體缺陷如界面、晶界位錯容易擴散；不同致密度的晶體結構溶質原子擴散速度不一樣，低致密